JPS6068788A - 固体カラ−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、フィルタが２次元に配列された固体撮像素子
を１個用いてカラービデオ信号を得る単板カラー撮像装
置に関し、特に水平及び垂直両方向の解像度を高める手
段に関するものである。

〈従来技術〉 固体撮像素子を単板にてカラー化するには通常色フィル
タを撮像素子の受光面に配置し、各色フィルタと画素を
対応させることにより色成分毎に別々に空間サンプリン
グする手法が用いられる。

この場合カラービデオ信号を構成する各成分信号の解像
度は色フィルタ配列と信号処理の手法により大幅に変化
する。ｋお、ビデオ信号は通常インターレース走査を行
なうため以下の説明では撮像素子はインターレース読み
出しを前提とする。

高い解像度を得るため従来良く知られている色フィルタ
配列は、視覚的に高い解像度がめられる輝度信号の大半
を占める緑色（Ｇ）フィルタを市松状に配し、残りの位
置に赤色（Ｒ）フィルタと青色（Ｉ３）フィルタを一定
周期で配したものであり、第１図（ａ）に示すベイヤー
配列ではＲフィルタとＢフィルタが走査線周期で垂直方
向に交互し、第１図（１〕）に示すインターライン配列
ではＲフィルタどＢフィルタが２垂直列毎に水平方向に
交互する。これらの場合輝度信号は高い解像度が得られ
るが、色信号はＲ信号、Ｂ信号とも解像度は不十分であ
る。

即ちベイヤー配列ではＲ信号、Ｂ信号とも交互に１水平
走査期間（ＩＨ）毎に欠落するため】Ｈ遅延した信号に
よって交互に補間する必要があるが、このため垂直解像
度は低くなる。特にインターレース読出しであることに
より垂直方向ナイキスト限界周波数の１／２においてさ
え応答は０となる。

一方、インターライン配列ではＲ信号、Ｂ信号とも垂直
方向での解像度の劣化はないが、水平方向には解像度は
低く、水平方向ナイキスト限界周波数のＩ／２において
応答はＯとなる。

以上はＧ、Ｒ，Ｂの３原色フィルタを用いた場合である
が、補色フィルタを用いた場合でも基本的には同じ問題
が存在する。例えば第１図（ａ）及び（ｂ）において、
（、−）Ｗ　＝Ｇ　＋　Ｒ＋　Ｂ　（透明）　、　Ｒ−
＋Ｃｙ＝Ｇ　＋　Ｂ（シアン色）　、Ｂ−＝Ｙｅ＝Ｇ＋
’Ｒ（黄色）とした場合を考える。このときＧ信号は基
底バンド成分として高解像度の信号が得られ、又Ｒ及び
Ｂ信号は変調成分として得られる。しかしＲ及びＢ信号
の変調される空間領域は３原色フィルタにおけるＲ及び
８画素の空間領域と同じである。従って解像度に関し前
記と同じ問題を生じる。

〈発明の目的〉 本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、輝
度信号の解像度を高く保ったまま色信号の解像度を水平
・垂直の両方向とも高くし得る固体カラー撮像装置を提
供するものである。

く、実施例〉 第１図（ａ）の場合Ｒ信号、Ｂ信号とも水平解像度は高
い利点を持つ。従って垂直解像度の劣化を防ぐ手法があ
れば水平・垂直の両方向とも高い解像度が得られる。い
ま第２図に示すようにフ、ｆルタ配列の垂直方向繰返し
単位を１画素とし、Ｒ信号５Ｂ信号を１フイールド前の
信号によって補間したとすると、Ｒ信号、Ｂ信号とも垂
直解像度は２倍高められる。しかしながらこの場合は、
各画素の信号を読み出す周期は第３図（ａ）に示すよう
に１フレーム（２フイールド）であり、１フレ１４Ｊ（
ｌ’、ｆｌ積分した信号である。従って実時間信号と１
フィールド期間（ＩＦ）遅延した信号との間には最大３
フィールドに及ぶ時間差が生じ、動きのある光像を撮像
した場合には補間した色信号が実信号と太きくずれるこ
とにより色割れ現象が顕著となる。

以上の問題を解決するには、光像の積分期間を半分の１
フイールドとするフィールド読出しとし、実時間信号と
ＩＦ遅延信号の時間差を小さくすれば良い。これにより
第３図（ｂ）に示すように実時間信号とＩＦ遅延信号と
の時間差は最大でも２フイ−ルドになるとともに、積分
期間が１／２となったことによって時間分解能が向上す
る。さらに、フィールド読出しにおいてもなお存在する
フィールド補間に伴なう偽信号には後述するように、補
正信号が容易に得られるから色割れ現象は実質的になし
とすることが可能である。

第４図（ａ）及び（１〕）は、フィールド読出しを行な
い、かつフィールド補間を可能とする本発明による一実
施例の色フィルタ配列の例を示したものである。

これらはともに４種の絵素を用い、そのうちの１種は他
の３種の分光特性を加算した、ないしその定数倍の分光
特性を備えており、４水平列毎の繰返し単位で配列され
たものである。なおＭａはＲ４−Ｂより構成されるマゼ
ンタ色のフィルタである。まｌコ第４図（ａ）ではＹｅ
、Ｃ７０間で、（ｌ〕）ではＢｌＲの間で配列を入れ替
えても信号処理及び画質は同様である。第４図（ａ）及
び（ｂ）ともに、奇数フィールドでは偶数番目水平列と
その上の奇数番目水平列間で上下２画素信号を加算し、
偶数フィールドでは偶数番目水平列とその下の奇数番目
水子列間で上下２画素信号を加算する。これにより各画
素信号はフィールド周期で取り出されフィールド読出し
と凶こる。さらにこのとき以下のようにしてフィールド
補間が有用となる。

第４図（ａ）では奇数フィールドではＲ−（Ｇ＋Ｂ）信
号がナイキスト限界周波数（ｆＮ）で変調され、Ｒ十Ｇ
＋Ｂ信号が基底バンド信号となる。、基底バンド信号の
帯域はｆＮｌで存在するが、ＩＮ近傍に存在する変調成
分を除去するだめｆＮ　より若干狭い帯域とする。この
場合でも十分広い帯域であり高解像度信号となる。偶数
フィールドでばＢ−（Ｇ＋Ｒ）信号がＩＮで変調され、
Ｒ＋　Ｇ　＋　Ｂ信号が基底バンド信号となる。以上よ
り基底バンド信号より広帯域のＲ＋Ｇ＋Ｂよりなる輝度
信号が常時得られるとともに、変調信号に基底ハンド信
号を加算し１／２倍することにより水平解像度の高い】
く信号とＢ信号がフィールド周期で交互に得られる。よ
ってＩＦ遅延回路によってフィールド補間することによ
り、垂直解像度を劣化させることなく高い水平解像度の
Ｒ借上とＢ信号が常に得られる。

第４図（ｂ）では奇数フィールドでは２Ｒ信号がｆＮで
変調され、Ｇ＋Ｂ信号が基底バンド信号となる。

同様に偶数フィールドでは２Ｂ信号がｆＮで変調されＧ
＋１？信号が基底バンド信号となる。従って変調信号の
１／２を基底バンド信号に加算することによりＲ＋Ｇ＋
Ｂよりなる輝度信号が常時得られる。

なおこの場合広帯域基底バンド信号と比較的低い帯域の
変調信号の和であるが、輝度の主要成分であるＧ信号が
常に基底バンドに含まれるため全体としても高帯域であ
る。一方１く信号とＢ信号は変調信号の１／２からフィ
ールド周期で交互に得られるから、１Ｆ遅延回路によっ
てフィールド補間することにより水平・垂直方向とも高
い解像度のＲ信号とＢ信号が常に得られることになる。

以上述べたフィールド読出しにおいても、フレーム読出
し程ではないがフィールド補間を行なうと動きのある光
像に対し偽信号が生じる。即ち例えば第５図に示すよう
に白色光像が時間的に変動した場合、フィールド番号２
ではＲ信号が欠落するだめ白色像がシアン色になり、フ
ィールド番号５でばＢ信号が余分となるため黒色像が青
色となる。この現象は以下のようにして解消される。輝
度信号は各フィールドにおいて実時間で得られるから輝
度実時間信号Ｙ（ＯＦ）から輝度ＩＦ遅延信号Ｙ（ＩＦ
）を減算し、フィールド補正信号Ｙ（叶）−Ｙ（ＩＦ）
を形成する。このフィールド補正信号ラフイールド遅延
した色信号に加算すると、丁度前記偽信号が消去され、
正常な色信号が得られる。

第６図は以上に示した実施例を実現するだめの回路ブロ
ック図を示したもので、第４図（ａ）の色フィルタ配列
に適合するものである。まず、第４図（ａ）の色フィル
タを備えた固体撮像素子１がらの信号は分岐され、一方
は直接他方はＩ　Ｆ遅延回路２を介して、サンプルホー
ルド回路３　、４ナイＬ５　。

６へ導かれる。奇数フィールドでは、上記回路３でＹｅ
＋Ｍａ、回路４でＣｙ　＋　Ｗ　＋回路５でＣｙ＋Ｍａ
。

回路６でＹｅ＋Ｗ信号が夫々サンプルホールドされ、偶
数フィールドでは、回路３でｃｙ＋Ｍａ、回路４でｙｃ
＋ｗ、回路５でＹｅ＋Ｍａ、回路６でｃｙ→Ｗ信号が夫
々サンプルホールドされる。回路３及び４がらの信号は
一方は両者が加算され１／３倍されてＲ十Ｇ＋Ｂ信号７
が得られ、他方は回路３の出力から回路４の出力が減算
され、奇数フィールドでＲ−Ｃｙ、偶数フィールドでＢ
−Ｙｅとなる信号８が得られる。同様にして回路５及び
６の出力信号から加算とＩ／’ａ倍によりＲ＋　Ｇ　＋
　Ｂ信号が、減算により奇数フィールドでＢ−Ｙｅ　、
偶数フィールドでＲ−Ｃｙとなる信号１０が得られる。

ここでサンプルホールド信号間の加算は丁度水平方向に
隣接し合う画素信号間の和を順次取ったことと同じとな
り、基底バンド信号からｆＮ近傍の成分を除去した信号
である。またサンプルホールド信号間の減算は水平方向
に隣接し合う画素信号間の差を順次取ったことと同じと
なり、ｆＮ近傍の変調成分を取り出し低域変換したこと
と同じである。さて、信号７は低域通過フィルタ１１に
より帯域をｆＮ／２に制限された後信号８に加算されさ
らに１／２倍されて、奇数フィールドでＲ１偶数フィー
ルドでＢとなる信号Ｉ３が得られる。同様に信号９に低
域通過フィルタ１２により帯域をｆＮ／２に制限された
後信号１０に加算されさらに１／２倍されて、奇数フィ
ールドでＢ、偶数フィールドでＲとなる信号１４が得ら
れる。一方、低域通過フィルタ１１及び１２の分岐され
た各々別の出力は前者から後者が減算され、適当な大き
さに調整されてフィールド補正信号１５が得られる。

この信−ｇ、　＋　５を信号１４に加算することにより
フィールド補間による偽信号を消去した信号１６を得る
。信号１３と１６はフィールド勿に交互する切換スイッ
チ１７によりＲ信号のみ及びＢ信号のみに振り分けられ
、ゲイン調整されてＲ信号出力。

Ｂ信号出力が各々得られる。輝度信号Ｙは信号７をゲイ
ン調整して得られる。

第７図は本発明の他の実施例による回路ブロック図の例
を示したもので、第４図（ｂ）の色フィルタ配列に適合
するものである。捷ず第４図（ｂ）の色フィルタを備え
だ固体撮像素子ｌからの信号は分岐され、一方は直接他
方はＩＦ遅延回路２を介してサンプルホールド回路１８
．１９ないし２０．２１へ導かれる。奇数フィールドで
は回路１８でＢ４Ｃ，。

回路１９でＲ＋Ｗ、回路２０でＲ＋Ｇ、回路２１でＢ＋
Ｗ信号がサンプルホールドされ、偶数フィールドでは回
路Ｉ８でＲ＋Ｇ、回路１９でＢ＋Ｗ　、回路２０でＢ４
Ｃ、回路２１でＲ＋Ｗ信号がサンプルホールドされる。

上記回路１８及び１９からの信号は一方は両者が加算さ
れて２（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）信号２２が得られ、他方は回路Ｉ
９の出力から回路１８の出力が減算され、奇数フィール
ドでは２Ｒ，偶数フィールドでは２Ｂとなる信号２３が
得られる。

同様にして回路２０及び２１の出力信号から加算により
２（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）信号２４が、減算により奇数フィール
ドで２Ｂ、偶数フィールドで２Ｒとなる信号２５が得ら
れる。次に信号２２及び信号２４の帯域は、低域通過フ
ィルタ２６．２７によりともにｆＮ／　２に制限された
後、前者から後者が減算され適当な大きさに調整されて
フィールド補正信号２８が得られる。この信号を信号２
５に加算することによりフィールド補間による偽信号を
消去した信号２９が得られる。信号２３と２９はフィー
ルド、毎に交互する切換スイッチ３０によりｌ＜信号の
み及びＢ信号のみに振り分けられ、ゲイン調整されて１
ン信号出力、Ｂ信号出力が各々得られる。

輝度信号Ｙは信号２２をゲイン調整して得られる。

第８図（ａ）及び（ｂ）はフィールド読出しを行ない、
かつフィールド補間を可能とする色フィルタ配列の他の
例を示したものである。これらはともに３種の絵素を用
い、すべての絵素が６色に感応するとともに、Ｒ色ない
しＢ色にそれぞれ感応する絵素２種と、ｌく色及びＢ色
ともに感応するないしはどちらにも感応しない絵素から
構成されている。

なお第８図（ａ）　、　（ｂ）ともにＹｅとＣ７０間で
配列を入れ替えても信号処理及び画質は同様である。さ
らに第８図（ｂ）は（ａ）に対し画質は同様で、信号処
理も（ａ）の場合から容易に考察されるから、以下の説
明では（２ｔ）の場合についてのみ行なう。

第８図（ａ）の場合、輝度信号は隣接画素間の加算゛Ｃ
ｙ＋Ｙｅ＋２Ｗ＝２（Ｒ＋２Ｇ＋Ｂ）から容易に得られ
る。

色信号は隣接画素間の差を取ることにより、奇数フィー
ルドでＲ＋Ｂ　、偶数フィールドでＲ−Ｂ信号が得られ
るから、フィールド補間を用い、Ｒ−１ −Ｈ（（Ｒ＋ｓ）＋（トＢ）ｌ、　Ｂ二枦（Ｒ＋Ｂ）−
（Ｒ−Ｂ月により得られる。

第９図は第８図（ａ）の場合のフィールド補間による偽
信号を解消する手法を示したものである。まず輝度実時
間信号Ｙ　（ＯＦ　）から輝度ＩＦ遅延信号Ｙ（ＩＦ）
を減算しフィールド補正信号Ｙ（ＯＦ）−Ｙ（ＩＦ）を
形成する。次にこの補正信号を、ＩＦ色信号がＲ＋Ｂの
フィールドの時のみＩＦ色信号に加算する。これにより
フィールド補間による偽信号は消去され、常に正常な色
信号が得られる。

第１０図は第８図（ａ）の色フィルタ配列において上記
実施例を実現するだめの回路ブロック図の例を示したも
のである。第８図（ａ）の色フィルタを備えた固体撮像
素子ｌからの信号は分岐され、一方は直接他方はＩＦ遅
延回路２を介して、サンプルホールド回路３１．３２な
いしＬｌｌ　、　３４へ導かれる。

奇数フィールドでは回路３１でＹｅ−１−Ｃｙ、回路３
２でＷ＋Ｗ　、回路３３でＣｙ＋Ｗ、回路３４でＹｅ＋
Ｗ信号がサンプルホールドされ、偶数フィールドでは回
路３１でＣ，ｙ　＋　Ｗ、回路３２でＹｅ十Ｗ、回路３
３でＹｅ＋Ｃ”ｙ、回路３４でｗ＋ｗ信号がサンプルホ
ールドされる。回路３１及び３２からの信号は一方は両
者が加算されて２（Ｒ＋２Ｇ＋Ｂ）信号３５が得られ、
他方は回路３２の出力から回路３３の出力が減算され、
奇数フィールドでＲ＋Ｂ、偶数フィールドでＲ−Ｂとな
る信号３６が得られる。同様にして回路３３及び３４の
出力信号から加算により２（Ｒ＋２６十Ｂ）信号３７が
、減算により奇数フィールドでＲ−Ｂ、偶数フィールド
でＲ＋Ｂとなる信号３８が得られる。次に信号３５及び
信号３７の帯域は低域通過フィルタ３９　、４０により
ともにｆＮ／２に制限された後、前者から後者が減算さ
れ適当な大きさに調整されてスイッチ回路４１へ導かれ
る。スイッチ回路４１では信号３８がＲ＋Ｂとなるフィ
ールドでオンとなり、フィールド補正信号が信号３８へ
加算されて、信号４２が得られ−る。信号３６と信号４
２は一方は両者が加算されて２Ｒ信号４３が得られ、他
方は信号３６から信号４２が減算されてフィールド毎に
符号が反転する２Ｂ信号が得られる。この減算信号は同
期検波回路４４により常に正符号とされる。以上より信
号８５．信号４３及び同期検波回路４４がらの信号がそ
れぞれゲイン調整されて、Ｙ、Ｒ，Ｂ各信号が得られる
。

〈効　果〉 以上述べたように、本発明によれば輝度信号は水平・垂
直方向ともに高い解像度を保った土で、２つの色信号は
水平解像度を高く取り、垂直解像度もフィールド補間に
よって高く保つことが可能となる。またフィールド補間
による時間変動画像に対する偽信号も消去することが可
能であり、動的にも高画質の撮像信号を得ることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）及び第２図は従来の固体カラ
ー撮像装置における色フィルタ配列の構成図、第３図Ｖ
ｒ、ｗ株カラー撮像装置における信号読み出しのタイミ
ングを従来の場合と本発明における場合とで比較した図
、第４図（ａ）　、　（ｂ）及び第８図（ａ）　、　（
ｂ）は本発明による色フィルタ配列の構成図、第５図及
び第９図は偽信号の消去法を説明するだめの図で前者は
第４図、後者は第８図の色フィルタ配列の場合に対応す
る。第６図及び第７図はそれぞれ第４図（ａ）及び（ｂ
）に対応し本発明を実施するための回路ブロック図、第
１０図は第８図（ａ）に対応し本発明の他の′ｌ！：施
例を示す回路ブロック図である。 Ｉ・・固体カラー撮像素子、２・・１１？遅延回路、３
〜６．１８〜２１．３１〜３４　サンプルホールド回路
、Ｉ＋、＋２．２６．２７，３９．４０・・・低域通過
フィルタ、＋７．３０．４トスイソチ回路、４４・・・
同期検波回路。 代理人　弁理士゛　福　士　愛　彦（ｆＪ２２名）ｔσ
ノ　（ｂ） 弔　１図 第３図 ６７ノ　（ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　感応スペクトル特性の相異なる少くとも３種の
   受光素子が水平・垂直の両方向に配列されてなる固体撮
   像装置において、垂直方向に隣接する２つの受光素子信
   号を加算し、加算の組合せをフィールド毎に垂直方向に
   １素子交互にずらして各加算信号を順次読み出し出力信
   号を形成するとともに、該出力信号を１フイールド遅延
   した信号により前記出力信号中に欠落した信号成分を補
   間することを特徴とする固体カラー撮像装置。
2. （２）前記受光素子が４種であって、各々感応スペクト
   ル特性の相異なる第１の受光素子、第２の受光素子、第
   ３の受光素子と、該第１．第２゜第３の受光素子それぞ
   れの感応スペクトル特性を加算した特性に相似形である
   感応スペクトル特性を持つ第４の受光素子とからなり、
   第１の水平列は前記第１の受光素子と第２の受光素子が
   交互に繰返し配列され、第２の水平列は前記第３の受光
   素子と第４の受光素子が交互に繰返し配列され、さらに
   第３の水平列は前記第１の水平列に対し同じ受光素子組
   が位相を１８０°移して配列され、第４の水平列は前記
   第２の水平列に対し同じ受光素子組が位相を１８０°移
   して゛配列されてなり、上記４水千列が順次繰返し配列
   されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の固体カラー撮像装置。
3. （３）前記３種の受光素子は、第１スペクトル帯域と第
   ２スペクトル帯域に感応する第１の受光素子、第１スペ
   クトル帯域と第３スペクトル帯域に感応する第２の受光
   素子及び前記第１．第２゜第３の各スペクトル帯域すべ
   てないしは第１スペクトル帯域のみに感応する第３の受
   光素子よりなり、第１の水平列は前記第１の受光米子と
   第３の受光素子が交互に繰返し配列され、第２の水平列
   は前記第２の受光素子と第３の受光素子が交互に繰返し
   配列され、さらに第３の水平列は前記第１の水平列に対
   し同じ受光素子組が位相を１８０°移して配列され、第
   ４の水平列は前記第２の水平列に対し同じ受光素子組が
   位相を１８０°移して配列されてなり、上に４水平列が
   順次繰返し配列されてなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の固体カラー撮像装置。