JPS59108493A - カラ−固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、色フィルタと固体撮像素子とを用いたカラー
固体撮像装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 周知のように、固体撮像素子としては、電荷転送素子の
Ｃ０Ｄ（チャージノノプルドデバイス）型もしくばＢＢ
Ｄ　（バ・ケットプリゲードデバイス）型と、ｘ−Ｙア
ドレス素子のＭＯＳ型のものがあるが、このうちＭＯ８
型固体撮像素子は、垂直と水平のシフトレジスタにより
ＭＯ９型トランジスタを順次スイッチングさせて信号を
読み出しているため、特に水平走査によるスイッチング
パルスによるスパイクノイズが発生し、しかも画素数が
増加する程、信号に対してこのスパイクノイズが増加し
て画質のＳＮ比を制限させている。

しかしながら、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像素子は、画
素からの信号電荷をアドレスして読み出すため、隣接す
る垂直方向での信号電荷のクロストークはなく、第１図
に示すようなモザイク状色フィルタを使用し、垂直相関
を利用してカラー信号を得るカラ一方式には適している
。なお、第１図において点線で示す部分は受光部のフォ
トダイオードであり、実線は色フィルタ素子を示してい
る０ また、ＣＯＤには内部構造により、受光部の信号電荷を
フレーム毎に蓄積部に高速で転送し、この蓄積部から水
平転送段を通して順次読み出すフレームトランス７７方
式と、フォトダイオードの信号電荷を縦ライン毎に独立
した垂直転送ラインに読み出し、水平走査期間毎にこの
信号電荷を水平転送段に転送し、この水平転送段から順
次直列信号として取り出すインターライン方式とがある
が、前者のフレームトランスファ方式の場合は、チャン
ネルストッパーが縦方向にしか存在しないため、隣接す
る垂直方向では信号電荷のクロストークを生じ、垂直相
関を利用してカラー信号を分離するカラ一方式は不可能
であり、第２図に示すよりなＲ，Ｇ、Ｂのストライブ色
フィルタを使用して、クロストークがあっても混色が生
じないカラ一方式とする必要がある。しかし、この方式
では、色フィルタの繰り返しが３個毎になるため、輝度
信号の帯域が広く取れない欠点がある。

また、インターライン方式の場合は、受光部であるフォ
トダイオードは各々分ガ１して存在するだめ、第１図の
モザイク状色フィルタを使用することも可能ではあるが
、垂直転送段の転送効率が１００％でないため、携り残
し成分による混色が生じていた。

以上のような問題点を解決し、固体撮像素子の垂直転送
段における非転送効率の画質に対する影響を々クシ、か
つ水平方向の色フィルタの繰り返しによる水平解像度の
低下を招かず光利用率の高いカラー固体撮像装置が考え
られている。

以下、捷ずこのカラー固体撮像装置についてその概略を
述べる。

第３図は前記カラー固体撮像装置の構成要素の一つであ
る呼び水転送型固体撮像素子の構造を示すものであり、
図において、１は固体撮像素子、５　． ２、（２ａ、２ｂ、２ｃ・・・・・）は受光部であるフ
ォトダイオードである。通常、このフォトダイオード２
はＰＮ接合により形成されており、このフォトダイオー
ド２の中心は隣接する垂直方向に対してインターリーブ
するように千鳥状に配置されている。

３、（３ａ、３ｂ、３ｃ・・・・・・）は垂直信号線で
あり、フォトダイオード２とこの垂直信号線３との接続
関係は、第４図に示すように１水平ラインのフォトダイ
オードごとに交互の垂直信号線３に接続されている。す
なわち、第３図の第１の水平ラインのフォトダイオード
２ａは垂直信号線３ａｌＣ。

第２の水平ラインのフォトダイオード２ｂは垂直信号線
３ｂに、というように、各々垂直スイッチング用のＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ４．（４ａ　、４ｂ　、４ｃ・・・・・・）
を介して接続されている。

６は垂直シフトレジスタであり、この垂直シフトレジス
タは垂直走査パルスφｓＰとクロックパルスφｖ１．φ
■２の入力端子を有し、垂直シフトレジスタ５の各段ご
との出力端は垂直アドレス線６゜６　ページ （６ａ　、ｅｂ　、６ｃ・・・−＝）を介してＭＯＳ−
ＦＥＴ４の１水平ラインのゲーＩ・に共通に接続されて
いるＱ また、垂直信号線３の一端は転送用ＭＯ８−ＦＥＴ７、
（７ａ　、７ｂ、７ｃｍ・・＝、７ａ’、７ｂ’、７ｃ
’・・・・・・）のソースに接続されている。このＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ７のゲートは各々共通に接続され、転送パル
ス入力線（φＴＧ）となる。転送用ＭＯ８−ＦＥＴ７の
ドレイン部には、それぞれ他端を共通にして転送パルス
入力線（φＴＣ）を形成する転送用容量素子８　、（８
ａ　、ｓｂ　、Ｂｃ・−−−−−，８ａ’、８ｂ’。

８ｄ・・・・・・）が接続されている。ここで、転送用
容量素子８の容量は垂直信号線３の容量よりも充分に小
さい。転送用容量素子８に隣接して転送ゲート９．（９
ａ、９ｂ、９ｃ・川＝、９ａ’、９ｂ’、９ａ’・−・
・・・）が接続されている。とこで、転送用容量素子８
の容量は垂直信号線３の容量よりも充分に小さい。転送
用容量素子８に隣接して転送ゲート９゜（９ａ　、　９
ｂ　、　９　ｃ−−−−、９ａ’、９ｂ’、９ｃ’−−
−−−・）が設けられ、それらのゲートを共通接続して
転送用ゲート入力線（φＴＢ）が形成される。この転送
用ゲート９に隣接して電荷結合型水平シフトレジスタ（
以後水平ＣＯＤと略称する）　１０　、　（１０ａ。

１０ａ’）が配置され、その水平方向の一端は信号出力
部１１．（１１ａ、１１１（）へ接続されている。

呼び水転送型固体撮像素子の詳細については特願昭５４
−１３５６９０号に述べられているので、ここでは簡単
な説明にとどめる。

１垂直期間の間に被写体からの入射光によりフォトダイ
オード２には信号電荷が蓄積される。垂直シフトレジス
タ５から発生した垂直走査パルスを垂直スイッチ用ＭＯ
８−ＦＥＴ４のゲートに加えて、フォトダイオード２に
蓄積された信号電荷を垂直信号線３上に移す。次にφＴ
Ｇ、φＴＣに電圧を印加して垂直信号線上３に移された
信号電荷を転送用容量素子８に転送する０転送用容量素
子８に転送された信号電荷は転送用ゲート９に電圧を印
加することにより水平Ｃ０Ｄ１ｏへ転送する。

そして、水平ＣＣＤ１ｏへ転送された信号電荷は適当な
転送りロックにより、１水平走査期間中に信号出力部１
１へ転送（Ｊｉ読み出される。この水平転送のクロック
周波数はフォトダイオード２が１つの水平ラインに配列
されている数により決まり、３８４個の場合は約７．２
ＭＨｚとなる。

本装置の構成要素の一つである固体撮像素子は上起のよ
うな動作原理に基づくものであるが、更に１水平走査期
間に同時に複数の水平ラインの信号を読み出すことを特
徴とする。

すなわち、第１フイールドの第ｎＨ目の水平走査におい
ては第３図に示才ａとｂの２つの水平ラインの信号を、
第１フイールドの第（ｎ＋１）Ｈ目の水平走査において
は、Ｃとｄの２つの水平ラインの信号を読み出し、第２
フイールドの第ｎＨ目の水平走査においてはｂとＣの２
つの水平ラインの信号を、第２フイールドの第（ｎ　＋
　１’）　Ｈ目の水平走査においてはｄと次に続く水平
ライン（図示せず）の信号を同時に読み出す。

第４図は本装置の構成要素の一つである色フィルタを示
す図である。

第４図において、点線で示す四角形は第３図に９　・・
　ご・ 示したフォトダイオード２．（２ａ、２ｂ、２ｃ・・・
・）を模式的に示しており、このフォトダイオード２に
対応させて、シアン（Ｃｙ　）フィルタ１２、黄（Ｙｅ
）フィルタ１３、マゼンタ（Ｍ）フィルタ１４を順次繰
り返して配置している。

このようなフォトダイオード２と色フィルタとの配列構
成にすると、第ｎＨ目の水平走査では、水平ＣＧＤ１１
ａの出力端子からはフォトダイオード（２ａ、２ａ’、
２ａ″−・・・・・）の出力信号、すなわちＣｙ　、　
Ｍ　、　Ｙｅ　フィルタにより空間変調された信号が得
られ、水平ＣＣＤ１１ａ’の出力端子からはフォトダイ
オード（２ｂ、２１３，２ｂ″・・・・・・）の出力信
号、すなわちＹｅ、Ｃｙ、Ｍフィルタにより空間変調さ
れた信号が得られる。

第４図に示しだフォトダイオードと色フィルタの構成を
第３図の固体撮像素子に応用して固体撮像素子を動作さ
せる場合、第３図に示した水平ラインａ、ｂのフォトダ
イオードの信号電荷は、呼び水転送段を介して水平ＣＣ
Ｄ　１０　ａ　、　１０ａ’に同時に転送されるが、２
つの水平ＣＯＤの動作に１０７、−ジ 位相差を持たせて動作させる。すなわち、水平ＣＯＤの
出力信号は点順次に出力端子に現われるが、水平ＣＣＤ
　１０ａ’の１１１力信号群は前記水平ＣＣＤ　１０　
ａの出力信号１１丁と１８ＣＰの位相を持たせて得られ
るように水平ＣＯＤへ印加する転送パルスの位相を異な
らせて水ｉ１’７　ＣＯＤを動作させた場合の水平ＣＣ
Ｄ　１’Ｏａ　、　１０ａ’の出力信号の相対的な位相
と分光特性を第６図面す。

第６図においてＡは水平ＣＣＤ１０ａすなわちフォトダ
イオード２ａ、２ａ’、２ａ″・・・・・・の出力信号
、Ｂは水平ＣＣＤ１ｏｂすなわちフォトダイオード２ｂ
、２ｂ′、２ｂ″・・・・・・の出力信号をそれぞれ模
式的に示したものである。

第６図において信−弓と信号の時間間かくは１／ｆ（ｆ
：水平転送りロック周波数）であり、前述の方法により
、Ａ、Ｂの各信号相互には１８ｏ０の位相差が存在する
。寸だ赤信月をＲ１緑信号をＧ、青信号をＢとすれば、 Ｃｙ＝（Ｇ＋Ｂ）、Ｍ＝（Ｒ＋Ｂ）、Ｙｅ＝（Ｒ＋Ｇ）
であるため各フォトダイオードからの出力信号の１１ 分光特性は第５図Ａ、Ｈのようになる。

第６図Ａ、Ｂは第５図Ａ、Ｂに示した信号列のスペクト
ル分布を示す図である。周波数ｆは水平転送りロック周
波数であり、変調色信号によるカラーキャリアは３Ａｆ
の周波数近傍に発生する。またこのときのカラーキャリ
アの位相は、第７図Ａ。

Ｂに示すように１８０°異なっている。

したがって、水平ＣＣＤ１ｏａ、１０ａ′の出力信号を
加算すれば、前記％ｆの周波数近傍に存在するカラーキ
ャリアは相殺される。さらに加算することにより第８図
に示すような信号、すなわ敷水平方向のフォトダイオー
ドの数が等側内に２倍となるため、実質的に水平方向の
サンプリング周波数が２倍となった事に等しくなる。第
８図に示した信号列のスペクトル分布を第９図に示す。

第８図及び第９図から明らかなように、水平ＣＣＤ１０
ａ　、　１０ａ’の出力信号を加算すれば、水平転送り
ロック周波数の％ｆ近傍のカラーキャリアが相殺され水
平転送りロック周波数ｆの％の近傍に変調色信号のカラ
ーキャリアが発生するため、実際の輝度信号の（’Ｉ’
ｒ　Ｉ’Ｑ　翰’、前記カラーキャリアのためにＥ　ｆ
　ｉでに制限される。しかしながら、この％ｆという値
は従来の輝度信号帯域％ｆの２倍に相当する／こめ、水
平解像度は大幅に改善されるＯ 以上の説明は第４図における第ｎＨ目すなわち、ａ、ｂ
の水平ラインについて説明を行なったが第（ｎ＋１）Ｈ
目すなわちｃ、ｄの水平ラインについても全く同様であ
る。さらに第２フイールドの第ｎＨ目すなわちす、ｃの
水平ラインについても全く同様である。

次に、カラー固体撮像装置の電気信号処理回路を第１０
図に示して説明する。第１０図において、１５は固体撮
像素子であり、前述のような構造とし色フィルタを接着
したものである。１６は同期信号発生器であり、原発振
周波数は３．５　ｓＭＨｚの４倍の周波数を使用したも
のが便利である。この同期信号発生器１６からパルスφ
ｓＰ、φｖ１．φＶ２１φＴＧ、φＴＣ，φＴＢ等の固
体撮像素子１６の駆動信号を駆動回路１７で作り、固体
撮像素子１６に１３　へ 供給する。固体撮像素子１５０２つの出力信号は、加算
器１８に供給されて加算され、その加算器の出力信号は
極周波数Ｘ　ｆのローパスフィルタ１９に供給され、不
要な高域成分を除去した後、エンコーダ２０に供給され
る。

一方、色信号については、加算器１８の出力信号を中心
周波数％ｆのバンドパスフィルタ２１に供給し、カラー
キャリア信号を取り出す０得られたカラーキャリア信号
を同期検波器２２．２３により９０°位相の異なった同
期検波用基準信号により同期検波し、ローパスフィルタ
２４．２５により、不要な高域成分を除去した後、エン
コーダ２゜に供給してカラーテレビジョン信号を得る・
ここで同期検波器２２．２３に供給する基準信号の周波
数は水平転送りロック周波数ｆの′３〈倍の周波数であ
り、水平転送りロックと同期関係にある。泌は同期信号
発生器から得られた同期検波用基準信号を９００移相さ
せ、同期検数器２２．２３に供給する基準信号に９００
の位相差を持たせるための移相器である。

１４　ページ 第１０図に示したバンドパスフィルタの出力信号をＳｃ
　とすれば第８図より明らかなようにに１〈１．に２〈
１　Ｗご２π・百ｆ となる。

この信号を（：０δ２π・百ｆｔ及びｓｉｎ　２π・百
ｆｔの基準信号で同期検波し高域成分を除去すれば、ロ
ーパＭ＋Ｙｅ スフィルタ２４の出力信号−としてに１（Ｃ−、）　。

０−パスフィルタ２６の出力信号としてに２・Ｈ（Ｙ　
ｅ　−Ｍ）の色差信号が得られる。この２つの色差信号
を色副搬送波で変調し、輝度信号を加算すれば標準の複
合カラーテレビジョン信号を得る事ができる。

このカラー分離方式においては、％ｆに発生するカラー
キャリア信号を同期検波する事により２種類の色差信号
を得る。

しだがって垂直相関が無い被写体を撮像した場合には色
信号に何らかの妨害が発生する事が考えられる。

次に垂直相関がない被写体を撮像した場合の色信号につ
いて説明する。

第１１図は、垂直相関のない被写体の部分を撮像した場
合の被写体像と撮像素子のフォトダイオードと色フィル
タの組み合せを示す模式図である。

ｎ同の水平走査ラインを構成するａラインとｂラインの
間、ｎ＋２（Ｈ）の水平ラインを構成するｅラインとｆ
ラインの間で被写体像が垂直方向に変化している。即ち
ａラインの上方は白色の被写体像、ｂラインからｅライ
ンの間は赤色の被写体像、ｆライン以下は緑色の被写体
像である。このような被写体像を撮像したときのｎ（Ｈ
）、ｎ＋２（Ｈｌの水平走査における加算器１８の出力
信号の模式図を第１２図（Ａ）　、　（Ｂ）に各々対応
して示す。第１２図四から明らかなようにｎ（Ｈ）の水
平ラインにおける６個の色フィルタの繰り返しから得ら
れるＲ、Ｇ、Ｈの信号成分はＲ：Ｇ：Ｂ＝４：２：２で
あるたへｎ（Ｈ）の水平ラインにおける色信号は赤信号
が得られる。

次にｎ＋２（Ｈ）の水平ラインにおける色信号は第１２
図Ｂから明らかなようにｎ＋２（ハ）の水平ラインの６
個の色フィルタの繰り返しから得られるＲ２Ｇ　、ＢＯ
信号成分はＲ：Ｇ：Ｅ＝２：２：Ｏであるため、ｎ＋２
（ロ）の水平ラインにおける色信号は黄信号となる。

この場合には、被写体では赤から緑に色が変化している
にもかかわらず、テレビジョン画面上では被写体の色の
境界では黄色が現われる事を意味しており画質を劣化さ
せる原因となる。

以上、説明したように、被写体の垂直方向に色信号の垂
直相関が少ない場合には、垂直方向の色エツジ部（色信
号の垂直相関が少ない色エラ隋）に疑似色信号が発生し
、画質劣化を招く。

前記の妨害信号の発生を防上するには、撮像素子の前面
に複屈折水晶板を設置し撮像素子に入射する被写体像に
含寸れる垂直方向の周波数成分を垂直画素数の％以下に
抑制するｖｊ＜により可能となるが、垂直解像度が本来
の解像度の％以下となり極めてボケだ画像となるため、
複屈折水晶板の設置は絶対に避けねばならない。

１７　。

発明の目的 本発明は固体撮像素子の垂直方向の複数のラインの信号
を同時に読み出し、前記読み出された複数ラインの信号
を加算した信号からカラー信号を得るカラー固体撮像装
置において、被写体像の色信号の垂直相関が少ない場合
に色信号の垂直相関が少ない色エツジ部に発生する疑似
色信号を垂直方向の解像度を劣化させることなく除去し
、良好な画質を得る事を目的とする。

発明の構成 本発明においては、同時に読み出された複数ラインごと
の色差信号の波形の差を検出し、前記差信号が所定のレ
ベル以上存在する場合にのみ、同時に読み出された複数
ラインの出力信号から得られた色信号成分を除去し、良
好なテレビジョン映像信号を得るようにする。

実施例の説明 以下本発明によるカラー固体撮像装置において被写体像
に色信号の垂直相関が少ない場合に色信号の垂直相関が
少ない色エツジ部に発生する疑似１８、、−７ 色信号を除去する実施例を第１３図を用いて説明する。

第１３図において、番号１６〜２６は第１０図において
説明したものと同一であるため説明は省略する。２７．
２８は中心周波数３ａｆのバンドパスフィルタであり、
２９．３０は同期検波器、３１は減算器３２は両波整流
Ｎ路５３２はコンパレータ、３４はカラーキャリアの抑
圧回路である。

固体撮像素子１５から同時に読み出されだ２ラインの出
力信号は中心周波数＋４　ｆのバンドパスフィルタ２７
．２８に各々イ１１、給され、カラーキャリア信号が分
離される。前記、分離されたカラーキャリア信号を同期
検波器２９．３０へ供給し、同期検波用基準信号に」：
り同期検波する。同期検波された信号は減算器３１に」
：り減算され、両波整流回路により両波整流する、ここ
で、同期検波器と減算器の間に帯域制限用のローパスフ
ィルタを挿入する必要があるが図面では省略している。

また、同期検波器２９．３０に供給する基準信号の周波
数は！Ａｆであり水平転送りロックと同期関係にあり２
つの同期検波器に供給する基準信号は同一・信号である
。両波整流器３２により両波整流された色差信号の減算
信号は、コンパレータ３３に供給され、任意の基準電位
と電圧比較され、色差信号の減算信号が基準電位より高
い時にコンパレータ３３の出力端子から制御信号として
出力される。抑圧回路３４は制御信号により、制御され
、前記制御信号が供給された場合、前記カラーキャリア
信号を抑圧し、同期検波器へカラーキャリアが供給され
ないようにし、前述の疑似色信号妨害を除去する。

次に第１１図に示した如く、色信号成分の垂直相関がな
い被写体像を撮像した場合の動作について述べる。第１
１図ｎ＋２（ｆ（）の水平ラインを走査した場合のｅ、
ｆの各ラインからの出力信号から得られたカラーキャリ
アをｓｉｎ　２π・％・ｆ−ｔなる基準信号で同期検波
すれば各色差信号Ｓｅ、Ｓｆ　はそｉｖｆ　＋　Ｙ　ｅ れぞれ、Ｓｅ−に１（Ｃ−２）−一に１Ｍ＋　Ｙｅ ｓｆ＝　Ｋ１（Ｃ−、ニー）＝２に１　０レベルの色差
信号が得られる。前記得られた色差信号を各々減算し両
波整流しコンパレータを通すことにより制御信号が得ら
れる。ここでコンパレータの基準電圧を任意に変化させ
る１ｆにより垂直相関が少ない時から多い時のいずれの
レベル以上から補正を行うかを任意に決定できる。

なお、この実施例において３１は説明の便宜上減算回路
としだが、固体撮像素子出力信号のカラーキャリアは２
つのラインにおいて１８ｏ０異なっているため実際には
加算器とする。

発明の効果 以上、説明したように本発明によれば、固体撮像素子の
垂直方向の複数のラインの信号を同時に読み出し、その
信号を加算した信号から変調カラー信号を得るカラー固
体撮像装置において、被雰体像の色信号の垂直相関が少
ない場合に色信号の垂直相関が少ない色エツジ部に発生
する疑似色信号を除去する事ができるので良好なカラー
テレビジョン信号を得る事ができる。

更に複屈折水晶板等を用いて被写体像の垂直方向の周波
数成分を垂直画素数の％以下に抑制しないため、垂直解
像度の劣化を招く事はない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ従来のカラー固体撮像装置に
おける色フィルタを説明するだめの正面図、第３図は複
数の水平ラインの信号を同時に読み出す構成の固体撮像
素子の回路図、第４図は同装置に用いる色フィルタとフ
ォトダイオードの関係を示す正面図、第５図Ａ、Ｂは第
６図中のａ。 ｂのラインの水平走査により得られた出力信号を示す模
式図、第６図Ａ、Ｂは第５図の各信号のスペクトル図、
第７図Ａ、Ｂは第５図の各信号のカラーキャリアの位相
を示すベクトル図、第８図は第５図の各信号を加算した
信号を示す模式図、第９図は第８図の信号のスペクトル
図、第１０図は２２、。 １６・・・・・・固体撮像素子、１６・・・・・・同期
信号発生！、１８・・・・・・７Ｊｎｇ器、　１９・・
・・・・パルスフィルタ、２０・・・・・・工／コーダ
、２１．２４．２５・・・・・・０−パスフイルク、２
２，２３・・・・・・同期検波器、２７゜２８・・・・
・・バンドパスフィルタ、２９．３０・・・・・・同期
検波器、３１・・・・・・減算器、３２・・・−両波整
流回路、３３・・・・・・コンパレータ、３４・・・・
・・抑圧回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名Σ　
　　　Ａ ト　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ω鞍
　　　　　　　　　　　　　　　標 ＬＤ　　　別や智ｏ１ａ　　　　　羽隅シー　　　　り
鞍 堂かΔに戸　　　　セリｈ９僧 荀　　　　　　品

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の分光特性を有する第１の色フィルタ素子と第２の
   分光特性を有する第２の色フィルタ素子と第３の分光特
   性を有する第３の色フィルタ素子とを水平方向に順次配
   列しかつ前記各色フィルタ素子により空間変調した色成
   分が水平ライン毎に１８０°反転するように配列した色
   フィルタと、この色フィルタ素子に対応した受光部より
   得られる信号が各垂直信号線においては同一色信号が得
   られかつ隣接する水平ラインの受光素子の信号を同時に
   複数信号ラインで読み出すようにした固体撮像素子とを
   有し、前記同時に読み出された信号を加算することによ
   りカラー信号を得るようにし、かつ、前記同時に読み出
   された複数ラインの出力信号から各々の色差信号成分を
   取り出して比較して得だ信号の絶対値が所定の大きさよ
   りも大きい場合にカラー信号を抑圧するようにしたこと
   を特２４−ぴ 徴とするカラー固体撮像装置。