JP4812247B2 - 撮像装置 - Google Patents
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一方、特許文献1に記載されるように、近年のCCD撮像素子は、光電変換、信号電荷の蓄積、転送及び検出を円滑に行なうために、半導体基板には、CCD素子内部で基板バイアス用の電圧(以下基板内部電圧ともいう)が供給されている。
図21は、30秒間露光したときのノイズの出方を示す。図21(a)は、VSUB=内部発生値−4Vのときのノイズの出方を示し、図21(a)は、VSUB=内部発生値−4Vのときのノイズの出方を示す。図21(a)に示すように、VSUB電圧を下げて長時間露光すると、画面右上部に白いノイズが生じてしまう。これは、抵抗R1付近の画素(右上部)が熱のために暗電流が多くなり、その結果、オフセットレベルが上がってしまって白く見えてしまうためである。
また、スミアとは、信号線や垂直転送路等に光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散により広がり、隣接画素や転送レジスタに混入することにより発生することである。スミアは光の強さに無関係に一定の割合で発生する。従って、光量の少ないときには気にならないが、強い光が入射された場合に、その白点が上下に縞状に伸びて現れてくる。以下では、基板電圧VSUBを下げたことによって、信号電荷が垂直転送路に入り込み、上下に縞状に伸びて現れたノイズをスミアと表する。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項2に記載の発明によれば、前記撮像装置は、前記分圧するときの分圧比を変化させる分圧変化手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項6に記載の発明によれば、前記撮像装置は、さらに、撮像した画像の黒レベルを所定の値に設定するクランプ回路を備え、前記固体撮像素子により画像を取得する前又は該画像を取得した後に前記クランプ回路を動作させるための信号を複数発生させることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項7に記載の発明によれば、前記撮像装置は、さらに撮像した黒ラベルを所定の値に設定するクランプ回路を備え、前記素子印加電圧変化手段により印加電圧を所定の値より低くしている間は、少なくとも前記クランプ回路を動作させる信号を停止させることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項8に記載の発明によれば、前記撮像装置は、さらに、前記固体撮像素子を駆動させる駆動手段を備え、前記固体撮像素子を駆動させる電圧は、前記素子印加電圧を得るためのものとは異なる電源から得ることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項9に記載の発明によれば、前記撮像装置は、前記固体撮像素子の露光時に、前記固体撮像素子内の電荷の転送速度を速くすることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項10に記載の発明によれば、前記素子印加電圧変化手段は、静止画像を得る場合には、前記固体撮像素子の露光時に、前記素子印加電圧を下げることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項13に記載の発明によれば、さらに、前記分圧するときの分圧比を変化させることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項17に記載の発明によれば、前記固体撮像素子により画像を取得する前又は該画像を取得した後に、撮像した該画像の黒レベルを所定の値に設定するクランプ回路を動作させるための信号を複数発生させることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項18に記載の発明によれば、前記固体撮像素子を駆動させる電圧は、前記素子印加電圧を得るためのものとは異なる電源から得ることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項19に記載の発明によれば、前記固体撮像素子の露光時に、前記固体撮像素子内の電荷の転送速度を速くすることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法を提供することによって達成できる。
また上記課題は、特許請求の範囲の請求項20に記載の発明によれば、静止画像を取得する場合には、前記固体撮像素子の露光時に、前記素子印加電圧を下げることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法を提供することによって達成できる。
図1は、本発明の実施の形態に係る顕微鏡システムの構成を示す図である。同図において、顕微鏡本体1には、ステージ26上の試料3に対向する対物レンズ27が配置されている。また、この対物レンズ27を介した観察光軸上には、三眼鏡筒ユニット5を介して接眼レンズユニット6が配置されているとともに、結像レンズユニット100を介して電子カメラ36が配置されている。
図2に示す顕微鏡システムには、照明系として、透過照明光学系11及び落射照明光学系12が備えられている。透過照明光学系11には透過照明用光源13が備えられ、この透過照明用光源13から照射される透過照明光の光路上に、この透過照明光を集光するレクタレンズ14、透過用フィルタユニット15、透過視野絞り16、透過シャッタ161、折曲げミラー17、透過開口絞り18、コンデンサ光学素子ユニット19、及びトップレンズユニット20が配置されている。
透過照明光学系11と落射照明光学系12との各光軸が重なる観察光路S上には、観察の対象となる標本を載せる試料ステージ26、対物レンズ27が複数装着され、一つの対物レンズ27を回転動作で選択し観察光路S上に位置させるためのレボルバ28、対物レンズ側光学素子ユニット29、例えば透過明視野観察または蛍光観察などの各種検鏡法に応じて観察光路S上のダイクロイックミラーを切り換えるためのキューブユニット30、観察光路Sを観察光路Saと観察光路Sbとに分岐するビームスブリッタ31が配置されている。
そして、上記各構成部材は、制御手段であるCPU60に電気的に接続されており、本実施形態の電子的撮像装置全体は、このCPU60によって統括的に制御されている。なお、上記CCD42は、SUB電圧変換回路49等により電子シャッタ機能(手段)を有しており、これにより露光時間の制御を行なうことができるようになっている。
<第1の実施形態>
蛍光観察検鏡法では、落射照明光学系12より出た光がキューブユニット30内の蛍光キューブにより分光され、対物レンズ27を通って縮小されて標本3に照射する。標本3は前記照射された光より微弱な励起光が発光され、発光された光が対物レンズ27を通って拡大されキューブユニット30内の蛍光キューブによって前記分光とは異なる波長で分光されてCCD42に照射する。
以上が撮影および画像記録表示までの動作である。
図5には、CCD撮像素子42として利用される、縦型オーバーフロードレイン構造のインターライン型CCDの断面構造が示されている。n型半導体基板300は接合の浅いPウェルの第1領域301と接合の深いPウェルの第2領域302で形成されている。第1領域301の接合n型領域が形成された領域部分はフォトダイオード、いわゆる光電変換領域(電荷蓄積部)303として作用する。
図6は、本実施形態の固体撮像装置および基板バイアス発生回路の構成例を示す図である。従来例(図20参照)と異なるのは、電源電圧切り換え回路47を追加し、SUB電圧切り換え回路48を削除したところである。この電源電圧切り換え回路47は、VSUBCont2パルスを用いることにより、2種類のVCC電圧を切り換えることができる。本実施形態では、VCCを15Vから7Vへ、または7Vから15への切り換えを行っている。VSUBCont2パルスの発生(High又はLow)は、CPUにより制御されている。
次に、静止画取り込み時のシーケンスについて説明をする。本シーケンスは、例えば、電子カメラの所定のスイッチを押下したときに、撮影した画像を静止画として記録する場合を想定しているものとする。静止画トリガ撮り込み指令(タイミングt0)を受けて、静止画の画像を取り込むようにしている。そうすると、静止画トリガ撮り込み指令(タイミングt0)を受けて、VCCを7Vに変化させ、VSUB電圧を下げている。
露光開始時点から、VCCDは転送路内の不要電荷排出のための高速駆動を連続的に行っている。これは、各画素信号を個別に読み出す通常駆動(毎回の水平ブランキング期間に1単位=1水平画素相当の垂直駆動パルスを出力するもの)とは異なり、通常駆動の数倍〜数十倍の転送速度でVCCDを連続的に駆動することで、撮像面に光が当たり続けていることによって生じているスミアなどの不要電荷を高速に排出するものである。これは、後に引き続く露光終了のタイミングであるt2の直前まで続けられる。
図8は、本実施形態における固体撮像装置および基板バイアス発生回路の構成例を示す図である。第1の実施形態(図6参照)と異なるのは、SUB電圧切り換え回路48を追加し、電源電圧切り換え回路47と併用できるようにしたところである。SUB電圧切り換え回路48は、VSUBCont1パルスにより、2種類のVSUB電圧へ切り換えることができる。
なお、静止画の読み出し期間中は、クロックスピードを遅くしてもよい。つまり、S/Nの向上と飽和向上による読み出しパルス幅の拡大のためである。このことを、図10で説明する。
<第3の実施形態>
図11は、本実施形態におけるタイミングチャートである。同図において、第1の実施形態と異なっているのは、動画モード時に長時間露光をしていることである。当初第2の実施形態で動作していた電子カメラを切り換えボタン(操作部61に備わる1つの機能)に切り換えることで、本実施形態のシーケンスに切り替わる。
図11に示すように、長時間露光時には、VSUBCont2=ONのため、VCCは7Vとなる。すると、VSUB電圧が下がるので、ノイズの発生が抑えられ、CCDの高感度化を実現することができる。
以上より、動画モード時において、長時間露光時においては電源電圧切り換え回路47でVSUBを下げ、通常露光時はSUB電圧切り換え回路48でVSUBを下げることにより、S/Nがよく高フレームレートで画像を出力することが可能となる。
第1の実施形態において、図12に示すように黒レベルを所定の数値に設定するOBクランプ回路52に映像期間のOBまたはHのブランキング期間にクランプパルス(CPパルス、図3ではTG53からOBクランプ回路52に入力されるパルス)を発生させておくと、OBクランプ52から出力され、A/D45に入力される信号(信号出力(A/D前))にVサグが発生してしまう。Vサグとは画面の上部が白く持ち上がってしまう現象である。
また、上記対策ではクランプパルスを抜いてしまうため、露光時間によってはクランプ電位を保持できない場合もある。そこで、図14に示すようにクランプパルスを読み出しの始めに増やすことが有効的である。同図において、動画又は静止画を読み出す場合、クランプパルスを一時的に多数発生させる。読み出しの始めはすぐに信号出力(信号出力(A/D前))が出ないため、クランプパルスを増やすことが可能となり、これによりクランプ電位の立ち上がりの収束が早くなる。
図15は、Vサグが出ないように読み出し前にV転送を所定時間停止させたタイミングチャートを示す。同図に示すように、クランプ電位が立ち上がって収束するまで、V転送を止める。なお、V転送停止中はV転送を低速にしてもよい。なぜなら、画像には上下数画素ののりしろがあるため、その分は転送しても良いからであり、また、V転送停止による暗電流増加を回避するためである。
また、クランプパルスの数を増やすというよりはパルスを反転させたり出しっぱなしにさせることも効果的である。また、露光期間にクランプパルスを止めるのと合わせると効果的である。
<第5の実施形態>
本実施形態では、図6において、TG53の電源15VとSUBパルス重畳回路49の電源15VとVCCは独立させている。これより、VCCが7VになってもSUBパルスは出力できるため電子シャッタが使用できる。つまり、SUBパルス(TG53からSUBパルス重畳回路49へ入力されるパルス)がSUBパルス重畳回路49を通過するとDCが変動し、VSUB値が変動する。電子シャッタを使用するだけのVSUB値を確保することができる。
これよりVパルスの同期信号を一定にすることが可能となるため回路の簡略化となる。また、切り換え期間にSUBパルスを立てると早くVSUB値が下がるメリットもある。最終VSUBパルスが出力された時点t1が露光開始時点となる。
図17は、本実施形態におけるタイミングチャートである。本実施形態では、第1の実施形態または第2の実施形態と異なり、動画時にVSUB値を変化させないことを特徴としている。VSUB値を変化させないので、分光感度がその分悪くなるが、その悪くなった分ゲインを上げて補っている。
第6の実施形態ではゲインまたは露光時間を変えたが、VSUB値を変えると分光感度がかわってしまうため、被写体によっては同じゲインや露光時間の比率が変わってしまう。よって、被写体の分光感度がある程度分かっていれば、ゲインや露光時間の比率を変化させることができる。
よって、キューブユニット30によってゲインや露光時間を変えれば、静止画撮影時と動画モード時の出力レベルを合わせることが可能となる。具体的には、CPU60から顕微鏡コントロールにキューブの種類を命令し、キューブを指定する。同時にゲインを変動させてり、TG53に露光時間の変動をさせればよい。
3 試料
5 三眼鏡筒ユニット
6 接眼レンズユニット
11 透過照明光学系
12 落射照明光学系
13 透過照明用光源
14 コレクタレンズ
15 透過用フィルタユニット
16 透過視野絞り
17 折曲げミラー
18 透過開口絞り
19 コンデンサ光学素子ユニット
20 トップレンズユニット
21 落射照明用光源
22 落射用フィルタユニット
23 落射シャッタ
24 落射視野絞り
25 落射開口絞り
26 資料ステージ
27 対物レンズ
29 対物レンズ側光学素子ユニット
30 キューブユニット
31 ビームスプリッタ
33 中間変倍光学系(ズーム鏡筒)
34 ビームスプリッタ
35 写真接眼レンズユニット
36 電子カメラ
37 駆動回路部
38 対物レンズ検出部
39 リタデーション調整動作検出部
40 写真接眼レンズ検出部
41 顕微鏡コントロール部
42 固体撮像素子(CCD)
43 CDS回路
44 増幅器(AMP)
45 A/D変換器
46 画像メモリ
47 CCD電源電圧切り換えSW
48 CCDSUB電圧切り換えSW
49 SUB電圧変換回路
51 画像信号処理回路
52 OBクランプ回路
53 タイミングジェネレータ(TG)
54 シグナルジェネレータ(SG)
55 メモリコントローラ
56 DRAM
57 圧縮伸長回路
58 記録媒体
59 液晶ディスプレイ(LCD)
60 CPU
61 操作部
100 結像レンズユニット
161 透過シャッタ
Claims (20)
- 固体撮像素子を有する撮像装置において、
前記固体撮像素子に印加する電圧である素子印加電圧を分圧して前記固体撮像素子内の半導体基板に印加する基板バイアス電圧を供給する電圧供給手段と、
前記素子印加電圧を変化させる素子印加電圧変化手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記分圧するときの分圧比を変化させる分圧変化手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記撮像装置は、静止画像を得るのか動画像を得るのかに応じて、前記素子印加電圧変化手段による前記素子印加電圧の変化タイミング及び前記分圧変化手段による前記分圧比の変化タイミングを切り換える
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記固体撮像素子の露光時間に応じて、前記素子印加電圧変化手段による前記素子印加電圧の変化タイミング及び前記分圧変化手段による前記分圧比の変化タイミングを切り換える
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記撮像した静止画像を読み出す場合には、前記固体撮像素子内での電荷の転送タイミングを規定するクロックの速度を遅くする
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、さらに、撮像した画像の黒レベルを所定の値に設定するクランプ回路を備え、
前記固体撮像素子により画像を取得する前又は該画像を取得した後に前記クランプ回路を動作させるための信号を複数発生させる
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、さらに撮像した黒ラベルを所定の値に設定するクランプ回路を備え、
前記素子印加電圧変化手段により印加電圧を所定の値より低くしている間は、少なくとも前記クランプ回路を動作させる信号を停止させる
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、さらに、
前記固体撮像素子を駆動させる駆動手段を備え、
前記固体撮像素子を駆動させる電圧は、前記素子印加電圧を得るためのものとは異なる電源から得る
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記固体撮像素子の露光時に、前記固体撮像素子内の電荷の転送速度を速くする
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記素子印加電圧変化手段は、
静止画像を得る場合には、前記固体撮像素子の露光時に、前記素子印加電圧を下げることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 請求項10に記載の撮像装置と、数種類の蛍光部材と、該複数の蛍光部材とを切り換える切り換えユニットを構成に含む顕微鏡システムにおいて、
前記撮像装置により動画像を取得する場合、前記切り換えユニットにより切り換えられた前記蛍光部材の種類に応じて、前記固体撮像素子のゲイン値または露光時間を変化させる
ことを特徴とする顕微鏡システム。 - 固体撮像素子の動作時に、該固体撮像素子に印加する素子印加電圧を分圧することで該固体撮像素子内の半導体基板に印加する基板バイアス電圧を得ると共に、前記素子印加電圧を変化させることを特徴とする、固体撮像素子の電圧印加方法。
- さらに、前記分圧するときの分圧比を変化させることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記固体撮像素子が静止画像を撮像するのか動画像を撮像するのかに応じて、前記素子印加電圧の変化タイミング及び前記分圧比の変化タイミングを切り換えることを特徴とする請求項13に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記固体撮像素子の露光時間に応じて、前記素子印加電圧の変化タイミング及び前記分圧比の変化タイミングを切り換えることを特徴とする請求項13に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記撮像した静止画像を読み出す場合には、前記固体撮像素子内での電荷の転送タイミングを規定するクロックの速度を遅くすることを特徴とする請求項13に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記固体撮像素子により画像を取得する前又は該画像を取得した後に、撮像した該画像の黒レベルを所定の値に設定するクランプ回路を動作させるための信号を複数発生させることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記固体撮像素子を駆動させる電圧は、前記素子印加電圧を得るためのものとは異なる電源から得ることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 前記固体撮像素子の露光時に、前記固体撮像素子内の電荷の転送速度を速くすることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
- 静止画像を取得する場合には、前記固体撮像素子の露光時に、前記素子印加電圧を下げることを特徴とする請求項12に記載の、固体撮像素子の電圧印加方法。
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