JP3501686B2 - カラー撮像装置及びそれを用いた撮像システム - Google Patents

カラー撮像装置及びそれを用いた撮像システム

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JP3501686B2 JP17113699A JP17113699A JP3501686B2 JP 3501686 B2 JP3501686 B2 JP 3501686B2 JP 17113699 A JP17113699 A JP 17113699A JP 17113699 A JP17113699 A JP 17113699A JP 3501686 B2 JP3501686 B2 JP 3501686B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はカラー撮像装置及び
それを用いた撮像システムに係わり、特に各画素信号を
原信号で読出す動作と、加算して読出す動作を選択可能
なカラー撮像装置及びそれを用いた撮像システムに関す
る。
【0002】
【従来の技術】デジタルスチルカメラは200万画素の
撮像素子が使用されるようになった。これは銀鉛写真画
質を追求した結果であって、静止画専用に用いられてい
た。従来NTSC用のビデオカメラは40万画素程度で
あり、読出し速度はインタレース走査で約13.5MH
z、プログレッシブ走査で約27MHzである。
【0003】200万画素の撮像素子を動画で使用する
と、上記40万画素の場合の5倍の読出し速度になる。
【0004】このような読出し速度で読み出しを行う
と、消費電力が非常に増大し、また、かかる消費電力増
大によるノイズの悪化が生じ、さらに画像処理用のメモ
リの増大によるコストアップを招く問題があった。
【0005】この様な問題を解決するものとして、特開
平9−247689号公報に開示されたカラー撮像装置
がある。同公報に示される実施例(公報の図3)では、
4×4画素を単位として同一色を間引いて読み出し加算
している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この場合、問題になる
のは4×4画素のなかで利用される有効画素が1/4に
なっていること、また全体の画素数で考えると1/16
になっていることである。従って、200万画素の素子
の場合200万/16≒12.5万画素相当の解像度し
か得られない。即ち、利用効率が非常に悪くなり、実際
上モニタ程度にしか使うことができない。
【0007】さらに上記特開平9−247689号公報
の実施例(公報の図2)では複数の画素信号を混合して
読出すことが記載されているが、これをCCDで行うに
は実現性がなく(CCDでは電荷転送なのでX−Y走査
の読出しは困難)、また半導体スイッチと光ダイオード
で行うには、垂直信号線のKTCノイズが大きく、良好
なS/Nが得られない問題がある。
【0008】上述の様に従来技術では画素信号を間引
き、また4×4画素単位による読出しのため、充分な解
像度が得られない、S/Nが悪いという課題があった。
【0009】また、画素から信号を読み出す場合、従来
は1行目の画素信号を上側のメモリ、2行目の画素信号
を下側のメモリへ転送していた。従って水平方向の加算
は容易であったが垂直及び斜め方向の加算は困難であっ
た。
【0010】本発明は従来技術の課題を解決し、高精細
の画像と、それより低解像の動画像を良画質で撮影でき
るカラー撮像装置およびそれを用いた撮像システムを提
供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のカラー撮像装置
は、マトリクス状に配列された複数の画素を有し、第1
の色フィルターを一の斜め方向に配列するとともに、第
2の色フィルターと第3の色フィルターとを該一の斜め
方向と交差する他の斜め方向に配列した2行2列の基本
配列を、前記複数の画素に対して水平方向及び垂直方向
に配置した撮像素子と、前記第1の色フィルターが配列
された、前記一の斜め方向に隣接した2以上の画素の信
号を加算する第1の加算手段と、前記第2の色フィルタ
ーが配列された、水平方向及び垂直方向の複数の画素の
信号を加算するとともに、前記第3の色フィルターが配
列された、水平方向及び垂直方向の複数の画素の信号を
加算する第2の加算手段と、を備えたものである。
【0012】本発明の撮像システムは、上記本発明のカ
ラー撮像装置と、該カラー撮像装置へ光を結像する光学
系と、該カラー撮像装置からの出力信号を処理する信号
処理回路とを有することを特徴とするものである。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【0014】図1は本発明のカラー撮像装置による画素
信号読み出し方法を示す概略説明図である。図1では撮
像素子の出力は4チャンネル(4出力)あり、撮像素子
のマトリクス状に配された各画素のカラーフィルターは
市松模様状に配置されており、G(緑)フィルターは市
松模様の半分に配され、R(赤)フィルター、B(青)
フィルターは市松模様の残りの半分にそれぞれ半分づつ
配されている。
【0015】高精細読出しの場合(システム1)は、各
画素信号が独立に読出されて、全画素読み出しが行われ
る。すなわち、出力Aからは読み出し回路11により画
素信号G11,G13,G15,…が出力され、出力Bからは
読み出し回路11により画素信号G22,G24,G26,…
が出力され、出力Cからは読み出し回路12により画素
信号B21,B23,B25,…が出力され、出力Dからは読
み出し回路12により画素信号R12,R14,R16,…が
出力される。そして、2ライン(例えば、V1ラインと
V2ライン)から色信号が形成される。
【0016】また、低解像読出しの場合(システム2)
は、加算と間引き読み出しが行われる。システム2で
は、4ラインから色信号を形成する。G(緑)信号は4
ラインの中で中央の2ラインから斜め加算し、R(赤)
信号とB(青)信号は4ラインから縦方向加算と横方向
加算を行う。フィールド間では4ラインの組み合わせを
変えインターレース走査を行う。すなわち、システム2
において、偶数フィールドでは、4ライン(例えばV
1,V2,V3,V4ライン)から色信号が形成され、出力
Aからは読み出し回路11により画素信号G31+G22,
G33+G24,…が出力され、出力Cからは読み出し回路
12により画素信号B21+B41+B23+B43,B25+B
45+B27+B47,…が出力され、出力Dからは読み出し
回路12により画素信号R12+R32+R14+R34,R16
+R36+R18+R38,…が出力される。奇数フィールド
では、4ライン(例えば、V3,V4,V5,V6ライン)
から色信号が形成され、出力Aからは読み出し回路11
により画素信号G51+G42,G53+G44,…が出力さ
れ、出力Cからは読み出し回路12により画素信号B41
+B61+B43+B63,…が出力され、出力Dからは読み
出し回路12により画素信号R32+R52+R34+R54,
…が出力される。なお、加算されるべき(第1の色とな
る)Gフィルターが配された画素のライン間隔は、第2
色及び第3色となるR,Bフィルターが配された画素の
ライン間隔よりも狭くなっている。このような配置によ
りG信号は他の色よりも高解像度の信号となり、高域輝
度信号を生成することができる。
【0017】上記の構成とすることで、G信号は垂直5
00本の解像度が得られる。
【0018】次に画素部の構成例について説明する。画
素部はCMOSセンサーと呼ばれる画素をマトリクス状
に配置して構成される。
【0019】図2はCMOSセンサーおよび読み出し回
路を示す回路図である。CMOSセンサーは各画素アン
プのバラツキとゲート部のリセットノイズがあるので、
そのノイズを除去するため出力部に信号用メモリCT1
とノイズ用メモリCT2を設けて、減算処理によりノイ
ズを除去している。
【0020】図2において、破線領域はCMOSセンサ
ーの一画素を示し、PDはフォトダイオード、MTXは転
送用トランジスタ、MRESはリセット用トランジスタ、
MSELは画素アンプとなる増幅用トランジスタ、MSELは
画素を選択する選択用トランジスタである。リセット用
トランジスタMRES、MRVをオンして画素部および垂直
出力線のリセットを行った後に画素アンプ、選択用トラ
ンジスタMSEL、トランジスタMCT2を介してノイズ用メ
モリCT2にノイズ信号を蓄積する。また、転送用トラ
ンジスタMTXをオンして、フォトダイオードPDから光
電変換された信号が画素アンプとなる増幅用トランジス
タMSELのゲートに転送され、画素アンプ、選択用トラ
ンジスタMSEL、トランジスタMCT1を介して信号用メモ
リCT1にノイズ信号成分を含む信号を蓄積する。そし
て、信号用メモリCT1に蓄積されたノイズ信号成分を
含む信号と、ノイズ用メモリCT2に蓄積されたノイズ
信号とを水平出力線に出力し、減算処理して画素アンプ
のバラツキとゲート部のリセットノイズ等のノイズ成分
が除去された信号を得る。φSEL、φTX、φRES、φRV、
φTS、φTNはそれぞれ増幅用トランジスタMSEL、転送
用トランジスタMTX、リセット用トランジスタMRES,
MRV、トランジスタMCT1,MCT2を制御する制御信号で
ある。また、トランジスタMLは画素アンプMSFの負荷
である。φLはφSELと共通に駆動するか、常にHレベル
として抵抗としても良い。
【0021】図3は本発明の撮像装置の信号読み出し回
路の構成を示すブロック図である。なお、図2を用いて
説明したノイズ除去構成についてはここでは説明の簡易
化のため省略する。
【0022】画素部の上側には2ライン分のG用メモリ
MG1,MG2,…を設け、下側には2ラインと水平2行
分のBとR用メモリMB11,MB12,MB31,MB32,
…、MR21,MR22,MR41,MR42,…を設けてい
る。上側及び下側メモリには画素部から画素信号が読み
出される。上側メモリは水平走査回路(H・SR)21
により制御され、下側メモリは水平走査回路(H・S
R)22により制御される。画素部からの信号の読み出
しは垂直走査回路(V・SR)23により制御される。
【0023】信号の加算は次のように行う。上側メモリ
(G用メモリ)では加算パルスφaddにより隣接する2
画素分の信号をメモリ上であるいは水平信号線上で加算
するように制御される。例えば、メモリMG1に転送さ
れた信号とメモリMG2に転送された信号とが加算さ
れ、メモリMG3に転送された信号とメモリMG4に転送
された信号とが加算される。
【0024】下側メモリ(B用メモリ及びR用メモリ)
では加算パルスφaddにより4画素の信号が加算される
ように制御される。例えば、それぞれメモリMB11,M
B12,MB31,MB32に転送された信号とが加算され、
それぞれメモリMR21,MR22,MR41,MR42に転送
された信号とが加算される。
【0025】図4は上記信号読み出し回路のより詳細な
構成を示す回路構成図、図5は全画素信号読み出しのタ
イミング図、図6は加算及び間引き読み出しのタイミン
グ図である。
【0026】まず、全画素信号読み出しの場合について
図4および図5を用いて説明する。
【0027】図5に示すように、期間t0では、制御信
号φTG1,φTG2,φTB1,φTB2,φTR1,φTR2,φRVを
Hレベルとして読み出し回路をリセットする。
【0028】次に期間t1では、V1ラインが選択され、
制御信号φTG1,φTR1,φTR2をHレベルとすると、画
素信号G11が上側メモリMG1へ、画素信号R12が下側
メモリMR21及びMR22へ転送される。下側メモリでは
2つのメモリMR21,MR22を共通に利用しメモリから
水平出力線への読み出しゲインを大きくしている。
【0029】次に期間t2では、同様にV2ラインが選択
され、制御信号φTG2,φTB1,φTB2をHレベルとする
と、画素信号G22が上側メモリMG2へ、画素信号B21
が下側メモリMB11及びMB12へ転送される。下側メモ
リでは2つのメモリMB11,MB12を共通に利用しメモ
リから水平出力線への読み出しゲインを大きくしてい
る。
【0030】次に水平走査回路21から制御信号φH11
とφH21、φH12とφH22、φH13とφH23、…が同時に順
次出力されて、各上側メモリから二本の水平出力線に信
号が転送され、出力A,Bから出力される。制御信号φ
H11とφH21、φH12とφH22、φH13とφH23、…が出力さ
れる間にはφHCがHレベルとなり、水平出力線がリセッ
トされる。なお、不図示であるが、同様に水平走査回路
22から、上記制御信号φH11〜φH13、φH21〜φH23と
同相の制御信号φH11′とφH21′、φH12′とφH22′、
φH13′とφH23′、…が同時に順次出力されて、各下側
メモリから二本の水平出力線に信号が転送され、出力
C,Dから出力される。この結果、2×2画素単位の信
号が出力A,B,C,Dから出力される。その後、同様
にV3ライン、V4ラインが選択され信号読み出しが行わ
れる。
【0031】次に加算及び間引き読み出しについて図4
および図6を用いて説明する。ここでは偶数フィールド
(Feven)の場合について説明するが、奇数フィールド
(Fodd)の場合についても同様な動作で加算及び間引
き読み出しを行うことができる。
【0032】図6に示すように、期間t0では、制御信
号φTG1,φTG2,φTB1,φTB2,φTR1,φTR2をHレベ
ルとして読み出し回路をリセットする。
【0033】次に期間t1では、φTR1がHレベルとなっ
て、V1ラインのR信号である画素信号R12,R14,…
が下側メモリMR21,MR41,…へ転送され、G信号は
メモリに転送されない。
【0034】期間t2では、φTG2,φTB1がHレベルと
なって、V2ラインのG信号である画素信号G22,G2
4,…が上側メモリMG2,MG4へ転送され、B信号で
あるB21,B23,…が下側メモリMB11,MB31へ転送
される。
【0035】期間t3では、φTG1,φTR2がHレベルと
なって、V3ラインのG信号である画素信号G31,G3
3,…が上側メモリMG1,MG3へ転送され、R信号で
あるR32,R34,…が下側メモリMR22,MR42へ転送
される。
【0036】期間t4では、φTB2がHレベルとなって、
V4ラインのB信号である画素信号B41,B43,…が下
側メモリMB12,MB32へ転送され、G信号はメモリへ
転送されない。
【0037】期間t5に、φaddが印加され、G信号は隣
接する上側メモリ間で信号が加算される。すなわち、G
31+G22、G33+G24、…の加算処理が行われる。下側
メモリではφaddにより垂直方向の信号がメモリにより
加算される。すなわち、B21+B41、B23+B43、…の
加算処理、およびR12+R32、R14+R34、…の加算処
理が行われる。さらに、信号(B21+B41)と信号(B
23+B43)、信号(R12+R32)と信号(R14+R34)
は水平出力線で加算されて、信号(B21+B41+B23+
B43)、信号(R12+R32+R14+R34)が得られる。
【0038】図6のタイミング図で、水平シフトパルス
はφH1nの印加で出力Aに信号が出力され、φH2nはL
ow状態が保持され出力Bには信号が出力されない。下
側メモリの信号はφH1n′,φH2n′が同相印加され、
垂直方向と水平方向に加算された信号(下側メモリ及び
水平出力線により加算された信号)が出力Cと出力Dに
出力される。
【0039】図7はインターレース駆動を行った場合
の、R,G,B画素の加算信号を得るときの各色の画素
利用領域を示す図である。偶数フィールドと奇数フィー
ルドとにおいて、R画素とB画素は一部共通利用する
が、G画素は共通利用しない。G画素からの信号は隣接
する斜め方向の2画素が加算され、水平解像度及び垂直
解像度が向上する。
【0040】以上説明した実施例は、加算及び間引き読
み出しにおいて、4ラインから色信号を形成したもので
あるが、本発明はこれに限定されるものはなく、例えば
8ラインから色信号を形成することができる。図8は画
素行を8ライン利用した場合の画素利用形態を示す図で
ある。本形態は図7の形態に対し、さらに多くのライン
で画素信号を加算したものである。同図において、R画
素については、V3,V5,V7ラインから図中○で囲ま
れた9個のR画素が加算され、G画素については、V
4,V6ラインから図中□で囲まれた6個のG画素が加算
され、B画素については、V2,V4,V6ラインから図
中△で囲まれた9個のB画素が加算される。8ライン
中、B画素とR画素は5ライン中から選択加算され、G
画素は3ライン中から選択加算される。
【0041】また、以上説明した実施例では、カラーフ
ィルターとしてG色,B色,R色を用いたものについて
説明したが、これ以外であっても、高解像度が必要な輝
度信号用の色のフィルターが配列された画素の加算のラ
イン間隔を、その他の色のカラーフィルターが配列され
た画素の加算のライン間隔より狭くすればよい。
【0042】図9に上記撮像装置を用いたシステム概略
図を示す。同図に示すように、光学系71を通って入射
した画像光はCMOSセンサー72上に結像する。CM
OSセンサー72上に配置されている画素アレーによっ
て光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信
号処理回路73によって予め決められた方法によって信
号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、
記録系、通信系74により情報記録装置により記録、あ
るいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号
は再生系77により再生される。CMOSセンサー7
2、信号処理回路73はタイミング制御回路75により
制御され、光学系71、タイミング制御回路75、記録
系・通信系74、再生系77はシステムコントロール回
路76により制御される。タイミング制御回路75によ
り独立読出しか、加算・間引き読出しかを選択すること
ができる。
【0043】前述した高画素読出し(全画素読出し)と
低画素読出し(加算・間引き読出し)とでは水平と垂直
駆動パルスが異なる。従って読出しモード毎にセンサー
の駆動タイミング、信号処理回路の解像度処理、記録系
の記録画素数を変える必要がある。これらの制御はシス
テムコントロール回路76で各読出しモードに応じて行
われる。また読出しモードで、加算により感度が異な
る。例えば高画素読出しに対し加算読出しでは信号量が
2倍になる。このままではダイナミックレンジが1/2
になるため不図示の絞りを半絞り小さく制御することに
より適正信号を得る。この結果、低照度時は1/2の明
るさまで撮影可能となる。信号処理回路及び記録系は高
精細用と動画像用に別に設けても良い。
【0044】
【発明の効果】以上、本発明によれば、画素信号の読み
出しを全画素独立読み出しと加算及び間引き読み出しを
選択することにより、高精細画像とより低解像度の画像
を切り換えた記録及び表示することができる。
【0045】複数ラインの画素信号の中で第1の色の信
号(例えばG信号)は隣接するラインで加算し、それ以
外の色の信号は間引いたので、第1の色の信号は高解像
度の信号を得ることができた。第2の色の信号と第3の
色の信号(例えばR信号とB信号)は垂直方向及び水平
方向で加算したので、垂直及び水平方向のモアレが非常
に低減できた。また信号の加算によりS/Nが向上し、
低画素数読み出しでは駆動周波数をNTSC用撮像素子
並に低速にできたので低消費電力が達成できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカラー撮像装置による画素信号読み出
し方法を示す概略説明図である。
【図2】CMOSセンサーおよび読み出し回路を示す回
路図である。
【図3】本発明の撮像装置の信号読み出し回路の構成を
示すブロック図である。
【図4】上記信号読み出し回路のより詳細な構成を示す
回路構成図である。
【図5】全画素信号読み出しのタイミング図である。
【図6】加算及び間引き読み出しのタイミング図であ
る。
【図7】インターレース駆動を行った場合の、R,G,
B画素の加算信号を得るときの各色の画素利用領域を示
す図である。
【図8】画素行を8ライン利用した場合の画素利用形態
を示す図である。
【図9】本発明によるシステムを示す概略図である。
【符号の説明】
11,12 読み出し回路 21,22 水平走査回路 23 垂直走査回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−182005(JP,A) 特開 平11−146278(JP,A) 特開 平9−247689(JP,A) 特開2000−197065(JP,A) 特開2000−341699(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 9/07

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリクス状に配列された複数の画素を
    有し、第1の色フィルターを一の斜め方向に配列すると
    ともに、第2の色フィルターと第3の色フィルターとを
    該一の斜め方向と交差する他の斜め方向に配列した2行
    2列の基本配列を、前記複数の画素に対して水平方向及
    び垂直方向に配置した撮像素子と、 前記第1の色フィルターが配列された、前記一の斜め方
    向に隣接した2以上の画素の信号を加算する第1の加算
    手段と、 前記第2の色フィルターが配列された、水平方向及び垂
    直方向の複数の画素の信号を加算するとともに、前記第
    3の色フィルターが配列された、水平方向及び垂直方向
    の複数の画素の信号を加算する第2の加算手段と、 を備えたカラー撮像装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のカラー撮像装置におい
    て、前記第1の色フィルターが配された画素は隣接する
    ライン間で加算され、前記第2及び第3の色フィルター
    が配された画素は1ラインおきに配されたライン間で加
    算されることを特徴とするカラー撮像装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載のカラー撮
    像装置において、前記第1の色フイルターはG(緑)色
    フィルター、第2及び第3の色フィルターはR(赤)色
    フィルター及びB(青)色フィルターであることを特徴
    とするカラー撮像装置。
  4. 【請求項4】 請求項に記載のカラー撮像装置におい
    て、フィールド毎に加算するラインを変えることを特徴
    とするカラー撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項1〜のいずれかの請求項に記載
    のカラー撮像装置において、各画素からの信号を独立に
    読み出す手段と画素からの信号をそれぞれ色ごとに加算
    して読み出す手段とを切り替える切替手段を有するカラ
    ー撮像装置。
  6. 【請求項6】 請求項3に記載のカラー撮像装置におい
    て、G色フィルターが配された画素からの信号より高域
    輝度信号を形成することを特徴とするカラー撮像装置。
  7. 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1項に記載のカ
    ラー撮像装置において、 前記撮像素子は、複数の画素からの信号を蓄積する複数
    のメモリと、前記メモリ間を接続するトランジスタと、
    前記複数のメモリからの信号を順次出力する共通出力線
    とを有し、前記第1及び第2の加算手段は、前記トラン
    ジスタを制御することにより、複数の画素からの信号の
    加算を行うことを特徴とする撮像装置。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかの請求項に記載
    のカラー撮像装置と、該カラー撮像装置へ光を結像する
    光学系と、該カラー撮像装置からの出力信号を処理する
    信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システ
    ム。
JP17113699A 1999-05-31 1999-06-17 カラー撮像装置及びそれを用いた撮像システム Expired - Fee Related JP3501686B2 (ja)

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