JP2004173216A - ラインイメージセンサ - Google Patents
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Abstract
【目的】CCD転送型のラインイメージセンサにおいて、画像処理手段によることなく、ダイナミックレンジを容易に拡大させるようにする。
【構成】入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせるようにする。
【選択図】 図8
【構成】入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせるようにする。
【選択図】 図8
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、CCD転送型のラインイメージセンサは、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子としてのフォトダイオードからなる画素を水平方向に1ライン分配設して、垂直方向に1行分ずつ副走査送りするごとに各画素の蓄積電荷による画情報を水平転送CCDに並列的に読み出して、その水平転送CCDによって各画素の画情報を順次出力回路に送って1画面分の画情報を時系刊的に出力させるようにしている。
【0003】
このようなラインイメージセンサにあっては、高速で画像の読取り走査を行わせる必要があるが、高速での読取り走査を行わせると入射光量に応じた充分な電荷の蓄積時間をとることができず、感度が低下してしまうことになる。また、その際、各画素における電荷の残留が問題となり、特に低照度時に残留電荷の影響による残像の発生が顕著になってしまう。
【0004】
従来、このようなラインイメージセンサの感度を向上させるものとして、TDI(時間遅延積分)駆動方式がある。
【0005】
そのTDI駆動方式によるCCD転送型のラインイメージセンサは、画像が垂直方向に相対的に移動するのに等しい速度でフォト・サイト列を下方へ電荷を転送するようにクロックされる。第1のフォト・サイトに電荷を生じた画像部分が次のフォト・サイトへ移動すると同時に次のフォト・サイトへ転送される。このように、画像部分が垂直方向に移動するにしたがってフォトチャージはその画像部分のフォト・サイトに累積されるようになっている。
【0006】
また、従来、CCD転送型のラインイメージセンサにあって、撮影時の感度を上げるために、出力部のリセット動作を複数の水平転送に対して1回の割合で行うことによって水平方向に隣接する複数個の受光部の信号電荷を蓄積し、リセット動作後のフィードスルーレベルと次のリセット動作の直前の信号レベルとの差をサンプルアンドホールドするようにしたものが開発されている(特開平5−207378号公報参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、CCD転送型のラインイメージセンサにあって、その撮影時の感度を向上させるためにTDI方式などの従来の手段を講ずるようにしても、感度は向上するがダイナミックレンジは狭く、照明用光源の照度が管理された状態でないと使用できない、ということである。
【0008】
そして、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあっては、高速で画像の読取り走査を行わせる際、各画素に電荷が残留して残像が発生するという問題がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、対数出力特性をもたせてダイナミックレンジを拡大させるべく、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させる手段をとるようにしている。
【0010】
そして、本発明は、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあって、残像の発生を抑制するべく、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化する手段をとるようにしている。
【0011】
【実施例】
図1はCCD転送型のラインイメージセンサの基本的な構成例を示しており、フォトダイオードによる画素が水平方向に1ライン分配設されたラインセンサ1からシフトゲート2を介して並列的に読み出した各画素の画情報を、水平転送CCD3によって水平方向に送って、出力回路4から順次出力させるようになっている。それは、単一の水平転送CCD3によって各画素の画情報を並列的に読み出すようにしており、画素のピッチが大きいものになっている。
【0012】
また、図2および図3はCCD転送型のラインイメージセンサの他の構成例をそれぞれ示しており、ラインセンサ1に対して2つの水平転送CCD31,32を設けて、それぞれシフトゲート21,22を介してラインセンサ1における奇数番目の画素と偶数番目の画素とにおける各画情報の読出しを別途に行わせるようにしている。ここでは、ラインセンサ1における画素のピッチが水平転送CCD31,32の転送段のピッチよりも小さい場合に適用され、ラインセンサ1における画素の集積度を上げている。図2の構成では、各水平転送CCD31,32からそれぞれ送られてくる画情報を出力回路41,42から別々に出力させるようにしている。また、図3の構成では、各水平転送CCD31,32からそれぞれ送られてくる画情報を交互に出力回路4に与えるようにしている。
【0013】
このようなCCD転送型のラインイメージセンサにあって、前述のようにTDI駆動方式を採用することによって撮影の感度を大幅に向上させることができるようになる。
【0014】
本発明は、このようなCCD転送型のラインイメージセンサにあって、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせることにより、ダイナミックレンジを拡大させるようにしている。
【0015】
そして、本発明は、残像の発生を抑制するべく、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化するようにしている。
【0016】
オーバフロードレイン構造としては、図4に示す横形のものと、図5に示す縦形のものとがある。
【0017】
図6は、横形オーバフロードレイン構造の画素における入射光Lsに応じた電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0018】
図7は、縦形オーバフロードレイン構造の画素における入射光Lsに応じた電荷qの蓄積による動作状態を模擬的に示している。
【0019】
図8は本発明を実施するための具体的な構成例を示すもので、ここでは電荷注入領域Aから注入された電荷が複数(ここでは2つ)配設された画素Dに順次転送されたのち、信号読出し領域Bを通過して、最終的に排出ドレインCから排出されるようになっている。ここでは、3相(φ1、φ2、φ3)によるCCD転送方式をとるようにしている。そして、各画素Dにはオーバフローした電荷を排出するためのオーバフロードレインOFDが設けられている。
【0020】
図9は、その3相によるCCD転送方式をとるラインイメージセンサの各部における電荷の転送状態を模擬的に示している。
【0021】
このような構成をとることによって、高輝度光が入射した場合にオーバフロードレインが機能して、あふれた電荷がオーバフロードレインOFDから排出されてスミアが発生するようなことが防止される。
【0022】
そして、電荷注入領域Aにおける電荷の注入状態によって、各画素Dの出力特性が以下のようになる。
【0023】
▲1▼電荷注入領域Aからの電荷の注入がない場合
この場合には、図10に示すように、オーバフロードレインが機能しはじめる点aに達するまでのオーバフロードレインが機能しない状態での入射光量に応じた電荷の蓄積によって、図中WAで示す直線的な出力特性が得られる。そして、オーバフロードレインが機能しはじめる点a以上の入射光量に応じた電荷の蓄積によって、図中WBで示す対数出力特性が得られるようになる。
【0024】
▲2▼予め撮影に先がけて電荷注入領域Aからオーバフロードレインが弱反転状態で動作する程度の電荷を注入した場合
この場合には、最初からオーバフロードレインが機能しているので、図11に示すように、入射光量に応じた電荷の蓄積によって全域にわたって対数出力特性WB′が得られるようになる。
【0025】
なお、この場合、入射光量が少ない領域WCにおいては、残留電荷の影響による残像の発生が顕著になってしまう。
【0026】
▲3▼予め撮影に先がけて電荷注入領域Aからオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化した場合
この場合には、余剰電荷の排出が終了するとオーバフロードレインが機能しはじめるので、図12に示すように、入射光量に応じた電荷の蓄積によって対数出力特性WBが得られるようになる。
【0027】
この場合、入射光量が少ない領域WCでは、電荷の蓄積に時間を要して応答遅れを生じ、対数特性が失われるが、残留電荷が少なくなって残像の発生が抑制される。
【0028】
なお、図8では横形のオーバフロードレイン構造によるものを示したが、縦型オーバフロードレイン構造を採用しても同様の作用効果を得ることができるようになる。また、図8では3相によるCCD転送方式をとるようにしているが、それに限らず、2相式でも4相式でもよいことはいうまでもない。
【0029】
【効果】
以上、本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせるようにしたもので、何ら画像処理手段によることなく、ダイナミックレンジを容易に拡大させることができるという利点を有している。
【0030】
また、本発明は、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあって、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化することにより、残像の発生を有効に抑制することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサの一例を示すブロック構成図である。
【図2】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサの他の例を示すブロック構成図である。
【図3】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサのさらに他の例を示すブロック構成図である。
【図4】横形のオーバフロードレイン構造を示す図である。
【図5】縦形のオーバフロードレイン構造を示す図である。
【図6】横形オーバフロードレイン構造における入射光に応じた電荷蓄積の動作状態を模擬的に示す図である。
【図7】縦形オーバフロードレイン構造における入射光に応じた電荷蓄積の動作状態を模擬的に示す図である。
【図8】本発明を実施するためのCCD転送型のラインイメージセンサの具体的な構成例を示す簡略平面図である。
【図9】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサの各部における電荷の転送状態を模擬的に示す図である。
【図10】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域から電荷の注入がない場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【図11】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域からオーバフロードレインが弱反転状態で動作する程度の電荷を注入した場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【図12】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域からオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化した場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【符号の説明】
1 ラインセンサ
2 シフトゲート
3 水平転送CCD
4 出力回路
D 画素
A 電荷注入領域
B 信号読出し領域
C 排出ドレイン
OFD オーバフロードレイン
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、CCD転送型のラインイメージセンサは、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子としてのフォトダイオードからなる画素を水平方向に1ライン分配設して、垂直方向に1行分ずつ副走査送りするごとに各画素の蓄積電荷による画情報を水平転送CCDに並列的に読み出して、その水平転送CCDによって各画素の画情報を順次出力回路に送って1画面分の画情報を時系刊的に出力させるようにしている。
【0003】
このようなラインイメージセンサにあっては、高速で画像の読取り走査を行わせる必要があるが、高速での読取り走査を行わせると入射光量に応じた充分な電荷の蓄積時間をとることができず、感度が低下してしまうことになる。また、その際、各画素における電荷の残留が問題となり、特に低照度時に残留電荷の影響による残像の発生が顕著になってしまう。
【0004】
従来、このようなラインイメージセンサの感度を向上させるものとして、TDI(時間遅延積分)駆動方式がある。
【0005】
そのTDI駆動方式によるCCD転送型のラインイメージセンサは、画像が垂直方向に相対的に移動するのに等しい速度でフォト・サイト列を下方へ電荷を転送するようにクロックされる。第1のフォト・サイトに電荷を生じた画像部分が次のフォト・サイトへ移動すると同時に次のフォト・サイトへ転送される。このように、画像部分が垂直方向に移動するにしたがってフォトチャージはその画像部分のフォト・サイトに累積されるようになっている。
【0006】
また、従来、CCD転送型のラインイメージセンサにあって、撮影時の感度を上げるために、出力部のリセット動作を複数の水平転送に対して1回の割合で行うことによって水平方向に隣接する複数個の受光部の信号電荷を蓄積し、リセット動作後のフィードスルーレベルと次のリセット動作の直前の信号レベルとの差をサンプルアンドホールドするようにしたものが開発されている(特開平5−207378号公報参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、CCD転送型のラインイメージセンサにあって、その撮影時の感度を向上させるためにTDI方式などの従来の手段を講ずるようにしても、感度は向上するがダイナミックレンジは狭く、照明用光源の照度が管理された状態でないと使用できない、ということである。
【0008】
そして、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあっては、高速で画像の読取り走査を行わせる際、各画素に電荷が残留して残像が発生するという問題がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、対数出力特性をもたせてダイナミックレンジを拡大させるべく、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させる手段をとるようにしている。
【0010】
そして、本発明は、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあって、残像の発生を抑制するべく、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化する手段をとるようにしている。
【0011】
【実施例】
図1はCCD転送型のラインイメージセンサの基本的な構成例を示しており、フォトダイオードによる画素が水平方向に1ライン分配設されたラインセンサ1からシフトゲート2を介して並列的に読み出した各画素の画情報を、水平転送CCD3によって水平方向に送って、出力回路4から順次出力させるようになっている。それは、単一の水平転送CCD3によって各画素の画情報を並列的に読み出すようにしており、画素のピッチが大きいものになっている。
【0012】
また、図2および図3はCCD転送型のラインイメージセンサの他の構成例をそれぞれ示しており、ラインセンサ1に対して2つの水平転送CCD31,32を設けて、それぞれシフトゲート21,22を介してラインセンサ1における奇数番目の画素と偶数番目の画素とにおける各画情報の読出しを別途に行わせるようにしている。ここでは、ラインセンサ1における画素のピッチが水平転送CCD31,32の転送段のピッチよりも小さい場合に適用され、ラインセンサ1における画素の集積度を上げている。図2の構成では、各水平転送CCD31,32からそれぞれ送られてくる画情報を出力回路41,42から別々に出力させるようにしている。また、図3の構成では、各水平転送CCD31,32からそれぞれ送られてくる画情報を交互に出力回路4に与えるようにしている。
【0013】
このようなCCD転送型のラインイメージセンサにあって、前述のようにTDI駆動方式を採用することによって撮影の感度を大幅に向上させることができるようになる。
【0014】
本発明は、このようなCCD転送型のラインイメージセンサにあって、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせることにより、ダイナミックレンジを拡大させるようにしている。
【0015】
そして、本発明は、残像の発生を抑制するべく、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化するようにしている。
【0016】
オーバフロードレイン構造としては、図4に示す横形のものと、図5に示す縦形のものとがある。
【0017】
図6は、横形オーバフロードレイン構造の画素における入射光Lsに応じた電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0018】
図7は、縦形オーバフロードレイン構造の画素における入射光Lsに応じた電荷qの蓄積による動作状態を模擬的に示している。
【0019】
図8は本発明を実施するための具体的な構成例を示すもので、ここでは電荷注入領域Aから注入された電荷が複数(ここでは2つ)配設された画素Dに順次転送されたのち、信号読出し領域Bを通過して、最終的に排出ドレインCから排出されるようになっている。ここでは、3相(φ1、φ2、φ3)によるCCD転送方式をとるようにしている。そして、各画素Dにはオーバフローした電荷を排出するためのオーバフロードレインOFDが設けられている。
【0020】
図9は、その3相によるCCD転送方式をとるラインイメージセンサの各部における電荷の転送状態を模擬的に示している。
【0021】
このような構成をとることによって、高輝度光が入射した場合にオーバフロードレインが機能して、あふれた電荷がオーバフロードレインOFDから排出されてスミアが発生するようなことが防止される。
【0022】
そして、電荷注入領域Aにおける電荷の注入状態によって、各画素Dの出力特性が以下のようになる。
【0023】
▲1▼電荷注入領域Aからの電荷の注入がない場合
この場合には、図10に示すように、オーバフロードレインが機能しはじめる点aに達するまでのオーバフロードレインが機能しない状態での入射光量に応じた電荷の蓄積によって、図中WAで示す直線的な出力特性が得られる。そして、オーバフロードレインが機能しはじめる点a以上の入射光量に応じた電荷の蓄積によって、図中WBで示す対数出力特性が得られるようになる。
【0024】
▲2▼予め撮影に先がけて電荷注入領域Aからオーバフロードレインが弱反転状態で動作する程度の電荷を注入した場合
この場合には、最初からオーバフロードレインが機能しているので、図11に示すように、入射光量に応じた電荷の蓄積によって全域にわたって対数出力特性WB′が得られるようになる。
【0025】
なお、この場合、入射光量が少ない領域WCにおいては、残留電荷の影響による残像の発生が顕著になってしまう。
【0026】
▲3▼予め撮影に先がけて電荷注入領域Aからオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化した場合
この場合には、余剰電荷の排出が終了するとオーバフロードレインが機能しはじめるので、図12に示すように、入射光量に応じた電荷の蓄積によって対数出力特性WBが得られるようになる。
【0027】
この場合、入射光量が少ない領域WCでは、電荷の蓄積に時間を要して応答遅れを生じ、対数特性が失われるが、残留電荷が少なくなって残像の発生が抑制される。
【0028】
なお、図8では横形のオーバフロードレイン構造によるものを示したが、縦型オーバフロードレイン構造を採用しても同様の作用効果を得ることができるようになる。また、図8では3相によるCCD転送方式をとるようにしているが、それに限らず、2相式でも4相式でもよいことはいうまでもない。
【0029】
【効果】
以上、本発明は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせるようにしたもので、何ら画像処理手段によることなく、ダイナミックレンジを容易に拡大させることができるという利点を有している。
【0030】
また、本発明は、そのCCD転送型のラインイメージセンサにあって、予め撮影に先がけてオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化することにより、残像の発生を有効に抑制することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサの一例を示すブロック構成図である。
【図2】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサの他の例を示すブロック構成図である。
【図3】一般的なCCD転送型のラインイメージセンサのさらに他の例を示すブロック構成図である。
【図4】横形のオーバフロードレイン構造を示す図である。
【図5】縦形のオーバフロードレイン構造を示す図である。
【図6】横形オーバフロードレイン構造における入射光に応じた電荷蓄積の動作状態を模擬的に示す図である。
【図7】縦形オーバフロードレイン構造における入射光に応じた電荷蓄積の動作状態を模擬的に示す図である。
【図8】本発明を実施するためのCCD転送型のラインイメージセンサの具体的な構成例を示す簡略平面図である。
【図9】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサの各部における電荷の転送状態を模擬的に示す図である。
【図10】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域から電荷の注入がない場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【図11】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域からオーバフロードレインが弱反転状態で動作する程度の電荷を注入した場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【図12】その本発明によるCCD転送型のラインイメージセンサにおける電荷注入領域からオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化した場合の入射光量に応じた出力特性を示す図である。
【符号の説明】
1 ラインセンサ
2 シフトゲート
3 水平転送CCD
4 出力回路
D 画素
A 電荷注入領域
B 信号読出し領域
C 排出ドレイン
OFD オーバフロードレイン
Claims (4)
- 入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子を画素とするCCD転送型のラインイメージセンサにおいて、各画素をオーバフロードレイン構造として、サブスレッショルド領域で弱反転状態で動作させて対数出力特性をもたせるようにしたことを特徴とするラインイメージセンサ。
- オーバフロードレインが機能しない状態での入射光量に応じた電荷の蓄積によって直線的な出力特性が得られ、オーバフロードレインが機能しはじめる以上の入射光量に応じた電荷の蓄積によって対数出力特性が得られるようにしたことを特徴とする請求項1の記載によるラインイメージセンサ。
- 予めオーバフロードレインが機能しはじめる程度の電荷を注入した状態で、入射光量に応じた電荷の蓄積によって対数出力特性が得られるようにしたことを特徴とする請求項1の記載によるラインイメージセンサ。
- 予めオーバフロードレインが機能しはじめる以上の過剰な電荷を注入して初期化したことを特徴とする請求項1の記載によるラインイメージセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002373247A JP2004173216A (ja) | 2002-11-19 | 2002-11-19 | ラインイメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002373247A JP2004173216A (ja) | 2002-11-19 | 2002-11-19 | ラインイメージセンサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004173216A true JP2004173216A (ja) | 2004-06-17 |
Family
ID=32708205
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002373247A Pending JP2004173216A (ja) | 2002-11-19 | 2002-11-19 | ラインイメージセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004173216A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006050544A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-02-16 | Konica Minolta Holdings Inc | 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ |
-
2002
- 2002-11-19 JP JP2002373247A patent/JP2004173216A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006050544A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-02-16 | Konica Minolta Holdings Inc | 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ |
JP4581792B2 (ja) * | 2004-07-05 | 2010-11-17 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ |
US8218042B2 (en) | 2004-07-05 | 2012-07-10 | Konica Minolta Holdings, Inc. | Solid-state image-sensing device and camera provided therewith |
US8643756B2 (en) | 2004-07-05 | 2014-02-04 | Knoica Minolta Holdings, Inc. | Solid-state image-sensing device having a plurality of controlled pixels, with each pixel having a transfer gate signal that is ternary-voltage signal switched among three levels, and method of operating same |
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