JPS59174074A - 固体撮像装置の出力信号再生回路 - Google Patents

固体撮像装置の出力信号再生回路

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JPS59174074A
JPS59174074A JP58048141A JP4814183A JPS59174074A JP S59174074 A JPS59174074 A JP S59174074A JP 58048141 A JP58048141 A JP 58048141A JP 4814183 A JP4814183 A JP 4814183A JP S59174074 A JPS59174074 A JP S59174074A
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output signal
solid
image sensor
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幸雄 遠藤
Nozomi Harada
望 原田
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/48Increasing resolution by shifting the sensor relative to the scene
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    • HELECTRICITY
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00Details of television systems
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  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)

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
画像を得るだ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、錯塩フィ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、・・・
MXj = 1 、2.・・、N)は二次元配列された
感光部、C4は垂直読出しレソスク’I Hは水平読出
しし・ゾスタである。このような固体虚像素子を前述し
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しるかが大きな問題となる。
そこで本発明者らは先に、%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
像度化を図った装置を提案した。この装置は第2図にそ
の原理図を示すように、固体撮像素子のチッゾ基板1(
−水千例のみ示す)を、水平方向(X方向)に、水平画
素ピッチP)LのA相当であるPH/2の振幅をもって
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1仏ンン
イールドおよび第2 (B)ンイールドを1フレ一ム期
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9図に示す画素の開口部はAフィールドで
は実線2の位置となり、Bフィールドでは破線3の位置
になる。ぞしてA、Bフィ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
よってずらすことを行ない、再生画像上でA、Bフィー
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」−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
しだ垂直同期パルスVDPで表わしたA、Bフィールド
を1フレ一ム期間とし、このフレーム期間に同期させて
台形状の振動ノヤルスを得る。そしてこの振動ノクルス
を前記固体撮像素子のチソゾ基板に加える。振動パルス
の振幅は水平画素ピッチPHの捧の振動が得られる量と
する。そしてA、Bフィールドの入力光学像に対応しり
信号を得るため、ここでは固体撮像素子の水平読出しレ
ジスタの駆動クロックのタイミングをA、Bフィールド
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ックパルスに同期している
。し友がっ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ック
パルスの位相を歿ずらすことによって得られる。  、 これらの一連の動作によっ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5001TI
V近くのり七ノドノイズ成分と5vからIOVのDCオ
フセット成分が含まれる。
したがって、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ぐりセントノイズ成分とDCオ
フセット成分を除去する必要がある。この除去にはil
f線検線間波回路しているが、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、水平読与出しレジスタのクロッ
クパルスの周波数fcpが7.16 MHzである。こ
の」彪合、信号成分の矩形波成分を劣化なく処理するに
は信号中に含捷れる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201昭2以上必要となる
。と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。このだめ
A、Bフィールド間での出力信号の振幅に差が表われフ
リッカ通過フィルタ(LPF )を用いる方法がある。
これはCODの出力信号帯域が水平読み出しレジス用い
る。このことによっ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った。
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ィルタを設け、その出力
信号を処理することによって標準方式であるNTSC方
式に必要な輝度信号(イ)と赤(8)、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ィ
ールド蓄積モードが好ましい。これに適した色フィルタ
配買は例えば第4図に示すような周仮数インターリーブ
方式である。周波数インターリーブ方式でのY、R,G
、Hの信号を得るには、まず帯域通過フィルタ(BPF
 )を通しだ信号をIH遅延線を通し、IH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を通しりセント
ノイズ除去とR,Bのキャ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R2B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、H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。しだがって高解像度の
カラー画像を得ることができない問題があった。
〔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
のチップ基板をA、Bフィ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、信号処理によシ水平方向
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であって、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、次のフィールドの有効期間中にこれを耽出すとい
う撮像動作を有した固体撮像素子のチオノ基板をA、B
フィールドで1フレ一ム期間となる撮像方式でA。
Bフィールドに同期させて、そのチ、f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(i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−一り位置捷たけその近
傍を合わせた位相(従ってA、Bフィールドで180度
ずれた位相)を有するキャリア信号を生成する回路を設
け、このキャ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は、従来の信
は処理におけるような広帯域な圓祿検波回路が不用であ
り、フリッカの発生がなく安定度の高い尚1118I!
像度でモアレの少ない画像が倚られる。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
カラー画像を摺ることができる。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ップ1ノ
上に結像される。固体撮像集子チップ1ノは例えば第1
図に示すようなインターライン転送形CCD撮像素子で
あって振動台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フィールド
に同期している。タイミング発生回路14では固体撮像
素子チップ11葡1駆動するのに必要なパルス、信号処
理に必袂なパルスを標章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ック
・ぞルスを水平画素ピンチPHの汐に相当した量遅延す
る。クロックトライバ16は固体撮像素子チップ11の
各電極−\加えるクロックパルスのドライバである。こ
れらの動作によって得られた固体撮像素子テノゾ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ットノイズの除去、ブランキ
ング処理、白クリッパ、ガ゛ンマ補正などを行々う。こ
の処理によっ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を通すことによっ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.その出力信号によってキ
ャリア信号発生回路25からのキャリア信号を振幅変調
する振幅変調回路2θ、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2ノによシ構成される。
キャリア信号発生回路25は水平読み出しレノスタのク
ロックハルストPJ −周m 数のノクルスを入力とし
た位相合わせ回路221位相合わせ回路22の出力波形
を180°ずらす180°シフト回路2J、1800ず
らした波形とずらしてないものとの波形をA、Bフィー
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1°8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、蛾は画像情報波形中黒点で示す位置に
なる。このサンシリング点は水平画像信号の開始点を基
準としてAフィールドとBフィールドの間で水平画素ピ
ッチPHの輪相当ずれている。このサンシリング点を中
心として第3図に示した矩形波の出力信号とし、A、B
フィールドを加算して再生1.I!+4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
形をとの捷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、本笑施例ではま
ずこの平均化された画像信号を直流再生回路19によっ
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fcpと同一のギ
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に加えるキャリアの位相である。キャリアの位相
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。
このようなキャリアの発生は、タイミング発生回路14
よりの水平読み出しクロック(周波数fcp )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、ABフィールドに同期したフィールド/
、oルスヲ用いて切換回路24にて切換えるととにより
得られる。このキャリア周波数は、水平400画素のC
CDを用いた場合7.16 MHzになる。
こうして得られた振幅変調波はスライス回路21にて変
調波の中心何遍の所定レベル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
変調波の中心部付込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フィールド加算することにより第6図に示す波形とガ
る。このことにより水平方向のサンシリング点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20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シ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フィ
ールドの入力光学像の空間サンプリング点は第7図の4
0で示した場所になる。このときの信号可荷読み出しは
+1 + n +1 + ・・の順序である。そしてB
フィ−平方向に振動した位置で、即ち41で示した場所
になる。このときの信号電荷読み出しはAフィールドに
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フィールとBフィールドの空間サン
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全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を通すことによって図に示す再生
画像が得られる。Aフィールドでば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フィールドでは(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フィールドとBフィール
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
キャリア発生回路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ヨリ水平同期ハルスH,D
 、クロック・やルスCK。
フィールドパルスF I ヲ得ル。水平同期ノクルスH
Dは第9図に示すように1周期が6356μsのパルス
f 6 ル。クロック、、OルスCK tri、 水平
hr ミ出しレノスタのクロノクツ切しス周波数の2イ
音の周波数であるl 14.32]VIH7を用いる。
そしてフィールドパルスFI(l−iAフィールドで低
レベルBフィールドで高レベルのノクルスでアル。1す
おのおののノクルスハ入カノクノファ5Q、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、ゾフロ、ゾ53にてクロックパルスCKのタイ
ミングで同期化した後、JKフリノプフロノゾ54のJ
端子に加える。
JKフリップフロノゾ54のに端子はGNDにしておく
。一方JKフリノグフロソフ054のクロック入力端子
CKへはクロック・ぐルス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。
このことによってJKフリノグフロノゾ54の出力Q、
Qには第9図に示したように、水平読み出し周波数7.
1.6 MHzと同一である周期140nSのお互いに
反伝したパルスが得られる。得られたそれぞれの)P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へはフィ
ールドパルスF I ヲDフリップ70ノブ57に°て
クロックツやルスCKのタイミングで同期化したノクル
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フィ
ールドとBフィールドの間で互いに位相が180°異な
ったパルスが得られる。そしてこのパルスをBPF S
 8にて高調波成分を除去することにより、Aフィール
ドとBフィールドでは位相が180’異なった正弦波の
キャリア信号を得る。この正弦波キャリアを振幅変調回
路2oに供給することによっ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っている。まだ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っている
。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、白りリノフ0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。本実施例でばR,G、B信号に
分離した画像信号を信号再生回路68を通すことによっ
てjQ”+ イ= 11の高い画像が得られる。
信号再生回路68でのR,G、B各ブロックの構成は先
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 、7 、? 、 74に供
給し、キャリア信号発生回路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ャリア信号を振幅
変調する。そしてそれぞれスライス回路75,76.7
7にて所定しにル以下をスライスした信号を得る。こう
して得られたR出力フ8.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4)レ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1o00i1!i累以上である。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′M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
される一? 電子カメラ本体81への光入力はシャッタ82を通して
固体撮像素子チソゾ11基板上に結像される。固体撮像
素子チソノ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ップ1ノへは、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
の駆動に必要々ノクルスを加える。振動、+)レスの振
幅をフィールド期間に同期して水平画素ピッチの係相当
にすることで固体撮像素子チンプ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
気ディスク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9θ、91゜92を用いて実際の空間サンプリン
グ点に合う位相のキャリアを振幅変調し、その後所定レ
ベル以下をスライスした画像信号を得る。この画像伯月
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、ハードコ一−94に高
解像度カラー画像を再生することもできる。寸だ、RO
Mなどのメモリ95へ高解像度カラー画像を曹き込むこ
ともできる。この場合、い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VD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
を用いて行なったが、本発明はYRGBRGB方式B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ィル
タでの信号処理に限らず、位相分離方式など他の色フィ
ルタ配置にも適用できる。
まだ、以上に説明した実施例では振幅変調回路のキャリ
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ょ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っても解像度
の劣化はわずかであシ、撮像装置としては支障ない。
また、本発明は、インクライン転送形CCDの他、フレ
ーム転送形COD 、光電変換に光導電膜を用いた2階
建センサ、感光部がノブザブ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った固体撮
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。
捷だ、本発明は電子ビーム像を任意の方向に各フィール
ドに同期して振fi 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ィール
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
振動ぜしめた固体撮像装置に適用できる。
捷だ、本発明の用途は、標準テレヒノヨン方式に適合し
たビデオカメラ、電子カメラに限らず、例えばOCR、
ファクシミリ、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
するだめの信号波形図、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
の動作を説明するだめの信号波形図、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図のキャ
リア発生回路を具体化した例を示す図、第9図はその動
作を説明するだめの信号波形図、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。 1ノ・・固体撮像素子チップ、12 ・振動台、13・
・・振動ノクルス発生器、14・・・タイミング信号発
生器、15・・・Pl(/2遅延回路、16・・・クロ
ックトライバ、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、2)・・・スライス回路、25・・キャ
リア信号発生回路、68・・・出力信号再生回路。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦第4図 )AフA−ルF′ )−Bフィールド )Aフィールド ]−Bフィールド )AフA−ルド

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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のフィールドで1フレー
    ムを構成し、かつ前記第1第2のフィールドに同期して
    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って、
    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7かつ前記入射光学像の空間サンフ。 リング点にピーク位屓まだはその近傍を合わせた位相を
    有するキャリア信号を生成するギヤリア発生回路と、こ
    の回路で得られたキャリア信号を前記固体撮像素子の出
    力信号により振119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
    ス回路とを備えだことを特徴とする固体撮像装置の出力
    信号再生回路。
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