JP6728798B2 - 撮像素子、画像読取装置、画像形成装置及び撮像方法 - Google Patents

撮像素子、画像読取装置、画像形成装置及び撮像方法 Download PDF

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本発明は、撮像素子、画像読取装置、画像形成装置及び撮像方法に関する。
CMOSイメージセンサは、光を取り込んでアナログ信号へ変換し、さらにデジタル信号に変換して処理するように、アナログ信号処理とデジタル信号処理をチップ内で行うものが知られている。この場合、デジタル回路で発生するノイズがアナログ信号に重畳し、画像信号を劣化させてしまう場合がある。
また、特許文献1には、ラインメモリで蓄積された信号を水平走査期間内のノイズキャンセル動作期間外に出力回路で出力することで、デジタル信号処理回路のロジックノイズや出力端の出力ノイズが1水平のノイズキャンセル動作期間に発生しないようにラインメモリを制御する信号処理装置が開示されている。
しかしながら、従来の技術では、ノイズキャンセル動作期間外に出力回路で信号を出力することで、ノイズが信号に混入することを低減しているが、その他のタイミングで発生するノイズにより信号が劣化することは防止できないという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信号を外部の後段に出力するタイミング以外のデジタル信号で発生するノイズがアナログ信号に混入することを防止することができる撮像素子、画像読取装置、画像形成装置及び撮像方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光電変換を行う複数の受光素子を備える複数の画素部と、複数の前記受光素子が光電変換したアナログ信号を順次にデジタル信号に変換するように前記画素部毎に備えられた複数のA/D変換部と、複数の前記A/D変換部が変換したデジタル信号を順次に保持するように前記画素毎に備えられた複数の第1保持部と、前記A/D変換部がアナログ信号をデジタル信号に変換していない期間に、前記第1保持部が保持したデジタル信号をそれぞれ受入れて保持する複数の第2保持部と、を有し、前記第2保持部でデジタル信号を保持するタイミングの前に、ノイズが収束する期間を設ける
本発明によれば、信号を外部の後段に出力するタイミング以外のデジタル信号で発生するノイズがアナログ信号に混入することを防止することができるという効果を奏する。
図1は、第1実施形態にかかる撮像素子の概要を示す図である。 図2は、撮像素子の比較例としての動作例を示すタイミングチャートである。 図3は、第2実施形態にかかる撮像素子の概要を示す図である。 図4は、図3に示した撮像素子の第1動作のタイミングを示すタイミングチャートである。 図5は、図3に示した撮像素子の第2動作のタイミングを示すタイミングチャートである。 図6は、第3実施形態にかかる撮像素子の概要を示す図である。 図7は、撮像素子の比較例としての動作例を示すタイミングチャートである。 図8は、図6に示した撮像素子の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図9は、撮像素子を有する画像読取装置を備えた画像形成装置の概要を示す図である。
以下に添付図面を参照して、第1実施形態にかかる撮像素子について説明する。図1は、第1実施形態にかかる撮像素子10の概要を示す図である。撮像素子10は、例えばそれぞれN個の画素部12、ADC部14、メモリ部16及びラッチ(Latch)部18と、これらの動作タイミングを制御するタイミング制御部(TG:制御部)20とを有するCMOSリニアセンサである。
画素部12は、例えばR,G,Bそれぞれ2個(2画素)ずつの光電変換を行う合計6個の受光素子(フォトダイオード:PD)を備えた画素群である。また、画素部12は、受光素子それぞれに対して電荷を電圧信号に変換し、変換した電圧を保持するアナログメモリ、及びリセット回路などの画素回路も備えている。画素部12は、タイミング制御部20から入力される信号(PIX_EN[5:0])に応じて、6個の受光素子それぞれが入射光量に応じて生成した電荷を6画素分のアナログ信号OUT_P[5:0]としてADC部14へ順次に出力する。また、画素部12は、6個の受光素子それぞれの暗時の基準レベルを示すアナログ信号も6画素分の信号としてADC部14へ順次に出力することが可能にされている。
ADC部14は、タイミング制御部20から入力される信号(ADC_EN)に応じて、画素部12から入力された暗時の基準レベルを示すアナログ信号と、受光時の信号レベルを示すアナログ信号とを順次にデジタル信号に変換するA/D変換部である。ADC部14は、デジタル信号をOUT_AD[11:0]として出力する。
メモリ部16は、ADC部14が出力するデジタル信号を順次に保持可能にされた第1保持部である。そして、メモリ部16は、デジタル信号をOUT_MEM[11:0]として出力する。
ラッチ部18は、メモリ部16が保持した複数のデジタル信号OUT_MEM[11:0]を受入れて保持する第2保持部である。ラッチ部18は、後述するように、ADC部14が画素部12毎にアナログ信号それぞれをデジタル信号に変換し終えた後に、メモリ部16が保持した複数のデジタル信号を受入れて保持する。
ここで、撮像素子10は、それぞれ1つの画素部12、ADC部14、メモリ部16及びラッチ部18を1つのカラム100としている。つまり、撮像素子10は、N個(1〜N)のカラム100を備えたカラム構成のCMOSリニアセンサである。Nの値は、例えば3750である。この場合、撮像素子10は、R,G,Bそれぞれ7500個ずつの受光素子を備えたCMOSリニアカラーイメージセンサであり、画像読取装置に適用される場合、例えばA3原稿サイズを読み取るために受光素子が色毎に主走査方向に配列される。
撮像素子10は、ADC部14がアナログ信号をデジタル信号に変換していない期間に、メモリ部16からラッチ部18へのデジタル信号の転送を行うようにタイミング制御部20が制御を行う。つまり、撮像素子10は、アナログ信号処理をしている期間と、データ転送する期間とが重なっていない。
図2は、撮像素子10の比較例としての動作例を示すタイミングチャートである。図2においては、1つのカラム100が受光した場合の動作タイミングが示されている。つまり、撮像素子10は、全体としては全てのカラム100(例えば3750個のカラム)が一斉に動作することになる。
撮像素子10は、基準クロック(CLK)を基準としてタイミング制御部20が各駆動信号を生成する。Lsyncはライン同期信号であり、画像データの主走査方向1ライン分の周期を示す。画素部12内の各受光素子(PD)は、入射光量の強さに応じて電荷を蓄積する。ここで、画素部12は、タイミング制御部20から入力されるPIX_EN[5:0]の実行期間に電荷電圧変換された各アナログ信号を内部のアナログメモリに保持する。
ADC部14は、タイミング制御部20から入力される信号(ADC_EN)の実行期間に、画素部12が保持したRGBそれぞれ2画素分のアナログ信号を順次に読み出してそれぞれA/D変換を行う。ADC部14は、A/D変換により確定したデジタル信号を順次に例えば1bitずつ(例えばサイクリックA/D変換の場合)出力する。
メモリ部16は、ADC部14が出力するデジタル信号を順次に保持する。A/D変換が完了すると、MEM_ENの実行期間にメモリ部16からラッチ部18にデジタル信号が転送される。
メモリ部16からラッチ部18への転送データは12bitの画像データである。メモリ部16からラッチ部18への転送データが、各カラム100(N=3750)で一斉に行われるため、撮像素子10内の処理は高負荷となっている。つまり、ADC部14からメモリ部16へのデータ転送の負荷が1bitずつであることに対し、メモリ部16からラッチ部18へのデータ転送の負荷が12bit分であるため、負荷が12倍になってしまう。
そのため、メモリ部16からラッチ部18へのデータ転送開始(MEM_EN)をトリガとして、メモリ部16及びラッチ部18へ給電しているデジタル電源が変動してしまう場合がある。デジタル電源が変動すると、その変動を抑制するためのデカップリングコンデンサを介してGNDを変動させてしまうことがある。GNDが変動すると、GNDとアナログ電源間のデカップリングコンデンサを介して、電圧変動がアナログ電源へ回り込み、結果的にデジタル電源の変動がアナログ電源へ伝達してしまうことになる。
また、別の伝達経路として、撮像素子10内でデジタル電源とアナログ電源を分割することは一般的であり、分割後の供給過程で寄生容量を介して変動が伝達してしまうこともある。従って、デジタル処理によって発生した変動、すなわちノイズ成分がアナログ電源に重畳することにより、アナログ電源から電圧を供給されて動作するアナログ処理回路の出力信号にもノイズ成分が重畳してしまう。
アナログ処理回路からの出力信号にノイズが重畳すると、撮像素子10で読取った画像情報とは異なった成分も画像情報として後段へ伝送されてしまうので、結果的に画質の劣化となる。
ここでは、画素部12が保持したアナログ信号をADC部14が読出してA/D変換し、メモリ部16が保持するという一連の動作は、1画素分の動作が完了次第、順次処理される。つまり、信号MEM_ENの実行タイミングにより、ラッチ部18へのデータ転送動作とは独立した処理が可能となっている。
ラッチ部18へのデータ転送タイミングと、並列処理しているADC部14のAD変換のタイミングが重複してしまうと、上述したようにアナログ信号にデジタル信号で発生した変動ノイズが混入してしまうことになる。また、メモリ部16からラッチ部18へのデータ転送によるデジタル信号のノイズ(変動)は、発生してからある時間幅を持って収束する。しかし、図2に示した例のようにノイズが収束する前に次の画素のアナログ信号処理(A/D変換)を開始してしまうと、アナログ信号にノイズが混入し、信号を劣化させてしまうことになる。
図3は、第2実施形態にかかる撮像素子10aの概要を示す図である。撮像素子10aは、それぞれN個(例えばN=3750)の画素部12、PGA部13、ADC部14、CDS部15及びラッチ(Latch)部18と、これらの動作タイミングを制御するタイミング制御部(TG:制御部)20aとを有するCMOSリニアセンサである。なお、上述した構成部分と実質的に同じものには、同一の符号が付してある。
PGA部13は、タイミング制御部20aから入力される信号PGA_ENの実行期間に、画素部12が出力したアナログ信号OUT_P[5:0]を順次にADC部14のダイナミックレンジに応じて増幅させる増幅部である。そして、PGA部13は、増幅させたアナログ信号をOUT_PG[5:0]として、ADC部14に対して出力する。
CDS部15は、タイミング制御部20aから入力される信号CDS_ENの実行期間に、画素部12が備える6個の受光素子のそれぞれの暗時の基準レベルを示すデジタル信号と、受光時の信号レベルを示すデジタル信号とをそれぞれ保持し、受光素子毎に相関二重サンプリング(CDS)を行う。また、CDS部15は、相関二重サンプリングを行った結果を複数のデジタル信号OUT_CD[11:0]として前記第2保持部に出力する。
このように、CDS部15は、画素部12がA/D変換したデジタル信号それぞれを、画素部12毎に順次に保持する第1保持部としての機能を兼ね備えている。また、タイミング制御部20aが出力するLatch_ENの実行タイミングでCDS部15(第1保持部)からラッチ部18(第2保持部)へデータ転送が行われる。なお、撮像素子10aは、それぞれ1つの画素部12、PGA部13、ADC部14、CDS部15及びラッチ部18を1つのカラム100aとしている。
まず、撮像素子10aの第1動作について説明する。図4は、図3に示した撮像素子10aの第1動作のタイミングを示すタイミングチャートである。第1動作において、撮像素子10aは、画素部12の動作からADC部14の動作までを画素毎(画素部12内の受光素子毎)に実施し、受光素子毎にCDS部15からラッチ部18へのデータ転送処理を実施する。
ここで、撮像素子10aは、アナログ信号処理状態の期間と、データ転送によりノイズが発生する期間とを受光素子毎に分けるので、デジタルノイズの混入を防止してアナログ信号処理(A/D変換等)を行うことができる。
より詳細には、撮像素子10aは、アナログ信号処理を行っていない期間にデータ転送をしているだけでなく、次の受光素子のアナログ信号処理を開始するまでにA期間が設けられている。このA期間に、撮像素子10aは、前の画素信号(デジタル信号)のCDS部15からラッチ部18aへの転送処理によって発生していたデジタルノイズが収束するのを待ち、デジタル信号処理によるノイズが次の受光素子のアナログ信号処理に影響を与えることを防止している。
次に、撮像素子10aの第2動作について説明する。図5は、図3に示した撮像素子10aの第2動作のタイミングを示すタイミングチャートである。第2動作において、撮像素子10aは、画素部12の動作からCDS部15の動作までをカラム100a内の全6画素(画素部12内の全受光素子)に対して実施し、それらが完了した後にCDS部15からラッチ部18へのデータ転送処理を順次実施する。
よって、撮像素子10aは、前の画素信号(デジタル信号)のCDS部15からラッチ部18aへの転送処理によって発生していたデジタルノイズの収束を待つことなく、デジタルノイズの混入を防止して連続してアナログ信号処理(A/D変換等)を行うことができる。さらに、撮像素子10aは、CDS部15からラッチ部18へのデータ転送処理も、連続して順次に行うことができるので、ノイズ発生期間を短く抑えることができる。
従って、撮像素子10aは、1ライン分の画像を読取った後、次のラインの画像読取を開始する前にマージン期間(図5におけるB期間)が発生し、これを削減することでより短いライン周期で動作させることが可能となる。すなわち、高速化を犠牲にすることなく、1ライン中のアナログ処理期間に、デジタル信号処理によるノイズを発生させることを防止している。
図6は、第3実施形態にかかる撮像素子10bの概要を示す図である。撮像素子10bは、それぞれN個(例えばN=3750)の画素部12、PGA部13、ADC部14、CDS部15及びラッチ(Latch)部18と、デジタル信号処理を行うDSP部19と、これらの動作タイミングを制御するタイミング制御部(TG:制御部)20bとを有するCMOSリニアセンサである。なお、撮像素子10bにおいては、それぞれ1つの画素部12、PGA部13、ADC部14、CDS部15及びラッチ部18を1つのカラム100bとしている。
例えば、DSP部19は、複数のラッチ部18が出力したパラレル信号をシリアル信号に変換する機能、撮像素子10bが読取った画像信号の内の任意画素の信号のみを後段に出力する機能、画像信号を増幅する機能、及び画像信号を外部へ出力するためにLVDS信号に変換する機能等のデジタル信号処理機能を備えている。DSP部(デジタル信号処理部)19は、タイミング制御部20bから入力される信号DSP_CNTに応じて動作する。
図7は、撮像素子10bの比較例としての動作例を示すタイミングチャートである。上述したように、DSP部19は、ラッチ部18が出力した画像データ(デジタル信号)に対し、タイミング制御部20bから入力されるDSP_CNTに応じてデジタル信号処理を行う。
例えば、DSP部19は、各ラッチ部18が出力したパラレル画像データをシリアル画像データに変換する。また、DSP部19は、同一ラインの画素データのなかで光学的に遮光/非遮光された画素データにおいて、非遮光データから遮光データを減算する処理を行ってもよい。また、DSP部19は、画像データに対してデジタルゲイン積算による増幅処理、増幅した画像データに対して所定のオフセットレベルを印加する処理、画像データとライン同期信号をパラレルデータに変換し、LVDS信号として出力する処理等を行う。
図7に示した撮像素子10bの動作では、アナログ信号処理期間と、CDS部15が行う処理以降のデジタル信号処理とにおいて、nライン目の画素のデジタル信号処理期間が、(n+1)ライン目の画素のアナログ信号処理期間に重なっている(C期間)。
撮像素子10bの画素は、テスト画素や光学的遮光画素、有効画素、無効画素からなる。図7中のデジタル信号処理期間として示した期間は、撮像素子10bが読取った原稿画像のなかで、有効画素の画像データに対するデジタル処理期間であり、有効画素以外の画素の処理のために概ね一ライン期間中、デジタル信号処理が行われている。図7において、デジタル信号処理期間以外の期間(縦線のない期間)は、画像データに必要な処理が完了していて、デジタル信号処理を停止させている期間であり、デジタルノイズが発生しない。従って、この期間におけるデジタルノイズのアナログ信号への重畳はない。なお、図7に示したデジタル信号処理期間には、ラッチ部18が動作する期間と、DSP部19が動作する期間とが含まれている。
図8は、図6に示した撮像素子10bの動作タイミングを示すタイミングチャートである。撮像素子10bは、全てのアナログ信号処理期間の完了後に、デジタル信号処理を開始する。つまり、撮像素子10bは、アナログ信号処理期間とデジタル信号処理期間を完全に分離させ、アナログ信号にデジタル信号によるノイズが混入することを防止している。このように、撮像素子10bは、DSP部19などのようにデータ転送以外のデジタル処理によるノイズが発生する場合であっても、アナログ信号処理期間とデジタル信号処理期間を完全に分離させ、アナログ信号にデジタル信号によるノイズが混入することを防止している。
次に、撮像素子10(又は撮像素子10a、撮像素子10b)を備えた画像読取装置及び画像形成装置について説明する。図9は、撮像素子10(又は撮像素子10a、撮像素子10b)を有する画像読取装置60を備えた画像形成装置50の概要を示す図である。画像形成装置50は、画像読取装置60と画像形成部70とを有する例えば複写機やMFP(Multifunction Peripheral)などである。
画像読取装置60は、例えば撮像素子10、LEDドライバ(LED_DRV)600及びLED602を有する。LEDドライバ600は、例えばタイミング制御部(制御部)20が出力するライン同期信号などに同期して、LED602を駆動する。LED602は、原稿に対して光を照射する。撮像素子10は、ライン同期信号などに同期して、原稿からの反射光を受光して複数の受光素子が電荷を発生させて蓄積を開始する。そして、撮像素子10は、パラレルシリアル変換等を行った後に、画像データを画像形成部70に対して出力する。
画像形成部70は、処理部80とプリンタエンジン82とを有し、処理部80とプリンタエンジン82とがインターフェイス(I/F)84を介して接続されている。
処理部80は、LVDS800、画像処理部802及びCPU11を有する。CPU11は、メモリなどに記憶されたプログラムを実行し、撮像素子10などの画像形成装置50を構成する各部を制御する。
撮像素子10は、LVDS800に対して例えば画像読取装置60が読取った画像の画像データ、ライン同期信号及び伝送クロックなどを出力する。LVDS800は、受入れた画像データ、ライン同期信号及び伝送クロックなどをパラレル10ビットデータに変換する。画像処理部802は、変換された10ビットデータを用いて画像処理を行い、画像データなどをプリンタエンジン82に対して出力する。プリンタエンジン82は、受入れた画像データを用いて印刷を行う。
10,10a,10b 撮像素子
11 CPU
12 画素部
13 PGA部
14 ADC部
15 CDS部
16 メモリ部
18 ラッチ部
19 DSP部
20,20a,20b タイミング制御部
50 画像形成装置
60 画像読取装置
70 画像形成部
100,100a,100b カラム
特許第4481758号公報

Claims (9)

  1. 光電変換を行う複数の受光素子を備える複数の画素部と、
    複数の前記受光素子が光電変換したアナログ信号を順次にデジタル信号に変換するように前記画素部毎に備えられた複数のA/D変換部と、
    複数の前記A/D変換部が変換したデジタル信号を順次に保持するように前記画素部毎に備えられた複数の第1保持部と、
    前記A/D変換部がアナログ信号をデジタル信号に変換していない期間に、前記第1保持部が保持したデジタル信号をそれぞれ受入れて保持する複数の第2保持部と、
    を有し、
    前記第2保持部でデジタル信号を保持するタイミングの前に、ノイズが収束する期間を設ける、
    ことを特徴とする撮像素子。
  2. 複数の前記第2保持部は、
    複数の前記A/D変換部それぞれが前記画素部毎にアナログ信号をデジタル信号に変換し終えた後に、複数の前記第1保持部が保持した複数のデジタル信号をそれぞれ受入れて保持すること
    を特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記A/D変換部がアナログ信号をデジタル信号に変換し終えた後に、前記第1保持部が保持したデジタル信号を、複数の前記第2保持部に対してそれぞれ転送するように制御する制御部をさらに有すること
    を特徴とする請求項1又は2に記載の撮像素子。
  4. 前記第1保持部それぞれは、
    前記画素部が備える複数の前記受光素子それぞれの暗時の基準レベルを示すデジタル信号と、受光時の信号レベルを示すデジタル信号とをそれぞれ保持し、前記受光素子毎に相関二重サンプリングを行った結果を、当該第1保持部が保持した複数のデジタル信号として前記第2保持部に出力すること
    を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像素子。
  5. 複数の前記A/D変換部が変換したデジタル信号それぞれを増幅させる複数の増幅部をさらに有し、
    複数の前記第1保持部は、
    複数の前記増幅部が増幅させた後のデジタル信号それぞれを、前記画素部毎に順次に保持すること
    を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像素子。
  6. 複数の前記第2保持部が保持した複数のデジタル信号を処理するデジタル信号処理部をさらに有し、
    複数の前記画素部は、
    複数の前記第2保持部が保持した複数のデジタル信号を前記デジタル信号処理部が処理し終えた後に、次の光電変換を行い、
    複数の前記A/D変換部は、
    複数の前記第2保持部が保持した複数のデジタル信号を前記デジタル信号処理部が処理し終えた後に、次の変換を行うこと
    を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像素子。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像素子を有すること
    を特徴とする画像読取装置。
  8. 請求項7に記載の画像読取装置と、
    前記画像読取装置が読取った画像データに基づく画像を形成する画像形成部と
    を有することを特徴とする画像形成装置。
  9. 複数の受光素子が光電変換したアナログ信号それぞれを、予め定められた数の前記受光素子を備える画素部毎に順次にデジタル信号に変換する工程と、
    変換したデジタル信号それぞれを、前記画素部毎に複数の第1保持部に順次に保持する工程と、
    前記画素部毎にアナログ信号それぞれをデジタル信号に変換し終えた後に、複数の前記第1保持部それぞれが保持した複数のデジタル信号を、前記第1保持部毎に複数の第2保持部に転送する工程と、
    を含み、
    前記第2保持部でデジタル信号を保持するタイミングの前に、ノイズが収束する期間を設ける、
    撮像方法。
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