JPH0156593B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、色フイルタと色フイルタを介して被
写体像を結像する単一の固体撮像素子より成る固
体カラー撮像装置において、色フイルタを全面よ
り緑色光を透過する色フイルタとすることで、固
体カラー撮像装置の感度を向上すると共に解像度
を改善し、色フイルタの水平方向での原色光の透
過率の比をNTSCの輝度における割合に近づける
ことで色再現性の改善を計り、総合的に画質を向
上させることを目的とした固体カラー撮像装置に
関するものである。

固体撮像素子は、多数の例えばフオトダイオー
ド等の光感応素子を２次元に配し、前記光感応素
子を順次走査することで映像信号を得るものであ
る。

このため、被写体像は光感応素子による画素に
よつてサンプリングされることになり、再生画像
の解像度は、画素の密度で決定される。又、前記
画素の密度は製造上の問題として、高密度とする
事は容易では無い。このため、単一の固体撮像素
子を用いる固体カラー撮像装置では、画素の密度
で決る解像度を低下させること無く、カラー化す
る事が重要な問題となつている。

単板カラー撮像装置は、原理的には画素上に異
る色光を透過する色フイルタを配し、これによつ
て得られる異る色光による画素信号に基き色被写
体像の色情報を得るものである。

このため、前記解像度の問題は、映像信号中に
含まれる色信号のレスポンスとして表われる。

第１図は最も基本的な３つの原色光フイルタを
水平方向にくり返し配した色フイルタによる場合
の周波数レスポンスを示すものである。図中、実
線は赤色光波線は青色光、一点鎖線は緑色光のレ
スポンスを示す。この場合、１つの原色光フイル
タは、水平方向に３画素に１つの割合で配される
ことになり、明らかに画素数によつて決まるサン
プリング周波数f_cの1/3の点に色情報を伝えるキ
ヤリア周波数が生じる。このため、解像度はこの
キヤリア周波数で制限される。このため、解像度
の低下を防ぐためには、少なくとも前記キヤリア
周波数を、画素数で決まる解像度限界の周波数
f_c／２以上とするか、又は、なんらかの手段でキ
ヤリアを消すことが必要である。後者は、画像の
垂直相関性を利用して行われるが、一般的には前
者を用いる。このため、水平方向のフイルタは、
実効的に２色のくり返しが用いられる。次に、輝
度解像度については、原理的は全色光を透過する
フイルタを水平方向に画素数必要とするが、輝度
に含まれる緑色光の割合が多い事から近似的緑色
光を輝度として用いることができる。この場合、
水平方向に緑色光を透過するフイルタを画素数分
必要とする。

以上の事項を満すものとして従来提案されてい
る代表的方式に、第２図の色フイルタを用いるも
のがある。これは、先に述べた様に水平方向の色
のくり返しは２色であり、緑色光は垂直相関性を
利用することで実質的に水平方向に画素数分緑色
光を透過している。

しかし、この手段では、水平走査ごとの分光特
性が、例えば第１の水平走査では緑色光と赤色光
が透過され、第２の水平走査では緑色光と青色光
が透過される様になつている。このため、水平走
査ごとの信号の平均値は、緑信号＋赤信号と、緑
信号＋青信号となり異つた値となる。このため輝
度信号を、毎水平走査ごとの撮像素子出力より直
接得る場合、ラインクロールを発生してしまう。
このため、輝度信号は、緑信号のみをサンプリン
グする等の手段を用いる必要が生じ、一般的に、
複雑な信号処理を必要とする。さらに、垂直相関
によつて解像度を向上させているため、相関の無
い部分では解像度が低下すると共に歪が生じる。
この意味では、水平走査ごとの信号の平均値を一
定とすべく、色フイルタに補正量を加えた第３図
に示す方式がある。

この手段では、平均値が各水平走査ごとに赤＋
緑＋青となる様に、例えば第１の水平走査を赤、
緑信号を基本とした場合、全体に青信号を補正量
として補つている。同様に、第２の水平走査では
青、緑を基本として、赤を補つて水平走査ごとの
平均値を一致させている。しかし、この手段では
各画素が全ての緑色光を透過することはなく、原
理的に解像度は緑色光を全て透過する様にした場
合より低下する。

次にNTSCにおける輝度信号に含まれる各原色
光の割合は、赤：緑：青＝0.3：0.59：0.11であ
る。一方前述の補正量を加えた方式における各水
平走査で得られる信号の原色光の割合は、赤：
緑：青は１：１：１となる。このため、水平走査
で得られた信号を、直接輝度信号として用いる場
合、赤及び青色光の含む率が高くなつてしまう。
このことは、色再現性を向上する点で好ましくな
い。

一方、輝度に含まれる原色光の割合をNTSCに
近ずける点では、単管カラーカメラにおける周波
数分離方式がよい近似を得ている。第４図は、周
波数分離式の色フイルタを固体撮像に割付けた場
合の構成を示すものである。これによると、フイ
ルターは全色光を透過するＷ、緑色光を透過する
Ｇ、赤色光を遮断するC_Y、青色光を透過するY_e
を用いて構成されるため、緑色光は色フイルタ全
面より透過され、先に述べた解像度の点で問題は
無く、各水平走査における信号の含む原色光は、
赤：緑：青＝１：２：１の割合となり、NTSCへ
の近似は良くなつている。しかし、この方式の場
合、色信号は各水平走査ことに（赤−青）信号と
（赤＋青）信号の２種の信号として順次得られ、
これを加減算することで、原色信号、すなわち赤
信号と青信号に分離するため、垂直方向の輝度変
化が色信号として表われる欠点を有する。

例えば、第４図でnH番目の水平ラインに白色
光がαレベルで入射し、 _o+1Ｈが同量の光が入射
した場合、各フイルタの原色光透過率を、 Ｗ……Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１ Ｇ……Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０：１：０ C_Y……Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０：１：１ Y_e……Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：１：０ （但しＲ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ青色光） すると、 _oＨでは Ｗ−Ｇ＝α−１／３α＝2α／３＝Ｒ＋Ｂ _o+1Ｈでは、 Y_e−C_Y＝２／３α−２／３α＝０＝Ｒ−Ｂ これより、（Ｒ＋Ｂ）−（Ｒ−Ｂ）＝2B＝2α／３ Ｂ＝α／３ 又、（Ｒ＋Ｂ）＋（Ｒ−Ｂ）＝2R＝2α／３ Ｒ＝α／３ となり、この信号量でホワイトバランスが取れて
いる。次に _oＨが黒レベル、 _o+1Ｈがαレベルで
あつた場合、同様にして、 Ｗ−Ｇ＝０＝Ｒ＋Ｂ Y_e−C_Y＝2α／３−2α／３＝０＝Ｒ−Ｂ これより、Ｒ＝０ Ｂ＝０ となり、２つの水平ラインでの輝度レベルが異る
場合は一致した場合と色信号量が異る。すなわ
ち、この場合、色成分が無くても、ホワイトバラ
ンスは崩れて着色してしまう。

以上述べた様に、従来の方式はいずれも欠点を
有し、満足ゆくものではない。

本発明は以上の状況に鑑み、水平方向に２画素
に色の繰り返しを有し、各水平ごとの分光特性の
平均値が一致し、又、連続する２つの水平走査に
よつて得られる撮像素子出力信号間での演算をす
ることなく、色信号が各水平走査から直接得ら
れ、又前記分光特性の平均値に含まれる各原色光
成分の割合が、NTSCの輝度信号に含まれる各原
色光成分の割合に良く一致をし、さらに緑色光を
フイルタ全面より透過する様にした色フイルタを
使用する単板カラー撮像装置を提供するものであ
る。

以下に本発明を図面を用いて実施例と共に説明
する。

第５図は本発明の色フイルタの配置を示すもの
で、全色光を透過するフイルタ（以下Ｗフイル
タ）５０５と、黄色光を透過するフイルタ（以下
Y_eフイルタ）５０６を配した第１のフイルタ５
０１と、緑色光を透過するフイルタ（以下Ｇフイ
ルタ）５０７と、シアン色光を透過するフイルタ
（以下C_Yフイルタ）５０８を配した第２のフイル
タ５０２と、Ｗフイルタ５０５とC_Yフイルタ５
０８を配した第３のフイルタ５０３と、Ｇフイル
タ５０７とY_eフイルタ５０６を配した第４のフ
イルタ５０４とによつて構成される。

第１のフイルタ、第２のフイルタ、第３のフイ
ルタ、第４のフイルタは、各々固体撮像素子上の
画素の上に配され、第１のフイルタ、第２のフイ
ルタは、第１の水平走査ラインにおいてくり返し
配され、第３のフイルタ、第４のフイルタは、第
２の水平走査ラインにおいてくり返し配される。
すなわち、目的とした水平方向に２画素の繰り返
しを有するフイルタとなつている。第１及び第２
の水平走査ライン上の配置は、垂直方向にくり返
される。当然のことながら、合成された第１〜第
４のフイルタと等価な特性を作る元の分光フイル
タとしては、Ｗ、Ｇ、Ye、Cyに限られるもので
はないが、実際に制作可能なフイルタであること
と説明上の明解さからここでは上記４色について
説明する。

ここで各フイルタの分光特性は第６図ａ，ｂに
示す。第６図ａの実線で示す（Ｗ＋Ye）特性は、
第１のフイルタ５０１の分光特性を、破線で示す
（Ｇ＋C_Y）特性は、第２のフイルタ５０２の分光
特性を示している。これより第１のフイルタ及び
第２のフイルタでの特性の異る点は斜線部で示さ
れる。このため、第１の水平走査ラインより得ら
れる信号は、第７図ａで示したスペクトル分布を
もつ。ここで、f_cは水平サンプリング周波数であ
る。すなわち、実線で示す緑(G)及び破線で示す青
(B)色光による信号は、第７図ａに示す様に、サン
プリング周波数の1/2までの帯域を有し、一点鎖
線で示す赤（Ｒ）信号は、同様に1/4までの帯域
と、サンプリング周波数の1/2をキヤリアとした
側波帯成分よりなつている。無論、実際には、各
フイルタ特性を合成するのに用いた元の分光特性
は、ここに示した様に理想的なものではない、透
過率の低下や波長に対する透過率の変動も考えら
れる。例えばＷの透過率が低下した場合、第７図
からも判るように、変調を受ける斜線の部分が、
Ｒ色光だけでなく、Ｇ、Ｂ色光に逆の極性で現わ
れる。すなわち変調される色信号成分は、Ｇ、Ｂ
との色差成分をいくらか含むことになる。しか
し、あとで述べるように最終的にここで得る原色
光成分Ｒは色差信号Ｒ−ＹすなわちＲとＧ、Ｂの
色差として用いるので、この様な点は同題とはな
らし、また変調を受ける主成分が原色光であるか
ぎり、各分光特性の変化は、発明の目的からはず
れない。そこで簡単のために以下では理想的な分
光特性で原色信号のみが変調されている場合につ
いて説明する。同様に第２の水平走査ラインより
得られる信号は、第７図ｂに示す様に、緑(G)及び
赤色光（Ｒ）による信号は、サンプリング周波数
の1/2までの帯域を有し、青色光(B)による信号は
同様に1/4までの帯域と、サンプリング周波数の
１／２をキヤリアとした側波帯成分から成つている。

すなわち、第１の水平走査による信号は、赤信
号のみが変調され、第２の水平走査による信号は
青信号のみが変調されていることを示す。これよ
り、サンプリング周波数の1/2で検波することに
より、第１の水平走査でＲ信号、第２の水平走査
で青信号を順次得られることが判る。

このように、２つの異なる水平走査による信号
間の演算を行うことなく、色信号が得られ、本発
明の目的であつた、各水平走査時の素子出力信号
から直接色信号が得られる点が満される。

又、NTSCにおける輝度信号に含まれる原色光
の割合は、赤：緑：青＝0.3：0.59：0.11で示され
る様に、緑成分が中心であるため、緑信号が輝度
を代表する。この緑信号については、第１の水平
走査、第２の水平走査について共に、サンプリン
グ周波数によつて決定される帯域限界までのびて
いる。

次に、第１と第２の各水平走査ラインより得ら
れる信号の和は、第６図ａ，ｂの“（Ｗ＋Y_e）＋
（C_Y＋Ｇ）”、“（Ｗ＋C_Y）＋（Ｇ＋Y_e）”に示す様に
、
共にＷ＋C_Y＋Ｇ＋Y_eの分光特性をもつため同じ
分光特性を有し、走査ラインごとの平均値バラツ
キは無い。すなわち、各水平ごとの分光の平均値
は、使用された元の４種フイルタが全て各水平ご
とに用いられているため原理的に一致し、各水平
ごとの分光の平均値が一致するという発明の目的
は常に満される。又、第７図ａ，ｂに示す様に、
サンプリング周波数の1/4以下における赤、緑、
青各原色光の割合は、赤：緑：青＝１：２：１の
比率であり、前記NTSC輝度信号に含まれる原色
光の割合に近づいている。

一般的な固体撮像素子の分光感度が短波長側で
減衰していることを考慮すれば一層NTSCへの近
似は良いものと考えられる。

次に信号処理の一例を第８図のブロツク図を参
照して説明する。又、第７図ａ，ｂを見ても明ら
かなように、各フイルタは全で緑色光を透過し、
本発明の目的であつたフイルタ全面で緑色光を過
透することは満されている。このように、４つの
異なる分光特性を組み合せた４つのフイルタを水
平方向に２画の繰り返しで垂直方向に２水平列の
くり返しで配した色フイルタは、従来の課題を全
て解決した色フイルタとなつている。

固体撮像素子よりの映像信号Ａは、LPF−Ｙ
８０１に送られる。LPF−Ｙは、サンプリング
周波数の1/2にｆ無限極をもつローパスフイルタ
で、これを介することで輝度信号Ｂを得る。

一方、サンプリング周波数の1/2に中心周波数
をもつ、バンドパスフイルタBPF８０３に送ら
れた撮像信号Ａは、色フイルタにより空間変調さ
れた色信号のみを通過させ、色信号を分離したの
ち同時化回路８０４に送られる。同時化回路８０
４は、1Hデイレライン８０５と1H切換え回路８
０６から成り、1Hごとに送られて来る。赤又は
青信号を1H分ずらした信号（D′）と原信号Ｄを
1Hごとに切り変え赤信号のみ(E)と、青信号のみ
(F)に分離する。分離された赤、青信号は同期検波
回路８０７，８０８で検波され、Ｒ信号(G)、Ｂ信
号(H)とされ、さらに、LPF−Ｃ８０９，８１０
で色の帯域に周波数制限されて後、減算器８１
１，８１２送られる。一方、LPF−Ｃ８０２に
送られた映像信号Ａは、色の帯域に制限された輝
度信号(C)とされて、減算器８１１，８１２へ送ら
れ、先に述べた色信号とで減算が行なわれ、２つ
の色差信号（赤−輝度）信号(J)と（青−輝度）信
号(K)となる。２つの色差信号(J)、(K)と先に述べた
輝度信号(B)とはエンコーダ８１３で複合カラー信
号（NTSC）として出力する。

本願発明の特徴である、使用する４種のフイル
タの内、２種の配置を隣接する２ライン上で水平
方向に入れ替わるように配置することによつて、
第１ラインと第２ラインの出力は一致し、各ライ
ンの出力を直接低減濾波して輝度信号としてもラ
インクロール等の問題を生ない。また、色信号を
各ラインから順次信号として得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はRGB方式のスペクトル分布を示す図、
第２図〜第４図は従来のフイルタ構成を示す図、
第５図は本発明のフイルタの一実施例を示す構成
図、第６図ａ，ｂは本発明のフイルタの分光特性
を示す図、第７図ａ，ｂは本発明によるスペクト
ル分布を示す図、第８図は本発明にかかる信号処
理回路の回路図である。 ５０１……第１の撮像要素、５０２……第２の
撮像要素、５０３……第３の撮像要素、５０４…
…第４の撮像要素、５０５……第１のフイルタ、
５０６……第２のフイルタ、５０７……第３のフ
イルタ、５０８……第４のフイルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の色光を透過する第１のフイルタと第２
   の色光を透過する第２のフイルタを、第１の画素
   上に配した第１の撮像要素と、第３の色光を透過
   する第３のフイルタと第４の色光を透過する第４
   のフイルタを第２の画素上に配した第２の撮像要
   素を水平走査方向に繰返し配した第１の水平画素
   列と、前記第１のフイルタと前記第４のフイルタ
   を第３の画素上に配した第３の撮像要素と、前記
   第２のフイルタと前記第３のフイルタを第４の画
   素上に配した第４の撮像要素を水平走査方向に繰
   返し配した第２の水平画素列とを有することを特
   徴とする固体カラー撮像装置。 ２ 第１の画素を等分割して第１と第２のフイル
   タが配され、第２の画素を等分割して第３と第４
   のフイルタが配され、第３の画素を等分割して前
   記第１と第４のフイルタが配され、第４の画素を
   等分割して前記第２と、第３のフイルタが配され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   固体カラー撮像装置。 ３ 第１のフイルタが全色光を透過するフイル
   タ、第２のフイルタが赤色光を遮断するフイル
   タ、第３のフイルタが緑色光を透過するフイル
   タ、第４のフイルタが青色光を遮断するフイルタ
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の固体カラー撮像装置。 ４ 第１のフイルタが青色光を遮断するフイル
   タ、第２のフイルタが全色光を透過するフイル
   タ、第３のフイルタが赤色光を遮断するフイル
   タ、第４のフイルタが緑色光を透過するフイルタ
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の固体カラー撮像装置。 ５ 第１の水平画素列から、走査によつて空間変
   調された第１の原色信号と輝度信号が取り出さ
   れ、第２の水平画素列から、走査によつて空間変
   調された第２の原色信号と輝度信号が取り出さ
   れ、前記第１と第２の原色信号と輝度信号より複
   合カラー信号が得られることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の固体カラー撮像装置。