JPS6386975A - 固体カラ−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】 り発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、電荷結合撮像素子等の固体撮像素子を用いた
固体カラー撮像装置に関する。

（従来の技術） 固体Ｉｌ会素子を用いたテレビジョン・カメラは、小型
・軽量で扱い易い、低消費電力である、焼付きや画像歪
がない、低残像である等の特徴を有するので、工業用監
視カメラとして用いられたり、あるいは医用の生体内視
鏡として体内で用いられたり、さらには、従来カメラの
設置が非常に困難であると思われていた場所へのカメラ
の、！２コも可能としている。工業用監視カメラの一例
の概観図を第１３図に示す。同図の監視カメラはズーム
レンズ１及びカメラ本体２から構成されている。

カメラ本体２は固体撮像素子によって構成され、小型化
されている。これに対し、ズームレンズ１はその構成上
、あまり小さくできない。したがって、従来の監視カメ
ラにおいては、カメラの設買場所が制約を受けるという
問題点があった。

たとえばパイプの中に監視カメラを設置する場合、パイ
プの径が細くなると設置が不可能となる。

そこで、レンズ系をズーム機能なしの単レンズ構成にす
ることによりレンズ系を小型にすることが考えられるが
、このようにすると、カメラを細いパイプの中に挿入で
きる反面、画像をズームすることができなくなるという
問題点が生じる。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べたようにズーム機０シをもった従来の固体カラ
ー撮像装置においては、カメラ本体は小型であるにもか
かわらず、ズームレンズが大きいため、設置場所等が大
きく制約を受けるという問題があった。

そこで、本発明は、固体撮像素子の駆動パルスを工夫す
ることにより、ズームレンズを使わなくても簡易に再生
画像の拡大を行なうことのできる固体カラーｆｌ像装置
を提供することを目的とする。

［発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 上記問題を達成するために本発明は、２次元的に配列さ
れた複数の受光素子上に色フィルタを設けた固体撮像素
子を用いた固体カラー児像装置において、再生画像上の
ある指定領域の画像が通常動作のときのｎ２（ｎは２以
上の正の整数）倍に拡大されるように、固体撮像素子を
駆動するためのパルスの周波数モードを前記指定領域と
他の領域の読出し走査期間で切換える手段と、固体撮像
素子からの出力信号のうち、指定領域に相当するライン
からの信号を、蓄積部を用いて遅延して出力しライン補
間信号を得るライン補間手段と、固体撮像素子及びライ
ン補間手段の出力信号から赤色光、緑色光及び青色光成
分を分離する色分離手段とを備えるようにしたものであ
る。

（作　用） 上述した本発明の作用を一例で説明すると次のようにな
る。再生画像の水平方向の長さを８１画面に現われる全
有効走査線数をＶとすると、指定領域を水平方向の長さ
がＨ／（ｎ＋１）以下で、垂直方向の走査線数がＶ／（
ｎ＋１＞以下であるような方形とする。固体ｆｉｌｌ像
素子の駆動パルスの周波数モードを切換える手段は、１
ライン中に指定領域がないラインでは、水平転送周波数
と垂直転送周波数を通常の駆動に必要な周波数の０４８
とし、１ライン中に指定領域があるラインでは、水平転
送周波数については指定領域で通常の１／ｎ、それ以外
の領域では通常の０倍とし、垂直転送周波数については
通常の１／ｎとなるように動作する。ライン補間手段は
、１ライン中に指定ＣＡＲがあるラインから読出された
信号が蓄積部に供給され、パルス変化による次の垂直転
送動作が始まるまでの期間に合計（ｎ−１）回蓄積部に
入力され、この蓄積部からの（ｎ−１）回分の出力信号
がライン補間信号となるように動作する。色分離手段は
３個のサンプル・ホールド回路を少なくとも具備してお
り、サンプル周波数が固体撮像素子の駆動パルスの水平
転送周波数の１／３になるように動作し、かつ各サンプ
ル・ホールド回路間でサンプルパルスの位相が互いに２
π／３の関係にあるように動作する。以上の作用により
指定領域の再生画像はｎ２倍に拡大される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に本発明の一実茄例のブロック図を、また第２図
及び第３図に本発明を適用した内視鏡装置のシステム概
観図を、示す。

第２図及び第３図の内視鏡装置は撮像ブロック３４を有
し、ここには撮像レンズ１１、光学的低域通過フィルタ
（以下、光学ＬＰＦという）１２、分光特性補正フィル
タ１３、色フィルタ１４、固体！！＠素子たとえば電荷
結合撮像素子く以下、ＣＣＤ撮像素子という）１５及び
光源３３が設けられている。ｍ像ブロック３４は、ＣＣ
Ｄ撮像素子１５の駆動回路及びその他の信＠処理回路を
有したカメラ制御部３６にケーブル３５を介して接続さ
れている。ＣＣＤ撮像素子１５は第３図に示すように、
複数の信号線が束ねられたケーブル３５を介して駆動に
必要なパルス及び電圧を受け、これに応答して映像信号
を出力し、これをケーブル３５を介してカメラ制御部３
６に伝送する。また光′ｇＡ３３は光フアイバーケーブ
ル３７を介してカメラ制御部３６から直接光として送ら
れてきたものであるが、このときカメラ制御部３６はＣ
ＣＤｆｉＣＣＤ撮像素子１挟合信号レベルに応じて光の
強弱を自動的に調面し、被写体に最適光りが与えられる
ような制卸を行なう。ｃｃｏａ像素子１５自体は非常に
小型・軽すであるので、円筒状のｆｆｉ像ブロブロック
３４たとえば直径１０ａａ＋、長さ３０＃ｌ１ｌＩ程度
の小型の円筒状にすることが可能である。またケーブル
３５と、搬像ブロック３４のケーブル３５に近い部分は
、十分な屈曲性を持つように作られている。

第４図はＣＣＤ撮像素子１５の構造を示している。ＣＣ
Ｄ１ｆｌ像素子１５は、たとえば垂直方向４９２画素、
水平方向７８０画素の有効画素が配列されており、テレ
ビジョン方式のインターレース走査に対応するように垂
直転送ＣＣＤ４１の１段に対して２つの受光素子４２．
４３が対応するように構成されている。

第４図は垂直転送ＣＣＤ４１の１段目のみを示している
が、他の各段及び他の垂直転送部についても同様な構造
である。垂直転送ＣＣＤ４１の１段に対しては、４つの
電極４４乃至４７が設けられ、各電極に対応する端子群
４８には４相の垂直転送パルスが供給される。これによ
り、垂直ブランキング期間に受光素子の信号電荷が垂直
転送部に読出され、垂直転送部の信号電荷が水平ブラン
キング期間に垂直方向へ１段ずつ次々と転送される。垂
直転送周波数は通常１５．７３ｋＨＺである。

垂直転送部のＲ終段まで転送された信号電荷は、水平ブ
ランキング期間に水平転送ＣＣＤ５０に読出される。水
平転送ＣＣＤ５０には、２つの端子による端子群４９を
介して２相のパルスが供給され、これによって水平転送
ＣＣＤ５０の信号電荷は５速で水平転送され、出力部５
１から読出される。この水平転送周波数は、ＣＣＤｆｆ
１像素子の水平方向の画素数が約８００の場合、約１４
．３２　Ｍ　ＨＺとなる。

各受光素子４２．４３上には第５図に示すような色フィ
ルタ１４が設けられている。赤色（以下Ｒという）光透
過フィルタ１４１、緑色（以下Ｇという）光透過フィル
タ１４２、青色（以下Ｂという）光透過フィルタ１４３
が縦ストライブ状に水平方向に繰返し配列された構成を
している。

また、光学ＬＰＦＩ　２はＣＣＤ撮像素子１５の２次元
サンプリングに伴う偽信号を防止するために設けられて
おり、色フィルタ１４の水平方向の榛返し周波数４．７
７ＭＨｚの点と、その２倍の高調波である９、５５ＭＨ
ｚの点にトラップ特性があるように設計されている。分
光特性補正フィルタ１３はＣＣＤ１ｌｉｌ像素子１５自
体の分光特性を補正し、色再現性を向上する役目をして
いる。

ここで、本発明の主要部となるＣＣＤ撮像素子１５の駆
動回路〈第１図）、この駆動回路によってズーム走査さ
れる領域（第６図）及び駆動パルスのタイミング（第７
図、第８図、第９図）について説明する。

第６図は面積を２２　　（−４）倍に拡大して表示する
場合に、ズーム走査される領域Ｃを、庫像面の中央（通
常表示画面の中央に対応する）位置に設定した例である
。つまり、画面中央部で垂直、水平方向ともに全画面の
１／３の領域、すなわち、第６図で斜線を施した領域Ｃ
を拡大する部分として設定している。この領域Ｃは再生
画面上では、再生画面全体の水平方向の長さをＨ１有効
走査線数をＶとすると、（Ｈ／３ＸＶ／３）の方形部分
に相当する。

第１図の水平転送パルス制御回路１７及び垂直転送パル
ス制皿回路１８は、駆動パルス発生回路１６を制御する
ことにより、ＣＣＤ撮像素子１５に供給される駆動パル
スのタイミング及び周波数を切換えることができる。す
なわち、まず、第６図の領域Ａ、つまり走査する１ライ
ン中に指定された領域Ｃがないラインを走査するときに
は、水平転送周波数は通常の２倍の２８．６４　Ｍ　Ｈ
Ｚ　、垂直転送周波数も通常の２倍の３１．４７　　ｋ
Ｈｚに切換えられ、これによってＣＣＤｌｌ１ｌ像素子
１５が駆動される。

次に走査する１ライン中に指定された領ＩＣがあるライ
ンにおいては、まず垂直転送周波数については通常の１
／２の７．８７　ｋ　Ｈｚで転送する。

次に水平転送周波数については、指定された領域Ｃが存
在しない部分、すなわち第６図の領域Ｂでは通常の２倍
の２８．６４Ｍｌ−１２とし、領域Ｃでは通常の１／２
の７．１６ＭＨ２とする。

上記の駆動タイミングのうち、水平駆動パルスについて
示したものが第７図であり、垂直駆動パルスについて示
したものが第８図、第９図である。

第７図は奇数フィールドにおける２相の水平転送パルス
のうちの１つを示している。固体撮像素子１５の垂直方
向の有効画数は４９２であるので、１乃至１６３　（−
Ｖ／３−１　）番目の行と３２９（−２Ｖ／３＋１）乃
至４９１　（−Ｖ−１）番目の行が第６図の領域Ａに相
当する。この領域Ａでは通常の２倍で水平転送している
ので、１ライン分を水平転送するのに要する時間は通常
の１／２の３１．７８μｓとなる。一方中央部の１６５
（−Ｖ／３＋１）乃至３２７　（−２Ｖ／３−１　）番
目の行のうち、水平方向で中央部のＨ／３に存在する部
分が第６図の領ｔｉｘｃに相当し、左右の各Ｈ／３に相
当する部分が領域Ｂに相当する。領域Ｃの部分に対応し
た区間では、水平転送パルスは通常の１／２の７．１６
ＭＨ２に切換えられている。したがって、領１４Ｂ、Ｃ
の１ライン分を水平転送するのに要する時間は通常と同
じ６３．５６μｓとなる。

なお、偶数フィールドについても同様であり、２乃至１
６４　（−Ｖ／３）番目の行と３３０（−２Ｖ／３＋２
）乃至４９２（−Ｖ）番目の行が領域Ａに相当し、１６
６　（−Ｖ／３＋２）乃至３２８（−２Ｖ／３）番目の
行が領ｉｉｉ！Ｂ、　Ｃに相当する。

第８図、第９図は４相の垂直転送パルスのうちの１つを
示しており、それぞれ奇、偶数フィールドに対応する。

奇数フィールドでは１乃至１６３番目の行と３２９乃至
４９１番目の行で、その周波数が通常の２倍の３１．４
７ｋＨｚ　、中央部の１６５乃至３２７番目の行で通常
の１／２の７．８７ｋＨｚに切換えられる。一方、偶数
フィールドでは２乃至１６４番目の行と３３０乃至４９
２番目の行で３１．４７ｋＨｚ　、１６６乃至３２８番
目の行で７．８７ｋＨｚに切換えられる。

上記のような駆動パルスによってｃｃｏｉ像素子１５が
駆動される。

ＣＣＤＣＤ素像素子１５力信号は、第１図の１水平走査
期間に６３．５６　ｕｓ　’）　　（以下１日という）
遅延線１つを介してスイッチ回路２２の端子２１に供給
されるとともに、もう一方の端子２０にも直接供給され
る。スイッチ回路２２は垂直転送パルス制御回路１８か
らの信号により、端子２０及び２１の信号を選択して、
選択信号を以後のビデオ信号処理回路に供給する。

ビデオ信号処理回路では、まず３個のサンプル・ホール
ド（以下Ｓ　／　Ｈという）回路２３．２４゜２５に入
力される。これらのＳ／Ｈ回路２３゜２４．２５はその
サンプル用パルスを信号も運用パルス発生回路２６から
供給されているが、その周波数は水平転送パルスの周波
数の１／３に設定されており、かつ３個のＳ　／’　Ｈ
回路２３，２４゜２５間で互いに２π／３の位相関係に
ある。これにより、Ｓ／Ｈ回路２３．２４．２５の各出
力からは色フィルタ１４に対応したＲ、Ｇ、Ｂの信号が
独立に得られることになる。このようにして色分離され
た３原色信号はそれぞれプロセス回路２７．２８．２９
に入力される。プロセス回路２７゜２８．２９では、信
号処理用パルス発生回路２６からパルスを受け、クラン
プ、ガンマ補正、白レベルクリップ等の各種非線形処理
を入力信号に対して詣す。そしてプロセス回路の出力信
号ＥＲ。

Ｅａ、Ｅｓはエンコーダ及びＮＴＳＣ合成回路３０に入
力され、標準テレビジョン方式の１つであるＮＴＳＣ信
号が出力端子１０から得られるという構成になっている
。

ここで、前記スイッチ回路２２の働きについてより詳し
く説明する。スイッチ回路２２と１Ｈ遅延線１９はライ
ン補間手段を構成し、第６図の領域Ａに相当する行の信
号伝送期間では端子２０を選択する。そして第６図の領
ｔＲＢ、Ｃに相当する行の信号伝送期間では、最初の１
ＨＴｆ１間は端子２０を選択し、次の１Ｈ期間は端子２
１を選択するという動作を繰返す。したがって、先に述
べたようにこの領域では、ＣＣＤＣＤ素像素子１５直転
送周波数は通常の１／２の７．８７ｋ）ｌ　ｚとなって
いるのに対し、上記スイッチング動作によりＣＣＤｗｉ
像素子１５のラインの出力信号が２度ずつ使用されライ
ン補間されることになる。これによりスイッチ回路２２
の出力信号が不足することはない。

一方、テレビジョン受ｉｉｉ側では、通常通り水平走査
周波数が１５．７３ｋＨＺで、２：１のインターレース
を行なっているので、スイッチ回路２２を通り、出力端
子１０から得られた映像信号を通常の再生システムで再
生すれば、第１０図に示すようなライン関係となる。

第１０図において１乃至４９２は固体撮像素子１５の垂
直方向の行番号であり、１′乃至４９２′は受像−の走
査線の番号である。同図では説明の都合上、縦横比の３
：４からはずれて描かれている。

また実線部分は水平転送周波数が２８．６４　Ｍ　Ｈｚ
であり、破線部分は７．１６ＭＨ２である。まず受像機
の走査線の１′乃至８２′及び４１１′乃至４９２′番
目の部分は、第６図の領域Ａの部分に対応し、この期間
ではＣＣＤｆｆ１像素子１５の垂直及び水平転送周波数
と受像機の水平走査周波数の関係から、ｌｆｉ像側と受
像側で走査の同期が合致しておらず、画像は再生されな
い。

一方、受像機の走査線８３′乃至４１０′番目の部分、
つまり第６図の領域Ｂ、Ｃに相当する部分では、撮像側
の垂直転送周波数が受像側の水平走査周波数の１／２で
あるが、第１図のスイッチ回路２２の２度読出し処理に
よってｍ像側と受像側の走査の同期が合致する。つまり
、奇数フィールドでは撮像側の行番号で１６５．１６５
，１６７゜１６７、・・・というように２本ずつ繰返さ
れ、偶数フィールドではそれらの間に１６５（受像側の
走査線は８３′）の１つ下の走査１８４’から、１６６
．１６６．１６８，１６８．・・・というようにインタ
ーレースされる。したがって、垂直方向で見ると、その
長さ成分が元の画像の２倍に拡大される。また水平方向
について見ると水平転送周波数が２８．６４　Ｍ　ＨＺ
の部分では、水平方向の長さ成分が元の画像の１／２に
縮小され、水平転送周波数が７／６ＭＨ２の部分では水
平方向の長さ成分が元の画像の２倍に拡大される。結局
、第１０図で、受＠鵬の走査線８３′乃至４１０′番目
の範囲の破線で示した部分では、垂直、水平両方向とも
それぞれの長さ成分が２倍に拡大されており、面積的に
は元の画像を２２　　（−４）倍に拡大したものを得る
ことができる。

ところでこのようにして得られた再生画像は、このまま
では走査線１′乃至８２′及び４１１′乃至４９２′番
目の部分と、走査線８３′乃至４１０番目の部分のうち
左右両側の各Ｈ／６の部分が見苦しくなる。したがって
この部分に対してはブランキングを滴すために、図１の
垂直転送パルス制御回路１８からの制御信号を用いて信
号処理用パルス発生回路２６にて適切な幅のプランキグ
パルスを作り、エンコーダ及びＮＴＳＣ合成回路１０に
てブランキング処理も行なう。この処理により最終的な
画像信号は、第１１図に示すように画像中央部（２Ｈ／
３Ｘ２Ｖ／３）の拡大部以外はブランキングされた画像
となる。

以上詳述したこの実施例によれば次のように効果がある
。

まず、従来の監視カメラでは、撮像ブロック部が小型に
なってもズームレンズの大きさにより全体の大きさが左
右されていた。したがって、これらの監視カメラが挿入
されるバイブ等の径が細くなると、ズームレンズの大き
さにより使用可能な範囲が制約を受けていた。一方、カ
メラの小型・軽量化のためにレンズ系を単レンズ構成に
すると、より細いパイプに挿入できるが、画像のズーム
憬能を無くさなければならないという問題があった。

これに対し、この実施例によると、駆動パルスのタイミ
ングを制御することにより、再生画面上にある指定され
た領域を面積でｎＺ（ｎは２以上の正の整数）倍に拡大
できるので、形状及び重量の大きいズームレンズを省略
することができ、カメラの小型・軽量化にも有効となる
。特にその性質上、従来大きさの制限からズームが不可
能であった生体内視鏡については、この実施例の装置は
有効である。

また、従来ズームレンズを使わずに純電子的に拡大像を
得るには、１画面分のフレームメモリを使う必要があり
、しかもメモリへの自込み、拡大操作、読出し操作等時
間遅れを伴う要因が多い。

このため動画像の場合は拡大画像が不自然になる場合も
ある。

これに対し、この実施例によると、リアルタイムで動作
している駆動パルスのタイミングを１１１１３　ｔａｌ
ｌする方式であるため、動画像の不自然さは発生しない
。しかも実施例で示したように面積的に４倍にする場合
には、１Ｈ１延線が１個あるだけで良く、高価で消費電
力の大きなフレームメモリは不必要になるという製造上
の利点もある。

上記の説明では、２倍に拡大する領域は画面中央部にあ
るものとして説明したが、この位置に限定されるもので
はない。たとえばマイクロプロセッサ等により（Ｈ／３
ＸＶ／３）の大きさの方形の枠を電気的に発生させ、そ
れをモニタ上の画像に多重させる。使用者はマイクロプ
ロセッサを通して操作し、この枠を画面上の任意の位置
に移動させて、そこの位置のｍ１ｉｆｉを拡大するよう
にしてもよい。このときはその枠の位置情報をマイクロ
プロセッサにより読みとり、その値に応じて第１図の水
平、垂直転送パルス制ｕ（１回路１７及び１８に制御情
報を送るようにすればよい。これにより駆動のタイミン
グ及びブランキングの位は等も決定する。

また、上記の説明では、拡大率は面積で４倍として説明
してきたが、これに限るものではなく、より大きい拡大
も可能である。ただし撮像側と受像側の同期を合致させ
る必要があるので、拡大する領域の面積は拡大率に応じ
て変化する。たとえば、第１２図に示すように、水平方
向Ｘの大きさで垂直方向は走査線ｙ本分の斜線領域を面
積０２倍に拡大する場合を考える。遁象爛と受像側の同
期を合致されるためには、水平、垂直方向でそれぞれ次
の式が成り立てばよい。

ｎＸ＋　（Ｈ−Ｘ　）　／ｎ≦Ｈ ｎｙ＋　（Ｖ−Ｖ）／ｎ　　≦　■ ゆえに Ｘ　≦／Ｈ（ｎ　　＋１　　＞ ｙ　≦Ｖ／（ｎ＋１） が満足されれば良い。このときの駆ｖＪ１よ次のように
なる。すなわち、まず１ライン中に指定された領域がな
いラインでは、水平、垂直転送周波数をそれぞれ通常の
駆動に必要な周波数のｎ倍とする。

次に１ライン中に指定された領域があるラインでは、ま
ず垂直転送周波数の通常の１／ｎ１水平転送周波数は指
定された領域に存在する分で通常の１／ｎ１それ以外で
は通常のｎ倍の周波数とする。

そして１ライン中に指定された領域が存在するラインか
らの読出し信号は、蓄積部（遅延線）に供給される。こ
のときは垂直転送周波数が通常の１／ｎになっているの
で、次の垂直転送動作が始まるまでの期間に直列に合計
（ｎ−１）回蓄積部に供給し、これを読出して出力信号
として用いる。

このようにすれば受像側で面積が０２侶の拡大像を得る
ことができる。

上記実施例では、固体陽像素子として第４図に示すよう
なインターライン形のＣＯＤ　両像素子を例に説明した
が、これはＭＯ８型？１６素子などの他のｍｅ素子でも
よい。また有効画素数も４９２×７８０に限定されるも
のではない。光源としても第２図に示したものに限定す
る必要はなく、ＣＣＤ撮像素子を囲むリング状等、池の
形状でもよい。また光源はカメラ制徨０部３６から光フ
アイバーケーブル３７で伝送するとしたが、搬像ブロッ
ク３４の部分で電気的に発光する光源であってもよい。

撮像ブロック３４の形状も第２図のものに限定されるも
のではない。またカメラ制御部３６内の駆動回路を撮像
ブロック３４内に設けてもよい。

［発明の効果］ 以上述べたようにこの発明によれば、ズームレンズを使
わなくても搬像画像を拡大することができる固体カラー
１６８置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実旋例の構成を示すブロック図、第
２図及び第３図は本発明を用いた内規鏡のシステムを説
明するための図、第４図及び第５図は固体撮像素子の（
δ成例を示す説明図、第６図は拡大領域の説明図、第７
図は一実価例の水平ｇｌｖＪｖＪ作の説明図、第８図及
び第十分図は一実施拡大領域を一般化して説明するため
の図、第牛−−図は従来の監視用カメラの外形説明図で
ある。 １５・・・固体撮像素子、１９・・・１日遅延線、１６
・・・駆動パルス発生回路、１７・・・水平転送パルス
制御回路、１８・・・垂直転送パルス制御回路、２３゜
２４．２５・・・サンプル・ホールド回路。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 −４囚 第　５　図 第６図 第　７囚 ；Ｃ９１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）垂直、水平方向に配列された複数の受光素子上に
   色フィルタを設けた固体撮像素子を用いた固体カラー撮
   像装置において、再生画像上のある指定領域画像が、画
   像を拡大しない通常動作のときのｎ＾２（ｎは２以上の
   正の整数）倍に拡大されるように、前記固体撮像素子を
   駆動するためのパルスの周波数モードを前記指定領域と
   この領域外の読出し走査期間で切換える手段と、前記固
   体撮像素子から出力された信号のうち前記指定領域に相
   当するラインからの信号を、蓄積部を用いて遅延して出
   力しライン補間信号を得るライン補間手段と、前記固体
   撮像素子及び前記ライン補間手段の出力信号から赤色光
   成分、緑色光成分及び青色光成分を分離する色分離手段
   とを具備することを特徴とする固体カラー撮像装置。