(57)【要約】【課題】低照度の下でも明るい被写体像を高画質で撮影できるオンチップカラーフィルタを提供する。【解決手段】左上および右下にクリアフィルタであるＣフィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイをそれぞれ０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイを縦横２枚ずつ配列して計１６枚のＲＧＢフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを構成する。基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを例えば０度、９０度、２７０度、１８０度回転したものをこの順で配置し、基本フィルタアレイパターンとする。基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置し撮像素子のオンチップカラーフィルタとする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４行４列のフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置したフィルタアレイを含み、前記基本フィルタアレイパターンが、左上および右下に少なくとも所定のカットオフ波長以上の波長の光を透過する第１フィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイを時計回りに０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイの組合せから構成され、前記基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、前記単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したもの、あるいは０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものをこの順で配置することを特徴とする撮像素子のオンチップカラーフィルタ。
【請求項２】
前記基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、前記単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものをこの順で配置すること特徴とする請求項１に記載のオンチップカラーフィルタ。
【請求項３】
前記第１フィルタがクリアフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオンチップカラーフィルタ。
【請求項４】
前記第１フィルタがＮＤフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオンチップカラーフィルタ。
【請求項５】
前記ＮＤフィルタの透過率が３０％〜５０％であることを特徴とする請求項４に記載のオンチップカラーフィルタ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のオンチップカラーフィルタを搭載する撮像素子。
【請求項７】
請求項６に記載の撮像素子を搭載する電子内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば単板式のカラー撮像素子に搭載されるオンチップカラーフィルタの配列方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１枚の撮像素子を用いてカラー画像を取得する方法としては、撮像素子の各画素を単位としたカラーフィルタアレイを用いる方法が一般的である。カラーフィルタアレイには、ＲＧＢのカラーフィルタを市松模様状に配置したベイヤ配列が広く用いられている。ベイヤ配列では、格子状の２×２画素のフィルタアレイをユニットとし、同ユニットが縦横方向に繰り返し配置される。１つのユニット（２×２画素）は、２枚のＧフィルタと、１枚のＲフィルタ、１枚のＢフィルタから構成され、Ｇフィルタは一方の対角線に沿って、Ｒ、Ｂフィルタは他方の対角線に沿って配置される。また、照度が低い条件の下での撮影を想定して、ベイヤ配列のＧフィルタを透明なフィルタで置き換え、撮像素子の受光感度を向上したフィルタアレイも提案されている（特許文献１）。一方、ベイヤ配列のフィルタアレイでは、その配列の特性からモアレを生じたり、偽色を生じたりといった問題が発生する。これらの問題に対しては、４行４列のフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置することでモアレや偽色を抑制する技術も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１２５８３８号明細書
【特許文献２】特開２０１３−２０１７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、低照度の下でも明るい被写体像を高画質で撮影できるオンチップカラーフィルタを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の撮像素子のオンチップカラーフィルタは、４行４列のフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置したフィルタアレイを含み、基本フィルタアレイパターンが、左上および右下に少なくとも所定のカットオフ波長以上の波長の光を透過する第１フィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイを時計回りに０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイの組合せから構成され、基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したもの、あるいは０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものをこの順で配置することを特徴としている。
【０００６】
基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものをこの順で配置する。第１フィルタは、例えばクリアフィルタである。また第１フィルタは、ＮＤフィルタであってもよく、ＮＤフィルタの透過率は例えば３０％〜５０％であることが好ましい。
【０００７】
本発明の撮像素子は上記オンチップカラーフィルタを搭載したことを特徴としている。
【０００８】
本発明の電子内視鏡は、上記撮像素子を搭載したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低照度の下でも明るい被写体像を高画質で撮影できるオンチップカラーフィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態であるオンチップカラーフィルタを用いた撮像素子を搭載する撮像装置の概観図である。
【図２】単位フィルタアレイのＲフィルタ、Ｃフィルタ、Ｂフィルタの配置と、それを９０度、１８０度、２７０度回転させたときの配置を示す平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図４】図３に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図５】本発明の第２実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図６】図５に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図７】本発明の第３実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図８】図７に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図９】実施形態以外の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図１０】単位フィルタアレイ２０Ａ以外を基準とした基本フィルタアレイパターンの一例を示す。
【図１１】図１０に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図１２】各フィルタの透過率特性を示すグラフである。
【図１３】変形例の単位フィルタアレイの配置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態であるオンチップカラーフィルタを用いた撮像素子を搭載する撮像装置の概観図である。
【００１２】
撮像装置は、例えば電子内視鏡装置１０であり、電子スコープ１１、プロセッサ装置１２、モニタ装置１３などから構成される。スコープ１１の挿入部先端には、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１４が配置され、撮像素子１４には本実施形態のオンチップカラーフィルタ１５が搭載される。
【００１３】
図２は、本実施形態のオンチップカラーフィルタ１５のフィルタアレイを構成する単位フィルタアレイの配列（図２（ａ））と、それを時計回りに９０度（図２（ｂ））、１８０度（図２（ｃ））、２７０度（図２（ｄ））回転した配置を示す平面図である。なお、本明細書においては、図２（ａ）に示される単位フィルタアレイを０度回転されたものとし２０Ａで示し、９０度、１８０度、２７０度回転された単位フィルタアレイをそれぞれ２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄで示す。
【００１４】
図２（ａ）に示されるように、本実施形態の単位フィルタアレイ２０Ａは、ベイヤ配列の２行２列、計４枚のＲＧＢフィルタの２枚のＧフィルタを透明フィルタＣに置き換えたものに対応する。すなわち一方の対角線方向に２枚のＣフィルタが配列され、もう一方の対角線方向にＲ（赤）フィルタ、Ｂ（青）フィルタがそれぞれ１枚ずつ配列される。図２（ａ）の例では、Ｃフィルタが左上および右下に配置され、Ｒフィルタが右上、Ｂフィルタが左下に配置されている。
【００１５】
本実施形態では、図２（ａ）〜（ｄ）に示される０度、９０度、１８０度、２７０度方向にそれぞれ回転された４枚の単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄを、重複することなく縦横２×２の正方格子状に配置したものを基本パターン（基本フィルタアレイパターン）とし、この基本パターンを縦横に繰り返し配列してオンチップカラーフィルタ１５のフィルタアレイ全体を構築する。
【００１６】
単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの１つを基準（例えば２０Ａ）に定め、その単位フィルタアレイの上記基本パターンにおける位置を固定するとき、得られる基本パターンの種類は６（＝(4-1)Ｐ(4-1)）通りとなる。なお、その他のパターン（4Ｐ4−６＝１８種類）は、後述するように、これら６種類のパターンの何れかで代表されるので、その説明は省略する。また、以下の説明では、単位フィルタアレイ２０Ａを基準に定め、これを基本パターンの左上に配置したときに得られる６種類の基本パターンについて図３〜図９を参照して説明する。
【００１７】
図３は、本発明の第１実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ａにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示す。図３では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図４は図３に示される基本フィルタアレイパターン２１Ａを縦横に２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお図４の矢印は、単位フィルタアレイ２０Ａでの上向き方向を示しており、上向き矢印が２０Ａ（０度）、右向き矢印が２０Ｂ（９０度）、下向き矢印が２０Ｃ（１８０度）、左向き矢印が２０Ｄ（２７０度）に対応する。
【００１８】
第１実施形態では、ベイヤ配列の２枚のＧフィルタを、例えば透明な２枚のクリアフィルフィルタ（Ｃフィルタ）に置き換えることで、撮像素子１４の受光感度を高めている。また、第１実施形態では、図４に示されるように、ベイヤ配列における周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｃフィルタ、Ｂフィルタの全てが含まれるのでモアレや偽色の発生が抑えられる。また、Ｃフィルタも比較的均等に分散して配置される。
【００１９】
図５は、本発明の第２実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ｂにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示し、図５では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図６は図５に示される基本フィルタアレイパターン２１Ｂを縦横２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお、図の記載方式は図３、４と同様である。
【００２０】
第２実施形態においても、ベイヤ配列の２枚のＧフィルタが２枚のＣフィルタに置き換えられ、撮像素子１４の受光感度が高められている。そしてフィルタ配列においても、図６に示されるように、ベイヤ配列の周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｃフィルタ、Ｂフィルタが含まれ、モアレや偽色の発生が抑えられる。また、Ｃフィルタも比較的均等に分散して配置される。
【００２１】
図７は、本発明の第３実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ｃにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示し、図７では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図８は図７に示される基本フィルタアレイパターン２１Ｃを縦横２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお、図の記載方式も図３、４と同様である。
【００２２】
第３実施形態においても、ベイヤ配列の２枚のＧフィルタが２枚のＣフィルタに置き換えられ、撮像素子１４の受光感度が高められている。そしてフィルタ配列においても、図８に示されるように、ベイヤ配列の周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｃフィルタ、Ｂフィルタが含まれ、モアレや偽色の発生が抑えられる。
【００２３】
次に、図９（ａ）〜（ｃ）に、単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄを残る３パターンで配列したときの基本フィルタアレイパターン２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆの配置を示す。なお、図９は、図３、図５、図７と同様の方式で描かれている。図示されるように、図９（ａ）の配列（２１Ｄ）では、各行および各列がＲＣＢの中の２色しか含まない。また、図９（ｂ）の配列（２１Ｅ）では各行がＲＣＢの中の２色しか含まず、図９（ｃ）の配列（２１Ｆ）では各列がＲＣＢの中の２色しか含まない。したがって、これら図９（ａ）〜（ｃ）の配列では、実施形態１〜３に比べ偽色の抑制の観点からは劣る。
【００２４】
なお、図１０、１１を参照して、単位フィルタアレイ２０Ａの代わりに９０度回転された単位フィルタアレイ２０Ｂを基準に定めたときの基本パターンが、単位フィルタアレイ２０Ａを基準とした６種類のパターンの１つに該当することを示す一例を示す。
【００２５】
図１０では、単位フィルタアレイ２０Ｂを基準に定め、基本パターンの左上に配置するとともに、２０Ａを右上、２０Ｄを右下、２０Ｃを左下に配置したときの基本パターンのフィルタ配列が示される。また、図１１には図１０の基本パターンを縦横２枚ずつ４枚並べたときのフィルタ配列が示される。ここで図１１において破線で囲まれた領域を参照すると、これは単位フィルタアレイ２０Ａを基準に定め、２０Ｂ（９０度回転）を右上、２０Ｃ（１８０度回転）を右下、２０Ｄ（２７０度回転）を左下に配置したものに対応する。すなわち図１１のフィルタ配列は、図７の基本パターン２１Ｃを縦横に繰り返し配列したものに対応する。このように、図３〜図９を参照して説明された単位フィルタアレイ２０Ａを基準とした６種類のパターン以外のパターンは、この６種類のパターンの何れかによって代表される。
【００２６】
次に、図１２を参照して、Ｒフィルタ、Ｃフィルタ、Ｂフィルタの透過率特性について説明する。図１２の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は各フィルタの透過率（％）である。図において、破線はＢフィルタの透過率特性を示し、一点鎖線はＲフィルタの透過率特性を示す。また、２点鎖線は、Ｃフィルタの透過率特性である。
【００２７】
図１２に示されるように、Ｃフィルタは、略可視領域全体に亘り略透過率１００％である。この場合、撮像素子１４の受光感度は、大幅に高められるが、Ｒフィルタ、Ｂフィルタを通した受光量との差が大きく、色再現性が悪化する可能性がある。したがって、第１〜第３実施形態の変形例として、Ｃフィルタを図１２の実線で示される透過率特性、例えば約３０％〜５０％の透過率を有するＮＤフィルタに置き換えてもよい。このように構成した場合、Ｂフィルタ、Ｒフィルタを透過する光量と間の差が縮小するので、全体の受光感度は幾分低下するものの色再現性が向上する。
【００２８】
また、電子内視鏡を用いた体内の撮影では、一般的に被写体は全体的に赤みを帯びている。したがって更に別の変形例としては、Ｃフィルタに替えて、例えば約４５０ｎｍ〜６００ｎｍにカットオフ波長を有するロングパスフィルタを用いることもできる。このときロングパスフィルタの最大透過率は、例えば約７０％〜１００％に設定される。
【００２９】
また、第１〜第３実施形態では、ベイヤ―配列の２枚のＧフィルタを２枚のＣフィルタで置き換えたが、第１〜第３実施形態の別の変形例として、例えば、図１３に示されるように、２枚のＧフィルタの内の１枚のみをＣフィルタに置き換えることも可能であり、更にこれをＣフィルタに替え上記ＮＤフィルタやロングパスフィルタに置き換えることもできる。なお図１３には、Ｃフィルタが右上、Ｇフィルタが左下に配置されているが、この配置は逆であってもよい。
【００３０】
以上のように第１〜第３実施形態、変形例、それらの組み合わせた構成では、オンチップカラーフィルタの光の透過率を高めることで撮像素子の受光感度が高められ、低照度の下でも明るい被写体像を撮像することが可能になる。また第１〜第３実施形態のフィルタ配列を採用するオンチップカラーフィルタを用いることでモアレや偽色の発生を防止できるので、光学ローパスフィルタを省いても高い解像度の被写体像を撮影できる。
【００３１】
また第１〜第３実施形態、変形例、それらの組み合わせの構成を備えるオンチップカラーフィルタを搭載した撮像素子を電子内視鏡装置に適用した場合、撮像素子が高感度であることから、体内に挿入された内視鏡先端が被写体から離れ照度が低下した場合などにも、明るい被写体像を撮像することができる。そして、光学ローパスフィルタを省略できることから、挿入部先端をより小型化するのにも有利である。
【００３２】
なお、本実施形態のオンチップカラーフィルタは、本実施形態の基本パターン（基本フィルタアレイパターン）の繰り返しを含んでいればよく、ｍ×ｎ枚（ｍ、ｎは整数）の上記基本パターンのみから構成されるとは限らない。例えばカラーフィルタの周縁部は、上記基本パターンの一部で構成されるかもしれない。
【００３３】
また、本実施形態では電子内視鏡装置を例に説明を行ったが、本実施形態のオンチップカラーフィルタは、他の撮像装置に用いてもよく、例えばカメラや携帯電話などの撮像素子にも適用してもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０  電子内視鏡装置
１１  電子スコープ
１２  プロセッサ装置
１３  モニタ装置
１４  撮像素子
１５  オンチップカラーフィルタ
２０Ａ〜２０Ｄ  単位フィルタアレイ
２１Ａ〜２１Ｆ  基本フィルタアレイパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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