JPS58142688A - カラ−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】 本発明は、単一の固体撮像素子を使用してカラー画像を
得る単板式カラー固体撮像装置の構成に関するものであ
る。

周知の」：うに、固体撮像素子としては、電荷転送素子
のＣＯＤ　（チャージカプルドデバイス）型もしくはＢ
ＢＤ（バケソトブリゲードデバイス）型と、Ｘ−Ｙアド
レス素子のＭＯＳ型のものがあるが、このうちＭＯ３Ｏ
３型固体撮像素子垂直と水平のシフトレジスタによりＭ
Ｏ３型トランジスタを順次スイッチングさせて信号を読
み出しているため、特に水平走査によるスイッチングパ
ルスによるスパイクノイズが発生し、しかも画素数が増
加する程、信号に対してこのスパイクノイズが増加して
画質のＳＮ比を制限させている。

しかしながら、ＸＹアドレス型の固体撮像素子は、画素
からの信号電荷をアドレスして読み出すため、隣接する
爪１ａ方向での信号電荷のクロストークはなく、第１図
に示すようなモザイク状色フィルタを使用し、垂直相関
を利用してカラー信号を得るカラ一方式には適している
。なお、第１図において点線で示す部分は受光部のフォ
トダイオードであり、実線は色フィルタ素子を示してぃ
る。

壕だ、ＣＯＤには内部構造により、受光部の信号電荷を
フレーム毎に蓄積部に高速で転送し、この蓄積部から水
平転送段を通して順次読み出すフレームトランスファ方
式と、フォトダイオードの信号電荷を縦ライン毎に独立
した垂直転送ラインに読み出し、水平走査期間毎にこの
信号電荷を水平転送段に転送し、この水平転送段から順
次直列信号として敗り出すインターライン方式とがある
が、前者のフレームトランスファ方式の場合は、チャン
ネルストッパーが縦方向にしか存在しないだめ、隣接す
る垂直方向では信号電荷のクロストークを生じ、垂直相
関を利用してカラー信号を分離するカラ一方式は不可能
であり、第２図に示すようなＲｌＧ、Ｈのストライプ色
フィルタを使用して、クロストークがあっても混色が生
じないカラ一方式とする必要がある。しかし、この方式
では、色フィルタの繰り返しが３個毎になるだめ、輝度
信号の帯域が広く暇れない欠点がある。

また、第３図に示すようなカラ一方式ではＲｏＧ。

Ｂの色フィルタを１水平走査毎に反転して色フィルタに
よる空間変調成分を垂直相関を用いてキャンセルするこ
とができるので、輝度信号の帯域の低下はないが、垂直
方向での信号電荷のクロストークが混色となって生じる
。

また、インターライン方式の場合は、受光部であるフォ
トダイオードは各々分離して存在するため、第１図のモ
ザイク状色フィルタを使用することも可能ではあるが、
垂直転送段の転送効率が１００％でないため、敗り残し
成分による混色が生じていた。

そこで、本発明は以上のような従来問題点を解決し、固
体撮像素子の垂直転送段における非転送効率の画質に対
する影響をなくし、かつ水平方向の画素数に対する水子
解像度の低下を招かなす光利用率の高いカラー固体撮像
装置を提供することを目的とするものである。

以下、本発明の実施例によるカラー固体撮像装置につい
て、第４図〜第１３図を用いて説明する。

第４図は本発明一実施例のカラー固体撮像装置の構成要
素の一つでランる呼び水転送型固体撮像素子の構造を示
すものであり、図において、１け固体撮像素子、礼（２
ａ、２ｂ、２ｃ　　・・・）は受光部であるフォトダイ
オードである。通常、このフォトダイオード２はＰＮ接
合により形成されており、このフォトダイオード２の中
心は隣接する垂直方向に対してインターリーブするよう
に千鳥状に配置されている。

３、（３ａ、３ｂ、３ｃ・・・・）は垂直信号線であり
、フォトダイオード２とこの垂直信号線３との接続関係
は、第４図に示すように１水平ラインの７Ａトダイオー
ドごとに交互の垂直信号線３に接続されている。すなわ
ち、第４図の第１の水平ラインの７．ｉトダイオード２
ａは垂直信号線３ａに、第２の水平ラインのフォトダイ
オード２ｂは垂直信号線３ｂに、というように、各々垂
直スイッチング用のＭｏ３−ＦＥＴ４．（４ａ　、４ｂ
　、４ｃｍ・・・）を介して接続されている。

５は垂直ンフトレジスタであり、この垂直シフトレジス
タは垂直走査パルスφｓＰとクロックパルスφＶ１１φ
■２の入力端子を有し、垂直シフトレジスタ６の各段ご
との出力端は垂直アドレス線６．（６ａ　、　６　ｂ　
、　６　ｃ　−−＝　）を介してＭｏ８−ＦＥＴ４の１
水平ラインのゲートに共通に接続されている０ 丑だ、垂直信号線３の一端は転送用ＭＯＦ−ＦＥＴ７　
＋　（７ａ　＋了ｂ　、　７　ｃ−・＝　、　７ａ’　
、７ｂ’　、７ｃ’・−・−・）のソースに接続されて
いる。このＭｏ１−ＦＥＴ７のゲートは各々共通に接続
され、転送パルス入力線（φＴＧ）となる。転送用ＭＯ
３−ＦＥＴ７のドレイン部には、それぞれ他端を共通に
して転送パルス入力線（φＴＣ）を形成する転送用容量
素子８、（８ａ　、　８　ｂ　、　８　ｃ　−−−、８
ａ’　、ｓｂ’　、８ｄ　・−−−−・）が接続されて
いる。ここで、転送用容量素子８の容量は垂直信号線３
の容量よりも充分に小さい。

転送用容量素子８に隣接して転送ゲート９（９ａ、　９
　ｂ　、　９　ｃ・−、９ａ’　、９ｂ’　、９ｃ’−
・＝　）が設けられ、そノ１らのゲートを共通接続して
転送用ゲート入力線（φＴＢ）が形成される。この転送
用ゲート９にｌｓＩｌｌｌｍして電荷結合型水ｊｌｌシ
フトレジスタ（以後水平ＣＣＤと略称する）　１０．（
１０ａ　、　１６ａ’）が配置され、その水平方向の一
端し１、信月出力部１１゜（１１ａ、１１ｂ’）へ接続
されテイル。

呼び水転送型固体撮像素子の詳細についてＣＩ、特願昭
５４−１３５５９０号に述べらｒ７ているので、゛ここ
では簡単な説明にとどめる。

１垂直期間の間に被写体からの入射光によりフォトダイ
オード２には信号電荷が蓄積される。垂直シフトレジス
タ５から発生した垂直走査パルスを垂直スイッチ用Ｂ／
１０ｓ−ＦＥＴ４のゲートＶ（加えて、フォトダイオー
ド２に蓄積された信号電荷を垂直信号線３上に移す。次
にφＴＧ、φＴＣに電圧を印加して垂直信号線上３に移
された信号電荷を転送用容量素子８に転送する。転送用
容量素子８に転送された信号電荷は転送用ゲート９に電
圧を印加することにより水平ＣＣＤ１ｏへ転送する。

そして、水ｖ！−ＣＣＤ１０へ転送された信号電荷は適
当な転送りロックにより、１水平走査期間中に信号出力
部１１へ転送され読み出さＪする。この水平転送のクロ
ック周波数はフォトダイオード２が１つの水平ラインに
配列されている数により決まり、３８４個の場合は約乙
２ＭＨｚとなる。

本装置の構成要素の一つである固体撮像素子は上記のよ
うな動作原理に基づくものであるが、更に１水平走査期
間に同時に複数の水平ラインの信号を読み出すことを特
徴とする。

すなわち、第１フイールドの第ｎＨ目の水平走査におい
ては第４図に示すａとｂの２つの水平ラインの信号を、
第１フイールドの第（ｎ＋１）Ｈ目の水平走査において
は、Ｃとｄの２つの水平ラインの信号を読み出し、第２
フイールドの第ｎＨ目の水平走査においてｄ、ｂとＣの
２つの水平ラインの信号を、第２フイールドの第（ｎ＋
ＩＨ）目の水平走査においてはｄと次に続く水平ライン
（図示せず）の信号を同時に読み出す。

また、前述の呼び水転送段においては、大きい容量の垂
直信号線から小さな容量への電荷転送はＢＢＤ（バケツ
リレー型）転送によるために、１００％の転送効率が得
られず、非転送分の信号電荷が存在し、垂直方向におけ
る信号電荷のクロストークが存在する。この信号電荷に
よるクロストークは第４図におけるフォトダイオード２
ａと２Ｃという垂直方向の隣接した走査線において強く
発生する。

第６図は本装置の構成要素の一つである色フィルタを示
す図である。

第６図において、点線で示す四角形は第４図に示したフ
ォトダイオード２．（２ａ　、２ｂ　、２ｃ・・・・・
・）を模式的に示しており、このフォトダイオード２に
対応させて、シアン（Ｃｙ）フィルタ１２、黄（Ｙｅ）
フィルタ１３、透明（Ｗ）フィルタ１４を順次繰り返し
て配置している。

このようなフォトダイオード２と色フィルタとの配列構
成にすると、第ｎＨ目　の水平走査では、水平〇ＣＤ１
１ａの出力端子からはフォトダイオード（２ａ　、　２
ａ’　、２ａ“・・・・・・）の出力信号、すなわちＣ
ｙ、Ｗ、Ｙｅフィルタにより空間変調された信号が得ら
れ、水平ＣＣＤ　１１　ａ’の出力端子からはフォトダ
イオード（２ｂ、２ｋｉ、２ｂ＃・・・・・・）の出力
信号、すなわちＹｅ、Ｃｙ、Ｗフィルタにより空間変調
された信号が得られる。

第５図に示したフォトダイオードと色フィルタの構成を
第４図の固体撮像素子に応用して固体撮像素子を動作さ
せる場合、第４図に示しだ水平ラインａ、ｂのフォトダ
イオードの信号電荷は、呼び水転送段を介して水平ＣＣ
Ｄ１０ａ、１０ａ′に同時に転送されるが、２つの水平
ＣＣＤの動作に位相差を持たせて動作さぜる。す々わち
、水平ＣＣＤの出力信号は点順次に出力端子に現われる
が、水平ＣＣＤ　１０　ａ’の出力信号群は前記水平Ｃ
ＣＤ１０ａ　の出力信号群と１８００の位相を持たせて
得られるように水平ＣＯＤへ印加する転送パルスの位相
を異々らせて水平ＣＣＤを動作させた場合の水）Ｖ−ｃ
　ＣＤ　１０ａ　、　１０ａ’　　の出力信号の相対的
な位相と分光特性を第６図に示す。

第６図においてＡは水平ＣＣＤ１０ａすなわちフォトダ
イオード２ａ、２ａ’、２ａ“・・・・・　の出力信号
、Ｂは水平ＣＣＤ１０ｂすなわちフォトダイオード２　
ｂ　、　２ｂ’　、２ｂ″・・・・・・の出力信号をそ
れぞれ模式的に示したものである。

第６図において信号と信号の時間間が＜ｄ［ン（ｆ ｆ：水平転送りロック周波数）であり、前述の方法によ
り、Ａ、Ｈの各信号相互には１８ｏＯの位相差が存在す
る。寸だ赤信号をＲ１緑信弓をＧ、青信号をＢとすれば
、 Ｃｙ＝（Ｇ＋Ｂ　）　、Ｗ＝（Ｒ＋Ｇ＋−Ｂ　）　、Ｙ
ｅ＝（Ｒ−＋−Ｇ）であるだめ各フォトダイオードから
の出力（ｒ’ｉ弓の分光特性は第６図Ａ、Ｂのようにな
る。

第７図Ａ、Ｂは第６図Ａ、Ｈに示した信り列のスペクト
ル分布を示す図である。周波数、ｒ　ｉｌｌ：水平転送
りロック周波数であり、Ｇ信号は全てのフォトダイオー
ドの出力信号に含まれているために、その帯域は１／２
ｆまで存在し、Ｒ及びＢ信号によるカラーキャリアはＩ
Ａｆの周波数近傍に発生する。

またこのときのカラーキャリアの位相は、第８図Ａ、Ｈ
に示すようＶＣ１８００異な〕でいる。

したがって、水平ＣＣＤ　１０．、ａ、　１０ａ’の出
力信号を加算すれば、前記’Ａｆの周波数近傍に存在す
るカラーキャリアは相殺される。さらに加算することに
より第９図に示すような信号、すなわち、水平方向のツ
ーＡ１−ダイオードの数が等制約に２倍となるため、実
質的に水平方向のザンプリング周波数が２倍となった事
に等しくなる。第９図に示した信号列のスペクトル分布
を第１０図に示す。

第９図及び第１０図から明らかなように、水平ＣＣＤ　
１０　ａ　、　１０ａ’の出力信号を加算すれば、水平
転送りロック周波数のＶ３ｆ近傍のカラーキャリアが相
殺きれ、かつ輝度信号にとって最も重要なＧ信号の帯域
は水平転送りロック周波数ｆの近傍１で得ら、ｆ′する
。しかしながら水平転送りロック周波数ｆのへの近傍に
Ｒ，Ｂ信号のカラーキャリアが発生するため、実際の輝
度信号の帯域は前記カラーキャリアの７こめに’ｑｆ＝
１でに制限される。しかしながら、このイｆという値の
２倍に相当するため、水平解像度は大幅に改善される。

以上の説明は第６図における第ｎＨ目すなわち、ａ、ｂ
の水平ラインについて説明を行なったが第（ｎ　４−１
　）Ｈ目すなわちｃ、ｄの水平ラインについても全く同
様である。さらに第２フイールドの第ｎＨ目すなわぢす
、ｃの水平ラインについても全く同様である。

次に本発明一実施例のカラー固体撮像装置の電気信号処
理回路を第１１図に示して説明する。第１１図において
、１６０、固体撮像素子であり、前述のような構造とし
色フィルタを接着したＩｉ）のである。１６は同期信号
発生器であり、原発振周波数は３，５８ＭＨｚの４倍の
周波数を使用し／こものが便利である。この同期信号発
生器１６からパルスφｓＰ、φＶ１＋φＶ２１φＴＧ、
φＴｃ、φＴＢ等の固体撮像素子１５の駆動信号を駆動
回路１７で作り、固体撮像素子１５に供給する。固体撮
像素子１５の２つの出力信号は、加算器１８に供給され
て加算され、その加算器の出力信号は極周波数イｆのロ
ーパスフィルタ１９に供給され、不要な高域成分を除去
した後、エンコーダ２０に供給される。

一方、色信号についてｒ］−１固体撮像素子の２つの出
力信号をサンプリング回路２１へ供給し、Ｃｙ、Ｗ、Ｙ
ｅの各信号にザングリング分離し、ザンブリング分離さ
れた信号は帯域０　、５　Ｍ’、Ｈｚのローパスフィル
タ２２．２３．２４に供給され不要４：高域成分を除去
した後、減算器２５．２６に供給しＲ信号、Ｂ信号を得
、前記Ｌ　Ｂ、Ｗ信号をエンコーダ２ｏに供給し、前述
の輝度信号とともに、複合カラー信号を得る。

この具体例では、固体撮像素子のフォトダイオードの配
列位置と出力信号の時間関係を合せるために、水平ＣＣ
Ｄに印加する水平転送りロックパルスのタイミングに位
相差を持たせたが、水平Ｃ０Ｄ１１８′の出力信号を遅
延時間％ｆ（ｆ：水平転送りロック周波数）の遅延線を
通すことによってもよく、１／こ水平ＣＣＤ１０ａ’と
出力部１１ａ′の間を水平ＣＣＤ１０ａと出力部１１ａ
に比べて十ビット分増加させてもよい。

また、本装置では、第１２図に示すように固体撮像素子
の受光部がｔ）１にＰＮ接合によるフォトダイオードだ
けでなく、光電変換膜を積層して、受光部の有効面積を
広くした場合の色フイルタ構成の場合についても応用で
きる。

第１２図において、２０ａ　、２０ａ’　、２０ａ”・
・・・・・、２０ｂ　、２０ｂ’　、２０ｂ“及び２０
ａ　、　２０ｃ’　。

２０　ｃ“・・・・　は第５図は２ａ、２ａ’、２ａ“
・・・・２ｂ　、　２ｂ’　　、２ｂ″−−２０、２Ｃ
’　　、２Ｃ“・・・・・に対応したＰＮ接合のフォト
ダイオード、２１ｄ。

２ｉ　＆’、　　２１　ａ”−−？１　ｂ　、　２１　
ｂ’、　２１　ｂ”、−、、、。

２１Ｇ、２ＩＣ’、２１Ｃ“・・・・・はフォトダイオ
ード２０ａ　、２０ａ’　、２０ａ“、、・−・、２０
ｂ　、２０ｂ’。

２０ｂ“　・・、２０ｃ　、２０ｃ’、２０ａ“　と電
気的に接続された光電変換膜でこれらの光電変換膜２１
　ａ、２１　ａ’　、２１ａ″・・・・・−２１ｂ、２
１　ｂ’。

２１ｂ“・・・・　２１　ｃ　、２１　ｃ’　、２１　
ｃ“　に接着されてＣｙフィルタ、Ｗフィルタ、Ｙｅフ
ィルタが設置されている。

この場合には、前述の第６図のようなストライブ状色フ
ィルタとは々らずにモザイク状色フィルタとなるが、有
効な受光面積が広くなるため、ＰＮ接合のフォトダイオ
ードのみの場合に比へて大幅に感度を向上させることが
できる。

このようなモザイク状色フィルタと受光部との組み合せ
においても本発明は適応できることはいう沓でもない。

史に、本発明では固体撮像素子として、複数の水平ライ
ンの信号を同時に読み出せる呼び水転送型固体撮像素子
として説明したが、基本的に複数の水平ラインの信号を
同時に読み出せる構造のＭＯ３型固体撮像素子とした場
合にも適応できる。

第１３図は前記の複数の水平ラインの信号を同時に読み
出すことが可能なＭＯ８型固体撮像素子の概念図である
。

第１３図において、２２ａ　、２２ａ’　、２２ａ“・
・・・　、２２ｂ　、２２ｂ’　、２２ｂ“・・・・２
２ｃ、２２ｃ’、２２ｃ’　　は前述の第６図に示した
各フォトダイオードと色フィルタ素工を組み合せた受光
素子エレメント、６は垂直シフトレジスタ、３ａ、３ｂ
、３ｃ・・・・・・は垂直信号線、２３け水平シフトレ
ジスタ、２４ａ　、２４ｂ　、２４Ｇは水平信号線であ
る。説明を簡単にするため垂直スイッチ用及び水平スイ
ッチ用ＭＯ３Ｔは図示していない。ここで重要な点は、
垂直シフトレジスタにより、同時に２つの水平ラインの
信号（前述の如く、ａとｂの水モライン、Ｃとｄの水平
ラインというように）が同時に読み出され、かつ、垂直
信号線３ａ、３ｂ、３ｃ・・・・・・ｉｔそれぞれ水）
１４信号線２４ａ、２４ｂ、２４Ｃに１１ｂ次接続され
ている点である。このような結線を行えば水平信号線２
４ａからはｃｙ信号、２４ｂからはＹｅ倍信号２４ｃか
らＣＬＷ信月の各信号を分離して得られるため、第１１
図で示したサンプリング回路２１は不要となるため、信
号処理回路は簡単になる。

以上のように本発明のカラー固体撮像装置によれば次の
ような効果を得ることができる。

１　複数の水平ラインの信号を同時に読み出し、その信
号を加算して輝度信号を得るため１水牢ラインの画素数
による帯域よりも広い帯域の輝度信号が得られる。

２１つの垂直信号線に別の色信号成分が読み込捷れるこ
とはないので、垂直転送段の非転送効率による信号の取
り残し成分があっても混色を生じない。

３　各水平ラインで同じ種類の色フィルタを使用してい
るので、ライン濃淡やフリッカが１１じない。

４　　Ｗ　、　Ｃｙ　、　Ｙｅのような３色フィルタで
空間変調さぜるためＧ成分は全ての画素で得られ、輝度
信号が容易に得られ、したがって信号処理回路が簡単に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図１１−Ｊ：それぞれ従来のカラ
ー固体撮像装置における色フィルタを説明するだめの正
面図、第４図は本発明の一実施例ｒ（おけるカラー固体
撮像装置において用いる複数の水平ラインの信号を同時
に読み出す構成の固体撮像素子の回路図、第５図は同装
置に用いる色フィルタとフォトダイオードの関係を示す
正面図、第６図へ、Ｂは第５図中のａ、ｂのラインの水
平走査により得られた出力信号を示す模式図、第７１ｉ
Ａ、Ｂは第６図の各信号のスペクトル図、第８図Ａ、Ｂ
は第６図の各信号のカラーギヤリアの位相を示すベクト
ル図、第９図は第６図の各信号を加算した構成を示すブ
ロック図、第１２図１１、間装ｊ６に用いうる別の例の
色フィルタを示す止血図、第１３図は同装置の一部の［
１ｂ１路図である。 １−一固体撮像素子、２．（２ａ、２ｂ、２ｃ・・・・
・）・・・・フォトダイオード、３．（ｓａ、３ｂ、３
ｃ・・・・・・）・・・・・垂直信号線、４．（４ａ、
４ｂ、４ｃ・・・・・・）・・・・・・ＭＯＳ−ＦＥＴ
、５・・・・・垂直シフトレジスタ、６．（６ａ　、６
ｂ　、６ｃ・・・・・）・・・・・垂直アドレス線、７
．（７ａ、７ｂ、７ｃｍ。 ７ａ’　、　７ｂ’　、　７　ｃ’　、・−−）　・＝
・転送用ＭＯ３−ＦＥＴ　、ｓ、（ｓａ　、ｓｂ、ｓｃ
・・−、ｓａ’、ｓｂ’、８Ｃ′・・・・・・）・・・
・・・転送用容歇素子、９．（９ａ。 ９ｂ　、　９ｃ　、−−・−＝、９ａ’、　９ｂ’、　
９ｃ’　・・−）＝−・転送ゲート、１０．（１０ａ、
１０ａ　／　）・・・・・水平ＣＣＤ、１１．（１１ａ
、１１ａ’）＝−−信り出力部、１２・・・・・シアン
フィルタ、１３・・・・・・黄フィルタ、１４・・・・
・・透明フィルタ、１、６・・・・・・固体撮像素子、
１６・・・・同期信号発生器、１７・・・・駆動回路、
１８・・・・・・加’ｔＡ？？ｒ、１９・・曲ローパス
フィルタ、２０２３．２４・・・・ローパスフィルタ、
２５．２６・・・・・・減算器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
０図 第１２図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の分光特性を有する第１の色フィルタ素子と第２の
   分光特性を有する第２の色フィルタ素子と第３の分光特
   性を有する第３の色フィルタ素子とを水平方向に順次配
   列し、かつ前記各色フィルタ素子により空間変調した色
   成分が水子ライン旬−に１８００反転するように配列し
   た色フィルタと、この色フィルタ素子に対応した受光部
   よリイ１↑られる信号が各垂直信号線においては同一色
   信号が得られ、かつ隣接する水平ラインの受光素子の信
   月を同時に複数信号ラインで読み出すようにした固体撮
   像素子とを有し、前記同時に読み出さ１１た信号を加算
   することにより輝度信号を得るようにしたことを特徴と
   するカラー固体撮像装置。