JP2554063B2

JP2554063B2 - 撮像素子

Info

Publication number: JP2554063B2
Application number: JP61284190A
Authority: JP
Inventors: 邦雄今井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPS63138895A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、テレビジョンカメラに用いる固体撮像素
子に関し、特にカラーフィルターを用いないでひとつの
光学画素から、複数の色成分を分離可能に得るカラー撮
像素子に関する。

［従来の技術］現在、民生用ビデオカメラは小型、軽量、安価といっ
た要求からひとつの平面撮像素子からカラー画像を作り
出す方法が取られているが、これには、色再現がよくな
いとか色のモワレや偽信号が出るなど画質上改善すべき
問題が残っている。本来、輝度情報と色情報は光学像の
同一画素から得るべきであるが、現実には、平面的に配
置した複数の着色画素から演算を行ってこれらの情報を
それぞれ独立に得ていることに上述した問題の根本的な
原因があると考えられる。

例えば、従来例のひとつとして、第４図に示すカラー
フィルター配列の撮像素子の場合について説明する。第
４図は緑の補色であるマゼンタ（Mg）、赤の補色である
シアン（Cy）、青の補色である黄（Ye）のフィルターお
よび３原色のひとつ緑（Ｇ）のフィルターで覆われた画
素から成る。これら相隣る４画素から輝度信号と色信号
を次のようにして得る。すなわち、３原色の成分、緑，
赤および青をそれぞれG,RおよびＢであらわすと輝度信
号と色差信号は次式で示される。

輝度信号はＹ＝Mg＋Ｇ＋Cy＋Ye＝3G＋2R＋2B （１）色差信号は一方、NTSCやPALなどの方式では輝度信号と色差信号
は次のように表される。すなわち輝度信号Ｙ＝0.59G＋0.30R＋0.11B （３）色差信号 NTSC方式についてはさらに反時計方向に33°回転した
ＩおよびＱ軸の座標に変換する必要がある。

第（２）式と第（４）式を比べてみれば明らかなよう
に、第４図のカラーフィルターの場合、第（４）式のＲ
−Ｙに対応する第（２）式の信号は2R−ＧでありＢ成分
を含んでおらず、また第（４）式のＢ−Ｙに対応する第
（２）式の信号は2B−ＧでありＲ成分を含んでいない。
したがって第４図に示すカラーフィルター配列の場合、
NTSCやPALで要求される正しい色再現ができない。正し
い色再現を得るには相隣る４画素から３原色成分R,G,B
を一旦取出して、それから輝度信号と色差信号を作らな
けらばならないが、これを実行するには回路規模がさら
に大きくなる。

一方、放送・業務用のカメラは第５図に示すように三
つの撮像素子を用いている。レンズ201を通して得られ
た映像を色分解光学系、例えばダイクロイックプリズム
210で３原色B,R,Gに分解し、それぞれ三つの撮像素子22
1,222,223で検出する。つまり映像を構成する全ての光
学画素がそれぞれ３原色成分に分解される。そして、１
画素毎の３原色信号から輝度信号と色差信号を作り出し
ている。白色光に対して１画素毎から得られる映像信号
の３原色成分が等しくなるように光学系および撮像素子
の分光感度比率を補正したのち、第（３）式で示す輝度
信号と第（４）式で示す色差信号を得ているので正しい
色再現が得られる。

しかし、この方式にもひとつの問題がある。それは、
本質的にレジストレーションずれ（R,G,Bの色ずれ）の
問題をもっていることである。これを第６図を用いて説
明する。プリズムによって分解された３原色成分B,R,G
は三つの撮像素子221,222,223の間で、全ての画素につ
いて一致していなければならない。すなわちレンズを通
してプリズムに入射する画像面の着目する画素について
撮像素子221,222,223の座標（x_B,y_B），（x_R,y_R），（x
_G,y_G）が全て等しい。つまり次式が成立つ必要がある。

x_B＝x_R＝x_G かつ y_B＝y_R＝y_G （５）この条件が崩れるとレジストレーションずれが起こ
る。撮像管の場合はこれを電気的に補正することができ
る。すなわちR,G,Bの画面の中の輪郭を抽出してそれら
の時間差を検出し、走査ビームを偏向する鋸歯状波の直
流分をその時間差に対応して制御することで補正され
る。

しかし、固体撮像素子の場合は電気的に制御すること
ができない。固体の場合、撮像管のターゲットの光電変
換膜（サチコン膜等）のように画素が連続しているわけ
ではなく１画素ずつ孤立していてその絶対位置が決って
いるので機械的に撮像素子を動かして合せるよりほかに
方法がない。

［発明が解決しようとする問題点］本発明は上述した従来の欠点、すなわち色再現が不正
確であること、およびレジストレーションずれを解決で
き、しかも回路構成に簡単なカラー撮像素子を提供する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明の撮像素子
は、所定の方向に配列された複数の画素からなる撮像素
子において、前記複数の画素のそれぞれは受光部分と、
該受光部分より入射した光を複数の色に分解する色分解
手段と、該色分解手段により分解された複数の色をそれ
ぞれ検出するための複数の色検出手段と、からなるよう
に構成することによって各画素毎に複数の色信号を検出
可能とすると共に、レジストレーションずれを解消した
ことを特徴とする。

［作用］本発明によれば民生用のビデオカメラの色再現性を３
管（板）並みに向上させ、その上複雑な色信号処理回路
が不要となるので、調整工数の削減をもたらす。

また、本発明によれば放送・業務用ビデオカメラもひ
とつの撮像素子（すなわち単板）で実現できる。３管
（板）の高画質を維持しつつ、レジストレーションずれ
が全く起こらない信頼性の高いビデオカメラを実現する
ことができる。

［実施例］以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図に画素構成の実施例を示す。同図において破線
で囲んだ全体400がひとつの画素を示している。ひとつ
の画素への入射光線は窓410によって制限される。窓410
は余分の光が映像に悪影響を及ぼさないために設けられ
る。この窓を通過して入射した光線401は色分解光学系4
20に入る。色分解光学系420は次のように構成されてい
る。すなわち、入射光線に対して45°の角度をなし、青
の成分を反射し、緑および赤の成分を透過させるダイク
ロイックミラー421、ダイクロイックミラー421より反射
された光線に対して45°の角度をなし全反射をするミラ
ー422,ダイクロイックミラー421を通過した光線に対し
て45°の角度をなし、赤の成分を反射し、残り（緑）の
成分を透過する第２のダイクロイックミラー423,ダイク
ロイッミクラー423の反射光線に対して45°の角度をな
し、赤成分を全反射するミラー424より構成されてい
る。この色分解光学系420で３原色に分解された光は光
電変換部430で電気信号ぶ変換される。

色分解光学系420に入射した光線は次のように分解さ
れる。すなわち、入射光401は第１のダイクロックミラ
ー421により青（Ｂ）成分が反射され、緑および赤が通
過する。ダイクロイックミラー421により反射された光
（青）はミラー422により反射されて光電変換素子431に
入射し、電気信号に変換され、青（Ｂ）の成分が取り出
される。第１のダイクロイックミラー421を通過した光
は第２のダイクロイックミラー423で赤成分が反射さ
れ、さらにミラー424で反射されて光電変換素子433に入
射し電気信号に変換され、赤（Ｒ）の成分が取り出され
る。そして、第２のダイクロイックミラー423を通過し
た光は光電変換素子432に入射し、電気信号に変換さ
れ、緑（Ｇ）の成分が取り出される。なお、R,G,B以外
の色に分解しても良いことは言うまでもない。また、３
色でなく２色でも良い。

光電変換素子としてCCD型あるいはMOS型さらに従来よ
り撮像管のターゲット面に用いられている酸化鉛pboや
三硫化アンチモン（Sb₂S₃）あるいはセレンを主材料と
した光電変換膜を用いてもよい。ただし、光電変換膜の
場合、R,G,B用各光電変換部が絶縁されていなければな
らない。

光電変換素子からの信号の読み出し方について第２図
を用いて説明する。

第２図において、501は光が入射する側の透明電極を
示し、例えば酸化スズ（SnO₂）を用いる。502は反対側
の電極を示している。これら電極の間に挟まれている51
0はひとつのカラー成分画素を示す。521は画素の信号を
読出すスイッチ、522は読出された信号電流を電圧に変
換する負荷抵抗、523は電源を示す。

１画素あたりの光電変換部510は電気的にはコンデン
サに並列に高抵抗が接続されているのと等価と見なされ
る。また、この並列抵抗は可視光が入射すると光の強さ
が大きいほど抵抗値が小さくなる特性を有している。画
面走査はこの画素と直列に接続されるスイッチ521を例
えば1/30秒または1/60秒に一度の割合で閉じることによ
り行われる。

スイッチが閉じられると電源523から負荷抵抗522を介
して光電変換部510のコンデンサを充電する。この充電
電流は、コンデンサの電荷が少ない状態（電圧が低い状
態）のとき大きい。入射光が強いとき抵抗値が小さくな
るので放電時定数が小さくなる。その結果、電荷の放電
が大きくなり、電荷の少ない状態となりスイッチを閉じ
たとき充電電流が大きく流れ負荷抵抗の両端に大きな電
圧が得られる。

この画素を水平，垂直方向に配置して全体でひとつの
撮像素子とする。

第３図に実施例を示す。図において、610は撮像素
子、650〜652は第１図に示した１画素、670〜672は各光
学画素から３原色信号を読み出すためのスイッチ、661,
662および663は各画素から３原色信号を読み出すための
母線、621,622,623は信号母線から読み出した信号電流
を電圧に変換する負荷抵抗、624はこれら負荷抵抗を介
して画素の容量分に電流を供給するための電源、631,63
2,633は３原色信号電圧を増幅するための増幅器を示
す。画面の走査は画素650の信号をスイッチ670を構成す
る三つのスイッチを同時に閉じることにより３原色信号
を同時に読み出し、続いて隣りの画素651の信号をスイ
ッチ671を閉じることにより読み出す。この動作を繰り
返すことにより１画面の信号を読み出すことができる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、民生用ビデオカ
メラの画質を３管（または板）カメラ並みに向上させ、
その上複雑な色信号処理回路が不要となるので調整工数
の削減をもたらす。

また、本発明によれば、放送・業務用ビデオカメラも
ひとつの撮像素子（すなわち単板）で実現でき、３管
（板）カメラの高画質を維持しつつ、レジストレーショ
ンずれの全く起こらない信頼性の高いビデオカメラが実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による撮像素子の１画素分の断面図、第２図は第１図に示した３原色光電変換部の１原色あた
りの光電変換部からの信号読出しの説明図、第３図は本発明による撮像素子から１画面の信号を読出
す方法を説明する図、第４図は従来の民生用ビデオカメラの撮像素子の一例に
おけるカラーフィルター配列図、第５図は従来の放送・業務用ビデオカメラの色分解光学
系と撮像素子の配置を示す図、第６図は第５図に示す撮像系のレジストレーションずれ
を説明する図である。 201…レンズ、210…ダイクロイックプリズム、221,222.
223…撮像素子、400…画素、401…入射光、410…窓、42
0…色分解光学系、421,423…ダイクロイックミラー、42
2,424…ミラー、430…光電変換部、431,432,433…光電
変換素子、501…透明電極、502…電極、510…カラー成
分画素、610…撮像素子、631,632,633…増幅器、650,65
1,652…画素、661,662,663…母線、670,671,672…スイ
ッチ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の方向に配列された複数の画素からな
る撮像素子において、前記複数の画素のそれぞれは受光部分と、該受光部分よ
り入射した光を複数の色に分解する色分解手段と、該色
分解手段により分解された複数の色をそれぞれ検出する
ための複数の色検出手段と、からなるように構成するこ
とによって各画素毎に複数の色信号を検出可能とすると
共に、レジストレーションずれを解消したことを特徴と
する撮像素子。