JPH0117316B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体基板に二次元配列された感光
部を有する限られた画素数の固体撮像素子を用い
て解像度の高い画像を得るための出力信号再生回
路に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

CCDなどの固体撮像素子は従来の撮像管とく
らべ小型、軽量、高信頼性という特徴を有し、ま
た特性面では図形歪がなく、残像が小さく、焼付
きがないなど多くの利点を有している。このため
工業用テレビカメラ、家庭用ビデオカメラ、銀塩
フイルムを用いない電子カメラなど、その応用は
広く、今後更に拡大されると考えられる。

第１図は代表的なインターライン転送形CCD
撮像素子の概略構成を示している。Pij（ｉ＝１，
２，…Ｍ，ｊ＝１，２，…，Ｎ）は二次元配列さ
れた感光部、Ciは垂直読出しレジスタ、Ｈは水平
読出しレジスタである。このような固体撮像素子
を前述したような広い応用分野に適用する場合、
限られた画素数でいかに高解像度化を図るかが大
きな問題となる。

そこで本発明者らは先に、特願昭56―209381号
において、限られた画素数の固体撮像素子を用い
て高解像度化を図つた装置を提案した。この装置
は第２図にその原理図を示すように、固体撮像素
子のチツプ基板１（一水平例のみ示す）を、水平
方向（Ｘ方向）に、水平画素ピツチPHの1/2相
当であるPH／２の振幅をもつて入射光学像に対
して相対的に振動させる。ここで振動の時間変化
は図に示すように、固体撮像素子の第1Aフイー
ルドおよび第2Bフイールドを１フレーム期間と
する撮像動作に同期して台形状にする。このこと
により図に示す画素の開口部はＡフイールドでは
実線２の位置となり、Ｂフイールドでは破線３の
位置になる。そしてＡ，Ｂフイールドの位置に対
応した像になるよう駆動のタイミングをずらす
か、又は信号処理によつてずらすことを行ない、
再生画像上でＡ，Ｂフイールドを加算することに
より、固体撮像素子自体が有する水平解像度を２
倍に向上できる。さらに、固体撮像素子の入射光
学像に対する無効部分が減少するので固体撮像素
子固有のモアレが改善される。

この装置の動作と信号処理について更に詳しく
第３図を用いて説明する。高解像度を得る動作は
まず第３図に示した垂直同期パルスVDPで表わ
したＡ，Ｂフイールドを１フレーム期間とし、こ
のフレーム期間に同期させて台形状の振動パルス
を得る。そしてこの振動パルスを前記固体撮像素
子のチツプ基板に加える。振動パルスの振幅は水
平画素ピツチPHの1/2の振動が得られる量とす
る。そしてＡ，Ｂフイールドの入力光学像に対応
した信号を得るため、ここでは固体撮像素子の水
平読出しレジスタの駆動クロツクのタイミングを
Ａ，Ｂフイールドに同期させてずらす。固体撮像
素子の出力信号は水平読み出しレジスタに加える
クロツクパルスに同期している。したがつて固体
撮像素子の出力信号の位相をPH／２相当ずらす
には水平読み出しレジスタに加えるクロツクパル
スの位相を1/2ずらすことによつて得られる。

これらの一連の動作によつて得られる出力信号
は第３図に示す波形となる。この波形の中には通
常500mV近くのリセツトノイズ成分と5Vから
10VのDCオフセツト成分が含まれる。したがつ
て、この装置の信号処理は矩形波状の信号成分を
波形劣化させることなくリセツトノイズ成分と
DCオフセツト成分を除去する必要がある。この
除去には直線検波回路が適しているが、発明者ら
が設計、試作した400（Ｈ）X500（Ｖ）画素のイン
ターライン転送方式CCDでの場合、水平読み出
しレジスタのクロツクパルスの周波数cpが
7.16MHzである。この場合、信号成分の矩形波成
分を劣化なく処理するには信号中に含まれる３次
の高周波までを通した場合では直線検波回路の周
波数帯域が20MHz以上必要となる。これは回路製
作上非常に困難である。また、このように広帯域
の回路では通常位相特性が劣化する。このため
Ａ，Ｂフイールド間での出力信号の振幅に差が表
われフリツカが発生しやすい問題があつた。

また、リセツトノイズ成分の除去法には低域通
過フイルタ（LPF）を用いる方法がある。これ
はCCDの出力信号帯域が水平読み出しレジスタ
のクロツクパルス周波数cpの1/2であることか
ら、通常、カツトオフ周波数がcp／２のLPFを用 いる。このことによつて得られた信号は第３図に
示す波形のように平均化された信号になる。この
場合はモワレの改善効果は得られるが水平解像度
の向上は得られない問題があつた。

次に固体撮像素子１個を用いてカラー画像を得
る方式いわゆる単板カラー撮像方式に第２図の動
作を適用した場合の問題点について説明する。単
板カラー撮像では固体撮像素子の画素に合わせて
色フイルタを設け、その出力信号を処理すること
によつて標準方式であるNTSC方式に必要な輝度
信号Ｙと赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの色信号を得る。第２
図の動作での撮像動作はフイールド蓄積モードが
好ましい。これに適した色フイルタ配置は例えば
第４図に示すような周波数インターリーブ方式で
ある。周波数インターリーブ方式でのＹ，Ｒ，
Ｇ，Ｂの信号を得るには、まず帯域通過フイルタ
（BPF）を通した信号を1H遅延線を通し、1H遅
延線を通さない信号と加減算することによりＲ信
号ないしＢ信号を得る。一方、固体撮像素子の出
力信号にLPFを通しリセツトノイズ除去とＲ，
Ｂのキヤリア成分除去を行ないＹ信号を得る。Ｇ
信号はＹ信号からＲ，Ｂ信号を減算することで得
られる。このように単板カラー撮像ではBPF，
LPFを通してＹ，Ｒ，Ｇ，Ｂの信号を得ている。
このため信号は第３図に示すように平均化された
波形となる。したがつて高解像度のカラー画像を
得ることができない問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、固体
撮像素子のチツプ基板をＡ，Ｂフイールドに同期
して振動させる方式の固体撮像装置において、信
号処理により水平方向に平均化された出力信号を
再生して高解像度の画像を得ることを可能とした
出力信号再生回路を提供することにある。

〔発明の概要〕 本発明は例えば第１図に示す如きインターライ
ン転送形CCDであつて、感光部に蓄積された信
号電荷を垂直ブランキング期間において同時に垂
直読出しレジスタに移動し、次のフイールドの有
効期間中にこれを読出すという撮像動作を有した
固体撮像素子のチツプ基板をＡ，Ｂフイールドで
１フレーム期間となる撮像方式でＡ，Ｂフイール
ドに同期させて、そのチツプ基板を入力光学像に
対して相対的に振動せしめて高解像度化を図る固
体撮像装置を対象とする。即ち本発明はこのよう
な方式において、信号処理により水平方向に平均
化された出力信号を、高解像度化に好ましい信号
に再生する出力信号再生回路を設ける。この出力
信号再生回路は、固体撮像素子の水平読出し周波
数と等しい周波数を有し、かつ入射光像の空間サ
ンプリング点にピーク位置またはその近傍を合わ
せた位相（従つてＡ，Ｂフイールドで180度ずれ
た位相）を有するキヤリア信号を生成する回路を
設け、このキヤリア信号を固体撮像素子の出力信
号により振幅変調する変調回路を設け、かつ得ら
れた変調波を所定レベルでスライスする回路を設
けて構成される。

〔発明の効果〕

本発明のような出力信号再生回路を用いれば、
従来の信号処理におけるような広帯域は直線検波
回路が不用であり、フリツカの発生がなく安定度
の高い高解像度でモアレの少ない画像が得られ
る。さらにLPFなどにより一度画像信号を平均
化している単板カラー撮像方式に本発明を適用す
れば、モアレの少ない高解像度のカラー画像を得
ることができる。さらに本発明を電子カメラに適
用することにより一度低い解像度で磁気記録され
た画像信号を本発明の信号再生回路を通すことに
より高い解像度の画像を得ることができる。

〔発明の実施例〕

第５図は本発明の一実施例の構成図である。光
入力は撮像レンズ１０を通り固体撮像素子チツプ
１１上に結像される。固体撮像素子チツプ１１は
例えば第１図に示すようなインターライン転送形
CCD撮像素子であつて振動台１２上に固定され
ている。振動台１２へは第２図および第３図で説
明した振動パルスを振動パルス発生器１３より加
える。振動パルスはＡ，Ｂフイールドに同期して
いる。タイミング発生回路１４では固体撮像素子
チツプ１１を駆動するのに必要なパルス、信号処
理に必要なパルスを標準方式に準じて発生させ
る。PH／２遅延回路１５では水平読み出しレジ
スタのクロツクパルスを水平画素ピツチPHの1/
２に相当した量遅延する。クロツクドライバ１６
は固体撮像素子チツプ１１の各電極へ加えるクロ
ツクパルスのドライバである。これらの動作によ
つて得られた固体撮像素子チツプ１１の出力信号
は通常の信号処理回路１７にて固体撮像素子の出
力信号中に含まれるリセツトノイズの除去、ブラ
ンキング処理、白クリツパ、ガンマ補正などを行
なう。この処理によつて得られた信号は水平方向
に平均化された波形である。この平均化された波
形を出力信号再生回路１８を通すことによつて高
い解像度を得ることができる。

出力信号再生回路１８は入力画像信号を直流分
を含んだ信号にする直流再生回路１９、その出力
信号によつてキヤリア信号発生回路２５からのキ
ヤリア信号を振幅変調する振幅変調回路２０、振
幅変調された信号を所定レベルをスライスするス
ライス回路２１により構成される。キヤリア信号
発生回路２５は水平読み出しレジスタのクロツク
パルスと同一周波数のパルスを入力とした位相合
わせ回路２２、位相合わせ回路２２の出力波形を
180゜ずらす180゜シフト回路２３、180゜ずらした波
形とずらしてないものとの波形をＡ，Ｂフイール
ド期間に同期して切換える切換え回路２４により
構成される。

次にこの信号再生回路１８の動作について第６
図に示す各部の信号波形を用いて説明する。第６
図に示すように画面左側から右側へ階段状に光量
が変化する被写体を撮像した場合での本固体撮像
装置の空間サンプリング点は画像情報波形中黒点
で示す位置になる。このサンプリング点は水平画
像信号の開始点を基準としてＡフイールドとＢフ
イールドの間で水平画素ピツチPHの1/2相当ず
れている。このサンプリング点を中心として第３
図に示した矩形波の出力信号とし、Ａ，Ｂフイー
ルドを加算して再生画像上で加算することにより
水平解像度は固体撮像素子自体が有する値の２倍
に向上できる。しかし通常の信号処理回路１７を
用いるとその出力に得られる画像信号は第６図に
示すように水平方向に平均化された信号波形にな
る。この信号波形をこのまま再生画像上で加算す
る処理を行なうことでは高解像度化が期待できな
い。そこで、本実施例ではまずこの平均化された
画像信号を直流再生回路１９によつて直流分を含
んだ画像信号にして、これを用いて振幅変調回路
２０にて、水平読み出し周波数cpと同一のキヤ
リアを振幅変調する。ここで重要なことは振幅変
調回路２０に加えるキヤリアの位相である。キヤ
リアの位相は、１周期内のピーク点が第６図の黒
点で示した空間サンプリング点と一致するように
設定される。このことにより平均化された出力画
像信号が実際の空間サンプリング点に合うように
振幅変調される。

このようなキヤリアの発生は、タイミング発生
回路１４よりの水平読み出しクロツク（周波数
cp）を位相合わせ回路２２で前記空間サンプリ
ング点に合うよう位相を合わせた信号とこれを
180゜シフト回路２３を通した信号を、Ａ，Ｂフイ
ールドに同期したフイールドパルスを用いて切換
回路２４にて切換えることにより得られる。この
キヤリア周波数は、水平400画素のCCDを用いた
場合7.16MHzになる。

こうして得られた振幅変調波はスライス回路２
１にて変調波の中心付辺の所定レベル３１以下を
スライスして図に示す波形を得る。ここで、スラ
イスする手段は、振幅変調波の中心部付辺の所定
レベル以上を除去することでも良い。そしてこの
再生出力信号波形を再生画像上でＡ，Ｂフイール
ド加算することにより第６図に示す波形となる。
このことにより水平方向のサンプリング点３２は
固体撮像素子自体のそれの２倍になり、再生画像
上では２倍の解像度が得られる。なお、スライス
回路の直線性が劣化した場合では振幅変調回路２
０のバイアス電圧を制御して変調度を下げること
により直線性の良好な再生像が得られる。

第７図は以上の動作を具体的に説明するために
空間サンプリング点と再生画像上のサンプリング
点を表わした図である。二次元的に配列された固
体撮像素子でのＡフイールドの入力光学像の空間
サンプリング点は第７図の４０で示した場所にな
る。このときの信号電荷読み出しはｎ，ｎ＋１，
…の順序である。そしてＢフイールドでは、これ
が水平画素ピツチPHの１／２相当水平方向に振動 した位置で、即ち４１で示した場合になる。この
ときの信号電荷読み出しはＡフイールドに対して
垂直画素方向に１ピツチずつずれた（ｎ）′，（ｎ
＋１）′，…の順序である。このことにより垂直
方向のインターレース撮像を行ない垂直解像度を
向上している。またＡフイールドとＢフイールド
の空間サンプリング点は図から明らかであるよう
に水平方向に２倍化されている。そして、この信
号を通常の信号処理回路１７を通して平均化した
場合においても、本実施例のように信号再生回路
１８を通すことによつて図に示す再生画像が得ら
れる。Ａフイールドではｎ，ｎ＋１，ｎ＋２の空
間のサンプル点に対応した位置４２に信号を表示
し、Ｂフイールドでは（ｎ）′，（ｎ＋１）′の空
間サンプリング点に対応した位置４３に信号を表
示する。このことにより水平方向の解像度が２倍
に向上できる。さらに本実施例によればＡフイー
ルドとＢフイールドでは固体撮像素子のモアレが
逆相関係になるので、このモアレの減少が図られ
る。

次に第８図、第９図を用いて振幅変調回路２０
に加えるキヤリア発生回路２５の具体例を説明す
る。第５図で示したタイミング発生回路１４より
水平同期パルスHD、クロツクパルスCK、フイ
ールドパルスFIを得る。水平同期パルスHDは第
９図に示すように１周期が63.56μsのパルスであ
る。クロツクパルスCKは水平読み出しレジスタ
のクロツクパルス周波数の２倍の周波数である
14.32MHzを用いる。そしてフイールドパルスIF
はＡフイールドで低レベル、Ｂフイールドで高レ
ベルのパルスである。まずおのおののパルスは入
力バツフア５０，５１，５２を通して波形整形さ
れる。そして水平同期パルスHDはＤフリツプフ
ロツプ５３にてクロツクパルスCKのタイミング
で同期化した後、JKフリツプフロツプ５４のＪ
端子に加える。JKフリツプフロツプ５４のＫ端
子はGNDにしておく。一方JKフリツプフロツプ
５４のクロツク入力端子CKへはクロツクパルス
CKを遅延線５５による位相合わせ回路を通して
第９図に示すように、実際の空間サンプリング点
に合うよう遅延時間tdずらして加える。このこと
によつてJKフリツプフロツプ５４の出力Ｑ，
には第９図に示したように、水平読み出し周波数
7.16MHzと同一である周期140nSのお互いに反転
したパルスが得られる。得られたそれぞれのパル
スを２ラインセレクタ５６の入力端子Ａ，Ｂへ加
える。そして２ラインセレクタ５６のセレクト端
子ＳへはフイールドパルスFIをＤフリツプフロ
ツプ５７にてクロツクパルスCKのタイミングで
同期化したパルスを加える。このことにより、２
ラインセレクタ５６の出力Ｙには水平読み出し周
波数と同一の周波数でＡフイールドとＢフイール
ドの間で互いに位相が180゜異なつたパルスが得ら
れる。そしてこのパルスをBPF５８にて高調波
成分を除去することにより、ＡフイールドとＢフ
イールドでは位相が180゜異なつた正弦波のキヤリ
ア信号を得る。この正弦波キヤリアを振幅変調回
路２０に供給することによつて先に説明した信号
再生動作が容易に行なえる。

第１０図は本発明を単板カラー撮像方式のカメ
ラに適用した場合の実施例である。本発明の特長
の１つは限られた画素数のCCDを用いて解像度
の高い再生画像が得られることである。CCDか
ら得られた多重信号６０は色分離回路６１を通し
て３原色信号である赤（Ｒ）信号６２、緑(G)信号
６３、青(B)信号６４に分離する。ここで色分離回
路６１では周波数分離方式の場合はBPFやLPF
を多く用いて色分離を行なつている。また位相分
離方式の場合はサンプルホールド回路を用いて色
分離を行なつている。いずれの場合においても分
離されたＲ，Ｇ，Ｂ信号は水平方向に平均化され
た波形になる。このためおのおのの出力信号をプ
ロセス回路６５，６６，６７を通しガンマ補正、
白クリツプなどを行ない再生した画像では高解像
度化は得られない。本実施例ではＲ，Ｇ，Ｂ信号
に分離した画像信号を信号再生回路６８を通すこ
とによつて解像度の高い画像が得られる。

信号再生回路６８でのＲ，Ｇ，Ｂ各ブロツクの
構成は先の実施例と同様である。即ちＲ，Ｇ，Ｂ
に分離された信号はおのおの直流再生回路６９，
７０，７１を通り直流分を含んだ信号にする。そ
の後、振幅変調回路７２，７３，７４に供給し、
キヤリア信号発生回路２５で得られた空間サンプ
リング点に合うよう位相制御されたキヤリア信号
を振幅変調する。そしてそれぞれスライス回路７
５，７６，７７にて所定レベル以下をスライスし
た信号を得る。こうして得られたＲ出力７８、Ｇ
出力８０、Ｂ出力８１を例えばRGBモニタのそ
れぞれの入力端子に加える。このことにより再生
画像上では高解像度でモアレの少ないカラー画像
が得られる。

第１１図は本発明を銀塩フイルムを用いない電
子カメラに適用した実施例である。電子カメラで
要求される解像度は水平1000画素以上である。現
状での固体撮像素子製造技術では、この画素数を
満足することが困難である。本発明は特に高解像
度化の要求が強い電子カメラに適用することによ
りその特長が最大限に生かされる。

電子カメラ本体８１への光入力はシヤツタ８２
を通して固体撮像素子チツプ１１基板上に結像さ
れる。固体撮像素子チツプ１１は振動台１２上に
固定されている。振動台１２及び固体撮像素子チ
ツプ１１へは、先の実施例と同様駆動回路８３よ
り得た振動パルス及び固体撮像素子の駆動に必要
なパルスを加える。振動パルスの振幅をフイール
ド期間に同期して水平画素ピツチの1/2相当にす
ることで固体撮像素子チツプ１１から得られる出
力信号は水平方向で空間サンプリング点が従来の
固体撮像素子の２倍になる。そして信号処理回路
８４において色分離、ガンマ補正、レベル決めな
どを行ない変調回路８５にて記録に必要な波形に
する。そして記録・再生部８６を通して例えば磁
気デイスク８７に入力像を記録する。

そして、記録された画像を再生したい場合は、
記録・再生部８６を通して画像信号８８を読み出
し、まず復調回路８９にて原色信号である赤
（Ｒ）信号９０、緑(G)信号９１、青(B)信号９２に
分離する。そして第１０図で説明したと同様の信
号再生回路６８を用いて前記原色信号９０，９
１，９２を用いて実際の空間サンプリング点に合
う位相のキヤリアを振幅変調し、その後所定レベ
ル以下をスライスした画像信号を得る。この画像
信号は信号処理回路８４などにて一度平均化され
解像度の低い信号のサンプリング点が再生されて
いる。そして例えばRGBカラーモニタ９３に入
力することで解像度の高いカラー画像が得られ
る。また、ハードコピー９４に高解像度カラー画
像を再生することもできる。また、ROMなどの
メモリ９５へ高解像度カラー画像を書き込むこと
もできる。この場合、Ａ／Ｄコンバータにてアナ
ログ信号をデジタル化する必要がある。このデジ
タル化においては、サンプリング点が再生された
出力信号を用いることによりタイミングが取りや
すく確実なＡ／Ｄ変換が可能である。

以上、説明した実施例ではRGB方式のカラー
信号処理を用いて行なつたが、本発明はYRGB
方式、YRB方式のカラー信号処理においても同
様の効果が期待できる。この場合Ｙ信号のみに本
発明の信号再生回路を適用することもできる。

また、本発明は、周波数インターリーブ方式の
色フイルタでの信号処理に限らず、位相分離方式
など他の色フイルタ配置にも適用できる。

また、以上に説明した実施例では振幅変調回路
のキヤリア位相を、その１周期のピーク点が固体
撮像素子の空間サンプリング点とちようど一致す
るように制御した場合について説明したが、若干
の位相ずれがあつても解像度の劣化はわずかであ
り、撮像装置としては支障ない。

また、本発明は、インタライン転送形CCDの
他、フレーム転送形CCD、光電変換に光導電膜
を用いた２階建センサ、感光部がジグザグに配置
されたセンサなどの信号処理に適用することで同
様に高解像度化が期待できる。

また、実施例では水平画素方向の振動を行なつ
た固体撮像装置の場合を説明したが、振動を斜め
方向にした場合も本発明を適用することで解像度
向上が期待できる。

また、本発明は電子ビーム像を任意の方向に各
フイールドに同期して振りCCD感光部へ入射さ
せるセンサに適用することもできる。要するに本
発明は各フイールドに同期して入射光学像に対し
て相対的に任意の方向に振動せしめた固体撮像装
置に適用できる。

また、本発明の用途は、標準テレビジヨン方式
に適合したビデオカメラ、電子カメラに限らず、
例えばOCR、フアクシミリ、コピーなど入射光
学像を撮像する手段を備えている他の装置に適用
して同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送形CCD撮像装置
の概略構成を示す図、第２図は発明者らが先に提
案した高解像度を得る固体撮像装置の原理図、第
３図はその動作を説明するための信号波形図、第
４図は色フイルタ配置例を示す図、第５図は本発
明の一実施例の構成図、第６図はその動作を説明
するための信号波形図、第７図は本実施例による
空間サンプリング点と得られた再生画像上のサン
プリング点を対応させて示す図、第８図は第５図
のキヤリア発生回路を具体化した例を示す図、第
９図はその動作を説明するための信号波形図、第
１０図は本発明を単板カラー撮像方式のカメラに
適用した実施例の構成図、第１１図は本発明を電
子カメラに適用した実施例の構成図である。 １１…固体撮像素子チツプ、１２…振動台、１
３…振動パルス発生器、１４…タイミング信号発
生器、１５…PH／２遅延回路、１６…クロツク
ドライバ、１７…信号処理回路、１８…出力信号
再生回路、１９…直流再生回路、２０…振幅変調
回路、２１…スライス回路、２５…キヤリア信号
発生回路、６８…出力信号再生回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板上に二次元的に配列された感光部
   を有する固体撮像素子を用い、第１、第２のフイ
   ールドで１フレームを構成し、かつ前記第１、第
   ２のフイールドに同期して入射光学像に対して前
   記固体撮像素子に振動を与える方式の固体撮像装
   置の出力信号を再生する回路であつて、前記固体
   撮像素子の水平読出し周波数と等しい周波数を有
   しかつ前記入射光学像の空間サンプリング点にピ
   ーク位置またはその近傍を合わせた位相を有する
   キヤリア信号を生成するキヤリア発生回路と、こ
   の回路で得られたキヤリア信号を前記固体撮像素
   子の出力信号により振幅変調する変調回路と、こ
   の回路で得られた振幅変調波を所定レベルでスラ
   イスするスライス回路とを備えたことを特徴とす
   る固体撮像装置の出力信号再生回路。