JPS63238787A - 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］ この発明は、水平中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１７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、水モ・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ｎ色光透過フィル
タ（、以ド、「Ｂフィルタ」という）が、それぞれ１行
おきに、水モ方向に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−ＧφＢフィルタは、
水平・重置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１８図は後で説明する色光キャリアを２次元周波数千
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、水平会垂直両方
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２画素、垂直方向が４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Ｃ１ｊ（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、Ｃ１４，Ｃ２２には全色光を透過
する第１の色フィルタを、Ｃ１２゜Ｃ２４には選択され
た２つのスペクトル領域の色光を透過する第２の色フィ
ルタを、Ｃ１ｌ、Ｃ１３，Ｃ２１、Ｃ２３には上記２つ
のスペクトル領域のうちいずれか一方のスペクトル領域
の色光および他方のスペクトル領域の色光の補色光を透
過する第３の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
ィルタは全色光を透過し、第２の色フィルタは特定され
た２つのスペクトル領域の色光のみを透過し、第３の色
フィルタはそれぞれ第２の色フィルタを透過する一方の
スペクトル領域の色光および他方のスペクトル領域の色
光の補色光を透過する。

このため、第２Φ第３の色フィルタを透過する色光は、
第１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１１１第３の色フィルタを透過し、また第３の色
フィルタを透過しない色光は第１・第２の色フィルタを
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１の色フィルタを透過し、第２・第３の色フ
ィルタを透過しない色光、および第１・第２の色フィル
タを透過し、第３の色フィルタを透過しない色光および
第１・第３の色フィルタを透過し、第２の色フィルタを
透過しない色光についても、水モ方向についてみると、
全部の画素で透過す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（以ド、「フィルタ」という）　、　（２
）は固体撮像素子、（３）　　、　（４）は１水平走査
時間だけ信号を遅延させるｌＨ１！：延よ子、（１３）
　　、　（７）　　。

（８）は加減算を行う演算器、　（９）　　、　（１１
）はローパスフィルタ、（１０）はバイパスフィルタ、
（１２）　。

（１３）は変調器、（１４）は加算器、（１６）は所定
のテレビジョン方式の映像信号を出力するエンコーダ、
（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２画素、垂直方向が４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１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−１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。、Ｗフィルタは赤色光成分と緑色光成分と青
色光成分とを透過し、Ｙｅフィルタは赤色光成分と緑色
光成分を透過し、ａｙフィルタは緑色光成分と青色光成
分とを透過するので、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、Ｈ色光の各成分がサンプリングされる
ことを示し、Ｏはサンプリングされないことを示してい
る。

このように、水平中垂直千面（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φ垂直方向の２次元周波数千面（ｆｘ　ｆｙ平面）
で表わすと第５図のようになる。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、「Ｇキャリア」という）は、Ｏ＜　
ｆ　ｘくπ、ｏ＜ｆｙ　＜πにおいては（ｆｘ、ｆｙ　
）　＝　（０、Ｏ）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ｆｘ軸上、ｆｙ＠
上には、０，２π以外にキャリアはなく、水平解像度は
、緑色光と同等の高い解像度を有する。また、垂直方向
には、（ｆｘ、ｆｙ）＝（０，π）の位置に、ＲとＢの
キャリアが逆位相で存在しているので、無彩色の被写体
では、ＲとＢのキャリアの和は小さく、高い解像度が得
られる。また、斜め方向についてもキャリア間の距離が
十分にあるので、水平・Ｉ兵直方向に比べて著しい解像
度の劣化は生じない、第１７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ｉ１８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、！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。

次にこの実地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。このとき演算器（６）の出力は、現時刻のＳｌ
の信号と１水平走査時間前のＳｌの信号とを加えたもの
から、現時刻および１水平走査時間前の５２の信号を減
じたものであって、２Ｂ−Ｈの信号となる。変調器（１
２）の変調周波数は、（ｆｘ、ｆｙ　）　＝　（０、π
）であり、これはフレームで見たときの１走査線ごとに
符号が反転するもので、インターレース走査で見れば、
フィールドごとに符号が反転することである。第６図に
示したフィールドの符号を正とすれば、変調器（１２）
は、ローパスフィルタ（８）を通過した２Ｂ−Ｈの信号
の入力に対し、２Ｂ−Ｒ信号を出力する。

次に演算器（７）の出方を見ると、それは現時刻の８１
の信号と８２の信号を加え、１水平走査時間前の３１の
信号およびｓ２の信号を減じたものであり、Ｒ信号が、
１画素毎に正負が反転したものとなる。この１画素毎に
正負が反転する周波数はπ周波数に相当する。したがっ
て、演算器（７）に続くバイパスフィルタ（１０）はπ
周波数でレスポンスが最大となるものを用い、このバイ
パスフィルタ（１０）を通過したＲ信号は、変調器（１
３）により復調されてベースバンドのＲ信号となる。

次に演算器（８）の出力は、現時刻のＳ２の信号と、１
水平走査時間前の８１の信号を加えたもので、２Ｇ＋２
Ｒ＋Ｂと、２Ｇ＋Ｒ＋Ｂとが交互に現われたものとなり
、これにつづくローパスフィルタ（１１）により平滑化
されて２Ｇ＋１．５Ｒ＋Ｂの信号となる。

加算器（１４）は、変調器（１２）の出力２Ｂ−Ｒ信号
と、変調器（１３）から得られるベースバンドのＲ信号
とを加算し、２Ｂ信号を出力する。

エンコーダ（１６）は、加算器（１４）から得られた２
Ｂ　イｓ号と、演算器（１３）から得られたＲ信号と、
ローパスフィルタ（１１）から得られた２ａ＋１．５Ｒ
十Ｂ信号とを処理して所定形式の映像信号として出力端
子（１７）から出力する。

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は、走査ラインが
ｍ番目のときには、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出力される。演
算器（６）の出力について見ると、Ｒ−２Ｂ信号となっ
ており、第６図の場合と符号が反転している。このフィ
ールドの符号は負であり、変調器（１２）は、ローパス
フィルタ（９）を通過したＲ−２Ｂ信号の入力に対し、
２Ｂ−Ｒ信号を出力する。また、演算器（７）の出力に
は、第６図の場合と同様に、１画素ごとに符号が反転し
たＲ信号が得られ、バイパスフィルタ（ｌＯ）および変
調器（１３）を経てベースバンドのＲ信号が得られる。

加算器（１４）の出力は、第６図の場合と同様に、２Ｂ
信号となる。演算器（８）の出力も、第６図の場合と同
様に、２Ｇ＋２Ｒ＋Ｂと。

２Ｇ＋Ｒ＋Ｂが交互に得られ、ローパスフィルタ（１１
）により平滑化され、２Ｇ＋１．５Ｒ＋Ｂ信号が得られ
る。これらの信号がエンコータ（１６）により所定の映
像信号として出力端子（１７）より出力される。

なお、第３図に示した色フィ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２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１０図のようになる。第
４図と第１０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を
持つモザイク状フィルタを、第１図に示したシステムに
適用した場合には、変調器（１３）からはＢ信号が、加
算器（１４）からは２Ｂ信号が、ローパスフィルタ（１
１）からは２Ｇ＋１．５Ｒ＋Ｂ信号がそれぞれ出力され
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（１ａ）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）は横ストライプ色フ
ィルタ、（２２）は光学系（１日）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
（２ａ）　、　（２ｂ）には同一の光像が入射する。（
２４）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
的に水平方向の画素ピッチＰｈの繕だけ水平方向にずれ
たものである場合（以下、「水平画素すらし」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１２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
（２ａ）　、　（２ｂ）の画素が並んでいることになる
。図中、胴線を付した画素は、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（２
ａ）の画素を示している。

この場合に：５３図に示した色フィルタ配列を適用する
には、第１３図（Ａ）、（Ｂ）に示した色フィルタ配列
をもつ横ストライブ色フィルタ（ｌｂ）　。

（ｌｃ）をそれぞれ固体撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ
）に設ければ良い。横ストライブ色フィルタ（ｌｂ）　
、　（ｌｃ）は、第３図に示した色フィルタ配列を縦に
２分し、それぞれ水Ｖ−垂直両方向に配列したものであ
る。

そして、これらの横ストライブ色フィルタ（ｌｂ）　、
　（ｌｃ）は、垂直方向に２行ずれただけであり、色フ
ィルタ配列としては同じものであるから、同一プロセス
で製造することができるという効果がある。また、第１
３図（Ａ）に示した横ストライブ色フィルタ（１ｂ）を
持つ固体撮像素子を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ｐｈの腸だけずらし、垂直方向に
は垂直画素ピッチの２倍だけずれる様にすることで、第
１４図に示したように、入射光像側から見た色フィルタ
の配列は、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１４図に
おいて破線で示した色フィルタ配列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１４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
できる効果がある。このことは、第１３図（Ｂ）に示し
た横ストライブ色フィルタ（１ｃ）を持つ固体撮像素子
を２つ用いても全く同様である。

また、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Ｐマの堤だけ６
直方向にずれたものである場合（以ド、「垂直画者すら
し」という）には、入射光像側から見たときの２つの固
体撮像素子（２ａ）　、　（２ｂ）の受光画素は第１５
図に示したように、垂直方向に１画素毎に異なる固体撮
像素子の画素が並んでいることになる。この場合に、第
３図に示した色フィルタ配列もつフィルタを適用するに
は、第１６図（Ａ）。

（Ｂ）に示した色フィルタ配列もつフィルタ（ｌｄ）　
。

（１ｅ）をそれぞれの固体撮像素子に配設すれば良い。

そして第１６図（Ａ）はＹｅの単色フィルタであり、同
図ＣＢ）に示した色フィルタ配列は、２種類の色フィル
タＧとＷの市松模様配列となっており、製作が容易とな
る効果がある。

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でも全く同様
に構成でき、同様の効果が得られることは明らかである
。

「発明の効果コ 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２画
素、垂直方向４画素の８つを１ｍ位とし、この１単位を
構成する各色フィルタの位置をＣ１ｊ（ｉ＝１〜２．ｊ
＝１〜４）とするとき、Ｃ１４，Ｃ２２には全色光透過
のＷフィルタを、Ｃ１２，Ｃ２４には選定された２つの
スペクトル帯域の色光を透過する第２の色フィルタを、
Ｃ１ｌ、Ｃ１３，Ｃ２１，Ｃ２３には上記２つのスペク
トル帯域のうち一方のスペクトル領域の色光および他方
のスペクトル領域の補色光を通過する第３の色フィルタ
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。また、この発明を２つの固体撮像素
子を用いた画素ずらしによる固体撮像装置に適用した場
合、水平画素ずらしのときには２つの固体撮像素子に装
着する色フィルタは同じ配列の横ストライブフィルタに
形成することができるので、同一のプロセスでフィルタ
を製造できる効果が得られ、また、昨直画素ずらしのと
きには、２つの固体撮像素子に装着する色フィルタは、
中色の色フィルタと、２種類の色フィルタの市松配列と
したもので構成でき、製造の容易なフィルタで構成でき
る効果がある。

【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色フイルタ配
列パターンの１単位を示す図、第４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１Ｏ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、７５１２図はこの実施例において２つの固
体撮像素子を水モ方向に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）、（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パターンを
示す図、第１４図はこの実施例の２つの固体撮像ぶ子の
走査方法を説明するための図、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垂直方向にＰマ／
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パターンを示す図、第１７
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１８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。 （ｌａ）　、　（ｌｄ）　、　（１ｅＬ＝　モザイク状
色フィルタ、（ｌｂ）　、　（ｌｃ）・・・横ストライ
ブ色フィルタ、（２）、（２ａ）　、　（２ｂ）−＝一
固体撮像素子、（３）　　、　（４）−１Ｈ遅延素子、
（６）　　、　（７）　　、　（８）・・・演算器、（
９）　　、　（１１）・・・ローパスフィルタ、　（１
０）・・・バイパスフィルタ、（１２）　、　（１３）
・・・変調器、（１４）・・・加算器、　（１８）・・
・エンコーダ、（２４）・・・信号合成処理回路、Ｇ・
・・緑色光透過フィルタ、Ｃｙ・・・シアン色光透過フ
ィルタ、Ｙｅ・・・値色光′ｆ！Ｌ過フィルタ、Ｗ・・
・金色光透過フィルタ。 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２
   画素、垂直方向が４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Ｃｉｊ（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、Ｃ１４、Ｃ
   ２２には全色光を透過する第１の色フィルタを、Ｃ１２
   、Ｃ２４には選定された２つのスペクトル領域の色光を
   透過する第２の色フィルタを、Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ２１
   、Ｃ２３には上記２つのスペクトル領域のうちいずれか
   い一方のスペクトル領域の色光および他方のスペクトル
   領域の色光の補色光を透過する第３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の色フィルタがシアン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の色フィルタが黄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る特許
   請求の範囲第１項記載のカラー固体撮像装置。