JP2009070913A - Solid-state imaging element and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部が配置された有効画素領域と、光学的黒レベルの基準信号を得るためのOB部が配置されたOB画素領域とを有する固体撮像素子に関する。 The present invention provides an effective pixel region in which a photoelectric conversion unit for obtaining an imaging signal corresponding to light from a subject, and an OB pixel region in which an OB unit for obtaining an optical black level reference signal are provided. The present invention relates to a solid-state imaging device having
近年、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像素子では、微細化により、光電変換素子の空乏化電圧が上昇したり、露光期間及び電荷転送期間中に光電変換素子表面からCCDへ流れ込むスミア電荷が増加したりといった問題が出てきている。そこで、このような問題を解決するために、光電変換素子からCCDへの電荷読み出し期間には、該遮光膜にプラスの電圧を印加して光電変換素子の空乏化電圧上昇を抑え、それ以外の期間には、光電変換素子の受光面以外を遮光している遮光膜にマイナスの電圧を印加してスミア電荷がCCDへ移動するのを防止するといったことが従来提案されている。(例えば特許文献1参照)。 In recent years, in a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device, the depletion voltage of the photoelectric conversion device increases due to miniaturization, and smear charges that flow from the surface of the photoelectric conversion device to the CCD during the exposure period and charge transfer period. Problems such as an increase have emerged. Therefore, in order to solve such a problem, during the charge readout period from the photoelectric conversion element to the CCD, a positive voltage is applied to the light shielding film to suppress the depletion voltage rise of the photoelectric conversion element. In the period, it has been conventionally proposed to apply a negative voltage to the light shielding film that shields light other than the light receiving surface of the photoelectric conversion element to prevent smear charges from moving to the CCD. (For example, refer to Patent Document 1).
又、光電変換素子の開口面上に透明電極膜を形成し、この透明電極膜に、電荷読み出し期間にはプラスの電圧を印加し、電荷読み出し期間以外の期間にはマイナスの電圧を印加するといったことも提案されている(例えば特許文献2、3参照)。
Further, a transparent electrode film is formed on the opening surface of the photoelectric conversion element, and a positive voltage is applied to the transparent electrode film during the charge readout period and a negative voltage is applied during a period other than the charge readout period. This has also been proposed (see, for example,
特許文献2,3に開示された構成では、光電変換素子の受光面が透明電極によって覆われているため、この透明電極によって若干の光が吸収されてしまい、撮像素子の光学特性が劣化するという問題点がある。又、一般に、固体撮像素子には、光学的黒レベルの基準信号を得るためのOB光電変換素子と、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための有効光電変換素子とが存在し、これらOB光電変換素子と有効光電変換素子との上に設けられる遮光膜は、有効光電変換素子の上方にのみ開口が形成された構成となっている。つまり、有効光電変換素子とその近傍の遮光膜の構成と、OB光電変換素子とその近傍の遮光膜の構成とは異なるものとなっている。このため、特許文献1に開示されているように遮光膜に電圧を印加した場合、OB光電変換素子と有効光電変換素子とで、スミア抑制効果及び空乏化電圧上昇抑制効果に差が出てしまい、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得られなくなってしまうという問題点がある。
In the configurations disclosed in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学特性を劣化させることなく、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can accurately obtain an optical black level reference signal without degrading optical characteristics.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に形成された多数の光電変換素子を含む固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子が、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子と、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるOB光電変換素子とを含み、前記半導体基板の前記有効光電変換素子が設けられた領域を有効画素領域とし、前記半導体基板の前記OB光電変換素子が設けられた領域をOB画素領域とし、前記有効画素領域及び前記OB画素領域上方に設けられ、前記有効光電変換素子の少なくとも一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、前記OB光電変換素子の表面から前記遮光膜までの距離が、前記有効光電変換素子の表面から前記遮光膜までの距離よりも大きくなっている。 The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a large number of photoelectric conversion elements formed in a semiconductor substrate, and the large number of photoelectric conversion elements are used for obtaining an imaging signal corresponding to light from a subject. An effective photoelectric conversion element that is a photoelectric conversion element, and an OB photoelectric conversion element that is a photoelectric conversion element for obtaining a reference signal of an optical black level, and a region in which the effective photoelectric conversion element of the semiconductor substrate is provided The effective pixel region, the region of the semiconductor substrate where the OB photoelectric conversion element is provided is defined as an OB pixel region, and is provided above the effective pixel region and the OB pixel region, above at least a part of the effective photoelectric conversion device. And a distance from the surface of the OB photoelectric conversion element to the light shielding film is greater than a distance from the surface of the effective photoelectric conversion element to the light shielding film. You have me.
本発明の固体撮像素子は、前記OB光電変換素子と前記遮光膜の間と、前記有効光電変換素子と前記遮光膜の間とのうち、前記OB光電変換素子と前記遮光膜の間にのみ設けられた絶縁膜を備える。 The solid-state imaging device of the present invention is provided only between the OB photoelectric conversion element and the light shielding film among the OB photoelectric conversion element and the light shielding film and between the effective photoelectric conversion element and the light shielding film. Provided with an insulating film.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、前記駆動手段は、第一の期間に前記遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間である。 The imaging apparatus of the present invention includes the solid-state imaging device and a driving unit that drives the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device includes a charge transfer path for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion device. A charge reading unit for reading the charge into the charge transfer path, and the driving unit applies a positive voltage to the light-shielding film in a first period and the period in a period other than the first period. Driving is performed by applying a negative voltage to the light shielding film, and the first period is a period including at least a part of a charge reading period in which a reading voltage is applied to the charge reading unit and the charge is read out to the charge transfer path. is there.
本発明によれば、光学特性を劣化させることなく、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of accurately obtaining an optical black level reference signal without deteriorating optical characteristics.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図1に示す固体撮像素子5は、半導体基板内の垂直方向とこれに直交する水平方向に正方格子状に配列された多数の光電変換素子51と、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子51からなる光電変換素子列に対応してその右側部に設けられ、該光電変換素子列の各光電変換素子51に蓄積された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路52と、光電変換素子51に蓄積された電荷を該光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52に読み出すための電荷読出し部53と、垂直電荷転送路52を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送路54と、水平電荷転送路54を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部55とを備える。
FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
A solid-state imaging device 5 shown in FIG. 1 includes a large number of
多数の光電変換素子51には、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるOB光電変換素子51と、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子51とを含む。図1では、OB光電変換素子51に“OB”の文字を記してある。
The many
図1に示すように、固体撮像素子5の半導体基板には、OB光電変換素子51が設けられた領域であるOB画素領域56と、半導体基板のうちの有効光電変換素子51が設けられた領域である有効画素領域57とが含まれている。尚、図1では、固体撮像素子5に含まれる光電変換素子列のうち、出力部55側から近い2つの光電変換素子列を構成する光電変換素子をOB光電変換素子51としているが、OB光電変換素子51の配置はこの例に限らない。
As shown in FIG. 1, the semiconductor substrate of the solid-state imaging device 5 has an OB pixel region 56, which is a region where the OB
図2は、図1に示すA−A線断面模式図である。尚、図2では、遮光膜よりも上方の構成(カラーフィルタやマイクロレンズ等)の図示を省略してある。
図2に示すように、n型シリコン基板63上に形成されたpウェル層64内に光電変換素子51が形成されている。n型シリコン基板63とpウェル層64とにより、上記半導体基板が構成されている。光電変換素子51は、pウェル層64の表面から内側に形成されたp型不純物層51aと、p型不純物層51aの下に形成されたn型不純物層51bとから構成されている。p型不純物層51aは、光電変換素子51の表面電位を固定して暗電流を防ぐためのものである。光電変換素子51で発生した電荷はn型不純物層51bに蓄積される。
2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. In FIG. 2, the illustration of the configuration above the light shielding film (color filter, microlens, etc.) is omitted.
As shown in FIG. 2, the
pウェル層64内の光電変換素子51の右隣には、少し離間してn型不純物層からなる垂直電荷転送路52が形成されている。光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間のpウェル層64には、光電変換素子51で発生してn型不純物層51bに蓄積された電荷を垂直電荷転送路52に読み出すための電荷読み出し部53が形成されている。垂直電荷転送路52と電荷読み出し部53の上方には、シリコン酸化膜やONO膜等からなるゲート絶縁膜50を介して、垂直電荷転送路52に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための電荷転送電極と、電荷読み出し部53に読み出し電圧を供給して電荷読み出し動作を制御するための電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極58が形成されている。ゲート絶縁膜50及び電極58上には絶縁膜59が形成されている。
On the right side of the
OB画素領域56上の絶縁膜59上には、絶縁膜60が形成されている。絶縁膜59及び絶縁膜60上には、OB画素領域56と有効画素領域57に設けられた光電変換素子51、垂直電荷転送路52、電荷読み出し部53、及び該垂直電荷転送路52上方に設けられた電極58等に光が入射するのを防ぐための遮光膜61が形成されている。遮光膜61は、光を透過しない材料且つ導電性の材料(例えばタングステンやアルミニウム等)で構成されている。
An
遮光膜61は、有効光電変換素子51の少なくとも一部上方にのみ開口Kが形成されており、この開口Kによって、有効光電変換素子51の受光面積が決定されている。
The
遮光膜61には端子62が接続されており、ここから電圧を印加することが可能となっている。
A
以上のような構成の固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いることができる。以下に、固体撮像素子を搭載した撮像装置の一例であるデジタルカメラの構成について説明する。
図3は、図1に示す固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ1と、固体撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
The solid-state imaging device having the above configuration can be used by being mounted on an imaging apparatus such as a digital camera or a digital video camera. Hereinafter, a configuration of a digital camera which is an example of an imaging apparatus equipped with a solid-state imaging element will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a digital camera equipped with the solid-state imaging device shown in FIG.
The imaging system of the digital camera shown in the figure includes a
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部11は、フラッシュ発光部12及び受光部13を制御し、レンズ駆動部8を制御して撮影レンズ1の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部9を介し絞り2の開口量を制御して露光量調整を行う。
A
又、システム制御部11は、撮像素子駆動部10を介して固体撮像素子5を駆動し、撮影レンズ1を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部11には、操作部14を通してユーザからの指示信号が入力される。
Further, the
撮像素子駆動部10は、端子62に接続されており、ここから遮光膜61に対して所定の電圧を印加することができるようになっている。
The image
撮像素子駆動部10は、露光期間中に光電変換素子51に蓄積された電荷を垂直電荷転送路52に読み出す電荷読み出し期間(電荷読出し部53上方の電極58に読み出し電圧を印加してから読み出し電圧の印加を終了するまでの期間)には、端子62にプラスの電圧を印加する。これにより、光電変換素子51の空乏化電圧の上昇を抑制することができる。
The image
更に、撮像素子駆動部10は、上記電荷読み出し期間以外の期間には、端子62にマイナスの電圧を印加する。これにより、p型不純物層51aから垂直電荷転送路52にスミア電荷が移動するのを抑制することができる。
Further, the imaging
尚、図2において、絶縁膜60を削除した構成は従来の構成と同じになるが、このような従来構成では、有効光電変換素子51上方の遮光膜61の構造と、OB光電変換素子51上方の遮光膜61の構造が異なるため、端子62に同じレベルのマイナス電圧又はプラス電圧を印加したのでは、有効光電変換素子51とOB光電変換素子51とから同一条件で信号を読み出すことができない。一方、本実施形態の固体撮像素子5は、OB画素領域56上方にだけ絶縁膜60が設けられているため、OB光電変換素子51の表面から遮光膜61までの距離(pウェル層64表面に垂直な方向の距離L1)は、有効光電変換素子51の表面から遮光膜61までの距離(pウェル層64表面に垂直な方向の距離L2)よりも大きくなっている。したがって、遮光膜61に電圧を印加したときの該電圧によるスミア抑制効果及び空乏化電圧上昇抑制効果は、絶縁膜60の厚みの分だけOB光電変換素子51の方が弱まることになる。固体撮像素子5では、撮影によって有効光電変換素子51から得られる信号とOB光電変換素子51から得られる信号とがほぼ同一となるように絶縁膜60の厚みが設定されており、これにより、有効光電変換素子51とOB光電変換素子51とから同一条件で信号を読み出すことが可能になっている。
In FIG. 2, the configuration in which the insulating
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子5の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部6と、このアナログ信号処理部6から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路7とを備え、これらはシステム制御部11によって制御される。
The electric control system of the digital camera further includes an analog signal processing unit 6 that performs analog signal processing such as correlated double sampling processing connected to the output of the solid-state imaging device 5, and RGB output from the analog signal processing unit 6. And an A / D conversion circuit 7 for converting the color signals into digital signals, which are controlled by the
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ16と、メインメモリ16に接続されたメモリ制御部15と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部17と、デジタル信号処理部17で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部18と、測光データを積算しデジタル信号処理部17が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部19と、着脱自在の記録媒体21が接続される外部メモリ制御部20と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部23が接続される表示制御部22とを備え、これらは、制御バス24及びデータバス25によって相互に接続され、システム制御部11からの指令によって制御される。
Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing
次に、図3に示したデジタルカメラによる撮影動作について説明する。
操作部14が操作されて撮影指示がなされて露光期間が開始されると、撮像素子駆動部10が端子62にマイナスの電圧を印加する。露光期間が終了すると、撮像素子駆動部10は、電極58に読み出し電圧を印加すると共に、端子62にプラスの電圧を印加する。このプラスの電圧印加は、読み出し電圧の印加が終了するまで行われる。読み出し電圧の印加が終了した後は、撮像素子駆動部10が再び端子62にマイナスの電圧を印加する。そして、撮像素子駆動部10は、垂直電荷転送路52、水平電荷転送路53、及び出力部55を駆動して、読み出された電荷に応じた信号を固体撮像素子5から出力させて撮影動作を終了する。
Next, the photographing operation by the digital camera shown in FIG. 3 will be described.
When the
以上のように、本実施形態の固体撮像素子5によれば、OB画素領域56上方にのみ絶縁膜60を設けて、OB光電変換素子51の表面から遮光膜61までの距離を、有効光電変換素子51の表面から遮光膜61までの距離よりも大きくしたため、有効光電変換素子51とOB光電変換素子51とから同一条件で信号を読み出すことが可能となり、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることができる。
As described above, according to the solid-state imaging device 5 of the present embodiment, the insulating
又、本実施形態の固体撮像素子5は、特許文献2,3に開示された素子のように、有効光電変換素子51の受光面上方に透明電極が存在していないため、透明電極を設けたことによる光学特性の劣化がない。
Moreover, since the solid-state image sensor 5 of this embodiment does not have a transparent electrode above the light-receiving surface of the effective
尚、図2の構成では、OB画素領域56全面を覆って絶縁膜60を形成しているが、L1>L2の関係を満たすためには、OB画素領域56全面を覆って絶縁膜60を形成しておく必要はなく、OB光電変換素子51とその上の遮光膜61との間にのみ絶縁膜60を形成しておけば十分である。
In the configuration of FIG. 2, the insulating
又、上記説明では、読み出し電圧の印加開始から印加終了までの電荷読み出し期間に、遮光膜61にプラスの電圧を印加し、それ以外の期間には遮光膜61にマイナスの電圧を印加するものとしたが、遮光膜61にプラスの電圧を印加する期間は、電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間であれば、空乏化電圧の上昇を抑えることが可能である。
In the above description, a positive voltage is applied to the
5 固体撮像素子
51 光電変換素子
52 垂直電荷転送路
53 電荷読み出し部
54 水平電荷転送路
55 出力部
56 OB画素領域
57 有効画素領域
58 電極
60 絶縁膜
61 遮光膜
62 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Solid-
Claims (3)
前記多数の光電変換素子が、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子と、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるOB光電変換素子とを含み、
前記半導体基板の前記有効光電変換素子が設けられた領域を有効画素領域とし、前記半導体基板の前記OB光電変換素子が設けられた領域をOB画素領域とし、
前記有効画素領域及び前記OB画素領域上方に設けられ、前記有効光電変換素子の少なくとも一部の上方に開口が形成された遮光膜を備え、
前記OB光電変換素子の表面から前記遮光膜までの距離が、前記有効光電変換素子の表面から前記遮光膜までの距離よりも大きくなっている固体撮像素子。 A solid-state imaging device including a large number of photoelectric conversion elements formed in a semiconductor substrate,
The multiple photoelectric conversion elements include an effective photoelectric conversion element that is a photoelectric conversion element for obtaining an imaging signal corresponding to light from a subject, and an OB photoelectric conversion that is a photoelectric conversion element for obtaining a reference signal of an optical black level. Including a conversion element,
An area of the semiconductor substrate in which the effective photoelectric conversion element is provided is an effective pixel area, an area of the semiconductor substrate in which the OB photoelectric conversion element is provided is an OB pixel area,
A light-shielding film provided above the effective pixel region and the OB pixel region and having an opening formed above at least a part of the effective photoelectric conversion element;
A solid-state imaging device in which a distance from the surface of the OB photoelectric conversion element to the light shielding film is larger than a distance from the surface of the effective photoelectric conversion element to the light shielding film.
前記OB光電変換素子と前記遮光膜の間と、前記有効光電変換素子と前記遮光膜の間とのうち、前記OB光電変換素子と前記遮光膜の間にのみ設けられた絶縁膜を備える固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
Solid imaging including an insulating film provided only between the OB photoelectric conversion element and the light shielding film among the OB photoelectric conversion element and the light shielding film, and between the effective photoelectric conversion element and the light shielding film. element.
前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、
前記駆動手段は、第一の期間に前記遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、
前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間である撮像装置。 The solid-state image sensor according to claim 1 or 2,
Driving means for driving the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device includes a charge transfer path for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion element, and a charge reading unit for reading the charge into the charge transfer path,
The driving means performs driving to apply a positive voltage to the light shielding film in a first period and to apply a negative voltage to the light shielding film in a period other than the first period,
The imaging apparatus, wherein the first period is a period including at least a part of a charge readout period in which a readout voltage is applied to the charge readout unit and the charge is read out to the charge transfer path.
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