JPS6127955B2

JPS6127955B2 -

Info

Publication number: JPS6127955B2
Application number: JP51126593A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Myagawa; Ryuhei Nakabe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1976-10-20
Filing date: 1976-10-20
Publication date: 1986-06-27
Also published as: JPS5350924A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はカラー固体撮像装置に関するもので、
簡単な構成で水平ライン毎に振幅の異なる、従つ
てテレビジヨン画面上では水平ライン毎に明るさ
の異なる現象すなわちライン濃淡を除去し輝度信
号の広帯域化を実現することを目的とする。

被写体光学像をテレビジヨン信号に変換するの
に一般的にはビジコン、プランビコン等の撮像管
が用いられているが近年になつて固体撮像素子が
開発されようやく実用化されつつある。固体撮像
板としてはフオトダイオードのような感光素子と
電荷転送素子との組み合せや、感光素子を格子状
に配列し、これを順次読み出していく方式のフオ
トダイオードアレーなどがある。電荷転送素子に
ついては特開昭46−1211号公報に電荷結合素子
（CCD）としてその原理が説明されているように
半導体基板上に絶縁層を介して２相、３相域は４
相になる構成でもつて配線された電線を設け、こ
の電極は例えば半導体基板がＮ型であれば負の電
荷をかけることにより、半導体内に空令層を生じ
させ、この電極の電位を順次移動させることによ
つて空乏層も移動していく。この空乏層の中に電
荷を注入しておけば空乏層の移動と共に電荷も移
動する。従つて、例えばフオトダイオードとこの
CCDを組合せ、光によつてフオトダイオードに
生じた電荷をCCDに送り込み、順次CCD内の電
荷を移動させていき、取り出せばよい。この原理
を用いた固体撮像板の一例を第１図を用いて説明
する。

第１図において、１１，１２，１３………，１
Ｎは各々電荷を垂直方向に転送するCCDであ
り、これを駆動する転送パルスは垂直転送パルス
発生器２より供給される。３はフオトダイオード
のような感光素子で垂直転送CCDに沿つて設け
られ、光の強弱に応じた電荷を発生し、蓄積し
て、ある時間経過した後にこの蓄積した電荷を同
時に垂直転送CCDに注入する。注入された電荷
は矢印の方向に順次転送され、更に水平転送
CCD４内に送に込まれ、水平転送パルス発生器
５からの駆動パルスによつて矢印の方向に転送さ
れ出力端子６より連続した映像信号として取り出
される。この場合に水平転送CCDの転送周波数
_Hは _H＝_HD×Ｎ (1) 〔ここで、_HDは水平走査周波数、Ｎは１水平走
査線を構成する受光素子数である。〕で表わされる。

カラーテレビジヨン信号を得る場合には、この
ような撮像板を３枚用いて、ダイクロイツクミラ
ーで被写体像を三原色に分光し、この光を各々撮
像板で受光し３つの色に相当する電気信号を得る
方法が一般的である。

この方法は撮像管を３本用いた３管式カラーテ
レビジヨンカメラ方式と原理は同じである。しか
しながら、３管式カラーテレビジヨンカメラの場
合とは異なりレヂストレーシヨン調整のために非
常に精密な機械的な調整が必要であり、しかも水
平、垂直、回転の３ケ所の調整が必要となる。周
知の通り撮像管は電子ビームを磁界又は電界によ
つて光導電膜上に偏向走査することにより信号を
得ているため、レヂストレーシヨン調整としては
１本の撮像管を基本にして直流的な磁界又は電界
をかけることにより全体の画像の位置を移動させ
目的を達しているが撮像板においては機械的な調
整しかできず、しかも振巾調整はそのままでは不
可能である。この調整箇所を簡略化するか省略す
るために２撮像板方式もしくは単撮像板方式が考
えられる。

第２図および第３図に一般的に考えられる単撮
像板カラーカメラの方式の一例を示す。第２図は
ストライプ状色フイルタを示しており２７，２
８，２９は各々赤、青、緑の色光を通過させる色
フイルターエレメントである。このストライプ状
色フイルタを第１図に示した撮像板上に重ねて配
置することにより、出力信号として赤、青、緑色
に相当した電気信号を点順次的に得る。この出力
信号を第３図のブロツクダイヤグラムで示される
処理回路でもつてカラーテレビジヨン信号とす
る。

第３図において、３０は第２図に示すストライ
プ状色フイルタを重ねて配置した固体撮像板であ
り、クロツクパルス発生器３１からの駆動パルス
によつて駆動される。その出力信号は増巾器３２
を経てサンプリング回路３３へ加えられる。クロ
ツクパルス発生器３１からの水平転送パルスに同
期したパルスは波形整形回路３４を通して各色信
号の位相と巾に波形整形されサンプリング回路に
加えて各色信号に分離する。この分離された信号
はカラーエンコーダー３５に加えられ標準カラー
テレビジヨン信号を得る。

この方式による輝度信号の帯域巾を第４図を用
いて説明する。この方式において白黒被写体を撮
像した場合に各色フイルタを介した受光素子の出
力信号をほぼ等しくなるようにしておけば輝度信
号帯域巾は受光素子数相当分すなわち水平クロツ
ク周波数Ａの1/2の周波数Ｂまでの帯域巾を持
つ。しかしながら擬似色信号防止のための空間周
波数フイルタを光路中に挿入してストライプ状色
フイルタの繰返し周波数、すなわち水平クロツク
周波数の1/3周波数Ｄ附近を空間周波数的に減衰
させる必要のあることや、輝度信号として用いる
ためにストライプ状色フイルタで空間変調された
周波数成分をローパスフイルタやトラツプ等で除
去するために帯域巾は水平クロツク周波数の1/3
周波数より狭くなる。また色純度の高い被写体を
撮像した場合には実効素子数が1/3になるために
輝度信号帯域巾は更に狭くなり水平クロツク周波
数Ａの1/6周波数Ｃまでとなつて蓄しい解像度の
低下をまねく。

なお第４図の点線で示したものは白黒被写体撮
像時の、実線は色純度の高い被写体撮像時の総合
の輝度信号帯域特性である。また第５図に示した
のは複屈折水晶フイルタを用いた空間周波数フイ
ルタの特性である。従つて、この方法で解像度の
向上を図るためには水平方向の素子数を増加せざ
るを得ず、このために集積度を上げるか撮像面積
を増やさねばならない。しかしこのような解決方
法では製造技術上多くの問題があるためにできる
だけ小面積、小素子数の撮像板で可能なカラー化
の方式が望まれる。

このために従来考えられているものよりも小面
積、少素子数で実効的に解像度の向上が可能な方
式の一例として特願50−128752を提案している。
その内容の概略を以下に説明する。

第６図はモザイク状のカラーフイルタの配列を
示し、６７は赤、６８は青、６９は輝度特性又は
全光透過のフイルタエレメントである。この場
合、赤とシアン、青と異色のような組合せでもよ
い。このような配列にすれば、水平ライン毎に
Ｒ、Ｙ、Ｒ、Ｙ………の列とＢ、Ｙ、Ｂ、Ｙ……
…の列の点順次信号が得られる。この信号を図示
すると、第７図のようになる。第７図においてＡ
はＲ、Ｙ、Ｒ、Ｙ………の列を示し、ＢはＢ、
Ｙ、Ｂ、Ｙ………の列を示す。第７図において
は、青成分が赤成分の２倍の大きさのマゼンタ
（赤＋青）色の被写体を撮像したときの撮像出力
信号である。この時の各色フイルタＲ（赤）、Ｂ
（青）、Ｗ（全色透過）フイルタの場合である。Ｗ
＝（Ｒ＋Ｇ＋2B）であるので、各出力信号はＲ、
2B、Ｙ＝（Ｒ＋2B）となり、第７図においてはＹ
信号が最も大きくなる。

これを標準カラーテレビジヨン信号に変換する
信号処理系のブロツクダイヤグラムを第８図に示
す。第８図において、８０は第４図で示したモザ
イクカラーフイルタを配した固体撮像板でその出
力信号の一方をサンプリング回路８１で輝度信号
成分の点のみをサンプリングし、ローパスフイル
タ８２を介して高周波成分を除去し輝度信号とす
る。一方固体撮像板８０より得られた信号のうち
もう一方を水平駆動周波数の1/2の周波数を中心
とするバンドパスフイルタ８３を介してモザイク
状色フイルタで変調された高周波成分を分離し同
期検波回路８４で同期検波することにより色差信
号（Ｒ−Ｙ）又は（Ｂ−Ｙ）を得、ローパスフイ
ルタ８５を介して一方は直接、もう一方は１水平
期間遅延線８６を介してスイツチ回路８７へ加
え、ここで線順次色差信号を連続した２つの色差
信号に直して後エンコーダー８８に供給して標準
カラーテレビジヨン信号に変換する。なお８９は
パルス発生器であり、この信号を固体撮像板に加
えて固体撮像板を駆動すると共にこれと同期関係
にあるパルスをサンプリング回路８１及び同期検
波回路８４にも供給している。このようにすれば
輝度信号の帯域巾は色純度に無関係に常に水平駆
動周波数の1/4、サンプリング周波数の1/2にな
る。これは従来例よりも白黒被写体撮像時の輝度
信号の帯域特性は狭いが高域の振巾は大きくとれ
るので画像は鮮明になる。この時の綜合輝度信号
特性を第９図実線に示す。

今、第６図に示すカラーフイルタエレメントを
含む各個の綜合感度特性を白黒像の被写体撮像時
に等しくしておけば白黒像に限つていえば出力信
号をサンプリングすることなくローパスフイルタ
のみを介して高周波成分を除去すれば輝度信号の
帯域巾は水平駆動周波数の1/2まで広げられる。
この関係を第９図に示す。

第９図においてＡは水平駆動周波数であり、Ｂ
はサンプリング周波数とするとサンプリングの定
理により輝度信号帯域はサンプリング周波数の1/
２つまりＣ点までしか得られないが、サンプリン
グすることなくローパスフイルタのみを用いると
すればＢ点まで帯域巾は広がる。つまり点線の帯
域巾を有することになる。実際には前に説明した
ように擬似信号除去のために空間周波数フイルタ
を挿入して光学的なボケを生ぜしめるためにもう
少し帯域巾は狭くなる。その特性例を第１０図に
示す。

なお着色被写体の場合には色によつても異なる
が色純度の高いものの帯域巾はＣ点までと狭くな
る。しかし一般の被写体は大体において色純度は
低く、従つてほとんどの場合には帯域巾の広い状
態で使用することになり、実質的には解像度が上
つたことになる。しかしながら色彩のある被写体
の場合には第７図の波形からも明らかなように水
平ライン毎に振巾の異なるいわゆるライン濃淡が
生ずる。

第７図において、ｎ(H)とｎ＋１(H)の走査による
信号出力をＳ_o、Ｓ_o+1とすれば、各走査による信
号の一般式は次式で与えられる。

Ｓ_o＝（Ｒ＋Ｙ）＋（Ｒ−Ｙ）_sio〓_t ＝（2R＋Ｇ＋Ｂ）＋（Ｒ−Ｙ）_sio〓_t (2) Ｓ_o+1＝（Ｂ＋Ｙ）＋（Ｂ−Ｙ）_sio〓_t ＝（Ｒ＋Ｇ＋2B）＋（Ｂ−Ｙ）_sio〓_t (3) ただし、Ｙ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ、 ωはＲ、Ｂ、Ｙのくり返し角周波数第７図で説明したように、青色がかつたマゼン
タ色の被写体を撮像した場合にはＳ_o、Ｓ_o+1は次
式で与えられる。但し、このマゼンタ色の分光特
性はＲ：Ｇ：Ｂ＝１：０：２であるとする。

Ｓ_o＝（Ｒ＋Ｙ）＋（Ｒ−Ｙ）_sio〓_t＝（Ｒ＋Ｒ＋2B）＋（Ｒ−（Ｒ＋2B））_sio〓_t ＝（2R＋2B）＋（−2B）_sio〓_t (4) Ｓ_o+1＝（Ｂ＋Ｙ）＋（Ｂ−Ｙ）_sio〓_t＝（2B＋Ｒ＋2B）＋（2B−（Ｒ＋2B））_sio〓_t ＝（Ｒ＋4B）＋（−Ｒ）_sio〓_t (5) となり、水平ライン毎にＳ_o、Ｓ_o+1の低域成分を
構成するＲ、Ｇ、Ｂ成分が異なるために、有色の
被写体を撮像した場合水平ライン毎に振巾が異な
り、テレビ画面では水平ライン毎に明るさの異な
るいわゆるライン濃淡現象が生じる。

従つて、このライン濃淡さえ除去できれば大巾
な解像度の向上が図れる。本発明は極めて簡単な
構成でライン濃淡を除去し輝度信号の広帯域化を
実現せんとするものであり、以下その一実施例を
説明する。

第１１図に本発明の一実施例におけるカラー固
体撮像装置のブロツクダイヤグラムを示す。第１
１図において、８０，８３〜８９は第８図の同符
号のものと全く同じものである。

固体撮像板８０よりの出力信号はバンドパスフ
イルタ８３及び加算器１１１に供給される。バン
ドパスフイルタ８３により色フイルタで空間的に
変調された信号成分を分離する。分離された変調
信号成分を同期検波器８４に供給する。同期検波
器８４には同期検波に用いる基準信号がパルス発
生器８９から供給されている。この基準信号は
CCDの水平転送クロツクパルスと同期関係にあ
り、その周波数は色フイルタの水平方向の繰り返
し周波数に等しい。

同期検波器では、前記基準信号により変調信号
を同期検波する。同期検波器に供給される基準信
号の位相を反転すれば同期検波された出力信号の
極性が反転することは公知である。

同期検波された変調信号はローパスフイルタ８
５に供給され１水平期間遅延線８６スイツチ回路
８７により回路処理されて、カラーエンコーダー
８８に供給される。

同期検波された変調信号は加算器１１１にも供
給される。加算器１１１では検波された変調信号
と撮像素子出力信号とを加算している。

このとき、ローパスフイルタ１１２から得られ
る低域信号の振幅が１水平走査線毎に変動しない
ように、撮像素子出力信号に加算する検波された
信号はその極性と振幅を設定する。

しかしながら、この極性及び振幅は(2)、(3)、
(4)、(5)で示した数式から明らかなように一義的に
決る。その理由を次に説明する。

第７図に示した波形は青味がかつたマゼンタ
（青＋赤）色の被写体を撮像した時の撮像素子出
力信号を示したものである。この時の各色フイル
タはＲ、Ｂ、Ｙフイルタであり、Ｒは赤色透過、
Ｂは青色透過、Ｙは全光透過の分光特性を有して
いる。Ｙ＝（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）であるから各色フイル
タに対応する信号はＲ、Ｂ、（Ｒ＋Ｂ）となる。
被写体の赤と青の比率を１：２とするとこの時、
Ｓ_o、Ｓ_o+1の各出力信号、即ち第７図Ａ，Ｂの出
力信号は、Ｓ_o＝（Ｒ＋Ｙ）＋（Ｒ−Ｙ）_sio〓_t ＝（2R＋2B）＋（−2B）_sio〓_t (6) Ｓ_o+1＝（2B＋Ｙ）＋（2B−Ｙ）_sio〓_t ＝（Ｒ＋4B）＋（−Ｒ）_sio〓_t (7) のようになる。

従つて、前記のＳ_o、Ｓ_o+1の信号振幅、信号の
分光特性を等しくするにはＳ_oには2Bを、Ｓ_o+1に
はＲをそれぞれ加算すれば、２つの信号はともに
（2R＋4B）となり等しい信号振幅及び信号の分光
特性を呈することになる。

つまり、撮像素子出力信号から分離した低域信
号に、撮像素子出力信号から分離した変調信号を
同期検波してその信号を反転して、前記低域信号
に加算すれば良いことがわかる。

従つて、撮像素子出力信号から分離した低域信
号から変調信号を同期検波した信号を減算しても
同様の効果が得られる。

更にライン濃淡現象を除去する作用を第１２図
を用いて説明する。

第１２図は、第７図の場合と比べてＹ信号に対
してＲ、Ｂ信号の大きさが逆転した場合の例であ
る。

第１２図における撮像素子と色フイルタの組合
せは、Ｒ、Ｂ、Ｙの各色フイルタの分光特性がＲ
は赤透過、Ｂは青透過、Ｙは輝度信号特性即ち、
Ｙ＝（0.3R＋0.6G＋0.1B）の特性を有する色フイ
ルタと撮像素子の組合せとしたものである。

前記の組合せを用いて、赤成分の大きいマゼン
タ色の被写体を撮像したときの水平走査の出力信
号を模式的に示したものが第１２図ａ，ｂであ
る。赤色が強いマゼンタの被写体の分光特性が
Ｒ：Ｂ＝４：１程度の場合ａのＲの大きさは４程
度、Ｂの大きさは１程度、Ｙの大きさは1.3程度
となる。

上記の被写体を撮像した時の隣接する水平走査
による撮像素子出力信号Sa，Sbは次式であらわ
される。

Sa＝（4R＋1.3Y）＋（4R−1.3Y）_sio〓_t＝（5.2R＋0.1B）＋（2.8R −0.1B）_sio〓_t (8) Sb＝（Ｂ＋1.3Y）＋（Ｂ−1.3Y）_sio〓_t＝（1.1B＋1.2R）＋（0.9B −1.2R）_sio〓_t (9) 第１２図ｃ，ｄは第１２図ａ，ｂに示した信号
の変調成分である。

ここで、注目すべき点は、ｃとｄとでは変調成
分（交流成分）の極性が互いに逆相である事であ
る。

ｃ，ｄに示した信号波形の基本波成分は次式で
表すことができる。

Sc＝（4R−1.3Y）_sio〓_t ＝｛（4R−（1.2R＋0.1B）｝_sio〓_t ＝（2.8R−0.1B）_sio〓_t (10) Sd＝−（Ｂ−1.3Y）_sio〓_t ＝−（0.9B−1.2R）_sio〓_t (11) これらの信号をsinωｔなる基準信号で同期
検波することによりScからは（2.8R−0.1B）な
る色差信号が低域信号として得られ、Sdからは
（0.9B−1.2R）なる色差信号が低域信号として得
られる。

第１２図ｅ，ｆはｃ，ｄに示した波形を同期検
波した波形（同期検波器８４の出力信号）であ
る。これは低周波成分である。従つて第１２図ｅ
は正方向に表われる低域信号、第１２図ｆは負方
向に表われる低域信号である。

上記のようにして変調成分を同期して得られた
信号を各々極性を反転して撮像素子出力信号に加
算し、不要な高域成分を低域通過フイルタにより
従去すれば、隣接する水平走査により得られる低
域信号、即ち輝度信号の大きさ及び信号を構成す
る各色信号成分の比率は次式に示すように等しく
なる。

Sg＝（5.2R＋0.1B）−（2.8R−0.1B）＝（2.4R＋0.2B） (12) Sh＝（1.1B＋1.2R）−（0.9B−1.2R）＝（2.4R＋0.2B）（13）第１２図ｇ，ｈに示した図は、変調成分を同期
検波して得られた信号を各々、極性を反転して撮
像素子出力信号に加算した様子を示すものであ
る。つまり実線で示した信号の大きさが隣接する
水平走査間で等しいことを示している。

従つて水平解像度を約２倍弱向上させることが
可能となり、比較的少素子数のものでその目的を
達することが可能となる。なお説明は単板のカラ
ー撮像板を用いた場合について行なつたが２枚を
用いたものでもよい、又原色、補色のフイルタの
組み合せでもよい。

以上のように本発明によれば同一解像度を得る
には水平素子数は少なくて良好なカラー画像が得
られる。また同一素子数では高解像度のカラー画
像が得られる。さらにフイルタ構成も簡単なもの
でよく、回路構成もわずかの附加機能ですむので
簡単になり、低コストのカラー固体撮像装置を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は感光素子と電荷転送素子を組み合わせ
た固体撮像板の一例を示す平面図、第２図は３色
のストライプ状フイルタの一例を示す図、第３図
は第２図に示したストライプ状カラーフイルタを
第１図に示す固体撮像板貼りつけることによつて
カラー信号を得る従来のカラー固体撮像装置を示
すブロツク図、第４図は第３図のカラー固体撮像
装置による輝度信号帯域を示す図、第５図は空間
周波数フイルタの特性図、第６図はモザイク状色
フイルタの特性図、第７図Ａ，Ｂは第６図に示す
フイルタを用いた場合の撮像板の出力波形図、第
８図は第６図のフイルタと固体撮像数を組み合わ
せた素子を用いたカラー固体撮像装置のブロツク
図、第９図は水平駆動周波数、サンプリング周波
数を輝度信号帯域の関係を示す図、第１０図は光
学的ローパスフイルタの特性図、第１１図は本発
明の一実施例におけるカラー固体撮像装置を示す
ブロツク図、第１２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，
ｇ，ｈは第１１図における各部の電圧波形を示す
図である。８０……固体撮像板、８３……バンドパスフイ
ルタ、８４……同期検波器、８５……ローパスフ
イルタ、８６……１水平期間遅延線、８７……ス
イツチ回路、８８……エンコーダ、１１１……加
算器、１１２……ローパスフイルタ。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１の分光特性を有する第１の色フイルタ
と、実質的に輝度特性と等しい特性の第２の色フ
イルタと、第３の分光特性を有する第３の色フイ
ルタを有し、水平ラインに沿つて第１と第２の色
フイルタと感光素子の組合せを交互に繰り返し設
けた第１の感光素子列と、第２と第３の色フイル
タと感光素子の組合せを交互に繰り返し設けた第
２の感光素子列とを垂直走査方向に繰り返し配列
した感光素子群を有し、上記感光素子群の出力信
号から、前記色フイルタによる変調成分と低域成
分とをそれぞれ取り出し、前記低域成分から、前
記変調成分を色フイルタの繰り返し周波数で同期
検波して得られた信号を減算することを特徴とす
るカラー固体撮像装置。