JPS6019718B2 - カラ−固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はカラー固体撮像装置に関するもので、簡易な色
フィルタ配列構成と固体撮像板の組み合せでもつて高解
像度でかつライン濃淡妨害のない輝度信号を有するカラ
ーテレビジョン信号を得ることを目的とする。

被写体光学像をテレビジョン信号に変換するのに一般的
にはビジコン、プランビコン等の撮像管が用いられてい
るが、近年になって固体撮像素子が開発されようた〈実
用化されつつある。

固体撮像板としてはフオトダィオードのような感光素子
と電荷転送素子とを組み合せたものや、感光素子を格子
状に配列し、これを順次読み出していく方式のフオトダ
ィオードアレ一などがある。

電荷転送素子については特開昭４６−１２１１号公報に
電荷結合素子（ＣＣＤ）としてその原理が説明されてい
るように、半導体基板上に絶縁層を介して、２相、３相
或は４相になる構成でもつて配線された電極を設け、こ
の電極に例えば半導体基板Ｎ型であれば負の電圧をかけ
ることにより、半導体内に空乏層を生じさせ、この電極
の電位を順次移動させることによって空乏層を移動して
いく。この空乏層の中に電荷を注入しておけば、空乏層
の移動と共に電荷も移動する。

従って例えばホートダイオードとこのＣＣＤを組合せ、
光によってホトダイオードに生じた電荷をＣＣＤに送り
込み、順次ＣＣＤ内の電荷を移動させていき、取り出ば
よい。この原理を用いた固体撮像板の一例を第１図を用
いて説明する。

第１図において、１１，１２，１３・・・・・・ＩＮは
各々電荷を垂直方向に転送するＣＣＤであり、これを駆
動する転送パルスは垂直転送パルス発生器２より供給さ
れる。

３はフオトダイオードのような感光素子へ垂直転送ＣＣ
Ｄに沿って設けられ、光の強弱に応じた電荷を発生、蓄
積して、ある時間経過した後にこの蓄積した電荷を同時
に垂直転送ＣＣＤに注入する。

注入された電荷は矢印の方向に順次転送され、更に水平
転送ＣＣＤ４内に送り込まれ、水平転送パルス発生器５
からの駆動パルスによって矢印の方向に転送され出力端
子６より連続した映像信号として取り出す。この場合に
水平転送ＣＣＤの転送周波数ｆＨはｆＨ＝ｆＨｏ×Ｎ で表わされる。

カラーテレビジョン信号を得る場合には、このような撮
像板を３枚用い、ダィクロィックミラーで被写体像を三
原色に分光し、この光を各々撮板で受光し３つの色に相
当する電気信号を得る法が一般的である。

この方法は、撮像管を３本用いた３管式カラーテレビジ
ョンカメラ方式と原理は同じである。

しかしながら、３管式カラーテレビジョンカメラの場合
とは異なりレジストレーション調整のために非常に高精
度の機械的な調整が必要であり、しかも水平、垂直、回
転の３ケ所の調整が必要となる。周知の通り、撮像管は
電子ビームを磁界又は界によって光導電膜上に偏向走査
することにより信号を得るものであるため、レジストレ
ーション調整としては１本の撮像管を基本にして直流的
な磁界又は電界をかけることにより全体の画像の位置を
移動させ目的を達しているが撮像板においては機械的な
調整しかできず、しかも振中調整はそのままでは不可能
である。

この調整箇所を簡略イするか省略するために２撮像板方
式もしくは単像板方式が孝えられる。第２図および第３
図に一般的に孝えられる単撮像板カラ−カメラの方式の
一例を示す。

第２図はストライプ状色フィル夕を示しており、２７，
２８，２９は各々赤、青、緑の色光を通過させる色フィ
ルターェレメントである。

このストライプ状色フィル夕を第１図に示した撮像坂上
に重ねて配置することにより、出力信号として赤、青、
緑に相当した電気信号を点順次的に得る。この出力信号
を第３図にブロックダイヤグラムで示す信号処理系でも
つてカラーテレビジョン信号とする。第３図において、
３０は第２図に示すストライプ状色フィル夕を重ねて配
置した固体撮像板であり、クロツクパルス発生器３１か
らの駆動パルスによって駆動され、の出力信号は増中器
３２を経てサンプリング回路３３へ加えられる。

クロツクパルス発生器３１からの水平転送パルスに同期
したパルスは波形整形回路３４を通して各色信号の位相
と中に波形整形されたサンプリング回路３３に加えて各
色信号に分離れる。

この分離された信号はカラーエンコーダー３５に加えら
れ標準カラーテレビジョン信号を得る。この方式による
輝度信号の帯域中を第４図を用いて説明する。

この方式において白黒被写体を撮像した場合に各色フィ
ル夕を介した受光素子の出力信号をほぼ等しくなるよう
にしておけば輝度信号帯城中は受光素子数相当分すなわ
ち水平転送周波数Ａの１／２の周波数Ｂまでの帯城中を
持つ。しかしながら、擬似色信号防止のための空間周波
数フィル夕を光路中に挿入してストライプ状色フィル夕
の繰返し周波数、すなわち水平クロック周波数のき周波
数Ｄ附近に減衰させる必要のあることや、輝度信号とし
て用いるためにストライプ状色フィル夕で空間変調され
た周波数成分をローパスフィルタやトラップ等で除去す
るために帯城中は水平ク。ック周波数のき周波数よに狭
くなる。また色純度の高い被写体を撮像した場合には実
効素子数が言になるために輝度信号帯域中は更に狭くな
り水平クロック周波数Ａのき周波数Ｃまでとなつて著し
い解像度の低下をまねく。なお、第４図の点線で示した
ものは白黒被写体穣像時の、実線は色純度の高い被写体
糠像時の総合の輝度信号帯城特性である。

また第５図に示したのは複屈折水晶フィルターを用いた
空間周波数フィル夕の特性である。

従ってこの方式で解像度の向上を図るためには水平方向
の素子数を増加せざるを得ず、このために集積度を上げ
るか撮像素子面積を増やさねばならない。しかしこのよ
うな解決方法では撮像素子製造技術上多くの問題がある
ためにできるだけ小面積、少素子数の撮像板で可能なカ
ラー化の方式が望まれる。このために従来孝えられてい
るものよにも小面積、少素子数で実効的に解像度の向上
が可能なカラー化方式の一例として特磯昭５０一１２８
７５２を提案している。

その内容の概略を第６図、第７図で説明する。

第６図はモザイク状カラーフィル夕の配列を示しこのフ
ィル夕と固体撮像板とは対応しており、この中で６７は
赤（Ｒ）、６８は青佃、６９は輝度特性（Ｙ）又は全光
透過フィルターである。このような配列にすれば水平ラ
イン毎にＲ，Ｙ，Ｒ，Ｙ・・・・・・の列とＢ，Ｙ，Ｂ
，Ｙ・・・・・・の列の点順次信号が交互に得られる。
この信号を図示すると第７図のようになる。

第７図においてＡはＲ，Ｙ，Ｒ，Ｙ・・・…の列を示し
、ＢはＢ，Ｙ，Ｂ，Ｙ……の列を示す。Ａ列の信号成分
Ｓ＾，Ｂ列の信号成分ＳＢは各々Ｓ＾ニ（Ｒ＋Ｙ）＋Ｋ
Ｉ（Ｒ−Ｙ）Ｓｉｎのｔ．・・（２）Ｓ＾＝（Ｂ＋Ｙ）
＋ね（Ｂ−Ｙ）ｓｉｎのｔ．・・｛２）■はフィル夕の
繰り返し周波数、となる。

これを標準カラーテレビジョン信号に変換するフロック
ダィャグラムを第８図に示す。

第８図にいて８０は第４図で示したモザイク状カラーフ
ィル夕を配した固体撮像板であり、その出力信号サンプ
リング回路８１に供Ｖ給し輝度信号成分の。分もみをサ
ンプリングし、ローバスフイルタ８２を介して高周波成
分を除去し輝度信号とする。像板８０より得られた信号
を水平転送周波数の１２の周波数を中心とするバンドパ
スフィルタ８３に供Ｖ給しモザイク状色フィル夕で空間
変調されナ高周波成分のみを分離し、同期検波回路８４
で同期検波することにより水平ライン毎に色差信号（Ｒ
一Ｙ）と（Ｂ−Ｙ）を得、これをローパスフイル夕８５
を介して、一方は直接、もう一方は１水平期間遅延線６
６を介してスイッチ回路８７に加え、ここで線順次色差
信号を連続した二つの色差信号に直して後に、カラーエ
ンコーダー８８に供給し標準カラーテレビジョン信号を
得る。なお、８９はパルス発生器であり、この出力信号
を固体緑像板に加えて駆動させると共に、これと同期関
係にあるパルスをサンプリング回路８１及び同期検波回
路８４にも供給している。このようにすれば、輝度信号
の帯域中は色純度無関係に常に水平転送周波数の毒にな
る。

これは従来例よりも白黒被写体撮像時の輝度信号の帯城
性は狭いが高域での変調度が大きくとれるので画像は鮮
明になる。この場合の綜合輝度信号帯域特性を第９図の
実線に示す。今、第６図に示すカラーフィルターェレメ
ントを含む各個の受光素子の出力信号量を白黒被写体優
に糠像時に等しくなるように各色フィル夕の透過率を調
整しておけば、白黒像に限って言えば撮像素子出力信号
をサンプリング回路を介することなく極周波数が水平転
送周波数の１／２のローパスフィル外こ供ｖ給して高周
波成分を除去することによって、輝度信号の帯城中を水
平転送周波数の１／２まで広げることができる。

この関係を第９図に示す。第９図において、Ａは水平転
送周波数、Ｂはサンプリング回路８１に供聯合するサン
プリング周波数である。

サンプリングの定理により輝度信号帯城はサンプリング
周波数の１／２、つまりＣ点までしか得られないがサン
プリングすることなく、前記の極周波数が水平転送周波
数の１／２のローパスフィルタのみを用いるとすれば、
Ｂ点まで帯城中は広げられる。つまり点線の帯城中を有
することになる。実際には前に説明したように擬似信号
除去のために空間周波数フィル夕を挿入して光学的なボ
ケを生じさせる必要があることや、空間変一。された信
号を除去するために帯城中はもう少しくなる。第９図で
点線は白黒被写体像の、実線は色純度の高い被写体の総
合輝度信号特性を示す。また第１０図は前記擬似信号除
去のために用いる空間周波数フィル夕の特性を示す。な
お着色被写体の場合には色によっても異るが色純度の高
い被写体の帯域中はＣ点までとなり、狭くなる。

しかし一般の被床体は大体において色純度は低く、従っ
てほとんどの場合には帯城中の広い状態で使用すること
になり、実質的に解像度は向上する。しかしながら、着
色被写体の場合には第７図の波形及び第｛２，｛３｝式
からも明らかなように水平ライン毎に振中の異るいわゆ
るライン濃淡現象が生ずる。従ってこのライン濃淡妨害
が除去されれば大中な解像度の向上が図れる。本発明は
このライン濃淡妨害を除去し、帯城中の広い輝度信号を
得るモザイク状色フィル夕の配列に特徴を有するもので
ある。

第１１図に本発明の一実施例のモザイク状色フィル夕の
配列を示す。

第１１図において、１１１は第１図に示した固体撮像板
の受光素子を示し、モザイク状色フィル夕１１２がこの
受光素子と一定の関係になるように重ねてある。このモ
ザイク状色フィル夕１１２の使用色フィル夕の一例を示
すと１ １５は赤透過フィル夕、１ １４は青透過フィ
ル夕、１１３は輝度特性フィルタ又は全光透過フィル夕
であり、水平ラインに沿って受光素子２個に対して３種
類の色フィル夕１組の割合で例えば輝度、青、赤・・…
・の順に繰返して配置され、次の水平ラインには輝度、
赤、青の順に繰返して配鷹され、これが垂直方向に交互
に繰返して設けられている。つまり第１の水平ラインを
構成する奇数番目の受光素子にはその受光素子面積の２
／３に輝度特性を有するフィル夕１１３を配置し、残る
１／３には青色フィル夕１１４を配置し、偶数番目の受
光素子にはその受光面積の２／３に赤色フィル夕１１５
を配し、残る１／３には青色フィル夕１１４を配置して
いる。次に第２の水平ラインを構成する奇数番目の受光
素子にはその受光素子面積の２／３に輝度特性を有する
フィルター １ ３を配置し、残る１′３には赤色フィ
ルター１５を配置し、偶数番目の受光素子にはその受光
面積の２／３の青色フィル夕１１４を配し、残る１／３
には赤色フィル夕１１５を配している。本発明による色
フィル夕と受光素子の関係を簡単に述べると、前記赤フ
ィル夕、青フィル夕、輝度フィル夕を各々、Ｒ，Ｂ．Ｙ
とすれば、第１の水平ラインでは（Ｙ十Ｂ）、（Ｂ＋Ｒ
）、（Ｙ−Ｂ）……、第２の水平ラインでは（Ｙ十Ｒ）
、（Ｂ＋Ｒ）、（Ｙ＋Ｒ）となる感光素子列を垂直方向
に順次繰り返して配置し、前記第１、第２の水平ライン
から得られる信号成分のうち低域成分を等しくするため
に、第１と第２の水平ラインのＲ，Ｂ，Ｙの信号成分の
和が等しくなるように、各水平ラインの受光素子ごとに
Ｒ．Ｂの比率を変化させ、すなわち各受光素子に対応さ
せたＲ，Ｂの色フィル夕の面積を変え、かつ第１の水平
ラインの高城成分（隣接する受光素子間の差信号に等し
い）は（Ｙ一Ｒ）、第２の水平ラインの高城成分は（Ｙ
−８）となるように、Ｒ，Ｂ，Ｙの各色フィル夕を受光
素子に配置している。

また従来列と同様に、白黒被写体に対して各フィル夕を
介した受光素子の感度は各々ほぼ等しくすることが望ま
しく、このために各色フィル夕の透過率を変化させたり
或は光通過中を変えたりしてその目的を達することがで
きる。

第１２図は第１１図のものを用いた場合の動作を説明す
る波形図であり、第１２図においてＴの期間は１個の受
光素子より得る出力信号期間であり、実際にはパルス状
に生ずるが説明を簡単にするためにこのようにしている
。

Ａは第１１図に示したＢフィル夕が隣接する２個の受光
素子にまたがって配置された水平ラインの出力信号波形
であり、Ｂは第１１図に示したＲフィル夕が隣接する２
個の受光素子にまたがって配置された水平ラインの出力
信号波形である。このうち１２１は輝度特性又は全光透
過フィルタ部に相当する信号成分ぜあり１２２は青フィ
ル夕、１２３は赤フィルタ部に相当する信号成分を示し
ている。この信号を低周波成分と基本波成分で表わすと
Ａの水平ラインの信号をＳ＾としＢの水平ラインの信号
をＳＢとし、各受光画素から得られる信号を１とすれば
Ｓ＾＝（（妻Ｙ＋きＢ）十（奪Ｒ＋きＢ））十ＫＩ（Ｙ
一Ｒ）ＳｉｎのｔＳＢ：（（奪Ｙ＋きＲ）十（妻Ｂ＋き
Ｒ〉）十Ｋ２（Ｙ一Ｂ）Ｓｉｎのｔで表わされる。

ここでのは色フィル夕の繰り返し周波数であり、水平転
送周波数の享の周波数に相当する。ここで低域成分はい
ずれの水平ラインでも、ＳＹ＾：ＳＹ８：（奪Ｙ＋妻Ｒ
＋奪Ｂ）となり同一の分光特性を有する輝度信号成分と
なる。また、色フィル夕により空間変調を受けた変調色
信号成分である高城成分についてはＡラインでは（Ｙ一
Ｒ）信号成分が、Ｂラインについてては（Ｙ−Ｂ）信号
成分を得ることができる。

前記（Ｙ一Ｒ）、（Ｙ−Ｂ）信号は色菱信号であり、こ
の色差信号を得る方法としては第８図に示したよう助平
藤織物季の周波数を中′ｏとするバンドパスフィルタ８
３により前記基本成分、（Ｙ一Ｒ）ｓｉｎのｔ、（Ｙ一
Ｂ）ｓｉｎのｔを分離し、同期検波回路８４により同期
検波し、その高域成分をローパスフイルタ８５により除
去することにより色差信号（Ｙ一Ｒ）信号、（Ｙ−Ｂ）
信号を得る。ここで同期検波回路８４に供給する同期検
波用パルスは、水平転送周波数の季の周波数のパルスで
ある。以上のような構成であるため、水平ライン毎に低
域成分の信号振中が変動するライン濃淡妨害が生じない
。

したがって撮像素子出力信号を極周波数が水平転送周波
数の裏の周波数のローパスフイルタに供給して高周波成
分を除去することにより輝度信号を得ることができる。
なお色信号の処理については第６図、第８図で構成した
ものの処理と同様に行うことができる。第１３図に第１
１図の撮像板を用いた信号処理系のブロックダイヤグラ
ムを示すが、第８図と異るのはモザイク状色フィル夕を
配した固体緑像板１３１がかわったのとサンプリング回
路が除かれている点、及び輝度信号を得るためのローパ
スフイルタの極周波数が第８図の場合に比べて約２倍に
高くなっている点である。

なお、６３は変調色信号を分離するためのバンドバスフ
ィルタ、６４は前述の同期検波回路、６５は同期検波し
た信号に含まれる高周波成分を除去するためのローパス
フイルタ、６６はＩＨ遅延線、６７はスイッチ回路、６
８はヱンコーダである。

なお、第１１図の色フィル夕の配置を第１４図のように
してもよいし、また第１５図のような配列にすればモザ
イク状色フィル夕を受光素子の関係が少しずれても色信
号の再生には影響を受けない利点を有する。

また上述の説明では赤、青、麹度フィル夕を用いたが、
赤、緑、輝度の組合せでもよいし、原色の組合せや、補
色を用いても同様の効果がある。

以上のように本発明によれば、撮像素子出力信号を極周
波数が水平転送周波数の芸の周波数の。ーパスフイルタ
に供孫台して、撮像素子出力信号に含まれる好機織物芸
より高岬激励を除去することにより得た低域成分を輝度
信号として用いるための、信号帯域中の広い輝度信号を
得ることができるため、水平解像度の大中な向上が可能
であり、しかもライン濃淡妨害も全く生じない技低２色
ですむので安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は感光素子と電荷転送素子を組み合わせた固体撮
像素子の一例を示す概略図、第２図は赤、青、緑の３色
ストライプフィル夕の配列図、第３図は第２図のストラ
イプフィル夕と固体撮像板を組み合わせた素子をいたカ
ラー固体撮像装置のブロック図、第４図は第３図のカラ
ー固体撮像装置による輝度信号の帯城を示す図、第５図
は空間周波数フィル夕の特性図、第６図はモザイク状色
フィル夕の配列図、第７図Ａ，Ｂは第６図のフィル夕と
固体撮像板を縫合せた撮像素子の出力信号波形を示す図
、第８図は第６図のフィル夕と固体猿像板を組合せた素
子を用いたカラー固体撮像装置のブロックダイヤグラム
、第９図は水平駆動周波数、サンプリング周波数と映像
信号帯城の関係を示す図、第１０図は空間周波数フィル
夕の特性図、第１１図は本発明の一実施例におけるカラ
ー固体撮像袋直に用いられるモザイク状色フィルタ基本
配置図、第１２図Ａ，Ｂは第１１図の色フィル夕を用い
た糠像素子の出力信号波形図を示す図、第１３図は本発
明の一実施例におけるカラー団体撮像装置のブロックダ
イヤグラム、第１４図および第１５図は同装置のモザイ
ク状色フィルタ配置の他の例を示す水面図である。 １１１・・・・・・受光素子、１１３・・・・・・輝度
特性フィル夕、１ １４・・・・・・青透過フィル夕、
１ １５・・・・・・赤透過フィル夕。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 図 〇 船 図 の 船 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１４図 第１５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ モザイク状の色フイルタと固体撮像板を組み合せて
   構成された水平ラインに沿つて第１の受光素子に対して
   第１と第２の分光特性を有する色フイルタを配した第１
   の色光感光素子と、第２の色光素子に対して第３と前記
   第２の分光特性を有する色フイルタを配した第２の色光
   感光素子との組み合せて順次繰り返して設けた第１の色
   光感光素子列と、第３の受光素子に対して、前記第１と
   第３の分光特性を有する色フイルタを配した第３の色光
   感光素子と、第４の受光素子に対して前記第３と第２の
   分光特性を有する色フイルタを配した第２の色光感光素
   子列より成り、垂直方向に対して前記第１と第２の色光
   感光素子列を順次繰り返してなる撮像板を有し、前記第
   １の分光素子に対する前記第１の分光特性を有する色フ
   イルタと前記第２の分光特性を有する色フイルタの比率
   を２対１とし、前記第２の分光素子に対する前記第２の
   分光特性を有する色フイルタと前記第３の分光特性を有
   する色フイルタの比率を１対２とし、前記第３の分光素
   子に対する前記第１の分光特性を有する色フイルタと前
   記第３の分光特性を有する色フイルタの比率を２対１と
   し、前記第４の受光素子に対する前記第３の分光特性を
   有する色フイルタと前記第２の分光特性を有する色フイ
   ルタの比率を１対２とし、前記固体撮像板の出力信号か
   ら低域成分を直接ローパスフイルタにより分離して得た
   信号を輝度信号とするとともに、前記第１と第２及び第
   ３と第４の色光感光素子出力信号から差信号を分離し色
   差信号を得る事を特徴とするカラー固体撮像装置。