JPS59103487A - 固体カラ−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】 産業上の利用分野 本発明は、２水平ラインを同時に読み出す構成の固体撮
像素子を使用した固体カラー撮像装置に関する。

従来例の構成とその問題点 近年、テレビカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に固体
撮像素子が使用される様になってきた。

この固体撮像素子を用いてカラー画像を撮像する場合に
はその受光面に実質的に密着したカラーフィルタを設置
して単板式のカラー固体撮像装置を構成するようにする
が、従来には以下に示すようなカラーフィルタが使用さ
れていた。

最も基本的な従来の単板式カラー撮像装置では、第１図
に示すようなカラーフィルタを使用していた。すなわち
、固体撮像素子の２次元に配されたフォトダイオード１
０１に対し、ストライプ状の緑フィルタＧ　１０２　、
　赤フイルタＲ１ｏ３．！フィルタＢ１０４を水平方向
に順次配列したストラ３／・− イブフィルタにより被写体からの入射光を空間変調して
フォトダイオード１０１の配列面に結像させ、その被写
体像に応じて光電変換された信号を水平走査して読み出
し、さらにサンプリング等により信号処理をして分離し
てＲ，Ｇ、　　Ｂのカラー信号を得るものである。この
方式では、水平方向では３画素に対してストライプフィ
ルタの配列周期が１周期の割合であるため、フォトダイ
オードの一サンプリング周波数の％の周波数にまでスト
ライプフィルタにより空間変−された変調色信号のくり
返し周波数が低下する。したがって、水平画素数に対す
る信号帯域（ナイキスト限界）にまで輝度信号の帯域を
利用できないという欠点がある。

また、従来例においては、第２図に示す様に、２次元に
配列されたフォトダイオード２０１に対して緑フィルタ
Ｇ２０２を千鳥状に配し、ｎＨラインの残りの画素に赤
フィルタＲ２Ｏ３を配し、（ｎ＋１）Ｈラインの残りの
画素に青フィルタＢ２０４を配した水平フィルタ列を順
次垂直方向に配した構成のモザイクフィルタを、前記フ
ォトダイオード上に実質的に密着して設置するものがあ
る。この方式では、輝度信号成分に重要な比率をもつ緑
信号成分を得るための緑フィルタが千鳥状に配置されて
いるために、垂直相関を利用して信号と補間する必要が
あり、垂直方向の解像度が劣化する不都合がある。１だ
、この方式では各ライン毎の信号成分が異なるためにロ
ーパスフィルタ（ＬＰＦ）を通しただけで簡易的に輝度
信号を取り出すようにすると水平ライン毎にレベルが変
動してライン濃淡を生じるという不都合もある。

また、他の従来例として、第３図に示す様に、ｎＨライ
ンでは最初のフォトダイオード３０１に対して％の面積
の赤フィルタＲ３０３と残りの％の面積の緑フィルタΔ
Ｇ３０６を、次のフォトダイオード３０１に対しては％
の青フィルタＢ　３０４と％の緑フィルタΔＧ３０６を
順次配置し、また、（ｎ＋１）Ｈラインでは最初のフォ
トダイオード３０１に対して％の面積分を青フィルタＢ
　３０４と残りの％の面積分の赤フィルタΔＲ３０６を
、次のフォトダイオード３０１に対しては％の面積６１
、− 分の緑フィルタＧ３０２と％の面積分の赤フィルタＲ３
０６を配した構成のモザイクフィルタを、フォトダイオ
ード３０１上に実質的に密着して設置するものがある。

この方式での各水平ラインの輝度信号成分は、 となり、各ラインで一致するため、相関等は使用しなく
ともＬＰＦを通しただけで簡単に輝度信号を得ることが
できる。しかしながら、前記の様に出力信号が−（Ｒ＋
　Ｇ　＋　Ｂ　）となるためにＮＴＳＣｌ　３ の輝度信号スペクトラムと異なった成分比率のものにな
るという欠点がある。

これらの従来例は、いずれもｎＨと（ｎ＋１　）Ｈの各
水平走査は各水平ライン毎に独自に行なう固体撮像素子
で使用されるものであり、これを使用した固体カラー撮
像カメラでは、現状のテレビジョン走査方式に従って２
：１のインターレース走査を行なうためにフォトダイオ
ードの蓄積時間が１／３０秒となり、フレーム残像を生
じる欠点を有６／、−一 していた。

発明の目的 本発明は上記のような従来の問題点を解消して、簡単々
信号処理回路で色再現性の良い高画質のかつフレーム残
像の発生しない出力信号を得ることのできる固体カラー
撮像装置を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明においては、２水平ライン分を同時に水平走査し
て垂直方向に隣接する２７オトダイオ一ド間に蓄積され
ている信号電荷を加算（混合）して読み出すように構成
した固体撮像素子に対して、３種の分光特性の異なるフ
ィルタ素子を有するカラーフィルタをフォトダイオード
上に設置するようにし、そのカラーフィルタは、第１の
水平走査分の２水平ラインに対しては第１と第２のフィ
ルタ素子および第３と第１のフィルタ素子をそれぞれ各
水平ライン毎に順次配列しかつ第１のフィルタ素子が垂
直方向に連続しない様に構成し、また、第２の水平走査
分の２水平ラインに対しては第１７　　・ と第２のフィルタ素子および第１と第３のフィルタ素子
をそれぞれ各水平ライン毎に１−欠配列しかつ第１のフ
ィルタ素子が垂直方向に連続する様に構成することによ
り、フレーム残像が発生せず、輝度信号の分光感度特性
をＮＴＳＣ方式の輝度信号に近づけることができ、しか
も各水平走査毎に異なる２種の色差信号を取り出せ、高
画質のカラー信号を得ることができるようにした。

実施例の説明 第４図に本発明の実施例における固体カラー撮像装置に
用いる固体撮像素子の構成を示す。第４図において、４
０１，４０１’、４０１”、・・・・・・はＰＮ接合で
作られ２次元に配されたフォトダイオード（画素）、４
０２，４０２’、４０２”、・・・・・・はフォトダイ
オードの蓄積電荷を読み出す読出しゲート、４０３，４
０３’、４０３．−・・・−は垂直ＣＣＤと読み出しゲ
ート部を動作させるためのポリシリコン電極、４０４は
垂直転送ＣＯＤで前記ポリシリコン電極とで２相ＣＣＤ
を構成している。

４０５は垂直転送Ｃ０Ｄ４０４からの信号電荷を直並列
変換して高速で読み出すだめの水平転送ＣＯＤ、４０６
は転送されてきた信号電荷を電圧に変換するだめのフロ
ーティングディフユージ目ンアンプ、４０了は出力端子
である。

まず、この固体撮像素子の動作について説明する。垂直
転送ＣＣＤ４０４の２相電極４０３，４０３’。

・・・・・・には第５図に示すφｖ１．φｖ２のパルス
が印加される。まず第１フイールドを考えると、φ■１
ノ中の５０３で示すｖｃＨのパルスが電極４０３゜４０
３“、・・・・・・に印加されると、ゲート４０２，４
０２“。

・・・・・・がオンになり、４ｏ２のゲートからは、フ
ォトダイオード４０１と４０１′に蓄積されていた信号
電荷が同時に４０４の垂直転送ＣＣＤ４０４の電位ウェ
ルに読み出される。この状態を第６図に示す。読み出し
パルスｖｃＨが印加されると実線の電位分布が一点鎖線
で示す電位分布となり、フォトダイオード（ＰＤ）部に
蓄積されていた信号電荷（斜線で示す分）は垂直転送Ｃ
ＣＤ４０４に読み出され、ゲート部で決まる電位にフォ
トダイオードはリセットされることになる。

９　・　− 次に、第６図の５０１と５０２で示す垂直転送パルスに
より第４図では上方向に転送され、Ｃ０Ｄ４０６に読み
込まれる。この垂直転送パルスによる電位Ｅ■を点線で
示す。

同様に、読み出しゲート４０２“では、フォトダイオー
ド４０１“と４０１　／／／に蓄積されていた信号電荷
が同時に４０４の垂直転送ＣＣＤ４０４の次の電位ウェ
ルに読み出され、順次垂直方向に転送される。

水平転送Ｃ０Ｄ４０５には、第７図に示す駆動パルスを
印加する。このパルスは、水平ブランキング期間中ハφ
Ｈ１がハイレベル、φＨ２がローレベルの状態になって
いるので、φＨ１により生じた電位ウェルに垂直転送Ｃ
ＣＤ４０４からの信号電荷を読み込み、その後、水平転
送パルス７０１と７０２により高速で転送し、４ｏ６の
フローティングディフュージョンアンプで電圧に変換さ
れ、出力端子４０７から出力信号として取り出す。

次に、第２フイールドになると、読出しパルス５０４が
読み出しゲート４０２’、４０２″′、・・・・・・ｏ
　　　− に印加されるため、このフィールドでは、前フィールド
に対して１水平ラインずれて信号電荷が読み出され、イ
ンターレースされた信号が得られることになる。これを
出力信号で示すと第８図の様になる。すなわち、第１フ
イールドの第１水平走査期間ではフォトダイオード４０
１と４０１′の２水平ライン間で垂直方向に隣接する２
フオトダイオードの信号電荷が加算混合され、次のフィ
ールドの第１水平走査期間ではフォトダイオード４０１
′と４０１“の２水平ライン間で垂直方向に隣接する２
フオトダイオードの信号電荷が加算混合されて取り出さ
れる。

この様な固体撮像素子に、第９図に示すようなカラーフ
ィルタを各フォトダイオードに対応させて実質上密着し
て設置する。

同図において、９０１は前述の固体撮像素子のフォトダ
イオードの位置を示したものである。９０２は緑Ｇフィ
ルタ、９０３は赤Ｒフィルタ、９ｏ４はシアンｑフィル
タである。図面からも明らかなように、このカラーフィ
ルタは、第１水平ライ１１− ンに対しては赤Ｒフィルタ９０３と緑Ｇフィルタ９０２
とを順次配列し、第２水平ラインに対しては緑Ｇフィル
タ９０２とシアンｑフィルタ９０４とを順次配列し、こ
の２水平ラインに対しては緑Ｇフィルタが垂直方向で連
続（隣接）しない様に配列したものである。この第１．
第２水平ラインの２水平ラインを第１フイールドでは第
ｎＨ水平走査期間に同時に読み出す。

さらに、このカラーフィルタでは、第３水平ラインと第
４水平ラインとに対しても前記第１水平ラインと第２水
平ラインと同様の３種のフィルタ素子を順次配列して使
用するが、この第３．第４水平ラインでは緑Ｇフィルタ
９０２を垂直方向で連続（隣接）させる様に配列する。

この第３．第４水平ラインを第１フイールドでは（ｎ＋
１．）Ｈ水平走査期間に同時に読み出す。

また、第２フイールドでは第９図中に′を付しして示し
だ様に、異なる組合せの２水平ライン（前フィールドに
対し、１水平ラインずれた２水平ラインの組合せ）を同
時に読み出すようにする。

この第９図のようなフィルタを設置した固体撮像素子か
らの出力信号を第１ｏ図に示す。すなわち、第１フイー
ルド責１Ｆ）のｎＨ水平走査期間には（Ｒ＋Ｇ　）の信
号と（Ｇ十Ｃｙ）の信号とが順次取り出されることにな
り、（ｎ＋１）Ｈ水平走査期間には（Ｇ＋Ｇ）の信号と
（Ｒ＋　Ｃｙ　）の信号とが順次取り出される。

次の第２フイールド（２Ｆ）では、ｎ’Ｈ水平走査期間
には（Ｇ＋Ｇ）の信号と（Ｒ＋　Ｃｙ　）の信号とが、
（ｎ＋１）’Ｈ水平走査期間には（Ｒ＋Ｇ）の信号と（
Ｇ＋Ｃｙ）の信号とが、それぞれ順次取り出される。こ
れらからも明確な様に、第４図の固体撮像素子に第９図
のフィルタを設置すると、各水平走査ごとに異なる２種
の信号が順次取り出され、かつ、いずれのフィールドで
も同じ２種の信号が順次取り出されることになる。

第１１図に前記のようなカラーフィルタを付した固体撮
像素子を使用したカラー撮像装置の信号処理系のブロッ
ク図を示す。

同図１１０１は前記のカラーフィルタを設置した１３べ
Ｓ゛ 固体撮像素子であり、１１０２は前記固体撮像素子の駆
動回路、１１ｏ３は固体撮像素子および、信号処理回路
の各種クロック信号を作る同期信号発生器、１１０４は
プリアンプ、１１０５は輝度信号取出用ローパスフィル
タＬＰＦ、　１１ｏｅは信号遅延補正用の遅延回路、１
１ｏ７はカラーフィルタで空間変調された変調色信号を
取り出すバンドパスフィルタＢＰＦ、１１０８はその検
波回路、１１０９は１水平期間の遅延時間を有する１Ｈ
遅延回路（１ＨＤＬ）、１１１０は１Ｈ遅延信号と遅延
していない信号とを交互に取り出すスイッチング回路、
１１１１はエンコーダ、１１１２はＮＴＳＣカラー信号
の出力端子である。

動作を説明すると、前記のようなカラーフィルタを設置
した固体撮像素子１１ｏ１は同期信号発生器１１ｏ３か
ら供給される駆動パルスにより駆動回路１１ｏ２で駆動
される。

固体撮像素子１１ｏ１から出力される信号は前述のよう
に第１０図に示したような信号であり、プリアンプ１１
０４で増幅しＬＰＦ１１０５に通す１４、−、、・ ことにより、 Ｙ＝Ｋ（Ｒ＋２Ｇ＋Ｃｙ） ｗＫ’　（２Ｒ＋６Ｇ＋Ｂ） ただし、ＣＹ−グ（Ｇ＋Ｂ） の輝度信号Ｙが得られる。この輝度信号中におけるＲ、
　Ｇ、　　Ｂの各成分の比率はＮＴＳＣ方式の標準比率
に近いものとなっていて、従来より大幅に改善されてい
る。

また、ＢＰＦ１１０７に通すと、 ＣｎＨ−に１（Ｒ−ＣＹ）Ｓ１ｎωｔ Ｃ（ｎ＋１）ｐＨ＝に２（２Ｇ−（Ｒ＋Ｇ））ｓｉｎω
ｔの変調色信号が得られる。この信号は同期検波器１１
ｏ８で検波することにより（Ｒ−ＣＹ）と（２Ｇ−（Ｒ
＋Ｇ））の２つの色差信号を１Ｈごとに順次取り出すこ
とができる。そこで、Ｉ　ＨＤＬｌ　１０９で１Ｈ期間
遅延した信号と遅延しない信号とをスこれをエンコーダ
１１１１に加える。一方、ＬＰＦ１５ １１ｏ６で取り出しだ輝度信号ＹはＤＬ１１０６で前記
色差信号と遅れ時間を合せてからエンコーダ１１１１に
加える。この時、２つの色差信号の変調軸の角度を第１
２図中に点線で示した変調軸とすれば、同図中にＲ，Ｇ
、　　Ｂで示したＮＴＳＣ方式によるベクトルとほぼ一
致する。したがって、エンコーダ１１１１からは輝度信
号９電信号ともにほぼＮＴＳＣ方式の基準に近いカラー
信号が得られ、出力端子１１１２より取り出される。

以上の様に、本実施例によれば、２水平ラインを１水平
走査期間に同時に加算混合して読み出す固体撮像素子に
、第１の水平走査時に読み出す第１の水平ラインに対し
ては赤Ｒと緑Ｇのフィルタを順次配列し第２の水平ライ
ンに対しては緑ＧとシアンＣＹのフィルタを順次配列し
、かつその第１と第２の水平ラインの緑Ｇフィルタが垂
直方向に連続（隣接）しない様にし、次の水平走査時に
読み出す第３の水平ラインと第４の水平ラインに対して
は前記第１と第２の水平ラインと同じ組合せであるが、
緑Ｇフィルタが垂直方向で連続（隣接）する様にしたカ
ラーフィルタを設置することにより、ＮＴＳＣ方式の基
準に近い、フレーム残像のない良質のカラー信号を得る
ことができる。

なお、この実施例では、固体撮像素子にはＩＬ−ＣＣＤ
方式のものを改良して使用したが、他の固体撮像素子を
同様に改良して使用することも可能である。

また上記実施例では赤Ｒ９緑Ｇ、シアンＣＹのフィルタ
を使用したが、エンコーダの変調軸等の信号処理系を変
更すれば、他の分光特性のフィルタを使用してもよいこ
とはいうまでもない。

発明の効果 このように本発明の固体撮像装置によれば、フィールド
毎に、異なる２水平ラインを１水平走査期間に同時に加
算混合して読み出すように構成した固体撮像素子に対し
、３種の分光特性のフィル第２の２水平ラインでは垂直
方向に１つのフィル１７　−７ 夕素子を隣接させる様に配列した構成のカラーフィルタ
を使用することにより、垂直方向の解像度を低下させる
ことなく、フレーム残像のない、しかも良質のカラー画
像を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図はそれぞれ従来例のカラー固体
撮像装置に使用されるカラーフィルタの正面図、第４図
は本発明の一実施例における固体カラー撮像装置に使用
される固体撮像素子の構成。 図、第６図はその駆動用のパルスの波形図、第６図はそ
の信号電荷読み出し時の電位図、第７図。 第８図はその転送ＣＯＤの駆動用のパルスの波形図、第
９図は同装置に使用されるカラーフィルタの正面図、第
１０図は同装置における固体撮像素子からの出力信号を
模式的に示した波形図、第１１図は同装置の信号処理系
のブロック図、第１２図はその色差信号の変調軸とカラ
ー成分のベクトルを示したベクトル図である。 ４０１．４０１’、４０２“・・・・・・フォトダイオ
ード、１８、５ ４０４・・・・・・垂直転送ＣＣＤ、４０５・山・・水
平転送ＣＣＤ、４Ｃｉ６・旧・・フローティングディフ
ュージョンアンプ、４０７・山・・出力端子、９ｏ１・
・・・・・フォトダイオード、９０２・・・・・・緑フ
ィルタ、９ｏ３・・・・・・赤フィルタ、９’０４・・
・・・・シアンフィルタ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名区 区　　　　　　　　　　　　　　　　　へ−綜 怖　　　Ｑ） 　　８ 第４図 ７θｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 フォトダイオード（画素）を２次元に配しかつ前記フォ
   トダイオードの２水平ライン分を同時に水平走査して垂
   直方向に隣接するフォトダイオードに蓄積されている信
   号電荷を混合して読み出すように構成した固体撮像素子
   を設け、前記固体撮像素子に対して３種の分光特性の異
   なるフィルタ素子を実質的に前記各フォトダイオード上
   に密着して設置し、第１の水平走査分の２水平ラインに
   対しては第１と第２のフィルタ素子および第３と第１の
   フィルタ素子をそれぞれ各水平ライン毎に順次配列しか
   つ前記第１のフィルタ素子が垂直方向に連続しない様に
   配列し、第２の水平走査分の２水平ラインに対しては前
   記第１と第２のフィルタ素子および前記第１と第３のフ
   ィルタ素子をそれぞれ各水平ライン毎に順次配列しかつ
   前記第１のフィルタ素子が垂直方向に連続する様に配列
   し２−−・ て構成したことを特徴とする固体カラー撮像装置。