JPS60172890A - 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】 く技術分野〉 本発明は電荷転送型の２次元面体撮像装置に関するもの
である。

〈従来技術〉 バケツリレー素子（ＢＢＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ　
）などの軍票転送素子を用いた２次元固体撮像装置には
、第１図（ａ）に示すフレーム転送方式と第１図（ｂ）
に示すインターライン転送方式が知られている。いずれ
の転送方式でも通常は画素密度を高めるため２画素で垂
直転送１ビツトに対応させているが、信号電荷を転送す
るには１ビツト当シ１信号である。従って１読み出し周
期（１）、ｆ−ルド）で読み出し得る画素数は全画素の
ｈとなる。

即ちフレーム転送方式では必然的に、インターライン転
送方式では駆動の仕方によシ、毎フィールド全画素信号
を取り出してから垂直に隣接する２画素を加算して出力
する手法となシ、第２図（ａ）。

（ｂ）に示す如く奇数フ、ｆ−ルド（ａ）と偶数フ、イ
ールド（ｂ）で加算する画素の組合せを変えることによ
如インターレースが可能である。この場合の光信号電荷
蓄積期間は各画素とも１フイールドであシフ、ｆ−ルド
蓄積モードとなる。

一方、インターライン転送方式の場合には、さらに奇数
フィールドにおいて垂直方向に１画素おきで取り出して
出力し、偶数フィールドで残シの画素を数多出して出力
する手法が可能であり、必然的にインターレースとなっ
ている。この場合の光信号電荷蓄積期間は各画素につき
１フレーム（２）、イールド）であシフレーム蓄積モー
ドとなる。

このようにいずれの転送方式及び蓄積モードの場合にも
、得られる情報は１フ、ｆ−ルド当シ全画素数の匙であ
シ、フィ−ルド蓄積モードでは垂直の解像度が、フレー
ム蓄積モードでは時間分解能がそれぞれ劣化する。こと
に固体撮像素子を１枚用いてカラー信号を得る単板カラ
ー化方式の場合には、得られる情報密度が少ないことは
強い制約条件となり解、像度の劣化が大きくなる。

即ち、単板カラー化方式においては同時に３信号（３原
色信号ないし輝度信号と２種の色信号）を得る必要があ
るが、従来の方式では３種すべての信号の高解像度化を
計ることは困難である。例えばフィールド蓄積モードで
考えるとフレーム転送方式、インタ−ライン転送方式い
ずれであっても、垂直方向に隣接する２画素信号を加算
して読み出す必要があり、４＃！Ｉ素からは２信号しか
得られない。

ところで一般に垂直よシ水平の解像度が重視されるから
、水平方向は２画素単位とするのが望ましい。従って第
２図に示すように水平２画素垂直４画素の計８画素が単
位となる。インターレースを考慮すると原色フィルりで
は蘇ストライプ型しか適用できないがこの場合水平３画
素単位となって好ましくない。補′色フィルりでは一般
に輝度信号と２種の色信号の形で出力信号を得るが、輝
度信号は水平・垂直とも高い解像度がめられるから、水
平・垂直各２画素の計４画素から１信号を得、色信号は
水平２画素・垂直４画素の計８円素から各１信号を得る
。即ち上記８画素単位からは計４信号を得る。このよう
に各信号の解像度は演算の範囲に対応して劣化すること
になる。また補色フィルりの場合、色信号を得るために
は信号間で加減算を行なう必要があるが、上述のように
演算の範囲が空間的に広がっていると偽信号を生じやす
い。

〈発明の目的〉 本発明は以上の問題点に鑑みて考案されたものであり、
上記従来手法に比べ一得られる情報量が１．５倍に高め
られることにより、特に単板カラー化を行なう場合きわ
めて高い解像度の画像が得られる固体撮像装置を提供す
る。

〈実施例〉 以下では電荷転送素子内の信号電荷が電子の場合につい
て議論するが、正孔の場合にも極性を変えるのみで全く
同様ＫＭ論することが可能である。

電荷転送素子の転送密度を上げる手法として１電極／ビ
ツト法（Ｅ／Ｂ法）が知られている。これは第３図（ａ
）に示すように、転送の方向付けのための電位障壁を備
えた電極がｎ（３以上の整数）相単位の縁返しで並べて
設けられた構造をもち、ｎ個の電位の井戸中１個のみ空
き領域、Ｊｌのｎ−１個を信号領域とし、空き領域を転
送と逆の方向へ移動させることによシ順次信号電荷を転
送する手法である。第３図（ｂ）は各電極に与えられる
パルス信号を示す。これにより転送密度は従来手法に比
べ２（ｎ−１）／ｎ倍高められる。一方ｎ相Ｅ／Ｂ法を
駆動するためのパルス数は１周期当りｎ（ｎ−１）とな
る。即ちｎの増大によシ転送密度の向上率は鈍化し駆動
は急徴に繁雑となる。従ってｎの最適値は比較的小さい
値である。

本発明はきわめて有効なＥ／Ｂ法を適用し得る２次元固
体撮像素子である。まずフィールド蓄積モードとし全画
素信号をフィ−ルド内に各電極下に蓄積する。次に垂直
方向ｎ画素を組としてその組に１個の空領域を設けるた
め、垂直ｎ画素周期で２画素の信号を加算する。尚上記
ｎは、加算領域の空間周期をフィールド内で水平走査の
垂直方向周期の整数倍とするため偶数とする。次に加算
を施こしていない（ｎ−２）画素部分は従来の読み出し
方式に比べ２倍の信号密度であるから、水平読み出し領
域は２列とする。該２列水平読み出し領域を同時に駆動
することにより、１水平走査期間（ＩＨ）のｎ／２倍を
周期とし、うちＩＨの間のみ加算信号と空の信号が読み
出され、残シの（ｎ／２−ｆ）Ｈの間は単独の画素信号
が同時に２画素ずつ読み出される。

次にｎ＝４とした場合の撮像装置を挙げて画素信号読み
出し動作をよシ詳細に説明する。まず駆動の容易さにつ
いて述べる。第４図はｎ＝４としてインターライン転送
型固体撮像素子に適用した場合の模式図である。この場
合の転送指令信号φＴＧ及び駆動波形を第５図（ａ）及
び（ｂ）に示す。

またこのときの信号パケットの転送の様子を第５図（ｃ
）に示す。垂直転送の最終段では最下段のゲートφＶ３
１　φ９．に信号パケットが蓄積され、次に２水平列へ
移されて、ＩＨ毎に読み出される。第５図より明らかな
ように、駆動波形は１２パルヌで１周期となるがＩＨ内
では６パルヌでよい。従って通常の４相駆動の場合と大
差ない駆動条件によシ容易に動作が可能と々る。

なお、信号パケットを最下段φＶ３＋　φｖ４ゲート下
から２水平列へ移す場合の一手法を第６図に示す。第６
図（ａ）は素子パターンの模式図、同図（ｂ）は駆動波
形を示し、同図（ｃ）は駆動の様子をポテンシャルで示
したものである。これによシＩＨ毎の水平転送の始まシ
において、φＶ３１　φｖ４ゲート下で隣接する２倍号
は２水平列上において同一のゲート下に蓄積され、従っ
て同一のタイミングで読み出されることになる。第６図
（ａ）において一点鎖線は活性領域Ａ、実線で囲む領域
は１層目ゲートＢ１大破線で囲む領域は２層目ゲートＣ
１及び細破線で囲む領域は３層目ゲー）Ｄを示す。

次に撮像装置が単板カラー化の構成をとる場合には、第
７図（ａ）奇数フィ−ルド内ド７図（ｂ）偶数フィ−ル
ド内ドすように、垂直２画素加算信号（ａｌ＋ａ２）又
は（ａ２＋ａ３）と垂直２画素部々を分廟した２倍号ａ
３＋　Ｃ４又はａｌ＋ａ４とがＩＨ毎に交互に得られる
。従って第２図の場合に比べ得られる情報密度は１，５
倍となるから、水平２画素・垂直４画素の８画素組から
は６倍号を得ることができる。

１例として上記８画素組ａｌ−ａ４及びｂ１〜ｂ４から
輝度信号４種、色信号２神を得る場合を説明する。まず
画素加算信号はそのままで輝度信号とする。次に画素単
独信号は垂直２画素部号の加算で輝度信号とし、４画素
間の演算で２種の色信号を得る。この場合、輝度信号は
水平方向画素単位で得られるから、従来手法に比べ垂直
解像度は同じのまま、水平解像度を大幅に高められる。

また色信号を得るための演算の範囲が狭い領域に限られ
るため、偽色信号の発生が抑えられる。

上述の利点が得られる単板カラー撮像装置における色フ
４　）ｖり配列の例を第８図（ａ）及び（ｂ）に示す。

ここでＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）、Ｙｅ（黄
色）、Ｃｙ（シアン色）、Ｗ（透明）をそれぞれ表わす
。

垂直２山素加算信号は第８図（ａ）ではＧ＋Ｗ−Ｙｅ＋
Ｃｙ＝Ｒ＋２Ｇ＋Ｂ、第８図（ｂ）ではＢ十Ｙｅ＝Ｒ＋
ＣＹ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂとなり、それぞれ近似的に輝度信号と
なる。一方画素単独４信号からは、第８図（ａ）の場合
　２　Ｒ＝　（Ｗ　＋　Ｙｅ　）　−（Ｃｙ十Ｇ）、２
Ｂ＝　（Ｗ＋Ｃｙ　）　（Ｙｅ＋Ｇ　）にょシ、また第
８図（ｂ）の場合　２Ｒ＝（Ｒ＋Ｂ　）＋（Ｙｅ　−Ｃ
ｙ　）。

２］３−（Ｒ十Ｂ　）＋（Ｃｙ　−Ｙｅ　）により、そ
れぞれ２種の色信号が得られる。

第９図は第８図（ａ）ないしくｂ）の配列の色フィルタ
に対して本発明の一実施例を示す回路ブロック図である
。第８図（ａ）ないしくｂ）の配列の色フィルりを備え
た固体撮像素子１からの２出力信号２及び３は各々増幅
され分岐される。そのうちの各１分岐信号はそのまま加
算されて信号４となる。

信号４は常に垂直２画素加算信号であるから広帯域実時
間輝度信号となり、γ補正等を行なうプロセス回路１４
を介すことにより輝度信号出力Ｙとなる。信号２及び３
を増幅した後の他の分岐信号は、それぞれ一方は直接、
他方はＩＨ遅延回路５．６を介して、スイッチ同浴７へ
導かれる。スイッチ回路７はＩＨ毎に交互し、常に画素
単独信号のみを出力する。スイッチ回路７の出力はさら
にスイッチ回路８へ導かれる。スイッチ回路８はフィー
ルド毎に交互し、常に２種の色信号のみが画素毎に交互
する信号を各々２組出力する。スイッチ回路８の出力は
サンプルホールド回路９．１．０゜１１及び１２へ導か
れる。サンプルホールド回路９．１０は両者間で１画素
分周期がずれ各々２画素周期で動作し、回路１１は回路
９と、回路１２は回路１０と夫々同一のタイミングで動
作する。

従ってサンプルホールド回路９，１０，１１．１２は各
々単一の色信号のみをサンプルホールドする。

即ち第８図（ａ）の色７．ＯＬ’ｌｌの場合は、Ｇ、Ｙ
ｅ。

Ｗ、Ｃｙの各（１、第８図（ｂ）の色フィルりの場合１
ｔｉ、Ｂ、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｒの各信号がサンプルホールド
される。スイッチ回路９．１０，１１．１２の出力はマ
トリクス回路１３へ導かれ、４種の信号の線型結合によ
り、色差信号用輝度信号Ｙ′。

赤色信号Ｒ１青色信号Ｂが形成される。即ち第８図（ａ
）の色フィルタの場合は次式により形成される。

Ｙ’　−ａｌｌ　Ｗ＋ａ１２　Ｇ　＋ａ１３　Ｙｅ　十
ａｔ４ＣｙＲ＝ａ２１Ｗ　８２２　Ｇ＋ａ２３　Ｙｅ　
ａ２＜　ＣｙＢ　＝ａ３１Ｗ　ａ３□Ｇ　ａ３３　Ｙｅ
十ａ３４　Ｃｙまた、第８図（ｂ）の色フィルりの場合
は次式により形成される。

Ｙ’　−ｂ＋＋　Ｒ＋　ｂ＋２　Ｂ　＋ｂ＋３．Ｙ　ｅ
　＋　ｂｎ　ＣｙＲ””ｂ２ｔ　Ｒ＋ｂ２２　Ｂ＋ｂ２
３　Ｙｅ　ｂ２４　ＣｙＢ　＝ｂ３１　Ｒ＋ｂ３２　Ｂ
　ｂｓ３Ｙｅ＋ｂ３４　Ｃ）’こうして得′られたＹ’
、Ｒ，Ｂ各信号はそれぞれプロセス回路１５．１６．１
７へ導かれる。プロセス回路１６及び１７の出力からは
上記プロセス回路１５の出力がそれぞれ減算され、色差
信号出力Ｒ−Ｙ’　及びＢ−Ｙ’　となる。こうして得
られた色差信号は同一時間の色信号と輝度信号の差であ
るから、垂直方向に輝度灰化の大きい光像に対しても偽
色信号を生じない。なぜならば輝度信号Ｙは実時間信号
であるから、受像側で再生する場合次式のようになる。

色信号が実時間信号・・・Ｃ＝（Ｃ−Ｙ）。＋Ｙｏ−ｃ
。

色信号がＩＨ遅延信号・＝Ｃ＝（ＣＹ）＋＋Ｙｏ＝Ｃ＋
＋（Ｙｏ　Ｙ＋）ここでＣはＲないしＢ信号である。上
式よシ色信号ＣがＩＨ遅延信号の場合垂直輪郭信号Ｙ。

−Ｙｌで補正され、偽信号となら々い。

上記実施例は第８図（ａ）の色フ、イルり配列の場合に
ついて説明したが本発明が有用となる色フィルり配列は
他にも種々存在する。例えば輝度信号として水平・垂直
各２画素の４画素単位から低域成分を得、水平１画素・
垂直４画素の４画素単位から高域成分を得る信号処理も
可能であり、その場合の色フ、ｆルタ配列の例を第１０
図（ａ）、　（ｂ）に示す。これによる輝度信号の解像
度は第８図の場合とほぼ同じである。また色信号は第８
図におけるとほぼ同様の処理によシ得られる。

また、固体撮像素子としては第４図に示すようにインタ
ーライン転送方式の場合について説明を行なったが、フ
レーム転送方式においても本発明は適用可能である。こ
の場合インターライン転送方式の場合と比較すると素子
駆動法は変わるが素子出力の信号処理法は同じであり、
得られる画質も同じである。

〈効　果〉 以上説明してきたように、本発明によれば電荷転送型固
体撮像素子から得られる情報密度が１．５倍に高められ
、特に単板カラー化した場合には、理想的な毎フィール
ド全画素信号を独立して読み出す場合（電荷転送素子で
は通常実現不可能゛　）と比べてもほとんど差のない、
高解像度のカラー映像信号を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は電荷転送型固体撮像素子にお
ける転送方式を説明するだめの図、第２図は従来の電荷
転送型固体撮像素子においてフ、ｆ−ルド蓄積モードに
よる駆動を行なった場合の読み出し得る画素領域を示す
図、第３図（ａ）、（ｂ）は一般的な１電極／ビツト法
における動作を説明する図、第４図は本発明をインター
ライン転送構成で実現した場合の撮像素子模式図、第５
図（ａ）、（ｂ）は第４図に示した撮像素子の駆動波形
を示す図、第５図（ｃ）は同駆動における信号の転送の
様子を示す図、第６図は垂直転送部と水平転送部の関係
の一例を示す図で、（ａ）はパターン図、（ｂ）は駆動
波形図、（ｃ）はポテンシャ１１図、第７図は本発明に
よる固体撮像素子において読み出し得る信号の画素領域
を示オ図、第８図（ａ）及び（ｂ）は本発明が適用可能
な色フ、ｆルタ配列の例を示す図、第９図は第８図に示
す配列の色フ、Ｃルタを用いて本発明を実施した場合の
信号処理の回路ブロック図、第１０図（ａ）及び（ｂ）
図は本発明が適用可能な色フィルり配列の他の例を示す
図である。 １：固体撮像素子、　５，６：ＩＨ遅延回路、７．８：
スイッチ回路、９，１０，１１．１２＝サンプルホ一ル
ド回路、１３：マトリクス回路、　、１４．１５．１６
，１７：プロセス回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電荷転送型撮像素子を備えた固体撮像装置において
   、垂直読み出し領域は、画素信号の読み出しを制御する
   信号を与えるだめの画素釜々に対応した電位障壁付き電
   極が形成され、上記垂直読み出し領域の各出力端側には
   ２列の水平読み出し領域が設けられてなり、上記画素信
   号の読み出し制御信号は、読み出しのフ、ｆ−ルドごと
   に全画素信号を各画素信号独立で前記垂直読み出し領域
   に蓄え、該蓄えられた画素信号を垂直方向４画素毎に１
   画素の信号を転送方向に隣接する画素側へ移して加算す
   ると共に空き領域を形成し、該空き領域を介して各画素
   信号を垂直読み出し方向に転送し、前記２列の水平読み
   出し領域へ前記加算信号と空信号の組及び加算されない
   残りの２画素の信号の組を１水平走査期間毎に交互に順
   次導入し、２水平読み出し領域は導入された上記信号を
   １水平走査期間毎に同時に読み出して、２信号よりなる
   撮像信号を形成することを特徴とする固体撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記読み出し制御信号は、垂直方向４画素毎に加算さ
   れる画素領域を読み出しのフ、ｆ−ルドごとに垂直方向
   に１画素分ずらして与えられることを特徴とする固体撮
   像装置。 ３　特許請求の範囲第１項又は第２項記載の固体撮像装
   置において、前記撮像素子は各画素に対応して色フ、イ
   ルりが配列され、該撮像素子から加算信号と空の信号が
   同時に読み出される水平走査期間と、加算されない２画
   素の信号が同時′に読み出される水平走査期間とを、１
   水平走査期間遅延回路を用いて同時化することにより、
   常に輝度信号と２種の色信号を得るこχを特徴とするカ
   ラー用固体撮像装置。