JPS6351633B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は色分解機能を備えた固体撮像装置に関
し、特に感応スペクトル帯域の異なる４種の光電
変換素子を用いた単板カラー撮像装置に関するも
のである。

２次元固体撮像素子を単板にてカラー化するに
は、通常色フイルタを撮像素子上に配置して被写
体像を各色成分毎に空間サンプリングする方法が
採られている。この場合限られた画素を有効に用
いてサンプリングの効率を高めることが望まし
く、色フイルタの配列に関して従来より種々の手
法が提唱されている。

例えば、輝度信号は高い解像度を必要とするの
に対し色信号は相対的に低い解像度で可能である
というビデオ信号の特質を利用し、輝度成分の大
半を占める緑色（Ｇ）信号用のＧフイルタのみ水
平垂直の両方向とも１素子おきの市松状に配置
し、その間の位置に赤色（Ｒ）フイルタ及び青色
（Ｂ）フイルタを各々繰返しパターンで配置する
手法は効率が高く、ベイヤー配列、インターライ
ン配列等として知られている。しかしこのような
配列上の工夫を行なつても、輝度信号の解像度は
全画素を輝度信号のために用いた白黒撮像の場合
に比べ低く、特に斜方解像度の劣化が大きい。対
角線方向では1/2の応答である。

また特開昭55−675号公報においては、色フイ
ルタを白色（Ｗ）フイルタ、黄色（Ye）フイル
タ、緑色（Ｇ）フイルタ及びシアン色（Cy）フ
イルタの４種用い、各々１素子ずつ２行２列の４
素子組とし、これを単位とした繰返し配列により
２次元のフイルタを構成して、４素子組内の演算
により各色信号を得ると共に、輝度信号は４素子
組内の垂直方向２素子間の加算により、水平方向
には１素子単位で得る技術が記載されている。こ
れによれば輝度信号水平解像度は白黒撮像の場合
と同程度まで得られる。

しかしながらビデオ信号では通常インターレー
ス動作が行なわれている。従つて１系列の信号に
より上記輝度信号を得るためには大容量のフイー
ルドメモリを用いなければならない。このような
問題を回避する手法として、例えば特願昭56−
173980に１水平走査線（1H）分のメモリを用い
るのみで水平・垂直の両方向ともに白黒撮像の場
合と同程度の解像度を得ることが可能となる方法
が提案されている。ただこの手法は信号処理がや
や複雑である。

本発明は以上のような問題点に鑑みてなされた
ものであり、高い水平・垂直及び斜方解像度を得
ることができ、かつ信号処理も比較的容易な単板
カラー撮像装置を提供するものである。以下図面
を用いて本発明を詳細に説明する。

第１図ａ，ｂは本発明を実施するためのカラー
フイルタ配列を示したものである。まずカラーフ
イルタの種類として、２色の和が全可視領域に応
答をもち同形の分光特性となる相異なる２組とす
る。第１図ではＷ，Ｇの組とCy，Yeの組であ
る。ここでＷ＋Ｇ＝Cy＋Ye＝Ｂ＋2G＋Ｒとなつ
て上記条件を満たしている。その他Ｒ，CyとＢ，
Yeの組合せ等ももちろん可能である。次に上記
２組を組単位のまま１行４列の縦１列に並べた４
素子組単位にし、同４素子組を水平・垂直の両方
向に繰返し配列する。ここで２素子組内では水平
方向に１素子毎に交互する配列とする。ここでさ
らに信号の読み出しはインターレース動作とし、
１水平列おきに１フイールドを読み出すこととす
る。なお上記条件を満す４素子の配列には第１図
ａ，ｂ等の種々の組合せが可能である。

まず、輝度信号は次のようにして形成する。輝
度信号Ｙは、Ｙ＝0.11B＋0.59G＋0.30Rであり、
第１図の配列においては近似的にＢ＋2G＋Ｒで
表わされる。従つてＷ＋ＧないしCy＋Yeの加算
により得ることができる。しかるに第１図におい
ては任意の水平方向に隣接する２画素が上記組合
せを形成するから、輝度信号は水平方向に隣接す
る２画素間で加算し、かつこの操作を１画素毎に
水平方向へ移動して行なうことにより各画素の輝
度信号を得ることが可能となる。第２図はこの操
作を示した図である。ａの如き矩形波入射光像に
対して、ｂに示す配列の画素で受光した場合、上
記２画素間の加算を１画素毎に繰返すと、出力は
ｃの如くなる。この操作により得られる水平解像
度の計算値は第３図の如くなる。ここで横軸は矩
形波入射光像の水平空間周波数、縦軸は応答であ
る。これより、全画素独立した白黒撮像における
ナイキスト限界f_N近傍まで応答が得られる。垂直
方向には画素間の操作を何ら行つていないため、
白黒撮像時と同等のナイキスト限界までの応答が
得られる。

第４図は解像可能な限界空間周波数領域を求め
た計算結果である。ここで１はＧフイルタ市松配
列の場合の応答であり、２は本発明における上記
信号処理の場合の応答である。これより、斜方解
像度はＧ市松配列より優れていることが判明す
る。さらに上記信号処理の長所として、受光素子
の配置が等間隔でない場合にも正しい応答を得る
ことが可能となる。第５図ａに示すように受光素
子が２素子単位で不均等配置されている場合、各
画素信号をそのまま再生すると位相に誤差を生じ
る。しかし第５図ｂに示すように本信号処理法に
おいてはこのような場合にも位相関係は正しく保
たれる。

色信号は次のようにして形成される。第１図の
配列においてはＲ＝Ｗ−Cy＝Ye−Ｇ及びＢ＝Ｗ
−Ye＝Cy−Ｇで表わされる。従つて水平方向に
隣接する２画素、及び同画素から１水平列おいて
隔てた水平列上にありかつ同画素と同一水平位置
にある２画素を選出すればこれら４画素は常に
Ｗ，Ｇ，Cy，Yeの画素であるから、これらより
Ｒ＝１／２（Ｗ−Cy＋Ye−Ｇ）、Ｂ＝１／２（Ｗ−Ye ＋Cy−Ｇ）の演算を行つて各色信号を得る。ま
たこの操作は水平方向に１画素ずつ移動して繰返
されるから水平方向の色の解像度が高く、水平方
向の偽色信号の発生も少ない。さらに、上記４画
素間の演算は、Ｒ信号、Ｂ信号ともに上側２素子
と下側２素子間で２組の減算操作を行ない両減算
値の加算平均により行なわれるが、上記２組の減
算操作は上下方向に関し互いに反対であり、従つ
て横縞模様のような垂直方向に輝度変化の大きい
入射光像に対しても偽色信号を生じることが非常
に少なくなる。

第６図は、以上に記した輝度信号及び色信号を
得る手法を実現するためのタイミングを示したも
のである。第１図ａの配列による固体撮像素子を
インターレース動作で駆動し、実時間（0H）信
号と1H遅延（1H）信号を同時に読み出すと第６
図ａ，ｂの如くなる。次に各素子毎に対応して発
生するｃ，ｄに示す２つのクロツクS1，S2によ
つて上記0H信号、1H信号各々をサンプルホール
ドするとｅ，ｆ，ｇ，ｈに示す信号波形が得られ
る。ここでｅ信号とｆ信号を単純に加算するのみ
でｉに示すように輝度信号Ｙが直接得られる。即
ち常に水平に隣接する２画素間の加算であり、か
つこの操作を水平方向に１画素ずつ移動して繰返
す形となつている。またＲ信号はｅ−ｆ−ｇ＋ｈ
の関係により、ｊに示すように容易に得られる。
同様にＢ信号は±〔ｅ−ｆ＋ｇ−ｈ〕の関係によ
りｋに示すように容易に得られる。但し、後者は
符号が1H毎に反転するため補正する必要がある。
これらＲ信号及びＢ信号は１水平列おいて隔てた
２水平列上にあり同一水平位置上の水平方向に隣
接し合う２画素組間の演算となつており、かつこ
の操作を水平方向に１画素ずつ移動して繰返す形
となつている。

第７図は、第６図に示した信号処理を実現する
ための回路ブロツク図である。第１図ａに示す配
列のカラーフイルタを備えた固体撮像素子１から
の信号は分岐され、一方は直接、他方は1H遅延
線２を介して、サンプルホールド回路３，４，
５，６へ入力される。回路３と５及び回路４と６
は各々同一のクロツクＳ１及びＳ２で駆動され、
出力信号として７，８，９，１０が得られる。こ
れらは第６図におけるｅ，ｆ，ｇ，ｈに同一順序
で対応している。各信号７，８，９，１０は分岐
され、７及び８からの各１信号は加算回路１１で
加算されて輝度信号Ｙが出力される。また信号
７，８，９，１０からの各１信号は加減算回路１
２により加減算されＲ信号Ｒが出力される。同様
に信号７，８，９，１０からの別の各１信号は加
減算回路１３で加減算される。回路１３からの出
力のうち一方は直接、他方は符号反転回路１４を
介して、1H毎に交互するスイツチング回路１５
へ導かれ、符号修正されてＢ信号Ｂが出力され
る。上記出力信号Ｙ，Ｒ，Ｂは各々第６図ｉ，
ｊ，ｋに対応している。

なお、第６図及び第７図の説明においては、第
１図ａに示すカラーフイルタ配列を用いた場合で
あつたが、第１図ｂに示すカラーフイルタ配列の
場合はそれぞれ第８図、第９図のように変更され
る。第８図は第６図に比べ、クロツクS1及びS2
は同一であるが、各色信号の順序が異なり、従つ
て第６図ｊ及びｋと同一の信号処理により、第８
図ｊ及びｋの出力信号が得られる。以上のことか
ら信号処理回路第７図は第９図のように変更され
る。ここで加減算回路１１，１２，１３までは両
者同一である。回路１２，１３からの出力１６，
１７は第８図ｊ，ｋにそれぞれ対応している。両
信号は各々一方は直接、他方は符号反転回路１４
を介してスイツチング回路１８，１９へ導かれ
る。回路１８，１９は2H毎に交互するのが両者
の間で1H位相が異なつている。回路１８，１９
からの出力は1H毎に交互するスイツチング回路
２０で切換えられ、Ｒ信号のみ及びＢ信号のみが
出力される。第１図ｂカラーフイルタの場合は、
第１図ａカラーフイルタの場合に生じる青信号の
水平方向偽信号が現われにくい特長がある。

以上説明してきたように、本発明によれば輝度
信号の解像度が特に斜方向において優れ、偽色信
号の発生も抑えられると共に、画素配列ピツチが
水平方向２画素組内で不均一であつても位相誤差
を生じず、しかも信号処理が比較的容易な単板カ
ラー撮像装置を構成することができる。

なお、本発明の実施例として撮像素子上に色フ
イルタが配置されている場合について説明したが
そのことに限定されることはなく、各光電変換素
子そのものが分光特性の異なる性質を持つている
場合についても本発明の請求範囲に含まれること
は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明の実施例における色フイ
ルタ配列図、第２図は本発明において輝度信号を
形成する手法を示すタイミング図でａは入射光
像、ｂは画素配列、ｃは出力応答を示す図、第３
図は本発明により得られる輝度信号の水平解像度
の計算値を示す図、第４図は本発明により得られ
る輝度信号の解像可能周波数領域を示す図で、１
はＧフイルタ市松配列の場合、２は本発明の場合
を示し、第５図は受光素子ピツチが不均等である
場合の撮像画像の位相ずれを示す模式図でａは通
常の読出法の場合、ｂは本発明による読出法の場
合を示し、第６図及び第８図は各々第１図ａ及び
ｂに示す色フイルタを用いた場合の本発明を実施
するためのタイミングを示す図で、撮像素子から
の実時間信号ａと1H遅延信号ｂ、サンプルホー
ルド用クロツクｃ及びｄ、サンプルホールドされ
た各種出力信号ｅ，ｆ，ｇ，ｈ、合成された輝度
信号ｉ及び色信号ｊ，ｋをそれぞれ表わし、第７
図及び第９図は第６図及び第８図に示した信号処
理を実現するための回路ブロツク図を示す。 １：単板カラー撮像素子、２：1H遅延線、３，
４，５，６：サンプルホールド回路、１１：加算
回路、１２，１３：加減算回路、１４：符号反転
回路、１５，１８，１９，２０：スイツチング回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれ感応するスペクトル帯域の異なる４
   種の光電変換素子が水平・垂直方向に配列されて
   なるカラー撮像装置において、第１の光電変換素
   子の感応スペクトル特性と第２の光電変換素子の
   感応スペクトル特性を加算した特性は可視領域全
   域にわたつて有限の応答を持ち、第３の光電変換
   素子の感応スペクトル特性と第４の光電変換素子
   の感応スペクトル特性を加算した特性は、上記第
   １の光電変換素子と第２の光電変換素子各々の感
   応スペクトル特性の加算特性と相似形であつて、
   上記４種の光電変換素子が各１素子ずつ垂直方向
   に隣接して並べられた４素子を組とし、該４素子
   組が水平・垂直の両方向に繰返し配列されてな
   り、上記第１の光電変換素子と第２の光電変換素
   子は上記４素子組の上半２素子の位置を占め、上
   記第３の光電変換素子と第４の光電変換素子は上
   記４素子組の下半２素子の位置を占めており、か
   つ上記上半及び下半２素子内の配列は各水平列に
   おいて、第１の光電変換素子と第２の光電変換素
   子の間で、ないしは第３の光電変換素子と第４の
   光電変換素子の間で、水平方向に１素子毎に交互
   に配列されてなり、上記光電変換素子列から寄数
   フイールド、偶数フイールドを交互に切換えて信
   号を出力する読出す回路と、読出された信号から
   輝度信号及び色信号を形成する信号処理回路とを
   備えてなることを特徴とする単板カラー撮像装
   置。 ２ 上記第１の光電変換素子は全色に感応し、上
   記第２の光電変換素子は緑色に感応し、上記第３
   の光電変換素子は黄色に感応し、上記第４の光電
   変換素子はシアン色に感応することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の単板カラー撮像装
   置。 ３ 上記光電変換素子列の出力信号から輝度信号
   を得る信号処理回路は、水平方向に隣接する２素
   子の信号を加算平均して１画素信号とし、かつ同
   操作を１素子ずつ水平方向へ移動して出力信号を
   形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の単板カラー撮像装置。 ４ 上記光電変換素子列の出力信号から色信号を
   得る信号処理回路は、水平方向に隣接した２素子
   と、該素子から１水平列において隔てた水平列上
   にありかつ上記２素子と同一水平位置にある２素
   子間で、演算することより得られた信号を１画素
   信号とし、かつ上記操作を１素子ずつ水平方向へ
   移動して出力信号を形成することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の単板カラー撮像装置。