JP2009272820A - Solid-state imaging device - Google Patents
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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Abstract
Description
本発明は、CMOSイメージセンサ等を備える固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device including a CMOS image sensor or the like.
近年、CMOSイメージセンサによる固体撮像装置が広く普及している。図16は、8行×8列で画素が配列された画素アレイを備える従来のCMOSイメージセンサの構成図である。図16に示す従来のCMOSイメージセンサは、8行8列で画素が配列された画素アレイ101と、画素アレイ101を垂直走査する垂直走査回路102と、画素アレイ101から出力された1行分の画像データのノイズを除去して保持するCDS回路103と、CDS回路103で保持された1行分の画像データを1画素単位で順次出力する水平走査回路104と、CDS回路103から出力された画像データを増幅して後段に設けられた図略の画像処理回路等に導く出力アンプ105とを備えている。
In recent years, solid-state imaging devices using CMOS image sensors have become widespread. FIG. 16 is a configuration diagram of a conventional CMOS image sensor including a pixel array in which pixels are arranged in 8 rows × 8 columns. A conventional CMOS image sensor shown in FIG. 16 includes a
図17は図16に示すCMOSイメージセンサのタイミングチャートであり、上段は垂直同期信号VDを示し、下段は水平同期信号HDを示している。画素アレイ101は8行の画素から構成されているため、図17に示すように、水平同期信号HDの周期をH期間とすると、1フレーム期間は8H期間となる。また、画素アレイは8列の画素から構成されているため、1H期間において、CDS回路103は、水平走査回路104による水平走査に従って、8画素分の画像データを1画素ずつ順次出力する。よって、1フレーム期間において、8×8=64画素分の画像データが1フレームの画像データとしてCDS回路103から出力される。したがって、CMOSイメージセンサのフレームレートは垂直同期信号VDの周期で決定される。
FIG. 17 is a timing chart of the CMOS image sensor shown in FIG. 16. The upper part shows the vertical synchronization signal VD, and the lower part shows the horizontal synchronization signal HD. Since the
ここで、近年のフレームレート高速化に対応するために、例えば垂直方向の画素数を減らしたり、多線同時読み出を行ったりといった手法が採用されている。 Here, in order to cope with the recent increase in the frame rate, for example, a technique of reducing the number of pixels in the vertical direction or performing multi-line simultaneous reading is employed.
図18は垂直方向の画素数を1/2にし、2線同時読み出しを行う従来のCMOSイメージセンサの構成図である。図18では、画素アレイ101は、図16に示す画素アレイ101に対して垂直方向の画素数が1/2にされているため、画素制御線の本数が4本とされており、また、2線同時読み出しを行うため、出力アンプ105の個数が2個とされている。
FIG. 18 is a configuration diagram of a conventional CMOS image sensor in which the number of pixels in the vertical direction is halved and 2-line simultaneous reading is performed. In FIG. 18, since the number of pixels in the vertical direction of the
図19は、図18に示すCMOSイメージセンサのタイミングチャートであり、上段は垂直同期信号VDを示し、下段は水平同期信号HDを示している。2線同時読み出しを行う場合、CDS回路103は、保持する1行分の画像データのうち、例えば、1列目と2列目との2画素分の画像データを2個の出力アンプ105,105に同時に出力し、3列目と4列目との2画素分の画像データを2個の出力アンプ105,105に同時に出力するというようにして、2画素分の画像データを同時に出力していく。そのため、図19に示すH期間は、図17に示すH期間の1/2となる。
FIG. 19 is a timing chart of the CMOS image sensor shown in FIG. 18. The upper stage shows the vertical synchronization signal VD, and the lower stage shows the horizontal synchronization signal HD. When performing two-line simultaneous readout, the
また、図18に示すCMOSイメージセンサは、垂直方向の画素数が図16に示すCMOSイメージセンサに対して1/2であるため、図19に示すように1フレーム期間は4H期間となる。よって、図19に示す1フレーム期間は、図17に示す1フレーム期間の1/4となり、図18に示すCMOSイメージセンサのフレームレートは図16に示すCMOSイメージセンサのフレームレートの4倍となる。 Further, since the number of pixels in the vertical direction of the CMOS image sensor shown in FIG. 18 is ½ that of the CMOS image sensor shown in FIG. 16, one frame period is a 4H period as shown in FIG. Accordingly, one frame period shown in FIG. 19 is 1/4 of one frame period shown in FIG. 17, and the frame rate of the CMOS image sensor shown in FIG. 18 is four times the frame rate of the CMOS image sensor shown in FIG. .
その他、本発明に関連する技術として、例えば非特許文献1には、CMOSイメージセンサの高速動作を実現するために、A/D変換をCMOSイメージセンサの各列内で行う列並列A/D変換方式のCMOSイメージセンサが開示されている。
ところで、近年、前方のシーンを撮像することで、障害物検知を行うような車載センサにおいては、搭乗者が見るための画像データを高解像度で取得すると同時に、距離計測用の画像データを低解像度かつ高フレームレートで取得したいという要望がある。しかしながら、図16及び図18に示す従来のCMOSイメージセンサでは、このような要望に応えることができないといった問題がある。 By the way, in recent years, in-vehicle sensors that detect obstacles by capturing an image of a front scene, image data for viewing by a passenger is acquired with high resolution, and at the same time, image data for distance measurement is acquired with low resolution. In addition, there is a desire to acquire at a high frame rate. However, the conventional CMOS image sensor shown in FIGS. 16 and 18 has a problem that it cannot meet such a demand.
本発明の目的は、解像度の低い画素群により読み取られた画像データほどフレームレートが高くなるように、1つの画素アレイから同時に複数のフレームレートで画像データを読み出すことができる固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of simultaneously reading image data from a single pixel array at a plurality of frame rates so that the frame rate of image data read by a pixel group having a lower resolution becomes higher. That is.
(1)本発明の固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素からなる画素アレイを備える固体撮像装置であって、前記画素アレイは、n(nは2以上の整数)が増大するにつれて解像度が低くなるように第1〜第nの画素群に区画され、前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、垂直同期信号に従って前記第1〜第nの画素群を垂直走査する第1〜第nの垂直走査回路と、前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、前記第1〜第nの画素群から前記第1〜第nの垂直走査回路の垂直走査により選択された1行分の画像データを読み出して保持する第1〜第nの読出回路と、前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、水平同期信号に従って前記第1〜第nの読出回路を水平走査することで、前記第1〜第nの読出回路により保持された1行分の画像データを、前記第1〜第nの読出回路から順次出力する第1〜第nの水平走査回路と、前記nの大きな画素群で読み取られた画像データほど相対的にフレームレートが高くなるように、前記第1〜第nの画素群に対応するn種類の垂直同期信号を生成し、前記第1〜第nの垂直走査回路に出力し、かつ、前記第1〜第nの画素群に対応するn種類の水平同期信号を生成し、前記第1〜第nの水平走査回路に出力する制御部とを備えることを特徴とする。 (1) The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a pixel array composed of a plurality of pixels arranged in a matrix, and the pixel array increases n (n is an integer of 2 or more). Are divided into first to nth pixel groups so that the resolution decreases, and corresponding to each of the first to nth pixel groups, the first to nth pixel groups are vertically scanned according to a vertical synchronization signal. Corresponding to each of the first to nth vertical scanning circuits and the first to nth pixel groups, and the first to nth vertical scanning circuits from the first to nth vertical scanning circuits. Corresponding to each of the first to n-th readout circuits for reading out and holding the image data for one row selected by the above and the first to n-th pixel groups, and the first to n-th readout circuits according to a horizontal synchronization signal. The first to nth readout circuits are scanned horizontally by The first to n-th horizontal scanning circuits that sequentially output the image data for one row held by the first to n-th readout circuits and the image data read by the larger n pixel groups are relatively relative to each other. N types of vertical synchronization signals corresponding to the first to n-th pixel groups are generated and output to the first to n-th vertical scanning circuits so that the frame rate is increased. And a controller that generates n types of horizontal synchronization signals corresponding to the first to nth pixel groups and outputs the generated signals to the first to nth horizontal scanning circuits.
この構成によれば、画素アレイはそれぞれ解像度の異なる第1〜第nの画素群に区画されている。垂直走査回路、読出回路、水平走査回路は、それぞれ第1〜第nの画素群に対応してn個存在する。制御部は、解像度の低い画素群により読み取られた画像データほどフレームレートが高くなるように、第1〜第nの画素群に対応するn種類の垂直同期信号を生成して第1〜第nの垂直走査回路を制御し、かつ、第1〜第nの画素群に対応するn種類の水平同期信号を生成して第1〜第nの水平走査回路を制御する。よって、解像度の低い画素群により読み取られた画像データを高いフレームレートで読み出すことが可能となり、1つの画素アレイから同時に複数のフレームレートで画像データを読み出すことができる。 According to this configuration, the pixel array is divided into first to nth pixel groups having different resolutions. There are n vertical scanning circuits, readout circuits, and horizontal scanning circuits corresponding to the first to nth pixel groups, respectively. The control unit generates n types of vertical synchronization signals corresponding to the first to n-th pixel groups so that the frame rate of the image data read by the pixel group having a lower resolution becomes higher. The vertical scanning circuits are controlled, and n types of horizontal synchronizing signals corresponding to the first to nth pixel groups are generated to control the first to nth horizontal scanning circuits. Therefore, it is possible to read out image data read by a pixel group having a low resolution at a high frame rate, and it is possible to read out image data from a single pixel array at a plurality of frame rates at the same time.
(2)前記画素アレイは、所定個数の画素からなる単位画素部に区画され、各単位画素部は、一定のパターンで画素数が異なる第1〜第nの領域に区画され、前記第1〜第nの画素群は、各単位画素部の第1〜第nの領域の画素が割り付けられていることが好ましい。 (2) The pixel array is partitioned into unit pixel portions each including a predetermined number of pixels, and each unit pixel portion is partitioned into first to nth regions having different numbers of pixels in a fixed pattern. In the nth pixel group, it is preferable that the pixels in the first to nth regions of each unit pixel portion are allocated.
この構成によれば、画素アレイは単位画素部に区画されている。単位画素部は、一定のパターンで画素数の異なる第1〜第nの領域に区画されている。第1〜第nの画素群は、各単位画素部の第1〜第nの領域の画素が割り付けられて構成されている。そのため、第1〜第nの画素群は、それぞれ、各画素が画素アレイの全域に亘って異なる解像度で周期的に配列される。よって、第1〜第nの画素群は、同一シーンを異なるフレームレートでムラなく撮像することができる。 According to this configuration, the pixel array is divided into unit pixel portions. The unit pixel portion is partitioned into first to nth areas having a fixed pattern and different numbers of pixels. The first to nth pixel groups are configured by assigning pixels in the first to nth regions of each unit pixel unit. Therefore, in the first to nth pixel groups, each pixel is periodically arranged at a different resolution over the entire area of the pixel array. Accordingly, the first to nth pixel groups can capture the same scene at different frame rates without unevenness.
(3)前記第1〜第nの画素群に属する各画素は、自己が属する行に対応する行の画素制御線を介して前記第1〜第nの垂直走査回路に接続され、かつ、自己が属する列に対応する列の垂直信号線を介して前記第1〜第nの読出回路に接続されていることが好ましい。 (3) Each pixel belonging to the first to nth pixel groups is connected to the first to nth vertical scanning circuits via a pixel control line in a row corresponding to the row to which the pixel belongs, and It is preferable that the first to nth readout circuits are connected to each other through vertical signal lines in columns corresponding to columns to which.
この構成によれば、第1〜第nの画素群に属する各画素は、自己が属する行の画素制御線を介して、第1〜第nの垂直走査回路に接続されている。また、第1〜第nの画素群に属する各画素は、自己が属する列に対応する垂直信号線を介して第1〜第nの読出回路に接続されている。 According to this configuration, each pixel belonging to the first to nth pixel groups is connected to the first to nth vertical scanning circuits via the pixel control line of the row to which the pixel belongs. In addition, each pixel belonging to the first to nth pixel groups is connected to the first to nth readout circuits via a vertical signal line corresponding to the column to which the pixel belongs.
そのため、第1〜第nの垂直走査回路は、各行の画素制御線を介して第1〜第nの画素群を個別に垂直走査することができ、第1〜第nの読出回路は、各列の垂直信号線を介して第1〜第nの画素群から個別に画像データを読み出すことができる。 Therefore, the first to n-th vertical scanning circuits can individually vertically scan the first to n-th pixel groups via the pixel control lines in each row. Image data can be individually read out from the first to nth pixel groups via the vertical signal lines in the column.
(4)前記第1〜第nの画素群は、第1及び第2の画素群からなり、前記第1の画素群は、前記第2の画素群よりも解像度が高く、前記第1の画素群はカラー画像を出力し、前記第2の画素群はモノクロ画像を出力することが好ましい。 (4) The first to nth pixel groups include first and second pixel groups, and the first pixel group has higher resolution than the second pixel group, and the first pixel Preferably, the group outputs a color image and the second pixel group outputs a monochrome image.
この構成によれば、カラー画像が低速フレームレートで読み取られ、モノクロ画像が高速フレームレートで読み取られる。よって、例えば人間が見るための高解像のカラーの画像データと、距離計測用の低解像度のモノクロの画像データとを同時に取得することができ、車載センサなどに好適な固体撮像装置を提供することができる。 According to this configuration, a color image is read at a low frame rate, and a monochrome image is read at a high frame rate. Therefore, for example, high-resolution color image data for human viewing and low-resolution monochrome image data for distance measurement can be simultaneously acquired, and a solid-state imaging device suitable for an in-vehicle sensor or the like is provided. be able to.
(5)前記第1の画素群の各画素は、原色カラーフィルターを備えることが好ましい。 (5) Each pixel of the first pixel group preferably includes a primary color filter.
この構成によれば、色分離性及び色再現性の高いカラー画像を得ることができる。 According to this configuration, a color image with high color separation and color reproducibility can be obtained.
(6)前記第1の画素群の各画素は、補色カラーフィルターを備えることが好ましい。 (6) Each pixel of the first pixel group preferably includes a complementary color filter.
この構成によれば、高感度かつ高解像度のカラー画像を得ることができる。 According to this configuration, a color image with high sensitivity and high resolution can be obtained.
(7)前記第1〜第nの画素群は、第1及び第2の画素群からなり、前記第1の画素群は、前記第2の画素群よりも解像度が高く、前記第1及び第2の画素群は共にカラー画像を出力することが好ましい。 (7) The first to nth pixel groups include first and second pixel groups, and the first pixel group has higher resolution than the second pixel group, and the first and second pixel groups are Both of the two pixel groups preferably output a color image.
この構成によれば、高解像度のカラー画像を低速フレームレートで読み取ることができ、低解像度のカラー画像を高速フレームレートで読み取ることができる。 According to this configuration, a high-resolution color image can be read at a low frame rate, and a low-resolution color image can be read at a high frame rate.
(8)前記第1及び第2の画素群は原色カラーフィルターを備えることが好ましい。 (8) It is preferable that the first and second pixel groups include a primary color filter.
この構成によれば、色分離性及び色再現性の高いカラー画像を得ることができる。 According to this configuration, a color image with high color separation and color reproducibility can be obtained.
(9)前記第1及び第2の画素群は補色カラーフィルターを備えることが好ましい。 (9) It is preferable that the first and second pixel groups include complementary color filters.
この構成によれば、高感度かつ高解像度のカラー画像を得ることができる。 According to this configuration, a color image with high sensitivity and high resolution can be obtained.
(10)前記第1の画素群の各画素は、入射光に対して出力が線形に変化する特性と、入射光に対して出力が対数的に変化する特性とを有し、前記第2の画素群の各画素は、入射光に対して出力が線形に変化する特性を有することが好ましい。 (10) Each pixel of the first pixel group has a characteristic in which an output changes linearly with respect to incident light, and a characteristic in which an output changes logarithmically with respect to incident light. Each pixel of the pixel group preferably has a characteristic that the output changes linearly with respect to the incident light.
この構成によれば、第1の画素群の各画素は入射光に対して出力が線形に変化する特性と対数的に変化する特性とを有しているため、第1の画素群からは広ダイナミックレンジの画像データが得られ、第2の画素群からは高速に画像データが得られる。 According to this configuration, each pixel of the first pixel group has a characteristic that the output changes linearly with respect to the incident light and a characteristic that changes logarithmically. Dynamic range image data is obtained, and image data can be obtained from the second pixel group at high speed.
(11)前記第2の画素群の各画素は、転送ゲートを備え、電源電圧を昇圧して前記転送ゲートに印加する昇圧回路を更に備えることが好ましい。 (11) Each pixel of the second pixel group preferably includes a transfer gate, and further includes a booster circuit that boosts a power supply voltage and applies the boosted voltage to the transfer gate.
この構成によれば、第2の画素群の各画素の転送ゲートには、電源電圧よりも高い電圧が印加されるため、第2の画素群から高速に画像データを読み出すことができる。 According to this configuration, since a voltage higher than the power supply voltage is applied to the transfer gate of each pixel of the second pixel group, image data can be read out from the second pixel group at high speed.
(12)前記第2の画素群の各画素は、画像データを高速に出力するために、フォトダイオードが前記第1の画素群の各画素のフォトダイオードとは異なる種類とされていることが好ましい。 (12) It is preferable that each pixel of the second pixel group has a different type of photodiode from the photodiode of each pixel of the first pixel group in order to output image data at high speed. .
この構成によれば、第2の画素群の各画素は、第1の画素群の各画素よりも画像データを高速に出力することができる。 According to this configuration, each pixel of the second pixel group can output image data at a higher speed than each pixel of the first pixel group.
(13)前記第1の画素群の各画素は、完全転送埋込型のフォトダイオードを含み、前記第2の画素群の各画素は、表面型のフォトダイオードを含むことが好ましい。 (13) It is preferable that each pixel of the first pixel group includes a complete transfer embedded type photodiode, and each pixel of the second pixel group includes a surface type photodiode.
この構成によれば、第1の画素群の各画素は、ノイズの抑制精度の高い完全転送埋込型のフォトダイオードを備え、第2の画素群の各画素は、電荷の転送が不要である表面型のフォトダイオードを備えるため、第1の画素群から高画質の画像データを読み出すことができ、第2の画素群から画像データを高速に読み出すことができる。 According to this configuration, each pixel of the first pixel group includes the complete transfer embedded photodiode with high noise suppression accuracy, and each pixel of the second pixel group does not need to transfer charges. Since the surface type photodiode is provided, high-quality image data can be read from the first pixel group, and image data can be read from the second pixel group at high speed.
本発明によれば、解像度の低い画素群により読み取られた画像データほどフレームレートが高くなるように、1つの画素アレイから同時に複数のフレームレートで画像データを読み出すことができる。 According to the present invention, it is possible to simultaneously read image data from a single pixel array at a plurality of frame rates so that the image data read by a pixel group having a lower resolution has a higher frame rate.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による固体撮像装置1の全体構成図である。図1に示すように固体撮像装置1は、センサ部2、制御部3、A/D変換部4、画像処理部5、及び画像メモリ6を備えている。センサ部2は、画素アレイ10、2個の垂直走査回路21,22、2個のCDS(correlated double sampling:相関二重サンプリング)回路31,32(読出回路の一例)、2個の水平走査回路41,42、3個の出力アンプ51,52,53を備える。なお、本実施の形態では、センサ部2は、1チップされた列CDS方式のCMOSイメージセンサにより構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a solid-
画素アレイ10は、複数の画素が8行×8列でマトリックス状に配列されている。なお、8行×8列は一例であり、M(Mは2以上の正の整数)行×N(Nは2以上の正の整数)列に配列してもよい。ここで、画素アレイ10は、所定の低速フレームレートかつ高解像度で画像データを取得するための第1の画素群と、低速フレームレートよりも高い所定の高速フレームレートかつ低解像度で画像データを取得するための第2の画素群に区画されている。本実施の形態では、高速フレームレートとしては、低速フレームレートの例えば4倍を採用することができる。また、低速フレームレートとしては例えば30,60(1/s)を採用することができる。
In the
図2は、画素アレイ10の詳細な構成を示した図である。図2に示すように、画素アレイ10は、2行×2列でマトリックス状に配列されたA〜Dの符号で示す4個の画素G1からなる単位画素部11に区画されている。図1の画素アレイ10は、8行×8列で画素G1が配列されているため、単位画素部11は、4行×4列で配列される。図2の場合、各単位画素部11において、画素Aは第2行第1列に配列され、画素Bは第2行第2列に配列され、画素Cは第1行第1列に配列され、画素Dは第1行第2列に配列されている。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the
各単位画素部11は、一定のパターンで画素数が異なる第1及び第2の領域DM1,DM2に区画されている。図2の場合、画素A,B,Dの3個の画素G1が第1の領域DM1に区画され、画素Cの1個の画素が領域DM2に区画されている。
Each
なお、単位画素部11における第1及び第2の領域DM1,DM2の区画パターンは、図2のものに限定されず、例えば、画素Aを第2の領域DM2と区画し、画素B〜Dを第1の領域DM1に区画するというように、他の区画パターンを採用してもよい。
The partition pattern of the first and second regions DM1 and DM2 in the
第1の画素群は、各単位画素部11の第1の領域DM1に属する画素A,B,Dが割り付けられ、第2の画素群は、第2の領域DM2に属する画素Cが割り付けられている。これにより、画素アレイ10は、第1及び第2の画素群の2つの画素群に区画される。
In the first pixel group, the pixels A, B, and D belonging to the first region DM1 of each
よって、第1の画素群は行数が8行となり、列数が8列となる。一方、第2の画素群は行数が4行となり、列数が4列となる。 Therefore, the first pixel group has 8 rows and 8 columns. On the other hand, the second pixel group has four rows and four columns.
このように、第1及び第2の画素群を区画することで、各画素G1を画素アレイ10の全域に亘って一定のパターンで周期的に配列させることが可能となり、第1及び第2の画素群は、同一シーンを異なるフレームレートでムラなく撮像することができる。
In this way, by dividing the first and second pixel groups, it is possible to periodically arrange the pixels G1 in a constant pattern over the entire area of the
図1に戻り、垂直走査回路21,22は、それぞれ、第1の画素群及び第2の画素群に対応している。垂直走査回路21は、例えば、シフトレジスタにより構成され、画素アレイ10を構成する第1の画素群の第1行〜第8行の各行に対応する8本の画素制御線HL1を介して、第1の画素群と接続されている。そして、垂直走査回路21は、垂直同期信号VD1に同期して、第1行〜第8行の画素制御線HL1をサイクリックに選択することで、第1の画素群を垂直走査する。
Returning to FIG. 1, the
垂直走査回路22は、例えば、シフトレジスタにより構成され、画素アレイ10を構成する第2の画素群の第1行〜第4行の各行に対応する4本の画素制御線HL2を介して第2の画素群と接続されている。そして、垂直走査回路22は、垂直同期信号VD1よりも周波数の高い垂直同期信号VD2に同期して、1〜4行目の画素制御線HL2をサイクリックに選択することで、第1の画素群を垂直走査する。本実施の形態では、垂直同期信号VD2の周波数は、垂直同期信号VD1の周波数の例えば4倍を採用することができる。
The
図2に示す第1行、第3行には、第2の画素群の画素Cと第1の画素群の画素Dとが交互に配列されているため、画素制御線HL1,HL2が1本ずつ配列され、画素制御線HL2は画素Cに接続され、画素制御線HL1は画素Dに接続されている。また、図2に示す第2行、第4行には、第1の画素群の画素A,Bが交互に配列され、第2の画素群の画素が配列されていないため、それぞれ、1本の画素制御線HL1のみが配列され、画素制御線HL1は画素A,Bに接続されている。 In the first row and the third row shown in FIG. 2, since the pixel C of the second pixel group and the pixel D of the first pixel group are alternately arranged, one pixel control line HL1, HL2 is provided. The pixel control line HL2 is connected to the pixel C, and the pixel control line HL1 is connected to the pixel D. Further, in the second row and the fourth row shown in FIG. 2, the pixels A and B of the first pixel group are alternately arranged, and the pixels of the second pixel group are not arranged. Only the pixel control line HL1 is arranged, and the pixel control line HL1 is connected to the pixels A and B.
図1に戻り、CDS回路31,32は、それぞれ第1及び第2の画素群に対応している。CDS回路31は、第1の画素群の第1列〜第8列に対応する8個のCDS回路311〜318を含む。CDS回路311〜318は、それぞれ第1の画素群の第1列〜第8列の各列に対応する8本の垂直信号線VL1を介して第1の画素群と接続され、垂直走査回路21の垂直走査により選択された第1の画素群の1行分の画像データを読み出し、ノイズを除去した後、一時的に保持する。
Returning to FIG. 1, the
CDS回路32は、第2の画素群の第1列〜第4列の各列に対応する4個のCDS回路321〜324を含む。CDS回路321〜324は、それぞれ、第2の画素群の第1列〜第4列の各列に対応する4本の垂直信号線VL2を介して第2の画素群と接続され、垂直走査回路22の垂直走査により選択された第2の画素群の1行分の画像データを読み出し、ノイズを除去した後、一時的に保持する。
The
ここで、2線同時読み出しを実現するために、CDS回路321,323は、出力アンプ52に接続され、CDS回路322,324は、出力アンプ53に接続されている。
Here, in order to realize two-line simultaneous reading, the
図2に示す第1列、第3列には、第2の画素群の画素Cと第1の画素群の画素Aとが交互に配列されているため、それぞれ、垂直信号線VL1,VL2が1本ずつ配列され、垂直信号線VL2は画素Cに接続され、垂直信号線VL1は画素Aに接続されている。 In the first column and the third column shown in FIG. 2, since the pixels C of the second pixel group and the pixels A of the first pixel group are alternately arranged, the vertical signal lines VL1 and VL2 are respectively provided. One by one, the vertical signal line VL2 is connected to the pixel C, and the vertical signal line VL1 is connected to the pixel A.
図2に示す第2列、第4列には、第1の画素群の画素D,Bが交互に配列され、第2の画素群の画素が配列されていないため、それぞれ、1本の垂直信号線VL1のみが配列され、垂直信号線VL1は画素D,Bに接続されている。 In the second column and the fourth column shown in FIG. 2, the pixels D and B of the first pixel group are alternately arranged, and the pixels of the second pixel group are not arranged. Only the signal line VL1 is arranged, and the vertical signal line VL1 is connected to the pixels D and B.
図1に戻り、水平走査回路41,42は、それぞれ第1及び第2の画素群に対応している。水平走査回路41は、例えばシフトレジスタから構成され、水平同期信号HD1に同期して、CDS回路31を構成するCDS回路311〜318をサイクリックに選択することで、CDS回路31を水平走査し、CDS回路31が保持する第1列〜第8列の画像データをCDS回路31から順次出力させる。
Returning to FIG. 1, the
水平走査回路42は、例えばシフトレジスタから構成され、水平同期信号HD2に同期して、CDS回路321,322の組と、CDS回路323,324の組とをサイクリックに選択することでCDS回路32を水平走査し、CDS回路321,322が保持する第1列、第2列の画像データをCDS回路321,322から同時に出力させ、CDS回路323,324が保持する第3列、第4列の画像データをCDS回路323,324から同時に出力させる。これにより、CDS回路32は、第1列、第2列の画像データを同時に出力し、かつ第3列、第4列の画像データを同時に出力して2列を同時に出力する2線同時読み出しを実現することができる。
The
制御部3は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリーメモリ)、及びRAM(ランダムアクセスメモリ)等かなるマイコンから構成され、固体撮像装置1全体制御を司る。本実施の形態では、制御部3は、特に、解像度の低い第2の画素群から出力される画像データを、解像度の高い画素群である第1の画素群から出力される画像データよりもフレームレートが高くなるように、第1及び第2の画素群に対応する周波数の異なる2種類の垂直同期信号VD1,VD2を生成し、垂直走査回路21,22に出力し、かつ、第1及び第2の画素群に対応する周波数の異なる2種類の水平同期信号HD1,HD2を生成し、水平走査回路41,42に出力する。
The control unit 3 includes a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like, and controls the solid-
すなわち、制御部3は、垂直同期信号VD1を垂直走査回路21に出力し、かつ、水平同期信号HD1を水平走査回路41に出力することで、第1の画素群により読み取られた画像データを高速フレームレートで読み出す。また、制御部3は、垂直同期信号VD2を垂直走査回路22に出力し、かつ、水平同期信号HD2を水平走査回路42に出力することで、第2の画素群により読み取られた画像データを低速フレームレートで読み出す。
That is, the control unit 3 outputs the vertical synchronization signal VD1 to the
図3は、固体撮像装置1のタイミングチャートを示し、(a)第1の画素群における垂直同期信号VD1及び水平同期信号HD1を示し、(b)は第2の画素群における垂直同期信号VD2及び水平同期信号HD2を示している。以下、水平同期信号HD1,HD2の1周期をH期間と呼ぶ。
3 shows a timing chart of the solid-
図3(a)に示すように、第1の画素群のH期間をT11とすると、第1の画素群は、8行の画素から構成されているため、第1の画素群の1フレーム期間T1は、T1=8×T11となる。また、図3(b)に示すように、第2の画素群のH期間をT21とすると、第2の画素群の1フレーム期間T2は4行の画素から構成されているため、T2=4×T21となる。また、第2の画素群は、2線同時読出が採用されているため、T21=1/2×T11となる。 As shown in FIG. 3A, when the H period of the first pixel group is T11, the first pixel group is composed of eight rows of pixels, and thus one frame period of the first pixel group. T1 is T1 = 8 × T11. As shown in FIG. 3B, if the H period of the second pixel group is T21, one frame period T2 of the second pixel group is composed of four rows of pixels, so that T2 = 4. × T21. Also, since the second pixel group employs two-line simultaneous reading, T21 = 1/2 × T11.
よって、第1の画素群のフレームレートは1/T1=1/(8×T11)となり、第2の画素群のフレームレートは1/T2=1/(2×T11)となり、第2の画素群のフレームレートは第1の画素群のフレームレートの4倍となる。 Therefore, the frame rate of the first pixel group is 1 / T1 = 1 / (8 × T11), the frame rate of the second pixel group is 1 / T2 = 1 / (2 × T11), and the second pixel The frame rate of the group is four times the frame rate of the first pixel group.
以上を実現するために、制御部3は、例えば図略のクロック生成回路により生成されるマスタークロック信号を分周又は逓倍することで、周期T21のパルス信号を水平同期信号HD2として生成し、水平同期信号HD2を4分周することで、周期T2のパルス信号を垂直同期信号VD2として生成する。また、制御部3は、水平同期信号HD2を2分周することで周期T11のパルス信号を水平同期信号HD1として生成し、水平同期信号HD1を8分周することで、周期T1の垂直同期信号VD1を生成する。 In order to realize the above, the control unit 3 divides or multiplies a master clock signal generated by a clock generation circuit (not shown), for example, to generate a pulse signal having a period T21 as the horizontal synchronization signal HD2, By dividing the synchronization signal HD2 by 4, a pulse signal having a period T2 is generated as the vertical synchronization signal VD2. Further, the control unit 3 divides the horizontal synchronization signal HD2 by 2 to generate a pulse signal having a cycle T11 as a horizontal synchronization signal HD1, and the horizontal synchronization signal HD1 is divided by 8 to thereby generate a vertical synchronization signal having a cycle T1. VD1 is generated.
図1に戻り、出力アンプ51は、CDS回路311〜318と接続され、CDS回路311〜318から出力される画像データを所定の利得で増幅する。出力アンプ52は、CDS回路321,323と接続され、CDS回路321,323から出力される画像データを所定の利得で増幅する。出力アンプ53は、CDS回路322,324と接続され、CDS回路322,324から出力される画像データを所定の利得で増幅する。なお、出力アンプ51〜53の利得としては、例えばA/D変換部4がA/D変換するうえで適した所定の値が採用されている。
Returning to FIG. 1, the
A/D変換部4は、出力アンプ51〜53のそれぞれに対応して3個存在し、出力アンプ51〜53から出力された画像データをA/D変換して画像処理部5に出力する。画像処理部5は、A/D変換部4から出力された画像データに画素を補間する補間処理等の所定の画像処理を施す。図2に示すように、第1の画素群は、単位画素部11において、第1行第1列の画素が欠落している。そのため、本実施の形態では、画像処理部5は、この欠落した画素を、周辺画素を用いて補間する補間処理を実行する。
There are three A /
画像メモリ6は、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ハードディスクといった記憶装置から構成され、画像処理部5により所定の画像処理が行われた画像データを記憶する。
The
次に、固体撮像装置1の動作について、図3のタイミングチャートを適宜参照して説明する。まず、制御部3は、垂直走査回路21に垂直同期信号VD1を出力し、かつ、水平同期信号HD1を水平走査回路41に出力し、かつ、垂直同期信号VD2を垂直走査回路22に出力し、かつ、水平同期信号HD2を水平走査回路42に出力する(時刻S1)。
Next, the operation of the solid-
次に、垂直走査回路21は、第1の画素群の第1行を選択し、第1の画素群の第1行に属する各画素G1で読み取られた各画像データを、CDS回路31に保持させる(期間S21)。本実施の形態では、図2に示すように画素アレイ10の第1行には、画素C,Dがこの順番で交互に8個配列されており、第2列,第4列,第6列,第8列の4個の画素Dが第1の画素群に属している。そのため、CDS回路312,314,316,318がこれら4個の画素Dから出力された画像データを保持することになる。
Next, the
また、垂直走査回路22は、第2の画素群の第1行を選択し、第2の画素群の第1行に属する各画素G1で読み取られた各画素データをCDS回路32に保持させる(期間S31)。この場合、画素アレイ10の第1行の第1列、第3列、第5列、第7列に配列された4個の画素Cが第2の画素群に属している。そのため、CDS回路321〜324がこれら4個の画素Cから出力された画像データを保持する。
Further, the
次に、水平走査回路41は、CDS回路31を水平走査することで、CDS回路312,314,316,318に保持された画像データを順次、出力アンプ51に出力する(期間S21)。
Next, the
また、水平走査回路42は、CDS回路32を水平走査することで、CDS回路321〜324で保持された画像データを順次、出力アンプ52,53に出力する(期間S31)。この場合、水平走査回路42は、まず、CDS回路321,322を選択し、CDS回路321が保持する画像データを出力アンプ52に出力し、CDS回路322が保持する画像データを出力アンプ53に出力する。続いて、水平走査回路42は、CDS回路323,324を選択し、CDS回路323が保持する画像データを出力アンプ52に出力し、CDS回路324が保持する画像データを出力アンプ53に出力する。
Further, the
次に、垂直走査回路21は、第1の画素群の第2行を選択し、第1の画素群の第2行に属する各画素G1で読み取られた各画像データをCDS回路31に保持させる(期間S22)。本実施の形態では、図2に示すように画素アレイ10の第2行には、画素A,Bがこの順番で交互に8個配列されており、第1列〜第8列の8個の画素A,Bは第1の画素群に属している。そのため、CDS回路311〜318がこれら8個の画素A,Bから出力された画像データを保持することになる。
Next, the
また、垂直走査回路22は、第2の画素群の第2行を選択し、第2の画素群の第2行に属する4個の画素Cで読み取られた各画素データをCDS回路321〜324に保持させる(期間S32)。
Further, the
次に、水平走査回路41は、CDS回路31を水平走査することで、CDS回路311〜318が保持する画像データを順次、出力アンプ51に出力する(期間S22)。
Next, the
以降、期間S21,S22の処理が次の垂直同期信号VD1が出力されるまで交互に繰り返され、第1の画素群の第3行〜第8行の画像データが出力アンプ51に出力される。そして、これらの処理を繰り返すことにより、第1の画素群により読み取られた画像データを低速フレームレートで読み出すことが可能となる。
Thereafter, the processes in the periods S21 and S22 are alternately repeated until the next vertical synchronization signal VD1 is output, and the image data of the third to eighth rows of the first pixel group are output to the
また、水平走査回路42は、CDS回路32を水平走査することで、CDS回路321〜324が保持する画像データを順次、出力アンプ52,53に出力する(期間S32)。
Further, the
以降、期間S31,S32の処理が次の垂直同期信号VD2が出力されるまで交互に繰り返され、第2の画素群の第3行〜第4行の画像データが出力アンプ52,53に出力される。そして、これらの処理を繰り返すことにより、第2の画素群により読み取られた画像データを高速フレームレートで読み出すことが可能となる。
Thereafter, the processes in the periods S31 and S32 are alternately repeated until the next vertical synchronization signal VD2 is output, and the image data of the third to fourth rows of the second pixel group are output to the
このように実施の形態1の固体撮像装置1によれば、画素アレイ10はそれぞれ解像度の異なる第1及び第2の画素群に区画されている。垂直走査回路21,22、CDS回路31,32、水平走査回路41,42は、それぞれ第1及び第2の画素群に対応している。制御部3は、第2の画素群により読み取られた画像データを第1の画素群で読み取られた画像データより高いフレームレートで読み出すように、垂直同期信号VD1,VD2及び水平同期信号HD1,HD2を生成する。よって、画素アレイ10から同時に複数のフレームレートで画像データを読み出すことができる。なお、本実施の形態では、第2の画素群により読み取られた画像データを第1の画素群により読み取られた画像データの4倍のフレームレートで読み出したが、これに限定されず、他の値を採用してもよい。
As described above, according to the solid-
(実施の形態2)
次に、実施の形態2による固体撮像装置1について説明する。実施の形態2による固体撮像装置1は、第1の画素群にカラー画像を撮像させることを特徴とする。図4は、実施の形態2による固体撮像装置1の画素アレイ10の詳細な構成を示した図である。なお、本実施の形態において実施の形態1と同一のものは説明を省略する。
(Embodiment 2)
Next, the solid-
実施の形態2においては、第1の画素群にR,G,Bの原色カラーフィルターが設けられている。図4の例では、各単位画素部11において、第1の画素群を構成する第1行第2列、第2行第1列、第2行第2列の3つの画素にそれぞれ、ブルー(B)、レッド(R)、グリーン(G)の原色カラーフィルターが設けられている。また、各単位画素部11において、第1行第1列のW(ホワイト)で示す画素は、原色カラーフィルターが設けられていない。よって、モノクロ画像が得られる。その他の構成は、図2で示す画素アレイ10と同一であるため、説明を省略する。
In the second embodiment, R, G, and B primary color filters are provided in the first pixel group. In the example of FIG. 4, in each
図4に示すように各単位画素部11において、第1行第1列の画素は、第2の画素群に属している。そのため、第1の画素群は、各単位画素部11の第1行第1列の画素が欠落している。そこで、画像処理部5は、第1の画素群により読み取られた画像データに色補間処理を施し、8行×8列の画素からなるR,G,Bの3枚のフルカラーの画像データを生成する。これにより、第1の画素群により読み取られた画像データにおいて、欠落した画素が補間されることになる。そして、第1及び第2の画素群は、実施の形態1と同様にして、画像データを出力する。よって、8行×8列の画素からなるフルカラーの画像データと、8行×8列の画素の1/4の画素数からなる4行×4列のモノクロ画像とが同時に得られる。
As shown in FIG. 4, in each
このように、実施の形態2による固体撮像装置1によれば、低速フレームレートでフルカラー画像を得ることができ、高速フレームレートでモノクロ画像を得ることができる。よって、例えば人間が見るための高解像のカラー画像と、距離計測用の低解像度のモノクロ画像とを同時に取得することができ、車載センサなどに好適な固体撮像装置を提供することができる。
Thus, according to the solid-
なお、単位画素部11における原色カラーフィルターのR,G,Bの配列は、図4に示す配列に限定されず、例えば、第1行第2列をR、第2行第1列をB、第2行第2列をGとするように他の配列を採用してもよい。また、原色カラーフィルターに代えて、例えば、シアン、マゼンタ、イエローからなる補色カラーフィルターを採用してもよい。この場合、単位画素部11において、原色カラーフィルターの各色の配列と同様の配列で補色カラーフィルターの各色を配列すればよい。
The arrangement of R, G, and B of the primary color filters in the
(実施の形態3)
次に、実施の形態3による固体撮像装置1について説明する。実施の形態3による固体撮像装置1は、第1及び第2の画素群にカラー画像を撮像させることを特徴とする。図5は、実施の形態3による固体撮像装置1の画素アレイ10の詳細な構成を示した図である。なお、本実施の形態において実施の形態1,2と同一のものは説明を省略する。
(Embodiment 3)
Next, the solid-
図5に示すように、実施の形態3の画素アレイ10は、第2の画素群にベイヤー配列の原色カラーフィルターが設けられている。なお、第1の画素群には、実施の形態2と同一の原色カラーフィルターが設けられている。
As shown in FIG. 5, in the
具体的には、図5に示す画素アレイ10において、第1行第1列の画素にはGの原色カラーフィルターが設けられ、第1行第3列の画素にはBの原色カラーフィルターが設けられ、第3行第1列にはRの原色カラーフィルターが設けられ、第3行第3列にはGの原色カラーフィルターが設けられていることが分かる。よって、第2の画素群だけに注目すると、原色カラーフィルターがベイヤー配列となっていることが分かる。
Specifically, in the
そして、画像処理部5は、第1の画素群に加えて第2の画素群で読み取られた画像データに対しても色補間処理を行い、4行×4列の画素からなるR,G,Bの3枚のフルカラーの画像データを生成する。
Then, the
このように、実施の形態3による固体撮像装置1によれば、低速フレームレートでフルカラー画像を得ることができることに加えて、高速フレームレートでもフルカラー画像を得ることができる。なお、実施の形態3においては、第1の画素群及び第2の画素群を原色カラーフィルターを採用したが、これに限定されず、補色カラーフィルターを採用してもよい。
Thus, according to the solid-
(実施の形態4)
次に、実施の形態4による固体撮像装置1について説明する。実施の形態4による固体撮像装置1は、第1の画素群の各画素のダイナミックレンジを第2の画素群の各画素のダイナミックレンジよりも広くしたことを特徴とする。なお、本実施の形態において実施の形態1〜3と同一のものは説明を省略する。
(Embodiment 4)
Next, the solid-
図6は、画素アレイ10を構成する各画素の光電変換特性を示すグラフであり、縦軸は画像信号(画像データ)を線形で示し、横軸は入射光量を対数で示している。図6において、K1は入射光量に対して出力が線形に変化するリニア特性を示し、K2は点P2までは入射光量に対して出力が線形に変化し、点P2以降では入射光量に対して出力が対数的に変化するリニアログ特性を示している。リニア特性K1は、入射光量が点P1まで増大すると、画像信号が飽和してそれ以上変化しない。一方、リニアログ特性K2は、点P2までは傾斜がリニア特性K1と同一であるが点P2を超えると、傾斜がリニア特性よりも小さくなる。そのため、リニアログ特性K2は、リニア特性K1よりもダイナミックレンジが広くなる。
FIG. 6 is a graph showing the photoelectric conversion characteristics of each pixel constituting the
そこで、本実施の形態では、第1の画素群の各画素をリニアログ特性の画素で構成する。これにより、第1の画素群で撮像された画像はダイナミックレンジが広くなり、明暗差のあるシーンでも黒つぶれや白飛びの発生が防止され、人間が見るうえで好適な画像となる。 Therefore, in the present embodiment, each pixel of the first pixel group is composed of pixels with linear log characteristics. As a result, the image picked up by the first pixel group has a wide dynamic range, and blackout and whiteout are prevented from occurring even in a scene with a light / dark difference, which makes it suitable for human viewing.
一方、リニア特性の画素は、リニアログ特性の画素よりも露光時間を短くすることができる。そこで、第2の画素群の各画素をリニア特性の画素で構成する。これにより、第2の画素群から画像データを高速に読み出すことが可能となり、障害物までの距離計測や障害物の検出といったセンシングに好適な画像を得ることができる。 On the other hand, the exposure time of a pixel with linear characteristics can be made shorter than that of a pixel with linear log characteristics. Therefore, each pixel of the second pixel group is composed of pixels with linear characteristics. Thereby, it becomes possible to read image data from the second pixel group at high speed, and an image suitable for sensing such as distance measurement to an obstacle and detection of an obstacle can be obtained.
すなわち、センシングにおいては、如何に速く動く物体を検出できるかが重要であるため、高速読み出しが可能なリニア特性の画素が適している。また、リニア特性の画素を使用しても、露光時間が短ければ、白飛びは生じ難い。よって、第2の画素群の画素をリニア特性の画素で構成することで、センシングに適した画像を得ることができる。 That is, in sensing, since it is important how fast an object that moves can be detected, a pixel having a linear characteristic capable of high-speed readout is suitable. Even if linear characteristics pixels are used, if the exposure time is short, whiteout is unlikely to occur. Therefore, an image suitable for sensing can be obtained by configuring the pixels of the second pixel group with pixels having linear characteristics.
このように、実施の形態4による固体撮像装置1によれば、第1の画素群の各画素をリニアログ特性の画素で構成し、第2の画素群の各画素をリニア特性の画素で構成したため、第1の画素群からは広ダイナミックレンジの画像が得られ、第2の画素群からは高速に画像データを読み取ることができる結果、人間が見るうえで好適な画像とセンシングを行ううえで好適な画像とを同時に得ることができる。
As described above, according to the solid-
(実施の形態5)
次に、実施の形態5による固体撮像装置1について説明する。実施の形態4による固体撮像装置1は、第2の画素群の各画素の転送ゲートに電源電圧よりも高い電圧を印加することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1〜4と同一のものは説明を省略する。
(Embodiment 5)
Next, the solid-
図7は、水平同期信号HDのタイミングチャートを示している。なお、水平同期信号HDは、水平同期信号HD1と水平同期信号HD2との両方を表している。図7に示すように1H期間は、画素G1が画像データを読み取り、CDS回路31,32が画素G1から出力される画像データをCDS処理する「画素制御&CDS」期間と、水平走査回路41,42がCDS回路31,32を水平走査して画像データを出力する「画像読み出し」期間との2つ期間が含まれる。
FIG. 7 shows a timing chart of the horizontal synchronization signal HD. The horizontal synchronization signal HD represents both the horizontal synchronization signal HD1 and the horizontal synchronization signal HD2. As shown in FIG. 7, in the 1H period, the pixel G1 reads the image data, and the
高速撮像を実現するためには1フレーム期間を短くしなければならず、そのためには、1H期間を短くしなければならない。「画像読み出し」期間において、2線、4線同時読み出し等の多線同時読み出しを採用すれば、2線同時読み出しでは、「画像読み出し」期間は1/2となり、4線同時読み出しでは、「画像読み出し」期間は1/4となり高速化を図ることができる。しかしながら、「画素制御&CDS」期間は多線同時読み出しを採用しても短くすることができない。よって、1H期間を短くするには限界がある。 In order to realize high-speed imaging, one frame period must be shortened, and for that purpose, the 1H period must be shortened. If multi-line simultaneous readout such as 2-line and 4-line simultaneous readout is employed in the “image readout” period, the “image readout” period is ½ for 2-line simultaneous readout, and “image readout” for “4-line simultaneous readout”. The “reading” period becomes ¼, and the speed can be increased. However, the “pixel control & CDS” period cannot be shortened even if multi-line simultaneous readout is adopted. Therefore, there is a limit to shortening the 1H period.
図8は、典型的な4T型の画素回路の回路図を示し、図9はそのタイミングチャートを示す。図8に示すように4T型の画素回路は、1つのフォトダイオードPD1と、例えばNMOSから構成された4つのトランジスタQ1〜Q4とを備えている。具体的には、フォトダイオードPD1はアノードが接地され、カソードがトランジスタQ1に接続されている。 FIG. 8 is a circuit diagram of a typical 4T type pixel circuit, and FIG. 9 is a timing chart thereof. As shown in FIG. 8, the 4T-type pixel circuit includes one photodiode PD1 and four transistors Q1 to Q4 made of, for example, NMOS. Specifically, the photodiode PD1 has an anode grounded and a cathode connected to the transistor Q1.
トランジスタQ1は、トランジスタQ2を介して電源と接続されている。トランジスタQ4はトランジスタQ3を介して電源と接続されている。また、トランジスタQ3のゲートは、トランジスタQ1及びQ2の接続点に接続されている。また、トランジスタQ1,Q2,Q4のゲートには、信号TX,RX,SXが印加される。以下、トランジスタQ1,Q2,Q4のゲートをそれぞれ、TXゲート(転送ゲート)、RXゲート(リセットゲート)、及びSXゲート(行選択ゲート)と呼ぶ。なお、TXゲート、RXゲート、SXゲートは、垂直走査回路に接続されている。 The transistor Q1 is connected to the power supply via the transistor Q2. Transistor Q4 is connected to the power supply via transistor Q3. The gate of the transistor Q3 is connected to the connection point between the transistors Q1 and Q2. Signals TX, RX, SX are applied to the gates of the transistors Q1, Q2, Q4. Hereinafter, the gates of the transistors Q1, Q2, and Q4 are referred to as a TX gate (transfer gate), an RX gate (reset gate), and an SX gate (row selection gate), respectively. The TX gate, RX gate, and SX gate are connected to the vertical scanning circuit.
具体的には、画素制御線HL1,HL2には、それぞれ、信号TX,RX,SXを流すための3種類の線路が含まれ、TXゲート、RXゲート、SXゲートは対応する線路を介して垂直走査回路21,22に接続されている。
Specifically, each of the pixel control lines HL1 and HL2 includes three types of lines for passing signals TX, RX, and SX, and the TX gate, RX gate, and SX gate are vertically connected through corresponding lines. It is connected to the
ここで、トランジスタQ2は、FDをリセットするためのものであり、トランジスタQ1は、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷をFDに転送するためのものであり、トランジスタQ4は、行選択スイッチとして機能するものである。 Here, the transistor Q2 is for resetting the FD, the transistor Q1 is for transferring the charge accumulated in the photodiode PD1 to the FD, and the transistor Q4 functions as a row selection switch. Is.
そして、垂直走査回路21,22は、制御部3から出力される垂直同期信号VD1と、内蔵するシフトレジスタとから出力される信号に従って、信号TX,RX,SXを生成するロジック回路を含み、このロジック回路により生成された信号TX,RX,SXをTXゲート、RXゲート、SXゲートに印加する。
The
図7に示す「画素制御&CDS」期間において、4T型の画素回路は、図9に示すように下記のステップST1〜ST4の動作を行う。 In the “pixel control & CDS” period illustrated in FIG. 7, the 4T pixel circuit performs the following operations of steps ST1 to ST4 as illustrated in FIG. 9.
ステップST1:信号RXのハイレベルを受けてRXゲートを開き、フローティングディフュージョン(FD)をリセットする。 Step ST1: In response to the high level of the signal RX, the RX gate is opened, and the floating diffusion (FD) is reset.
ステップST2:信号SXのハイレベルを受けてSXゲートを開き、ノイズ信号をCDS回路に出力する。 Step ST2: In response to the high level of the signal SX, the SX gate is opened and a noise signal is output to the CDS circuit.
ステップST3:信号TXのハイレベルを受けてTXゲートを開き、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷をFDに転送する。 Step ST3: In response to the high level of the signal TX, the TX gate is opened, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the FD.
ステップST4:信号SXのハイレベルを受けてSXゲートを開き、(ノイズ+シグナル)信号をCDS回路に出力する。 Step ST4: In response to the high level of the signal SX, the SX gate is opened, and a (noise + signal) signal is output to the CDS circuit.
この後、図7に示す「画像読み出し」期間において、CDS回路は、ステップST2で出力されたノイズ信号から、ステップST4で出力された(ノイズ+シグナル)信号を減算し、CDS処理を行う。 Thereafter, in the “image reading” period shown in FIG. 7, the CDS circuit subtracts the (noise + signal) signal output in step ST4 from the noise signal output in step ST2, and performs CDS processing.
ここで、ステップST3において、フォトダイオードPD1からFDへの電荷転送にはある程度の時間を必要とし、特にフォトダイオードPD1の電荷を完全にFDに転送しようとすると、数マイクロ秒の時間が必要になってしまう。このことは高速撮影を実現するためには不利な条件である。 Here, in step ST3, a certain amount of time is required for the charge transfer from the photodiode PD1 to the FD, and in particular, a time of several microseconds is required to completely transfer the charge of the photodiode PD1 to the FD. End up. This is a disadvantageous condition for realizing high-speed shooting.
図10は、「画素制御&CDS」期間における4T型の画素回路のポテンシャル図を示している。図10は信号TXがハイレベルの時のポテンシャル図であり、TXゲートには、ハイレベルの電圧(通常は電源電圧VDDに等しい)が印加されており、TXゲートは開いた状態である。TXゲートが開いた状態にあるので、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷はFDに転送されている。フォトダイオードPD1の電荷はTXゲート下のポテンシャル勾配を利用してFDに転送される。 FIG. 10 shows a potential diagram of the 4T type pixel circuit in the “pixel control & CDS” period. FIG. 10 is a potential diagram when the signal TX is at a high level. A high level voltage (usually equal to the power supply voltage VDD) is applied to the TX gate, and the TX gate is in an open state. Since the TX gate is in an open state, the electric charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the FD. The charge of the photodiode PD1 is transferred to the FD using a potential gradient under the TX gate.
図11は実施の形態5における第2の画素群の各画素G1の画素回路のポテンシャル図を示している。図11に示すように、フォトダイオードPD1からFDへの電荷転送時にTXゲートに電源電圧VDD以上の電圧が印加され、TXゲート下のポテンシャル勾配grdが大きくされ、フォトダイオードPD1からFDにすばやく電荷が転送できるようにされ、電荷転送に必要な時間短縮が図られている。 FIG. 11 shows a potential diagram of the pixel circuit of each pixel G1 in the second pixel group in the fifth embodiment. As shown in FIG. 11, a voltage higher than the power supply voltage VDD is applied to the TX gate during charge transfer from the photodiode PD1 to the FD, the potential gradient grd under the TX gate is increased, and charges are quickly transferred from the photodiode PD1 to the FD. The time required for charge transfer can be shortened.
以上を実現するために、実施の形態5の固体撮像装置1においては、図12に示すように電源電圧VDDを所定の電圧レベルにまで昇圧して、第2の画素群の各画素のTXゲートに印加する昇圧回路7が更に設けられている。
In order to realize the above, in the solid-
昇圧回路7は、例えば垂直走査回路22内のロジック回路に設けられ、第2の画素群の各画素のTXゲートに所定レベルに昇圧した電源電圧を印加する。なお、昇圧回路7により昇圧される電圧レベルとしては、TXゲート下のポテンシャル勾配grdを、高速転送に適した所定のレベルまで大きくすることができる予め定められた値を採用することができる。なお、画素G1の構成は図8と同一である。
The booster circuit 7 is provided in, for example, a logic circuit in the
図13は、図12に示す画素回路のタイミングチャートを示している。図13に示すステップST1,ST2,ST4は、図9と同一である。ステップST3において、信号TXが昇圧回路7により昇圧されて第2の画素群の各画素のTXゲートに電源電圧VDDより大きな電圧が印加されていることが分かる。よって、TXゲート下のポテンシャル勾配grdが大きくなり、フォトダイオードPD1からFDにすばやく電荷を転送することができる。なお、第1の画素群の各画素G1のTXゲートには、図9のステップST3に示すように、電源電圧VDDレベルの電圧が印加される。 FIG. 13 shows a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. Steps ST1, ST2, and ST4 shown in FIG. 13 are the same as those in FIG. In step ST3, it can be seen that the signal TX is boosted by the booster circuit 7 and a voltage higher than the power supply voltage VDD is applied to the TX gate of each pixel of the second pixel group. Therefore, the potential gradient grd under the TX gate is increased, and charges can be quickly transferred from the photodiode PD1 to the FD. Note that a voltage of the power supply voltage VDD level is applied to the TX gate of each pixel G1 of the first pixel group as shown in step ST3 of FIG.
このように実施の形態5による固体撮像装置1によれば、昇圧回路7により第2の画素群を構成する各画素G1のTXゲートに電源電圧VDD以上の電圧が印加されるため、第2の画素群から画像データを高速に読み出すことができる。
As described above, according to the solid-
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6による固体撮像装置1について説明する。実施の形態6による固体撮像装置1は、第2の画素群の各画素のフォトダイオードPD1を高速転送が可能な表面型のフォトダイオードで構成し、第1の画素群の各画素のフォトダイオードPD1をノイズ除去精度の高い完全転送埋込型のフォトダイオードPD1で構成したことを特徴とする。
(Embodiment 6)
Next, a solid-
図14は、実施の形態6における第2の画素群の画素G1に採用される3T型の画素回路の回路図を示し、図15は、そのタイミングチャートを示している。
14 shows a circuit diagram of a 3T type pixel circuit employed in the pixel G1 of the second pixel group in
第2の画素群の画素G1は、フォトダイオードPD1が表面型であるため、3T型の画素回路を採用することができる。すなわち、表面型のフォトダイオードを備える画素には、電荷を転送するという概念がなくなるため、4T型の画素回路で必要であったTXゲートによる電荷転送が不要になる。 The pixel G1 in the second pixel group can employ a 3T pixel circuit because the photodiode PD1 is a surface type. That is, since the concept of transferring charges is eliminated in a pixel including a surface type photodiode, charge transfer by a TX gate, which is necessary in a 4T type pixel circuit, is unnecessary.
よって、図7に示す「画素制御&CDS」期間において、3T型の画素回路は、図15に示すように下記のステップST1〜ST3の動作を行う。 Therefore, in the “pixel control & CDS” period illustrated in FIG. 7, the 3T pixel circuit performs the following operations of steps ST1 to ST3 as illustrated in FIG. 15.
ステップST1:信号SXのハイレベルを受けてSXゲートを開き、フォトダイオードPD1から(ノイズ+シグナル)信号をCDS回路に出力する。 Step ST1: In response to the high level of the signal SX, the SX gate is opened, and a (noise + signal) signal is output from the photodiode PD1 to the CDS circuit.
ステップST2:信号RXのハイレベルを受けてRXゲートを開き、FDをリセットする。 Step ST2: The RX gate is opened in response to the high level of the signal RX, and the FD is reset.
ステップST3:信号SXのハイレベルを受けてSXゲートを開き、ノイズ信号をCDS回路に出力する。 Step ST3: In response to the high level of the signal SX, the SX gate is opened and a noise signal is output to the CDS circuit.
この後、図7に示す「画像読み出し」期間において、CDS回路は、ステップST1で出力された(ノイズ+シグナル)信号からステップST3で出力されたノイズ信号を減算し、CDS処理を行う。 Thereafter, in the “image reading” period shown in FIG. 7, the CDS circuit subtracts the noise signal output in step ST3 from the (noise + signal) signal output in step ST1, and performs CDS processing.
このように、3T型の画素回路を採用した場合、信号TXを画素G1に印加することが不要となるため、図7に示す「画素制御&CDS」期間をより短くすることができ、フレームレートをさらに上げることができる。 In this manner, when the 3T pixel circuit is employed, it is not necessary to apply the signal TX to the pixel G1, so that the “pixel control & CDS” period shown in FIG. 7 can be further shortened, and the frame rate can be reduced. It can be raised further.
なお、4T型の画素回路においては、図9に示すように、ステップST1で出力されたノイズ信号とステップST4で出力された(ノイズ+シグナル)信号のノイズ信号とが同一であるため、ノイズの除去精度の高いTrueCDSを実現することが可能となる。 In the 4T type pixel circuit, as shown in FIG. 9, the noise signal output in step ST1 is the same as the noise signal (noise + signal) output in step ST4. It becomes possible to realize TrueCDS with high removal accuracy.
一方、3T型の画素回路においては、図15に示すように、ステップST3で出力されたノイズ信号は、ステップST2でリセットされた後に出力されたノイズ信号であるため、ステップST1で出力された(ノイズ+シグナル)信号のノイズ信号とは異なる。よって、TrueCDSが実現されず、4T型の画素回路に比較してノイズ除去精度が低下する。 On the other hand, in the 3T-type pixel circuit, as shown in FIG. 15, the noise signal output in step ST3 is a noise signal output after being reset in step ST2, and thus is output in step ST1 ( The noise signal is different from the noise signal. Therefore, TrueCDS is not realized, and the noise removal accuracy is reduced as compared with the 4T type pixel circuit.
そこで、実施の形態6の固体撮像装置1では、第2の画素群の各画素G1として、3T型の画素回路が採用可能な表面型のフォトダイオードPD1を備える画素G1を採用することで、第2の画素群から高速フレームレートによる画像読み出しを実現している。
Therefore, in the solid-
一方、第1の画素群の各画素として、4T型の画素回路が採用可能な完全転送埋込型のフォトダイオードPD1を備える画素G1を採用することで、高画質な画像読み出しを実現している。 On the other hand, high-quality image readout is realized by adopting the pixel G1 including the complete transfer embedded type photodiode PD1 that can adopt a 4T type pixel circuit as each pixel of the first pixel group. .
なお、実施の形態1〜6においては、説明の便宜上、画素アレイ10の画素数を8行×8列としたが、これは一例にすぎず、M(Mは2以上の正の整数)行×N(Nは2以上の正の整数)列に配列してもよい。また、第1及び第2の画素群と2つの画素群を採用したが、これに限定されず、n(nは2以上の整数)が増大するにつれて解像度が低くなるような第1〜第nの画素群を採用してもよい。この場合、各単位画素部11を、一定のパターンで画素数の異なる第1〜第nの領域に区画し、各単位画素部11の第1〜第nの領域の画素を第1〜第nの画素群に割り付けて、画素アレイ10をn個の画素群に区画すればよい。そして、第1〜第nの画素群のそれぞれに対応するn個の垂直走査回路、n個のCDS回路、n個の水平走査回路を設ければよい。そして、制御部3は、画素数の少ない画素群から出力される画像データほどフレームレートが高くなるように第1〜第nの画素群に対応するn種類の垂直同期信号と水平同期信号とを生成すればよい。例えば、第1〜第nの画素群の垂直同期信号VD1〜VDnの周期をVT1〜VTnとすると、VTi=(1/ki)・VT1を満たすような垂直同期信号VD1〜VDnを生成すればよい。但し、iは1≦i≦nであり、ki=はiが増大するにつれて増大する所定の値を有する。また、第1〜第nの画素群の水平同期信号HD1〜HDnの周期をHT1〜HTnとすると、HTi=(1/j)・VTiを満たすような水平同期信号HD1〜HDnを生成すればよい。但し、jは、多線同時読み出しを行われないとした場合の第iの画素群の行数を示す。
In the first to sixth embodiments, for convenience of explanation, the number of pixels of the
1 固体撮像装置
2 センサ部
3 制御部
4 A/D変換部
5 画像処理部
7 昇圧回路
10 画素アレイ
11 単位画素部
21,22 垂直走査回路
31,32 CDS回路
41,42 水平走査回路
51,52,53 出力アンプ
D1 フォトダイオード
G1 画素
HD1,HD2 水平同期信号
HL1,HL2 画素制御線
PD1 フォトダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記画素アレイは、n(nは2以上の整数)が増大するにつれて解像度が低くなるように第1〜第nの画素群に区画され、
前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、垂直同期信号に従って前記第1〜第nの画素群を垂直走査する第1〜第nの垂直走査回路と、
前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、前記第1〜第nの画素群から前記第1〜第nの垂直走査回路の垂直走査により選択された1行分の画像データを読み出して保持する第1〜第nの読出回路と、
前記第1〜第nの画素群のそれぞれに対応し、水平同期信号に従って前記第1〜第nの読出回路を水平走査することで、前記第1〜第nの読出回路により保持された1行分の画像データを、前記第1〜第nの読出回路から順次出力する第1〜第nの水平走査回路と、
前記nの大きな画素群で読み取られた画像データほど相対的にフレームレートが高くなるように、前記第1〜第nの画素群に対応するn種類の垂直同期信号を生成し、前記第1〜第nの垂直走査回路に出力し、かつ、前記第1〜第nの画素群に対応するn種類の水平同期信号を生成し、前記第1〜第nの水平走査回路に出力する制御部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device comprising a pixel array composed of a plurality of pixels arranged in a matrix,
The pixel array is partitioned into first to nth pixel groups so that the resolution decreases as n (n is an integer of 2 or more) increases,
A first to n-th vertical scanning circuit corresponding to each of the first to n-th pixel groups and vertically scanning the first to n-th pixel groups according to a vertical synchronization signal;
Corresponding to each of the first to nth pixel groups, image data for one row selected by the vertical scanning of the first to nth vertical scanning circuits is read from the first to nth pixel groups. First to n-th readout circuits held by
A row corresponding to each of the first to n-th pixel groups and one row held by the first to n-th read circuits by horizontally scanning the first to n-th read circuits according to a horizontal synchronization signal. For the first to nth horizontal scanning circuits for sequentially outputting image data for the first to nth readout circuits,
N types of vertical synchronization signals corresponding to the first to n-th pixel groups are generated so that the frame rate of the image data read by the large pixel group is relatively high, A control unit that outputs to the nth vertical scanning circuit, generates n types of horizontal synchronization signals corresponding to the first to nth pixel groups, and outputs to the first to nth horizontal scanning circuits; A solid-state imaging device comprising:
各単位画素部は、一定のパターンで画素数が異なる第1〜第nの領域に区画され、
前記第1〜第nの画素群は、各単位画素部の第1〜第nの領域の画素が割り付けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The pixel array is partitioned into unit pixel units each including a predetermined number of pixels.
Each unit pixel unit is partitioned into first to nth regions having different numbers of pixels in a fixed pattern,
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein pixels in the first to n-th regions of each unit pixel unit are assigned to the first to n-th pixel groups.
前記第1の画素群は、前記第2の画素群よりも解像度が高く、
前記第1の画素群はカラー画像を出力し、
前記第2の画素群はモノクロ画像を出力することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。 The first to nth pixel groups include first and second pixel groups,
The first pixel group has a higher resolution than the second pixel group,
The first pixel group outputs a color image;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second pixel group outputs a monochrome image.
前記第1の画素群は、前記第2の画素群よりも解像度が高く、
前記第1及び第2の画素群は共にカラー画像を出力することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。 The first to nth pixel groups include first and second pixel groups,
The first pixel group has a higher resolution than the second pixel group,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein both the first and second pixel groups output a color image.
前記第2の画素群の各画素は、入射光に対して出力が線形に変化する特性を有することを特徴とする請求項4〜9のいずれかに記載の固体撮像装置。 Each pixel of the first pixel group has a characteristic that the output changes linearly with respect to the incident light and a characteristic that the output changes logarithmically with respect to the incident light,
10. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein each pixel of the second pixel group has a characteristic that an output changes linearly with respect to incident light.
電源電圧を昇圧して前記転送ゲートに印加する昇圧回路を更に備えることを特徴とする請求項4〜10のいずれかに記載の固体撮像装置。 Each pixel of the second pixel group includes a transfer gate,
The solid-state imaging device according to claim 4, further comprising a boosting circuit that boosts a power supply voltage and applies the boosted voltage to the transfer gate.
前記第2の画素群の各画素は、表面型のフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 Each pixel of the first pixel group includes a fully transfer embedded photodiode,
The solid-state imaging device according to claim 12, wherein each pixel of the second pixel group includes a surface-type photodiode.
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