JPH0640665B2 - 固体撮像装置の出力信号再生回路 - Google Patents

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〕

ＣＣＤ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、
Ｃｉ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撮像素子を用いて高解
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（Ｘ方向）に、水平
画素ピッチＰ_Hの１／２相当であるＰ_H／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フレーム期間
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フレーム期間とし、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Ｐ_Hの１／２の振動が得られる量とする。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Ｐ_H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ずらす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１０Ｖ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４００Ｈ×５００Ｖ画素のインター
ライン転送方式ＣＣＤ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ＣＣＤの出力
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fcp／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、固体撮像素子
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
ＣＣＤ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フレー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を図る固体撮像装
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、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
の水平読出し周波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撮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〕

本発明のような出力信号再生回路を用いれば、従来の信
号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。

また本発明は光ファ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。固体撮像素子チップ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。Ｐ_H／２遅延回路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Ｐ_Hの１／２に
相当した量遅延する。クロックドライバ１６は固体撮像
素子チップ１１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
号の負側ピ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２２，位相合せ回路２２の出力波
形を１８０°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１８の動作について第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Ｐ_H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２０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fcp）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
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周期内の負側ピーク点すなわ
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で変調波の負側ピ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てある。本発明の特長
の１つは高解像度画像信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ＣＣＤ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を振幅、低インピーダンス化する出力回路４
４を通して伝送路４５に送る。キャリア信号発生回路２
５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ク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。この図でのハッチ
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２０MHzの広帯域の
伝送路が必要であったのに対して、7.16MHz±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。このような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た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
ることになる。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。電気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ＣＣＤ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ＣＣＤの他、フレ
ーム転送形ＣＣＤ，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ＣＣＤ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、空間サンプ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、ＣＣＤ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，ＣＣＲ，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ＣＣＤ撮像装置の概略構
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、１３…
…振動パルス発生器、１４……タイミング信号発生器、
１５……Ｐ_H／２遅延回路、１６……クロックドライ
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、２
１……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、５
１……増幅回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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同一レベル
   に揃える回路とを備えたことを特徴とする固体撮像装置
   の出力信号再生回路。
2. 【請求項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
   徴とする固体撮像装置の出力信号再生回路。