KR900004033B1

KR900004033B1 - 컬러텔레비젼 픽업장치

Info

Publication number: KR900004033B1
Application number: KR1019870001346A
Authority: KR
Inventors: 유지 이데
Original assignee: 가부시키가이샤 도시바; 와타리 스기이치로
Priority date: 1986-02-18
Filing date: 1987-02-18
Publication date: 1990-06-09
Also published as: US4710804A; DE3780039T2; EP0233768B1; KR870008473A; JPS62190993A; EP0233768A2; DE3780039D1; EP0233768A3; JP2677550B2

Abstract

내용 없음.

Description

컬러텔레비젼 픽업장치

제 1 도는 본 발명의 1실시예에 따른 모자이크컬러필터어레이를 나타내는 도면.

제 2 도는 본 발명에 따른 컬러필터어레이를 사용하는 단일 칩 컬러텔레비젼 픽업장치의 전기적 회로구성에 대한 블럭다이어그램.

제 3 도는 제 1 도의 컬러필터어레이에 사용된 컬러필터소자의 상대분광감도특성도.

제 4 도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모자이크컬러필터어레이를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 고체촬상장치 2 : 감마(γ)보정회로

3, 10, 11 : 저역통과필터 4 : 컬러엔코더

5 : 대역통과필터 6, 7 : 동기검파부

8,9 : 화이트밸런스 회로 12 : 1H 스위치회로

본 발명은 모자이크 컬러필터어레이와 고체촬상장치를 사용하는 단일 칩 컬러텔레비젼 픽업장치에 관한 것이다.

현재 전하결합소자(charge coupled device) 또는 MOS(Metal oxide semiconductor) 촬상소자를 사용하여 필드 축적모드로 구동되는 컬러텔레비젼 픽업장치가 개발되어 실제로 사용되고 있는바, 이러한 고체촬상소자에는 수평과 수직방향으로 배열된 다수의 포토소자(화소)가 포함되게 된다. 또, 필드축적모드에 의한 컬러텔레비션 픽업장치는 2개의 인접된 수평라인상의 화소신호를 각 필드기간 마다 동시에 독출하도록 배열되어져 있는데, 이러한 장치는 모든 화소의 신호전하를 각 필드기간마다 독출하게 되므로 1필드의 잔상이 생성되지 않게 된다고 하는 장점을 갖게 된다.

그리고, 컬러촬상을 얻기 위해서 세로스트라이프컬러필터어레이(striped color filter array) 또는 모자이크 컬러필터어레이가 고체촬상장치상에 배치되게 되는데, 고해상도가 요구되는 컬러텔레비젼시스템에 대한 촬상장치에서는 수평해상도가 우수한 모자이크컬러필터어레이를 사용하는 것이 바람직하고, 또 다수의 컬러필터소자에는 화소에 대응되는 각 필드소자가 일정한 패턴으로 배열되게 된다.

여기서, 필드축적모드에 의해 사용되는 모자이크컬러필터는 각각 2×4 필터소자로 구성되는 기본단위필터어레이를 갖게 되고, 각각의 단위필터어레이는 컬러필터소자가 동일하게 조합되는 상위의 2×2 필터어레이와 하위 2×2 필터어레이로 구성되며, 수직방향으로 배열된 2개의 인접된 컬러필터소자의 4쌍은 색의 조합이 서로 다르게 되고, 또 이러한 단위필터어레이에서 컬러필터소자의 분광감도특성은 무채색의 피사체를 촬상하게 될때 2개의 인접된 수평라인상에서 얻어지는 색의 전기적신호가 "0"이 되도록 설정되어지게 된다.

이러한 상기 모자이크 컬러필터어레이는 마젠터(Mg)와 녹색(G), 시안(Cy) 및 황색(Ye)의 컬러필터소자가 결합된 것이 알려져 있는바, 이에 관해서는 "일본 텔레비젼 기술자협회 저널"의 37권 10호 855페이지에서 862페이지에 실려 있는 논문 "필드축적모드를 이용한 단일칩 CCD 컬러카메라장치"라는 제하로 소개되어져 있다.

즉, 그러한 컬러필터소자를 갖는 컬러필터어레이에서는, 무채색의 피사체를 촬상하게 될때 N라인상의 색신호 Cn과 N+1라인상의 색신호 Cn+1이 0으로 되도록 하기 위해, 컬러필터소자의 분광감도 특성은 필터소자들의 신호량이 서로 같아지도록 상위 4화소어레이에서 (Ye+Mg)와 (Cy+G)로 표현되는 전기적신호를 결정해 주게 됨과 더불어, 하위 4화소어레이에서 그들의 신호량이 서로 같아 지도록 (Cy+Mg)와 (Ye+G)로 표현되는 전기적신호를 결정해 주게 되는데, 이러한 필터어레이는 우수한 해상도를 갖게 된다.

여기서 수평적으로 연장되는 줄무늬(stripe)같이 수직관계를 갖지 않는 특수피사체가 상기한 바와같은 모자이크컬러필터어레이를 사용하는 고체촬상장치에 의해 촬상될 때에는, 허위의 색신호(이하 색위신호라 함)가 발생될 가능성이 있게 되는데, 예를들어 수평방향을 따라 흑색에서 백색으로 변환되는 경계상에 연장되어 놓여진 피사체에 있어서, 그러한 경계가 상기한 단위필터어레이내에서의 상위 4화소어레이와 하위 4화소어레이 사이의 중간에서 촛점이 조절된다면 상위와 하위의 4화소어레이로부터 얻어지는 색신호는 0으로 되고, 그에 따라 색위신호가 생성되지 않게 된다. 이에 대해 흑색에서 백색으로 변환되는 경계가 상위 4화소어레이 또는 하위 4화소어레이의 중간에서 촬상되면 색신호성분이 발생하게 되고, 그에 따라 그 경계의 촬상으로 인하여 4화소어레이에 의해 색신호가 생성되기 때문에 결코 0으로 되지는 않게 되는바, 이 색신호는 흑과 백의 피사체로부터 발생된 것이 아니기 때문에 실제로 색위신호로 된다.

여기서 이러한 컬러필터어레이에는 많은 보색필터 소자가 사용되고 있는 점에 유의해야 된다.

한편 원색, 즉 녹색(G)과 적색(R) 및 청색(B)의 컬러필터로 형성되는 모자이크컬러필터어레이가 일본국공개특허공보 No 60-125090호로 소개되어져 있는바, 이는 원색을 사용하는 단위필터어레이에서 상위와 하위의 4화소어레이가 녹색(G)과 녹색(G), 적색(R) 및 청색(B)의 필터소자로 형성되며, 이러한 필터소자어레이에서는 흑색에서 백색으로의 경계가 4화소어레이의 중간에서 촛점조절되더라도 상기의 필터어레이와는 달리 색위신호가 결코 생성되지 않게 된다.

그런데, 이러한 원색컬러필터어레이는 다음과 같은 결점을 갖게 된다. 즉, 휘도신호 Y가 수평주사신호의 베이스밴드(baseband) 성분으로 주어지게 되는 경우에 그 베이스밴드 성분은 아래와 같이 주어지게 되고,여기서는 다수의 필터소자가 사용되었음에 주의해야만 된다.

Y=1/2{(1/2)R+G+(1/2)B)}

그리고, 촬상장치와 R,G,B 필터소자의 상대분광감도 특성에 있어서, 필터소자를 통해 입사되어 촬상장치에서 얻어지는 광에너지의 비율은

R : G : B = 1 : 0.9 : 0.5

로 표시된다.

여기서 분광감도특성을 고려하여 전기적신호가 R=G=B=1일때 휘도신호가 1이 되므로 Y'는

Y'=(1/0.825){0.25R+(0.9×0.5)G+(0.5×0.25)B)}

=0.303R+0.545G+0.152B

로 된다.

그런데, 표준컬러텔레비젼장치의 휘도신호 Ys는

Ys = 0.30R + 0.59G + 0.11B

이므로 원색의 필터소자를 사용하는 컬러필터어레이로 부터 얻어지는 휘도신호에서는 인간의 시각에 가장 민감한 녹색(G)의 광(밝기) 성분이 표준휘도신호에서 보다 비율이 적게 나타나게 되고, 그에 따라 녹색(G)이 다소 어두워 보이게 재생된다는 문제가 있게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 제 1 목적은 필드축적모드에서 구동되기에 적합한 단일칩 촬상장치를 갖는 개선된 컬러텔레비젼 픽업장치를 제공하고, 제 2 목적은 색위신호의 발생을 방지하게 됨과 더불어 우수한 해상도를 갖도록 된 필드축적모드로 구동되는 단일칩 촬상장치가 구비된 컬러텔레비젼 픽업장치를 제공하며, 제 3 목적은 색위신호의 발생을 방지하는 기능을 손상시키지 않으면서 녹색(G)을 선명하게 재현해 주게 됨과 더불어, 우수한 해상도를 갖도록 된 필드축적모드에서 구동되는 단일 칩 촬상장치가 구비된 컬러텔레비젼 픽업장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기한 목적들을 달성하기 위해, 단일칩 촬상장치에 배열된 모자이크컬러필터를 상위와 하위 4화소 필터어레이가 각각 녹색(G)과 녹색(G), 적색(R) 및 시안(Cy)의 컬러필터소자로 구성되는 2×4화소단위필터어레이로 구성시켜 주고, 이때 수평적으로 인접된 2개의 필터소자의 각쌍은 동일한 컬러필터를 갖지않도록 배열함과 더불어 수직적으로 인접된 2개의 필터소자의 각쌍은 색의 조합이 서로 다르도록 해주고 있는 것이다.

이하 본 발명을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제 2 도는 본 발명에 따른 컬러텔레비젼 픽업장치의 회로구성도를 도시해 놓은 것으로, 여기서 고체촬상장치(1)는 예컨대 전하결합소자(CCD)칩으로 구성되어 필드축적모드로 구동되게 되는데, 이때 모자이크컬러필터어레이는 CCD칩의 수광면상에 배치된다.

그리고 이 모자이크컬러필터어레이에서, 다수의 컬러필터소자는 각각 CCD의 1화소에 대응되게 열(columns)과 행(row)에 배열되고, 2열×4행의 컬러필터소자는 수평과 수직방향에 단위필터어레이로서 배열됨에 유의해야 된다.

이러한 단위필터어레이에서 녹색(G)과 시안(Cy)의 컬러필터소자는 제 1 도에 도시된 바와같이 제 1 행에 배열되고, 녹색(G)과 적색(R) 컬러필터소자는 제 2 행에 배열되며, 녹색(G)과 시안(Cy)의 컬러필터소자는 제 3 행에 배열되고, 또한 적색(R)과 녹색(G)의 컬러필터소자는 제 4 행에 배열된다.

이러한 단위필터어레이에서는 상위 2×2 화소필터어레이와 하위 2×2 화소필터어레이가 통상의 컬러필터어레이의 경우와 같이 동일한 색조합을 갖게 되고, 수직적으로 인접된 2개의 컬러필터소자의 4쌍은 색의 조합이 서로 다르게 됨과 더불어 수평적으로 인접된 2개의 필터소자의 각쌍은 다른색을 갖게 된다.

그리고 제 2 도에서 상기 고체촬상장치(1)의 출력신호는 감마(γ) 보정회로(2)를 통해 저역통과필터(3)와 대역통과필터(5)에 인가되는데, 상기 저역통과필터(3)는 고체촬상장치(1)의 출력신호로부터 휘도신호성분 Y 또는 베이스밴드신호 성분을 추출해 내기 위한 주파수특성을 갖게 되고, 또 상기 대역통과필터(5)는 색신호성분 또는 변조신호성분을 추출해 내기 위한 주파수특성을 갖게 되는바, 이 대역통과필터(5)의 주파수특성은 고체촬상장치(1)에서 화소의 핏치(pitch)에 의해 결정되게 된다.

따라서, 저역통과필터(3)의 출력신호는 컬러엔코더(Color encoder ; 4)에 공급되고, 대역통과필터(5)의 출력신호 즉 색신호성분은 동기검파부(6,7)에 인가되어 복조되며, 상기 동기검파부(6,7)의 출력신호는 각각 화이트밸런스회로(White balance circuit ; 8,9)에 공급된다.

여기서 상기 저역통과필터(3)에서 출력되는 휘도신호 성분 Y의 일부는 상기 화이트밸런스회로(8,9)에 주입되므로써 무채색피사체가 촬상될때 색신호성분을 0으로 만들어 주게 되고, 이어 상기 화이트밸런스회로(8,9)의 출력신호는 각각 저역통과필터(10,11)를 통해 1H 스위치회로(l2)에 공급되어져 동시화(同時化)된 다음 컬러엔고더(4)에 동시화색신호를 공급하게 되며, 상기 컬러엔코더(4)는 휘도신호 성분에 응답하여 2개의 색신호성분을 NTSC 텔레비젼신호와 같은 표준컬러텔레비젼신호로 만들어 주게 된다.

이와같이 구성된 촬상장치에서는, 도시되지 않은 대물렌즈를 통해 투사되는 광학영상이 상기 모자이크필터어레이를 통해 CCD 칩의 포토소자상에 촬상되고, 그에 따라 고체촬상장치(1)는 도시되지 않은 구동펄스발생기에 의해 구동되어 전하결합 전송에 의해 각 화소의 전기적인 신호를 출력하게 된다.

여기서 제 1 도에 도시된 바와같이 N라인을 주사함에 의해 얻어지는 수평비디오신호 Sn은

Sn=1/2(2G+R+Cy)+4/π G sin wt-2/π(R+Cy)sin wt ………………… (1)

=1/2(2G+R+Cy)+2/π{2G-(R+Cy)}sin wt

로 주어지게 되는데, 여기서 w는 촬상장치의 화소핏치로 결정되는 공간변조각주파수(spatial circularfrequency) 를 나타낸다.

그리고, CCD의 출력신호 Sn는 각각 상기 식(1)의 제1항과 제2항으로 표시된 베이스밴드신호와 변조색신호성분으로 되는 휘도신호성분을 포함하게 되고, N-1라인의 출력신호 Sn-1는

Sn-1=(1/2)(2G+R+Cy)+(2/π){(G+R)-(G+Cy)}sin wt ……………… (2)

=(1/2) (2G+R+Cy)+(2/π)(R-Cy)sin wt

로 표시된다.

이로부터 휘도신호성분 Y=(1/2)(2G+R+Cy)가 저역통과필터(3)에서 추출되어 컬러엔고더(4)에 인가되고, N라인상의 비디오신호의 색신호성분(2/π){(2G-(R+Cy)}이 동기검파부(6)에 의해 검파되는 한편, 이에 대해 N-1라인상의 색신호성분(2/π)(R-Cy)이 동기검파부(7)에 의해 검파된다.

이와같이 검파된 색신호성분은 화이트밸런스회로(8,9)에 인가되는데, 이 화이트밸런스회로(8,9)는 상기동기검파부(6,7)의 출력신호에다 휘도신호 성분의 일부를 주입하게 되므로써 색신호성분의 평균레벨을 무채색피사체를 촬상하게 될때 0으로 만들어 주게된다.

이를 좀더 상세히 설명하면 화이트밸런스회로(8)에는 휘도신호성분 Y가 주입됨에 따라 무채색피사체에 대한 색신호성분 2G와 R+Cy의 평균레벨은 0으로 되고, 이와는 달리 화이트밸런스회로(9)에는 휘도신호성분이 주입됨에 의해 색신호성분 R과 Cy의 평균레벨은 0으로 된다. 여기서 휘도신호의 주입량은 초기적으로 설정되므로 색신호성분의 평균레벨은 화이트밸런싱에서 0으로 되고, 상기 화이트밸런스회로(8,9)의 출력신호는 저역통과필터(10,11)를 통해 1H 스위치회로(12)에 각각 인가되며, 그에 따라 N라인상의 색신호성분 2G-(R+Cy)와 N-l라인상의 색신호성분 R-Cy가 동시에 컬러엔코더(4)에 인가된다.

여기서, 상기 저역통과필터(10,11)는 DC 레벨로 부터 1MHZ까지의 주파수통과대역 범위를 갖게 되면서 저주파수범위의 색차신호 Cn과 Cn-1을 생성하게 되는 바, 이 색차신호 Cn과 Cn-1은

Cn=2G-(R+Cy) …………………………………………………………… (3)

Cn-1=R-Cy ……………………………………………………………… (4)

로 된다.

한편, 제 3 도는 상기 제 1 도에 나타낸 컬러필터어레이에서 필터소자 R과 G 및 Cy의 분광감도 특성을 나타내는 도면으로서, 필터소자 R과 G의 분광감도 특성은 종래 필터어레이와 동일하게 되지만, 필터소자 Cy의 경우에는 제 3 도에서 점선으로 표시된 것처럼 CY필터의 본래의 특성(B+G)에 비해 실선으로 표시된 것처럼 녹색광 성분에 대해 낮은 감도로 설정된다. 즉, 녹색광성분의 감도는 청색광성분의 감도에 비해 감소되게 되고, B+αG로 표시되는 Cy필터의 분광감도특성에 대해 제 3 도에 도시된 것처럼 Cy필터의 분광감도특성이 B+(1,/2)로 되어 있다.

이는 R과 G 및 Cy필터를 통해 입사되어 촬상장치에서 얻어지는 광에너지량, 즉 제 3 도에 도시된 바와같이 R과 G 및 Cy필터소자의 감도곡선에 의해 둘러싸이는 면적을 사실상 서로 같도록 만들어 주기 위함이다. 그러므로 CCD에서 화소의 전기적신호는 필터소자에 대응하는 분광감도에 비레하게 되고, 제 3 도에 도시된 특성에서

R : G : Cy = 1 : 0.9 : 1……………………………………………………… (5)

로 된다.

여기서 수평적인 경계 사이에서 상위에 흑색 부분을 갖게 됨과 더불어 하위에 백색부분올 갖는 피사체로부터 얻어지는 색신호성분에 대해 생각해 보면, 먼저 흑색에서 백색으로 변환되는 경계가 N과 N-1라인 사이에서 촬상되는 경우에 N라인과 N-1라인으로부터 얻어지는 색신호 Cn과 Cn-1은

Cn-1=R-Cy=0

Cn=2G-(R+Cy)

로 되는데, 상기 식(5)로부터 알수 있듯이 R

C

Cy이므로 Cn

0이 되고, 그에 따라 색위신호가 발생되지 않게 된다. 또, 흑색에서 백색으로의 변환경계가 N'와 N'-1라인사이에 있다면

Cn-1=R-Cy=0

Cn=2G-(R+Cy)=G-R

로 되어 상기 식(5)로부터 알수 있듯이 Cn=0이 되므로 이 경우에서도 색위신호는 밭생되지 않게 된다.

다음 휘도신호 Y에서 녹색(G)의 성분비를 생각해 보면, 휘도신호 Y는 상기 식(1)에서 베이스밴드신호에 의해 다음과 같이 주어지게 되는 바, 즉

Y=K·(1/2)(2G+R+Cy) …………………………………………………… (6)

로 되고, 여기서 K는 상수이다.

이때, Cy=B+(1/2)G의 관계와, 종래 기술과 관련하여 설명된 바와 같은 분광감도특성 R : B=1 : 0.5 및, 식(5)의 분광감도 특성을 고려해 보면 휘도신호 Y는

Y'=K·(1/2){(2×0.9G)+R+(0.9G/2+0.5B)}…………………………… (7)

=K·(0.5R+1.125G+0.25B)

로 되고, 전기적신호가 R=G=B=1인 경우, 상수 K는 Y'=1로 되게 하므로써 구해지게 되며, 이때 상기식 (7)은

Y'=(1/1.875)(0.5R+1.125G+0.25B) …………………………………… (8)

0.27R+0.60G+0.13B

로 된다. 이에 상기식(8)로 주어지는 휘도신호는 상기한 표준텔레비젼장치의 휘도신호와 거의 동일하게 되고, 이는 녹색이 선명하게 재현될 수 있음을 의미하게 된다. 따라서, 제 1 도에 도시된 컬러필터어레이에서는 녹색광성분을 통과시키기 위한 다수의 필터소자 G, Cy가 원색필터소자를 사용하는 종래의 컬러필터보다 크기 때문에 우수한 해상도와 감도를 얻을 수 있게 된다.

또, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 예컨대 Cy 필터소자에서 G성분과 B성분 사이의 감도비는 녹색의 재생 뿐만 아니라 색위신호발생의 방지를 고려하여 임의로 설정해 줄수 있게 되고, R과 Cy 필터소자는 제 4 도에 나타낸 것처럼 각각 Cy와 R로 교체시킬 수 있으며, 상기 제 4 도에서의 필터어레이에서 색위신호가 필터소자의 분광감도 특성에 따라 발생될 수 있지만, 이 가능성은 상대컬러 필터소자를 사용하는 종래의 필터어레이보다 적게 된다.

Claims

필드축적모드로 구동하기에 적당한 고체촬상장치와, 행과 열방향에 배열된 단위필터어레이를 갖추고 상기 고체촬상장치상에 배치되는 모자이크컬러필터어레이를 구비하고 있으면서, 상기 단위필터어레이는 각각 녹색(G)과 녹색(G), 적색(R) 및 시안(Cy)의 컬러필터소자에 의해 4개의 필터소자로 되는 상위필터어레이와 4개의 필터소자로 되는 하위필터어레이를 이루도록 2열과 4행으로 배열되는 8개의 컬러필터소자로 구성되고, 상기 단위필터어레이내에 열방향으로 배열되는 2개의 인접된 컬러필터소자의 4쌍은 색의 조합이 서로 다르게 됨과 더불어 행방향으로 배열되는 2개의 인접된 컬러필터소자의 각쌍은 다른 색을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 컬러텔레비젼 픽업장치.
제 1 항에 있어서, 단위필터어레이는 G, Cy ; G, R : G, Cy ; R, G의 4행의 컬러필터소자로 구성된것을 특징으로 하는 컬러텔레비젼 픽업장치.
제 1 항에있어서, 단위 필터어레이는 G, R ; G, Cy ; G, R ; Cy, G의 4행의 컬러필터소자로 구성된 것을 특징으로 하는 컬러텔레비젼 픽업장치.
제 1 항에 있어서, 상기 각 시안(Cy)필터소자는 녹색광성분의 감도가 청색광성분의 감도에 비해 감소되는 분광감도 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 컬러텔레비젼 픽업장치.
행과 열방향에 배열되는 단위필터어레이는 각각 녹색(G)과 녹색(G), 적색(R) 및 시안(Cy)의 컬러필터소자에 의해 4개의 필터소자로 되는 상위 필터어레이와 4개의 필터소자로 되는 하위 필터어레이를 이루도록 2열과 4행으로 배열되는 8개의 컬러필터소자로 구성되고, 상기 각 단위필터어레이내에 열방향으로 배열되는 인접된 2개의 컬러필터소자의 4쌍은 색의 조합이 서로 다르게 됨과 더불어 행방향으로 배열된 인접된 2개의 컬러필터소자의 각쌍은 다른색을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 필드축적모드에 사용되는 단일칩 컬러텔레비젼 픽업장치용 컬러필터어레이.
제 5 항에있어서, 단위 필터어레이는 G, Cy ; G, R ; G, Cy ; R, G의 4행의 컬러필터소자로 구성된것을 특징으로 하는 컬러필터어레이.
제 5 항에 있어서, 단위 필터어레이는 G, R ; G , Cy ; G , R ; Cy , G의 4행의 컬러필터소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 컬러필터어레이.
제 5 항에 있어서, 시안(Cy)의 필터소자의 각각은 녹색광성분의 감도가 청색광성분의 감도에 비해 감소되는 분광감도 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 컬러필터어레이.