JP2003527775A - Image sensor structure for pixel-based charge integration control - Google Patents

Image sensor structure for pixel-based charge integration control

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JP2003527775A
JP2003527775A JP2001513879A JP2001513879A JP2003527775A JP 2003527775 A JP2003527775 A JP 2003527775A JP 2001513879 A JP2001513879 A JP 2001513879A JP 2001513879 A JP2001513879 A JP 2001513879A JP 2003527775 A JP2003527775 A JP 2003527775A
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Japan
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unit cell
charge
sensor array
integration
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スターク、モッシュ
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53Control of the integration time
    • H04N25/533Control of the integration time by using differing integration times for different sensor regions
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • H04N25/58Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H04N25/581Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously
    • H04N25/583Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously with different integration times

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 時間フレームの終わりにキャプチャしたイメージを生成するセンサアレイ。このアレイは、複数回のフレーム内電荷積分(multiple within-frame charge-integrations)によってイメージを検出する複数の単位セル、及び単位セルの各々を個別に制御する制御手段を有する。単位セルは、光電流積分及び非積分モードを有するプログラム可能な複数回電荷積分式単位セル(programmable multiplecharge-integration unit cells)である。制御手段は各単位セルの単一のフレームキャプチャにおいて、他の単位セルの電荷積分と独立して、複数回の電荷積分を制御する手段を含む。 (57) [Summary] A sensor array that generates an image captured at the end of a time frame. The array has a plurality of unit cells for detecting an image by multiple within-frame charge-integrations, and control means for individually controlling each of the unit cells. The unit cells are programmable multiple charge-integration unit cells having photocurrent integrating and non-integrating modes. The control means includes means for controlling the charge integration a plurality of times independently of the charge integration of the other unit cells in a single frame capture of each unit cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (発明の分野) 本発明は一般にイメージセンサアレイ構造に関し、特にその論理制御に関する
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to image sensor array structures, and more particularly to logic control thereof.

【0002】 (発明の背景) イメージセンサは一般に検出単位セルのアレイを含み、各単位セルは、光に曝
され、それを表す電気的応答を生成するピクセルを含んでいる。以下に、イメー
ジセンサ技術及びそのための公知のいくつかの方法に関連して用いられる基本的
な用語を定義する。
BACKGROUND OF THE INVENTION Image sensors generally include an array of detection unit cells, each unit cell including a pixel that is exposed to light and produces an electrical response that represents it. The following defines the basic terms used in connection with image sensor technology and some known methods therefor.

【0003】 イメージセンサによって検出できる最小信号は、ピクセルに入射されてノイズ
レベルより大きな、認識可能な意味のある信号を生成する最小入射光強度として
定義される。ノイズレベルより小さな光強度の信号はイメージセンサのカットオ
フ領域で作用するものと考えられる。
The minimum signal that can be detected by an image sensor is defined as the minimum incident light intensity that is incident on a pixel and produces a recognizable and meaningful signal above the noise level. It is considered that the signal of the light intensity smaller than the noise level acts in the cutoff region of the image sensor.

【0004】 イメージセンサによって検出できる最大信号は、イメージセンサのピクセルに
入射されて認識可能な非飽和応答を生ずる最大入射光強度として定義される。こ
のレベルより高い光強度の信号は飽和領域にあるものと考えられる。
The maximum signal that can be detected by an image sensor is defined as the maximum incident light intensity that is incident on a pixel of the image sensor to produce a discernable desaturation response. Signals with light intensity higher than this level are considered to be in the saturation region.

【0005】 カットオフ領域と飽和領域の間の領域はイメージセンサの感度領域として定義
される。イメージセンサの感度領域内の強度の光信号は、入力される光強度に対
応した応答信号を生じさせる。
The area between the cutoff area and the saturation area is defined as the sensitivity area of the image sensor. The intensity of the optical signal within the sensitivity region of the image sensor causes a response signal corresponding to the intensity of the input light.

【0006】 解像度及び最小感度によってノイズフロア(noise floor)が決定される。ダ
イナミックレンジ(DR)特性は最高強度限界値と最低強度限界値の比に関して
定義される。イメージセンサのダイナミックレンジは3つの等価な方法で表され
る。
The resolution and the minimum sensitivity determine the noise floor. Dynamic range (DR) characteristics are defined in terms of the ratio of the maximum strength limit to the minimum strength limit. The dynamic range of an image sensor can be expressed in three equivalent ways.

【0007】 第1の方法では、ダイナミックレンジは次の比で表される:[0007]   In the first method, the dynamic range is represented by the ratio:

【0008】[0008]

【数1】 [Equation 1]

【0009】 ここでDR はイメージセンサのダイナミックレンジ特性であり、nは正の
数(通常は整数に丸められる)である。
Here, DR 1 L is a dynamic range characteristic of the image sensor, and n is a positive number (normally rounded to an integer).

【0010】 従って、ダイナミックレンジ10:1のイメージセンサは最小信号より10
00倍大きい信号まで捕らえることができる。
Therefore, an image sensor having a dynamic range of 10 3 : 1 has 10
It can capture signals as large as 00 times.

【0011】 ダイナミックレンジを表す2つ目の方法は対数的なものであり、次のように表
す。
The second method of expressing the dynamic range is logarithmic and is expressed as follows.

【0012】[0012]

【数2】 [Equation 2]

【0013】 イメージセンサのダイナミックレンジを表すのによく用いられる第3の方法は
、ダイナミックレンジを2進数形式で表すのに必要とされるビット数によるもの
である。このビット数はダイナミックレンジに次の式により直接的に関連づけら
れる。
A third method often used to describe the dynamic range of an image sensor is by the number of bits required to represent the dynamic range in binary form. This number of bits is directly related to the dynamic range by the equation:

【0014】[0014]

【数3】 [Equation 3]

【0015】 ここで、Nbはビット数であり、Intgは引数の整数部を引き出す関数である。[0015]   Here, Nb is the number of bits, and Intg is a function for extracting the integer part of the argument.

【0016】 理想的には、最も望ましいイメージセンサは人の眼の特性を模倣し、人の眼の
網膜に匹敵する特性でシーンをキャプチャするものである。しかしながら、人の
眼の網膜が10:1のダイナミックレンジを有するのに対し、商業的に入手可
能なイメージセンサの“シリコン網膜”は通常10:1のダイナミックレンジ
しかない。このように、人の眼のダイナミックレンジ特性と比べると、シリコン
網膜の特性はかなり劣っている。
Ideally, the most desirable image sensor is one that mimics the properties of the human eye and captures a scene with properties comparable to the retina of the human eye. However, the retina of the human eye has a dynamic range of 10 8 : 1 whereas the commercially available image sensor “silicon retina” typically has a dynamic range of 10 3 : 1. Thus, the characteristics of the silicon retina are considerably inferior to the dynamic range characteristics of the human eye.

【0017】 ダイナミックレンジはイメージセンサ設計研究の中心的な問題である。この研
究の基礎は人の眼の網膜の働きを理解することである。人の眼の網膜のすばらし
い特性は、網膜の各光受容体が入射光に対するその感度を局所的に調節するとい
う事実からもたらされている。人の眼の網膜の個々の光受容体は各々103:1
のダイナミックレンジしかないが、光受容体の局所的にその“静止点(quiescen
t point)”を調節する能力のため、全体的な網膜の特性ははるかによくなる。
動作点をシフトさせることができるということは、光受容体が高強度の光に曝さ
れたときはその感度を低減し、低強度の光に曝されたときはその感度を増加する
ことを意味する。
Dynamic range is a central issue in image sensor design research. The basis of this research is to understand the function of the retina of the human eye. The wonderful properties of the retina of the human eye result from the fact that each photoreceptor of the retina locally modulates its sensitivity to incident light. The individual photoreceptors in the retina of the human eye are each 103: 1.
Although it has only a dynamic range of
The ability to regulate t point) "results in much better overall retinal properties.
Being able to shift the operating point means that the photoreceptor reduces its sensitivity when exposed to high intensity light and increases its sensitivity when exposed to low intensity light. To do.

【0018】 人工網膜のダイナミックレンジ向上のための研究は集中的に行われており、今
日、次のいずれかの形態をとっている:
Research into improving the dynamic range of artificial retinas has been intensively conducted and today takes one of the following forms:

【0019】 ・対数センサ:このタイプのセンサは対数的にダイナミックレンジを圧縮する。
対数的圧縮は対数的に振る舞う光検出器、または入力される光電流に対して対数
的に応答する回路によってなされる。
Logarithmic sensor : This type of sensor logarithmically compresses the dynamic range.
Logarithmic compression is done by a photodetector that behaves logarithmically, or a circuit that responds logarithmically to the incoming photocurrent.

【0020】 しかしながら、これらの回路は製造工程の影響を受けやすく、製造工程のわず
かな違いが様々なピクセル応答感度を生ずる結果となり得る。隣接するピクセル
でさえその応答感度が大きく異なることもある。このような不均質は固定パター
ンノイズ(Fixed Pattern Noise: FPN)として現れ、また別の点からも低画
質の原因となる。
However, these circuits are susceptible to manufacturing processes, and slight differences in manufacturing processes can result in varying pixel response sensitivities. Even the adjacent pixels may have greatly different response sensitivities. Such inhomogeneity appears as fixed pattern noise (FPN) and causes another cause of poor image quality.

【0021】 ・複数回露出センサ:異なる露出(電荷積分時間)による複数のイメージを得、
それらを組み合わせて一つのイメージを形成する。通常、複数の異なる露出のイ
メージの組み合わせは、イメージセンサのビデオ出力において行われる。
Multiple exposure sensor : obtain multiple images with different exposures (charge integration time),
Combine them to form one image. Typically, the combination of images of different exposures is done at the video output of the image sensor.

【0022】 イメージ獲得時間及び多大な計算が必要/多くの時間を消費するイメージ組み
合わせに伴う制約のため、この方法は通常2つのイメージの獲得及び処理に限定
される。この方法の欠点は、獲得された2つのイメージの露出時間が大きく異な
る場合、得られるものがイメージカラーアーティファクト(image-color artifa
cts)及びエッジアーティファクト(edge artifacts)となり得るということで
ある。
Due to the limitations associated with image acquisition time and image-combining, which are computationally expensive / time-consuming, this method is usually limited to the acquisition and processing of two images. The drawback of this method is that if the exposure times of the two acquired images are significantly different, the result is image-color artifacts.
cts) and edge artifacts.

【0023】 ・独立/パーピクセル露出時間制御センサ(Autonomous/Per-Pixel Controlled- Exposure Time Sensor) :この方法のため、各ピクセルの露出時間は独立して制
御され入射光強度に対して局所的に調節される。この方法を効率的に実施すれば
最もよい結果が得られる。この方向の2つの注目すべき試みが報告されている。
Autonomous / Per-Pixel Controlled- Exposure Time Sensor : Due to this method, the exposure time of each pixel is controlled independently and locally to the incident light intensity. Adjusted. The best results are obtained if this method is carried out efficiently. Two notable attempts in this direction have been reported.

【0024】 報告されている一つの方法は、スタティック・セット−リセットフリップフロ
ップを組み込んだ単位セルに基づいている。各ピクセルをプログラム可能ポイン
ト(時間)でリセットすることで電荷蓄積が開始され(trigger)、それにより
電荷積分時間が制御される。不都合なことに、その結果は、単位セルの面積が大
きくなる、充填ファクタ(fill factor)が小さくなる、またはその両方が生じ
ることとなる。従って、この単位セルは微小ピクセル/高解像度のイメージセン
サには適さない。
One method reported is based on a unit cell incorporating a static set-reset flip-flop. Charge accumulation is triggered by resetting each pixel at a programmable point (time), which controls the charge integration time. Unfortunately, the result is a larger unit cell area, a smaller fill factor, or both. Therefore, this unit cell is not suitable for a fine pixel / high resolution image sensor.

【0025】 更に、イメージセンサのダイナミックレンジは列スキャンレート(column sca
n rate)に大きく依存する。列スキャンレートは各列のプログラミングレートに
よって制限される。例えば、列スキャンレートがピクセルクロックレートで行わ
れる場合(それ自体問題がありノイズの原因となるが)、各列プログラムは1ピ
クセル時間でロードされなければならない。これは、行制御レジスタをロードす
る非常に幅広で高速なバスによってしか行うことができない。
Furthermore, the dynamic range of the image sensor is determined by the column scan rate (column sca
n rate). The column scan rate is limited by the programming rate of each column. For example, if the column scan rate is done at the pixel clock rate (which itself is problematic and causes noise), each column program must be loaded in one pixel time. This can only be done by a very wide and fast bus that loads the row control registers.

【0026】 S. G. ChenとJ. P. Leeは彼らの論文“Adaptive Sensitivity CCD Image Sens
or: Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V”(Proc. SPI
E, Vol. 2415, pp. 303-309, 315)においてフリップフロップを用いることを検
討している。しかしながら、彼らはその論文の中でその実施の詳細については説
明していない。この論文では実施は64:8:1の比の3つの異なる露出時間に
限定されている。多くのシーンにおいて、これらのステップは一般に量子化アー
ティファクト(quantization artifacts)を除去するには粗すぎる。
SG Chen and JP Lee wrote in their paper “Adaptive Sensitivity CCD Image Sens.
or: Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V ”(Proc. SPI
E, Vol. 2415, pp. 303-309, 315), the use of flip-flops is considered. However, they do not elaborate on its implementation in the paper. In this paper, implementation is limited to three different exposure times with a ratio of 64: 8: 1. In many scenes, these steps are generally too coarse to remove quantization artifacts.

【0027】 報告されている第2の方法は、独立ピクセルリセット(Independent Pixel Re
set: IPR)法である。この方法は、各単位セル内の積分コンデンサの電荷を
独立してリセットすることを必要とする。各単位セルは行リセット制御及び列リ
セット制御回路を通じて個々にリセットされる。この方法は面積効率の良いソリ
ューションとなる。
The second method reported is Independent Pixel Reset.
set: IPR) method. This method requires resetting the charge on the integrating capacitor in each unit cell independently. Each unit cell is individually reset through the row reset control and column reset control circuits. This method provides an area efficient solution.

【0028】 しかしながら、この方法はその範囲が限られる。それは同じ露出時間の単位セ
ルが同時にリセットされないことに起因する。即ち、イメージセンサアレイの左
上角の単位セルは右下角の単位セルよりずっと早くリセットされる。例えば、も
しアレイが768×483行からなり、リセットが67nsecのピクセルクロックで行わ
れるとすると、左上角のリセットと右下角のリセットの時間差は24.86msecとな
り、商業用のビデオ用途では許容できない。従って、この方法は実時間の1秒当
たり30フレームのビデオレート用の大きなアレイには適さない。
However, this method is limited in its scope. This is because unit cells with the same exposure time are not reset at the same time. That is, the unit cell in the upper left corner of the image sensor array is reset much faster than the unit cell in the lower right corner. For example, if the array consists of 768 x 483 rows and the reset is done with a pixel clock of 67 nsec, the time difference between the upper left corner reset and the lower right corner reset would be 24.86 msec, which is unacceptable for commercial video applications. Therefore, this method is not suitable for large arrays for video rates of 30 frames per second in real time.

【0029】 更に、センサの露出時間は例えば最大積分時間の1、1/2、1/4、1/8
及び1/16のように数個の値に制限されており、これは実時間の高品質イメー
ジングにおいては満足できるものではない。従って、IPR技法は現在のところ
ほとんどの商業的用途に適さないものである。
Further, the exposure time of the sensor is, for example, 1, 1/2, 1/4, 1/8 of the maximum integration time.
And a few values such as 1/16, which is unsatisfactory in real-time high quality imaging. Therefore, the IPR technique is currently unsuitable for most commercial applications.

【0030】 (要約) 本発明の目的は、向上された特性及びダイナミックレンジのシーンキャプチャ
(scene capture)が容易に可能な、新規な、改善されたCMOSイメージセン
サ構造を提供することである。
SUMMARY It is an object of the present invention to provide a new and improved CMOS image sensor structure that facilitates scene capture with improved properties and dynamic range.

【0031】 本発明の好適実施例に基づくと、時間フレームの終わりにキャプチャしたイメ
ージを生成するセンサアレイが提供される。このアレイは、複数回のフレーム内
電荷積分(multiple within-frame charge-integrations)によってイメージを
検出する複数の単位セル、及び単位セルの各々を個別に制御する制御手段を有す
る。単位セルは、光電流積分及び非積分モードを有するプログラム可能な複数回
電荷積分式単位セル(programmable multiple charge-integration unit cells
)である。
According to a preferred embodiment of the present invention, a sensor array is provided that produces a captured image at the end of a time frame. The array has a plurality of unit cells for detecting an image by a plurality of multiple within-frame charge-integrations, and a control means for individually controlling each of the unit cells. The unit cell is a programmable multiple charge-integration unit cells having a photocurrent integrating and non-integrating mode.
).

【0032】 各単位セルは光検出器、光検出器からの電荷移送を蓄積する電荷蓄積素子、及
び単位セルの電荷積分状態を記憶するプログラム可能なメモリユニットを含む。
Each unit cell includes a photodetector, a charge storage element that stores the charge transfer from the photodetector, and a programmable memory unit that stores the charge integration state of the unit cell.

【0033】 制御手段は各単位セルの単一のフレームキャプチャにおいて、他の単位セルの
電荷積分と独立して、複数回の電荷積分を制御する手段を含む。
The control means includes means for controlling charge integration a plurality of times independently of charge integration of other unit cells in a single frame capture of each unit cell.

【0034】 制御手段は単一のフレームキャプチャ内でN個の電荷積分サブピリオドを提供
する手段を含み、ここで、Nは1に等しいかまたは1より大きい。
The control means includes means for providing N charge integration sub-periods within a single frame capture, where N is equal to or greater than 1.

【0035】 各単一のフレームキャプチャ内において、制御手段は所定のセルグループ内の
各単位セルの電荷を概ね同時に個別に積分する。一般に、制御手段は行選択ライ
ンと列選択ラインを含む。行選択ラインは複数の第1信号を単位セルへと伝達し
、列選択ラインは複数の第2信号(例えばプログラム及びセンス信号)を単位セ
ルに伝達する。
Within each single frame capture, the control means individually and individually integrate the charges of each unit cell within a given cell group. Generally, the control means includes row select lines and column select lines. The row selection line transfers a plurality of first signals to the unit cell, and the column selection line transfers a plurality of second signals (eg, program and sense signals) to the unit cell.

【0036】 さらに、制御手段は単位セルのプログラムも行う。1グループのセル(例えば
1ラインの単位セル)は概ね同時にプログラムされ、好適には順次的に行われる
。プログラムするための手段が、複数の単位セルを含む1または複数のラインを
順次プログラムするための手段を含むこともできる。
Further, the control means also programs the unit cell. One group of cells (eg, one line of unit cells) are programmed at about the same time, preferably sequentially. The means for programming may also include means for sequentially programming one or more lines containing a plurality of unit cells.

【0037】 制御手段は電荷積分サブピリオドを定める手段を含み、ここで、別の態様とし
て、電荷積分サブピリオドは様々な時間長さをとる。制御手段はまた、クロック
時間単位で細かな時間分解(time resolution)を与える手段と、電荷積分ステ
ップの広いダイナミックレンジを与える手段とを含む。通常、広いダイナミック
レンジは2−1積分時間単位ステップの範囲内にある。
The control means comprises means for defining a charge integration sub-period, where in another aspect the charge integration sub-period takes a variable length of time. The control means also includes means for providing fine time resolution in clock time units and means for providing a wide dynamic range of charge integration steps. Usually, the wide dynamic range is within 2 N −1 integration time unit steps.

【0038】 更に、本発明の好適実施例によると、複数の単位セルでイメージを検出するた
めの方法が提供される。この方法は、単位セルの各々に個別にアクセスする過程
と、各単位セルの電荷積分を複数の他の単位セルの電荷積分とは独立して制御す
る過程とを有する。
Further in accordance with a preferred embodiment of the present invention, there is provided a method for detecting an image in a plurality of unit cells. This method includes the steps of individually accessing each of the unit cells and controlling the charge integration of each unit cell independently of the charge integration of a plurality of other unit cells.

【0039】 この方法は更に、各単位セルに対する電荷積分時間を決定する過程と、各単位
セルを決定された電荷積分時間に基づいてプログラムする過程とを有する。
The method further includes the steps of determining a charge integration time for each unit cell and programming each unit cell based on the determined charge integration time.

【0040】 更に、本発明の好適実施例によると、複数の単位セルからなるイメージセンサ
アレイのイントラシーン(intra-scene)ダイナミックレンジを向上するための
方法が提供される。この方法は各単位セルに個々にアクセスする過程と各単位セ
ルを個々に制御する過程を含む。
Further, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a method for improving the intra-scene dynamic range of an image sensor array composed of a plurality of unit cells. This method includes a process of individually accessing each unit cell and a process of individually controlling each unit cell.

【0041】 この方法はまた、単位セルの各々の電荷積分時間を個別に制御する過程を含み
、この過程は各セルを個別にプログラムすることを含む。個別にプログラムする
過程は、予め定められた電荷積分時間に基づいて各単位セルをプログラムする過
程と、各単位セルを複数の電荷積分サブピリオドでプログラムする過程を含む。
The method also includes individually controlling the charge integration time of each of the unit cells, which includes individually programming each cell. The step of individually programming includes the step of programming each unit cell based on a predetermined charge integration time and the step of programming each unit cell with a plurality of charge integration sub-periods.

【0042】 更に、本発明の好適実施例によると、イメージをキャプチャするための複数の
単位セルを含むプログラム可能なイメージセンサが提供される。このセンサはデ
ータを担う第1の複数(P個)の入力ラインと、セルに接続された第2の複数(
H個)の列と(ここでPはHに等しいかまたはHより小さい)、動画ビデオの単
一のフレーム内で、アレイをN回プログラムするべく、データを受け取り、受け
取ったデータを選択的に列へと分配するコントローラとを含む。
Further in accordance with a preferred embodiment of the present invention, there is provided a programmable image sensor including a plurality of unit cells for capturing an image. This sensor has a first plurality (P) of input lines carrying data and a second plurality ((P) of input lines connected to the cells.
H) columns (where P is less than or equal to H) and receives data and selectively receives the data to program the array N times within a single frame of motion video. A controller for distributing to the rows.

【0043】 一般に、データはプログラミングデータであり、複数の単位セルの各々に対す
る電荷積分/非積分状態データを含む。好適には、複数のプログラム可能な単位
セルの各々は個々に制御される。
Generally, the data is programming data and includes charge integration / non-integration state data for each of the plurality of unit cells. Preferably, each of the plurality of programmable unit cells is individually controlled.

【0044】 (発明の詳細な説明) 以下、各ピクセルの電荷積分時間の独立した制御を容易にする新規なCMOS
イメージセンサ構造及び方法を詳細に説明する。好適実施例では、独立したパー
ピクセル露出制御がピクセルの電荷積分時間を直接且つ独立して制御することに
より達成される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the following, a novel CMOS that facilitates independent control of the charge integration time of each pixel
The image sensor structure and method will be described in detail. In the preferred embodiment, independent per-pixel exposure control is achieved by directly and independently controlling the charge integration time of the pixel.

【0045】 本発明は、インタレース及びノンインタレースの両方に使用される、2つの新
規なイメージセンサ構造について述べる。好適には、イメージセンサ構造は複数
電荷積分サブピリオドが可能な複数のイメージセンサ単位セルを含み、ピクセル
毎に個別の電荷積分時間が可能であることが好ましい。
The present invention describes two novel image sensor structures used for both interlaced and non-interlaced. Preferably, the image sensor structure includes a plurality of image sensor unit cells capable of multiple charge integration sub-periods, allowing for individual charge integration times for each pixel.

【0046】 本発明の実施により、電荷積分時間を、多くの、様々な時間の、小さなステッ
プでプログラムすることが容易になる。その結果、数百または数千の露出時間値
が得られる。このことは、ダイナミックレンジの圧縮を効果的に行い、量子化ノ
イズ及びイメージアーティファクトを除去する上で重要である。動画ビデオに対
し、210:1単位ステップの範囲の露出時間が可能である。このことは、概ね
人の眼の網膜の特性に匹敵する広いダイナミックレンジのシーンキャプチャを達
成するのに役立つ。
The practice of the present invention facilitates programming the charge integration time in many, varying, small steps. The result is hundreds or thousands of exposure time values. This is important for effective dynamic range compression and removal of quantization noise and image artifacts. For moving video, exposure times in the range of 2 10 : 1 unit steps are possible. This helps achieve a wide dynamic range scene capture that is roughly comparable to the characteristics of the retina of the human eye.

【0047】 更に、行プログラムローダの新規な使用により、本発明は全てのピクセルに対
し同時に異なる電荷積分時間を与える。本発明はビデオレートで全ての行プログ
ラムを、一度に1行ずつ、ロードすることについて述べる。更に、この動作はイ
メージセンサアレイの外でなされる。
Further, with the novel use of the row program loader, the present invention provides different charge integration times for all pixels simultaneously. The present invention describes loading all line programs at video rate, one line at a time. Furthermore, this operation is done outside the image sensor array.

【0048】 図1を参照されたい。図1は新規な改善されたノンインタレース型CMOSイ
メージセンサアレイ構造であるアレイ10を示している。アレイ10は複数の単
位セル12を含み、独立した、ピクセル毎の、電荷積分制御を実現する。
Please refer to FIG. FIG. 1 illustrates an array 10 which is a new and improved non-interlaced CMOS image sensor array structure. The array 10 includes a plurality of unit cells 12 to implement independent, pixel-by-pixel charge integration control.

【0049】 図2も併せて参照されたい。図2はアレイ10の基本構成ブロックである単位
セル12を示している。単位セル12は光をキャプチャし、対応する電気信号を
生成する。好適には、単位セル12は、2000年3月2日に出願された特許出
願PCT/1L00/00129(CMOS Unit Cell with Autonomous/Per-Pixel Charge Integr
ation Time Control Circuit)に開示された単位セルと同様に、複数の積分サブ
ピリオドが可能である。特許出願PCT/1L00/00129は本出願と同じ出願人によるも
のであり、本願に引証として加えられる。
Please also refer to FIG. FIG. 2 shows a unit cell 12 which is a basic building block of the array 10. The unit cell 12 captures light and produces a corresponding electrical signal. Preferably, the unit cell 12 is a patent application PCT / 1L00 / 00129 (CMOS Unit Cell with Autonomous / Per-Pixel Charge Integr) filed on Mar. 2, 2000.
ation Time Control Circuit), a plurality of integration sub-periods are possible, as is the case with the unit cell disclosed in the ation time control circuit. Patent application PCT / 1L00 / 00129 was filed by the same applicant as this application and is hereby incorporated by reference.

【0050】 本明細書では、明瞭化を目的として、“単位セル”についての言及は“ピクセ
ル”についての言及と同じであり、“積分”は電荷積分と同義であるとする。
For purposes of clarity, reference herein to “unit cell” is the same as reference to “pixel” and “integral” is synonymous with charge integral.

【0051】 アレイ10内の全ての単位セル12は、後に詳述するようにして、プログラム
サイクルを経るが、そこで予め定められた積分時間に対してプログラムされる。
そのような各プログラムサイクルの後、予め定められた積分時間が続く。そのよ
うな予め定められた積分サイクルの各々は一連の積分サブピリオド及び/または
一連の非積分サブピリオドを含み得る。積分時間が終了すると、単位セル12の
読み出しがなされる。このようなリセット、プログラミングサイクル、積分サイ
クル及び読み出しの動作は繰り返される。積分時間はリセットから読み出しまで
の時間として定義される。
All unit cells 12 in array 10 undergo a programming cycle, as described in more detail below, where they are programmed for a predetermined integration time.
Each such program cycle is followed by a predetermined integration time. Each such predetermined integration cycle may include a series of integrating sub-periods and / or a series of non-integrating sub-periods. When the integration time ends, the unit cell 12 is read out. The reset, programming cycle, integration cycle and read operation are repeated. Integration time is defined as the time from reset to read.

【0052】 積分サブピリオドの間、プリプログラムされた単位セル12は単位セル12内
にある積分コンデンサへと電荷を注入する。非積分サブピリオドの間、積分コン
デンサは集めた電荷を格納するが、プリプログラムされた単位セル12はコンデ
ンサに追加的な電荷の注入をしない。PCT/1L00/00129に説明されているように、
積分及び非積分サブピリオドは複数個あり、予め定められたプログラムされたサ
イクルに応じて、積分と非積分の間で交互になってもよい。
During the integration sub-period, the pre-programmed unit cell 12 injects charge into the integrating capacitor within the unit cell 12. During the non-integrating sub-period, the integrating capacitor stores the collected charge, but the preprogrammed unit cell 12 does not inject additional charge into the capacitor. As explained in PCT / 1L00 / 00129,
There may be multiple integrating and non-integrating sub-periods, alternating between integrating and non-integrating, depending on a predetermined programmed cycle.

【0053】 積分時間の間、電荷積分用に最初にイネーブルされている全ての単位セル12
は光強度に“露出”される。全ての単位セル12に対して積分時間は同じである
が、この期間に集められる電荷は単位セル12毎に異なることに注意されたい。
単位セル12毎に蓄積された電荷は実効電荷積分時間(即ち、各ピクセルに対す
る様々な積分サブピリオドの合計)及び入射光の局所的な強度に比例する。
During the integration time, all unit cells 12 initially enabled for charge integration
Is "exposed" to light intensity. Note that the integration time is the same for all unit cells 12, but the charge collected during this period is different for each unit cell 12.
The charge stored in each unit cell 12 is proportional to the effective charge integration time (ie, the sum of the various integrating subperiods for each pixel) and the local intensity of the incident light.

【0054】 単位セル12は、能動的に放電されない限り、その積分コンデンサにそれまで
に蓄積された電荷を維持する。そのようにして、単位セル12はアナログ信号を
保持するアナログメモリ要素として機能する。
The unit cell 12 maintains the charge previously stored in its integrating capacitor unless actively discharged. As such, the unit cell 12 functions as an analog memory element that holds an analog signal.

【0055】 従って、各単位セル12のトータルの積分時間及びトータルの蓄積電荷は関連
する一連のプログラムされた積分/非積分状態に依存し、各サブピリオドは異な
る電荷積分作用を受ける。PCT/1L00/00129に基づくと、
Therefore, the total integration time and total accumulated charge of each unit cell 12 depends on the associated series of programmed integrating / non-integrating states, and each sub-period is subject to a different charge integrating action. Based on PCT / 1L00 / 00129,

【0056】[0056]

【数4】 [Equation 4]

【0057】 となるような特別な場合に対して、次の関係が得られる(Tは基本時間単位、
はi番目の積分サブピリオドにおいて“ハイ(high)”に留まるInt信号、
qはシーケンス内のプログラム/積分サブピリオドの数、Tはトータルの電荷積
分時間)。
For a special case such that, the following relationship is obtained (T 0 is the basic time unit,
T m is the Int signal that remains “high” in the i th integration sub-period,
q is the number of program / integration sub-periods in the sequence, T is the total charge integration time).

【0058】[0058]

【数5】 [Equation 5]

【0059】 及び、[0059] as well as,

【0060】[0060]

【数6】 [Equation 6]

【0061】 従って、積分時間はバイナリー数(uq−1q−2...u によってプログラムすることが可能である。Therefore, the integration time can be programmed by a binary number (u q-1 u q-2 ... u 2 u 1 u 0 ) 2 .

【0062】 (uq−1q−2...uが(00...01)のときT (min)=Tが最も短い積分時間となる。[0062]   (Uq-1uq-2. . . uTwou1u0)TwoIs (00 ... 01)TwoWhen T i (Min) = T0Is the shortest integration time.

【0063】 (uq−1q−2...uが(11...11)のときT
は最も長い積分時間、即ち、
When (u q-1 u q-2 ... u 2 u 1 u 0 ) 2 is (11 ... 11) 2 , T
Is the longest integration time, ie

【0064】[0064]

【数7】 [Equation 7]

【0065】 となる。[0065] Becomes

【0066】 ここで、Tmaxは最大積分時間であり、qはプログラム/積分サブピリオド
の数、Tは基本電荷積分時間単位である。
Here, T max is the maximum integration time, q is the number of program / integration sub-periods, and T 0 is the basic charge integration time unit.

【0067】 (uq−1q−2...uは最小値と最大値の間の任意の整
数をとることができ、T単位刻みで変えられる。従って、積分時間はT、2
、3T、...と始まり、T刻みでTmaxに至る任意の値をとること
ができる。
(U q-1 u q-2 ... u 2 u 1 u 0 ) 2 can take any integer between the minimum value and the maximum value, and can be changed in units of T 0 . Therefore, the integration time is T 0 , 2
T 0 , 3T 0 ,. . . Can take any value up to T max in steps of T 0 .

【0068】 集められる電荷または対応する電圧はトータルの積分時間及び光電流の大きさ
に比例する。光電流それ自体は入射光の強度に比例する。
The charge collected or the corresponding voltage is proportional to the total integration time and the magnitude of the photocurrent. The photocurrent itself is proportional to the intensity of the incident light.

【0069】 このことは以下の2つの式にまとめられる。[0069]   This can be summarized in the following two equations.

【0070】[0070]

【数8】 [Equation 8]

【0071】[0071]

【数9】 [Equation 9]

【0072】 ここで、Iphは光電流、Tはトータルの積分時間、Cは積分コンデンサの
静電容量、Qは積分コンデンサに蓄積された電荷、Vは積分コンデンサの両
端の電圧である。
Here, I ph is the photocurrent, T is the total integration time, C I is the capacitance of the integrating capacitor, Q a is the charge accumulated in the integrating capacitor, and V C is the voltage across the integrating capacitor. is there.

【0073】 式(4)−(9)の具体化については後に図6及び12を参照して説明する。[0073]   The implementation of equations (4)-(9) will be described later with reference to FIGS.

【0074】 図1を参照すると、アレイ10はx軸に沿った行及びy軸に沿った列をなすよ
うに配列されたラインからなるアレイを有している。単位セル12はこれらライ
ンのx、yノードに配置されそれに接続されている。これらのラインは各単位セ
ル12の積分時間を制御する電気信号を担う。識別を容易にするため、各単位セ
ル12はそのx、y軸上の位置によって指定される。例えば、(y=0,x=0
)に位置する単位セル12は単位セル12(0,0)として同定され、(y=V
−1,x=H−1)に位置する単位セルは単位セル12(V−1,H−1)とし
て同定される。
Referring to FIG. 1, array 10 comprises an array of lines arranged in rows along the x-axis and columns along the y-axis. The unit cell 12 is arranged at and connected to the x and y nodes of these lines. These lines carry electrical signals that control the integration time of each unit cell 12. For ease of identification, each unit cell 12 is designated by its position on the x, y axis. For example, (y = 0, x = 0
Unit cell 12 located at)) is identified as unit cell 12 (0,0) and (y = V
The unit cell located at -1, x = H-1) is identified as the unit cell 12 (V-1, H-1).

【0075】 アレイ10は更に、水平軸及び垂直軸上に配置された複数の回路を含んでいる
。一好適実施例では、読み出し回路14及び行プログラムローダ18が水平軸即
ちy軸に沿って配置され、行プログラム/読み出しデコーダ16が垂直軸即ちx
軸に沿って配置される。垂直及び水平といった用語の使用は説明をわかりやすく
することを目的としたものであって、これら回路を別の場所に配置したものも本
発明の権利範囲に含まれる。
Array 10 further includes a plurality of circuits arranged on a horizontal axis and a vertical axis. In one preferred embodiment, read circuit 14 and row program loader 18 are arranged along a horizontal axis or y-axis, and row program / read decoder 16 is arranged along a vertical axis or x.
Located along the axis. The use of terms such as vertical and horizontal is intended for the sake of clarity, and it is within the scope of the present invention to arrange these circuits in different places.

【0076】 好適実施例では、ラインのアレイは、行読み出し(RwRd)ライン、行プログラ
ム(RwPrg)ライン、列検出(ColSense)ライン、列プログラム(ColPrg)ライ
ン、リセット(Rst)ライン、及び積分(Int)ラインとして概ね示されるライン
を含む。各ラインは関連する信号を担う。即ち、RwRdラインはRwRd信号を担い、
他も同様である。
In the preferred embodiment, the array of lines is a row read (RwRd) line, a row program (RwPrg) line, a column detect (ColSense) line, a column program (ColPrg) line, a reset (Rst) line, and an integration (RwRd) line. Int) line is included. Each line carries an associated signal. That is, the RwRd line carries the RwRd signal,
Others are the same.

【0077】 各ラインの位置の指定はそのxまたはy軸上の位置によって表され、一般にそ
れにより指定される。即ち、x=0に位置するColPrgラインはColPrg_0ラインと
して示され、y=iに位置するRwPrgラインはRwPrg_iとして示される。
The designation of the position of each line is represented by, and is generally designated by, its position on the x or y axis. That is, the ColPrg line located at x = 0 is shown as the ColPrg_0 line, and the RwPrg line located at y = i is shown as the RwPrg_i.

【0078】 Intライン:Int(即ち、積分(Integration))ラインは、複数のラインに別
れる一本のラインであり、全ての単位セル12に接続される。IntラインはInt信
号を伝達する。全ての単位セル12における積分はInt信号の制御を受ける。好
適には、Int信号がハイのとき、電荷積分が行われる。積分サブピリオドの間(I
nt信号がハイのとき)、積分するようにプログラムされている関連する単位セル
12は、電荷積分を行う。
Int line : An Int (that is, integration) line is one line divided into a plurality of lines, and is connected to all the unit cells 12. The Int line carries the Int signal. The integration in all unit cells 12 is controlled by the Int signal. Preferably, charge integration is performed when the Int signal is high. Between integral sub-periods (I
The associated unit cell 12, which is programmed to integrate (when the nt signal is high), performs charge integration.

【0079】 特定の単位セル12が特定のサブピリオドの間積分を行うようにプログラムさ
れていたとしても、積分はInt信号がハイの場合にしか行われない。逆に、Int信
号がハイであっても、特定の単位セル12が積分しないようにプログラムされて
いれば、積分は行われない。
Even if the particular unit cell 12 is programmed to integrate during a particular sub-period, the integration will only occur when the Int signal is high. Conversely, even if the Int signal is high, integration will not occur if the particular unit cell 12 is programmed to not integrate.

【0080】 Rstライン:Rst(即ち、リセット)ラインは、複数のラインに別れる一本のラ
インであり、全ての単位セル12に接続される。Rstラインは、アレイ10内の
単位セル12全てを同時にリセットするRst信号を担う。Rst信号は単位セル12
内にあるトランジスタをターンオンし、前回の読み出しの後に残っている電荷を
引き抜き、次の積分時間に備えて積分コンデンサの状態を整える。
Rst line : The Rst (that is, reset) line is one line divided into a plurality of lines, and is connected to all the unit cells 12. The Rst line carries the Rst signal that resets all the unit cells 12 in the array 10 simultaneously. Rst signal is unit cell 12
The transistor inside is turned on, the electric charge remaining after the previous reading is extracted, and the state of the integration capacitor is adjusted in preparation for the next integration time.

【0081】 別の態様として、リセットは明示的になされる必要は必ずしもなく、読み出し
フェーズの中で暗黙的に行われてもよい。その場合、Rstライン及び関連するト
ランジスタは除去される。
Alternatively, the reset does not necessarily have to be done explicitly, but may be done implicitly during the read phase. In that case, the Rst line and associated transistors are removed.

【0082】 RwRdライン:好適実施例において、RwRd(即ち、行読み出し(row-read))ラ
インは行プログラム/読み出しデコーダ16に接続され、RwRdラインの位置指定
はRwRd_0からRwRd_V-1の範囲に渡る。各RwRdラインはそれぞれの行上の関連する
単位セル12に接続される。RwRdラインは、関連する単位セルの読み出しを制御
する行読み出し(RwRd)信号を担う。RwRd_i信号がハイで他の全てのRwRd信号が
ロー(low)のとき、単位セル12(i,j)の内容が読み出される。通常、単位セ
ル12は電荷積分サイクルの終了後に読み出される。
RwRd Line : In the preferred embodiment, the RwRd (ie, row-read) line is connected to the row program / read decoder 16, and the RwRd line is located over a range of RwRd_0 to RwRd_V-1. . Each RwRd line is connected to the associated unit cell 12 on its respective row. The RwRd line carries the row read (RwRd) signal that controls the reading of the associated unit cell. When the RwRd_i signal is high and all other RwRd signals are low, the contents of unit cell 12 (i, j) are read. Normally, the unit cell 12 is read after the end of the charge integration cycle.

【0083】 RwPrgライン:好適実施例において、RwPrg(即ち、行プログラム(row-progra
m))ラインは行プログラム/読み出しデコーダ16に接続され、RwRdラインの
位置指定はRwPrg_0からRwPrg_V-1の範囲に渡る。各RwPrgラインはそれぞれの行
上の関連する単位セル12に接続される。RwPrgラインは、関連する単位セルの
プログラミングを制御する行プログラム(RwPrg)信号を担う。単位セル12の
プログラミングは、各単位セル12に対する電荷積分シーケンスを決定する。好
適には、プログラミングは行毎に行われる。即ち、RwPrg_i信号がハイで他の全
てのRwRd信号がロー(low)のとき、行i内の単位セル12のプログラムがなさ
れる。
RwPrg line : In the preferred embodiment, RwPrg (ie, row-progra
m)) line is connected to the row program / readout decoder 16 and the position designation of the RwRd line spans the range RwPrg_0 to RwPrg_V-1. Each RwPrg line is connected to the associated unit cell 12 on each row. The RwPrg line carries the row program (RwPrg) signal that controls programming of the associated unit cell. The programming of the unit cells 12 determines the charge integration sequence for each unit cell 12. Preferably, the programming is done row by row. That is, when the RwPrg_i signal is high and all other RwRd signals are low, the unit cell 12 in row i is programmed.

【0084】 好適実施例においては、単位セル12のプログラミングは読み出しの開始の前
、またはオフラインでなされる。従って、時間を消費するプログラミングはアレ
イ10の積分または読み出しタイミングに影響を与えない。
In the preferred embodiment, programming of the unit cell 12 is done prior to the start of reading or off-line. Thus, time consuming programming does not affect the integration or read timing of array 10.

【0085】 RwRd信号及びRwPrg信号は互いに連携して機能する。RwRd信号がハイのとき、R
wPrg信号はローであり、また逆も成り立つ。
The RwRd signal and the RwPrg signal function in cooperation with each other. When the RwRd signal is high, R
The wPrg signal is low and vice versa.

【0086】 RdEn及びPrgEn信号:RwRd信号は、関連する単位セル12の蓄積された電荷の
読み出し(電流/電圧)の読み出しを許可するRdEn(即ち、読み出しイネーブル
(read-enable))信号を活動化(activate)する。同様に、RwPrg信号は、関連
する単位セル12のプログラミングを許可するPrgEn(即ち、プログラムイネー
ブル(program-enable))信号を活動化する。
RdEn and PrgEn signals : The RwRd signal activates the RdEn (ie, read-enable) signal that allows the reading of the accumulated charge (current / voltage) of the associated unit cell 12 to be read. (Activate) Similarly, the RwPrg signal activates the PrgEn (ie, program-enable) signal that allows programming of the associated unit cell 12.

【0087】 ColSense及びColPrgライン:好適実施例では、ColSense(即ち、行検出(colu
mn-sense))及びColPrg(即ち、行プログラム(column-program))ラインが行
プログラムローダ18と読み出し回路14との間において延びている。一好適実
施例では、ColSense及びColPrgラインは交互にアクティブになる。即ち、ColSen
seラインがアクティブのときはColPrgは非アクティブとなり、逆も成り立つ。こ
のようにして、同じ物理的ラインを両方の機能に用いることができる。別の態様
として、ColSenseラインとColPrgラインを物理的に別々のラインとすることもで
きる。
ColSense and ColPrg lines : In the preferred embodiment, ColSense (ie, line detection (colu
mn-sense)) and ColPrg (i.e., column-program) lines extend between the row program loader 18 and the read circuit 14. In a preferred embodiment, the ColSense and ColPrg lines are alternately active. That is, ColSen
ColPrg is inactive when the se line is active and vice versa. In this way, the same physical line can be used for both functions. Alternatively, the ColSense line and the ColPrg line can be physically separate lines.

【0088】 ColSense/ColPrgラインの位置指定は、ColSense_0/ColPrg_0からColSense_H-1
/ColPrg_H-1の範囲に渡る。各ColSense/ColPrgラインはそれぞれ列上の関連する
単位セル12全てに接続される。
The ColSense / ColPrg line position designation is from ColSense_0 / ColPrg_0 to ColSense_H-1.
/ ColPrg_H-1 range. Each ColSense / ColPrg line is connected to all associated unit cells 12 on the column.

【0089】 好適実施例において、ColSense/ColPrgラインはプログラミングと読み出しに
共通しており、ColSense/ColPrg信号を担う。ColSense/ColPrg信号は、多重化さ
れた入力/出力信号であり、電荷積分時間の間は入力信号として、読み出しサイ
クルの間は出力信号として、交互に働く。
In the preferred embodiment, the ColSense / ColPrg lines are common to programming and reading and carry the ColSense / ColPrg signals. The ColSense / ColPrg signal is a multiplexed input / output signal that alternates as the input signal during the charge integration time and as the output signal during the read cycle.

【0090】 プログラミングシーケンスの間、ColSense/ColPrg信号はColPrg_0/ColPrg_V-1
ラインとして働き、行プログラムローダ18によって能動的に駆動されるColPrg
信号を提供する。ColPrg信号の値は、次の積分サブピリオドにおいて光電流によ
る電荷を単位セル12が積分するかしないかを決定する。
During the programming sequence, the ColSense / ColPrg signals are ColPrg_0 / ColPrg_V-1.
ColPrg, which acts as a line and is actively driven by the line program loader 18.
Provide a signal. The value of the ColPrg signal determines whether or not the unit cell 12 integrates the photocurrent charge in the next integration subperiod.

【0091】 ColPrg信号がローのとき、単位セル12は電荷積分を許可しないようにプリプ
ログラムされる。逆に、ColPrg信号がハイのとき、単位セル12は電荷積分を許
可するようにプリプログラムされる。別の態様として、単位セル12は、ColPrg
信号の逆の極性に対して応答するようにプログラムされてもよい。
When the ColPrg signal is low, the unit cell 12 is preprogrammed to disallow charge integration. Conversely, when the ColPrg signal is high, the unit cell 12 is preprogrammed to allow charge integration. In another embodiment, the unit cell 12 is ColPrg.
It may be programmed to respond to the opposite polarity of the signal.

【0092】 読み出しサイクルの間、ColSense/ColPrgラインはColSense_0/ColSense_H-1と
して働き、ColSense信号を提供する。行プログラムローダ18の出力は3状態(
tristated)であり、関連する単位セル12からの読み出しがイネーブルされ、
読み出し信号が読み出し回路に送られる。
During the read cycle, the ColSense / ColPrg lines act as ColSense_0 / ColSense_H-1 and provide the ColSense signal. The line program loader 18 outputs three states (
read from the associated unit cell 12 is enabled,
The read signal is sent to the read circuit.

【0093】 行プログラム/読み出しデコーダ16:デコーダ16は1または複数のRwRdラ
インを選択し、RwRd信号を活動化する。それによって関連する単位セル12にお
ける蓄積された電荷の読み出しがイネーブルされる。好適実施例では、選択され
た単位セル12の読み出しフェーズは、RwRd信号がハイで、且つ、同時にRwPrg
信号がローで行プログラミングが行われていないときになされる。
Row Program / Read Decoder 16 : Decoder 16 selects one or more RwRd lines and activates the RwRd signal. This enables the reading of the accumulated charge in the associated unit cell 12. In the preferred embodiment, the read phase of the selected unit cell 12 is such that the RwRd signal is high and at the same time RwPrg.
This is done when the signal is low and no row programming is taking place.

【0094】 読み出し用に選択されるべき適切なRwRdライン(例えばRwRd_z)を指定するた
め、行プログラム/読み出しデコーダ16は所定の組み合わせのラインアドレス
(RwAdr)入力信号を活動化する。そのようなRwAdr信号の組み合わせは数“z”
を表すバイナリーの組み合わせを生成する。
The row program / read decoder 16 activates a predetermined combination of line address (RwAdr) input signals to specify the appropriate RwRd line (eg, RwRd_z) to be selected for reading. The combination of such RwAdr signals is the number "z"
Generate a binary combination that represents.

【0095】 逆に、アレイ10のプログラミングフェーズでは、RwRdラインは非アクティブ
となり、RwPrgラインがアクティブとなってアレイ10内の単位セル12のプロ
グラミングを行単位に行うことが可能となる。RwRdの動作と同様に、所定の組み
合わせのRwAdr入力信号を活動化し、プログラミングの対象となる適切な行を指
定する。
On the contrary, in the programming phase of the array 10, the RwRd line becomes inactive and the RwPrg line becomes active, so that the unit cells 12 in the array 10 can be programmed row by row. Similar to the behavior of RwRd, it activates a given combination of RwAdr input signals to specify the appropriate row for programming.

【0096】 適切なRwAdr信号の選択は次のようにして計算される。“a”をRwAdr信号の数
とすると、
The selection of the appropriate RwAdr signal is calculated as follows. If “a” is the number of RwAdr signals,

【0097】[0097]

【数10】 [Equation 10]

【0098】[0098]

【数11】 [Equation 11]

【0099】 (a)z≧V―1となるような組み合わせの一つを選択すると、全てのRwRdライ
ン及びRwPrgラインを選択しないこととなる。 (b)全てのRwRdラインが選択解除され、RwRd信号がローの場合、行プログラム
/読み出しデコーダ16はRwPrgラインの中の一つを選択する。従って、特定のR
wPrg_zラインに対して(ここでz=(RwAdra-1, RwAdra-2, ..., RwAdr1, RwAdr0 )2 )、RwPrg_zライン上にある全ての単位セル12(z,j)が選択され、それに
接続されたColPrg_0/ColPrg_H-1ラインによって同時にプログラムされる。
(A) If one of the combinations such that z ≧ V−1 is selected, all RwRd lines and RwPrg lines are not selected. (B) When all RwRd lines are deselected and the RwRd signal is low, the row program / read decoder 16 selects one of the RwPrg lines. Therefore, the specific R
For the wPrg_z line (where z = (RwAdr a-1 , RwAdr a-2 , ..., RwAdr 1 , RwAdr 0 ) 2 ), all the unit cells 12 (z, j) on the RwPrg_z line are Selected and programmed simultaneously by the ColPrg_0 / ColPrg_H-1 lines connected to it.

【0100】 好適実施例では、ダイナミック型の行プログラム/読み出しデコーダ16が推
奨される。それにより、内部デコーダプレチャージに行クロック(RwClk)が用
いられる。プレチャージは各行選択の前に行われる。内部プレチャージは、全て
のラインをローに引き落とすことにより、全てのRwRdライン及びRwPrgライン選
択を解除する。なお、他の選択/選択解除タイミング機構も可能であり、本発明
の範囲に含まれるものである。
In the preferred embodiment, a dynamic row program / read decoder 16 is recommended. As a result, the row clock (RwClk) is used for the internal decoder precharge. Precharge is done before each row selection. Internal pre-charge deselects all RwRd and RwPrg lines by pulling all lines low. Note that other selection / deselection timing mechanisms are possible and are within the scope of the invention.

【0101】 読み出し回路14:読み出し回路14はアレイ10内の各単位セル12からの
集められた電荷の読み出しをイネーブルする。読み出し回路14は各ColSenseラ
インまたは列毎に一つのセンスアンプ(図示せず)を有する。センスアンプは読
み出される単位セルからの電気信号を検出し(電荷、電圧または電流のいずれか
)、検出した信号をよりロバストなビデオ信号に変換する。
Read Circuit 14 : The read circuit 14 enables the reading of the collected charge from each unit cell 12 in the array 10. The read circuit 14 has one sense amplifier (not shown) for each ColSense line or column. The sense amplifier detects the electrical signal from the unit cell being read (either charge, voltage or current) and converts the detected signal into a more robust video signal.

【0102】 RwRd信号は行単位に各行の読み出しイネーブルし、センスアンプが行単位に単
位セル12の読み出しを行うことを可能とする。各センスアンプからの出力は時
間的に多重化され読み出し回路の出力に送られる。読み出し(RdOut)信号と協
調したピクセルクロック(PrgClk)信号が、読み出し回路14で受信され、それ
によって読み出しが駆動され、単位セル12の読み出しタイミングが調整される
。集められた電荷の各々を表す信号はビデオ信号Voutに変換され、出力バッフ
ァ34を通じて順次出力される。
The RwRd signal enables read-out of each row on a row-by-row basis, and enables the sense amplifier to read the unit cell 12 on a row-by-row basis. The output from each sense amplifier is temporally multiplexed and sent to the output of the read circuit. A pixel clock (PrgClk) signal that cooperates with the read (RdOut) signal is received by the read circuit 14, which drives the read and adjusts the read timing of the unit cell 12. A signal representing each of the collected charges is converted into a video signal Vout and sequentially output through the output buffer 34.

【0103】 読み出し回路14の実現態様は様々なものが可能である。例えば、ビデオ出力
をデマルチプレクスし複数のビデオ出力を通じて同時に読み出すことで、ピクセ
ルビデオ読み出しプロセスの高速化を図ることもできる。
Various implementation modes of the read circuit 14 are possible. For example, the video output can be speeded up by demultiplexing the video outputs and reading them simultaneously through multiple video outputs.

【0104】 別の好適実施例では、異なる読み出し構造及び異なる出力シーケンスが具現さ
れる。例えば、読み出し速度を上げるため、いくつかのピクセルを同じピクセル
ピリオド(pixel period)で読み出してもよい。
In another preferred embodiment, different read structures and different output sequences are implemented. For example, some pixels may be read in the same pixel period to increase the reading speed.

【0105】 行プログラムローダ18:図3を参照すると、行プログラムローダ18の好適
実施例が示されている。行プログラムローダ18は単位セル12の各々を積分/
非積分状態にプログラムするのを容易にする。好ましくは、行プログラムローダ
18はプログラムメモリまたは電荷積分プログラムジェネレータ(図示せず)か
らロードされる。このメモリまたは電荷積分プログラムジェネレータはアレイ1
0の一部であるか、あるいは構造の外部にあり、プログラムローダ18に入れら
れる。
Row Program Loader 18 : Referring to FIG. 3, a preferred embodiment of the row program loader 18 is shown. The row program loader 18 integrates each of the unit cells 12
Facilitates programming into non-integrating state. The row program loader 18 is preferably loaded from a program memory or a charge integration program generator (not shown). This memory or charge integration program generator is array 1
It is either part of 0 or outside the structure and is put into the program loader 18.

【0106】 好適実施例では、単一行プログラムが複数の外部入力ライン28を介して行プ
ログラムローダ18の内部メモリにロードされる。各入力ライン28の入力ピン
は、行プログラムをシフトして入力するのに用いられる複数のシフトレジスタ入
力30の一つに接続される。各シフトレジスタ30はk(またはr)個のステー
ジ31を有する。好適には、各シフトステージ31はD型フリップフロップであ
り、図3では、ステージ31への入力はDで示され、出力はQとして示され、ク
ロック入力はCKとして示されている。
In the preferred embodiment, a single line program is loaded into the internal memory of line program loader 18 via a plurality of external input lines 28. The input pin of each input line 28 is connected to one of a plurality of shift register inputs 30 used to shift in and input row programs. Each shift register 30 has k (or r) stages 31. Preferably, each shift stage 31 is a D flip-flop, and the input to stage 31 is shown as D, the output is shown as Q, and the clock input is shown as CK in FIG.

【0107】 ステージ31の総数はアレイ10内のColPrgラインの総数に一致する。[0107]   The total number of stages 31 corresponds to the total number of ColPrg lines in array 10.

【0108】 例として、アレイ10はp個のシフトレジスタ30を含んでいる。従って、H
がアレイ内のColPrgラインの数であり(ステージ31の総数でもある)、pが行
プログラムローダ18への入力ライン28の数であり(シフトレジスタ30の数
でもある)、p−1個のレジスタ30がk個のステージ31を有し、一つのレジ
スタ30がr個のステージ31を有するとした場合(ここでr≦k)、
By way of example, array 10 includes p shift registers 30. Therefore, H
Is the number of ColPrg lines in the array (also the total number of stages 31), p is the number of input lines 28 to the row program loader 18 (also the number of shift registers 30), and p-1 registers If 30 has k stages 31 and one register 30 has r stages 31 (where r ≦ k),

【0109】[0109]

【数12】 が成り立つ。[Equation 12] Holds.

【0110】例1 : 行プログラムローダ18の一好適実施例では、H=768個の列がアレイ10
内に含まれ、p=16個の入力ライン28の各々が関連するシフトレジスタ30
に接続される。16個のシフトレジスタ30の各々は、k=48個のステージ3
1を含む。従って、768=16・48の関係が成り立つ。この例では、r=0
であり、従ってH=(p・k)である。
Example 1 : In one preferred embodiment of the row program loader 18, H = 768 columns in array 10
Included in each of the p = 16 input lines 28 is associated with a shift register 30
Connected to. Each of the 16 shift registers 30 has k = 48 stages 3
Including 1. Therefore, the relationship of 768 = 16 · 48 is established. In this example, r = 0
And therefore H = (p · k).

【0111】例2 : 行プログラムローダ18の別の好適実施例では、H=756個の列がアレイ1
0に含まれ、p=16個の入力ライン28がある。p個の入力ライン28は、k
=48個のステージ31を有する15個のシフトレジスタ30と、r=36個の
ステージを有する一つのシフトレジスタ30とに接続される。従って、756=
[(16−1)・48]+(1・36)=(15・48)+36が成り立つ。
Example 2 : In another preferred embodiment of the row program loader 18, H = 756 columns are in array 1.
0, there are p = 16 input lines 28. The p input lines 28 are k
= 15 shift registers 30 having 48 stages 31 and one shift register 30 having r = 36 stages. Therefore, 756 =
[(16-1) · 48] + (1.36) = (15 · 48) +36 holds.

【0112】 行プログラムローディングの速度を上げるため、p個のシフトレジスタ30は
全てp個の入力ライン28によって同時にロードされる。本発明の好適実施例に
おいて、入力ライン28はデータをシフトレジスタ30に最下位ビットから最上
位ビットの順にロードする。このように、プログラムデータが最下位ビットを最
初に最上位ビットが最後になるように順に入力される場合、k回のシフトの後、
データがシフトレジスタ30内に正しいオーダーで(左から右へ)格納されるこ
ととなる。
To speed up the row program loading, all p shift registers 30 are loaded simultaneously by p input lines 28. In the preferred embodiment of the present invention, input line 28 loads data into shift register 30 in order from least significant bit to most significant bit. In this way, when the program data is sequentially input with the least significant bit first and the most significant bit last, after k shifts,
The data will be stored in the shift register 30 in the correct order (from left to right).

【0113】 しかしながら、このルールの例外は、r個のステージ31を有する最後のシフ
トレジスタ30である(rはk以下)。従って、他のp−1個のシフトレジスタ
30と動作を同期させるため、最後のシフトレジスタ30に対するデータはk−
r個のガーベッッジ/ドントケア情報ビットで始まり、その後にr個の情報ビッ
トが続くようにしなければならない。
However, an exception to this rule is the last shift register 30 with r stages 31 (r is less than or equal to k). Therefore, in order to synchronize the operation with the other p-1 shift registers 30, the data for the last shift register 30 is k-.
It must start with r garbage / don't care information bits, followed by r information bits.

【0114】 全ラインをロードするのにかかる時間TLdRwは、The time T LdRw taken to load all lines is

【0115】[0115]

【数13】 または、[Equation 13] Or

【0116】[0116]

【数14】 [Equation 14]

【0117】 となる。ここで、Intg関数は関数の引数の整数部である。[0117] Becomes Here, the Intg function is the integer part of the function argument.

【0118】例3 : 行プログラムローダ18のこの例では、H=768個の列がアレイ10に含ま
れ、p=32個の入力ライン28があり、それらは各々関連するシフトレジスタ
30に接続される。各シフトレジスタ30はk=24個のステージ31を含む。
Example 3 : In this example of row program loader 18, H = 768 columns are included in array 10 and there are p = 32 input lines 28, each connected to an associated shift register 30. It Each shift register 30 includes k = 24 stages 31.

【0119】 57.272MHzのプログラミングクロック(ピクセルクロックの4倍の周
波数。即ち、4・14.318MHz=57.272MHz)に対し、T=(
クロック時間)は17.46nsecである。従って、全ラインをロードするのにか
かる時間TLdRwは419.04nsecである。
For the programming clock of 57.272 MHz (four times the frequency of the pixel clock, that is, 4.14.318 MHz = 57.272 MHz), T p = (
The clock time) is 17.46 nsec. Therefore, the time T LdRw required to load all lines is 419.04 nsec.

【0120】 419.04nsec=24・17.46 または、 419.04nsec=[1・(768/32)]・17.46 だからである。[0120]   419.04 nsec = 24 · 17.46 Or   419.04 nsec = [1 · (768/32)] · 17.46 That's why.

【0121】 行プログラムの最後のビットをシフトインすると、プログラム全体が、好適に
は一連のD型フリップフロップを含むラインレジスタLRに送られる。
Shifting in the last bit of the row program sends the entire program to the line register LR, which preferably comprises a series of D flip-flops.

【0122】 ラインレジスタLRに格納されたデータまたはプログラムは行ロード(LdRw)
ラインを介してH個の3状態バッファ32のセットへと送られる。各3状態バッ
ファ32は関連するColPrgラインを駆動し、関連する列のプログラミングをイネ
ーブルする。
The data or program stored in the line register LR is loaded by row (LdRw)
It is sent over the line to a set of H tri-state buffers 32. Each tri-state buffer 32 drives the associated ColPrg line, enabling programming of the associated column.

【0123】 上記したように、ColPrg信号の値は単位セル12が積分/非積分サブピリオド
において光電流電荷を積分するかしないかを決定する。従って、バッファ32に
よってColPrgラインにロードされたデータは関連する単位セル12の次の積分/
非積分サブピリオドを定める一連の値(0及び1)である。
As described above, the value of the ColPrg signal determines whether the unit cell 12 integrates the photocurrent charge in the integrating / non-integrating sub-period. Therefore, the data loaded into the ColPrg line by the buffer 32 is the next integral / value of the associated unit cell 12.
A series of values (0 and 1) that define the non-integrating sub-period.

【0124】 データがラインレジスタLRへと転送され、関連する列のプログラミングが始
まると、シフトレジスタ31は自由となり、次のラインのプログラムロードのた
めのデータを受信可能となる。従って、ColPrg_iラインのプログラミングはその
後のColPrg_i+1のローディングと同時に行われる。
Once the data has been transferred to the line register LR and programming of the associated column has begun, the shift register 31 is free and ready to receive data for program loading of the next line. Therefore, programming of the ColPrg_i line is done simultaneously with the subsequent loading of ColPrg_i + 1.

【0125】 V個の行があるような実施例に対して、アレイ10全体をロードするのにかか
る時間は次の式で表される。
For an embodiment where there are V rows, the time taken to load the entire array 10 is given by:

【0126】[0126]

【数15】 [Equation 15]

【0127】 例4: 例3において説明した場合に対して、アレイ10がV=483個の行を有する
場合は、従って、 Tprg=202.39632μsec=483・[1・(768/32)]・17.46 となる。
Example 4 : For the case described in Example 3, if the array 10 has V = 483 rows, then T prg = 202.39632 μsec = 483 · [1 · (768/32)] · 17.46.

【0128】 更に図4A及び図4Bを参照すると、行プログラムローダ18によって実行さ
れる一つのラインのプログラミングについて図示されている。図4A及び図4B
において示されている信号は、図3に示したハードウェアから受信されるか或い
はその上で動作するものである。従って、符号は同様であり、XfrRw(即ち行転
送(transfer-row))ラインはXfrRw信号を送り、入力ライン28は入力データ
信号を送る。
Still referring to FIGS. 4A and 4B, one line of programming performed by the row program loader 18 is illustrated. 4A and 4B
The signals shown in are received from or operate on the hardware shown in FIG. Thus, the signs are similar, the XfrRw (ie, transfer-row) line carries the XfrRw signal and the input line 28 carries the input data signal.

【0129】 図4Aの一番上の段はプログラムクロック(PrgClk)パルスを示している。Pr
gClkパルスの各立ち上がりにおいて、時間周期Tが始まる。従って、時間周期
はPrgClkパルスの立ち上がりと立ち上がりの間に渡る。
The top row of FIG. 4A shows the program clock (PrgClk) pulse. Pr
At each rising edge of the gClk pulse, the time period T p begins. Therefore, the time period T p spans between rising edges of the PrgClk pulse.

【0130】 PrgClk信号の立ち下がり毎に、新たなデータ(Input_0, Input_1,..., Input_
p-2, 及びInput_p-1)が入力28に提供される。PrgClkがハイになる度、データ
(Input_0, Input_1,..., Input_p-2, 及びInput_p-1)はステージ31にロード
される。入力ライン28はアレイ全体がロードされるまで、連続的にデータ(入
力信号)をロードし、それをステージ31からステージ31へとシフトする。
Each time the PrgClk signal falls, new data (Input_0, Input_1, ..., Input_
p-2, and Input_p-1) are provided at input 28. Each time PrgClk goes high, the data (Input_0, Input_1, ..., Input_p-2, and Input_p-1) is loaded into stage 31. Input line 28 continuously loads data (input signal) and shifts it from stage 31 to stage 31 until the entire array is loaded.

【0131】 時間を効率よく利用するため、図3に関連して説明したように、各入力ライン
28は、k個のステージ31を有する関連するシフトレジスタ30をロードする
。従って、k個のPrgClk信号の後、各入力ライン28はk個のステージ31のロ
ードを完了していることとなる。なお、図4Aでは図を見やすくするため、4つ
の入力ライン28に関連する4つの入力信号しか示していない。しかしながら、
当業者には明らかなように、本発明は、行ローダ18に信号を供給する、関連す
る入力ライン28に対応した適切な数の入力信号を伴うものである。
To make efficient use of time, each input line 28 loads an associated shift register 30 having k stages 31, as described in connection with FIG. Therefore, after k PrgClk signals, each input line 28 has completed loading k stages 31. It should be noted that FIG. 4A shows only four input signals associated with the four input lines 28 for clarity. However,
As will be appreciated by those skilled in the art, the present invention involves an appropriate number of input signals corresponding to the associated input lines 28 which provide signals to the row loader 18.

【0132】 全ての入力信号がステージ31にロードされると、行転送(XfrRw)信号(図
4B)は、プログラミングを完了した行から接続を解放し、プログラミングを行
うべく指定された次の行へと接続する。XfrRw信号は好適には外部で制御される
信号である。
When all input signals are loaded into stage 31, the row transfer (XfrRw) signal (FIG. 4B) releases the connection from the row that has completed programming and moves to the next row designated for programming. Connect with. The XfrRw signal is preferably an externally controlled signal.

【0133】 続いて行ロード(LdRw)ラインは、プログラミングの間バッファ32をイネー
ブルするLdRw信号を発する。図4Bに示したように、XfrRw信号がローディング
のため行i−1を解放すると、LdRw信号によって行i−1がロードされる。
The row load (LdRw) line then issues the LdRw signal which enables the buffer 32 during programming. As shown in FIG. 4B, when the XfrRw signal releases row i-1 for loading, row L-1 is loaded by the LdRw signal.

【0134】 LdRw信号と同時に示されているのは、ColPrg_j信号、RwAdr信号、及びRwPrg信
号である。ColPrg信号は特定の行へバッファ32を介して送られるデータである
。ColPrg信号は関連する列に対するプログラム命令を指定するデータを含んでい
る。即ち、ColPrg_j信号は列jに対するプログラミング命令を含む。
Shown at the same time as the LdRw signal are the ColPrg_j signal, the RwAdr signal, and the RwPrg signal. The ColPrg signal is the data sent to the particular row via the buffer 32. The ColPrg signal contains data that specifies the program instruction for the associated column. That is, the ColPrg_j signal contains programming instructions for column j.

【0135】 RwAdr信号はロードされるべき行のアドレスを含み、データが適切な行にロー
ドされるようにする。RwPrg信号は適切な関連する行に対するプログラム命令を
指定するデータを含む。
The RwAdr signal contains the address of the row to be loaded, allowing the data to be loaded into the appropriate row. The RwPrg signal contains data that specifies the program instruction for the appropriate associated line.

【0136】 上記したように、アレイ10は列と行のマトリクスとして構成される。行ロー
ダ18は選択された行にデータをロードし、プログラミング情報はその行をさえ
ぎる全ての列に対して送られる。従って、影響を受ける単位セル12はその選択
された行のピクセルである。
As mentioned above, the array 10 is configured as a matrix of columns and rows. Row loader 18 loads the data into the selected row and programming information is sent to all columns that block that row. Therefore, the affected unit cell 12 is a pixel in the selected row.

【0137】 図5を参照すると、アレイ10全体の1プログラミングシーケンスのタイミン
グ図が示されている。図5の最上段は、図3及び式13に関連して定義したよう
に複数の時間TLdRWを複合した時間Tprgの間ハイに留まるPrg信号を示
している。Tprgはアレイ10全体の1プログラミングシーケンスに必要な時
間である。
Referring to FIG. 5, a timing diagram for one programming sequence for the entire array 10 is shown. The top row of FIG. 5 shows a Prg signal that remains high for a time T prg that is a composite of multiple times T LdRW as defined in connection with FIG. 3 and Equation 13. T prg is the time required for one programming sequence for the entire array 10.

【0138】 一連のXfrRw信号がハイになると、プログラムされるべき一連の行を解放する
。各XfrRw信号の立ち下がりと同時に、関連するLdRw信号がハイになる。従って
、XfrRw信号が行0を解放すると、LdRw信号0がハイになり、それによって行0
がラインレジスタのデータを受け取る準備ができる。
When the series of XfrRw signals goes high, it releases the series of rows to be programmed. Simultaneously with the falling edge of each XfrRw signal, the associated LdRw signal goes high. Therefore, when the XfrRw signal releases row 0, the LdRw signal 0 goes high, which causes row 0
Is ready to receive the line register data.

【0139】 LdRw信号の各開始とともに、全てのColPrg及びRwAdr信号は状態を変え、図4
において説明したような適切なタスクを実行する。
With each start of the LdRw signal, all ColPrg and RwAdr signals change state,
Perform the appropriate task as described in.

【0140】 図5に示したように、特定の行に対するLdRw信号がハイになると、その特定の
行に関連する行に対するRwPrg信号のみがハイになる。従って、LdRw_0信号の立
ち上がりと同時に、RwPrg_0が行0のプログラミングを開始し、LdRw_1信号の立
ち上がりと同時に、RwPrg_1が行1のプログラミングを開始する。よって、行0
から行V−1への行プログラミングの進行を図5から理解することができる。
As shown in FIG. 5, when the LdRw signal for a particular row goes high, only the RwPrg signal for the row associated with that particular row goes high. Therefore, RwPrg_0 starts programming row 0 at the same time as the rising edge of the LdRw_0 signal, and RwPrg_1 starts programming row 1 at the same time as the rising edge of the LdRw_1 signal. So line 0
The row programming progression from row to row V-1 can be seen in FIG.

【0141】 Int信号(図5の最下段)はプログラミングシーケンスの間ローであり、電荷
積分をディスエーブルする。従って、プログラミングシーケンスの間積分は行わ
れず、積分プロセスに干渉することなくプログラミングの実行がイネーブルされ
る。
The Int signal (bottom row of FIG. 5) is low during the programming sequence, disabling charge integration. Therefore, no integration takes place during the programming sequence and execution of programming is enabled without interfering with the integration process.

【0142】 図6を参照すると、アレイ10のプログラミング及び積分シーケンスのタイミ
ング図が示されている。アレイ10はq回プログラミング及び積分がなされるが
、各積分サブピリオドTqの前にアレイ10全体のプログラミングがなされる。
Referring to FIG. 6, a timing diagram of the programming and integration sequence of array 10 is shown. The array 10 is programmed and integrated q times, but the entire array 10 is programmed before each integration sub-period Tq.

【0143】 図6に示されているように、各プログラミングシーケンスの後に積分サブピリ
オドが続く。本発明の好適実施例において、積分サブピリオドはサイクル毎に半
分にされ、第2の積分サブピリオドTq−2は第1の積分サブピリオドTq−1 の半分となっている。
As shown in FIG. 6, each programming sequence is followed by an integration sub-period. In the preferred embodiment of the present invention, the integral sub-period is halved every cycle and the second integral sub-period T q-2 is half the first integral sub-period T q-1 .

【0144】 各単位セル12は、係数ベクトル(uq−1q−2...u によって定められる、uプログラミング係数の固有のセットによって支配され
る積分を行う。プログラミング係数uは各プリプログラムされた積分サブピリ
オドに対して積分または非積分状態を定義し、uがハイ(1)のときは積分が
実行され、uがローのときは積分が行われないようにする。
Each unit cell 12 performs an integration dominated by a unique set of u m programming coefficients, defined by the coefficient vector (u q-1 u q-2 ... u 2 u 1 u 0 ) 2 . . The programming factor u m defines the integrating or non-integrating state for each preprogrammed integration sub-period: integration is performed when u m is high (1) and integration is performed when u m is low. Do not be discouraged.

【0145】 従って、トータルの積分時間Tは、式(6)に示したように、プログラミング
係数u及び基本時間積分単位Tによって決定される。従って、各単位セル1
2は固有の且つ独立して定義される電荷積分、即ち、電荷積分時間を経る。
Therefore, the total integration time T is determined by the programming coefficient u m and the basic time integration unit T 0 , as shown in equation (6). Therefore, each unit cell 1
2 undergoes a unique and independently defined charge integration, ie charge integration time.

【0146】 図6に示されているように、Rst信号がハイになると、単一フレームのプログ
ラミング/積分/読み出しが開始される。Rst信号の直後には第1アレイプログ
ラミングサイクルが続く。
As shown in FIG. 6, when the Rst signal goes high, a single frame of programming / integration / readout is initiated. The first array programming cycle follows immediately after the Rst signal.

【0147】 第1電荷積分の間、最上位のプログラミング係数uq−1,i,jがそれぞれ
の単位セル12にプログラムされている。第1アレイプログラミングの後にアレ
イ10全体の電荷積分が続く。特許出願PCT/1L00/00129に記載されているように
、複数の電荷積分サブピリオドを伴う単位セル12に対し、uq−1,i,j
1の場合、単位セル12(i,j)は時間Tq−1=2q−1・Tの間電荷積
分を行う。しかしながら、uq−1,i,j=0の場合、単位セル12ではこの
電荷積分ステップでは積分がなされない。このサイクルの後には、別のサイクル
が続く。この次に続くサイクルもアレイ全体のプログラミングから始まるが、こ
のときはuq−2,i,j係数でプログラミングされる。この後別の電荷積分ス
テップが続くが、このときは時間Tq−2=2q−2・Tの間行われる。
During the first charge integration, the highest programming coefficient u q−1, i, j is programmed in each unit cell 12. The first array programming is followed by charge integration for the entire array 10. As described in patent application PCT / 1L00 / 00129, for unit cells 12 with multiple charge integration sub-periods, u q-1, i, j =
In the case of 1, the unit cell 12 (i, j) performs charge integration during the time T q−1 = 2 q−1 · T 0 . However, when u q−1, i, j = 0, integration is not performed in the unit cell 12 in this charge integration step. This cycle is followed by another cycle. This next cycle also begins with programming the entire array, but this time with the u q-2, i, j coefficients. This is followed by another charge integration step, but this time for a time T q-2 = 2 q-2 · T 0 .

【0148】 サブピリオド電荷積分は最後の電荷積分(このときアレイは係数u0,i,j によってプログラムされ、最短積分T=Tとなる)まで続く。各電荷積分では
、積分コンデンサに追加的に電荷が蓄積され、次の電荷積分まで保持される。実
効的に、各ピクセルに対する積分時間は異なり、式(6)によって定義されるよ
うにプログラミング係数uによって支配される。
The sub-period charge integration continues until the last charge integration, where the array is programmed by the coefficients u 0, i, j such that the shortest integration T = T 0 . At each charge integration, additional charge is accumulated in the integrating capacitor and held until the next charge integration. Effectively, the integration time for each pixel is different and is dominated by the programming factor u m as defined by equation (6).

【0149】 なお、ここでは積分サブピリオドTは最長から最短まで変化しているが、タ
イミングスケジュールの別の変形実施態様も可能であり、本発明の範囲内に入る
ものである。
It should be noted that although the integration sub-period T m here varies from the longest to the shortest, other variants of the timing schedule are possible and within the scope of the invention.

【0150】 プログラミング/積分時間の後にはイメージセンサアレイの読み出しが続く。
Tをトータルの積分時間、TRdをイメージセンサアレイの読み出し時間、T rg をトータルのプログラミング時間、TFRを単一のフレームに割り当てられ
た時間、そしてqをプログラム/積分サイクルの数とすると、 (16) TFR=T+q・TPrg+TRd となる。
The programming / integration time is followed by the readout of the image sensor array.
The T total integration time, read time of the image sensor array T Rd, T P rg total programming time, time assigned T FR in a single frame, and when the number of program / integration cycles q , (16) T FR = T + q · T Prg + T Rd .

【0151】 例5:例3及び4で説明したイメージセンサに対し、プログラム/積分サイク
ルの数q=10;イメージセンサの読み出しに対しTRd=8msec;積分に対しT
=23.31msec;例4からのTprgは202.39632μsecとする。動画ビデオに対し
フレームレートは1秒当たり30フレームなので、TFR=33.333msecとなる。
また10回のプログラムサイクルによって消費される時間は2.023msecとなる。
そうすると、次の関係が成り立つ: 33.333msec=23.31msec+10・202.39632μsec+8msec なお、10回の積分があることから、23.31msec以下でステップ式に増加
する1023通りの異なる電荷積分値が可能である。
Example 5 : For the image sensor described in Examples 3 and 4, the number of program / integral cycles q = 10; T Rd = 8 msec for reading the image sensor; T for integration
= 23.31 msec; T prg from Example 4 is 202.39632 μsec. Since the frame rate for moving video is 30 frames per second, T FR = 33.333 msec.
The time consumed by 10 program cycles is 2.023 msec.
Then, the following relationship holds: 33.333 msec = 23.31 msec + 10202.39632 μsec + 8 msec Since there are 10 integrations, 1023 different charge integration values that increase stepwise in 23.31 msec or less are possible.

【0152】 上記実施例から、各ピクセルを、時間単位刻みでプログラムされる広い範囲の
電荷蓄積時間で個々に独立してプログラムすることが可能であることがわかる。
このことは、広いダイナミックレンジのシーンをキャプチャするのに有効であり
、また、量子化ノイズを低減する上で重要である。プログラミングによって消費
される時間は十分に短く設計することが可能であり、最大積分時間にほとんど影
響しない。
From the above examples, it can be seen that each pixel can be independently programmed with a wide range of charge storage times programmed in time increments.
This is effective in capturing a wide dynamic range scene and is important in reducing quantization noise. The time consumed by programming can be designed short enough to have little effect on the maximum integration time.

【0153】 本発明の別の有用な側面は、広い電荷積分時間ダイナミックレンジ(DR
である。電荷積分時間ダイナミックレンジ(DR)が、
Another useful aspect of the invention is the wide charge integration time dynamic range (DR T ).
Is. The charge integration time dynamic range (DR T ) is

【0154】[0154]

【数16】 [Equation 16]

【0155】 で定義されるとすると(ここでTはトータルの積分時間、Tは基本時間積分単
位)、次の式が得られる。
If (where T is the total integration time and T 0 is the basic time integration unit), the following equation is obtained.

【0156】[0156]

【数17】 [Equation 17]

【0157】 q>>1とすると、次の式が得られる。[0157] If q >> 1, the following equation is obtained.

【0158】[0158]

【数18】 [Equation 18]

【0159】 積分時間ダイナミックレンジDRパラメータは人工網膜の高いダイナミック
レンジを実現する上でのキーとなる特性の一つである。プログラムロードバスが
広いほど及び/またはプログラムクロックが速いほど、より多くのプログラム/
積分サイクルが可能となり、従ってより広い積分時間ダイナミックレンジを得る
ことができる。
[0159] integration time dynamic range DR T parameter is one of characteristics as a key in order to achieve high dynamic range artificial retina. The wider the program load bus and / or the faster the program clock, the more programs /
Integral cycles are possible and thus a wider integration time dynamic range can be obtained.

【0160】 このように、本発明の実施例に基づいて構築され動作することで、アレイ10
は単一の積分時間内で(または、単一フレーム内でといっても等価)、複数のプ
ログラミング及び電荷積分サブピリオドを提供する。約60MHzのプログラム
クロックで動作する回路からなる提示された例は、現在の技術水準をなすCMO
S技術によって実現可能である。しかしながら、プログラムクロックが信号ノイ
ズに及ぼし得る影響を除去することに注意を払う必要がある。アレイ10の外部
にある行プログラムローダ18を介してプログラムがなされことから、回路は注
意深く隔離され、アレイから切り離される。たとえば、行プログラムローダ18
の配置周りに適切なガードリング(guard ring)を設けることがこの目的を達成
するのに有効となり得る。
In this manner, the array 10 is constructed and operated according to the embodiment of the present invention.
Provides multiple programming and charge integration sub-periods within a single integration time (or equivalently within a single frame). The presented example consisting of a circuit operating at a program clock of about 60 MHz is a state-of-the-art CMO.
It can be realized by S technology. However, care must be taken to eliminate the effect that the program clock can have on signal noise. The circuitry is carefully isolated and disconnected from the array as it is programmed through the row program loader 18 which is external to the array 10. For example, line program loader 18
Providing a suitable guard ring around the placement of the can be useful in achieving this end.

【0161】 インタレースイメージセンサ TV形式イメージセンサは通常インタレースモードで動作する。インタレース
モードでは、フレーム出力は2つのフィールドに分割される。第1フィールドピ
リオドでは、ライン0、2、4、...が読み出される。第2フィールドピリオ
ドでは、ライン1、3、5、...が読み出される。読み出しタイミングはTV
形式(NTSCまたはPAL形式)のタイミングと整合される。インタレースイ
メージセンサでは、一方のフィールドについてプログラム/積分サイクルがなさ
れる一方で、他方のフィールドで読み出しがなされる。
Interlaced Image Sensor TV type image sensors normally operate in interlaced mode. In interlaced mode, the frame output is split into two fields. In the first field period, lines 0, 2, 4 ,. . . Is read. In the second field period, lines 1, 3, 5 ,. . . Is read. Readout timing is TV
Aligned with the timing of the format (NTSC or PAL format). In the interlaced image sensor, a program / integrate cycle is performed for one field while reading is performed for the other field.

【0162】 図7及び図8を参照すると、インタレース型CMOSイメージセンサアレイ5
0に対する独立/パーピクセル電荷積分制御の実施における様々な側面が示され
ている。
Referring to FIGS. 7 and 8, the interlaced CMOS image sensor array 5
Various aspects of implementing independent / per-pixel charge integration control for zero are shown.

【0163】 図7はイメージセンサアレイ50のブロック図である。図8はアレイ50内で
用いられる単位セル52を示している。アレイ10と同様の要素には同様の符号
を付し、これ以上説明しない。
FIG. 7 is a block diagram of the image sensor array 50. FIG. 8 shows a unit cell 52 used in the array 50. Elements that are similar to array 10 are similarly numbered and will not be described further.

【0164】 好適実施例において、イメージセンサアレイ50はH個のColPrg/ColSense列
と、V個のRwPrg/RwRdライン(行)を有し、ここでVは奇数とする。好適には奇
数番のColPrgラインのプログラミングは偶数番のColSenseラインの読み出しと同
時になされる。
In the preferred embodiment, the image sensor array 50 has H ColPrg / ColSense columns and V RwPrg / RwRd lines (rows), where V is an odd number. The programming of the odd ColPrg lines is preferably done at the same time as the reading of the even ColSense lines.

【0165】 従って、この好適な実施のため、単位セル52はColPrgラインがColSenseライ
ンから分離されていることを必要とする。
Therefore, for this preferred implementation, the unit cell 52 requires the ColPrg line to be separated from the ColSense line.

【0166】 しかしながら、単位セル52の他の側面は単位セル12と同様であり、更なる
説明はしない。
However, other aspects of the unit cell 52 are similar to the unit cell 12 and will not be described further.

【0167】 イメージセンサアレイ50は2つの行プログラム/読み出しデコーダ16E、
16Dを含んでいる。一方のラインデコーダが読み出しを制御している間、他方
はプログラミングを制御する。
The image sensor array 50 includes two row program / readout decoders 16E,
16D is included. One line decoder controls the reading while the other controls the programming.

【0168】 行プログラム/読み出しデコーダ16Eは偶数番の読み出し(RwRd)及びプロ
グラム(RwPrg)ラインを制御する。読み出しサイクルの間、デコーダ16Eは
偶数番のRwRdライン(RwRd_0, RwRd_2, RwRd_4, RwRd_6....)を生成する。プロ
グラム/積分サイクルでは、デコーダ16Eは偶数番のRwPrgライン(RwPrg_0,
RwPrg_2, RwPrg_4, RwPrg_6....)を生成する。
The row program / read decoder 16E controls even-numbered read (RwRd) and program (RwPrg) lines. During the read cycle, the decoder 16E generates even-numbered RwRd lines (RwRd_0, RwRd_2, RwRd_4, RwRd_6 ....). In the program / integrate cycle, the decoder 16E has an even-numbered RwPrg line (RwPrg_0,
RwPrg_2, RwPrg_4, RwPrg_6 ....) is generated.

【0169】 デコーダ16Eの動作は複数の信号、即ち、偶数読み出し(read-even: RdEve
n)信号及び偶数プログラム(program-even: PrgEven)信号によって制御される
。RdEven信号がローでPrgEven信号がハイのとき、偶数番のRwPrgライン上の単位
セル52が活動化される。RdEvenがハイでPrgEvenがローのとき、偶数番のRdRw
ライン上の単位セル52が活動化される。RdEvenとPrgEvenの両方がローのとき
、デコーダ16EからのRwRd及びRwPrgラインは全てローであり、従って非アク
ティブとなる。
The decoder 16E operates by a plurality of signals, that is, read-even (RdEve).
n) signal and program-even (PrgEven) signal. When the RdEven signal is low and the PrgEven signal is high, the unit cell 52 on the even numbered RwPrg line is activated. Even RdRw when RdEven is high and PrgEven is low
The unit cell 52 on the line is activated. When both RdEven and PrgEven are low, the RwRd and RwPrg lines from decoder 16E are all low and therefore inactive.

【0170】 行プログラム/読み出しデコーダ16Dは奇数番の読み出し及びプログラムラ
インを制御する。読み出しサイクルの間、デコーダ16Dは奇数番の読み出しラ
イン(RwRd_1, RwRd_3, RwRd_5, RwRd_7....)を生成する。プログラム/積分サ
イクルでは、デコーダ16Dは奇数番のプログラムライン(RwPrg_1, RwPrg_3,
RwPrg_5, RwPrg_7....)を生成する。
The row program / read decoder 16D controls the odd-numbered read and program lines. During the read cycle, the decoder 16D produces odd read lines (RwRd_1, RwRd_3, RwRd_5, RwRd_7 ....). In the program / integrate cycle, the decoder 16D outputs the odd-numbered program lines (RwPrg_1, RwPrg_3,
RwPrg_5, RwPrg_7 ....) is generated.

【0171】 デコーダ16の動作は複数の信号、即ち奇数読み出し(read-odd: RdOdd)信
号及び奇数プログラム(program-odd: PrgOdd)信号によって制御される。RdOdd
信号がローでPrgOdd信号がハイのとき、奇数番のRwPrgライン上の単位セル52
が活動化される。RdOddがハイでPrgOddがローのとき、奇数番のRdRwライン上の
単位セル52が活動化される。RdOddとPrgOddの両方がローのとき、デコーダ1
6DからのRwRd及びRwPrgラインは全てローであり、従って非アクティブとなる
The operation of the decoder 16 is controlled by a plurality of signals, that is, an odd-number read (read-odd: RdOdd) signal and an odd-number program (program-odd: PrgOdd) signal. RdOdd
Unit cell 52 on odd RwPrg line when signal is low and PrgOdd signal is high
Is activated. When RdOdd is high and PrgOdd is low, the unit cell 52 on the odd RdRw line is activated. Decoder 1 when both RdOdd and PrgOdd are low
The RwRd and RwPrg lines from 6D are all low and therefore inactive.

【0172】 好適実施例では、RdEven信号はRdOdd信号と逆の極性であり、PrgEven信号はPr
gOdd信号と逆の極性である。しかしながら、この例では、全てのRwRdライン及び
RwPrgラインが非活動化されているときは全てのラインが同じ極性となることに
注意されたい。従って、デコーダ16Eが偶数プログラム制御信号を生成すると
き、デコーダ16Dは奇数読み出し制御信号を生成し、逆も成り立つ。
In the preferred embodiment, the RdEven signal is of opposite polarity to the RdOdd signal and the PrgEven signal is Pr.
It has the opposite polarity to the gOdd signal. However, in this example all RwRd lines and
Note that all lines have the same polarity when the RwPrg line is deactivated. Thus, when the decoder 16E produces an even program control signal, the decoder 16D produces an odd read control signal and vice versa.

【0173】 本発明のインタレースでの実施例に整合するように、読み出し回路14は偶数
番と奇数番のRwRdライン上の単位セル52を交互に読み出す。好適には、偶数番
のRwRdライン上の単位セル52が最初に読み出され、続いて奇数番のRwRdライン
上の単位セル52の読み出しがなされる。
To be consistent with the interlaced embodiment of the present invention, the read circuit 14 alternately reads the unit cells 52 on the even and odd RwRd lines. Preferably, the unit cells 52 on the even-numbered RwRd lines are read first, and then the unit cells 52 on the odd-numbered RwRd lines are read.

【0174】 偶数番の単位セル52に対するプログラム/積分サイクルは奇数番の単位セル
52の読み出しと同時になされる(逆も成り立つ)ため、Rst信号とInt信号は偶
数フィールドと奇数フィールドに対して分かれていることが好ましい。
Since the program / integration cycle for the even-numbered unit cells 52 is performed at the same time as the reading of the odd-numbered unit cells 52 (and vice versa), the Rst signal and the Int signal are separated for the even field and the odd field. Is preferred.

【0175】 従って、偶数積分(integrate-even: IntEven)信号が、偶数番のIntライン上
の単位セル52の積分を活性化する。IntEven信号は、偶数番のRwRdライン上の
単位セル52の読み出しの間は非活性化される。
Accordingly, the integral-even (IntEven) signal activates the integration of the unit cell 52 on the even-numbered Int line. The IntEven signal is inactivated during reading of the unit cell 52 on the even-numbered RwRd lines.

【0176】 また、偶数リセット(reset-even: RstEven)信号が、偶数番のRstライン上の
単位セル52のリセットを活性化する。Rst信号は、偶数番のRwRdライン上の単
位セル52の読み出しの間は非活性化される。
Further, an even reset (reset-even: RstEven) signal activates the reset of the unit cell 52 on the even-numbered Rst line. The Rst signal is inactivated during reading of the unit cells 52 on the even-numbered RwRd lines.

【0177】 奇数積分(integrate-odd: IntOdd)信号及び奇数リセット(reset-odd: RstO
dd)信号は奇数番ライン上の単位セル52に対して同様の機能を果たす。
Odd integration (integrate-odd: IntOdd) signal and odd reset (reset-odd: RstO)
The dd) signal performs a similar function to the unit cells 52 on the odd numbered lines.

【0178】 図9を参照すると、行プログラムローダ58が示されている。また図10には
、ローダ58の単一の行プログラミングにおける使用について示すタイミング図
が図示されている。図11は、偶数フィールドラインプログラミングのタイミン
グ図である。上記した実施例と同様の要素には同様の符号を付し、以下では説明
を省略する。
Referring to FIG. 9, a row program loader 58 is shown. Also shown in FIG. 10 is a timing diagram illustrating use of loader 58 in single row programming. FIG. 11 is a timing diagram of even field line programming. The same elements as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and description thereof will be omitted below.

【0179】 図9に示した流れは図3に示した流れと同様であり、図3に関連して上記にお
いて説明したのと同様に機能する。しかしながら、単位セル52は別個のColPrg
ラインとColSenseラインを有しており、従って3状態は必要なく、図9では示さ
れていないことに注意されたい。
The flow shown in FIG. 9 is similar to the flow shown in FIG. 3 and functions as described above in connection with FIG. However, the unit cell 52 is a separate ColPrg
Note that we have a line and a ColSense line, so the three states are not needed and are not shown in FIG.

【0180】 また、図10及び図11に示したタイミングはそれぞれ図4及び図5に示した
のと同様であり、これらの図を参照して上述したのと同様に機能する。
Further, the timings shown in FIGS. 10 and 11 are the same as those shown in FIGS. 4 and 5, respectively, and the same functions as those described above with reference to these figures are performed.

【0181】 しかしながら、図11はPrgEven信号とPrgOdd信号の両方を図示しているのに
対し、図5はPrg信号しか図示していない。しかし、PrgEven信号がハイのときは
PrgOdd信号はローであり、また逆も成り立つので、適切なハイ信号(PrgEven信
号)は図5に示したようなPrg信号と同様に機能し、図11に適用可能である。
However, while FIG. 11 illustrates both the PrgEven signal and the PrgOdd signal, FIG. 5 illustrates only the Prg signal. But when the PrgEven signal is high
Since the PrgOdd signal is low and vice versa, a suitable high signal (PrgEven signal) functions similarly to the Prg signal as shown in FIG. 5 and is applicable to FIG.

【0182】 図11には示されていないが、RwPrgライン0、2、4、...の単位セル5
2がプログラムされている間、RwRdライン1、3、5、...上の単位セルの読
み出しがなされる。偶数番のRwPrgラインの単位セル52のプログラミングの直
後、IntEven信号がハイになり、偶数行単位セル52における電荷積分が開始さ
れる。しかしながら、IntOddはローに留まるため、奇数行単位セルでは電荷積分
はなされない。
Although not shown in FIG. 11, RwPrg lines 0, 2, 4 ,. . . Unit cell 5
2 is programmed, RwRd lines 1, 3, 5 ,. . . The upper unit cell is read. Immediately after programming the unit cells 52 of the even-numbered RwPrg lines, the IntEven signal goes high and charge integration in the even-row unit cells 52 begins. However, since IntOdd stays low, no charge integration is done in the odd row unit cells.

【0183】 TPrgサイクルの各々に対するプログラミングサイクルは、偶数または奇数
のいずれでも、半分の行のみがプログラムされるため、半分になる。すなわち、 (18) TPrg=Intg(V/2+1)・Intg(H/p+1)・T 奇数行フィールドに対するプログラミングサイクルは偶数行フィールドと同様
である。ラインの総数が奇数となっても、プログラムするラインが一つすくない
ため、やや短い時間でなされる。
The programming cycle for each of the TPrg cycles is halved, whether even or odd, because only half the rows are programmed. That is, (18) T Prg = Intg (V / 2 + 1) · Intg (H / p + 1) · T p The programming cycle for an odd row field is similar to that for an even row field. Even if the total number of lines is odd, it takes a little shorter time because there is only one line to program.

【0184】 例6: 例3及び4に記載した場合において、インタレース読み出しイメージセンサを
適用する。式(20)に基づくと、アレイの偶数行フィールドをプログラムする
のに101.40768μsecかかる。
Example 6 An interlaced readout image sensor is applied in the case described in Examples 3 and 4. Based on equation (20), it takes 101.40768 μsec to program the even row fields of the array.

【0185】 図12を参照すると、インタレース読み出し用のアレイ50のプログラミング
及び積分サイクルのタイミング図が示されている。偶数フィールドと奇数フィー
ルドは互いに前後して交互にプログラムされることに気づくだろう。
Referring to FIG. 12, a timing diagram of the programming and integration cycle of array 50 for interlaced read is shown. It will be noted that the even and odd fields are programmed alternately before and after each other.

【0186】 偶数行フィールドの電荷積分は、偶数行単位セル52内の積分コンデンサを放
電させるRstEvenによって開始される。続いて、偶数行フィールド単位セル52
はq回のプログラム/積分サイクルを経る。これらのサイクルは、原理的には、
ノンインタレースイメージセンサアレイ10について上記したのと同様であり、
ここでは詳述しない。
The charge integration of the even row fields is initiated by RstEven which discharges the integrating capacitors in the even row unit cells 52. Then, the even-row field unit cell 52
Undergoes q program / integral cycles. These cycles are, in principle,
Same as described above for the non-interlaced image sensor array 10,
It will not be detailed here.

【0187】 この特定のケースでは、偶数フィールドプログラミングは一方のフィールド時
間でなされ、読み出しは他方でなされる。従って、 (19) TFL=T+q・TPrg ここで、TFLはフィールド時間である。
In this particular case, even field programming is done in one field time and reading is done in the other. Therefore, (19) T FL = T + qT Prg, where T FL is the field time.

【0188】 例7: 例3及び例5で述べたのと同様のイメージセンサであるが、インタレース読み
出しタイプのものについて10回のプログラム/積分サイクルを行う。フレーム
レートは1秒当たり30フレームであり、フィールドレートは1秒当たり60フ
ィールドである。この場合、TFL=16.666msec、10回のプログラムサ
イクルに要する時間は1.014msecであり、積分用に15.652msecを残す
。10回のサイクルがあることから、15.652msec刻みで1023通りの異
なる電荷積分が可能である。
Example 7 : An image sensor similar to that described in Examples 3 and 5, but of the interlaced read type is subjected to 10 program / integrate cycles. The frame rate is 30 frames per second and the field rate is 60 fields per second. In this case, T FL = 16.666 msec, the time required for 10 program cycles is 1.014 msec, leaving 15.652 msec for integration. Since there are 10 cycles, 1023 different charge integrations are possible in 15.652 msec steps.

【0189】 上記においてはアクティブ信号をハイ、非アクティブ信号をローとしたが、当
業者には明らかなように、逆極性及び成分も適用可能であり、本発明の範囲に含
まれる。
Although the active signal is high and the inactive signal is low in the above description, it will be apparent to those skilled in the art that reverse polarities and components are applicable and are included in the scope of the present invention.

【0190】 上記において開示した方法及び装置は特定のハードウェア及びソフトウェアに
関して説明されている。しかしながら、これら方法及び装置は、当業者が必要に
応じて商業的に入手可能なハードウェア及びソフトウェアを用いて本発明の実施
例を独自の実験を要することなく、従来の技法を用いて容易に実施可能な程度に
十分説明されている。
The methods and apparatus disclosed above have been described in terms of particular hardware and software. However, these methods and apparatus are readily apparent to one of ordinary skill in the art using conventional techniques, without the need for independent experimentation with embodiments of the invention using commercially available hardware and software. It is fully explained to the extent practicable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図1は、本発明の好適実施例に基づいて構築され動作する、ノンインタレース
ビデオを実現するためのイメージセンサアレイ構造を模式的に示す図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an image sensor array structure for implementing non-interlaced video constructed and operative in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

【図2】 図2は、図1に示した構造とともに用いられる複数の積分サブピリオドを提供
するイメージセンサ単位セルを示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an image sensor unit cell providing a plurality of integrating sub-periods for use with the structure shown in FIG.

【図3】 図3は、本発明の好適実施例に基づいて構築され動作する図1に示した構造に
おいて用いられる行プログラムローダの模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a row program loader used in the structure shown in FIG. 1 constructed and operative in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

【図4A】 図4Aは図1に示した構造を用いて実施する際の一回の行プログラミングのタ
イミング図である。
FIG. 4A is a timing diagram for a single row programming as implemented using the structure shown in FIG.

【図4B】 図4Bは図1に示した構造を用いて実施する際の一回の行プログラミングのタ
イミング図である。
FIG. 4B is a timing diagram for one row programming when implemented using the structure shown in FIG. 1.

【図5】 図5は図1に示した構造で実施されるプログラミングシーケンスのタイミング
図である。
FIG. 5 is a timing diagram of a programming sequence implemented in the structure shown in FIG.

【図6】 図6は図1に示した構造で機能するプログラミング/積分インターバルのタイ
ミング図である。
FIG. 6 is a timing diagram of programming / integration intervals that function with the structure shown in FIG.

【図7】 図7は、本発明の代替的な好適実施例に基づいて構築され動作する、インタレ
ースビデオに対して実施するためのイメージセンサアレイ構造の模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram of an image sensor array structure for implementation on interlaced video constructed and operative in accordance with an alternative preferred embodiment of the present invention.

【図8】 図8は、図7に示した構造とともに用いられ、複数の積分サブピリオドを提供
する代替的なイメージセンサの模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of an alternative image sensor used with the structure shown in FIG. 7 to provide multiple integrating sub-periods.

【図9】 図9は、本発明の代替的な好適実施例に基づいて構築され動作する、図7に示
した構造において用いられる行プログラムローダの模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram of a row program loader used in the structure shown in FIG. 7 constructed and operative in accordance with an alternative preferred embodiment of the present invention.

【図10A】 図10Aは図7の構造で実施される単一行プログラミングのタイミング図であ
る。
10A is a timing diagram for single row programming implemented with the structure of FIG. 7. FIG.

【図10B】 図10Bは図7の構造で実施される単一行プログラミングのタイミング図であ
る。
10B is a timing diagram for single row programming implemented in the structure of FIG. 7. FIG.

【図11】 図7の構造で実施される偶数行プログラミングのタイミング図である。FIG. 11   FIG. 8 is a timing diagram of even row programming implemented in the structure of FIG. 7.

【図12】 図7の構造で実施されるインタレース読み出し、プログラム及び積分サイクル
のタイミング図である。
12 is a timing diagram of interlaced read, program and integrate cycles implemented with the structure of FIG. 7. FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW Fターム(参考) 4M118 AA02 AB01 BA14 DB03 DB09 DD12 FA06 5C024 CX43 GY31 HX31 HX35 HX55 JX11 JX14 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, C A, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM , DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, K E, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS , LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, R U, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM , TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW F-term (reference) 4M118 AA02 AB01 BA14 DB03 DB09                       DD12 FA06                 5C024 CX43 GY31 HX31 HX35 HX55                       JX11 JX14

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 時間フレームの終わりにキャプチャしたイメージを生成するセン
サアレイであって、 複数回のフレーム内電荷積分によって前記イメージを検出するための複数の単
位セルと、 前記単位セルの各々を個別に制御するための制御手段とを含むことを特徴とす
るセンサアレイ。
1. A sensor array for generating an image captured at the end of a time frame, the unit cells for detecting the image by a plurality of in-frame charge integrations, and each of the unit cells individually. And a control means for controlling the sensor array.
【請求項2】 前記電荷積分がコンデンサ放電であることを特徴とする請求項1
に記載のセンサアレイ。
2. The charge integration is a capacitor discharge.
The sensor array described in 1 ..
【請求項3】 前記単位セルが、光電流積分及び非積分状態を有するプログラム
可能な複数回電荷積分式単位セルであることを特徴とする請求項1に記載のセン
サアレイ。
3. The sensor array of claim 1, wherein the unit cell is a programmable multiple charge integration unit cell having photocurrent integration and non-integration states.
【請求項4】 前記制御手段が前記各単位セルの単一のフレームキャプチャにお
ける複数回の電荷積分を、他のセルの電荷積分とは独立して、個別に制御するた
めの手段を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のセンサアレイ。
4. The control means includes means for individually controlling charge integration of a plurality of times in a single frame capture of each unit cell, independently of charge integration of other cells. The sensor array according to claim 1, wherein:
【請求項5】 前記制御手段が、前記単一のフレームキャプチャの各々において
、前記セルの所定のグループに含まれる前記単位セルの各々の電荷を概ね同時に
且つ個別に積分するための手段を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の
センサアレイ。
5. The control means includes means for integrating, in each of the single frame captures, the charge of each of the unit cells included in the predetermined group of cells at approximately the same time and individually. The sensor array according to claim 1, wherein the sensor array comprises:
【請求項6】 前記制御手段が、 前記単位セルに複数の第1信号を伝達するための行選択ラインと、 前記単位セルに複数の第2信号を伝達するための列選択ラインとを含み、 前記第2信号はプログラム及びセンス信号を含むことを特徴とする請求項1に
記載のセンサアレイ。
6. The control means includes a row selection line for transmitting a plurality of first signals to the unit cell, and a column selection line for transmitting a plurality of second signals to the unit cell, The sensor array of claim 1, wherein the second signal includes a program signal and a sense signal.
【請求項7】 前記制御手段が前記単位セルをプログラムするための手段を含ん
でいることを特徴とする請求項1に記載のセンサアレイ。
7. The sensor array of claim 1, wherein the control means includes means for programming the unit cell.
【請求項8】 前記プログラムするための手段が、前記セルの所定のグループを
概ね同時にプログラムするための手段を含んでいることを特徴とする請求項7に
記載のセンサアレイ。
8. The sensor array of claim 7, wherein the means for programming includes means for programming a given group of cells at substantially the same time.
【請求項9】 前記セルの前記グループが前記セルのラインであることを特徴と
する請求項8に記載のセンサアレイ。
9. The sensor array of claim 8, wherein the group of cells is a line of cells.
【請求項10】 前記プログラムするための手段が、前記セルのラインを順次プ
ログラムするための手段を含んでいることを特徴とする請求項9に記載のセンサ
アレイ。
10. The sensor array of claim 9, wherein the means for programming comprises means for sequentially programming the lines of cells.
【請求項11】 前記プログラムするための手段が、前記複数の単位セルを含む
1または複数の前記ラインを順次プログラムするための手段を含むことを特徴と
する請求項9に記載のセンサアレイ。
11. The sensor array of claim 9, wherein the means for programming includes means for sequentially programming one or more of the lines containing the plurality of unit cells.
【請求項12】 前記制御手段が前記単一のフレームキャプチャ内においてN個
(Nは1以上)の電荷積分サブピリオドを提供する手段を含むことを特徴とする
請求項4に記載のセンサアレイ。
12. The sensor array of claim 4, wherein the control means includes means for providing N (N is 1 or more) charge integration sub-periods within the single frame capture.
【請求項13】 前記制御手段が前記電荷積分サブピリオドを定義する手段を含
むことを特徴とする請求項12に記載のセンサアレイ。
13. The sensor array of claim 12, wherein the control means includes means for defining the charge integration sub-period.
【請求項14】 前記電荷積分サブピリオドが様々な時間長さを有することを特
徴とする請求項12に記載のセンサアレイ。
14. The sensor array of claim 12, wherein the charge integration sub-periods have different lengths of time.
【請求項15】 前記制御手段がクロック時間単位で細かい時間分解を与えるた
めの手段を含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサアレイ。
15. The sensor array according to claim 1, wherein said control means includes means for providing fine time resolution in clock time units.
【請求項16】 前記制御手段が広いダイナミックレンジの電荷積分ステップを
与える手段を含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサアレイ。
16. The sensor array of claim 1, wherein the control means includes means for providing a wide dynamic range charge integration step.
【請求項17】 前記ダイナミックレンジが2−1積分時間単位ステップの範
囲にあることを特徴とする請求項16に記載のセンサアレイ。
17. The sensor array of claim 16, wherein the dynamic range is in the range of 2 N −1 integration time unit steps.
【請求項18】 前記単位セルの各々が、 光検出器と、 前記光検出器からの電荷を蓄積するための電荷蓄積素子と、 前記単位セルの電荷積分状態を記憶するためのプログラム可能メモリとを含む
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサアレイ。
18. Each of the unit cells includes a photodetector, a charge storage element for storing charges from the photodetector, and a programmable memory for storing a charge integration state of the unit cell. The sensor array according to claim 1, comprising:
【請求項19】 複数の単位セルを用いてイメージを検出するための方法であっ
て、 前記単位セルの各々に個別にアクセスする過程と、 各単位セルの電荷積分を、他の単位セルの電荷積分とは独立して制御する過程
とを有することを特徴とする方法。
19. A method for detecting an image using a plurality of unit cells, comprising the steps of individually accessing each of the unit cells, calculating the charge integral of each unit cell, and calculating the charge integral of another unit cell. And a control process independent of integration.
【請求項20】 更に、 各単位セルに対して電荷積分時間を決定する過程と、 各単位セルを前記決定された電荷積分時間に基づいてプログラムする過程とを
含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
20. The method according to claim 19, further comprising determining a charge integration time for each unit cell, and programming each unit cell based on the determined charge integration time. The method described in.
【請求項21】 複数の単位セルを含むイメージセンサアレイのイントラシーン
ダイナミックレンジを向上するための方法であって、 前記単位セルの各々に個別にアクセスする過程と、 各単位セルを個別に制御する過程とを有することを特徴とする方法。
21. A method for improving an intra-scene dynamic range of an image sensor array including a plurality of unit cells, the process of individually accessing each of the unit cells, and controlling each unit cell individually. A method comprising the steps of:
【請求項22】 前記個別に制御する過程が、前記単位セルの各々の電荷積分時
間を個別に制御する過程を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
22. The method of claim 21, wherein the individually controlling step comprises individually controlling a charge integration time of each of the unit cells.
【請求項23】 前記電荷積分時間を個別に制御する過程が、各単位セルを個別
にプログラムする過程を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
23. The method of claim 21, wherein the step of individually controlling the charge integration time includes the step of individually programming each unit cell.
【請求項24】 前記各単位セルを個別にプログラムする過程が、各単位セルを
予め定められた電荷積分時間に基づいてプログラムする過程を含むことを特徴と
する請求項23に記載の方法。
24. The method of claim 23, wherein the step of individually programming each unit cell includes the step of programming each unit cell based on a predetermined charge integration time.
【請求項25】 前記各単位セルを個別にプログラムする過程が、各単位セルを
複数電荷積分サブピリオドでプログラムする過程を含むことを特徴とする請求項
23に記載の方法。
25. The method of claim 23, wherein individually programming each unit cell comprises programming each unit cell with multiple charge integration sub-periods.
【請求項26】 複数の単位セルを含むイメージセンサアレイのイントラシーン
ダイナミックレンジを向上するための方法であって、 前記単位セルの各々に個別にアクセスする過程と、 前記単位セルの各々を個別にプログラムする過程と、 前記単位セルの電荷積分を個別に制御する過程とを含み、 前記アクセスする過程、プログラムする過程及び制御する過程が、ビデオレー
トで行われることを特徴とする方法。
26. A method for improving an intra-scene dynamic range of an image sensor array including a plurality of unit cells, the method comprising: individually accessing each of the unit cells; A method comprising: programming, and individually controlling charge integration of the unit cells, wherein the accessing, programming and controlling steps are performed at a video rate.
【請求項27】 イメージをキャプチャするための複数の単位セルを含むプログ
ラム可能なイメージセンサであって、 データを担うための第1の複数(P個)の入力ラインと、 前記セルに接続された第2の複数(H個)の列と(ここでPはHに等しいかま
たはHより小さい)、 動画ビデオの単一のフレーム内で、前記アレイをN回プログラムするべく、前
記データを受け取り、受け取った前記データを選択的に前記列へと分配するコン
トローラとを含むことを特徴とするプログラム可能なイメージセンサ。
27. A programmable image sensor including a plurality of unit cells for capturing an image, the first plurality (P) of input lines for carrying data, and the programmable image sensor connected to the cells. A second plurality (H) of columns (where P is less than or equal to H) and receives the data to program the array N times within a single frame of motion video; A programmable image sensor for selectively distributing the received data to the columns.
【請求項28】 前記データがプログラミングデータであることを特徴とする請
求項27に記載のプログラム可能なイメージセンサ。
28. The programmable image sensor according to claim 27, wherein the data is programming data.
【請求項29】 前記プログラミングデータが前記複数の単位セルの各々に対す
る電荷積分/非積分状態データを含むことを特徴とする請求項28に記載のプロ
グラム可能なイメージセンサ。
29. The programmable image sensor of claim 28, wherein the programming data comprises charge integrated / non-integrated state data for each of the plurality of unit cells.
【請求項30】 前記複数のプログラム可能な単位セルの各々が個別に制御され
ることを特徴とする請求項28に記載のプログラム可能なイメージセンサ。
30. The programmable image sensor of claim 28, wherein each of the plurality of programmable unit cells is individually controlled.
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