JP2539592B2

JP2539592B2 - 撮像用カメラ

Info

Publication number: JP2539592B2
Application number: JP59048924A
Authority: JP
Inventors: イ−ゴン・ジヨセフ・ヒ−ブ; カ−ル・ハインリツヒ・クノ−ブ; ルドルフ・ハンス・モ−フ
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1983-03-14
Filing date: 1984-03-13
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: KR920009076B1; JPH07118811B2; KR840008247A; FR2542956A1; DE3409379A1; JPH06113310A; FR2542956B1; JPS59201595A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明はテレビジョン撮像用カメラ、特に単板（シ
ングルチップ）式固体テレビジョン撮像用カメラの色フ
イルタとこの撮像用カメラから引出された映像信号の処
理に関する。

〔発明の背景〕

MOS型またはCCD型装置のような固体画像感知器の実用
化によって、ただ１つの画像感知器（イメージセンサ）
を用いて複数の色を持つ画像を感知する色符号化計画の
問題が見直されて来た。固体感知器固有の寸法形状の安
定性により、ビデイコンやサチコンのような撮像管では
実現が不可能であった計画が可能になる。多くの色符号
化フイルタが開発されているが、これらの従来法のフイ
ルタは一般に解像度と漏話の問題を有し、そのためある
程度高品質の単板式固体撮像システムに使用するには不
適当であった。

フレーム転送型（フイールド転送型ともいう）の電荷
結合装置（CCD）では、結像領域全体が感光性を持ち、
各画素が、垂直チャンネルストップによって水平方向
に、また２相、３相または４相の信号が印加される水平
ゲートによって垂直方向に、画定されている。この各画
素を垂直方向に画定する方法を採用した結果、１つのフ
イールドと次のフイールド間で画素を垂直方向に一部重
ねることにより、正規のテレビジョン信号用の画像内の
各別の領域を掩う偶数フイールドと奇数フイールドの飛
越しが得られる。第１図はフレーム転送型の撮像器（イ
メージャ）10の一部で、水平破線は偶数フイールド用の
垂直方向における走査境界線を示し、水平実線は奇数フ
イールド用の垂直方向における走査境界線を示す。走査
線の番号は撮像器10の左右に示されている。２つのフイ
ールドの画素構造を垂直解像度１単位に相当する分だけ
垂直方向に偏倚した形に決めることによって擬似飛越が
得られる。この動作モードは、各フイールドにおいて１
つの画素が垂直解像度を垂直方向に２単位分組合わせた
形となるように、互に隣接する走査線からとった２単位
の垂直解像度を合計することと等価である。この動作モ
ードを採用した場合、垂直解像度は影響を受けないが、
垂直サンプリングのナイキスト周波数付近の垂直空間周
波数に対するコントラストは低下する。

この発明はフレーム転送型CCD以外の固体装置、例え
ばMOS型ダイオード配列感知器のような非重複型サンプ
リング素子による動作が可能な感知器にも適用し得る
が、その説明はフレーム転送型装置について行う。

１単位の垂直解像度へのアクセスの不可能なフレーム
転送型CCDの非重複飛越しモードは、利用可能な色符号
化パタンの選択に過酷な境界条件があることを示してい
る。例えば第2a図は色符号化パタンの古典的な１例、い
わゆるベイヤーパタンの赤、緑、青をＲ、Ｇ、Ｂで示し
たものを示すが、これはＲ＋ＧとＢ＋Ｇの２つの型の信
号だけが二者択一的に発生され、Ｇ＋Ｇのような第３の
型の信号がないため、フレーム転送型CCD用としては適
していない。完全な色信号を得るには少なくとも３種の
信号が必要である。

フレーム転送型CCDに適する色符号化パタンはすべて
第2b図に示すように黄、緑、シアン（Ye、Ｇ、Cy）の３
色周期縞のような垂直縞パタンである。しかし、垂直縞
パタンはこの縞状フイルタ周波数のすべての空間周波数
を除去するための、すなわちエリアシングを除去するた
めの光学的低域濾波を必要とするため、水平解像度が比
較的低い。第２図に示すような３画素周期に対しては、
理論的解像度の限界はb/w（単色）チップのそれの2/3で
あるが、実際はそれより低く、b/w解像度の約50％であ
る。

解像度は、符号化用に結像面の、第２の次元（方向）
を用いることにより、すなわち水平および垂直の両方向
において光透過特性が変るような色フイルタ・パタンを
用いることにより、改善することができる。これができ
てなおフレーム転送型CCDに合う種類の符号化パタンが
米国特許第3982274号明細書に示されている（第2c図参
照）。ここでは第2c図の第１組と第３組の各下側のテレ
ビジョン線上の全画素がＪの色で示されるように、パタ
ンの線１つおきに一様な色になっている。ここでＫ、
Ｌ、Ｊは一般色である。このため映像信号中の２つのフ
イールド（偶数と奇数）が同じ測色組成を有する。素子
KJ/LJおよびMJ/NJを含む各線がその両フイールドに発生
される。その様な両フイールドの唯一の差は、CCD信号
の生成には直接関係の無いことであるが、Ｊが他の素子
の上に現れるか下に現れるかである。（これは場合によ
ってフリッカを生ずることがある。）この型のパタンの
１つを第2d図に示す。ここでＷは白色または無色であ
る。ルミナンスについては２方向に完全な解像度が得ら
れるが、クロミナンスについては複号用にIH遅延線を要
し、このためこのような遅延線を用いた撮像用カメラ
は、ある種の水平線状構造を有する被写体の画像におけ
る色ビートに相当敏感になる。このような現象を減ずる
ために、ここでも光拡散器（２次元型）が必要である。

第2e図は単板固体カラー撮像用カメラに用いられる今
１つの従来法の碁盤目フイルターパタンを示す。このパ
タンは1982年４月発行のアイ・イー・イー・イー・トラ
ンザクションズ・オン・エレクトロン・デバイシーズ
（IEEE Transactions on Electron Devices）第ED-29巻
第４号第745-50頁に青木氏等により記載されたもので、
黄、緑、シアン、白の各色フイルタ素子を有する色フイ
ルタにより４色の垂直周期性が与えられている。隣同士
の行では水平方向にパタンが２素子分ずれて、シアン素
子が垂直方向に２つの黄素子の間にあり、白素子が２つ
の緑素子の間に来る等のようになっている。このパタン
は、XYアドレス指定型MOS光ダイオード感知器用に用い
たとき、各フイルタ素子行を各光ダイオード行に整合さ
せると良好な性能を示す。すなわち同時に２列を走査す
ることにより、完全な色信号を（1H遅延線なしで）各走
査線に対して引出すことができる。しかしこのフイルタ
ーパタンはフレーム転送型CCDのような装置には有効で
ない。このフイルタ素子行の各対に対する垂直方向の色
の組合せはYe＋CyとＧ＋Ｗの２種類しかなく、どちらも
Ｒ＋2G＋Ｂになる点で測色学的には同じであることに注
意すべきである。従ってこのフイルターパタンを用いて
フレーム転送型CCDからクロミナンス信号を発生するこ
とはできない。ベイヤーパタンについて上述したよう
に、完全な色の再生には３種の信号が必要である。

米国特許第4288812号明細書には今１つの碁盤目状フ
イルタが記載されている。この特許では撮像器の画素領
域より小面積を覆うフイルタ素子が各行ごとにずれてい
る。このフイルタ構造はCCDフレーム転送装置には有効
であるが、これも複号に1H遅延線が必要である。

従って固体撮像器特に単板式フレーム転送型撮像器を
用いる撮像用カメラには、複雑な１水平線時間遅延線を
要せずにカラー画像を生成するに要する信号を生成し得
る色フイルタを備えることが望ましい。

〔発明の概要〕

この発明の原理によって従来法の撮像用カメラの諸問
題を克服する撮像用カメラが提供される。この撮像用カ
メラは被写体からの輻射エネルギに応じて発生される未
処理信号を供給する複数個の収集部（受光素子）を持つ
固体撮像器を有し、被写体とこの撮像器の間には、行を
なすように配列された色フイルタ素子を持つ色フイルタ
が挿入されている。このフイルタ素子の対をなす行は常
にすべての瞬間において固体撮像器の収集部の１つの行
と整列している。この色フイルタ素子の各行は一連の色
の繰返しを含み、隣同志の行は互いにずれており、隣接
２行からのフイルタ素子の組合せにより、少なくとも２
つの独立した色の組合せが得られる。また撮像器に結合
されたまたは結合し得る信号処理手段があってその未処
理信号から被写体をその色内容に関する情報を含めて表
わす処理済信号を発生するようになっている。

〔詳細な説明〕

第３図はこの発明によるパタンを持つフイルタ12がど
のようにして作られているかを示す。第１の線はＰ個の
色、例えばＰ＝５としたときＫ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏという
５色のシーケンスの繰返しによって形成されている。こ
の色Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏは全部異っている必要はない
が、単板カラー撮像用カメラにおける完全な色解像度を
得るには、少なくとも３つは異った独立の色である必要
がある。スペクトル的に異なる２つのチャンネルへの分
離が行われる他の用途に対しては最低２色で充分であ
る。順番に並んだ各線は、それぞれその前の線を左へあ
る量Ｓだけずらして（シフトして）反復することにより
得られる。ここでＯ＜Ｓ＜Ｐで、第３図では第１行の色
Ｍと第２行の色Ｍを結ぶ矢印で示すようにＳ＝２であ
る。このパタンは線Ｐ本ごとに垂直に反復するが、P/S
が整数であればその反復が早くなり、すなわち線P/S本
ごとに反復する。フレーム転送型CCDに用いるとき、映
像信号の各線は画素Ｓ個分だけ位相のずれた同じ測色学
的シーケンス（順列）例えばKM、LN、MO、NK、OLを含ん
でいる。従って各線は基本的に同じ処理を必要とする。

Ｐ、Ｓと色のシーケンスを任意に選ぶと、好ましいカ
ラー撮像系の得られないこともある。事実選ばれた任意
のパタンの殆んどで、画像の再生が認められないことが
ある。例えば、画像内の空間情報の構造が色符号化パタ
ンのそれと似ておれば、色のモアレ模様やビートのよう
な強いエリアシング効果を生ずることがある。一般に２
行の色のシーケンスの組合せでは少なくとも３つの独立
した色素子が必要で、すなわち隣接する２本の水平線か
らのフイルタ素子を組合せるときは、各走査ごとに少な
くとも３つの独立色が得られる必要がある。しかし、複
板（２チップ式）カラー撮像用カメラの場合は、例えば
もし一方の撮像器が１つの独立色を与え、他方の撮像器
が他の２つの独立色を与えるとすれば、必要な独立色が
２つだけのシフトパタンを使用することができる。独立
色とは互いに異なり測色学的に無関係な原色を言い、例
えば赤、緑、黄は、黄が赤と緑の組合せのため、３つの
独立色の悪い選択ということになる。一般に、この３つ
の独立色を与えるように偏移させたとき、Ｐ≧５で２≦
Ｓ≦Ｐ−２の場合に有用なパタンが得られることを発見
した。Ｓ＝０、１、Ｐ−１のときは垂直または斜めの縞
状パタンが得られ、これについて特に有望な場合はまだ
見付かっていない。

シフトパタンのあるものはフレーム転送型CCD装置に
特に有用なことが判った。これを次に説明する。しかし
装置の画素の寸法が変ると他のシフトパタンの方がよく
適し、よい性能を挙げることもあることに注意すべきで
ある。

第4a図および第4b図はそれぞれＰ＝６でＳ＝２の２つ
のシフトパタンを示す。このパタンは垂直方向に線３本
ごとに反復して３×６色マトリックスを形成している。
第4a図のパタンはシアン（Cy）、緑（Ｇ）、白（Ｗ）の
３色を含んでいる。３色より成るフイルタは少量の場合
でも比較的容易に作ることができる。第4b図のパタンは
第４の色の黄（Ye）を含むがこれはフイルタを大量に作
るときそれほど経費の増大を示さない。第4a図および第
4b図のフイルタは、黄とシアンを重ねると緑になるので
黄とシアンのパタンを重ねて実現することができる。第
4a図および第4b図に示す形式に従って色フイルタを作る
技法の一例は、1983年７月11日付米国特許願第512541号
明細書に記載されている。これらの色を比較的容易に作
ることができることが上記の形式を選んだ最大の理由で
はない。より重要な理由は、フイルタの平均透過率で、
これはどちらの場合もほぼルミナンス信号Ｙに対する色
組成すなわちＹ＝0.59G＋0.30R＋0.11Bである。この与
えられた色は良好な性能を与えるが、他の選択も可能
で、場合によっては更によいこともある。

これらのパタンを光拡散器なしでCCD撮像器に用いる
と、強い色ビートその他の人為現象が生ずる。特性がフ
イルタ素子２×２個の面積全体の平均に対応する２次元
拡散器を用いるとこのような現象が減り、満足な性能を
示すことが判った。この拡散器の帯域幅はCCD自身によ
るサンプリングのナイキスト周波数と一致するため、ル
ミナンス解像度は本質的に害されない。

第４図のパタンの性能がよい理由を説明することは困
難であるが、１つの理由は各種の色が表面全体にほぼ均
一に分布して縞模様の発生を大いに防いでいることにあ
ることは確かである。例えば、第4a図のパタンでは、赤
感知素子Ｗが６角形の頂点にある。これは第4a図の白色
素子のいくつかを点線で結んで６角形を形成して示す通
りである。中央の白色素子は他の６つの白色素子により
ほぼ同じ距離で包囲されていることが判る。これは周縁
近傍を除いて他の白色素子にもいえる。

色符号化パタンは良好な単板式カラー撮像用カメラの
基礎を形成するが、発生した映像信号のデマルチプレキ
シングも同等に重要で、カメラの綜合性能の実質的改善
は与えられたパタンの電子的処理を慎重に調節すること
により得られる。任意のシフトパタンのすべてに適用さ
れる一般的アナログ処理法の説明は困難であるが、デジ
タル形式で実現し得る一般的処理法は説明することがで
きる。

このデジタル処理法の説明のために次の量を導入す
る。

S_i‥‥第１番目の画素（垂直解像度の２単位）から来る
色多重化信号。

C_k ^j1‥‥この処理を（完全に）説明する係数。ｋは同じ
線上の近隣画素の和算率で、−ｍ≦ｋ≦ｍ。ｊ＝１、
２、３で、３つの色成分（Ｒ、Ｇ、ＢまたはＩ、Ｑ、
Ｙ）を表わす。ｌ＝１、２、・・Ｐで、処理における相
の違いを示す。

するとカラー画像を表わす３つの処理済信号v^ij（ｊ＝
１、２、３）は次式の演算により得られる。

ここでｍは和算窓の幅を決定し、ｌ＝ｆ（ｉ）である。
ｆ（ｉ）は周期ｐの周期性関数で、画素ｉに対応するパ
タンの色のシーケンスにおける特定の場所を表わす値
１、２、・・Ｐを有する。例えば第4a図のパタンでｌ＝
２は中央の素子S_iが和でCyGの形を持ち、その左隣がGG
であることを意味し、ｌ＝３は右隣にGGを持つGWを意味
する。

第５図は単板式カラー撮像用カメラのブロック図を示
す。第５図の撮像用カメラの信号処理はデジタル技法で
行われる。像510はレンズ511によりCCD撮像器13上に結
像される。この撮像器はその上に碁盤目状の色フイルタ
514が形成され、例えばそのフイルタ514の色パタンは第
4a図の型のものである。像510と撮像器13の間には拡散
器516が挿入されてエリアシング効果（上記）を減ずる
ようになっている。CCD撮像器13はクロック発生器17の
制御の下にサンプリングされたアナログ信号を発生し、
これがアナログ・デジタル変換器（A/D）15によりデジ
タル信号に変換される。得られたデジタル信号は横型濾
波器70、72、74に印加される。各横型濾波器にはクロッ
ク発生器17の制御の下に係数用ROM518から１組の係数が
切換え印加される。Ｒ、Ｇ、Ｂの各信号を表わす濾波器
70、72、74の出力信号はそれぞれガンマ補正回路（γ）
42、44、46に印加され、その出力は合成NTSC信号を発生
するNTSC符号器48に印加される。

第６図には第５図の応用に使用する横型濾波器の詳細
が示されている。素子610〜618は直列の縦続遅延段（例
えば14段）で、それぞれA/D15（第５図）から印加され
る信号S_iを１サンプル周期（１画素）遅らせる。入力信
号S_iと各素子610〜618の出力信号はそれぞれ（例えば14
個の）係数乗算器620〜630に印加され、各乗算器は出力
信号C_k ^j1S_i+kを発生する。ここでｋは入力信号S_iに加え
られた遅延の回数、C_k ^j1は各係数の値である。各係数乗
算器620〜630の出力信号は加算器632で合計されて濾波
器の出力信号v_ijとなる。係数ROM518は各係数の値を定
め、所要の区間ごとに供給する係数を変える。この係数
ROM518は種々のアドレスコードを介して周期的に循環
し、既知の係数を所定順序で乗算器に供給する記憶装置
とすることができる。第６図には１つの横型濾波器に対
する実施例を示したが、第５図の方式は、勿論同じ係数
ROMから供給される３つの濾波器（各色成分に付き１つ
ずつ）を要することに注意すべきである。

係数C_k ^j1は周期的に色パタンのシーケンスと同相で変
化する。各C_k ^j1は得られた画像をカメラの入力と比較す
ることによる若干の調節処理によって得ることができ
る。撮像用カメラのシミユレーション用の入力として用
いるもとの画像に対するv_iの最小自乗適合法により１組
の値が得られた。数学的適合はＩ、Ｑ、Ｙスペースで行
われ、もとの画像のＩ値とＱ値がNTSC標準に従って低域
濾波されたが、この手順は明らかにもとの画像に依存し
ている。無作為白色ノイズパタンを中実の着色領域と組
合せることにより最良の結果が得られたが、顔面や風景
等の一般の被写体を用いると結果はそれより不良であっ
た。

この１組の値は第4a図のＰ＝６、Ｓ＝２の場合でＫ＝
15（−７≧ｍ≧７）のときのＲ、Ｇ、Ｂ信号について後
記の付表Ａに掲げてある。これらの値はシミユレーショ
ン機器を用いて得られたもので、第4a図と第4b図に示す
２つのシフトパタンに対して優れたカメラの性能が得ら
れた。付表ＡのＫ＝15に対する係数値はこのデジタル処
理を完全に決定する合計Ｋ×３×Ｐ＝15×３×６＝270
個の係数を表わす。

第７図はアナログ回路網に適する第4a図のパタン用の
処理方式を示す。CCD撮像器13からの色符号化信号は公
知の増幅器、クランプ回路、ノイズ低減回路等（図式せ
ず）を介して縦続接続された２つの１画素遅延線14、16
に供給される。この撮像器13からの信号と遅延線14、16
の出力信号は３つの隣接画素からの画像値を表わすもの
で、クロミナンス信号と混合高周波（ミックスド・ハイ
ス）信号を引出してルミナンスに対する解像度を良好に
するために用いられる。詳言すれば、減算器18、20にお
いて中央の画素の値をその左右の画素の値からそれぞれ
差引き、加算器22は減算器18、20の出力信号を組合せて
信号Ａを形成する。

クロミナンスチャンネル（第７図の左側）はサンプル
・アンド・ホールド回路24によりサンプリングされて６
画素区間ごとに２つのサンプル値を供給する。すなわち
スイッチ26、28は独立に切換えられ、信号は２つのクロ
ミナンスチャンネルC₁、C₂に交互に供給される。サンプ
ル・アンド・ホールド動作のサンプリング部分はスイッ
チ26または28の閉成時に起る。遅延線の中央素子が垂直
のGG素子（第4a図の線１、２参照）に対応するときは常
にスイッチ26または28が閉成する。すなわち垂直GG素子
の左右の素子がCyGのときは常にスイッチ26が閉成し、
垂直GG素子の左右の素子がWGのときは常にスイッチ28が
閉成する。従ってスイッチ26、28はそれぞれ６画素ごと
に１回閉成するが、それぞれ互いに離相している。従っ
て視野が均一な色のときはC₁、C₂がそれぞれ次の値を表
わす。バー（−）はテレビジョン方式のRGBと等価でな
い画素信号の値を示す。下述のように、、をＲ、
Ｂ、Ｇに変換するためマトリックス動作が行われる。

C₁＝（ｙ）＋（ｙ）−２（）＝２（ｙ−）＝２ C₂＝（）＋（）−２（）＝２（−）＝２（＋）＝２＋２第３のクロミナンス成分C₃はサンプル・アンド・ホー
ルド回路30を用いて（GG）値をサンプリングすることに
より得られる。従ってC₃信号のクロミナンスサンプリン
グは６画素から２画素づつ行われる。遅延線32は1/2画
素の遅延を与えるが、この遅延線32は３つのクロミナン
スチャンネルの各信号を整合させるためのものである。
信号C₁、C₂はそれぞれ６組の画素から１画素サンプリン
グされる。従って信号C₁、C₂と信号C₃の間には1.5画素
のずれが必要であるが、C₁、C₂に対するC₃の１画素の遅
延は遅延線16により与えられ、残り1/2画素の遅延が32
により与えらえる。従って C₃＝２である。

次に第7a図について信号C₃の中心合せ（センタリン
グ）動作の説明を行う。第7a図はスイッチの閉成と各ク
ロミナンスチャンネルの信号の有無すなわちC₁＝、C₂
＝＋、C₃＝を示す。スイッチ26の閉成後、信号
が６画素間存在し、スイッチ28の閉成後、信号＋が
６画素間存在する。チャンネルでは、スイッチ30が６
画素間に２回閉成する。と＋の組合せの中心はス
イッチ30の閉成時点の一方にある緑色信号の中心線に対
して1/2画素だけずれている。信号は画素遅延線16で
他の２信号に対して１画素だけ遅延されていることを想
起されたい。従ってと＋の組合せの中心線をと
一致させるには、信号を（第7a図に示すように）さら
に1/2画素だけ遅延させる必要がある。この追加の1/2画
素の遅延は遅延線32で与えられる。

第８図は第７図のスイッチ26、28、30によってどのよ
うに信号のサンプリングが行われるかを説明するための
タイミング図である。波形図ａ〜ｒは各スイッチのサン
プリングを表わす（高レベルがスイッチ閉成を示す）。
例えば波形ａについて言えば、スイッチ26がt₀からt₁ま
でとt₆からt₇まで（すなわち波形が高レベルのとき）閉
成され、従って第７図の信号Ａがt₀からt₁までサンプリ
ングされて、そのt₁時点の値がC₁チャンネル用のコンデ
ンサ（図示せず）等の信号蓄積装置によりt₁からt₆まで
保持される。t₀からt₁まで、t₁からt₂まで等の期間は画
素信号期間中のサンプリングされたアナログ信号の周期
を表わし、t₀はラスタの各水平走査線の始点時刻を表わ
す。波形ａ、ｂ、ｃ（およびｇ、ｈ、ｉとｍ、ｎ、ｏ）
は奇数フイールドに対する水平走査の順序を示し、この
順序がそのフイールドの残部についても反復される。波
形ｄ、ｅ、ｆ（およびｊ、ｋ、ｌとｐ、ｑ、ｒ）は偶数
フイールドに対するものである。各走査線に対する波形
すなわちａ、ｂ、ｃ等は各サンプル線について６サンプ
ル後反復する（すなわちt₀〜t₄が反復する）。

チャンネルC₁、C₂、C₃の各信号は、サンプリングによ
り生ずる高い周波数を消去するために、次第にロールオ
フする約700KHzの遮断周波数を持つ低域濾波器（LPF）3
4、36、38で低域濾波される。

カラーテレビジョン方式にはすべて２つの基本端局動
作すなわち適当なピックアップ装置による撮像器からの
色情報の取出しと適当な画像再生装置によるその色情報
からの画像の再生がある。ピックアップ動作では一般に
画像からの光を特定の成分色に分解する必要があるが、
画像再生動作では一般に何等かの方法で組合されて信号
画像の映像を視聴者に複製する特定の成分色で画像を再
生する必要がある。画像再生装置に供給される画像情報
がその装置が画像の再構成に用いる成分色と合わなけれ
ば、もとの画像の忠実な再生ができないことはよく理解
できるから、ピックアップ装置が被写体の像から光を分
解する原色が再生装置で成分画像を形成する原色と対応
しなければ、忠実な再生をするためには、この方式に最
初取出した色情報を再生装置の原色に変換するためのマ
スク回路のような手段が必要である。この変換は最初取
出された信号を適当に混合して再生装置の原色に実質的
に対応する混合信号を生成することにより行うことがで
きる。

各画素位置（x,y）において色Cxyは黄、シアン等の色
を表わす。各色Cxyは３つの係数t^k（Cxy）により特徴付
けることができる。ただしｋ＝１、２、３でその画像位
置から取出された信号を表わす任意の画像入力I^k（xy）
に対してＲ、Ｇ、Ｂ原色によりその画素で発生される電
気出力Pxyをで定義する。各フイルタ素子の透過特性を示す係数t
^k（Cxy）は被写体の照度（色温度Ｔ）とCCDのスペクト
ル応答が判れば任意のフイルタのスペクトル透過度につ
いて計算することができる。下表はＴ＝3200°Ｋ（白熱
電灯）と薄型背面照明式CCDの代表的応答を仮定した
Ｒ、Ｇ、Ｂ原色に対する係数t^kの代表的な非基準化値を
示す。

従ってマトリックス40はサンプル・アンド・ホールド
回路から取出されたクロミナンス信号C₁、C₂、C₃を実質
的にテレビジョン信号に対応するＲ、Ｇ、Ｂ信号に変換
する。このマトリックス40はＲ、Ｇ、Ｂ信号を形成する
抵抗回路網により形成することができる。C₁、C₂、C₃か
らＲ、Ｇ、Ｂを引出す式は次の通りである。

Ｒ＝−0.45C₁+0.58C₂-0.2C₃ Ｂ＝0.66C₁+0.05C₂-0.135C₃ Ｇ＝−0.18C₁-0.135C₂+0.36C₃ このＲ、Ｇ、Ｂ信号はそれぞれ回路42、44、46でガンマ
補正されてマトリックス90に印加される。このマトリッ
クス90で低周波数のＲ、Ｇ、Ｂ信号が例えば抵抗マトリ
ックス回路網のような通常の回路網により組合されて低
周波数のルミナンス信号YLと赤の色差信号Ｒ−Ｙと青の
色差信号Ｂ−Ｙを生成する。

高周波数のルミナンス信号を生成するために別のいわ
ゆる混合高周波チャンネル（第７図の右側）が用いられ
る。この基本信号は連続する２つの画素を加算器50で加
算し（２画素の合計はエリアシングの低減を行い、ルミ
ナンスを表わす測色学的平衡を与えるために行われ
る）、得られた和信号を低域濾波器（LPF）34、36、38
で生じた遅延によって必要な等化用遅延線52に印加する
ことにより得られる。混合高周波信号の測色学的組成は
一定ではなく、第4a図のパタンについて図示のフイルタ
の線１では次の順序で周期的に（Ｐ＝６）変わる。

（３ｙ）、（２ｙ）、（３）、（３
）、（２ｙ）、（３ｙ）等このため色と輝度の一様なフイールドでも、混合高周波
信号は一般にルミナンスチャンネルのフイルタを表わす
一定パタンに導く高周波数を含む。

第７図は上記の問題を解決する比較的簡単でシフトパ
タン以外の色符号化パタンに適用し得る方法を示す。こ
の原理は混合高周波チャンネルに低域濾波されたクロミ
ナンスチャンネル（C₁、C₂、C₃）からの信号を加えて合
計信号が一定の測色学的組成を持つようにすることであ
る。第4a図のパタンについては、これはスイッチ54、56
を用いて信号３に1/2C₁＝を、信号３ｙに1/2
C₂（＋）を、それぞれ加え、1/2振幅減衰器58と加
算器60を用いて6dBを加え、第３の信号２ｙをそ
のままにしておくことにより達せられる。各スイッチを
閉成するための６画素の手順は56（閉成せず）、54（閉
成せず）、56（この手順を反復する）である。

第９図は混合高周波ルミナンス信号に一定の測光学的
組成を与えるスイッチ56、58の動作を理解するためのタ
イミング図である。波形ａ〜ｌは各スイッチのサンプリ
ング（高レベルがスイッチ閉成）を示す。この第９図の
時間は適当量遅延された画素信号期間中にサンプリング
された第８図のアナログ信号の時間に対応する。t₀′は
ラスタの各水平走査線の始点時刻を表わし、t₀′−t₁′
が加算器60の入力に最初の画素（４つのフイルタ素子か
ら取出された信号の合計）が生ずる時間を表わす。波形
ａ、ｂ、ｃとｇ、ｈ、ｉは奇数フイールドに対して反復
し、波形ｄ、ｅ、ｆとｊ、ｋ、ｌは偶数フイールドに対
して反復する。さらに各波形は６サンプル（すなわち
t₀′−t₆′）ごとに反復する。容易に判るように、ここ
で混合高周波信号は一定の組成２ｙ＝＋４＋２を持つことになる。

、、が映像面では純粋なＲ、Ｇ、Ｂ信号ではな
く、上述のような次第にロールオフするスペクトル透過
特性を持つ代表的な非理想的フイルタを用いて得られた
ような信号であれば、このルミナンスに対する近似は良
好である。

この補正された混合高周波信号は次に理想的に低域濾
波器（LPF）34、36、38と相補的特性を持つ高域濾波器
（HPF）62により高域濾波された後、混合器92で低周波
数のルミナンス信号に加えられて広帯域ルミナンス信号
を形成する。色差信号とルミナンス信号は次にNTSC符号
器49に印加され、ここで公知の技法により合成カラーテ
レビジョン信号が発生される。高域濾波された信号は低
域濾波されたクロミナンス信号に要したようなガンマ補
正をしなくても充分であることが判った。

第７図のような第4a図のパタンに対する電子的処理の
長時間シミユレーションを行ったが、極めてよい性能を
示した。第4b図のパタンに対し第７図と同様の処理法の
シミユレーションも行ったが、このシミユレーションで
この信号対雑音比（約3dB）と対角線に沿うエリアシン
グには第4a図のパタンに比べて顕著な改善が見られた。

第10図は第4b図のパタンのアナログ符号化用の回路を
示す。図において第７図の素子に対応する素子には対応
する引用数字を付してある。この動作は第７図の回路の
動作と同様のため、簡単に説明する。互いに独立の３つ
の色成分信号C₁、C₂、C₃は次のようにして得られる。ま
ず加算器64、68、増幅器66および差増幅器70により隣接
素子の加重和信号が２つ形成される。信号Ａは重み１、
−２、１を有する隣接素子の加重和であり、信号Ｂは重
み１、２、１を有する素子の加重和である。サンプル・
アンド・ホールド回路24はこれらの信号を３画素周期
で、すなわち中心素子がYeYeまたはGGのときは常にサン
プリングする。スイッチ30は３画素ごとに閉成するが、
スイッチ26、28は交互に閉成する。すなわち、スイッチ
26は中心素子がYeYeのときは常に閉じ、スイッチ28は中
心素子がGGのときは常に閉じ、スイッチ30はスイッチ2
6、28と共に閉じる。第11図は第10図のスイッチ26、2
8、30により信号のサンプリングがどのように行われる
かを理解する助けとなるタイミング図を示す。波形ａ〜
ｒは各スイッチのサンプリングを示す。第11図の動作の
細部は第８図のそれと全く同様であるから、詳細な説明
は行わない。

視野の色が一様なときはC₁、C₂、C₃が次の信号値を表
わす。

C₁＝y-4ｅ＋ｙ＝２−４ C₂＝ｅ−４＋ｅ＝２＋４ C₃＝ｙ＋４ｅ＋ｙまたはｅ＋４＋ｅ＝８＋２＋４信号C₃は各クロミナンスチャンネルの各画素の中心合
せを行うため遅延線32で1.5画素だけ遅延される。３信
号C₁、C₂、C₃はそれぞれ34、36、38で低域濾波されて低
周波数のクロミナンス信号を生成する。隣接画素信号の
和は何等補正回路を追加することなく混合高周波信号に
用いることができる。青色内容に対する小さな補正は行
っても良いが、スクリーン上の誤差はそれほど目立つも
のではない。低域濾波されたクロミナンス信号C₁、C₂、
C₃ははカラーマトリックス40で混合されてＲ、Ｇ、Ｂ信
号となり、これがガンマ補正されてマトリックス90に印
加される。ガンマ補正された信号はマトリックス90に印
加されて色差信号Ｂ−ＹとＲ−Ｙおよび低周波数のルミ
ナンス信号YLを形成する。低周波数と高周波数の両ルミ
ナンス信号は混合器92で加算されて広帯域ルミナンス信
号を生成する。このルミナンス信号と色差信号は符号器
49に印加されて合成NTSC信号を形成する。

CCDにおける垂直漏話（ある線からの信号が隣の線か
らの信号に入り込む現象）があるレベルになると、第4a
図または第4b図のパタンが青と緑の識別ができない２色
符号化パタンに劣化する。垂直漏話が問題なら、ｐ＝
８、ｓ＝２の第12図のパタンを用いると、1.5倍程度の
実質的にさらに大きい漏話を呈するCCD撮像器でも満足
な結果が得られ、少なくとも第4a図のそれに等しい性能
を挙げることができる。第12図の色シーケンスはＧ、C
y、Ｇ、Cy、Ｗ、Ｇ、Ｗ、Ｇである。この信号対雑音比
は第4b図のパタンの場合より実質的に向上する。この第
12図のパタンで発生された信号の処理に適するアナログ
のデマルチブレキシング法は見付かっていないが、第５
図の一般的デジタル処理法で極めて満足な結果が得られ
る。第12図のパタンから引出された信号を処理するため
の１組の係数を、ｐ＝８、ｓ＝２の場合のｋ＝15（−７
≧ｍ≧７）のＲ、Ｇ、Ｂ信号について後記の付表Ｂに示
す。

以上吾々は吾々自身を周期ｐ≦８に制限して多数のシ
フトパタンを解析して来たが、ｐ＝８の異なるパタンの
総数は系統的検討に多過ぎる。第4a図、第4b図および第
12図について上述したシフトパタンの３つの特例は今日
まで吾々が最良と考えているものを表わすが、特にｐ＞
８の場合にさらに良好なパタンがある可能性も可成り高
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はフレーム転送型撮像器の一部を示す図、第2a
図、第2b図、第2c図、第2d図、第2e図は従来法の色符号
化フイルタを示す図、第３図は一般化された色を持つこ
の発明による色符号化フイルタの１実施例を示す図、第
4a図、第4b図はこの発明による碁盤目状色フイルターパ
タンを示す図、第５図はこの発明に用いるデジタル複合
回路を有するカラー撮像用カメラを示す図、第６図は第
５図のデジタル回路の詳細を示す図、第７図はこの発明
に用いるアナログ信号処理回路を持つカラー撮像用カメ
ラのブロック図、第7a図はその処理回路の一部を示す
図、第８図、第９図は第７図の信号処理回路の動作の説
明に用いる波形図、第10図はこの発明によるカラー撮像
用カメラの他の実施例を示す図、第11図は第10図の信号
処理回路の動作の説明に用いる波形図、第12図この発明
の原理による他の碁盤目状色フイルターパタンを示す図
である。 12……色フイルタ、13……撮像器、15、17、42、44、4
6、48、70、72、74、518……信号処理手段、18、20……
減算手段、26、28……第１のサンプリング手段、30……
第２のサンプリング手段、40……カラーマトリックス、
64……第１の和算手段、68……第２の和算手段、70……
減算手段、510……被写体、514……多色フイルタ、70、
72、74……横型濾波回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ルドルフ・ハンス・モ−フスイス国ツエ−ハ−8400ビンタ−ツ− ル・ライヘンベルクシユトラ−セ163

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ビデオ信号の一連のフイールドを供給する
フレーム転送型固体撮像器であって、感光性結像領域
と、一連の線期間を含む各フィールド期間中各画素を表
わす信号を発生させるために上記結像領域中に収集部の
一連の水平線を画定する水平ゲートの配列とを含む上記
固体撮像器と、上記固体撮像器の前方に配置されており且つ複数の水平
方向に配列された行をなすように配列された複数の色フ
ィルタ素子を有する色フィルタと、を具備してなり、各行中の上記色フィルタ素子は複数の色の同じ繰返しシ
ーケンスをなすように配列されているが、所定の行中の
上記繰返しシーケンス中の各色フイルタ素子の位置は直
前の行中の上記繰返しシーケンス中の上記色フイルタ素
子の位置に対して色フイルタ素子の所定個数Ｓだけ上記
行方向にずれており、また上記所定の行の直後の行中の
同じ繰返しシーケンス中の各色フィルタ素子の位置は上
記所定の行中の対応する色フイルタ素子の上記所定個数
Ｓだけ上記行方向にずれており、所定フイールドにおける各線期間中、上記色フイルタ素
子の隣接する水平方向に配列された行の各異なる対を通
過した光は上記収集部の一連の水平線の各１本の線上に
到達して一連の画素を表わす信号を発生させ、各信号は
各隣接した色フィルタ素子行の垂直方向に整列された各
フィルタ素子を通過した光の組合わせに応答し、上記繰返しシーケンス中の色フィルタ素子の総数Ｐは５
以上（すなわち、Ｐ≧５）であり、上記各フィルタ素子の所定個数Ｓは２以上で且つＰ−２
以下（すなわち、２≦Ｓ≦Ｐ−２）であり、上記繰返しシーケンス中における色フィルタ素子は、少
なくとも３種の相異なる光透過特性をもつ色フィルタ素
子を含んでいる、撮像用カメラ。
【請求項２】上記繰返しシーケンス中における色フイル
タ素子の総数Ｐが６（Ｐ＝６）で、上記色フイルタ素子
の所定個数Ｓが２（Ｓ＝２）である、特許請求の範囲
（１）項に記載の撮像用カメラ。
【請求項３】Ａ、ＢおよびＣをそれぞれ異なった光透過
特性を有する色フイルタ素子として、上記シーケンス
が、Ａ、Ｂ、Ａ、Ａ、Ｃ、Ａの順番に配列された色フイ
ルタ素子で構成されている、特許請求の範囲（２）項に
記載の撮像用カメラ。
【請求項４】上記Ａの色フイルタ素子が赤および青色光
を通さず緑色光を透過させ、Ｂの色フイルタ素子は赤色
光を通さず緑と青色光とを透過させ、上記Ｃの色フイル
タ素子は赤、緑および青色光を透過させるものである、
特許請求の範囲（３）項に記載の撮像用カメラ。
【請求項５】Ａ、Ｂ、ＣおよびＤをそれぞれ異なった光
透過特性を有する色フイルタ素子として、上記シーケン
スが、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｃの順番に配列された色フ
イルタ素子で構成されている、特許請求の範囲（２）項
に記載の撮像用カメラ。
【請求項６】上記Ａの色フイルタ素子が青色光は通さず
赤および緑色光を通過させ、Ｂの色フイルタ素子が赤色
光は通さず緑および青色光を透過させ、Ｃの色フイルタ
素子が赤および青色光を通さず緑色光を透過させ、Ｄの
色フイルタ素子が赤、緑および青色光を透過させるもの
である、特許請求の範囲（５）項に記載の撮像用カメ
ラ。
【請求項７】上記繰返しシーケンス中における色フイル
タ素子の総数Ｐが８（Ｐ＝８）であり、上記色フイルタ
素子の所定個数Ｓが２（Ｓ＝２）であることを特徴とす
る、特許請求の範囲（１）項に記載の撮像用カメラ。
【請求項８】Ａ、ＢおよびＣをそれぞれ異なった光透過
特性を有する色フイルタ素子として、上記シーケンス
が、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｃ、Ａの順番に配列され
た色フイルタ素子で構成された、特許請求の範囲（７）
項に記載の撮像用カメラ。
【請求項９】Ａの色フイルタ素子が赤および青色光を通
さず緑色光を透過させ、Ｂの色フイルタ素子が赤色光を
通さず緑および青色光を透過させ、Ｃの色フイルタ素子
が赤、緑および青色光を透過させるものである、特許請
求の範囲（８）項に記載の撮像用カメラ。
【請求項１０】上記一連のフイールドの一つ置きの各フ
イールドにおける上記一連の画素を表わす信号の発生に
寄与する通過光の組合わせを決定する、隣接する色フイ
ルタ素子行の複数の各対は、上記一連のフイールドの上
記一つ置きのフイールドの相互間にあるフイールドにお
ける上記一連の画素を表わす信号素子の発生に寄与する
通過光の組合わせを決定する、隣接する色フイルタ素子
行の複数の各対と異る、特許請求の範囲（１）項に記載
の撮像用カメラ。