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JP2005260560A - イメージ・センサーのためのカラー・フィルター・パターン - Google Patents

イメージ・センサーのためのカラー・フィルター・パターン Download PDF

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JP2005260560A
JP2005260560A JP2004068946A JP2004068946A JP2005260560A JP 2005260560 A JP2005260560 A JP 2005260560A JP 2004068946 A JP2004068946 A JP 2004068946A JP 2004068946 A JP2004068946 A JP 2004068946A JP 2005260560 A JP2005260560 A JP 2005260560A
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Hu Xiaoping
フー シャオピン
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Bolymedia Holdings Co Ltd
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Abstract

【課題】 カラー・イメージを得るために、イメージ・センサーの配列を覆うためのカラー・フィルター・パターンを提供すること。
【解決手段】 各カラー・フィルター・パターンは、ベイヤー・パターン、ヘキサゴナル・パターン、ＹＵ４２２パターン又は他の順序化されたテセレーションに適合する発光色Ｙ及び他の２色の補完的な又は重ならない色からなる。本発明の２つの好適な実施形態において、カラー・フィルター・パターンは、色Ｇが様々なピクセルの大きさで発光色Ｙと替えられる点において、従来のベイヤー・パターン又は従来のヘキサゴナルＲＧＢパターンと相違する。発光色Ｙのためのカラー・フィルターは、透明なコーティング又は全くコーティングせずに実現することができる。更に相違する色の効果的な感知領域は、望ましいＳＮ比が、カラー・ピクセルのためのカラー感知領域、サイズ又は曲率を調整することにより得られるように選択される。
【選択図】 図１

Description

（発明の分野）
本発明は、オプティカル・イルミネーションを電気信号配列へ変換するカラー・イメージ・センサーに関する。より具体的には、本発明は異なる色のＳＮ比を調整することにより、人の目に知覚された時、カラー・イメージ感知度及び全体の画質を改良するイメージ・センサーのための新しいカラー・フィルター・パターンに関する。
（関連技術の記載）
カラー・イメージ・センサーの設計及び製造に関する従来技術は、未だに様々な技術的な困難さ及び限界に直面する。より明確には、現在の技術を用いて実施されるカラー・イメージ・センサーは、低レベルの感知度、制限される空間分解能及びカラー・エイリアシングに関連する問題によって未だに妨げられる。
通常、イメージ・センサーは、黒及び白又はカラー・イメージのいずれかを感知するために利用される。本件の発明は、カラー・イメージ・センサーに関する。センサーの単一配列からカラー・イメージを作成するためにカラー・イメージ・センサーを実施する様々な相違する技術がある。
カラー・イメージ・センサーで最も一般的に用いられる方法は、センシング・アレイの表面を相違するカラー・フィルターの特別なパターンで覆うことである。従来のカラー・イメージ・センサーは、２種類のカラー・フィルター・パターンを利用する。
図１は、第１カラー・フィルター・パターン、すなわちC（シアン色）、Ye（黄色）、Mg（マジェンタ色）、G（緑色）のパターンからなるCYeMgGパターン（又は、相補性のカラー・フィルター・パターン）を示す。
図２及び図３は、R（赤色）、G（緑色）及びB（青色）からなる原色フィルターを利用する他の種類のカラー・フィルター・パターンを示し、該パターンは図２に示されるベイヤー・カラー・フィルター・パターン又は図３に示されるヘキサゴナルRGBパターンに配列される。
CYeMgGパターンで実施されるカラー・イメージ・センサーにおいて、センサー・アレイは複数のマクロ・ピクセルによって形成され、各マクロ・ピクセルは４つ（原色）のピクセルからなる。
各ピクセルは、C、Ye、Mg又はGのいずれか単色で覆われる。しかしながら、通常ディスプレイ産業は、CYeMgGパターンの代わりに原色パターン、すなわちRGB色（赤色、緑色、青色）を用いるので、従ってCYeMgGカラー・パターンのRGBカラー・パターンへの変換は、カラー・マトリックス・オペレーションを実行することにより行われる。
更に各ピクセルは１色のみ（C、Ye、Mg又はGのいずれか）含むため、同じピクセルに他の色（赤色、緑色、青色）を得るためには、インターポレーション方法が、近隣のピクセルから不足する色を作成するために用いられる。
ベイヤー・パターン（米国特許第３,９７１,０６５号）で実施されるイメージ・センサーのために、複数のマクロ・ピクセルによりセンサー・アレイもまた形成され、該マクロ・ピクセルは、R、G、Bのいずれかのカラー・フィルターで覆われる４つのピクセルからなる。更にベイヤー・パターンは、各マクロ・ピクセルの内、どちらか一方が対角線方向の２つのピクセルがG又はルミナンスで覆われ、他の２つのピクセルがB又はRで覆われ、又は他の２色が相違する特別な領域に対して感度が良いことを必要とする。
また、各ピクセルは、１色（R、G、Bのいずれか）のみ含むので、同じピクセルに他の２色を得るためには、インターポレーション方法が、近隣のピクセルから不足する色を作成するために用いられる。
ベイヤー・パターンは、４つの相違する幾何学構造を有し、R、G、Bは４つのピクセルの相違する位置に配置される。
図３を参照すると、図３はヘキサゴナルRGBパターンを示し、マクロ・ピクセルは、R、G、Bの３つの感知ピクセルのみ含み、各要素は６角形に合わせられる。R、G、Bカラーは、センシング・アレイに均等に配される。
２色の位置の交換は、更にヘキサゴナルRGBパターンを形成する。
上記のように、CYeMgGパターン、ベイヤー・パターン又はヘキサゴナルRGBパターンのいずれかを実施するカラー・フィルター技術は、少なくとも３点の共通した技術的な問題を有する。
第１の問題は、黒センサー及び白センサーを比較する際に多層フィルターの使用により生じる感知度の減少である。第２の問題は、カラー・インターポレーションが必要なために生じる効果的な空間分解能の減少である。カラー・インターポレーションに必要なものは、カラー・エイリアシングの第３の問題にもたらされ、該カラー・エイリアシングは、通常ロー・パス・フィルタリングにより解決をすることが可能であるが、イメージの鮮明さを減少させる。
感知度を全体的に改良するために、米国特許第６,１３７,１００号が、３原色R、G及びBの感知からの反応のバランスを保つ方法を開示し、該方法は、光ダイオードの感色性が相違し特に光ダイオードは、緑色、次に赤色と最も感度が良く、青色とは最も感度が低い、という事実を考慮に入れている。
従って該方法は、青色ピクセルに対し最も大きい感知領域を提供し、次に大きい感知領域を赤色ピクセルに対し提供し、最も小さい感知領域を緑色ピクセルに対し提供する。
しかしながら、この技術により行われるカラー感知度の改良は、非常に制限されたものであり、該方法はRGBカラー・パターンのカラー・フィルターで実施されるイメージ・センサーにのみ適用が可能である。
カラー・インターポレーションの必要性を避けるために、図４に示されるように、フォーベン製のカラー・イメージ・センサーが３層のイメージ・センサーを用いて実施される。
型番Ｘ３イメージ・センサー（X3 image sensor）の３層のカラー・センサーが指定され、該センサーは、３層のセンシング・アレイを含み、各層の感知にそれぞれR、G、Bライト・スペクトラルを使用する。
Ｘ３イメージ・センサーは、カラー・インターポレーションにより生じる問題を解決することが可能であるが、相違する層の間における感知度の相違のために新しい問題を生じる。
低層の感知度は、最上層の感知度よりも小さい。従って、全体的に効果的な感知度が更に減少する。更により複雑で時間のかかる製造工程を用いてセンサーの３層が製造され、組み立てられるにつれ製品歩留まりが低下する。
更に、処理されるデータが３倍となり、更にデータ転送及びデータ処理レートの更なる必要性が生じ、このＸ３イメージ・センサーを利用するシステム全体の製造コストの著しい増加を生じる。
従ってこれら技術的な問題を解決するために、改良された新しい技術、及びカラー・イメージ・センサーを設計、製造する方法を提供する必要性が存在する。
米国特許第６,１３７,１００号公報
本発明の目的は、カラー・イメージ・センサーのための新しいカラー・フィルター・パターンを提供することである。この新しいカラー・フィルター・パターンを利用して実施されるイメージ・センサーは、従来のCYeMgCパターン、ベイヤー・パターン又はヘキサゴナル・パターンと比較される、改良されたカラー・イメージ感知度及びイメージの鮮明さを提供する。
従って、従来技術の限定及び問題が解決される。
請求項１に係る発明は、カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するために少なくとも第１カラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２に係る発明は、第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントに対応することを特徴とする第２カラーの第２フィルター及び第３カラーの第３フィルターから更になる請求項１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラー・フィルターと、第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントであることを特徴とする、複数の第２カラーの第２フィルター及び複数の第３カラーの第３フィルターから更になる請求項１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項４に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の第１カラーのフィルターを有することを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項５に係る発明は、前記第１カラーのフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項６に係る発明は、前記第１カラーのフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項７に係る発明は、白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項８に係る発明は、前記第１カラー・フィルターが、人の目で見ることが可能な色のスペクトル全体からルミナンスを感知するようにしたことを特徴とする請求項１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項９に係る発明は、第２カラー及び第３カラーが、人の目に見える２つの相補的な色であることを特徴とする第２カラーの第２フィルター及び第３カラーの第３フィルターから更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１０に係る発明は、黄色の第２フィルター及びシアン色の第３フィルターから更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１１に係る発明は、人の目に見える色の全スペクトルからルミナンスを感知するための複数の白色のフィルターと、前記第２、第３カラーが、原色に対する２つの相補的な色であることを特徴とする複数の第２カラーの第２カラー・フィルター及び複数の第３カラーの第３カラー・フィルターと、から更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１２に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の前記白色のフィルターを有することを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１３に係る発明は、前記白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１４に係る発明は、前記白色のフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１５に係る発明は、前記白色のフィルター及び前記第２、第３のカラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１６に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１７に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１８に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１のルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項１９に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記ルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２０に係る発明は、少なくとも、カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための第１カラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２１に係る発明は、第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントであり、前記第２、第３カラーの感知ピクセルが前記第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする第２カラーの第２フィルターと第３カラーの第３フィルターから更になる請求項２０記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２２に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラーのフィルターと、第２、第３カラーが、前記全スペクトルと重複しない２つのセグメントであり、前記第２、第３カラーの感知ピクセルが前記第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする複数の第２カラーの第２カラー・フィルター及び複数の第３カラーの第３カラー・フィルターと、から更になる請求項２０記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２３に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の第１カラーのフィルターを有することを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２４に係る発明は、前記第１カラーのフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２５に係る発明は、前記第１カラーのフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２６に係る発明は、前記白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２７に係る発明は、前記第１カラー・フィルターが、人の目で見ることが可能な色のスペクトル全体からルミナンスを感知するようにしたことを特徴とする請求項２０記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２８に係る発明は、第２カラー及び第３カラーが、人の目に見える２つの原色であることを特徴とする第２カラーのフィルター及び第３カラーのフィルターから更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項２９に係る発明は、赤色の第２フィルター及び青色の第３フィルターから更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３０に係る発明は、人の目に見える色のスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラーのフィルターと、前記第２、第３カラーが、２つの原色であり、第２、第３カラーの感知ピクセルが第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする複数の第２カラーの第２フィルター及び複数の第３カラーの第３フィルターとから更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３１に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の白色フィルターを有することを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３２に係る発明は、前記白色フィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３３に係る発明は、前記白色フィルター及び前記第２カラーのフィルター、前記第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３４に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３５に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３６に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３７に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１のルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３０記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３８に係る発明は、前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記ルミナンス及び第２、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３０記載のカラー・イメージ・センサーに関する。
請求項３９に係る発明は、異なった色のカラー・フィルターが、それぞれの色が望ましいＳＮ比を実質的に達成するように構成されていることを特徴とする、複数の異なった色のカラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサーに関する。
本発明によれば、改良されたカラー・イメージ感知度及びイメージの鮮明さを提供するのでカラー・イメージ・センサーのための新しいカラー・フィルター・パターンを提供することができる。
本発明の第１の特徴によれば、カラー・フィルター・パターンは３色含み、これら３色の内の１色は一般的にＹで表される、全体的に人目を引くスペクトラムのルミナンスである（例えば、可視光スペクトラム中の白色）。
この色は主となるカラーとして表される。ルミナンスのためのカラー・フィルターは、フィルターに対し透明なコーティングを行う、又はフィルターに全くコーティングを行わない、のいずれかで認識される。
本発明の第２の特徴によれば、ルミナンス・フィルターに加え、イメージ・センサーは、他の２つのカラー・フィルターを有し、該フィルターは、任意の２種類の相補的な色、又は原色の内の２色とすることができ、本文中、第２カラーとして表され、記載を容易にするためにＳ及びＱの符号が付される。
例えば、Ｓを黄色、Ｑをシアン色又はＳを赤色、Ｑを青色とすることができる。特定の色のためのカラー・フィルター、例えば黄色は、該色に対応して光スペクトラムを通過するコーティング材料又はピグメントで認識される。
本発明の第３の特徴によれば、テセレーションが用いられる形状に関係なく、主となるカラーＹは、それぞれ第２カラーＳ及びＱ以上にピクセルと少なくとも同数で覆われなければならず、一方Ｓは、Ｑと同じほぼ同数のピクセルで覆われる。
新しいカラー・フィルター・パターンは、多くの相違するテセレーション形状で利用され、該テセレーションは、従来の図５に示されるベイヤー・パターン・テセレーション、図７に示されるヘキサゴナル・テセレーション又は図９に示されるYUV４２２テセレーションを含むが、これらに限定はされない。
本発明の第４の特徴によれば、ピクセルの感知領域又はピクセル上のマイクロ・レンズは、カラーＹ、Ｓ、Ｑの３種類のセンサーが、本発明のイメージ・センサーを用いて、特定の利用の光の状態のための望ましいＳＮ比を有することが表される。
本発明の好適な実施形態を簡単に説明すると、本発明は、４つの原色ピクセルのマクロ・ピクセルのためのカラー・フィルター・パターンを生じるための方法を開示する。
カラー・フィルター・パターンは、順番にテセレーションでまとめられたルミナンスＹ及び他の２色Ｓ及びＱを含む。テセレーションは、ベイヤー・テセレーション及びＹＵＶ４２２テセレーションを含む。ＹＵＶ４２２テセレーションは、ＹＵＶ４２２フォーマットとしてＴＶ産業で広く用いられ、ＹＵＶデータは、ＹＵＹＶインターリーブ・フォーマットでまとめられる。
この方法は、マクロ・ピクセルの最上部において、２つの原色感知ピクセルの色Ｙ、１つの原色感知ピクセルのカラーＳ及びＱで２色カラー・フィルター・パターンを覆う段階を含む。
該方法は、更にイメージ・センサー・アレイを得るための、水平及び垂直のテセレーションにおいて、前記カラー・フィルター・パターンでマクロ・ピクセルを反復する段階を含む。
本発明のこれら及び他の目的及び有利さについて、当業者は、複数の図面で参照される好適な実施形態に関する以下の詳細な記載を読むことで理解できる。
図５を参照すると、それぞれ４つの異なったカラー・フィルター・パターンが開示されており、それぞれのパターンには、Ｙで示される多数のルミナンス・フィルターと、Ｓ及びＱで示される他の２つのカラー・フィルターが含まれる。ルミナンス（例えば白光）を感知するＹカラー・フィルターは、主となるカラー・フィルターであり、Ｓ及びＱフィルターは、２次的なカラー・フィルターである。２次的なカラー・フィルター（Ｓ及びＱ）は、２つの相補的な色を施したフィルターとしても良く又は２つの原色を施したフィルターとしても良い。Ｓ及びＱのカラー・フィルターでコーティングしたピクセル数と比較して、ルミナンス・カラー・フィルターがコーティングされているピクセルの数は、ＳまたはＱのカラー・フィルターがコーティングされているピクセルの数と同じかそれ以上である。Ｓのカラー・フィルターがコーティングされているピクセルの数は、Ｑのカラー・フィルターがコーティングされているピクセルの数とほぼ同じである。
図６を参照すると、２次的な色であるＳ及びＱは、それぞれ黄色（Ye）及びシアン色（Ｃ）から選択され、Ｙ及びＳ、Ｑは、ベイヤー・パターンに配置されている。この好適な実施形態において、カラー・フィルター・パターンは、緑色のカラー・フィルターが白色カラー・フィルターに、赤色のカラー・フィルターが黄色のカラー・フィルターに、そして青色のカラー・フィルターがシアン色のカラー・フィルターに置き換えられているという点においてのみ、従来のベイヤー・パターンと異なっている。従来のベイヤー・パターンと比べ、図６に開示されているカラー・センサーは、カラー・イメージの作製のための重要な変更が必要である。この変更は、感知された３つの色Ｙ，Ｓ及びＱ（例えば、Ｙ，Ｙｅ及びＣ）がカラースペースを形成せず、またこれまでイメージ・センサーに使われたことがなかったために必要となるものである。それゆえ、図５及び図６に開示されているカラー・フィルター・パターンは、それに対応する内部の色彩処理回路が必要となる。加えて、Ｙ，Ｓ，Ｑ（例えば、Ｙ，Ｙｅ，Ｃ）として感知されるベイヤー・パターンにおいて赤色、緑色、青色をリカバーするため、異なった色を補間する手段及びマトリクス・オペレーションが必要である。
図５及び図６に開示されているカラー・フィルター・パターンに対する一見単純なこの変更が、大きな利点を提供している。第１に、白色Ｙは、緑色に比べてはるかに感度が高く、また黄色やシアン色は、それぞれ赤色や青色よりもはるかに感度が高い。開示されているカラー・フィルター・パターンにより構成されているカラー・イメージ・センサーは、より改善された感度を達成できる。特に、人の目はクロミナンス（色差）に対してよりもルミナンスに対しての方が敏感で、また輝度成分の方が色差成分よりも多いため、見る人にとって、画像のシャープさが増すのである。第２に、黄色もシアン色もどちらも相補的な色であり、それゆえクロミネンス色（青色及び赤色）を直接表すことはない。従って、色差成分は、色補間によって間接的に引き出される必要がある。
図７及び図８には、別の好適な実施形態が示されており、図７では、ＹＳＱパターンは、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されている。また、図８においても、ＹＳＱパターンは、ヘキサゴナル・テセレーションとしてあり、Ｓとして黄色が、Ｑとしてシアン色が選択されている。このテセレーションにおいて、Ｙ、Ｙｅ及びＣは、ほぼ同じだけのピクセル数を有している。一方、下記に述べるようなより良いＳＮ比を達成するためには、感知エリアは、異なったフィルターエリアを備えるようにするか、あるいは異なった曲率を有するマイクロレンズを用いて、異なった構成としてもよい。
図９及び図１０は、第３の好適な実施形態を示しており、図９では、ＹＳＱパターンは、ＹＵＶ４２２テセレーションとしてある。図１０においても、ＹＳＱカラー・フィルター・パターンは、ＹＵＶ４２２テセレーションで構成されており、ＳとしてＲ（赤色）が、ＱとしてＢ（青色）が選択されている。この実施形態において、Ｙ、Ｂ及びＲの色が、ピクセルのコーティングに使用されており、それらのピクセルは、Ｙ−Ｂ−Ｙ−Ｒ、またはＹ−Ｒ−Ｙ−Ｂ、Ｂ−Ｙ−Ｒ−Ｙ、Ｒ−Ｙ−Ｂ−Ｙのいずれかの配列を含む水平方向に並べられたテセレーションを形成している。水平解像度と比較して、垂直解像度は、Ｙでは２倍高く、Ｂ及びＲにおいては、４倍高い。よりバランスのとれた解像度を得るためには、別の手段がとられる。最初の好適な手段として、Ｙ−Ｂ−Ｙ−Ｒのマクロ・ピクセルの幅をＹピクセルの高さの２倍とする。２つ目の好適な手段として、それぞれのマクロ・ピクセルＹ−Ｂ−Ｙ−Ｒの補間により、４つのピクセルの代わりに、２つの（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ピクセルを作り出すようにする。テレビ産業に広く用いられているＹＵＶ４２２フォーマットと類似しているため、この好適な実施形態は特にビデオ用センサーとして有用である。この実施形態は米国特許第６，３４６，９６９号に開示されている実施形態とよく似たテセレーションを有しているが、それと比較した場合、この出願に開示されている発明は、従来のＲＧＢカラー・フィルターに代えて改善されたＹ−Ｓ−Ｑカラー・フィルターを用いることにより改善された有効な感度が得られるため、優れた画質を有している。
図５乃至図１０に示されている通り、全ての３つの異なるテセレーションは、Ｓピクセル及びＱピクセルと比較して、ほぼ同数かそれ以上のＹピクセルを有する。一方、ＳピクセルとＱピクセルは、ほぼ同数のピクセル数を有する。
本件のカラー・イメージ・センサーには、幅広い応用用途がある。例えば、デジタルカメラにこの発明のカラー・イメージ・センサーを用いれば、即座に画質改善を達成できる。一般的に、デジタルカメラの場合、野外環境においては満足なＳＮ比を容易に達成できる。しかしながら、室内写真を撮る必要がある場合ような、光の少ない状況下においては、従来のカラー・イメージ・センサーでは、充分なイメージ感知を提供することは難しかった。光の少ない環境下においては、感知部のＳＮ比はカラーコーティング及び感知部（例えば、フォトダイオード）の半導体プロセス技術によるところが大きい。通常、ルミナンスＹは、全ての色の中で最も高いＳＮ比を有する。また、仮に、ＳはＱよりも高いＳＮ比を有するものとし、ＳＹ及びＳＳ，ＳＱは、それぞれＹ色及びＳ色，Ｑ色の感知部の固有のＳＮ比とする。一色の固有のＳＮ比は、その色の単位感知エリアのＳＮ比であると定義する。一般的に、ＳＮ比は次の計算式で表される：
ＳＳ＝ＳＹ／ａ，ＳＱ＝ＳＹ／ｂ，（ｂ＞＝ａ＞１．０）
Ｙ及びＳ，Ｑの望ましいＳＮ比をそれぞれ、ＤＹ、ＤＳ、ＤＱとすると、その計算式は
ＤＳ＝ＤＹ／ｃ，ＤＱ＝ＤＹ／ｄ
で表される。
Ｙ及びＳ、Ｑピクセルに対応するマイクロレンズの感知部あるいは表面部は、ＳピクセルがＹピクセルのａ／ｃ倍の光子を集めるように選択し、ＱピクセルがＹピクセルのｂ／ｄ倍の光子を集めるように選択する。更に、以下のように示される。
ａ／ｃ＝（ＳＹ／ＳＳ）／（ＤＹ／ＤＳ）＝（ＳＹ・ＤＳ）／（ＳＳ・ＤＹ）
ｂ／ｄ＝（ＳＹ／ＳＱ）／（ＤＹ／ＤＱ）＝（ＳＹ・ＤＱ）／（ＳＱ・ＤＹ）
Ｓ及びＹ、あるいはＱ及びＹの間におけるマイクロレンズの感知部あるいは表面部の差異は、ＳとＹの望ましい固有のＳＮ比、あるいはＱとＹの望ましい固有のＳＮ比によって決められる。図１１に示しているように、望ましいＳＮ比は、異なった色のマイクロレンズの表面部か曲率を調整することにより達成することができる。なお、これらの図面は好適な例を示したものであり、この発明の範囲を限定する趣旨ではない。感知部の調整にマイクロレンズを用いるという方法は、それのみを独立して用いても構わないし、あるいは以下に述べる感知部の調整方法と併用してもよい。
図１２は、異なった色のピクセルを調整することにより望ましいＳＮ比を達成する方法を示したものである。米国特許第６，１３７，１００号の開示事項と比較してみると、ＳＮ比のバランス調整技術が異なっている。米国特許第６，１３７，１００号に開示されているバランス調整技術は、ただ単に従来のＲ−Ｇ−Ｂカラースペース及びベイヤー・テセレーションにのみ適用されるものであるが、この発明のバランス調整技術は全ての種類のテセレーションのＹ−Ｓ−Ｑカラースペースに適用できるものである。更にこの発明のＳＮ比バランス調整方法は、Ｒ及びＧ、Ｂピクセルのそれぞれが受ける色光の光子を均等化するものではなく、Ｙ及びＳ、Ｑの望ましいＳＮ比を達成するものである。この発明の技術は、人の目にとって、より良い画質を生み出すことができる。よりよい画質は、人の目がクロミナンス（色差）よりもルミナンス（輝度）に対しての方が、より敏感であるがゆえに達成できるものである。このため、Ｙの望ましいＳＮ比は、Ｓ及びＱの望ましいＳＮ比よりも高い。Ｒ−Ｇ−Ｂ色の強さを調整するかわりに、より賢明な方法として、人間の目から見たときにもっとも適した視野を得るためにＳＮ比を調整するのである。図１２に示されているような平面的な感知部の変更以外に、図１１に記載されているような異なったカラー・フィルター上にマイクロレンズを用いることとし、異なったサイズや曲率を有するマイクロレンズを用いることによって、更に感知部の調整を行うことができる。それゆえ、ＳＮ比は、平面的な感知部のバリエーションとマイクロレンズの調整との組み合わせによって最良の画質を達成するよう、柔軟に調整することが可能である。
要約すると、この発明は、主要な色、すなわち関連するスペクトル全体であるルミナンス（あるいは可視光スペクトルとしての白色）Ｙと、同じく関連するスペクトルのひとつのセグメントにそれぞれ対応する他の２つの２次的な色であるＳ及びＱとを有するカラー・フィルター・パターンによって改善されたカラー・イメージ・センサーについて開示している。２次的な色Ｓ及びＱは、原色であるＲまたはＧ，Ｂのいずれの２つを選択しても構わないし、あるいは相補的な色であるＣ、Ｙｅ、ＭｇあるいはＧのいずれのペアから選択してもよく、あるいは特別な応用に用いる場合には２つの他の特別な色（例えば、赤外線色と紫外線色など）から選択してもよい。主要な色は、２次的な色のそれぞれと同数かあるいはそれ以上の数のピクセルに適用される。カラー・フィルター・パターンは、いかなる形式のテセレーションにしてもよい。例えば、ベイヤー・パターン・テセレーションやヘキサゴナル・テセレーション、あるいはＹＵＶ４２２テセレーションも含むが、それらに限定するものではない。感知部及び（または）表面部、あるいはカラー・ピクセルのマイクロレンズの曲率は、そのカラー・ピクセルにとって望ましいＳＮ比を達成するため、選択することができる。本件発明は、Ｘ３手法のような補助的効果を用いなくとも感度を改善し、また画像のシャープさを向上するため、様々なカラー・フィルター・パターンを用いている。加えて、この方法によれば、非常に簡単なやり方でＹＵＶセンサーを作ることができる。
本発明は、カラー・イメージ・センサーのための新しいカラー・フィルター・パターンを提供することができ、この新しいカラー・フィルター・パターンを利用して実施されるイメージ・センサーは、従来のCYeMgCパターン、ベイヤー・パターン又はヘキサゴナル・パターンと比較される、改良されたカラー・イメージ感知度及びイメージの鮮明さを提供することができる。
本件発明は、現時点で好適な実施形態を基に開示されているが、その記述は本件発明を限定するものではない。様々な改良や変更が、本件出願の開示を読んだ当業者によって明らかになるであろう。したがって、付随の請求項によって、本件発明の本来の趣旨及び範囲に入るように全ての改良や変更をカバーできるように解釈できることを意図するものである。
CYeMgCカラー・フィルター・パターンを示す図である。 RGBベイヤー・カラー・フィルター・パターン及びその改良を示す図である。 ヘキサゴナルRGBベイヤー・カラー・フィルター・パターンを示す図である。 フォーベンインク（Foven, Inc.）のＸ３イメージ・センサーにより実施される３層カラー・フィルター技術を示す図である。 本発明のベイヤー・テセレーション及びその改良に基づくYSQカラー・フィルター・パターンを示す図である。 ベイヤー・テセレーションに基づいて配列される、本発明のYYeCカラー・フィルターを用いて実施される好適な実施形態を示す図である。 ヘキサゴナル・テセレーションに基づいて配列される、本発明のYSQカラー・フィルターを用いて実施される好適な実施形態を示す図である。 ヘキサゴナル・テセレーションに基づいて配列されるYYeCカラー・フィルターを用いて実施される本発明の他の好適な実施形態を示す図である。 YUV４２２テセレーションの異なるフォームにおける、新たに発明されたYSQカラー・フィルターを示す図である。 YUV４２２テセレーションの異なるフォームに基づいて配列される、YBRカラー・フィルターを用いて実施される本発明の他の好適な実施形態を示す図である。 マイクロ・レンズを用いて実施されるイメージ・センサーの断面図を示し、異なるカラー・ピクセルSNRsが、効果的な感知領域を変更するために、マイクロ・レンズの大きさと曲率偏差によるSNR調整方法に基づくマイクロ・レンズを適用することにより目標値に調整されることを特徴とする。 異なるカラー・ピクセルのSNRsを目標値に調整するためのSNR調整方法に基づく領域を示す領域図である。

Claims (39)

  1. カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するために少なくとも第１カラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサー。
  2. 第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントに対応することを特徴とする第２カラーの第２フィルター及び第３カラーの第３フィルターから更になる請求項１記載のカラー・イメージ・センサー。
  3. 前記カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラー・フィルターと、
    第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントであることを特徴とする複数の第２カラーの第２フィルター及び複数の第３カラーの第３フィルターと、 から更になる請求項１記載のカラー・イメージ・センサー。
  4. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の第１カラーのフィルターを有することを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  5. 前記第１カラーのフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  6. 前記第１カラーのフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  7. 白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  8. 前記第１カラー・フィルターが、人の目で見ることが可能な色のスペクトル全体からルミナンスを感知するようにしたことを特徴とする請求項１記載のカラー・イメージ・センサー。
  9. 第２カラー及び第３カラーが、人の目に見える２つの相補的な色であることを特徴とする第２カラーの第２フィルター及び第３カラーの第３フィルターから更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサー。
  10. 黄色の第２フィルター及びシアン色の第３フィルターから更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサー。
  11. 人の目に見える色の全スペクトルからルミナンスを感知するための複数の白色のフィルターと、
    前記第２、第３カラーが、原色に対する２つの相補的な色であることを特徴とする複数の第２カラーの第２カラー・フィルター及び複数の第３カラーの第３カラー・フィルターと、
    から更になる請求項８記載のカラー・イメージ・センサー。
  12. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の前記白色のフィルターを有することを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  13. 前記白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  14. 前記白色のフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  15. 前記白色のフィルター及び前記第２、第３のカラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  16. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  17. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３記載のカラー・イメージ・センサー。
  18. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１のルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  19. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記ルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１１記載のカラー・イメージ・センサー。
  20. 少なくとも、カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための第１カラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサー。
  21. 第２、第３カラーが、前記スペクトル全体と重複する２つのセグメントであり、前記第２、第３カラーの感知ピクセルが前記第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする第２カラーの第２フィルターと第３カラーの第３フィルターから更になる請求項２０記載のカラー・イメージ・センサー。
  22. 前記カラー・イメージ・センサーに関連するスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラーのフィルターと、
    第２、第３カラーが、前記全スペクトルと重複しない２つのセグメントであり、前記第２、第３カラーの感知ピクセルが前記第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする複数の第２カラーの第２カラー・フィルター及び複数の第３カラーの第３カラー・フィルターと、
    から更になる請求項２０記載のカラー・イメージ・センサー。
  23. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の第１カラーのフィルターを有することを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  24. 前記第１カラーのフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  25. 前記第１カラーのフィルター及び前記第２カラー、第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  26. 前記白色のフィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  27. 前記第１カラー・フィルターが、人の目で見ることが可能な色のスペクトル全体からルミナンスを感知するようにしたことを特徴とする請求項２０記載のカラー・イメージ・センサー。
  28. 第２カラー及び第３カラーが、人の目に見える２つの原色であることを特徴とする第２カラーのフィルター及び第３カラーのフィルターから更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  29. 赤色の第２フィルター及び青色の第３フィルターから更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  30. 人の目に見える色のスペクトル全体からルミナンスを感知するための複数の第１カラーのフィルターと、
    前記第２、第３カラーが、２つの原色であり、第２、第３カラーの感知ピクセルが第１カラーのピクセルの有効な光感知領域とは異なった有効な光感知領域を有することを特徴とする複数の第２カラーの第２フィルター及び複数の第３カラーの第３フィルターと、
    から更になる請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  31. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第２カラーのフィルターの数及び前記第３カラーのフィルターの数とほぼ同一又はそれ以上の白色フィルターを有することを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  32. 前記白色フィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターが、ベイヤー・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  33. 前記白色フィルター及び前記第２カラーのフィルター、前記第３カラーのフィルターが、ヘキサゴナル・テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  34. 前記白色フィルター及び前記第２、第３カラーのフィルターがＹＵＶ４２２テセレーションで構成されていることを特徴とする請求項２７記載のカラー・イメージ・センサー。
  35. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  36. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記第１カラーの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記第１カラー及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項２２記載のカラー・イメージ・センサー。
  37. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターで覆われている第１領域及び前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターで覆われている第２、第３領域を調整することにより、前記第１のルミナンス及び第２カラー、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３０記載のカラー・イメージ・センサー。
  38. 前記カラー・イメージ・センサーが、前記ルミナンスの第１フィルターのマイクロレンズの第１有効感知領域及びそれぞれマイクロレンズで覆われた前記第２、第３カラーの第２、第３フィルターのマイクロレンズの第２、第３有効感知領域を調整することにより、前記ルミナンス及び第２、第３カラーの望ましいＳＮ比の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項３０記載のカラー・イメージ・センサー。
  39. 異なった色のカラー・フィルターが、それぞれの色が望ましいＳＮ比を実質的に達成するように構成されていることを特徴とする、複数の異なった色のカラー・フィルターからなるカラー・イメージ・センサー。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007242721A (ja) * 2006-03-06 2007-09-20 Fujifilm Corp 固体撮像素子

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