JPS62226789A

JPS62226789A - 固体カラ−撮像装置

Info

Publication number: JPS62226789A
Application number: JP61069223A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kotaki; 小滝　弘昭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1987-10-05

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、２次元面体撮像素子を使用した固体カラー
撮像装置に関する。

（従来の技り固体撮像素子を１つ用いた単板式カラーテレビジョン・
カメラは、焼付き９画像歪がない、低消費電力である。

低残像である。小ａ重量で扱い易い等の特徴を有し、広
い利用分野が期待される。

これらのカメラでは、色信号多重化のために固体撮像素
子上に色フィルタを設けている。その−例を第９図（ａ
）に示す。同図（ａ）のフィルタは、緑色（以下Ｇとい
う）光透過フィルタ、赤色（以下Ｒという）光透過フィ
ルタ、青色（以下Ｂという）光透過フィルタが順次縦ス
トライプ状に配列されたもので、これによシ被写体の光
学情報を３原色に分離するというものである。この色フ
ィルタを用いた場合の固体撮像素子の出力信号を所定の
標準テレビジョン信号（たとえばＮＴＳＣ方式）に変換
するための信号処理回路のブロック図は、第９図ｆｂ）
に示すようになる。

固体撮像素子たとえば電荷結合撮像素子（以下ＣＣＤ撮
像素子という）１からの点順次出力信号は、まず３個の
サンｆル・ホールド（以下Ｓ／１（という）回路ＪＲ，
’Ｇ、２Ｂからなる色分離回路２にて、Ｒ信号ＥＲ，Ｇ
信号ＥＧおよびＢ信号ＥＢに分離され、３チヤンネルの
同時信号に変換される。これら３チヤンネルの同時信号
は、ある設定色温度の光を照射した基準白色被再体を撮
像したときに同一信号レベルとなるように、それぞれ増
幅器３Ｒ，３Ｇ。

３Ｂによってレベル調整がなされ、白バランス調整がと
られる。白・ぐランス調整された３チャンネル信号は、
プロセス回路４Ｒ，４Ｇ、４Ｂによってガンマ補正処理
等の非線形信号処理が施された後、ＮＴＳＣエンコーダ
５によって所望の標準テレビ方式のカラー映像信に変換
される。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、この場合解像度に関して次のような不具合が
生じる。すなわち、固体撮像素子の水平転送のためのク
ロック周波数をｆｃとすると、３色の色フィルタの繰返
し周波数はｆ、／３となり、各色のナイキスト周波数は
さらにその半分のｆｃ／６にまで低下してしまう。した
がって、これらの３原色信号から合成される輝度信号も
そのナイキスト周波数がｆｃ／６になってしまい、再生
画像の解像度が低下するという問題がめる。

そこで、この発明では、高Ｍ像度が得られ、しかもモア
レ、偽色信号の発生がない固体カラー虚像装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成コ（問題点を解決するだめの手段）この発明では、色フィルタを画素上に有する固体撮像素
子を水平方向に３０Ｈｚの周波数で色フィルタの水平方
向の繰返し周期捧の距離だけ振動させる手段を設ける。

次に、固体撮像信号からの読出し信号を用いて輝度信号
を作る場合、一方の系統では低域成分、他方の系統では
高域成分を作υ合成するものである。この場合、前記一
方の系統では、光の３原色の構成比を低域成分と高域成
分とで異なるものとする。また前記他方の系統では、各
色フィルタに対応した信号をゲートするたメＯＩＩＩ　
１ｌｌｌ　”ルスの位相を前後するフィールド間でπ位
相だけ異なるようにしている。

（作用）これによって、前記振動（スウィング動作）によって不
要な空間スペクトルが除去される。更に、各色フィルタ
の対応出力を抽出するための制＠パルスの位相を前後す
るフィールド間でπ位相具ならせるために、輝度信号の
高域成分を合成した際、上記スウィング動作にり得られ
た信号の解像度劣化がなく、スウィング動作の効果を充
分に発揮する。

（実施例）以下この発明の実施列を図面を参照して説明する。第１
図はこの発明の一実施例であシ、信号処理回路のブロッ
クを示している。撮像レンズ１ノを介して入射された光
学像は、光学的低域通過フィルタ（以下光学ＬＰＦとい
う）１２を通過した後、ＣＣＤ撮像素子１３の感光面上
に結像される。

このＣＣＤＣ素像１３上には、各々の画素に対して色フ
ィルタ１３０が設けられている。

第２図は、ＣＣＤ撮像素子１３の概略構成を示す。

ＣＯＤ’撮像素子１３は、たとえば垂直方向５００画素
、水平方向８００画素が配列されたものであシ、テレビ
ジョンのインターレースのためにある１つの垂直転送Ｃ
ＣＤ　４１に２つの受光素子４２．４３が対応している
。１つの垂直転送ＣＣＤ　４１は、４つの電極４４乃至
４７部に分割されている。第１図のパルス発生回路３７
からの信号により、駆動回路３８がＣＣＤ撮像素子駆動
用のパルスを発生し、このパルスの一部が第２図の４つ
の端子３９に４相の垂直転送・ぐルスとして加えられる
。これによシ垂直ブランキング期間を利用して受光素子
の信号電荷を垂直転送ＣＣＤに読出し、水平ブランキン
グ期間を利用して垂直方向に次々と転送していく。

そして、垂直転送ＣＣＤの最終段４８まで転送された信
号電荷は水平ブランキング期間に水平転送ＣＣＤ　４９
に読出され、水平転送ＣＯＤ　４９に２つの端子４０か
ら２相のパルスを加えることにより高速で水平転送され
て出力部５０から読出される。

この水平転送周波数は、水平画素数が約８ｏＯの場合は
通常約１４．３２　ＭＨｚとなる。

色フィルタ１３０は、たとえば第３図に示す配列であり
、第１の水平行はＧ、Ｒ，Ｂ、・・・の３色が慄返し配
列され、第２の水平行は第１の水平行と２７素分だけ位
相がずらされてＲ，Ｂ、Ｇ、・・・の３色が繰返し配列
される。以下同様に第１の水平行と第２の水平行の配列
が垂直方向に又互に繰返されていくという構成になって
いる。また色フィルタの１色とＣＣＤ撮像素子の１つの
受光素子は１対１で対応している。

第１図に戻って説明するに１以上説明したＣＣＤ撮像素
子１３は、バイモルフ圧電素子１４上に固定されている
。このバイモルフ圧電素子１４は、駆動回路３８からの
パルスの一部が供給されることによシ、ＣＣＤ撮像素子
１３を水平方向に微少変位させることができる。その動
作原理については、文献（たとえば原理、他「スウィン
グＣＯＤイメージセンサ−」、テレビジョン学会誌、第
３７巻。

第１０号、８２６頁〜８３２頁、１９８３年１０月）に
詳しいのでここでは省略する。

ここで、この発明の主要な構成要素の一部であるバイモ
ルフ圧電素子による微少変位（以下、スウィング動作と
いう）と、ＣＣＤ撮像素子１３の駆動のためのノ々ルス
のタイミングについてよシ詳細に説明する。

第４図にスウィング動作の説明図を示す。同図に示すよ
うに受光素子の水平−素ピッチをＸ、とすると、色フィ
ルタの水平方向の繰返し周期である３画素分の半分、す
なわち１ｘ０分の水平方向の変位を３０Ｈｚで与える。

この変位のタイミングは、ＣＣＤ撮像素子の受光素子か
らの信号電荷読出しのタイミングと同期している。３０
Ｈｚの波形に重ねられている高速振動の波形は、各画素
における感光部の開口率を実効的に上げるはたらきをし
ている。この開口率を実効的に上げる動作はウオブリン
グと呼ばれているが、原理については文献（たとえば遠
藤、他「スウィングＣＯＤにおけるＭＴＦ制御」、テレ
ビジョン学会研究会資料、　ＴＥＢＳ　９４−３゜１３
頁−１８頁、１９８４年２月）に詳しいのでここでは省
略する。

ＣＣＤ撮像素子１３は、垂直２画素加算読出しのフィー
ルド蓄積モードで駆動されている。すなわち、第５図（
ａ）に示すようにまず奇数フィールドでは［（ｎ）と（
ｎ＋１）］、［（ｎ＋２）と（ｎ＋３）コ。

［（ｎ＋４）と（ｎ＋５）］、・・・のように垂直方向
に隣接する２［Ｉ！！ｉ素を加算同時読出しをして１つ
の走査信号を作る。次の偶数フィールドでは、インター
レースのために加算の組合せを換えて［（ｎ＋１）と（
ｎ＋２）］、［（ｎ＋３）と（ｎ＋４　）　］　、””
のように続出していく。一方、前述したように、ＣＣＤ
撮像素子１３はスウィング動作により水平方向に３０　
Ｈｚで振動している。したがってＣＣＤ撮像素子１３上
に存在する色フイルタ自身は、第３図に示した通シであ
るが、スウィング動作とフィールド蓄積駆動の組合せに
より、フレーム単位で見ると等価画素配列は、第５図（
ｂ）のようになる。

第５図でＸｏ＋７ｏはそれぞれＣＣＤ撮像素子自身の水
平、垂直方向の画素ピッチである。同図（ｂ）からもわ
かるように、フレーム単位でみると、１水平走査出力信
号は黄色（以下Ｙｅという）、マゼンタ（以下Ｍｇとい
う）、シアン色（以下ｃｙという）に対応した信号が点
順次に得られ、かつ垂直方向に隣接する前後のフィール
ド水平走査出力信号と比較すると、Ｙｅ　ｒ　Ｍｇ　Ｊ
　Ｃ３’の位相関係が互いにπ位相だけ異なる位置にあ
ることがわかる。なお、Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ　、　Ｍｇ　＝Ｒ
＋Ｂ　、　Ｃ７＝Ｇ＋Ｂである。

第５図（ｂ）の等価画素配列から得られる信号の空間ス
ペクトル図を第６図に示す。

第６図の（ａ）　、　（ｂｌは、それぞれ奇数、偶数フ
ィールドに対応する空間スペクトルで、同図（ｅ）はフ
レームでみたときの空間スペクトルである。これらの図
かられかるように１まず、垂直方向の空間周波数Ｈｙ、
　（ＮＴＳＣ方式では垂直方向約４９０　ＴＶ本に相当
）の位置については、ＣＣＤ撮像素子１３が２画素加算
同時続出しによるフィールド蓄積駆動を行なりているた
め、この位置でのＭＴＦ　（Ｍｏｄｕｌａ−ｔｉｏｎ　
Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｐｕｎｃｔｌｏｎ）は０となシ、ス
ペクトルは存在しない。そして注目すべき点は、水平方
向”／３ｘａ　（水平８００画素の場合は約４．７７　
ＭＩ（ｚＫ相当）及びその奇数倍の位置のスペクトルが
両フィールド間で逆位相となり、フレームでみるとスペ
クトルが打消されるととくなる。従来の第９図に示すシ
ステムの場合、水平方向１／３　ｚ　、の位置のモアレ
がｓ１度を制限してきたが、本発明によると、上述の打
消効果と、後述する輝度信号合成回路とが相まって屏儂
度を着しく向上させることができる。

ウォプリ／グ動作は、第６図（ａ）　、　（ｂ）に示し
たようにフィールド単位で見ると水平方向”／３ｘｅに
存在しているモアレがＮＴＳＣ信号の帯域内に折返され
て妨害信号となるのを緩和し、水平方向１／３χ。の位
置のＭＴＦ’を制御するのを目的として行なわれる。

また、光学ＬＰＦ　Ｊ　Ｊ　Ｏは、水平方向２／３　ｘ
　ｏの位置（水平８００画素の場合、約９．５５　ＭＨ
ｚに相当）ｋ存在しているモアレがＮＴＳＣ信号の蛋域
内に折返されて妨害信号となるのを防ぐために、水平方
向２／３Ｘ　＠の位置でトラップ特性となるように設計
されている。

上記のように得られたＣＣＤ撮像素子１３からの出力信
号は、まず３個のＳ／）ｉ回路Ｉｓ、１６．１７にてＹ
・ｅ　ｇｇ　ｅ　ＣＹにそれぞれ対応する３チヤンネル
の同時信号に色分離された後、増幅器１Ｂ、１９゜２０
によシ白バランス調整され、”Ｙａ　’　”Ｍｇ　’Ｅ
ｃア信号となる。これらＥア。、　ＢＭｇ、　ＥＣ，信
号の一部は、広帯域＃度（以下Ｙｗという）信号合成回
路２１ＶＣ入力され、ここではＹｗ傷信号合成される。

Ｙｗ信号合成回路２１の一部を第７図（ｉ）に示し、Ｙ
ｗ信号合成のためのタイミング波形を同図（ｂｌ　ａ　
（ｃｌに示す。第７図（ａ）　Ｋ示す端子１１，７２．
７３にはそれぞれＥ７６．４ｇ　’　”Ｃ）’信号が供
給され、端子７４，７５．７６にはそれぞれｒ−ト／譬
ルスｐ　　、ｐ　　、ｐ　　が同図（ｂ）のタイミング
で供給さＹｅ　　　　　Ｍｇ　　　　Ｃｙれる。Ｙｖ信号合成回路は、Ｅア。、　ＥＭ、　、　Ｅ
ｃｙ信号の各ｙ−ト回路１８ａ、ｌ１ｌｂ、７１１ａを
並列接続しておシ、各回路のｅ−ト出力は、共通の出力
トランジスタ２９を介して端子１７に導出される。

ＣＣＤ撮像素子１３からの出力信号は、Ｙ・、　Ｍｇ　
。

Ｃｙ、・・・のｊ−の位相関係［６るので、このタイミ
ングで出力端子２７からはＣＣＤ　ｍ　儂素子１３の出
力信号の位相関係を再生した形のＹｗ傷信号得られる。

しかも、との合成タイミング位相は、第７図（ｃｌに示
すように、前後するフィールド間で位相反転され、スウ
ィング動作の効果を十分発揮できるようになされている
。つまり各パルスは、前後するフィールド間でπ位相異
なる。特に被写体が無彩色のときは、白バランスがｐ４
贅されているので、第６図（ｃｌの水平方向２／３Ｘ＠
の位置のスペクトルは、そのベクトル和が相互に打消さ
れて０ベクトルとなり、Ｙｗ傷信号高解像度効果は著し
くなる。

このＹｗ傷信号、第１のゾロセス回路２３１Ｃおいて、
ガンマ補正処理等の非線形信号処理を施され１．。

Ｙ・：Ｍｇ：Ｃｙ＝１：に１すなわちＩ’Ｌ：Ｇ：Ｂ＝
１：１：１の合成比となる。このＹｗ傷信号、色再現性
向上のために、遮断周波数が９　ＭＨｚの第１のＬＰＦ
　２７　、同じ（０，７ＭＨｚの第２のＬＰＦ　２　ｇ
及び減算回路３０によって、広帯域輝度信号のうち、そ
の低域成分だけを除いた（　ＥＴｗ−”ＴＬ　）を得る
。

この輝度信号の高域成分（ａ、ｗ＋　ｇＹ、　）は、加
算回路３４に加えられる。

一方、前述のＥ、、　、　Ｅ、ｇ、　ＥＣ，信号の一部
は、第１のマトリックス回路２２に供給され、光の３原
色信号であるＥ、’　、　ｇｏ／　、　Ｅ、’に分解さ
れる。マトリックス回路２２内での演算は次式のように
行なわれる。

ＥＲ′、　Ｅ、’　ｌ　Ｅ　＠’傷信号、第２乃至第４
のプロセス回路２４，２５．２６をそれぞれ経てＥＲ，
Ｅ、　。

ＥＢ信号となり、第２のマトリックス回路２９に供給さ
れる。第２のマトリックス回路２９内では、次の演算が行なわれ、ＮＴＳＣのクロマ信号用低域輝度信号Ｅ１
ｃ及び２つの色差信号（ＥＲ−Ｅ、。）　＋　（Ｅｌｌ
　　ＥＶｃ）を得る。つまり、低域成分と高域成分とで
は、３原色信号の構成比が異なる。これら３つの信号は
、それぞれ遮断周波数が０．７　ＭＨｚである第３乃至
第５のＬＰＦ　３１　、３２　、３３を経て帯域制限さ
れた後、ＥＹｃについては加算回路３４に供給される。

よって加算回路３４の出力は、（Ｅ、Ｗ−Ｅ、Ｌ＋ＥＹ
ｃ）の最終的な輝度信号となる。以上の輝度信号（ＥＹ
ｗ−ＥＹＬ＋Ｅ１ｃ）と２つの色差信号（ＥＲ−ＥＹｅ
）及び（Ｅ、　−ＥＴ、　）は、ＮＴＳＣ合成回路３５
に加えられ、所望の標準テレビジョン方式のカラー映像
信号に合成され、端子３６に導出される。

（他の実施列）上記の実施例では、色フィルタ配列を第３図のものとし
て説明したが、これに限るものではない。ＣＣＤ撮像素
子のフィールド蓄積駆動とスウィング動作の組合せに合
致していればよく、第８図に示すような配列であっても
良い。同図ｆａ）に示す色フィルタ配列の場合、第１図
の回路にそのまま組込むことができる。同図（ｂ）　、
　（ｅ）の色フィルタ配列の場合、３原色信号ＥＲ／、
　Ｅ；、Ｅ、’を演算するための第１のマ）　ＩＪフッ
ク回路２２の係数が変わるだけである。

また、第１図の回路では、”Ｙｗ倍信号帯域制限を９　
ＭＨｚのＩ、ＰＦで行なっているが、これに限るもので
はない。輝度信号の帯域を実用上制限しているのは光学
ＬＰＦ　１２であるので、原理的には９．５５ＭＩ（ｚ
まで拡げることが可能である。またクロマ信号系の帯域
制限は、０．７　ＭＨｚのＬＰＦとしたが、遮断周波数
はこれに限るものではない。またＣＣＤ撮像素子の水平
画素数は８００として説明してきたが、この数に限定さ
れるものではない。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によると、バイモルフ圧
電素子を用いたスウィング動作によシ、奇、偶数筒フィ
ールド間で水平方向１／ａｘｅ（ｘｏはＣＣＤ撮像素子
の水平画素ピッチ）の位置及びその奇数倍の位置に発生
する空間スペクトルの位相を反転させて、フレームで見
ると打消し合ってＯになるようにしている。さらに広帯
域輝度信号を合成する際に、ＣＣＤ撮像素子のフィルタ
対応出力信号の位相関係が再生されるようにゲートノ寄
ルスの位相を定めしかもスウィング動作の効果を十分に
発揮させるために、Ｐ　　）　／＃ルスの位相を両フィ
ールド間で互いにπ位相具ならせている。したがって、
従来の単なるＧＲＢ縦ストライプ型の色フィルタを用い
ただけのシステムでは水平方向”／３Ｘ＠の位置に発生
するモアレにより、無彩色被写体撮像時の輝度信号の解
像度が水平画素数が約８００の場合、約３３０　ＴＶ本
（約４．２　ＭＨｚ　）程度に制限されていたのに対し
、この発明によるとこれが約７２０　ＴＶ本（約９　Ｍ
Ｈｚ　）にまで大幅に改善される。

特に被写体が静止画のときは、画質の向上が顕著である
。しかも輝度信号を解像度に関連する高域成分と、色再
現性に影響を与える低域成分とに分け、低域成分ではＮ
ＴＳＣの合成比と完全に一致するようにしている。これ
により、高解像度を維持しつつ、しかもすぐれた色再現
性を得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
はこの発明係るＣＣＤ撮像素子の概略構成図、第３図は
色フィルタ配列の例を示す図、第４図はこの発明に係る
スウィング動作の説明図、第５図はスウィング動作とフ
ィールド蓄積２駆動の組合せの説明図及びフレーム単位
でみたときの等価画素配列の説明図、第６図はこの発明
により得られる３原色信号の空間スペクトル図、第７図
はこの発明に用いる広帯域輝度信号の合成回路図及びゲ
ートノ母ルスのタイミング図、第８図はこの発明に用い
る色フィルタ配列の他の例を示す説明図、第９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一例を
示す図及び従来の信号処理回路のブロック図である。１３・・・ＣＣＤ撮像素子、１３０・・・色フィルタ、
１４・・・バイモルフ圧電素子、１５，１６．１７・・
・サンプル・ホールド回路、２ノ・・・広帯域輝度信号
合成回路、２２．２９・・・マトリックス回路、２３〜
２６・・・プロセス回路、３４・・・加算回路。出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第２図　４０ｊＩ３図第６図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２次元配列された複数の画素を有し、各々の画素
上に入射光の波長を選択する色フィルタを設けた固体撮
像素子と、該固体撮像素子を３０Ｈｚの周波数で水平方
向に前記色フィルタの水平方向の繰返し周期の１／２の
距離だけ振動させる手段と、前記固体撮像素子の出力信
号から輝度信号を合成するのに、光の３原色信号の構成
比を輝度信号の低域成分と高域成分とで互いに異ならせ
た輝度信号合成手段と、前記輝度信号の高域成分を前記
色フィルタに対応した固体撮像素子の出力信号から合成
するのに、前記色フィルタに対応した信号をそれぞれゲ
ート手段に抽出するための制御パルスの位相を前後する
フィールド間で互いにπ位相だけ異ならせた高域成分合
成手段と、前記高域成分合成手段からの輝度信号高域成
分と、前記輝度信号の低域成分とを加算する手段とを具
備したことを特徴とする固体カラー撮像装置。
（２）前記色フィルタの配列は、入射光の波長選択特性
が、ある１つの水平行とその１つ前の水平行の和と、そ
の１つ後の水平行の和との間で相互に等しく、任意の相
前後する２つの水平行の和の波長選択特性は、水平方向
に３種の繰返しから成り、かつ任意の相前後する３つの
垂直列のうち少なくとも２つが緑色光透過特性を持つこ
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。