JP2801853B2 - ４板式固体撮像装置の信号出力の飽和レベル拡張方法 - 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、赤、緑および青色信号を取
り出すようにした４板式固体撮像装置の信号出力の飽和
レベル拡張方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年固体撮像装置の解像度を向上するた
めに、緑色（Ｇ）チャネルに２枚の撮像素子を配置し、
これら２枚の撮像素子の間で空間画像ずらしを行うよう
にした４板式固体撮像装置が提案されている。このよう
な４板式固体撮像装置は、例えば特開昭60-154781 号公
報、特開平5-129513号公報及びNHK 放送技術研究所1993
年公開技報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
４板式固体撮像装置では解像度は向上するが、固体撮像
装置の重要な性質の一つであるレンズへの入射光量に対
する信号出力の飽和レベルが制限される欠点がある。こ
のように４板式固体撮像装置において飽和出力が限定さ
れる理由について、以下説明する。

【０００４】結像した光を撮像素子が電気信号に変換し
てこれを出力する際、この電気信号のレベルは撮像素子
に入力した光量に比例する。すなわち、弱い光はレベル
の低い信号に、強い光はレベルの高い信号にそれぞれ変
換される。しかしながら、このような比例関係が常に成
立するわけでなく、ある一定以上の光量が入射すると、
電気信号のレベルは入射光量に比例せずに一定のレベル
となる。図１に、固体撮像素子への入射光量と固体撮像
素子の出力信号のレベルとの関係を示す。出力信号のレ
ベルが入射光量に比例する領域を線型領域といい、また
入射光量が増大しても出力信号のレベルが一定値以上に
増大しない領域は飽和領域と呼ばれ、線型領域から飽和
領域に変化する飽和入射光量は各撮像素子の構造等から
製造時に決定される。

【０００５】図２は、従来の３板式固体撮像装置の概略
構成図である。このような３板式固体撮像装置では、被
写体の像を対物レンズ１０によって形成し、これを３色
分解プリズム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。この際、通常スタジオ等
で用いられる色温度３０００°Ｋ前後の光源の下ではＣ
ＣＤ１２Ｒ，１２Ｇおよび１２Ｂに入射する光量は、３
色分解プリズム１１の特性により赤色光と緑色光とはほ
ぼ同一量となり、青色光は赤色光または緑色光のほぼ1/
3 〜1/4 となる。この固体撮像装置で被写体像を撮影す
る場合、被写体の光量を増加させていくと、最初にＣＣ
Ｄ１２Ｒおよび１２Ｇが飽和し、次にＣＣＤ１２Ｂが飽
和する。このようにＣＣＤ間で飽和するタイミングが異
なる場合、いずれかのＣＣＤ（この場合はＣＣＤ１２Ｒ
および１２Ｇ）が飽和した後光量をそれ以上増加させる
とそれぞれの色の被写体像の光量レベルと対応したＣＣ
Ｄの出力レベルとの比例関係が崩れ、色の再現性が劣化
することになる。例えば白色の被写体像を撮影し、光量
を増加させた場合、いずれかのＣＣＤ（この場合はＣＣ
Ｄ１２Ｒおよび１２Ｇ）が飽和した後光量をそれ以上増
加させると白色の被写体像が着色して再現されることに
なる。

【０００６】このような着色を防ぐために、図２に示す
従来の装置ではＣＣＤ１２Ｒ，１２Ｇおよび１２Ｂに対
してホワイトクリップ回路１３Ｒ，１３Ｇおよび１３Ｂ
がそれぞれ設けられている。ホワイトクリップ回路１３
Ｒ，１３Ｇおよび１３Ｂは、固体撮像装置の信号処理系
に各色の撮像装置出力のうち最初に飽和するＣＣＤ（こ
の場合はＣＣＤ１２Ｒおよび１２Ｇ）の出力の最大値に
合わせて、他のＣＣＤ（この場合はＣＣＤ１２Ｂ）の最
大出力レベルを同一に制限するものである。また、ホワ
イトクリップ回路１３Ｒ，１３Ｇおよび１３Ｂのクリッ
プ点は通常調整可能であり、これらのクリップ点は、白
色の被写体を撮像して入射光量を増加させた後ＣＣＤ１
２Ｒ，１２Ｇおよび１２Ｂのうち最初に飽和点に達する
ＣＣＤ（この場合はＣＣＤ１２Ｒおよび１２Ｇ）の飽和
点に設定される。したがって３板式固体撮像装置の場
合、ＣＣＤ１２Ｒ，１２Ｇおよび１２Ｂの内、最も入射
光量の比率の高いＣＣＤ１２Ｒおよび１２Ｇによって飽
和量は制限される。

【０００７】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、クリップ点を
赤および緑色信号の飽和点に設定したホワイトクリップ
回路１３Ｒ，１３Ｇおよび１３Ｂと、信号処理回路１４
Ｒ，１４Ｇおよび１４Ｂとを通して輝度マトリックス回
路１５に供給し、ここで予め決められた比率で混合して
輝度信号を作成する。

【０００８】図３は、従来の４板式固体撮像装置の概略
構成図である。この４板式固体撮像装置は、被写体像を
対物レンズ２０によって形成し、これを４分光プリズム
２１によって赤、緑および青色像に分解し、さらに緑色
像をハーフミラー２１ａによって二つの画像に分解する
ようにしたものである。また、ＣＣＤ２２Ｇ−１および
２２Ｇ−２の受光素子は、その配列間隔のほぼ半分だけ
水平走査方向に互いにずらし、分割された緑色光を受光
するようにそれぞれ配置されている。分解された緑色光
がそれぞれＣＣＤ２２Ｇ−１および２２Ｇ−２にそれぞ
れ入射された後、これによって得られる画像信号が加算
器２６にて合成される。したがって緑色信号の感度が損
なわれることはない。

【０００９】このような４板式固体撮像装置では緑色光
が２等分割されるため、ＣＣＤ２２Ｇ−１および２２Ｇ
−２にそれぞれ入射される光量は、図３の３板式固体撮
像装置のＣＣＤ１２Ｇに比べて1/2 となる。この際一つ
のＣＣＤの飽和量は変化しないため、緑色光を受光する
各ＣＣＤの飽和量は３板式固体撮像装置の場合に比べて
２倍となる。しかしながら赤色光については、緑色光と
同様の光量が入射するにもかかわらず３板式固体撮像装
置と変わらないため、このような４板式固体撮像装置の
飽和量は赤色光によって制限されることになり、このま
までは３板式固体撮像装置と変わらないこととなる。す
なわち、３板式から４板式に変えても固体撮像装置とし
ての飽和量は変わらないことになり、この飽和量に関し
ては４板式とした効果が何ら得られない欠点がある。

【００１０】本発明の目的は、それぞれの色の被写体像
の光量レベルと対応した撮像素子出力レベルとの比例関
係を崩すことなく飽和出力を拡張することができる４板
式固体撮像装置の飽和出力拡張方法を提供するものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による４板式固体
撮像装置の信号出力の飽和レベル拡張方法は、４板式固
体撮像装置の信号出力の飽和レベルを拡張するに当た
り、被写体像を、色分解光学系を介して赤、緑および青
の３原色の像に分解するとともに緑色像をさらに２分割
して四つの画像とし、２分割された緑色像を、受光素子
がその配列間隔のほぼ半分だけ水平走査方向に互いにず
らして配置された第１および第２の固体撮像素子で受光
し、青色像を第３の固体撮像素子で受光するとともに、
光量を減少させた赤色像を第４の固体撮像素子で受光
し、前記第１および第２の固体撮像素子からの第１およ
び第２の画像信号を合成して得られる緑色信号と、前記
第３の固体撮像素子から得られる青色信号と、前記第４
の固体撮像素子から得られる赤色信号とを、輝度マトリ
ックスにおいて合成して輝度信号を作成することを特徴
とするものである。

【００１２】

【作用】本発明による４板式固体撮像装置の信号出力の
飽和レベル拡張方法では、被写体像を色分解光学系で、
赤、緑および青の３原色の像に分解するとともに緑色像
をさらに２分割して四つの画像とする。２分割された緑
色像を、受光素子がその配列間隔のほぼ半分だけ水平走
査方向に互いにずらして配置された第１および第２の固
体撮像素子で受光し、青色像を第３の固体撮像素子で受
光し、赤色像を第４の固体撮像素子で受光するが、この
赤色像の光量は、例えば色分解光学系の赤色像を出力す
る面にニュートラルデンシティフィルタまたは赤色の透
過光量を減少させるフィルタを配置することによって減
少させる。

【００１３】ここで、被写体像を形成するレンズの前面
または直後に赤色光の光量のみを減少させる理想的なフ
ィルタを挿入しても本発明と同様の効果が得られるはず
であるが、実際には赤色の一定領域の波長のみの光量を
減少させる光学的フィルタを得るのは困難である。レン
ズの前面または直後にフィルタを配置する場合には他の
色のチャネルにも影響が及ぼされるため、本発明と同等
の効果を得ることは困難である。

【００１４】通常スタジオ等で用いられる色温度３００
０Ｋ前後の光源の下では、色分解光学系によって分解さ
れた各色の光量は、色分解光学系の性質により赤色光と
緑色光がほぼ同一量となり、青色光は赤色光または緑色
光の1/3〜1/4 となるが、緑色光の光量を２分割するた
めこの光量が２分割しない場合の1/2 となり、さらに赤
色光の光量を減少させているため、固体撮像素子に入射
する各色の光量の比率は従来の３板式または４板式固体
撮像装置の場合よりも等しい比率に近くなる。例えば、
従来の３板式の赤、緑、青の各チャネルの固体撮像素子
に入射する光量の比率が1:1:1/3 とした場合、従来の４
板式では緑の固体撮像素子に入射する光量は1/2 となる
が、赤の固体撮像素子に入射する光量は変わらないた
め、赤、緑、青の各チャネルの固体撮像素子に入射する
光量の比率は2:1:2/3 となり、本発明では、緑の固体撮
像素子に入射する光量は1/2 となり、赤の固体撮像素子
に入射する光量をニュートラルデンシティフィルタで1/
2 に減少させたとすると光量の比率は1:1:2/3 となり、
その比率が１に近づく。

【００１５】固体撮像装置の飽和出力は上述したように
最も入射光量の比率の高い固体撮像素子によって制限さ
れるので、各固体撮像素子に入射する光量の比率が１に
近づく本発明の方式により固体撮像装置の飽和出力が拡
張される。したがって、被写体像の光量レベルと対応し
た撮像素子出力レベルとの比例関係が崩れることなく各
固体撮像素子の入射光量を、飽和量付近まで増加させる
ことができ、同一の固体撮像素子を用いた従来の固体撮
像装置に比べて飽和出力を拡張することができる。

【００１６】

【実施例】本発明による４板式固体撮像装置の信号出力
の飽和レベル拡張方法を図面を参照して説明する。図４
は、本発明による飽和出力拡張方法を用いた４板式固体
撮像装置の概略構成図である。この４板式固体撮像装置
は、従来の４板式固体撮像装置にＮＤ(Neutral Densit
y) フィルタ３７を、色分解プリズム３１とＣＣＤ３２
Ｒとの間に挿入したものである。この色分解プリズム３
１は、対物レンズ３０によって形成される被写体像を
赤、緑および青色像に分解し、さらに緑色像をハーフミ
ラー３１ａによって二つの緑色像に分解する。分解され
た緑色像は、受光素子がその配列間隔のほぼ半分だけ水
平走査方向に互いにずれ、分割された緑色光を受光する
ように配置されたＣＣＤ３２Ｇ−１および３２Ｇ−２に
それぞれ入射し、ＣＣＤ３２Ｇ−１および３２Ｇ−２か
ら得られる画像信号が加算器３６にて合成される。した
がって緑色信号の感度が損なわれることはない。なお、
ＮＤフィルタ３７の挿入によって赤色チャネルすなわち
ＣＣＤ３２Ｒの光路長が他のチャネルの光路長とズレが
生じないように、このための調整が施されている。

【００１７】このような４板式固体撮像装置では緑色光
は２等分されるため、ＣＣＤ３２Ｇ−１および３２Ｇ−
２にそれぞれ入射する光量は、図２に示す３板式固体撮
像装置のＣＣＤ１２Ｇに比べて1/2 となる。この際一つ
のＣＣＤの飽和量は変化しないため、緑色光の飽和量は
３板式固体撮像装置の場合に比べて２倍となる。一方赤
色光は、ＮＤフィルタ３７によって光量が減少した後に
ＣＣＤ３２Ｒに入射する。すなわちＣＣＤ３２Ｒで受光
される赤色光の光量は減少する。

【００１８】色分解プリズム３１によって分解された各
色の光量は、色分解プリズムの性質により赤色光および
緑色光がほぼ同一量となり、青色光が赤色光または緑色
光の1/3〜1/4 となるが、緑色光の光量を２分割するた
め光量が２分割しない場合の1/2 となり、赤色光の透過
光量をＮＤフィルタ３７によって減少させているため、
ＣＣＤ３２Ｒ，ＣＣＤ３２Ｇ−１，ＣＣＤ３２Ｇ−２お
よびＣＣＤ３２Ｂに入射する各色の光量の比率は従来の
３板式または４板式固体撮像装置の場合よりも等しい比
率に近くなる。すなわち、白色像を撮像した場合、対物
レンズ３０への入射光量に対してのＣＣＤ３２Ｒ、３２
Ｇ−１、３２Ｇ−２および３２Ｂそれぞれの固体撮像素
子が動作する線形領域が近づく。したがって、被写体像
のレベルと、これと対応したＣＣＤ３２Ｒ，ＣＣＤ３２
Ｇ−１，ＣＣＤ３２Ｇ−２およびＣＣＤ３２Ｂの出力レ
ベルとの比例関係が崩れることなく、ＣＣＤ３２Ｒ，Ｃ
ＣＤ３２Ｇ−１，ＣＣＤ３２Ｇ−２およびＣＣＤ３２Ｂ
それぞれへの入射光量を、飽和点付近まで増加させるこ
とができ、同一のＣＣＤを用いた従来の固体撮像装置に
比べて飽和出力を拡張することができる。

【００１９】図４に示す本発明の４板式固体撮像装置に
おいて、ＣＣＤ３２Ｒへの赤色光の入射光量はＮＤフィ
ルタ３７によって減少するが、ＣＣＤ３２Ｒの絶対的な
飽和量は変わらない。したがって赤色光の飽和点は、Ｎ
Ｄフィルタ３７を挿入しない場合に比べて上昇する。上
昇の割合は、ＮＤフィルタ３７の光透過率に依存する。
図１の４板式固体撮像装置においては、ＣＣＤ３２Ｒの
飽和出力とＣＣＤ３２Ｇ−１およびＣＣＤ３２Ｇ−２の
飽和出力とが同一となるように、ＮＤフィルタ３７の光
透過率を設定すれば、４板式固体撮像装置全体の飽和出
力を拡張することができる。

【００２０】上述した実施例のように赤色光の透過光量
を減少させることなく、３板式固体撮像装置または従来
の４板式固体撮像装置で飽和出力を拡張しようとする場
合、Ｒ，ＧおよびＢの全ての信号処理系の増幅率を上
げ、色分解光学系への入射光量に対するそれぞれの撮像
素子への入射光量を全体的に減少させる方法があるが、
この場合増幅率の増加がＲ，ＧおよびＢの全てのチャネ
ルにおいて行われるために、増幅率の上昇分だけ撮像装
置のノイズ成分が上昇してしまうことになり不都合であ
る。

【００２１】本例において、色分解プリズム３１とＣＣ
Ｄ３２Ｒとの間にＮＤフィルタ３７を挿入することによ
りＲチャネルの感度が低下し、ＣＣＤ３２Ｒの信号出力
が減少する。したがってＲ，Ｇ，Ｂのバランスを保つた
めにＲチャネルの信号処理系の増幅率を上げる必要があ
り、ＲチャネルのＳ／Ｎが低下する。一方、固体撮像装
置のＳ／Ｎは輝度信号で判断される。輝度信号におけ
る、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号の比はＨＤＴＶ信号の場合には、

【数１】 Ｙ＝０．２１２５Ｒ＋０．７１５４Ｇ＋０．０７２１Ｂ であり、Ｒチャネルは全体の２割にすぎず、Ｒチャネル
のＳ／Ｎ低下分が固体撮像装置全体のＳ／Ｎ低下に大き
く影響しない。

【００２２】本例において、ＮＤフィルタ３７を取り外
し自在にすることにより低照度時のＲチャネルのＳ／Ｎ
比を上げることができる。この場合、ＮＤフィルタ３７
を取り外すとともにＲチャネルのゲインを連動して下
げ、かつ、光路長が変わらないようにＮＤフィルタ３７
と同一の屈折率の板を代わりに挿入する。

【００２３】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、幾多の変形および変更が可能である。上述し
た実施例では、赤色光の透過率を減少させるためにＮＤ
フィルタを用いたが、代わりに赤色光の透過率の低い硝
材を用いたり、色分解プリズムに赤色光の反射率を変え
たダイクロック膜を設けてもよい。

【００２４】

【発明の効果】上述したように本発明による４板式固体
撮像装置の信号出力の飽和レベル拡張方法によれば、被
写体像のレベルと対応した撮像素子出力レベルとの比例
関係が崩れることなく各固体撮像素子の入射光量を、飽
和量付近まで増加させることができるため固体撮像装置
としての最大許容入射光量を増加させることができ、し
たがって同一の固体撮像素子を用いた従来の３板式また
は４板式固体撮像装置に比べて飽和出力を拡張すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体撮像素子への入射光量と固体撮像素子の信
号出力との関係図である。

【図２】従来の３板式固体撮像装置の概略構成図であ
る。

【図３】従来の４板式固体撮像装置の概略構成図であ
る。

【図４】本発明による信号出力の飽和レベル拡張方法を
用いた４板式固体撮像装置の概略構成図である。

【符号の説明】

３０ 対物レンズ ３１ 色分解プリズム ３１ａ ハーフミラー ３２Ｒ，３２Ｇ−１，３２Ｇ−２，３２Ｂ ＣＣＤ ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ ホワイトクリップ回路 ３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ 信号処理回路 ３５ 輝度マトリックス回路 ３６ 加算器 ３７ ＮＤフィルタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ４板式固体撮像装置の信号出力の飽和レ
   ベルを拡張するに当たり、 被写体像を、色分解光学系を介して赤、緑および青の３
   原色の像に分解するとともに緑色像をさらに２分割して
   四つの画像とし、 ２分割された緑色像を、受光素子がその配列間隔のほぼ
   半分だけ水平走査方向に互いにずらして配置された第１
   および第２の固体撮像素子で受光し、青色像を第３の固
   体撮像素子で受光するとともに、光量を減少させた赤色
   像を第４の固体撮像素子で受光し、 前記第１および第２の固体撮像素子からの第１および第
   ２の画像信号を合成して得られる緑色信号と、前記第３
   の固体撮像素子から得られる青色信号と、前記第４の固
   体撮像素子から得られる赤色信号とを、輝度マトリック
   スにおいて合成して輝度信号を作成することを特徴とす
   る４板式固体撮像装置の信号出力の飽和レベル拡張方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記色分
   解光学系の赤色像を出力する面にニュートラルデンシテ
   ィフィルタまたは赤色の透過光量を減少させるフィルタ
   を配置して赤色光の光量を減少させることを特徴とする
   ４板式固体撮像装置の信号出力の飽和レベル拡張方法。