JP2006237944A - Image sensor with reduced noise - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,イメージセンサに関し,特に,赤外線を利用したイメージセンサで検出信号のS/N比を高くしたイメージセンサに関する。 The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor in which an S / N ratio of a detection signal is increased by an image sensor using infrared rays.
イメージセンサは,光電変換素子を二次元アレイ状に配置し,光電変換素子により入射光または入射赤外線に応じて変換された電荷を蓄積容量に蓄積し,蓄積容量の電圧を出力する読み出し回路が,各光電変換素子に設けられる。特許文献1には,CMOSイメージセンサにおけるノイズ除去のための相関二重サンプリング回路が記載されている。
In the image sensor, a photoelectric conversion element is arranged in a two-dimensional array, an electric charge converted according to incident light or incident infrared light by the photoelectric conversion element is accumulated in a storage capacitor, and a readout circuit that outputs a voltage of the storage capacitor is provided. Provided in each photoelectric conversion element.
入射光には光子のゆらぎを伴うので,同じ輝度の画像でも積分期間が異なると検出電圧には格子のゆらぎによるショット雑音が含まれる。特に,赤外線を利用する場合,入射光量のゆらぎなどにより光電変換素子から発するショット雑音は重要な問題である。このショット雑音は,上記の特許文献1が問題としているノイズとは異なる。
Since incident light is accompanied by photon fluctuations, the detection voltage includes shot noise due to grating fluctuations if the integration period differs even for images of the same luminance. In particular, when using infrared rays, shot noise generated from the photoelectric conversion element due to fluctuations in the amount of incident light is an important problem. This shot noise is different from the noise which is a problem in the above-mentioned
光電変換された電荷を蓄積容量に蓄積する積分期間を十分に長くすることにより,入射光量のゆらぎの影響を低減し,ショット雑音を低減することができる。さらに,入射光量に対応する発生電荷量にもゆらぎの影響が出る。ところが,電荷量Qに対して蓄積容量Cと検出電圧Vとの間には,Q=CVの関係がある。そして,発生電荷量Qのゆらぎは,電荷量Qの1/2乗(Q1/2)に比例するので,検出電圧Vのゆらぎは,V=Q/Cの関係から蓄積容量Cの−1/2乗(C-1/2)に比例する。したがって,積分期間をフレームレートの最大時間まで長くする構成にした後は,蓄積容量の容量値Cを大きくすることがショット雑音の低減につながることになる。
しかしながら,各画素の読み出し回路内の蓄積容量の容量値を大きくすることは,チップ面積の制約から限界がある。そこで,低雑音化のためには,各画素の読み出し回路からの出力を外部回路で積分するフレーム積算方式が提案されている。しかし,この方式では外部回路が複雑化するとともに,複数フレームで取得した検出信号を積算するので,動画の撮像には不向きである。 However, increasing the capacitance value of the storage capacitor in the readout circuit of each pixel is limited due to chip area limitations. In order to reduce noise, a frame integration method has been proposed in which the output from the readout circuit of each pixel is integrated by an external circuit. However, this method complicates the external circuit and integrates the detection signals acquired in a plurality of frames, and is not suitable for capturing moving images.
そこで,本発明の目的は,ショット雑音について低雑音化することができるイメージセンサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an image sensor capable of reducing shot noise.
上記の目的を達成するために,本発明の第1の側面によれば,複数の光電変換素子をアレイ状に配置したイメージセンサにおいて,
前記光電変換素子により生成される電荷を蓄積する蓄積容量と,当該蓄積容量をリセット電位にリセットするリセットトランジスタと,前記蓄積容量の電圧を転送する第1及び第2のサンプルホールドトランジスタと,前記サンプルホールドトランジスタにより転送された電圧がゲートに供給される第1及び第2のソースフォロワトランジスタと,前記第1及び第2のソースフォロワトランジスタのソースを垂直バス線に出力する選択トランジスタとを備えた読み出し回路を,前記光電変換素子に対応して有する。この読み出し回路は,フレーム期間において,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第1のサンプルホールドトランジスタにより蓄積容量の電圧を第1のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第1の積分動作と,再度,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第2のサンプルホールドトランジスタにより蓄積容量の電圧を第2のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第2の積分動作とを行う。そして,出力回路が,前記第1のソースフォロワトランジスタの第1のソース電圧と,前記第2のソースフォロワトランジスタの第2のソース電圧とを合成する。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, in an image sensor in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in an array,
A storage capacitor for storing charges generated by the photoelectric conversion element; a reset transistor for resetting the storage capacitor to a reset potential; first and second sample and hold transistors for transferring a voltage of the storage capacitor; and the sample Read comprising a first and second source follower transistor to which the voltage transferred by the hold transistor is supplied to the gate, and a selection transistor for outputting the source of the first and second source follower transistor to the vertical bus line A circuit is provided corresponding to the photoelectric conversion element. In the frame period, the readout circuit stores charge in the storage capacitor after resetting the storage capacitor, and transfers the voltage of the storage capacitor to the gate of the first source follower transistor by the first sample and hold transistor. The integration operation of 1 and again, after resetting the storage capacitor, the charge is stored in the storage capacitor, and the second sample and hold transistor transfers the voltage of the storage capacitor to the gate of the second source follower transistor. Integral operation is performed. Then, the output circuit combines the first source voltage of the first source follower transistor and the second source voltage of the second source follower transistor.
上記のイメージセンサによれば,1フレーム期間において,読み出し回路が2回の積分動作を行い,それぞれの積分動作で検出した電圧を第1及び第2のソース電圧として保持する。そして,その後の画素の検出信号の出力動作では,出力回路が第1及び第2のソース電圧を合成する。上記の第1の積分期間と第2の積分期間とは相互に無関係なランダムなゆらぎを有する。したがって,第1の積分動作での第1のソース電圧のゆらぎ(雑音)と,第2の積分動作での第2のソース電圧のゆらぎ(雑音)をそれぞれ2乗した値の和が,合成出力の2乗の値に等しくなる。その結果,合成出力のゆらぎ(雑音)は,1/(21/2)倍に減少する。したがって,読み出し回路の蓄積容量の容量値を大きくすることなく,検出信号のショット雑音を低減することができる。 According to the above image sensor, the readout circuit performs the integration operation twice in one frame period, and holds the voltages detected by the integration operations as the first and second source voltages. In the subsequent pixel detection signal output operation, the output circuit combines the first and second source voltages. The first integration period and the second integration period have random fluctuations that are independent of each other. Therefore, the sum of values obtained by squaring the fluctuation (noise) of the first source voltage in the first integration operation and the fluctuation (noise) of the second source voltage in the second integration operation is the combined output. Is equal to the square of. As a result, the fluctuation (noise) of the combined output is reduced to 1 / (2 1/2 ) times. Therefore, the shot noise of the detection signal can be reduced without increasing the capacitance value of the storage capacitor of the readout circuit.
検出信号のショット雑音を低減化して,SN比を高くすることができる。 The shot noise of the detection signal can be reduced and the SN ratio can be increased.
以下,図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し,本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず,特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
図1は,一般的な赤外線イメージセンサの回路図である。イメージセンサは,フォトダイオードPDなどの光電変換素子が二次元アレイ状に配置されており,各光電変換素子PDには,それぞれ読み出し回路が設けられている。この読み出し回路を画素PX11で説明すると,蓄積容量Cintと,蓄積容量CintのノードN1をリセット電位VRにリセットするリセットトランジスタRSTと,光電変換素子PDで光電変換された電荷を蓄積容量Cintに伝達するトランスファーゲートトランジスタINと,蓄積容量Cintによる電荷蓄積により生成されるノードN1の電圧をソースフォロワトランジスタSFのゲートにサンプルホールドするサンプルホールドトランジスタSHと,ソースフォロワトランジスタSFのソース電圧を垂直バス線VB1に出力する選択トランジスタSLとで構成される。 FIG. 1 is a circuit diagram of a general infrared image sensor. In the image sensor, photoelectric conversion elements such as photodiodes PD are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element PD is provided with a readout circuit. The readout circuit will be described with respect to the pixel PX11. The storage capacitor Cint, the reset transistor RST that resets the node N1 of the storage capacitor Cint to the reset potential VR, and the charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element PD are transmitted to the storage capacitor Cint. The sample-and-hold transistor SH that samples and holds the voltage of the transfer gate transistor IN, the node N1 generated by the charge accumulation by the storage capacitor Cint at the gate of the source follower transistor SF, and the source voltage of the source follower transistor SF to the vertical bus line VB1. It is comprised with the selection transistor SL to output.
行選択シフトレジスタ10は,行選択線R1,R2を順次選択し,各画素の読み出し回路内のソースフォロワトランジスタSFのソース電圧を選択トランジスタSLを介してそれぞれの垂直バス線VB1,VB2に出力させる。また,バス線選択シフトレジスタ20は,垂直バス線選択トランジスタBSL1,BSL2を順次選択して,垂直バス線に出力された各画素のソース電圧を増幅機能を有する出力回路AMPに入力させる。 The row selection shift register 10 sequentially selects the row selection lines R1 and R2, and outputs the source voltage of the source follower transistor SF in the readout circuit of each pixel to the respective vertical bus lines VB1 and VB2 via the selection transistor SL. . The bus line selection shift register 20 sequentially selects the vertical bus line selection transistors BSL1 and BSL2, and inputs the source voltage of each pixel output to the vertical bus line to the output circuit AMP having an amplification function.
従来の赤外線イメージセンサでは,全画素の読み出し回路に対して,リセット信号φRSTによりリセットトランジスタRSTを導通させて,ノードN1をリセット電位VRにリセットし,次に,積分信号φINによりトランスファーゲートトランジスタINを導通させて,フォトダイオードPDが生成する電荷により積分容量Cintを充電または放電する。この積分期間後に生成されたノードN1の電圧が,その後サンプルホールドトランジスタSHを介して,ソースフォロワトランジスタSFのゲート電極にサンプルホールドされる。上記の積分動作及びサンプルホールド動作が終了すると,各画素の検出電圧を外部に出力する動作が行われる。すなわち,行選択線R1の駆動により選択トランジスタSLを導通させて,ソースフォロワトランジスタのソース電圧を垂直バス線BV1,BV2に出力し,それらの垂直バス線をシフトレジスタ20により順次選択して,出力回路AMPに入力し増幅させる。
In the conventional infrared image sensor, the reset transistor RST is turned on by the reset signal φRST to reset the node N1 to the reset potential VR, and then the transfer gate transistor IN is set by the integration signal φIN. Conduction is performed, and the integration capacitor Cint is charged or discharged by the charge generated by the photodiode PD. The voltage at the node N1 generated after this integration period is then sampled and held at the gate electrode of the source follower transistor SF via the sample hold transistor SH. When the integration operation and the sample hold operation are finished, an operation of outputting the detection voltage of each pixel to the outside is performed. That is, the selection transistor SL is made conductive by driving the row selection line R1, the source voltage of the source follower transistor is output to the vertical bus lines BV1 and BV2, and the vertical bus lines are sequentially selected by the
上記の選択トランジスタSL,垂直バス線選択トランジスタBSL,出力回路AMPによる読み出し動作は,後続するフレーム期間で積分信号φINによる積分動作中に行われる。 The read operation by the selection transistor SL, the vertical bus line selection transistor BSL, and the output circuit AMP is performed during the integration operation by the integration signal φIN in the subsequent frame period.
このように,従来の赤外線イメージセンサでは,1フレーム期間内で,光電変換素子により生成される電荷による蓄積容量Cintへの充電または放電動作が行われる。よって,積分期間は最長で1フレーム期間となり,その最長積分期間のもとでさらに電荷のゆらぎによる雑音を低減させるためには,前述のとおり,蓄積容量の1/2乗に反比例して検出電圧のゆらぎ(雑音)が改善されるので,蓄積容量Cintの容量値を増加させる必要がある。しかし,蓄積容量の容量値の増加には,チップ面積などの制約があり限界がある。 As described above, in the conventional infrared image sensor, the storage capacitor Cint is charged or discharged by the charge generated by the photoelectric conversion element within one frame period. Therefore, the integration period is one frame period at the longest, and in order to further reduce noise due to charge fluctuations under the longest integration period, as described above, the detection voltage is inversely proportional to the 1/2 power of the storage capacity. Therefore, it is necessary to increase the capacitance value of the storage capacitor Cint. However, the increase in the capacitance value of the storage capacitor is limited due to restrictions such as chip area.
図2は,本実施の形態における赤外線イメージセンサの回路図である。図2では,2行2列の画素PX11〜PX22のうち,画素PX11に光電変換素子PDとその読み出し回路が示されている。画素PX11に示されるとおり,本実施の形態のイメージセンサでは,蓄積容量Cintと,リセットトランジスタRSTと,積分動作時のトランスファーゲートトランジスタINの構成は,図1と同じである。ただし,図1と異なり,サンプルホールドトランジスタSHとソースフォロワトランジスタSFとで構成されるサンプルホールド回路が,各画素で2系統設けられている。 FIG. 2 is a circuit diagram of the infrared image sensor in the present embodiment. In FIG. 2, among the pixels PX11 to PX22 in 2 rows and 2 columns, the photoelectric conversion element PD and its readout circuit are shown in the pixel PX11. As shown in the pixel PX11, in the image sensor of the present embodiment, the configurations of the storage capacitor Cint, the reset transistor RST, and the transfer gate transistor IN during the integration operation are the same as those in FIG. However, unlike FIG. 1, two systems of sample and hold circuits each including a sample and hold transistor SH and a source follower transistor SF are provided for each pixel.
つまり,第1のサンプルホールド回路は,ノードN1に接続されるサンプルホールドトランジスタSH1とソースフォロワトランジスタSF1とで構成され,第2のサンプルホール回路は,ノードN1に接続されるサンプルホールドトランジスタSH2とソースフォロワトランジスタSF2とで構成される。そして,第1のソースフォロワトランジスタSF1のソースは選択トランジスタSL1を介して第1の垂直バス線VB11に接続され,第2のソースフォロワトランジスタSF2のソースは選択トランジスタSL2を介して第2の垂直バス線VB12に接続される。 In other words, the first sample and hold circuit is composed of the sample and hold transistor SH1 and the source follower transistor SF1 connected to the node N1, and the second sample hall circuit is the sample and hold transistor SH2 and the source that are connected to the node N1. It is composed of a follower transistor SF2. The source of the first source follower transistor SF1 is connected to the first vertical bus line VB11 via the selection transistor SL1, and the source of the second source follower transistor SF2 is connected to the second vertical bus line via the selection transistor SL2. Connected to line VB12.
なお,選択トランジスタSL1,SL2は,ソースフォロワトランジスタSF1,SF2と電源Vccとの間に設けられても良い。その場合は,2つの選択トランジスタSL1,SL2は共通の1つの選択トランジスタとすることもできる。 The selection transistors SL1 and SL2 may be provided between the source follower transistors SF1 and SF2 and the power supply Vcc. In that case, the two selection transistors SL1 and SL2 may be a common selection transistor.
行選択シフトレジスタ10は,行選択線R1,R2を順次駆動して,各行の画素の選択トランジスタSL1,SL2を同時に導通させて,ソースフォロワトランジスタのソース電圧を,第1及び第2の垂直バス線VB11,VB12,VB21,VB22に出力させる。また,バス線選択シフトレジスタ20は,垂直バス選択信号φBSL11〜φBSL22を順次駆動させて,垂直バス選択トランジスタBSL11〜BSL22を順次導通させ,垂直バス線VB11,VB12,VB21,VB22の各ソース電圧を水平バス線HB1,HB2に順次出力させる。水平バス線HB1,HB2には,電流源CS1,CS2がそれぞれ設けられ,選択トランジスタSLと垂直バス選択トランジスタBSLが導通した時に,選択された画素のソースフォロワトランジスタSFと電流源とにより,初段の増幅回路が構成される。
The row selection shift register 10 sequentially drives the row selection lines R1 and R2 to simultaneously turn on the selection transistors SL1 and SL2 of the pixels in each row, and the source voltage of the source follower transistor is changed to the first and second vertical buses. Output to lines VB11, VB12, VB21, VB22. The bus line
さらに,水平バス線HB1,HB2は,後段の増幅回路である出力回路AMPに接続され,この出力回路は,各画素の検出信号を増幅して出力信号Voutとして出力する。 Further, the horizontal bus lines HB1 and HB2 are connected to an output circuit AMP which is an amplifier circuit in the subsequent stage, and this output circuit amplifies the detection signal of each pixel and outputs it as an output signal Vout.
図3は,本実施の形態における出力回路の具体例を示す回路図である。図3において,画素PX11の回路と,垂直バス線VB11,VB12及び水平バス線HB1,HB2は,図2と同じである。出力回路AMPは,P型の負荷トランジスタP1とN型の駆動トランジスタQ2とからなる反転型の増幅回路であり,トランジスタQ2のゲートには,2つの水平バス線HB1,HB2が入力スイッチSW1,SW2を介して順次接続される。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific example of the output circuit in the present embodiment. 3, the circuit of the pixel PX11, the vertical bus lines VB11 and VB12, and the horizontal bus lines HB1 and HB2 are the same as those in FIG. The output circuit AMP is an inverting amplifier circuit composed of a P-type load transistor P1 and an N-type driving transistor Q2. Two horizontal bus lines HB1 and HB2 are connected to input switches SW1 and SW2 at the gate of the transistor Q2. Are connected sequentially.
図4は,本実施の形態における赤外線イメージセンサの動作波形図である。この図を参照しながら,イメージセンサの動作を説明する。図4には,フレームレートに対応する2つのフレーム期間FM1,FM2が示されている。概略を説明すると,まず,フレーム期間FM1の前半で,全画素にて,リセット動作RT1と,積分動作INT1と,第1のサンプルホールド回路によるサンプルホールド動作SH1とを行う。さらに,フレーム期間FM1の後半で,全画素にて,リセット動作RT2と,積分動作INT2と,第2のサンプルホールド回路によるサンプルホールド動作SH2とを行う。そして,次にフレームFM2の前半で,各画素でサンプルホールドされた2つの検出電圧が出力回路AMPで合成される。 FIG. 4 is an operation waveform diagram of the infrared image sensor in the present embodiment. The operation of the image sensor will be described with reference to this figure. FIG. 4 shows two frame periods FM1 and FM2 corresponding to the frame rate. In brief, first, in the first half of the frame period FM1, a reset operation RT1, an integration operation INT1, and a sample and hold operation SH1 by the first sample and hold circuit are performed in all pixels. Further, in the second half of the frame period FM1, the reset operation RT2, the integration operation INT2, and the sample and hold operation SH2 by the second sample and hold circuit are performed on all the pixels. Then, in the first half of the frame FM2, the two detection voltages sampled and held in each pixel are combined by the output circuit AMP.
フレーム期間FM1の前半で,リセット信号φRSTがHレベルになりリセットトランジスタRSTが導通し,蓄積容量CintのノードN1をリセット電位VRにリセットする。これがリセット動作RT1である。これによりノードN1は,リセット電位VRに上昇する。次に,積分信号φINがHレベルになりトランスファーゲートトランジスタINが導通し,光電変換素子であるフォトダイオードPDが生成する電荷により,蓄積容量Cintが放電され,ノードN1の電位が低下する。これが積分動作INT1である。この積分動作INT1により,ノードN1の電位は入射光強度に応じた電圧dV1だけ低下する。そして,第1のサンプルホールド信号φSH1がHレベルなり第1のサンプルホールドトランジスタSH1が導通し,ノードN1の電位(VR−dV1)が第1のソースフォロワトランジスタSF1のゲートG1にサンプリングされる。第1のサンプルホールドトランジスタSH1が非導通状態になると,そのサンプリングされた検出電圧がゲートG1にホールドされる。以上がサンプルホールド動作SH1である。 In the first half of the frame period FM1, the reset signal φRST becomes H level, the reset transistor RST becomes conductive, and the node N1 of the storage capacitor Cint is reset to the reset potential VR. This is the reset operation RT1. As a result, the node N1 rises to the reset potential VR. Next, the integration signal φIN becomes H level, the transfer gate transistor IN becomes conductive, the charge generated by the photodiode PD as a photoelectric conversion element discharges the storage capacitor Cint, and the potential of the node N1 decreases. This is the integration operation INT1. By this integration operation INT1, the potential of the node N1 is lowered by the voltage dV1 corresponding to the incident light intensity. Then, the first sample and hold signal φSH1 becomes H level, the first sample and hold transistor SH1 becomes conductive, and the potential of the node N1 (VR−dV1) is sampled to the gate G1 of the first source follower transistor SF1. When the first sample hold transistor SH1 is turned off, the sampled detection voltage is held in the gate G1. The above is the sample and hold operation SH1.
次に,フレーム期間FM1の後半で,上記と同じ動作を第2のサンプルホールド回路SH2により行う。つまり,リセットトランジスタRSTを導通させてノードN1をリセットし(RT2),トランスファーゲートトランジスタINを導通させて蓄積容量Cintを放電し(INT2),最後に,第2のサンプルホールドトランジスタSH2を導通させてノードN1の電位(VR−dV2)を第2のソースフォロワトランジスタSF2のゲートG2にサンプルホールドさせる(SH2)。この結果,フレーム期間FM1における入射光に対する2つの検出電圧が,ゲートG1,G2にそれぞれホールドされる。 Next, in the second half of the frame period FM1, the same operation as described above is performed by the second sample and hold circuit SH2. That is, the reset transistor RST is turned on to reset the node N1 (RT2), the transfer gate transistor IN is turned on to discharge the storage capacitor Cint (INT2), and finally the second sample hold transistor SH2 is turned on. The potential of the node N1 (VR-dV2) is sampled and held by the gate G2 of the second source follower transistor SF2 (SH2). As a result, the two detection voltages for the incident light in the frame period FM1 are held in the gates G1 and G2, respectively.
次に,フレーム期間FM2の前半では,フレーム期間FM1にて全画素でサンプルホールドした2つの検出電圧(VR−dV1,VR−dV2)が,垂直バス線VB,水平バス線HBを介して出力回路AMPに入力され増幅され出力される。より正確には,フレーム期間FM2の第1のサンプルホールド動作SH1が始まるまでに,上記の出力動作が行われる。 Next, in the first half of the frame period FM2, two detection voltages (VR-dV1, VR-dV2) sampled and held in all pixels in the frame period FM1 are output through the vertical bus line VB and the horizontal bus line HB. It is input to AMP, amplified and output. More precisely, the above output operation is performed before the first sample and hold operation SH1 in the frame period FM2 starts.
具体的には,行選択シフトレジスタ10が,行選択線R1を駆動して,第1及び第2の選択トランジスタSL1,SL2を共に導通させ,第1及び第2のソースフォロワトランジスタSF1,SF2のソースを,第1及び第2の垂直バス線VB11〜VB22に接続する。そして,バス線選択シフトレジスタ20が,垂直バス選択信号φBSL11〜φBSL22を順次駆動して,垂直バス選択トランジスタBSL11〜BSL22を順次導通させる。これにより,各列の第1及び第2の垂直バス線VB11,VB12は,第1及び第2の水平バス線HB1,HB2に接続される。これに同期して出力回路AMPでは,スイッチSW1,SW2が順次導通し,出力回路の入力であるトランジスタQ2のゲートには,2つの検出電圧が加算され合成される。
Specifically, the row
図5は,水平バス線と出力回路の入力信号及び出力信号を示す波形図である。図5には,1つの画素の2つの検出電圧が合成される様子を示している。期間t1にて垂直バス選択信号φBSL11がHレベルになり,それとは時間的にずれた期間t2にて垂直バス選択信号φBSL12がHレベルになる。垂直バス選択信号φBSL11がHレベルになると,第1のソースフォロワトランジスタSF1が第1の水平バス線HB1を駆動し,第1のソース電圧が出力される。同様に,垂直バス選択信号φBSL12がHレベルになると,第2のソースフォロワトランジスタSF2が第2の水平バス線HB2を駆動し,第2のソース電圧が出力される。 FIG. 5 is a waveform diagram showing input signals and output signals of the horizontal bus line and the output circuit. FIG. 5 shows how two detection voltages of one pixel are combined. The vertical bus selection signal φBSL11 becomes H level in the period t1, and the vertical bus selection signal φBSL12 becomes H level in the period t2 which is shifted in time from that. When the vertical bus selection signal φBSL11 becomes H level, the first source follower transistor SF1 drives the first horizontal bus line HB1, and the first source voltage is output. Similarly, when the vertical bus selection signal φBSL12 becomes H level, the second source follower transistor SF2 drives the second horizontal bus line HB2, and the second source voltage is output.
このソースフォロワトランジスタによる初段増幅回路の応答特性を調整して,バス線選択シフトレジスタ20の水平走査速度よりもやや応答速度を遅くしておくと,第1及び第2の水平バス線の信号HB1,HB2の信号波形VHB1,VHB2は,図5に示されるようになる。つまり,垂直バス選択トランジスタBSL11が導通すると,ソースフォロワトランジスタSF1が第1の水平バス線HB1を駆動するが,応答特性が遅いので,第1の水平バス線HB1のレベルVHB1がピーク値になるタイミングで選択トランジスタBSL11が非導通になる。その後,電流源CS1により第1の水平バス線HB1のレベルVHB1は低下する。引き続き垂直バス選択トランジスタBSL12が導通すると,ソースフォロワトランジスタSF2が第2の水平バス線HB2を駆動して,同様の波形VHB2になる。
When the response characteristic of the first-stage amplifier circuit using the source follower transistor is adjusted to make the response speed slightly slower than the horizontal scanning speed of the bus line
なお,出力回路AMPの入力スイッチSW1,SW2は,たとえば,入力スイッチSW1が期間t1,t2の間導通し,また,入力スイッチSW2が期間t2とその後の期間の間導通し,水平バス線の電圧VHB1,VHB2がトランジスタQ2のゲートに伝えられるようにする。 Note that the input switches SW1 and SW2 of the output circuit AMP are, for example, that the input switch SW1 is conductive during the periods t1 and t2, and the input switch SW2 is conductive during the period t2 and the subsequent period. VHB1 and VHB2 are transmitted to the gate of the transistor Q2.
両水平バス線の信号波形VHB1,VHB2は,ピーク値がずれてそれぞれのピーク値PEAKの半波値PEAK/2で重なるように調整されている。その結果,両信号を合成した合成信号SVは,A点で両信号VHB1,VHB2のピーク値PEAKと同等になる。なお,フレーム期間FM1は短い期間であるので,その前半と後半とでは同等の光強度の赤外線が入射しているものと仮定している。この合成された信号SVが,出力回路AMPのトランジスタQ1のゲートに入力されると,出力電圧Voutは,図5に示されるとおり,電源VccレベルからdVだけ低下したピーク値を有する信号波形になる。このピークでの低下電圧dVが入射光強度に対応した検出信号である。 The signal waveforms VHB1 and VHB2 of both horizontal bus lines are adjusted so that the peak values are shifted and overlap with the half-wave value PEAK / 2 of the respective peak values PEAK. As a result, the combined signal SV obtained by combining both signals becomes equal to the peak value PEAK of both signals VHB1 and VHB2 at point A. Since the frame period FM1 is a short period, it is assumed that infrared light having the same light intensity is incident in the first half and the second half. When the synthesized signal SV is input to the gate of the transistor Q1 of the output circuit AMP, the output voltage Vout becomes a signal waveform having a peak value that is lowered by dV from the power supply Vcc level as shown in FIG. . The drop voltage dV at this peak is a detection signal corresponding to the incident light intensity.
そこで,検出電圧のゆらぎ(雑音)について説明する。本実施の形態では,1つのフレーム期間で2回の積分動作を行い,2つの検出電圧dV1,dV2を取得する。この2回の積分動作は,相互に無関係なランダムなゆらぎを有する。さらに,この2つの検出電圧dV1,dV2は,それぞれ2つの水平バス信号VHB1,VHB2として出力される。 Therefore, the fluctuation (noise) of the detection voltage will be described. In the present embodiment, two integration operations are performed in one frame period, and two detection voltages dV1 and dV2 are acquired. The two integration operations have random fluctuations that are not related to each other. Further, the two detection voltages dV1 and dV2 are output as two horizontal bus signals VHB1 and VHB2, respectively.
そして,A点においては,合成信号SVのピーク値SVpは,2つの検出電圧dV1,dV2に対応する水平バス信号VHB1,VHB2のピーク値Vpの半分(Vp/2)の和と等しい。つまり,SVp=Vp/2+Vp/2となる。そこで,前述のとおり各ピーク値が等しい(VHB1のVp=VHB2のVp)とすると,合成信号SVのピーク値は2つの検出信号VHB1,VHB2のピーク値と同じになる。 At point A, the peak value SVp of the combined signal SV is equal to the sum of half (Vp / 2) of the peak values Vp of the horizontal bus signals VHB1 and VHB2 corresponding to the two detection voltages dV1 and dV2. That is, SVp = Vp / 2 + Vp / 2. Therefore, if the peak values are equal (Vp of VHB1 = Vp of VHB2) as described above, the peak value of the composite signal SV is the same as the peak values of the two detection signals VHB1 and VHB2.
そこで,合成電圧SVのゆらぎ(ノイズn)SVnと,2つの検出電圧VHB1,VHB2のゆらぎVHB1n,VHB2nとの関係は,以下のとおりである。A点における2つの検出電圧VHB1,VHB2のゆらぎは,本来のゆらぎVHB1n,VHB2nの1/2である。そして,この2つの検出電圧VHB1,VHB2は相互に無関係なランダムなゆらぎを有するので,それぞれのゆらぎが平均化されて,次の関係を有する。 Therefore, the relationship between the fluctuation (noise n) SVn of the combined voltage SV and the fluctuations VHB1n and VHB2n of the two detection voltages VHB1 and VHB2 is as follows. The fluctuations of the two detection voltages VHB1 and VHB2 at the point A are ½ of the original fluctuations VHB1n and VHB2n. Since the two detection voltages VHB1 and VHB2 have random fluctuations that are not related to each other, the fluctuations are averaged and have the following relationship.
(SVn)2=(VHB1n/2)2+(VHB2n/2)2
上記の関係から合成電圧のゆらぎSVnは,次のとおりである。
(SVn) 2 = (VHB1n / 2) 2 + (VHB2n / 2) 2
From the above relationship, the fluctuation SVn of the composite voltage is as follows.
SVn ={(VHB1n/2)2+(VHB2n/2)2}1/2
そこで,VHB1n=VHB2n=VHBnとすると,合成電圧のゆらぎSVnは,
SVn=VHBn/21/2
になり,2つの検出電圧を合成して得られた合成電圧SVのゆらぎは,2つの検出電圧のゆらぎVHBnの1/21/2倍となる。これは,検出電圧のゆらぎが蓄積容量Cintの1/2乗に反比例することからみると,蓄積容量Cintを2倍にした場合の雑音と同等である。
SVn = {(VHB1n / 2) 2 + (VHB2n / 2) 2 } 1/2
Therefore, if VHB1n = VHB2n = VHBn, the combined voltage fluctuation SVn is
SVn = VHBn / 2 1/2
Thus, the fluctuation of the combined voltage SV obtained by combining the two detection voltages is 1/2 1/2 times the fluctuation VHBn of the two detection voltages. This is equivalent to the noise when the storage capacitor Cint is doubled when the fluctuation of the detection voltage is inversely proportional to the 1/2 power of the storage capacitor Cint.
以上のように,各画素の読み出し回路内で2回の積分動作を行い,それぞれ検出した信号を合成することで,蓄積容量の容量値を増やすことなく検出信号のゆらぎ(雑音)を低減することができる。 As described above, by performing the integration operation twice in the readout circuit of each pixel and synthesizing the detected signals, the fluctuation (noise) of the detection signal is reduced without increasing the capacity value of the storage capacitor. Can do.
なお,図5では,2つの検出電圧VHB1,VHB2の重なりを,1/2ピーク値で一致するようにしているが,必ずしもそのようなタイミングにする必要はなく,2つの水平バス信号VHB1,VHB2が何らかの処理で加算されるように合成されれば良い。たとえば,それぞれの検出電圧VHB1,VHB2のピーク値を加算するようにしてもよい。 In FIG. 5, the overlap of the two detection voltages VHB1 and VHB2 is made to coincide with each other at a ½ peak value, but it is not always necessary to have such timing, and the two horizontal bus signals VHB1 and VHB2 are not necessarily used. May be combined so that is added by some processing. For example, the peak values of the detection voltages VHB1 and VHB2 may be added.
図3にて,第1及び第2の垂直バス線VB11,VB12を第1及び第2の水平バス線HB1,HB2を介して出力回路AMPに接続した。この理由は,1つの共通水平バス線で構成すると,後続する画素PX12における第1の垂直バス線VB21の信号に画素PX21における第2の垂直バス線VB12の信号が重なってクロストークの問題が発生するからである。複数の画素に共通に設けられる水平バス線を2本に分離することで,かかるクロストークの問題を回避することができる。ただし,バス線選択シフトレジスタの水平走査速度が遅い場合は,垂直バス線を1本で共通化することもできる。 In FIG. 3, the first and second vertical bus lines VB11 and VB12 are connected to the output circuit AMP via the first and second horizontal bus lines HB1 and HB2. The reason for this is that if one common horizontal bus line is used, the signal of the first vertical bus line VB21 in the succeeding pixel PX12 overlaps the signal of the second vertical bus line VB12 in the pixel PX21, which causes a crosstalk problem. Because it does. By separating the horizontal bus line provided in common for a plurality of pixels into two, such a crosstalk problem can be avoided. However, when the horizontal scanning speed of the bus line selection shift register is low, one vertical bus line can be shared.
図4にもどり,フレームFM2での読み出し動作は,前半の積分動作INT2の間に行われなければならない。つまり,2分の1フレーム期間で行選択線の走査を完了する必要がある。この読み出し動作が完了した後に,全画素において,第1のサンプルホールド動作SH1が行われる。 Returning to FIG. 4, the read operation in the frame FM2 must be performed during the first-half integration operation INT2. That is, it is necessary to complete the scanning of the row selection line in a half frame period. After the readout operation is completed, the first sample hold operation SH1 is performed on all the pixels.
以上の実施の形態をまとめると,次の付記のとおりである。 The above embodiment is summarized as follows.
(付記1)複数の光電変換素子をアレイ状に配置したイメージセンサにおいて,
前記光電変換素子により生成される電荷を蓄積する蓄積容量と,当該蓄積容量をリセット電位にリセットするリセットトランジスタと,前記蓄積容量の電圧を転送する第1及び第2のサンプルホールドトランジスタと,前記サンプルホールドトランジスタにより転送された電圧がゲートに供給される第1及び第2のソースフォロワトランジスタと,前記第1及び第2のソースフォロワトランジスタのソースを垂直バス線に出力する選択トランジスタとを備えた読み出し回路を,前記光電変換素子に対応して有し,
前記読み出し回路は,フレーム期間において,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第1のサンプルホールドトランジスタにより当該蓄積容量の電圧を第1のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第1の積分動作と,再度,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第2のサンプルホールドトランジスタにより当該蓄積容量の電圧を第2のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第2の積分動作とを行い,
さらに,前記第1のソースフォロワトランジスタの第1のソース電圧と,前記第2のソースフォロワトランジスタの第2のソース電圧とを合成する出力回路を有するイメージセンサ。
(Appendix 1) In an image sensor in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in an array,
A storage capacitor for storing charges generated by the photoelectric conversion element; a reset transistor for resetting the storage capacitor to a reset potential; first and second sample and hold transistors for transferring a voltage of the storage capacitor; and the sample Read comprising a first and second source follower transistor to which the voltage transferred by the hold transistor is supplied to the gate, and a selection transistor for outputting the source of the first and second source follower transistor to the vertical bus line A circuit corresponding to the photoelectric conversion element,
In the frame period, the readout circuit stores charges in the storage capacitor after resetting the storage capacitor, and transfers the voltage of the storage capacitor to the gate of the first source follower transistor by the first sample and hold transistor. In the first integration operation, after the storage capacitor is reset again, charges are stored in the storage capacitor, and the voltage of the storage capacitor is transferred to the gate of the second source follower transistor by the second sample-hold transistor. A second integration operation,
And an output circuit that synthesizes a first source voltage of the first source follower transistor and a second source voltage of the second source follower transistor.
(付記2)付記1において,
前記選択トランジスタが,前記第1及び第2のソースフォロワトランジスタに接続される第1及び第2の選択トランジスタを有し,
さらに,前記選択トランジスタの導通に応答して,前記第1及び第2のソース電圧がそれぞれ出力される第1及び第2のバス線を有し,
前記出力回路は,前記第1のバス線に出力される前記第1のソース電圧と,前記第2のバス線に出力される前記第2のソース電圧とを,所定時間ずらして入力し,合成出力を生成するイメージセンサ。
(Appendix 2) In
The selection transistor includes first and second selection transistors connected to the first and second source follower transistors;
And first and second bus lines to which the first and second source voltages are output in response to conduction of the selection transistor, respectively.
The output circuit inputs the first source voltage output to the first bus line and the second source voltage output to the second bus line while shifting them by a predetermined time. An image sensor that generates output.
(付記3)付記1において,
さらに,前記選択トランジスタを選択する行選択線と,
前記第1及び第2のソース電圧が出力される第1及び第2の垂直バス線と,
前記第1及び第2の垂直バス線を順次選択する第1及び第2の垂直バス選択トランジスタとを有し,
前記出力回路は,順次選択される前記第1及び第2の垂直バス選択トランジスタを介して,前記第1及び第2のソース電圧を所定時間ずらして入力し,合成出力を生成するイメージセンサ。
(Appendix 3) In
A row selection line for selecting the selection transistor;
First and second vertical bus lines from which the first and second source voltages are output;
First and second vertical bus selection transistors for sequentially selecting the first and second vertical bus lines;
The output circuit inputs the first and second source voltages with a predetermined time shift through the first and second vertical bus selection transistors that are sequentially selected, and generates a composite output.
(付記4)付記3において,
更に,前記第1及び第2の列選択トランジスタを介して,各画素の読み出し回路に共通に設けられた第1及び第2の水平バス線と,
前記出力回路の入力端に,前記第1及び第2の水平バス線を順次接続する入力スイッチとを有するイメージセンサ。
(Appendix 4) In Appendix 3,
Furthermore, first and second horizontal bus lines provided in common to the readout circuits of the respective pixels via the first and second column selection transistors,
An image sensor having an input switch for sequentially connecting the first and second horizontal bus lines to an input end of the output circuit.
(付記5)付記3において,
さらに,前記第1及び第2の垂直バス選択トランジスタを,前記所定時間ずらして導通させる垂直バス選択回路を有し,
前記第1の垂直バス選択トランジスタを導通させた時の第1の入力信号と,前記第2の垂直バス選択トランジスタを導通させた時の第2の入力信号とが,ピーク値のほぼ半分の値で重なる程度に前記所定時間ずれて導通させられるイメージセンサ。
(Appendix 5) In Appendix 3,
And a vertical bus selection circuit for conducting the first and second vertical bus selection transistors while shifting the predetermined time.
The first input signal when the first vertical bus selection transistor is turned on and the second input signal when the second vertical bus selection transistor is turned on have a value approximately half of the peak value. An image sensor that is made conductive by shifting for a predetermined time to the extent that it overlaps.
(付記6)付記1において,
前記読み出し回路は,前記光電変換素子と蓄積容量との間に設けられた転送ゲートトランジスタを有するイメージセンサ。
(Appendix 6) In
The image sensor, wherein the readout circuit includes a transfer gate transistor provided between the photoelectric conversion element and a storage capacitor.
PX11,PX12,PX21,PX22:画素
PD:光電変換素子 Cint:蓄積容量
SH1,SH2:サンプルホールドトランジスタ
SF1,SF2:ソースフォロワトランジスタ
SL1,LS2:選択トランジスタ
VB11,VB12,VB21,VB22:垂直バス線
HB1,HB2:水平バス線
AMP:出力回路
PX11, PX12, PX21, PX22: Pixel PD: Photoelectric conversion element Cint: Storage capacitor SH1, SH2: Sample hold transistor SF1, SF2: Source follower transistor SL1, LS2: Select transistor VB11, VB12, VB21, VB22: Vertical bus line HB1 , HB2: Horizontal bus line AMP: Output circuit
Claims (5)
前記光電変換素子により生成される電荷を蓄積する蓄積容量と,当該蓄積容量をリセット電位にリセットするリセットトランジスタと,前記蓄積容量の電圧を転送する第1及び第2のサンプルホールドトランジスタと,前記サンプルホールドトランジスタにより転送された電圧がゲートに供給される第1及び第2のソースフォロワトランジスタと,前記第1及び第2のソースフォロワトランジスタのソースを垂直バス線に出力する選択トランジスタとを備えた読み出し回路を,前記光電変換素子に対応して有し,
前記読み出し回路は,フレーム期間において,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第1のサンプルホールドトランジスタにより当該蓄積容量の電圧を第1のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第1の積分動作と,再度,前記蓄積容量をリセットした後に電荷を当該蓄積容量に蓄積し,前記第2のサンプルホールドトランジスタにより当該蓄積容量の電圧を第2のソースフォロワトランジスタのゲートに転送する第2の積分動作とを行い,
さらに,前記第1のソースフォロワトランジスタの第1のソース電圧と,前記第2のソースフォロワトランジスタの第2のソース電圧とを合成する出力回路を有するイメージセンサ。 In an image sensor in which multiple photoelectric conversion elements are arranged in an array,
A storage capacitor for storing charges generated by the photoelectric conversion element; a reset transistor for resetting the storage capacitor to a reset potential; first and second sample and hold transistors for transferring a voltage of the storage capacitor; and the sample Read comprising a first and second source follower transistor to which the voltage transferred by the hold transistor is supplied to the gate, and a selection transistor for outputting the source of the first and second source follower transistor to the vertical bus line A circuit corresponding to the photoelectric conversion element,
In the frame period, the readout circuit stores charges in the storage capacitor after resetting the storage capacitor, and transfers the voltage of the storage capacitor to the gate of the first source follower transistor by the first sample and hold transistor. In the first integration operation, after the storage capacitor is reset again, charges are stored in the storage capacitor, and the voltage of the storage capacitor is transferred to the gate of the second source follower transistor by the second sample-hold transistor. A second integration operation,
And an output circuit that synthesizes a first source voltage of the first source follower transistor and a second source voltage of the second source follower transistor.
前記選択トランジスタが,前記第1及び第2のソースフォロワトランジスタに接続される第1及び第2の選択トランジスタを有し,
さらに,前記選択トランジスタの導通に応答して,前記第1及び第2のソース電圧がそれぞれ出力される第1及び第2のバス線を有し,
前記出力回路は,前記第1のバス線に出力される前記第1のソース電圧と,前記第2のバス線に出力される前記第2のソース電圧とを,所定時間ずらして入力し,合成出力を生成するイメージセンサ。 In claim 1,
The selection transistor includes first and second selection transistors connected to the first and second source follower transistors;
And first and second bus lines to which the first and second source voltages are output in response to conduction of the selection transistor, respectively.
The output circuit inputs the first source voltage output to the first bus line and the second source voltage output to the second bus line while shifting them by a predetermined time. An image sensor that generates output.
さらに,前記選択トランジスタを選択する行選択線と,
前記第1及び第2のソース電圧が出力される第1及び第2の垂直バス線と,
前記第1及び第2の垂直バス線を順次選択する第1及び第2の垂直バス選択トランジスタとを有し,
前記出力回路は,順次選択される前記第1及び第2の垂直バス選択トランジスタを介して,前記第1及び第2のソース電圧を所定時間ずらして入力し,合成出力を生成するイメージセンサ。 In the claims,
A row selection line for selecting the selection transistor;
First and second vertical bus lines from which the first and second source voltages are output;
First and second vertical bus selection transistors for sequentially selecting the first and second vertical bus lines;
The output circuit inputs the first and second source voltages with a predetermined time shift through the first and second vertical bus selection transistors that are sequentially selected, and generates a composite output.
更に,前記第1及び第2の列選択トランジスタを介して,各画素の読み出し回路に共通に設けられた第1及び第2の水平バス線と,
前記出力回路の入力端に,前記第1及び第2の水平バス線を順次接続する入力スイッチとを有するイメージセンサ。 In claim 3,
Furthermore, first and second horizontal bus lines provided in common to the readout circuits of the respective pixels via the first and second column selection transistors,
An image sensor having an input switch for sequentially connecting the first and second horizontal bus lines to an input end of the output circuit.
さらに,前記第1及び第2の垂直バス選択トランジスタを,前記所定時間ずらして導通させる垂直バス選択回路を有し,
前記第1の垂直バス選択トランジスタを導通させた時の第1の入力信号と,前記第2の垂直バス選択トランジスタを導通させた時の第2の入力信号とが,ピーク値のほぼ半分の値で重なる程度に前記所定時間ずれて導通させられるイメージセンサ。 In claim 3,
And a vertical bus selection circuit for conducting the first and second vertical bus selection transistors while shifting the predetermined time.
The first input signal when the first vertical bus selection transistor is turned on and the second input signal when the second vertical bus selection transistor is turned on have a value approximately half of the peak value. An image sensor that is made conductive by shifting for a predetermined time to the extent that it overlaps.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005048487A JP2006237944A (en) | 2005-02-24 | 2005-02-24 | Image sensor with reduced noise |
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JP2005048487A JP2006237944A (en) | 2005-02-24 | 2005-02-24 | Image sensor with reduced noise |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011133806A1 (en) * | 2010-04-21 | 2011-10-27 | Semiconductor Components Industries, Llc | Image sensor pixel and method |
US11750942B2 (en) | 2021-07-01 | 2023-09-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor, an imaging device and a method of operating the same |
-
2005
- 2005-02-24 JP JP2005048487A patent/JP2006237944A/en not_active Withdrawn
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WO2011133806A1 (en) * | 2010-04-21 | 2011-10-27 | Semiconductor Components Industries, Llc | Image sensor pixel and method |
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