JPH04200195A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、テレビジョン用カメラ等において用いられる
固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 最近、通常のテレビジョン・システムに比べて高画質の
得られる高品位テレビジョン・システムの開発が盛んで
ある。

こうした状況下、固体撮像素子たとえば電荷結合撮像素
子（以下、ＣＣＤ撮像素子）を用いたテレビジョン用カ
メラが広く実用化されている。この種の固体撮像装置は
、画像歪みや焼付き現象がなく低残像で、しかも小型、
軽量、低消費電力で扱い易い等の利煮を持っている。そ
して超ＬＳＩ技術の進展とともにＣＣＤ撮像素子の性能
は益々向上し、最近では高品位テレビジョン用素子の研
究、開発も着々と進んでいる。またそのＣＣＤ撮機素子
を用いた高品位テレビジョン用カメラの開発も同時に行
われている。但し、この高品位テレビジョン用カメラは
高砺格なため放送用途か主であり、一般産業用途として
の開発はほとんと行われていないのが現状である。

（発明か解決しようとする課題） ところで、このような高品位テレビジョン用カメラに上
記のＣＣＤ撮像素子を用いようとした場合法のような問
題が生じる。すなわち、高品位テレビジョン・システム
のスタジオ規格の一つとして、１フレーム当りの走査線
数１１２５本（有効１０３５本）、水平有効サンプル数
が１９２０、アスペクト比９（縦）：ｌＢ（横）、イン
ターレース比２：１、フィールド周波数６０Ｈｚ、ライ
ン周波数３３．７５ｋＨ’ｚ、映像信号帯域幅３０ＭＨ
ｚのものがあるか、これを満足するテレビジョン用カメ
ラをＣＣＤ撮像素子を用いて構成しようとした場合、垂
直方向に少なくとも有効走査線数に相当する１０３５画
素、水平方向に水平有効サンプル数に相当する１９２０
画素か必要となる。総画素数約２００万画素は、たとえ
ば光学サイスとして１インチ以上を採用すれば必すしも
実現不可能なわけてはない。しかし、光学サイズが１イ
ンチで２００万画素のＣＣＤ撮１象素子を無欠陥で製造
することは非常な困難か伴う。また光学サイズか大きく
なるということは、１枚のウェハから取れるＣＣＤ撮像
素子の数も減り、歩留り、量産性の観点からも好ましく
ない。さらにはＣＣＤ撮像素子の水平方向の駆動周波数
か７４．２５ＭＨｚと非常に高くなる等の回路技術上の
問題もててくる。

一方、高画質・化とともに低価格化か要求される一般産
業用途では、従来から使用されている２７３インチ光学
サイズのレンズをそのまま使いたいという要望が強い。

これは２／３インチに比して１インチ光学サイズのレン
ズの価格か約数倍〜数十倍と高価なためである。ところ
か、２／３インチ光学サイズで垂直１０３５画素を確保
しようとすると、垂直方向の１画素ピッチか約５μｍと
なってしまう。

ＣＣＤ撮像素子において、信号電荷の垂直方向への転送
は４相のパルスで行われることが多いが、撮像素子とし
てのダイナミックレンジ等の性能の劣化を起さずに５μ
謡の間に４電極を設けることは現在の微細化加工技術で
は不可能であるという問題がある。

以上のような理由により、これまで、ＣＣＤ撮像素子を
用い、かつ低価格で一般産業用途にも使える高品位テレ
ビジョン用カメラは実現されていなかった。しかしなが
らＣＣＤ撮像素子の持つ上記のような長所を考えると、
従来の量産レベルの技術により製造したＣＣＤ撮像素子
を用いて高品位テレビジョン用カメラを実現することか
強く望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためのもので、従来
の量産レベルの技術により製造した固体撮像素子を用い
て高品位の映像情報を得ることのできる固体撮像装置の
提供を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の固体撮像装置は上記した目的を達成するために
、二次元配列された複数の受光素子を有する４つの固体
撮像素子と、入射光から青色光成分及び赤色光成分を抽
出してそれぞれ前記４つの固体撮像素子のうちの第１の
固体撮像素子及び第２の固体撮像素子に導入するととも
に、入射光から緑色光成分を抽出してこれを第３の固体
撮像素子及び第４の固体撮像素子に導入する色分解光学
系とを備え、第３の固体撮像素子及び第４の固体撮像素
子は、互いに垂直方向及び水平方向に画素間隔の半分若
しくはほぼ半分すらして配置されてなる固体撮像装置に
おいて、第３の固体撮像素子及び第４の固体撮像素子か
らの２つの出力信号を１水平走査期間ごとにπ位相の関
係で組合せて１つの合成信号を生成し、かつ隣接するフ
ィニルド間で２つの合成信号を比較した場合、それぞれ
垂直方向にπ位相のずれを持つよう２つの出力信号を組
合せる信号合成手段を具備している。

（作　用） 本発明の固体撮像装置では、出力合成手段が、第３の固
体撮像素子及び第４の固体撮像素子からの各出力信号を
、１水平走査期間ごとにそれぞれπ位相の関係で組合せ
て１つの合成信号とし、しかも隣接するフィールド間で
２つの合成信号を比較した場合、それぞれ垂直方向にπ
位相のずれを持つよう各出力信号を組合せる。

これにより、固体撮像素子の垂直方向の受光素子数の２
倍の走査線数を得ることかでき、従来の量産レベルの技
術により製造した固体撮像素子を用いて高品位の映像情
報を得ることか可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る一実施例の固体撮像装置における
信号処理回路の構成を示すブロック図である。

同図に示すように、撮像レンズ１１を介して入射された
光学像は、近赤外領域の透過率か低い分光特性調整フィ
ルタ１２及び光学的低域通過フィルタ１３を通過して４
枚のプリズム１４〜１７から構成される色分解光学系に
入光する。ここで、ますＢ（青）色光は、色分解光学系
の第１のプリズム１４と第２のプリズム１５との境界面
で反射し、さらに第１のプリズＬ、１４の表面で再び反
射して第１のＣＣＤ撮像素子１８の感光面上に結像され
る。次にＲ（赤）色光は、第２のプリズム１５と第３の
プリズム１６との境界面で反射し、さらに第２のプリズ
ム１５と第１のプリズム１４との境界面で反射して第２
のＣＣＤ撮像素子１９の感光面上に結像される。次いて
Ｇ（緑）色光は、その半分が第３のプリズム１６と第４
のプリズム１７との境界面で反射し、さらに第３のプリ
ズム１６と第２のプリズム１５との境界面で反射して第
３のＣＣＤ撮像素子２０の感光面上に結像される。最後
にこれら色分解光学系を透過した０色光の残りの半分は
、第４のＣＣＤ撮像素子２１の感光面上に結像される。

各ＣＣＤ撮像素子１８〜２１は、それぞれ駆動回路２２
により駆動され、受光した光情報を電気信号に変換する
。駆動回路２２はパルス発生回路２３からのパルスによ
り作動している。

ところで、これらＣＣＤ撮像素子１８〜２１のアスペク
ト比は９（縦）二１６（ｉ）で、たとえば垂直方向に５
１８画素、水平方向に１２５７２５７画素してなってい
る。したがって光学サイズが２７３インチ、５．４ｍｍ
　　（縦）　ｘ９．６μｍ１ｍ　　（横）のとき、１画
素ピッチは約１０．４μｍ　（縦）　Ｘ７．６４μｍ　
（横）となり、現在の量産レベルの微細化加工技術で対
応できる大きさである。

第２図にこのＣＣＤ撮像素子１８〜２１の概略的な構成
を示す。

同図において、５１は垂直方向に配列された垂直転送Ｃ
ＣＤ、５２は各垂直転送ＣＣＤ５１と１対１に対応付け
られた受光素子、５３は水平転送ＣＣＤを示している。

各垂直転送ＣＣＤ５１はそれぞれ３つの電極部５１ａ、
５１ｂ、５１ｃに分割されている。

ここで、ある垂直転送ＣＣＤ５１の各電極部５１ａ、５
１ｂ、５１ｃに端子を通じて３相の垂直転送パルスが加
えられると、垂直ブランキング期間を利用して受光素子
５２に蓄えられた信号電荷は垂直転送ＣＣＤ５１へ読出
され、さらに水平ブランキング期間を利用して垂直方向
に次々と転送されて行く。そして最終段の垂直転送ＣＣ
Ｄ５１まで転送された信号電荷は、水平ブランキング期
間で水平転送ＣＣＤ５３に移される。その後、この水平
転送ＣＣＤ　５３にＺ、７　Ｌ　２相の水平転送パルス
が加えられることにより、水平転送ＣＣＤ５３に保持さ
れた信号電荷は高速で水平転送され出力部５３ａから読
出される。なお、この動作における垂直転送周波数は３
３．７５ｋＨｚ、水平転送周波数は４８．６ＭＨｚであ
る。

このＣＣＤ撮像素子１８〜２１の垂直方向の受光素子数
（５１８）は高品位テレビジョンの有効走査線数ＩＯ３
５本の約半分であるか、すべての受光素子の信号電荷は
各フィールド走査ごとに読出されることによって必要な
数の信号を得ている。

第３図はＧ色光成分を受光する第３及び第４のＣＣＤ撮
像素子２０．２１の画素位置の関係を示す図である。

同図において、Ｇ１は第３のＣＣＤ撮像素子２０の画素
位置を示し、Ｇ２は第４のＣＣＤ撮像素子２１の画素位
置を示している。このように第３及び第４のＣＣＤｍ像
素子２０．２１の各画素は垂直方向において画素ピッチ
ｙＯの半分たけ互いにずらして配置されており、かつ水
平方向において画素ピッチＸＯの半分だけ互いにずらし
て配置されている。

第３及び第４のＣＣＤ撮像素子２０．２１より出力され
た信号はそれぞれ前置増幅器２４．２５で所定のレベル
まで増幅された後、信号合成手段である切換回路２８に
入力される。切換回路２８は駆動回路２２からの駆動パ
ルスに基づいて２つの出力信号を次のように組合わせて
出力する。

すなわち、切換回路２８は、Ａフィールドではそれぞれ
垂直方向に隣接する（Ｎ）ＧＬと（Ｎ）Ｇ２との組合せ
、（Ｎ＋１）Ｇｌと（Ｎ＋１）Ｇ２との組合せといった
合成信号を生成し、ＢフィールドではＡフィールドの場
合と垂直方向にπ位相異なる（Ｎ）Ｇｌと（Ｎ＋１）Ｇ
２との組合せ、（Ｎ＋１）Ｇｌと（Ｎ＋２）Ｇ２との組
合せといった合成信号を生成する。

第４図及び第５図はそれぞれ切換回路２８の構成及び切
換えタイミングを示す図である。

これらの図に示すように、切換回路２８は、第１及び第
２のサンプル・ホールド回路（以下、Ｓ／Ｈ回路と称す
。）６１．６２と、ケート回路６３とから構成されてい
る。すなわち、第１及び第２の前置増幅器２４．２５の
出力はそれぞれＳ／Ｈ回路６１．６２てサンプル・ホー
ルトされた後、ケート回路６３に与えられ、このケート
回路６３で互いにπ位相の関係で組合せて１つの出力信
号となる。

この結果、第３及び第４のＣＣＤ撮像素子２０．２１の
垂直方向の受光素子数が高品位テレビジョンの有効走査
線数の約半分であるにも拘らず、２：１のインターレー
スを満足することになる。

また水平方向については、第３及び第４のＣＣＤ撮像素
子２０．２１の水平方向の画素ずらし効果により、実効
的に１２５７Ｘ　　２−２５１４画素という２倍相当の
情報が得られることになる。この場合、水平方向のナイ
キスト限界は４８．６ＭＨｚとなり、水平限界解像度に
換算すると約１４００ＴＶ本の高解像度となる。

その後、切換回路２８から得られたＧ信号の一部は、遮
断周波数か３０ＭＨｚの第１のローパスフィルタ（以下
、ＬＰＦと称す。）３１を介して第１のプロセス回路３
３に供給されて広帯域のＧｗ倍信号なり、減算回路３７
及び８力端子４ｏに出力される。一方、その他の６信号
は遮断周波数が２０ＭＨｚの第２のＬＰＦＢ２及び第２
のプロセス回路３４を経て狭帯域のＧｎ信号となって減
算回路３７に出力される。その後、減算回路３７にて広
帯域のＧｗ倍信号狭帯域のＧｎ信号との減算処理が行わ
れ、その結果、広帯域のＧｗ倍信号うち、２０Ｍ）ｌｚ
から３０ＭＨｚの高域成分だけを残した（　Ｇ　ｗ−Ｇ
ｎ）信号を得て、第１及び第２の加算回路３８．３９に
加えられる。

一方、Ｂ色光及びＲ色晃を受光する第１及び第２のＣＣ
Ｄ撮像素子１８．１９の空間的配置は第４のＣＣＤ撮像
素子２１と同しであり、また転送周波数についても第３
及び第４のＣＣＤ撮像素子２０．２１と同様、垂直方向
は３’３．７５’ｋＨｚ、水平方向は４８．６ＭＨｚで
ある。なお、これらのＣＣＤ撮像素子１８．１９の垂直
方向の受光素子数は、高品位テレビジョンの規格の有効
走査線数の半分であるため、各ＣＣＤ撮像素子１８．１
９がらはＡ。

Ｂ両フィールドでインターレースされていない同一の信
号を得るようにしている。これらＲ，Ｂ信号は、それぞ
れ第３及び第４の前置増幅器２６．２７にて所定のレベ
ルに増幅された後、遮断周波数が２０ＭＨｚの第３及び
第４のＬＰＦ２９．３ｏを介して第３及び第４のプロセ
ス回路３５．３６に入力されて、狭帯域のＲｎ信号及び
Ｂｎ信号となる。

このようにして得られたＲｎ信号及びＢｎ信号は、垂直
、水平解像度の双方に関して前述のＧｗ倍信号それらよ
り劣っているが、これらＲｎ信号、Ｂｎ信号は最終的な
広帯域のＲｗ倍信号Ｂｗ倍信号うちの２０ＭＨｚ以下の
成分てあり、人間の視覚の分解能特性よりＧ信号に比較
するとＲ，Ｂ信号は幾分帯域が狭くてもよいので、実際
にはほとんど問題とはならない。

この後、Ｒｎ信号、Ｂｎ信号は、第１及び第２の加算回
路３８．３９においてそれぞれ２０ＭＨｚ以上の高域成
分のみを持つ（Ｇｗ−Ｇｎ）信号と加算され、高帯域の
Ｒｗ倍信号びＢｗ倍信号なって出力端子４１．４２に導
出される。

かくしてこの実施例によれば、２／３インチ光学サイズ
で垂直５１８画素、水平１２５７画素という従来の量産
レベルの微細化加工技術で製造できるＣＣＤ撮像素子を
用いて、垂直方向において高品位テレビジョンの有効走
査線数１０３５本を満足し、水平方向においても約１０
００Ｔ　Ｖ本以上の高解像度を持つ固体撮像装置を実現
できる。

したがって、従来はＣＣＤ撮像素子の画素数か非常に多
くなることによる感度等の特性の劣化や歩留りに関する
問題点、またＣＣＤ撮像素子の駆動周波数が非常に高く
なる（７４．２５ＭＨ２）という回路上の問題点、さら
には１インチ光学サイズのために光学系全体の形状か大
きくなり、高価なものになるという問題点等により困難
とされていた、２／３インチ光学サイズのＣＣＤ撮像素
子を用いた高品位カラーテレビジョン用カメラの実現か
可能となる。

また本実施例の固体撮像装置は、撮像素子としてＣＣＤ
撮像素子を採用したので、画像歪みゃ焼付きかなく低残
像であって、さらに低消費電力、小型、軽量で扱い易い
等の利点を持っていることは勿論であり、加えて従来の
撮像管を利用した高品位カラーテレビジョン用カメラで
問題となっていた経時変化によるレジストレーションの
再調整か不必要になるという大きな利点を有している。

なお、上記の実施例では、ＣＣＤ撮像素子の垂直方向の
受光素子数の不足を、２つのＧ色光受光用のＣＣＤ撮像
素子がらの信号読出しの組合せをフィールドごとに切換
えることで補ったが、本発明はこれに限るものではない
。

たとえば、第３図において、Ａ、８両フィールドとも信
号読出しの組合せを（（Ｎ）ＧＬ　、（Ｎ）Ｇ２　）、
（（Ｎ＋１）Ｇｌ　、（Ｎｉｌ）Ｇ２　）、（（Ｎ＋２
）Ｇｌ　、（Ｎ＋２）Ｇ２　）といったように同しにし
て、切換回路２８を次のように構成すればよい。すなわ
ち、第６図に示すように、第１の前置増幅器２４と第１
のＳ／Ｈ回路６１との間に、１水平走査期間遅延線（Ｉ
Ｈ遅延線として図示）６４とスイッチ回路６５を介挿し
て、Ａフィールドでは遅延されていない信号をＳ／Ｈ回
路６１に導入し、ＢフィールドではＩＨ遅延された信号
をＳ／Ｈ回路６１に導入することにより、Ｂフィールド
で先の実施例と同様、（（Ｎ）Ｇｌ　、　（Ｎｉｌ）Ｇ
２＞、（（Ｎ＋１）Ｇｌ　、（Ｎ＋２）Ｇ２　）、（（
Ｎ＋２）Ｇｌ　、（Ｎ＋３）Ｇ２　）といった信号の組
合せを得ることかできる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の固体撮像装置によれば、固
体撮像素子の垂直方向の受光素子数の２倍の走査線数を
得ることかでき、従来の量産レベルの技術により製造し
た固体撮像素子を用いて高品位の映像情報を得ることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の固体撮像装置における
信号処理回路の構成を示すブロック図、第２図は第１図
におけるＣＣＤ撮像素子の構成を示す図、第３図は第１
図においてＧ色光成分を受光する第３及び第４のＣＣＤ
撮像素子の各画素位置の関係を示す図、第４図は第１図
における切換回路の構成を示すブロック図、第５図は第
４図の切換回路の切換えタイミングを示す図、第６図は
本発明の他の実施例を説明するためのブロック図である
。 １４〜１７・・・色分解光学系（プリズム）１８〜２１
・・・ＣＣＤ撮像素子 ２８・・・切換回路 出願人　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　須　山　佐　− （＠＋ｍａヅＱＱＯＧＷ智便ｇ） α汀マーミ！ く凶−ミヱ ＨｎＳ／ＨＭｌ１６＋ｌｎｌ力　　（ｎ）に１　　（ｎ
＋１）に１　　（ｎ＋２）Ｇ１第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 二次元配列された複数の受光素子を有する４つの固体撮
   像素子と、入射光から青色光成分及び赤色光成分を抽出
   してそれぞれ前記４つの固体撮像素子のうちの第１の固
   体撮像素子及び第２の固体撮像素子に導入するとともに
   、入射光から緑色光成分を抽出してこれを第３の固体撮
   像素子及び第４の固体撮像素子に導入する色分解光学系
   とを備え、前記第３の固体撮像素子及び第４の固体撮像
   素子は、互いに垂直方向及び水平方向に画素間隔の半分
   若しくはほぼ半分ずらして配置されてなる固体撮像装置
   において、 前記第３の固体撮像素子及び第４の固体撮像素子からの
   ２つの出力信号を１水平走査期間ごとにπ位相の関係で
   組合せて１つの合成信号を生成し、かつ隣接するフィー
   ルド間で２つの合成信号を比較した場合、それぞれ垂直
   方向にπ位相のずれを持つよう前記２つの出力信号を組
   合せる信号合成手段を具備することを特徴とする固体撮
   像装置。