JPH0245873B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、半導体基板上に二次元配列された感
光部を有する限られた画素数の固体撮像素子を用
いて解像度の高い画像を得る固体撮像装置に関す
る。

［発明の技術的背景とその問題点］ CCDなどの固体撮像素子は従来の撮像管とく
らべ小型、軽量、高信頼性という特徴を有し、ま
た特性面では図形歪がなく、残像が小さく、焼付
きがないなど多くの利点を有している。このため
工業用テレビカメラ、家庭用ビデオカメラ、銀塩
フイルムを用いない電子カメラなど、その応用は
広く、今後更に拡大されると考えられる。

第１図は代表的なインターライン転送形CCD
の概略構成を示している。Pij（ｊ＝１、２、…、
Ｍ、ｊ＝１、２、…、Ｎ）は二次元配列された感
光部、Ciは垂直読み出しCCDレジスタ、Ｈは水
平読み出しCCDレジスタである。このような固
体撮像素子を前述したような広い応用利用に適用
する場合、限られた画素数でいかに高解像変化を
図るかが大きな問題となる。

そこで本発明者らは先に、特願昭56−209381号
において、限られた画素数の固体撮像素子を用い
て高解像変化を図つた装置を提案した。この装置
は第２図にその原理図を示すように、固体撮像素
子のチツプ基板１（−水平列の一部のみ示す）を、
水平方向（Ｘ方向）に、水平画素ピツチP_Hの1/2
相当であるP_H／２の振幅をもつて入射光学像に
対して相対的に振動させる。ここで振動の時間変
化は図に示すように、固体撮像素子の第１(A)フイ
ールドおよび第２(B)フイールドを１フレーム期間
とする撮像動作に同期して台形状にする。このこ
とにより図に示す画素の開口部はＡフイールドで
は実線２の位置となり、Ｂフイールドでは破線３
の位置になる。そして、Ａ、Ｂフイールドまたは
Ｂ、Ａフイールドの切替え時点でフイールドシフ
トパルスをオンにすることにより、Ａ、Ｂフイー
ルドの切替え時点では開口部２の位置での光信号
蓄積電荷を読み出す。そして、Ｂ、Ａフイールド
の切替え時点では開口部３の位置での光信号蓄積
電荷を読み出す。そして読み出した信号蓄積電荷
はＡ、Ｂフイールドの空間サンプリング点の位置
に対応した像となるよう駆動のタイミングをずら
すか、又は信号処理によつてずらすことを行な
い、再生画像上でＡ、Ｂフイールドを加算するこ
とにより、固体撮像素子自体が有する水平方向の
空間サンプリング点が２倍になり、水平解像度を
２倍に向上できる。さらに、固体撮像素子の入射
光学像に対する無効部分が減少するので固体撮像
素子固有のモアレが改善される。第３図は再生画
像上における空間サンプリング点４を示した図で
ある。Ａフイールドでは１H_A，２H_A，３H_Aの走
査線における空間サンプリング点４ａになる。そ
して、Ｂフイールドでは１H_B，２H_B…の走査線
における空間サンプリング点４ｂになる。この結
果、Ａフイールドにおける空間サンプリング点と
Ｂフイールドにおける空間サンプリング点の位相
は水平読み出し周波数fcpの1/2相当である1/2fcp
になる。したがつて再生画像上の水平方向の空間
サンプリング点は２倍になる。

しかし、この装置での空間サンプリング点の２
倍化はＡフイールドにおける走査線例えば１H_A
と隣接したＢフイールドにおける走査線例えば１
H_Bにて行なつている。このため、同一走査線上
における空間サンプリング点の２倍化にならず、
細かい入射光学的に対しては空間サンプリング点
がＡ、Ｂフイールドに渡るため誤差が生じる。こ
の誤差は再生画像上の白黒境界線においてジグザ
グ状になり画質劣化となる問題があつた。また、
垂直方向に対しての空間サンプリング点はＡ、Ｂ
フイールド間で、同一の垂直線上にないため、前
述同様に誤差が生じ、再生画像上垂直方向の白黒
境界面においてジグザグ状の画質劣化となる問題
があつた。

［発明の目的］ 本発明は上記の点に鑑みなされたもので、一走
査線上で空間サンプリング点を２倍化するように
振動モードを改良した高解像度化固体撮像装置を
提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は例えば第１図に示すごときインターラ
イン転送形CCDであつた。感光部に蓄積された
信号電荷を垂直プランキング期間において同時に
垂直読み出しレジスタに移動し、次のフイールド
の有効期間中にこれを読み出すという撮像動作を
有し、Ａフイールド、Ｂフイールドを１フレーム
期間とし以後次のフレーム期間へつながる動作を
有した固体撮像素子チツプ基板を、フイールドの
間の有効期間である垂直ブランキング期間の一つ
おきに振動中心を設定して、ある無効期間で入射
光学像に対して相対的に1/2水平画像ピツチ相当
移動させ、次の無効期間ではそのままとしてお
き、そして次の無効機間で逆方向に入射光学像に
対して相対的に1/2水平画素ピツチ相当移動させ
るという、２フレーム期間１周期としたパルス状
振動を固体撮像素子チツプ基板へ与えることによ
り高解像変化を図つたものである。

［発明の効果］ 本発明による固体撮像装置は従来の固体撮像装
置にくらべ本質的に高解像変化が達成できる。そ
して、さらにチツプ基板自体の高密度化により本
発明と同等な画素数とした固体撮像装置とくらべ
ても、特性上、例えばダイナミツクレンジ、偽信
号発生などにおいて良好な画像を得ることができ
る。そして、これら装置を動作せしめる駆動回路
製作も高密度固体撮像装置とくらべて容易であ
る。また、前述した特願昭56−209381号で見られ
た再生画像上の白黒の境界線におけるジグザグ状
の画質劣化は本発明では表われず、良好な高解像
度画像が得られる。

［発明の実施例］ 第４図は本発明の一実施例を説明するためのも
のである。この図は固体撮像素子と固体撮像素子
を振動させる時間関係、固体撮像素子の感光部か
ら信号電荷を読み出すフイールドシフトパルスの
タイミングの関係を示す。

前述の第１図のインターライン転送形CCDチ
ツプ基板１を水平画素配列方向（Ｘ方向）に図に
示すように振幅がX₁からX₂になるように入射光
学像に対して相対的に振動させる。この振動の時
間変化はフイールドタイム蓄積モードのインター
ライン転送形CCDの撮像動作におけるＡ、Ｂフ
イールドを１フレーム期間したインターレース動
作において２フレーム期間を１周期として、Ａ、
Ｂフイールド間の無効期間内に振動中心がくるよ
うに台形状にする。そして、X₁からX₂の振動量
は水平画素ピツチP_Hの1/2相当であるP_H／２にす
る。

次に具体的動作について説明する。まず、第１
フレームのA₁フイールドのt₁においてCCDチツ
プ基板１の開口部２の開口部中心をX₁の位置に
して光信号蓄積を行なう。そして、次の第１フレ
ームのB₁フイールドのt₂ではCCDチツプ基板１
を図の右方向へ相対的に振動させ、X₂の位置に
なるように開口部２の開口部中心を３の位置にも
つてくる。そしてこの位置で光信号蓄積を行な
う。このときの振動量は水平画素ピツチP_Hの1/2
相当であるP_H／２にする。そして次の第２フレ
ームのA₂フイールドのt₃では開口部中心位置はそ
のままであるX₂の位置で光信号蓄積を行なう。
そして次の第２フレームのB₂フイールドのt₄では
CCDチツプ基板１を図の左方向へ振動させX₂の
位置からX₁Aの位置にもつてくる。そしてこの
位置で光信号蓄積を行なう。このときの振動量は
前述同様P_H／２にする。以後第３フレーム、第
４フレーム…第ｎフレームは第１フレーム、第２
フレームと同様になる動作をくり返す。

以上の動作において開口部２の中心がX₁の位
置からX₂の位置に移動している期間とX₂の位置
からX₁の位置に移動している期間が十分短かけ
ればA₁，B₁，A₂，B₂各フイールドにおいて各々
開口部中心がX₁、X₂の位置に静止していると同
等と考えてよい。この結果、水平画素配列方向で
の空間サンプリング点が２倍になる。そして再生
画像上で各フイールドの空間サンプリング点の位
置に対応した像になるよう駆動のタイミングをず
らし、各フイールドを加算して表示することによ
り、固体撮像素子自身が有する水平解像度を２倍
に向上できる。

第５図は第１図のインターライン形CCDチツ
プ基板を第４図に示した振動モードで振動させた
場合の入射光学像に対した空間サンプリング点の
移動を表わした図である。ａはA₁フイールド、
ｂはB₂フイールド、ｃはA₂フイールド、ｄはB₂
フイールドでの空間サンプリング点であり実線で
示した１H_A，２H_A，３H_A，…，１H_A′，２H_A′，
３H_A′，…はフイールドタイム蓄積モードのイン
ターライン転送形CCDの撮像動作におけるＡフ
イールドでの走査線位置を示し、１H_B′，２H_B′，
３H_B′、１H_B′，２H_B，３H_B，…，はＢフイール
ドでの走査線位置を示してある。そして各空間サ
ンプリング点に表示してある矢印は次のフイール
ドにわたるときの空間サンプリング点の移動方向
を示す。

A₁フイールドにおける空間サンプリング点は
次のB₁フイールドではインターレース撮像と水
平画素配列方向へP_H／２振動の組み合わせによ
り図では斜め右下方向へ移動する。そして。次の
A₂フイールドでは振動は行なわず、インターレ
ース撮像のみになるので図では上方向へ空間サン
プリング点が移動する。そしてB₂フイールドで
はインターレース撮像を振動の組み合わせで図で
は左下方向へ空間サンプリング点が移動する。以
上の動作の結果、空間サンプリング点は第６図に
示した位置になる。第６図に示したａ，ｂ，ｃ，
ｄの空間サンプリング点は第５図のａ，ｂ，ｃ，
ｄに対応している。この結果、再生画像上で実際
のサンプリング点に合わせて表示するＡ、Ｂフイ
ールドの走査線における水平方向のサンプリング
点は水平画素ピツチP_Hの２倍になる。そして垂
直方向のサンプリング点はＡ、Ｂフイールドのイ
ンターレース撮像にて垂直画像ピツチP_Vとなる。
ここで水平画像ピツチP_Hの時間幅は水平読み出
しレジスタの駆動周波数fcpの逆数で決まるため、
水平方向の空間サンプリング点のピツチは1/2fcp
になる。したがつて水平限界像度は前記水平読み
出しレジスタの駆動周波数で決まるナイキスト限
界値の２倍に向上きる。

また、第３図で説明した従来の動作で問題であ
つた再生画像上の白黒の境界面におけるジグザグ
状の画質劣化は本実施例では大幅に改善される。

また、本実施例ではＡ、Ｂフイールドの垂直イ
ンターレース撮像での空間サンプリング点が逆相
関係になるのでモワレのワリツカが改善できる。
即ち空間サンプリング点が増加することによるモ
ワレの改善に加えて、垂直方向の画素の加算読出
しの組み合わせをフイールド毎に変えることによ
つて、一層のモワレ減少が図られる。

また、本実施例は第２図に示した従来例に対し
て振動周期が1/2になる。このことは振動機構に
例えばセラミツクを用いたバイモルフ圧電素子を
用いた場合有効になる。バイモルフ圧電素子を振
動機構に用いる場合は素子自身が持つ共振周波数
より低い周波数で振動させる。この結果、振動パ
ルスの変化時点でリンギングが発生しやすい。そ
して振動周期が低下すればリンギング量も減少さ
せることができるからである。

第７図は本実施例の構成図、第８図はその動作
波形図である。固体撮像素子チツプ１０は振動台
１１上に固定され、光入力は撮像レンズ１２を通
り固体撮像素子チツプ１０上に結像される。振動
台１１には振動パルス発生回路１３から第８図に
示した振動パルスをP_H／２相当量の振幅にして
加える。この振動パルスは第８図に示すように垂
直ブランキング期間内に動作するフイールドシフ
トパルスに同期している。そして２フレーム期間
を１周期としたパルスである。タイミング発生回
路１４では水平読み出しレジスタのタイミングを
振動パルスの周期に合わせてP_H／２遅延させる
ためのP_H／２遅延回路１５のタイミング信号と
その他垂直読み出しレジスタのタイミング信号な
どの必要な同期パルスを発生する。そしてクロツ
クドライバ１６で駆動された固体撮像素子チツプ
１０より得られる出力信号はプリアンプ１７およ
び信号処理回路１８を通して出力される。即ちこ
の例では、固体撮像素子チツプ１０の振動による
空間サンプリング点に合わせて出力信号をずらす
ため、第８図に示すように水平クロツクパルスの
タイミングを振動周期に合わせて1/2クロツク
（1/2fcp）ずらすことを行なつており、これによ
り実際の空間サンプリング点に合つた出力信号が
得られる。そしてA₁、B₁、A₂、B₂フイールドで
構成される第１フレーム、第２フレームを再生画
像上で加算することで水平方向の解像度を２倍に
向上できることになる。

以上説明したように本実施例では、インターラ
イン転送形CCDのごとくフイールドごとに感光
部で蓄積した信号電荷を垂直ブランキング期間に
同時に読み出し部である垂直読み出しレジスタに
転送せしめる撮像動作を有した固体撮像素子チツ
プ基板を、前記プランキング期間に振動中心が位
置するように水平画素配列方向に２フレーム（４
フイールド）の周期をもたせて振動せしめること
によつて固体撮像素子自身が持つ空間サンプリン
グ点を２倍化させ、垂直方向の解像度の劣化なく
水平方向解像度を２倍に向上させた再生画像を得
ることができる。

本実施例による固体撮像装置は、仮に高密度化
技術で水平方向に２倍の画素数をもつた装置が実
現されても、この装置とくらべて次の特性上の利
点がある。

(1) 高密度装置では水平画素ピツチが1/2になる
ため飽和信号レベルが減少してダイナミツクレ
ンジが小さくなるが、本実施例では振動しない
装置と同等になる。したがつて同じ製造技術を
用いるとすると本質的に高密度装置とくらべダ
イナミツクレンジを広くすることができる。

(2) 高密度装置では水平読み出しレジスタのクロ
ツク周波数が２倍に高速化され、これによる駆
動回路、信号処理回路の消費電力増加、回路製
作の困難が増大するが、本実施例の装置ではそ
れはない。

(3) 高密度装置では感光部の開口部面積の割合は
小さくなることがあつても増えることがないの
で、高密度化しても感光領域全域における光学
情報に対する無効領域は減少しない。一方、本
実施例では従来無効であつた領域からも光学情
報を得るため、本質的に入力光学情報収集に対
する有効領域が広い。

第９図は、異なる振動波形を与えるようにした
比較例である。この場合はA₁（t₁）、B₁（t₂）フイ
ールドからなる第１フレーム期間は固体撮像チツ
プ基板１の開口部２をX₁の位置にしておく。そ
してA₂（t₃）、B₂（t₄D）フイールドからなる第２
フレーム期間は開口部をP_H／２移動させX₂の位
置にもつてきて破線３で示す場合にする。即ち、
フレームの間の無効期間内に振動中心をもつてく
る。これによつて第５図の実施例で説明した空間
サンプリング点の位置は第５図ではA₁→B₁→A₂
→B₂のフイールド順序でａ→ｂ→ｃ→ｄの空間
サンプル点の位置になり、第９図では第５図と同
一のフイールド順序でａ→ｂ→ｃ→ｄの順序で空
間サンプリング点が移動する。この結果、再生画
像上では第６図で説明した場合と同様に水平画素
配列方向に２倍のサンプリング点が得られ、先の
実施例と同様な空間サンプリング点の増加による
モワレの減少した高解像度の画像が得られるが、
先の実施例におけるような垂直方向の画素の加算
の組み合めせがジグザグとなることによるモワレ
改善の効果は得られない。

以上説明した例では、本発明をテレビジヨン標
準方式に適用したビデオカメラについて行なつた
が、例えば銀塩フイルムを用いない電子カメラや
OCR等のシスチムに本発明を適用できる。第１
０図は電子カメラに本発明を適用した場合の動作
を示す図である。この場合には、通常の光学カメ
ラと同じように光学シヤツタの開閉タイミングと
撮像素子の動作を合わせることが必要である。
A₁、B₁フイールドからなる第１フレームとA₂、
B₂フイールドからなる第２フレームの撮像動作
においてフイールドシフトパルスは各フイールド
の切替え時点で加えられ、各フイールドで蓄積さ
れた信号電荷を読み出す。振動パルスは第１、第
２フレームを一周期とする第４図の場合と同様の
波形である。シヤツタパルスでは第１、第２フ
レームの期間シヤツタONとしてこの期間に入射
光学像の空間サンプリング点の２倍化を行なう。
また、シヤツタパルスの場合はシヤツタのON
期間を短かくした動作である。また、シヤツタパ
ルスの場合は振動パルスの変化期間はシヤツタ
をOFFさせ、より確実な空間サンプリング点の
２倍化に行なつた動作を提供するものである。

更に本発明は以下に列記するように種々の変形
応用が可能である。

ａ 撮像素子はインターライン転送形CCD撮像
子に限らず、例えばフレーム転送形撮像素子を
用いてもよい。これらの撮像素子に共通する点
は、画素領域に蓄積された信号電荷が垂直ブラ
ンキング期間に同時に読み出される動作をする
ことである。したがつて同様な動作をする撮像
素子であれば本発明を適用することが可能であ
る。

ｂ 撮像素子の画素の開口部形状は矩形に限らな
いし、その大きさも特に限定されない。

ｃ 撮像素子の画素配列は、垂直方向に一列に配
列されたものに限らず、ジグザグ配列されたも
のでもよく、その方がモワレの減少と解像度向
上にとつて有利である。

ｄ 撮像素子は、光電変換部として通常のCCD
撮像素子の上にアモルフアスシリコンなどの光
電変換膜を重ねて、いわゆる二階建センサ構造
としたものを用いることができる。

ｅ 光電変換膜を用いる二階建センサの場合、光
導電体の性質によつては紫外像や赤外像を得る
ことも可能である。また、光導電体膜に代つて
蛍光体膜を用いてＸ線像を得る場合にも本発明
を適用できる。更に二階建センサで一画素おき
に通常の可視用と赤外、紫外、Ｘ線など不可視
用変換膜を配置して、可視像と不可視像を重ね
て再生画像上で観察する装置にも本発明を適用
できる。この場合、振動パルスの量は水平画素
ピツチとすることで可視像、不可視像とも水平
解像度の劣化なく再生できる。

ｆ 本発明では光学像に対して撮像素子チツプを
相対的に振動させるが、同様の思想を電子ビー
ム衝撃形の固体撮像素子に適用することができ
る。即ち電子ビーム像を偏向できることを利用
してこれをA₁、B₁、A₂、B₂各フイールドに対
して所定の方向に変更させれば同様の効果が得
られる。

ｇ 本発明は撮像組子を１個、２個もしくは３個
用いてカラー撮像を行なうカラーカメラにも適
用できる。２板、３板式カラーカメラにおいて
は本発明と絵素ずら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。ま
た、原色を用いた２板式カラーカメラにおいて
はＧ信号を得る撮像素子を水平画素ピツチの1/
２相当振動させ、Ｒ、Ｂ信号を得る撮像素子を
水平画素ピツチ振動することでさらに解像度向
上ができる。

ｈ 本発明での振動の手段は第７図で説明した固
体撮像素子自体の振動に限定されるものではな
い。例えば固体撮像素子の光入射側に光学的偏
向を設け、この偏向板を周期的に振動してもよ
く、また光学的ミラーによつて入射光を振るよ
うにさせてもよい。要するに入射光像に対して
固体撮像素子を相対的に振動させればよい。

ｉ 本発明の振動パルスは台形波で説明したが、
この形状は台形でなくとも矩形、三角形などで
も単位画素内のサンプリング点が増加すること
にはかわりないので、本発明が適用できる。

ｊ 本発明の説明のほとんどはNTSC標準方式に
準じたTV撮像方式で行なつたが、この方式に
限定されない。すなわちインターレース撮像を
行なつている方式であるならば本発明は適用で
きる。例えばSECAM式、PAL方式そして低速
撮像方式、高速撮像方式などに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送形CCD撮像素子
の概略構成を示す図、第２図は本発明者らが先に
提案した固体撮像装置の原理説明図、第３図は第
２図の動作によつて得た再生画像上の空間サンプ
リング点を示す図、第４図は本発明の一実施例に
おける撮像素子の振動の様子を示す図、第５図は
同実施例での空間サンプリング点の各フイールド
における移動を示す図、第６図は第５図の空間サ
ンプリング点を再生画像上で加算した図、第７図
は同実施例の装置の全体構成を示す図、第８図は
その動作を説明するための波形図、第９図は本発
明の他の実施例での振動の様子を示す図、第１０
図は本発明を電子カメラに適用した場合の動作を
説明するための図である。 １……固体撮像素子チツプ基板、２……画素開
口部、１０……固体撮像素子チツプ、１１……振
動台、１２……撮像レンズ、１３……振動パルス
発生回路、１４……タイミング発生回路、１５…
…P_H／２遅延回路、１６……クロツクドライバ、
１７……プリアンプ、１８……信号処理回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板上に二次元的に配列された感光部を有す
   る固体撮像素子を用い、第１、第２のフイールド
   で１フレームとなるインターレース撮像により連
   続的にフレーム画像を得る方式で、前記各感光部
   において光電変換されて蓄積された信号電荷をフ
   イールド周期毎に読出し部に同時に転送し、この
   読出し部の信号電荷を順次出力部に移動させて読
   み出す間、前記各感光部が次のフイールドの信号
   電荷を蓄積する動作を行う固体撮像装置におい
   て、前記固体撮像素子チツプ基板を入射光学像に
   対して相対的に水平画素配列方向に振動させる手
   段を備え、その振動波形は、連続する２フレーム
   を１周期とするパルス状であり、振動振幅が水平
   画素配列ピツチの1/2またはその近傍であつて、
   振動波形の振動中心は第ｎフレームの第１フイー
   ルドと第２フイールドの間および第ｎ＋１フレー
   ムの第１フイールドと第２フイールドの間に設定
   され、かつこの振動による入射光学像の空間サン
   プルリング点のずれを再生画像上で修正する処理
   を行うようにしたことを特徴とする固体撮像装
   置。