JP2009177847A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】センサが高密度となっても、画素信号の転送時間と読み出し用の転送時間とのバランスを取り、高画質で解像度の劣化のない読み取りを実行できる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】固体撮像装置において、複数の画素信号を任意の時間間隔をもって複数に出力することを特徴とする。また、複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記複数の画素信号を出力することを特徴とする。更に、1本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】固体撮像装置において、複数の画素信号を任意の時間間隔をもって複数に出力することを特徴とする。また、複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記複数の画素信号を出力することを特徴とする。更に、1本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、被写体を撮像する固体撮像装置に関し、主に複数の画素信号を同時に出力する固体撮像装置に関する。
従来の固体撮像装置について、図13にセンサ部の簡略したブロック図を、図14にその動作タイミング図を示して説明する。図13において、光電変換センサ中、a,bは画素部を表し、光電変換されたそれら画素部の信号電荷が蓄積される部分を蓄積部1とする。垂直シフトレジスタVSRによりセンサの画素部に接続する行選択線を走査し、水平シフトレジスタHSR1により蓄積部1に蓄積された画素信号を順次走査、出力していく。
図14によれば、例えば、先ず光電変換センサの各画素に被写体の画像を蓄積し、つぎに、1水平走査期間内(HSYNC)で、まず蓄積部1への転送用パルスTXがオンの間に、画素a11〜a1n,b11〜b1nの信号をそれぞれ蓄積部1へ転送する。そして水平シフトレジスタHSR1のパルス動作に同期して、期間TSのハイの間にa,bの画素信号を順次出力(OUT1,OUT2)させる。更に以降も、次の2行目ずつを同様の動作を繰り返す。
(従来例の補足)
図15に、図13のブロック図で説明した水平シフトレジスタHSR部とその周辺部の具体的構成を示す。ノイズ成分の蓄積容量をCTN1、CTN2、画素信号a成分の蓄積容量をCTS1 、画素信号b成分の蓄積容量をCTS2 とする。また図13の列線を、各画素部からの信号電荷を転送する垂直信号線としている。また、水平シフトレジスタHSR部とその周辺部は、蓄積容量等をリセットするMOSR1と、画素aに対するノイズ成分を蓄積容量CTN1に制御パルスφTN1によって導通する転送スイッチT1と、同様に転送スイッチT2〜T4と、水平シフトレジスタの走査によりオン/オフするスイッチH1〜H4と、各画素信号と各ノイズ信号を増幅するアンプA1〜A4と、画素成分からノイズ成分を差し引く差動アンプD1〜D2とからなる。
図15に、図13のブロック図で説明した水平シフトレジスタHSR部とその周辺部の具体的構成を示す。ノイズ成分の蓄積容量をCTN1、CTN2、画素信号a成分の蓄積容量をCTS1 、画素信号b成分の蓄積容量をCTS2 とする。また図13の列線を、各画素部からの信号電荷を転送する垂直信号線としている。また、水平シフトレジスタHSR部とその周辺部は、蓄積容量等をリセットするMOSR1と、画素aに対するノイズ成分を蓄積容量CTN1に制御パルスφTN1によって導通する転送スイッチT1と、同様に転送スイッチT2〜T4と、水平シフトレジスタの走査によりオン/オフするスイッチH1〜H4と、各画素信号と各ノイズ信号を増幅するアンプA1〜A4と、画素成分からノイズ成分を差し引く差動アンプD1〜D2とからなる。
図16に、図14の動作タイミング図中の期間TXにおける詳細なタイミングを示す。期間T1 においてMOSR1によって各蓄積容量CTをリセット、垂直信号線をリセットする。T2 においてノイズ成分をCTN1 に転送、T3 において画素aの信号をCTS1 に転送、T4 において垂直信号線リセットする。また、T4 〜T5 の間にbのノイズ成分をCTN2 に転送、T5 において画素bの信号をCTS2 に転送、T6 において各信号出力を(S−Nを行いつつ)蓄積部から読み出す動作を行っている。
したがって各画素信号を蓄積部へ転送する期間が非常に長くなる。
[他の従来の技術]
他の従来技術として、画像の読み出し方法には、複数の画素信号を加算、あるいは複数の信号転送経路により、複数の画素信号を同時に出力する方法がある。例えば、従来例1として、特開平10−285472号公報には、共通の読み出し線に接続された複数の制御スイッチ素子を同時にオンとすることにより、電流モードで同時に複数の画素の読み出しを行い、これら複数の画素の出力を、読み出し出力線上で合成し、選択された複数の画素の信号の積和演算を行う。
他の従来技術として、画像の読み出し方法には、複数の画素信号を加算、あるいは複数の信号転送経路により、複数の画素信号を同時に出力する方法がある。例えば、従来例1として、特開平10−285472号公報には、共通の読み出し線に接続された複数の制御スイッチ素子を同時にオンとすることにより、電流モードで同時に複数の画素の読み出しを行い、これら複数の画素の出力を、読み出し出力線上で合成し、選択された複数の画素の信号の積和演算を行う。
また、従来例2として、特開平5−244340号公報には、通常の電荷転送路とは別に、高速駆動時専用の電荷転送路を設け、駆動パルスの切り換えにより、高速のデータレートが必要な場合には電荷と複数の経路に分岐させて複数の第1、第2出力部から分割して交互に信号を読み出す。
しかしながら、近年は高密度のセンサが強く求められている時であるが、センサが高画素数になると、1水平走査期間内で画素信号を蓄積部へ転送したあと残った時間で、転送分の全画素信号を読み出し切れなくなる。また、そのために信号を出力させる水平シフトレジスタHSRの動作周波数を高速化するにも無理がある。また、複数の画素信号を加算する場合には、解像度が劣化する。また、複数の信号転送経路は回路規模を増大させ、コスト高の要因となる。
そこで、本発明は、上記各問題点を解決するため、センサが高密度となっても、画素信号の転送時間と読み出し用の転送時間とのバランスを取り、高画質で解像度の劣化のない読み取りを実行できる固体撮像装置を提供することを課題とする。
本発明による固体撮像装置は、複数の画素信号を任意の時間間隔をもって複数に出力することを特徴とする。また、複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記複数の画素信号を出力することを特徴とする。更に、1本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする。また、ある画素信号を転送している期間と、他の画素信号を蓄積部から出力する期間を並列に処理できることから、蓄積部から信号を読み出す動作周波数を低くすることができ、読み出し期間を長く取ることができ、高画素数センサに対応できることを特徴とする。
また、本発明は、XYマトリクス状に配置された光電変換素子から画像信号を読み出す固体撮像装置において、前記XYマトリクス状に配置された光電変換素子に各行を駆動する垂直シフトレジスタと、各列に少なくとも2行の蓄積部と、各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは2行を同時に駆動し、前記各2行の画像信号を前記2行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする。
また、本発明は、複数の光電変換素子を1つの出力線からそれぞれの画像信号を読み出し、前記複数の光電変換素子をXYマトリクス状に配置した固体撮像装置において、前記XYマトリクス状に配置された光電変換素子に対して複数行の蓄積部と、前記複数の光電変換素子の各光電変換素子の各行を駆動する垂直シフトレジスタと、前記各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは2行を同時に駆動し、前記各2行の画像信号を前記複数行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記複数行の蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする。
複数の信号電荷を蓄積部へ転送する時間と蓄積部から読み出す時間とを任意の時間間隔に設定しその動作を行う手段により、シフトレジスタに繰り出すクロック周波数を無理に高速にすることなく高画素数センサの読み出しに対応することができる。
また、クロック周波数を基準に考えれば、高速に複数の画素を同時に読み出し、それぞれで信号処理を実行できるので、複雑な信号処理をも可能とし、多彩な画像信号を得ることができる。
本発明による実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
[実施形態1]
図1に本発明の実施形態1の固体撮像装置であるセンサ部の簡略したブロック図を、図2にその動作タイミング図を示す。
図1に本発明の実施形態1の固体撮像装置であるセンサ部の簡略したブロック図を、図2にその動作タイミング図を示す。
本実施形態では、奇数行の画素(a11〜a1n)の信号電荷を蓄積部1に、偶数行の画素(b11〜b1n)の信号電荷を蓄積部2に転送し、各々について水平シフトレジスタHSRを有して、独立に動作する構成としている。また、図1によれば、垂直シフトレジスタVSRにより奇数行及び偶数行の画素を駆動し、画素側の各列には蓄積部1,2の選択スイッチが備えられている。
この固体撮像装置の動作は、図2を参照して、1水平走査期間HSYNCのハイの内、期間TXaで奇数行の画素(a11〜a1n)の信号電荷を蓄積部1に転送した後、HSR1のパルス動作に同期して、期間TSaで蓄積部1から順次画素a11〜a1nの信号がOUT1として出力される。また期間TXbで偶数行の画素(b11〜b1n)の信号電荷を蓄積部2に転送した後、HSR2の動作に同期して、期間TSbで蓄積部2から順次画素b11〜b1nの信号がOUT2として出力される。以後、画素a,bの2行目以降も同様の動作を繰り返す。
本実施形態によれば、ある水平走査期間に2行分の信号電荷を蓄積部へ独立に転送することができるので、転送後の読み出し時間を長く確保でき、読み出し動作周波数を低く抑えることができる。
本実施形態によれば、各HSRのスタートパルスのタイミングをずらすだけで、任意の時間間隔をもって順次画素信号を読み出すことができる。
図3に、図1の固体撮像装置の蓄積部とその周辺部のブロック図のHSR1、蓄積部の具体的構成を示す。
図15と同様に、ノイズ成分の蓄積容量をCTN、画素信号a成分の蓄積容量をCTS1 とする。また、図3の列線を各画素部からの信号電荷を転送する垂直信号線としており、HSR2、蓄積部2の構成も同様とする。
また、図3によれば、水平シフトレジスタHSR1と蓄積部1は、蓄積容量等をリセットするMOSR1と、画素aに対するノイズ成分を蓄積容量CTN1に制御パルスφTN1によって導通する転送スイッチT1と、画素aの画像成分を蓄積容量CTS1に制御パルスφTS1によって導通する転送スイッチT2と、水平シフトレジスタHSR1の走査によりオン/オフするスイッチH1,H2と、画素成分と各ノイズ成分をそれぞれ増幅するアンプA1,A2と、画素成分からノイズ成分を差し引く差動アンプD1とからなる。
図4に、図2で説明した固体撮像装置の動作タイミング図中の期間TXa,TXbにおける詳細なタイミングを示す。図14と同様に、期間TXaにおいて、各蓄積容量CT および垂直信号線リセット、画素aのノイズ成分をCTN1 に転送、画素aの画像信号をCTS1 に転送する。そして、φHnによりHSR1を動作させ、[画像信号S−ノイズ成分N]の差信号を得つつ、出力信号を得る。その期間と平行して期間TXbにおいて、蓄積容量および垂直信号線リセットを行った後、蓄積部選択スイッチを切りかえ画素bのノイズ成分をCTN2 に転送し、画素bの信号をCTS2 に転送する。そして、φHn'によりHSR2を動作させ、[画像信号S−ノイズ成分N]を行いつつ出力信号を得る。
[実施形態2]
図5に本実施形態におけるセンサ部の簡略したブロック図を示す。図5によれば、画素及び垂直シフトレジスタVSRの構成は図3と同様である。
図5に本実施形態におけるセンサ部の簡略したブロック図を示す。図5によれば、画素及び垂直シフトレジスタVSRの構成は図3と同様である。
本実施形態では1つのHSR1で2つの蓄積部1,2を動作させ、出力信号OUT1,2を得ることができる。そのHSR1と蓄積部1,2の接続部の具体的構成の1例を図6に示す。奇数行の画素aの信号電荷を蓄積する蓄積容量Ca1〜Canを蓄積部1、偶数行の画素bの信号電荷を蓄積する蓄積容量Cb1〜Cbnを蓄積部2とする。また、奇数行の画素aの画素信号はスイッチT3により、蓄積容量Ca1〜Canに転送され、偶数行の画素bの画素信号はスイッチT4により、蓄積容量Cb1〜Cbnに転送される。その後、水平シフトレジスタHSR1により、各スイッチH3,H4によりそれぞれアンプA3,A4で増幅されて出力OUT1,OUT2として出力される。
ここで、出力信号OUT1,2間で時間差をもたせるため、HSR1の前半部分は蓄積部1のみ動作させる。次に、蓄積部2の先頭である容量Cb1以降のアドレスを、蓄積部1のm番目に出力する容量Cam以降のアドレスと接続して同時に動作させることにより、容量Ca1の出力時から容量Camの出力時までの時間差をもって、出力OUT1,2を得ることができる。そしてHSR1の後半部分は蓄積部2のみ動作させる。
図7に、本実施形態での動作タイミング図を示す。1水平走査期間の内、期間TXaで奇数行の画素aの信号電荷を蓄積部1に転送し、期間TXbで偶数行の画素bの信号電荷を蓄積部2に転送する。そして画素aの転送後、HSR1前半部のパルス動作に同期して期間TSaで順次画素a11〜の信号が出力される。そしてある時間差をおいて期間TSbで蓄積部2からも画素b11〜の信号が出力される。HSR1の後半部は蓄積部2のみ動作させ、画素b1nまで全て読み出す。2行目以降も同様の動作を繰り返す。
本実施形態によれば、2つの蓄積部からの信号読み出しに対するシフトレジスタSRを1つに共通化することができ、実施形態1よりも回路規模の縮小を図ることができる。
[実施形態3]
本実施形態では、複数の画素で1つの増幅手段(アンプ)等の共通回路を共有する撮像装置において、その実施手段を説明する。
本実施形態では、複数の画素で1つの増幅手段(アンプ)等の共通回路を共有する撮像装置において、その実施手段を説明する。
図8にセンサ部分の簡略したブロック図を、図9にさらに具体的な構成を示す。ただし、HSR1,2の上下位置は逆に表記している。図8のa,b,c,dと、図9のa,b,c,dは対応している。図8において、単位セルとして画素a11,b11,c11,d11とが一つのソースフォロワで読み出す。また、図9において、単位セルは、各画素のフォトダイオードa11,b11,c11,d11と、各画素の光電荷を転送するTa,Tb,Tc,Tdと、フローティングゲートをリセットするTRと、ゲート電位を増幅するソースフォロワアンプTAと、列出力線に選択読み出すTSとから構成されている。
図10にセンサ部分の簡略したブロック図に対する動作タイミング図を示す。a,b,c,dは画素部を表し、画素信号を蓄積する部分は、その4画素で1つの共通アンプをもち、単位セルを構成し、蓄積部1〜4と簡略している。VSRによりセンサの画素部に接続する行選択線を走査し、HSRにより蓄積部に蓄積された画素信号を順次走査、出力していく。
例えば、1水平走査期間に、まずTXaにより画素a1nつまり奇数行奇数列の信号を蓄積部1へ転送する。そしてTSaによりa11〜a1nの画素信号を順次OUT1から出力させる。そのOUT1から信号を出力させている間に、TXbにより画素b1nつまり偶数列の信号を蓄積部2へ転送する。そしてTSbによりb11〜b1nの画素信号を順次OUT2から出力させる。そして次の水平走査期間で、TXcによりc1nつまり偶数行奇数列の信号を蓄積部3へ転送する。
そしてTScによりc11〜c1nの画素信号を順次OUT3から出力させる。そのOUT3から信号を出力させている間に、TXdにより画素d1nつまり偶数列の信号を蓄積部4へ転送する。そしてTSdによりd11〜d1nの画素信号を順次OUT4から出力させる。このように、蓄積部1,2あるいは蓄積部3,4から各々独立して各行の奇数列a,cあるいは偶数列b,dの画素信号を出力させることにより、高画素数の読み出し速度アップに対応する。
[実施形態4]
前記までの実施形態では、複数の画素信号は任意の時間間隔をおいて出力されるところまで述べた。しかし実際の撮像システムでは図11のように構成される。
前記までの実施形態では、複数の画素信号は任意の時間間隔をおいて出力されるところまで述べた。しかし実際の撮像システムでは図11のように構成される。
図11に本発明における固体撮像装置10を用いた撮像システムのブロック図を示す。同図に示すように、光学系11を通って入射した画像光はCMOSセンサ12上に結像する。CMOSセンサ12上に配置されている画素アレイによって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は、信号処理回路13に入力され、A/D変換器14、DSP(デジタル信号処理)15、メモリ16等で構成される信号処理回路13によって、信号変換処理され、出力される。
信号処理された信号は、エンコーダ17により出力装置に対応して記録、通信、あるいは表示に順応する画像信号に変換されて、各出力装置の記録系18、通信系19、表示系20に出力される。CMOSセンサ、信号処理回路13はタイミング制御回路21により制御され、光学系11、タイミング制御回路21、エンコーダ17、記録系18、通信系19、表示系20は、システム制御回路22により制御される。
このようにセンサ出力のあとスムーズな信号処理を行うためには、上述した画素aおよびb又は第3実施形態で説明した画素a,b,c,dに対するそれぞれの出力のタイミングについて、信号間の時間差をなくした方がよい。本実施形態では、その信号遅延を補償する手段として各蓄積部からの出力にFIFO(First In First Out)メモリを用いている。図12にその動作タイミング図を示す。図12には画素を記載していないが、例えば蓄積部1,2間に、図1に示すように配置しているものとする。ここで、図12に示すように、例えば,HSR1とHSR2あるいはHSR1のみでかかる動作により蓄積部1,2からそれぞれOUT1、OUT2という出力が、時間差をもって得られる(図12(a))。
その信号をFIFOメモリに通すことにより、位相がそろった信号として得ることができる(図12(b))。こうして撮像システム全体として、スムーズな信号処理を行うことができる。
特に、シリアルな信号形態ではないので、パラレルにそれぞれ信号処理するように、パラレル信号処理又は、パイプライン的な信号処理形態が望まれ、DSP(Digital Signal Processor)をパラレルに配置することで現実的にも可能であり、通常の時系列的な画素の読み出して信号処理する方法に比較して、蓄積部の出力数だけの時間短縮を図ることができる。
11 光学系
12 センサ(固体撮像装置)
13 信号処理回路
14 A/D変換器
15 DSP
16 メモリ
17 エンコーダ
18 記録系
19 通信系
20 表示系
21 タイミング制御回路
22 システム制御回路
12 センサ(固体撮像装置)
13 信号処理回路
14 A/D変換器
15 DSP
16 メモリ
17 エンコーダ
18 記録系
19 通信系
20 表示系
21 タイミング制御回路
22 システム制御回路
Claims (11)
- 複数の光電変換素子により得られる複数の画素信号を任意の時間間隔をもって出力することができる固体撮像装置。
- 複数の画素信号を蓄積する複数の蓄積部から、任意の時間間隔をおいて前記画素信号を出力することができる固体撮像装置。
- 1本の信号転送線に接続された複数の画素信号を読み出す固体撮像装置において、ある画素信号を画素信号蓄積部へ転送している期間に、既に蓄積部へ転送済みの同一信号線につながる他の画素信号を蓄積部から出力することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項3に記載の固体撮像装置において、出力させた複数の画素信号の信号遅延を補償する手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項3に記載の固体撮像装置において、前記画素信号蓄積部からの信号読み出し動作にかかるシフトレジスタをそれぞれ独立に動作できることを特徴とする固体撮像装置。
- XYマトリクス状に配置された光電変換素子から画像信号を読み出す固体撮像装置において、
前記XYマトリクス状に配置された光電変換素子に各行を駆動する垂直シフトレジスタと、各列に少なくとも2行の蓄積部と、各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは2行を同時に駆動し、前記各2行の画像信号を前記2行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする固体撮像装置。 - 複数の光電変換素子を1つの出力線からそれぞれの画像信号を読み出し、前記複数の光電変換素子をXYマトリクス状に配置した固体撮像装置において、
前記XYマトリクス状に配置された光電変換素子に対して複数行の蓄積部と、
前記複数の光電変換素子の各光電変換素子の各行を駆動する垂直シフトレジスタと、前記各蓄積部を駆動する水平シフトレジスタとを備え、前記垂直シフトレジスタは2行を同時に駆動し、前記各2行の画像信号を前記複数行の蓄積部にそれぞれ転送し、前記水平シフトレジスタの駆動により、前記複数行の蓄積部の蓄積電荷をそれぞれ読み出すことを特徴とする固体撮像装置。 - XYマトリクス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段と、
前記蓄積手段からの信号を水平方向に順次出力する水平出力手段とを備え、
前記水平方向の1行の光電変換素子からの信号を前記蓄積手段から前記水平出力手段に読み出している期間中に、前記水平方向の1行の光電変換素子以外の前記水平方向の1行の光電変換素子からの信号を前記蓄積手段に蓄積することを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項8に記載の固体撮像装置において、前記水平出力手段は、前記水平方向の2行の信号を並列的に読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項9に記載の固体撮像装置において、前記水平出力手段から前記水平方向の2行の信号を所定時間ずらして、並列的に読み出す駆動手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項10に記載の固体撮像装置において、前記並列的に読み出す前記駆動手段はそれぞれ同一の駆動手段であることを特徴とする固体撮像装置。
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