JP3551571B2 - カラーccd固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画素を縦横に配設し、各画素垂直列に対応して各画素からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタを設け、列方向の隣接画素を混合することができないような色フィルタ配列を有するカラーCCD固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子の高解像度化は画素数の増加により可能になり、そのため、画素数の増加のための努力が為されてきたが、しかし、従来において為された画素数の増加は水平方向の画素数の増加であり、垂直方向の画素数の増加のための努力は為されてこなかった。なぜならば、垂直方向の画素数はテレビジョンの放送方式により規定され、その規定に反して増やしても意味がないとされてきたからである。水平方向の画素数の増加はテレビジョン方式に無関係に増やし、水平方向の解像度を高めることができるが、垂直方向の画素数はそのようにテレビジョン放送方式との関係で増やしても意味がないとされていたことから、垂直方向の解像度を高めることができなかった。
そのため、垂直解像度が水平解像度に比較して低くなり、そのアンバランスが著しいという問題が生じた。
【0003】
そのアンバランスの解消策の一つとして垂直解像度を2倍にすることが提案されている。その提案の一つは1994年テレビジョン学会年次大会 ITE’94:1994 ITE Annual Convention pp 475−476 ”1/2インチ90万画素IT−CCD撮像素子” において為されている。
そのカラーCCD固体撮像素子は垂直画素数を従来の約2倍の1000程度ににし、水平画素数を850にして垂直解像度450TV本、水平解像度530TV本の1/2インチ90万画素で垂直転送部に8相CCDレジスタを使用したカラーCCD固体撮像素子である。その色フィルタ配列は図10に示すようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した垂直画素数が従来の約2倍のカラーCCD固体撮像素子は、図10に示すように、ある画素行(例えば第2K行)には緑Gの色フィルタが配設され、それと一方の側に隣接する行(例えば第2K+1行)には赤R/青Bの色フィルタが配設され、もう一方の側に隣接する行(例えば第2K−1行)には青B/赤Rの色フィルタが配設されており、従って、その色フィルタの配列は列方向に視た場合、緑G/赤R/緑G/青Bの4画素周期の構成になっている。
【0005】
このカラーCCD固体撮像素子をインターレスしてテレビジョン方式に適合させるためには、図10に示すように、あるフィールド(例えば第1フィールド)では第4K行の緑Gのフィルタの画素と第4K+1の赤R/青Bの画素の信号を読み出し、次のフィールド(第2フィールド)では第4K+2行の緑Gフィルタの画素の信号と、第4K+3行の青B/赤Rの色フィルタの画素の信号を読み出す動作を行っている。
そして、第2K行と第2K+1行の緑G/赤R/青Bの信号からテレビジョン信号の走査線1本分の信号を合成するのである。
【0006】
従って、緑Gの色フィルタと赤R/青Bの色フィルタの画素を分離してみると、500行の緑Gのフィルタの画素(あるいは赤R/青Bのフィルタの画素)に対して所謂フレーム読み出しを行っていることに相当する。
ところが、フレーム読み出しには、画素の蓄積時間を1フレーム期間にするとフレーム残像が発生し、1フィールド期間にすると感度が半減するという問題があることは従来より良く知られていることであり、図10に示すような従来のカラーCCD固体撮像素子にもそのような問題がある。
【0007】
ところで、一般的なカラーCCD固体撮像素子では、フレーム読み出しの持つこの問題点はフィールド読み出し方式を採用することにより回避することができ、実際にフィールド読み出し方式によって回避している。
しかしながら、図10に示すカラーCCD固体撮像素子においてはフィールド読み出し方式を採用することができないので、フレーム方式の持つ問題を回避することができない。
なぜならば、従来のフィールド読み出しは隣接画素(例えば、第K行と第K+1)を混合するため、図10に示す従来例によれば、緑Gと赤Rの信号の混色、そして、緑Gと青Bの信号の混色が生じるという問題が新たに生じるためである。
【0008】
そこで、本願発明者は、列方向の隣接画素を混合できないような色フィルタ配列を有するカラーCCD固体撮像素子、即ち従来における一般的なフィールド読み出し方式を採用できないカラーCCD固体撮像素子においても、フレーム残像の改善あるいは感度の改善を行うことが必要であると感じ、その実現に向けて工夫、研究を重ねた結果本発明を為すに至った。
即ち、本発明は、列方向の隣接画素を混合できない色フィルタ配列を持つカラーCCD固体撮像素子において、そのフレーム残像の改善又は感度の改善を行うことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明カラーCCD固体撮像素子は、画素を縦横に配設し、各画素垂直列に対応して各画素からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタを設け、列方向の隣接画素の信号電荷を混合すると混色するような色フィルタ配列を有するカラーCCD固体撮像素子であって、上記縦横に配設された画素の偶数行どうし、奇数行どうしがそれぞれ同じ色フィルタ配列にされ、上記偶数行の信号電荷とそれより2行上手又は下手のいずれかに離れたところの偶数行の信号電荷との混合と、上記奇数行の信号電荷とそれより2行上手又は下手のいずれかに離れた奇数行の信号電荷との混合とを同時に行うようにしてなることを特徴とする。
【0010】
本発明カラーCCD固体撮像素子によれば、画素の偶数行どうし、奇数行どうしがそれぞれ同じであるので、混合されても混色が生ぜず、そして、第K行目と第K+2行目の画素の信号電荷どうしを混合して転送したり、第K行目と第K−2行目の画素の信号電荷どうしを混合して転送したりすることによりフィールド読み出しが可能になる。従って、インターレースにカラーCCD固体撮像素子自身で対応することができるので、フレーム読み出し方式の持つところの信号の蓄積期間を1フレーム期間にするとフレーム残像が発生し、1フィールド期間にすると感度が半減するという問題を回避することができる。
勿論、テレビジョン方式に対応する必要がないときは、上記混合をすることなく画素を読み出して垂直方向における解像度の優れた画像の再生を可能にすることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示実施の形態例に従って詳細に説明する。
図1乃至図5は本発明の実施の形態の一例を説明するためのもので、図1は色フィルタの配置を示す平面図、図2は画素、垂直レジスタ及びゲート電極の構成を示す平面図、図3はフィールド読み出しを説明する平面図、図4(A)、(B)はフィールド読み出しの場合の信号の出力の説明図で、(A)は本実施形態の場合(出力数、換言すると水平レジスタ数が2の場合)、(B)は出力数(水平レジスタ数)が1であるとした場合を示し、図5(A)乃至(C)は動作説明図で、(A)はゲート構造図、(B)は垂直転送レジスタのポテンシャルの変化及び電荷転送を示す図、(C)は垂直レジスタを駆動するゲート電極パルスの波形図である。
【0012】
本カラーCCD固体撮像素子は、図1に示すように、奇数行(第奇数番目の行)を構成する各画素はその色フィルタが全て緑Gであり、偶数行(第偶数番目の行)を構成する各画素は赤R、青Bの色フィルタが交互に2画素周期で配置されており、各偶数行の色配置は完全に同じである(即ち、ある偶数行はRBRB・・・で、次の偶数行はBRBR・・・であるというのではなく、全偶数行は全て同じようにRBRB・・・というように同じである。)。従って、本カラーCCD固体撮像素子の色フィルタは水平2画素周期垂直2画素周期の配列を持っている。
そして、垂直方向の画素数は約1000と、通常のカラーCCD固体撮像素子のそれの約2倍であり、水平方向の画素数は例えば850(これより多くても良いし、少なくても良い。多いほど水平解像度が高くなるに過ぎない。)である。1aは第1の水平レジスタで、奇数行の信号(G)を出力し、1bは第2の水平レジスタで、偶数行の信号(R/B)を出力する。
【0013】
図2は画素、垂直レジスタ及びそれのゲート電極を示す平面図で、同図において、R1、R2・・・G1、G2・・・、B1、B2、・・・は各画素を示し、R、G、Bは色フィルタの色を、それに付された数字は図2に示された範囲内において行につけた番号を示す。
2は垂直転送をするレジスタで、各画素垂直列に対応して設けられ、その垂直列の画素からの信号を読み出し、そして、画素から読み出した信号電荷を垂直方向(本実施形態においては図1、図2における上側)に転送する。
3は垂直レジスタ2、2、・・・を駆動するゲート電極で、画素を構成する受光素子を回避しつつ水平方向に配設されている。本垂直レジスタ2、2、・・・による垂直転送は8相の駆動パルスV1〜V8により為される。
【0014】
本カラーCCD固体撮像素子はインターレースに対応する場合には図3に示すような新しいフィールド読み出しをできるようになっている。即ち、カラーCCD固体撮像素子の従来におけるインターレースにはフレーム読み出しとフィールド読み出しとがあり、フレーム読み出しは第1フィールドには第1、第3、第5、・・・番目の行の信号を読み出し、第2フィールドには第2、第4、第6、・・・番目の行の信号を読み出すというものである。また、従来におけるフィールド読み出しは第1フィールドには第1番目と第2番目の行の組み合わせ、第3番目と第4番目の行の組み合わせ、というように上下に隣り合う2つの行を組み合わせその組み合った2つの行の信号を混合して出力し、第2フィールドには第2番目と第3番目の行の組み合わせ、第4番目と第5番目の行の組み合わせ、というように上下に隣り合う二つの行を組み合わせるが第1のフィールドの場合と組み合わせを変えるものである。
【0015】
それに対して、本カラーCCD固体撮像素子のフィールドは、或る行(K)とそれより二つ上或いは下の行(K±2)どうしで行の組み合わせをし、各組み合わされた2つの行の同じ垂直列に属する画素からの信号電荷どうしを混合して垂直転送するものであり、当然のことながら第1フィールドと第2フィールドとで組み合わせ方を変える。
具体的には、第1フィールドには、第1と第3、第5と第7、第9と第11・・・というような緑Gの行どうしの組み合わせと、第2と第4、第6と第8、第10と第12・・・というような赤R/青Bの行どうしの組み合わせとをつくりその組み合わされた行の同じ垂直列に属する画素からの信号どうしを混合する。
そして、緑Gの行どうしを混合した信号と、赤R/青Bの行どうしを混合した信号を二つ水平レジスタ1a、1bを通じて各別に取り出す。
【0016】
第2フィールドは、緑Gの行どうし、赤R/青Bの行どうしで組み合わせて混合、垂直転送、水平レジスタ1a、1bによる並行的水平転送を行う点では第1のフィールドと異なるところはないが、組み合わせ方が異なる。
即ち、第2フィールドにおいては第3と第5、第7と第9、第11と第13、・・・というように緑Gの行どうしの組み合わせをつくると共に、第4と第6、第8と第10、第12と第14、・・・というように赤R/緑Gの行どうしの組み合わせをつくるのである。
【0017】
従って、或る一つの行、K番目の行に着目すると、第1フィールドには例えばK+2の行と組み合わされ、第2フィールドには例えばK−2の行と組み合わされるケースがあるが、第1フィールドにはK−2の行と組み合わされ、第2フィールドにはK+2の行と組み合わされるケースもある。
例えば、第5番目の行(K=5)に着目すると、第1フィールドには第7番目の行(K+2番目の行K)と組み合わされるが、第2フィールドには第3番目の行(K−2番目の行)と組み合わされる。しかし、第7番目の行(K=7)に着目すると、第1フィールドには第5番目の行(K−2番目の行)と組み合わされるのに対し、第2フィールドには第9番目の行(K+2番目の行)と組み合わされる。そこで、本明細書の特許請求の範囲において、本発明の特徴的構成要件を、K(正の整数)行目の各画素内の受光部の信号電荷と、K±2行目のいずれか一方の行の各画素内の受光部の信号電荷とを上記各垂直レジスタ内にて混合して垂直転送するようにしてなる、と表現した。
【0018】
このようにフィールド読み出しをした場合、信号の出力は図4(A)に示すように為される。
なお、図1に示すように水平レジスタが2個の場合は図4(A)に示すようになるが、水平レジスタが1個の場合は図4(B)に示すようになる。
【0019】
図5(A)乃至(C)は本カラーCCD固体撮像素子が上述したフィールド読み出しをする場合の動作を説明するもので、(A)、(B)に現れているのは図2のA−A’線で切断した断面である。
本カラーCCD固体撮像素子は、普通のカラーCCD固体撮像素子と同様に各画素は色フィルタを通過して入射した光を受光素子にて受光し光電変換して信号電荷を蓄積する。そして、各画素の受光素子に蓄積された各信号電荷はゲート電極3、3、・・・により垂直転送制御用パルスV1〜8で制御される垂直レジスタ2、2、・・・に読み出され、該垂直レジスタ2、2、・・・により垂直転送されるのであるが、KとK+2或いはK−2の行の信号電荷の混合を行う点が従来のフィールド読み出しと異なるのである。
【0020】
図5を参照して具体的に説明すると、時点t1の直前にパルスV1、V5、V7をVTレベルにしてそれ等のパルスを受けるゲート電極3、3、3、・・・に対応した行の各画素の受光素子に蓄積された信号電荷を各垂直レジスタ2、2、・・・に読み出す。なお、パルスV3に対応する行においては各画素の受光素子内に蓄積された信号電荷の読み出しは為されず、蓄積されたままである。
その後、時点t2でV1、V2、V3、V5、V7が共にハイレベルになり、時点t3で、V2、V3、V4、V5が共にハイレベルになり、第1回目の信号の混合をする。本例では、G2とG4の、G6とG8の、G10とG12というように緑Gについての行どうしの信号電荷の混合が為される。この間、赤R/青Bの行については混合しない。具体的には一部[ R3、R7、R11、・・・そして、図5(B)には現れないがB3、B7、B11、・・・] は受光素子内に蓄積されたままであり、残り(R1、R5、R9、R13、・・・、そして、B1、B5、B9、B13、・・・)は垂直レジスタ内で孤立した状態にある。
【0021】
次に、t4、t5、t6、t7、t8、t9と時間の経過に伴って各信号電荷(混合した信号電荷と孤立した信号電荷)が転送先側に移動せしめられる。
そして、時点t10で、孤立して転送された信号電荷R1、R5、R9、・・・が上述のまだ読み出しされていなかった行に達する。ところが、実は時点t10の直前にパルスV3が読み出しレベルになって読み出しが行われていたので、時点t10で第2回目の混合、即ち、赤R/青Bの行についての互いに組み合わされた行どうしの同じ垂直列に属する信号電荷の混合が為される。そして、時点t11で完全に混合が済んだ状態になる。
その後は、その混合された状態の各信号電荷をそのまま垂直方向に転送する。緑Gの行の信号電荷の水平転送は水平レジスタ1aで、赤R/青Bの行の信号の水平レジスタ1bでおこなわれることは前述の通りである。
【0022】
以上の動作により、第1のフィールドの読み出しができるが、それが終わると第2フィールドの読み出しを行う必要がある。そして、それはV1〜V4のパルスを第1フィールドにおけるV5〜V8のパルスと同じ波形にし、V5〜V8のパルスを第1フィールドにおけるV1〜V4のパルスと同じ波形にすることによりできるのである。即ち、フィールド毎にV1〜V4の波形とV5〜V8の波形を入れ換えることによりフィールド読み出しができ、カラーCCD固体撮像素子内部でインターレースに対応することができ、外部でインターレースに対応するための信号処理をする必要はない。
尚、本カラーCCD固体撮像素子は、図6に示すように垂直画素数が約500のカラーCCD固体撮像素子を2枚用いた2板式カラーCCD固体撮像装置と同じ解像度の画質を得ることができる。一方のカラーCCD固体撮像素子は各行が緑Gのフィルタをもうけられており、他方のカラーCCD固体撮像素子は各行が赤Rと青Bのフィルタが交互に設けられた構成になっている。
【0023】
【発明の実施の形態】
図7(A)、(B)及び図8は本発明カラーCCD固体撮像素子の別の実施の形態を説明するためのもので、図7(A)はゲート構造を示し、同(B)は垂直転送レジスタのポテンシャルの変化と信号電荷の転送を示す図、図8はゲート電極に印加される転送用パルスのタイミングチャート図である。
本実施の形態は、図1乃至図5に示す実施の形態とは、構造、回路構成が共通し、単に、動作の仕方が相違するに過ぎない。しかし、第K行とK+2或いはK−2の行の信号電荷の混合を行う点については共通することはいうまでもない。
以下に、その動作について説明する。
【0024】
時点t1の直前にパルスV1、V7をVTレベルにしてそれ等のパルスを受けるゲート電極3、3、・・・に対応した行の各画素の受光素子に蓄積された信号電荷(例えばG8、R5がそれである。以後、動作説明に当たり、G8、R5と、これ等に混合されるG6、R3を例にして説明する。)を各垂直レジスタに読み出す。なお、パルスV3、V5に対応する行においては各画素の受光素子内に蓄積された信号電荷の読み出しは為されず、蓄積されたままである。
その後、時点t2でV1、V2、V3、V5、V6、V7が共にハイレベルの状態になり、時点t3でV2、V3、V4、V6、V7が共にハイレベルの状態になり、というようにパルスの変化によって信号電荷の転送が進む。
【0025】
そして、時点t12で、信号電荷例えばG8、R5がパルスV7、V1に対応する行(V1については次のV1〜V8を受ける8行の組み合わせにおけるV1に対応する行)まで達する。そして、時点t13の直後にパルスV3、V5がVTレベルになり、そして時点t14でその行に対応する信号電荷G6、R3が各垂直レジスタに読み出された状態になる。
そして、時点15で信号電荷G6とG8との混合と、R3とR5との混合とを同時に行う。
【0026】
その後は、その混合された状態の各信号電荷をそのまま垂直方向に転送する。
以上が第1のフィールドの動作で、第2のフィールド動作は、V1〜V4のパルスを第1フィールドにおけるV5〜V8のパルスと同じ波形にし、V5〜V8のパルスを第1フィールドにおけるV1〜V4のパルスと同じ波形にすることによりできる。
そして、緑Gの行の信号電荷の水平転送は水平レジスタ1a(図1参照)で、赤R/青Bの行の信号電荷の水平転送は水平レジスタ1b(図1参照)で行われることは前述の通りである。
【0027】
図5に示す動作では、先ず緑Gの行についての信号電荷の混合(第1回目の混合)をし、次に、赤R/青Bの行についての信号電荷の混合(第2回目の混合)をするようにしているが、本実施の形態におけるように、偶数行どうしの信号電荷の混合と、奇数行どうしの信号電荷の混合とを同時に行うようにすることもできるのである。
なお、上記各実施の形態においては、色フィルタの配置が偶数行が緑G、奇数行が赤R/青Bというものであったが、本発明はそれに限定されるものではなく、列方向に隣接画素の信号電荷を混合すると混色を生じるような色フィルタ配置をもつものにおいて偶数行と、奇数行の色フィルタ配置が等しいものであれば良い。図9(A)乃至(C)は本発明を実施することができる色フィルタの他の各別の配置例を示すものである。
【0028】
【発明の効果】
本発明カラーCCD固体撮像素子によれば、列方向に隣接する画素の信号を混合すると混色が生じるような色フィルタの配置を有していても画素の偶数行どうし、奇数行どうしがそれぞれ同じ色フィルタ配置を有しているので、混合されても混色が生ぜず、そして、第K行目と第K+2行目の画素の信号電荷どうしを混合して転送したり、第K行目と第K−2行目の画素の信号電荷どうしを混合して転送したりすることによりフィールド読み出しが可能になり、フレーム読み出し方式の持つところの信号の蓄積期間を1フレーム期間にするとフレーム残像が発生し、1フィールド期間にすると感度が半減するという問題を回避することができる。
勿論、テレビジョン方式に対応する必要がないときは、上記混合をすることなく画素を読み出して垂直方向における解像度の優れた画像の再生を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一つの実施の形態の色フィルタの配置を示す平面図である。
【図2】上記実施の形態の画素、垂直レジスタ及びゲート電極を示す平面図である。
【図3】上記実施の形態におけるフィールド読み出しを説明する平面図である。
【図4】(A)、(B)はフィールド読み出しをする場合の信号の出力の説明図で、(A)は出力数が2の場合、(B)は出力数が1の場合を示す。
【図5】
(A)乃至(C)はフィールド動作を説明するためのもので、(A)はゲート電極を、(B)は垂直レジスタのポテンシャルの変化と、信号電荷の転送を示し、(C)は転送パルスV1〜V8の波形図である。
【図6】本発明カラーCCD固体撮像素子と同程度の画質が得られる2板式カラーCCD固体撮像装置の構成図である。
【図7】(A)、(B)は本発明の別の実施の形態の動作を説明するためのもので、(A)はゲート電極を、(B)は垂直レジスタのポテンシャルの変化と、信号電荷の転送を示す。
【図8】上記別の実施の形態の動作を説明するための転送用ゲート電極に印加される転送パルスV1〜V8の波形図である。
【図9】(A)乃至(C)は本発明を実施できる色フィルタの他の各別の配置例を示す図である。
【図10】従来例の色フィルタ配置とインターレースの説明図である。
【符号の説明】
1 水平レジスタ
2 垂直レジスタ
3 ゲート電極
V1〜V8 垂直転送用のパルス
Claims (3)
- 画素を縦横に配設し、各画素垂直列に対応して各画素からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタを設け、列方向の隣接画素の信号電荷を混合すると混色するような色フィルタ配列を有するカラーCCD固体撮像素子であって、
上記縦横に配設された画素の偶数行どうし、奇数行どうしがそれぞれ同じ色フィルタ配列にされ、
上記偶数行の信号電荷とそれより2行上手又は下手のいずれかに離れたところの偶数行の信号電荷との混合と、上記奇数行の信号電荷とそれより2行上手又は下手のいずれかに離れた奇数行の信号電荷との混合とを同時に行うようにしてなる
ことを特徴とするカラーCCD固体撮像素子 - 偶数行の信号電荷と、奇数行の信号電荷とを独立に出力するようにしてなる
ことを特徴とする請求項1記載のカラーCCD固体撮像素子 - 上記奇数行の信号電荷は第1の水平レジスタで、上記偶数行の信号電荷は第2の水平レジスタで転送されるようにしてなる
ことを特徴とする請求項1又は2記載のカラーCCD固体撮像素子
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