JP3703175B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色フィルタアレイを介して結像する単一の固体撮像素子よりなる撮像装置、即ち単板カラー化撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単板カラー化方式の色フィルタアレイとしては、いわゆる補色モザイク方式がビデオカメラ等に広く用いられ、知られている。図７に示すのがその色配列例である。この色配列においては、いわゆるフィールド読出し方式に対して適合性がよく、垂直２画素を加算して読み出す（ただしフィールド毎にその組み合せをインタレースする）場合にも輝度信号の帯域が比較的広くとることができ、しかも補色型の色フィルタアレイを用いているため感度がよいという特徴を持っている。
【０００３】
このような色フィルタアレイは、通常図６に示すインタラインＣＣＤに適用される。図６において、ＰＤは各画素を構成するフォトダイオード、Ｖ−ＣＣＤは垂直ＣＣＤシフトレジスタ、Ｈ−ＣＣＤは水平ＣＣＤシフトレジスタである。所要のフォトダイオードＰＤの電荷は、垂直帰線期間に一斉に垂直ＣＣＤシフトレジスタＶ−ＣＣＤに読み出され、その後順次垂直ＣＣＤシフトレジスタ内を転送され、水平ＣＣＤシフトレジスタＨ−ＣＣＤ，出口アンプを介して出力される。ところで、近年ＣＣＤ（撮像素子）の多画素化が実施されつつある。特にハイビジョンクラスの画素数（１５０〜２００万画素）を有するものが出現し始めている。そうした中で先の補色モザイク方式の色フィルタアレイの配列にも若干の問題が生じ始めている。
【０００４】
それは高速読出し，間引き読出しの問題である。多画素センサ、例えば１６０万画素を図６に示すようなインタラインＣＣＤで実現した場合、垂直ＣＣＤシフトレジスタ，水平ＣＣＤシフトレジスタに特殊なプロセスを用いずに作製したとすると、通常４０万画素クラスのインタラインＣＣＤの場合、全画素を読み出すのに要する時間は、フィールド読出しで１／６０秒であるのに対して、その概ね４倍の１／１５秒を要する。これは、いわゆるＴＴＬ（Through the lens）方式の撮像前の測光動作（オートフォーカスＡＦ，自動露出ＡＥ，オートホワイトバランスＡＷＢ）に多大な時間を要することを意味しており、スチルビデオカメラ等に応用する場合、シャッタを押してから本露出が行われるまでに要する時間が長くなり、使用者にシャッタチャンスを失わせる結果にもなってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、インタラインＣＣＤで広く採用されている基板掃出し動作を用いて間引き読出しをすることで読出し時間を短縮することが考えられる。これを図８を用いて説明すると、フォトダイオード（以下ＰＤと記す）に光電変換されたキャリアが生成し（ａ）、垂直ＣＣＤシフトレジスタ（以下Ｖ−ＣＣＤと記す）のうちＶ１（転送ゲートを兼ねる）をオンしてＣ信号キャリアをＶ１に移す（ｂ）。そして基板に電圧をかけてＭ，Ｇ各信号キャリアを基板方向に掃き出す（ｃ）。その後に通常通りＶ−ＣＣＤを駆動して転送，出力することができる。
【０００６】
しかしこの場合、間引き動作はできるものの、（ｃ）中にあるＣ信号キャリアは混合して（即ちデータ数を減少して）転送することはできないので転送時間としてはフィールド読出し時の１／１５秒を要することにかわりなく、しかも色信号のうちＣとＹ信号キャリアしか取り出せないので、ＡＷＢ制御に用いることができない。
【０００７】
そのために、図９（ａ）に示すごとくＶ−ＣＣＤを８相にするとともに、間引き動作を行っても色信号を作り出すことができる色フィルタアレイが考えられる。以下、図面に従って説明する。ＰＤに光電変換されたキャリアが生成する（ａ）。後の間引き動作を行っても色信号が作り出せるように、図１０に示すように、基本の繰り返しを２×８画素で構成し、垂直２列ごとに同じものが繰り返されている色配列としている。 Ｖ１，Ｖ３ゲートがオンしてＣ１，Ｍ１，Ｃ３，Ｇ３信号キャリアがＶ−ＣＣＤへ転送される（ｂ）。基板に電圧が加えられて、Ｃ２，Ｍ２，Ｃ４，Ｇ４キャリアが捨てられる（ｃ）。Ｖ２−ＣＣＤのポテンシャルが低下してＣ１とＭ１，Ｃ３とＧ３がＶ−ＣＣＤ内で加算されてＣ＋Ｍ，Ｃ＋Ｇ信号キャリアとなり転送される（ｄ）。
【０００８】
この方式によると転送するキャリアの数を半分にすることができ（即ち１／３０秒）、しかも色信号も取り出せるというメリットがある。
【０００９】
しかし問題は、全画素を読み出した場合の画質にある。図１１は図１０の色配列における輝度信号と色信号のサンプリングキャリアを２次元周波数平面上でプロットしたものである。なお１／ＰＨは水平方向の画素間隔で決まるサンプリング周波数，１／ＰＶは水平方向の画素間隔で決まるサンプリング周波数である。１／２ＰＨ軸上の色信号キャリアが図１２に示す通常の２×４画素繰り返しの補色モザイク方式のフィルタアレイの色配列の場合に比較して個数が多く全体として色モアレの量が増加していることがわかる。このために色信号キャリアを光学ＬＰＦ等で抑制使用とするとより強い遮断特性を持った光学ＬＰＦを必要とし、結果として解像度の劣化（特に水平方向の）をきたしてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように前述の従来例では、高速な間引き読出しを行うために色フィルタアレイの色配列を変化させると、全画素読出し時の画質が劣化し、画質を優先させるという間引き読出しができないという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためなされたもので、高速間引き読出しができ、かつ高画質が得られる撮像装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では撮像装置を次の（１），（２），（３）のとおりに構成する。
【００１３】
（１）色フィルタアレイと、この色フィルタアレイを介して被写体を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置であって、
前記色フィルタアレイは、２列８行の単位配列を複数２次元状に配置したものであって、前記２列８行の第１列は、第１行からの順で第１，第３，第２，第４，第１，第４，第２，第３の各色の色フィルタであり、第２列は、第１行からの順で第２，第４，第１，第３，第２，第３，第１，第４の各色の色フィルタであり、
前記固体撮像素子は、水平２ライン毎に読取りと掃き捨てを交互に行い間引き読出しを行う素子である撮像装置。
【００１４】
（２）固体撮像素子は、垂直ＣＣＤが８相で駆動されるインタラインＣＣＤであり、水平２ライン分の光電変換キャリアを２ラインおきに垂直ＣＣＤに転送し、その後基板掃出を行って不要電荷を捨て、その後前記光電変換キャリアを前記垂直ＣＣＤ内を順次転送し、水平ＣＣＤ，出力アンプを介して取り出す駆動モードの前記固体撮像素子の駆動手段を備えている前記（１）記載の撮像装置。
【００１５】
（３）第１の色の色フィルタは赤色光を遮断するフィルタであり、第２の色の色フィルタは青色光を遮断するフィルタであり、第３の色の色フィルタは緑色光を遮断するフィルタであり、第４の色の色フィルタは緑色光を透過するフィルタである前記（１）または前記（２）記載の撮像装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、スチルビデオカメラ（電子スチルカメラともいう），ビデオカメラ等の形で実施できる。
【００１７】
以下本発明を実施例により詳しく説明する。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
図１は実施例１である“スチルビデオカメラ”で用いる色フィルタアレイの色配列（パターンともいう）を示す図である。この色配列は基本的にはＣ（シアン：赤色光を遮断する），Ｙ（イエロ：青色光を遮断する），Ｍ（マゼンタ：緑色光を遮断する），Ｇ（グリーン：緑色光を透過する）の４色をパターンとするものであるが、ＣとＹの繰り返しで構成される列は、次の奇数列ではＣとＹが反転しており、更に次の奇数列では、また反転している。それに対してＧとＭの繰り返しで構成される列は、次の偶数列ではＧとＭが反転するが、更に次の偶数列ではそのままであり、更に次の偶数列では反転している。すなわち４列（２偶数列）毎に反転する構成になっている。
【００１９】
このような色フィルタアレイを用いたＣＣＤにおいて間引き読出しを行う場合の動作を図２を用いて説明する。ＣＣＤはやはり８相のＶ−ＣＣＤを持つインターラインＣＣＤである。
【００２０】
ＰＤに光電変換されたキャリアが蓄積される（ａ）。Ｖ１，Ｖ３の各ゲートがオンしてＶ−ＣＣＤにＣ１，Ｍ１，Ｃ３，Ｇ３キャリアが転送される（ｂ）。基板に電圧がかけられて、Ｙ２，Ｇ２，Ｙ３，Ｍ３の各キャリアが基板に捨てられる（ｃ）。Ｖ２ＣＣＤのポテンシャルが下げられてＣ１とＭ１，Ｃ３とＧ３が加算され、転送される（ｄ）。
【００２１】
このようにして本実施例によれば半分の時間で高速に間引き読出しを行うことができる。
【００２２】
一方このＣＣＤを用いて構成した本実施例のスチルビデオカメラの構成を示すのが図３である。
【００２３】
不図示のシャッタボタンの第１ストローク（ＳＷ１）がオンされると、測光（ＡＦ，ＡＥ，ＡＷＢ）が開始される。シスコン１からはＣＣＤドライバ２に対して間引き駆動を行う旨のコマンドが出され、ＣＣＤ３は前述のように基板掃出し動作を伴う間引き駆動モードとなる。そして高速に信号が出力され、Ｓ／Ｈ＆Ａ／Ｄ（サンプリング・ホールド，アナログ−デジタル変換）４を経てデジタル信号となり、メモリコントローラ５を経由してメモリ６に取り込まれる。シスコン１は取り込まれたデータから最適なＡＦ，ＡＥ，ＡＷＢのためのデータを採集，演算し、それに基づいてレンズ，絞り，信号処理ＤＳＰ７のパラメータ等を設定する。そののちシャッタの第２ストローク（ＳＷ２）がオンされると本露出となる。シスコン１からは通常駆動にＣＣＤドライバ２を切り換えてＣＣＤ３を駆動し、本露出の信号を出力させる。出力された信号はＳ／Ｈ＆Ａ／Ｄ４を経てデジタル信号となりメモリコントローラ５を経てメモリ６に取り込まれ、信号処理ＤＳＰ７を使って信号処理（いわゆるセットアップ，アパーチャ，色変換等の処理）を受けて画像ファイルとなりデータとしてハードディスク（ＨＤ）８に書き込まれる。
【００２４】
一方、図１の色フィルタアレイを用いた本実施例におけるサンプリングキャリアの状態を示したのが図４である。１／２ＰＨ軸上の色信号キャリアは図１１に比較して減少している。特に水平軸上の（１／２ＰＨ，Ｏ）点の色信号キャリアが消滅していることが大きい特徴である。
【００２５】
そのために、図５に示すごとく斜め方向にトラップする特性を有する光学ＬＰＦ１とこれと９０度位相の異なる特性の光学ＬＰＦ２を用いることでほぼ色信号キャリアを零に減少させることができる。しかも水平（垂直）軸上の帯域は伸びていることから解像度の向上すなわち高画質も期待できる。
【００２６】
また本実施例では、Ｃ，Ｍ，Ｙ，Ｇの色フィルタを構成色として用いたが、これは感度のために有効であることと、既存のムービ用と同一なため、信号処理ＤＳＰ等を流用することも可能となるためである。
【００２７】
以上説明したように、本実施例によれば高速間引き読出しができ、かつ高画質が得られる撮像装置を提供できる。
【００２８】
（実施例２）
実施例１は、スチルビデオカメラの例であるが、本発明はもちろんビデオカメラ等の形で実施することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速間引き読出しができ、しかも高画質が得られる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１で用いる色フィルタアレイの色配列を示す図
【図２】 実施例１におけるＣＣＤの各画素信号の転送の説明図
【図３】 実施例１の構成を示すブロック図
【図４】 図１の色配列におけるサンプリングキャリア位置を示す図
【図５】 光学ＬＰＦの作用を示す図
【図６】 インタラインＣＣＤの概念図
【図７】 従来の色フィルタアレイの色配列例を示す図
【図８】 図７の色配列例におけるＣＣＤ各画素信号の転送例を示す図
【図９】 図７変形の色配列例におけるＣＣＤ各画素信号の転送例を示す図
【図１０】 図７変形の色配列例を示す図
【図１１】 図１０の色配列におけるサンプリングキャリア位置を示す図
【図１２】 図７の色配列におけるサンプリングキャリア位置を示す図
【符号の説明】
Ｃ シアン
Ｙ イエロ
Ｍ マゼンタ
Ｇ グリーン
Ｐ−Ｄ フォトダイオード
Ｖ−ＣＣＤ 垂直ＣＣＤシフトレジスタ
Ｈ−ＣＣＤ 水平ＣＣＤシフトレジスタ

Claims (3)

1. 色フィルタアレイと、この色フィルタアレイを介して被写体を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置であって、
   前記色フィルタアレイは、２列８行の単位配列を複数２次元状に配置したものであって、前記２列８行の第１列は、第１行からの順で第１，第３，第２，第４，第１，第４，第２，第３の各色の色フィルタであり、第２列は、第１行からの順で第２，第４，第１，第３，第２，第３，第１，第４の各色の色フィルタであり、
   前記固体撮像素子は、水平２ライン毎に読取りと掃き捨てを交互に行い間引き読出しを行う素子であることを特徴とする撮像装置。
2. 固体撮像素子は、垂直ＣＣＤが８相で駆動されるインタラインＣＣＤであり、水平２ライン分の光電変換キャリアを２ラインおきに垂直ＣＣＤに転送し、その後基板掃出を行って不要電荷を捨て、その後前記光電変換キャリアを前記垂直ＣＣＤ内を順次転送し、水平ＣＣＤ，出力アンプを介して取り出す駆動モードの前記固体撮像素子の駆動手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 第１の色の色フィルタは赤色光を遮断するフィルタであり、第２の色の色フィルタは青色光を遮断するフィルタであり、第３の色の色フィルタは緑色光を遮断するフィルタであり、第４の色の色フィルタは緑色光を透過するフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。

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