JP2010093331A - イメージセンサ及びその駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 入力クロックピン数を増加させることなく、任意の段数にTDI段数を切り替える機能を有したTDI方式のイメージセンサ、及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明によるTDI方式イメージセンサは、シフトレジスタ回路とライン選択回路を含んだ垂直走査回路を有し、シフトレジスタ回路への入力クロックに応じて撮像エリアの任意の位置で垂直転送方向を切り替えて撮像するもので、水平転送部へと向かって垂直転送される信号だけが時間遅延積分されて読み出される。
また、本発明によるTDI方式イメージセンサの駆動方法は、TDI撮像に先立ってシフトレジスタ回路を駆動してTDI段数を設定するものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、リモートセンシング等の分野で用いられるイメージセンサ、及びその駆動方法に関するに関する。
半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を1列に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、光検出器の列方向と垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の2次元画像を撮影する。しかし、画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、光検出器の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、S/Nが劣化するという課題があった。
そこで、S/Nを改善するための巧妙な手段としてTDI方式(Time Delay and Integration)のイメージセンサが開発された。TDI方式は、2次元イメージセンサであるFFT(フル・フレーム・トランスファ)型CCD(Charge Coupled Devices)を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでS/Nを改善するCCDイメージセンサの読出し方式である。この方式をリモートセンシングに適用する場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでTDI動作が実現できる。垂直CCDでM段のTDI動作を行うと、蓄積時間が実効的にM倍となるため、感度がM倍向上し、S/Nは√M倍に改善される。
TDI方式のイメージセンサはTDI段数に比例して感度が変わるため、被写体の輝度に応じてTDI段数を切り替えられることが望ましい。このようなTDI段数切り替え機能を実現する方法の一つとして、例えば特許文献1記載の方法が提案された。特許文献1においては、画素エリアを垂直方向に数段ずつの複数のグループに分割し、垂直転送電極を画素エリア内のグループごとに独立配線とし、供給する垂直転送クロックをグループごとに異なるようにしていた。これにより、垂直転送方向(順方向または逆方向)をグループごとに独立して制御することができ、その結果、TDI段数をグループ単位で切り替えて、TDI段数を切り替えることを可能にしていた。
特開平11−298805号公報
しかしながら、特許文献1に示した従来のTDI方式のイメージセンサのTDI段数切替方法では、以下のような問題があった。
特許文献1に示したTDI方式のイメージセンサにおいてTDI段数を2通りに切り替えようとすると、画素エリア内の垂直転送電極を所望の段数で2つのグループに分け、互いを電気的に独立して配線しておく必要がある。例えば、垂直転送に4相CCDを使用する場合、垂直転送はφV1〜φV4の4つのクロックを供給することで行われ、このうちφV1とφV3は2つのグループ間で共通にすることができるが、φV2とφV4とは2つのグループ間で独立に転送クロックを供給する必要がある。このため、垂直転送に必要なクロックピンはφV1、φV3、φV2−1、φV4−1、φV2−2、φV4−2と、TDI段数切替を行わない場合に比べてピン数が2本増加する。同様にして、TDI段数をN通りに切り替えようとすると、画素エリア内の垂直転送電極を所望の段数でN個のグループに分けて独立に配線しておく必要がある。このとき、垂直転送に必要なクロックピンはφV1、φV3、φV2−1、φV4−1、φV2−2、φV4−2、・・・、φV2−N、φV4−Nと、TDI段数切替を行わない場合に比べてピン数が(2N−2)本増加する。このように、TDI段数を何通りに切り替えられるかといった場合の数(以下、TDI段数切替数と記す。)が増すにつれ、入力クロックピン数が増加する。
一般に、TDI段数を増やすことでイメージセンサの感度を高めることができるが、TDI段数を増やした場合には、同時にTDI段数切替数も増やして、きめ細かに感度調節を行うことが要求される。ところが、特許文献1に示した従来の方法では、TDI段数切替数を増やそうとすると、クロックピン数が増加してしまうという問題があった。言い換えれば、許容できるクロックピン数の上限によって、TDI段数切替数が制約されてしまうという問題があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、入力クロックピン数を増加させることなく、任意の段数にTDI段数を切り替える機能を有したTDI方式のイメージセンサ、及びその駆動方法を提供することを目的としている。
本発明に係るイメージセンサは、光電変換を行ない、発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送するための転送電極を有する画素が2次元配置された画素群と、転送電極の各々に接続された複数の選択線と、選択線と接続され、複相の転送クロックを所定の選択線に接続するためのライン選択回路と、ライン選択回路での前記転送クロックの接続状態を決定する所定の選択信号をライン選択回路に書き込む垂直シフトレジスタと、時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係るイメージセンサの駆動方法は、上記イメージセンサに所定の選択信号を用いて時間遅延積分の段数を制御することを特徴とする。
この発明によるイメージセンサによれば、選択信号によってTDI段数を設定するため、TDI段数やTDI段数切替数が増加しても入力クロックピン数はTDI段数に依存して増加することは無く、また、選択信号を変えるだけでTDI段数を任意の段数に設定することが可能になる。
実施の形態1.
図1は、図1は本発明の実施の形態1によるTDI方式のリニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。図2〜図4は同センサに供給する転送クロックによって生ずるCCD転送チャネルのポテンシャル変化を説明するための模式図であって、図2は4相駆動CCDに供給する垂直転送クロックのタイミングチャート、図3は4相駆動CCDの電荷転送方向に沿った断面構造と、同断面における転送チャネルのポテンシャル変化のようすを時系列に表した模式図である。また、図4は図3と同様の図であるが、転送電極に供給する転送クロックが図3と異なる場合について示したものである。図5は、図1に示したTDI方式リニアイメージセンサのライン選択回路15の単位セル回路12の構成を示した回路図である。図6は、図1に示したTDI方式リニアイメージセンサのシフトレジスタ回路20の単位セル回路17の構成を示した回路図である。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通する。
まず、TDI方式のリニアイメージセンサの全体構成について説明する。
図1を参照して、リニアイメージセンサの基板表面上に画素1が水平方向に10画素、垂直方向に8画素が2次元アレイ状に配列されて、2次元配置された画素群を構成している。図1中の破線の太枠で示した領域は、画素1同士の境界を模式的に示した境界線である。なお、ここでいう画素とは、画像信号を発生させるものであり、リニアイメージセンサ上に配列された垂直転送電極6や分離領域7等の配列の最小の繰返し単位である。
さらに、2次元アレイ状に配列された画素群の横(図1の下方向)には電荷蓄積部3を介して水平転送部である水平CCD2が配置されている。また、時間遅延積分された信号電荷は、水平CCD2に向かって垂直方向(図面下方)へと転送され、さらに水平CCD2で水平方向(図面右方)へと転送されて、出力アンプ5から読み出される。
また、水平CCD2が配置されている側と反対側の画素群の横(図1の上方向)には、不要な電荷を排出するための電荷排出ドレイン4が設けられている。
垂直方向(図1においては図面の下方向)のTDI転送には4相駆動CCDが用いられており、4本1組の転送電極6によって画素1を構成している。画素1では、Si基板上にポリシリコンからなる転送電極6a、6b、6cおよび6dが順に配置され、その下に転送チャネル(図示せず)が形成されている。転送チャネルはSi基板と逆導電型の不純物領域からなる分離領域7で電気的に分離されている。
転送電極6aと6cは、選択線である金属配線8aおよび8c、コンタクトホール9aおよび9c、金属配線10aおよび10cを介して、クロック入力ピン11a(=φV1)および11c(=φV3)に接続されている。一方、転送電極6bと6dは、画素1アレイに隣接して設けられた垂直走査回路21に選択線である金属配線8bおよび8dを介して、クロック入力ピン14bおよび14dに接続されている。
垂直走査回路21は、シフトレジスタ回路20とライン選択回路15とで構成されている。シフトレジスタ回路20は、シフトレジスタの単位セル回路17を垂直画素数分だけ並べたもので、φT1、φT2およびφTSの3つのクロック入力ピン19に接続されている。ライン選択回路15は選択用MOSトランジスタ群からなる単位セル回路12を垂直画素数分だけ並べたもので、クロック入力ピン14bおよび14dに接続されている。
以下、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサの動作を説明する。まず、垂直方向の転送動作について図2〜図4面を参照しつつ説明する。
4相駆動CCDの駆動クロックとして図2に示す転送クロックφV1〜φV4を各転送電極に供給する。ここで、図3は、4つの転送電極6a、6b、6c、6dに対し、順にφV1、φV2、φV3、φV4を供給する場合の時刻t1〜t5における転送チャネルのポテンシャル分布である。また図4は、φV2とφV4を入れ替えて、転送電極6a、6b、6c、6dに対し、順にφV1、φV4、φV3、φV2を供給する場合の時刻t1〜t5における転送チャネルのポテンシャル分布である。なお、以下の説明ではφV1〜φV4のHigh電圧を”H”、Low電圧を”L”で示て説明する。
図3および図4に示すように、4つの転送電極6のうち電圧”H”が印加されたゲートの下にポテンシャル井戸29が形成される。例えば光入射によって発生した信号電荷を28とすると、図3の場合は、CCDの転送動作によってポテンシャル井戸29が図面右方へと移動するのに伴って、信号電荷28が図面右方へと電荷転送される。このとき、被写体像の移動速度とCCD転送速度とを一致させることによりTDI動作が実現でき、電荷転送と電荷積分とが同時に行われる。同様に図3の場合は、CCDの転送動作によってポテンシャル井戸29が図面左方へと移動するのに伴って、信号電荷28が図面左方へと電荷転送される。したがって、4相駆動CCDでは、4つの転送電極6a、6b、6c、6dに供給する転送クロックのうち、例えばφV2とφV4とを入れ替えることによって、垂直転送の方向を反転させることができる。
つぎに、垂直転送の方向を切替える垂直走査回路21内のライン選択回路15の構成と動作について図5を参照しつつ説明する。ライン選択回路15中の単位セル回路12は、1個のNMOSトランジスタ22と1個のPMOSトランジスタ23が対になって、1組のトランスミッションゲートを構成している。いま、1本の転送電極6bに接続される1本の金属配線8bに対して、2組のトランスミッションゲート24aと24bの一端が接続され、24aの他端が金属配線13bを介して入力ピン14b(=φV2)に接続され、24bの他端が金属配線13dを介して入力ピン14d(=φV4)に接続されている。シフトレジスタ回路20のライン出力16(以下、シフトレジスタ出力と記す。ライン選択回路の入力に相当。)は、トランスミッションゲート24aのNMOSトランジスタ22aの入力ゲートに接続されると同時に、ライン出力16はインバータ25aを経由してトランスミッションゲート24aのPMOSトランジスタ23aの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”H”のとき、トランスミッションゲート24aがONとなり、入力ピン14bが金属配線8bに接続され、転送電極6bにφV2クロックが供給される。また、シフトレジスタ出力16は、トランスミッションゲート24bのPMOSトランジスタ23bの入力ゲートに接続されると同時に、インバータ25aを経由してトランスミッションゲート24bのNMOSトランジスタ22bの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”L”のとき、トランスミッションゲート24bがONとなり、入力ピン14dが金属配線8bに接続され、転送電極6bにφV4クロックが供給される。
一方で、1本の転送電極6dに接続される1本の金属配線8dに対して、2組のトランスミッションゲート24cと24dの一端が接続され、24cの他端が金属配線13dを介して入力ピン14dに接続され、24dの他端が金属配線13bを介して入力ピン14bに接続されている。シフトレジスタ出力16は、トランスミッションゲート24cのNMOSトランジスタ22cの入力ゲートに接続されると同時に、インバータ25cを経由してトランスミッションゲート24cのPMOSトランジスタ23cの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”H”のとき、トランスミッションゲート24cがONとなり、入力ピン14dが金属配線8dに接続され、転送電極6dにφV4クロックが供給される。
また、シフトレジスタ出力16は、トランスミッションゲート24dのPMOSトランジスタ23dの入力ゲートに接続されると同時に、インバータ25cを経由してトランスミッションゲート24dのNMOSトランジスタ22dの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”L”のとき、トランスミッションゲート24dがONとなり、入力ピン14bが金属配線8dに接続され、転送電極6dにφV2クロックが供給される。
すなわち、ライン選択回路15の単位セル回路12は、シフトレジスタ出力16が”H”か”L”かで、転送電極(6b、6d)に供給するクロック(φV2、φV4)を入れ替えるように作用する。
次に、上述したシフトレジスタ出力16に係るシフトレジスタ回路20の構成と動作について説明する。
シフトレジスタ回路20の単位セル回路17の構成を示した回路図である図6を参照して、単位セル回路17は、NMOSトランジスタからなる2個の伝達ゲート26a、26bとインバータ27a、27bとが、交互に直列に接続されたものである。シフトレジスタ回路20の単位セル回路17において、入力ピン19aに供給するクロック(=φT1)を”H”にすると、伝達ゲート26aがONして前段の出力がインバータ27aに入力され、27aの出力は前段の反転出力となる。なお、単位セル回路17が1段目の場合は、前段の出力ではなく入力ピン19cに供給するクロック(=φTS)がインバータ27aに入力され、27aの出力はφTSの反転出力となる。次に、φT1を”L”にすると伝達ゲート26aがOFFとなり、インバータ27aの入力および出力はそのままの状態で保持される。次に、入力ピン19bに供給するクロック(=φT2)を”H”にすると、伝達ゲート26bがONしてインバータ27aの出力がインバータ27bに入力され、27bの出力はインバータ27aの反転出力となる。これがシフトレジスタ出力16として、ライン選択回路15の単位セル回路12へと伝達される。次に、φT2を”L”にすると伝達ゲート26bがOFFとなり、インバータ27bの入力および出力はそのままの状態で保持される。さらにφT1を”H”にすると、これまでの一連の動作が繰り返される。
以上のように、シフトレジスタ回路20では、φTSから入力したクロックパルスが1段ずつ順に次段へと伝達されて、ライン出力16から出力される。
次に、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサのTDI段数設定方法について、具体例を挙げて説明する。一例として、図1に示した垂直8画素×水平10画素のTDI方式リニアイメージセンサにおいて、TDI段数を5段に設定する場合について説明する。
まず、TDI段数の設定を撮像前に実施(段数設定モード)する。具体的には、垂直走査回路のシフトレジスタを動作させることによって、TDI段数を設定する。TDI段数を5段に設定する場合のシフトレジスタ駆動クロックの一例を図7に示す。また、図7に示した駆動クロックを供給した場合の、時刻t=0、1、2、5、6、8におけるシフトレジスタ出力の変化の模様を図9に示す。なお、駆動クロックのφTSが選択信号に相当する。
垂直シフトレジスタ20は、図7に示すφT1、φT2、φTSの3つのクロックパルスを供給して駆動する。図7中に示した期間0はシフトレジスタ回路20を初期化する期間で、φTSを”L”にしたまま、φT1とφT2とを同時に”H”にする。その結果、時刻t=0では全ラインのシフトレジスタ出力16が”L”にリセットされる。
次に、期間1〜期間5においては、φTSを”H”にしたまま、φT1とφT2を交互に”H”にしてシフトレジスタ回路を動作させる。図9の時刻t=1〜5に示すように、この動作によって前段の単位セル回路12の信号が次段の単位セル回路12へと伝達され、各ラインのシフトレジスタ出力16が1段ずつ下方へとシフトする。次に、期間6〜期間8においては、φTSを”L”にしたまま、φT1とφT2を交互に”H”にしてシフトレジスタ回路を動作させる。
図9のt=6〜8に示すように、この動作によって5ライン分の”H”出力が一群となって1段ずつ下方へとシフトしていく。その後、t=8においてφT1、φT2、φTSの3つのクロックパルスを停止すると、各ラインのシフトレジスタ出力16は図中下側から5ライン分の出力が”H”に、その他のラインの出力が”L”に保持される。以上の一連の動作によってTDI段数設定モードが完了し、次いでTDI撮像モードに移行する。
なお、期間1〜期間5においてφTSに”H”を入力する場合は、φTSの”H”期間がφT1の”H”期間を包含するように設定する。このとき、図7に示すように、φTSクロックを期間ごとにいったん”L”に設定しても良く、あるいは図8に示すように、φTSクロックを期間1〜期間5で”H”一定に設定しても良い。
つぎに、TDI撮像モードにおける動作を図10を用いて説明する。図10は、TDI段数を5段に設定完了した状態における垂直走査回路各部の電圧と、垂直転送電極の転送方向との関係を示したものであり、図1に示した本発明の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成から、一部を抜粋して示したものである。
垂直シフトレジスタ20に対し、図7あるいは図8に示すクロックパルスを供給してTDI段数を5段に設定すると、図10に示したTDI方式リニアイメージセンサの各ラインのシフトレジスタ出力16は、同図下方より1段目から5段目までが”H”、同図下方より6段目から8段目までが”L”にセットされる。このとき、前述した選択回路15の選択動作によって、1段目から5段目までの金属配線8bはφV2クロックに接続され、1段目から5段目までの金属配線8dはφV4クロックに接続される。また、6段目から8段目までの金属配線8bはφV4クロックに接続され、6段目から8段目までの金属配線8dはφV2クロックに接続される。
ここで、垂直シフトレジスタを停止したままの状態で、次に図2に示す転送クロックφV1〜φV4を供給すると、図10(あるいは図1)に示したTDI方式リニアイメージセンサは、同図下方より1段目から5段目までは垂直転送が図面下向き(順方向)となり、同図下方より6段目から8段目までは垂直転送が図面の上方向(逆方向)となる。このとき、垂直CCDの転送速度と被写体像の移動速度を一致させると、同図下方より5段分の画素信号が時間遅延積分される。
以上の例ではTDI段数を5段に設定してTDI撮像する場合について示したが、垂直シフトレジスタ20に供給するクロックパルスφTSを変更するだけで、TDI段数を任意の段数に設定することが可能である。すなわち、図7または図8に示すシフトレジスタ駆動クロックにおいて、期間1〜期間M(Mは垂直CCDの転送段数以下の自然数)の間はφTSクロックが”H”であるようにすると、TDI段数がM段に設定される。
また、φTSクロックが常に”L”となるようにすれば、画素アレイ全体にわたって垂直転送方向が逆になるため、水平CCD2および電荷蓄積部3の暗時出力成分のみを読み出すことができ、このデータは画素出力のオフセット補正等に利用できる。
また、以上の例では画素数として垂直8画素の場合について示したが、これを垂直方向に数十〜数百画素を有する大規模アレイとしてTDI段数を大幅に増加させることも可能である。この場合、垂直走査回路内の単位セル回路12および17を画素数分だけ増やすだけで良く、入出力ピン数は全く増加しない。すなわち、入力クロックピン数を増加させることなく、TDI段数を大幅に増加させて感度向上を図ると同時に、TDI段数切替数を増やしてきめ細かな感度調節を行うことが可能になる。
すなわち、本実施形態のイメージセンサによれば、垂直シフトレジスタを用いたクロック入力によってTDI段数を設定するため、TDI段数やTDI段数切替数が増加しても入力クロックピン数はTDI段数に依存して増加することは無く、また、入力クロックを変えるだけでTDI段数を任意の段数に設定することが可能になる。
以上の実施例では垂直転送に4相駆動CCDを用いる場合について示したが、3相駆動CCDといった他の相数のCCDを用いる場合についても同様である。例えば、垂直転送に3相駆動CCDを用いてφV1、φV2、φV3の3つのクロックを供給する場合を考える。この場合は、転送電極の1つにφV2クロックを供給し、残り2つの転送電極に垂直走査回路を介してφV1クロックとφV3クロックを供給する。このとき、設定したTDI段数に応じた画素を境に、垂直転送電極に供給するφV1クロックとφV3クロックを入れ替えることで、垂直転送方向を順方向と逆方向に切り替えて撮像することができる。その結果、4相駆動CCD の場合と同様に、入力クロックピン数を増加させることなく、φTSクロックの与え方によってTDI段数を任意に設定することが可能になる。
実施の形態2.
上述の実施の形態1では、φTSクロックに”H”信号を書き込むことによってTDI段数を任意に設定する例を示したが、本実施形態ではこれとは別のTDI段数の設定方法を用いた例を説明する。例として、実施の形態1と同様に図1に示した垂直8画素×水平10画素のTDI方式リニアイメージセンサにおいてTDI段数を5段に設定する場合について説明する。
本実施形態による方法を用いてTDI段数を5段に設定する場合のシフトレジスタ駆動クロックを図11に示す。また、図11に示した駆動クロックを供給した場合の時刻t=0、1、2、3におけるシフトレジスタ出力の変化の模様を図12に示す。
垂直シフトレジスタ20は、図11に示すφT1、φT2、φTSの3つのクロックパルスによって駆動される。図11において、期間0はシフトレジスタ回路20を初期化する期間で、φTSを”H”にしたまま、φT1とφT2とを同時に”H”にする。その結果、時刻t=0では全ラインのシフトレジスタ出力16が”H”にリセットされる。次に、期間1以降においては、φTSを”L”にしたまま、φT1とφT2を交互に”H”にしてシフトレジスタ回路を動作させる。図12中の時刻t=1〜3に示すように、この動作によって前段の単位セル回路12の信号が次段の単位セル回路12へと伝達され、各ラインのシフトレジスタ出力16が1段ずつ下方へとシフトする。その後、t=3においてφT1、φT2、φTSの3つのクロックパルスを停止すると、各ラインのシフトレジスタ出力16は図中下側から5ライン分の出力が”H”に、その他のラインの出力が”L”に保持される。
ここで、図12における時刻t=3の状態は、実施の形態1で説明した図9における時刻t=8の状態と同じであり、以上の一連の動作によってTDI段数設定モードが完了する。TDI段数設定モードの完了後、次いでTDI撮像モードに移行する。
その後のTDI撮像モードにおける動作については、前述の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの動作と同様である。以後の動作については実施の形態1と同様であるので説明の重複を避けるため省略する。
本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサのTDI段数設定方法では、垂直シフトレジスタ20を用いてTDI段数を設定する場合の所要時間が短縮される。前述の実施の形態1の例では、垂直8画素を有する画素アレイに対してTDI段数を5段に設定する場合、実施の形態1による方法では所要時間が8期間であったものが、本実施形態による方法では3(=8−5)期間に短縮される。したがって、特に垂直画素数が数十画素以上の大規模アレイで、かつTDI設定段数が比較的多い場合には、TDI設定の所要時間短縮の効果が大きい。
なお、上述した本実施形態に特有の構成に起因する効果の他に、実施の形態1と同様の構成の部分については実施の形態1と同様の効果も奏する。
実施の形態3.
上述の実施の形態1では、垂直走査回路21がシフトレジスタ回路20とライン選択回路15とで構成されている例を示したが、本実施形態ではこれとは別の形態の垂直走査回路を用いた例を説明する。
図13は本発明の実施の形態3によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。図13の回路構成では、垂直シフトレジスタ回路20とライン選択回路15の間に、NMOSトランジスタからなる伝達ゲート30群が設けられ、伝達ゲート30の入力ゲートはコンタクトホール31、金属配線32を介してクロック入力ピン33に接続されている。その他の構成は、図1に示した本発明の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成と同様である。
つぎに、図13に示した本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサにおけるTDI段数設定モードと撮像モードの動作について説明する。
TDI段数設定モードでは、まず入力ピン33に入力されるφFクロックを”L”として伝達ゲート30群をすべてOFFにした状態で垂直シフトレジスタ20を動作させる。このときの垂直シフトレジスタ20の駆動方法は、本発明の実施の形態1または実施の形態2で説明した駆動方法と同様である。垂直シフトレジスタ20の走査が完了した段階で、φFクロックをいったん”H”として伝達ゲート30をすべてONにする。このとき、垂直シフトレジスタ20の各ライン出力がライン選択回路15の入力部へと伝えられ、TDI設定段数に応じて、垂直転送クロックφV2とφV4が転送ゲート6bと6dに振り分けられる。次に、φFクロックを”L”として伝達ゲート30をすべてOFFすると、TDI段数設定モードが完了する。
TDI段数設定モードに続く撮像モードでは、常にφFクロックを”L”として伝達ゲート30がOFFの状態を保持しておき、実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの場合と同様にしてTDI撮像を行う。以後の動作については実施の形態1と同様である。実施の形態1と同様であるので説明の重複を避けるため省略する。
上述したように、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサの場合は、TDI撮像を行っている最中にTDI段数設定を並行して進めておくことが可能である。すなわち、伝達ゲート30をOFFとして垂直シフトレジスタ20とライン選択回路15を電気的に切り離すことにより、TDI撮像を実施しながら、TDI段数設定動作のうち垂直シフトレジスタ20の走査までを完了させておくことができる。この状態で、φFクロックをいったん”H”にして、その後すぐに”L”とすれば、画素アレイの垂直転送方向の切り替わり位置が直ちに変更される。
上述した構成によれば、TDI段数設定の所要時間がさらに短縮されるため、リモートセンシング等で用いる場合には、撮像の機動性が向上するといった優れた効果がある。
なお、以上の説明では、伝達ゲート30をNMOSトランジスタで構成した場合を示したが、これをトランスミッションゲート等で構成する場合についても同様の効果を奏する。また、上述した本実施形態に特有の構成に起因する効果の他に、実施の形態1と同様の構成の部分については実施の形態1と同様の効果も奏する。
実施の形態4.
上述の実施の形態3では、実施の形態1とは異なる垂直走査回路を用いた例を示したが、本実施形態では更に別の形態の垂直走査回路を用いた例を説明する。
図14は本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。
図14の回路構成では、垂直シフトレジスタ回路20内の単位セル回路17が垂直2画素ごとに設けられている。このとき、単位セル回路17の1つのシフトレジスタ出力16は、コンタクトホール34と金属配線35を介して、ライン選択回路15内の2つの単位セル回路12の入力ゲートに接続されている。その他の構成は、図1に示した実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成と同様である。
図14に示した本発明の実施の形態4によるTDI方式リニアイメージセンサの場合、設定できるTDI段数は1段おきで、本発明の実施の形態1の場合に比べて約半分となるが、垂直シフトレジスタ回路20の回路規模を小さくできる。垂直画素数が数十画素以上となる大規模アレイTDIセンサでは、用途によってはTDI段数を1段刻みに細かく設定する必要がない場合もある。このような場合、図14に示したTDI方式リニアイメージセンサのように、垂直シフトレジスタの単位セル回路17を間引くことでTDI段数切替数を減らし、その分だけ回路規模を小さくしてチップサイズを縮小させることができる。
また図15は、本実施形態の変形例を説明するための図で、TDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。
図15の回路構成は、図14の回路構成と同様に垂直シフトレジスタの単位セル回路17を間引くものであるが、その間引き方が図14の場合とは異なっている。すなわち、図14は設定可能なTDI段数を2段、4段、6段、8段と等間隔にしたものであり、一方、図15は設定可能なTDI段数を1段、2段、4段、8段と順に倍増させたものである。
図15の回路構成で示したTDI方式リニアイメージセンサも同様に、垂直シフトレジスタの単位セル回路17を間引くことでTDI段数を減らし、その分だけ回路規模を小さくしてチップサイズを縮小させることができる。
以上の例では、単位セル回路17の間引き方の例として2つの場合について示したが、どの段の単位セル回路17をいくつ間引くかは任意であり、用途に応じた設計が可能である。
なお、上述した本実施形態に特有の構成に起因する効果の他に、実施の形態1と同様の構成の部分については実施の形態1と同様の効果も奏する。
実施の形態5.
上述の実施の形態1では、入力クロックが4相の例を示したが、本実施形態ではより少ない相数で駆動できる回路例を説明する。
図16は本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサの素子平面図である。図17は4相駆動CCDに供給する垂直転送クロックのタイミングチャートである。ここで、4相クロックのうちの2相(φV1とφV2)は外部から供給される。図18は、図16に示した本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサのライン選択回路15の単位セル回路38の構成を示した回路図である。
図16に示したTDI方式リニアイメージセンサは、垂直転送クロックのクロックドライバ回路をチップ上に形成したものである。図16において、垂直転送電極6aは、クロックドライバ36aを介してクロック入力ピン11に接続されている。一方、垂直転送電極6bは、クロックドライバ36bとインバータ37を介してクロック入力ピン11に接続されている。また、垂直転送電極6cと6dは、それぞれクロックドライバ36cと36dを介して垂直走査回路21内のライン選択回路15に接続されている。ライン選択回路15は単位セル回路38を垂直画素数分だけ並べたもので、クロック入力ピン14に接続されている。その他の構成は、図1に示した実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成と同様である。
次に、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサのTDI段数設定動作および撮像動作について説明する。
図17の垂直転送クロックのタイミングチャートに示されるように、4相クロックのうちの2相(φV1とφV2)を外部から供給する。このとき、残りの2相(φV3とφV4)はチップ上のインバータ回路によって、φV1の逆相クロックとφV2の逆相クロックを内部発生させる。その結果、垂直転送電極6a〜6dに供給される転送クロックが図2に示した転送クロックと同等になる。この場合の垂直方向の転送動作は、実施の形態1の場合と同様である。
さらに、本実施形態のTDI段数設定動作について詳述する。まず、段数設定動作のうち垂直走査回路21内の垂直シフトレジスタ20の駆動方法および動作は、本発明の実施の形態1の場合と同様である。
はじめに、垂直走査回路21内のライン選択回路15での構成と動作について説明する。図18を参照して、TDI方式リニアイメージセンサのライン選択回路15の単位セル回路38において、1個のNMOSトランジスタ39と1個のPMOSトランジスタ40が対になって、1組のトランスミッションゲート41を構成している。ここで、1本の転送電極6bに接続された1本の金属配線8bに対して、2組のトランスミッションゲート41aと41bの一端が接続される。41aの他端は金属配線13を介して入力ピン14(=φV2)に接続され、41bの他端はインバータ43を挟んで金属配線13dを介して入力ピン14(=φV2)に接続されている。シフトレジス出力16は、トランスミッションゲート41aのNMOSトランジスタ39aの入力ゲートに接続されると同時に、ライン出力16はインバータ42を経由してトランスミッションゲート41aのPMOSトランジスタ40aの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”H”のとき、トランスミッションゲート41aがONとなり、入力ピン14が金属配線8bに接続され、転送電極6bにφV2クロックが供給される。
また、シフトレジスタ出力16は、トランスミッションゲート41bのPMOSトランジスタ40bの入力ゲートに接続されると同時に、インバータ42を経由してトランスミッションゲート41bのNMOSトランジスタ39bの入力ゲートに接続されている。このため、シフトレジスタ出力16が”L”のとき、トランスミッションゲート41bがONとなり、インバータ43の出力が金属配線8bに接続され、転送電極6bにφV2の逆相クロックが供給される。
一方、1本の転送電極6dに接続された1本の金属配線8dに対して、インバータ44を挟んで、2組のトランスミッションゲート41aと41bの一端が接続されている。そのため、インバータ44の作用により、転送電極6dに供給されるクロックは転送電極6bに供給されるクロックの逆相クロックとなる。すなわち、シフトレジスタ出力16が”H”のときは転送電極6dにφV2の逆相クロックが供給され、シフトレジスタ出力16が”L”のときは転送電極6dにφV2クロックが供給される。
以上説明したように、ライン選択回路15の単位セル回路38は、シフトレジスタ出力16が”H”か”L”かで、転送電極(6b、6d)に供給するクロックを入れ替えるように作用する。すなわち、本発明の実施の形態5によるライン選択動作は、本発明の実施の形態1によるライン選択動作と同じ結果をもたらす。
したがって、図16に示したような本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサは、図1に示した実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサの場合と同様の方法でTDI段数を設定することが可能で、このときの段数設定動作とTDI撮像動作も実施の形態1の場合と同様である。
また、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサは、垂直転送クロックのクロックドライバ回路をチップ上に形成するなどしたため、垂直転送に要する入力クロックピン数が低減される利点がある。さらに、クロックドライバ回路で昇圧を行うため、クロック入力ピンに供給する垂直転送クロック電圧を低減することができ、外部の駆動回路とのインターフェースが容易になるといった効果がある。
実施の形態6.
図19は実施の形態6によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。また、本実施形態の画素レイアウトの例を図20に示す。
リモートセンシングでは、高解像度でかつ広い観測幅を持たせるために、水平画素数が非常に多いリニアイメージセンサが用いられる。このとき、垂直転送電極6の水平方向長さは長いもので数十mmに達する。転送電極6はポリシリコン薄膜からなるため、両端間の配線抵抗は数百kΩ以上と極めて高い値になる。このような場合、転送電極の左右端から駆動クロック電圧を供給しただけでは、配線の時定数が大きいために駆動クロック波形がなまり、正常な電荷転送が行えない。その対策として、金属の裏打ち配線を施すことによって配線抵抗を下げる手法を用いる。ここで、裏打ち配線とは、転送電極の上層に金属配線を配置してビアホールで両者を結線し、電気的に一体の配線としたものをいう。
図19は、本発明によるTDI段数切替方法を、金属の裏打ち配線を施したTDI方式リニアイメージセンサに適用する場合の実施例を示すものであり、垂直走査回路21を画素アレイ45の左右ではなく、図面上方側(電荷排出ドレイン4の外側)に配置する。このとき、垂直走査回路21は水平画素数に応じて複数個を配置し、垂直転送クロックを供給するための画素内金属配線46および47によって垂直転送電極6を裏打ちする。また、複数個の垂直走査回路21に対して、垂直シフトレジスタ回路のスタートクロックΦTSが同時に供給されるように回路が構成されている。
図20は、上述した金属配線によって転送電極を裏打ちする場合の画素レイアウトの例である。図20に示すように、画素内金属配線46および47と、垂直転送電極6a〜6dとは、画素内のコンタクトホール48によって所定の箇所で電気的に接続される。
以上のレイアウトにより、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサは、1本の垂直転送電極6が複数個所のコンタクトホール48で金属配線によって裏打ちされる。その結果、配線抵抗が低減され、水平方向長が数十mm以上の長尺イメージセンサにおいても、正常な垂直転送動作を行うことができる。
また、上述のレイアウトを採用すると、水平画素数をどれだけ増加させても、配置される垂直転送回路21の個数と垂直転送電極6への裏打ち箇所が増えるだけで、入力ピン数は全く増加しない。すなわち、入力クロックピン数を増加させることなく、TDI段数を任意に切替可能で、水平画素数が非常に多いTDI方式リニアイメージセンサが実現できる。
実施の形態7.
図21は実施の形態7によるTDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す素子平面図である。図21に示した本発明の実施の形態7によるTDI方式リニアイメージセンサは、画素エリアの上側と下側に、水平CCD2および水平CCD50、電荷蓄積部3および電荷蓄積部51、出力アンプ5および出力アンプ52を、それぞれ2組ずつ形成したものである。
リモートセンシングに用いるTDIリニアイメージセンサでは、垂直転送方向を切り替えて信号を読み出す、いわゆる双方向TDIセンサが用いられる場合がある。そこで、本実施形態によるTDI方式リニアイメージセンサは、双方向TDIに対して垂直走査回路を用いたTDI段数設定方法を適用したものである。このレイアウトにより、いずれの方向にTDI動作を行う場合でも、垂直走査回路21への入力クロックによってTDI段数を任意に設定することができる。
上述した本実施形態の例においては、垂直転送に4相駆動CCDを用い、転送電極に与えるφV2クロックとφV4クロックを入れ替えてTDI転送段数を制御する場合について示したが、φV1クロックとφV3クロックを入れ替えてTDI転送段数を制御する場合についても同様である。また、4つの垂直転送クロックのうち、2つは垂直走査回路を介して駆動し、残りの2つはクロック入力ピンから直接駆動したが、4つのクロック全てを垂直走査回路を介して駆動するような回路構成にしても良い。また、4相駆動CCD以外の、3相や6相といった他の相数のCCDに適用する場合についても同様である。また、垂直シフトレジスタ回路としてCMOSシフトレジスタ回路を用いた場合について示したが、NMOSのみで構成したシフトレジスタ回路などの他の回路を用いた場合についても同様である。
なお、上述した実施の形態、構成要素の形容等はあくまで例示であって、これらの記載に本願発明の技術的範囲が限定されるものではない。本願発明の範囲は、特許請求の範囲によって示された範囲は無論、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサの素子の平面図である。 本発明の実施形態1における4相駆動CCDの転送動作を示す図である。 本発明の実施形態1における4相駆動CCDの転送動作を示す図である。 本発明の実施形態1における4相駆動CCDの転送動作を示す図である。 本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサ中のライン選択回路を構成する単位セルの回路図である。 本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサ中のシフトレジスタ回路を構成する単位セルの回路図である。 本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサのシフトレジスタ駆動クロックのタイミング図である。 本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサのシフトレジスタ駆動クロックのタイミング図である。 本発明の実施形態1におけるリニアイメージセンサのシフトレジスタ回路の出力を示す模式図である。 本発明の実施の形態1におけるリニアイメージセンサのTDI段数切替方法を示す模式図である。 本発明の実施形態2におけるリニアイメージセンサのシフトレジスタ駆動クロックのタイミング図である。 本発明の実施の形態2におけるリニアイメージセンサのシフトレジスタ回路出力を示す模式図である。 本発明の実施の形態3におけるリニアイメージセンサの素子平面図である。 本発明の実施の形態4におけるリニアイメージセンサの一実施例を示す素子平面図である。 本発明の実施の形態4におけるリニアイメージセンサの他の実施例を示す素子平面図である。 本発明の実施の形態5におけるリニアイメージセンサの素子平面図である。 本発明の実施の形態5におけるリニアイメージセンサの垂直転送クロックのタイミング図である。 本発明の実施の形態5におけるリニアイメージセンサのライン選択回路を構成する単位セルの回路図である。 本発明の実施の形態6におけるリニアイメージセンサの素子平面図である。 本発明の実施の形態6におけるリニアイメージセンサの画素レイアウトを示す素子平面図である。 本発明の実施の形態7におけるリニアイメージセンサの素子平面図である。
符号の説明
1 画素、2 水平CCD、3 電荷蓄積部、4 電荷排出ドレイン、5 出力アンプ、6 垂直転送電極、7 分離領域、8 金属配線、9 コンタクト、10 金属配線、11 入力ピン、12 単位セル、13 金属配線、14 入力ピン、15 ライン選択回路、16 金属配線、17 単位セル回路、18 金属配線、19 入力ピン、20 垂直シフトレジスタ回路、21 垂直走査回路、22 NMOSトランジスタ、23 PMOSトランジスタ、24 トランスミッションゲート、25 インバータ、26 伝達ゲート、 27 インバータ、28 信号電荷、29 ポテンシャル井戸、30 伝達ゲート、31 コンタクト、32 金属配線、33 入力ピン、34 コンタクト、35 金属配線、36 クロックドライバ回路、37 インバータ、38 単位セル回路、39 NMOSトランジスタ、40 PMOSトランジスタ、41 トランスミッションゲート、42 インバータ、43 インバータ、44 インバータ、45 画素アレイ、46 画素内金属配線、47 画素内金属配線、48 画素内コンタクトホール、49 コンタクト、50 水平CCD、51 電荷蓄積部、52 出力アンプ。

Claims (10)

  1. 光電変換を行ない、発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送するための転送電極を有する画素が2次元配置された画素群と、
    前記転送電極の各々に接続された複数の選択線と、
    前記選択線と接続され、複相の転送クロックを所定の前記選択線に接続するためのライン選択回路と、
    前記ライン選択回路での前記転送クロックの接続状態を決定する所定の選択信号を前記ライン選択回路に書き込む垂直シフトレジスタと、
    時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、
    を備えたイメージセンサ。
  2. HighとLowからなる2値の信号である選択信号によって、複相の転送クロックのいずれかの相を入れ替えて逆相の転送クロックを作るライン選択回路を備えた請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 垂直シフトレジスタとライン選択回路との間に、選択信号を保持するための伝達ゲートを備えた請求項1に記載のイメージセンサ。
  4. ライン選択回路は複数の単位セル回路から構成され、垂直シフトレジスタの段数は前記単位セル回路の数よりも少なく、所定数の互いに隣接する前記単位セル回路の入力が纏まって垂直シフトレジスタの一の出力段に接続された請求項1に記載のイメージセンサ。
  5. ライン選択回路と選択線とが、クロックドライバ回路を介して接続された請求項1に記載のイメージセンサ。
  6. 水平転送部とライン選択回路とを画素群を挟んで水平転送方向に平行に配置し、前記水平転送方向と平行に画素の転送電極を延伸させ、前記転送電極と交差するようにライン選択回路から選択線を各々引き出して、前記転送電極にそれぞれ接続した請求項1に記載のイメージセンサ。
  7. 2つの水平転送部を画素群を挟んで互いに逆方向に水平転送するように配置し、時間遅延積分された電荷をそれぞれの水平転送部で受け得る請求項1に記載のイメージセンサ。
  8. 所定の選択信号を用い、時間遅延積分の段数を制御する請求項1に記載のイメージセンサの駆動方法。
  9. 所定の時間遅延積分の段数に応じた連続したHigh信号と連続したLow信号とを組み合わせた選択信号を用い、時間遅延積分の段数を制御する請求項2に記載のイメージセンサの駆動方法。
  10. 時間遅延積分動作中に次の選択信号を垂直シフトレジスタから伝達ゲートに予め書き込み、その後ライン選択回路に前記次の選択信号を転送する請求項3に記載のイメージセンサの駆動方法。
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