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JP5839998B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
特許文献1には、3板式の撮像システムにおいて、画素信号をインタレース方式で読み出しながら、プログレッシブ方式で読み出した場合と同数の画像信号を生成する技術が開示されている。この方法によると、3色の画像信号のうち少なくとも1つは読出動作によって得られた信号がそのまま用いられ、解像度の劣化を抑制できる。
特開平05−041836号公報
しかしながら、3板式の撮像システムは、3つの画素アレイの他、ダイクロイックプリズムのような光学系を更に備えるため、小型化が容易ではない。また、特許文献1の技術を小型化に有利な単板式の撮像システムに適用することは、画素アレイの配列が異なり、容易ではない。
本発明の目的は、単板式の撮像システムを用いて、画像信号をインタレース方式で読み出しながら解像度の劣化を抑制でき、小型化に有利な固体撮像装置を提供することにある。
本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、ベイヤ配列に従った画素アレイ、前記画素アレイから出力される赤及び青色の画素信号のそれぞれを処理する第1信号処理部、前記画素アレイから出力される緑色の画素信号のそれぞれを処理する第2信号処理部、並びに、前記画素アレイ、前記第1信号処理部、及び前記第2信号処理部を制御する制御部を備える固体撮像装置であって、前記制御部は、前記画素アレイから複数の行の画素信号が2行単位で順次出力されるように前記画素アレイを制御し、前記第1信号処理部は、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された赤色の画素信号についての加算処理、及び前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された青色の画素信号についての加算処理を含む第1信号処理を行い、前記第2信号処理部は、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された緑色の画素信号についての加算処理を含む第2信号処理を行い、前記第1信号処理と前記第2信号処理とを、互いに異なるタイミングで行い、前記画素アレイの奇数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記画素アレイの偶数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成し、前記偶数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記奇数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成する、ことを特徴とする。
本発明によれば、単板式の撮像システムを用いて、画像信号をインタレース方式で読み出しながら解像度の劣化を抑制でき、小型化に有利な固体撮像装置を提供することができる。
第1実施形態の構成の一例を説明する図。 タイミングジェネレータの例を説明する図。 画素信号の読出動作の例を説明する図。 プログレッシブ方式の読出動作の例を説明する図。 第1実施形態の説明で用いる画素アレイを説明する図。 プログレッシブ方式の読出動作の例を説明する図。 インタレース方式の読出動作の例を説明する図。 インタレース方式の読出動作の例を説明する図。 本発明の読出動作の例を説明する図。 第2実施形態の構成の一例を説明する図。 増幅器の構成例を説明する図。
<第1実施形態>
図1乃至9を参照しながら、第1実施形態の固体撮像装置1を説明する。固体撮像装置1は、図1に例示されるように、画素アレイ10、第1信号処理部13、第2信号処理部13、及び、これらを制御する制御部20を備えている。画素アレイ10としては、ベイヤ配列(緑、赤、青色の画素101(それぞれG、R、Bと表記)が市松状に配された配列)に従ったものが用いられうる。
各列の画素101のそれぞれから出力される画素信号は、各列に2本ずつ配された垂直信号線102及び102のいずれか一方に出力されうる。垂直信号線102及び102のそれぞれは、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに、それぞれ接続されている。具体的には、赤及び青色の画素信号は、第1信号処理部13に出力され、緑色の画素信号は、第2信号処理部13に出力されうる。ここで緑(赤、青)色の画素信号とは、それぞれ、緑(赤、青)色のカラーフィルタが設けられた画素から出力される信号を意味する。
第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれは、例えば、比較器131、カウンタ132、メモリ133、水平走査回路16を含みうる。制御部20は、例えば、垂直走査回路11、ランプ信号発生器14及び14、カウントクロック発生器15及び15、及びタイミング発生器12、を含みうる。例えば、赤及び青色の画素信号は、第1信号処理部13において、ランプ信号発生器14によって発生したランプ信号を用いて、AD変換が為されうる。比較器131は、垂直信号線102を介して入力される信号(赤及び青色の画素信号)と、ランプ信号発生器14から入力されるランプ信号とを比較しうる。比較器131の出力は、この比較の結果を出力し、例えば、ランプ信号と前記画素信号との大小関係が逆転した時に反転する。カウンタ132は、カウントクロック発生器15からのクロックにしたがって、カウントアップ動作を行い、比較器131の出力が反転した時点でカウントアップを停止しうる。読み出された画素信号に応じたカウント値を得ることによってAD変換が為され、この値は、制御信号mem_tfr1が入力されることによって、メモリ133に記憶されうる。上記のカウントアップ動作については、後に具体的な例を述べる。また、水平走査回路16は、制御信号hst1が入力されることにより、メモリ133のそれぞれに記憶されたカウント値を順に読み出しうる。カウンタ132は、制御信号cnt_rst1が入力されることにより初期値にリセットされ、次の行の画素信号についてのAD変換を開始しうる。第2信号処理部13においては、緑色の画素信号について、第1信号処理部13と同様にして、順次、信号処理が為されうる。
このようにして、第1信号処理部13は、画素アレイ10から出力される赤及び青色の画素信号のそれぞれを処理しうる。同様にして、第2信号処理部13は、画素アレイ10から出力される緑色の画素信号のそれぞれを処理しうる。また、図1においては、第1信号処理部13と第2信号処理部13とを個別に描いたが、これらは同じ領域に配され、その領域の中でそれぞれが個別に動作してもよい。
図2には、制御部20に含まれるタイミング発生器12の構成を説明するブロック図を示す。設定レジスタ121のそれぞれには、図2に例示されるように、シリアル通信によって、任意の設定値を書き込むことができる。パルス生成器122のそれぞれは、設定レジスタ121の設定値に従って、マスタークロック信号mclkにしたがって、各制御信号(cnt_rst1及び2、mem_tfr1及び2、並びに、hst1及び2)を出力しうる。また、タイミング発生器12は、それぞれ独立した設定レジスタ121とパルス生成器122を備えており、各制御信号のパルス波形をそれぞれ個別に変えることができる。例えば、hst1とhst2とは、同じパルス波形にすることもできるし、異なるパルス波形にすることもできる。このようにして、制御部20は、画素アレイ10から複数の行の画素信号が2行単位で順次出力されるように画素アレイを制御しうる。
図3(a)は、画素101の内部の構成の一例を説明する回路図である。図3(b)は、この画素101の画素信号を読み出すための駆動方法の例を示す。まず、選択トランジスタ107を導通状態(制御信号SelをHi状態)にする。次に、リセットトランジスタ105を非導通状態(制御信号ResをLow状態)にし、増幅トランジスタ106のゲート電位をフローティング状態にする。次に、転送トランジスタ104を導通状態(制御信号TxをHi状態)にする。これにより、光電変換素子(例えば、フォトダイオード103)において発生し、蓄積された電荷が増幅トランジスタ106のゲートに転送され、増幅され、画素信号として、垂直信号線102を介して読み出されうる。
ここで、固体撮像装置1のプログレッシブ方式の読出動作の例、及びインタレース方式の読出動作の例を述べる。まず、図4乃至6を参照しながら、プログレッシブ方式の読出動作の例を述べる。図4は、画素信号のプログレッシブ方式の読出動作を示すための各制御信号の入力パターンと、画素信号等の状態の例を表す。例えば、画素信号が読み出された後、ランプ信号の変化と共にカウントアップ動作が開始されている。ランプ信号とこの画素信号との大小関係が逆転し、比較器131の出力が反転した時点のカウンタ値が、制御信号mem_tfrが入力されることによってメモリ133に保持されうる。その後、制御信号hstが入力されることにより、このカウンタ値が読み出され、これによって読み出された画素信号のAD変換が為されうる。その後、カウンタ値はリセットされ、同様にして、次の画素信号の読出し動作が為される。
ここでは、説明の簡略化のため、図5(a)に例示されるように、画素アレイ10のうち8行×2列の16画素について述べる。図5(a)中の「L」は行を示し、「H」は列を示している。図6に例示されるようなタイミングチャートによって、プログレッシブ方式の読出動作が為されうる。読出信号read1乃至8は、画素アレイ10の第1乃至8行目の画素信号を読み出すための信号を示し、図3(b)に例示される一連の動作が為されうる。その他の各制御信号(cnt_rst1及び2、mem_tfr1及び2、並びに、hst1及び2)は、既に述べたものと同様である。
本実施形態においては、垂直信号線102及び102が各列に2本ずつ配されているので、2行分の画素信号を一度に読み出すことができる。したがって、画素アレイ10には、期間T1において、read1及び2が同時に入力されている。同様にして、期間T2において、read3及び4が同時に入力され、期間T3において、read5及び6が同時に入力され、期間T4において、read7及び8が同時に入力されている。
以下、説明の簡易化のため、各画素から読み出された信号について、第L行目の第H列目における緑、赤、又は青色の画素信号を、それぞれGLH、RLH、又はBLHと表して述べる。期間T1において、cnt_rst1及び2が入力され、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれるカウンタ132のそれぞれは、カウント値がリセットされ、カウントアップ動作を開始しうる。その後、read1が入力されることによって、G11、及びR12が読み出されうる。また、read2が入力されることによって、B21、及びG22が読み出されうる。その後、mem_tfr1及び2のそれぞれが入力され、カウンタ132のそれぞれがカウントした結果(カウント値)が、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれるメモリ133のそれぞれに、それぞれ記憶されうる。さらに、その後、hst1及び2のそれぞれが入力され、当該カウント値のそれぞれが、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれる水平走査回路16に、それぞれ出力されうる。
このようにして、期間T1においては、第1信号処理部13によってR12及びB21を読み出し、第2信号処理部13によってG11及びG22を読み出しうる。同様にして、期間T2においては、第1信号処理部13によってR32及びB41を読み出し、第2信号処理部13によってG31及びG42を読み出しうる。また、期間T3においては、第1信号処理部13によってR52及びB61を読み出し、第2信号処理部13によってG51及びG62を読み出しうる。また、期間T4においては、第1信号処理部13によってR72及びB81について信号処理を行い、第2信号処理部13によってG71及びG82について信号処理を行いうる。第9行目以降についても、同様にして、読み出しうる。以上のようにして、画素信号のそれぞれは、図5(b)の2重線の区切りで示されているように、画素アレイ10から2行単位で順次出力され、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれによって読み出されうる。
次に、図5、7及び8を参照しながら、固体撮像装置1のインタレース方式の読出動作の例を述べる。インタレース方式の読出動作は、奇数フィールド及び偶数フィールドの読出動作を順に繰り返すことによって為されうる。奇数フィールドの読出動作は、mを自然数として、画素アレイ10の画素信号を第4m−3、第4m−2、第4m−1、及び第4m行目の4行単位で順次、読み出されうる。偶数フィールドの読出動作は、画素アレイ10の画素信号を第4m−1、第4m、第4m+1、及び第4m+2行目の4行単位で順次、読み出されうる。図7は、画素信号のインタレース方式の読出動作を示すための各制御信号の入力パターンと、画素信号等の状態の例を表す。例えば、第1の画素信号が読み出された後、ランプ信号の変化と共にカウントアップ動作が開始されている。ランプ信号とこの画素信号との大小関係が逆転し、比較器131の出力が反転した時点のカウンタ値は、そのままの状態でリセットされずに、第2の画素信号が読み出されている。その後、次に入力されるランプ信号の変化と共に、再び、カウントアップ動作が開始されている。ランプ信号とこの画素信号との大小関係が逆転し、比較器131の出力が反転した時点のカウンタ値は、制御信号mem_tfrが入力されることによってメモリ133に保持されうる。その後、制御信号hstが入力されることにより、前記カウンタ値が読み出されている。結果、第1に読み出した画素信号と第2に読み出した画素信号とが加算処理されて、AD変換が為されている。
奇数フィールドの読出動作は、図8に例示されるようなタイミングチャートによって為されうる。期間T1において、cnt_rst1及び2が入力され、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれるカウンタ132のそれぞれは、カウント値がリセットされ、カウントアップ動作を開始しうる。次に、read1及び2が同時に入力されている。read1が入力されることによって、G11、及びR12が読み出されうる。また、read2が入力されることによって、B21、及びG22が読み出されうる。続いて、read3及び4が同時に入力され、同様にして、G31、R32、B41、及びG42が読み出されうる。読み出された画素信号のそれぞれは、前述のように、それぞれ加算され、G11+G31、R12+R32、B21+B41、及びG22+G42が得られる。
その後、mem_tfr1及び2のそれぞれが入力され、カウンタ132のそれぞれがカウントした結果(カウント値)が、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれるメモリ133のそれぞれに、それぞれ記憶されうる。さらに、その後、hst1及び2のそれぞれが入力され、当該カウント値のそれぞれが、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに含まれる水平走査回路16に、それぞれ出力されうる。これにより、R12+R32及びB21+B41が第1信号処理部13により読み出され、G11+G31及びG22+G42が第2信号処理部13により読み出される。
同様にして、期間T2において、read5及び6が同時に入力され、続いて、read7及び8が同時に入力され、同様の処理が為されうる。プログレッシブ方式の読出動作では、1行分の画素信号ごとに読出処理が為されている。一方で、インタレース方式の読出動作では、2行分の画素信号について読出処理が為されている。これによって、インタレース方式の読出動作は、画素アレイ10から画素信号のそれぞれを、高速に読み出すことができる。
このようにして、図8に例示されるように、期間T1においては、第1信号処理部13は、R12及びR32、B21及びB41のそれぞれについて読出処理が為される。また、第2信号処理部13は、G11及びG31、G22及びG42のそれぞれについて読出処理が為される。同様にして、期間T2においては、第1信号処理部13は、R52及びR72、B61及びB81のそれぞれについて読出処理が為される。また、第2信号処理部13は、G51及びG71、G62及びG82のそれぞれについて読出処理が為される。第9行目以降の画素信号についても、同様にして、読出処理が繰り返し、為される。
このように、画素信号のそれぞれは、図5(c)の2重線の区切りで示されているように、mを自然数として、画素アレイ10について、第4m−3、第4m−2、第4m−1、及び第4m行目の4行単位で順次、読出処理が為されうる。奇数フィールドの読出動作が為された後、偶数フィールドの読出動作が為されうる。偶数フィールドについては、図5(d)の2重線の区切りで示されているように、画素アレイ10について、第4m−1、第4m、第4m+1、及び第4m+2行目の4行単位で順次、同様にして、読出処理が為されうる。
以上のように、第1信号処理部13は、画素アレイから2行単位の出力が2回行われる度に、出力された赤色の画素信号についての信号処理、及び出力された青色の画素信号についての信号処理を含む第1信号処理を行いうる。同様にして、第2信号処理部13は、画素アレイから2行単位の出力が2回行われる度に、出力された緑色の画素信号についての信号処理を含む第2信号処理を行いうる。
以下では、図9に例示される読出動作(以下、「疑似プログレッシブ方式」という。)を述べる。疑似プログレッシブ方式の読出動作は、第1及び第2信号処理部13及び13のそれぞれに入力される各制御信号が入力されるタイミングが異なっている点でインタレース方式の読出動作と異なる。即ち、インタレース方式の読出動作で為された第1信号処理と第2信号処理とが、異なるタイミングで為される。当該第1及び第2信号処理のそれぞれの時間を1周期として、当該タイミングは、例えば、半周期ずれているとよい。図9に例示されるように、cnt_rst1、mem_tfr1、及びhst1と、cnt_rst2、mem_tfr2、及びhst2とは、入力されるタイミングが半周期分ずれている。
その結果、G11及びG31、G22及びG42のそれぞれについての読出処理と、G51及びG71、G62及びG82のそれぞれについての読出処理とが為される間に、R32及びR52、B41及びB61のそれぞれについての読出処理が為されている。第1及び第2信号処理部13及び13が個々に行う読出処理は、インタレース方式の読出動作において為された動作と同様であるので、説明を省略する。
このようにして、奇数フィールドについての緑色の画像信号が生成されている途中で、偶数フィールドについての赤及び青色の画像信号が生成されうる。この一連の動作が為された後は、同様にして、偶数フィールドについての緑色の画像信号が生成されている途中で、奇数フィールドについての赤及び青色の画像信号が生成されうる。
その後、第1信号処理によって生成された画像信号である第1画像信号に基づいて、例えば、演算部(不図示)において、第1画像補間信号が算出されうる。この演算部は、固体撮像装置1に含まれてもよいし、固体撮像装置1の後に接続されてもよい。同様にして、第2信号処理によって生成された画像信号である第2画像信号に基づいて、第2画像補間信号が算出されうる。その後、第1画像信号及び第1画像補間信号を含む画像信号、並びに、第2画像信号及び第2画像補間信号を含む画像信号が生成されうる。
以上のようにして、単板式の固体撮像装置について、画素アレイの画素情報をインタレース方式で読み出しながら、プログレッシブ方式で読み出した場合と同数の画像信号が生成され、疑似プログレッシブ方式の読出動作が為されうる。また、固体撮像装置1を用いて、制御信号のタイミングを変えることにより、プログレッシブ方式、インタレース方式、及び疑似プログレッシブ方式の中から所望の読出方式を選択することもできる。
<第2実施形態>
図10及び11を参照しながら、第2実施形態の固体撮像装置2を説明する。第1実施形態では、画素アレイの各列にそれぞれ2本の垂直信号線が配されていたが、本実施形態では、図10に例示されるように、画素アレイの各列に1本の垂直信号線102が配されている点が主に異なる。この場合、第1実施形態に比べて読出速度は低下するが、本実施形態においても、以下のように動作させることにより、画素アレイから複数の行の画素信号を2行単位で順に読み出し、第1実施形態と同様の効果を達成することができる。
固体撮像装置2は、垂直信号線102のそれぞれが、増幅器134のそれぞれに接続されうる。図11は、増幅器134の構成例を示す。例えば、後に加算されうる2つの画素信号のうちの一方の画素信号が、増幅器134によって増幅され、制御信号c_tfrをうけて、信号保持部135に含まれる、例えば、第1保持容量(不図示)に保持されうる。信号の増幅は、具体的には、増幅器134の制御信号cf_on及び制御信号amp_rstをHi状態にし、増幅器134のリセット処理を行う。次に、cf_onはHi状態を維持したまま、amp_rstはLow状態にする。その後、in端子から入力されたアナログ信号は、増幅され、out端子より出力されうる。
次に、再び増幅器134のリセット処理が為される。次に、後に加算されうる2つの画素信号のうちの他方の画素信号が、同様にして、信号保持部135に含まれる、例えば、第2保持容量(不図示)に保持されうる。その後、第1及び第2保持容量に保持されたアナログ信号は加算され、水平走査回路16によって順次出力され、所定の信号処理が為されうる。第1実施形態では、読み出された画素信号をAD変換した後のデジタル信号について加算による信号処理が為されたが、本実施形態のように、読み出されたアナログ信号である画素信号についてアナログデジタル変換をする前に為されてもよい。
以上のように、本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を達成することができる。また、本実施形態においても、第1実施形態と同様、制御信号のタイミングを変えることにより、プログレッシブ方式、インタレース方式、及び疑似プログレッシブ方式の中から所望の読出方式を選択することもできる。
以上の2つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途、機能、およびその他の仕様の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。また、上記の各機能ブロックの動作制御は、コンピュータ上で稼動しているOS等が、制御部と共に、または、制御部に代わって、その一部または全部を行ってもよい。
また、以上の実施形態は、カメラに含まれる固体撮像装置について述べたが、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末)も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含みうる。この処理部は、例えば、A/D変換器、および、このA/D変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (6)

  1. ベイヤ配列に従った画素アレイ、前記画素アレイから出力される赤及び青色の画素信号のそれぞれを処理する第1信号処理部、前記画素アレイから出力される緑色の画素信号のそれぞれを処理する第2信号処理部、並びに、前記画素アレイ、前記第1信号処理部、及び前記第2信号処理部を制御する制御部を備える固体撮像装置であって、
    前記制御部は、前記画素アレイから複数の行の画素信号が2行単位で順次出力されるように前記画素アレイを制御し、
    前記第1信号処理部は、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された赤色の画素信号についての加算処理、及び前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された青色の画素信号についての加算処理を含む第1信号処理を行い、
    前記第2信号処理部は、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された緑色の画素信号についての加算処理を含む第2信号処理を行い、
    前記第1信号処理と前記第2信号処理とを、互いに異なるタイミングで行い、前記画素アレイの奇数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記画素アレイの偶数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成し、前記偶数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記奇数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成する、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第1信号処理によって生成された画像信号である第1画像信号に基づいて第1画像補間信号を算出し、前記第2信号処理によって生成された画像信号である第2画像信号に基づいて第2画像補間信号を算出し、
    前記第1画像信号及び前記第1画像補間信号を含む画像信号、並びに、前記第2画像信号及び前記第2画像補間信号を含む画像信号を生成する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記2行単位の出力が2回行われる度に行われる前記赤、前記青、及び前記緑色の画素信号についての信号処理のそれぞれは、前記2行単位の出力によって得られた前記赤、前記青、及び前記緑色の画素信号のそれぞれについての加算処理を含む、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記加算処理は、読み出されたアナログ信号である前記画素信号についてアナログデジタル変換をする前に行う、
    ことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
  6. ベイヤ配列に従った画素アレイ、前記画素アレイから出力される赤及び青色の画素信号のそれぞれを処理する第1信号処理部、並びに、前記画素アレイから出力される緑色の画素信号のそれぞれを処理する第2信号処理部を備え、前記画素アレイから複数の行の画素信号が2行単位で順次出力されるように前記画素アレイが制御される固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記第1信号処理部により、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された赤色の画素信号についての加算処理、及び前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された青色の画素信号についての加算処理を含む第1信号処理を行う第1工程と、
    前記第2信号処理部により、前記画素アレイから前記2行単位の出力が2回行われることで出力された緑色の画素信号についての加算処理を含む第2信号処理を行う第2工程と、を含み、
    前記第1工程と前記第2工程とを、互いに異なるタイミングで行い、前記画素アレイの奇数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記画素アレイの偶数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成し、前記偶数フィールドについての緑色の画像信号を生成する途中で、前記奇数フィールドについての赤及び青色の画像信号を生成する、
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
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