JPS6056030B2 - カラー固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、固体撮像板を用いてカラー画像信号を得るカ
ラー固体撮像装置に関するものである。

被写体像をテレビジョン信号に変換するのに一般的には
プランビコン、ビデイコンなどの撮像管が用いられてい
るが、最近になつて固体撮像板が注目されるようになつ
てきた。固体撮像板としてはフォトダイオードのような
感光素子と結合した電荷転送素子の組合せ、又は受光部
を電荷転送素子と兼ねた構造のもの、或は感光素子を多
数格子状に配列してこれを順次読み取つて連続した映像
信号を得るフォトダイオードアレイのようなものなどが
ある。

電荷転送素子については特開昭４６−１２１１号公報な
どにおいて電荷結合素子（以下ＣＣＤと述べる）として
その原理が説明されているように、半導体基板上に絶縁
層を介して２相、３相、或は４相になる構成でもつて配
線された電極を設け、この電極に例えば半導体基板がＮ
型半導体であれば負の電位をかけることによつて半導体
内に空乏層を生じさせ、この電極の電位を順次移動させ
ることにより、空乏層も移動させる。

この空乏層の中に電荷を注入しておけは空乏層の移動と
共に電荷も順次移動させることができる。この原理を用
いた固体撮像板の一例を第１図に示す。第１図において
１−１，１−２，１−３，１−４，・・・・・・１−Ｎ
は各々電荷を垂直の矢印の方向に転送する垂直ＣＣＤで
ある。そして垂直方向に転送するための転送パルスはテ
レビジョン信号の水平同期パルスと同期したものである
。２は例えばフオトタイオ．−ドのような感光素子で垂
直ＣＣＤに沿つて設けられ、光の強弱に応じて電荷が蓄
積される。

そしてある時間経過した後に、、この蓄積された電荷は
同時に垂直ＣＣＤに注入される。注入された電荷は水平
同期信号に同期したパルスでもつて順次；垂直の矢印の
方向に転送される。３は複数の垂直ＣＣＤより対応する
位置に転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ
である。

そして水平期間内に全部矢印の方向にこの電荷を転送し
終るような周波数の水平転送パルスでもつて転送し、出
Ｚ力端子４よりその１ライン分の信号を得る。これを繰
返して垂直ＣＣＤｌの電荷を出力端子４よりすべて読出
した後、再び感光素子２に蓄積された電荷が垂直ＣＣＤ
に注入され、同様の読出しが繰返され連続したテレビジ
ョン信号が得られる。この場合水平ＣＣＤ３の転送パル
ス周波数ＦＨはＦＨ＝ＦｖＸＮで表わされる。〔ｆ・，
：垂直ＣＣＤの転送パルス周波数＝水平同 期周
波数Ｎ：垂直ＣＣＤ列の数〕 ５は水平転送パルス発生器、６は垂直転送パルス発生器
で２相、３相、４相いずれでもよい。

カラーテレビジョン信号を得る場合には一般的川ここの
ような撮像板３枚用い、ダイクロイックミラーで分光し
た光を各々の撮像板で受光し、各色の信号を得る。これ
は撮像管を３本用いた３管式のカラーテレビジョンカメ
ラの撮像方式に対応している。しかしながら撮像管を３
本用いた３管式と異なり、各撮像板の位置合せには非常
に細かな精度が必要になる。

よく知られているように撮像管は電子ビームを磁界によ
り偏向させるのが一般的であり、光軸をほぼ合せた後、
細かな各画像の重ね合“せは偏向コイルに直流電流を流
すことによつて全体の画像の位置を動かすことができる
。これに対し、撮像板は撮像管のような位置合せは不可
能であり、又、振巾についても調整できない。従つてこ
れらは全て機械的に行う外はない。この調整箇所を少な
くするか省略するためには２撮像板方式又は単撮像板方
式が考えられる。第２図および第３図は、既に提案され
ている一つの撮像板を用いてカラー信号を発生させる単
板式のカラー固体撮像装置の一例てある。

第２図はストライプ状のカラーフィルタを示し、図中７
，８および９は、それぞれ赤、青および緑色の成分光を
通過させるカラーフィルタエレメントである。このカラ
ーフィルタを第１図に示した固体撮像板の上に置くこと
により、出力信号として赤、青および緑色の成分信号を
点順次的に含む出力信号が得られる。この出力信号を、
第３図に示すようにサンプリング分離することによつて
３原色が取出し得る。第３図において、１１は第２図に
示すようなストライプフィルタを設けた固体撮像板で、
クロックパルス発生器１３からの各転送パルスによつて
動作する。

固体撮像板１１より得られた点順次の出力信号は増巾器
１２を経てサンプリング回路１５に加えられる。一方、
クロックパルス発生器１３からの水平転送パルスは、波
形整形回路１４を通して各色成分信号の位相と巾に波形
整形され、サンプリング回路１５に加えられ、出力信号
中より各色成分信号を分離するのに用いられる。分離さ
れた色成分信号はカラーエンコーダ１６に加えられ、標
準カラー信号１７が取出される。また、サンプリング分
離によらずに、固体撮像板より得られる出力信号をスト
ライプ・フィルタの赤、青、緑の繰返し周波数を中心周
波数とするバンドパス●フィルタを通して後に、水平転
送パルス又はそれを生ずるための水平駆動パルスを処理
することによつて得られる基準信号によつて同期検波し
、色差信号を得ることも可能である。

しかしながら、これらのカラー信号分離方式によれば、
３色のストライプフィルタを用い、対応する感光素子を
設けなければならないため、白黒撮像板と同じ解像度を
得るためには３倍の素子数を必要とする。このことは、
カラー化のために３倍の撮像面積を要することを意味す
るが、撮像面積の増大は製造上多大な困難性を伴い、で
きるだけ小面積を要するカラー化方式が要請される。そ
れ故、本発明の目的は、固体撮像板を１個もしくは２個
用いることによつてカラー映像信号を発生させ、かつ必
要な撮像部の面積を小さくすることのてきるカラー固体
撮像装置を提案することにある。そこで、本発明は、基
本的には水平のラインに沿つて第１と第２の色成分に感
応する感光素子が交互に配置された第１の感光素子列と
、第３と第４の色成分に感応する感光素子が交互に配置
された第２の感光素子列とを垂直方向に配列するととも
に、連続する水平走査において、異なる２つの色差を表
わす信号を交互に出力信号として生じ、この出力信号と
それを遅延して得られた信号から同時に２つの色差信号
を得るものである。

色差信号を得るには、例えは、水平走査回路を駆動する
パルスと同期し、出力信号に含まれている色成分を表わ
す信号の周波数と等しい周波数の基準信号で、前記２つ
の色差を表わす信号を同期検波することによつて得られ
る。又輝度信号はカラー撮像板からの出力信号を低域フ
ィルタを通すことによつて取出すことができるが、輝度
信号を生ずるために別の固体撮像板を用いてもよい。以
下、本発明を実施例を用いて説明する。第４〜６図は本
発明によるカラー固体撮像装置の一実施例を示すための
図で、第４図は図示のようなモザイク状の色フィルタを
第１図に示した固体撮像板に重ねて置いた撮像部を示す
ものである。

同図において、図面の簡潔化のため、感光素子群と、垂
直転送段を省略している。２１は赤色Ｒを透過し、２２
はシアンＣを透過するそれぞれ色フィルタエレメントで
あり、２１と２２が順次交互に点線で示した水平ライン
２５の方向に沿つて並べられている。２３は青色Ｂを透
過し、２４は黄色Ｙｅを透過するそれぞれ色フィルタエ
レメントであり、２３と２４が順次交互に点線で示した
水平ライン２６の方向に沿つて並べられている。

第４図より明らかなように、色フィルタは、水平ライン
２５および２６に沿つて配置された色フィルタ・エレメ
ントの列が、垂直読出し方向に交互に繰返し配列された
構成を有している。ここで各色フィルタの下の領域は１
ビット、或いはインターレス走査を行なわせる場合には
２ビット分の感光素子が各色フィルタエレメントと対応
して設けられている。感光素子群に蓄積された各色フィ
ルタ・エレメントを通過した光の強弱に対応した量の信
号電荷は一定周期（１フレーム又は１フィールド）毎に
それぞれの垂直転送段の対応する位置に転送される。

この信号電荷は水平ブランキング期間に生ずる垂直転送
パルスによつて矢印２７で示す垂直読出し方向に１ライ
ンごとに転送され、水平転送段２８１の対応する位置に
読込まれる。更に、信号電荷は水平走査期間に生ずる水
平転送パルスによつて矢印２８２で示す水平読出し方向
に転送され、信号電荷検出部２８３を経て出力信号２９
を得る。以上のように配列された全ての色フィルタ上に
等白色光が投写された時に得られる一水平走査信号を第
５図に示す。

同図ａは第４図で示した、例えば水平ライン２５の位置
に対応して一水平走査によつて得られた出力信号を時間
軸ｔに対してＥ１（ｔ）として示したものである。

今、水平転送段に加える水平転送パルスを二相式とした
時、この水平転送パルス周波数ＦＨはＥ１（ｔ）の基本
周波数の２倍である。

同図ｂは上記の出力信号Ｅ１（ｔ）を与える水平走査の
次にくる水平走査、例えば第２図の水平ライン２６の位
置に対応して得られる一水平走査による出力信号Ｅ２（
ｔ）を示したものである。

シアンＣは緑色Ｇと青色Ｂを、黄色Ｙｅは緑色Ｇと赤色
Ｒを加算した色であるから、第５図に示すような振巾値
をもつた信号が得られることになる。色フィルタの水平
方向の繰り返し角周波数をωとしたとき、第５図のＥ１
（ｔ），Ｅ２（ｔ）の各水平走査によつて得られる出力
信号をフーリエ展開すれば、次のように表わされる。

Ｅ１（ｔ）およびＥ２（ｔ）が、連続する水平走査毎に
交互に得られる。

これらの出力信号よりカラー信号を生ずるための一構成
例を示すブロック図を第６図に示す。第６図は同期検波
方式で色差信号を得ようとするもので、４１は前記のよ
うな色フィルタ列を設けたカラー固体撮像板で第４図に
相当するものである。４２はカラー撮像板４１を駆動す
るための転送りロック発生回路で、ここで生じた水平転
送りロックパルスは固体撮像板４１に加わると同時にパ
ルス処理回路４３に導かれる。

パルス処理回路４３は前述のように例えば水平転送パル
スが２相式とすると、水平転送パルス周波数ＦＨを１１
２に分周する回路てある。これによつて水平方向の色フ
ィルタの繰返し周波数に等しい周波数のパルスを得、後
述するように同期検波器４６，４７の基準信号として用
いる。カラー固体撮像板４１の出力端子４４１から得ら
れる出力信号Ｅ１（ｔ），Ｅ２（ｔ）を帯域フィルタ４
４に加えることにより、式（１），（２）て示す信号Ｅ
１（ｔ），Ｅ２（ｔ）の各々の基本波成分Ｅェ″（ｔ）
，Ｅ２″（ｔ）を得る。

ここでＥ１″（ｔ），Ｅ２″（ｔ）は次のように表わさ
れる。

帯域フィルタ４４の出力Ｅ″ｉ（ｔ）（１＝１，２）は
一水平走査期間（１Ｈと呼ぶ）のディレーライン（１Ｈ
ディレーラインと呼ぶ）４５と図に示すスイッチ回路５
０の入力端子ａ（５ｄとに導かれている。

一方、前記の１Ｈディレーライン４５の出力はスイッチ
回路５０の入力端子ｂとｃに導かれている。スイッチ回
路５０の出力端子ｅ（５ｆは連動してそれぞれａ＜５ｂ
に１Ｈ期間だけ接続され、次の１Ｈ期間入力端子Ｃ．５
ｄに接続される。

このスイッチ回路５０はここでは動作説明のため簡略化
して示しているが、例えば垂直転送φｖに同期したパル
スによつて、出力端子Ｅ，ｆを１Ｈ毎に入力端子Ａ，ｂ
もしくはＣ，ｄのいずれかに接続するようにコントロー
ルされるスイッチング回路によつて構成されうる。この
ようなスイッチ回路５０を経て出力端子Ｅ，ｆより得ら
れる信号は各々Ｅ１″（ｔ）とＥ２″（ｔ）に相当する
信号である。

Ｅ１″（ｔ），Ｅ２″（ｔ）は各々図の如く同期検波器
４６と４７に加えられ、前記のパルス処理回路４３より
得られたパルスで同期検波を行ない、２種類の色差信号
Ｒ−Ｙ．，Ｂ−Ｙを得る。一方、低域フィルタ４８を介
して取出された信号は式（１）と（２）よりわかるよう
にＲ＋Ｇ＋Ｂとなるので、これを輝度信号Ｙとして用い
る。

この輝度信号Ｙと上記の二つの色差信号Ｒ−ＹとＢ−Ｙ
をカラーエンコーダ４９に導き、この出力よりなる複合
色差信号を得ることがてきる。

なお第４図のフィルタの代りに第７図に示すような色フ
ィルタを用いてもよい。第７図は異なる色フィルタを用
いた他の実施例を示すものでフィルタ以外の色差信号を
得るための構成は第４図および６図と同じである。ここ
で５１は赤フィルタエレメント、５２は青フィルタエレ
メント、５３は白色の被写体を撮像した時に、対応する
感光素子からの信号出力が赤、青のフィルタ位置に相当
する受光素子の信号出力とほぼ等しくなるようにニュー
トラルデンシティフィルタなどで透過率をコントロール
した透明フィルタエレメントもしくはＮＴＳＣの輝度信
号に近似した出力信号を生じるためのフィルタエレメン
トである。この場合も、第４図と同様、水平ライン２５
に沿つた水平走査によつてＲ−Ｙ信号を、水平ライン２
６に沿つた水平走査によつてＢ−Ｙ信号をそれぞれ得る
ことができる。なお輝度信号はフィルタエレメント５３
の部分に相当する信号を出力信号よりサンプリングし、
低域フィルタを通すことによつて得ることができる。サ
ンプリングのためのパルスは、例えば水平転送パルスよ
り形成することができる。この方法では、第４図〜第６
図に示した実施例の方法に比べてフィルタの使用色数が
３色ですむ利点がある。本実施例では帯域フィルタ４４
の出力を１Ｈディレーライン４５とスイッチ回路に加え
ることによつてライン順次信号を同時信号に変換し、そ
の後２つの同期検波回路４６，４７で検波し、色差信号
を発生させているが、先にライン順次の色差信号を得、
その後１Ｈディレーラインを用いた同様な変換回路で同
時信号にしてもよい。以上の実施例は１枚の撮像板を用
いた方式について説明しているが、２枚の撮像板を用い
た方式たとえば一方より輝度信号Ｙを、他方より実施例
で述べたような方法で２つの色差信号を得る所謂２板式
カラー固体撮像装置にも適用できる。

上記実施例より明らかなように、本発明によるカラー固
体撮像装置によれば、３つの固体撮像板を用いる必要が
なく、しかも、各水平方向のフィルタの色数をそれぞれ
２種類のみでよいように構成しているのて、水平方向に
３色のフィルタを配して絵素を構成していた従来の装置
より実質的に撮像面積を減らすことができ、さらに、水
平方向のクロックの周波数を低くすることができる利点
を有している。又、従来の撮像管を用いた撮像装置にお
いては、ビーム走査位置が問題となつて本発明のように
連続する水平走査問て異なる色差信号を取り出すことは
実現できなかつたが、本発明の固体撮像装置においては
水平走査を決まつたラインについて行ない得るため、各
々の水平走査毎に独立に色差信号を得ることができ、検
波時の周囲条件の変化によつても色相の変化が生じない
ようにすることができ、容易に正確な色差信号を得るこ
とができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は感光素子と電荷転送素子を組合わせた従来の固
体撮像板のブロック図、第２図は３色のストライプフィ
ルタを示す図、第３図は、第２図に示したストライプ状
フィルタを第１図に示す固体撮像板に重ねることによつ
てカラー信号を得る従来のカラー固体撮像装置のブ罎ン
ク図、第４図は本発明によるカラー固体撮像装置の一実
施例におけるカラー撮像板のブロック図、第５図Ａ，ｂ
はそれぞれ第４図の撮像板の出力信号を示す図、第６図
は同実施例においてカラー信号を発生させるための信号
処理回路のブロック図、第７図は他の実施例のカラー撮
像板の構成図である。 ２１，２２，２３，２４・・・・・・色フィルタ・エレ
メント、４１・・・・・・カラー撮像板、４２・・・・
・・転送りロック発生回路、４３・・・・・・パルス処
理回路、４４・・・・・・帯域フィルタ、４５・・・・
・・１Ｈディレィライン、４６，４７・・・・・・同期
検波器、４８・・・・・・低域フィルタ、４９・・・・
・・カラー・エンコーダ、２８１・・・・・・水平転送
段、２８３・・・・・・信号電荷検出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 色フィルタと感光素子を組み合わせ感光ユニットを
   形成し、第１の感光ユニットと第２の感光ユニットの出
   力の差が原色光赤に対して正となり原色光青又は緑に対
   して負となる前記第１と第２の感光ユニットを水平方向
   に交互に繰返し配した第１の感光ユニット列と、第３の
   感光ユニットと第４の感光ユニットの出力の差が原色光
   青に対して正となり原色光赤又は緑に対して負となる前
   記第３と第４の感光ユニットを水平方向に繰返し配した
   第２の感光ユニット列を垂直読出し方向に交互に配列し
   、前記第１と第２の感光ユニットの出力の和と、前記第
   ３と第４の感光ユニットの出力の和が等しくなるような
   感光ユニットとなし、連続する水平走査において前記第
   １の感光ユニット列からの第１の信号と前記第２の感光
   ユニット列からの第２の信号をライン順次で交互に読出
   し、前記交互に出力される第１と第２の信号を、１水平
   期間の遅延器と水平走査期間に同期して初換える切換え
   回路より成る同時化回路を介して同時信号とし、同時化
   された前記第１と第２の信号より異なる２つの色差信号
   を得ることを特徴とするカラー固体撮像装置。 ２ 色フィルタと感光素子を組み合わせ感光ユニットを
   形成し、第１の感光ユニットと第２の感光ユニットの出
   力の差が原色光赤に対して正となり原色光青又は緑に対
   して負となる前記第１と第２の感光ユニットを水平方向
   に交互に繰返し配した第１の感光ユニット列と、第３の
   感光ユニットと第４の感光ユニットの出力の差が原色光
   青に対して正となり原色光赤又は緑に対して負となる前
   記第３と第４の感光ユニットを水平方向に繰返し配した
   第２の感光ユニット列を垂直読出し方向に交互に配列し
   、第１の感光ユニットと第２の感光ユニットのうちの一
   方を輝度を表わす信号を生ずるような特性を有するもの
   とし、かつ第３の感光ユニットと第４の感光ユニットの
   うちの一方を輝度を表わす信号を生ずるような特性を有
   するものとし、連続する水平走査において前記第１の感
   光ユニット列からの第１の信号と前記第２の感光ユニッ
   ト列からの第２の信号をライン順次で交互に読出し、前
   記交互に出力される第１と第２の信号を、１水平期間の
   遅延器と水平走査期間に同期して切換える切換え回路よ
   り成る同時化回路を介して同時信号とし、同時化された
   前記第１と第２の信号より異なる２つの色差信号を得る
   とともに、水平走査によつて得られる各々の出力信号よ
   り輝度信号を得ることを特徴とするカラー固体撮像装置
   。