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JP4734760B2 - 固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感度の異なる複数の画素を備え、奇数フィールド及び偶数フィールドのそれぞれで画素混合して得られる信号電荷を垂直、水平転送レジスタを介して出力部へ転送するための固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法に関し、更に詳しくは、各フィールドの読み出し時、一方の読出し電極電圧がハイレベルのときに他方の読出し電極を含む残りの電極電圧がすべてローレベルとなる期間を有する固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、固体撮像素子を用いた色分解手法の1つに、1枚の固体撮像素子上に配置した3色又は4色のオンチップカラーフィルタで色分解する単板方式がある。単板方式は、図7A及びBに示すようにR,G,Bの3色に色分解する原色系と、Cy(=B+G),Mg(=B+R),Ye(G+R),Gの4色に色分解する補色系とがある。原色系は入射光の波長選択性が高いために色再現性がよいが光の利用効率が低いのに対し、補色系は入射光の波長を広い範囲で有効に利用できるため光の利用効率を高くとることができるといった特徴がある。なお、図7Aは原色系の代表としてベイヤ型配列を、図7Bは補色系の代表として色差順次型配列をそれぞれ示している。
【0003】
上記補色系の色差順次型配列フィルタを用いたCCD固体撮像素子では、図8に示すように奇数(Odd)フィールドと偶数(Even)フィールドのそれぞれで画素混合がなされ、色信号が水平方向において読み出されるようになっている。すなわち、CCDから出力された色差線順次信号は、奇数フィールドにおけるnラインでは、Mg+Ye及びG+Cyの各混合信号、(n+1)ラインではG+Ye及びCy+Mgの各混合信号が読み出され、偶数フィールドにおけるn’ラインでは、G+Ye及びCy+Mgの各混合信号、(n+1)’ラインではCy+G及びMg+Yeの各混合信号が読み出されることになる。
【0004】
図9及び図10に、補色系の色差順次型配列フィルタを用いた固体撮像素子におけるYe,G,Ye,Mg列の任意画素についての垂直転送電極V1〜V4の配置構造(すなわち本例では4相駆動)並びに、奇数フィールド及び偶数フィールドの読み出し時における各転送電極V1〜V4に印加される垂直転送クロックのタイミングチャートの一例を示す。
【0005】
ここでは、電極V1及びV3が読出し電極として構成され、垂直転送クロックφV1及びφV3は3値レベルをとる。すなわち、ハイレベル(以下、Hレベルと記す。)、ミドルレベル(以下、Mレベルと記す。)及びローレベル(以下、Lレベルと記す。)の3値をとり、Hレベルで信号電荷が読み出され、Mレベル及びLレベルの2値で電荷の転送が行われる。これに対して電極V2及びV3に印加される垂直転送クロックφV2及びφV4はMレベル及びLレベルの2値をとり、これらにより電荷の転送が行われる。
【0006】
本例において、奇数フィールドの画素信号の読み出し時は、先に電極V1に隣接する画素の信号電荷を読み出し、次いで電極V3に隣接する画素の信号電荷を読み出し、混合して、垂直及び水平転送レジスタを介して出力部へ転送する。これに対して、偶数フィールドの画素信号の読み出し時は、先に電極V3に隣接する画素の信号電荷を読み出し、次いで電極V1に隣接する画素の信号電荷を読み出し、混合して、垂直及び水平転送レジスタを介して出力部へ転送する。
【0007】
この際、一方の読出し電極V1(又はV3)がHレベルのとき、図示するように他の全ての電極電圧が一定期間Lレベルに固定されるようになっている。これにより、読出し電圧を低減して低消費電力化を図るようにしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の固体撮像素子の駆動方法では、奇数フィールド及び偶数フィールドの間で出力差が生じ、撮像画面上に明暗のちらつきが発生するという問題がある。
【0009】
図11を参照して説明すると、G及びMgに対して光の透過率の高い(感度の高い)Yeのフィルタをもつ画素は、G及びMgのフィルタをもつ画素に比べて蓄積される信号電荷量が多い。ここでは簡単のために、YeとG及びMgとの透過率(感度)の比を2:1として考えると、ある一定の光量を照射してYeの画素の電荷量が飽和に達した場合(これを100とする)、G及びMgの画素に蓄積される電荷量は、50となる。
【0010】
そこで、奇数フィールドの読み出し時は、電極V1に隣接する画素すなわちG及びMgのフィルタをもつ画素に蓄積された信号電荷が先に読み出され、その間の一定期間、他の電極V2〜V4はLレベルに固定されるために、待機中のYeのフィルタをもつ画素のポテンシャル井戸がMレベルとLレベルとのレベル差に相当する分だけ浅くなり(図11中破線で示す位置に上限が低下)、蓄積電荷量が例えば90に摺り切られる。その結果、奇数フィールドの読出し信号は、G(50)+Ye(90)及びMg(50)+Ye(90)となる。
【0011】
これに対して、偶数フィールドの読み出し時には、電極V3に隣接する画素すなわちYeのフィルタをもつ画素に蓄積された信号電荷が先に読み出され、その間の一定期間、他の電極V1,V2及びV4はLレベルに固定されるが、待機中のG及びMgのフィルタをもつ画素に蓄積された信号電荷量は電圧の印加レベルの低下による影響を受けない。その結果、偶数フィールドの読出し信号は、Mg(50)+Ye(100)及びYe(100)+G(50)となり、図9にも示したようにトータル信号量が奇数フィールドよりも偶数フィールドの方が多くなる。このことが原因で、撮像画面上に明暗のちらつきが発生することになる。
【0012】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、フィールド間における出力差をなくして画面のちらつき発生を防止することができる固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法を提供することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の固体撮像素子の駆動装置は、奇数フィールド及び/又は偶数フィールドの読み出しを行う前に、少なくとも先に読み出される画素の電極電圧を所定期間ローレベルに固定する手段を備えたことを特徴とする。
【0014】
また、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、奇数フィールド及び/又は偶数フィールドの読み出しを行う前に、少なくとも先に読み出される画素の電極電圧を所定期間ローレベルに固定することを特徴とする。
【0015】
本発明では、奇数フィールド及び/又は偶数フィールドの読出しを行う前に、少なくとも先に読み出される画素の電極電圧を所定期間ローレベルに固定することにより、例えば透過率の高いフィルタをもつ高感度の画素に蓄積された信号電荷を予め減少させるようにしているので、各フィールド間における信号電荷に出力差が生じることがなくなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0017】
図1は、本発明の実施の形態による固体撮像素子の駆動装置を含むCCD固体撮像素子カメラシステムの要部の構成を示すブロック図である。このシステムはデジタルビデオムービーとして構成され、CCDを用いた固体撮像素子であるCCDイメージャ1と、垂直同期信号VD及び水平同期信号HD等の同期信号を発生する同期信号発生器2と、同期信号発生器2から出力される垂直同期信号VD及び水平同期信号HD等が入力され、CCDイメージャ1の駆動用の各種のタイミング信号を発生するタイミング発生器3と、タイミング発生器3から出力されるタイミング信号が入力され、垂直転送パルス、水平転送パルス及び信号電荷掃き捨て用のシャッタパルス等を与えてCCDイメージャ1を駆動するドライバ4とを備えている。
【0018】
これら同期信号発生器2、タイミング発生器3及びドライバ4により本発明に係る固体撮像素子の駆動装置が構成される。なお、タイミング発生器3は、必要に応じてリセットゲートパルス等のタイミングパルスを直接、CCDイメージャ1に印加するようになっている。また、CCDイメージャ1の出力信号の信号処理系については、その図示を省略している。
【0019】
CCDイメージャ1は、図2に模式的に示すように、二次元的に配列されたフォトセンサからなる複数の画素(受光部)11と、それぞれ一列分の画素11に対し読出しゲート12を介して接続される垂直転送レジスタ13と、垂直転送レジスタ13の終端に共通に接続される水平転送レジスタ14と、水平転送レジスタ14の終端に接続される出力部15とを備えた、いわゆるインターライン転送方式のCCD固体撮像素子として構成される。
【0020】
CCDイメージャ1を構成する固体撮像素子の画素11周辺の断面構造を図3に示す。N型シリコン基板21に形成したP型ウェル領域22の表面に、受光部11を構成するためのN型の不純物拡散領域からなる信号電荷蓄積領域24と、垂直転送レジスタ13を構成するN型の電荷転送領域31及びP+ 型のチャネルストッパ領域34とが形成されている。更に、上記N型の信号電荷蓄積領域24の表面にはP++型の正電荷蓄積領域25が形成され、N型の電荷転送領域31の直下にはスミアの低減を目的としたP+ 型ウェル領域30が形成されている。N型の信号電荷蓄積領域24と電荷転送領域31との間のP型領域は、読出しゲート部35を構成している。
【0021】
また、電荷転送領域31、チャネルストッパ領域34及び読出しゲート部35上に、例えばSiO2 からなるゲート絶縁膜23を介して多結晶シリコン層からなる転送電極32が形成され、これら電荷転送領域31、ゲート絶縁膜23及び転送電極32によって垂直転送レジスタ13が構成される。なお、転送電極32は1層目の多結晶シリコン層及び2層目の多結晶シリコン層から構成されるが、図では1層目の多結晶シリコン層のみを示している。
【0022】
転送電極32の表面には、熱酸化膜からなるシリコン酸化膜26が形成され、その上に金属遮光膜33が形成されている。金属遮光膜33は受光部11の形成領域において選択的にエッチング除去されており、光は、このエッチング除去によって形成された開口を通じて受光部11内に入射される。金属遮光膜33及び受光部11の全面には層間絶縁膜27を介してカラーフィルタ28が形成されており、更にカラーフィルタ28の上にはマイクロレンズ29が形成されている。
【0023】
本実施の形態では、カラーフィルタ28として、Ye,Mg,G,Cyの補色系フィルタが対応する画素毎に例えば図8に示した形態で配列されている。
【0024】
本実施の形態では、上記のように、N型シリコン基板21の表面にP型ウェル領域22を形成すると共に、このP型ウェル領域22内に受光部11を構成するN型の信号電荷蓄積領域24を形成することで、いわゆる電子シャッタ機能付きのCCD固体撮像素子が構成される。すなわち、シリコン基板21に供給される基板電位をシャッタパルスに同期してハイレベルにすることにより、P型ウェル領域22におけるポテンシャル障壁が下がり、受光部11に蓄積された信号電荷(この場合、電子)が上記ポテンシャル障壁を越えて縦方向、つまりシリコン基板21側に掃き捨てられる。これにより、電気的に露光期間が調整される。
【0025】
さて、図4及び図5に、本実施の形態におけるYe,G,Ye,Mg列の任意画素についての垂直転送電極V1〜V4の配置構造(すなわち本例では4相駆動)並びに、奇数フィールド及び偶数フィールドの読み出し時における各転送電極V1〜V4に印加される垂直転送クロックのタイミングチャートの一例を示す。
【0026】
ここでは、電極V1及びV3が読出し電極として構成され、垂直転送クロックφV1及びφV3は3値レベルをとる。すなわち、ハイレベル(以下、Hレベルと記す。)、ミドルレベル(以下、Mレベルと記す。)及びローレベル(以下、Lレベルと記す。)の3値をとり、Hレベルで信号電荷が読み出され、Mレベル及びLレベルの2値で電荷の転送が行われる。これに対して電極V2及びV3に印加される垂直転送クロックφV2及びφV4はMレベル及びLレベルの2値をとり、これらにより電荷の転送が行われる。
【0027】
本実施の形態において、奇数(Odd)フィールドの画素信号の読み出し時は、先に電極V1に隣接する画素(G,Mgのフィルタをもつ画素)の信号電荷を読み出し、次いで電極V3に隣接する画素(Yeのフィルタをもつ画素)の信号電荷を読み出し、混合して、垂直及び水平転送レジスタ13,14を介して出力部15へ転送する。これに対して、偶数(Even)フィールドの画素信号の読み出し時は、先に電極V3に隣接する画素の信号電荷を読み出し、次いで電極V1に隣接する画素の信号電荷を読み出し、混合して、垂直及び水平転送レジスタ13,14を介して出力部15へ転送する。
【0028】
この際、一方の読出し電極V1(又はV3)がHレベルのとき、図示するように他の全ての電極電圧が一定期間Lレベルに固定されるようになっている。これにより、読出し電圧を低減して低消費電力化を図るようにしている。
【0029】
そして、奇数フィールド及び偶数フィールドの読出しを行う前に、先に読み出される画素の電極電圧を所定期間TだけLレベルに固定するようにしている。上記の制御は、ドライバ4によって行われる。
【0030】
なお本実施の形態では、奇数フィールドの読出し時には電極V1だけでなく、電極V2及びV4をもLレベルに固定し、他方、偶数フィールドの読出し時には電極V3だけでなく、電極V2及びV4をもLレベルに固定するようにしている。これにより各フィールド間での対称性を得るようにしている。また各フィールド共に、1つの電極のみLレベルに固定しないのは、垂直転送レジスタ13内の信号電荷の偏りを回避するためである。
【0031】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【0032】
図4を参照して、画素信号の読出しは、奇数フィールド及び偶数フィールドの画素信号がそれぞれで混合されて読み出される。一般に、G,Mgに対して光の透過率の高い(感度の高い)Yeのフィルタをもった画素は、G,Mgのフィルタをもつ画素に比べて蓄積される信号電荷量が多い。簡単のため図6に示すように、YeとG及びMgとの透過率の比を2:1とすると、ある一定の光量を照射してYeの画素の電荷量が飽和に達した場合(これを100とする)、G及びMgの画素に蓄積される電荷量は、50である。
【0033】
そこで、奇数フィールドの読出し時には、電極V1に隣接する画素すなわちG及びMgのフィルタをもつ画素に蓄積された信号電荷が先に読み出され、その間の一定期間、他の電極V2〜V4はLレベルに固定されるために、待機中のYeのフィルタをもつ画素のポテンシャル井戸がMレベルとLレベルとのレベル差に相当する分だけ浅くなり、蓄積電荷量が例えば90に摺り切られる。その結果、奇数フィールドの読出し信号は、G(50)+Ye(90)及びMg(50)+Ye(90)となる。
【0034】
このとき、電極V1に隣接する画素が読み出される前に所定期間Tだけ電極V1がLレベルに固定されるが、これによってG及びMgの信号電荷の読出し量が変化することはない。
【0035】
一方、偶数フィールドの読み出し時には、先に読み出されるYeの画素の読出し電極V3が、読出し前に所定期間TだけLレベルに固定されるため、これによってYeの信号電荷量は飽和量(100)から90に摺り切られる。これに対して、待機中のG及びMgの画素に蓄積された信号電荷量は、電圧の印加レベルの低下による影響を受けない。その結果、偶数フィールドの読出し信号は、Mg(50)+Ye(90)及びYe(90)+G(50)となり、トータル信号量が奇数フィールドのトータル信号量と等しくなる。
【0036】
以上のように、本実施の形態によれば、特に偶数フィールドの電荷の読み出し時に、読出し電極V3をHレベルにする前に所定期間TだけLレベルに固定することによって、Yeの振動電荷を予め減少させ、奇数フィールドと偶数フィールドとの間における出力差をなくすようにしているので、当該出力差を原因とする撮像画面上の明暗のちらつきを防止することができる。
【0037】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0038】
例えば以上の実施の形態では、奇数フィールド及び偶数フィールド共に、その読み出しの前に、先に読み出される画素の電極電圧を所定期間ローレベルに固定するようにしたが、これは各フィールドに読出しタイミングの対称性をもたせる観点から設定したものである。したがって、本質的には、高感度の画素(Ye)が先に読み出されるフィールド(偶数フィールド)にのみ上記制御を行うようにしても、上述と同様な効果を得ることができる。また同様に、読出し電極(V1,V3)以外の電極(V2,V4)もローレベルに固定するようにしたが、先に読み出される画素の電極電圧のみローレベルに固定するようにしてもよい。
【0039】
また、以上の実施の形態では、補色系の色差順次型配列フィルタを用いた固体撮像素子を例に挙げて説明したが、これに限られることなく、例えば特開平9−205589号公報に記載のように、受光部の開口面積によって感度を異ならせた複数の画素からなる固体撮像素子にも本発明は適用可能である。この場合少なくとも、上記開口面積が大きい(感度の高い)画素が先に読み出されるフィールドにおいて、その読出し前に、当該画素の電極電圧を所定期間ローレベルに固定するようにすれば、フィールド間における出力差をなくすことができる。
【0040】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の固体撮像素子の駆動装置によれば、撮像画面上に明暗のちらつきを発生させることなく固体撮像素子を駆動することができる。
【0041】
また、本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、各フィールド間の出力差に起因する撮像画面上の明暗のちらつきを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による固体撮像素子を用いたカメラシステムの構成の要部を示すブロック図である。
【図2】同カメラシステムにおけるCCDイメージャの構成を示す説明図である。
【図3】同CCDイメージャの構造を説明する断面図である。
【図4】同CCDイメージャの任意の画素列における信号読出し作用の説明図である。
【図5】同CCDイメージャを駆動させる垂直クロックパルスのタイミングチャートの一例を示し、Aは奇数フィールドを示し、Bは偶数フィールドを示している。
【図6】本発明の実施の形態の作用の説明図である。
【図7】一般的なオンチップカラーフィルタの配列形態を説明する図であり、Aはベイヤ型配列を示し、Bは色差順次型配列を示している。
【図8】色差順次型配列の固体撮像素子の信号読出し形態を説明する図である。
【図9】従来技術の構成及び作用を説明する図である。
【図10】従来の固体撮像素子用の垂直クロックパルスのタイミングチャートの一例を示し、Aは奇数フィールドを示し、Bは偶数フィールドを示している。
【図11】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
1…CCDイメージャ、2…同期信号発生器、3…タイミング発生器、4…ドライバ、11…画素(受光部)、12…読出しゲート、13…垂直転送レジスタ、14…水平転送レジスタ、15…出力部、21…シリコン基板、24…信号電荷蓄積領域、28…カラーフィルタ、32…転送電極。

Claims (2)

  1. 直交する2軸方向である垂直方向と水平方向とにそれぞれ並ぶ複数の画素と、前記複数の画素に対応するように設けられた補色系の色差順次型配列フィルタと、位相が異なる4相の駆動パルス電圧がそれぞれ印加される第1〜第4の電極であって前記第1の電極にハイレベルの前記駆動パルス電圧が印加されることで前記複数の画素のうち奇数番目の行の画素である奇数行画素の信号の読み出しが可能となり、前記第3の電極にハイレベルの前記駆動パルス電圧が印加されることで前記複数の画素のうち偶数番目の行の画素である偶数行画素の信号の読み出しが可能となる第1〜第4の電極と、前記垂直方向に隣接する2つの画素の信号を混合する混合手段とを有し、前記奇数行画素の信号と前記奇数行画素の下側に隣接する前記偶数行画素の信号とを混合させることで第1のフィールド画素信号を生成し、前記偶数行画素の信号と前記偶数行画素の下側に隣接する前記奇数行画素の信号とを混合させることで第2のフィールド画素信号を生成するCCDイメージャと、
    前記第1のフィールド画素信号の読み出しのために前記ハイレベルの駆動パルス電圧を前記第1及び前記第3の電極の順番でそれぞれ印加し、前記第2のフィールド画素信号の読み出しのために前記ハイレベルの駆動パルス電圧を前記第3及び前記第1の電極の順番でそれぞれ印加する電圧印加手段であって、前記第1のフィールド画素信号が読み出されるときに前記第1、前記第2及び前記第4の電極の電圧を所定の間ローレベルに固定したのちに前記第1の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加し、前記第2のフィールド画素信号が読み出されるときに前記第3、前記第2及び前記第4の電極の電圧を所定の間ローレベルに固定したのちに前記第3の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加する電圧印加手段と
    を具備する撮像装置。
  2. 直交する2軸方向である垂直方向と水平方向とにそれぞれ並ぶ複数の画素と、前記複数の画素に対応するように設けられた補色系の色差順次型配列フィルタと、位相が異なる4相の駆動パルス電圧がそれぞれ印加される第1〜第4の電極であって前記第1の電極にハイレベルの前記駆動パルス電圧が印加されることで前記複数の画素のうち奇数番目の行の画素である奇数行画素の信号の読み出しが可能となり、前記第3の電極にハイレベルの前記駆動パルス電圧が印加されることで前記複数の画素のうち偶数番目の行の画素である偶数行画素の信号の読み出しが可能となる第1〜第4の電極と、前記垂直方向に隣接する2つの画素の信号を混合する混合手段とを有し、前記奇数行画素の信号と前記奇数行画素の下側に隣接する前記偶数行画素の信号とを混合させることで第1のフィールド画素信号を生成し、前記偶数行画素の信号と前記偶数行画素の下側に隣接する前記奇数行画素の信号とを混合させることで第2のフィールド画素信号を生成するCCDイメージャの駆動方法であって、
    前記第1のフィールド画素信号の読み出しのために前記第1、前記第2及び前記第4の電極の電圧を所定の間ローレベルに固定したのちに前記第1の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加し当該印加ののちに前記第3の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加し、
    前記第2のフィールド画素信号の読み出しのために前記第3、前記第2及び前記第4の電極の電圧を所定の間ローレベルに固定したのちに前記第3の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加し当該印加ののちに前記第1の電極に前記ハイレベルの駆動パルス電圧を印加する
    CCDイメージャの駆動方法。
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