JP3727012B2 - カラー固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられ、その撮像部からの画像データの間引き読み出しするカラー固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、全画素読み出し（プログレッシブスキャン）方式のカラー固体撮像装置は、１度の読み出し動作で全ての画素データを読み出すものであり、図１２に示すように、緑色（Ｇ）カラーフィルタを水平方向および垂直方向に１画素置きでかつ市松状に配置すると共に、残余の画素位置に赤色（Ｒ）カラーフィルタおよび青色（Ｂ）カラーフィルタを、水平方向を行する行単位で、線順次で交互に配置するベイヤー配列のカラーフィルタが採用されている。
【０００３】
図１２のベイヤー配列において、全ての画素情報を読み出す場合、Ｇ，Ｒ，Ｂの空間解像度は図１３に示すようになる。図１３において、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）とも「１」はカラーフィルタの無い白黒画像でのナイキスト限界周波数を示している。輝度信号に最も寄与する緑色（Ｇ）信号は、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）ともに高い解像度を持つ。また、他の２つの色信号成分となる赤色（Ｒ）信号および青色（Ｂ）信号も、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）ともに等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度が得られる。よって、輝度信号および色信号共に、最も効率良い空間解像度を得ることができる。
【０００４】
カラーフィルタが図１２のベイヤー配列の場合、読出信号のタイミングは、図１４のようになる。即ち、図１４では、Ｇ信号とＲ信号とが１画素周期＝Ｔで交互に位置するラインと、Ｇ信号とＢ信号とが１画素周期＝Ｔで交互に位置するラインとが、１水平走査期間＝Ｈを単位として、交互に存在している。図１２に示すように水平方向の全画素数をｍ個、垂直方向の全画素数をｎ個とすると、何れの１Ｈ内にもｍ個の画素に対応した信号が得られる。
【０００５】
このベイヤー配列のカラーフィルタにおいて、全体の１／２の画素を間引きして読み出しする場合について、特開平９−３１２８４９号公報「固体撮像装置」に提案されている。ここでは、図１５に示すように、平行２行置きに画素信号を読み出す２行と、画素信号を読み出さずスキップする２行とを交互に設けるデータ読出方式が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のデータ読出方式では、１フィールド当たりの解像度が極端に劣化するという問題があった。つまり、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号それぞれのサンプリング点は図１６の（ａ）〜（ｃ）に示すようになっている。この場合のＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号の空間解像度は、図１７に示すように、水平方向（Ｘ方向）に解像度が高いが、垂直方向（Ｙ方向）に解像度が極端に低く、バランスの悪い解像度の構成となっている。このため、得られる画像は、解像度が垂直方向に極端に劣化した不自然なものである。なお、図１５においても、飛び越し走査方式のインターレース読み出しをすれば、垂直解像度が多少回復するが、１フィールドでスチル画像を得るような用途、例えば動画撮影中、ある１コマ分を１スチル画像として記録する場合には、インターレース読み出しを使用することができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、カラーフィルタがベイヤー配列で間引き読み出しをしても、１フィールド画像において、水平方向および垂直方向にバランスの取れた解像度を効率良く得ることができるカラー固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のカラー固体撮像装置は、撮像領域に配設された複数の画素素子上にベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタがそれぞれ画素単位で配設されたカラー固体撮像装置であって、Ｇ信号が第１の正方形の形状を有する第１の空間解像度を有し、かつ、Ｒ信号およびＢ信号のそれぞれが該第１の正方形に内接する第２の正方形の形状を有する第２の空間解像度を有するように、該撮像領域の画素数の１／２の画素に対して読み出しを行なう１／２間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／４の画素に対して読み出しを行なう１／４間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／８の画素に対して読み出しを行なう１／８間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／１６の画素に対して読み出しを行なう１／１６間引き読み出し動作および該撮像領域の画素数の１／１８の画素に対して読み出しを行なう１／１８間引き読み出し動作のうちの少なくとも１つを実行するように該カラー固体撮像装置が構成されている。
【０００９】
この構成により、ベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素を間引き読み出しをしても、従来のベイヤー配列における各画素の間引き読み出しに比べて、1フィールド画像において、第１のカラーフィルタに対応した画素信号が水平方向および垂直方向にバランスの取れた比較的高い解像度を効率良く得ることが可能となる。また、赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素信号も、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を得ることが可能となって、バランスの取れた色信号解像度を得ることが可能となる。したがって、輝度信号および色信号共、最も効率良く解像度が得られる。
【００１０】
また、１／２間引き読み出しの場合には、全ての画素信号を読み出す場合に比べて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期が２倍に長くなり、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートが２倍早くなる。このように、間引き率に応じて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期が長くなり、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートが早まることになる。
【００１１】
また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、１／２間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／２までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、１／４間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、１／８間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、１／１６間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／８まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、１／１８間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／６までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／１２までとなるように実行される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態１，２のカラー固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図1は、本発明の実施形態１におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図２は、図１のカラー固体撮像装置における２次元カラーフィルタ配列上の読出画素位置を示す図である。
【００１９】
図１および図２において、２次元カラー固体撮像装置１は、面状に配設された複数の撮像素子２と、これらの撮像素子２を覆うカラーフィルタ３と、行方向毎の各撮像素子２を順次垂直方向に読み出す垂直読出し回路４と、垂直読出し回路４で読み出された撮像素子２毎の信号を増幅するアンプ回路５と、アンプ回路５で増幅された信号をスイッチングするスイッチ回路６と、スイッチ回路６の開閉を制御する水平読出し回路７とを有し、垂直読出し回路４および水平読出し回路７により読出画素位置選択手段が構成され、この読出画素位置選択手段が、本発明の読み出し方式にて所望の撮像素子２が順次選択されて間引き読み出しを行うものである。
【００２０】
撮像素子２はＣＣＤで構成された画素信号発生手段であり、水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）にマトリクス状に複数個配列され、外部被撮像体からの画像光をそのレベルに応じて光電変換するものである。これらの撮像素子２は、水平方向にｍ個の画素、垂直方向にｎ個の画素となるように配設されており、垂直方向にｎ本平行に配設された水平方向の駆動線２１が水平方向のｍ個の撮像素子２毎に接続され、水平方向にｍ本平行に配設された垂直方向の垂直信号線２２が垂直方向のｎ個の撮像素子２毎に接続されている。
【００２１】
カラーフィルタ３は図１２に示すようなベイヤー配列であり、マトリクス状に配置された多数の撮像素子２の画像光入射側の撮像素子２（画素素子）上に配設されている。
【００２２】
垂直読出し回路４は、水平方向の駆動線２１を垂直方向に順次選択するように駆動信号を出力するものである。
【００２３】
アンプ回路５は、垂直方向にｍ本配設された垂直信号線２２毎の出力側にそれぞれ設けられ、撮像素子２から垂直信号線２２に出力された画素信号を所定の増幅率で増幅するものである。
【００２４】
スイッチ回路６は、アンプ回路５の出力側にそれぞれ介在され、アンプ回路５により増幅した信号をスイッチ制御信号にて遮断または、水平出力線６１に出力自在に構成している。
【００２５】
水平読出し回路７は、各垂直信号線２２毎に設けられたスイッチ回路６をオンオフ制御することにより、垂直読出し回路４で選択された水平方向の各撮像素子２からの信号を更に選択制御するものである。本実施形態では、垂直読出し回路４および水平読出し回路７により、詳細に後述する図１および図２の○印で示した読出画素位置となるように１／２間引き読み出しするようにしている。
【００２６】
上記構成により、画素信号読出し動作について説明すると、まず、データ各駆動線２１には、垂直読出し回路４から駆動信号が順次印加されており、例えば第１行目の画素信号は、水平方向に第１の画素行を選択する第１行目の駆動線２１への駆動信号により、各垂直信号線２２にそれぞれ読み出される。
【００２７】
次に、各垂直信号線２２からの画素信号は、アンプ回路５を介してそれぞれ増幅された後に、水平読出し回路６からのスイッチ制御信号によりスイッチ回路６が時系列にオンオフ制御されて水平出力線６１に選択的に導かれ、水平出力線６１から図５に示すような出力信号ＯＳとして出力される。
【００２８】
ここで、以下、本実施形態１の読み出し方式について図２の２次元のカラーフィルタ配列を用いて更に詳細に説明する。なお、本実施形態による読出画素位置を○印で示している。
【００２９】
図２において、本実施形態１による読出画素位置は、１／２間引き読出しの場合、多数の画素全体を、水平方向２画素（ＧとＲ）と垂直方向２画素（ＧとＢ）との４画素を１単位とする組に分割し、その一連の４画素の組みを、水平方向に隣接する２画素を選択する第１の組と、垂直方向に隣接する２画素を選択する第２の組とに分け、水平方向および垂直方向に第１の組と第２の組とが交互に連続して位置するような画素配列の位置である。
【００３０】
図２の読出画素位置で選択されるＧ、ＲおよびＢ毎のカラーフィルタ位置を図３の（ａ）〜（ｃ）に示している。図３から明らかなように、Ｇ信号は水平方向および垂直方向共に１画素置きに選択され、Ｒ信号およびＢ信号は２つの対角方向に１画素置きに選択されるようになっている。この場合の空間解像度を図４に示している。図４で、「１」はカラーフィルタの無い白黒画像でのナイキスト限界周波数を示している。なお、白黒画像における画素空間周期＝Ｔとすると、画素空間周波数ｆｃ＝１／Ｔとなり、ナイキスト周波数ｆN＝ｆｃ／２で、これを「１」としている
図４に示すように、輝度信号に最も寄与するＧ信号は、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２までの高い解像度、また、対角方向には√２／２の解像度までの高い解像度を持つ。また、２つの色信号成分となるＲ信号およびＢ信号も、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界の１／２までの高い解像度、また、対角方向には√２／４の解像度までの等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度が得られる。
【００３１】
したがって、従来の図１７に示した空間解像度および図１６の（ａ）〜（ｃ）の各色毎の読出画素位置と、本実施形態１の図４に示した空間解像度および図３の（ａ）〜（ｃ）の各色毎の読出画素位置とを比べると、垂直方向の解像度を２倍に増加させることができ、水平方向および垂直方向共にバランスの取れた輝度信号および色信号解像度を得ることができるものである。即ち、全画素の１／２を間引きした状態で、輝度信号および色信号共に最も効率良い解像度を得ることができる。
【００３２】
また、ここで、垂直読出し回路４は、１行毎に順次、駆動信号を発生するが、水平読出し回路７は、選択される画素に対応するスイッチ回路６に対してのみ、駆動信号を発生する。このようにして得られた出力信号ＯＳのタイミングを図５に示している。即ち、図５に示すように、Ｇ信号とＲ信号とがそれぞれ１画素周期＝２Ｔとなると共に、Ｇ，Ｒ，Ｂの単位で３Ｈ／２だけ繰り返す周期と、Ｂ信号が１画素周期＝２Ｔとなると共に、Ｇ，Ｒ，Ｂの単位でＨ／２だけ繰り返す周期とが交互に存在する。つまり、２Ｈ期間を単位とし、この間にｍ個の画素信号が得られる。
【００３３】
以上のように、２Ｈ期間の画素信号よりＧ，Ｒ，Ｂ全ての色情報が得られるから、２Ｈを単位として色信号処理を行うことにより、より完全なカラー情報を得ることができる。また、全ての画素信号を読み出す図１４の場合と比べて、フレームレートが同じ、即ち１Ｈ周期が同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くできる。また逆に、１画素を読み出す周期を同じとすれば、フレームレートを２倍に早めることができる。これらは、信号処理速度に限界がある場合、フレームレートを早くする用途に有用となる。
【００３４】
図６において、２次元カラー固体撮像装置１１は、駆動線２３により選択される画素の組み合わせが図１の２次元カラー固体撮像装置１の場合と異なっている。即ち、垂直読出し回路４１による水平方向を行とした水平方向読み出しは、２行にわたり１画素毎に上下入れ替えて順次読み出し、次の水平方向読み出しでは、この動作を垂直方向に１画素づつシフトして読み出し、それぞれ垂直信号線２２に信号を与えるようになっている。このため、駆動線２３はジグザグ状にレイアウトされている。
【００３５】
また、垂直読出し回路４は、ジグザグ状の駆動線２３に順次、駆動信号を発生し、Ｇのみからなる信号ラインと、ＲとＢからなる信号ラインとが得られる。こうして得られる画素信号のタイミングを図７に示している。即ち、Ｇ信号が１画素周期＝２Ｔとなる期間Ｈと、Ｒ信号およびＢ信号が１画素周期＝２Ｔで繰り返す期間Ｈとが交互に存在する。つまり、２Ｈ期間を単位とし、この間にｍ個の画素信号が得られる。ここで、図６においても図１の場合と同様に、水平方向の全画素数をｍ個、垂直方向の全画素数をｎ個とする。
【００３６】
図７において、２Ｈ期間の画素信号よりＧ，Ｒ，Ｂ全ての色情報が得られるから、２Ｈを単位として色信号処理を行うことにより、より完全なカラー情報を得ることができる。また、図５の場合と同様に図７においても、全ての画素信号を読み出す図１４の場合に比べて、フレームレートが同じ、即ち１Ｈ周期が同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くできる。また逆に、１画素を読み出す周期を同じとすれば、フレームレートを２倍と早めることができる。これらは、信号処理速度に限界がある場合、フレームレートを早める用途に有用となる。
【００３７】
なお、上記実施形態１，２では、１／２間引き読み出しについて説明したが、これに限らず、図８に示すような読出画素位置による１／４間引き読み出しであってもよいし、図９に示すような読出画素位置による１／８間引き読み出しであってもよいし、図１０に示すような読出画素位置による１／１６間引き読み出しであってもよいし、さらには、図１１に示すような読出画素位置による１／１８間引き読み出しであってもよい。これらの何れの間引き率においても、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度を得ることができる。なお、ここでの間引き率は面積比で考えており、図１１の場合、縦方向および横方向共、６画素繰り返しの中に２画素、即ち２／３６＝１／１８となる。
【００３８】
なお、上記実施形態１，２では、互いに交差する２つの方向に、水平方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および第２のカラーフィルタ（Ｒ）に対応した２画素からなる第１の組と、垂直方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および第３のカラーフィルタ（Ｂ）に対応した２画素からなる第２の組とが、その間に（Ｎ−１）組（Ｎは正の整数）の非読出画素部を介して交互に存在するように読出画素を選択する構成としたが、これに限らず、間引き率をより少なく（例えば利用率を１／２以上）した場合も本発明に含むことができ、即ち、互いに交差する２つの方向に、水平方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および、第２のカラーフィルタ（Ｒ）および第３のカラーフィルタ（Ｂ）の一方に対応した２画素からなる第１の組と、垂直方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および、第２のカラーフィルタ（Ｂ）および第３のカラーフィルタ（Ｒ）の他方に対応した２画素からなる第２の組とが、その間に（Ｎ−１）組（Ｎは正の整数）の非読出画素部を介して交互に存在するように読出画素を選択するように構成することもできる。その具体例として、例えば図１８に２４／３６＝２／３間引き読み出しする場合を示し、図１９に８０／１００＝４／５間引き読み出しする場合を示している。なお、Ｒ，Ｇ，Ｂの間の「−」は、上記した水平方向および垂直方向の２画素からなる組（ペア）を示している。
【００３９】
以上のように、本発明によれば、ベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した画素信号を間引き読み出しをしても、従来のベイヤー配列における間引き読み出しに比べて、1フィールド画像において、第１のカラーフィルタに対応した画素信号が水平方向および垂直方向にバランスの取れた比較的高い解像度を得ることができる。また、赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素信号も、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を得ることができて、バランスの取れた色信号解像度を得ることができる。したがって、輝度信号および色信号共、最も効率良い解像度を得ることができる。
【００４０】
また、１／２間引き読み出しの場合には、全ての画素信号を読み出す場合に比べて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くすることができる。逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートを２倍に早めることができる。また、同様に、間引き率に応じて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期を長くすることができ、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートを早めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】図１のカラー固体撮像装置における２次元カラーフィルタ配列上の読出画素位置を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は図２の各色カラーフィルタ毎のサンプリング画素位置を示す図である。
【図４】図１のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図５】図１のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図６】本発明の実施形態２におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図７】図６のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図８】１／４間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図９】１／８間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１０】１／１６間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１１】１／１８間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１２】カラー固体撮像装置に設けられるカラーフィルタのベイヤー配列を示す図である。
【図１３】図１２の通常読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図１４】図１２の通常読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図１５】図１２のベイヤー配列に対する従来の１／２データ間引き読み出し時の読出画素位置を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は図１５の各色フィルタ毎のサンプリング画素位置を示す図である。
【図１７】図１５の通常読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図１８】２／３間引き読み出し時における本発明の読出画素位置を示す図である。
【図１９】４／５間引き読み出し時における本発明の読出画素位置を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ ２次元カラー固体撮像装置
２ 撮像素子
２１，２３ 駆動線
２２ 垂直信号線
３ カラーフィルタ
４，４１ 垂直読出し回路
５ アンプ回路
６ スイッチ回路
７ 水平読出し回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられ、その撮像部からの画像データの間引き読み出しするカラー固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、全画素読み出し（プログレッシブスキャン）方式のカラー固体撮像装置は、１度の読み出し動作で全ての画素データを読み出すものであり、図１２に示すように、緑色（Ｇ）カラーフィルタを水平方向および垂直方向に１画素置きでかつ市松状に配置すると共に、残余の画素位置に赤色（Ｒ）カラーフィルタおよび青色（Ｂ）カラーフィルタを、水平方向を行する行単位で、線順次で交互に配置するベイヤー配列のカラーフィルタが採用されている。
【０００３】
図１２のベイヤー配列において、全ての画素情報を読み出す場合、Ｇ，Ｒ，Ｂの空間解像度は図１３に示すようになる。図１３において、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）とも「１」はカラーフィルタの無い白黒画像でのナイキスト限界周波数を示している。輝度信号に最も寄与する緑色（Ｇ）信号は、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）ともに高い解像度を持つ。また、他の２つの色信号成分となる赤色（Ｒ）信号および青色（Ｂ）信号も、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）ともに等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度が得られる。よって、輝度信号および色信号共に、最も効率良い空間解像度を得ることができる。
【０００４】
カラーフィルタが図１２のベイヤー配列の場合、読出信号のタイミングは、図１４のようになる。即ち、図１４では、Ｇ信号とＲ信号とが１画素周期＝Ｔで交互に位置するラインと、Ｇ信号とＢ信号とが１画素周期＝Ｔで交互に位置するラインとが、１水平走査期間＝Ｈを単位として、交互に存在している。図１２に示すように水平方向の全画素数をｍ個、垂直方向の全画素数をｎ個とすると、何れの１Ｈ内にもｍ個の画素に対応した信号が得られる。
【０００５】
このベイヤー配列のカラーフィルタにおいて、全体の１／２の画素を間引きして読み出しする場合について、特開平９−３１２８４９号公報「固体撮像装置」に提案されている。ここでは、図１５に示すように、平行２行置きに画素信号を読み出す２行と、画素信号を読み出さずスキップする２行とを交互に設けるデータ読出方式が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のデータ読出方式では、１フィールド当たりの解像度が極端に劣化するという問題があった。つまり、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号それぞれのサンプリング点は図１６の（ａ）〜（ｃ）に示すようになっている。この場合のＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号の空間解像度は、図１７に示すように、水平方向（Ｘ方向）に解像度が高いが、垂直方向（Ｙ方向）に解像度が極端に低く、バランスの悪い解像度の構成となっている。このため、得られる画像は、解像度が垂直方向に極端に劣化した不自然なものである。なお、図１５においても、飛び越し走査方式のインターレース読み出しをすれば、垂直解像度が多少回復するが、１フィールドでスチル画像を得るような用途、例えば動画撮影中、ある１コマ分を１スチル画像として記録する場合には、インターレース読み出しを使用することができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、カラーフィルタがベイヤー配列で間引き読み出しをしても、１フィールド画像において、水平方向および垂直方向にバランスの取れた解像度を効率良く得ることができるカラー固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のカラー固体撮像装置は、撮像領域に配設された複数の画素素子上にベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタがそれぞれ画素単位で配設されたカラー固体撮像装置であって、Ｇ信号が第１の正方形の形状を有する第１の空間解像度を有し、かつ、Ｒ信号およびＢ信号のそれぞれが該第１の正方形に内接する第２の正方形の形状を有する第２の空間解像度を有するように、該撮像領域の画素数の１／２の画素に対して読み出しを行なう１／２間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／４の画素に対して読み出しを行なう１／４間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／８の画素に対して読み出しを行なう１／８間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／１６の画素に対して読み出しを行なう１／１６間引き読み出し動作および該撮像領域の画素数の１／１８の画素に対して読み出しを行なう１／１８間引き読み出し動作のうちの少なくとも１つを実行するように該カラー固体撮像装置が構成されている。
【０００９】
この構成により、ベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素を間引き読み出しをしても、従来のベイヤー配列における各画素の間引き読み出しに比べて、1フィールド画像において、第１のカラーフィルタに対応した画素信号が水平方向および垂直方向にバランスの取れた比較的高い解像度を効率良く得ることが可能となる。また、赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素信号も、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を得ることが可能となって、バランスの取れた色信号解像度を得ることが可能となる。したがって、輝度信号および色信号共、最も効率良く解像度が得られる。
【００１０】
また、１／２間引き読み出しの場合には、全ての画素信号を読み出す場合に比べて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期が２倍に長くなり、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートが２倍早くなる。このように、間引き率に応じて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期が長くなり、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートが早まることになる。
【００１１】
また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、１／２間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／２までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、１／４間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、１／８間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、１／１６間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／８まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、１／１８間引き読み出し動作は、第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／６までとなり、第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／１２までとなるように実行される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態１，２のカラー固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図1は、本発明の実施形態１におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図２は、図１のカラー固体撮像装置における２次元カラーフィルタ配列上の読出画素位置を示す図である。
【００１９】
図１および図２において、２次元カラー固体撮像装置１は、面状に配設された複数の撮像素子２と、これらの撮像素子２を覆うカラーフィルタ３と、行方向毎の各撮像素子２を順次垂直方向に読み出す垂直読出し回路４と、垂直読出し回路４で読み出された撮像素子２毎の信号を増幅するアンプ回路５と、アンプ回路５で増幅された信号をスイッチングするスイッチ回路６と、スイッチ回路６の開閉を制御する水平読出し回路７とを有し、垂直読出し回路４および水平読出し回路７により読出画素位置選択手段が構成され、この読出画素位置選択手段が、本発明の読み出し方式にて所望の撮像素子２が順次選択されて間引き読み出しを行うものである。
【００２０】
撮像素子２はＣＣＤで構成された画素信号発生手段であり、水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）にマトリクス状に複数個配列され、外部被撮像体からの画像光をそのレベルに応じて光電変換するものである。これらの撮像素子２は、水平方向にｍ個の画素、垂直方向にｎ個の画素となるように配設されており、垂直方向にｎ本平行に配設された水平方向の駆動線２１が水平方向のｍ個の撮像素子２毎に接続され、水平方向にｍ本平行に配設された垂直方向の垂直信号線２２が垂直方向のｎ個の撮像素子２毎に接続されている。
【００２１】
カラーフィルタ３は図１２に示すようなベイヤー配列であり、マトリクス状に配置された多数の撮像素子２の画像光入射側の撮像素子２（画素素子）上に配設されている。
【００２２】
垂直読出し回路４は、水平方向の駆動線２１を垂直方向に順次選択するように駆動信号を出力するものである。
【００２３】
アンプ回路５は、垂直方向にｍ本配設された垂直信号線２２毎の出力側にそれぞれ設けられ、撮像素子２から垂直信号線２２に出力された画素信号を所定の増幅率で増幅するものである。
【００２４】
スイッチ回路６は、アンプ回路５の出力側にそれぞれ介在され、アンプ回路５により増幅した信号をスイッチ制御信号にて遮断または、水平出力線６１に出力自在に構成している。
【００２５】
水平読出し回路７は、各垂直信号線２２毎に設けられたスイッチ回路６をオンオフ制御することにより、垂直読出し回路４で選択された水平方向の各撮像素子２からの信号を更に選択制御するものである。本実施形態では、垂直読出し回路４および水平読出し回路７により、詳細に後述する図１および図２の○印で示した読出画素位置となるように１／２間引き読み出しするようにしている。
【００２６】
上記構成により、画素信号読出し動作について説明すると、まず、データ各駆動線２１には、垂直読出し回路４から駆動信号が順次印加されており、例えば第１行目の画素信号は、水平方向に第１の画素行を選択する第１行目の駆動線２１への駆動信号により、各垂直信号線２２にそれぞれ読み出される。
【００２７】
次に、各垂直信号線２２からの画素信号は、アンプ回路５を介してそれぞれ増幅された後に、水平読出し回路６からのスイッチ制御信号によりスイッチ回路６が時系列にオンオフ制御されて水平出力線６１に選択的に導かれ、水平出力線６１から図５に示すような出力信号ＯＳとして出力される。
【００２８】
ここで、以下、本実施形態１の読み出し方式について図２の２次元のカラーフィルタ配列を用いて更に詳細に説明する。なお、本実施形態による読出画素位置を○印で示している。
【００２９】
図２において、本実施形態１による読出画素位置は、１／２間引き読出しの場合、多数の画素全体を、水平方向２画素（ＧとＲ）と垂直方向２画素（ＧとＢ）との４画素を１単位とする組に分割し、その一連の４画素の組みを、水平方向に隣接する２画素を選択する第１の組と、垂直方向に隣接する２画素を選択する第２の組とに分け、水平方向および垂直方向に第１の組と第２の組とが交互に連続して位置するような画素配列の位置である。
【００３０】
図２の読出画素位置で選択されるＧ、ＲおよびＢ毎のカラーフィルタ位置を図３の（ａ）〜（ｃ）に示している。図３から明らかなように、Ｇ信号は水平方向および垂直方向共に１画素置きに選択され、Ｒ信号およびＢ信号は２つの対角方向に１画素置きに選択されるようになっている。この場合の空間解像度を図４に示している。図４で、「１」はカラーフィルタの無い白黒画像でのナイキスト限界周波数を示している。なお、白黒画像における画素空間周期＝Ｔとすると、画素空間周波数ｆｃ＝１／Ｔとなり、ナイキスト周波数ｆN＝ｆｃ／２で、これを「１」としている
図４に示すように、輝度信号に最も寄与するＧ信号は、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２までの高い解像度、また、対角方向には√２／２の解像度までの高い解像度を持つ。また、２つの色信号成分となるＲ信号およびＢ信号も、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界の１／２までの高い解像度、また、対角方向には√２／４の解像度までの等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度が得られる。
【００３１】
したがって、従来の図１７に示した空間解像度および図１６の（ａ）〜（ｃ）の各色毎の読出画素位置と、本実施形態１の図４に示した空間解像度および図３の（ａ）〜（ｃ）の各色毎の読出画素位置とを比べると、垂直方向の解像度を２倍に増加させることができ、水平方向および垂直方向共にバランスの取れた輝度信号および色信号解像度を得ることができるものである。即ち、全画素の１／２を間引きした状態で、輝度信号および色信号共に最も効率良い解像度を得ることができる。
【００３２】
また、ここで、垂直読出し回路４は、１行毎に順次、駆動信号を発生するが、水平読出し回路７は、選択される画素に対応するスイッチ回路６に対してのみ、駆動信号を発生する。このようにして得られた出力信号ＯＳのタイミングを図５に示している。即ち、図５に示すように、Ｇ信号とＲ信号とがそれぞれ１画素周期＝２Ｔとなると共に、Ｇ，Ｒ，Ｂの単位で３Ｈ／２だけ繰り返す周期と、Ｂ信号が１画素周期＝２Ｔとなると共に、Ｇ，Ｒ，Ｂの単位でＨ／２だけ繰り返す周期とが交互に存在する。つまり、２Ｈ期間を単位とし、この間にｍ個の画素信号が得られる。
【００３３】
以上のように、２Ｈ期間の画素信号よりＧ，Ｒ，Ｂ全ての色情報が得られるから、２Ｈを単位として色信号処理を行うことにより、より完全なカラー情報を得ることができる。また、全ての画素信号を読み出す図１４の場合と比べて、フレームレートが同じ、即ち１Ｈ周期が同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くできる。また逆に、１画素を読み出す周期を同じとすれば、フレームレートを２倍に早めることができる。これらは、信号処理速度に限界がある場合、フレームレートを早くする用途に有用となる。
【００３４】
図６において、２次元カラー固体撮像装置１１は、駆動線２３により選択される画素の組み合わせが図１の２次元カラー固体撮像装置１の場合と異なっている。即ち、垂直読出し回路４１による水平方向を行とした水平方向読み出しは、２行にわたり１画素毎に上下入れ替えて順次読み出し、次の水平方向読み出しでは、この動作を垂直方向に１画素づつシフトして読み出し、それぞれ垂直信号線２２に信号を与えるようになっている。このため、駆動線２３はジグザグ状にレイアウトされている。
【００３５】
また、垂直読出し回路４は、ジグザグ状の駆動線２３に順次、駆動信号を発生し、Ｇのみからなる信号ラインと、ＲとＢからなる信号ラインとが得られる。こうして得られる画素信号のタイミングを図７に示している。即ち、Ｇ信号が１画素周期＝２Ｔとなる期間Ｈと、Ｒ信号およびＢ信号が１画素周期＝２Ｔで繰り返す期間Ｈとが交互に存在する。つまり、２Ｈ期間を単位とし、この間にｍ個の画素信号が得られる。ここで、図６においても図１の場合と同様に、水平方向の全画素数をｍ個、垂直方向の全画素数をｎ個とする。
【００３６】
図７において、２Ｈ期間の画素信号よりＧ，Ｒ，Ｂ全ての色情報が得られるから、２Ｈを単位として色信号処理を行うことにより、より完全なカラー情報を得ることができる。また、図５の場合と同様に図７においても、全ての画素信号を読み出す図１４の場合に比べて、フレームレートが同じ、即ち１Ｈ周期が同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くできる。また逆に、１画素を読み出す周期を同じとすれば、フレームレートを２倍と早めることができる。これらは、信号処理速度に限界がある場合、フレームレートを早める用途に有用となる。
【００３７】
なお、上記実施形態１，２では、１／２間引き読み出しについて説明したが、これに限らず、図８に示すような読出画素位置による１／４間引き読み出しであってもよいし、図９に示すような読出画素位置による１／８間引き読み出しであってもよいし、図１０に示すような読出画素位置による１／１６間引き読み出しであってもよいし、さらには、図１１に示すような読出画素位置による１／１８間引き読み出しであってもよい。これらの何れの間引き率においても、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を有し、バランスの取れた色信号解像度を得ることができる。なお、ここでの間引き率は面積比で考えており、図１１の場合、縦方向および横方向共、６画素繰り返しの中に２画素、即ち２／３６＝１／１８となる。
【００３８】
なお、上記実施形態１，２では、互いに交差する２つの方向に、水平方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および第２のカラーフィルタ（Ｒ）に対応した２画素からなる第１の組と、垂直方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および第３のカラーフィルタ（Ｂ）に対応した２画素からなる第２の組とが、その間に（Ｎ−１）組（Ｎは正の整数）の非読出画素部を介して交互に存在するように読出画素を選択する構成としたが、これに限らず、間引き率をより少なく（例えば利用率を１／２以上）した場合も本発明に含むことができ、即ち、互いに交差する２つの方向に、水平方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および、第２のカラーフィルタ（Ｒ）および第３のカラーフィルタ（Ｂ）の一方に対応した２画素からなる第１の組と、垂直方向に隣接する第１のカラーフィルタ（Ｇ）および、第２のカラーフィルタ（Ｂ）および第３のカラーフィルタ（Ｒ）の他方に対応した２画素からなる第２の組とが、その間に（Ｎ−１）組（Ｎは正の整数）の非読出画素部を介して交互に存在するように読出画素を選択するように構成することもできる。その具体例として、例えば図１８に２４／３６＝２／３間引き読み出しする場合を示し、図１９に８０／１００＝４／５間引き読み出しする場合を示している。なお、Ｒ，Ｇ，Ｂの間の「−」は、上記した水平方向および垂直方向の２画素からなる組（ペア）を示している。
【００３９】
以上のように、本発明によれば、ベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した画素信号を間引き読み出しをしても、従来のベイヤー配列における間引き読み出しに比べて、1フィールド画像において、第１のカラーフィルタに対応した画素信号が水平方向および垂直方向にバランスの取れた比較的高い解像度を得ることができる。また、赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）のカラーフィルタに対応した各画素信号も、水平方向および垂直方向共に等しい解像度を得ることができて、バランスの取れた色信号解像度を得ることができる。したがって、輝度信号および色信号共、最も効率良い解像度を得ることができる。
【００４０】
また、１／２間引き読み出しの場合には、全ての画素信号を読み出す場合に比べて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期は２倍に長くすることができる。逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートを２倍に早めることができる。また、同様に、間引き率に応じて、フレームレートが同じとすると、１画素を読み出す周期を長くすることができ、逆に、１画素を読み出す周期を同じとすると、フレームレートを早めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】図１のカラー固体撮像装置における２次元カラーフィルタ配列上の読出画素位置を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は図２の各色カラーフィルタ毎のサンプリング画素位置を示す図である。
【図４】図１のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図５】図１のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図６】本発明の実施形態２におけるカラー固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図７】図６のカラー固体撮像装置において読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図８】１／４間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図９】１／８間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１０】１／１６間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１１】１／１８間引き読み出し時における本発明の読出画素位置およびその空間解像度を示す図である。
【図１２】カラー固体撮像装置に設けられるカラーフィルタのベイヤー配列を示す図である。
【図１３】図１２の通常読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図１４】図１２の通常読み出し時に得られる画素信号のタイミング図である。
【図１５】図１２のベイヤー配列に対する従来の１／２データ間引き読み出し時の読出画素位置を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は図１５の各色フィルタ毎のサンプリング画素位置を示す図である。
【図１７】図１５の通常読み出し時に得られる各色信号毎の空間解像度を示す図である。
【図１８】２／３間引き読み出し時における本発明の読出画素位置を示す図である。
【図１９】４／５間引き読み出し時における本発明の読出画素位置を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ ２次元カラー固体撮像装置
２ 撮像素子
２１，２３ 駆動線
２２ 垂直信号線
３ カラーフィルタ
４，４１ 垂直読出し回路
５ アンプ回路
６ スイッチ回路
７ 水平読出し回路
Claims (2)
- 撮像領域に配設された複数の画素素子上にベイヤー配列の緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタがそれぞれ画素単位で配設されたカラー固体撮像装置であって、
Ｇ信号が第１の正方形の形状を有する第１の空間解像度を有し、かつ、Ｒ信号およびＢ信号のそれぞれが該第１の正方形に内接する第２の正方形の形状を有する第２の空間解像度を有するように、該撮像領域の画素数の１／２の画素に対して読み出しを行なう１／２間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／４の画素に対して読み出しを行なう１／４間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／８の画素に対して読み出しを行なう１／８間引き読み出し動作、該撮像領域の画素数の１／１６の画素に対して読み出しを行なう１／１６間引き読み出し動作および該撮像領域の画素数の１／１８の画素に対して読み出しを行なう１／１８間引き読み出し動作のうちの少なくとも１つを実行するように該カラー固体撮像装置が構成されている、カラー固体撮像装置。 - 該１／２間引き読み出し動作は、該第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／２までとなり、該第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、
該１／４間引き読み出し動作は、該第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／２まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、該第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなるように実行され、
該１／８間引き読み出し動作は、該第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／４までとなり、該第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、
該１／１６間引き読み出し動作は、該第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／４まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなり、該第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／８まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／８までとなるように実行され、
該１／１８間引き読み出し動作は、該第１の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／６までとなり、該第２の空間解像度が、水平方向および垂直方向共にナイキスト限界値の１／６まで、かつ、対角方向にナイキスト限界値の１／１２までとなるように実行される、請求項１に記載のカラー固体撮像装置。
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