(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数特性を有する光学的ローパスフィルタを備えた撮像光学系と、この撮像光学系を通過した撮像光を所定の色成分に分解するベイヤー配列のカラーフィルタと、このカラーフィルタを通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する単板式の撮像素子と、この撮像素子から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成する出力画像信号生成部とを備えた撮像装置であって、
前記光学的ローパスフィルタの周波数特性は、前記撮像素子における各色成分についての縦方向、横方向および斜め方向のサンプリング周波数のうち最も小さいサンプリング周波数に対するナイキスト周波数以上の周波数成分領域であって、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数より低い周波数成分領域を通過させる周波数成分の割合を示す第１偽色通過率が０．３７２８９２４８４以下で０より大きい値に設定されているとともに、
前記撮像素子により生成されたＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が１個の出力画像信号に相当するように、前記撮像素子により生成された画素信号から出力画像信号を生成することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項において、前記撮像素子のサンプリング周波数をｆｓ、前記出力画像信号により構成される出力画像のサンプリング周波数をＦｓとしたとき、
Ｎ＝（ｆｓ／Ｆｓ）２
の関係となることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
所定の周波数特性を有する光学的ローパスフィルタを備えた撮像光学系と、この撮像光学系を通過した撮像光を所定の色成分に分解するベイヤー配列のカラーフィルタと、このカラーフィルタを通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する単板式の撮像素子と、この撮像素子から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成する出力画像信号生成部とを備えた撮像装置であって、
前記光学的ローパスフィルタの周波数特性は、前記撮像素子における各色成分についての縦方向、横方向および斜め方向のサンプリング周波数のうち最も小さいサンプリング周波数に対するナイキスト周波数と、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数との中間周波数以上の周波数成分領域であって、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数より低い周波数成分領域を通過させる周波数成分の割合を示す第２偽色通過率が０．１９４１１３３８８以下で０より大きい値に設定されているとともに、
前記撮像素子により生成されたＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が１個の出力画像信号に相当するように、前記撮像素子により生成された画素信号から出力画像信号を生成することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求の範囲第３項において、前記撮像素子のサンプリング周波数をｆｓ、前記出力画像信号により構成される出力画像のサンプリング周波数をＦｓとしたとき、
Ｎ＝（ｆｓ／Ｆｓ）２
の関係となることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に関し、特に、単板式の撮像素子により被写体を撮像する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カラー画像の撮像装置を単板式の撮像素子によって構成する場合、フォトダイオード（画素）を正方格子状やこれを４５°に傾斜させた正方格子状に配列させるとともに、各フォトダイオードの受光面上にＲ色（赤色）、Ｇ色（緑色）およびＢ色（青色）等の色成分に対応するカラーフィルタをＲＧＧＢ等、規則的に配置している。そして、正方格子配列の場合は、１画素の撮像素子から１画素分の出力画像信号を出力し、４５°傾斜正方格子配列の場合は、１画素の撮像素子から２画素分の出力画像信号を出力し、出力画像を生成するようになっている。
【０００３】
このようなカラー画像を撮影する撮像装置において正確な出力画像を生成するためには、撮像素子のサンプリング周波数が被写体の空間周波数の２倍以上である必要がある。すなわち、被写体の空間周波数が、撮像素子のナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２周波数）を越えている場合、被写体の明暗の境界などに偽色（色モアレ）が発生してしまうおそれがある。このため、通常は、撮像素子のナイキスト周波数をカットオフ周波数に設定した光学ローパスフィルタを光路中に設け、撮像素子に入射する撮像光をフィルタリングしている。
【０００４】
単板式の撮像素子で構成された従来の撮像装置としては、特開平６−１４１３３０号公報に記載の発明が提案されている（特許文献１）。この公報に記載の発明は、主として、単板または２板タイプの撮像素子と、遮断周波数がサンプリング周波数の１／２以下の周波数であってビデオアンプ回路出力から有効なＲ成分，Ｇ成分，Ｂ成分を検出する低域フィルタ回路とを有している。
【特許文献１】特開平６−１４１３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開平６−１４１３３０号公報に記載された発明を含め、従来提案されている単板式の撮像素子の場合、撮像素子と出力画像の画素とは１：１または１：２の関係の下で出力画像が構成されている。このため、出力画像を構成する各画素は、撮像素子からＲ色、Ｇ色、Ｂ色のいずれか一色の出力信号を受けるだけであり、他の２色の信号を当該画素周辺の他の画素から補間することにより、いわば出力色を推定するようになっている。したがって、３板式の撮像素子であれば、各画素ごとにＲ色、Ｇ色およびＢ色の信号を取得するため、偽色が発生し得ないのに対し、単板式の撮像素子では、完全に正確な色を再現するのは困難であり、偽色が発生しやすい。
【０００６】
偽色が発生しやすいメカニズムについて更に検討すれば、図２あるいは図４に示すように、従来、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、すべての色のサンプリング周波数の１／２周波数（ナイキスト周波数）未満に設定できているわけではないという問題が挙げられる。
【０００７】
例えば、図１および図２に示すように、正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子（画素ピッチ：ｄ）の場合、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、全色のサンプリング周波数に対するナイキスト周波数未満に設定するのが好ましい。しかし、現実には、解像度を犠牲にしたくないため、視覚に与える影響の大きいＧ色の縦横方向におけるサンプリング周波数に合わせてｆｓ／２（ｆｓ：撮像素子のサンプリング周波数）辺りに設定される。このため、カットオフ周波数ｆｃは、Ｇ色の縦横方向に不要な高い周波数を除去することができるが、Ｒ色およびＢ色の縦横方向におけるナイキスト周波数、およびＲ色、Ｇ色、Ｂ色における斜め方向のナイキスト周波数よりも高い周波数を透過させてしまうため、これらの色に関する画素信号が正しく推定されず、偽色が発生し易くなるという欠点がある。
【０００８】
なお、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃをＲ色、Ｇ色、Ｂ色のうち最も小さいサンプリング周波数である、Ｒ色およびＢ色の縦横方向におけるサンプリング周波数に対するナイキスト周波数未満に設定すれば各色の偽色発生を防止できるが、Ｇ色成分の信号が不足し、生成される出力画像の解像度が低下してぼやけてしまうという欠点がある。
【０００９】
また、図３および図４に示すように、正方格子を４５°傾斜させて配列した撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子（画素ピッチ：ｄ）の場合、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、全色のサンプリング周波数に対するナイキスト周波数未満に設定するのが好ましい。しかし、現実には、解像度を犠牲にしたくないため、視覚に与える影響の大きいＧ色の斜め方向におけるサンプリング周波数に合わせてｆｓ／２（ｆｓ：撮像素子のサンプリング周波数）辺りに設定される。このため、カットオフ周波数ｆｃは、Ｇ色の斜め方向に不要な高い周波数を除去することができるが、その他の縦横方向や他のＲ色およびＢ色の縦横方向および斜め方向におけるナイキスト周波数よりも高い周波数を透過させてしまうため、上述の正方格子配列と同様、これらの色に関する画素信号が正しく推定されず、偽色が発生し易くなるという欠点がある。逆に、カットオフ周波数ｆｃをＲ色およびＢ色成分のサンプリング周波数に合わせれば、偽色の発生を防止できるが、出力画像の解像度が低下してぼやけてしまうという問題が生じる。
【００１０】
なお、撮像素子を三板式に構成すれば単板式のような偽色の問題は生じないが、機構が複雑であって大型化や重量増しにつながるためコンパクト化のニーズに反するという別の大きな問題が生じてしまう。また、三板式の場合であっても各３色の撮像素子から出力される信号の合成が狂えば容易に画像が乱れてしまうため、単板式よりも厳格な取付位置精度が必要であるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、簡単な単板式の撮像素子でありながら色の再現能力と解像能力を３板式の撮像素子並みに高めることができる撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る撮像装置の特徴は、所定の周波数特性を有する光学的ローパスフィルタを備えた撮像光学系と、この撮像光学系を通過した撮像光を所定の色成分に分解するベイヤー配列のカラーフィルタと、このカラーフィルタを通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する単板式の撮像素子と、この撮像素子から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成する出力画像信号生成部とを備えた撮像装置であって、前記光学的ローパスフィルタの周波数特性は、前記撮像素子における各色成分についての縦方向、横方向および斜め方向のサンプリング周波数のうち最も小さいサンプリング周波数に対するナイキスト周波数以上の周波数成分領域であって、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数より低い周波数成分領域を通過させる周波数成分の割合を示す第１偽色通過率が０．３７２８９２４８４以下で０より大きい値に設定されているとともに、前記撮像素子により生成されたＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が１個の出力画像信号に相当するように、前記撮像素子により生成された画素信号から出力画像信号を生成する点にある。
【００１３】
また、本発明に係る撮像装置の特徴は、所定の周波数特性を有する光学的ローパスフィルタを備えた撮像光学系と、この撮像光学系を通過した撮像光を所定の色成分に分解するベイヤー配列のカラーフィルタと、このカラーフィルタを通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する単板式の撮像素子と、この撮像素子から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成する出力画像信号生成部とを備えた撮像装置であって、前記光学的ローパスフィルタの周波数特性は、前記撮像素子における各色成分についての縦方向、横方向および斜め方向のサンプリング周波数のうち最も小さいサンプリング周波数に対するナイキスト周波数と、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数との中間周波数以上の周波数成分領域であって、前記撮像素子のサンプリング周波数のナイキスト周波数より低い周波数成分領域を通過させる周波数成分の割合を示す第２偽色通過率が０．１９４１１３３８８以下で０より大きい値に設定されているとともに、前記撮像素子により生成されたＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が１個の出力画像信号に相当するように、前記撮像素子により生成された画素信号から出力画像信号を生成する点にある。
【００１４】
さらに、本発明において、前記撮像素子のサンプリング周波数をｆｓ、前記出力画像信号により構成される出力画像のサンプリング周波数をＦｓとしたとき、
Ｎ＝（ｆｓ／Ｆｓ）２
の関係となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な単板式の撮像素子でありながら色の再現能力と解像能力の両方を３板式の撮像素子並みに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
図１は、従来の正方格子配列における撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図２は、従来の正方格子配列における光学的ローパスフィルタのカットオフ周波数と各色のナイキスト周波数との関係を示す模式図である。
図３は、従来の４５°傾斜正方格子配列における撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図４は、従来の４５°傾斜正方格子配列における光学的ローパスフィルタのカットオフ周波数と各色のナイキスト周波数との関係を示す模式図である。
図５は、本発明に係る撮像装置の実施形態を示す模式図である。
図６は、本実施形態の撮像素子において、ベイヤー配列させたカラーフィルタを示す模式図である。
図７は、本実施形態の撮像素子において、（ａ）正方格子配列、および（ｂ）４５°傾斜正方格子配列させた画素を示す模式図である。
図８は、撮像素子において発生する偽色と空間周波数との関係を示す図である。
図９は、本実施形態において、光学的ローパスフィルタを主体として偽色を低減する場合の光学的ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
図１０は、第１偽色通過率および第２偽色通過率を説明するために水晶を実装したローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
図１１は、本実施形態において、ＣＰＵによる画像処理を優先させて光学的ローパスフィルタによるフィルタリングを軽くさせて偽色を低減する場合の光学的ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
図１２は、正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子における（ａ）撮像画素ピッチ、（ｂ）Ｇ色の縦方向および横方向のサンプリング間隔、（ｃ）Ｒ色およびＢ色の縦方向および横方向のサンプリング間隔、（ｄ）Ｇ色の斜め方向のサンプリング間隔、（ｅ）Ｒ色およびＢ色の斜め方向のサンプリング間隔を示す模式図である。
図１３は、４５°傾斜正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子における（ａ）撮像画素ピッチ、（ｂ）Ｇ色の縦方向および横方向のサンプリング間隔、（ｃ）Ｒ色およびＢ色の縦方向および横方向のサンプリング間隔、（ｄ）Ｇ色の斜め方向のサンプリング間隔、（ｅ）Ｒ色およびＢ色の斜め方向のサンプリング間隔を示す模式図である。
図１４は、本実施例１の撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図１５は、本実施例２の撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図１６は、本実施例３の撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図１７は、本実施例４の撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図１８は、本実施例５の撮像素子と出力画像の関係を示す模式図である。
図１９は、本実施形態の実施例１〜５における撮像素子により生成された画素信号の周波数と、出力画像において表現し得る最大周波数Ｆｓ／２との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る撮像装置１の実施形態について図面を用いて説明する。
図５は、本発明に係る撮像装置１の実施形態の主要構成部を示す図である。本実施形態の撮像装置１は、光学的ローパスフィルタ２を備えた撮像光学系３と、この撮像光学系３から出力された撮像光を所定の色成分に分解するカラーフィルタ４と、このカラーフィルタ４を通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する撮像素子５と、この撮像素子５から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成する出力画像信号生成部６とを備えている。
【００１８】
本実施形態の各構成部についてより詳細に説明する。光学的ローパスフィルタ２は、撮像光の高い空間周波数成分を抑制する役割を果たすものである。光学的ローパスフィルタ２は、所定の周波数特性を有しており、撮像光の光路上で撮像素子５の前方に配置される。光学的ローパスフィルタ２は、水晶フィルタや回折格子等のように所定の高周波数の撮像光を遮断できるものであればあらゆる構造の手段を適用できる。また、そのように高周波の撮像光を遮断する構造に限ることなく、撮像素子５に入射する撮像光のピントをぼかすような手段であってもよい。
【００１９】
また、本実施形態では、撮像素子５でのサンプリングにより発生する偽色を低減するため、この偽色の原因となる周波数成分を抑制するように光学的ローパスフィルタ２の周波数特性を後述するように所定の値に設定している。
【００２０】
撮像光学系３は、撮像光を撮像素子５に導く役割を果たすものである。本実施形態では、光学的ローパスフィルタ２を含め、撮影レンズや、赤外線除去フィルタ等から構成されている。なお、赤外線除去フィルタは、フォトダイオードに入射する赤外線を遮断するためのものであり、光学的ローパスフィルタ２の前方に配置され、１枚のガラスブロックとして構成されている。
【００２１】
カラーフィルタ４は、撮像素子５を構成する各画素の受光面上に所定パターンで規則的に配置され、撮像光を所定の色成分にフィルタリングする役割を果たすものである。本実施形態では、カラーフィルタ４を構成する第１色、第２色、第３色の３つの色として、Ｒ色、Ｇ色およびＢ色の原色フィルタを使用している。
【００２２】
撮像素子５は、受光した撮像光を電気的な画像情報に光電変換して電荷量として貯え、これを電気信号として出力画像信号生成部６に出力する役割を果たすものである。撮像素子５は、所定パターンで配列された複数の画素（フォトダイオード）を有しており、この各画素の受光面上にカラーフィルタ４を所定パターンで規則的に配置している。画素の配列パターンとしては、図７（ａ）に示すような正方格子配列や、この正方格子配列を４５°傾斜させた図７（ｂ）に示すような４５°傾斜正方格子配列が一般的に知られている。
【００２３】
出力画像信号生成部６は、撮像素子５の各画素から取得した画素信号をＡ／Ｄ変換するとともに、各種の画像処理を施し、出力画像信号を生成する役割を果たすものである。出力画像信号生成部６は、Ａ／Ｄコンバータ７とＣＰＵ８（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）により構成されており、撮像素子５と電気的に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ７は、アナログ電気信号である画素信号をデジタルデータに変換する。また、ＣＰＵ８は、Ａ／Ｄ変換された画素信号にオプティカルブラック処理、ホワイトバランス処理、色補正処理、色補間処理、ノイズ抑制処理、輪郭強調処理、Ｙ補正処理および解像度変換処理等の各種の画像処理を施し、出力画像信号を生成するようになっている。このとき、解像度変換処理の変換比率は、Ａ／Ｄ変換されたＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が１個の出力画像信号に相当するように設定しておく。
【００２４】
なお、本実施形態では、ＣＰＵ８により出力画像信号生成部６を構成しているが、これに限られるものではない。例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やハードワイヤードロジックにより構成してもよく、あるいはＡ／Ｄ変換された画素信号をＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）に取り込んで各種のプログラムにより上述した画像処理を行わせるようにしてもよい。
【００２５】
つぎに、光学的ローパスフィルタ２の周波数特性とＣＰＵ８による解像度変換処理の変換比率との関係について説明する。本実施形態では、上述したように、撮像素子５でのサンプリングにより発生する偽色をできるだけ低減するため、従来の撮像装置では通過させていた撮像素子５のサンプリング周波数ｆｓに対するナイキスト周波数（以下、撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２）より低い周波数成分をも通過させないようにしている。
【００２６】
詳述すると、図８に示すように、撮像素子５における各色成分についての縦方向、横方向および斜め方向のサンプリング周波数のうち、最も小さいサンプリング周波数に対するナイキスト周波数（以下、最小ナイキスト周波数ｆａ）以上の周波数成分が偽色の原因となり得るため、この最小ナイキスト周波数ｆａ以上の周波数成分を、光学的ローパスフィルタ２の周波数特性とＣＰＵ８の画像処理により抑制している。
【００２７】
しかしながら、撮像素子５のサンプリング周波数ｆｓのナイキスト周波数より低い周波数成分を抑制することにより、撮像素子５により生成される画素信号の解像度は低くなってしまう。この解像度の低下を防止するため、本実施形態では、ＣＰＵ８による解像度変換処理の変換比率を、撮像素子５により生成されるＮ（Ｎは２以上の実数）個の画素信号が、１個の出力画像信号に相当するように設定している。これにより、出力画像の１画素に相当する撮像素子５でのサンプリング数が２以上となり、出力画像信号によって表現し得る最大の周波数（出力画像のサンプリング周波数Ｆｓに対するナイキスト周波数Ｆｓ／２）まで、出力画像の解像度が高められる。
【００２８】
つぎに、光学的ローパスフィルタ２の周波数特性について説明する。上述したように、本実施形態の撮像装置１の特徴は、偽色発生の原因となる最小ナイキスト周波数ｆａ以上の周波数成分を遮断する点にある。したがって、理想的には、最小ナイキスト周波数ｆａ以上の周波数成分を完全に遮断することが望ましいが、現実の光学的ローパスフィルタ２では完全に遮断することは困難である。そこで、本実施形態では、従来の撮像装置において通過させていた撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２より低い周波数成分をどの程度の割合で遮断させるかという観点から光学的ローパスフィルタ２の周波数特性を設定している。この際、最小ナイキスト周波数ｆａ以上の周波数成分を光学的ローパスフィルタ２を主体として抑制する場合と、ＣＰＵ８の画像処理による抑制をできるだけ使用し、画像処理では抑制し切れない周波数成分を光学的ローパスフィルタ２を使って抑制する場合とを想定し、それぞれの場合について、好適な周波数特性の値を設定するようにした。
【００２９】
まず、光学的ローパスフィルタ２を主体として偽色を低減する場合、光学的ローパスフィルタ２は、図９に示すような周波数特性を有している。具体的には、最小ナイキスト周波数ｆａ以上であって、かつ、撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２より低い周波数成分を第１偽色発生領域としたとき、この第１偽色発生領域において通過される周波数成分の割合を第１偽色通過率と定義する。そして、図９で示す第１偽色発生領域を通過する周波数成分を第１偽色通過領域とすれば、第１偽色通過率は、前記第１偽色発生領域の面積に対する前記第１偽色通過領域の面積の比率によって算出する。
【００３０】
本実施形態では、前記第１偽色通過率を０．４以下となるように設定する。光学的ローパスフィルタ２が、通常、水晶の複屈折を利用して実装されるため、これを想定して第１偽色通過率を算出した。つまり、光線を水晶に通すことによって２つに分離されるローパスフィルタを設け、前記分離した２つの撮像光の距離を撮像素子の画素ピッチｄとすると、図１０に示すように、ヌル点周波数が１／（２ｄ）の周波数特性を持つようになる。
【００３１】
しかしながら、従来の単板式デジタルカメラにおいては、ヌル点周波数を１／（２ｄ）にすると解像度が低くなり過ぎるため、ローパスフィルタの効果を弱めるように、ヌル点周波数の値を高めに設定している。これに対し、本発明に係る実施形態では、撮像素子５でサンプリングする段階での解像度が低くても、出力画像信号生成部６により出力画像信号の解像度を相対的に高めることができるため、従来の単板式デジタルカメラとは逆に、ローパスフィルタの効果を強めても、解像度を低下させることなく偽色を抑制できる。
【００３２】
したがって、光学的ローパスフィルタ２で画素ピッチｄだけ光線を分離させるようにする位置が、従来の撮像装置と本実施形態の撮像装置との境界になる。そして、正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子の場合および４５度傾斜正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがベイヤー配列されている撮像素子の場合ともにｆｓ／２＝１／（２ｄ），ｆａ＝１／（４ｄ）なので、第１偽色通過率を計算すると、第１偽色通過率＝０．３７２８９２４８４≒０．４となる。
【００３３】
したがって、本実施形態の第１偽色通過率は０．４以下の値に設定している。この場合、光学的ローパスフィルタ２を強めに設定することになるが、画像処理を行うＣＰＵ８の負担が軽減されるという利点がある。なお、偽色を発生させる要因は撮像素子５のサンプリングによって起こる高い周波数成分の折り返りによるものだけではないため、どのような場合であってもある程度の画像処理は必要とされる。
【００３４】
一方、光学的ローパスフィルタ２によるフィルタリングをあまり強くかけずに、ＣＰＵ８による画像処理を積極的に利用することによって偽色を低減する場合、光学的ローパスフィルタ２は、図１１に示すような周波数特性を有している。具体的には、最小ナイキスト周波数ｆａと、撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２との中間周波数（ｆａ＋ｆｓ／２）／２以上であって、かつ、撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２より低い周波数成分を第２偽色発生領域としたとき、この第２偽色発生領域において通過される周波数成分の割合を第２偽色通過率と定義する。これは、最小ナイキスト周波数ｆａ側の周波数成分は画像処理により抑制し易く、撮像素子ナイキスト周波数ｆｓ／２側の周波数成分は画像処理により抑制し難いことに基づいて定めたものである。そして、図１１で示す第２偽色発生領域を通過する周波数成分を第２偽色通過領域とすれば、前記第２偽色通過率は、前記第２偽色発生領域の面積に対する前記第２偽色通過領域の面積の比率によって算出する。
【００３５】
本実施形態では、前記第２偽色通過率が０．２以下となるように設定する。この数値は、前述した第１偽色通過率と同様の根拠によって求めており、計算上、第２偽色通過率＝０．１９４１１３３８８≒０．２となる。したがって、この場合、ＣＰＵ８の画像処理を厳密に施す必要があるが、光学的ローパスフィルタ２を弱めに設定してもよいという利点がある。
【００３６】
つぎに、最小ナイキスト周波数ｆａについて説明する。図１２は撮像素子５が正方格子配列された場合を示す。この場合、図１２（ａ）に示すように、撮像素子５の画素ピッチｄを用いると、Ｇ色の横方向のサンプリング間隔はｄであり（図１２（ｂ））、Ｒ色（およびＢ色）の横方向のサンプリング間隔は２ｄであり（図１２（ｃ））、Ｇ色の斜め方向のサンプリング間隔は（√２）＊ｄであり（図１２（ｄ））、Ｒ色（およびＢ色）の斜め方向のサンプリング間隔は（√２）＊ｄある（図１２（ｅ））。したがって、これらの中で、最も長いサンプリング間隔は、Ｒ色およびＢ色の縦横方向のサンプリング間隔２ｄであるため、最小ナイキスト周波数ｆａは、Ｒ色およびＢ色の縦横方向のナイキスト周波数である１／（４ｄ）となる。
【００３７】
また、図１３は撮像素子５が４５°傾斜正方格子配列された場合を示す。この場合、図１３（ａ）に示すように、画素ピッチｄとして撮像素子５の４５°傾斜方向における画素ピッチを用いると、Ｇ色の横方向のサンプリング間隔は（√２）＊ｄであり（図１３（ｂ））、Ｒ色（およびＢ色）の横方向のサンプリング間隔は（√２）＊ｄであり（図１３（ｃ））、Ｇ色の斜め方向のサンプリング間隔はｄであり（図１３（ｄ））、Ｒ色（およびＢ色）の斜め方向のサンプリング間隔は２ｄである（図１３（ｅ））。これらの中で、最も長いサンプリング間隔は、Ｒ色およびＢ色の斜め方向のサンプリング間隔である２ｄである。したがって、最小ナイキスト周波数ｆａは、Ｒ色およびＢ色の斜め方向のナイキスト周波数である１／（４ｄ）となり、正方格子配列された撮像素子５と同様である。
【００３８】
以上より、本実施形態では、正方格子配列および４５°傾斜正方格子配列された撮像素子５（画素ピッチ：ｄ）を使用して出力画像を生成する場合、第１偽色発生領域が１／（４ｄ）以上で、かつ、１／（２ｄ）より小さい値の範囲となり、上述した第１偽色通過率または第２偽色通過率の条件を満たすような光学的ローパスフィルタ２を選択する。
【００３９】
つぎに、本実施形態の撮像装置１による撮像方法について説明する。
本実施形態の撮像装置１により被写体を撮像する場合、まず、被写体からの撮像光を撮像光学系３を介して光学的ローパスフィルタ２に入射させる。光学的ローパスフィルタ２に入射した撮像光は、所定の周波数特性に従って、撮像素子５の最小ナイキスト周波数ｆａより高周波域の空間周波数が主として遮断される。光学的ローパスフィルタ２を透過した撮像光は、カラーフィルタ４により、Ｒ色、Ｇ色およびＢ色成分にそれぞれ分解されて撮像素子５の受光面に結像される。このとき、従来の単板式の撮像装置に比べて、光学的ローパスフィルタ２によって偽色成分を大きく除去するため、出力画像の色再現性が格段に向上する。
【００４０】
撮像素子５では、各画素を構成するフォトダイオードに入射した撮像光を電荷として蓄積し、これを画素信号として出力画像信号生成部６に供給する。このとき、撮像光はカラーフィルタ４によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色に分解されているため、各画素の画素信号は、いずれかの色に関する輝度情報として読み出される。読み出された画素信号は、Ａ／Ｄコンバータ７によりデジタルデータに変換された後、ＣＰＵ８に受け渡される。ＣＰＵ８は、受け取った画素信号に基づいて、出力画像の各画素を構成する出力画像信号を生成する。このとき、従来の単板式の撮像装置に比べて、出力画像の各画素を生成するのに使用する撮像素子５の相当画素数が多く設定されているため、出力画像の解像度が格段に向上する。
【００４１】
以上のようにして得られた出力画像信号は、本実施形態の撮像装置１を備えたデジタルカメラやデジタルビデオカメラの出力信号として供給される。
【００４２】
つぎに、本実施形態の具体的な実施例について説明する。以下の各実施例１〜５では、撮像素子５の画素配列および撮像素子５の画素ピッチｄ（＝１／ｆｓ）に対する出力画像の画素ピッチＤ（＝１／Ｆｓ）の比ｋ（Ｄ＝ｋｄ）がそれぞれ異なる場合について、ＣＰＵ８の解像度変換処理における変換比率、すなわち、１画素の出力画像信号を生成するのに使用する画素信号の相当数Ｎを求めた。なお、以下の各実施例１〜５では、上述しように、第１偽色通過率または第２偽色通過率の条件を満たすような周波数特性を有する光学的ローパスフィルタ２を使用している。また、カラーフィルタ４はベイヤー配列のものを使用している。
【００４３】
＜実施例１＞
実施例１では、図１４に示すように、正方格子配列された画素を有し、撮像素子５の画素ピッチｄに対する出力画像の画素ピッチＤの比ｋが１．５（Ｄ＝１．５ｄ）である撮像素子５を使用した。図１４からもわかるように、１画素の出力画像信号に対して２．２５個相当の画素信号がサンプリングされているため、Ｎは２．２５である。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例２では、図１５に示すように、正方格子配列された画素を有し、撮像素子５の画素ピッチｄに対する出力画像の画素ピッチＤの比ｋが２（Ｄ＝２ｄ）である撮像素子５を使用した。図１５からもわかるように、１画素の出力画像信号に対して４個相当の画素信号がサンプリングされているため、Ｎは４である。
【００４５】
＜実施例３＞
実施例３では、図１６に示すように、正方格子配列された画素を有し、撮像素子５の画素ピッチｄに対する出力画像の画素ピッチＤの比ｋが４（Ｄ＝４ｄ）である撮像素子５を使用した。図１６からもわかるように、１画素の出力画像信号に対して１６個相当の画素信号がサンプリングされているため、Ｎは１６である。
【００４６】
＜実施例４＞
実施例４では、図１７に示すように、４５°傾斜正方格子配列された画素を有し、撮像素子５の画素ピッチｄに対する出力画像の画素ピッチＤの比ｋが√２（Ｄ＝（√２）＊ｄ）である撮像素子５を使用した。図１７からもわかるように、１画素の出力画像信号に対して２個相当の画素信号がサンプリングされているため、Ｎは２である。
【００４７】
＜実施例５＞
実施例５では、図１８に示すように、４５°傾斜正方格子配列された画素を有し、撮像素子５の画素ピッチｄに対する出力画像の画素ピッチＤの比ｋが２√２（Ｄ＝（２√２）＊ｄ）である撮像素子５を使用した。図１８からもわかるように、１画素の出力画像信号に対して８個相当の画素信号がサンプリングされているため、Ｎは８である。
【００４８】
以上の実施例１〜５より、１個の出力画像信号に相当するように撮像素子５により生成される画素信号の数Ｎは、撮像素子５の配列方法に関わらず、
Ｎ＝ｋ２＝（Ｄ／ｄ）２＝（ｆｓ／Ｆｓ）２  ・・・式（１）
と表されることがわかる。また、出力画像のサンプリング周波数Ｆｓは、
Ｆｓ＝１／Ｄ＝１／（ｋｄ）＝ｆｓ／ｋ  ・・・式（２）
と表される。したがって、実施例１〜５において、撮像素子５により生成された画素信号の周波数と、出力画像において表現し得る最大周波数Ｆｓ／２との関係は、図１９に示す関係となる。更にまた、出力画像の周波数Ｆは撮像素子５により生成された画素信号の周波数ｆと比例関係にあるので、Ｆ＝ｆ／ｋとなる。以上より、ｋを１．０より大きく設定すると、出力画像の周波数Ｆを表現するのに、撮像素子５の周波数ｆが小さくて済むため、相対的に出力画像の解像度を向上することができる。
【００４９】
以上のような本実施形態によれば、従来の製品に比べて、出力画像の各画素に対する撮像素子５の画素数が多く設定されており、かつ、光学的ローパスフィルタ２によって偽色成分を大きく除去されるため、簡単な単板式の撮像素子５でありながら色の再現能力と解像能力を３板式の撮像素子並みに高めることができるという従来では得られない優れた効果を奏する。
【００５０】
なお、本発明に係る撮像装置１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
例えば、本実施形態では、正方形の画素を基本とする出力画像について説明したが、これに限られるものではなく、長方形の画素を基本とする出力画像を設定して出力するようにしてもよい。この場合、縦方向と横方向とにおけるサンプリング周波数が異なることとなる。また、撮像素子５は、撮像画素を正方格子配列または４５°傾斜正方格子配列した場合を例示し、カラーフィルタ４はベイヤー配列させた場合を例示しているが、これらに限られるものではなく、他の配列方法を選択した場合にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、単板式の撮像素子により被写体を撮像する撮像装置に有用である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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