JPS60107988A - 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！ｌｊｆ。

本発明は、隣接した２つの水平ラインの受光画素信号を
同時に読み出す構成の固体撮像素子と。

１〕１記固体撮像素子の受光画素に対応した色フィルタ
との組み合わせからなるカラー固体撮像装置に関するも
のである。

従来例の構成と問題点 Ｌｉｔ−の固体撮像素子と１口１記固体撮像素子の受光
画素に対応させた色フィルタの組み合わせに、上りカラ
ー画像を得るカラー固体撮像装置の最もＪｌ（本釣な従
来例を第１図を用いて説明する〇第１図に小すように、
２次元に配された受光画素（１）に刻し縁（Ｇ）フィル
タ（２１、赤■フィルタ＋３＋、１Ｖ（１３３フイルタ
（４）を水平方向に順次配列したストライブフィルタに
より、被写体光を空間変調し、受光画素（υで光電変換
して得た信号をサンプリング等によりＲＧＢ信号を得る
ものである。この方法は、水平方向の８画素に対し、ス
トライブフィルタの　−配列周期が１周期であるため、
受光画素のサンプリング周波数のｉの周波数近傍にスト
ライブフィルタにより窒間変調された変調色信号が発生
するため、水平方向の受光画素数に対する信号帯域（ナ
イキスト限界ンまで輝度信号（「域を利用できない欠点
がある。

他の基本的な従来例は、第２図に示すように。

２次元に配列された受光画素（υに対し、緑（Ｇ）フィ
ルタ４２）を千鳥状に配し、（Ｎ）１１ラインの残りの
画素に赤■フィルタ（３）を配し％　（Ｎ＋１）　Ｉｔ
ラインの残りの画素に青（５）フィルタ（４）を配した
色フイルタ列を順次垂直方向に配するものである。この
方法では輝度信号に重要な緑信号ｈＭ、分は垂１１１相
関を用いる事により得ている。このため水平解像度は向
上するが、垂直解像度の劣化を招く。

また、各水平ライン毎の出力信号の分光特性が異なるた
め、　ＬＰＦだけを用いて輝度信号を分離すると各水平
ライン毎の信号振幅が異なってライン濃淡現象が発生す
る。

以上の如き基本的な問題点を解決するものとして、発明
者らが先に提案している構成を第３図に示す。第８図に
おいて、２次元に配された受光画素（υに対応し°（、
（Ｎ月１ラインの第１の受光画素）こは緑（に）フィル
タ（２）を、水平方向の次の受光画素にはマゼンタ（財
）フィルタ（５）を交互に順次配しｔこ第１の色フイル
タ列を、　（Ｎ＋１）　Ｈラインの第１の受光画素には
シアン（Ｃｙ）フィルタ（６）を、水平方向のυの受光
画素には黄（Ｙｅ）フィルタ（７）を交互に順次配した
第２の色フイルタ列とし、更に、　＋ｊｉ記第１の色フ
イルタ列と第２の色フイルタ列をｆｉ：直方向に各々２
ラインづつ順次配した構成とする。

撮像素子と色フィルタを上記の如く組み合せる小により
、各受光画素からそれぞれの色フィルタに応じた４ｒ’
Ｅ号１１１．４；ｆが得られる。すなわらへ月１ライン
の素子出力４８　Ｆｆは第４図（ａ）１こ小すように、
ｇ（緑信ｄ成分）とｂ（青信号成分）／２＋ｒ（赤１、
ｉ構成分）／２とが、（Ｎ＋１）Ｈラインの素子出力１
．（号は第４図（ｂ）に示すように、（ｂ＋ｇＪ　／　
２とｔｒ＋ｇ）／２の信号成分が順次得られる。各水ｓ
ｌ／、ラインの信号ＳＮ＋　ＳＮ＋１は ｒ＋ｂ　ｒ＋ｂ　。

ＳＮ　＝Ｋｌ（ｇ＋−−≧＝−−）　＋　Ｋ２　（ｇ　
−〒）ｓ＋　璽１ω【ｒ＋ｂ ＳＮ＋Ｉ　＝　Ｋｌ　（ｇ＋１す＋に３　（ｂ−ｒ　）
　ｓｉｎω【但し、ωは色フィルタの繰り返し角周波数
である。各水平ラインの信号の低域成分はいずれも、Ｋ
ｌ（ｇ悲げ±）となるため、　ＬＰＦにより低域信号を
分離する事により、ライン濃淡のない輝度信号を得るこ
とができる。

ここで、撮像素子出力信号のスペクトルは第５図に示す
ように分布する。第５図の斜線部分は変調色信号成分で
あり、ωを中心として広がっている。色フィルタの繰り
返し角周波数ωはサンプリング周波数ｆ８の−の周波数
である。したがって輝度信号帯域はナイキスト限界ｉｆ
Ｓの近傍まで広げる事ができる。

一方色信号については１色フィルタより空１１ｆｉ変調
された変調色信号成分をＢＰＦで分離し、角周波数ωの
基準周波数で同期検波する事により、へ目１ｒ＋ｂ ラインからは（ｇ　２　）　、（Ｎ　千１月１ラインか
らは（ｂ　ｒ）の色差イ、（号が得られる。これら２伸
の色差Ｊ（＋　ＩＩ 信号を【に一一〜２−）軸と（Ｂ−Ｒ）軸で各々変調し
、適当な比率で６１ｓ　Ｃｉ　Ｌ／　＊前記の輝度信号
と加Ｌ１する・］１によりＮＴＳＣ４ｔ’＋弓を得る。

しかしながら、上記のカラー他力式を用い−Ｃカラー固
体振ｆψ装置を試作した結果、被写体像のエツジ部に点
状の妨害信号が発生した・上記点状の妨害信号は変調色
信号成分の折り返し千と受光画素のサンプリングによる
折り返し否が輝度ｉｉ口Ｊ“中に混入するｔこめに発生
したものであり１画質を菖しく劣化させる。

上記変調色信号成分の折り返し歪を除去する方法として
は、第１．第２のフィールドの同一の水平ライン、例え
ば（へ）月−１ライン相互の変調色４ｆｒ　’Ｊ−のＫ
ｌ相が相対的に反転するように１色フィルタの配列を変
えて、走査する小により、テレビジョン画面上において
、第１フイールドと第２のフィールドの（ＮＩ　ＩＩラ
インの折り返し歪を空間的（視覚的）に加算し相殺させ
る方法がある。その色フィルタ配列を第６図に示す。

しかしながら、上記の方法を用い”Ｃも受光画素のサン
プリングによる折り返し歪を相殺する事はできない。第
７図に輝度信号帯域とサンプリングによる折り返し歪の
関係を示す。第７図におい一〇。

横線を施した部分が折り返し歪の部分である。第７図か
ら明らかなように、折り返し歪は変調色イＪ号成分と画
素サンプリングによる側波成分が輝度信号帯域内に混入
するこｔにより発生する。画素サンプリングによる側波
成分は、サンプリングのアパーチャすなわち受光画素の
水平方向の大きさにより大きく変わる。つまり、第８図
に示すように画素の繰り返しピッチに占める受光画素が
大きければ１画素サンプリングによる側波成分の高周波
成分は急激に減少する。現在の固体撮像素子の受光画素
は撮像管の如く連続でなく、受光画素が島状に分離して
配置されているため１画素サンプリングによる側波成分
が折り返しｊＴｉに与える影響は極めて大きい。

更に第８図、第６図に示したカラー化方式においＣｌ；
ｔ　、　３Ｉ呵１ば走査として２：１インタ一レース方
式であるため、受光画素の蓄積時間がｌ／３０秒となり
、フレーム残像が発生する。このフレーム？’Ａ　ｉ’
ｔ、！は動きのある被写体（一般的な動き）を撮像した
場合やテレビジョンカメラをパンした時に著るしく画質
を劣化させる。

発明の１」的 本発明はフレーム残像が発生せず、しかも１１−り返し
歪の少ない高画質のカラー固体撮像装ｆｉｔを提供する
ことを目的とするものである。

発明の構成 上記「Ｉ的を達成するために１本発明は受光画素が２次
元に配され、隣接した２つの水平ラインを日時に水平走
査し、隣接する２画素の（Ｍ　’＋−１ｂ、’　４”Ｊ
を淑１１合して、ｂｌ、み出す構成の固体撮像素子と、
　＋ｉｊｌ記固体撮像素子の受光画素に対応させた色フ
ィルタよりなるカラー固体撮像装置１ソにおいて、第１
と第３の水平ラインには第１と第２の色フィルタを・１
第２と第４の水平ラインには第８と第４の色フィルタを
配置した色フイルタ列を垂直方向に順次繰り返して配置
する構成にしたものである。

さらに第１と第８もしくは第２と第４のいずれか一組の
水平ラインの変調色イ：１号の位相が相対的に１８０°
異るまうに配置し、さらには第１、第２のフィールド共
に空間的に１０１−の斜め方向に隣接する画素信号電荷
を混合して読み出すようになし。

垂直走査では第１フイールドでは第２と第８の水平ライ
ン、第４と第１の水平ラインの組み合せをＪＩＩｌ、１
次走査し、第２フイールドでは、第１と第２の水平ライ
ン、第３と第４の水平ラインの組み合せを順次走査し、
フレーム残像が発生せず、輝度（Ｆｊ号帯域内への折り
返し歪の混入の少ない１１８画質のカラー固体撮像装置
を得るものである。

実施例の説明 以上本発明による一実施例を第９図を用い°Ｃ゛説明す
る。第９図において、（８）は本発明のカラー固体撮像
装置の構成要素の一つである固体撮像素子のチップであ
る。（９）〜（財）は固体撮像ヌ・、子の受光ｕｌ＋ｉ
素に緑フィルタ、シアンフィルタ、マゼンタフィルタ１
ＬＩＪフイルタを各々対応させて密着させｊこ受光画素
と色フィルタの組み合せである。通常、この受光画素は
ＰＮ接合からなるフォトダイオードで形成され°Ｃいる
。（至）は垂直転送段であり１通’、ＩＩＳはＣＣＤで
構成されＣいる。「１１１記１！す〜Ｏ力の蛍光画■：
と。

この垂１１：１転送段（ＩＩとの関係は第９図に小すよ
うに。

２つの画素のイパＳ」ｌｊ二荷を垂（〔【転送段０：０
　＋こおいてンＪ（−合した後、　、！１ｕｕｌ方向に
転送する構ＪｈとしＣいる１゜水平走査について、第１
フイールドでは（Ｎ＋１）ラインと（Ｎ＋２　）ライン
、（Ｎ＋８）ラインと（Ｎト４）ラインという組み合せ
で順次走査し、第２フイールドでは（へ））ラインと（
Ｎ＋１）ライン、（Ｎ＋２）ラインとＣＮ＋８）ライン
という組み合ぜでｌｌ１１′４次走査する。受光画素の
伯４Ｊ”ｒｌｊ　ｌ＋：ｉは垂直帰線ｍ４間にのみ１ノ
１」かれるφトゲーＩ・を介し−Ｃ垂直転送段口に転送
される０いま第１フイールドについ°Ｃ説明すると、　
（Ｎ＋ｌ）。

（Ｎ＋２）ラインの水平走査では、同時に読み出される
＋ｉｉＪ記２つのラインの相対的に斜め方向に配置され
た受光画素の信号ＹｔＬ荷を混合する。すなわら。

マゼンタとシアン、緑と黄の信”ｊ’　Ｔｌｊ　４’ｊ
を垂１１“１１１０、送投口に転送し混合する。（Ｎ＋
８）　、　（Ｎ＋４）ラインの水平走査では、前記と同
様に相対的に斜め方向に配置された緑とシアン、マゼン
タと黄Ｑ）　信’ｒ３１１１　荷を垂直転送段ａ４に転
送し混合する。このようにして垂直転送段ｏ３に転送し
た信号重荷は端子ａ＜から供給される垂直転送パルスφ
Ｖによりｌ水平期間ごト１２ｍ１段ツつ上方向に転送さ
れる。この化１１°１転送パルスφＶは垂直転送段−の
構成により、２４１１．８相、４相のパルスとなる。こ
れら垂直転送段じにより上方向に転送された信号電荷は
水平転送段ｏ５に水平帰線期間中に読み込まれ、端子四
から供給される水平転送パルスφＩＩで水平方向に順次
転送されて直列に読み出され、端子すηから出力信号を
得る。この水平転送パルスφＨの周波数は水平方向に配
列されている受光画素数により決まり、有効画面中の画
素が８８４画素の場合は約７．２Ｍ１１ｚ　となる。

また、第２フイールドの走査においても、同時に読み出
される前記２つのラインの相対的に斜め方向に配置１！
された受光画素の信′Ｆ′ｊ？ｉｐ荷を混合する。

すなわち、詞、（Ｎ＋１）ラインの走査につい°Ｃは。

マゼンタ黄、緑とシアンの信ｆｆ”１Ｆ　、（Ｎ＋２　
）　、（Ｎ＋３）ラインの走査に２いては、縁と黄、マ
ゼンタとシアンのイ１−ＩＳＪ１イｙ荷を垂直転送段じ
に転送し混合する。その後、１１ｆす°電荷を垂直転送
、水平転送し出力信１」として読み出す。

上記の固体撮像素子の出力信号を第１０図に小ず。

第１フイールド（１υ１１ライン、（ｎ＋１））ｌライ
ンの出力信ｉ、ｊｆＬ・第１θ図（ａ）、（Ｉ））に、
第２フイールド（ｎ）　ＩＩｌライン　（１１＋１）Ｉ
ｆｌライン出力信号を第１０図（Ｃ）　、　（（ｌ〕に
示す。

各水平ラインの出力（ｇ号は Ｓｏ、　ｏｄｄ　＝に１（ｎ汁Ｙａ＋ｇ＋Ｃ，）＋ｆ（
２（Ｌｍ＋Ｃ，）　（ｇ”Ｖｅ月ｓｉｎω［＝に、（、
ｐ”ｌ♀ｊ＋−煎）や、ｚｔｔｕすＪ馬−２２２２２ 〔ｇげザ））ｓｉｎωｔ −に＋（ｒ’＋２ｇ＋ｂ）　＋に２（ｂ−ｇａｓ　ｉｎ
ωｔＳｎ＋＋＋ｏｄｄ−に＋（ｇ’トｙｏ＋ｍ十ｃｙ）
＋に３［（ｇ＋ｃｙＪ−（ｍ＋ｙａ月５ｉｎｒａｔ町（
１（ｇ＋す！＋−！−梗一ザ’−）　＋　Ｋ；＋　（（
ｇ＋　ｂ−Ｔ戸２　２　２　２ （、ｘ＋−ｐ＋ｅ、！−月５ｉｎａ＋ｔ２ ＝に１（ｒ＋２ｇ＋ｂ）＋Ｋａ（ｇ−ｒ）Ｓｉｌｌω【
ＳＮ　、　ｅｙｅＨ＝　Ｋ＋　（ｇ　＋　ｙｏ　十ｍ十
Ｃ）＋　Ｋ３　（（Ｉ１１＋ｙｏ　）　（ｇ”Ｃｙ月ｓ
ｉｎωｔ＝に＋（ｒ＋２ｇ＋ｂ）＋に３（ｇ−ｒ）ｓｉ
ｎωｔＳＮ＋Ｉ、ｅｖｅｎ＝Ｋｌ（ｍ＋ｙｓ＋ｇ＋ｃ、
）＋ｙ＜２（（ｇ＋ｙ、）−（ｔｎ＋ｃｙｎ＋１月１ラ
イン（ｒ＋２ｇ＋ｂ）＋に２（ｇ−ｂ）ＳｉｎωＬとな
る。但し、ωは色フィルタの繰り返し角周波数である。

各信号の低域成分はいずれもに、　（ｒ＋２ｇ＋ｂ　）
であるため、　ＬＰＦにより低域信号を分％ｌｊするこ
とによりライン濃淡のないか１１度イ、１号を得ること
ができる。

また、変調色信号成分はω＝ｆｓ／２を中心とした）、
’ｌＩ波数近傍１こ発生するため、輝度信号の４１′１
域はナイキスト限界ｆ８／２の近ｆｙｊまで広げること
ができる。

−万１色信号についＣは１色フィルタにより空間変調さ
れた変調色信号成分を１３１’Ｆで分所［シ、角−周波
数ωの基準周波数でｆＩｉＩ期検波することにより・第
１フイールド（ｎ）　ｌラインから（ｂ−ｇ）、（ｎ＋
１月１ラインから（ｇ−ｒ）の色差信号が、第２フイー
ルド（ｎｌ　ｌラインから（ｇ　ｒ）、（ｎ＋ｌＨｉラ
インからは（ｇ−ｂ）の色差信号が得られる。これら２
種の色差信号を（Ｇ−Ｂ月１＋、　ｔＲ−Ｇ）＠で各々
変調し＋　ｆｊｉｌ記の輝度信号と適当な比率で加見す
ることによりＮＴＳＣ信弓を得る。

第９図に小した本発明による固体撮（虫素子の走査方法
と色フィルタの関係を用いると１等１１Ｉｌｉ　Ｉｌｖ
に。

受光画素の水平方向のアパーチャを太き（シｔコことと
７．Ｃる。つまり、第１１図に小すような蛍光画、：・
。

と色フィルタにほぼ等価となる。つまり１水平ラインに
ついて、とえると、サンプリングのアパーヂャカ１／２
　画ＸオーバーラツプしていることとＲ価である。

しｊこがつ゛Ｃ１第８図から明らかなように１画素サン
プリングによる（ＩＪＩＩ波成分のル゛に周波成分は従
来例に化べ°Ｃ大幅に減少するため、輝度信号帯域内へ
１Ｍ人する折り返し歪は大幅に減少する。。

史に第１０　図から明らかなように、第１フイールドと
第２フイールドの各水平ラインにおける弯調色信シ］°
の位相が１８０°異なっているため、テレビジョン画面
上において、折り返しイｊを空間的（視′覚的）に加勢
し相殺する事ができる。

次に、第９図に示した如く空間的に斜め方向に位置する
受光画素の信号１′ａ萄を混合して読み出す具体例を第
１２図を用いて説明する。第１２図において、に）は受
光素子であるフォトダイオード、四〜（イ）はポリシリ
コンからなる車重１【転送？ＥＬ極、い＃弼は読み出し
ゲート、に）は垂１ば転送段である。フォトダイオード
（ト）と垂直転送段に）は図示しないがチャンネルスト
ッパーにより分ｉｆされ−Ｃいる。読み出しゲートｃ？
４弼は相対的に斜め方向のフォトダイオードの信号電荷
を読み出すようにジグザグ状に配置している。

上記の構造の固体撮像素子に第１８図に小すφｖ１〜φ
Ｖ４１　φｐ１．φＰ２のパルスを印加する。第１フイ
ールドにおいては、読み出しゲートφＩ’ｌにより読み
出された信号電荷をφＶ、〜φｖ４ゲート下において加
算混合した後、転送パルスφＶｌ〜−ｖ４で転送する。

第２フイールドにおいＣは、読み出しゲートφＰ２によ
り読み出された信号ｍｌ＋’４をφＶ、（。

φＶ４１　φｖＩケート下で加算混合した後、転送パル
スφＶｌ〜φｖ４で転送及び読み出しを行う。

次に、固体撮像素子と色フィルタの組み合せからカラー
テレビジョン信号を得る方法を第１４図を用い°Ｃ説明
する。第１４図においＣ１（至）は１ｊｉＪ記固体撮像
素子、３７）は同期信号発生器、（ホ）はプリアンプ、
い目まＬＰＦ　、　Ｃ０はＢＰＦ　、　ＣＩＯは同期検
波器、（３４はｌ水平期間遅延線、αやはスイッチ回路
、（ロ）はエンコーダ、（すはＮ　′ｒ　ｓ　ｃ信シづ
出力端子である。

次に動作を説明すると、固体撮像素子（イ）は同明信シ
］゛発生器翰から作られるパルスにより駆動される。固
体撮像素子出力信号は、第１０図に小したイ：１月であ
るため、プリアンプ（ハ）で増幅し、ＬＩ’ＦＣａｌに
より低域成分を分限して輝度信号を得る。また１３１’
ｌ”　＜りにより変調色信号を分離し、同期検波器Ｃａ
１ｌにより検波し、（ｇ−ｂ）と（ｒ−ｇ）の２つの色
差信号をｌ水平走査ごとに得る。その色差信号を１水平
期］１■連延線（→にＪ″り遅延する。遅延した信号と
Ｊイ魅しない信ＩＪをスイッチ回路に）によりｌ水平明
間ごとに切り換えて、順次色差信号を一時化する。

同時化された２つの色差信号及び輝度信号をエンコーダ
（ロ）へ供給し、エンコードすることにより出力端子に
）からＮＴＳＣ信号を取り出す。

本発明において、実施例としてインターラインＣＣＤ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、実施例では６シアン、黄、緑、マゼンタのフィル
タを用いたが、エンコーダの変調軸等信号処理系を変更
すれば、他の分光特性の色フィルタを使用できることは
言うまでもない。例えば、第９図における■ライン、　
（Ｎ＋２）ラインの０υを赤フィルタ、（９）を緑フィ
ルタ、　（Ｎ＋１）ライン、（Ｎ＋８）ラインの（財）
を緑フィルタ、　００をシアンフィルタに変えた場合に
も適用できる。

更に、本実施例では空間的に斜め方向に位置する受光画
素の信号電荷の混合を行う一実施例を示したが、他の方
法により信号ｆｔｉ荷の混合を行うことも可能である。

また、本発明はカラー固体撮像装置のみ荘らず白黒固体
撮像装置に応用しても折り返し歪が減少するため高画質
の白黒画像が得られる。

発明の効果 以上本発明にＪ：ると、フレーム残像が発生せず。

しかも折り返し歪の少ない自然な高画質のカラー固体撮
像装置を得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は従来のカラー固体撮像装置に使用して
いる色フィルタの構成図、第４図は第８図における出力
信号を示す図、第５図は第３図における出力信号のスペ
クトル図、第６図は第３図のフィルタ構成を改良した色
フィルタの構成図。 第７図は第６図における出力信号のスペクトル図。 第８図は固体撮像素子の受光画素の大きさとスペクＩ・
ル分布を示す図、第９図は本発明の一実施例のカラー固
体撮像装置における固体撮像素子と色フィルタの関係を
示す図、第１０図は第９図の出力（ｉｆ号を示す図、第
１１図は第９図における受光画素を等価的にホず図、第
１２図は第９図における受光面の具体例を示す図、第１
８図は第１２図における蜆１＜動波形図、第１４１’ｄ
は信号処理系のブロック図である。 （１す〜Ｑ擾・・・緑（Ｇ）フィルタ、シアン（ｃｙ　
）フィルタ。 マゼンタ（財）フィルタ、　黄（Ｙｅ）フィルタを組み
合せた受光画素、−・・・垂直転送段、四・・・水平転
送段、（−Ｐ）・・・ゲートパルス、　Ｃｆｖ）・・・
垂直転送パルス、（−Ｈ）パ°水平転送パルス 代理人　轟木義弘 第１図 第３図 第４図 ｎ）ｆｌｙ 第５図 第す図 第１Ｏ図 ０１匍 第１ｆ図 ζ　〜　情　！　Ｈ逸 ｂｋｂ　ｂ） ”６ｌ−−ｖ”ｅ−’ｅ− ζ つ、 〜　ｈ　聾 ζ　ｂ　ｔｅｌ＞　ミ ′ｅ−ミー　ミド　１−　ネ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、受光画素が２次元に配され、隣接した２つの水平ラ
   インを同時に水平走査し、隣接する２画素の信号電荷を
   混合して読み出す構成の固体撮像素子と、前記固体撮像
   素子の受光画素に対応させた色フィルタを有し、第１と
   第８の水平ラインには第１と第２の色フィルタを、第２
   と第４の水平ラインには第８と第４の色フィルタを配置
   し、この色フイルタ列を垂直方向に順次繰り返して配置
   したカラー固体撮像装置。 ２、奇数番目の水平ライン相互、もしくは偶数番目の水
   平ライン相互の変調色信号は瓦いに空間的に１８０°の
   位相関係を有する小を特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のカラー固体撮像装置。 ８、同時に読み出される２つの水平ラインの各画素間の
   信号電荷の混合は、第１．第２フィールド共に、空間的
   に同一の斜め方向の画素信号Ｔ１尤荷を混合する事を特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のカラー固体撮像装
   置ｉｆｔ。