JPS598491A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、単一の固体撮像素子を利用してカラー画像撮
像信号を得る単板式のカラー固体撮１象装置に関する。

従来例の構成とその問題点 従来から、固体撮像素子としては、電荷転送素子を用い
たｃａｎ（チャージカプルドデバイス）型もしく［Ｂ　
Ｂ　Ｄ　（バケットブリゲートデバイス）型と、Ｘ−Ｙ
アドレス素子を用いたＭＯＳ型のものがある。このうち
、ＭＯ８型固体撮像累子素子フトレジスタによりＭＯ８
型トランジスタを順次スイッチングさせているため、特
に、水平走査方向での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ほど信号に
対してこのスパイクノイズが増加して、Ｓ／Ｎ特性が制
限されている。しかしながら、この様な固体撮像素子は
画素からの信号電荷をアドレスして読み出すために隣接
する垂直方向での位置による影響はなく、第１図に示す
様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ー撮像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７吋
トダイオードであり、実線は色フィルタ素子を示してい
る。

寸だ、ＣＣＤ型には、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
信号電荷を氷水転送段に転送してこの水平転送段から順
次直列信号として取り出すインターライン方式とがある
。

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朝しないだめに隣接す九方
向ではクロストークを生じるので垂直オ目関を利用する
カラー撮像方式は不可能であり、第２図に示すようなＲ
，Ｇ、　　Ｂリストライフ。

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
じないカラー撮像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返しか３画素毎の
周期になるため、輝度信号の解像度があまり良くない欠
点がある。

また、第３図に示すようなＲ，Ｇ、Ｂの色フィルタを１
水平走査毎に反転した色フィルタを用いる場合には空間
変調成分をキャンセルすることができるので輝度信号の
解像度の低下はないが、垂直方向でのクロストークが混
色となって生じる欠点がある。

寸だ、後者の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が各々分離して存在しているために
第１図のような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
い分が混色となる久に、固体撮像素子のフォトダイオー
ドを千鳥状に配置し、３種の分光特性を有する色フィル
タ素子を隣接する水平ラインで、空間変調された変調色
信号の位相が１８００反転する様に配列し、このフォト
ダイオードから読み出された信号が各垂直信号ラインに
おいて同一色信号になる様に構成した固体撮像素子を用
い、その取り出された信号を隣接する水平ライン間で加
算して輝度信号を得、また、減算して変調色信号を得る
ようにして、混色のない、かつ輝度信号の水平解像度の
高いカラー画像を得るカラー固体撮像装置が示されてい
る。

しかし、この場合にも、モザイクフィルタを用いるもの
であるために生産性が悪く、さらに、空間変調成分の基
本周期が３画素周期であるために垂直相関の少ない場合
にはスプリアス（不要成分うが輝度信号に混入するとい
う欠点があった。

発明の目的 本発明は、フォトダイオードを千鳥状に配した固体撮像
素子を用いてストライプフィルタの使用全可能とすると
ともに、垂直相関のない部分で発生するスプリアス（不
要成分）を軽減し、さらに水平解像度を向上することの
できる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。

発明の構成 本発明においては、フォトダイオードを千鳥状に２次元
的に配した固体撮像素子を用い、その上に３種の分光特
性のフィルタを３画素に対して２周期のくり返しにする
よ′）にしたストライブ状色フィルタを重ねて配置する
。そして、その隣接する２水平ラインの出力信号を刀ｎ
算することにより輝度信号を得、減算しかつ検波するこ
とにまり色信号もしくは色差信号を得る。かくすると、
梁間変調成分の基本周期が％画素周期にｆｉｑで水平解
像度ＩＮ’Ｎ上回上。まだ、ストライプ状色フィルタを
用いることにより垂直相関がない場合のスゲリアスを軽
減する。

実施例の説明 第４図に本発明の一実施例におけるカラー固体撮像装置
に用いる固体撮像素子の構造例を示す。

図において、１はこの固体撮像素子のチップ、２（２ａ
、　　２　ｂ、　　２　ｃ、・・・・・・・・）は光電
変換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ジャンクションにより形成されて
おり、実質的に、このフォトダイオード２の中心が１ラ
イン毎に１ｂ画素分づつずらせて千鳥状に配置されてい
る。３（３ａ、３ｂ、３ｃ、・・・・・・）は垂直信号
ラインであり、ＭＯＳ形およびＣＰＤ形の撮像素子では
アルミラインで構成され、ＣＣＤ形撮像素子では２相の
ＣＯＤで構成されている。

フォトダイオード２と、この垂直信号ライン３との関係
は、第４図に示す様に、１水平ライン毎に上下方向に順
次信号電荷を取り出す構成にさｔＬでいる。

すなわち、第４図の第１水平ラインのフォトダイオード
２ａｊＨ垂直信号ライン３ａで」二方向に、第２水平ラ
インのフォトダイオード２ｂは垂直転送ライン３ｂで下
方向に信号電荷が取り出されるように接続されている。

これらのフォトダイオードの信号電荷は、垂直クロック
φｖ１とφｖ２により、１水平ライン毎もしくは２水平
ライン毎に各垂直。

信号ラインに読み出されるものである。ここでは、今後
の説明を簡単にするために、後者の２水平ラインが同時
に読み出される構成を有するものについて説明する。し
たがって、垂直クロックφｖ１とφｖ２で駆動される垂
直シフトレジスタと、２水平ライン毎に同時に信号電荷
を読み出すゲート回路により前記各垂直信号ラインに前
述の様に読み出すことができる。

これら垂直転送ライン３ａから上方向に読み出された信
号電荷は、第１の水平転送段４に水平ブランキング期間
中に読み込まれる。また、垂直転送ライン３ｂから下方
向に読み出された信号電荷は、第２の水平転送段６に前
記と同様に水平ブランキング期間中に読み込まれる。そ
して、水平転送りロックφＨｊ、φＨ２とφＨ（’ｌφ
Ｈ２’によりそれぞれ読み込まれた信号電荷を順次転送
して直列に読み出すことにより、出力端子５と７から、
同時に取り出すことができる。この水平転送のクロック
周波数はフォトダイオード２が水平方向に配列されてい
る画素数によシ決まるが、有効画面中に３７５画素の場
合は約７．２ＭＨ２である。また、第１と第２の水平転
送段のクロックφＨｂ　　φＨ２とφＨ１′、φＨ２’
とは画素配列位置が異なるため、その分だけ位相をずら
せておかねばならない。すなわち、７．２ＭＨ２のクロ
ックでは１８ｏ０の位相差を有しておけばよい。

第６図は第４図に示す固体撮像集子に設置する色フィル
ターの一例を示すものであり、この第６図に示す例では
、第４図のフォトダイオード２上に赤（ＲＪフィルタ８
、緑（Ｇ）フィルタ９、青（Ｂ）フィルタ１０を、水平
方向のフォトダイオード３個に対して２周期になる様に
順次配列させたストライプ状色フィルタとしたものであ
る。

この様なフォトダイオード２とフィルタとの配列構成に
すると、第１水平ラインではフォトダイオード２ａには
赤Ｒフィルタ８と、ＩＣフィルタ９が配置され、フォト
ダイオード２　ａ／には青Ｂフィルタ１０と赤Ｒフィル
タ８が配置され、フォトダイオード２ａ″には緑Ｇフィ
ルタ９と青Ｂフィルタ１０が配置される。また、これと
隣接した第２水平ラインのフォトダイオード２１１１ｊ
緑Ｇフイルタ９と青Ｂ−フィルタ１Ｑが配置され、フォ
トダイオード２　ｂ’には赤Ｒフィルタ８と緑Ｇフィル
り９が配置°される。

したがって、第１水平ラインの出力信号は色フィルりを
透過した投影光により光電変換された成分であるため、
フォトダイオード２ａ、２ａ’。

２ａ′４・・・・・からは、第６図に示す様（ｌこ、０
．６Ｇ十０．５Ｒ１０，６Ｒ＋０．５Ｂ　、０．５８　
＋ｏ、５Ｇ・−＝−・の信号が得られるが、赤Ｒ９緑Ｇ
、青Ｂの色変調成分は、第４図中の点線に示す様にＲＪ
　、　ｐ、ｔ　、　ａｔとなる。これを整理すると、 Ｓ＋：＝Ｙ−１−Ｒ’５ｉｎ（θ＋ωｔ）＋Ｂ’５１ｎ
（θ←π＋ωｔ）十Ｇ’ｓｉｎ　（θ＋−π＋ωｔ） ただしＹ−Ｒ＋Ｇ＋Ｂ となり、また、第２水平ラインの出力信号は、Ｓ　２＝
Ｙ−１−Ｒ’５ｉｎ（θ−π十ωｔ）−１−Ｂ’５１ｎ
（θ−−＋ωｔ）−４−Ｇ’５ｉｎ（θ＋−＋ωｔ） ただしＹ＝Ｒ−１−Ｇ−１−Ｂ となる。この信号のベクトルは第６図の第１水平ライン
の信号ベクトルを１８ｏ０位相回転させたものとなる。

。すなわち、第１水平ラインと第２水平ラインでは変調
色信号成分は１８０°の位相関係を有したものとなる。

また、この様なフォトダイオード２とフィルりこれらの
信号の周波数スペクトラムを第７図に示す。第７図ａは
第１水平ラインの信号の周波数スペクトラムを示し、こ
こで、ｊ°８はフォトダイオードのサンプリング周波数
であり、前述の水平転送りロック周波数である。２１３
ｆｓの周波数に示したＣ、はストライプフィルタの空間
変調成分であ’Ｉ）　、ｆ　Ｓ、／３の周波数に示して
いるＣ８はストライブフィルタにより空間変調された成
分を一７オトダイオードでサンプリングした時に生じる
変調色信号成分である。Ｙにより示した低域の信号が輝
度信号成分となる。

第７図すは第２水平ラインの信号スペクトラムを示し、
第１水平ラインと異なるのは、変調色信号成分Ｃ，が１
０００位相反転していることであり、ここでは下方向に
示した。この様な２つの信号は第４図中の出力端子５，
７から２ラインづつ同時、に取シ出され、これらの信号
を加算することによシ第７図Ｃに示す様に、変調色信号
成分をキャンセルして輝度信号成分Ｙのみを取シ出すこ
とができる。また、それらを減算することにより第７図
る。

□　　第８図は本発明の一実施例におけるカラー固体撮
像装置に用いる電気信号処理回路のブロック図である。

図において、１１は固体撮像素子であり前述の構造およ
び色フィルタを接着したものである。１２は同期信号発
生器であり、原発振周波数は３．５８ＭＨ２の４倍の周
波数を使用したものがφＨ２，φＨ１′、φＨ２′等を
駆動回路１３で作り、固体撮像素子１１に供給する。固
体撮像素子１１の出力信号は出力端子５と７から２水平
ライン同時に読み出される。

これらの信号を第１のプリアンプ１４と第２のプリアン
プ１６にそれぞれ通した後に加算器１らむ′加算すると
、第７図Ｃに示したような輝度信号Ｙを得ることができ
る。また、一方、これらの信号を減算器１６に通すと、
第７図ｄに示した変調色信号成分Ｃ，を得ることができ
る。この様にして取り出した輝度信号成分はフォトタイ
オード（画素のサンプリング周波数ｆ８の％の帯域まで
、すなわち色フィルタの空間変調周波数まで伸すことか
でき、サンプリングによる折返し歪も相殺されている。

加算器１６の出力信号は第１の低減通過フィルタ１７で
不要成分が除去されて、ディレーライン１８により色信
号との遅延時間を合せてエンコーダ１９に加えられる。

一方、減算器２０では隣接する水平ライン間での相関が
多いため、輝度信号成分Ｙが相殺され、変調色信号成分
のみ取り出される。この変調色信号は帯域通過フィルタ
２１で不要成分が除去されると共に帯域が±０．６ＭＨ
ｚに制限されて、第１および第２の同期検波器、２２．
２３に入力される。この時、変調色信号は、第９図に示
したＮＴＳＣ信号のＲ，Ｇ、Ｂの色信号のベクトルとは
位相が回転しているだけで、はぼ等価であるため、同期
検波器２２．２３に同期信号発生器１２で作った基準信
号を特定の位相で加えると、Ｒ−ＹとＢ％ｙの色差信号
が得られる。これら２つの同期検波器２２，２３に加え
る基準信号の位相差は移相器２４で与えられる。

との様てして検波された色差信号は、第２および第３の
低域通過フィルタ２６．２６で不要成分が除去されて、
輝度信号とともにエンコーダ１９に加えられる。このエ
ンコータ１９には同期信号発生１２からのバースト信号
や同期信号も加えられ、ＮＴＳＣ複合カラー信号に変俟
されて出力端子２７より取り出されるものである。

この具体例では、色フィルタとして赤Ｒ１緑Ｇ青Ｂを使
用したが、全色光を透過するフィルりを含め、他の分光
特性を有する色フィルタを使用しても可能である。また
、ここではＭＯＳ形、もしくはＣＰＤ形固体撮像素子で
使用されている２水平ライン同時読み出しで説明したが
、ＣＯＤに使用されている通常の読み出し方法の場合は
、１Ｈ期間遅延線を用いれば、はぼ同様に実施すること
が可能である。

発明の効果 以上の様に本発明のカラー固体撮像装置によれば、次の
様な効果を得ることができる。

（１）Ｒ，Ｇ、Ｂ等の３種のフィルタで空間変調させる
ため、信号処理回路が簡、！１１になると共に、各分光
特性が比較的容易に設定でき、色再現性も良い。

（２）色フィルタの空間周波数を高くできるため、輝度
信号帯域に混入するスプリアス成分が少なく、かつ輝度
信号の帯域も広くできる。

（３）　　フォトダイオードのサンプリングによる折返
し歪が除去できる。

（４）各垂直信号ラインは、同一の色信号成分しか取り
拠ないため、取シ残しによる混色が生じない０ （５）　　ストライプ状色フィルタを使用するため、フ
ィルタの製作が容易であり、光学的な垂直方向のクロヌ
トークに強い。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は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ための概略正面図
、第４図は本発明の一実施例におけるカラー固体撮像装
置に用いる固体撮像素子を示す模式図、第６図は同装置
における色フィルタの・−例を説明するための概略正面
図、第６図は同訓撮像素子からの出力信号のベクトル図
、第７図パは同装置の要部における信号のスペクトラム
図。 第８図は同装置における電気回路を示すブロック図、第
９図はＮＴＳＧ信号の変調色信号のベクトル図である。 １・・・・・・固体撮像素子のチップ、２・・・・フォ
トタイオード、３・・・・・・垂直信号ライン、４，６
・・・・・・水平転送段、６．了・・・・・・出力端子
、８・・・・・赤Ｒフィルタ、９・・・・・・緑Ｇフィ
ルタ、１０・・・・・青Ｂフィルタ、１１・・・・・・
固体撮像素子、１２・・・・・同期信号発生器、１３・
・・・・・駆動回路、１４．１５・・・・・・プリアン
プ、１６・・・・・・加算器、１７・・・・・・低域通
過フィルタ、１８・・・・・・ディレーライン、１９・
・・・・・エンコーダ、２０・・・・・・減算器、２１
・・・・・・帯域通過フィルり、２２．２３・・・・・
・同期検波器、２４・・・・・・位相器、２５．２６・
・・・・・低域通過フィルり、２ア・・・・・・出力端
子。 第５図 第６図 ０− ２ノ帽Ｊ（）仁− 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フォトダイオードを水平ライン毎に水平位置を’Ａ画素
   分づつずらせて千鳥状の２次元的に配した構成を有する
   固体撮像素子を設け、３種の分光特性の色フィルタを３
   画素に対して２周期のくり返しとしたストライプ状色フ
   ィルタを前記フォトダイオードに実質的に接して配置し
   て前記各フォトダイオードには複数のフィルタ素子を透
   過した入射光を投影させ、前記固体撮像素子の隣接する
   ２水平ラインの出力信号を加算して輝度信号を出力し、
   前記固体撮像素子の隣接する水平ラインの出力信号を減
   算した信号を検波して色信号もしくは色差信号を出力す
   るようにしたことを特徴とするカラー固体撮像装置。