JP2647772B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置、特に被写
体像を赤、緑および青の３原色像に分解してそれぞれ固
体撮像素子によって受光して赤、緑および青色信号を取
り出すようにしたカラー固体撮像装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置に使用される固体撮像素子
としては主としてＣＣＤが用いられており、家庭用ビデ
オカメラは勿論、テレビ放送用のカメラとしてもＣＣＤ
カメラが採用されるようになってきた。このようなＣＣ
Ｄカメラの解像度を向上するために、ＣＣＤの受光素子
の個数を増大することに多くの努力が払われてきたが、
微細化技術にも限界があるとともに受光素子数を多くす
ると、１画素当たりの開口面積は減少することになり、
Ｓ／Ｎの低下、感度の低下、ダイナミックレンジの低下
を招くので画素数を増大させることにも限界がある。

【０００３】このような欠点を解消するために、いわゆ
る画素ずらし法が採用されている。図１は画素ずらしを
行った従来のカラーテレビカメラの構成を示すものであ
る。被写体の像を対物レンズ１０によって形成し、これ
を色分解光学系１１によって赤、緑および青色像に分解
し、これらの色画像をそれぞれＣＣＤ１２Ｒ，１２Ｇお
よび１２Ｂによって撮像する。図２Ａに示すように、赤
および青色画像を撮像するＣＣＤ１２Ｒおよび１２Ｂの
受光素子は、緑色画像を撮像するＣＣＤ１２Ｇの受光素
子に対して主走査方向、すなわち水平方向に、受光素子
の配列間隔Ｐのほぼ半分の距離だけずらして配置されて
いる。

【０００４】ＣＣＤ１２Ｒ，１２Ｇおよび１２Ｂから得
られる赤、緑および青色信号をそれぞれ相関二重サンプ
リング回路１３Ｒ，１３Ｇおよび１３Ｂによってサンプ
リングして映像信号を取り出し、これらの映像信号の位
相を合わせるために、緑色信号を受光素子の配列ピッチ
Ｐに半分の距離を走査するに要する時間に等しい遅延時
間τを有する遅延回路１４に通す。このようにして位相
を整合させた赤、緑および青色信号をそれぞれ低域通過
フィルタ１５Ｒ，１５Ｇおよび１５Ｂに通して高域成分
のサンプリングノイズを除去した後、映像処理回路１６
Ｒ，１６Ｇおよび１６Ｂに通して処理し、さらに各映像
信号間の僅かな時間差を補償するために可変遅延回路１
７Ｒ，１７Ｇおよび１７Ｂにそれぞれ通す。

【０００５】さらに、これらの映像信号を輝度マトリッ
クス回路１８に供給し、ここで予め決められた比率、例
えばＮＴＳＣ方式においては0.30:0.59:0.11の比率で混
合して輝度信号Ｙを作成する。このようにして得られる
輝度信号を増幅器１９で増幅する。このように画素ずら
しを行ったカラーテレビカメラにおいては、図２Ｂに示
すように緑色の画素Ｇ間に赤および青色の画素Ｒおよび
Ｂが配置される位置関係で空間的にサンプリングされる
ことになり、したがって、これらの映像信号を混合して
得られる輝度信号の解像度は見掛け上２倍となるととも
に画質を劣化させる原因となる折り返し偽信号成分も低
減されることになることは公知である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の画素ず
らしを行ったカラーテレビカメラにおいては、赤、緑お
よび青色信号をそれぞれ単独で見た場合には、見掛けの
画素数が増大しておらず、したがって解像度も増加せ
ず、折り返し偽信号成分も減少していない。その理由
は、対物レンズとＣＣＤとの間に配置された空間ローパ
スフィルタが、画素ずらしを行って得られた輝度信号Ｙ
において最大の効果が得られるように設計されているた
めである。このことについてさらに詳細に説明する。

【０００７】例えば、４０万画素のＣＣＤを用いる場
合、１枚のＣＣＤのサンプリング周波数は約１４ＭＨｚ
である。このＣＣＤを利用して画素ずらしを行った場合
の見掛け上のサンプリング周波数は２倍となり、約２８
ＭＨｚとなる。したがって、ナイキストのサンプリング
定理により、サンプリング周波数の半分の周波数のロー
パスフィルタをサンプリング回路の前後に入れれば、偽
信号は発生しないことになる。従来の３板式テレビカメ
ラの空間ローパスフィルタは、これに基づき約１４ＭＨ
ｚ以上の空間周波数をカットして画素ずらしを行って得
られる輝度信号において偽信号が発生されるのを阻止す
るように設計されている。この様子を図３に付いてさら
に説明する。

【０００８】輝度信号は、画素ずらしにより見掛け上１
枚のＣＣＤの場合の２倍のサンプリング周波数となる。
４０万画素の場合、１４MHz の２倍の２８MHz までレス
ポンスがある。図３Ａは空間ローパスフィルタが無い場
合の輝度信号および偽信号の周波数レスポンスを示すも
のであり、折り返し偽信号が低域側に大きく現れてい
る。図３Ｂは１４ＭＨｚ以上の周波数をカットする空間
ローパスフィルタの周波数レスポンスを示すものであ
り、図３Ｃは図３Ａの信号に空間ローパスフィルタを入
れたときの輝度信号および偽信号の周波数レスポンスを
示すものであり、偽信号は非常に小さくなっている。し
かしながら、各色チャネル単独で見た場合、そのサンプ
リング周波数はＣＣＤ１枚と変わらず、１４ＭＨｚのま
まであり、色信号および偽信号の周波数レスポンスは図
４Ａに示すようになる。したがって、図３Ｂに示すよう
に１４ＭＨｚ以上をカットする空間ローパスフィルタを
挿入したときの色信号および偽信号の周波数レスポンス
は図４Ｂに示すようになり、偽信号は殆ど低減されない
ことになる。各色チャネルにおいて偽信号を除去するに
は７ＭＨｚ以上をカットする空間ローパスフィルタとす
る必要があるが、この７ＭＨｚは５６０ＴＶラインに相
当するものであるので、このように遮断周波数の低い空
間ローパスフィルタを使用すると解像度が５６０ＴＶラ
イン以下に低下してしまうことになり、好ましくない。

【０００９】さらに、従来の画素ずらしを行ったカラー
テレビカメラにおいては、例えばＮＴＳＣ方式で規定さ
れている輝度信号Ｙを得るために赤、緑および青色信号
を0.30:0.59:0.11の比率で混合しており、画素ずらしし
た映像信号の混合比率は0.59:0.41 となる。このように
混合比率が１：１からずれると、画素ずらしが１：１か
らずれた分成立しなくなり、所望の解像度が得られない
欠点がある。

【００１０】また、図１に示すようにＣＣＤから輝度マ
トリックス回路に到る間に低域通過フィルタや映像処理
回路が設けられているため、空間画素ずらし効果を損な
う原因となる周波数特性の劣化や各色信号間の遅延時間
誤差の影響を受け易く、例えば４０万画素のＣＣＤを用
いた場合、約７００ＴＶラインの解像度しか得られない
欠点がある。特に、ＣＣＤと信号処理回路部分との間の
距離が長い場合には、この間の伝送による周波数特性の
劣化や遅延時間の誤差も加わるため、空間画素ずらしの
効果がさらに損なわれることになる。このように従来の
画素ずらしを行ったテレビカメラにおいては、ＣＣＤか
ら輝度マトリックス回路までの間で厳密な時間の管理を
行う必要があり、例えば４０万画素のＣＣＤを用いる場
合に、各色信号の間で１０nsの時間差があると、画素ず
らしが最早成立しなくなってしまう。したがって、各色
信号間の時間差をこの範囲以下に抑える必要があるが、
このためにはテレビカメラの信号処理や伝送系において
かなりの手数が必要となる。

【００１１】さらに、被写体像を形成する対物レンズの
収差や歪曲により赤、緑および青色像間でレジストレー
ションエラーが生じ、これによっても画素ずらし効果が
損なわれることになる。テレビカメラ用の対物レンズと
しては現在ズームレンズが一般に用いられているが、ズ
ームレンズではズーム比によって各色の像の結像位置が
変化する軸上の色収差や画面の周辺での各色の像の結像
倍率が変化する倍率の色収差などの影響によってレジス
トレーションエラーが大きく発生し易く、画素ずらし効
果が著しく損なわれる欠点がある。このような欠点は、
対物レンズのピントずれによるレジストレーションエラ
ーによっても生ずるものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、上述した従来の欠点を解消するために、被写体の像
を赤、緑および青の３原色の像に分解する色分解光学系
と、赤色像をさらに２分割する赤色用２分割光学系と、
緑色像をさらに２分割する緑色用２分割光学系と、青色
像をさらに２分割する青色用２分割光学系と、２分割さ
れた赤色像をそれぞれ受光し、受光素子の配列間隔のほ
ぼ半分だけ主走査方向に互いにずらして配置された第１
および第２の赤色用固体撮像素子と、２分割された緑色
像をそれぞれ受光し、受光素子の配列間隔のほぼ半分だ
け主走査方向に互いにずらして配置された第１および第
２の緑色用固体撮像素子と、２分割された青色像をそれ
ぞれ受光し、受光素子の配列間隔のほぼ半分だけ主走査
方向に互いにずらして配置された第１および第２の青色
用固体撮像素子と、前記赤色用の第１および第２の固体
撮像素子から出力される信号を合成して赤色画像信号を
出力する赤色用合成回路と、前記緑色用の第１および第
２の固体撮像素子から出力される信号を合成して緑色画
像信号を出力する緑色用合成回路と、前記青色用の第１
および第２の固体撮像素子から出力される信号を合成し
て青色画像信号を出力する青色用合成回路と、これらの
合成回路から出力される赤、緑および青色画像信号を処
理する信号処理回路とを具えることを特徴とするもので
ある。

【００１３】

【作用】このような本発明の固体撮像装置においては、
各色の画像に対して空間画素ずらしを行うことになると
ともに輝度信号を得るための信号処理を施す前に画素ず
らしを行った固体撮像素子からの映像信号を合成して信
号を得るようにしているため、４０万画素のＣＣＤを例
にとると、各色チャネルのサンプリング周波数は２８Ｍ
Ｈｚとなり、図３Ａに示す輝度信号の周波数レスポンス
と同じ周波数レスポンスを有するものとなり、したがっ
て１４ＭＨｚ以上をカットする空間ローパスフィルタを
用いても偽信号を大幅に減少させることができる。

【００１４】また、各色チャネルにおいては、画素ずら
しを行った２つの画像信号は１：１の理想的な比率で加
算されるため、常に画素ずらしが成立し、解像度を改善
することができる。さらに、各色チャネルで画素ずらし
を行っているので対物レンズの収差やピントのずれによ
って色画像間にレジストレーションエラーが生じても、
画素ずらし効果が損なわれるようなことはない。また、
固体撮像素子の出力側であって、信号処理部の前段で混
合を行っているので、撮像部と信号処理部との間の伝送
路が長い場合であっても、映像信号処理回路系で周波数
特性の劣化や遅延時間誤差があっても画素ずらし効果が
損なわれることはなく、常に高い解像度が得られること
になるとともにダイナミックレンジも２倍となる。

【００１５】

【実施例】図５は本発明による固体撮像装置の一実施例
の構成を示す図である。本例においては、被写体の像を
先ず３原色像に分解し、さらに各色像を２個の画像に分
解するようにしたものである。すなわち、対物レンズ２
０によって形成される被写体の像を、２４ＭＨｚ以上を
カットする空間ローパスフィルタ２１に通し、さらに色
分解プリズム２２によって赤、緑および青色画像に分解
する。これらの３原色画像の各々を、さらにそれぞれ２
分割プリズム２３Ｒ，２３Ｇおよび２３Ｂによって分割
する。このようにして被写体像を２個の赤色画像、２個
の緑色画像および２個の青色画像に分解する。２個の赤
色画像を第１および第２の赤色用ＣＣＤ２４Ｒ−１およ
び２４Ｒ−２で受光し、２個の緑色画像を緑色用の２個
のＣＣＤ２４Ｇ−１および２４Ｇ−２で受光し、２個の
青色画像を青色用の２個のＣＣＤ２４Ｂ−１および２４
Ｂ−２で受光する。本例ではこれらのＣＣＤの画素数は
４０万画素とする。

【００１６】これらのＣＣＤから出力される各色の画像
信号をそれぞれ相関二重サンプリング回路２５Ｒ−１，
２５Ｒ−２；２５Ｇ−１，２５Ｇ−２；２５Ｂ−１，２
５Ｂ−２に通して相関二重サンプリングを行う。このよ
うにして得られる各色について２つの色信号の一方、す
なわち相関二重サンプリング回路２５Ｒ−２，２５Ｇ−
２および２５Ｂ−２から出力される赤、緑および青色信
号を、ＣＣＤの受光素子の配列ピッチのほぼ半分に相当
する遅延時間を有する遅延回路２６Ｒ，２６Ｇおよび２
６Ｂにそれぞれ通す。相関二重サンプリング回路２５Ｒ
−１，２５Ｇ−１および２５Ｂ−１から得られる遅延し
ていない赤、緑および青色信号と、遅延回路２６Ｒ，２
６Ｇおよび２６Ｂを通して得られるそれぞれ遅延された
赤、緑および青色信号とをそれぞれ混合回路２７Ｒ，２
７Ｇおよび２７Ｂで混合して画素ずらしを行った赤、緑
および青色信号を導出する。本発明においては、このよ
うに画素ずらしを行った２つのＣＣＤから得られる２つ
の映像信号を１：１の比率で混合するので、理想的な画
素ずらし効果が得られることになる。また、２つの色信
号の混合は、周波数特性の劣化や遅延時間差など画素ず
らしの成立を阻害する要因が導入される以前に行われる
ので、高い解像度が得られることになる。

【００１７】このようにして得られる赤、緑および青色
信号をそれぞれ低域通過フィルタや各種補正回路を有す
る画像信号処理回路２８Ｒ，２８Ｇおよび２８Ｂに通し
て所定の処理を施した後、輝度マトリックス回路２９に
供給して所定の比率で加算して輝度信号Ｙを作成し、こ
れを増幅器３０で増幅して出力する。このように本発明
の固体撮像装置においては、赤、緑および青の各色チャ
ネルにおいてそれぞれ２枚のＣＣＤを設けて画素ずらし
を行っているので、サンプリング周波数は２８ＭＨｚと
なり、１４ＭＨｚ以上をカットする空間ローパスフィル
タ２１と相俟って偽信号成分をきわめて小さく抑えるこ
とができ、解像度の高い画像信号を得ることができる。
また、周波数特性を劣化させたり遅延時間誤差を与える
恐れのある信号処理を行う以前に信号合成を行っている
とともに１：１の比率で混合しているので、画素ずらし
効果を常に最大限に得ることができる。また、対物レン
ズ２０の収差によって３原色像にレジストレーションエ
ラーが発生しても、画素ずらしは各色チャネルで独立し
て行っているので、画素ずらしの効果が損なわれるよう
なことはない。

【００１８】図６は本発明による固体撮像装置の他の実
施例の構成を示すものである。本例において、前例と同
様の素子には同一の符号付けて示した。本例では、対物
レンズ２０により形成される被写体像を先ず、２分割プ
リズム３１によって２分割し、その後それぞれの光路中
に配置した３色分解プリズム３２および３３によって
赤、緑および青色画像に分解する。第１の３色分解プリ
ズム３２によって分解した赤、緑および青色画像をそれ
ぞれの第１のＣＣＤ２４Ｒ−１，２４Ｇ−１，２４Ｂ−
１で撮像し、第２の３色分解プリズム３３によって分解
した赤、緑および青色画像をそれぞれの第２のＣＣＤ２
４Ｒ−２，２４Ｇ−２，２４Ｂ−２で撮像する。第１お
よび第２の赤色用ＣＣＤ２４Ｒ−１および２４Ｒ−２か
ら出力される赤色信号を相関二重サンプリング回路２５
Ｒ−１および２５Ｒ−２でサンプリングし、一方の相関
二重サンプリング回路２５Ｒ−２から出力される赤色信
号を。画素ピッチのほぼ半分に相当する遅延時間を有す
る遅延回路２６Ｒに通して他方の相関二重サンプリング
回路２５Ｒ−１から出力される赤色信号と位相を合わせ
る。緑色信号および青色信号についても同様の処理を施
す。

【００１９】このようにして得られる２つの赤色信号、
２つの緑色信号および２つの青色信号をそれぞれ加算回
路２７Ｒ，２７Ｇおよび２７Ｂにおいて合成し、空間画
素ずらしによる見掛け上の解像度を向上した赤、緑およ
び青色信号を導出する。これらの色信号をさらに、画像
信号処理回路２８Ｒ，２８Ｇおよび２８Ｂに通して処理
した後、輝度マトリックス回路２９に供給して所定の比
率で混合して輝度信号Ｙを作成し、これを増幅器３０で
増幅する。

【００２０】本発明においては上述したように、各色チ
ャネルにおいて空間画素ずらしを行うが、今、図７Ａに
示すように開口率５０％の固体撮像素子を考えると、１
枚の固体撮像素子の周波数レスポンスは、放送技術 Vo
l.41, No.12, 1988, pp1-12に記載されているように、 Ｒ_f ＝sin(πf/2f_s )/( πf/2f_s ) で与えられ、その周波数レスポンスは図７Ｂに示すよう
になる。これに対し画素ずらしを行うと、図７Ｃに示す
ように一方のＣＣＤの開口していない部分を他方のＣＣ
Ｄの開口部分で補間するため、見掛け上開口率が100 %
で、画素数が２倍になったと考えることができるので、
周波数レスポンスおよび折り返し偽信号はそれぞれ図７
Ｄの実線および破線で示すようになり、画素ずらしによ
り折り返し偽信号は大幅に減少し、したがって解像度が
改善されることがわかる。例えば、４０万画素のＣＣＤ
を用いる場合、従来のテレビカメラでは約７００ＴＶラ
インの解像度しか得られないが、本発明によれば各色チ
ャネルにおいて１０００ＴＶラインの解像度を得ること
ができる。

【００２１】

【発明の効果】上述したように本発明による固体撮像装
置においては、各色チャネルにおいて画素ずらしを行う
ようにしたので、空間ローパスフィルタの遮断周波数を
低くすることなく折り返し偽信号を減少させることがで
き、したがって解像度を大幅に向上することができる。
また、画素ずらしを行うに当たり２つの同一の色信号を
１：１の比率で混合するので理想的な画素ずらしを行う
ことができる。さらに、周波数特性の劣化や遅延時間誤
差が導入される以前に画素ずらしを完了するので画素ず
らしの効果が損なわれるようなことはないとともに時間
の管理を厳密に行う必要もない。また、対物レンズの収
差やズーム比やピントずれによって色画像間にレジスト
レーションエラーが生じてもこれが画素ずらしに影響を
及ぼすことはない。勿論、従来の画素ずらしの効果であ
るＳ／Ｎの改善およびダイナミックレンジの拡大の効果
はそのまま得られることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は従来の空間画素ずらしを行ったＣＣＤカ
ラーテレビカメラの構成を示す図である。

【図２】図２ＡおよびＢは同じく画素ずらしを行ったＣ
ＣＤの画素の配列を示す平面図である。

【図３】図３Ａは空間ローパスフィルタを入れないとき
の輝度信号および偽信号の周波数レスポンスを示すグラ
フ、図３Ｂは空間ローパスフィルタの周波数レスポンス
を示すグラフ、図３Ｃは空間ローパスフィルタを入れた
ときの輝度信号および偽信号の周波数レスポンスを示す
グラフである。

【図４】図４Ａは従来の固体撮像装置における色信号お
よび偽信号の周波数レスポンスを示すグラフ、図４Ｂは
空間ローパスフィルタを入れたときの色信号および偽信
号の周波数レスポンスを示すグラフである。

【図５】図５は本発明による固体撮像装置の一実施例の
構成を示す図である。

【図６】図６は本発明による固体撮像装置の他の実施例
の構成を示す図である。

【図７】図７は本発明による画素ずらしの効果を説明す
る図である。

【符号の説明】

２０ 対物レンズ ２１ 空間ローパスフィルタ ２２ ３色分解プリズム ２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ ２分割プリズム ２４Ｒ−１，２４Ｒ−２ 赤色用ＣＣＤ ２４Ｇ−１，２４Ｇ−２ 緑色用ＣＣＤ ２４Ｂ−１，２４Ｂ−２ 青色用ＣＣＤ ２５Ｒ−１，２５Ｒ−２ 赤色用相関二重サンプリング
回路 ２５Ｇ−１，２５Ｇ−２ 緑色用相関二重サンプリング
回路 ２５Ｂ−１，２５Ｂ−２ 青色用相関二重サンプリング
回路 ２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂ 遅延回路 ２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ 混合回路 ２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂ 画像信号処理回路 ２９ 輝度マトリックス回路 ３０ 増幅器 ３１ ２分割プリズム ３２，３３ ３色分解プリズム

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体の像を２個の赤色像、２個の緑色
   像および２個の青色像に分解する光学系と、 ２個の赤色像をそれぞれ受光し、受光素子の配列間隔の
   ほぼ半分だけ主走査方向に互いにずらして配置された第
   １および第２の赤色用固体撮像素子と、 ２個の緑色像をそれぞれ受光し、受光素子の配列間隔の
   ほぼ半分だけ主走査方向に互いにずらして配置された第
   １および第２の緑色用固体撮像素子と、 ２個の青色像をそれぞれ受光し、受光素子の配列間隔の
   ほぼ半分だけ主走査方向に互いにずらして配置された第
   １および第２の青色用固体撮像素子と、 前記赤色用の第１および第２の固体撮像素子から出力さ
   れる信号を１：１の比率で混合して赤色画像信号を出力
   する赤色用混合回路と、 前記緑色用の第１および第２の固体撮像素子から出力さ
   れる信号を１：１の比率で混合して緑色画像信号を出力
   する緑色用混合回路と、 前記青色用の第１および第２の固体撮像素子から出力さ
   れる信号を１：１の比率で混合して青色画像信号を出力
   する青色用混合回路と、 これらの混合回路から出力される赤、緑および青色画像
   信号を処理する信号処理回路とを具えることを特徴とす
   る固体撮像装置。