JPS6020955B2

JPS6020955B2 - カラ−固体撮像装置

Info

Publication number: JPS6020955B2
Application number: JP54121086A
Authority: JP
Inventors: 大通田中; 隆博山田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-09-20
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1985-05-24
Also published as: JPS5644282A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は単一の固体撮像素子を使用してカラー画像を得
る単板式のカラー固体撮像装置において、３種類の分光
特性を有する色フィルタ素子を水平方向に繰返し配列し
た構成の色フィル夕により前記３種類の色フィル夕に対
応する色光を空間変調させると共に、水平方向の画素数
に対して水平解像度の低下を招くことなく、しかも前記
岡体撮像素子の垂直転送段における転送効率の画質に対
する影響を最少限にすることを目的とするものである。

従来から固体撮像素子としては、電荷転送素子のＣＣＤ
（チャージカブルドデバイス）型もしくはＢＢＤ（バケ
ットブリゲードデバィス）型と、×一Ｙアドレス素子の
ＭＯＳ型のものがあるが、このうちＭＯＳ型固体糠像素
子は、シフトレジスタによりＭＯＳ型トランジスタを順
次スイッチングごせているため、特に水平走査方向での
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Ｓ／Ｎを制御させている。しかしながら
、このような固体撮像素子は、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位置に
よる影響はないとされ、第１図に示すようなモザイク状
色フィル夕を使用し、垂直相関を利用してカラー信号を
得るカラー方式には適していると考えられていた。しか
し、水平画素数の増大に伴ない、水平アドレスのための
高速スイッチングの議出し時定数が有硯できなくなり、
その結果、垂直信号ラインにおいて電荷の論残しが生じ
るため、第１図のフィル夕を使用すると、垂直信号ライ
ン内にて混色という問題が生じる。なお、第１図におい
て点線で示す部分は受光部のフオトダィオードであり、
実線は色フィルタ素子を示している。また、ＣＣＤには
内部構造により、受光部の信号電荷がフレーム毎に蓄積
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フア方式と、フオトダィ
オードの信号電荷を縦ライン毎に独立した垂直転遠ライ
ンに読み出し、水平走査期間毎にこの信号電極を水平転
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
ムトランスフア方式の場合は、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ク
ロストークを生じ、垂直相関を利用するカラー方式は不
可能であり、第２図に示すようなＲ．Ｇ．Ｂのストライ
プ色フィル夕を使用して、クロストークがあっても渡色
が生じないカラー方式とする必要がある。

しかし、この方式では、色フィル夕の繰り返しが３個毎
になるため、輝度信号の解像度が高く取れない欠点があ
る。また、第３図に示すようなカラー方式ではＲ．Ｇ．
Ｂの色フィル夕を１水平走査毎に反転して色フィル外こ
よる空間変調成分をキャンセルすることができるので、
輝度信号の解像度の低下はないが、垂直方向でのクロス
トークが温色となって生じる。

また、インターライン方式の場合は、受光部であるフオ
トダィオードは各々分離して在存するため、第１図のモ
ザイク状色フィル夕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、取り残し
成分による濠色が生じていた。

本発明はこのような問題点を解決するために開発したも
のであり、以下本発明によるカラー固体撮像装置につい
て、第４図〜第１０図の図面を用いて説明する。

第４図は本発明のカラー固体撮像装置の構成要素の一つ
である固体綾像素子の構造を示すものであり、図におい
て、１はこの固体撮像素子のチップ、２（２ａ，２ｂ，
２ｃ・・…・）は受光部であるフオトダイオードである
。

通常、このフオトダイオード２はＰＮジヤンクションに
より形成されており、実質的に、このフオトダイオード
２の中心は千鳥状に配置されている。３（３ａ，３ｂ，
３ｃ・・…・）は垂直転送段であり、通常はＣＣＤで構
成されるが、垂直は転送周波数が低いため、ＢＢＤを使
用することも可能である。

前記フオトダィオード２と、この垂直転送段３との関係
は、第４図に示すように、１水平ライン毎に逆方向の垂
直転送段３に信号電荷を取り出す構成としている。すな
わち、第４図の第１水平ラインのフオトダィオード２ａ
は垂直転送段３ａに、第２水平ラインのフオトダィオー
ド２ｂは隣りの垂直転送段３ｂに接続されている。

また、これらのフオトダィオード２と垂直転送段３との
間にはゲートが設けられ、パルスＪｐにより垂直ＢＬＫ
期間にのみ開かれるように構成されている。このように
して垂直転送段３に読み出されたフオトダイオード２か
らの信号電荷は、垂直転送パルス０ｖ・，◇ｖ２により
−水平期間毎に一段ずつ上方向に転送される。

この垂直転送パルス◇ｖ，，Ｊｖ２は垂直転送段３の構
成により２相、３相、４相の場合で異なるが、この実施
例のような２相の場合は、お互に１８０ｏ反転したもの
でよい。これら垂直送段３から上方向に送られた信号電
荷は、水平転送段４に水平ＢＬＫ期間中に読み込まれ、
そして水平転送パルスＪＨ２，ＯＨ２により前記読み込
まれた信号電荷を順次転送して直列に読み出すことによ
り出力端子５より取り出すことができる。この水平転送
のクロック周波数は、フオトダィオード２が水平方向に
配列されている画素数により決まるが、有効画面中、３
８４画素の場合は、約７．拠出である。第５図は第４図
に示す固体撮像素子上に設置する色フィル夕の一例を示
すものであり、この第５図に示す例では、第４図のフオ
トダィオード２上に緑（Ｇ）フィル夕６、赤（Ｒ）フィ
ル夕７、青‘Ｂーフイルタ８を順次配列したストライプ
状色のフィル夕の例である。

このようなフオトダイオード２とフイルタとの配列構成
にすると、第１水平ラインではフオトダイオード２ａ，
２ａ′，２ａ″……からＲ．○．Ｂフイルタ６，７，８
による空間変調された信号が得られ、第２水平ラインで
はフオトダィオード２ｂ，２ｂ′，２ｂ″・・・・・・
から第１水平ラインの信号に対して１８００位相の異な
る空間変調された信号が得られることになる。

また、第６図は固体綾像素子の受光部が単にＰＮ接合に
よるフオトダィオードだけでなく、光鰭変換膜を積属し
て、受光部の有効面積を広くした場合の色フィル夕機成
の一例を示したものである。

第６図において、９ａ，９ａ′，９ａ″・・・・・・９
ｂ，９ｂ′，９ｂ″……およびｇｃ，９ｃ′，９ｃ″…
…は第４図のフオトダィオード２ａ，２ａ′，２ａ″…
…２ｂ，２ｂ′，２ｂ″……２Ｃ，２ｃ′，２ｃ″……
に対応したＰＮ接合のフオトダィオード、１０ａ，１
０ａ′．１０ａ″…．・・１０ｂ，１０ｂ′，１
０ｂ″・・・・・・および１０ｃ，ＩＯＣ，１０ｃ″
……はフオトダイオード９ａ，９を，９ａ＾′……９ｂ
，９ｂ′，９ｂ″…・・・９ｃ，９ｃ′，９ｃ″・・・
・・・と電気的に接続された光電変換膜で、これらの光
電変換膜１０ａ，１０ａ′，１０ａ″……１０ｂ，１０
ｂ′，１０ｂ″……１０ｃ，１０ｃ′，１０ｃ″・・・
・・・に実質的に接着されて赤（Ｒ）フィル夕１１、緑
（Ｇ）フィルタ１２、青ｔＢ’フィル夕１３が設置され
ている。この実施例の場合は、前述の第５図のようなス
トライプ状にはならず、モザイク状色フィル夕となるが
、有効受光面積が広くなるため、ＰＮ接合のフオトダイ
オードのみの場合に比べて大幅に感度を向上させること
ができる。第７図は以上述べた固体撮像素子のフオトダ
ィオード部と、垂直転送部の具体例を示したものであり
、第７図において１４はフオトダィオード、１５は垂直
転送部であり、この間にはポリシリコンよりなるゲート
１６が設置され、フオトダイオード１４の信号電荷はゲ
ート１６にパルス◇ｐが加わると、点線の矢印の方向に
読み出される。

垂直転送部１５は、２相の場合、ポリシリコンによる転
送電極１６ａ，１５ｂで覆われ、垂直転送パルスぐｖ，
，◇ｖ２が印加されると、実線の矢印の方向に転送され
る。また、フオトダィオード１４は、各々チャンネルス
トッパー１７を設置しているため、各フオトダィオード
１４間のクロストークは発生しないと共に、第５図もし
くは第６図に示したようなフィル夕構成であるため、同
一色フィル夕による信号電荷が各々別の垂直転送段に読
み込まれ、所定の方向に転送され、したがって転送効率
が低くても温色を生じることはない。第８図は本発明の
カラー固体撮像装置の電気信号処理回路のブロック図で
ある。第８図において、１８は固体撮像素子であり、前
述の構造および色フィル夕を接着したものである。１９
は同期信号発生器であり、原発振周波数は３．５８け位
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１９からパルス◇ｖ・，◇ｖ２，ＯＨ，，Ｊ
Ｈ２，？ｐ等の固体撮像素子１８の駆動信号を駆動回路
２０で作り、固体撮像素子１８に供Ｖ給する。固体撮像
素子１８の出力信号は、△ｔの遅延線２１．２２と切換
スイッチ２３，２４により、１水平時間毎で片方毎に出
力信号を△ｔだけ遅らせる。これはフオトダィオードが
千鳥状に配直され、かつ色フィル夕は１水平走査毎に空
間変調信号が反転するように配列しているが、同一色信
号は同一垂直転送段を通るため、固体穣像素子１８から
の出力は同じタイミングで読み出されることになるので
、この空間位置および空間変調色信号の位相を補正する
ために前記変調色信号で１８００に相当する時間だけ補
正する必要があるからである。この関係を示したのが、
第９図ａ〜ｃであり、也日走査期間の色フィル夕による
変調色信号が第９図ａに示すベクトルであれば、（ｎ＋
１）Ｈ走査期間でも前述のように同位相の第９図ｂのよ
う夕になる。

これを１８０ｏ遅らせて第９図ｃに示す位相とする。こ
の信号は切換スイッチ２３，２４により、フオトダィオ
ードの配置と出力信号のタイミングとが合うように、１
水平走査期間毎に交互に切換え、一方のみＩＨ期間遅延
線２５を通しひて、他方の出力と共に加算器２６および
減算器２７に供給されている。第１０図ａは切換スイッ
チ２４の出力端に得た（ｎ＋１）Ｈ走査期間の信号スベ
クトラムであり、また第１０図ｂはＩＨ期間遅延線２５
を通つ夕たＮＨ走査期間の信号スベクトラムを示したも
のである。

また、第１０図でナｓは画素のサンプリング周波数であ
り、ナｃは色フィル夕による空間変調周波数である。こ
こで、加算器２６では、これら凪およびひくｎ＋１）日
水平走査期間の信号が加算されるが、色信号については
、位相が１８００異なるため相殺され、一方輝度信号に
ついては、フオトダィオードが千鳥状に配置しているの
で、折返し歪も相殺されて取り出される。

この信号のスベクトラタムを第１０図ｃに示している。
すなわち、加算器２６の出力信号は第１のローパルフィ
ルタ２８で不要成分が除去されて遅延線２９により、色
信号との遅延時間を合せて、ェンコーダ３０に加えられ
る。

一方、減算器２７で０は、隣接する水平走査線間での相
関が多いため、位相が１８００異なる色フィル夕で空間
変調された変調色信号成分のみ取り出される。この信号
のスベクトラムを第１０図ｄに示している。この変調色
信号はバイパスフィルタ３１で不要成分が除去されると
共に、帯城が士０．９ＭＨｚに制限されて第１および第
２の同期検波器３２，３３に入力される。これら同期検
波器３２，３３に同期信号発生器１９で作った基準信号
を特定の位相で加えると、Ｒ−Ｙ′とＢ−Ｙ′の色差信
号が得られる。これら２つの同期検波器３２，３３に加
える基準信号の位相差は、移相差３４で与えられる。こ
のようにして検波された色差信号は第２および第３のロ
ーバスフィルタ３５，３６で不吉真成分が除去されて、
前記輝度信号と共に、ェンコーダ３０に加えられる。

このェンコーダ３０には、前記同期信号発生器１９から
のバースト信号や、同期信号も加えられ、ＮＴＳＣ複合
カラー信号に変換されて出力端子３７より取り出される
のである。この具体例では、固体撮嫁素子１８のフオト
ダィオードの配列位置と出力信号の時間関係および色フ
ィル夕による変調色信号の位相とを補正するために、△
ｔの遅延線２５を用いたが、この代りに、固体撮像素子
１８の水平転送段の水平クロックのタイミングをこの分
だけずらせてもよい。また、色フィル夕の青脚はシアン
等を使用しても、復調した色差信号が復調軸やりニアマ
トリックス等で処理できる範囲であればよい。また、こ
れはＭＯＳ型団体撮像素子の場合でも同様に実施するこ
とが可能である。説明はＩＨ期間遅延線を用いて同時化
する例で行なったが、ＭＯＳ型であれば構造的に同時複
数ライン続出しが可能であるから、ＩＨ期間遅延線を用
いて同時化する必要はなくなる。以上のように本発明の
カラー固体撮像装置によれば、次のような効果を得るこ
とができる。

‘１｝Ｒ．○．Ｂ等の３色フィル夕で空間変調させる
ため、信号処理回路が簡単になる。■ Ｒ．Ｇ．Ｂ等の
３色フィル夕を使用しているので各分光特性が比較的容
易に設定でき、色再現性も良い。

｛３’フオトダィオードのサンプリングによる折返し歪
が除去できる。

｛４１３色フィル夕を使用していても、空間変調され
た変調色信号成分を相殺しているので輝度信号の解像度
が高くとれる。

‘５’ 各垂直転送段には、別の色信号成分が読み込ま
れることはないので、転送効率等による取り残し成分が
あっても温色にはならない。

‘６１各水平ラインで同種類のフィル夕を使用している
ので、ラインクロール、フリツカが生じない。

‘７１垂直方向に並ぶ同一の色フィルタ素子を有する２
本の受光部列に対し、共用の１本の垂直信号ラインを設
けているので、受光部の面積が大きくとれて感度が高く
とれ、又高密度化にも適している。

脚色フィルタ素子を正方に配列しない場合でも、垂直
信号ラインは正方配列の場合と同数で済み、画素数が増
えても垂直信号ラインの幅は細くする必要はなく、ダイ
ナミックレンジが低下することはない。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はそれぞれ従釆のカラー固体撮像袋直に
おける色フィル夕を説明するための概略図、第４図は本
発明の一実施例によるカラー団体撮像装置における固体
撮像素子の概略を示す膜式図、第５図および第６図はそ
れぞれ同装置における色フィル夕の一例を説明するため
の概略図、第‐７図は同装置における固体糠像素子の要
部の具体例の概略図、第８図は同装置における電気回路
を示すブロック図、第９図ａ〜ｃは第８図のブロック回
路における姿部の働きを説明するためのベクトル図、第
１０図ａ〜ｄは同じく第８図のブロック回路における要
部の働きを説明するために信号スベクトラムを示す図で
ある。２，２ａ，２ａ′，２ａ″，２ｂ，２ｂ′，２ｂ″，２
ｃ，２ｃ′，２ｃ″，９ａ，９ａ′，９ａ′′，９
ｂ，９ｂ′，９ｂ″，９ｃ，９ｃ′，９ｃ″，１４……
フオトダイオード、３，３ａ，３ｂ，３ｃ・…・・垂直
転送段、４……水平転送段、６，１２…・・・緑フィル
夕、７，１１……赤フィル夕、８，１３……青フィル夕
、１５・・・・・・垂直転送部、１８・・・・・・固体
撮像素子。第１図第２図 ‐第３図第４図第５図第６図第７図第８図第９図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

１３種類の分光特性を有する色フイルタ素子を１水平
ライン毎にその空間変調色信号が１８０°反転するよう
に順次配列することにより構成した色フイルタと、垂直
方向に並ぶ同一の色フイルタ素子を有する２本の受光部
列に対し、共用の１本の垂直信号ラインを設けて構成し
た固体撮像素子とを有し、この固体撮像素子から取り出
した信号を隣接する水平ライン間で加算することにより
輝度信号を得ることを特徴とするカラー固体撮像装置。