JP2006014107A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 余分な時間なしに画素信号の混合機能をアナログ的に実現できる増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 単位画素を2次元的に配置した画素部1と、画素部の読み出し行を選択する垂直走査回路2と、画素部の出力信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧部4と、ノイズ抑圧された信号を出力するための水平選択スイッチ部5及び水平走査回路6と、ノイズ抑圧部と水平走査回路の動作タイミングを決めるモード制御部8とを備え、前記ノイズ抑圧部には画素信号のノイズ抑圧を行うノイズ抑圧処理機能と所定方向の複数の画素信号を混合する信号混合処理機能とをもたせ、モード制御部によりノイズ抑圧処理後の画素信号を出力させる第1のモード及びノイズ抑圧処理と信号混合処理との並列処理後の画素信号を出力させる第2のモードの制御を行わせる。
【選択図】 図 1

Description

この発明は、固体撮像装置に係わり、特に増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置に関する。
近年、固体撮像装置として増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置が、モバイル機器向けの低消費電力固体撮像装置や高解像度の電子スチルカメラに搭載されている。現在の増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置は、画素信号を順序よく読み出すプログレッシブ走査が一般的であるが、前記電子スチルカメラに搭載される固体撮像装置では、ビューファインダーやモニター用の小画面などに比較的低い解像度の画像信号を高速に読み出す要求もある。そのために、固体撮像装置内で水平方向あるいは垂直方向の画素信号を混合して画像データ数を減らす処理が提案されている。
図16は、特開2002−330349号公報開示の固体撮像装置の構成を示す回路構成図であり、これは、水平方向の画素信号を混合する手段を持った固体撮像装置の一例である。この固体撮像装置は、単位画素P11〜P44を行方向及び列方向に二次元的に、ここでは4×4画素配列で配置した画素部1と、画素部1の読み出し行を選択する垂直走査回路2と、画素部1にバイアス電流を供給する電流供給部3と、画素部1の出力信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧部4と、ノイズ抑圧された信号を出力するための水平選択スイッチ部5と、水平選択スイッチ部5の読み出し列を選択する水平走査回路6と、出力ライン7とから構成されている。
上記単位画素P11〜P44は、光電変換部であるフォトダイオードPD1と、該フォトダイオードPD1の検出信号をリセットするリセットトランジスタM1と、前記フォトダイオードPD1の信号を増幅する増幅トランジスタM2と、各行を選択するための行選択トランジスタM3とで構成されている。
そして、垂直走査回路2の出力である電源ラインVR1〜VR4と行リセットラインφRST1〜φRST4及び行選択ラインφROW1〜φROW4に印加される電源及び信号によって画素部1の読み出し行が選択され、単位画素P11〜P44の画素信号が行単位で読み出されるようになっている。
上記ノイズ抑圧部4においては、サンプル用トランジスタM21〜M24と、ホールド用容量C21〜C24と、入力バッファアンプA21〜A24と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、クランプ用容量C31〜C34と、出力バッファアンプA31〜A34からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられており、クランプ出力ラインCL11とCL12,及びCL13とCL14を接続する、水平混合制御ラインφAV−Hで制御される水平混合用トランジスタM41とM43とを設けて構成されている。
なお、各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS2において、サンプル用トランジスタM21〜M24のドレインは各垂直信号線V11〜V14に接続され、そのソースはホールド用容量C21〜C24の一端と入力バッファアンプA21〜A24の入力端に接続され、そのゲートは共通にサンプル制御ラインφSHに接続されている。上記入力バッファアンプA21〜A24の出力端にはクランプ用容量C31〜C34の一端が接続されており、上記ホールド用容量C21〜C24の他端とクランプ用トランジスタM31〜M34のドレインは共通に基準電圧ラインREFに接続され、そのソースは上記クランプ用容量C31〜C34の他端と出力バッファアンプA31〜A34の入力端、つまりクランプ出力ラインCL11〜CL14に接続され、そのゲートは共通にクランプ制御ラインφCLに接続されている。
図17は、上記従来例の水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。ここでは、垂直走査回路2により画素部1の上から1 行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。始めに、行選択ラインφROW1=Hとし、単位画素P11とP12を構成する行選択トランジスタM3をON状態とすることで、単位画素P11とP12に含まれるフォトダイオードPD1の信号電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV12へ出力する。このとき、垂直信号線V11とV12の信号電圧を、VV11-SIG とVV12-SIG とする。
ここで、ノイズ抑圧部4において、サンプル制御ラインφSH=H及びクランプ制御ラインφCL=Hとすることで、サンプル用トランジスタM21とM22及びクランプ用トランジスタM31とM32がON状態となり、クランプ出力ラインCL11とCL12は基準電圧ラインREFの電圧値をVREF に設定され、クランプ用容量C31とC32には、次式(1),(2)に示す差電圧が蓄積される。
C31に蓄積される差電圧: VV11-SIG −VREF ・・・・・・・・・(1)
C32に蓄積される差電圧: VV12-SIG −VREF ・・・・・・・・・(2)
但し、入力バッファアンプA21とA22は、理想的なゲイン=1のアンプとする。
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL12を高インピーダンス状態とし、行リセットラインφRST1=Hとした後再びφRST1=Lとすることで、単位画素P11とP12に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV12へ出力する。このとき、垂直信号線V11とV12のリセット電圧を、VV11-RST とVV12-RST とし、垂直信号線V11とV12の信号電圧とリセット電圧の差電圧を、ΔVV11 とΔVV12 とすると、クランプ出力ラインCL11とCL12が高インピーダンス状態なので、クランプ用容量C31とC32の両端に生じる差電圧は保持されるため、クランプ出力ライン電圧VCL11とVCL12には、次式(3)〜(6)に示す信号電圧とリセット電圧の差電圧に対応する出力が得られる。
ΔVV11 =VV11-RST −VV11-SIG ・・・・・・・・・・(3)
ΔVV12 =VV12-RST −VV12-SIG ・・・・・・・・・・(4)
CL11=VREF +ΔVV11 ・・・・・・・・・・・・・・(5)
CL12=VREF +ΔVV12 ・・・・・・・・・・・・・・(6)
ここで、製造ばらつきにより単位画素P11とP12に含まれる増幅トランジスタM2の閾値が異なる場合でも、閾値成分が信号電圧とリセット電圧の両方に含まれることから、これらの差電圧を得ることで、増幅トランジスタM2の閾値ばらつきをキャンセルした出力を得ることができる。その後、サンプル制御ラインφSH=Lに変更しサンプル用トランジスタM21とM22をOFF状態とすることで、画素素部1とノイズ抑圧部4を切り離し、行選択ラインφROW1=Lと変更することで、単位画素P11及びP12と垂直信号線V11及びV12を切り離す。
引き続き水平混合制御ラインφAV−H=Hとし、水平混合用トランジスタM41をON状態とすることで、クランプ出力ラインCL11とCL12を接続し、ノイズ抑圧後の単位画素P11とP12の画素信号を水平方向で混合する。水平混合後のクランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL12)は、次式(7)となる。
CL11=VREF +{(ΔVV11 +ΔVV12 )/2} ・・・・・・・・(7)
ここで、クランプ用容量C31とC32は、同じ容量値CCLであるものとする。
水平混合信号は、出力バッファアンプA31〜A34を経て、水平走査回路6により制御される水平選択スイッチ部5を介して、1列飛ばしで出力ライン7に順次出力することで、画像データ数が半分になる。
特開2002−330349号公報
しかしながら、図16と図17に示した従来例の固体撮像装置におけるような混合方法では、画素信号のノイズ抑圧動作後に混合動作を行うため、混合動作をしない場合に比べて余計な時間がかかってしまうという問題点がある。従来提案されている混合機能を持った固体撮像装置では、上記のように混合動作時の処理時間に対しては、十分な考慮がなされていない。
本発明は、従来の混合機能を持った固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、余分な時間なしに画素信号の混合機能をアナログ的に実現できる増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
上記問題点を解決するため、請求項1に係る発明は、光電変換部と該光電変換部の出力を増幅して画素信号を出力する増幅部とを含んだ画素を行方向及び列方向に二次元的に配置した画素部と、該画素部の読み出し行を選択する垂直走査部と、単位画素毎に前記画素信号のノイズ抑圧を行うノイズ抑圧処理機能及び所定方向の複数の前記画素信号を混合する信号混合処理機能とを備えたノイズ抑圧部と、該ノイズ抑圧部を経た前記水平方向に係る画素信号を順次、水平信号線から出力させる水平走査部と、前記ノイズ抑圧処理後の画素信号を前記水平信号線に出力させる第1のモード及び前記ノイズ抑圧処理と前記信号混合処理の並列処理後の画素信号を前記水平信号線に出力させる第2のモードの各モードに応じた制御を行うモード制御部とを備えて固体撮像装置を構成するものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例1〜5である。そして、このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることで、前記画素信号のノイズ抑圧動作と複数の前記画素信号の混合動作を同時に行うことができる。したがって、余分な処理時間を必要とせずに前記画素信号を混合することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧部が、前記列毎に設けられた容量と、少なくとも2つ以上の前記容量を接続するスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記スイッチにより複数の前記容量を接続した状態で、前記容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例1である。そして、このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることでノイズ抑圧時に前記スイッチによって前記容量を接続し、前記画素信号のノイズ抑圧動作と複数の前記画素信号の水平混合動作を同時に行うことができる。したがって、余分な処理時間を必要とせずに水平方向の前記画素信号を混合することができる。
請求項3に係る発明は、請求項1に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧部は、前記列毎に、第1の容量と、第2の容量と、前記第1の容量と前記第2の容量とを接続する第1のスイッチと、複数の前記第1の容量を接続する第2のスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第2のスイッチによりN個(但し、N≧2)の前記第1の容量を接続し、且つ前記第1のスイッチによりM個(但しM<N)の前記第2の容量を接続した状態で、前記第2の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例2である。そして、このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることで、ノイズ抑圧時に前記第2のスイッチによって複数の前記第1の容量を接続し、前記画素信号のノイズ抑圧動作と複数の前記画素信号の水平混合動作を同時に行うことができる。したがって、余分な処理時間を必要とせずに水平方向の前記画素信号を混合することができる。加えて、前記第1のスイッチによる前記第1の容量と第2の容量の接続数を少なくすることにより、混合信号の出力振幅を大きくして、後段で発生するノイズによる信号品質の低下を小さくすることができる。
請求項4に係る発明は、請求項1に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧部が、前記列毎であって且つ複数の行の各々に対応して並列に設けられた複数の第1の容量と、前記列の複数の第1の容量を選択的に接続する第1のスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第1のスイッチにより選択された同一列に係る複数の前記第1の容量を接続した状態で、前記第1の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例3〜5である。そして、このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることで前記画素信号のノイズ抑圧動作と複数行の前記画素信号の混合動作を同時に行うことができる。したがって、1行分の画素信号読出し期間内に垂直方向を含んだ前記画素信号を混合することができる。
請求項5に係る発明は、請求項4に係る固体撮像装置において、前記画素部は、前記列毎に複数の信号線を有し、同一列の複数の画素は所定の画素単位で異なる信号線に接続されており、複数の前記第1の容量は、各々、前記複数の信号線の信号線毎に設けられていることを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例3〜5である。そして、このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることで、ノイズ抑圧時に前記第1のスイッチによって同一列内の前記第1の容量を接続し、前記画素信号のノイズ抑圧動作と複数行分の前記画素信号の垂直混合動作を同時に行うことができる。したがって、1行分の画素信号読出し期間内に垂直方向の前記画素信号を混合することができる。
請求項6に係る発明は、請求項4に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧部は、異なる前記列の前記第1の容量を複数接続する第2のスイッチを更に有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第2のスイッチにより異なる前記列の前記第1の容量を複数接続した状態で、前記第1の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例4である。このように構成された増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、前記第2のモードを用いることで、ノイズ抑圧時に前記第1のスイッチによって同一列内の前記第1の容量を接続し、且つ前記第2のスイッチによって異なる列にある前記第1の容量を接続し、前記画素信号のノイズ抑圧動作と少なくとも2行2列分の前記画素信号の垂直混合動作及び水平混合動作を同時に行うことができる。したがって、1行分の画素信号読出し期間内に垂直方向の前記画素信号を混合することができ、且つ余分な処理時間を必要とせずに水平方向の前記画素信号を混合することができる。
請求項7に係る発明は、請求項6に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧部は、第2の容量と、前記第1の容量と前記第2の容量とを接続する第3のスイッチとを更に有し、前記モード制御部は、第2のモードにおいて、前記第2のスイッチによりN個(但し、N≧2)の前記第1の容量を接続し、且つ前記第3のスイッチによりM個(但しM<N)の前記第2の容量を接続した状態で、前記第2の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とするものである。
本請求項に対応する実施例は、実施例5である。このように構成した増幅型MOS型センサを用いた固体撮像装置では、第2のモードを用いることで、ノイズ抑圧時に前記第1のスイッチによって同一列内の複数の前記第1の容量を接続し、且つ前記第3のスイッチによって複数列の前記第1の容量を接続し、前記画素信号のノイズ抑圧動作と少なくとも2行2列分の前記画素信号の垂直混合動作及び水平混合動作を同時に行うことができる。
したがって、1行分の画素信号読み出し期間内に垂直方向の前記画素信号を混合することができ、且つ余分な処理時間を必要とせずに水平方向の前記画素信号を混合することができる。加えて、前記第3のスイッチにより前記第2の容量の接続数を少なくすることにより、混合信号の出力振幅を大きくして後段で発生するノイズによる信号品質の低下を小さくできる。
本発明によれば、画素信号のノイズ抑圧動作と複数の画素信号の混合動作を同時に行うことができ、余分な処理時間を必要とせずに画素信号を混合することができる。
次に、図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態について説明する。
(実施例1)
まず、実施例1について説明する。図1は、本発明に係る増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置の実施例1を示す回路構成図である。図16に示した従来例と対応する構成要素には同一の符号を付して示している。本実施例に係る固体撮像装置は、単位画素P11〜P44を行方向及び列方向に二次元的に、ここでは4×4画素配列で配置した画素部1と、画素部1の読み出し行を選択する垂直走査回路2と、画素部1にバイアス電流を供給する電流源111 〜114 からなる電流供給部3と、画素部1の出力信号に含まれるノイズ成分を抑圧するノイズ抑圧部4と、ノイズ抑圧された信号を出力するためのスイッチ用トランジスタM101 〜M104 からなる水平選択スイッチ部5と、水平選択スイッチ部5の読み出し列を選択する水平選択パルスφH1〜φH4を出力する水平走査回路6と、出力ライン7と、ノイズ抑圧部4と水平走査回路6の動作タイミングを決めるモード制御部8とから構成されている。
上記単位画素P11〜P44は、光電変換部であるフォトダイオードPD1と、該フォトダイオードPD1の検出信号をリセットするリセットトランジスタM1と、前記フォトダイオードPD1の信号を増幅する増幅トランジスタM2と、各行を選択するための行選択トランジスタM3とで構成されている。
そして、垂直走査回路2の出力である電源ラインVR1〜VR4と行リセットラインφRST1〜φRST4及び行選択ラインφROW1〜φROW4に印加される電源及び信号によって画素部1の読み出し行が選択され、単位画素P11〜P44の画素信号が行単位で読み出されるようになっている。
上記ノイズ抑圧部4は、サンプル用トランジスタM21〜M24と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、クランプ用容量C31〜C34と、ホールド用容量C41〜C44からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられており、クランプ出力ラインCL11とCL12,及びCL13とCL14を接続する、水平混合制御ラインφAV−Hで制御される水平混合用トランジスタM41とM43とを設けて構成されている。
なお、各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4において、サンプル用トランジスタM21〜M24のドレインは各垂直信号線V11〜V14に接続され、そのソースはクランプ用容量C31〜C34の一端に接続され、そのゲートは共通にサンプル制御ラインφSHに接続されている。クランプ用トランジスタM31〜M34のドレインは共通に基準電圧ラインREFに接続され、そのソースは前記クランプ用容量C31〜C34の他端と共にクランプ出力ラインCL11〜CL14に接続され、そのゲートは共通にクランプ制御ラインφCLに接続されており、前記クランプ出力ラインCL11〜CL14には、更に他端をアース接続したホールド用容量C41〜C44の一端が接続されている。
更に、本実施例においては、出力ライン7に、リセット制御ラインφRSで制御される出力リセット用トランジスタM111 が設けられている。
図2は、本実施例における水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。ここでは、垂直走査回路2により画素部1の上から1行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。始めに、モード制御部8の制御信号により、ノイズ抑圧部4と水平走査回路6に水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。
続いて、行選択ラインφROW1=Hとし、単位画素P11とP12を構成する行選択トランジスタM3をON状態とすることで、単位画素P11とP12に含まれるフォトダイオードPD1の信号電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV12へ出力する。このとき、垂直信号線V11とV12の信号電圧をVV11-SIG とVV12-SIG とする。
ここで、ノイズ抑圧部4において、サンプル制御ラインφSH=H及びクランプ制御ラインφCL=Hとすることで、サンプル用トランジスタM21とM22及びクランプ用トランジスタM31とM32がON状態となり、クランプ出力ラインCL11とCL12は基準電圧ラインREFの電圧値をVREF に設定され、クランプ用容量C31とC32には、次式(8),(9)に示す差電圧が蓄積される。
C31に蓄積される差電圧: VV11-SIG −VREF ・・・・・・・・・(8)
C32に蓄積される差電圧: VV12-SIG −VREF ・・・・・・・・・(9)
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL12を高インピーダンス状態とし、更に水平混合制御ラインφAV−H=Hとすることで、水平混合用トランジスタM41をON状態とし、クランプ出力ラインCL11とCL12を接続する。
この状態で、行リセットラインφRST1=Hとした後再びφRST1=Lとすることで、単位画素P11とP12に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV12へ出力する。このとき垂直信号線V11とV12のリセット電圧をVV11-RST とVV12-RST とし、垂直信号線V11とV12の信号電圧とリセット電圧の差電圧をΔVV11 とΔVV12 とすると、クランプ出力ラインCL11とCL12が高インピーダンス状態なので、電荷保存則により次式(10)〜(13)の関係が成り立つ。 ΔVV11 −ΔVCL11=ΔQC31 /C31 ・・・・・・・・・(10)
ΔVV12 −ΔVCL11=ΔQC32 /C32 ・・・・・・・・・(11)
ΔVCL11=ΔQ/(C41+C42) ・・・・・・・・・・・(12)
ΔQ=ΔQC31 +ΔQC32 ・・・・・・・・・・・・・・・(13)
ここで、クランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL12)の変化量をΔVCL11(=ΔVCL12)、クランプ用容量C31とC32の電荷変化量をΔQC31 とΔQC32 ,ホールド用容量C41とC42の合計電荷変化量をΔQとする。
更に、クランプ用容量C31とC32は同じ容量値CCL,ホールド用容量C41とC42は同じ容量値CSHとして、(10)式〜(13)式を整理すると、次式(14),(15)となる。
ΔVCL11=〔{CCL/(CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV12 )/2〕
・・・・・・・(14)
CL11=VREF +ΔVCL11
=VREF +〔{CCL/(CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV12 )/2〕
・・・・・・・(15)
したがって、製造ばらつきにより単位画素P11とP12に含まれる増幅トランジスタM2の閾値が異なる場合でも、閾値成分が信号電圧とリセット電圧の両方に含まれることから、これらの差電圧を得ることで、増幅トランジスタM2の閾値ばらつきをキャンセルした出力を得ることができる。しかも、単位画素P11とP12の画素信号のノイズ抑圧動作が完了すると同時に、画素信号の混合動作も終了する。
その後、サンプル制御ラインφSH=Lとし、サンプル用トランジスタM21とM22をOFF状態とすることで、画素部1とノイズ抑圧部4を切り離し、水平混合制御ラインφAV−H=Lとすることで、水平混合用トランジスタM41をOFF状態とし、クランプ出力ラインCL11とCL12を切り離す。また、行選択ラインφROW1=Lと変更することで、単位画素P11及びP12と垂直信号線V11及びV12を切り離す。
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは、リセット制御ラインφRS=Hで出力リセット用トランジスタM111 をON状態として、出力ライン7を出力基準電圧ラインHREFの電圧値VHREFに設定し、再びリセット制御ラインφRS=Lに切り替える出力ラインリセット動作を行った後、水平走査回路6によって選択された水平選択スイッチ部5を介して行われる。ここで、水平走査回路6により水平選択スイッチ部5を1列飛ばしで動作させ、ホールド用容量C41とC43のみから出力ライン7へ混合信号を読み出し、出力端子VOUT より出力させることで、画像データ数が半分になる。
一方、水平混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号によりノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図2において水平混合制御ラインφAV−H=Lのままで、画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に、出力ラインリセット動作とノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返すことにより、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで、全画像データ数を得る。
図3は、実施例1の変形例のノイズ抑圧部以降の構成を示す回路構成図である。この変形例は、ノイズ抑圧部4の構成を図16に示した従来例の回路構成と同一にしたものである。図4は、図3に示した変形例のノイズ抑圧部4における水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図であり、垂直走査回路2により画素部1の上から1行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。
始めに、モード制御部8の制御信号によりノイズ抑圧部4と水平走査回路6に水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。単位画素P11とP12のノイズ抑圧時に水平混合制御ラインφAV−H=Hとすることで、水平混合用トランジスタM41をON状態としクランプ出力ラインCL11とCL12を接続し、画素信号のノイズ抑圧動作と水平混合動作を同時に行っている。クランプ用容量C31とC32を同じ容量値CCLとすると、電荷保存則よりノイズ抑圧動作後のクランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL12)は次式(16)となり、(7)式に示した従来例と同様の出力が得られる。
CL11=VREF +{(ΔVV11 +ΔVV12 )/2} ・・・・・・・・(16)
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは、従来例と同様で、水平走査回路6により水平選択スイッチ部5を1列飛ばしで動作させ、クランプ用容量C31とC33に蓄積された混合信号のみを出力ライン7 へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
一方、水平混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号によりノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図4において水平混合制御ラインφAV−H=Lのままで画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後にノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返すことで、クランプ用容量C31〜C34に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで、全画像データ数を得る。
以上のように、本実施例によれば、単位画素P11〜P44の画素信号のノイズ抑圧時に、モード制御部8の制御信号により水平混合制御ラインφAV−H=Hとし、クランプ出力ラインCL11とCL12,及びCL13とCL14を接続することで、画素信号のノイズ抑圧動作と2列分の画素信号の水平混合動作を同時に行うことができる。したがって、余分な処理時間を必要とせずに、水平方向の画素信号を混合することができる。
(実施例2)
図5は、本発明に係る増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置の実施例2における主要部の構成を示す回路構成図である。この実施例は、実施例1に対してノイズ抑圧部4の構成を変更することにより、2本のクランプ出力ラインの水平混合信号を、一方のクランプ出力ラインに接続されているホールド用容量のみに蓄積することで、水平混合信号の振幅を大きくすることができるようにしたもので、次にその構成について説明する。なお、図示以外の画素部等の構成は図1に示した実施例1のものと同一であり、図5において実施例1と対応する構成要素には同一の符号を付して示している。
この実施例のノイズ抑圧部4は、サンプル用トランジスタM21〜M24と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、クランプ用容量C31〜C34と、ホールド用容量C41〜C44からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられており、クランプ出力ラインCL11とCL12,及びCL13とCL14を接続する、水平混合制御ラインφAV−Hで制御される水平混合用トランジスタM41とM43とを設けて構成されている。
なお、各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4において、クランプ用容量C31〜C34の一端は各垂直信号線V11〜V14に接続され、他端はクランプ出力ラインCL11〜CL14に接続されており、クランプ用トランジスタM31〜M34のドレインは共通に基準電圧ラインREFに接続され、そのゲートは共通にクランプ制御ラインφCLに接続され、そのソースはクランプ出力ラインCL11〜CL14に接続されており、サンプル用トランジスタM21〜M24のドレインはクランプ出力ラインCL11〜CL14に接続され、そのソースはノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4の各出力端となっており、サンプル用トランジスタM21〜M24のゲートは1列おきに第1及び第2のサンプル制御ラインφSH1,φSH2に共通に接続されており、ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4の各出力端には、他端をアース接続したホールド用容量C41〜C44の一端が接続されている。
図6は、本実施例における水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。ここでは、垂直走査回路2により画素部1の上から1行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。始めに、モード制御部8の制御信号により、ノイズ抑圧部4と水平走査回路6に水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。なお、第1及び第2のサンプル制御ラインφSH1=φSH2=Hとし、クランプ制御ラインφCL=Hとすると、垂直信号線V11の信号電圧VV11-SIG と基準電圧値VREF の差電圧をクランプ容量C31に蓄積する動作、及び垂直信号線V12の信号電圧VV12-SIG と基準電圧値VREF の差電圧をクランプ容量C32に蓄積する動作は、実施例1と同じなので、その説明を省略する。
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL12を高インピーダンス状態とし、更に水平混合制御ラインφAV−H=Hとすることで、水平混合用トランジスタM41をON状態とし、クランプ出力ラインCL11とCL12を接続する。更に、第2のサンプル制御ラインφSH2=Lと変化させ、サンプル用トランジスタM22をOFF状態とすることで、ホールド用容量C42を切り離し、ホールド用容量C41のみをクランプ出力ラインCL11とCL12に接続する。
この状態で、行リセットラインφRST1=Hとした後再びφRST1=Lとすることで、単位画素P11とP12に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV12へ出力する。このとき、垂直信号線V11とV12のリセット電圧を、それぞれVV11-RST とVV12-RST とし、垂直信号線V11とV12の信号電圧とリセット電圧の差電圧を、ΔVV11 とΔVV12 とすると、高インピーダンス状態のクランプ出力ラインCL11とCL12では、電荷保存則よりノイズ抑圧動作後のクランプ出力ラインの電圧変化量ΔVCL11(=ΔVCL12)と、クランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL12)は、次式(17),(18)となる。
ΔVCL11=〔{2CCL/(2CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV12 )/2〕
・・・・・・・(17)
CL11=VREF +〔{2CCL/(2CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV12 )/2〕
・・・・・・・(18)
ここで、クランプ用容量C31とC32は同じ容量値CCL,ホールド用容量C41は容量値CSHとする。
したがって、単位画素P11とP12の画素信号のノイズ抑圧動作が完了すると同時に、画素信号の混合動作も終了している。加えて、混合信号をホールド用容量C41のみに蓄積することで、混合信号の出力振幅を大きくできる。仮にCCL=CSHとすると、(17)式のクランプ出力ラインの電圧変化量ΔVCL11は、実施例1における(14)式の 1.5倍となる。
その後、第1のサンプル制御ラインφSH1=Lとし、サンプル用トランジスタM21をOFF状態とすることで、ホールド用容量C41を切り離し、水平混合制御ラインφAV−H=Lとすることで、水平混合用トランジスタM41をOFF状態とし、クランプ出力ラインCL11とCL12を切り離す。また、行選択ラインφROW1=Lと変更することで、単位画素P11及びP12と垂直信号線V11及びV12を切り離す。
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは実施例1と同様で、水平走査回路6により水平選択スイッチ部5を1列飛ばしで動作させ、ホールド用容量C41とC43に蓄積された混合信号のみを出力ライン7へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
一方、水平混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号によりノイズ抑圧部4と水平走査回路6に通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図6において水平混合制御ラインφAV−H=Lとして、画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に出力ラインリセット動作とノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返すことで、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで、全画像データ数を得る。
以上のように、本実施例によれば、単位画素P11〜P44のノイズ抑圧時に、モード制御部8の制御信号により水平混合制御ラインφAV−H=Hとし、クランプ出力ラインCL11とCL12,及びCL13とCL14を接続することで、画素信号のノイズ抑圧動作と2列分の画素信号の水平混合動作を同時に行うことができる。したがって、余分な処理時間を必要とせずに水平方向の画素信号を混合することができる。加えて、水平混合信号を1列おきのホールド用容量C41及びC43のみに蓄積することで、水平混合信号の出力振幅を大きくして、後段で発生するノイズによる信号品質の低下を抑えることができる。
(実施例3)
図7は、本発明に係る増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置の実施例3を示す回路構成図である。この実施例は、画素部1の同一列に2本の垂直信号線を設け、且つノイズ抑圧部4において2行分の画素信号を同時に差分処理できるように構成し、垂直走査回路2によって同時に2行分の画素信号を読み出すことで、画素信号のノイズ抑圧動作と2行分の画素信号の垂直混合動作を同時に行うことができるようにしたものである。次に、その構成について説明する。なお、実施例1と対応する構成要素には同一の符号を付して示している。
画素部1には、奇数行と偶数行で垂直信号線を独立にして列当たり2本の垂直信号線V11〜V14,V21〜V24が設けられており、垂直走査回路2の出力である電源ラインVR1〜VR4と、行リセットラインφRST1〜φRST4と、行選択ラインφROW1〜φROW4によって、2行同時に画素信号を読み出せるように構成されている。ノイズ抑圧部4は、垂直信号選択用トランジスタM51〜M54及びM61〜M64と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、クランプ用容量C31〜C34及びC51〜C54と、ホールド用容量C41〜C44からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられている。モード制御部8は、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6の動作タイミングを決めるものである。
なお、各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4において、クランプ用容量C31〜C34及びC51〜C54の一端は、2本の垂直信号線V11〜V14,V21〜V24に接続され、他端はクランプ出力ラインCL11〜CL14,CL21〜CL24に接続されており、垂直選択用トランジスタM51〜M54,M61〜M64のドレインはクランプ出力ラインCL11〜CL14,CL21〜CL24に接続され、そのソースは共通にして各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4の出力端に接続され、垂直選択用トランジスタM51〜M54のゲートは第1の垂直信号選択ラインφSEL1に共通に接続され、垂直選択用トランジスタM61〜M64のゲートは第2の垂直信号選択ラインφSEL2に共通に接続されており、クランプ用トランジスタM31〜M34のドレインは共通に基準電圧ラインREFに接続され、そのゲートは共通にクランプ制御ラインφCLに接続され、そのソースは各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4の出力端に接続されており、更に各ノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4の出力端には、他端をアース接続したホールド用容量C41〜C44の一端が接続されている。
図8は、本実施例における垂直混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。ここで、垂直走査回路2により画素部1の上から1行目と2行目が選択された場合で、左から1列目の動作に注目して説明する。始めに、モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に垂直混合動作時の駆動タイミングが設定される。なお、第1及び第2の垂直信号選択ラインφSEL1=φSEL2=Hとし、クランプ制御ラインφCL=Hとしたとき、行選択ラインφROW1=φROW2=Hでの、垂直信号線V11の信号電圧VV11-SIG と基準電圧値VREF の差電圧をクランプ容量C31に蓄積する動作、及び垂直信号線V21の信号電圧VV21-SIG と基準電圧値VREF の差電圧をクランプ容量C51に蓄積する動作は、実施例1における動作と同じなので、その説明を省略する。
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL21を高インピーダンス状態とする。このとき、各垂直信号選択ラインφSEL1=φSEL2=Hにより、クランプ出力ラインCL11とCL12は垂直信号選択用トランジスタM51とM61を介して接続されている。この状態で、行リセットラインφRST1=φRST2=Hとした後再びφRST1=φRST2=Lとすることで、単位画素P11とP21に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV21へ出力する。このとき垂直信号線V11とV21のリセット電圧を、それぞれVV11-RST とVV21-RST とし、垂直号線V11とV21の信号電圧とリセット電圧の差電圧をΔVV11 ,ΔVV21 とすると、電荷保存則よりノイズ抑圧動作後のクランプ出力ラインの電圧変化量ΔVCL11(=ΔVCL12)及びクランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL12)は、次式(19),(20)となる。
ΔVCL11=〔{2CCL/(2CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV21 )/2〕
・・・・・・・(19)
CL11=VREF +〔{2CCL/(2CCL+CSH)}×(ΔVV11 +ΔVV21 )/2〕
・・・・・・・(20)
ここで、クランプ用容量C31とC51は同じ容量値CCL,ホールド用容量C41は容量値CSHとする。
したがって、単位画素P11とP21の画素信号のノイズ抑圧動作が完了すると同時に、画素信号の混合動作も終了している。その後、各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Lとし、垂直信号選択用トランジスタM51とM61をOFF状態にすることで、クランプ出力ラインCL11及びCL21とホールド用容量C41を切り離す。また、行選択ラインφROW1=φROW2=Lと変更することで、単位画素P11及びP21と垂直信号線V11及びV21を切り離す。
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは、リセット制御ラインφRS=Hで出力リセット用トランジスタM111 をON状態として、出力ライン7を出力基準電圧ラインHREFの電圧値VHREFに設定し、再びリセット制御ラインφRS=Lに切り替える出力ラインリセット動作を行った後、水平走査回路6によって選択された水平選択スイッチ部5を介して行われる。ここで、画素部1の読み出し行の選択回数が半分のため画像データ数が半分になる。
一方、垂直混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号により垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図9に示すように、第1及び第2の垂直信号選択制御ラインφSEL1とφSEL2を制御することにより、1行毎に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に出力ラインリセット動作と信号読出し動作を繰り返すことにより、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで、全画像データ数を得る。
以上のように、本実施例によれば、モード制御部8の制御信号により、画素部1より2行分の画素信号を同時に読み出し、更にノイズ抑圧時に各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Hとし、同一列内のクランプ出力ラインCL11とCL21を接続することで、画素信号のノイズ抑圧動作と2行分の画素信号の垂直混合動作を同時に行うことができる。したがって、1行分の画素信号読み出し期間内に垂直方向の画素信号を混合することができる。
(実施例4)
図10は、本発明に係る増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置の実施例4における主要部の構成を示す回路構成図である。この実施例は、実施例3に対比してノイズ抑圧部4の構成を変更することにより、垂直混合動作と水平混合動作の両方に対応させ、画素信号のノイズ抑圧動作と2行2列分の画素信号の混合動作を同時に行うことができるようにしたものである。次に、その構成について説明する。なお、図示以外の画素部等の構成は、図7に示した実施例3と同一であり、図10において、図7に示した実施例3と対応する構成要素には同一の符号を付して示している。
この実施例のノイズ抑圧部4は、垂直信号選択用トランジスタM51〜M54及びM61〜M64と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、クランプ用容量C31〜C34及びC51〜C54と、ホールド用容量C41〜C44からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられており、この構成は図7に示した実施例3と同様であり、更にホールド用容量C41とC42及びホールド用容量C43とC44を接続する、水平混合制御ラインφAV−Hで制御される水平混合用トランジスタM41とM43とを設けて構成されている点が、実施例3と異なっている。
図11は、本実施例における垂直及び水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。垂直走査回路2により画素部1の上から1行目と2行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、垂直及び水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。なお、行選択ラインφROW1=φROW2=H及びクランプ制御ラインφCL=Hでの、各垂直信号線の信号電圧と基準電圧値VREF の差電圧をクランプ容量C31とC51及びC32とC52に蓄積する動作は、実施例3と同じなので、その説明を省略する。
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL21とCL12とCL22を高インピーダンス状態とする。このとき、各垂直信号選択ラインφSEL1=φSEL2=Hにより、クランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22は、垂直信号選択用トランジスタM51とM61及びM52とM62を介して接続されている。更に水平混合制御ラインφAV−H=Hとすることで、水平混合用トランジスタM41をON状態とし、ホールド用容量C41とC42を接続する。
この状態で、行リセットラインφRST1=φRST2=Hとした後再びφRST1=φRST2=Lとすることで、単位画素P11とP21とP12とP22に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV21とV12とV22へそれぞれ出力する。このとき垂直信号線V11とV21とV12とV22のリセット電圧を、それぞれVV11-RST とVV21-RST とVV12-RST とVV22-RST とし、垂直信号線V11とV21とV12とV22の信号電圧とリセット電圧の差電圧を、ΔVV11 とΔVV21 とΔVV12 とΔVV22 とすると、電荷保存則よりノイズ抑圧動作後のクランプ出力ラインの電圧変化量ΔVCL11(=ΔVCL21=ΔVCL12=ΔVCL22),及びクランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL21=VCL12=VCL22)は、次式(21),(22)となる。
ΔVCL11=〔{2CCL/(2CCL+CSH)}
×(ΔVV11 +ΔVV21 +ΔVV12 +ΔVV22 )/2〕・・・・・(21)
CL11=VREF +〔{2CCL/(2CCL+CSH)}
×(ΔVV11 +ΔVV21 +ΔVV12 +ΔVV22 )/2〕 ・・・・・(22)
ここで、クランプ用容量C31とC51とC32とC52は同じ容量値CCL,ホールド用容量C41とC42は容量値CSHとする。
したがって、単位画素P11とP21とP12とP22のノイズ抑圧動作が完了すると同時に、画素信号の混合動作も終了している。その後、各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Lとし、垂直信号選択用トランジスタM51とM61並びにM52とM62をOFF状態にすることで、クランプ出力ラインCL11及びCL21とホールド用容量C41を切り離し、クランプ出力ラインCL12及びCL22とホールド用容量C42を切り離す。また、水平混合制御ラインφAV−H=Lとすることで、水平混合用トランジスタM41をOFF状態としホールド用容量C41とC42の接続を切り離す。更に、行選択ラインφROW1=φROW2=Lと変更することで、単位画素P11とP21とP12とP22を垂直信号線V11とV21とV12とV22からそれぞれ切り離す。
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは、リセット制御ラインφRS=Hで出力リセット用トランジスタM111 をON状態として、出力ライン7を出力基準電圧ラインHREFの電圧値VHREFに設定し、再びリセット制御ラインφRS=Lに切り替える出力ラインリセット動作を行った後、水平走査回路6によって選択された水平選択スイッチ部5を介して行われる。ここで、画素部1の読み出し行の選択回数が半分で、且つ水平走査回路6により水平選択スイッチ部5を1列飛ばしで動作させホールド用容量C41とC43のみから出力ライン7へ信号を読み出すことで、画像データ数が1/4になる。
垂直混合動作のみの場合には、モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に垂直混合動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図11において水平混合制御ラインφAV−H=Lとし、2行同時に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後出力ラインリセット動作とノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返すことで、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての混合信号を出力ライン7 へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
水平混合動作のみの場合は、モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図12に示すように、第1及び第2の垂直信号選択制御ラインφSEL1とφSEL2を制御することにより、1行毎に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に出力ラインリセット動作と信号読み出し動作を繰り返すことで、ホールド用容量C41とC43に蓄積された混合信号のみを出力ライン7へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
水平混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号により垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図12において水平混合制御ラインφAV−H=Lとし、1行毎に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に出力ラインリセット動作と信号読み出し動作を繰り返すことで、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで全画像データ数を得る。
以上のように、本実施例によれば、モード制御部8の制御信号により、画素部1より2行分の画素信号を同時に読み出し、ノイズ抑圧時に各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Hとし、同一列内のクランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22及びCL13とCL23及びCL14とCL24を接続することで、画素信号のノイズ抑圧動作と2行分の画素信号の混合動作を同時に行うことができる。加えて、モード制御部8の制御信号により、水平混合制御ラインφAV−H=Hとし、ノイズ抑圧回路CDS1とCDS2のホールド用容量C41とC42,及びノイズ抑圧回路CDS3とCDS4のホールド用容量C43とC44をそれぞれ接続することで、2列分の画素信号の混合動作も同時に行うことができる。結果として、画素信号のノイズ抑圧動作と2行2列分の画素信号の混合動作を同時に行うことができる。したがって、1行分の画素信号読み出し期間内に垂直方向の画素信号を混合することができ、且つ余分な処理時間を必要とせずに水平方向の画素信号を混合することができる。
(実施例5)
図13は、本発明に係る増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置の実施例5における主要部の構成を示す回路構成図である。この実施例は、図10に示した実施例4に対比してノイズ抑圧部4の構成を変更することにより、混合信号を1列おきのホールド用容量C41及びC43のみに蓄積することで、混合信号の振幅を大きくすることができるようにしたものである。次に、その構成について説明する。なお、図示以外の画素部等の構成は、図7に示した実施例3のものと同一であり、図13において、図10に示した実施例4と対応する構成要素には同一の符号を付して示している。
この実施例のノイズ抑圧部4は、垂直信号選択用トランジスタM51〜M54及びM61〜M64と、クランプ用トランジスタM31〜M34と、サンプル用トランジスタM21〜M24と、クランプ用容量C31〜C34及びC51〜C54と、ホールド用容量C41〜C44からなるノイズ抑圧回路CDS1〜CDS4が各列毎に設けられており、更に第1及び第2のサンプル制御ラインφSH1及びφSH2によりそれぞれ制御されるサンプル用トランジスタM21とM22を介して、ホールド用容量C41とC42を接続する水平混合用トランジスタM41,及び第1及び第2のサンプル制御ラインφSH1及びφSH2によりそれぞれ制御されるサンプル用トランジスタM23とM24を介してホールド用容量C43とC44を接続する水平混合用トランジスタM43とを設けて構成されている。
図14は、本実施例における垂直及び水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートの概略図である。ここでは、垂直走査回路2により画素部1の上から1行目と2行目が選択された場合で、左から1列目と2列目の動作に注目して説明する。モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、垂直及び水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。なお、各サンプル制御ラインφSH1=φSH2=Hのとき、行選択ラインφROW1=φROW2=Hでの各垂直信号線の信号電圧と基準電圧値VREF の差電圧を、クランプ容量C31とC51及びC32とC52に蓄積する動作は、実施例3と同じなので、その説明を省略する。
次に、クランプ制御ラインφCL=Lと変化させ、クランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22を高インピーダンス状態とする。このとき、各垂直信号選択ラインφSEL1=φSEL2=Hにより、クランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22は、垂直信号選択用トランジスタM51とM61及びM52とM62を介して接続されている。更に、水平混合制御ラインφAV−H=Hとすることで、水平混合用トランジスタM41をON状態とし、クランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22を接続する。更に、第2のサンプル制御ラインφSH2=Lと変化させて、サンプル用トランジスタM22をOFF状態とすることで、ホールド用容量C42を切り離し、ホールド用容量C41のみをクランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22に接続する。
この状態で、行リセットラインφRST1=φRST2=Hとした後再びφRST1=φRST2=Lとすることで、単位画素P11とP21及びP12とP22に含まれるフォトダイオードPD1のリセット電圧を、増幅トランジスタM2を介して垂直信号線V11とV21及びV12とV22へ出力する。このとき垂直信号線V11とV21及びV12とV22のリセット電圧を、それぞれVV11-RST とVV21-RST とVV12-RST とVV22-RST とし、垂直信号線V11とV21及びV12とV22の信号電圧とリセット電圧の差電圧を、ΔVV11 とΔVV21 とΔVV12 とΔVV22 とすると、電荷保存則よりノイズ抑圧動作後のクランプ出力ラインの電圧変化量ΔVCL11(=ΔVCL21=ΔVCL12=ΔVCL22),及びクランプ出力ライン電圧VCL11(=VCL21=VCL12=VCL22)は、次式(23),(24)となる。
ΔVCL11=〔{4CCL/(4CCL+CSH)}
×(ΔVV11 +ΔVV21 +ΔVV12 +ΔVV22 )/2〕・・・・・(23)
CL11=VREF +〔{4CCL/(4CCL+CSH)}
×(ΔVV11 +ΔVV21 +ΔVV12 +ΔVV22 )/2〕 ・・・・・(24)
ここで、クランプ用容量C31及びC51とC32とC52は、同じ容量値CCL,ホールド用容量C41は容量値CSHとする。
したがって、単位画素P11とP21及びP12とP22の画素信号のノイズ抑圧動作が完了すると同時に、画素信号の混合動作も終了している。加えて、混合信号をホールド用容量C41のみに蓄積することで、混合信号の出力振幅大きくできる。仮にCCL=CSHとすると、(23)式の混合信号の出力振幅ΔVCL11は、実施例4の(21)式の 1.2倍となる。
その後、各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Lとし、垂直信号選択用トランジスタM51とM61をOFF状態にすることでクランプ出力ラインCL11とCL12を切り離し、垂直信号選択用トランジスタM52とM62をOFF状態にすることでクランプ出力ラインCL12とCL22を切り離す。また、第1のサンプル制御ラインφSH1=Lとしてサンプル用トランジスタM21をOFF状態とすることで、ホールド用容量C41を切り離す。加えて、水平混合制御ラインφAV−H=Lとすることで水平混合用トランジスタM41をOFF状態とし、ノイズ抑圧回路CDS1とCDS2を切り離す。更に、行選択ラインφROW1=φROW2=Lと変更することで、単位画素P11とP21及びP12とP22を垂直信号線V11とV21及びV12とV22からそれぞれ切り離す。
ノイズ抑圧部4から出力ライン7への信号読み出しは、出力ラインリセット動作とノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返し、1列おきのホールド用容量C41とC43に蓄積された混合信号のみを出力ライン7へ読み出すことで行われ、画像データ数は1/4になる。
垂直混合動作のみの場合には、モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、垂直混合動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図14において水平混合制御ラインφAV−H=Lとし、画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作後に出力ラインリセット動作とノイズ抑圧部4からの信号読み出し動作を繰り返すことにより、ホールド用容量C41〜C44に蓄積されたの全ての混合信号を出力ライン7へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
水平混合動作のみの場合は、モード制御部8の制御信号により垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、水平混合動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図15に示すように、第1及び第2の垂直信号選択制御ラインφSEL1とφSEL2を制御することにより1行毎に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作後に出力ラインリセット動作と信号読み出し動作を繰り返すことにより、1列おきのホールド用容量C41とC43に蓄積された混合信号のみを出力ライン7へ読み出すことで、画像データ数が半分になる。
水平混合動作をしない場合は、モード制御部8の制御信号により、垂直走査回路2とノイズ抑圧部4と水平走査回路6に、通常動作時の駆動タイミングが設定される。その後、図15において水平混合制御ラインφAV−H=Lとし1行毎に画素信号のノイズ抑圧動作を行い、ノイズ抑圧動作終了後に出力ラインリセット動作と信号読み出し動作を繰り返すことにより、ホールド用容量C41〜C44に蓄積された全ての個別信号を出力ライン7へ読み出すことで、全画像データ数を得る。
以上のように、本実施の形態によれば、モード制御部8の制御信号により、画素部1より2行分の画素信号を同時に読み出し、ノイズ抑圧時に各垂直信号選択制御ラインφSEL1=φSEL2=Hとし、同一列内のクランプ出力ラインCL11とCL21及びCL12とCL22及びCL13とCL23及びCL14とCL24を接続することで、画素信号のノイズ抑圧動作と2行分の画素信号の混合動作を同時に行うことができる。加えて、モード制御部8の制御信号により、水平混合制御ラインφAV−H=Hとし、ノイズ抑圧回路CDS1とCDS2のホールド用容量C41とC42,及びノイズ抑圧回路CDS3とCDS4のホールド用容量C43とC44とを各々接続することで、2列分の画素信号の混合動作も同時に行うことができる。結果として、画素信号のノイズ抑圧動作と2行2列分の画素信号の混合動作を同時に行うことができる。
したがって、1行分の画素信号読出し期間内に垂直方向の画素信号を混合することができ、且つ余分な処理時間を必要とせずに水平方向の画素信号を混合することができる。加えて、垂直及び水平混合信号を1列おきのホールド用容量C41及びC43のみに蓄積することで、実施例4に対比して混合信号の出力振幅を大きくして、後段で発生するノイズによる信号品質の低下を抑えることができる。
なお、上記各実施例の回路構成及び駆動方式の変更は、請求項記載の範囲を逸脱しない範囲で広く行うことができる。例えば、水平混合動作時に、水平混合制御ラインとサンプル制御ラインの駆動を同じタイミングとすることもできる。また、水平混合する画素数を3列分以上にすることや、垂直混合する画素数を3行以上とすることもできる。更に、n列とn+2列の水平混合やm行とm+2行の混合など、隣り合わない画素との混合動作も対応可能である。加えて、単位画素の構成要素及び駆動方法が変わった場合も、垂直走査回路やノイズ抑圧部の、回路構成や駆動方法を変更することで対応可能である。
本発明に係る固体撮像装置の実施例1の構成を示す回路構成図である。 図1に示した実施例1の水平混合動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 図1に示した実施例1の変形例の主要部を示す回路構成図である。 図3に示した変形例の水平混合動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 本発明の実施例2に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す回路構成図である。 図5に示した実施例2の水平混合動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 本発明の実施例3に係る固体撮像装置の構成を示す回路構成図である。 図7に示した実施例3の垂直混合動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 図7に示した実施例3において垂直混合動作を行わない通常動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 本発明の実施例4に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す回路構成図である。 図10に示した実施例4における垂直及び水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 図10に示した実施例4において水平混合動作のみの動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 本発明の実施例5に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す回路構成図である。 図13に示した実施例5における垂直及び水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 図13に示した実施例5において水平混合動作のみの動作時における動作を説明するための駆動タイミングチャートである。 従来の水平方向の画素信号を混合する手段を持つ固体撮像装置の構成例を示す回路構成図である。 図16に示した従来例における水平混合動作時の動作を説明するための駆動タイミングチャートである。
符号の説明
1 画素部
2 垂直走査回路
3 電流供給部
4 ノイズ抑圧部
5 水平選択スイッチ部
6 水平走査回路
7 出力ライン
8 モード制御部
P11〜P44 単位画素
V11〜V24 垂直信号線
CDS1〜CDS4 ノイズ抑圧回路

Claims (7)

  1. 光電変換部と該光電変換部の出力を増幅して画素信号を出力する増幅部とを含んだ画素を行方向及び列方向に二次元的に配置した画素部と、該画素部の読み出し行を選択する垂直走査部と、単位画素毎に前記画素信号のノイズ抑圧を行うノイズ抑圧処理機能及び所定方向の複数の前記画素信号を混合する信号混合処理機能とを備えたノイズ抑圧部と、該ノイズ抑圧部を経た前記水平方向に係る画素信号を順次、水平信号線から出力させる水平走査部と、前記ノイズ抑圧処理後の画素信号を前記水平信号線に出力させる第1のモード及び前記ノイズ抑圧処理と前記信号混合処理の並列処理後の画素信号を前記水平信号線に出力させる第2のモードの各モードに応じた制御を行うモード制御部とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記ノイズ抑圧部は、前記列毎に設けられた容量と、少なくとも2つ以上の前記容量を接続するスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記スイッチにより複数の前記容量を接続した状態で、前記容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
  3. 前記ノイズ抑圧部は、前記列毎に、第1の容量と、第2の容量と、前記第1の容量と前記第2の容量とを接続する第1のスイッチと、複数の前記第1の容量を接続する第2のスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第2のスイッチによりN個(但し、N≧2)の前記第1の容量を接続し、且つ前記第1のスイッチによりM個(但しM<N)の前記第2の容量を接続した状態で、前記第2の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
  4. 前記ノイズ抑圧部は、前記列毎であって且つ複数の行の各々に対応して並列に設けられた複数の第1の容量と、前記列の複数の第1の容量を選択的に接続する第1のスイッチとを有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第1のスイッチにより選択された同一列に係る複数の前記第1の容量を接続した状態で、前記第1の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
  5. 前記画素部は、前記列毎に複数の信号線を有し、同一列の複数の画素は所定の画素単位で異なる信号線に接続されており、複数の前記第1の容量は、各々、前記複数の信号線の信号線毎に設けられていることを特徴とする請求項4に係る固体撮像装置。
  6. 前記ノイズ抑圧部は、異なる前記列の前記第1の容量を複数接続する第2のスイッチを更に有し、前記モード制御部は、前記第2のモードにおいて、前記第2のスイッチにより異なる前記列の前記第1の容量を複数接続した状態で、前記第1の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とする請求項4に係る固体撮像装置。
  7. 前記ノイズ抑圧部は、第2の容量と、前記第1の容量と前記第2の容量とを接続する第3のスイッチとを更に有し、前記モード制御部は、第2のモードにおいて、前記第2のスイッチによりN個(但し、N≧2)の前記第1の容量を接続し、且つ前記第3のスイッチによりM個(但しM<N)の前記第2の容量を接続した状態で、前記第2の容量に前記画素信号の第1出力レベル及び引き続いて第2出力レベルを印加するように制御することを特徴とする請求項6に係る固体撮像装置。
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