JPS62115985A - 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】 ［発明の技術的背景とその問題点］ 固体撮像素子を１つ用いた単板式カラー・テレビジョン
カメラは、焼付き、画像歪みがない、低消費電力である
、低残像である、小形、軽量で扱い易いなどの特徴をも
っている。このため従来設置が非常に困難と思われてい
た場所にも工業用内視鏡などの関しカメラとして、ある
いは医用の生体内視鏡として用いられている。これらの
カメラで用いられている色信号多重化のための色フィル
タ配列の例を第８図（ａ）に示す。この色フィルタは、
緑色（以下Ｇと記す）透過フィルタ、赤色（以下Ｒと記
す）透過フィルタ、青色（以下Ｂと記す）透過フィルタ
が順次縦ストライブ状に配列されたものであり、これに
より被写体の光学情報を光の３原色に分離するというも
のである。また固体撮像素子の出力信号を所定の標準テ
レビジョン信号（例えばＮＴＳＣ方式）に変換するため
の信号処理回路のブロック構成は第８図（ｂ）のように
構成される。固体撮像素子たとえば電荷結合撮像素子（
以下ＣＣＤ撮像素子という）２２からの点順次出力信号
は、まず３個のサンプル・ホールド回路２Ｒ，２Ｇ、２
Ｂからなる色分離回路２にて赤色信号ＥＲ，緑色信号Ｅ
Ｇおよび青色信号ＥＢに分離され、３チヤンネルの同時
信号に変換される。これらの３チヤンネルの同時信号は
、ある設定色温度の光を照射した基準白色被写体を撮像
したときに同一信号レベルとなるように、それぞれぞれ
増幅器３Ｒ，３Ｇ、３Ｂによってレベル調整され、白バ
ランス調整がとられる。このようにして、白バランス調
整された３チヤンネルの信号はプロセス回路４Ｒ，４Ｇ
、４Ｂによってγ補正処理等の非線形信号処理が施され
た後、ＮＴＳＣエンコーダ５により所望の標準テレビジ
ョン方式のカラー映像信号に変換されるという構成にな
っている。

ところが、上記の撮像装置によると解像度に関して次の
ような問題がある。即ち、固体撮像素子の水平転送のた
めのクロック周波数をｆｃとすると、３色の色フィルタ
の繰返し周波数おはｆ　ｃ／３となり、各色のナイキス
ト周波数はさらにその半分のｆ　ｃ／６にまで低下して
しまう。従ってこれらの３原色信号から合成される輝度
信号まそのナイキスト周波数がｆ　ｃ／８になってしま
い、再生画像解像度が低下するという大きな問題があっ
た。

［発明の目的］ この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、ＧＲＢ
縦ストライプ型カラー化方式が長所として持っている、
色信号のＳ／Ｎがよい、垂直方向の解像度の劣化がなく
かつ垂直相関信号処理に起因するモアレ、偽色信号の発
生がない、ＧＲＢ信号が直接前られるのでコンピュータ
による画像信号処理を行ない易い等の特徴を保持しつつ
、しかも高解像度である固体カラー撮像装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の概要〕 この発明は、例えば第１図、第５図に示すように、固体
撮像素子２２の出力信号を１水平走査行で見ると、前記
３種の色フィルタに対応した信号が順次に得られ、かつ
垂直方向に隣接する前後のフィールドの水平走査行から
の出力信号と比較すると、３種の色フィルタに対応した
信号の位相関係が互いにπ位相だけ異なるようにする位
相切換手段２９を設けることにより上記の目的を達成す
るものである。

［発明の実施例］ 以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図（ａ）はこの発明を適用したシステムの外観図、
第２図（ｂ）は同図（ａ）のｔｉ像部の側方透視図を示
す。撮像部２４はＣＣＤ撮像素子２２、バイモルフ圧電
素子２９、光学的フィルタ２２０ルンズ２１および光源
２３から主に構成されている。この撮像部２４は、ＣＣ
Ｄ撮像素子の駆動回路およびその他の信号処理回路から
構成されているカメラ制御部２６から、ケーブル２５を
介して分離されている。ケーブル２５は、複数の信号線
が束ねられたケーブル２７と光フアイバーケーブル２８
とから構成されている。またバイモルフ圧電素子２９は
、これにパルスを加えることによりその上にあるＣＣＤ
撮像素子２２を水平方向に微少変位させるためのもので
ある。その動作原理については文献（例えば原理、他「
スウィングＣＣＤイメージセンサ−」、テレビジョン学
会誌、Ｖｏｌ、３７　、Ｎｏ、１０．８２６−８３２頁
、Ｏｃｔ、１９８３）に詳しく説明されている。

撮像レンズ２１を介して入射された光学像はＣＣＤｔＭ
ＩＩＲ素子２２の感光面上に結像される。

ＣＣＤｌ１像素子２２は、複数の信号線が束ねられたケ
ーブル２７を介して駆動に必要なパルス及び電圧を受け
、それらに応じて映像信号を出力し、ケーブル２７を介
してカメラ制御部２６側に送る。

また光源２３は、光フアイバーケーブル２８を通ってカ
メラ制御部２６側から直接光として送られるが、このと
きカメラ制御部２６に送られてきた映像信号レベルに応
じて光の強弱をカメラ制御部２６内で自動的に調節し、
被写体に最適の光量が与えられるようになっている。Ｃ
ＣＤ撮像素子自身は、非常に小型、軽量であるので、円
筒状の撮像ブロック２４は例えば直径１０１１％長さ３
０ｖ程度の小型にすることが可能である。またケーブル
２５および撮像部２４のケーブル２５に近い部分は充分
な屈曲性がある。

第３図はＣＣＤ撮像素子の概略構成図である。

ＣＣＤ撮像素子は、例えば垂直方向５００画素、水平方
向８００画素が配列されたものであり、第３図に示すよ
うにテレビジョンののインターレースのために、ある１
つの垂直転送ＣＣＤ３１に付き２つの受光素子３２．３
３が対応している。１つの垂直転送ＣＯＤは４つの電極
３４乃至３７に分割されており、４つの端子３８から４
相の垂直転送パルスを加えることにより、垂直ブランキ
ング期間を利用して受光素子の信号電荷を次々と転送し
ていく。そして、垂直転送ＣＯＤの最終段４２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Ｃ
ＣＤ４０に読み出される。水平転送ＣＣＤ４０に２つの
端子３９から２相のパルスを加えることにより、信号電
荷は高速で水平転送され出力部４１から読み出される。

この水平転送周波数は、水平画素が約８００の場合は通
常的１４．３２　Ｍ　Ｈｚとなる。また色フィルタは第
８図（ａ）と同じＧＲＢ縦ストライプである。

ここで、この発明の主要な構成要素である信号処理回路
と、バイモルフ圧電素子による微少変位（以下スウィン
グ動作という）のためのパルスのタイミングについて詳
細に説明する。第４図は、受光素子の水平列を示してお
り、Ｒ，Ｂ、Ｇを付した部分は、フィルタ色と受光素子
を意味する。

今受光素子の水平画素ピッチをＸＯとする。この配列に
対して、水平方向の変位は、色フィルタの繰返し周波数
の半分即ち３／（２ｘｏ）で３０Ｈｚで与えられる。３
０Ｈｚの波形に重ねられている高速振動の波形ＰＷは、
各点における感光部の開口率を実効的に上げることにな
る。なおこのように開口率を上げる動作は、ウオブリン
グと呼ばれ、その原理については例えば文献（遠藤、他
　「スウィングＣＯＤにおけるＭＴＦ制御」、テレビジ
ョン学会研究会資料、Ｔ　Ｅ　Ｂ　Ｓ　９４−３．１３
−１８頁、Ｆ　ｅｂ、１９８４　）に詳しく述べられて
いる。

ＣＣＤ撮像素子２２は垂直２画素加算同時読出方式によ
るフィールド蓄積モードで駆動されている。第５図（ａ
）は奇数フィールドと偶数フィールドの信号電荷の続出
列とその素子の組合わせを示している。奇数フィールド
では、ｎラインと（ｎ＋１）ライン、（ｎ＋２）ライン
と（ｎ＋３）ライン、（ｎ＋４）ラインと（ｎ＋５）ラ
イン・・・のように垂直方向に隣接する２画素の加算同
時読出を行ない１つの走査信号を作っている。また次の
偶数フィールドではインターレースのために加算するラ
インの組合わせを変えて、（ｎ＋１）ラインと（ｎ＋２
）ライン、（ｎ＋３）ラインと（ｎ＋４）ライン・・・
というふうに読出していく。

しかも、この場合ＣＣＤ撮像素子２２はスウィング動作
させられているから、撮像素子上の色フィルタがＧＲＢ
縦ストライプであるにもかかわらず、フレーム単位で見
ると等価的な画素の配列は第５図（ｂ）に示すようにな
る。このようにフィールド蓄積駆動と、スウィング動作
により、画素単位の分解能を上げることになる。尚、同
図でｙｏは垂直方向の画素ピッチである。

第５図かられかるように、フレーム単位で見ると、各々
の１水平走査出力信号は色フィルタのＧＲＢに対応した
信号が点順次に得られ、かつ垂直方向に隣接する前後の
フィールドの水平走査出力信号のＧＲＢの位相関係が互
いにπ位相だけ異なる位置にあることがわかる。

第５図の等価画素配列から得られる信号の空間スペクト
ルを第６図に示す。同図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ奇数
フィールド、偶数フィールドに対応する空間スペクトル
であり、同図（Ｃ）フレームで見たときの空間スペクト
ルである。この図かられかるように、まず垂直方向１　
／（２ｙ　ｏ）’（ＮＴＳＣ方式では垂直方向約４９０
ＴＶ本に相当、ＴＶは走査線を意味する）の位置では、
ＣＣＤ撮像素子が２画素加算量時読出によるフィールド
蓄積駆動を行なっているため、この位置でのＭＴＦ（モ
ジュレーション　トランスファ　ファンクション）が０
となりスペクトルは存在しない。そして、注目すべき点
は、水平方向１　／（３ｘ　ｏ）　（水平８００画素の
場合的４．７７ＭＨｚに相当）及びその奇数倍のスペク
トルが両フィールド間で逆相となりフレームで見るとス
ペクトルが打消されているということである。従来の単
なるＧＲＢ縦ストライブ型のものではこの水平方向の１
　／（３ｘ　ｏ）の位置のモアレが解像度を制限してき
たが、この発明による固体カラー撮像装置では、打消し
効果と後で述べる輝度信号合成回路とあいまって解像度
を著しく向上させることができる。

第１図はこの発明の具体的な実施例である。パルス発生
回路１１からの信号により駆動回路１２を動作させ、Ｃ
ＣＤ撮像素子２２を駆動するとともにスウィング及びウ
オブリング動作のためにバイモルフ圧電素子２９にパル
スを加える。ここでウオブリング動作は、第６図におい
て説明した打消し効果をうるために行われている。つま
り第６図のようにフィールドで空間スペクトルをみると
水甲方向の１／（３ｘｏ）の位置のモアレがＮＴＳＣ信
号の帯域内に折返されて妨害信号となるのを防ぐためで
ある。

光学的フィルタ２２０は水平方向２／（３ｘｏ）（水平
８００画素の場合、約９．５５ＭＨｚに相当）に存在し
ているモアレがＮＴＳＣ信号の帯域内に折返されて妨害
信号となるのを防ぐために、水平方向２　／（３ｘ　ｏ
）でトラップ特性を有するように設計されている。ＣＣ
Ｄ撮像素子２２からの出力信号はまず３個のサンプル・
ホールド回路２Ｒ，２Ｇ。

２Ｂにて分離され、３チヤンネルの同時信号に変換され
る。そして増幅器３Ｒ，３Ｇ、３Ｂにより白バランス調
整された後、プロセス回路４Ｒ。

４Ｇ、４Ｂによりγ補正処理等の非線形信号処理が施さ
れてそれぞれＲ１、Ｇ１、Ｂ１信号となる。

このようにして得られたＲ１、Ｇ１、Ｂ１信号の一部は
、広帯域輝度信号合成回路１３に供給さねて合成されＹ
ｗ倍信号なる。

このＹｗ倍信号作る合成回路１３の具体例を第７図（ａ
）に示し、そのゲート・パルスのタイミングを同図（ｂ
）、（Ｃ）に示す。トランジスタｔｒｉ、ｔｒ２、ｔｒ
３は、信号Ｒ１のゲートを構成し、トランジスタｔｇｌ
、ｔｇ２、ｔｇ３は、信号Ｇ１のゲートを構成し、トラ
ンジスタｔｂｌ、ｔｂ２、ｔｂ３は、信号Ｂ１のゲート
を構成している。そしてトランジスタｔｍは合成出力部
を構成している。

第７図（ａ）の端子７１．７２．７３からそれぞれＲ１
、Ｇ１、Ｂ１信号が入力し、端子７４．７５．７６から
それぞれゲート・パルスＰＲ。

ＰＧＳＰＢが入力する。ＣＣＤ撮像素子」二の色フィル
タはＧＲＢＧＲＢ・・・の位相関係にあるので、このタ
イミングにより出力端子７７がらはＣＣＤ撮像素子上の
位ト目関係が再生されたＹｗ倍信号得られる。しかもこ
のゲートパルスのタイミングタ第７図（Ｃ）のように、
前後するフィールド間で位相を反転させてスウィング動
作の効果を充分（こ発揮させている。特に被写体が無彩
色のときは白バランスが調整されているので、第６図（
ａ）の水平方向２　／　（３（ｘ　ｏ）のスペクトルは
そのベクトル和が打消されてＯになり、Ｙｗ倍信号高解
像度効果は著しくなる。　　。

このようにして得られたＹｗ倍信号、Ｇ：Ｒ：Ｂ−１：
　１　：　１の合成比であるので、色再現性向上のため
に９ＭＨｚの低域通過フィルタ１５．０．７ＭＨｚの低
域通過フィルタ１６、及び減算回路８により、Ｙｗ倍信
号うちその低域成分Ｙｌを除いた（Ｙｗ−ＹＪ）を得る
。一方、Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１信号の一部はＮＴＳＣのクロ
マ信号用低域輝度信号合成回路１４にて、Ｇ　：　Ｒ：
　Ｂ−０，５９：　０．３０：　０．ＬＬの比にて合成
され、０．７ＭＨｚの低域通過フィルタ１７を経たのち
、加算回路９に供給される。そして（Ｙｗ−Ｙｌ）とＹ
ｃより最終的な輝度信号（Ｙｗ−Ｙｊ＋Ｙｃ）を得る。

また、Ｒ１、Ｂ１信号の一部とＹｃ倍信号一部は減算回
路６．７に加えられてから、０．７ＭＨｚの低域通過フ
ィルタ１８．１９を通り低域の色差信号（Ｒ１−ＹＣ）
及び（Ｂ１−Ｙｃ）となる。そして、以上の輝度信号（
Ｙｗ−Ｙｉ＋Ｙｃ）と色差信号（Ｒ１−Ｙｃ）及び（Ｂ
ｌ−Ｙｃ）はＮＴＳＣ信号合成回路１０に供給され、所
望の標準テレビジョン方式のカラー映像信号となる。

この発明は上記の実施例に限定されるものではなく、次
のように実施してもよい。上記の説明ではＹｃ倍信号帯
域制限を９ＭＨｚの低域通過フィルタで行なっているが
、これに限るものではない。輝度信号の帯域を実用上制
限しているのは光学的フィルタ２２０であるので、原理
的には９．５５Ｍ　Ｈｚまで広げることが可能である。

また、クロマ信号系の帯域制限は０．７ＭＨｚの低域通
過フィルタとしたが遮断周波数はこれに限るものではな
い。２つの色差信号はＲ１、Ｂ１及びＹ　ｃ　（−０，
５９０１＋０．３０Ｒ１→０．１１Ｂｌ）より減算回路
にて生成するものとしたがこれはＧ１、Ｒ１、Ｂ１信号
より直接にＮＴＳＣの合成比で次式のように演算して生
成してもよい。

Ｒ１−Ｙｃ　　−−０，５９０１＋０．７０Ｒ１−０，
１ｌＢＩＢｌ−Ｙｃ　　−−０，５９Ｇｌ−０，３０Ｒ
１＋０．８９ＢＬＣＣＤ撮像素子の水平画素数は８００
として説明してきたがこれに限るものではない。光源と
しては第２図に示したものに限定するものではなく、Ｃ
ＣＤ撮像素子を囲むようなリング状等、他の形状でも良
い。また光源はカメラ制御側から光フアイバーケーブル
により伝送するとしたが、これは撮像部のところで電気
的に発生する光源であっても良い。撮像部の形状も第２
図に限るものではない。

［発明の効果］ この発明によると、まずバイモルフ圧電素子を用いたス
ウィング動作により、奇数、偶数側フィールド間で水平
方向１　／（３ｘｏ）　（ｘ、ｏはＣＣＤ撮像素子の水
平画素ピッチ）およびその奇数倍に発生する空間スペク
トルの位相を反転させて、フレームで見ると打消しあっ
てＯになるようにしている。さらに広帯域輝度信号Ｙｗ
を３原色信号から合成する際に、色フィルタの位相関係
が再生されるようにゲートパルスの位相を定めており、
しかもスウィング動作の効果を充分に発揮させるために
、ゲートパルスの位相を両フィールド間で互いに反転さ
せている。従って従来の単なるＧＲＢ縦ストライプ型の
色フィルタを用いただけのシステムでは水平方向１／（
３ｘｏ）に発生するモアレにより、輝度信号の解像度が
水平画素約８００の場合約３３０ＴＶ本　（約４．２Ｍ
Ｈｚ）程度に制限されていたのに対し、この発明による
とこれを約７２０本（約９ＭＨｚ）にまで大幅に改善で
きる。特に被写体の画像が静止画像である場合はその画
質の向上が顕著である。

更にこの発明では輝度信号を解像度に関連する高域成分
と、色再現性に影響を与える低域成分とに分け、低域成
分ではＮＴＳＣの合成比と完全に一致させるようにして
いる。これにより高解像度を維持しつつしかも、すぐれ
た色再現性が得られるという効果がある。また信号処理
回路の構成か簡単で、カラーカメラを調整する際に特別
な技術を必要とするような箇所もない、という製造上の
特徴もある。

色フイルタ自身はＧＲＢ縦ストストライブ型色方式なの
で、色信号のＳ／Ｎが良い、垂直方向の解像度の劣化が
なくかつ、垂直相関信号処理に起因するモアレ、偽色信
号の発生がない、３原色信号を直接得ることもできるの
で、コンピュータによる画像信号処理を行ない易いとい
う大きな特徴もある。

さらに撮像部をその他の信号処理部から分離することに
より、撮像部自身は非常に小型にすることができるので
、従来監視が不可能であったような場所にも設置するこ
とができるという特徴もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路図、第２図はこ
の発明の適用例を示す図、第３図はＣＣＤ撮像素子の概
略説明図、第４図はこの発明に係るスウィング動作の説
明図、第５図はこの発明に係るスウィング動作とフィー
ルド蓄積の組合わせの説明図およびフレーム単位におけ
る等価画索配列の説明図、第６図はこの発明装置により
得られる３原色信号の空間スペクトル図、第７図は第１
図の一部回路を具体的に示す回路図およびそのタイミン
グパルスの説明図、第８図は従来の固体カラー撮像装置
の色フィルタ配列の一例および従来の装置の回路ブロッ
ク図である。 １２・・・駆動回路、１３・・・広帯域輝度信号合成回
路、１４・・・クロマ信号用低域輝度信号合成回路、１
５〜１９・・・低域通過フィルタ、２２・・・固体撮像
素子、２９・・・バイモルフ圧電素子、２２０・・・光
学的フィルタ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　２　図 第３図　３９ 第　４　図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）１−３ｘ％→ 第５図 （ａ）奇収刀−ルド（ｂ）４Ｍ歌、−７，ド・第６図 （Ｃ） 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元配列された複数の画素を有し、各々の画素
   上に相互に透過色を異にする３種の色フィルタを設けた
   固体撮像素子を用いる固体カラー撮像装置において、前
   記固体撮像素子の出力信号を１水平走査行で見ると、前
   記３種の色フィルタに対応した信号が順次に得られ、か
   つ垂直方向に隣接する前後のフィールドの水平走査行か
   らの出力信号と比較すると、３種の色フィルタに対応し
   た信号の位相関係が互いにπ位相だけ異なるようにする
   位相切換手段と、前記固体撮像素子の出力信号の中から
   前記３種の色フィルタに対応した信号毎にサンプルして
   分離する手段とを具備したことを特徴とする固体カラー
   撮像装置。
2. （２）２次元配列された複数の画素を有し、各々の画素
   上に相互に透過色を異にする３種の色フィルタを設けた
   固体撮像素子を用いる固体カラー撮像装置において、前
   記固体撮像素子の出力信号を１水平走査行で見ると、前
   記３種の色フィルタに対応した信号が順次に得られ、か
   つ垂直方向に隣接する前後のフィールドの水平走査行か
   らの出力信号と比較すると、３種の色フィルタに対応し
   た信号の位相関係が互いにπ位相だけ異なるようにする
   位相切換手段と、前記固体撮像素子の出力信号から輝度
   信号を合成する際に、光の３原色の構成比を輝度信号の
   低域成分と高域成分とで互いに異なるようにした輝度信
   号合成手段と、前記輝度信号の高域成分を前記３種の色
   フィルタに対応した３種の信号から合成する際に、３種
   の信号を通過させるための制御パルスの位相を前後する
   フィールド間で互いにπ位相だけ異なるようにした輝度
   信号の高域成分合成手段とを少なくとも具備することを
   特徴とする固体カラー撮像装置。
3. （３）垂直方向に隣接する２つの水平走査行からの３種
   の色フィルタに対応した信号の位相関係を互いにπ位相
   だけ異なるようにする前記位相切換手段は、少なくとも
   前記固体撮像素子を３０Ｈ＿Ｚの周波数で水平方向に３
   ／２画素ピッチ分だけ振動させる手段を具備することを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の固体カラー撮像
   装置。
4. （４）前記固体撮像素子の配置部分と、前記位相切換手
   段への信号供給部、輝度信号合成手段、輝度信号の高域
   成分合成手段とはケーブルを介して分離して配置されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の固体
   カラー撮像装置。