JP5426587B2 - Solid-state imaging device and pixel averaging processing method thereof - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、CMOSイメージセンサ等の固体撮像装置及びその画素平均化処理方法に関するもので、例えばイメージセンサ付き携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラに適用されるものである。 Embodiments of the present invention relate to a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor and a pixel averaging method thereof, and are applied to, for example, a mobile phone with an image sensor, a digital camera, and a video camera.
イメージセンサ付き携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ等にはCMOSイメージセンサが用いられている。この種のCMOSイメージセンサでは、読み出した信号電荷のアナログ/デジタル変換時に、低ノイズ化処理動作(CDS:Correlated Double Sampling動作と呼ばれる)が行われている。また、高精度のAD変換を行うためにADコンバータを2段構成にしている。そして、垂直ライン選択回路には、一般にシフトレジスタ回路もしくはデコーダ回路が用いられる(例えば特許文献1参照)。 CMOS image sensors are used in mobile phones with image sensors, digital cameras, video cameras, and the like. In this type of CMOS image sensor, a noise reduction processing operation (referred to as a CDS: Correlated Double Sampling operation) is performed during analog / digital conversion of the read signal charges. Also, the AD converter has a two-stage configuration in order to perform highly accurate AD conversion. As the vertical line selection circuit, a shift register circuit or a decoder circuit is generally used (see, for example, Patent Document 1).
ところで、上記のようなCMOSイメージセンサでは、同色を平均化するために垂直方向に配置された画素の2ラインを読んで2ラインを飛ばす間引き動作をしている。しかし、このような間引き動作を行うと、ベイヤー配列のカラーセンサでは輝度信号を生成するためのG信号(Gr信号とGb信号)のサンプリング点が不連続となるため偽信号により画質が劣化する。 By the way, in the CMOS image sensor as described above, in order to average the same color, a thinning operation is performed in which two lines of pixels arranged in the vertical direction are read and two lines are skipped. However, when such a thinning operation is performed, the sampling point of the G signal (Gr signal and Gb signal) for generating the luminance signal becomes discontinuous in the color sensor with the Bayer arrangement, and the image quality deteriorates due to the false signal.
この偽信号による画質の劣化対策として、特許文献2にコンデンサを使って垂直信号を平均化する技術が提案されているが、コンデンサの追加によりパターン占有面積が大きくなったり、各コンデンサに対応して設けるバッファ回路により消費電力が増加したりする。
As a countermeasure against image quality degradation due to this false signal,
このため、パターン占有面積の増大や消費電力の増加を招くことなく、偽信号による画質の劣化を防ぐことができる固体撮像装置及びその画素平均化処理方法が望まれている。 Therefore, there is a demand for a solid-state imaging device and its pixel averaging processing method that can prevent image quality deterioration due to false signals without increasing the pattern occupation area and power consumption.
本実施形態によれば、パターン占有面積の増大や消費電力の増加を招くことなく、偽信号による画質の劣化を防ぐことができる固体撮像装置及びその画素平均化処理方法を提供する。 According to the present embodiment, a solid-state imaging device and its pixel averaging processing method that can prevent image quality degradation due to a false signal without increasing the pattern occupation area and power consumption are provided.
本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換し、この信号電荷を蓄積する光電変換手段、前記光電変換手段に蓄積した電荷を検出部に読み出す読み出し手段、前記検出部の電荷量に対応する信号を出力する増幅手段、及び前記検出部の電荷をリセットするためのリセット手段を備えた画素が、行及び列の二次元的に配置された撮像領域と、前記撮像領域における各画素列の増幅手段の出力がそれぞれ読み出される垂直信号線と、前記各画素列の垂直信号線間を1個以上のスイッチングトランジスタでショートするように、前記垂直信号線間に接続して設けられた複数のスイッチ加算手段と、前記複数のスイッチ加算手段の各トランジスタのゲートに共通接続された制御信号線により、該スイッチ加算手段を同時に制御する加算制御手段と、前記スイッチ加算手段により加算した信号をカラム毎に信号処理するカラム信号処理手段と、を具備する。 A solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention converts a light signal into a signal charge on a semiconductor substrate, stores the signal charge, and reads out the charge accumulated in the photoelectric conversion means to a detection unit. An image pickup region in which pixels having a means, an amplifying means for outputting a signal corresponding to the charge amount of the detection section, and a reset means for resetting the charge of the detection section are two-dimensionally arranged in rows and columns And between the vertical signal lines so as to short-circuit between the vertical signal line from which the output of the amplifying means of each pixel column in the imaging region is read and the vertical signal line of each pixel column by one or more switching transistors connect the plurality of switches adding means provided by commonly connected control signal line to the gate of each transistor of the plurality of switches adding means, the switch adder means Comprising the addition control means for controlling simultaneously, and a column signal processing means for signal processing for each column the signal added by said switch adding means.
この発明の一態様に掛かる固体撮像装置の画素平均化方法は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換し、この信号電荷を蓄積する光電変換手段、前記光電変換手段に蓄積した電荷を検出部に読み出す読み出し手段、前記検出部の電荷量に対応する信号を出力する増幅手段、及び前記検出部の電荷をリセットするためのリセット手段を備えた画素が、行及び列の二次元的に配置された撮像領域と、前記撮像領域における各画素列の増幅手段の出力がそれぞれ読み出される垂直信号線と、前記各画素列の垂直信号線間を1個以上のスイッチングトランジスタでショートするように、前記垂直信号線間を間に接続して設けられた複数のスイッチ加算手段と、前記複数のスイッチ加算手段の各トランジスタのゲートに共通接続された制御信号線により、該スイッチ加算手段を同時に制御する加算制御手段と、前記スイッチ加算手段により加算した信号をカラム毎に信号処理するカラム信号処理手段と、を備える固体撮像装置の画素平均化処理方法であって、前記撮像領域の画素行中における2ライン以上の前記増幅手段を並列に動作させるステップと、前記各画素列の垂直信号線間を接続するためのスイッチ加算手段を動作させるステップと、を具備する。 According to one aspect of the present invention, there is provided a pixel averaging method for a solid-state imaging device, which converts an optical signal into a signal charge on a semiconductor substrate, stores the signal charge, and stores the charge stored in the photoelectric conversion unit. A pixel including a reading unit that reads out to the detection unit, an amplification unit that outputs a signal corresponding to the charge amount of the detection unit, and a reset unit that resets the charge of the detection unit is two-dimensionally arranged in rows and columns. In order to short-circuit between the arranged imaging region, the vertical signal line from which the output of the amplifying unit of each pixel column in the imaging region is read, and one or more switching transistors between the vertical signal lines, a plurality of switches adding means provided to connect between the between the vertical signal line, the common connected control signal line to the gate of each transistor of the plurality of switches adding means Ri, and addition control means for simultaneously controlling the switching addition unit, wherein a pixel averaging processing method of the solid-state imaging device and a column signal processing means for signal processing for each column the signal added by switching addition means And a step of operating two or more lines of the amplifying means in the pixel row of the imaging region in parallel and a step of operating a switch adding means for connecting the vertical signal lines of the respective pixel columns. .
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置及びその画素平均化処理方法について説明するためのもので、増幅型CMOSイメージセンサの構成例を示す回路図である。撮像領域11には画素としての単位セル12−11,12−12,…,12−mnがm行及びn列の二次元的に配置されている。図1では撮像領域11における4行及び4列を抽出して詳細に示している。上記撮像領域11は垂直方向に複数のブロックに分割されている。この撮像領域11における各単位セル列にはそれぞれ、垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…が接続されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an amplifying CMOS image sensor, for explaining a solid-state imaging device and a pixel averaging method thereof according to the first embodiment of the present invention. In the
上記撮像領域11の一端(上部)には、ソースフォロワ回路用の負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…が水平方向に配置されている。これら負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…の電流通路は、上記垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…の一端と接地点間にそれぞれ接続されている。上記負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…のゲートには、バイアス回路21(バイアス手段)からバイアス電圧VTLが印加される。上記負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…とバイアス回路21は負荷手段として働く。上記バイアス回路21は、抵抗R1〜R3と切換スイッチSWとを含んで構成されている。上記抵抗R1〜R3は、電源VDDと接地点間に直列接続される。上記切換スイッチSWは、信号PMONIに応答して抵抗R1,R2の接続点の電圧(H)または抵抗R2,R3の接続点の電圧(L)をバイアス電圧VTLとして選択する。これによって、負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…のオン抵抗(導通抵抗)が変化し、垂直信号線VLIN1,VLINE2,VLINE3,…を流れる電流量を変化させることができる。
At one end (upper part) of the
上記垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…の他端(下部)には、カラム型ノイズキャンセル回路とアナログ/デジタル変換器(CDS&ADC)13、アナログ/デジタル変換した信号をラッチするラッチ回路14、ラッチした信号を記憶するためのラインメモリ(10Bit)15、及びこのラインメモリ15の信号を読み出すための水平シフトレジスタ回路16が接続されている。上記ラッチ回路14、ラインメモリ15及び水平シフトレジスタ回路16等の回路部17は、CDS&ADC13で得たデジタルデータを保持する保持手段として働く。また、この回路部17とCDS&ADC13は、蓄積手段として働く。
At the other end (lower part) of the vertical signal lines VLIN1, VLIN2, VLIN3,..., A column type noise cancel circuit and an analog / digital converter (CDS & ADC) 13, a
上記撮像領域11に隣接して、垂直ブロック選択回路(垂直ブロック選択手段)18、ブロック内ライン選択回路(ブロック内ライン選択手段)19及びパルスセレクタ回路(パルスセレクタ手段)20が設けられている。そして、パルスセレクタ回路20からパルス信号ADRES1,ADRES2,…、パルス信号RESET1,RESET2,…及びパルス信号READ1,READ2,…が単位セルの行毎にそれぞれ供給される。
Adjacent to the
すなわち、垂直ブロック選択回路18から出力されるブロック選択信号Vblock1,Vblock2によって撮像領域11中のブロックが選択される。この垂直ブロック選択回路18は、シフトレジスタ回路またはデコーダ回路で形成されている。上記垂直ブロック選択回路18で選択されたブロック中の単位セル行(画素行)は、信号BLine1〜BLine4に基づいてブロック内ライン選択回路19で選択される。そして、上記ブロック内ライン選択回路19の出力信号と画素駆動パルス信号RESET,READ,ADRESとに基づいて、パルスセレクタ回路20により単位セル行が選択される。
That is, the block in the
各々の単位セル12−11,12−12,…は、4つのトランジスタ(行選択トランジスタTa、増幅手段としての増幅トランジスタTb、リセット手段としてのリセットトランジスタTc、読み出し手段としての読み出しトランジスタTd)とフォトダイオード(光電変換手段)PDから構成されている。単位セル12−11を例に取ると、上記トランジスタTa,Tbの電流通路は、電源VDDと垂直信号線VLIN1間に直列接続される。上記トランジスタTaのゲートにはパルス信号ADRES1が供給される。上記トランジスタTcの電流通路は、電源VDDとトランジスタTbのゲート(検出部FD)との間に接続され、そのゲートにパルス信号RESET1が供給される。また、上記トランジスタTdの電流通路の一端は上記検出部FDに接続され、そのゲートにパルス信号(読み出しパルス)READ1が供給される。そして、上記トランジスタTdの電流通路の他端にフォトダイオードPDのカソードが接続され、このフォトダイオードPDのアノードは接地されている。 Each unit cell 12-11, 12-12,... Has four transistors (row selection transistor Ta, amplification transistor Tb as amplification means, reset transistor Tc as reset means, read transistor Td as read means) and photo It is composed of a diode (photoelectric conversion means) PD. Taking the unit cell 12-11 as an example, the current paths of the transistors Ta and Tb are connected in series between the power supply VDD and the vertical signal line VLIN1. A pulse signal ADRES1 is supplied to the gate of the transistor Ta. The current path of the transistor Tc is connected between the power supply VDD and the gate (detector FD) of the transistor Tb, and a pulse signal RESET1 is supplied to the gate. One end of the current path of the transistor Td is connected to the detection unit FD, and a pulse signal (readout pulse) READ1 is supplied to its gate. The cathode of the photodiode PD is connected to the other end of the current path of the transistor Td, and the anode of the photodiode PD is grounded.
上記CDS&ADC13中には、ノイズキャンセラ用のコンデンサ(容量)C11,C12,C13,…とC21,C22,C23,…が配置されると共に、垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…の信号を伝達するためのトランジスタTS11,TS12,TS13,…、AD変換用の基準波形を入力するためのトランジスタTS21,TS22,TS23,…、及び2段のコンパレータ回路COMP11,COMP12,COMP13,…とCOMP21,COMP22,COMP23,…が配置されている。
In the CDS &
上記トランジスタTS11,TS12,TS13,…の電流通路の一端は垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…にそれぞれ接続され、ゲートには図示しないタイミングジェネレータから出力されるパルス信号S1が供給される。上記トランジスタTS11,TS12,TS13,…の電流通路の他端にはそれぞれ、キャパシタC11,C12,C13,…とC21,C22,C23,…の一方の電極が接続される。上記キャパシタC11,C12,C13,…の他方の電極には、アナログ/デジタル変換器(ADC)の比較用の基準電圧VREF(三角波)が増幅回路AMPから供給される。上記キャパシタC21,C22,C23,…の他方の電極はそれぞれ、コンパレータ回路COMP11,COMP12,COMP13,…の入力端に接続される。 One end of the current path of the transistors TS11, TS12, TS13,... Is connected to the vertical signal lines VLIN1, VLIN2, VLIN3,..., And a pulse signal S1 output from a timing generator (not shown) is supplied to the gate. .., And one electrode of capacitors C11, C12, C13,... And C21, C22, C23,... Are connected to the other ends of the current paths of the transistors TS11, TS12, TS13,. A reference voltage VREF (triangular wave) for comparison of the analog / digital converter (ADC) is supplied from the amplifier circuit AMP to the other electrodes of the capacitors C11, C12, C13,. The other electrodes of the capacitors C21, C22, C23,... Are connected to the input terminals of the comparator circuits COMP11, COMP12, COMP13,.
上記各コンパレータ回路COMP11,COMP12,COMP13,…は、インバータINV11,INV12,INV13,…と、これらのインバータINV11,INV12,INV13,…の入力端と出力端間に電流通路がそれぞれ接続されたトランジスタTS21,TS22,TS23,…とで構成されている。また、上記各コンパレータ回路COMP21,COMP22,COMP23,…は、インバータINV21,INV22,INV23,…と、これらのインバータINV21,INV22,INV23,…の入力端と出力端間に電流通路が接続されたトランジスタTS31,TS32,TS33,…とで構成されている。上記コンパレータ回路COMP11,COMP12,COMP13,…とCOMP21,COMP22,COMP23,…との間には、キャパシタC31,C32,C33…が接続される。上記トランジスタTS21,TS22,TS23,…のゲートにはパルス信号S2、上記トランジスタTS31,TS32,TS33,…のゲートにはパルス信号S3がそれぞれ供給される。 Each of the comparator circuits COMP11, COMP12, COMP13,... Is an inverter INV11, INV12, INV13,. , TS22, TS23,... The comparator circuits COMP21, COMP22, COMP23,... Are transistors having inverters INV21, INV22, INV23,... And current paths connected between the input terminals and output terminals of the inverters INV21, INV22, INV23,. TS31, TS32, TS33,... Capacitors C31, C32, C33,... Are connected between the comparator circuits COMP11, COMP12, COMP13,... And COMP21, COMP22, COMP23,. The pulse signal S2 is supplied to the gates of the transistors TS21, TS22, TS23,..., And the pulse signal S3 is supplied to the gates of the transistors TS31, TS32, TS33,.
上記コンパレータ回路COMP21,COMP22,COMP23,…から出力されるデジタル信号はラッチ回路14でラッチされる。このラッチ回路14には、ラッチした信号を読み出すためのラインメモリ15と水平シフトレジスタ回路16とが接続されている。そして、ラインメモリ15から10ビットのデジタル信号が出力される。
Digital signals output from the comparator circuits COMP21, COMP22, COMP23,... Are latched by the latch circuit. The
図2は、上記図1に示した回路におけるブロック内ライン選択回路19とパルスセレクタ回路20の構成例を示す回路図であり、垂直2ラインの平均化を行うための論理構成を示している。本例では、ブロック内ライン選択回路19、パルスセレクタ回路20とも論理積回路で実現している。ブロック内ライン選択回路19は、アンドゲート30−1〜30−4を備えている。これらアンドゲート30−1〜30−4の一方の入力端には垂直ブロック選択回路18から出力された信号Vblock1が供給され、他方の入力端には信号BLine1〜BLine4がそれぞれ供給される。そして、これらアンドゲート30−1〜30−4の出力信号がパルスセレクタ回路20に供給される。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the in-block
このブロック内ライン選択回路19は、垂直ブロック選択回路18から出力される垂直ブロックの選択信号Vblock1と、選択するラインの数を設定するための信号BLine1〜BLine4とに基づいて1垂直ブロック内で1画素行を選択、もしくは1垂直ブロック内で複数画素行を同時に選択する。図2に示す例では、信号BLine1〜BLine4のレベルの組み合わせに応じて、選択信号Vblock1で選択されたブロックの1ラインもしくは2ラインを同時に選択できるようになっている。
The intra-block
上記パルスセレクタ回路20は、アンドゲート31−1〜31−4、アンドゲート32−1〜32−4及びアンドゲート33−1〜33−4を含んで構成される。上記各アンドゲート31−1,32−1,33−1の一方の入力端にはアンドゲート30−1の出力信号が供給され、他方の入力端には画素駆動パルス信号ADRES,RESET,READが入力され、パルス信号ADRES1,RESET1,READ1を出力する。また、上記各アンドゲート31−2,32−2,33−2の一方の入力端にはアンドゲート30−2の出力信号が供給され、他方の入力端には画素駆動パルス信号ADRES,RESET,READが入力され、パルス信号ADRES2,RESET2,READ2を出力する。更に、上記各アンドゲート31−3,32−3,33−3の一方の入力端にはアンドゲート30−3の出力信号が供給され、他方の入力端には画素駆動パルス信号ADRES,RESET,READが入力され、パルス信号ADRES3,RESET3,READ3を出力する。更にまた、上記各アンドゲート31−4,32−4,33−4の一方の入力端にはアンドゲート30−4の出力信号が供給され、他方の入力端には画素駆動パルス信号ADRES,RESET,READが入力され、パルス信号ADRES4,RESET4,READ4を出力するようになっている。
The
図3は、上記図1及び図2に示した回路における標準のセンサ動作タイミングを示すタイミングチャートである。垂直ブロック選択回路18の出力信号Vblock1とVblock2は、水平同期パルスHP(1水平期間がH)に応答して4Hの周期で順次“H”レベルとなる。ブロック内ライン選択回路19には、上記水平同期パルスHPに同期して信号BLine1,BLine2,BLine3,BLine4が供給される。これらの信号BLine1,BLine2,BLine3,BLine4は、1Hの周期で順次“H”レベルになる期間が繰り返される。
FIG. 3 is a timing chart showing standard sensor operation timings in the circuits shown in FIGS. The output signals Vblock1 and Vblock2 of the vertical
上記パルスセレクタ回路20には画素駆動パルス信号RESET,READ,ADRESが入力されており、上記ブロック内ライン選択回路19の出力信号との論理積(パルス信号RESET1,RESET2,RESET3,…、READ1,READ2,READ3,…、ADRES1,ADRES2,ADRES3,…)が上記撮像領域11の単位セル行(画素行)へ供給される。ここで、まずパルスセレクタ回路20から出力される垂直ライン1のパルス信号ADRES1,RESET1,READ1が“H”レベルになる。パルス信号ADRES1が“H”レベルになることで増幅用トランジスタTbと負荷用トランジスタTLM1からなるソースフォロワ回路が動作する。一定期間フォトダイオードPDで光電変換した信号電荷を蓄積し、読み出す前に検出部FDの暗電流等のノイズ信号を除去するためにパルス信号RESET1を“H”レベルに設定して、検出部FDを電源電圧VDD(=2.8V)にセットする。次に、パルス信号RESET1が“L”レベルになった時、垂直信号線VLIN1には基準となる検出部FDに信号がない状態の電圧(リセットレベル)が出力される。この信号をコンデンサC21に蓄積する。次に、パルス信号READ1を“H”レベルにすることで読み出しトランジスタTdをオンにし、フォトダイオードPDで蓄積した信号電荷を検出部FDに読み出す。すると、垂直信号線VLIN1には検出部FDの電圧(信号+リセット)レベルが読み出される。この信号をコンデンサC11に蓄積する。次に、パルス信号READ1が“L”レベルになった時、基準電圧VREFを変化させてコンパレータCOMP11の閾値電圧を利用してアナログ信号をデジタル信号に変換する。この時に、信号はC11−C21となり、コンデンサC21のリセットレベルの極性が反転しているためリセットレベルを除去できる。
Pixel drive pulse signals RESET, READ, and ADRES are input to the
上記撮像領域11の単位セル行(画素行)へ供給される信号は水平同期パルスHPに同期して順次出力される。リセットレベルの電圧、及び検出部の電圧(信号+リセットレベル)は、共にパルス信号S1が“H”レベルの期間にコンデンサC11,C12,C13,…とC21,C22,C23,…の一方の電極へ入力される。そして、上記ラッチ回路14、ラインメモリ15及び水平シフトレジスタ回路16等の回路部17に保持される。
Signals supplied to the unit cell rows (pixel rows) in the
図4は、図1に示した回路における画素数削減の動作タイミングを示すタイミングチャートである。この例では、垂直2ラインずつ順番に読み出している。垂直ブロック選択回路18では水平同期パルスHPに応答して、2Hの周期で信号Vblock1,Vblock2,…が交互に“H”レベルとなる。ブロック内ライン選択回路19には水平同期パルスHPに同期して信号BLine1,BLine2,BLine3,BLine4が入力される。信号BLine1とBLine3は同時に“H”レベルになり、次の周期Hでは信号BLine2とBLine4が同時に“H”レベルになる動作が順次繰り返される。パルスセレクタ回路20には、画素駆動パルスRESET,READ,ADRESが入力され、ブロック内ライン選択回路19の出力信号との論理積を取った信号が画素行へ供給されている。このため、信号RESET1とRESET3、信号READ1とREAD3、信号ADRES1とADRES3が同時に“H”レベルになっている。
FIG. 4 is a timing chart showing the operation timing for reducing the number of pixels in the circuit shown in FIG. In this example, two vertical lines are read sequentially. In the vertical
次の周期Hでは、信号RESET2とRESET4、信号READ2とREAD4、信号ADRES2とADRES4が同時に“H”レベルになっている。この動作を順次ブロック順に繰り返している。そして、垂直2ラインのリセットレベルの電圧、及び検出部の電圧(信号+リセットレベル)は、共にパルス信号S1が“H”レベルの期間にコンデンサC11,C12,C13,…とC21,C22,C23,…の一方の電極へ入力される。ここでは、ベイヤー配列のカラーセンサに対応して同色を平均化するために1ライン飛ばして平均化している。 In the next period H, the signals RESET2 and RESET4, the signals READ2 and READ4, and the signals ADRES2 and ADRES4 are simultaneously at the “H” level. This operation is sequentially repeated in block order. The reset level voltage of the two vertical lines and the detection unit voltage (signal + reset level) are both the capacitors C11, C12, C13,... And C21, C22, C23 during the period when the pulse signal S1 is at the “H” level. ,... Are input to one of the electrodes. Here, one line is skipped and averaged in order to average the same color corresponding to the Bayer array color sensor.
本第1の実施形態に係る固体撮像装置及びその画素平均化処理方法では、ソースフォロワ回路の出力インピーダンスを利用して抵抗による平均化を実現している。この際、負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…は共通化されている。更に、平均化する垂直ライン数を3ライン、4ラインと増加させると(ADRESラインの同時オンを2ライン、3ライン、4ラインと増加させる)動作点が電源側へ引っ張られて動作マージンが減少する。この対策として、信号PMONIによりスイッチSWを切換制御し、バイアス電圧VTLを高く設定すれば、負荷トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…のオン抵抗が小さくなるため接地(GND)側へ引き戻すことができ、動作マージンを拡大できる。 In the solid-state imaging device and the pixel averaging processing method thereof according to the first embodiment, averaging by resistance is realized by using the output impedance of the source follower circuit. At this time, the load transistors TLM1, TLM2, TLM3,... Are shared. Furthermore, when the number of vertical lines to be averaged is increased to 3 lines and 4 lines (the ADRES line is simultaneously turned on to 2 lines, 3 lines, and 4 lines), the operating point is pulled to the power supply side and the operating margin decreases. To do. As a countermeasure, if the switch SW is controlled by the signal PMONI and the bias voltage VTL is set high, the on-resistance of the load transistors TLM1, TLM2, TLM3,... Becomes small, and can be pulled back to the ground (GND) side. The operating margin can be expanded.
上述したような抵抗平均化方法では、コンデンサを増加させる必要はなく、バッファ回路も必要としない。しかも、垂直ブロック選択回路18の回路規模は従来の1/4で良い。また、抵抗による平均化動作により、画素のランダムノイズやソースフォロワのノイズを平均化することができるのでノイズ低減にも効果がある。
In the resistance averaging method as described above, it is not necessary to increase the number of capacitors and a buffer circuit is not required. Moreover, the circuit scale of the vertical
従って、上記のような構成並びに方法によれば、画素数削減動作において、偽信号を発生せず、パターン占有面積の増加もなく、且つ消費電力の増加を抑えつつ画素間の平均化が実現できる。 Therefore, according to the configuration and method as described above, in the operation for reducing the number of pixels, it is possible to realize averaging between pixels without generating a false signal, without increasing the pattern occupation area, and suppressing an increase in power consumption. .
なお、上記図2に示した回路並びに動作説明では、2ライン平均化を例にとって説明した。しかしながら、ブロック内ライン選択回路19は論理積回路と入力BLineの数を増加することで簡単に3ライン平均化、4ライン平均化にも対応できる。
In the above description of the circuit and operation shown in FIG. However, the in-block
[第2の実施形態]
図5は、この発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置及びその画素平均化処理方法について説明するためのもので、増幅型CMOSイメージセンサの構成例を示す回路図である。この図5に示す回路が図1に示した回路と異なるのは、撮像領域11とCDS&ADC13との間に水平方向のスイッチ加算回路40を設けた点にある。このスイッチ加算回路40は、トランジスタTSM11,TSM12,TSM13,…(第1の合成用スイッチ)とトランジスタTSM21,TSM22,…(第2の合成用スイッチ)を備えている。上記トランジスタTSM11,TSM12,TSM13,…の電流通路は、垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…の他端とトランジスタTS11,TS12,TS13,…の電流通路の一端との間にそれぞれ接続されている。また、上記トランジスタTSM21の電流通路は、垂直信号線VLIN3の他端とトランジスタTS11の電流通路の一端との間に接続されている。更に、上記トランジスタTSM22の電流通路は、垂直信号線VLIN4の他端とトランジスタTS12の電流通路の一端との間に接続されている。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an amplifying CMOS image sensor for explaining a solid-state imaging device and a pixel averaging method thereof according to the second embodiment of the present invention. The circuit shown in FIG. 5 is different from the circuit shown in FIG. 1 in that a horizontal
上記トランジスタTSM11,TSM12,…のゲートには制御信号SM1が供給される。上記トランジスタTSM13,TSM14,…のゲートには制御信号SM2が供給される。上記トランジスタTSM21,TSM22,…のゲートには制御信号SM2がインバータINV3で反転されて供給される。上記制御信号SM2は、インバータINV13,INV14,INV23,INV24に供給され、これらのインバータの動作を制御するようになっている。 A control signal SM1 is supplied to the gates of the transistors TSM11, TSM12,. A control signal SM2 is supplied to the gates of the transistors TSM13, TSM14,. A control signal SM2 is inverted by an inverter INV3 and supplied to the gates of the transistors TSM21, TSM22,. The control signal SM2 is supplied to inverters INV13, INV14, INV23, INV24, and controls the operation of these inverters.
上記のような構成において、水平平均化なしの場合は、制御信号SM1とSM2を“H”レベルにする。一方、水平平均化ありの場合には、制御信号SM1の“H”レベルは維持したまま、制御信号SM2を“L”レベルにする。これによって、トランジスタTSM13,TSM14がオフになり、トランジスタTSM21,TSM22がオンになる。すなわち水平方向に1ライン飛ばしたソースフォロワ回路の出力がトランジスタTSM11とTSM21のオン抵抗を介して接続され、平均化された信号がトランジスタTS11の電流通路を介してコンデンサC11とC21に蓄積される。 In the above configuration, when there is no horizontal averaging, the control signals SM1 and SM2 are set to the “H” level. On the other hand, in the case of horizontal averaging, the control signal SM2 is set to the “L” level while the “H” level of the control signal SM1 is maintained. As a result, the transistors TSM13 and TSM14 are turned off, and the transistors TSM21 and TSM22 are turned on. In other words, the output of the source follower circuit that has skipped one line in the horizontal direction is connected via the ON resistances of the transistors TSM11 and TSM21, and the averaged signal is stored in the capacitors C11 and C21 via the current path of the transistor TS11.
上記水平平均化方法では、平均化ラインを2本、3本、4本と増加しても、バイアス電圧VTLは“L”レベルのままでも良い。トランジスタTLM1,TLM2,TLM3,…は共通化されずに、各ラインに配置されているためバイアス電圧VTLを増加させる必要がないからである。 In the horizontal averaging method, even if the number of averaging lines is increased to 2, 3, and 4, the bias voltage VTL may remain at the “L” level. This is because the transistors TLM1, TLM2, TLM3,... Are not shared and are arranged in each line, so that it is not necessary to increase the bias voltage VTL.
本第2の実施形態に係る水平平均化方法の特長は、制御信号SM2を“L”レベルにすることでコンパレータCMP13,CMP14,CMP23,CMP24の電源をオフにできることにある。コンパレータは総段数の1/2しか動作しないため消費電力を1/2に低減できる。また、水平の読出し段数も1/2にできるため、2倍の高速動作が可能になる。もちろん、水平の平均化用トランジスタTSMと制御信号SMを増加させることで、同様にして水平3ライン、4ラインの平均化も可能である。 The feature of the horizontal averaging method according to the second embodiment is that the power of the comparators CMP13, CMP14, CMP23, and CMP24 can be turned off by setting the control signal SM2 to the “L” level. Since the comparator operates only ½ of the total number of stages, the power consumption can be reduced to ½. In addition, since the number of horizontal reading stages can be halved, the operation speed can be doubled. Of course, by increasing the horizontal averaging transistor TSM and the control signal SM, it is possible to average three horizontal lines and four lines in the same manner.
なお、水平方向の平均化は、水平全画素を読み出してデジタル信号処理で平均化しても良い。 The horizontal averaging may be performed by reading out all horizontal pixels and averaging them by digital signal processing.
増幅型CMOSイメージセンサを使った画素数の削減動作において、抵抗ミックス動作により画素の平均化処理を実現している。これによって、従来の間引き動作で問題だった偽信号が発生せず、回路が簡単でノイズ低減ができる特長もある。 In the operation of reducing the number of pixels using the amplification type CMOS image sensor, pixel averaging processing is realized by a resistance mix operation. As a result, the false signal that has been a problem in the conventional thinning-out operation is not generated, and the circuit is simple and noise can be reduced.
[第3の実施形態]
図6は、この発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置及びその画素平均化処理方法について説明するためのもので、増幅型CMOSイメージセンサの構成例を示す回路図である。この図6に示す回路が図5に示した回路と異なるのは、スイッチ加算回路の回路構成にある。すなわち、上記トランジスタTSM11,TSM12,TSM13,…、上記トランジスタTSM21,TSM22,…及びインバータINV3を削除し、これらに代えてトランジスタTSM31,TSM32,…(合成用スイッチ)を設けている。そして、制御信号SM1,SM2に代えて制御信号SM3を用いる。
[Third Embodiment]
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an amplifying CMOS image sensor for explaining a solid-state imaging device and a pixel averaging processing method thereof according to the third embodiment of the present invention. The circuit shown in FIG. 6 differs from the circuit shown in FIG. 5 in the circuit configuration of the switch adder circuit. That is, the transistors TSM11, TSM12, TSM13,..., The transistors TSM21, TSM22,... And the inverter INV3 are deleted, and transistors TSM31, TSM32,. The control signal SM3 is used instead of the control signals SM1 and SM2.
上記スイッチ加算回路41は、トランジスタTSM31,TSM32,…を備えている。上記トランジスタTSM31の電流通路は、垂直信号線VLIN1,VLIN3の他端間に接続されている。上記トランジスタTSM32の電流通路は、垂直信号線VLIN2,VLIN4の他端間に接続されている。これらのトランジスタTSM31,TSM32,…のゲートには制御信号SM3が供給される。
The
上記のような構成において、水平平均化なしの場合は、制御信号SM3を“L”レベルにしてトランジスタTSM31,TSM32,…をオフさせる。一方、水平平均化ありの場合には、制御信号SM3を“H”レベルにする。これによって、トランジスタTSM31,TSM32,…がオンになる。すなわち水平方向に1ライン飛ばしたソースフォロワ回路の出力がトランジスタTSM31のオン抵抗を介して接続され、平均化された信号がトランジスタTS11の電流通路を介してコンデンサC11とC21に蓄積される。同時に、平均化された信号がトランジスタTS13の電流通路を介してコンデンサC13とC23に蓄積される。また、平均化された信号がトランジスタTS12の電流通路を介してコンデンサC12とC22に蓄積されるとともに、平均化された信号がトランジスタTS14の電流通路を介してコンデンサC14とC24に蓄積される。 In the configuration as described above, when there is no horizontal averaging, the control signal SM3 is set to the “L” level to turn off the transistors TSM31, TSM32,. On the other hand, in the case of horizontal averaging, the control signal SM3 is set to the “H” level. Thereby, the transistors TSM31, TSM32,... Are turned on. In other words, the output of the source follower circuit that skips one line in the horizontal direction is connected via the ON resistance of the transistor TSM31, and the averaged signal is accumulated in the capacitors C11 and C21 via the current path of the transistor TS11. At the same time, the averaged signal is stored in the capacitors C13 and C23 via the current path of the transistor TS13. The averaged signal is accumulated in the capacitors C12 and C22 via the current path of the transistor TS12, and the averaged signal is accumulated in the capacitors C14 and C24 via the current path of the transistor TS14.
従って、このような構成によれば、まず垂直信号線に混入するノイズをアナログ信号の平均化で低減し、更にADコンバータから混入するノイズをデジタル変換出力でデジタル平均化するので更にノイズを低減できる。 Therefore, according to such a configuration, the noise mixed in the vertical signal line is first reduced by averaging the analog signal, and the noise mixed from the AD converter is digitally averaged by the digital conversion output, so that the noise can be further reduced. .
[第4の実施形態]
図7は、この発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置及びその画素平均化処理方法について説明するためのもので、増幅型CMOSイメージセンサの構成例を示す回路図である。この図7に示す回路が図6に示した回路と異なるのは、スイッチ加算回路の回路構成にある。このスイッチ加算回路42は、トランジスタTSM31,TSM32,…(合成用スイッチ)と抵抗RM1,RM2,RM3,…を備えている。上記抵抗RM1,RM2,…の一端は垂直信号線VLIN1,VLIN2,VLIN3,…の他端にそれぞれ接続され、他端はトランジスタTS11,TS12,TS13,…の電流通路の一端にそれぞれ接続されている。上記トランジスタTSM31の電流通路は、抵抗RM1,RM3の他端間に接続されている。上記トランジスタTSM32の電流通路は、抵抗RM2,RM4の他端間に接続されている。これらのトランジスタTSM31,TSM32,…のゲートには制御信号SM3が供給される。
[Fourth Embodiment]
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an amplifying CMOS image sensor for explaining a solid-state imaging device and a pixel averaging method thereof according to the fourth embodiment of the present invention. The circuit shown in FIG. 7 differs from the circuit shown in FIG. 6 in the circuit configuration of the switch adder circuit. This
上記のような構成では、上記抵抗RM1,RM2,RM3,…の抵抗値を大きな値にし、トランジスタTSM31,TSM32,…のオン抵抗を小さくすることで、垂直信号線VLIN1とVLIN2の平均出力電圧を同時に蓄積する2箇所の蓄積部C11,C21とC13,C23の信号電圧差を小さくできる。トランジスタTSM31,TSM32,…のオン抵抗とRM1,RM2,RM3,…の抵抗値との比を1:10にすることで、2箇所の蓄積部の信号電圧差を1/10に低減できる。これによって、本第4の実施形態によれば、第3の実施形態よりも更にノイズ低減効果を高めることができる。 In the configuration as described above, the average output voltage of the vertical signal lines VLIN1 and VLIN2 is increased by increasing the resistance values of the resistors RM1, RM2, RM3,... And decreasing the on-resistances of the transistors TSM31, TSM32,. The difference in signal voltage between the two storage units C11, C21 and C13, C23 stored simultaneously can be reduced. By setting the ratio of the on-resistance of the transistors TSM31, TSM32,... And the resistance values of RM1, RM2, RM3,... To 1:10, the signal voltage difference between the two storage units can be reduced to 1/10. Thereby, according to the fourth embodiment, the noise reduction effect can be further enhanced as compared with the third embodiment.
なお、水平方向の平均化は、水平全画素を読み出してデジタル信号処理で平均化しても良い。 The horizontal averaging may be performed by reading out all horizontal pixels and averaging them by digital signal processing.
上述したように、この発明の1つの側面によれば、画素数削減動作において、パターン占有面積の増加や、消費電力の増大を招くことなく偽信号の発生を防止して少ない画素間の平均化が実現できる。また、画素のノイズ低減効果も得られる。 As described above, according to one aspect of the present invention, in the operation for reducing the number of pixels, the generation of false signals can be prevented without increasing the pattern occupying area and the power consumption, thereby reducing the average between pixels. Can be realized. In addition, a pixel noise reduction effect can be obtained.
以上、第1乃至第4の実施形態を用いてこの発明の説明を行ったが、この発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 The present invention has been described using the first to fourth embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Is possible. Each of the above embodiments includes inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in each embodiment, at least one of the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. When at least one of the effects is obtained, a configuration in which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
11…撮像領域、12−11,12−12,…,12−mn…単位セル(画素)、13…カラム型ノイズキャンセル回路とアナログ/デジタル変換器(CDS&ADC)、14…ラッチ回路、15…ラインメモリ、16…水平シフトレジスタ回路、17…回路部、18…垂直ブロック選択回路、19…ブロック内ライン選択回路、20…パルスセレクタ回路、21…バイアス回路、40,41,42…スイッチ加算回路、Ta…行選択トランジスタ、Tb…増幅トランジスタ、Tc…リセットトランジスタ、Td…読み出しトランジスタ、FD…検出部、PD…フォトダイオード、VLIN1,VLIN2,VLIN3…垂直信号線、TLM1,TLM2,TLM3…負荷トランジスタ、VTL…バイアス電圧、READ,ADRES,RESET…画素駆動パルス信号。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記撮像領域における各画素列の増幅手段の出力がそれぞれ読み出される垂直信号線と、
前記各画素列の垂直信号線間を1個以上のスイッチングトランジスタでショートするように、前記垂直信号線間に接続して設けられた複数のスイッチ加算手段と、
前記複数のスイッチ加算手段の各トランジスタのゲートに共通接続された制御信号線により、該スイッチ加算手段を同時に制御する加算制御手段と、
前記スイッチ加算手段により加算した信号をカラム毎に信号処理するカラム信号処理手段と、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion means for converting an optical signal into a signal charge on a semiconductor substrate and storing the signal charge, a reading means for reading out the charge stored in the photoelectric conversion means to a detection section, and a signal corresponding to the charge amount of the detection section An image pickup region in which a pixel having amplifying means for outputting and a reset means for resetting the charge of the detection unit are arranged two-dimensionally in rows and columns;
A vertical signal line from which the output of the amplifying means of each pixel column in the imaging region is read out;
A plurality of switch adding means provided between the vertical signal lines so as to short-circuit the vertical signal lines of the pixel columns with one or more switching transistors;
Addition control means for simultaneously controlling the switch addition means by a control signal line commonly connected to the gates of the transistors of the plurality of switch addition means;
Column signal processing means for performing signal processing for each column on the signals added by the switch addition means;
A solid-state imaging device comprising:
前記撮像領域における各画素列の増幅手段の出力がそれぞれ読み出される垂直信号線と、
前記各画素列の垂直信号線間を1個以上のスイッチングトランジスタでショートするように、前記垂直信号線間に接続して設けられた複数のスイッチ加算手段と、
前記複数のスイッチ加算手段の各トランジスタのゲートに共通接続された制御信号線により、該スイッチ加算手段を同時に制御する加算制御手段と、
前記スイッチ加算手段により加算した信号をカラム毎に信号処理するカラム信号処理手段と、
を備える固体撮像装置の画素平均化処理方法であって、
前記撮像領域の画素行中における2ライン以上の前記増幅手段を並列に動作させるステップと、
前記各画素列の垂直信号線間を接続するためのスイッチ加算手段を動作させるステップと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置の画素平均化処理方法。 A photoelectric conversion means for converting an optical signal into a signal charge on a semiconductor substrate, and accumulating the signal charge, a reading means for reading the charge accumulated in the photoelectric conversion means to a detection section, and a signal corresponding to the charge amount of the detection section An image pickup region in which a pixel having amplifying means for outputting and a reset means for resetting the charge of the detection unit are arranged two-dimensionally in rows and columns;
A vertical signal line from which the output of the amplifying means of each pixel column in the imaging region is read out;
A plurality of switch adding means provided between the vertical signal lines so as to short-circuit the vertical signal lines of the pixel columns with one or more switching transistors;
Addition control means for simultaneously controlling the switch addition means by a control signal line commonly connected to the gates of the transistors of the plurality of switch addition means;
Column signal processing means for performing signal processing for each column on the signals added by the switch addition means;
A pixel averaging method for a solid-state imaging device comprising:
Operating two or more lines of the amplifying means in parallel in the pixel rows of the imaging region;
Operating switch addition means for connecting the vertical signal lines of each pixel column;
A pixel averaging processing method for a solid-state imaging device.
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