JPS63227293A - 面順次カラ−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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＸ−Ｙアドレス苧の固体撮像素子を用いた面順
次カラー１１像装置に関する。

［従来の技術］ 固体Ｉ像素子を用いた内視鏡をカラー化する方法として
、光源光をフィールドごとに異なる原色光に切り換え、
フィールド順次に得られる原色信号を同時化してカラー
画像を得る方式が知られている。この面順次カラ一方式
は、ｍｅ素子上に色フイルタアレイを設けてカラー化す
る方式に比較し、少ない画素数で解像度の高い画像が得
られる点で優れている。

ここで、固体撮像素子としてＭＯＳ型あるいは１９８６
年テレビジョン学会全国大会予稿３−７に記載のＣＭＤ
　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃ
ｅ）のようなＸ−Ｙアドレス型の素子を使用する場合に
は、光源光の照射に対し配慮を必要とする。すなわち、
これらの素子では各画素の露光開始の時期は画素が走査
される時期となり、露光期間は画素ごとに異なったもの
となる。従って、両面を連続的に走査しながら原色光を
フィールド毎に切り換えていくと各画素で得られる信号
は画素ごとに異なる比率で原色信号が混合したものとな
る。フィールドごとにすべての画素で同じ原色成分を得
るためには、原色光を照射する期間には素子の走査を停
止し、光照射を停止した期間内に素子を走査して信号読
み出しをおこなう必要がある。すなわち、各フィールド
ごとに光照射を停止する遮光期間を設ける必要がある。

［発明が解決しようとする問題点１ 以上述べた方式は、光の利用効率が悪く、感度が低下す
る欠点がある。すなわち、遮光期間を設けるため照明光
量が小さくなり、感度が低下する。

特に、高い解像度を得るために撮像素子の画素数を増し
た場合には、それだけ信号読み出し期間を長くする必要
があり、感度はより低下する。感度をそこなわないため
には１フイールドの期間を長くする必要があるが、これ
は被写体が働いたときの色ずれが大きくなり、良好な画
像が得られなくなるため好ましくない。素子の信号読み
出し周波数を高くして遮光期間を短縮することも考えら
れるが、これにも素子の動作上の限界がある。

本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、照明
光の遮光期間を設けることなしに面順次でカラー撮像を
可能とし、従って光の利用効率を高め、感度の高い面順
次カラー眼像装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決する手段及び作用］ 本発明の基本的構成を第１図に示す。面順次カラー撮像
袋２１は、被写体２を面順次の照明系３でフィールドご
とに原色光で照明する。つまり、光源ランプ４の白色照
明光は回転フィルタ５を形成するＲ、Ｇ、Ｂ原色フィル
タを通すことによってＲ，Ｇ、３原色光になり、各原色
光はライトガイド６で伝送されて被写体２をＲ，Ｇ、Ｂ
の原色光で面順次に照明する。面順次に照明された被写
体２は、対物レンズ７によってＸ−Ｙアドレス型の固体
撮像素子８の撮像面に結像する。このＸ−Ｙアドレス型
の固体Ｉ！ｉ像素子８によって光電変換されて出力され
る信号は、フィールドごとに切換えられる３つのフィー
ルドメモリ９ａ、９ｂ、９Ｃからなるフレームメモリ９
に記憶される。このフィールドメモリ９から読出された
信号は、固体撮像素子８の読出しのタイミング等に依存
した係数を乗じて加算するマトリックス回路１１に入力
され、それぞれ単一の原色信号が生成され、カラーモニ
タ１２で被写体像がカラー表示される。

尚、符号１３は制御回路で、照明系３、固体撮像素子８
、フレームメモリ９、マトリックス回路１１の動作のタ
イミングを制御する。

この面順次カラーｍ像装置１では、遮光期間を設けてな
いため、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子８から続出され
る信号は、読出されるタイミングに依存して単一の原色
光のみでなく、複数の原色光で照明した場合に相当し、
複数の原色信号で混合したものとなるが、マトリックス
回路１１によって、単一の原色信号に分離される。この
ため、遮光期間を設けた場合よりも信号レベルが大きく
、高感度かつ鮮明なカラー映像が得られる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第２図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第２
図は第１実施例の構成を示し、第３図は動作説明図であ
り、第４図は第１実施例に用いられる固体撮像素子の構
成を示す。

第２図に示すように面順次カラー撮像装置１は、照明系
３によって３原色光でフィールドごとに面順次で照明さ
れた被写体２を、対物レンズ７によってＸ−Ｙアドレス
型の固体撮像素子８の撮像面に結像する。

上記照明系３は、白色光を発生するランプ４と、このラ
ンプ４の白色光の光路上に介装され、回転駆動される回
転フィルタ５と、この回転フィルタ５を形成するＲ、Ｇ
、８の色透過フィルタを通したＲ、Ｇ、Ｂの原色光が一
方の端面に入射され、他端から出射するライトガイド６
とからなる。

上記ライトガイド６の端面から被写体２に向けて、出射
される光は、第３図（Ａ）に示すように、赤の照明光Ｒ
２緑の照明光Ｇ、青の照明光Ｂ、・・・と一定のフィー
ルドＦａ、Ｆｂ、Ｆｃごとに変化する。ここで、各原色
光は遮光期間がＯに保存された状態で急に変化する。こ
のため、遮光期間が設けられた場合よりも、照明光量を
大きくできる。

上記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子８に結像された光学
像は光電変換され、駆動回路２１の駆動信号によって読
出され、Ａ／Ｄコンバータ２２でディジタル信号に変換
された後、制御装置１３によって１フイールド照明期間
ごとに切換えられる切換スイッチ２３を経て３つのフィ
ールドメモリ９ａ、９ｂ、９ｃに順次書き込まれる。

フレームメモリ９を形成する各フィールドメモリ９ａ、
９ｂ、９ｃは、例えばそ°れぞれ１対のフィールドメモ
リで構成され、書込み及び読出しが交代して行うことに
よって、書込み及び読出しを同時に行うことができる。

各フィールドメモリ９ａ、９ｂ、９ｃに書込まれた信号
データは、同時に読出され、それぞれＤ／Ａコンバータ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃを経てアナログ信号に変換され
た慢、マトリックス回路１１に入力される。

このマトリックス回路１１は、Ｄ／Ａコンバータ２４ａ
　；　２４ｂ　：　２４ｃの出力信号が入力される９個
の乗口器２５ａ、２６ａ、２７ａ：２５ｂ。

２６ｂ、２７ｂ：２５ｃ、２６ｃ、２７ｃと、それぞれ
３つの乗算器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：２６ａ、２６ｂ
、２６ｃ：２７ａ、２７ｂ、２７ｃ（これらを２５．２
６．２７で代表して表わす）の乗算出力を取込み、加算
して色信号Ｒ，Ｇ、８を出力する３つの加算器２８ａ、
２８ｂ、２８ｃと、重み付け係数が書込まれたＲＯＭ３
１ａ、３１ｂ、３１ｃと、各ＲＯＭ３１ａ、３１ｂ、３
１Ｃの出力をＤ／Ａ変換して上記乗算器２５．２６゜２
７の他方の入力端に印加するＤ／Ａコンバータ３２ａ、
３２ｂ、３２ｃとからなる。

ところで、この実施例のＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子
８として例えば第４図に示すＣＭＤを用いることができ
る。このＣＭＤは、撮像部４１にＣＭＤを光電変換素子
として用い、画素（１Ｔｒ／ｃｅｌｆ）をマトリックス
状に配列し、その周辺にＭＯＳトランジスタによる垂直
、水平の各走査回路を設けである。垂直シフトレジスタ
４２からの出力を受けるレベルミックス回路４３は、非
選択時にはＣＭＤの電流をカットオフするレベルの信号
φＧに保持し、選択時には入射光量に応じたソース電流
が流れる読出しレベルの信号を発生する。

選択状態になったゲート選択線はその直後の水平帰線期
間内にＣＭＤのゲート直下を電子の蓄積状態にして反転
層電荷をリセットする。一方、水平走査回路はクロック
パルスのタイミングに従い、対応する水平選択用ＭＯＳ
スイッチを順次オンする。この結果、垂直走査回路で選
択されたゲート選択線につながる画素のうち、水平走査
回路で選択された列の画素のソース電流がビデオライン
を介して負荷抵抗（ＲＬ　）に流れ電圧変化として出力
される。

尚、上記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子８として通常の
ＭＯＳのものを用いても良い。

上記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子８の読出しのタイミ
ングを第３図を参照して説明する。

第３図において、１フレ一ム期間は・′３つのフィール
ドＦａ、Ｆｂ、Ｆｃからなり、これらフィールドＦａ、
Ｆｂ、Ｆｃは第１実施例ではいずれも等しい期間とする
。しかして、フィールドＦａ。

Ｆｂ、Ｆｃはそれぞれ赤、緑、青の照明光Ｒ，Ｇ。

Ｂで照明された期間でありこれらの照明光で順次被写体
は照明される。

一方、固体撮像素子８の信号読出しは、各フィールドの
開始と共に走査が始められ、フィールドの終了とともに
１画面の走査が終了する。

今、例えばフィールドＦｂに注目すると、第３図（ｂ）
に示すように固体撮像素子撮像面においてフィールド開
始ごろに走査される画素ａは、同図（ａ）のｔａで示す
１フイ一ルド期間の間詰光されることになる。同様にフ
ィールド中間位置で走査される画素すは、期間ｔｂに、
フィールド終了まぎわに走査される画素Ｃは期間ｔｃの
間詰光される。

このため、画素ａが受光する色成分はほとんどＲとなり
、画素すはおよそ１／２Ｒ＋１／２Ｇ。

画素ＣはほとんどＧをそれぞれ受光づることとなる。こ
れを一般的に表わすとフィールド開始から１時間後に走
査される画素が受光する原色成分は次式のようになる。

ただし、Ｓ−ｔ／ｌＦであり、ｔＦは１フイ一ルド期間
である。

上式（１）から、Ｒ，Ｇ、Ｂの各原色成分を求めると次
のようになる。

ここで、Ｆｔ、Ｆ２．ＦａはそれぞれフィールドＦａ、
Ｆｂ、ＦＣにおいて得られる信号出力である。（２）式
に従い、各フィールドの出力に対して演輝を行なえば混
色のない原色信号を得ることができる。なお、ここで変
数Ｓは１画素ごとに変化させでもよいし、また１水平ラ
インごとに変化させてもよい。後者の場合、１フイ一ル
ド期間に対する１水平ライン期間の比率で信号の不均一
性が生じるが、実用上はほとんど問題とならない。なお
、上式では変数ＳはＯから１の範囲で変化するが、実用
上は変数値は整数であるほうが回路構成上便利である。

この場合、３−ｎ７ｍと変換して（２）式を計算すれば
よい。ここでｎは１．２．３゜・・・ｍと変化する整数
であり、ｍは１フイールドの全画素数あるいは全水平ラ
イン数である。

以上説明した原理に基づき、第２図の実施例の動作を説
明する。固体撮像素子８から出力された映像信号は図示
しないアンプにより適当に増幅処理された後、Ａ／Ｄコ
ンバータ２２によりディジタル信号に変換される。そし
て制御回路１３の働きにより、切換スイッチ２３及びフ
ィールドメモリ９ａ、９ｂ、９ｃが制御され、フィール
ドＦａの出力はフィールドメモリ９ａに、Ｆｂの出ツノ
はフィールドメモリ９ｂに、Ｆｃの出力はフィールドメ
モリ９Ｃにそれぞれ書き込まれる。書き込まれる信号の
ないフィールドメモリは１フレーム前に内き込まれた信
号が読み出され、従って３つのフィールトメ七り９ａ、
９ｂ、９ｃから常に出力が得られる。これらの出力はＤ
／Ａコンバータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによりアブログ
信号にもどされ、アナログ乗算器２５．２６．２７に入
力される一方、ＲＯＭ３１ａ、３１ｂ、３１ＣＩＣはそ
れぞれ の値が書き込まれている。ここで、Ｓ＝ｎ／ｍである。

制御回路１３より各フィールドごとにｎの値が１．２，
３．・・・ｍと変化しながら出力されると、ＲＯＭ３１
ａ、、３１ｂ、３１ｃより、（３）式の値がデジタル値
として読み出される。この値はＤ／Ａ：ｌンバータ３２
ａ、３２ｂ、３２ｃによりアナログ値に変換され、乗算
器２５，２６．２７に入力される。乗算器２５．２６．
２７によって、各フィールドの映像出力と画素により定
まる定数とが乗算される。しかして乗算器２５．２６．
２７の出力は加算器２８ａ、２８ｂ、２８ｃに入力され
加算される。つまり乗算器２５の出力は加算器２８ａに
、乗算器２６の出力は加算器２８ｂに、乗算器２７の出
力は加算器２８ｃによりそれぞれ加算される。このよう
にして（２）式の計算が行なわれ、混色が除かれた原色
信ＱＲ，Ｇ。

Ｂが得られる。これらの信号を直接ＲＧＢ入カツカカラ
ーモニタ力するか、あるいはＮＴＳＣエンコーダに入力
してＮＴＳＣ信号に変換してからカラーモニタ入力する
などの手段によりカラー画像が表示される。

この第１実施例によれば遮光期間を設けることなく、常
時照明しているため、照明期間を大きくできる。つまり
、照明光量を大きくできるので、固体撮像素子８から出
力される信号レベルも大きくなり、高感度にできるとと
もに、Ｓ／Ｎの良好な鮮明なカラー画像を得ることがで
きる。従って、この第１実施例は内視鏡に適したものと
なる。又照明光停止の限られた期間に走査を行う場合と
比較して遅い周波数で信号読みだしを行うことができる
。また、撮像素子の画素数を多くした場合にも無理なく
信号読みだしができ、解像度が高い良好な画像を得るこ
とができる。以上の説明では照明光はＲ，Ｇ、Ｂの３原
色が切り換られるものとしたが、これに限定されるもの
ではなく、たとえばシアン、マゼンタ、イエローという
補色系を用いてもよいし、あるいは原色と補色の組み合
わせでもよい。三原色が異なる比率で混合された３組以
上の照明光を用いれば、原色信号に分離することができ
るフィールドメモリの数も３に限定されず３以上とする
こともできる。

また、以上の説明ではマトリックス回路における積和演
算はアナログ演算によりなされたが、これはディジタル
の演算とすることもできる。また、マトリックスの係数
の発生はＲＯＭを用いて行なったが、これはディジタル
あるいはアナログの演算回路を用いて係数の計篩をさせ
るようにすることも可能である。さらに、マトリックス
回路により出力される信号はＲ，Ｇ、Ｂの原色信号とし
た′がこれはＮＴＳＣ信号を用いる場合には直接輝度信
号Ｙ１色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙとすることもできる。

第５図は本発明の第２実施例の主要部を示す。

本例ではマトリックス演算をディジタル演算により行な
い、マトリックス出力としてＹ、Ｒ−Ｙ。

Ｂ−Ｙの輝度及び色差信号を得るものである。

第５図において、各フィールドメモリ９ａ、９ｂ、９ｃ
のディジタル信号出力は、ディジタル乗算器２５ａ’　
、２６ａ’　、２７ａ’　　：２５ｂ’　。

２６ｂ’　、２７ｂ’　　：２５ｃ’　、２６ｃ’　、
２７ｃｌ　　（これらを２５’　、２６’　、２７’　
と記す。）に入力され、これらディジタル乗算器２５’
、２６’　、２７’の出力はディジタル加算器２８ａ’
　。

２８ｂ’　、２８ｃ’　に入力される。この実施例では
、異る係数を発生するＲＯＭとして９個の８０Ｍ１〜Ｒ
ＯＭ９を用いている。これら８０Ｍ１〜ＲＯＭ９に書き
込まれている係数は、それぞれ（以下、余白） ：℃されている。ここでＳ−ｎ／ｍである。

第５図において、固体撮像素子８がら得られた映像信号
はＡ／Ｄコンバータ２２によりディジタル変換された後
、１ｌＪｉｌ１１回路１３の働きにより対応するフィー
ルトメｔす９ａ、９ｂ、９ｃに順次書き込まれる一方、
フィールドメモリ９ａの出力はディジタル乗Ｉｌ器２５
ａ’　、２６ａ’　、２７ａ’に、同じくフィールドメ
モリ９ｂの出力はディジタル乗算器２５ｂ’、、２６ｂ
’　、２７ｂ’　に、フィールドメモリ９Ｃの出力はデ
ィジタル乗算器２５ｃ’　、２６ｃ’　、２７ｃ’　に
それぞれ入力される。

一方、８０Ｍ１〜ＲＯＭ９の出力は、それぞれ乗算器２
５ａ’　、２５ｂ’　、２５ｃ’　、　・、２７Ｃ′に
入力される。制御回路１３により、ＲＯＭ１〜ＲｏＭ９
にはｎの値が１．２．３．−、ｍと変化しながら出力さ
れると、（４）式の値が各ＲＯＭから出力され、乗算器
２５ａ’　、２５ｂ’　、−。

２７０′において、各フィールドの映像出力と乗算され
る。さらに、これら乗算器２５ａ’　、２５ｂ’　、　
・、　２７　ｃ’の出力は、加算器２８ａ’。

２８ｂ’　、２８ｃ’で加算される。この結果、氾色が
除かれ、 で規定される輝度信号及び色差信号がディジタル信号と
して得られる。これらの信号はさらにＤ／Ａコンバータ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃによりアナログ信号に変換され
る。これをエンコーダに入力することにより、ＮＴＳＣ
映像信号が得られる。

この実施例のようにマトリックス回路１１′をディジタ
ル演算器で構成した場合には、これらの回路のＩＣ化が
容易であるという特徴がある。

以上説明した例ではいずれも各フィールドの期間は一定
としたが、これはフィールドに照射される照明光により
変えることもできる。通常、固体撮像素子では青色光に
対する感度が低いので、これを補正するために青色光の
照射する期間を他の照明光よりも長くすることが設計上
有利である。

この場合の実施例を次に示す。

第６図は照明光の照射と撮像素子の読み出しのタイミン
グを示す図である。この例では青色（Ｂ）の照射時間を
赤（Ｒ）、緑（Ｇ）のちょうど２倍としている。従って
、フィールドＦｃの期間はＦａ、Ｆｂの２倍となってい
る。このとき、ＦＣにおける撮像素子の走査周波数をＦ
ａ、Ｆｂにおける走査周波数の１／２とすれば、ＦＣの
開始とともに固体撮像素子の走査が開始され、Ｆｃの終
了時に走査を終了させることができる。この場合、原色
信号を表わ１式は前例と同様に（２）式であられされる
。しかし、固体撮像素子の走査周波数をフィールドごと
に変更することは走査回路を複雑化するため好ましくな
い。そこで第６図の例ではＦｃにおける素子の走査開始
をＦＣ期間の１／２だけ遅らせ、Ｆａ、Ｆｂと同じ周波
数で走査することにより走査終了の時期（この走査時期
をＴＣで示す）をフィールドＦｃ終了と一致させている
。

この時、フィールドＦａ、ｌ”ｂ、　Ｆｃに読み出され
る信号Ｆ１．Ｆ２．Ｆ３は次の式であられされる。

（６）式から、原色に対する成分を求めると次のように
なる。

この式に基づいてＦ４痺を行なえば、混色を除き、原色
成分なｔ９ることができる。この演舞をディジタル演算
器で行ない、Ｒ，Ｇ、Ｂの出力を得るための回路構成を
第７図に示す。第７図において８０Ｍ１〜ＲＯＭ５には
、次の値が古き込まれている。ここでＳ＝ｎ／ｍである
。

尚、Ｄ／Ａコンバータ２４ｃの出力信号が入力されるア
ンプ５１は、ゲイン２のアナログアンプである。

他の構成要素は第５図とほぼ同じであるので説明は略す
。次に第７図における動作を説明する。

固体撮像素子８の出力が対応するフィールドメモリ９ａ
、９ｂ、９ｃに重き込まれることは前例と同様である。

フィールドメモリの出力は乗算器２５’　、２６’　、
２７’　に入力される。一方、ＲＯＭ１の出力は乗算器
２５８′及び２６ｂ’　に、ＲＯＭ２の出力は乗算器２
５ｂ’　、２６ｃ’　、２７ａ′に、ＲＯＭ３の出力は
乗算器２５Ｃ’　、２７ｂ′に、ＲＯＭ４の出力は乗算
器２６８′に、ＲＯＭ５の出力は乗算器２７０′にそれ
ぞれ入力される。制御回路１３より８０Ｍ１〜ＲＯＭ５
に対し、ｎの値が１．２．３．・・・ｍと変化しながら
出力されると（８）式で表わされる値がＲＯＭより出力
され、乗算器２５’　、２６’　、２７’において、フ
ィールドメモリの出力と乗算される。さらに乗算器２５
’　、２６’　、２７’の出力が加算器２８ａ’　、２
８ｂ’　、２８ｃ’により加算される。加算器２８ａ’
　、２８ｂ’　、２８ｃ’の出力はそれぞれＤ／Ａコン
バータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによりアナログ信号に変
換される。しかしてＤ／Ａコンバータ２４ｃの出力はア
ンプ５１により２倍にされる。この結果（７）式の演算
が行なわれたことになり、Ｒ，Ｇ、Ｂの原色信号が得ら
れる。このようにマトリックスの係数を適当に設定する
ことにより、照明光の照射時間が一定でない場合にも本
発明を適用することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明ではＸ−Ｙアドレス方式の
固体撮像素子を面順次カラー躍像装冒に利用した場合に
おいて、画面走査に伴う露光期間のずれから生じる混色
を補正し、所望の色信号を得ることができる。このため
、画面走査の期間に照明光を停止する必要がなく、光利
用効率が高いため高感度にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は本発明の基本的構成図、第２図は第１実施例の具体
的構成図、第３図は第１実施例の動作説明図、第４図は
第１実施例に用いられるＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素
子の１例を示す構成図、第５図は本発明の第２実施例の
主要部を示す構成図、第６図は本発明の第３実施例にお
ける照明期間と読出すタイミングを示す説明図、第７図
は第３実施例の主要部を示す構成図である。 １・・・面順次カラー躍像装置 ２・・・被写体　　　　　　３・・・照明系７・・・対
物レンズ ８・・−Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子９ａ、９ｂ、９
ｃ・・・フィールドメモリ１１・・・マトリックス回路 １２・・・カラーモニタ　　１３・・・制御回路・−ノ 第３図 □□閣ニニニ■］ 第４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、フィールドごとに異なる波長の照明光で順次照明さ
   れた被写体の光学像が結ばれるＸ−Ｙアドレス型の固体
   撮像素子と、各フィールドごとに前記固体撮像素子から
   読出した映像信号を記憶するフィールドメモリと、各フ
   ィールドメモリから読出した信号を前記固体撮像素子か
   ら読出すタイミングに依存した重み付けをして加算する
   マトリックス手段とを設けてカラー撮像する面順次カラ
   ー撮像装置。 ２、前記マトリックス手段は、読出されるタイミングに
   依存した画素により異る重み付け係数を発生する回路と
   、前記フィールドメモリの出力と前記係数とを乗算する
   乗算器と、該乗算器の出力を加算する加算器とを有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の面順次カ
   ラー撮像装置。