JP4603455B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
請求項1または請求項2に記載の発明によれば、画素上の色フィルタの配列によって、垂直方向の解像度を向上させつつ、シアン(C)、イエロー(Y)、マゼンタ(M)にそれぞれ関連付けられた信号を生成できる。
請求項3に記載の発明によれば、シアン(C)、イエロー(Y)、マゼンタ(M)で構成される擬似輝度信号、第1の色差信号、第2の色差信号に基づいて、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色を作り出すことができ、その結果、カラー信号を再生することができる。
(参考例の形態)
[固体撮像装置の構成]
図1は、参考例の形態の固体撮像装置の構成図である。この固体撮像装置1は、図1に示すように、レンズ(凸レンズ)2と、固体撮像素子3と、光学LPF4と、信号処理装置5とを備え、2次元画像を撮像するものである。なお、3次元の立体画像を撮像するものでもよい。
固体撮像素子3は、信号処理装置5によって駆動され、撮像対象物の光学像を撮像して信号処理装置5に出力するものである。
光学LPF(Low Pass Filter)4は、固体撮像素子3に被せられたプリフィルタ(前置低域通過フィルタ)であり、撮像対象物の高域周波数成分を光学的に除去するものである。この光学LPF4は、例えば、水晶板から構成され、後記するように、所定の周波数帯域を除去できるようにその厚みが調整されている。
信号処理装置5は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等から構成され、ROM等に記憶された所定のプログラムを実行することにより、固体撮像素子3を駆動し、固体撮像素子3の出力信号に基づいて、後記する所定の信号処理を実行するものである。
図2は、図1に示した固体撮像素子の一例を示す構成図である。
固体撮像素子3は、XYアドレス走査型であり、2次元映像を撮影するものである。この固体撮像素子3は、図2に示すように、2次元マトリクス状に配列された複数の画素32と、画素32から出力信号を読み出すための読出信号を画素32に入力する複数の入力信号線(信号線)L1〜L20と、画素32に発生した電荷を出力信号として読み出すための複数の出力信号線O1〜O4と、読出信号を出力する垂直走査回路31及び水平走査回路(図2では省略)と、を備える。
垂直走査回路31は、MOS(Metal-Oxide Semiconductor)スイッチを使用したMOS型のシフトレジスタであり、同様の構成の水平走査回路と共に、XYアドレス走査を行ってフォトダイオード上に発生した電荷の平面情報を時間情報に変換して信号として読み出すものである。
各入力信号線L1〜L20は、水平方向(行方向)に配列した画素32からなる画素群に対して2本設けられている。これら2本の入力信号線は、画素群に対して、一方が奇数番目の列に配設された各画素32に接続され、他方が偶数番目の列に配設された各画素32に接続されている。
出力信号線O1〜O4は、各画素32の増幅器の出力に接続され、例えば、雑音除去回路(MOSトランジスタ)等を介して、図示しない水平走査回路に接続されている。
次に、信号処理装置5の補間処理について、図3及び図4を参照(適宜図2参照)して説明する。図3は、図1に示した信号処理装置による信号処理の説明図であり、(a)は入力データ、(b)は出力データを示している。図3において、X,Yは空間座標軸、Tは時間軸を示している。図4は、図1に示した信号処理装置による補間の一例を示す説明図である。
また、信号処理装置5は、同様にして、図3の(a)に示した第2フィールドの標本化点311〜314及びその周囲の標本化点(図示は省略する)の位置及びデータから、図3の(b)に示した補間された標本化点341〜345の位置に補間データを生成し、第2フィールドの入力データ及び補間データから第2フレームを構成する。
さらに、信号処理装置5は、図3の(a)に示した2番目の第1フィールドの標本化点321〜325及びその周囲の標本化点(図示は省略する)の位置及びデータから、図3の(b)に示した補間された標本化点351〜354の位置に補間データを生成し、この第1フィールドの入力データ及び補間データから第3フレームを構成する。
次に、信号処理装置5によって、固体撮像素子の各画素から出力される信号の読出処理について図5を参照(適宜図2参照)して説明する。図5は、参考例の形態の固体撮像装置の信号処理装置の読出処理を示す説明図である。
信号処理装置5は、固体撮像素子3において、奇数番目の列の2つの画素32と、当該2つの画素32の配置された行から垂直方向に1行シフトした行において偶数番目の列に配置された2つの画素32とを選択する4本の入力信号線を同じタイミングでアクティブにして加算して読み出すことを全画素32に亘って行うことにより、第1フィールド(フィールドNo.1,3,5,…)の画像を生成する。また、第1フィールドで選択した画素32から垂直方向に1行シフトして2つの行の組合せを変更してから、同様にして、隣接した2つの行に配列された画素32からの出力信号を列ごとに加算して読み出すことにより、第2フィールド(フィールドNo.2,4,6,…)の画像を生成する。
次に、入力信号線L10,L11,L12,L13をアクティブにすることによって、走査線503上に、(1e,1f)、(2f,2g)、(3e,3f)、(4f,4g)のペアで2つの画素32の信号を加算して読み出す。
さらに、入力信号線L14,L15,L16,L17をアクティブにすることによって、走査線504上に、(1g,1h)、(2h,2i)、(3g,3h)、(4h,4i)のペアで2つの画素32の信号を加算して読み出す。
次に、入力信号線L8,L9,L10,L11をアクティブにすることによって、走査線512上に、(1d,1e)、(2e,2f)、(3d,3e)、(4e,4f)のペアで2つの画素32の信号を加算して読み出す。
次に、入力信号線L12,L13,L14,L15をアクティブにすることによって、走査線513上に、(1f,1g)、(2g,2h)、(3f,3g)、(4g,4h)のペアで2つの画素32の信号を加算して読み出す。
さらに、入力信号線L16,L17,L18,L19をアクティブにすることによって、走査線514上に、(1h,1i)、(2i,2j)、(3h,3i)、(4i,4j)のペアで2つの画素32の信号を加算して読み出す。
図6の(a)に示すように、参考例の形態におけるサンプリング中心点(標本化点、白丸)を、第1フィールドにおいて水平方向に結ぶと、ギザギザの折れ線(点線)601が形成され、水平方向のサンプリング中心点(標本化点、白丸)の個数は「4個」である(参考例)。また、これらのサンプリング中心点を垂直方向に結ぶと、ギザギザの折れ線(実線)602が形成され、垂直方向のサンプリング中心点(白丸)の個数は「4個」である(参考例)。なお、第2フィールドでは、第1フィールドのサンプリング中心点から垂直方向に1行シフトした位置に同様にサンプリング中心点(標本化点、黒丸)を有する。つまり、信号処理装置5は、第1フィールド及び第2フィールドにおいて、五の目状の位置(サンプリング中心点)を残すように間引いて、固体撮像素子3からの出力信号(加算データ)を読み出す。
したがって、参考例の形態では、フィールドの垂直方向のサンプリング中心点(白丸)の個数は、インターレース方式の従来のフィールド生成方法による個数の2倍となり、フィールドの垂直方向の解像度を向上させることができる。
図8は、図2に示した光学LPFの特性例であり、(a)は水平、垂直サンプリングキャリア部分の抑圧、(b)はフィールド画像の伝送帯域外の抑圧を示している。
図8に示したグラフにおいて、横軸は周波数の水平成分、縦軸は周波数の垂直成分を示している。また、水平サンプリング周波数をFh、垂直サンプリング周波数をFv(=Fh)とし、ハッチングの領域で示したフィールド画像の信号伝送帯域801は、フィールド内のサンプリング中心点のパターン(図5参照)に基づいている。
[固体撮像装置の構成]
第1の実施形態に係る固体撮像装置は、固体撮像素子の各画素にRGBのいずれかの色フィルタを備える単板カラー撮像装置であり、構成要素である信号処理装置の機能が異なる点を除いて、図1に示した固体撮像装置1と同一の構成である。また、第1の実施形態に係る固体撮像装置に含まれる固体撮像素子は、図2に示した固体撮像素子3と同一の構成である。したがって、同一の構成には同一の符号を付し、図面及び説明を省略する。また、以下の説明では、信号処理装置5による補間処理の説明を省略する。
図9は、第1の実施形態の固体撮像装置の信号処理法を示す説明図であり、(a)は色フィルタの配置、(b)は第1フィールドにおける信号の加算結果、(c)は第2フィールドにおける信号の加算結果を示している。
また、信号処理装置5は、固体撮像素子3の緑色フィルタ部Gを有する画素32から出力される信号「G」、及び赤色フィルタ部Rを有する画素32から出力される信号「R」を加算して読み出すことにより、イエローを示す信号(第2の信号)「Y」を生成する。
また、信号処理装置5は、固体撮像素子3の青色フィルタ部Bを有する画素32から出力される信号「B」、及び赤色フィルタ部Rを有する画素32から出力される信号「R」を加算して読み出すことにより、マゼンタを示す信号(第3の信号)「M」を生成する。
Pr=C−M …(2)
Pb=Y−M …(3)
Pr=2G−Y=G−R …(5)
Pb=2G−C=G−B …(6)
G+R=Y …(9)
G+B=C …(10)
R+B=M …(11)
G=(I+Pr+Pb)/4 …(13)
B=(I+Pr−3Pb)/4 …(14)
水平転送CCD34は、各垂直転送CCD33から転送された各出力信号を水平方向の全画素32に亘って転送するものである。
増幅器35は、水平転送CCD34から転送された各出力信号を増幅するものである。
信号線L1〜L26は、対角線方向に配列した画素32からなる画素群に対して2本設けられ、これら2本の信号線は、この画素群に対して、一方が各画素32からの出力信号を読み出すための電圧を印加するものであり、他方が所定の列に配列された隣接した2つの画素からの出力信号を加算するための電圧を印加するものである。なお、所定の列に配列された隣接した2つの画素32から成る画素ペアと、この画素ペアが配置された行から1行シフトした行で隣接する列に配置された画素ペアと、に同時に電圧を印加できるように、これらの画素ペアに対して信号線が4本設けられている。
パルス線P1は、信号線L3,L7,L11,L15,L19,L23に接続されている。このパルス線P1は、画素と垂直転送CCD33との間に設けられた転送ゲート(図示は省略している)を制御するために、垂直転送CCD33の読取用電圧印加部33aの電極に電圧を印加するものである。すなわち、パルス線P1は、画素32から出力信号を読み出すための電圧(Hレベル)を印加する。また、パルス線P1は、画素32から読み出された電荷信号に対する障壁を作るための電圧(Lレベル)を印加する。
パルス線P2は、信号線L2,L6,L10,L14,L18,L22,L26に接続されており、垂直転送CCD33のフィールド選択用電圧印加部33bの電極に、列方向に配列した2つの画素32からの出力信号を加算するための電圧を印加するものである。このパルス線P2は、画素32から読み出された電荷を当該電極の下に蓄積するための電圧(Mレベル)、または、画素32から読み出された電荷に対する障壁を作るための電圧(Lレベル)を印加する。これにより、後記するように、加算すべき2つの画素32の組合せが切り替えられる。つまり、奇数フィールドと偶数フィールドとが切り替えられる。
パルス線P3は、信号線L1,L5,L9,L13,L17,L21,L25に接続されており、パルス線P1と同様なものである。
パルス線P4は、信号線L4,L8,L12,L16,L20,L24に接続されており、パルス線P2と同様なものである。
2 レンズ
3,3A 固体撮像素子
4 光学LPF
5 信号処理装置
31 垂直走査回路
32 画素
33 垂直転送CCD
34 水平転送CCD
35 増幅器
L 入力信号線
Claims (6)
- 2次元マトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素から出力信号を読み出すための電圧を印加する複数の信号線と、前記信号線に前記印加電圧を出力する走査回路とを有し、前記信号線が、前記複数の画素のうち水平方向に配列した画素からなる画素群に対してそれぞれ2本ずつ設けられ、これら2本の信号線は、前記画素群において、一方が奇数番目の列に配設された各画素に接続され、他方が偶数番目の列に配設された各画素に接続されている固体撮像素子と、この固体撮像素子上に被写体の光学像を結像するレンズと、前記固体撮像素子の出力信号に基づいて所定の信号処理を実行する信号処理装置とを備える固体撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、前記マトリクス状に配設された各画素上に、緑色フィルタ、青色フィルタ及び赤色フィルタのいずれかを有し、
前記各色フィルタは、連続した第1乃至第4の行に並べて配列され、
前記第1乃至第4の行は、前記第4の行に続いて前記第1の行が連続するように繰り返し並べて配列され、
前記第1の行に、緑色フィルタと、青色フィルタと赤色フィルタのうちの一方とが交互に配置され、
前記第2の行に、緑色フィルタと、青色フィルタと赤色フィルタのうちの他方とが交互に配置され、
前記第1の行における緑色フィルタと、前記第2の行における緑色フィルタとが同列に配置され、
前記第3の行と前記第4の行には、前記第1の行と前記第2の行とそれぞれ同様に前記各色フィルタが配置され、
前記第2の行における緑色フィルタと、前記第3の行における緑色フィルタとが異なる列に配置されており、
前記信号処理装置は、
前記画素からの出力信号に基づくフレームの奇数番目の走査線から成る奇数フィールドにおいて、所定の列に配列された隣接した2つの画素から成る画素ペアと、この画素ペアが配置された行から1行シフトした行で隣接する列に配置された前記画素ペアと、を前記信号線を介して同時に選択し、選択した画素ペアの配置に関連付けて前記画素ペアを構成する2つの画素からの出力信号をそれぞれ読み出して加算することを有効画素中の前記画素ペアに亘って実行し、
前記フレームの偶数番目の走査線から成る偶数フィールドにおいて、前記奇数フィールドで選択した前記画素ペアが配置された行から垂直方向に1行シフトした行に配置された前記画素ペアを前記信号線を介して同時に選択し、選択した画素ペアの配置に関連付けて前記画素ペアを構成する2つの画素からの出力信号をそれぞれ読み出して加算することを有効画素中の前記画素ペアに亘って実行する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 2次元マトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素から出力信号を読み出すための電圧を印加する信号線と、垂直方向に配列した画素からの出力信号を転送する複数の垂直転送CCDと、各垂直転送CCDから転送された各出力信号を水平方向の全画素に亘って転送する水平転送CCDとを有し、前記信号線が、前記複数の画素のうち対角線方向に配列した画素からなる画素群に対してそれぞれ2本ずつ設けられ、これら2本の信号線は、前記画素群において、一方が前記画素と前記垂直転送CCDとの間に設けられた転送ゲートを制御するための電圧を印加するものであり、他方が所定の列に配列された隣接した2つの画素からの出力信号を加算するための電圧を印加するものである固体撮像素子と、この固体撮像素子上に被写体の光学像を結像するレンズと、前記固体撮像素子の出力信号に基づいて所定の信号処理を実行する信号処理装置とを備える固体撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、前記マトリクス状に配設された各画素上に、緑色フィルタ、青色フィルタ及び赤色フィルタのいずれかを有し、
前記各色フィルタは、連続した第1乃至第4の行に並べて配列され、
前記第1乃至第4の行は、前記第4の行に続いて前記第1の行が連続するように繰り返し並べて配列され、
前記第1の行に、緑色フィルタと、青色フィルタと赤色フィルタのうちの一方とが交互に配置され、
前記第2の行に、緑色フィルタと、青色フィルタと赤色フィルタのうちの他方とが交互に配置され、
前記第1の行における緑色フィルタと、前記第2の行における緑色フィルタとが同列に配置され、
前記第3の行と前記第4の行には、前記第1の行と前記第2の行とそれぞれ同様に前記各色フィルタが配置され、
前記第2の行における緑色フィルタと、前記第3の行における緑色フィルタとが異なる列に配置されており、
前記信号処理装置は、
前記画素からの出力信号に基づくフレームの奇数番目の走査線から成る奇数フィールドにおいて、所定の列に配列された隣接した2つの画素から成る画素ペアと、この画素ペアが配置された行から1行シフトした行で隣接する列に配置された前記画素ペアと、を前記信号線を介して同時に選択し、選択した画素ペアの配置に関連付けて前記画素ペアを構成する2つの画素からの出力信号をそれぞれ読み出して加算することを有効画素中の前記画素ペアに亘って実行し、
前記フレームの偶数番目の走査線から成る偶数フィールドにおいて、前記奇数フィールドで選択した前記画素ペアが配置された行から垂直方向に1行シフトした行に配置された前記画素ペアを前記信号線を介して同時に選択し、選択した画素ペアの配置に関連付けて前記画素ペアを構成する2つの画素からの出力信号をそれぞれ読み出して加算することを有効画素中の前記画素ペアに亘って実行する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記信号処理装置は、
前記固体撮像素子の前記緑色フィルタを有する画素、及び前記青色フィルタを有する画素からそれぞれ出力される信号を加算した第1の信号と、前記緑色フィルタを有する画素、及び前記赤色フィルタを有する画素からそれぞれ出力される信号を加算した第2の信号との和を示す擬似輝度信号と、
前記青色フィルタを有する画素、及び前記赤色フィルタを有する画素からそれぞれ出力される信号を加算した第3の信号を前記第1の信号から差し引いた差を示す第1の色差信号と、
前記第2の信号から前記第3の信号を差し引いた差を示す第2の色差信号と、に基づいて、赤、緑、青の3原色を示す信号を算出し、算出した3原色を示す信号を組み合わせてカラー信号を再生する、
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像素子に、光学LPFが被せられ、
前記光学LPFは、
空間周波数の垂直成分と水平成分との和が、水平サンプリング周波数と等しい垂直サンプリング周波数の正の値の半分より大きく、前記垂直サンプリング周波数以下、
且つ、空間周波数の垂直成分と水平成分との和が、前記垂直サンプリング周波数の負の値より大きく、前記垂直サンプリング周波数の負の値の半分以下、
且つ、空間周波数の垂直成分から水平成分を差し引いた差が、前記垂直サンプリング周波数の正の値の半分より大きく、前記垂直サンプリング周波数以下、
且つ、空間周波数の垂直成分から水平成分を差し引いた差が、前記垂直サンプリング周波数の負の値より大きく、前記垂直サンプリング周波数の負の値の半分以下となる帯域を下限とした高域周波数成分を除去する特性を有する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理装置は、
前記画素ペアを構成する2つの画素からの出力信号をそれぞれ読み出して加算することによりそれぞれ算出された加算データに関連付けて、前記奇数フィールド及び偶数フィールドのうちの一方の標本化点を五の目状に配列し、且つ、他方の標本化点を前記五の目状の4つの頂点で形成される各辺の中点の位置に配列したときに、
前記加算データに基づいて、前記奇数フィールドの標本化点及び前記偶数フィールドの標本化点を、前記各フィールド内または前記各フィールド間で内挿により補間した補間データを生成し、生成した補間データと前記加算データとからフレームを生成する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理装置は、前記複数の画素からの出力信号を前記奇数フィールド及び偶数フィールドから合わせて1秒間に120回の割合で読み出し、読み出した出力信号の標本化点に関連付けられた加算データと、生成した補間データとから構成されたフレームを1秒間に120コマ生成することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。
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