JP4722582B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
下記特許文献1に記載の固体撮像装置は、各読み出し回路におけるオフセットばらつきに起因する縦縞ノイズ(固定パターンノイズ)を低減するために、列毎(読み出し回路毎)に生じるオフセットノイズを、各列毎に複数のCDS回路を用意し、オフセットの平均値を求め、各列において平均値に最も近い(ばらつきの最も少ない)CDS回路を選択することで実現している。
In the solid-state imaging device described in
下記特許文献2に記載の固体撮像装置は、受光領域の全画素を多分割し、各受光ブロックを夫々異なる読み出し回路により読み出すマルチポート型固体撮像装置であって、各ブロックのばらつきを補正するためにヒストグラムを用いて補正を行っている。
しかしながら、従来の固体撮像装置では、暗レベル信号のみを用いて補正するため、最終出力の十分な補正を簡易に行うことができなかった。 However, since the conventional solid-state imaging device performs correction using only the dark level signal, sufficient correction of the final output cannot be easily performed.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、最終出力の補正を簡易に行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of easily correcting the final output.
上述の課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素列を有する撮像領域と、この撮像領域に隣接するオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像装置において、撮像領域から読み出された信号からディジタルビデオ信号を生成する処理回路と、オプティカルブラック領域から読み出された暗レベル信号と、この暗レベル信号の処理回路への経路と同一の経路を通る仮想的明レベル信号とを受信し、受信した暗ベル信号と仮想的明レベル信号に応じて、処理回路のオフセット又は利得を制御する制御回路とを備え、前記画素列を構成する画素及び前記オプティカルブラック領域内のダミー画素は、それぞれ、バイアス電圧がリセットスイッチを介して印加されるホトダイオードと、前記ホトダイオードのカソードが入力端子に接続されたアンプと、前記ホトダイオードの出力又は前記バイアス電圧出力を前記アンプから読み出すアドレス指定スイッチと、を有しており、前記オプティカルブラック領域において前記リセットスイッチがオンされることで、前記バイアス電圧が前記アドレス指定スイッチから出力される電圧又は電流を前記仮想的明レベル信号とし、この時のバイアス電圧は、前記ホトダイオードに基準レベル光が入射したと仮定した場合の前記ホトダイオードの出力電圧であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to the present invention reads from an imaging region in a solid-state imaging device including an imaging region having a plurality of pixel columns and an optical black region adjacent to the imaging region. A processing circuit for generating a digital video signal from the received signal, a dark level signal read from the optical black area, and a virtual light level signal passing through the same path as the path to the processing circuit for the dark level signal And a control circuit that controls the offset or gain of the processing circuit in accordance with the received dark bell signal and virtual bright level signal, and the pixels constituting the pixel column and the dummy pixels in the optical black region are A photodiode to which a bias voltage is applied via a reset switch, and a cathode of the photodiode is connected to an input terminal. And an addressing switch that reads out the output of the photodiode or the bias voltage output from the amplifier, and the bias switch is turned on when the reset switch is turned on in the optical black region. Is the voltage or current output from the addressing switch as the virtual bright level signal, and the bias voltage at this time is the output voltage of the photodiode when it is assumed that the reference level light is incident on the photodiode. It is characterized by.
本発明によれば、制御回路が、オプティカルブラック領域からの暗レベル信号の他に、仮想的明レベル信号も受信するが、これらの差分等は経路内の標準的な利得と相関がある。すなわち、仮想的明レベル信号と暗レベル信号との差分は、入射光量に対する画素出力の利得に比例するので、この利得と処理回路からの最終出力利得の関係がずれている場合には、ずれ量に応じて処理回路の利得を調整すればよい。したがって、処理回路からの最終出力の補正を簡易に行うことができる。 According to the present invention, the control circuit receives a virtual bright level signal in addition to the dark level signal from the optical black region, but these differences and the like are correlated with the standard gain in the path. In other words, the difference between the virtual light level signal and the dark level signal is proportional to the gain of the pixel output with respect to the incident light quantity, so if the relationship between this gain and the final output gain from the processing circuit is deviated, the deviation amount The gain of the processing circuit may be adjusted according to the above. Therefore, the final output from the processing circuit can be easily corrected.
ここで、仮想的明レベル信号は、画素内に含まれるホトダイオードに基準レベル光が入射したと仮定した場合に処理回路に入力される電圧に等しく設定される。 Here, the virtual bright level signal is set equal to the voltage input to the processing circuit when it is assumed that the reference level light is incident on the photodiode included in the pixel.
また、オプティカルブラック領域内のダミー画素は、バイアス電圧がリセットスイッチを介して印加されるホトダイオードと、ホトダイオードの出力又はバイアス電圧出力を読み出すアドレス指定スイッチと、を有しており、リセットスイッチがオンされることで、バイアス電圧がアドレス指定スイッチから出力される電圧又は電流を仮想的明レベル信号とし、この時のバイアス電圧は、ホトダイオードに基準レベル光が入射したと仮定した場合のホトダイオードの出力電圧であることを特徴とする。 The dummy pixel in the optical black region has a photodiode to which a bias voltage is applied via a reset switch, and an addressing switch for reading the photodiode output or the bias voltage output, and the reset switch is turned on. Thus, the bias voltage is the voltage or current output from the addressing switch as a virtual bright level signal, and the bias voltage at this time is the output voltage of the photodiode assuming that the reference level light is incident on the photodiode. It is characterized by being.
リセットスイッチがオンした場合には、ホトダイオードとバイアス電圧源が接続されていない場合、バイアス電圧が必要に応じて設けられた増幅用トランジスタに入力され、この入力電圧に応じて仮想的明レベル信号が発生する。すなわち、この時のバイアス電圧は、ホトダイオードに基準レベル光が入射した場合に発生すると推定されるホトダイオードの出力電圧としておけばよい。増幅用トランジスタを用いるかどうかに関しては、トランジスタのばらつきの影響を少なくするため、トランジスタをなしとして、バイアス電圧とそれをスイッチするためのトランジスタのみで構成することもできる。 When the reset switch is turned on, if the photodiode and the bias voltage source are not connected, the bias voltage is input to the amplifying transistor provided as necessary, and a virtual bright level signal is generated according to the input voltage. appear. That is, the bias voltage at this time may be set as the output voltage of the photodiode estimated to be generated when the reference level light is incident on the photodiode. As to whether to use an amplifying transistor, in order to reduce the influence of the variation of the transistor, it is possible to use only a bias voltage and a transistor for switching it without using the transistor.
制御回路は、仮想的明レベル信号と暗レベル信号の差分に対する基準値の比率に応じて処理回路の利得を制御することが好ましい。また、制御回路は、暗レベル信号の大きさに応じて処理回路のオフセットを制御することが好ましい。 The control circuit preferably controls the gain of the processing circuit according to the ratio of the reference value to the difference between the virtual light level signal and the dark level signal. The control circuit preferably controls the offset of the processing circuit in accordance with the magnitude of the dark level signal.
本発明の固体撮像装置によれば、最終出力の十分な補正を簡易に行うことができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, the final output can be sufficiently corrected easily.
以下、実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the solid-state imaging device according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.
図1は、実施の形態に係る固体撮像装置の回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram of a solid-state imaging device according to an embodiment.
この固体撮像装置は、撮像素子と制御回路とを備えている。この撮像素子は、N個の画素列(N1,N2,N3)が隣接して並んでなる撮像ブロックB1,B2,B3が、K個(本例ではK=3)並んでなる撮像領域を有している。各撮像ブロックの左からの順番をk番目とする。なお、図2に各画素列を構成する各画素P(x,y)の詳細構成を示す。また、撮像領域に隣接する画素行は、オプティカルブラック領域OBを構成しており、画素上に図示しない遮光膜を備えている。オプティカルブラック領域OBの構成は、遮光膜を備えている以外、他の撮像領域の画素P(x,y)の構成と同一である。 This solid-state imaging device includes an imaging element and a control circuit. This imaging element has an imaging region in which imaging blocks B1, B2, and B3 in which N pixel rows (N1, N2, and N3) are adjacently arranged are arranged in K pieces (K = 3 in this example). is doing. The order from the left of each imaging block is kth. FIG. 2 shows a detailed configuration of each pixel P (x, y) constituting each pixel column. A pixel row adjacent to the imaging region forms an optical black region OB, and includes a light shielding film (not shown) on the pixel. The configuration of the optical black region OB is the same as the configuration of the pixel P (x, y) in the other imaging region except that the optical black region OB includes a light shielding film.
図2に示すように、画素P(x,y)は、ホトダイオードPD(x,y)と、ホトダイオードPD(x,y)のカソードとリセット電位Vr1(VrDARK,VrBRIGHT)との間に接続されたリセットスイッチQreset(x,y)と、ホトダイオードPD(x,y)のカソードが入力端子に接続されたアンプAMP(x,y)と、アンプAMP(x,y)とビデオラインLnとの間に接続されたアドレス指定スイッチQaddress(x,y)とを備えている。 As shown in FIG. 2, the pixel P (x, y) is connected between the photodiode PD (x, y), the cathode of the photodiode PD (x, y) and the reset potential Vr1 (Vr DARK , Vr BRIGHT ). Reset switch Q reset (x, y), an amplifier AMP (x, y) in which the cathode of the photodiode PD (x, y) is connected to an input terminal, an amplifier AMP (x, y), and a video line L n And an addressing switch Q address (x, y) connected to each other.
画素P(x,y)は、ホトダイオードPD(x,y)のカソードと、リセットスイッチQreset(x,y)との間に直列に介在する転送スイッチQtrans(x,y)を備えている。転送スイッチQtrans(x,y)の上流端は、ホールドスイッチQhold(x,y)を介して、AMP(x,y)を構成する増幅用トランジスタQamp(x,y)のゲートに入力されている。増幅用トランジスタQamp(x,y)とビデオラインLnとの間には、アドレス指定スイッチ(トランジスタ)Qaddress(x,y)が介在している。 The pixel P (x, y) includes a transfer switch Q trans (x, y) interposed in series between the cathode of the photodiode PD (x, y) and the reset switch Q reset (x, y). . The upstream end of the transfer switch Q trans (x, y) is input to the gate of the amplifying transistor Q amp (x, y) constituting the AMP (x, y) via the hold switch Q hold (x, y). Has been. An addressing switch (transistor) Q address (x, y) is interposed between the amplifying transistor Q amp (x, y) and the video line L n .
アドレス指定スイッチQaddress(x,y)に、ハイレベルのシフト信号(垂直)Vshift(y)(又はVaddress(y))を入力すると、アンプAMP(x,y)で増幅した画素信号を、ビデオラインLnに転送する状態ができる。ホトダイオードPD(x,y)に入射した光量に応じて蓄積された電荷に応じた電圧は、アンプAMP(x,y)で増幅され、ビデオラインLnに電圧Vとして出力される。その後、ハイレベルのリセット信号(垂直)Vreset(y)をリセットスイッチ(トランジスタ)Qresetに入力し、これをオンすると、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷がリセットされる。 When a high-level shift signal (vertical) V shift (y) (or V address (y)) is input to the addressing switch Q address (x, y), the pixel signal amplified by the amplifier AMP (x, y) is input. , it is a state to transfer to the video line L n. Photodiodes PD (x, y) voltage corresponding to the charges accumulated in accordance with the amount of light incident on is amplified by the amplifier AMP (x, y), it is output as a voltage V to the video line L n. Thereafter, a high level reset signal (vertical) V reset (y) is input to the reset switch (transistor) Q reset , and when this is turned on, the electric charge accumulated in the photodiode PD (x, y) is reset.
詳細に説明すれば、転送スイッチQtrans(x,y)のゲートには、転送信号Vtrans(x,y)が入力され、リセットスイッチQreset(x,y)のゲートには、リセット信号Vreset(x,y)が入力される。また、ホールドスイッチQhold(x,y)のゲートにはホールド信号Vhold(y)が入力され、アドレス指定スイッチQaddress(x,y)のゲートにはアドレス信号Vaddress(y)が入力される。なお、アドレス信号Vaddress(y)は第1シフト信号(垂直)Vshift(y)と表記することもできる。 More specifically, the transfer signal V trans (x, y) is input to the gate of the transfer switch Q trans (x, y), and the reset signal V trans (x, y) is input to the gate of the reset switch Q reset (x, y). reset (x, y) is input. In addition, the hold signal V hold (y) is input to the gate of the hold switch Q hold (x, y), and the address signal V address (y) is input to the gate of the addressing switch Q address (x, y). The The address signal V address (y) can also be expressed as a first shift signal (vertical) V shift (y).
Vreset(y)、Vtrans(y)、Vhold(y)、Vaddress(y)の全ての信号がローレベルの時に、Vreset(y)をハイレベルとしてVhold(y)をハイレベルとすることにより、増幅用トランジスタQamp(x,y)のゲートの電荷がリセットされる。Vhold(y)をローレベルとし、Vreset(y)をローレベルとした後、Vtrans(y)をハイレベルとしてVhold(y)をハイレベルとすることで、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷が増幅用トランジスタQamp(x,y)のゲートに転送させる。 When all signals of V reset (y), V trans (y), V hold (y), and V address (y) are at a low level, V reset (y) is set to a high level and V hold (y) is set to a high level. Thus, the charge of the gate of the amplifying transistor Q amp (x, y) is reset. V hold (y) is set to a low level, V reset (y) is set to a low level, V trans (y) is set to a high level, and V hold (y) is set to a high level, whereby photodiode PD (x, y ) Is transferred to the gate of the amplifying transistor Q amp (x, y).
その後、Vhold(y)をローレベルにしてVtrans(y)をローレベルにした後、Vtrans(y)とVreset(y)をハイレベルにして、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷をリセットした後、Vtrans(y)とVreset(y)をローレベルにして次の蓄積を開始する。 After that, V hold (y) is set to low level and V trans (y) is set to low level, and then V trans (y) and V reset (y) are set to high level to accumulate in the photodiode PD (x, y). After resetting the generated charge, V trans (y) and V reset (y) are set to low level to start the next accumulation.
撮像領域では、以上の動作が行われるが、オプティカルブラック領域OBでは、リセット電位Vr1としてバイアス電圧VrDARKとVrBRIGHTを切り替えて用いる。 The above operation is performed in the imaging region, but in the optical black region OB, the bias voltages Vr DARK and Vr BRIGHT are switched and used as the reset potential Vr1.
オプティカルブラック領域OBでは、ホトダイオードPD(x,y)は遮光されているので、撮像領域におけるリセット電位Vrに等しいバイアス電圧VrDARKをホトダイオードPD(x,y)に印加し、ホトダイオードPD(x,y)から読み出される暗レベルの信号を増幅用トランジスタQampに入力し、この時に、アドレス指定スイッチQaddress(x,y)から読み出される暗レベル信号VDARKをホールド回路でホールドした後、処理回路に入力する。 In the optical black region OB, since the photodiode PD (x, y) is shielded from light, a bias voltage Vr DARK equal to the reset potential Vr in the imaging region is applied to the photodiode PD (x, y), and the photodiode PD (x, y) ) Is input to the amplifying transistor Q amp . At this time, the dark level signal V DARK read from the addressing switch Q address (x, y) is held by the hold circuit, and then is input to the processing circuit. input.
一方、仮想的明レベル信号は、以下のように設定する。すなわち、ホトダイオードPD(x,y)に基準レベル光を入射させた場合に、ホトダイオードPD(x,y)から出力されると仮定される出力電位をバイアス電圧VrBRIGHTとし、このバイアス電圧VrBRIGHTを増幅用トランジスタQampにリセット時に入力し、この時に、アドレス指定スイッチQaddress(x,y)から出力される仮想的明レベル信号VBRIGHTをホールド回路でホールドした後、処理回路に入力する。 On the other hand, the virtual bright level signal is set as follows. That is, when reference level light is incident on the photodiode PD (x, y), an output potential assumed to be output from the photodiode PD (x, y) is a bias voltage Vr BRIGHT, and this bias voltage Vr BRIGHT is This is input to the amplifying transistor Q amp at the time of resetting. At this time, the virtual bright level signal V BRIGHT output from the addressing switch Q address (x, y) is held by the hold circuit and then input to the processing circuit.
仮想的明レベル信号VBRIGHTは、撮像領域の画素内に含まれるホトダイオードに、基準レベル光が入射したと仮定した場合に、処理回路に入力される電圧に等しく設定される。 The virtual bright level signal V BRIGHT is set equal to the voltage input to the processing circuit when it is assumed that the reference level light is incident on the photodiode included in the pixel in the imaging region.
このように、オプティカルブラック領域OB内のダミー画素p(x,y)は、バイアス電圧がリセットスイッチQreset(x,y)を介して印加されるホトダイオードPD(x,y)と、ホトダイオードPD(x,y)の出力又はバイアス電圧VrBRIGHTが入力される増幅用トランジスタQamp(x,y)と、増幅用トランジスタQamp(x,y)によって増幅された出力を読み出すアドレス指定スイッチQaddress(x,y)とを有している。リセットスイッチQreset(x,y)がオンされることで、バイアス電圧Vr1(VrBRIGHT)が増幅用トランジスタQamp(x,y)に入力されて出力される電圧VBRIGHT又は電流を仮想的明レベル信号VBRIGHTとし、この時のバイアス電圧VrBRIGHTは、ホトダイオードPD(x,y)に基準レベル光が入射したと仮定した場合のホトダイオードPD(x,y)の出力電圧である。 As described above, the dummy pixel p (x, y) in the optical black region OB includes the photodiode PD (x, y) to which the bias voltage is applied via the reset switch Q reset (x, y) and the photodiode PD ( The output of x, y) or the amplifying transistor Q amp (x, y) to which the bias voltage Vr BRIGHT is input and the addressing switch Q address (reading the output amplified by the amplifying transistor Q amp (x, y)) x, y). By turning on the reset switch Q reset (x, y), the bias voltage Vr1 (Vr BRIGHT ) is input to the amplifying transistor Q amp (x, y), and the voltage V BRIGHT or current output is virtually clarified. The level signal V BRIGHT is used, and the bias voltage Vr BRIGHT at this time is an output voltage of the photodiode PD (x, y) when it is assumed that the reference level light is incident on the photodiode PD (x, y).
なお、アドレス指定スイッチQaddress(x,y)は、ホトダイオードの出力又はバイアス電圧出力を読み出し、リセットスイッチQreset(x,y)がオンされることで、バイアス電圧VrBRIGHTがアドレス指定スイッチQaddress(x,y)から出力される電圧又は電流を仮想的明レベル信号VBRIGHTとしている。増幅用トランジスタQamp(x,y)は必要に応じて設けられているが、増幅用トランジスタQamp(x,y)を用いるかどうかに関しては、トランジスタのばらつきの影響を少なくするため、トランジスタをなしとして、バイアス電圧とそれをスイッチするためのトランジスタのみで構成することもできる。 The addressing switch Q address (x, y) reads out the photodiode output or bias voltage output, and the reset switch Q reset (x, y) is turned on, so that the bias voltage Vr BRIGHT is changed to the addressing switch Q address. The voltage or current output from (x, y) is used as a virtual bright level signal V BRIGHT . The amplifying transistor Q amp (x, y) is provided as necessary. However, as to whether the amplifying transistor Q amp (x, y) is used, in order to reduce the influence of transistor variations, the transistor is As an alternative, it may be configured only with a bias voltage and a transistor for switching the bias voltage.
リセットスイッチQreset(x,y)がオンした場合には、ホトダイオードPD(x,y)とバイアス電圧源(Vr)が接続されていない場合、バイアス電圧VrBRIGHTが増幅用トランジスタQamp(x,y)に入力され、この入力電圧に応じて仮想的明レベル信号VBRIGHTがアドレス指定スイッチQaddress(x,y)から出力される。すなわち、この時のバイアス電圧VrBRIGHTは、ホトダイオードPD(x,y)に基準レベル光が入射した場合に、ホトダイオードPD(x,y)で発生すると推定される電圧である。 When the reset switch Q reset (x, y) is turned on, if the photodiode PD (x, y) and the bias voltage source (Vr) are not connected, the bias voltage Vr BRIGHT is applied to the amplifying transistor Q amp (x, y). The virtual bright level signal V BRIGHT is output from the addressing switch Q address (x, y) according to the input voltage. That is, the bias voltage Vr BRIGHT at this time is a voltage estimated to be generated at the photodiode PD (x, y) when the reference level light is incident on the photodiode PD (x, y).
なお、オプティカルブラック領域OBにおけるバイアス電圧Vr1を変更するのではなく、増幅用トランジスタQamp(x,y)のバイアス電圧Vr2を変更して、仮想的明レベル信号VBRIGHTを生成してもよい。この時のバイアス電圧Vr2は、ホトダイオードPD(x,y)に基準レベル光が入射したと仮定される場合に、ホトダイオードPD(x,y)で発生する電圧を増幅用トランジスタQamp(x,y)に入力した場合に、アドレス指定スイッチQaddressに与えられる電圧である。 Instead of changing the bias voltage Vr1 in the optical black region OB, the virtual bright level signal V BRIGHT may be generated by changing the bias voltage Vr2 of the amplifying transistor Q amp (x, y). The bias voltage Vr2 at this time is the voltage generated by the photodiode PD (x, y) when the reference level light is assumed to be incident on the photodiode PD (x, y). The amplifying transistor Q amp (x, y) ) Is a voltage applied to the addressing switch Q address .
更に、増幅用トランジスタQamp(x,y)の前段の回路を省略し、Vadressスイッチの入力側に直接Vr1(VrDARK,VrBRIGHT)を印加することで、暗レベル信号VDARKと仮想的明レベル信号VBRIGHTを生成することもできる。すなわち、仮想的明レベル信号VBRIGHTの生成を行うだけでなく、暗レベル信号VDARK相当の電圧をバイアス電圧Vrとして、暗レベル信号VDARKを生成してもよい。これらのバイアス電圧Vrの発生回路は共通回路で構成することが好ましい。 Further, by omitting the previous circuit of the amplifying transistor Q amp (x, y) and applying Vr1 (Vr DARK , Vr BRIGHT ) directly to the input side of the Vadress switch, the dark level signal V DARK and the virtual light A level signal V BRIGHT can also be generated. That is, not only provides for generating virtual light level signal V BRIGHT, as the bias voltage Vr of the dark level signal V DARK equivalent voltage may generate a dark level signal V DARK. These bias voltage Vr generation circuits are preferably formed of a common circuit.
図1を参照すると、撮像領域における画素P(x,y)は、行方向(x)に沿って9個、列方向(y)に沿って9個あり、アドレス(x,y)で規定される二次元状に配置されている。本例では、撮像領域中央に部分読み出し領域Rを設定し、部分読み出し領域Rの内部の画素P(x,y)の信号を読み出すこととする。 Referring to FIG. 1, there are nine pixels P (x, y) in the imaging region along the row direction (x) and nine along the column direction (y), which are defined by the address (x, y). Are arranged in two dimensions. In this example, a partial readout region R is set at the center of the imaging region, and a signal of a pixel P (x, y) inside the partial readout region R is read out.
この部分読み出し領域Rは、画像データ演算部10によって指定される。画像データ演算部10は、入力されるディジタルビデオ信号に応じて部分読み出し領域Rを指定する。すなわち、例えば、ディジタルビデオ信号における1フレームの画像において、輝度が所定値以上の画素P(x,y)のアドレスを記憶する。ミサイル等の物体が撮影対象の場合、撮像素子がシリコンからなるとして、その赤外線像は物体像の重心を最大輝度の起点として連続的に周辺に広がり、周辺部では輝度が所定値よりも未満となる。
The partial read area R is designated by the image
すなわち、最大輝度の点を含み、輝度が所定値±Δ以内の点を含む矩形領域を、部分読み出し領域Rとして選択する。対象物が移動中の場合、前回のフレーム内における物体像の重心位置(x1,y1)と、今回のフレーム内における物体像の重心位置(x2,y2)とのフレーム内での位置の差分のベクトル(x2−x1、y2−y1)を演算し、今回のフレーム内の物体像の重心位置(x1、y2)に、このベクトルを加算した位置を、次回の物体像の重心位置(x3,y3)として推定し、これを重心位置とする矩形領域を新たな部分読み出し領域Rとして設定する。 That is, a rectangular area that includes a point with the maximum luminance and includes a point with a luminance within a predetermined value ± Δ is selected as the partial readout region R. When the object is moving, the difference between the position of the center of gravity of the object image in the previous frame (x1, y1) and the position of the center of gravity of the object image in the current frame (x2, y2) The vector (x2-x1, y2-y1) is calculated, and the position obtained by adding this vector to the centroid position (x1, y2) of the object image in the current frame is the centroid position (x3, y3) of the next object image. ) And a rectangular area having this as the center of gravity position is set as a new partial readout area R.
画像データ演算部10には、ディジタルビデオ信号が入力されているが、このディジタルビデオ信号は、各撮像ブロックB1(B2,B3)からの画素列毎(3列)の信号を処理回路PU1,PU2,PU3に入力することで得ることができる。個々の処理回路PU1,PU2,PU3は、アンプAMP1、AMP2,AMP3、AD変換回路ADC1,ADC2,ADC3、出力回路OC1,OC2,OC3を接続してなる。各画素列から出力されたアナログ画素信号は、処理回路PU1,PU2,PU3によって、ディジタルビデオ信号に変換される。
A digital video signal is input to the image
部分読み出し領域Rを規定する部分画像選択位置情報(x=x4〜x6,y=y4〜y6)は、タイミング発生回路11に入力される。また、この固体撮像装置は、部分読み出し領域Rに対応する画素行を選択する行選択回路12と、部分読み出し領域Rに対応する画素列を選択する列選択回路13とを備えている。タイミング発生回路11は、入力された部分画像選択位置情報に基づいて行選択回路制御信号と、列選択回路制御信号を生成する。
Partial image selection position information (x = x4 to x6, y = y4 to y6) that defines the partial readout region R is input to the
要するに、行選択回路制御信号は、y=y4〜y6の画素行の信号が読み出されるように行選択回路12に画素の選択をさせ、列選択回路制御信号は、x=x4〜x6の画素列の信号が読み出されるように列選択回路13に画素の選択をさせる。換言すれば、タイミング発生回路11は、画像データ演算部10の出力に基づいて、行選択回路12及び列選択回路13に選択をさせる制御信号を発生しているということになる。
In short, the row selection circuit control signal causes the
なお、図1には図示しないが、本固体撮像装置は、暗レベル信号VDARK及び仮想的明レベル信号VBRIGHTに基づいて、処理回路PU1,PU2,PU3のオフセット調整及び利得調整を行う制御回路を備えている。この制御回路は、仮想的明レベル信号VBRIGHTと暗レベル信号VDARKの差分に対する基準値Dの比率に応じて、処理回路PU1,PU2,PU3の利得を制御する。また、制御回路は、暗レベル信号VDARKの大きさに応じて処理回路PU1,PU2,PU3のオフセットを制御する。以下、詳説する。 Although not shown in FIG. 1, the solid-state imaging device is a control circuit that performs offset adjustment and gain adjustment of the processing circuits PU1, PU2, and PU3 based on the dark level signal V DARK and the virtual bright level signal V BRIGHT. It has. This control circuit controls the gains of the processing circuits PU1, PU2, PU3 in accordance with the ratio of the reference value D to the difference between the virtual bright level signal V BRIGHT and the dark level signal V DARK . Further, the control circuit controls the offset of the processing circuits PU1, PU2, PU3 according to the magnitude of the dark level signal V DARK . The details will be described below.
図3は、x列及びx+1列におけるオプティカルブラック領域OBの画素p(x)、p(x+1)と、ホールド回路H(x)、H(x+1)と、処理回路PU(x)、PU(x+1)と、制御回路FBC(x)、FBC(x+1)と、撮像領域におけるy行目のx列、x+1列における画素p(x,y)、p(x+1、y)とを示すブロック図である。なお、x列、x+1列は、例えば、図1におけるN1列とN2列を示すものとし、これらに対応する処理回路PU(x)、PU(x+1)は、それぞれPU1、PU2を示すものとする。 FIG. 3 shows pixels p (x) and p (x + 1) of the optical black region OB in the x and x + 1 columns, hold circuits H (x) and H (x + 1), and processing circuits PU (x) and PU (x + 1). ), Control circuits FBC (x), FBC (x + 1), and pixels p (x, y) and p (x + 1, y) in the x-th column and the x + 1-th column in the imaging region. . Note that the x column and the x + 1 column represent, for example, the N1 column and the N2 column in FIG. 1, and the processing circuits PU (x) and PU (x + 1) corresponding thereto represent the PU1 and PU2, respectively. .
撮像領域の画素p(x,y)、p(x+1,y)から出力される画素出力Vxを、それぞれV(x,y)、V(x,x+1)とし、オプティカルブラック領域OBから出力される画素出力をVDARK(x)、VBRIGHT(x)、VDARK(x+1)、VBRIGHT(x+1)とする。 The pixel outputs V x output from the pixels p (x, y) and p (x + 1, y) in the imaging area are V (x, y) and V (x, x + 1), respectively, and are output from the optical black area OB. The pixel outputs are V DARK (x), V BRIGHT (x), V DARK (x + 1), and V BRIGHT (x + 1).
処理回路PU(x)のオフセット及び利得調整前の期間において、VDARK(x)、VBRIGHT(x)は制御回路FBC(x)に入力される。ここでは、VDARK(x)、VBRIGHT(x)は、処理回路PU(x)への入力前に制御回路FBC(x)に入力されることとする。 In the period before the offset and gain adjustment of the processing circuit PU (x), V DARK (x) and V BRIGHT (x) are input to the control circuit FBC (x). Here, V DARK (x) and V BRIGHT (x) are input to the control circuit FBC (x) before being input to the processing circuit PU (x).
処理回路PU(x)は、入力信号VXに対して、Vx’=ax×(VX+bx)の処理を行う。なお、Vx’=ax×Vx+axbxであり、ax,bxは係数である。 The processing circuit PU (x) performs a process of V x ′ = a x × (V x + b x ) on the input signal V X. Note that V x ′ = a x × V x + a x b x , and a x and b x are coefficients.
制御回路FBC(x)は、入力信号VDARK(x)、VBRIGHT(x)に基づいて、以下のように、係数ax,bxの設定を行う。
利得:ax=D/(VBRIGHT(x)−VDARK(x))
オフセット:axbx=−VDARK(x)
The control circuit FBC (x) sets the coefficients a x and b x based on the input signals V DARK (x) and V BRIGHT (x) as follows.
Gain: a x = D / (V BRIGHT (x) −V DARK (x))
Offset: a x b x = −V DARK (x)
なお、Dは、明レベル信号と暗レベル信号の差分の理想値である。すなわち、実際の画素出力Vxの処理回路PU(x)における利得は、実際の差分(VBRIGHT(x)−VDARK(x))に対する理想値の差分の比率で補正される。 Note that D is an ideal value of the difference between the light level signal and the dark level signal. That is, the gain of the actual pixel output V x in the processing circuit PU (x) is corrected by the ratio of the difference between the ideal value and the actual difference (V BRIGHT (x) −V DARK (x)).
また、オプティカルブラック領域OBの1列に複数の画素が含まれる場合には、その列内の画素数δで出力の積算値を除して、平均値AVGを利用する。各式における仮想的明レベル信号VBRIGHT(x)として、仮想的明レベル信号の平均値AVG=Σ(1画素列における各仮想的明レベル信号VBRIGHT(x))÷(1画素列における積算に用いた画素数δ)を用いる。また、暗レベル信号VDARK(x)として、暗レベル信号の平均値AVG=Σ(1画素列における暗レベル信号VDARK(x))÷(1画素列における積算に用いた画素数δ)を用いる。 When a plurality of pixels are included in one column of the optical black region OB, the average value AVG is used by dividing the integrated output value by the number of pixels δ in the column. As the virtual bright level signal V BRIGHT (x) in each equation, the average value AVG = Σ (each virtual bright level signal V BRIGHT (x) in one pixel column) / (integration in one pixel column) The number of pixels δ) used in the above is used. Further, as the dark level signal V DARK (x), the average value AVG of the dark level signal AVG = Σ (dark level signal V DARK (x) in one pixel column) ÷ (number of pixels δ used for integration in one pixel column). Use.
また、処理回路PU(x+1)も、処理回路PU(x)の処理と同様にオフセット及び利得調整される。すなわち、制御回路FBC(x+1)は、入力信号VDARK(x+1)、VBRIGHT(x+1)に基づいて、以下のように、処理回路PU(x+1)の係数ax+1,bx+1の設定を行う。
利得:ax+1=D/(VBRIGHT(x+1)−VDARK(x+1))
オフセット:ax+1bx+1=−VDARK(x+1)
The processing circuit PU (x + 1) is also adjusted in offset and gain in the same manner as the processing of the processing circuit PU (x). That is, the control circuit FBC (x + 1) sets the coefficients a x + 1 and b x + 1 of the processing circuit PU (x + 1) based on the input signals V DARK (x + 1) and V BRIGHT (x + 1) as follows.
Gain: a x + 1 = D / (V BRIGHT (x + 1) −V DARK (x + 1))
Offset: a x + 1 b x + 1 = −V DARK (x + 1)
図4は、x列及びx+1列におけるオプティカルブラック領域OBの画素p(x)、p(x+1)と、ホールド回路H(x)、H(x+1)と、処理回路PU(x)、PU(x+1)と、制御回路FBC(x)、FBC(x+1)と、撮像領域のx列y行における画素p(x、y)、p(x+1、y)とを示すブロック図である。なお、制御回路FBC(x)及びFBC(x+1)は、それぞれ処理回路PU(x)、PU(x+1)の後段に設けられ、それぞれ入力信号V’BRIGHT(x),V’DARK(x)と、入力信号VBRIGHT(x+1),VDARK(x+1)とに基づいて、係数ax,bx,ax+1,bx+1を決定する。 FIG. 4 shows pixels p (x) and p (x + 1) in the optical black region OB in the x and x + 1 columns, hold circuits H (x) and H (x + 1), and processing circuits PU (x) and PU (x + 1). ), Control circuits FBC (x), FBC (x + 1), and pixels p (x, y), p (x + 1, y) in x columns and y rows of the imaging region. Note that the control circuits FBC (x) and FBC (x + 1) are provided in the subsequent stages of the processing circuits PU (x) and PU (x + 1), respectively, and input signals V ′ BRIGHT (x) and V ′ DARK (x), respectively. The coefficients a x , b x , a x + 1 , and b x + 1 are determined based on the input signals V BRIGHT (x + 1) and V DARK (x + 1).
さらに、上記の調整方法では、列毎に独立したゲイン・オフセットの調整を行っていたが、隣画素との差分情報を用いて、さらに微調整を行うことができる。具体的な方法を説明する。すなわち、V’BRIGHT(x)、V’DARK(x)は以下の関係式を満たす。
V’BRIGHT(x)=ax×VBRIGHT(x)+axbx
VBRIGHT(x)=(V’BRIGHT(x)−axbx)/ax
V’DARK(x)=ax×VDARK(x)+axbx
VDARK(x)=(V’ DARK(x)−axbx)/ax
V’BRIGHT(x+1)=ax+1×VBRIGHT(x+1)+ax+1bx+1
VBRIGHT(x+1)=(V’BRIGHT(x+1)−ax+1bx+1)/ax+1
V’DARK(x+1)=ax+1×VDARK(x+1)+ax+1bx+1
VDARK(x+1)=(V’ DARK(x+1)−ax+1bx+1)/ax+1
Furthermore, in the adjustment method described above, independent gain / offset adjustment is performed for each column, but fine adjustment can be performed using difference information from adjacent pixels. A specific method will be described. That is, V ′ BRIGHT (x) and V ′ DARK (x) satisfy the following relational expression.
V ′ BRIGHT (x) = a x × V BRIGHT (x) + a x b x
V BRIGHT (x) = (V ′ BRIGHT (x) −a x b x ) / a x
V ′ DARK (x) = a x × V DARK (x) + a x b x
V DARK (x) = (V ′ DARK (x) −a x b x ) / a x
V ′ BRIGHT (x + 1) = a x + 1 × V BRIGHT (x + 1) + a x + 1 b x + 1
V BRIGHT (x + 1) = (V ′ BRIGHT (x + 1) −a x + 1 b x + 1 ) / a x + 1
V ′ DARK (x + 1) = a x + 1 × V DARK (x + 1) + a x + 1 b x + 1
V DARK (x + 1) = (V ′ DARK (x + 1) −a x + 1 b x + 1 ) / a x + 1
よって、利得ax,ax+1、オフセットaxbx,ax+1bx+1は、以下のように設定される。なお、新しい値にはnew、古い値にはoldの添え字を用いる。
<初期値設定>
利得:ax=1
オフセット:axbx=0
利得:ax+1=1
オフセット:ax+1bx+1=0
<フィードバックによる値の微調整>
利得:ax(new)=ax(old)+α×DIFF1
DIFF1 = D’−(V’BRIGHT(x)−V’DARK(x))
利得:ax+1(new)=ax+1(old)+α×DIFF1
DIFF1 = D’−(V’BRIGHT(x+1)−V’DARK(x+1))
オフセット:axbx(new)=axbx(old)+β×DIFF2
DIFF2 =−V’DARK(x)
オフセット:ax+1bx+1(new)=ax+1bx+1(old)+β×DIFF2
DIFF2 =−V’DARK(x+1)
Therefore, the gains a x and a x + 1 and the offsets a x b x and a x + 1 b x + 1 are set as follows. Note that new is used for new values, and old is used for old values.
<Initial value setting>
Gain: a x = 1
Offset: a x b x = 0
Gain: a x + 1 = 1
Offset: a x + 1 b x + 1 = 0
<Fine adjustment of values by feedback>
Gain: a x (new) = a x (old) + α x DIFF1
DIFF1 = D ′ − (V ′ BRIGHT (x) −V ′ DARK (x))
Gain: a x + 1 (new) = a x + 1 (old) + α × DIFF1
DIFF1 = D ′ − (V ′ BRIGHT (x + 1) −V ′ DARK (x + 1))
Offset: a x b x (new) = a x b x (old) + β x DIFF2
DIFF2 = −V ′ DARK (x)
Offset: a x + 1 b x + 1 (new) = a x + 1 b x + 1 (old) + β × DIFF2
DIFF2 = −V ′ DARK (x + 1)
ここで、αおよびβはフィードバック時の修正重みで、一般的に0.1〜0.5程度の値を用いる。また、D’は、明レベル信号VBRIGHTと暗レベル信号VDARKのそれぞれの所望出力値の差であり、上記のフィードバックにより、(V’BRIGHT(x+1)−V’DARK(x+1)の値が、D’に近づくように係数ax,ax+1が、決定される。 Here, α and β are correction weights at the time of feedback, and generally values of about 0.1 to 0.5 are used. D ′ is a difference between the desired output values of the light level signal V BRIGHT and the dark level signal V DARK , and the value of (V ′ BRIGHT (x + 1) −V ′ DARK (x + 1)) is obtained by the above feedback. , the coefficient so as to approach the D 'a x, is a x + 1, is determined.
図5は、x列及びx+1列におけるオプティカルブラック領域OBの画素p(x)、p(x+1)と、ホールド回路H(x)、H(x+1)と、処理回路PU(x)、PU(x+1)と、制御回路FBCと、撮像領域のx列y行における画素p(x,y)、p(x+1,y)とを示すブロック図である。 FIG. 5 shows the pixels p (x) and p (x + 1) of the optical black region OB in the x and x + 1 columns, the hold circuits H (x) and H (x + 1), and the processing circuits PU (x) and PU (x + 1). ), A control circuit FBC, and pixels p (x, y) and p (x + 1, y) in x columns and y rows of the imaging region.
なお、本例では、1つの制御回路FBCは、それぞれ処理回路PU(x)、PU(x+1)の後段に設けられており、隣接画素列間の輝度のバラつきも考慮して、以下のように、利得ax,ax+1、オフセットaxbx,ax+1bx+1を設定する。 In this example, one control circuit FBC is provided in the subsequent stage of the processing circuits PU (x) and PU (x + 1), respectively, and also takes into account variations in luminance between adjacent pixel columns as follows. , Gain a x , a x + 1, offset a x b x , a x + 1 b x + 1 are set.
ここでは、隣接画素のオフセットばらつきに起因するノイズを軽減するために、左隣画素の値と、当該画素の値との差を最小にするようにオフセットaxbxを微調整し、それを順次,全画素列に対して行うことで、画面全体の微調整を行う。
まず、下記の隣接画素誤差Δ(x+1)を演算する。なお、添え字のDARKは暗レベル時の値を示す。
Here, in order to reduce the noise caused by the offset variation of the adjacent pixel, the offset a x b x is finely adjusted so as to minimize the difference between the value of the left adjacent pixel and the value of the pixel. Sequentially for all pixel rows, fine adjustment of the entire screen is performed.
First, the following adjacent pixel error Δ (x + 1) is calculated. The subscript DARK indicates the value at the dark level.
Δ’DARK (x+1)=Σ(V’ DARK(x+1,y+1)−V’ DARK(x,y)) Δ ′ DARK (x + 1) = Σ (V ′ DARK (x + 1, y + 1) −V ′ DARK (x, y))
yは1行全ての画素(y=1…m)であり、積算を行う隣接画素は暗レベル時の同一行「y」同士であってもよい。これにより得られたオフセットばらつきをもとに、x+1列のオフセットax+1bx+1を下記のように補正する。 y is a pixel in all rows (y = 1... m), and adjacent pixels to be integrated may be in the same row “y” at the dark level. Based on the offset variation obtained in this way, the offsets a x + 1 b x + 1 of the x + 1 column are corrected as follows.
ax+1bx+1(new) =ax+1bx+1(old) +Δ’dark (x+1)/m
ここで、mは1行の画素数を示す。上記の演算を、画素の左側から順に1列ずつ補正演算を行い、画像全体の補正をおこなう。
a x + 1 b x + 1 (new) = a x + 1 b x + 1 (old) + Δ′dark (x + 1) / m
Here, m indicates the number of pixels in one row. The above calculation is performed for each column in order from the left side of the pixel to correct the entire image.
以上のようにして、利得ax、オフセットaxbxが設定されるように、制御回路FBC(x)は、利得調整信号CGAIN(x)と、オフセット調整信号COFFSET(x)を処理回路PU(x)に出力する。図1における処理回路PU1、PU2、PU3の数は、3つであるので、ここではx=1〜3であることとする。 As described above, the control circuit FBC (x) processes the gain adjustment signal C GAIN (x) and the offset adjustment signal C OFFSET (x) so that the gain a x and the offset a x b x are set. Output to circuit PU (x). Since the number of processing circuits PU1, PU2, and PU3 in FIG. 1 is three, it is assumed that x = 1 to 3 here.
図6は、処理回路PU(x)の詳細構成を示す。 FIG. 6 shows a detailed configuration of the processing circuit PU (x).
処理回路PU(x)は、アンプAmp(x)、AD変換回路ADC(x)、出力回路OC(x)を直列に接続しており、入力信号VXに対して、Vx’=ax×(Vx+bx)の処理を行う。利得ax、オフセットaxbxは、アンプAmp(x)、AD変換回路ADC(x)、出力回路OC(x)のいずれかの回路の出力を調整すればよい。 The processing circuit PU (x) has an amplifier Amp (x), an AD conversion circuit ADC (x), and an output circuit OC (x) connected in series, and V x ′ = a x with respect to the input signal V X. A process of × (V x + b x ) is performed. The gain a x and the offset a x b x may be adjusted by adjusting the output of any one of the amplifier Amp (x), the AD conversion circuit ADC (x), and the output circuit OC (x).
図7は、アンプAmp(x)を調整する場合の例を示す回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of adjusting the amplifier Amp (x).
アンプAmp(x)の利得は、オペアンプOPの入力側の抵抗R1の抵抗値と、入出力間の帰還抵抗R2との比率(R2/R1)によって決定される。したがって、利得調整信号CGAIN(x)は、抵抗R2の抵抗値を調整することで、利得をaxとすることができる。 The gain of the amplifier Amp (x) is determined by the ratio (R2 / R1) between the resistance value of the resistor R1 on the input side of the operational amplifier OP and the feedback resistor R2 between the input and output. Therefore, the gain adjustment signal C GAIN (x), by adjusting the resistance value of the resistor R2, the gain may be a x.
また、オフセットは、非反転増幅端子の参照電位Vrefを決定する分圧抵抗R3,R4のうちの一方の可変抵抗R3を調整することで制御できる。すなわち、分圧抵抗R3,R4は電源電位Vddと基準電位Vssとの間に接続されており、オフセット電位となる参照電位Vrefは、抵抗R3とR4との抵抗比によって決定される。 The offset can be controlled by adjusting one variable resistor R3 among the voltage dividing resistors R3 and R4 that determine the reference potential Vref of the non-inverting amplifier terminal. That is, the voltage dividing resistors R3 and R4 are connected between the power supply potential Vdd and the reference potential Vss, and the reference potential Vref serving as an offset potential is determined by the resistance ratio between the resistors R3 and R4.
オフセット調整信号COFFSET(x)は、暗レベル信号分のオフセットaxbxが入力から減じられるよう、axbxの大きさがVref(=(Vdd−Vss)×(R4/(R3+R4)))を満たすように、可変抵抗R3の抵抗値を決定する。 The offset adjustment signal C OFFSET (x) has a magnitude of a x b x Vref (= (Vdd−Vss) × (R4 / (R3 + R4)) so that the offset a x b x for the dark level signal is subtracted from the input. )) Is determined so as to satisfy the resistance value of the variable resistor R3.
図8は、AD変換回路ADC(x)を調整する場合の例を示す回路図である。 FIG. 8 is a circuit diagram illustrating an example of adjusting the AD conversion circuit ADC (x).
本例では、パイプライン型のAD変換回路が示されている。簡単のため、AD変換回路は4ビット出力のものとする。4つのAD変換ステージSTAGE1(x)、STAGE2(x)、STAGE3(x)、STAGE4(x)を順番に接続し、各AD変換ステージの出力をシフトレジスタSR(x)に入力する。各AD変換ステージは、AD変換用の比較器Comp、比較器Compの出力が入力されるDA変換回路Dac、DA変換回路Dacの出力と入力信号を減算する減算回路Sub、減算回路Subの出力を定数倍(×2)する乗算回路Mulを備えている。 In this example, a pipeline type AD conversion circuit is shown. For simplicity, it is assumed that the AD conversion circuit has a 4-bit output. Four AD conversion stages STAGE1 (x), STAGE2 (x), STAGE3 (x), and STAGE4 (x) are connected in order, and the output of each AD conversion stage is input to the shift register SR (x). Each AD conversion stage includes an AD conversion comparator Comp, a DA conversion circuit Dac to which the output of the comparator Comp is input, a subtraction circuit Sub for subtracting the input signal from the output of the DA conversion circuit Dac, and the output of the subtraction circuit Sub. A multiplication circuit Mul for multiplying by a constant (× 2) is provided.
例えば、1.31Vのアナログの入力電圧がAD変換回路ADC(x)に入力された場合、初段のAD変換ステージSTAGE1(x)では、比較器Compの参照電圧Vrefを0.8Vとすると、1.31Vは0.8V以上なので、比較器Compからはハイレベル「1」が出力され、DA変換回路Dacからは0.8Vが出力され、減算回路SubはDA変換回路Dacの出力0.8Vを入力電圧1.31Vから減じる。すなわち、0.51Vが減算回路Subから出力され、乗算回路Mulは、これを2倍して、1.02Vを出力する。 For example, when an analog input voltage of 1.31V is input to the AD converter circuit ADC (x), in the first AD conversion stage STAGE1 (x), if the reference voltage Vref of the comparator Comp is 0.8V, 1 Since .31V is 0.8V or higher, high level “1” is output from the comparator Comp, 0.8V is output from the DA conversion circuit Dac, and the subtraction circuit Sub outputs the output 0.8V of the DA conversion circuit Dac. Decrease from input voltage 1.31V. That is, 0.51V is output from the subtraction circuit Sub, and the multiplication circuit Mul doubles this to output 1.02V.
2段目のAD変換ステージSTAGE2(x)では、比較器Compの参照電圧Vrefを0.8Vとすると、1.02Vは0.8V以上なので、比較器Compからはハイレベル「1」が出力され、DA変換回路Dacからは0.8Vが出力され、減算回路SubはDA変換回路Dacの出力0.8Vを入力電圧1.02Vから減じる。すなわち、0.22Vが減算回路Subから出力され、乗算回路Mulは、これを2倍して、0.44Vを出力する。 In the second AD conversion stage STAGE2 (x), assuming that the reference voltage Vref of the comparator Comp is 0.8V, 1.02V is 0.8V or higher, so that the comparator Comp outputs a high level “1”. The DA conversion circuit Dac outputs 0.8V, and the subtraction circuit Sub subtracts the output 0.8V of the DA conversion circuit Dac from the input voltage 1.02V. That is, 0.22V is output from the subtraction circuit Sub, and the multiplication circuit Mul doubles this to output 0.44V.
3段目のAD変換ステージSTAGE3(x)では、比較器Compの参照電圧Vrefを0.8Vとすると、0.44Vは0.8Vよりも小さいので、比較器Compからはローレベル「0」が出力され、DA変換回路Dacからは0Vが出力され、減算回路SubはDA変換回路Dacの出力0Vを入力電圧0.44Vから減じる。すなわち、0.44Vが減算回路Subから出力され、乗算回路Mulは、これを2倍して、0.88Vを出力する。 In the third AD conversion stage STAGE3 (x), assuming that the reference voltage Vref of the comparator Comp is 0.8V, 0.44V is smaller than 0.8V, so that the low level “0” is output from the comparator Comp. Then, 0V is output from the DA conversion circuit Dac, and the subtraction circuit Sub subtracts the output 0V of the DA conversion circuit Dac from the input voltage 0.44V. That is, 0.44V is output from the subtraction circuit Sub, and the multiplication circuit Mul doubles this to output 0.88V.
4段目のAD変換ステージSTAGE4(x)では、比較器Compの参照電圧Vrefを0.8Vとすると、0.88Vは0.8V以上なので、比較器Compからはハイレベル「1」が出力され、DA変換回路Dacからは0.8Vが出力され、減算回路SubはDA変換回路Dacの出力0.8Vを入力電圧0.88Vから減じる。すなわち、0.08Vが減算回路Subから出力され、乗算回路Mulは、これを2倍して、0.16Vを出力する。 In the fourth AD conversion stage STAGE4 (x), assuming that the reference voltage Vref of the comparator Comp is 0.8V, 0.88V is 0.8V or higher, so that the comparator Comp outputs a high level “1”. The DA conversion circuit Dac outputs 0.8V, and the subtraction circuit Sub subtracts the output 0.8V of the DA conversion circuit Dac from the input voltage 0.88V. That is, 0.08V is output from the subtraction circuit Sub, and the multiplication circuit Mul doubles this to output 0.16V.
すなわち、これらのAD変換ステージのパイプラインを通って、「1」、「1」、「0」、「1」がシフトレジスタSR(x)に順次入力される。なお、「1101」は、十進数では13であり、最下位のビットから順番に、0.1V×20=0.1V、0.1V×21=0.2V、0.1V×22=0.4V、0.1V×23=0.8Vを示しているので、「1101」は1.3Vのアナログ信号を表している。 That is, “1”, “1”, “0”, and “1” are sequentially input to the shift register SR (x) through the pipeline of these AD conversion stages. Note that “1101” is 13 in decimal, and in order from the least significant bit, 0.1 V × 2 0 = 0.1 V, 0.1 V × 2 1 = 0.2 V, 0.1 V × 2 2 = 0.4V, 0.1V × 2 3 = 0.8V, “1101” represents an analog signal of 1.3V.
このAD変換回路の利得は、比較器Compの参照電圧Vrefに反比例する。したがって、Vrefを決定する直列抵抗R5,R6のうちの一方の可変抵抗R5を利得調整信号CGAIN(x)によって制御すれば、利得調整を行うことができる。すなわち、利得調整信号CGAIN(x)は、利得ax∝(1/Vref)=1/((Vdd−Vss)×(R6/(R5+R6)))を満たすように、可変抵抗R5の抵抗値を決定する。 The gain of the AD conversion circuit is inversely proportional to the reference voltage Vref of the comparator Comp. Therefore, gain adjustment can be performed by controlling one variable resistor R5 of the series resistors R5 and R6 for determining Vref by the gain adjustment signal C GAIN (x). That is, the gain adjustment signal C GAIN (x) has a resistance value of the variable resistor R5 so as to satisfy the gain a x ∝ (1 / Vref) = 1 / ((Vdd−Vss) × (R6 / (R5 + R6))). To decide.
シフトレジスタSR(x)の出力からは、ディジタル加算回路Addを用いてオフセットaxbxの大きさ分を減じる。オフセットaxbxが負の場合は加算すればよい。すなわち、ディジタル加算回路Addに入力されるオフセット調整信号COFFSET(x)は、オフセットaxbxを示すこととなる。 From the output of the shift register SR (x), the amount of the offset a x b x is reduced by using the digital adder circuit Add. If the offset a x b x is negative, it may be added. That is, the offset adjustment signal C OFFSET (x) input to the digital adder circuit Add indicates the offset a x b x .
図9は、ディジタル出力回路OC(x)を調整する場合の例を示す回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of adjusting the digital output circuit OC (x).
出力回路OC(x)は、入力に定数bxを加算するディジタル加算回路Addと、加算回路Addの出力をax倍するディジタル乗算回路Mulとを備えており、Vx’=ax×(Vx+bx)を出力する。すなわち、利得調整信号CGAIN(x)はディジタル乗算回路Mulの倍数としてaxを指定するものであり、オフセット調整信号COFFSET(x)は、ディジタル加算回路Addの加算値としてbxを指定するものである。なお、bxは、オフセットaxbxを利得axで除したものである。 The output circuit OC (x) includes a digital addition circuit Add that adds a constant b x to an input and a digital multiplication circuit Mul that multiplies the output of the addition circuit Add by a x , and V x ′ = a x × ( V x + b x ) is output. That is, the gain adjustment signal C GAIN (x) designates a x as a multiple of the digital multiplication circuit Mul, and the offset adjustment signal C OFFSET (x) designates b x as the addition value of the digital addition circuit Add. Is. Note that b x is obtained by dividing the offset a x b x by the gain a x .
図10は、撮像領域の画素p(x,y)への入射光量Iと画素出力Vとの関係を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the incident light amount I and the pixel output V to the pixel p (x, y) in the imaging region.
画素出力Vは、暗レベル信号VDARKを含んでおり、入射光量I=0から入射光量I=I0の基準レベル光が入射した場合の明レベル信号VBRIGHTまで線形で増加する。理想的には、基準レベル光の強度I0と(明レベル信号VBRIGHT−暗レベル信号VDARK)の比率は、一定である。 The pixel output V includes a dark level signal V DARK and increases linearly from the incident light amount I = 0 to the bright level signal V BRIGHT when the reference light level with the incident light amount I = I 0 is incident. Ideally, the ratio between the reference level light intensity I 0 and (bright level signal V BRIGHT -dark level signal V DARK ) is constant.
図11は、画素出力Vと処理回路からの最終出力V’の関係を示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the pixel output V and the final output V ′ from the processing circuit.
最終出力V’は、画素出力Vからオフセット成分を除去して、利得を基準値に補正したものである。オフセットと利得の調整は上述の通りである。 The final output V ′ is obtained by removing the offset component from the pixel output V and correcting the gain to the reference value. Adjustment of offset and gain is as described above.
次に、画素出力の読み出しについて説明する。 Next, readout of pixel output will be described.
図12は、図1に示した固体撮像装置のタイミングチャートである。 FIG. 12 is a timing chart of the solid-state imaging device shown in FIG.
本例では、図1に示した部分読み出し領域Rの信号を読み出す例が示されている。 In this example, an example of reading a signal of the partial reading region R shown in FIG. 1 is shown.
時刻t0〜t2までは、第1〜第3シフト信号(垂直)Vshift(1〜3)、第1〜第3リセット信号(垂直)Vreset(1−3)、第4シフト信号(垂直)Vshift(4)、第4リセット信号(垂直)Vreset(4)、第5シフト信号(垂直)Vshift(5)、第5リセット信号(垂直)Vreset(5)、第6シフト信号(垂直)Vshift(6)、第6リセット信号(垂直)Vreset(6)、第7〜第9シフト信号(垂直)Vshift(7〜9)、第7〜第9リセット信号(垂直)Vreset(7−9)、第1シフト信号(水平)Hshift(1)、第2シフト信号(水平)Hshift(2)、第3シフト信号(水平)Hshift(3)は、全てローレベルである。なお、信号の各数字は、座標x又はyのアドレスを示す。また、説明においては図2を適宜参照する。 From time t 0 to t 2 , the first to third shift signals (vertical) V shift (1 to 3), the first to third reset signals (vertical) V reset (1-3), the fourth shift signal ( (Vertical) V shift (4), fourth reset signal (vertical) V reset (4), fifth shift signal (vertical) V shift (5), fifth reset signal (vertical) V reset (5), sixth shift Signal (vertical) V shift (6), sixth reset signal (vertical) V reset (6), seventh to ninth shift signals (vertical) V shift (7 to 9), seventh to ninth reset signals (vertical) ) V reset (7-9), first shift signal (horizontal) H shift (1), second shift signal (horizontal) H shift (2), third shift signal (horizontal) H shift (3) are all Low level. Each number in the signal indicates an address of coordinates x or y. In the description, FIG. 2 is referred to as appropriate.
時刻t2〜t3では、行選択回路12から、ハイレベルの第4シフト信号(垂直)Vshift(4)が入力されるため、図1の下から4行目の画素行のシフトスイッチQaddress(x,4)がONとなり、光の入射に応じてホトダイオードPD(x,4)に蓄積された電荷が、アンプAMP(x、4)で増幅され、ビデオラインLnに電圧として出力され、ホールド回路H(1)〜H(9)に保持される。なお、各ホールド回路には、電流源が並列に接続されている。続いて、時刻t3〜t4では、ハイレベルの第4リセット信号Vreset(4)が入力されるため、リセットスイッチQreset(x,4)がONとなり、ホトダイオードPD(x、4)に蓄積された電荷はリセットされる。
At time t 2 to t 3 , since the high-level fourth shift signal (vertical) V shift (4) is input from the
時刻t4〜t5では、列選択回路13から、ハイレベルの第2シフト信号(水平)Hshift(2)が、画素列の4列目のスイッチQ(4)、画素列の5列目のスイッチQ(5)、画素列の6列目のスイッチQ(6)に同時に入力されるため、ホールド回路H(4)、H(5)、H(6)に蓄積された画素P(4,4)、P(5,4)、P(6,4)の電荷が、それぞれ処理回路PU1、PU2、PU3に入力される。
At times t 4 to t 5 , the high-level second shift signal (horizontal) H shift (2) is sent from the
時刻t6〜t7では、行選択回路12から、ハイレベルの第5シフト信号(垂直)Vshift(5)が入力されるため、図1の下から5行目の画素行のシフトスイッチQaddress(x,5)がONとなり、光の入射に応じてホトダイオードPD(x,5)に蓄積された電荷が、アンプAMP(x、5)で増幅され、ビデオラインLnに電圧として出力され、ホールド回路H(1)〜H(9)に保持される。
At time t 6 to t 7 , the high-level fifth shift signal (vertical) V shift (5) is input from the
続いて、時刻t7〜t8では、ハイレベルの第5リセット信号Vreset(5)が入力されるため、リセットスイッチQreset(x,5)がONとなり、ホトダイオードPD(x、5)に蓄積された電荷がリセットされる。時刻t8〜t9では、列選択回路13から、ハイレベルの第2シフト信号(水平)Hshift(2)が、画素列の4列目のスイッチQ(4)、画素列の5列目のスイッチQ(5)、画素列の6列目のスイッチQ(6)に同時に入力されるため、ホールド回路H(4)、H(5)、H(6)に蓄積された画素P(4,5)、P(5,5)、P(6,5)の電荷が、それぞれ処理回路PU1、PU2、PU3に入力される。
Subsequently, since the high-level fifth reset signal V reset (5) is input from time t 7 to time t 8 , the reset switch Q reset (x, 5) is turned on, and the photodiode PD (x, 5) is turned on. The accumulated charge is reset. At times t 8 to t 9 , the high-level second shift signal (horizontal) H shift (2) is sent from the
時刻t10〜t11では、行選択回路12から、ハイレベルの第6シフト信号(垂直)Vshift(6)が入力されるため、図1の下から6行目の画素行のシフトスイッチQaddress(x,6)がONとなり、光の入射に応じてホトダイオードPD(x,6)に蓄積された電荷が、アンプAMP(x、6)で増幅され、ビデオラインLnに電圧として出力され、ホールド回路H(1)〜H(9)に保持される。
At time t 10 to t 11 , the high-level sixth shift signal (vertical) V shift (6) is input from the
続いて、時刻t11〜t12では、ハイレベルの第6リセット信号Vreset(6)が入力されるため、リセットスイッチQreset(x,6)がONとなり、ホトダイオードPD(x、6)に蓄積された電荷がリセットされる。時刻t12〜t13では、列選択回路13から、ハイレベルの第2シフト信号(水平)Hshift(2)が、画素列の4列目のスイッチQ(4)、画素列の5列目のスイッチQ(5)、画素列の6列目のスイッチQ(6)に同時に入力されるため、ホールド回路H(4)、H(5)、H(6)に蓄積された画素P(4,6)、P(5,6)、P(6,6)の電荷が、それぞれ処理回路PU1、PU2、PU3に入力される。
Subsequently, since the high-level sixth reset signal V reset (6) is input at times t 11 to t 12 , the reset switch Q reset (x, 6) is turned on, and the photodiode PD (x, 6) is turned on. The accumulated charge is reset. At
上述のように、本固体撮像装置は、N個の画素列に、列選択回路13の選択によってONするスイッチQ(4)、Q(5)、Q(6)を介して、それぞれ接続されたN個の処理回路PU1,PU2,PU3を備えている。n番目の処理回路PU1(PU2,PU3)は、個々の撮像ブロックB1,B2,B3におけるn番目の画素列N1(N2,N3)に、スイッチQ(1)〜Q(9)を介して全て接続可能とされている。また、N個の処理回路PU1,PU2,PU3は、行選択回路12及び列選択回路13によって選択された画素列毎の信号からディジタルビデオ信号を生成している。
As described above, the solid-state imaging device is connected to N pixel columns via the switches Q (4), Q (5), and Q (6) that are turned on by selection of the
上述の固体撮像装置によれば、n番目の処理回路(例えば、PU1とする)には、個々の撮像ブロックB1,B2,B3におけるn番目の画素列(N1)がスイッチQ(1),Q(4),Q(7)を介して全て接続可能とされているので、部分読み出し領域Rが小さい場合においても、隣接する画素列N2からの信号は、異なる処理回路PU2で別々に処理される。しかも、画像データ演算部10によって、読み出す領域を部分読み出し領域Rに制限しているので、更に高速な撮像を行うことが可能となる。
According to the above-described solid-state imaging device, the n-th processing circuit (for example, PU1) includes the n-th pixel column (N1) in each of the imaging blocks B1, B2, and B3 as switches Q (1) and Q Since all the connections are possible via (4) and Q (7), even when the partial readout region R is small, signals from the adjacent pixel column N2 are processed separately by different processing circuits PU2. . In addition, since the image
また、上述の固体撮像装置は、個々の画素列N1,N2,N3にそれぞれ接続された複数のホールド回路H(1)〜H(9)を備えており、上記スイッチQ(1)〜Q(9)は、列選択回路13にタイミング発生回路11から入力される制御信号に同期して、画素列毎の個々のホールド回路H(1)〜H(9)に蓄積された電荷を、個々の画素列N1,N2,N3に対応する処理回路PU1,PU2,PU3に接続しており、各画素行毎の信号は一旦はホールド回路(1)〜H(9)に蓄積されるが、スイッチを制御信号Q(1)〜Q(9)によって接続することで、画素行毎に蓄積された電荷を、画素列N1,N2,N3毎に処理回路PU1,PU2,PU3へと転送することができる。
The solid-state imaging device includes a plurality of hold circuits H (1) to H (9) connected to the individual pixel columns N1, N2, and N3, and the switches Q (1) to Q ( 9) The charges accumulated in the individual hold circuits H (1) to H (9) for each pixel column are synchronized with the control signal input from the
また、オプティカルブラック領域OBの画素は、撮像領域の画素と同じ手順で読み出されるが、読み出しのタイミングは撮像領域の読み出しのタイミングの前に読み出される。なお、オプティカルブラック領域OBの画素出力を制御回路FBC内に記憶しておき、次の読み出しタイミングで撮像領域の同一の画素出力を補正することもできる。 The pixels in the optical black area OB are read in the same procedure as the pixels in the imaging area, but the readout timing is read out before the readout timing of the imaging area. Note that the pixel output of the optical black area OB can be stored in the control circuit FBC, and the same pixel output of the imaging area can be corrected at the next readout timing.
なお、画素列の数は、上述のものに限られない。 Note that the number of pixel columns is not limited to the above.
図13は、1つの撮像ブロックを8つの画素列からなることとし、64の撮像ブロックBk(k=1〜64)を備え(K=64)、垂直方向の画素列が512画素を有し、水平方向の画素列が512画素を有する固体撮像装置を示す。なお、各撮像ブロックB1,B2,・・・,B64における、n番目の画素列毎に、n番目の処理回路PUnが接続されている(n=1〜8)。列選択回路13によって制御されるスイッチ群Q(1)〜Q(N×K)と、撮像領域との間には、ホールド回路群H(1)〜H(N×K)が介在している。スイッチ群Q(1)〜Q(N×K)、ホールド回路群H(1)〜H(N×K)は、上述のスイッチ群Q(1)〜Q(9)及びホールド回路群H(1)〜H(9)に対応するものである。
In FIG. 13, one imaging block is composed of 8 pixel columns, and includes 64 imaging blocks Bk (k = 1 to 64) (K = 64), the vertical pixel column has 512 pixels, 2 shows a solid-state imaging device having 512 pixels in a horizontal pixel row. Note that the nth processing circuit PUn is connected to each nth pixel column in each of the imaging blocks B1, B2,..., B64 (n = 1 to 8). Hold circuit groups H (1) to H (N × K) are interposed between the switch groups Q (1) to Q (N × K) controlled by the
この固体撮像装置で部分読み出しの動作を以下に説明する。ここでは、画像データ演算部の出力に基づいて前回得た画像から、512×512の画素全体の内、周辺10行と10列だけを除いた中央の492×492の画素の部分読み出しを行うことを選択してタイミング発生回路がそれに必要な制御信号を行選択回路12と列選択回路13に供給することとする。
The operation of partial reading with this solid-state imaging device will be described below. Here, partial readout of the central 492 × 492 pixels excluding only the peripheral 10 rows and 10 columns out of the entire 512 × 512 pixels from the previous image based on the output of the image data calculation unit is performed. The timing generation circuit supplies a control signal necessary for the selection to the
図14は、撮像領域内の画素P(x,y)の詳細な回路図である。 FIG. 14 is a detailed circuit diagram of the pixel P (x, y) in the imaging region.
なお、以下の説明において、スイッチとは電界効果トランジスタを示すこととする。 In the following description, a switch refers to a field effect transistor.
画素P(1,1)は、ホトダイオードPD(1)のカソードと、リセット電位Vr1との間に直列に介在する転送スイッチQtrans(1)、リセットスイッチQreset(1)を備えている。転送スイッチQtrans(1)の上流端は、ホールドスイッチQhold(1)を介して、増幅トランジスタQamp(1)のゲートに入力されている。増幅トランジスタQ amp(1)とビデオラインL1との間には、アドレス指定スイッチQaddress(1)が介在している。 The pixel P (1,1) includes a transfer switch Q trans (1) and a reset switch Q reset (1) interposed in series between the cathode of the photodiode PD (1) and the reset potential Vr1. The upstream end of the transfer switch Q trans (1) is input to the gate of the amplification transistor Q amp (1) via the hold switch Q hold (1). An addressing switch Q address (1) is interposed between the amplifying transistor Q amp (1) and the video line L 1 .
転送スイッチQtrans(1)のゲートには、転送信号Vtrans(1)が入力され、リセットスイッチQreset(1)のゲートには、リセット信号Vreset(1)が入力される。また、ホールドスイッチQhold(1)のゲートにはホールド信号Vhold(1)が入力される。アドレス指定スイッチQaddress(1)のゲートにはアドレス信号Vaddress(1)が入力される。なお、アドレス信号Vaddress(1)は第1シフト信号(垂直)Vshift(1)と表記することもできる。 The transfer signal V trans (1) is input to the gate of the transfer switch Q trans (1), and the reset signal V reset (1) is input to the gate of the reset switch Q reset (1). The hold signal V hold (1) is input to the gate of the hold switch Q hold (1). The address signal V address (1) is input to the gate of the addressing switch Q address (1). The address signal V address (1) can also be expressed as a first shift signal (vertical) V shift (1).
画素P(1,2)の構成は、各要素の数字が「2」となるのみで、構成は画素P(1,1)と同一である。 The configuration of the pixel P (1,2) is the same as that of the pixel P (1,1) except that the number of each element is “2”.
図15は、各信号を生成するための行選択回路12の回路図である。図16は、各信号のタイミングチャートである。この図は、垂直方向の上下10行ずつを除いた中央492行の部分読み出しを達成するためのものである。
FIG. 15 is a circuit diagram of the
各行毎にシフトレジスタS1,S2・・・が設けられており、各シフトレジスタは、セット入力端子ST、リセット入力端子rst、クロック入力端子CLKと、出力端子Qを備えている。リセット入力端子は接地電位に接続されている。シフトレジスタS1のセット入力端子STにはスタート信号Vstが入力され、シフトレジスタS1の出力端子Qからの出力shiftout1が、シフトレジスタS2のセット入力端子STに入力されるというように、各シフトレジスタのセット入力端子には一つ前のシフトレジスタの出力端子Qからの出力が順次入力される。 Shift registers S1, S2,... Are provided for each row, and each shift register includes a set input terminal ST, a reset input terminal rst, a clock input terminal CLK, and an output terminal Q. The reset input terminal is connected to the ground potential. The set input terminal ST of the shift register S1 is the start signal V st is input, the output shiftout1 from the output terminal Q of the shift register S1 is, as that is input to the set input terminal of the shift register S2 ST, each shift register The set input terminal sequentially receives the output from the output terminal Q of the previous shift register.
タイミング発生回路11から発生したVreset、Vtrans、Vhold、Vaddressは、第1画素P(1,1)読み出し時の所定のタイミングで、それぞれVreset(1)、Vtrans(1)、Vhold(1)、Vaddress(1)として、スイッチQA1,QB1,QC1,QD1をONし、上述の各スイッチに入力される。この所定のタイミングは、タイミング発生回路11で生成されたs-mode信号とスタート信号Vstによって決定され、第1行目の画素の読み出しが終了したら、第2行目の画素の読み出しへと順次移行する。なお、図16中、(Vshift)で示される数字は、読み出し中の画素行を示し、(Hshift)で示される数字は、読み出し中の画素列を示す。
V reset , V trans , V hold , and V address generated from the
s-mode信号は、スタート信号VstがシフトレジスタS1に入力されたときの出力と共にNOR回路(NOR1)に入力される。なお、2行目の読み出しの場合には、これらの信号はNOR回路(NOR2)に入力される。この図は、512×512の全画素で各ホトダイオードPD(x、y)に蓄積した電荷を同時にホールドするグローバルシャッターモードで動作する例であり、s-mode信号をハイレベルとしておくことで、Vreset、Vtrans、Vholdの信号を全画素一斉に供給することができる。これにより、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷を増幅トランジスタQamp(x,y)のゲートに全画素に渡って同一のタイミングで転送、蓄積しておくことが可能となる。 The s-mode signal is input to the NOR circuit (NOR1) together with the output when the start signal Vst is input to the shift register S1. In the case of reading in the second row, these signals are input to the NOR circuit (NOR2). This figure shows an example of the operation in the global shutter mode in which the charges accumulated in the photodiodes PD (x, y) are simultaneously held in all the 512 × 512 pixels. By setting the s-mode signal to the high level, V Reset , V trans , and V hold signals can be supplied all at once. As a result, the charge accumulated in the photodiode PD (x, y) can be transferred and accumulated in the gate of the amplification transistor Q amp (x, y) over the entire pixel at the same timing.
実際の動作としては次のようになる。s-mode信号をハイレベルとして、全行に渡ってVreset、Vtrans、Vholdの信号が入力されるようにしておく。Vreset、Vtrans、Vhold、Vaddressの全ての信号がローレベルの時に、VresetをハイレベルとしてVholdをハイレベルとすることにより、増幅トランジスタのゲートの電荷がリセットされる。Vholdをローレベルとし、Vresetをローレベルとした後、VtransをハイレベルとしてVholdをハイレベルとすることで、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷が増幅トランジスタのゲートに転送される。 The actual operation is as follows. The s-mode signal is set to a high level so that signals of V reset , V trans , and V hold are input over all rows. When all signals of V reset , V trans , V hold , and V address are at a low level, the charge of the gate of the amplification transistor is reset by setting V reset to a high level and V hold to a high level. After V hold is set to low level and V reset is set to low level, V trans is set to high level and V hold is set to high level, whereby the charge accumulated in the photodiode PD (x, y) is transferred to the gate of the amplification transistor. Transferred.
その後、VholdをローレベルにしてVtransをローレベルにした後、VtransとVresetをハイレベルにして、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積された電荷をリセットした後、VtransとVresetをローレベルにして次の蓄積を開始する。 Then, after the V trans low level in the V hold in a low level, and the V trans and V reset to the high level, the photodiodes PD (x, y) after resetting the electric charges accumulated in, V trans and V Reset is set to low level to start the next accumulation.
ここでs-mode信号をローレベルに戻すことにより、全画素に渡って、ホトダイオードPD(x、y)に蓄積されていた電荷は、各画素の増幅トランジスタのゲートに転送、保持された状態で、ホトダイオードでは次の蓄積が開始されており、全画素での蓄積の開始、終了が同時に行われるグローバルシャッターモードの動作が実現される。以後は、増幅トランジスタのゲートに保持されている電荷を読みたい画素のみを選択して読み出すことになる。 Here, by returning the s-mode signal to the low level, the charge accumulated in the photodiode PD (x, y) over all the pixels is transferred and held in the gate of the amplification transistor of each pixel. In the photodiode, the next accumulation is started, and the operation in the global shutter mode in which the accumulation starts and ends in all the pixels is realized at the same time. Thereafter, only the pixel for which the charge held at the gate of the amplification transistor is to be read is selected and read.
シフトレジスタS1,S2・・・のクロック入力端子CLKにはタイミング発生回路11で生成される垂直クロック信号Vclkが入力されている。スタート信号VstがシフトレジスタS1のセット入力端子に入力され,シフトレジスタS1の出力端子Qからの出力shiftout1がシフトレジスタS2のセット入力端子に入力されるように、各シフトレジスタのセット入力端子に一つ前のシフトレジスタの出力端子Qからの出力が順次入力されると、各行の画素に蓄積された電荷の読み出しが開始されるが、Vaddressはローレベルとしておき、垂直クロック信号Vclkは周期を長くしておくことで、最初の10行は信号の読み飛ばしを行う。
The vertical clock signal V clk generated by the
その後、11行目の画素からVaddressをハイレベルとして蓄積電荷を増幅することにより得られた電圧をホールド回路に一度転送した上で、Vreset、Vholdもハイレベルとして、増幅トランジスタのゲートの電荷をリセットした後、Vholdをローレベルとして、Vresetをローレベルに戻して、リセット後の電圧もホールド回路に送り、蓄積した電荷を増幅することにより得られた電圧と、増幅トランジスタのゲートの電荷をリセットした時の増幅トランジスタから出力される電圧の2種類の電圧をホールド回路に入力する。 After that, the voltage obtained by amplifying the stored charge from the pixel in the eleventh row with V address set to high level is once transferred to the hold circuit, and then V reset and V hold are also set to high level to set the gate of the amplification transistor After resetting the charge, V hold is set to low level, V reset is returned to low level, the reset voltage is also sent to the hold circuit, the voltage obtained by amplifying the accumulated charge, and the gate of the amplification transistor Two kinds of voltages output from the amplifying transistor when the electric charge is reset are input to the hold circuit.
ホールド回路ではノイズ分を差し引いて減らすためのCDS回路でこの2種類の電圧の差を演算し、保持する。垂直クロック信号Vclkの周期を短くして512画素分の電荷をホールド回路に蓄積し、続いて、タイミング発生回路11で生成された画素列読み出しスタート信号Hstを列選択回路13に入力することで、タイミング発生回路11で生成された水平クロック信号Hclkに同期して、512画素分のホールド回路に蓄積された電荷の内、選択された部分読み出し領域Rに当たる画素分が8個の処理回路から読み出されて画像データ演算部へ入力される。
The hold circuit calculates and holds the difference between the two kinds of voltages in a CDS circuit for subtracting and reducing noise. The charge of 512 pixels is accumulated in the hold circuit by shortening the cycle of the vertical clock signal V clk , and then the pixel column read start signal H st generated by the
この動作は図17,18,19を使って後述する。なお、503行目の画素行から以後の10行は、垂直クロック信号の周期を短くして、同様に信号の読み飛ばしを行う。 This operation will be described later with reference to FIGS. Note that in the subsequent 10 rows from the 503th pixel row, the period of the vertical clock signal is shortened and signal reading is similarly skipped.
すなわち、垂直クロック信号の周期を短くすることで、不要な画素行の読み出し時間を短縮しており、この不要な画素行の読み出し期間では、アドレス信号Vaddressを入力せず、すなわち、ビデオ信号は出力されない。 That is, by shortening the period of the vertical clock signal, the readout time of unnecessary pixel rows is shortened. In the readout period of unnecessary pixel rows, the address signal V address is not input, that is, the video signal is Not output.
図17は、ホールド回路群H(1)〜H(N×K)に蓄積された電荷を読み出すためのスイッチ群Q(1)〜Q(N×K)の回路図である。ビデオラインL1,L2,L3・・・LN×K毎にスイッチQ(1),Q(2),Q(3)・・・Q(N×K)が接続されている。1つの撮像ブロックのスイッチ群には、Hshift信号が入力され、Hshift信号がハイレベルの時に、ホールド回路に蓄積された電荷が読み出される。 FIG. 17 is a circuit diagram of the switch groups Q (1) to Q (N × K) for reading out the charges accumulated in the hold circuit groups H (1) to H (N × K). Video lines L 1, L 2, L 3 ··· L N × K every switch Q (1), Q (2 ), Q (3) ··· Q (N × K) is connected. The H shift signal is input to the switch group of one imaging block, and the charge accumulated in the hold circuit is read when the H shift signal is at a high level.
図18は、各信号を生成するための列選択回路13の回路図である。図19は、各信号のタイミングチャートである。この図は、水平方向の左右にそれぞれ10列ずつを除いた中央492列のみの部分読み出しを達成するためのものである。この図では、図16のs-mode信号がローレベルになってから水平スタート信号Hstがハイレベルとなり、以後水平の読み出しが行われるタイミングのみを示す。
FIG. 18 is a circuit diagram of the
シフトレジスタS10、S20、S30・・・が、撮像ブロックに対応して設けられている。各シフトレジスタは、セット入力端子ST、リセット入力端子rst、クロック入力端子CLKと、Q出力端子を備えている。クロック入力端子CLKには、水平クロック信号Hclkが入力される。 Shift registers S10, S20, S30,... Are provided corresponding to the imaging blocks. Each shift register includes a set input terminal ST, a reset input terminal rst, a clock input terminal CLK, and a Q output terminal. A horizontal clock signal Hclk is input to the clock input terminal CLK.
タイミング発生回路では、64撮像ブロック中の所望の読み出し開始番号の画素に対応して、水平読み出し用のスタート信号Hstを発生し、6ビットのデコーダ(0ch〜63ch)Dに入力する。デコーダDは、2値入力端子dih0、dih1、dih2、dih3、dih4、dih5を備えている。デコーダ出力端子1,2,3・・・と各セット入力端子STとの間には、NAND回路とNOT回路が介在している。
The timing generation circuit generates a horizontal readout start signal Hst corresponding to the pixel of the desired readout start number in the 64 imaging blocks and inputs it to the 6-bit decoder (0ch to 63ch) D. The decoder D includes binary input terminals dih0, dih1, dih2, dih3, dih4, and dih5. A NAND circuit and a NOT circuit are interposed between the
デコーダDは、タイミング発生回路11で生成したHstや2値入力に応じて、所望の撮像ブロックへ入力されるHshift信号がハイレベルとなる信号を生成する。スタート信号Hstと、撮像ブロック特定信号dih0、dih1、dih2、dih3、dih4、dih5の入力によって、指定された撮像ブロックの画素列の信号が読み出される。デコーダ出力端子0に対応して発生するHshift(1)信号は、ハイレベルの時にスイッチQ(1)〜Q(8)をONし、デコーダ出力端子1に対応して発生するHshift(2)信号は、ハイレベルの時にスイッチQ(9)〜Q(16)をONする。
The decoder D generates a signal in which the H shift signal input to a desired imaging block becomes a high level in response to H st and binary input generated by the
各シフトレジスタS10、S20、S30のリセット端子rstには、タイミング発生回路11で生成されたオールリセット信号Hshift-resetを入力することができ、Hshift-resetがハイレベルの場合には、ホールド回路に蓄積された電荷の読み出しを終了し、部分読み出しを高速に行っている。このように図16と図19の両手法を適用することにより、512×512画素信号を周辺10行と10列ずつを除いた中央492×492画素の部分信号読み出しを達成できる。
The all reset signal H shift-reset generated by the
なお、上述の例では、部分読み出し領域Rは、前回の画像に基づいて画像データ演算部が決定し、必要な制御信号をタイミング発生回路が発生したが、これは特願2003−189181に示される撮像装置(プロファイルイメージャと呼ばれている)のプロファイル検出機能から得られる情報に基づいて決定してもよく、ホールド回路やフレームメモリ等に蓄積された画像に基づいて決定してもよい。 In the above-described example, the partial read region R is determined by the image data calculation unit based on the previous image, and the timing generation circuit generates a necessary control signal. This is shown in Japanese Patent Application No. 2003-189181. It may be determined based on information obtained from a profile detection function of an imaging apparatus (referred to as a profile imager), or may be determined based on an image stored in a hold circuit or a frame memory.
また、部分読み出し領域Rを決定するために基づくものは蓄積された画像に限る必要はなく、全画素の内の一部分のみを読み出すように選択する信号を、画像データ演算部の代わりに外から与えても良い。こうすることで、読み出す部分と画素数を外部より入力する信号により変えて、画素数は少なくて良いのでとにかく高速で撮像したい場合や、画角の一部分のみに絞って読み出したい場合など様々な場合に対応可能な固体撮像装置が実現できる。 Further, it is not necessary to limit the partial read region R based on the accumulated image, and a signal for selecting only a part of all the pixels to be read is given from the outside instead of the image data calculation unit. May be. By doing this, the number of pixels to be read and the number of pixels can be changed depending on the signal input from the outside, and the number of pixels can be small. Can be realized.
以上、説明したように、上述の固体撮像装置は、撮像領域とオプティカルブラック領域OBとを備えた固体撮像装置において、撮像領域から読み出された信号からディジタルビデオ信号を生成する処理回路PU(x)と、オプティカルブラック領域OBから読み出された暗レベル信号VDARK(x)と、この暗レベル信号VDARK(x)の処理回路PU(x)への経路と同一の経路を通る仮想的明レベル信号VBRIGHT(x)とを受信し、受信した暗ベル信号VDARK(x)と仮想的明レベル信号VBRIGHT(x)に応じて、処理回路PU(x)のオフセットaxbx、又は、利得axを制御する制御回路FBC(x)とを備えている。 As described above, the solid-state imaging device described above is a processing circuit PU (x) that generates a digital video signal from a signal read from the imaging region in a solid-state imaging device including an imaging region and an optical black region OB. ), The dark level signal V DARK (x) read out from the optical black area OB, and the virtual light passing through the same path as the path of the dark level signal V DARK (x) to the processing circuit PU (x). The level signal V BRIGHT (x) is received, and in accordance with the received dark bell signal V DARK (x) and the virtual bright level signal V BRIGHT (x), the offset a x b x of the processing circuit PU (x), or, and a control circuit FBC for controlling the gain a x (x).
制御回路FBC(x)は、オプティカルブラック領域OBからの暗レベル信号VDARK(x)の他に、仮想的明レベル信号VBRIGHT(x)も受信するが、これらの差分等は経路内の標準的な利得と相関がある。すなわち、仮想的明レベル信号VBRIGHT(x)と暗レベル信号VDARK(x)との差分は、入射光量Iに対する画素出力Vxの利得に比例するので、この利得と処理回路PU(x)からの最終出力利得の関係がずれている場合には、ずれ量に応じて処理回路PU(x)の利得を調整すればよい。したがって、処理回路PU(x)からの最終出力Vx’の補正を簡易に行うことができる。 The control circuit FBC (x) also receives a virtual bright level signal V BRIGHT (x) in addition to the dark level signal V DARK (x) from the optical black area OB. There is a correlation with general gain. That is, the difference between the virtual bright level signal V BRIGHT (x) and the dark level signal V DARK (x) is proportional to the gain of the pixel output V x with respect to the incident light quantity I, and therefore this gain and the processing circuit PU (x) If the relationship of the final output gain from the output is shifted, the gain of the processing circuit PU (x) may be adjusted according to the shift amount. Therefore, it is possible to easily correct the final output V x ′ from the processing circuit PU (x).
本発明は、固体撮像装置に利用することができる。 The present invention can be used for a solid-state imaging device.
ADC1,ADC2,ADC3…変換器、10…画像データ演算部、11…タイミング発生回路、12…行選択回路…、13…列選択回路、AMP…アンプ、B1,B2,B3……撮像ブロック、H…ホールド回路、PD…ホトダイオード、PU1,PU2,PU3…処理回路、オプティカルブラック領域OB。 ADC1, ADC2, ADC3 ... converter, 10 ... image data calculation unit, 11 ... timing generation circuit, 12 ... row selection circuit ..., 13 ... column selection circuit, AMP ... amplifier, B1, B2, B3 ... imaging block, H ... hold circuit, PD ... photodiode, PU1, PU2, PU3 ... processing circuit, optical black area OB.
Claims (3)
前記撮像領域から読み出された信号からディジタルビデオ信号を生成する処理回路と、
前記オプティカルブラック領域から読み出された暗レベル信号と、この暗レベル信号の前記処理回路への経路と同一の経路を通る仮想的明レベル信号とを受信し、受信した暗ベル信号と仮想的明レベル信号に応じて、前記処理回路のオフセット又は利得を制御する制御回路と、
を備え、
前記画素列を構成する画素及び前記オプティカルブラック領域内のダミー画素は、それぞれ、
バイアス電圧がリセットスイッチを介して印加されるホトダイオードと、
前記ホトダイオードのカソードが入力端子に接続されたアンプと、
前記ホトダイオードの出力又は前記バイアス電圧出力を前記アンプから読み出すアドレス指定スイッチと、
を有しており、
前記オプティカルブラック領域において前記リセットスイッチがオンされることで、前記バイアス電圧が前記アドレス指定スイッチから出力される電圧又は電流を前記仮想的明レベル信号とし、この時のバイアス電圧は、前記ホトダイオードに基準レベル光が入射したと仮定した場合の前記ホトダイオードの出力電圧であることを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device including an imaging region having a plurality of pixel columns and an optical black region adjacent to the imaging region ,
A processing circuit for generating a digital video signal from a signal read from the imaging region;
The dark level signal read from the optical black area and a virtual bright level signal passing through the same path as the path to the processing circuit of the dark level signal are received, and the received dark bell signal and virtual bright signal are received. A control circuit for controlling the offset or gain of the processing circuit according to a level signal;
Equipped with a,
The pixels constituting the pixel column and the dummy pixels in the optical black area are respectively
A photodiode to which a bias voltage is applied via a reset switch;
An amplifier in which the cathode of the photodiode is connected to an input terminal;
An addressing switch for reading out the output of the photodiode or the bias voltage output from the amplifier ;
Have
When the reset switch is turned on in the optical black region, the bias voltage is a voltage or current output from the addressing switch as the virtual bright level signal, and the bias voltage at this time is based on the photodiode. A solid-state imaging device characterized in that it is an output voltage of the photodiode when it is assumed that level light is incident.
前記制御回路は、前記暗レベル信号の大きさに応じて前記処理回路のオフセットを制御することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The control circuit controls the gain of the processing circuit according to a ratio of a reference value to a difference between the virtual light level signal and the dark level signal ;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control circuit controls an offset of the processing circuit in accordance with a magnitude of the dark level signal.
前記オプティカルブラック領域のダミー画素から出力される暗レベル信号V A dark level signal V output from a dummy pixel in the optical black area DARKDARK (x)、仮想的明レベル信号V(X) virtual light level signal V BRIGHTBRIGHT (x)、明レベル信号と暗レベル信号の差分の理想値Dを用いて、係数a(X) Using the ideal value D of the difference between the light level signal and the dark level signal, the coefficient a xx ,b, B xx は、以下の関係式:Is the following relation:
利得a Gain a xx =D/(V= D / (V BRIGHTBRIGHT (x)−V(X) -V DARKDARK (x))(X))
オフセットa Offset a xx bb xx =−V= -V DARKDARK (x)(X)
を満たし、これに隣接する画素に対する処理回路の係数aAnd the coefficient a of the processing circuit for the pixels adjacent to x+1x + 1 ,b, B x+1x + 1 は、以下の関係式:Is the following relation:
利得a Gain a x+1x + 1 =D/(V= D / (V BRIGHTBRIGHT (x+1)−V(X + 1) -V DARKDARK (x+1))(X + 1))
オフセットa Offset a x+1x + 1 bb x+1x + 1 =−V= -V DARKDARK (x+1)(X + 1)
を満たし、The filling,
隣接画素の出力の値の差を最小にするように、オフセットの係数a The offset coefficient a is set so as to minimize the difference between the output values of adjacent pixels. x+1x + 1 bb x+1x + 1 を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is adjusted.
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