JPS59231981A

JPS59231981A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS59231981A
Application number: JP58107098A
Authority: JP
Inventors: Yukio Endo; 幸雄遠藤; Nozomi Harada; 望原田; Okio Yoshida; 吉田　興夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1984-12-26
Also published as: JPH0245873B2

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】［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］Ｃ，ＣＤなどの固体撮像素子は従来の搬像管とくらべ小
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、銀塩フィ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ＣＯＤの概略構
成を示している。ｐｒｊ（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ＣＯＤレジスタ、Ｈは水平読
み出しＣＯＤ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分野に適用する場合、限られ
た画素数でいかに高解像度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
像度化を図った装置を提案した。

この装置は第２図にその原理図を示すように、固１　　
　　体撮像素子のチップ基板１（−水平列の一部のみ示
す）を、水平方向く×方向）に、水平画素ピッチＰｌ＋
の１／２相当であるＰＨ／２の振幅をもって入射光学像
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）フィールド
および第２（Ｂ）フィールドを１フレ一ム期間とする撮
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フィールドでは実線２の位置となり
、Ｂフィールドでは破線３の位置になる。そして、Ａ、
ＢフィールドまたはＢ、Ａフィールドの切替え時点でフ
ィールドシフトパルスをオンにすることにより、Ａ、Ｂ
フィ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フィールドの切替
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フィール
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、又は信号処理によってず
らすことを行ない、再生画像上でＡ、Ｂフィールドを加
算することにより、固体搬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＠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フィールドでは１　Ｈ
Ａ、２ＨＡ、３ＨＡ・・・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フィールドでは１ＨＢ
　、２Ｈ１・・・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フィールドにおける空間サン
プリング点とＢフィ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　／　２　ｔｃｐになる。

したがっ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
フィールドにおける走査線例えばＩＨＡと隣接したＢフ
ィールドにおける走査線例えばＩＨ８にて行なっている
。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、細かい入射光学像に対しては空間サ
ンプリング点がＡ、Ｂフィ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った。また、垂直方
向に対しての空間サンプリング点はＡ、Ｂフィールド間
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線においてジグザグ状
の画質劣化となる問題があった。

［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ＣＯＤであって、感光部に蓄積された信号電荷を垂直
ブ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、次のフィ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フィールド、Ｂフィールド
を１フレ一ム期間とし以後法のフレーム期間へつながる
動作を有した固体撮像素子デツプ基板を、フィールドの
間の無効期間である垂直ブランキング期間の一つおぎに
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水平画素ビッヂ相当移動させ、次の無
効期間ではそのままとしておき、そして次の無効期間で
逆方向に入射光学像に対して相対的に１／２水平画素ピ
ッチ相当移動させるという、２フレ一ム期間を１周期と
したパルス状振動を固体撮像素子チップ基板へ与えるこ
とにより高解像度化を図ったものである。

［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
べ本質的に高解像度化が達成できる。そして、さらにチ
ッ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
ミックレンジ、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搬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５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
フィ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チップ基板
１を水平画素配列方向く×方向）に図に示すように振幅
がＸＩから×２になるように入Ω１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ィールドタイ
ム蓄積モードのインターライン転送形ＣＯＤの撮像動作
におけるＡ、Ｂフィールドを１フレ一ム期間したインタ
ーレース動作において２フレ一ム期間を１周期として、
Ａ。

Ｂフィ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、×１から×２の振動量は水平画素
ピッチＰ１□の１／２相当であるＰ１□７／２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フィールドのｔｉにおいてＣＣＤデツプ基板１の
開口部２の開口部中心を×１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８１フイールドの
ｔ２ではＣＣＤチップ基板１を図の右方向へ相対的に振
動させ、×２の位置になるように開口部２の開口部中心
を３の位置にもってくる。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ッチＰＨの１
／２相当であるＰＨ／２にする。そして次の第２フレー
ムのＡ２フィールドの１３では開口部中心位置はそのま
まである×２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８２フイールドのｔ４ではＣＣＤチップ
基板１を図の左方向へ振動させ×２の位置から×１の位
置にもってくる。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ＰＨ／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×１の位置から×
２の位置に移動している期間と×２の位置から×１の位
置に移動している期間が十分短かければＡ１．Ｂｉ　、
Ａ２　、Ｂ２各フィールドにおいて各々開口部中心がＸ
ｌ、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ィ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、各フィ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ＣＯＤチップ基板を
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フィールド、（ｂ　）はＢ２フィー
ルド、（ｃ　）はＡ２フィールド、（ｄ　）”はＢ２フ
ィールドでの空間サンプリング点であり、実線で示した
１ＨＡ　、２ＨＡ　、３ＨＡ、・・・、ＩＨＡノ、２Ｈ
Ａ１１３ＨＡノ、・・・はフィールドタイム蓄積モード
のインターライン転送形ＣＯＤの撮像動作におけるＡフ
ィールドでの走査線位置を示し、Ｉ　ＨＢ’、　２　Ｈ
ｎｌ、　’３　ＨＢ／、　Ｉ　ＨＢ／、２Ｈ，，３ＨＢ
、・・・、はＢフィールドでの走査線位置を示しである
。そして各空間サンプリング点に表示しである矢印は次
のフィ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。

へ１フィールドにおける空間サンプリング点は次のＢ！
フィールドではインターレース撮像と水平画素配列方向
へのＰＨ／２振動の組み合わせによ１り図では斜め右下
方向へ移動する。そして、次のＡ２フィールドでは振動
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。モしてＢ２フ
ィールドではインターレース搬像と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　）、　　（０
）、　　（（１）ニス１応じている。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とＡ、
Ｂフィールドの走査線における水平方向のサンプリング
点は水平画素ピッチＰＨの２倍になる。そして垂直方向
のサンプリング点はＡ、Ｂフィールドのインターレース
撮像にて垂直画素ピッチＰｖとなる。ここで水平画素ピ
ッチＰＨの時間幅は水平読み出しレジスタの駆動周波数
ｔｃｐの逆数で決まるため、水平方向の空間サンプリン
グ点のピッチは１．／２ｆｃρになる。したがって水平
限界解像度は前記水平読み出しレジスタの駆動周波数で
決まるティキス１〜限界値の２倍に向上できる。

また、第３図で説明した従来の動作で問題であった再生
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
本実施例では大幅に改善される。

また、本実施例ではＡ、Ｂフィ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
モワレのフリッカが改善できる。

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
ッ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。固体撮像素子チップ１０は振動台１１上に固定さ
れ、光入力は撮像レンズ１２を通り固体搬像素子チップ
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、、／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ィールドシ
フトパルスに同期している。そして２フしｌ−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　　／２遅延させるためのＰＨ／２Ｎ延
回路１５のタイミング信号とその他事直読み出しレジス
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
。そしてクロックドライバー６で駆動された固体撮像素
子チップ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、固体撮像素子チップ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
すように水平クロッ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（１／２ｔｃｐ）ずらすことを
行なっており、これにより実際の空間サンプリング点に
合った出力信号が得られる。そしてＡｓ　、Ｂｔ　、Ａ
２．８２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ＣＯＤのごとくフィ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ップ基板を、前記ブランキング期間
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
とによっ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倍の画素数をもった装置が実現されても、こ
の装置とくらへ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ッチが１／２になるた
め飽和信号レベルが減少してダイナミックレンジが小さ
くなるが、本実施例では振動しない装置と同等になる。

したがって同じ製造技術を用いるとすると本質的に高密
度装置とくらベダイナミックレンジを広くとることがで
きる。

（２）高密度装置では水平読み出しレジスタのクロック
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
くなることがあっ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った領
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。

次に本発明の別の実施例を説明する。第９図は、上記実
施例とは異なる、固体撮像チップ基板に与える振動パル
スの場合である。この場合はＡＩ（ｔｌ）、Ｂｔ　　（
ｔ２）フィールドからなる第１フレーム期間は固体撮像
チップ基板１の開口部２をＸＩの位置にしておく。そし
てＡ２（１３）。

Ｂ２　（ｔ４）゛フィールドからなる第２フレーム期間
では開口部をＰ　ｎ　／　２移動させ×２の位置にもっ
できて破線３で示す場所にする。即ち、フレームの間の
無効期間内に振動中心をもってくる。これによって第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ＡＩ−＋Ｂｌ→Ａ２→Ｂ２のフィールド順序で（
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図と同一のフィールド順序
で（ａ　）→（ｄ　）→（Ｃ）→（１））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モワレ
の減少した高解像度の画像が得られる。

以上説明した例では、本発明をテレビジョン標準方式に
適用したビデオカメラについて行なったが、例えば銀塩
フィルムを用いない電子カメラやＯＣＲ等のシステムに
本発明を適用できる。第１０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ャッタの開閉タイ
ミングと陽像素子の動作を合わせることが必要である。

Ａ１．Ｂｔフィールドからなる第１フレームとＡ２、Ｂ
２フィールドからなる第２フレームの＠像動作において
フィールドシフトパルスは各フィールドの切替え時点で
加えられ、各フィ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。シャッタパルスＩでは
第１、第２フレームの期間シャッタ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、シャッタパルス■の場合はシャッタのＯＮ期間を
短かくした動作である。また、シャッタパルス■の場合
は振動パルスの変化期間はシャッタをＯＦＦさせ、より
確実な空間サンプリング点の２倍化を行なった動作を提
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ｃｃｏｉ像素子に
限らず、例えばフレーム転送形撮（１？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。したがって同様な動作
をする撮＠素子であれば本発明を適用することが可能で
ある。

１）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。

ＣＲ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って有利である。

ｄ　撮像素子は、光電変換部として通常のＣＣＤ１ｌｆ
ｉ（Ｉ素子の上にアモルファ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
の性質によっては紫外像や赤外像を得ることも可能であ
る。また、光導電体膜に代って蛍光体膜を用いてＸＰＡ
＠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、振動パルスの恒は水平画素ピッチとすることで
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ップを相対的
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Ａ
１．Ｂｔ　、Ａ２　、Ｂ２各フィ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。

ｑ　本発明は撮像素子を１個、２個もしくは３個用いて
カラー１１ｉｉ（ｉ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
を水平画素ピッチの１／２相当振動させ、Ｒ，Ｂ信号を
得る撮像素子ｉ水平画素ピッ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板を設け、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っ
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がないので、
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ＴＶＩｉ像方式で行なったが、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っている方式で
あるならば本発明は適用できる。例えばＳ　Ｅ　’ＣＡ
　Ｍ方式、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
搬像装置の原理説明図、第３図は第２図の動作によって
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
ィ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・・・固体搬像素子チ゛ツブ基板、２・・・画素開口
部、１０・・・固体撮像素子チップ、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・・・ＰＭ／
２遅延回路、１６・・・クロックトライバ、１７・・・
プリアンプ、１８・・・信号処理回路。第２図第４図諏勤パルス第９図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基゛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のフィールドで
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ィ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
像素子チッ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
動量が水平画素ピッチの１／２またはその近傍であって
、振動中心が前記感光部から信号電荷を前記読出し部へ
転送する期間内にあるように設定され、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。
（２）前記振動波形の振動中心は、第０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フイールドの間にある特
許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
（３）前記振動波形の振動中心は、第ｎフレームと第（
ｎ　＋　１　＞フレームの間にある特許請求の範囲第１
項記載の固体撮像装置。