KR0168451B1 - 컬러 고체 촬상 소자 - Google Patents
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Abstract
컬러 고체 촬상 소자로부터 출력되는 영상 신호에 대한 신호 처리를 간단히 하는 것을 목적으로 한다.
고체 촬상 소자에 장착되는 컬러 필터가 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)로 구성된다. 기수행에 배치된 제1 및 제2엘리먼트(E1, E2)를 서로 가산하여 표시되는 색 성분의 신호가, 우수행에 배치된 제3 및 제4필터 엘리먼트(E3, E4)를 서로 가산하여 표시되는 색 성분의 신호와 동일해지게 한다. 제1 및 제2필터 엘리먼트(E1, E2)의 차, 및 제3 및 제4필터 엘리먼트(E3, E4)의 차로부터 광의 3원색(R, G, B) 중 하나의 색 성분의 신호가 각각 표시되게 한다. 이로 인해, 컬러 영상을 얻는 데에 필요한 신호가 각 행마다 얻어진다.
Description
제1도는 종래의 고체 촬상 소자의 수광부를 도시한 평면도.
제2도는 제1도는 X-X 선의 단면도.
제3도는 본 발명의 컬러 고체 촬상 소자의 컬러 필터의 구성을 도시한 평면도.
제4도는 실시예 1의 컬러 필터 구성을 도시한 평면도.
제5도는 실시예 2의 컬러 필터 구성을 도시한 평면도.
제6도는 실시예 3의 컬러 필터 구성을 도시한 평면도.
제7도는 실시예 4의 컬러 필터 구성을 도시한 평면도.
제8도는 실시예 5의 컬러 필터 구성을 도시한 평면도.
제9도는 제8도의 Y-Y 선의 단면도.
제10도는 제8도의 컬러 필터(17)의 제1필터의 구성을 도시한 도면.
제11도는 제8도의 컬러 필터(17)의 제2필터의 구성을 도시한 도면.
제12도는 제10도의 제1필터(17) 및 제11도의 제2필터를 중첩시킨 경우의 구성을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 11 : 기판 2, 12 : 분리 영역
3, 13 : 채널 영역 4, 14 : 산화막
5, 6, 15, 16 : 전송 전극 E1∼E4 : 제1∼제4필터 엘리먼트
본 발명은 모자이크 형상의 컬러 필터가 장착되는 컬러 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 그 컬러 필터의 구성에 관한 것이다.
고체 촬상 소자를 이용하여 컬러 영상을 얻는 경우에는 고체 촬상 소자의 수광면에 소정의 색 성분이 모자이크 형상이나 스트라이프 형상으로 배열되어 있는 컬러 필터를 장착하고, 수광면에 배열되는 복수의 수광 화소를 그 컬러 필터에 의해 각각 특정한 색 성분에 대응시키고 있다. 모자이크 형상의 컬러 필터의 경우, 스트라이프 형상의 컬러 필터와 비교하여 필터의 구성이 복잡하지만, 수평 해상도를 높게 할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 이 때문에, 고해상도화가 요망되는 비디오 카메라 등에 있어서는 모자이크 형상의 컬러 필터를 장착한 고체 촬상 소자가 많이 채용된다.
제1도는 모자이크 형상의 컬러 필터가 장착된 프레임 트랜스퍼 방식의 CCD 고체 촬상 소자의 수광부의 평면도이고, 제2도는 그 X-X 선의 단면도이다.
P형의 실리콘 기판(1)의 표면 영역에 고농도의 P형 영역 또는 선택 산화된 두꺼운 산화막으로 형성된 복수의 분리 영역(2)가 서로 평행하게 형성된다. 이 분리 영역(2)의 사이에 끼워진 기판 영역에, N형의 불순물이 확산되어 정보 전하의 전송 경로가 되는 채널 영역(3)이 형성된다. 이들 분리 영역(2) 및 채널 영역(3)이 형성된 실리콘 기판(1) 상에 게이트 절연막이 되는 산화막(4)를 통해 채널 영역(3)과 교차하는 방향으로 서로 평행이 되도록 복수의 1층째의 전송 전극(5)가 배치된다. 또한, 1층째의 전송 전극(5)의 간극을 덮도록 하여 2층째의 전송 전극(6)이 1층째의 전송 전극(5)와 전기적으로 절연된 상태로 배치된다. 피사체로부터 조사되는 광의 광전 변환에 의해 발생하는 정보 전하를 축적하는 기간에는 1층째의 전송 전극(5)의 전위를 높게 설정하고, 2층째의 전송 전극(6)의 전위를 1층째의 전송 전극(5)보다 낮게 설정한다. 이로 인해, 1층째의 전송 전극(5) 아래의 채널 영역(3)에 포텐셜 우물이 형성되고, 2층째의 전송 전극(6) 아래의 채널 영역(3)에 포텐셜 장벽이 형성되어 제1도의 종방향으로 연속하는 채널 영역(3)이 복수의 수광 화소로 구획된다. 또한, 각 전송 전극(5, 6)에는, 예를 들면 4상의 클럭 펄스가 제공되고, 포텐셜의 우물에 축적된 정보 전하가 채널 영역(3)을 따라 출력측으로 순차 전송된다.
각 전송 전극(5, 6)을 덮도록 형성되어 있는 컬러 필터(7)은 분리 영역(2) 및 전송 전극(6)으로 형성되는 포텐셜 장벽으로 구획되는 수광 화소에 대응하여 복수의 영역으로 분할된다. 그리고, 각 분할 영역에 대해서는 각 열로부터 얻어지는 수광 신호(영상 정보)를 연산 처리함으로써 R(Red), G(Green) 및 B(Blue)의 각 성분을 재현할 수 있도록 Ye(Yellow), Cy(Cyan), W(White) 및 G(Green)의 각 색 성분이 소정의 규칙에 따라 할당된다. 실제로는 Ye 필터와 Cy 필터와의 중첩으로 G 필터를 구성할 수 있기 때문에, Ye 필터가 되는 1층째의 착색층(8)을 Ye 성분 및 G 성분이 할당되는 분할 영역에 배치하고, Cy 필터가 되는 2층째의 착색층(9)를 Cy 성분 및 G 성분이 할당되는 분할 영역에 배치하여 컬러 필터(7)을 구성할 수 있다. 이때, W 성분이 할당되는 분할 영역에 대해서는 착색층(8, 9)는 배치되지 않고, 피사체로부터의 광이 그대로 수광 화소에 조사된다.
상술한 바와 같은 프레임 트랜스퍼 방식의 고체 촬상 소자의 경우, 각 수광 화소에 축적한 정보 전하를 각각 독립한 상태로 전송할 수 없기 때문에, 수광 화소 2행분의 정보 전하를 혼합하여 각 채널 영역(3)을 따라 2 화소 단위로 전송하도록 하고 있다. 그리고, (정보 전하를 혼합하는) 수광 화소의 조합을 필드마다 반전시킴으로써 인터레이스 구동을 가능하게 하고, 제1도중의 종방향의 화소수에 상당하는 분만큼의 수광 신호를 얻고 있다.
이와 같이 정보 전하가 혼합되면, 예를 들면 우수 필드에 있어서, n행째 및 n+1행째의 수광 화소로부터, Ye+W 및 Cy+G 성분의 신호를 얻을 수 있고, 이들 신호의 차로부터, 식1에 표시된 바와 같이 R 성분의 신호가 생성된다.
(또, Ye=R+G, Cy=G+B이다.)
그리고, 동일 필드(우수 필드)에 있어서, 다음의 n+2행째 및 n+3행째의 수광 화소로부터, Cy+W 및 Ye+G의 성분의 신호를 얻을 수 있고, 이들 성분의 신호의 차로부터, 식2에 표시된 바와 같이 B 성분의 신호가 생성된다.
또한, 각 수광 화소로부터 얻어지는 Ye+W 및 Cy+G 또는 Cy+W 및 Ye+G의 성분의 신호를 서로 합성하면, 식3에 표시된 바와 같이 R, G 및 B의 각 성분이 1:2:1의 비율로 합성된 휘도 신호가 생성된다.
종래, 휘도 신호는 NTSC 방식의 규격에 따르면, R, G 및 B의 각 성분을 30%, 59% 및 11%의 비율로 합성하여 생성되는 것이지만, 이것에 가까운 비율로 합성하여 생성한 것이며 실용적으로는 문제가 없다.
이들 B성분, R성분의 신호 및 휘도 신호의 생성에 관해서는 기수 필드에서도 마찬가지의 연산 처리에 의해 실현된다. 즉, n-1행째 및 n행째의 수광 화소로부터 얻어지는 W+Ye 및 G+Cy의 성분의 신호로부터 R 성분의 신호가 생성되고, n+1행째 및 n+2행째의 수광 화소로부터 얻어지는 W+Cy 및 G+Ye의 성분으로부터 B 성분이 생성된다.
따라서, 인터레이스 구동시의 각 필드에 있어서, 4행분의 수광 화소로부터 R, G 및 B의 각각의 각 색성분 신호와 휘도 신호를 얻을 수 있다.
그런데, 2 화소의 정보 전하를 혼합하지 않고 전체의 수광 화소의 정보 전하를 독립적으로 독출하도록 한 풀 프레임형의 CCD 고체 촬상 소지가 고려되고 있다. 이 풀 프레임형의 CCD 고체 촬상 소자의 경우, 예를 들면 우수행의 수광 화소로부터 R 성분의 신호를 얻고자 하면, 기수행의 수광 화소로부터 B 성분의 신호를 얻음과 동시에, 각 행으로부터 공통의 휘도 신호를 얻는 것이 필요하게 된다. 그러나, 제1도에 도시한 바와 같이 하나의 수광 화소에 하나의 색 성분이 대응되는 고체 촬상 소자에 있어서는 1행분의 수광 화소의 영상 정보로부터 B 성분 또는 R 성분을 생성할 수 없다. 컬러 필터(7)의 각 색 성분의 배열을 변경하면, 각 행으로부터 R 성분 및 B 성분의 신호를 얻도록 하는 것도 가능하지만, 그 경우 각 행으로부터 공통의 휘도 신호를 얻을 수 없게 되기 때문에, 실용화는 곤란하다.
본 발명은 풀 프레임형의 CCD 고체 촬상 소자에 있어서 각 행마다의 영상 신호로부터 소정의 색 성분 신호와 휘도 신호를 생성할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
컬러 고체 촬상 소자에 있어서, 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 표면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 수광 화소와, 상기 복수의 수광 화소를 덮도록 형성된 컬러 필터를 갖고 있고, 상기 컬러 필터는 상기 각 수광 화소에 1대 1로 대응하여 설치되고 기수행에 제1색 성분의 광을 통과시키는 제1필터 엘리먼트와 제2색 성분의 광을 통과시키는 제2필터 엘리먼트가 배치되고, 우수행에 제3색 성분의 광을 통과시키는 제3필터 엘리먼트와 제4색 성분의 광을 통과시키는 제4필터 엘리먼트가 배치되어 있으며, 상기 제1색 성분의 광에 기초하여 상기 제1필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제2색 성분의 광에 기초하여 상기 제2필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합과, 상기 제3색 성분의 광에 기초하여 상기 제3필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제4색 성분의 광에 기초하여 상기 제4필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합이 동일하고, 상기 제1색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제2색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제1기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지고, 상기 제3색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제4색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제2기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이, 제1색 성분의 광의 수신 신호와 제2색 성분의 수신 신호의 합이 제3색 성분의 광의 수신 신호와 제4색 성분의 광의 수신 신호의 합에 일치하도록 했기 때문에, 각 행마다 얻어지는 수광 신호의 가산치가 동일 색 성분을 갖는다. 그리고, 각 열에 인접하는 2개의 수광 화소(제1필터 엘리먼트와 제2필터 엘리먼트, 제3필터 엘리먼트와 제4필터 엘리먼트)로부터 얻어지는 정보를 가산함으로써 각 행마다 소정의 색 성분 비율을 갖는 휘도 신호를 구할 수 있다.
또한, 제1색 성분의 광의 수광 신호와 제2색 성분의 광의 수광 신호의 차, 및 제3색 성분의 광의 수광 신호와 제4색 성분의 광의 수광 신호의 차로부터, 각각 제1기본 색 성분의 수광 신호, 제1기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지기 때문에 각 행에서 필요한 소정의 색 성분이 얻어진다.
이상과 같이 하여, 컬러 영상 정보를 얻기 위해 필요한 소정의 색 성분 신호와, 소정의 휘도 신호를 구하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 구성으로서, 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 표면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 수광 화소와, 상기 복수의 수광 화소를 덮도록 형성된 컬러 필터를 갖고 있고, 상기 컬러 필터는 각 행 방향으로 인접하는 2개의 수광 화소에 대해 행 방향으로 각각 상이한 색 성분을 갖는 3개의 색 영역으로 분할되어 있으며, 상기 2개의 색 영역 중의 1개의 영역이 상기 2개의 수광 화소에 걸쳐 배치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 그 컬러 필터는 상기 각 수광 화소에 1대 1로 대응하여 설치되고, 또 2개의 상기 색 영역을 갖는 필터 엘리먼트에 의해 구성되고, 기수행에는 제1색 성분의 광을 통과시키는 제1필터 엘리먼트와 제2색 성분의 광을 통과시키는 제2필터 엘리먼트가 배치되고, 우수행에는 제3색 성분의 광을 통과시키는 제3필터 엘리먼트와 제4색 성분의 광을 통과시키는 제4필터 엘리먼트가 배열되어 있으며, 상기 제1색 성분의 광에 기초하여 상기 제1필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제2색 성분의 광에 기초하여 상기 제2필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합과, 상기 제3색 성분의 광에 기초하여 상기 제3필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제4색 성분의 광에 기초하여 상기 제4필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합이 동일하고, 상기 제1색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제2색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제1기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지고, 상기 제3색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제4색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제2기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 컬러 필터의 열 방향에 있어서의 길이를 변경하지 않고 행 방향의 길이를 2/3으로 함으로써 각 수광 화소에 1대 1로 대응되는 필터 엘리먼트에, 2개의 상이한 색 영역을 설치할 수 있다. 또한, 1행분의 수광 화소로부터 얻어지는 영상 신호에 기초하여 컬러 영상 정보를 작성하기 위해 필요한 소정의 색 성분 신호 및 소정의 색 성분 비율을 갖는 휘도 신호를 구하는 것이 용이하다.
또한, 상술한 컬러 필터는 제1색을 갖는 제1필터와 상기 제1필터와 동일 패턴의 제2색을 갖는 제2필터로 구성되고, 상기 제1필터 및 상기 제2필터는 각 행 방향에 있어서 2개의 상기 색 영역마다 하나의 색 영역분의 간극이 설치되고, 기수행과 우수행에서는 상기 간극의 위치가 하나의 색 영역분 어긋나 배치되어 구성되고, 상기 제1필터와 상기 제2필터를 하나의 상기 색 영역분만큼 행 방향으로 어긋나게 중첩시킴으로써 제3색이 형성된다.
이상과 같이, 제1필터 및 제2필터를 수광 화소의 열 방향에 있어서의 필터의 길이를 변경하지 않고, 행 방향의 길이를 2/3로 단축한 패턴으로 구성하고, 이 제1필터와 제2필터를 상술한 바와 같이 서로 중첩하도록 연속적으로 적충하면, 각 행마다 필요한 색 성분 신호 및 소정의 색 성분 비율을 갖는 휘도 신호를 구할 수 있는 컬러 필터를 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 구성에 따르면, 예를 들면 스트라이프형의 컬러 필터를 형성하는 경우와 마찬기지 정도의 형성 정밀도에 의해 간단하게 모자이크형의 컬러 필터를 형성할 수 있다.
[실시예]
제3도는 본 발명의 컬러 고체 촬상 소자에 이용하는 컬러 필터의 구성을 도시한 평면도로, 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 수광 화소에 대응하는 필터 엘리먼트를 나타내고 있다.
컬러 필터는 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)로 구성되어 있고, 기수행에는 제1 및 제2필터 엘이먼트(E1, E2)가 교호로 배치되고, 우수행에는 제3 및 제4 필터 엘리먼트(E3, E4)가 교호로 배치된다. 제1∼제4의 필터 엘리먼트(E1∼E4)는 3원색(Red : R, Green : G, Blue : B) 및 그 보색(Yellow : Ye, Magenta : Mg, Cyan : C) 중의 2개 내지 3개의 색 성분의 영역을 소정의 비율로 조합시킴으로써 형성하고 있다. 그리고, 그 조합의 비율은 식4를 만족시키도록 결정된다.
(C1 및 C2는 3원색중 하나의 성분 또는 2개의 성분의 신호의 차를 나타낸다.)
즉, 기수행에 배치된 제1 및 제2필터 엘리먼트(E1, E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 서로 가산한 신호에 의해 표시되는 색 성분이, 우수행에 배치된 제3 및 제4필터 엘리먼트(E3, E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 서로 가산한 신호에 의해 표시되는 색 성분과 동일해지게 한다. 또한, 제1 및 제2필터 엘리먼트(E1, E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 서로의 차, 및 제3 및 제4필터 엘리먼트(E3, E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 서로의 차에 의해 3원색 중의 1개의 색 성분을 각각 얻어지도록 한다.
여기에서, E1+E2 및 E3+E4가 각각 R, G 및 B의 각 성분을 소정의 비율로 포함하도록 하면, E1+E2 및 E3+E4에 의해 휘도 신호를 나타내도록 하는 것이 가능해진다.
이와 같은 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)로 이루어지는 컬러 필터가 장착된 고체 촬상 소자의 경우, 1행의 수광 화소로부터 얻어지는 영상 신호에 대해 가산 처리 및 연산 처리를 행함으로써 휘도 신호와 기본 색 성분을 얻을 수 있다. 따라서, 컬러 영상을 재생하기 위해 필요한 영상 신호의 처리 과정이 간단해지고, 신호 처리 회로의 간략화가 기대된다.
또, 이와 같은 컬러 필터는 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)가 수광 화소에 1대 1로 대응되어 있으면 좋고, 프레임 트랜스퍼 방식, 인터라인 방식 및 프레임 인터라인 방식 중 어느 방식의 고체 촬상 소자에 대해서도 적용할 수 있다.
[실시예 1]
제4도는 컬러 필터의 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)를 Ye, Cy 및 G로 구성한 경우의 각 색 성분의 배치의 한 예를 도시한 평면도이다.
제1필터 엘리먼트(E1)은 Cy와 Ye가 2:1의 비율로 배치되고, 제2필터 엘리먼트(E2)는 G와 Ye가 2:1의 비율로 배치된다. 그리고, 제3필터 엘리먼트(E3)은 G와 Cy가 2:1의 비율로 배치되고, 제4필터 엘리먼트(E4)는 Ye와 Cy가 2:1의 비율로 배치된다. 따라서, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)는 식5로 표시된다.
그래서, 기수행의 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면, 식6을 얻는다.
마찬가지로, 우수행의 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면, 식7을 얻는다.
이들 식6 및 식7은 R, G 및 B의 각 성분의 신호가 각각 1:3:1의 비율로 합성되는 것으로 휘도 신호를 나타내고 있다. 또, 이 휘도 신호에 대해서는 본래의 휘도 신호에는 일치하지 않지만, 규격에 따른 비율에 가까운 비율로 각 성분이 합성되어 있기 때문에 실용상은 문제 없다.
또한, 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식8에 나타낸 바와 같이 B 성분을 얻을 수 있다.
마찬가지로 하여, 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식9에 표시한 바와 같이 R 성분을 얻을 수 있다.
이와 같이, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)에 대해서는 제4도에 도시한 바와 같이 각 필터 엘리먼트의 색 영역을 2:1로 분할하고, 각각의 분할 영역(색 영역)을 Cy, Ye 및 G에 대응시키면 좋다. 또한, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4) 자체가 직접 식5를 만족시키는 분광 특성을 나타내는 컬러 필터를 형성해도 좋다.
[실시예 2]
제5도는 실시예2의 컬러 필터의 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)를 R, G 및 B로 구성한 경우의 각 색 성분의 배치의 한 예를 도시한 평면도이다.
제1필터 엘리먼트(E1)은 R, G 및 B의 색 영역이 1:3:2의 비율로 배치되고, 제2필터 엘리먼트(E2)는 R 및 G의 색 영역이 1:3의 비율로 배치된다. 그리고, 제3필터 엘리먼트(E3)은 G 및 B의 색 영역이 3:1의 비율로 배치되고, 제4필터 엘리먼트(E4)는 R, G 및 B의 색 영역이 2:3:1의 비율로 배치된다. 따라서, 제1∼제4 필터 엘리먼트(E1∼E4)는 식10으로 표시된다.
그래서, 기수행의 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식11을 얻는다.
마찬가지로, 우수행의 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식12를 얻는다.
이들 식11 및 식12는 R, G 및 B의 각 성분이 각각 1:3:1의 비율로 합성된 것으로, 식7과 마찬가지로 휘도 신호를 나타내고 있다.
또한, 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면 식13으로 나타낸 바와 같이 B 성분을 얻을 수 있다.
마찬가지로 하여, 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면 식14로 나타낸 바와 같이 R 성분을 얻을 수 있다.
이와 같이, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)에 대해서는 제5도에 도시한 바와 같이, 각 필터 엘리먼트를 1:2:3 또는 1:3으로 분할하고, 각각의 분할 영역을 R, G 및 B에 대응시키면 좋다. 또한, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4) 자체가 직접 식10을 만족시키는 분광 특성을 나타내도록 컬러 필터를 형성해도 좋다.
[실시예 3]
제6도는 실시예3의 컬러 필터의 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)를 Ye, Cy 및 G로 구성한 경우의 각 색 성분의 배치의 다른 예를 도시한 평면도이다.
제1필터 엘리먼트(E1)은 Cy 및 G의 색 영역이 2:1의 비율을 배치되고, 제2필터 엘리먼트(E2)는 Ye 및 G의 색 영역이 2:1의 비율로 배치된다. 그리고, 제3필터 엘리먼트(E3)은 Ye 및 Cy의 색 영역이 2:1의 비율로 배치되고, 제4필터 엘리먼트(E4)는 G 및 Cy의 색 영역이 2:1의 비율로 배치된다. 따라서, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)는 식15로 표시된다.
그래서, 기수행의 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면, 식16을 얻는다.
마찬가지로, 우수행의 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면, 식17을 얻는다.
이들 식16 및 식17은 R, G 및 B의 각 성분이 각각 1:3:1의 비율로 합성된 것으로 식7과 마찬가지로 휘도 신호를 나타내고 있다.
또한, 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식18에 나타낸 바와 같이 B 성분과 R 성분의 차를 나타내는 신호를 얻을 수 있다.
마찬가지로 하여, 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식19로 표시된 바와 같이 R 성분의 신호를 얻을 수 있다.
그리고, 식18에 표시된 B 성분과 R 성분의 차의 신호에 식19에 표시된 R 성분을 가산하면 B 성분을 표시하는 신호를 얻을 수 있다.
이와 같이, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)에 대해서는 제6도에 도시한 바와 같이 각 필터 엘리먼트를 2:1로 분할하고, 각각의 분할 영역을 Cy, Ye 및 G에 대응시키면 좋다. 또한, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4) 자체가 직접 식15를 만족시키는 분광 특성을 나타내도록 컬러 필터를 형성해도 좋다.
[실시예 4]
제7도는 실시예4의 컬러 필터의 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)를 R, G 및 B로 구성한 경우의 각 색 성분의 배치의 다른 예를 도시한 평면도이다.
제1필터 엘리먼트(E1)은 G 및 B의 색 영역이 3:2의 비율로 배치되고, 제2필터 엘리먼트(E2)는 R 및 G의 색 영역이 2:3의 비율로 배치된다. 그리고, 제3필터 엘리먼트(E3)은 R, G 및 B의 색 영역이 2:3:1의 비율로 배치되고, 제4필터 엘리먼트(E4)는 G 및 B의 색 영역이 3:1의 비율로 배치된다. 따라서, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)는 식20으로 표시된다.
그래서, 기수행의 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식21을 얻는다.
마찬가지로, 우수행의 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식22를 얻는다.
이들 식21 및 식22는 R, G 및 B의 각 성분이 각각 1:3:1의 비율로 합성된 것으로, 식7과 마찬가지로 휘도 신호를 나타내고 있다.
또한, 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면 식23에 표시한 바와 같이 B 성분과 R 성분의 차를 얻을 수 있다.
마찬가지로 하며, 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면 식24에 표시한 바와 같이 R 성분의 차를 얻을 수 있다.
그래서, 식23에 표시되는 B 성분과 R 성분의 차에 식24에 표시되는 R 성분을 가산하면 B 성분을 얻을 수 있다.
이와 같이, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)에 대해서는 제7도에 도시한 바와 같이, 각 엘리먼트를 2:3, 1:3 또는 1:2:3으로 분할하고, 각각의 분할 영역을 R, G 및 B에 대응시키면 좋다. 또한, 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4) 자체를 직접 식20을 만족시키는 분광 특성을 나타내도록 컬러 필터를 형성해도 좋다.
[실시예 5]
제8도는 실시예5의 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)를 Ye, Cy 및 G로 구성한 컬러 필터를 장착한 프레임 트랜스퍼 방식의 CCD 고체 촬상 소자의 수광부의 평면도이고, 제9도는 그 Y-Y 선의 단면도이다. 이 도면에 있어서는 1 화소당 4개의 전송 전극이 배치되는 4상 구동의 풀 프레임형 CCD 고체 촬상 소자를 도시한 것이다.
P형의 실리콘 기판(11)의 표면 영역에 고농도의 P형 영역으로 이루어지는 복수의 분리 영역(12)가 서로 평행하게 형성되고, 이 분리 영역(12)의 사이에 끼워진 기판(11)의 표면 영역에, N형의 불순물이 확산되어 채널 영역(13)이 형성된다. 이 분리 영역(12) 및 채널 영역(13)에 대해서는 제1도에 도시한 고체 촬상 소자와 동일하다. 분리 영역(12) 및 채널 영역(13)이 형성된 실리콘 기판(11) 상에, 산화막(14)를 통해 채널 영역(13)과 교차(직교)하는 방향으로 복수의 1층째의 전송 전극(15) 및 2층째의 전송 전극(16)이 서로 평행하게 배치된다. 또한, 광전 변환에 의해 생기는 정보 전하를 축적하는 기간에는, 예를 들면 2층째의 전송 전극(!6)의 우수번째의 전위를 낮게 하여 포텐셜 장벽을 형성하고, 1층째의 전송 전극(15) 및 2층째의 전송 전극(16)의 기수번째의 전위를 높게 하여 포텐셜의 우물을 형성한다. 이로 인해, 제8도의 종방향(수직 방향)으로 연속하는 채널 영역(13)이 2층째의 전송 전극(16)의 우수번째에서 전기적으로 분리되고, 복수의 수광 화소가 형성된다. 그리고, 각 전송 전극(15, 16)에는, 예를 들면 4상의 클럭 펄스가 주어지고, 포텐셜 우물에 축적된 정보 전하가 채널 영역(13)을 따라 출력측으로 순차 전송된다. 여기에서, 각 전송 전극(15, 16)은 1 화소당 각각 2개씩(계 4개) 배치되어 있고, 각 수광 화소에 축적되는 정보 전하가 1 화소마다 독립하여 전송된다.
각 전송 전극(15, 16)을 덮어서 형성되는 컬러 필터(17)은 수광 화소의 각 행에 대응하여 복수의 영역으로 분할되고, 더우기 컬러 필터(17)은 채널 영역(13)의 2열 마다에 대해 각각 색 성분이 다른 3개의 색 영역으로 분할되어 있다. 분리 영역(12)를 사이에 두고 인접하는 2개의 수광 화소에 걸쳐 형성되어 있는 분할 색 영역은 각각의 수광 화소의 1/3에 대응하고, 2개의 수광 화소에 걸쳐 있는 분할 색 영역의 양측에 인접하는 분할 색 영역은 각 수광 화소의 2/3에 대응한다. 이들 분할 색 영역에는 Ye, Cy 및 G의 각 성분이 소정의 순서로 할당된다. 각 분할 색 영역에 대한 색 성분의 할당 순서는 각 행에서는 일치하고 있지만, 우수행과 기수행에서는 서로 행방향으로 1 분할 색 영역분 만큼 어긋나 있다. 이로 인해, Cy와 Ye가 2:1의 비율로 배치된 제1필터 엘리먼트(E1)과, G와 Ye가 2:1의 비율로 배치된 제2필터 엘리먼트(E2)가 기수행에 형성된다. 마찬가지로 하여, G와 Cy가 2:1의 비율로 배치된 제3필터 엘리먼트(E3)과, Ye와 Cy가 2:1의 비율로 배치된 제4필터 엘리먼트(E4)가 우수행에 형성된다.
그런데, G 성분의 필터는 Ye 성분의 필터와 Cy 성분의 필터를 중첩하여 구성할 수 있다. 이 때문에, Ye 필터가 되는 1층째의 착색층(18)을 Ye 성분 및 G 성분이 할당되는 분할 색 영역에 배치하고, Cy 필터가 되는 2층째의 착색층(19)를 Cy 성분 및 G 성분이 할당되는 분할 색 영역에 배치하여 컬러 필터(17)을 구성한다. 이로 인해, 1층째의 착색층(18)만을 배치한 분할 영역이 Ye 성분, 2층째의 착색층(19)만을 배치한 분할 색 영역이 Cy 성분에 각각 대응되고, 1층째의 착색층(18)과 2층째의 착색층(19)를 겹쳐 배치한 분할 색 영역이 G 성분에 대응된다.
이상과 같은 컬러 필터(17)이 장착된 고체 촬상 소자에 있어서는 제1∼제4필터 엘리먼트(E1∼E4)는 식 25로 표시된다.
그리고, 기수행째의 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와, 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식26이 얻어진다.
다음에, 우수행째의 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와, 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호를 합성하면 식27이 얻어진다.
이상의 식26 및 식27은 함께 R, G 및 B의 각 성분의 신호가 각각 1:3:1의 비율로 합성된 것으로, 식7과 마찬가지로 휘도 신호를 나타내고 있다. 이 휘도 신호는 본래 (NTSC)의 휘도 신호의 성분과는 일치하고 있지 않지만, 규격에 따른 비율에 가까운 비율로 각 색 성분이 합성되어 있기 때문에, 실용상은 문제없다.
또한, 제1필터 엘리먼트(E1)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와, 제2필터 엘리먼트(E2)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식28과 같이 된다.
또한, 제3필터 엘리먼트(E3)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호와, 제4필터 엘리먼트(E4)에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 신호의 차를 취하면, 식29과 같이 된다.
따라서, 이상의 식28 및 식29에 표시된 바와 같이, 2행분의 수광 화소로부터 R 성분 및 B 성분의 신호를 얻을 수 있고, 또한 각 행으로부터는 휘도 신호를 얻을 수 있다. 또, G 성분에 대해서는, 예를 들면 휘도 신호로부터 R 성분과 B 성분을 공제함으로써 용이하게 얻을 수 있다.
제10도, 제11도 및 제12도는 컬러 필터(17)의 구성 방법을 설명하는 평면도이다.
먼저, 제10도에 도시한 바와 같이, Ye 성분에 대응하는 제1필터는 매트릭스 형상으로 분할된 분할 색 영역의 각 행에 있어서, 제1영역분의 개구를 사이에 두고 2영역씩 연속하여 우수행과 기수행에서 서로 1영역 어긋나 배열된다. 이 제1필터가 제9도에 도시한 1층째의 착색층(18)에 일치한다. 또한, 제11도에 도시한 바와 같이, Cy 성분에 대응하는 제2필터는 제1필터와 동일 형상을 이루고 있으며, 제9도에 도시한 2층째의 착색층(19)에 일치한다.
그리고, 동일 형상의 제10도의 제1필터와 제11도의 제2필터를 행 방향으로 1 영역분만큼 엇갈리게 서로 중첩시킴으로써 제12도에 양측 해칭으로 도시한 바와 같이, G 성분을 형성한다. 이때, 한쪽의 필터의 개구가 다른 쪽의 필터에 의해 피복되기 때문에, 각각의 필터의 개구가 Cy 또는 Ye 성분이 된다.
이와 같은 제1 및 제2필터는 각각 열 방향으로 동일 색 성분이 연속하고 있고, 착색층(18, 19)로서 고체 촬상 소자의 수광부 상에 형성할 때에는 스트라이프형의 컬러 필터와 마찬가지로 열방향으로 연속하여 형성할 수 있다.
또, 이 모자이크 필터의 구성 방법은 제8도에 도시한 바와 같은 풀 프레임형의 고체 촬상 소자로의 적용이 유효하지만, 하나의 수광 수자에 하나의 색 성분이 대응되는 고체 촬상 소자로서 적용도 가능하다.
현재, 컬러 필터(17)을 구성하는 각 착색층(18, 19)로서는 일반적으로 젤라틴이나 카제인 등의 고분자 재료가 이용되고 있다. 그러나, 이와 같은 고분자 재료로 구성되는 착색층은 다결정 실리콘 등으로 형성되는 전송 전극(15, 16)과 같이 미세 가공하기가 곤란하다는 것이 알려져 있다.
본 실시예의 구성에서는 컬러 필터의 각 분할 색 영역의 열 방향의 폭을 변화시키지 않고 컬러 필터의 행 방향의 폭을 2/3로 함으로써, 수광 화소의 1행 마다에 컬러 영상을 얻는데에 필요한 영상 정보를 얻고 있다. 따라서, 본 실시예에서는 컬러 필터의 행방향의 폭을 종래의 2/3 정도로 하는 것만으로 컬러 필터로서 특별한 재료를 이용하지 않아도 컬러 고체 촬상 소자의 해상도를 현격하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 모자이크 필터의 구성 방법에 따르면, 동일 색 성분이 연속하지 않은 모자이크 필터이면서, 동일 색 성분이 열 방향으로 연속하는 스트라이프 필터와 동등한 공정으로 형성할 수 있다. 따라서, 컬러 필터의 제조 공정의 간략화가 도모되고 생산성의 향상이 기대된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 따르면, 1행의 수광 화소로부터 얻어지는 영상 신호 마다에 휘도 신호와 소정의 기본 색 성분 신호를 얻을 수 있기 때문에, 고체 촬상 소자로부터 출력되는 영상 신호에 대한 신호 처리가 간단해진다. 따라서, 영상 신호에 대해 소정의 처리를 행한 신호 처리 회로의 구성을 간략화할 수 있어서 컬러 영상을 재생하는 것이면서 코스트의 삭감이 도모된다.
Claims (8)
- 컬러 고체 촬상 소자에 있어서, 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 표면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 수광 화소와, 상기 복수의 수광 화소를 덮도록 형성된 컬러 필터를 갖고 있고, 상기 컬러 필터는 상기 각 수광 화소에 1대 1로 대응하여 설치되고, 기수행에 제1색 성분의 광을 통과시키는 제1필터 엘리먼트와 제2색 성분의 광을 통과시키는 제2필터 엘리먼트가 배치되며, 우수행에 제3색 성분의 광을 통과시키는 제3필터 엘리먼트와 제4색 성분의 광을 통과시키는 제4필터 엘리먼트가 배열되어 있고, 상기 제1색 성분의 광에 기초하여 상기 제1필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제2색 성분의 광에 기초하여 상기 제2필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합과, 상기 제3색 성분의 광에 기초하여 상기 제3필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제4색 성분의 광에 기초하여 상기 제4필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합이 동일하며, 상기 제1색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제2색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제1기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지고, 상기 제3색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제4색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제2기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 필터 엘리먼트는 상이한 색 성분을 갖는 2개 이상의 색 영역으로 구성되고, 상기 각 색 영역은 광의 3원색 및 상기 3원색의 보색의 1색인 색 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1기본 색 성분 및 상기 제2기본 색 성분은 적어도 상기 3원색 중의 1색을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호 및 상기 제2색 성분에 기초한 상기 수광 신호의 합과, 상기 제3색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호 및 상기 제4색 성분에 기초한 상기 수광 신호의 합이 상기 3원색의 각 색 성분을 소정의 비율로 포함하는 휘도 신호와 일치하는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 컬러 고체 촬상 소자에 있어서, 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 표면에 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 수광 화소와, 상기 복수의 수광 화소를 덮도록 형성된 컬러 필터를 갖고 있고, 상기 컬러 필터는, 각 행 방향으로 인접하는 2개의 수광 화소에 대해 행 방향으로 각각 상이한 색 성분을 갖는 3개의 색 영역으로 분할되어 있으며, 상기 2개의 색 영역 중의 1개의 영역이 상기 2개의 수광 화소에 걸쳐 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 컬러 필터는, 상기 각 수광 화소에 1대 1로 대응하여 설치되고, 또 2개의 상기 색 영역을 갖는 필터 엘리먼트에 의해 구성되고, 기수행에는 제1색 성분의 광을 통과시키는 제1필터 엘리먼트와 제2색 성분의 광을 통과시키는 제2필터 엘리먼트가 배치되며, 우수행에는 제3색 성분의 광을 통과시키는 제3필터 엘리먼트와 제4색 성분의 광을 통과시키는 제4필터 엘리먼트가 배열되어 있고, 상기 제1색 성분의 광에 기초하여 상기 제1필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 제2색 성분의 광에 기초하여 상기 제2필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합과, 상기 제3색 성분의 광에 기초하여 상기 제3필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호 및 상기 제4색 성분의 광에 기초하여 상기 제4필터 엘리먼트에 대응하는 수광 화소로부터 얻어지는 수광 신호의 합이 동일하며, 상기 제1색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제2색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제1기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지고, 상기 제3색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호와 상기 제4색 성분의 광에 기초한 상기 수광 신호의 차로부터 제2기본 색 성분의 수광 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 컬러 필터의 상기 색 영역은 기수행과 우수행에서 동일 색 성분의 색 영역이 서로 하나의 색 영역분 만큼 어긋나 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 컬러 필터는, 제1색을 갖는 제1필터와, 상기 제1필터와 동일 패턴의 제2색을 갖는 제2필터로 구성되고, 상기 제1필터 및 상기 제2필터는 각 행 방향에 있어서 2개의 상기 색 영역마다 하나의 색 영역분의 간극이 설치되고, 기수행과 우수행에서는 상기 간극의 위치가 하나의 색 영역분 어긋나 배치되어 구성되며, 상기 제1필터와 간디 제2필터를 하나의 상기 색 영역분만큼 행 방향으로 어긋나게 중첩시킴으로써 제3색이 형성되는 것을 특징으로 하는 컬러 고체 촬상 소자.
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