JPS63199591A - 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】 ［産業上の利用分野１ この発明は、水平φ垂直両方向に複数個の受光素子が配
列されてなる固体撮像素子を備えたカラー固体撮像装置
に関し、詳しくは固体撮像素子の前に配設されるモザイ
ク状色フィルタの配列構成に関するものである。

［従来の技術］ 第１８図は、例えば特開昭５１−１１２２２８号公報に
示された従来のカラー固体撮像装置のモザイク状色フィ
ルタ（以下、「フィルタ」という）（１）の配列構成を
示す図であり、緑色光透過フィルタ（以下、「Ｇフィル
タ」という）が、水平・垂直両方向にそれぞれ１つおき
の市松模様状に配置されており、赤色光透過フィルタ（
以下、「Ｒフィルタ」という）および青色光透過フィル
タ（以下、「Ｂフィルタ」という）が、それぞれ１行お
きに、水平方向にＧフィルタの間に配置されている。

このフィルタ（１）を構成するＲ−Ｇ＠Ｂフィルタは、
水平・垂直方向に配列されている受光素子の１つづにそ
れぞれ対応する位置に配設されており、入射する像光を
フィルタ（１）で赤、緑、青の色成分でサンプリングし
、１つの受光素子が１種類の色光成分を検出するように
構成されている。

第１９図は後で説明する色光キャリアを２次元周波数平
面で表わしたときの従来のフィルタ（１）の特性図であ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ このように構成されているフィルタ（１）を備えた従来
のカラー固体撮像装置では、Ｇフィルタが市松模様状に
配列されているので、緑色光像に対する斜め方向の解像
度は低いものとなり、ざらにＲ，Ｂフィルタの垂直方向
の配列間隔が、それぞれＧフィルタの半分であるため、
赤色光像、青色光像に対する解像度も緑色光像に対する
解像度よりもさらに低いものとなるので解像度が低下し
、これにともなってモアレ縞が発生し易いという問題点
があった。

また、各受光素子には、１種類の色光成分しか入射しな
いので、光学系から入射した光量のうち実際に各受光素
子に入射する光量は少なくなり、光利用率が悪いため、
感度の低い撮像装置となるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、解像度が良くてモアレの発生が少なく、かつ
、感度の高いカラー固体撮像装置を得ることを目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るカラー固体撮像装置は、水平・垂直両方
向に配列されている受光素子で構成されている固体撮像
素子と、この固体撮像素子の前に配設されているモザイ
ク状色フィルタと、上記固体撮像素子の出力信号から所
定形式の映像信号に合成する信号合成処理手段とを備え
、上記モザイク状色フィルタの配列パターンを、水平方
向が４画素、垂直方向が２画素の８つを１単位とする繰
り返しパターンで構成し、かつ１単位の配列パターンの
位置をＣ目（ｉは水平方向の位置、ｊは垂直方向の位置
）で表わしたとき、Ｃ１２１Ｃ４１には全色光を透過す
る第１の色フィルタを、Ｃ１１゜Ｃ４２には選択された
スペクトル領域の色光のみを透過する第２の色フィルタ
を、Ｃ２２，Ｃ３１にはそれぞれ上記第２の色フィルタ
を透過する色光を含みかつ互に異なる色光を含む１対の
補色光のうち一方の補色光を透過する第３のフィルタを
。

Ｃ２１，Ｃ３２には上記他方の補色光を透過する第４の
色フィルタをそれぞれ配置したことを特徴とする。

［作用］ この発明におけるモザイク状色フィルタは、第１の色フ
ィルタは余色光を透過し、第２の色フィルタは特定され
たスペクトル領域の色光のみを透過し、第３・第４の色
フィルタはそれぞれ第２の色フィルタを透過する色光を
含みかつ互に異なる色光を含む１対の補色光のいずれか
一方を透過する。

このため、第２の色フィルタを透過する色光は、他のす
べての色フィルタを透過し、全ての画素（受光素子）で
検出される。また、第２の色フィルタを透過しない色光
は、第１・第３の色フィルタまたは第１−第４の色フィ
ルタの組合せのいずれかを透過し、それぞれ対応する受
光素子で検出される。したがって、第２の色フィルタを
透過しない色光についても、水平・垂直両方向について
みると、全部の画素で検出されるのと同等となるので、
解像度が向上するとともに光利用率が高まるので感度も
向上する。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を説明する。

第１図はこの実施例のブロック回路図である。

図において、（１８）は光学系、（１ａ）はモザイク状
色フィルタ（以下、「フィルタ」という）　、　（２）
は固体撮像素子、（３）は減算器、（４）は加算器、（
５）はバイパスフィルタ、（６）はバンドパスフィルタ
、（７）はローパスフィルタ、（８）　　、　（９）は
変調器、　（１０）はエンコーダ、（１７）は出力端子
である。

第２図はフィルタ（１ａ）の配列パターンを示す図で、
実線で囲った水平方向が４画素、垂直方向が２画素の８
つの色フィルタの配列を１単位として水平・垂直両方向
に繰り返し配置された配列パターンを形成している。以
下、この配列パターンの作用を第３図〜第５図により説
明する。

第３図は第２図に示した配列パターンの１単位を示す図
である。

まず始めに、第３図に示した色フィルタ配列がいかに優
れたものであるかを説明する０色フィルタを透過した光
は受光素子により光電変換され、その光量に応じた電気
信号が出力されるので、入射した光像はこの色フィルタ
の配列によって２次元的にサンプリングされているわけ
である。

Ｙ８フィルタは赤色光成分と緑色光成分を透過し、Ｃ，
フィルタは青色光成分と緑色光成分を透過するので、入
射光の色フィルタによるサンプリングを緑色光成分、赤
色光成分、青色光成分で見ると、第４図のようになる０
図において、Ｇ。

Ｒ，Ｂはそれぞれ緑色、赤色、青色光の各成分がサンプ
リングされることを示し、０はサンプリングされないこ
とを示している。

このように、水平・垂直平面（ｘｙ平面）で行なわれた
サンプリングを、そのフーリエ変換を求めることにより
水平・垂直方向の２次元周波数千面（ｆＸｆｙ平面）で
表わすと第５図のようになる０図において矢印は各色光
成分のキャリアを表わしており、矢印の長さはキャリア
の大きさを、向きは位相関係を示している。緑色光のキ
ャリアＧ（以下、ｒＧキャリア」という）は、０＜ｆＸ
　＜π、Ｏ＜ｆＶ　＜πにおいては（ｆｘ、ｆｖ　）　
＝　（０，０）の位置以外には無く、最高の解像度を持
っていることがわかる。赤色光のキャリアＲ（以下、「
Ｒキャリア」という）、青色光のキャリアＢ（以下、「
Ｂキャリア」という）はそれぞれｆ、軸上、ｆ、軸上に
は、０．２π以外にキャリアはなく、水平・垂直の解像
度は、緑色光と同等の高い解像度を有する。そして、斜
め方向についても（ｆｘ、ｆｙ　）　＝　（０、０）か
らの距離が十分にあるので、水平・垂直方向に比べて著
しい解像度の劣化はない、第１８図に示した従来のモザ
イク状色フィルタ（１）における各色光キャリアの配置
を示す第１９図と比べれば、このことはより明らかであ
る。

カラー固体撮像装置は用いられるシステムによりその処
理内容は異なるが、この実施例では、インターレース走
査を行なうもので、固体撮像素子（２）としては、ｌフ
レーム分の信号を、２行ずつ独立に１フイールド内で読
み出すものとする。

次にこの実施例の動作を説明する。

第６図は成るフィールドでの各部の信号を示す図表で、
ｍ番目の走査ラインでは、ｎ番目とｎ＋１番目の行の画
素の信号が、Ｓ２．Ｓｌの信号ラインから同時に読み出
される。このとき、減算器（３）の出力についてみると
、減算器（３）の入力は、ｍ番目の３２，３＋で、その
出力は図のように、赤色光成分の信号（以下、ｒＨ信号
」という）は、１画素毎に、青色光成分の信号（以下、
「Ｂ信号」という）は２画素毎に、それぞれ正負が反転
する形となる。このｍ番目のＳｌの出力からＳ２の出力
を減じるということは、１行前の画素の信号を現時刻の
画素の信号から減じることであり、それは第５図の座標
系で言えば、　　ｆ（ｙ）　＝πで最大となる垂直方向
のバンドパスフィルタを構成したことに等しい、１画素
毎に正負が繰り返す周波数は、π周波数に相当し、減算
器（３）に続くバイパスフィルタ（５）はπ周波数で最
大となるものを用いる。

また゛、２画素ごとに正負が繰り返す周波数は。

π／２周波数に相当し、減算器（３）に続くバンドパス
フィルタ（８）はπ／２周波数で最大となるものを用い
る。したがって、減算器（３）からなるｆ（ｙ）＝πで
最大となる垂直方向フィルタと、ｆ（ｘ）＝πで最大と
なるバイパスフィルタ（５）とで構成される２次元フィ
ルタにより、（ｌｘ）。

ｆ（ｙ））＝（π、π）近傍の成分が通過し、Ｒ信号が
取り出される。

同様にＢ信号は、減算器（３）、バンドパスフィルタ（
８）から構成される２次元フィルタにより（ｆ（ｘ）、
　ｆ＜ｙ＞　）　＝　（π／２．π）近傍の成分を通過
させることにより、取り出される。

このようにして得られたＲ信号、Ｂ信号は、それぞれ変
調器（８）、変調器（９）により復調され。

ベースバンドのＲ信号、Ｂ信号となる。

加算器（４）の出力は全走査ラインで２Ｇ＋Ｒ＋Ｈ信号
が得られる。加算器（４）の動作は、１行前の画素の信
号と現在の画素の信号を加算することでｆ（ｙ）＝０で
応答が最大となる垂直方向のローパスフィルタである。

したがって、加算器（４）とローパスフィルタ（７）と
で、（ｆ（ｘ）＋　ｆ（ｙ））＝　（０、０）で応答が
最大となる２次元ローパスフィルタを構成し、２Ｇ＋Ｒ
＋Ｈ信号が取り出される。

以上のようにして抽出されたＲ、Ｂ。

２Ｇ＋Ｒ＋Ｈの各信号により、エンコーダ（１０）によ
り所定形式の映像信号として出力端子（１７）より出力
される。

第７図は他方のフィールドにおける各部の信号を示す図
表である。このフィールドにおいて。

ｍ番目の走査ラインでは、ｎ−１番目とｎ番目の行の画
素の信号が３２．Ｓｌの信号ラインから同時に読み出さ
れる。この時、減算器（３）の出力について見ると、第
６図に示したフィールドの場合と同様に、Ｒ信号は１画
素ごとに、Ｂ信号は２画素ごとにそれぞれ正負が反転す
る形となっている。ただし、各走査ラインから得られる
Ｒ、Ｂ信号は、第６図に示すフィールドの場合に比べて
位相がπずれた形で出力される。したがって、バイパス
フィルタ（５）を通ったＲ信号、およびバンドパスフィ
ルタ（８）を通ったＢ信号の位相に合わせて、それぞれ
変調器（８）、変調器（８）で復調することにより、ベ
ースバンドのＲ信号およびＢ信号が得られる。

加算器（０の出力は、第６図で示すフィールドの場合と
同様であり、ローパスフィルタ（７）を通り２Ｇ＋Ｒ＋
Ｈ信号が得られる。そして、第６図に示すフィールドの
場合と同様にして、エンコーダ（ｌＯ）により所定形式
の映像信号として出力端子（１７）より出力される。

なお、第３図に示した色フイルルタ配列と同一の性能を
有する色フィルタ配列として第８図に示したものがある
が、これは第２図中に破線で囲んだ部分と同じであり、
結局、第３図の色フィルタ配列と第８図の色フィルタ配
列とは同じものとなる。このような色フィルタ配列は、
第２図において区切り方を変えれば他にも６通り存在す
るが、全てその繰り返しを考えれば、第３図の色フィル
タ配列と同じである。

第９図は他の色フイルタ配列例を示す図で、この例は、
第３図に示した色フィルタ配列のうち、Ｙｅ　フィルタ
とＣｙフィルタとを入れ換えたものである。この色フィ
ルタ配列を、第４図と同様に各色成分毎のサンプリング
として表わすと第１Ｏ図のようになる。第４図と第１θ
図を比べれば明らかなように、Ｒのサンプル位置とＢの
サンプル位置とが入れ換わったものとなっている。

したがって、第９図に示した色フィルタ配列では、（ｆ
ｘ、ｆソ）＝（π、π）の位置には、Ｂキャリアがあり
、Ｃｆ＜ｘ＞　　、ｆ（ｙ））＝　（π／２、π）の位
置には、Ｒキャリアがある。そして、第１図において、
固体撮像素子（２）に設ける色フィルタ配列を第９図に
示した色フィルタ配列とすると、バイパスフィルタ（５
）からは、Ｂ信号が出力され、バンドパスフィルタ（６
）からはＲ信号が出力されることになるが、解像度、感
度等の特性は同じである。

第１１図は第３図に示した色フィルタ配列をもつフィル
タ（ｌａ）を、受光素子に対して局画素ピッチ光学的に
ずらして配置した２つの固体撮像素子を２つ用いた撮像
装置のブロック回路図である。

図において（ｌｂ）　、　（ｌｃ）は縦ストライプ色フ
ィルタ、（２２）は光学系（１８）から入射した入射光
を２分するハーフミラ−１（２３）はミラー、（２ａ）
　、　（２ｂ）は固体撮像素子であり、ハーフミラ−（
２２）、ミラー（２３）により２つの固体撮像素子（２
ａ）　、　（２ｂ）には同一の光像が入射する。　（２
４）は２つの固体撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ）の出
力を合成し、所定形式の映像信号に合成する信号合成処
理回路、（２５）は２つの固体撮像素子（２ａ）　、　
（２ｂ）駆動パルスを発生する駆動信号発生器である。

このように構成された固体撮像装置において。

２つの固体撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ）の位置関係
が、相対的に垂直方向の画素ピッチＰｖの月だけ垂直方
向にずれたものである場合（以下、「垂直画素すらし」
という）、入射光像側から見たときの２つの固体撮像素
子（２ａ）　、　（２ｂ）の受光素子（画素）は、第１
２図に示したように垂直方向に１画素ごとに異なる固体
撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ）の画素が並んでいるこ
とになる０図中、斜線を付した画素は。

固体撮像素子（２ｂ）の画素を、斜線を付していない画
素は、固体撮像素子（２ａ）の画素を示している。

この場合に、第３図に示した色フィルタ配列を適用する
には、第１３図（＾）、（Ｂ）に示した色フィルタ配列
をもつフィルタそれぞれ固体撮像素子（２ａ）　、　（
２ｂ）に設ければ良い。

この第１３図（Ａ）　　、　（Ｂ）に示した色フイルタ
配列単位は、第３図に示した色フィルタ配列を上下に２
分し、それぞれ水平・垂直方向に配列したもので、第１
４図に示すように垂直方向が同一色の縦ストライブフィ
ルタとなるので簡単に形成できる。

また、２つの固体撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ）の位
置関係が相対的に水平方向の画素ピッチＰｈの釉だけ水
平方向にずれたものである場合には、入射光像側から見
た場合の２つの固体撮像素子（２ａ）　。

（２ｂ）の受光画素は、第１５図に示したように水平方
向に１画素ごとに異なる固体撮像素子の画素が並んでい
ることになる。このような場合に第３図に示した色フィ
ルタ配列を適用するには、第１６図（Ａ）　　、　（Ｂ
）に示した色フィルタ配列をもつフィルタを、それぞれ
の固体撮像素子（２ａ）　。

（２ｂ）に設ければ良い、この第１６図（Ａ）　　、　
（Ｂ）に示した色フィルタ配列は、垂直方向に１画素、
水平方向にも１画素ずらせば全く同一のものであり、同
一プロセスで製造できるという効果がある。

また、第１６図（Ａ）に示された色フィルタ配列を持つ
固体撮像素子（２ａ）を２つ用いて、互いの位置関係を
水平方向に水平画素ピッチＰｂの局だけずらし、垂直方
向には垂直画素ピッチＰＶだけずれるようにすることで
、第１７図に示したように入射光像側から見た色フィル
タの並びは、第３図に示した色フィルタ配列と同じにな
る。この場合には、垂直方向にずらした分だけ２つの固
体撮像素子の駆動タイミングをずらすか、或は、第１７
図において、実線で示した色フィルタを有する固体撮像
素子の出力信号を垂直方向にずらした分だけ遅延させる
ことによって、第１７図に示した同一行にある色フィル
タに対応する信号が同じタイミングで得られるので、２
種類の固体撮像素子を製造する必要が無く、装置を安価
にできる効果もある。これは、第１６図（Ｂ）に示した
色フィルタ配列を持つ固体撮像素子（２ｂ）を２つ用い
ても全く同様に構成出来る。

以上は、第３図に示した色フィルタ配列を用いたフィル
タを、複数個の固体撮像素子にずらして配置して撮像装
置に適用した場合を説明したが、第９図に示した色フィ
ルタ配列を用いたフィルタを適用した場合も全く同様に
構成でき同様の効果が得られることは明らかである。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、固体撮像素子の前に
配設される色フィルタの配列パターンを、水平方向４画
素、垂直方向２画素の８つを１単位とし、この１単位を
構成する各色フィルタの位置をＣＨ（ｉ＝１〜４．ｊ＝
１〜２）とするとき、Ｃｌ２１Ｃ４１には余色光透過の
Ｗフィルタを、ＣＩＩ＃Ｃ４２には第２の色フィルタを
、Ｃ２２゜Ｃ３＋と０２１　＊　Ｃ３２にはそれぞれ異
なる補色のフィルタを配置したので、水平・垂直の周波
数軸上以外では広い間隔で各色光キャリアが発生するの
で、モアレ縞の発生が少なく、解像度が向上する。

また、光利用率が高まるので、感度の良い撮像装置が得
られる効果がある０、また、この発明を２つの固体撮像
素子を互いにずらして配置した固体撮像装置に適用した
場合、垂直ずらしのときには２つの固体撮像素子に装着
する色フィルタは、垂直方向が同一色である縦ストライ
プフィルタとなるので、簡単なプロセスでフィルタを製
造できる効果が得られる。また、水平ずらしのときには
、２つの固体撮像素子に装着する色フィルタは、同じ配
列となるので、同じプロセスで製造でき、さらに同じ色
フィルタ配列をもつフィルタを備えた２つの固体撮像素
子を用いて本発明と同じ作用・効果を有する固体撮像装
置を構成でき、装置を安価にできる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロック回路図、第２図
はこの実施例の要部であるモザイク状色フィルタを示す
図、第３図はこのモザイク状色フィルタの一色フィルタ
配列パターンの１単位を示す図、ｉ４図はこの配列単位
の透過色光の配列構成を示す図、第５図はこの配列単位
における各色光キャリアの大きさと位相関係を２次元周
波数平面で示す図、第６図および第７図は第１図の実施
例の各部の信号を示す図表、第８図は他の色フィルタの
配列単位を示す図、第９図は色フイルタ配列単位の他の
配列例を示す図、第１θ図はこの配列例の透過色光の配
列構成を示す図、第１１図はこの発明の他の実施例のブ
ロック回路図。 第１２図はこの実施例において２つの固体撮像素子を垂
直方向にＰＶ　／２ずらしたときの受光する画素の位置
関係を示す図、第１３図（Ａ）、ＣＢ）はこの実施例に
おける２つのフィルタの色フイルタ配列単位を示す図、
第１４図はこの実施例の２つのフィルタの色フイルタ配
列パターンを示す図、第１５図は第１１図の実施例にお
いて、２つの固体撮像素子を水平方向にＰｂ／２ずらし
たときに受光する画素の位置関係を示す図、第１６図（
Ａ）　　、　（Ｂ）はこの実施例における２つのフィル
タの色フイルタ配列単位を示す図、第１７図はこの実施
例における２つの固体撮像素子の走査方向を説明するた
めの図、第１８図は従来のカラー固体撮像装置の色フィ
ルタの配列例を示す図、第１９図はこの従来例の固体撮
像素子が検出する各色のキャリアの大きさと位相関係を
２次元周波数平面で示した図である。 （１ａ）・・・モザイク状色フィルタ、（ｌｂ）　、　
（ｌｃ）・・・縦ストライプ色フィルタ、（２）　　、
　（２ａ）　、　（２ｂ）・・・固体撮像素子、（３）
・・・減算器、（４）・・・加算器、（５）・・・バイ
パスフィルタ、（６）・・・バンドパスフィルタ、（７
）・・・ローパスフィルタ、（８）　　、　（９）・・
・変調器、（１０）・・・エンコーダ、（２４）・・・
信号合成処理回路、Ｇ・・・緑色光透過フィルタ、Ｃソ
・・・シアン色光透過フィルタ、Ｙｅ・・・黄色光透過
フィルタ、Ｗ・・・余色光透過フィルタ。 なお、各図中、同一符号はそれぞれ同一、または相当部
分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）水平・垂直両方向にそれぞれが１つの画素を構成
   する複数個の受光素子が配列されてなる固体撮像素子と
   、この固体撮像素子の前に配設されかつ透過色光の異な
   る色フィルタが上記各画素に対向する位置に一定のパタ
   ーンで配列されてなるモザイク状色フィルタと、上記固
   体撮像素子の光像信号を走査してとり出しかつ所定形式
   の映像信号に合成する信号合成処理手段とを備え、上記
   モザイク状色フィルタの配列パターンを、水平方向が４
   画素、垂直方向が２画素の８つの色フィルタを１単位と
   し、この１単位の配列位置を Ｃ＿ｉ＿ｊ（ｉは水平方向の位置、ｊは垂直方向の位置
   ）で表わしたとき、Ｃ＿１＿２、Ｃ＿４＿１には全色光
   を透過する第１の色フィルタを、Ｃ＿１＿１、Ｃ＿４＿
   ２には選定されたスペクトル領域の色光のみを透過する
   第２の色フィルタを、Ｃ＿２＿２、Ｃ＿３＿１にはそれ
   ぞれ上記第２の色フィルタを透過する色光および互いに
   異なる色光を含む１対の補色光のうち一方の補色光を透
   過する第３の色フィルタを、Ｃ＿２＿１、Ｃ＿３＿２に
   は上記１対の補色光のうち他方の補色光を透過する第４
   の色フィルタをそれぞれ配置してなる配列パターンとし
   たことを特徴とするカラー固体撮像装置。
2. （２）第２の色フィルタが緑色光透過フィルタであり、
   第３の色フィルタがシアン色光透過フィルタであり、第
   ４の色フィルタが黄色光透過フィルタである特許請求の
   範囲第１項記載のカラー固体撮像装置。
3. （３）第２の色フィルタが緑色光透過フィルタであり、
   第３の色フィルタが黄色光透過フィルタであり、第４の
   色フィルタがシアン色光透過フィルタである特許請求の
   範囲第１項記載のカラー固体撮像装置。