JPH0125476B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は偽信号の少ない高解像度の固体撮像
装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

固体撮像装置は従来の撮像管とくらべ、小型、
軽量、高信頼性のカメラが出来るばかりでなく、
撮像した画像において固形歪がなく、残像が小さ
く、焼付きが無いなどの多くの利点がある。この
ため、ITVカメラ、家庭用ビデオカメラ、さら
には銀塩フイルムを用いない電子カメラ等への広
い応用があり、今後さらに応用範囲が広がるもの
と予想される。

しかし、一方では、撮像管に比べて画素数が有
限なために解像度が低いという欠点があり、さら
にビートやモアレと呼ばれる偽解像や偽信号が出
る欠点がある。

そして、固体撮像素子の画像とモアレについて
解析を行なつた結果、CCD固体撮像素子につい
ては、前述の偽信号は矩形の感度形状となるイン
ターライン転送形CCDの方が台形の感度形状と
なるフレーム転送形CCDより顕著になる事が確
められているが、偽信号の減少と高解像度化はこ
れからの固体撮像素子の課題となる。

インターライン転送形CCD（以下、IT―CCDと
呼ぶ）とフレーム転送形CCD（以下、FT―CCD
と呼ぶ）の従来例について、偽信号と解像度の問
題を以下に述べる。

第１図はIT―CCDの撮像動作を説明するため
の構成図である。このIT―CCDでは例えばホト
ダイオード（以後PDと呼ぶ）で形成されたＭ×
2N個の感光部（P₁₁，P′₁₁，P₁₂，P′₁₂，P₁₃，…，
P_1N，P′_1N，P₂₁，P′₂₁，P₂₂，P′₂₂，P₂₃，…，
P_2N，P′_2N，…，P_M1，P′_M1，P_M2，P′_M2，P_M3，
…，P_MN，P′_MN）（以後Pi，Pi′で代表する）とこ
の感度部Pi，P′iで光電変換されて蓄積された信
号電荷を読出すための垂直CCD（C₁，C₂，…，
C_M）が図中に示すように水平方向に交互に配列
されている。そして、垂直CCD（C₁，C₂，…，
C_M）の信号電荷は１段ごと水平CCDシフトレジ
スタ２に転送され、水平有効期間において水平
CCDシフトレジスタ２内に転送された後順次出
力部３より読出される。ここで、垂直CCD（C₁，
C₂，…，C_M）における垂直方向転送段数は前記
感光部Pi，P′iの垂直方向画素数（この場合2N
ケ）の半数である。通常のテレビジヨン標準方式
においては１フレームは２フイールドより構成さ
れ、そしてインターレス走査を行なつている。従
つて、IT―CCDでもこれに適合した撮像動作を
行なつている。先の２フイールドをＡ，Ｂフイー
ルドとすると、Ａフイールドでは垂直方向に連続
して設けられた２個のPD（P₁₁，P′₁₁），（P₁₂，
P′₁₂），…，（P_1N，P′_1N），（P₂₁，P′₂₁），（P₂₂
，
P′₂₂），…，（P_2N，P′_2N），…，（P_M1，P′_M1），
（P_M2，P′_M2），…，（P_MN，P′_MN）で蓄積された信
号電荷が合せて読出され、Ｂフイールドでは垂直
方向に前記Ａフイールドで読出された２個のPD
（Pi，P′i）に対して空間的に垂直方向に対して
180度位相が異なる連続した２個のPD（P′₁₁，
P₁₂），（P′₁₂，P₁₃），…，（P′₂₁，P₂₂），（P′₂₂
，
P₂₃），…，（P′_M1，P_M2），（P′_M2，P_M3），…，で
蓄
積された信号電荷が合せて読出される。この場
合、垂直方向においてＡ，Ｂフイールドで読出さ
れる信号の空間的位相が180度異なるため、感光
領域４全域からは2N×Ｍ個のサンプル点が得ら
れる。

なお、PD（Pi，P′i）から垂直CCD（C₁，C₂，
…，C_M）への信号電荷転送は該PD（Pi，P′i）と
垂直CCD（C₁，C₂，…，C_M）間に設けられたフイ
ールドシフトゲート（以降FSGと呼ぶ）１にパ
ルス電圧を印加して行う。

例えばNTSC標準方式では垂直方向走査線は
512本であるため、有効部分として500画素程度あ
ればよく、現時点ではほとんどの固体撮像装置で
はこれを満足している。問題は水平画素数であ
る。現状では400画素が達成されているが限界解
像度にて300TV本に相当し、撮像管の半分以下
の値である。

第２図は第１図に示したIT―CCDにおける１
セルの構成説明図である。この図に示されるよう
にPDによる開口部５の隣に垂直CCD６が設けら
れている。この垂直CCD６は光シールドされな
ければならなく、図中斜線で示された部分７は例
えばアルミニウム（Al）電極で覆われている。
ここでPD５の垂直方向上部もAl電極７で覆われ
ているのは第１図におけるPD（Pi，P′i）間の垂
直方向分離と、垂直CCD（C₁，C₂，…，C_M）を駆
動するための内部配線電極がこの部分に設けられ
ているためである。

この場合、入射光学情報に対してこのAl電極
７は無効領域となり、有効感度領域が離散して形
成されているため偽信号が発生し易い。

〔発明の目的〕

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、高解
像度化を達成し、かつ偽信号を減少させることの
できる固体撮像装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は前述のIT―CCDのごとき、
感光部PD（Pi，P′i）に蓄積された信号電荷が垂
直ブランキング期間（無効期間）において、同時
に垂直CCD（C₁，C₂，…，C_M）に移動させ、次の
フイールド有効期間中に読み出される撮像動作を
有した固体撮像チツプ基板を所定の位置を振幅中
心として振動せしめることにより画素数を見掛け
上増加させて高解像度化を行なうと共に、垂直
CCDに移動する時間、すなわち垂直CCDに電荷
を移動する位置を振幅中心からずらす事により、
増加させた画素間の感度を重複させてモアレ等の
偽信号を減少させた固体撮像装置である。

〔発明の実施例〕

先ず第３図を用いて高解像度化のための原理的
手段につき説明する。

本発明による高解像化は前記した第１図、第２
図及び第３図ａに示したIT―CCDチツプ基板を
水平方向（Ｘ方向）に振動させることによつて達
成される。今この振動が第３図ｂのように三角波
にて行われるとする。ｘ＝０に画素の有効領域の
開口部の中心を一致させて振動させると、Ａフイ
ールドにおいて三角波状に右方向へ移動して、０
点に戻つてくるまで撮像動作させ、ｘ＝０に戻つ
た点で、蓄積した信号電荷を垂直CCDへ転送す
る。この時、フイールドシフトゲートの印加電圧
波形φ_FSGは低レベル電圧V_Lから高レベル電圧V_H
へ変化するパルス電圧波形となる。次にＢフイー
ルドでは、左方へ移動した後に再び振動中心のｘ
＝０に戻つてきた時に信号電荷を垂直CCDへ転
送する。この動作により、各フイールドでのｘ方
向での感度形状は開口部が矩形の場合に第３図ｃ
に示すように台形となる。各フイールドについ
て、振動中心を軸として、左右に２ケの台形の感
度形状が得られ、結果として、画素数が２倍にな
つた事になり、高解像度化が実現出来る。

以上が高解像度化のための原理であるが、本発
明はこの原理を基本としてこれを改良し、偽信号
の減少を図るようにしたものである。

第４図は本発明の一実施例を示す。第３図と異
なるのは、信号電荷を垂直CCDへ転送するタイ
ミングである。すなわち、開口部がｘ＝０の振動
中心を通過する際に転送を行なつていたものを、
第４図ｂに示すようにタイミングをずらして振動
中心からはずれた位置（図ではｘ＝±ｈ）にて、
フイールド・シフトゲートの印加電圧波形φ_FSGに
パルスを与えて、信号電荷を転送する。この動作
により、感度形状は第４図ｃに示したように変化
する。第３図と比べて一見してわかる事は台形の
感度がくずれて三角形に近い感度形状に変化して
いるほかに、ＡフイールドとＢフイールドの感度
の重なり部分が大きくなつている事である。この
重なり部分がモアレや偽解像の減少に役立つ。以
下にモアレや偽解像が減少することを図面で説明
する。

第５図は固体撮像素子の画像とモアレの解析に
て示したCCDの画素感度形状と解像度特性を表
わすMTF値の関係で、水平画素数を400画素とし
た時の水平解像度を示す。従来の第２図の感度形
状は矩形で表わされ、水平画素数400の場合はテ
レビ関係技術者に理解される如く、300TV本ま
での解像が可能である。そのMTF曲線は、第５
図のａで示す実線となる。MTF値は極めて高い
が、300TV本までしか解像できず、撮像管と比
べると細かい縞が見えない結果になる。周知の如
く、300TV本までがナイキスト限界であるが、
それより高いTV本数ではいわゆる折り返し現象
が現われて、300TV本から600TV本のMTF曲線
a′が300TV本から折返してa″のようになる。この
意味は例えば450TV本の細かい柄が150TV本に
なつて画像にあらわれ、かつそのMTF値が80％
近くと大きいので、はつきりと見える事である。
図では省略したが、600TV本から900TV本はさ
らに0TV本から折り返して300TV本に現われる。
こ現象のため細かい縞柄を従来の固体撮像装置で
撮像すると、偽解像が生ずる確率が高く、かつ、
はつきりした偽信号となつて見える。特に
600TV本や900TV本などは偽解像の中でも最も
顕著なモアレとなる。

第３図で示した三角波で振り、振動中心で信号
電荷をCCDへ転送する場合の台形の感度では、
第５図のｂで示すように、MTF値は小さくなる
が振動により、水平方向の画素数が２倍となるた
め、再生できる画像の範囲は600TVに増加する。
MTF曲線のＣは台形の繰り返しピツチが肩の部
分の２倍の例であるが、600TV本以上ではC′の
負のMTF値（白黒が反転した像）がC″のように
折り返して、画像に偽解像となつてあらわれる。
重なり合う肩の部分が少ない第３図の例では、
MTFの曲線はＣよりさらに高く、aa′との間に入
るようなｂ，b′及びb″となり、偽解像やモアレが
出やすい状態になる。600TV本まで解像出来る
ので、撮像管と同程度の画像が得られるが、偽信
号が目立つ。

本発明の第４図の例に近い三角形の感度形状で
は第５図の曲線ｄに示すように、ナイキスト限界
でのMTF値は台形の曲線Ｃより僅かに減少るが、
600TV本から900TV本までのMTF値はd′の如も
０に極めて近くなる。このため、折り返してd″の
ようにナイキスト限界に入つても、白黒のコント
ラストが判明できなくなり、偽信号は殆んど見え
なくなる。

すなわち、振動中心からタイミングをずらして
垂直CCDへの転送を行なうと、感度の重なり具
合が変化し、偽信号を任意に制御できる固体撮像
装置を得る事ができる。したがつて、撮像する被
写体に600TV本以上の細かい柄模様がない場合
には、振動中心で転送を行なうことができるが、
細かい柄模様が入つて偽信号が生じて見にくい場
合には、転送のタイミングをずらすことにより、
解像度を少し犠性にしても滑らかな画像にして見
る事が出来る。

従来、偽信号が減少するための光学的なローパ
スフイルタを光路中に組み込む方法では特性が固
定されており、自由度が無いが本発明では自由度
をとることができる。

転送のタイミングを適当にずらして感度の重な
りを形成すると、感度形状から見た画素の中心に
寄つてくる。従つて、振動の振幅が適正値を越え
て、大きくなり、画素の中心が振動中心より離れ
すぎた場合には前記タイミングをずらして見掛上
の画素の中心を振幅中心の方向へ戻し、各画素が
等間隔ピツチとなるように制御できる利点もあ
る。

第６図は本発明を実現する固体撮像装置の構成
例である。図において、固体撮像チツプ基板１０
は振動台１１上に固定されている。固体撮像チツ
プ基板１０は同期信号発生回路１２により得られ
る同期パルスを用いて、固体撮像チツプ用ドライ
バ１３により駆動され、光電変換や信号の転送等
を行なう。一方、振動台１１は同じく同期信号発
生回路１３からの同期パルスをきらに整形回路１
４を通して振動台用ドライバ１５により振動す
る。

固体撮像チツプ用ドライバ１３と振動台用ドラ
イバ１５の間にはタイミング制御回路１６が設け
てあり、実施例で説明してきた信号電荷の転送の
タイミングを調整する役割を行なう。第６図は振
動の振幅を検知して、タイミングを制御する場合
の構成例となるが、単に適当にタイミングをずら
す場合には、制御回路は同期信号発生回路１３の
一部に組み込んでも良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば固体撮像素
子チツプ基板を入射光像に対して水平方向に振動
させるとともに、この振動の中心と蓄積された信
号電荷を垂直CCDへ転送するタイミングとを互
いにわずかにずらせるようにしているので、高解
像度化と偽信号の減少の両方を達成させることが
できる。

〔発明の他の実施例〕

上記実施例では三角波形にて振動させる例につ
いて述べたが、これに限らず、正弦波形で振動さ
せる場合にも適用できる事は明らかである。正弦
波で振動させる場合には三角波に比べて、振動の
外側（中心から離れた位置）で開口部がゆつくり
移動するので、感度形状の重みは中心から離れ
る。従つて、振動中心での転送のかわりに、タイ
ミングをずらした転送を行ない、感度の重なり度
合を変え、見掛りの画素中心をずらして、所望の
画質が得られるように制御出来る。

タイミングをずらす割合、すなわち第４図のｈ
の大きさは、振動させる波形や開口部の形状に依
存する。撮像画像を見て、その撮像条件に合わせ
て調整する本発明の固体撮像装置は上記の諸条件
への依存を簡単に補正する事が出来るので、実用
上極めて便利である。

上記実施例においては水平方向に関する基板の
振動について述べたが、これに限らず、高解像度
化したいと思う任意の振動方向について適用でき
る事は明らかである。また、複数の方向について
振動させる場合には、実施例で述べた２フイール
ド、１フレーム方式にこだわらず、複数フイール
ド、１フレーム方式であつても良く、銀塩フイル
ムを用いない電子から、OCR等のクローズド・
システム・カメラ等に有効である。

なお、実施例では固体撮像素子の基板を振動さ
せる例について述べたが、光学系からの像が固体
撮像素子の基板上を相対的に動いても良いことは
勿論である。また、固体撮像素子と光学系の像の
両方が動いて相対的な振動となつても良い。

本発明における固体撮像チツプ基板としては前
述のIT―CCDの他に現在報告されているものと
しては、テレビジヨン学会誌７月号Vol33，No.７
のPP.536〜PP.541原田等「512×340画素CCDイ
メージセンサ」に記述されているごときフレー
ム・トランスフア（FT）方式CCDを用いても同
様の効果を得ることができる。これら固体撮像チ
ツプ基板の撮像動作に共通するところは各画素の
感光部に蓄積された信号電荷は垂直プランキング
期間に同時に読出部に移動せしめる動作を有して
いることである。従つて、上記のIT―CCD、FT
―CCDと同様な動作を有した固体撮像チツプ基
板ならば本発明における固体撮像チツプ基板とし
て用いることができる。

また本発明説明においては第１図にて示した
IT―CCDのように各感光部Pi，P′iが垂直方向に
対して一列に配列されたもの用いて行なつたが、
ジグザク配列されたものでも更に、解像度が向上
させることができる。

なお、本発明は該装置を１個、２個、３個用い
てカラー撮像を行うカラーカメラにも適用される
ことは言うまでもない。２板、３板式カラーカメ
ラにおいては本発明と絵素ずるし法を共用するこ
とにより更に解像度を向上せしめることができ
る。

又、振動振幅に関しては、本発明の説明ではセ
ルピツチ長より短かいものについて説明を行なつ
たが、例えば単板カラーカメラのごとく色信号を
得る画素のピツチは前記セルピツチ長より長くな
つているため色信号に対する偽信号発生を軽減さ
せるために前記セル内だけでなくセル間まで重な
つた振動を行う必要がある。従つて、本発明は高
解像度化の目標を損なわない限り振動振幅を変化
せしめてもよい。

さらに、本発明は光電変換を光導電膜で行な
い、読取り走査を例えば従来のSi単結晶基板で行
ういわゆる２階建センサにおいても適用されるこ
とは言うまでもない。

又、本発明の説明は２次元センサを用いて説明
したが、１次元センサに対しても同様に高解像度
化を行う事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送形CCDの構成説
明図、第２図はインターライン転送形CCDの画
素内構成説明図、第３図は高解像度化の方法を説
明するための図、第４図は本発明の一実施例にお
ける偽信号の少ない高解像度化の方法を説明する
ための図、第５図はCCDの感度形状とMTFの関
係を説明するための図、第６図は本発明に用いる
ことのできる光電変換装置の一構成例を示す図で
ある。 P₁，P′₁，P₁₁，P′₁₁，P₁₃，…，P_1N，P′_1N，
P₂₁，P′₂₁，P₂₂，P′₂₂，P₂₃，P_2N，P′_2N，P_M1，
P′_M1，P_M2，P′_M2，P_M3，…，P_MN，P′_MN…感光部、
１…フイールド・シフト・ゲート（FSG）、２…
水平CCDシフトレジスタ、３…出力部、４…感
光領域、５…開口部、６…垂直CCD、７…光シ
ールドAl電極、１０…固体撮像チツプ基板、１
１…振動台、１２…同期信号発生回路、１３…固
体撮像チツプ用ドライバ、１４…整形回路、１５
…振動台用ドライバ、１６…タイミング制御回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板上に１次元もしくは２次元的に配
   列された感光部と該感光部において光電変換され
   た後、蓄積された信号電荷を読み出し部に同時に
   転送せしめ、該読出し部の信号電荷を順次出力部
   に移動せしめて読み出す間、前記感光部は次のフ
   イールドの信号電荷を蓄積する動作を有する固体
   撮像チツプ基板をこの固体撮像チツプ基板に入射
   する光学像に対して相対的に任意の方向に振動せ
   しめ、該振動の少なくとも一方向成分について該
   方向における振動中心から所望の位置にずれた時
   点において、前記感光部から信号電荷を前記読出
   し部へ転送せしめることを特徴とする固体撮像装
   置。