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CN1638137A - 彩色摄像元件和彩色信号处理电路 - Google Patents

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CN1638137A
CN1638137A CN200410100288.6A CN200410100288A CN1638137A CN 1638137 A CN1638137 A CN 1638137A CN 200410100288 A CN200410100288 A CN 200410100288A CN 1638137 A CN1638137 A CN 1638137A
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photoelectric conversion
filter
signal
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Application number
CN200410100288.6A
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东堤良仁
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

提供一种彩色摄像元件(12)，包括：引导入射光的红色过滤器(38)设置在光接收面上的用于选择输出红色信号的第一光电变换元件(22)；引导入射光的绿色过滤器(34)设置在光接收面上的用于选择输出绿色信号的第二光电变换元件(22)；引导入射光的蓝色过滤器(36)设置在光接收面上的用于选择输出蓝色信号的第三光电变换元件(18)；引导入射光的通过红色过滤器(38)和所述蓝色过滤器(36)重叠构成的红外光透射过滤器设置在光接收面上的、用于选择输出用来校正在所述第一～第三光电变换信号中包含的红外光成分的红外光信号的红外光成分光电变换元件(24)。这样，可以在高灵敏度下进行良好的颜色再现。

Description

彩色摄像元件和彩色信号处理电路
技术领域
本发明涉及彩色摄像元件和彩色摄像装置，特别涉及在红外区域具有灵敏度的彩色摄像元件和彩色摄像装置。
背景技术
摄像机安装的CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)和C-MOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)等摄像元件包括二维排列的用于将光变换成电信号的光电变换元件。由于光电变换元件自身没有颜色识别能力，为了进行彩色摄像，用颜色过滤器等将入射光色分离，并对分离的每种颜色光进行光电变换。入射光的色分离一般通过在光电变换元件上设置的基色(RGB)系或者补色(YMC)系的三基色颜色过滤器层进行。
相对于人眼所见光的波长是380nm～780nm大小，通常的光电变换元件在所检测的波长范围为380nm～1100nm大小，在比人可见区域更长波长一侧的红外区域上也具有高的灵敏度。按照使入射光进行颜色分离的各种颜色的强度来输出信号的光电变换元件，如果输出了人眼不可见的红外区域光成分时不能够进行正确的颜色再现。因此，在摄像机的透镜和光电变换元件之间设置了红外光截断过滤器，使得红外区域的光不入射到光电变换元件上。
为了正确颜色再现而设置的红外光截断过滤器在截断红外区域波长的光的同时也使可见区域的光被截断10％～20％。因此，存在入射到光电变换元件之光接收面上的可见光强度减少、据此，输出信号的S/N比降低以及产生画质恶化之类的问题。特别在欧洲等文化圈中，大多使用发光光谱中红外线成分多的白炽灯间接照明，室内照度比较低。即使在这种低照度下，为了进行S/N比高的摄像，也要求提高摄像元件的灵敏度。
因此，提出了黑白/彩色切换摄像机(例如参考专利文献1)，其监视CCD的输出，当CCD输出电平大(白天光亮大)时，通过在透镜和CCD之间插入红外光截断过滤器来进行彩色摄影，而当CCD输出电平小(夜间光亮小)时，通过切换红外线截断过滤器而自动地插入虚拟玻璃(dummyglass)。
彩色摄像装置为了在各种照明光源下进行摄像，一般要自动地调整R、G、B信号的增益，使得即使在任何光源下进行摄影也满足白平衡。
彩色摄像装置要求高的灵敏度使得即使在暗的环境中也能够进行鲜明的彩色摄像。为了获得高的灵敏度，尽管具有降低帧速率、增大透镜光圈、提高信号放大增益之类的方法，但会分别产生残余图像残留、被写体深度变浅以及噪音增加之类的问题。
因此，尽管考虑通过除去如上述使可见光损失的红外光截断过滤器而使入射光有效地引导到光电变换元件上，但仍然具有不能够进行正确的颜色再现之类的问题。而且在彩色摄像元件中，从小型化低成本观点看也要求除去红外光截断过滤器。
专利文献1：特开平11-239356号公报。
发明内容
本发明的目的在于提供一种彩色摄像元件和彩色摄像装置，其在没有红外光截断过滤器的情况下仍能够进行正确的颜色再现。
本发明的彩色摄像元件，包括：多件的颜色成分光电变换元件，在光接收面分别设置有分别透过不同颜色成分的颜色过滤器，接收入射光，分别选择输出与所述不同颜色成分强度对应的颜色信号；和红外光成分光电变换元件，在光接收面设置透过红外光成分的红外光成分透射过滤器，选择输出红外光信号，该红外光信号用来校正在所述多个颜色信号的至少一个中所包含的红外光成分。
根据该彩色摄像元件，由于即使红外光成分包含在颜色成分光电变换元件输出的颜色信号中也能够进行合适的颜色再现，因此在颜色成分光电变换元件的光接收面上不必要安装红外光截断过滤器。因此，由于能够排除在颜色成分光电元件的入射光中因红外光截断过滤器引起的可见光成分的损失，提高了彩色摄像元件的灵敏度。而且由于颜色成分光电变换元件的至少一个能够不仅从可见光成分还从红外光成分获得亮度信号，因此彩色摄像元件的灵敏度飞跃上升。
在本发明另一方式中，所述不同颜色成分，分别是红/绿/蓝、黄色/蓝绿色/深红色、黄色/蓝绿色/绿色以及黄色/蓝绿色/深红色/绿色之任何一个组合中所包含的3色或者4色。
在本发明另一方式中，所述颜色过滤器的至少2种是透过红外光的颜色过滤器；所述红外光成分透射过滤器，通过将所述颜色过滤器中透过红外光的颜色过滤器重叠而构成。
根据该彩色摄像元件，由于不必要另外安装红外光透射过滤器，因此能够低成本地实现高灵敏度的彩色摄像元件。
在本发明另一方式中，所述红外光成分透射过滤器通过将红色过滤器和蓝色过滤器重叠而构成。
在本发明另一方式中，所述红外光成分透射过滤器通过将黄色过滤器、蓝绿色过滤器和深红色过滤器重叠而构成。
在本发明另一方式中，所述颜色成分光电变换元件和红外光成分光电变换元件按马赛克方式二维排列。
在本发明另一方式中，所述红外光成分光电变换元件被设置在由所述颜色成分光电变换元件构成的颜色成分光接收面之摄像区域外缘的一部分上。
根据该彩色摄像元件，由于能够致密排列将用来摄像的可见光成分和红外光成分光电变换的颜色成分光电变换元件，因此能够进行高清晰度摄像，并且由于能够检测被摄体的红外光成分，选择输出用于校正红外光成分的红外光信号，因此能够进行贴切的颜色再现。
本发明的彩色信号处理电路，进行下述处理：从所述彩色摄像元件中取得所述颜色信号和红外光信号，基于所述红外光信号除去在所述颜色信号的至少一个中所包含的红外光成分。
根据该彩色信号处理电路，通过除去颜色信号中包含的红外光成分，能够进行正确的颜色再现。
再有，本发明的彩色信号处理电路，取得由所述彩色摄像元件所输出的所述颜色信号和红外光信号，基于所述红外光信号控制所述颜色信号内的至少2个信号的增益，进行颜色信号的白平衡调整。
根据该彩色信号处理电路，能够基于检测的红外光信号获得合适的白平衡。
根据本发明，由于能够有效地利用光电变换元件红外区域的灵敏度和从可见光成分和红外光成分两者获得亮度信号，因此可以提高彩色摄像装置的灵敏度。由此，当在暗环境中摄像时，输出信号S/N比提高并获得良好的画质。
根据本发明，由于不使用红外光截断过滤器而能够进行正确的颜色再现，因此能够使彩色摄像装置低成本化和小型化。
附图说明
图1是表示有关本发明施形式的彩色摄像装置10的图像信号关系的构成框图。
图2是表示有关本发明实施方式的彩色摄像元件12的构成模式图。
图3是表示一例红色过滤器36、绿色过滤器34及蓝色过滤器38的透过率与一例电荷耦合元件的光接收灵敏度的波长之依赖关系的图。
图4是表示当将红色过滤器36、绿色过滤器34、以及蓝色过滤器38与光电变换元件配置成如图2所示那样时的光电变换元件18、20、22、24之灵敏度的波长依赖关系的图。
图5是表示一例黄色Ye、深红色Mg和蓝绿色Cy过滤器的透过率与一例电荷耦合元件光接收灵敏度的波长依赖关系的图。
图6是表示当黄色Ye、深红色Mg、蓝绿色Cy的过滤器分别配置成光电变换元件时的光电变换元件灵敏度的波长依赖关系的图。
图7是表示有关本发明另一实施方式的彩色摄像元件的构成模式图。
图中：10、50-彩色摄像装置；12-彩色摄像元件；14-彩色信号处理电路；16-透镜；18、20、22、24、52-光电变换元件；26-垂直寄存器；28-水平寄存器；30-电荷电压变换电路；32-放大器；34-绿色过滤器；36-红色过滤器；38-蓝色过滤器。
具体实施方式
下面，基于附图说明用于实施本发明的最佳方式(以后称为实施方式)。
图1是表示有关本发明实施方式的彩色摄像装置10的图像信号关系的构成框图。彩色摄像装置10包括用于将入射光按颜色的强度变换成电信号并且输出的彩色摄像元件12。彩色信号处理电路14根据彩色摄像元件12输出的分色信号产生视频信号。透镜16是为了将图像成像到颜色摄像元件12的光接收面而设置的。
图2是表示有关本发明实施方式的彩色摄像元件12的结构模式图。在这里，作为彩色摄像元件12，以CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)为例进行说明。彩色摄像元件12形成了由将光变换成电信号的4个光电变换元件18、20、22、24所构成的光电变换元件块多个按二维排列，形成光接收面。光电变换元件例如由Si光电二极管构成。通过光电变换元件所变换的电荷被传输到垂直寄存器26，接着被传输到水平寄存器28。能够根据水平寄存器28传输的信号电荷通过电荷电压变换电路30被变换成电压信号。该电压信号在由源极跟随器电路等构成的放大器32中被电流放大并被输出到彩色信号处理电路14。
在由4个光电变换元件18、20、22、24构成的光电变换元件块中，为了颜色分离，在引导第一光电变换元件18之入射光的光接收面一侧设置了红色过滤器36，在引导第二光电变换元件20之入射光的光接收面一侧设置了绿色过滤器34，在引导第三光电变换元件22之入射光的光接收面一侧设置了蓝色过滤器38。将设置了不同颜色过滤器的光电变换元件二维配置成没有色偏离的阵列，称之为马赛克(mosaic)排列。
本发明的特征是在引导第四光电变换元件24之入射光的光接收面一侧设置了红外光透射过滤器，第4光电变换元件24选择输出红外光信号，其用于校正从上述第一到第三光电变换元件选择输出的色信号之至少一个所包含的红外光成分。
在本实施方式中，通过红色过滤器和蓝色过滤器之间的重叠构成了红外光透射过滤器。而且该红色过滤器是在引导第一光电变换元件18之入射光的光接收面一侧上设置的红色过滤器36延长到第四光电变换元件24的光接收面的过滤器，同样，该蓝色过滤器是在引导第三光电变换元件22之入射光的光接收面一侧上设置的蓝色过滤器38延长到第四光电变换元件24的光接收面的过滤器。根据该结构，能够通过红色过滤器和蓝色过滤器形成红外光透射过滤器而不附加新的制造工序。
图2中，尽管假设红色过滤器36和蓝色过滤器38为对由4个光电变换元件构成的光电变换元件块之每个所形成的形状，但如果红色过滤器36和蓝色过滤器38分别与引导第一光电变换元件18和第四光电变换元件24之入射光的光接收面相设置以及与引导第三光电变换元件22和第四光电变换元件24之入射光的光接收面相设置，则形状为哪种形状都是可以的。例如，红色过滤器36可以在二维排列的光电变换元件的一列上连续形成为一体，而蓝色过滤器38可以在二维排列的光电变换元件的一行上连续形成为一体。
图3表示红色过滤器36、绿色过滤器34及蓝色过滤器38的透过率之波长分布的一个例子，还表示了光电变换元件光接收灵敏度的波长依赖关系的一个例子。红色过滤器36不透过比550nm短的波长的光，但对于比550nm长的波长的光具有高透过率。绿色过滤器34从比450nm长的波长的光开始其透过性增加，在绿色即520nm处具有峰值，比650nm长的波长的光的透过性变成几乎没有，但对于红外800nm或者以上之波长的光，其再次具有高的透过率。蓝色过滤器38从比380nm长的波长的光开始其透过性增加，在蓝色即460nm处具有峰值，比550nm长的波长的光的透过性变成几乎没有，但对于红外750nm或者以上之波长的光，其再次具有高的透过率。另一方面，光电变换元件在500nm具有最大灵敏度，在超过可见光区的780nm、直到1100nm的红外区域仍具有灵敏度。
图4表示了当将具有上述透过波长分布的红色过滤器36、绿色过滤器34、以及蓝色过滤器38与光电变换元件配置成如图2所示那样时的光电变换元件18、20、22、24之灵敏度的波长依赖关系。
第一光电变换元件18由于将红色过滤器36设置在引导入射光的光接收面一侧而具有在红色600nm处为峰值的灵敏度分布，并且光电变换元件18直到红外区域仍然有灵敏度。第二光电变换元件20由于将绿色过滤器34设置在引导入射光的光接收面一侧而在可见光区具有在绿色520nm处为峰值的灵敏度分布，并且由于绿色过滤器34透过红外区域的光，其在红外区域也有灵敏度。第三光电变换元件22由于将蓝色过滤器38设置在引导入射光的光接收面一侧而在可见光区具有在蓝色460nm处为峰值的灵敏度分布，并且由于蓝色过滤器38透过红外区域的光，其在红外区域也有灵敏度。第四光电变换元件24由于将红色过滤器36和蓝色过滤器38重叠设置在引导入射光的光接收面一侧而在可见光区几乎没有灵敏度，但在波长780nm或者以上的红外区域具有最高的灵敏度。
因此，第一光电变换元件18光电变换红色和红外区域的光并输出信号R，第二光电变换元件20光电变换绿色和红外区域的光并输出信号G，第三光电变换元件22光电变换蓝色和红外区域的光并输出信号B，第四光电变换元件24光电变换红外区域的光并输出信号IR。
在有关本发明实施方式的彩色摄像元件12中，由于在将可见光区域的三基色光电变换的第一、第二和第三光电变换元件18、20、22的光接收面上没有介入使入射光在受到损失的红外光截断过滤器，因此能够有效地光电变换来自被摄体的光。而且，由于第一、第二和第三光电变换元件18、20、22光电变换可见光成分和红外光成分两者，能够从可见光成分和红外光成分两者中获得亮度信号，因此与只接收可见光成分的现有技术彩色摄像元件相比，提高了灵敏度。
由于第一、第二和第三光电变换元件18、20、22的输出信号R、G、B包含红外光成分，如果原样直接进行信号处理，将不能正确进行颜色再现。因此，彩色信号处理电路14基于来自第四光电变换元件24的红外光成分输出信号IR来进行信号处理，从来自第一、第二和第三光电变换元件18、20、22的包含红外光成分的输出信号R、G、B中除去红外光成分。作为除去了红外光成分的信号处理，例如，进行通过乘以第四光电变换元件24的灵敏度对第一光电变换元件18红外区域的灵敏度之比而从输出信号R中减去IR的运算。通过在包含红外光成分的信号上进行这种信号处理，能够进行通过获得三基色信号的合适的颜色再现。
彩色信号处理电路14例如在色信号的白平衡调整中，优选为基于红外信号IR，通过将绿色信号G的增益作为基准来控制红色信号R和蓝色信号B的增益而进行彩色信号处理。对于色信号的白平衡调整，例如在红外信号IR比规定信号量大时，进行使红外信号R的增益只比规定量小而使蓝色信号B的增益只比规定量大的控制。相反，在红外信号IR比规定信号量小时，进行使红外信号R的增益和蓝色信号B的增益变成相等的控制。
上面作为彩色摄像元件12，虽然以CCD为例进行了说明，但只要是CCD，电荷传输方法可以是任何方法，例如，可以是FT(Frame Transfer：帧传输)方式、IT(Interline Transfer：行间传输)方式、FIT(Frame InterlineTransfer：帧行间传输)方式。本发明的彩色摄像元件12不局限于CCD，即使为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)也能够同样构成。
在根据本发明实施方式的彩色摄像元件12中，尽管将色分离做成光的三基色即红、绿、蓝，但也可以分离成补色之黄色Ye、深红色Mg、蓝绿色Cy之组合的颜色，黄色Ye、蓝绿色Cy、绿色G之组合的颜色，或者黄色Ye、蓝绿色Cy、深红色Mg、绿色G之组合的颜色。此时，代替红色过滤器、蓝色过滤器和绿色过滤器，将黄色过滤器、深红色过滤器、蓝绿色过滤器配置在光电变换元件的光接收面上。这种情况下，这些过滤器的排列做成补色方格花纹色差顺序排列或者补色方格花纹排列以代替基色贝叶(Bayer)排列。
图5表示补色系列过滤器组合的黄色Ye、深红色Mg、蓝绿色Cy过滤器的透过率的波长分布的一个例子，还表示一例电荷耦合元件光接收灵敏度的波长依赖关系。黄色Ye过滤器很好地透过比480nm长的波长的光，而深红色Mg过滤器虽然很好地透过450nm以下和620nm以上的波长的光，但几乎不透过从500nm到570nm波长的光，蓝绿色Cy过滤器虽然很好地透过550nm以下和850nm以上的波长的光，但几乎不透过从600nm到800nm波长的光。
图6表示了当具有上述透过波长分布的黄色Ye、深红色Mg、蓝绿色Cy的过滤器分别配置成光电变换元件时的光电变换元件灵敏度的波长依赖关系。设置了黄色Ye过滤器的光电变换元件具有在黄色520nm处具有峰值的灵敏度分布，并且直到红外区域仍有灵敏度。设置了深红色Mg过滤器的光电变换元件在420nm处具有第一灵敏度峰值，从500nm到570nm几乎没有灵敏度，在650nm具有第二灵敏度峰值之后直到红外区域仍有灵敏度。设置了蓝绿色Cy过滤器的光电变换元件在500nm处具有灵敏度峰值，从600nm到800nm几乎没有灵敏度，但从800nm开始灵敏度上升，在850nm有峰值，直到红外区域仍有灵敏度。
此时，在只光电变换红外区域光且选择输出信号IR的第四光电变换元件24的光接收面上通过重叠黄色Ye、深红色Mg和蓝绿色Cy过滤器来形成红外光透射过滤器。此时的第四光电变换元件24如图6所示在可见光区几乎没有灵敏度，在波长800nm或者以上的红外区域具有最高灵敏度。如上所述，在作为补色系列色分离的过滤器结构的情况下，也和有关红色、绿色、蓝色之色分离的过滤器结构实施方式的彩色摄像元件12同样，可以适用本发明。
图7是表示有关本发明另一实施方式的彩色摄像元件50的结构模式图。彩色摄像元件50是IT方式CCD，其在包括现有技术基色贝叶排列的片上颜色过滤器的光接收面外端即摄像面右端上，具有用于只光电变换红外光的光电变换元件52。在第一光电变换元件18的光接收面一侧上设置了引导入射光的红色过滤器36，在第2光电变换元件20和第四光电变换元件24的光接收面一侧上设置了引导入射光的绿色过滤器34，在第三光电变换元件22的光接收面一侧上设置了引导入射光的蓝色过滤器38。
在光电变换元件52的光接收面一侧上设置了引导入射光的红外透射过滤器，只有红外光入射到光电变换元件52。红外透射过滤器例如通过红色过滤器36和蓝色过滤器38的重叠构成。光电变换元件52选择输出用于校正在第一、第二、第三和第四光电变换元件18、20、22和24之输出信号R、G、B中包含的红外光成分的红外信号IR。
来自本实施方式彩色摄像元件50的输出信号在各个水平行信号的每个周期上包含红外光信号IR。输入了来自彩色摄像元件50之输出信号的彩色信号处理电路14例如在IR超过预定强度时，判断在摄像信号R、G、B上红外光成分多，并且从预定的色信号处理图形(pattern)中选择红外光成分强的适用于被摄体的色信号图形(pattern)，并进行该选择图形的色信号处理。
根据该彩色摄像元件50，由于能够致密排列检测可见光区域三基色的第一、第二、第三和第四光电变换元件18、20、22、24，因此能够进行高清晰度摄像，由于在第一、第二、第三和第四光电变换元件18、20、22、24的光接收面上没有接入使入射光受到损失的红外光截断过滤器，因此能够有效地光电变换来自被摄体的光。而且，由于第一、第二、第三和第四光电变换元件18、20、22、24光电变换可见光成分和红外光成分两者，能够从可见光成分和红外光成分两者中获得亮度信号，因此与只接收可见光成分的现有技术彩色摄像象素相比，提高了灵敏度。由于能够检测和选择输出红外光，通过在色信号的白平衡调整中，基于红外信号IR，将绿色信号的增益作为基准来控制红色信号和蓝色信号的增益使得能够从包含红外光成分的红色信号、绿色信号、蓝色信号中减少红外光成分影响而进行彩色信号处理，从而能够进行合适的颜色再现。

Claims (10)

1、一种彩色摄像元件，其特征在于，包括：
多件的颜色成分光电变换元件，在光接收面分别设置有分别透过不同颜色成分的颜色过滤器，接收入射光，分别选择输出与所述不同颜色成分强度对应的颜色信号；和
红外光成分光电变换元件，在光接收面设置透过红外光成分的红外光成分透射过滤器，选择输出红外光信号，该红外光信号用来校正在所述多个颜色信号的至少一个中所包含的红外光成分。
2、根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述不同颜色成分分别是红/绿/蓝、黄色/蓝绿色/深红色、黄色/蓝绿色/绿色以及黄色/蓝绿色/深红色/绿色之任何一个组合中所包含的3色或者4色。
3、根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述颜色过滤器的至少2种是透过红外光的颜色过滤器；
所述红外光成分透射过滤器，通过将所述颜色过滤器中透过红外光的颜色过滤器重叠而构成。
4、根据权利要求2所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述颜色过滤器的至少2种是透过红外光的颜色过滤器；
所述红外光成分透射过滤器，通过将所述颜色过滤器中透过红外光的颜色过滤器重叠而构成。
5、根据权利要求3所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述红外光成分透射过滤器通过将红色过滤器和蓝色过滤器重叠而构成。
6、根据权利要求3所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述红外光成分透射过滤器通过将黄色过滤器、蓝绿色过滤器和深红色过滤器重叠而构成。
7、根据权利要求1～5中任一项所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述颜色成分光电变换元件和红外光成分光电变换元件按马赛克方式二维排列。
8、根据权利要求1～5中任一项所述的彩色摄像元件，其特征在于，所述红外光成分光电变换元件被设置在由所述颜色成分光电变换元件构成的颜色成分光接收面之摄像区域外缘的一部分上。
9、一种彩色信号处理电路，其特征在于，进行下述处理：
从权利要求1～5中任一项所述的彩色摄像元件中取得所述颜色信号和红外光信号，基于所述红外光信号除去在所述颜色信号的至少一个中所包含的红外光成分。
10、一种彩色信号处理电路，其特征在于，
取得由权利要求1～5中任一项所述的彩色摄像元件所输出的所述颜色信号和红外光信号，基于所述红外光信号控制所述颜色信号内的至少2个信号的增益，进行颜色信号的白平衡调整。
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