JPS60217762A - 固体撮像装置の出力信号再生回路 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体基板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
画像を得るための出力信号再生回路に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ＣＯＤ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
形歪みがなく、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ＣＣＤ撮像素子
の概略構成を示している。ＰｉＪ（ｉ−１，２，・・・
、Ｍ、ｊ＝１．２．・・・、Ｎ）は二次元配列された感
光部、Ｃ１は垂直読出しレジスタ、Ｈは水平読出しレジ
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Ｒ機素子を用いて高解
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、固体撮像
素子のチップ基板１（−水平列のみ示す）を、水平方向
く×方向）に、水平画素ピッチＰＨの１／２相当である
Ｐａ／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、固体撮像素子
自体が有する水平解像度を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。

この装置の動作と信号処理について更に詳しく第３図を
用いて説明する。高解像度を得る動作はまず第３図に示
した垂直同期パルスＶＤＰで表わしたＡ、Ｂフィールド
を１フ一ム期間とし、このフレーム期間に同期させて台
形状の振動パルスを得る。そしてこの振動パルスを前記
固体撮像素子のチップ基板に振動パルスの振幅は水平画
素ピッチＰＨの１／２の振動が得られる山とする。そし
てＡ、Ｂフィールドの入力光学像に対応した信号を得る
ため、ここでは固体撮像素子の水平読出しレジスタの駆
動クロックのタイミングをＡ、Ｂフィールドに同期させ
てずらす。固体撮像素子の出力信号は水平読出しレジス
タに加えるクロックパルス゛に同期している。したがっ
て固体撮像素子の出力信号の位相をＰＨ／２相当ずらす
には水平読出しレジスタに加えるクロックパルスの位相
を１／２ずらずことによって得られる。

これらの一連の動作によってえりれる出力信号は第３図
に示す波形となる。この波形の中には通常５００ｍＶ近
くのリセットノイズ成分と５Ｖから１０■のＤＣオフセ
ット成分が含まれる。したがって、この装置の信号処理
は矩形波状の信号成分を波形劣化させることなくリセッ
トノイズ成分とＤＣオフセット成分を除去する必要があ
る。この除去には直線検波回路が適しているが、発明者
らが設計、試作した４００ＨＸ５００Ｖ画素のインター
ライン転送方式ＣＯＤでの場合、水平読出しレジスタの
クロックパルスの周波数　ｆＣｐが７．１６ＭＨｚであ
る。この場合、信号成分の矩形波成分を劣化なく処理す
るには信号中に含まれる３次の高周波までを通した場合
では直線検波回路の周波数帯域が２０ＭＨｚ以上必要と
なる。こ゛れは回路製作上非常に困難である。また、こ
のように広帯域の回路では通常位相特性が劣化する。

このためＡ、Ｂフィールド間での出力信号の振幅に差が
表われフリッカが発生しやすい問題があった。

また、リセットノイズ成分の除去法には低域通過フィル
タ（ＬＰＦ）を用いる方法がある。これはＣＯＤのｍ力
信号帯域が水平読出しレジスタのクロックパルス周波数
ｆｃｐの１／２であることから、通常、カットオフ周波
数がｆ　ｃｐ／　２のＬＰＦを用いる。このことによっ
て得られた信号は第３図に示す波形のように平均化され
た信号になる。

この場合はモワレの改善効果は得られるが水平解像度の
向上は得られない問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、固体ｍ像素子
のチップ基板をＡ、Ｂフィールドに同期して振動させる
方式の固体撮像装置において、その出力信号が信号処理
回路により一度水平方向に平均化された波形を再サンプ
リングして高解像度画像を得るのに必要な信号波形を実
現した出力信号再生回路を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は例えば第１図に示す如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出すとい
う撮像動作を有した固体撮像素子のチップ基板をＡ、Ｂ
フィールドで１フレ一ム期間となる撮像方式でＡ、Ｂフ
ィールドに同期させて、そのチップ基板を入力光学像に
対して相対的に振動せしめて高解像度化を図る固体１１
ｉ像装置を対象とする。即ち本発明はこのような方式に
おいて、信号処理により水平方向に平均化された出力信
号をミ高解像度化に好ましい信号に再生する出力信号再
生回路を設ける。この出力信号再生回路は、固体撮像素
子の水平読出し周終数と等しい周波数を有し、かつ入射
光像の空間サンプリング点にピーク位置またはその近傍
を合せた位相（従ってＡ、Ｂフィールドで１８０度ずれ
た位相）を有するキャリア信号を生成する回路を設け、
このキャリア信号を固体ｍ像素子の出力信号により振幅
変調する変調回路を設け、かつ得られた変調波の負側の
ピーク付近を前記キャリア周期で直流電圧にクランプす
る回路を設けたことを特徴とする。

本発明はまた、固体撮像素子の出力信号を伝送して再生
するシステムにあっては、送信側に上述のようなキャリ
ア発生回路、振幅変調回路とともにキャリア信号と位相
が一致した基準キャリア信号を発生する回路を備え、こ
の基準キャリア信号を振幅変調波と加算して伝送路に出
力し、受信側に、前記基準キャリア信号を分離する分離
回路と、この回路からキャリア周期のクランプパルスを
得て前記空間サンプリング点のピーク位置とは逆方向の
ピーク位置を直流電圧でクランプするキャリアクランプ
回路とを備えたことを特徴とする。

〔発明の効果〕

★ＤＩＩＲ小トヘ外中＋ｒＩ音ａ甫庄ｎ牧カ田−Ａ柄ぼ
従来の覧信、量処理におけるような広帯域な直線検波回
路が不用であり、フリッカの発生がなく安定度の高い高
解像度でモアレの少ない画像が得られる。

また本発明では隣接画素での重なりが生じるので見やす
い再生画像が得られる。

また本発明は光フアイバーケーブルなどを用いた伝送路
を通して画像信号を伝送する場合、振幅変調波信号の状
態で伝送し受信側でキャリア周期のクランプを行う。こ
の場合伝送路の周波数帯域は従来直流から２０ＭＨまで
必要であったのに対して７．１６ＭＨ±３．６ＭＨの帯
域で良い。また伝送路中で外来ノイズが混入しても受信
側でキャリア周期でクランプするのでノイズは除去でき
Ｓ／Ｎの良い画像信号が得られる。また本発明では振幅
変調波信号のまま伝送できるので受信側でクランプする
のに必要な基準キャリアをブランキング期間に挿入する
ことが可能である。このことにより容易、かつ確実にキ
ャリア周期のクランプができる。

さらに本発明を電子カメラなど一度記録して再生するよ
うなシステムに適用する場合は低い解像度、すなわち帯
域の狭い信号で記録、再生しその後高解像度画像信号に
再生できる。

（発明の実施例〕 第４図は本発明の一実施例の構成図である。光入力は撮
像レンズ１０を通り固体撮像素子チップ１１上に結像さ
れる。固体Ｒ像素子チップ１１は例えば第１図に示すよ
うなインターライン転送形ＣＣＤ撮像素子であって振動
台１２上に固定されている。振動台１２へは第２図およ
び第３図で説明した振動パルスを振動パルス発生器１３
より加える。振動パルスはＡ、Ｂフィールドに同期して
いる。タイミング発生回路１４では固体撮像素子チップ
１１を駆動するのに必要なパルス、信号処理に必要なパ
ルスを標準方式に準じて発生させる。

Ｐｉ／２！延回路１５では水平読出しレジスタのクロッ
クパルスを水平画素ピッチＰＨの１／２に相当した最遅
延する。クロックトライバ１６は固体撮像素子チップ１
１の各電極へ加えるクロックパルスのドライバである。

これらの動作によって得られた固体撮像素子チップ１１
の出力信号は通常の信号処理回路１７にて固体撮像素子
の出力信号中に含まれるリセットノイズの除去、ブラン
キング処理、白クリッパ、ガンマ補正などを行う。

この処理によって得られた信号は水平方向に平均化され
た波形である。この平均化された波形を出力信号再生回
路１８を通すことによって高い解像度を得ることができ
る。出力信号再生回路１８は入力画像信号を直流分を含
んだ信号にする直流再生回路１９．その出力信号によっ
てキャリア信号発生回路２５からのキャリア信号を振幅
変調する振幅変調回路２０．振幅変調された信号の負側
ビーク位置付近をキャリア周期でクランプするキャリア
クランプ回路２１により構成される。キャリア信号発生
回路２５は水平読み出しレジスタのクロックパルスと同
一周波数のパルス又はこの整数倍の周波数を入力とした
位相合せ回路２２１位相合せ回路２２の出力波形を　１
８０°ずらす１８０’シフト回路２３．１８０”ずらし
た波形とずらしてないものとの波形をＡ、Ｂフィールド
期間に同期して切換える切換え回路２４により構成され
る。クランプパルス回路２６はキャリア信号と位相が合
致した波形を切換え回路２４が受け、この波形をキャリ
ア周期のクランプに必要な矩形波パルスに形成する。

次にこの信号再生回路１８１７ｑ動作について第５図に
示す各部の信号波形を用いて説明する。第５図に示すよ
うに画面左側から右側へ階段状に光量が変化する被写体
を撮像した場合での本固体撮像装置での空間サンプリン
グ点は画像情報波形中黒点で示す位置になる。このサン
プリング点は水平画像信号の開始点を基準としてＡフィ
ールドとＢフィールドの間で水平画素ピッチＰＨの１／
２相当ずれている。このサンプリング点を中心として第
３図に示した矩形波の出力信号としてＡ、Ｂフィールド
を再生画像上で加算することにより水平解像度は固体撮
像素子自体が有する値の２倍に向上できる。しかし通常
の信号処理回路１７を用いるとその出力に得られる画像
信号は第５図に示すように水平方向に平均化された信号
波形になる。

この信号波形をこのまま再生画像上で加算しても高解像
度化は期待できない。そこで本実施例ではまず゛この平
均化された画像信号を直流再生回路１９によって直流分
を含んだ画像信号にして、これを用いて振幅変調回路２
０にて、水平読出し周波数ｆｃｐと同一のキャリアを振
幅変調する。ここで重要なことは振幅変調回路２０に加
えるキャリアの位相である。キャリアの位相は、キャリ
ア１周期内のピーク点が第５図の黒点で示した空間サン
プリング点に合うように振幅変調される。

このようなキャリアの発生は、タイミング発生回路１４
よりの水平読出しクロック（周波数ｔｃｐ　）を位相合
せ回路２２で前記空間サンプリング点に合うように位相
を合せた信号とこれを１８０°シフト回路２３を通した
信号をＡ、Ｂフィールドに同期したフィールドパルスを
用いて切換え回路２４にて切換えることにより得られる
。このキャリア周波数は、水平４００画素のＣＣＤを用
いた場合は７．１６ＭＨになる。

こうして得られた振幅変調波はキャリアクランプ回路２
１にて変調波のキャリア１周期内の負側ビーク点すなわ
ち第５図の黒点で示す空間サンプリング点の時間軸方向
の中間位置で直流電圧３１でキャリア周期のクランプを
行ない図に示すように変調波の負側が直流電圧３１でそ
ろった波形を得る。このキャリア周期のクランプは空間
サンプリング点に位相が合ったキャリアを発生するキャ
リア信号発生回路２５からパルスを基準にクランプパル
ス発生回路２６で変調波の負側ビークに位相が合うよう
調整されたキャリアクランプパルスを得る。そして再生
画像上でＡ、Ｂフィールド加算することにより第５図に
示す波形となる。この加算信号はＡフィールドの信号を
実線で示し、Ｂフィールドの信号を点線で示している。

このことにより水平のサンプリング点３２は固体撮像素
子自体が有する値の２倍となり、再生画像上では２倍の
解像度が得られる。この方法による高解像度画像信号は
Ａ、Ｂフィールド間すなわち隣接する画素で重なり３３
が生じる。この結果水平方向でなめらかな見やすい再生
画像が得られることになる。

第６図は本発明を画像信号を伝送するシステムへ適用し
た場合の実施例である。先の実施例の第４図と対応する
部分には第４図と同じ符号を付しである。本発明の特長
の１つは高解像度画像信号を広伝送帯域を必要としない
で伝送できることである。テレビカメラ４０は第４図で
説明したＣＯＤを周期的に振動させて高解像度を得る駆
動回路が構成されている。この出力信号４１は直流再生
回路１９で直流分を含んだ信号にする。そしてキャリア
信号発生回路２５からのキャリア信号を直流再生された
信号４２で振幅変調する振幅変調回路２０．振幅変調さ
れた信号４３を増幅、低インピーダンス化する出力回路
４４を通して伝送路４５に送る。キャリア信号発生回路
２５は第４図で説明した回路と同一構成である。基準キ
ャリア発生回路４６は例えば水平ブランキング期間（ま
たは垂直ブランキング期間）に前記キャリア信号と同一
の位相を持った基準キャリア信号を発生するもので、こ
の基準キャリア信号は振幅変調波と加算して出力される
。そして受信側では入力回路４７を通した後有効期間の
信号と無効期間である水平ブランキング期間に含まれる
基準キャリア信号を分離する分離回路４８を通す。そし
てクランプパルス発生回路４９では基準キャリア信号と
位相の一致した連続的なりランプパルスを発生する。

一方、分離回路４８で分離した有効信号期間の信号はキ
ャリアクランプ回路５１でクランプパルス発生回路４９
で得たクランプパルスでキャリア周期のクランプを行う
。この後増幅回路５１でモニターなどの再生に必要なレ
ベルまで増幅処理する。

次にこの伝送システムの動作について第７図に示す各部
の信号波形を用いて説明する。第７図は、画面左側から
右側へ階段状に光量が変化する被写体をテレビカメラ４
０で撮像した場合の信号波形を示す。この図でのハツチ
ングで示された部分の詳細は第５図で説明した内容と同
一である。すなわち、実際の空間サンプリング点に位相
が一致したキャリア信号を振幅変調したものである。こ
の振幅変調信号は例えば−水平期間のうち有効期間にあ
る。本実施例では基準キャリア信号発生回路４６でこの
有効期間の信号の位相と一致させた基準キャリア信号を
ブランキング期間のみ発生させる。そして振幅変調回路
２０または、この回路の前後で前記有効期間の振幅変調
信号とブランキング期間の基準キャリア信号を加算する
。この加算信号を出力回路４４を通して送信信号とする
。この結果送信に必要な伝送帯域は第３図で説明した従
来の矩形波状の信号では直流から　２０　Ｍ　８１の広
帯域の伝送路が必要であったのに対して、７．１６ＭＨ
ｚ±３．６ＭＨｚの帯域で良い。特に本実施例では直流
成分を伝送しないので伝送路への制約がゆるくなり、実
用上では非常に便利となる。

このようか信号を伝送路を通して受信し、た後、ブラン
キング期間に挿入されている基準キャリア信号を分離し
て、これと位相が一致した連続的なキャリア信号を得る
。このキャリア信号を基準にキャリア周期のクランプパ
ルスを形成する。一方受信後分離回路４８で有効信号期
間の振幅変調信号を分離しん信号はキャリアクランプ回
路５０で前記クランプパルス発生回路４９で得たキャリ
アクランプパルスで変調信号の負側ピーク付近をキャリ
ア周期でクランプする。この結果第７図に示すよう負側
レベルが直流電圧にクランプされた。第５図で説明した
高解像度画像を再生するのに必要な信号が得られること
なる。本、実施例によれば伝送路中に例えば低周波のノ
イズが混入した場合、このノイズはキャリア周期ではほ
ぼ同一振幅方向に変化するので、受信後のキャリア周期
でクランプすることにより除去される。このためＳ／Ｎ
の高い伝送システムが構成できる。また、ブランキング
キング期間に基準キャリア信号を挿入できるので受信側
で容易、かつ確実に高解像度画像信号を再生するのに必
要な信号が得られる。

以上説明した実施例では白黒カメラについて行なったが
、本発明はこれに限らずカラーカメラに適用できる。例
えば固体撮像素子を１個用いた単極カラーカメラ、ある
いは３個用いた３極カラーカメラなどがある。これらへ
の適用は第４図で説明した信号再生回路１８を３原色赤
（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に用いれば高解像度カラー
画像信号を再生できる。

また、本発明は電子カメラへ適用できる。この場合入力
光路中に光をｏｎ、ｏｆｆするシャッタを設けて撮像す
る。電子カメラでは撮像信号を一度、例えば磁気記録し
て必要なとき再生する方法が採られる。この場合磁気記
録する信号は第５図で説明した平均化信号を利用できる
。この時、再生する側にて信号再生回路を設ければ良い
。このことにより記録する周波数帯域が低くできる。

また、以上説明した実施例ではキャリア信号が正弦波の
場合であったがキャリア信号はこれに限らず例えば台形
波、三角波、矩形波でも同様な効果が得られる。要する
にキャリア信号のピークもしくは中心値をＣＯＤの空間
サンプリング位置に合わせることが可能ならばキャリア
信号波形は限定されない。

また、本発明はインターライン転送形ＣＯＤの他、フレ
ーム転送形ＣＣＯ，光電変換に光導電膜を用いた２階建
てセンサ、感光部のホトダイオードが垂直方向にジグザ
グに配置されたセンサなどの信号処理に適用して高解像
度画像を得ることができる。

また、以上の実施例ではＣＯＤを振動して空間サンプリ
ング点を増加させた高解像度撮像装置について説明した
が、空間サンスリング点の増加には例えば入力光路を変
えても良く、あるいは、ＣＯＤの画素の組合わせをフィ
ールドごとに変えても可能である。これらの信号処理に
本発明は適用して高解像度画素を得るのに必要な信号に
形成できる。

また、本発明の用途は、標準テレビジョン方式に適合し
たビデオカメラ、電子カメラに限らず。

ＯＣＲ，ファクシミリ、コピーなど入射光学像を撮像す
る手段を備えている他の装置に適用して同様の効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送形ＣＣＤＲ像装置の概略構
成示す図、第２図は発明者らが先に提案した高解像度を
得る固体撮像装置の原理図、第３図はその動作を説明す
るための信号波形図、第４図は本発明の一実施例の構成
図、第５図はその動作を説明するための信号波形図、第
６図は本発明の別の実施例の構成図、第７図はその動作
を説明するための信号波形図である。 １１・・・固体撮像素子チップ、１２・・・振動台、１
３・・・振動パルス発生器、１４・・・タイミング信号
発生器、１５・・・ＰＨ／２遅延回路、１６・・・クロ
ックトライバ、１７・・・信号処理回路、１８・・・出
力信号再生回路、１９・・・直流再生回路、２０・・・
振幅変調回路、２１・・・キャリアクランプ回路、２２
・・・位相合わせ回路、２３・・・１８０°シフト回路
、２４・・・切換回路、２５・・・キャリア信号発生回
路、２６・・・クランプパルス発生回路、４０・・・テ
レビカメラ、４４・・・出力回路、４５・・・伝送路、
４６・・・基準キャリア発生回路、４７・・・入力回路
、４８・・・分離回路、４９・・・クランプパルス発生
回路、５０・・・キャリアクランプ回路、５１・・・増
幅回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　半導体基板上に一次元もしくは二次元的に配列
   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フレームを構成し、かつ前記第１．第
   ２のフィールドに同期して入射光学像に対して前記固体
   撮像素子の感光部の空間サンプリング点が移動する固体
   撮像装置の出力信号を再生する回路であって、前記固体
   撮像素子の水平読み出し周波数と同期した周波数を有し
   かつ前記入射光学像の空間サンプリング点にピーク位置
   を合せた位相を有するキャリア信号を生成するキャリア
   発生回路と、この回路で得られたキャリア信号を前記固
   体撮像素子の出力信号により振幅変調する変調回路と、
   この回路で得られた振幅変調波の前記空間サンプリング
   点のピーク位置とは逆方向のピーク位置を直流電圧でク
   ランプするキャリアクランプ回路とを備えたことをｉ撒
   とする固体撮像装置の出力信号再生回路。
2. （２）　半導体基板上に一次元もしくは二次元的に配列
   された感光部を有する固体ｆｉ像素子を用い、第１．第
   ２のフィールドで１フレームを構成し、かつ前記第１．
   第２のフィールドに同期して入射光学像に対して前記固
   体撮像素子の感光部の空間サンプリング点が移動する固
   体撮像装置の出力信号を伝送路を介して伝送して再生す
   る回路であって、送信側には、前記固体撮像素子の水平
   読み出し周波数と同期した周波数を有しかつ前記入射光
   学像の空間サンプリング点にピーク位置を合せた位相を
   有するキャリア信号を生成するキャリア発生回路と、こ
   の回路で得られたキャリア信号を前記固体撮像素子の出
   力信号により振幅変調する変調回路と、前記キャリア信
   号と位相が一致した基準キャリア信号を水平若しくは垂
   直ブランキング期間に発生する基準キャリア信号発生回
   路とを備え、前記基準キャリア信号は前記前記変調回路
   から得られる振幅変調波と加算して前記伝送路に出力し
   、受信側には、前記基準キャリア信号を分離し連続した
   基準キャリア信号を得る分離回路と、この回路からキャ
   リア周期のクランプパルスを得て前記空間サンプリング
   点のピーク位置とは逆方向のピーク位置を直流電圧でク
   ランプするキャリアクランプ回路とを備えたことを特徴
   とする固体ｍ像装置の出力信号再生回路。