JP7098462B2 - Image pickup device and control method of image pickup device - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関するものである。 The present invention relates to an image pickup apparatus and a control method for the image pickup apparatus.
CMOS撮像装置において、画素の信号を読み出す際に、同じ信号に対するアナログデジタル(AD)変換を複数回行い、さらに加算平均することで、信号に含まれるランダムノイズを抑制するADマルチサンプリング手法が存在する。このADマルチサンプリング手法は、複数回AD変換を行うので、読み出し速度が大幅に低下する課題があった。しかし、最近では、読み出し速度の低下を抑制した手法が登場している。 In a CMOS image pickup device, there is an AD multisampling method that suppresses random noise contained in a signal by performing analog-to-digital (AD) conversion on the same signal multiple times and then averaging the same signal when reading the signal of the pixel. .. Since this AD multisampling method performs AD conversion a plurality of times, there is a problem that the reading speed is significantly reduced. However, recently, a method for suppressing a decrease in reading speed has appeared.
特許文献1では、参照信号比較型のAD変換処理において、nビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返して行う手法が開示されている。特許文献1によると、回数Wが多くなるほどビット精度nを減らすことにより、1回当たりのAD変換時間を短縮し、読み出し速度の低下を抑制している。
しかし、ビット精度nを極端に減らした場合、量子化誤差による偽信号が発生する。さらには、その誤差がW回積分処理されるため、逆に画質の劣化を招いてしまう課題が存在する。 However, when the bit accuracy n is extremely reduced, a false signal is generated due to the quantization error. Further, since the error is W times integrated, there is a problem that the image quality is deteriorated.
本発明の目的は、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制したデジタルの信号を高速に生成することができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus and a control method for an image pickup apparatus capable of suppressing deterioration of image quality due to quantization error and suppressing random noise at high speed.
本発明の撮像装置は、各々が光電変換に基づく信号を出力する複数の画素と、前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部と、前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御部とを有する。 The image pickup apparatus of the present invention is based on the photoelectric conversion by comparing a plurality of pixels, each of which outputs a signal based on the photoelectric conversion, a signal based on the photoelectric conversion, and a reference signal that changes with time. An analog-digital conversion unit that converts a signal from analog to digital, and a gradient of the reference signal and a signal based on the photoelectric conversion are converted from analog to digital according to the amount of random noise contained in the signal based on the photoelectric conversion. It has a control unit that controls the number of times.
本発明によれば、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制したデジタルの信号を高速に生成することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress deterioration of image quality due to quantization error and to generate a digital signal in which random noise is suppressed at high speed.
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を、図1から図7を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による画素10の構成例を示す回路図である。画素10は、フォトダイオード11、転送スイッチ12、フローティングディフュージョン(以下FDという)13、増幅MOSトランジスタ14、行選択スイッチ15、およびリセットスイッチ16を有する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a
フォトダイオード11は、光電変換部であり、光学系を通して入射する光を電荷に変換する。転送スイッチ12は、そのゲート端子に入力される転送パルスPTXに応じて、フォトダイオード11により変換された電荷をFD13に転送する。FD13は、電荷を蓄積するとともに、蓄積した電荷を電圧に変換する。増幅MOSトランジスタ14は、図2の定電流回路22と合わせてソースフォロアとして機能する。増幅MOSトランジスタ14は、そのゲートに接続されるFD13の電圧を増幅し、その増幅した電圧を出力する。行選択スイッチ15は、そのゲートに入力される行選択パルスPSELによって駆動され、そのドレインが増幅MOSトランジスタ14のソースに接続され、そのソースが出力線21に接続されている。
The photodiode 11 is a photoelectric conversion unit, and converts light incident through an optical system into electric charges. The
行選択パルスPSELがアクティブレベル(ハイレベル)となった行選択スイッチ15は、導通状態になり、対応する増幅MOSトランジスタ14のソースが出力線21に接続される。出力線21は、同一列の複数の画素10で共有され、図2の定電流回路22および信号増幅回路23に接続される。リセットスイッチ16は、そのドレインが電源線VDDに接続され、そのゲートに入力されるリセットパルスPRESによって駆動され、FD13に蓄積されている電荷をリセットする。
The row selection switch 15 in which the row selection pulse MOSFET has reached the active level (high level) is in a conductive state, and the source of the corresponding
まず、リセットスイッチ16は、リセットパルスPRESによって、FD13をリセットし、その後、FD13のリセットを解除する。その場合、増幅MOSトランジスタ14は、FD13のリセット解除に基づくN信号を出力線21に対して出力する。
First, the
次に、転送スイッチ12は、転送パルスPTXによって、フォトダイオード11により変換された電荷をFD13に転送する。その場合、増幅MOSトランジスタ14は、フォトダイオード11の光電変換に基づくS信号を出力線21に対して出力する。
Next, the
図2は、本実施形態による撮像装置1の構成例を示す図である。撮像装置1は、CMSO撮像装置であり、2次元行列状に配列された複数の画素10を有する。複数の出力線21は、各列の画素10ごとに設けられる。各列の画素10は、それぞれ、各列の出力線21に接続される。複数の出力線21の各々には、定電流回路22が接続されている。定電流回路22は、図1の増幅MOSトランジスタ14と合わせてソースフォロワとして機能する。増幅MOSトランジスタ14は、FD13の電圧に応じた電圧を出力線21に出力する。複数の画素10は、行単位で、信号を出力線21に出力する。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the
各列の信号増幅回路23は、それぞれ、増幅部であり、ゲイン設定値Gainを変更することが可能であり、各列の出力線21の信号に対して、ゲイン設定値Gainで増幅する。なお、ノイズを低減するためには信号増幅回路23を設けることが望ましいが、必ずしも必要ではない。
Each of the
参照信号生成部31は、時間に応じて変化する参照信号Vramp(図3)を出力する。参照信号生成部31は、出力する参照信号Vrampの傾きを変えることができる。各列の比較器24は、それぞれ、比較部であり、各列の信号増幅回路23から出力された信号と、参照信号Vrampとを比較し、その比較結果信号を出力する。
The reference
ノイズ予測部32は、信号増幅回路23から比較器24に入力されるN信号またはS信号のランダムノイズ量を予測し、予測したランダムノイズ量に応じて、参照信号生成部31が生成する参照信号Vrampを制御する。ランダムノイズ量の予測に使用する情報は、撮像装置1の設定値または条件であり、たとえば、信号増幅回路23のゲイン設定値、温度センサ1012(図7)による撮像装置1の温度情報、または外来ノイズ発生源の駆動情報などである。
また、FD13の容量値が切り替えられる構成の場合には、その容量の設定値情報も、ランダムノイズ量の予測に使用する情報に該当する。また、ノイズ予測部32は、ランダムノイズ量を実際に測定し、参照信号生成部31の参照信号Vrampの傾きを決定してもよく、その構成や方法は、第2の実施形態で説明する。
The
Further, in the case of a configuration in which the capacitance value of the
カウンタ回路25は、カウンタ部であり、基準クロック信号CLKが入力され、CLKを基にアップカウントまたはダウンカウントを行う。また、各列のカウンタ回路25は、それぞれ、参照信号Vrampのレベル変化が開始されると、カウント値のカウントを開始し、各列の比較器24の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを停止する。これらの動作によってAD変換を行う。
カウンタ回路25のカウント値は、信号増幅回路23が出力する信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値を表す。比較器24とカウンタ回路25は、信号増幅回路23が出力する信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部である。
The
The count value of the
まず、画素10は、信号増幅回路23を介して、リセット解除に基づくN信号を出力する。比較器24は、信号増幅回路23が出力するN信号と参照信号Vrampとを比較する。カウンタ回路25は、N信号のデジタル値をカウントする。CDS回路26は、N信号のデジタル値を保持する。
First, the
次に、画素10は、信号増幅回路23を介して、光電変換に基づくS信号を出力する。比較器24は、信号増幅回路23が出力するS信号と参照信号Vrampとを比較する。カウンタ回路25は、S信号のデジタル値をカウントする。CDS回路26は、S信号のデジタル値を保持する。各列のCDS回路26は、それぞれ、S信号のデジタル値からN信号のデジタル値を減算し、画素信号を水平転送メモリ27に出力する。
Next, the
上記の出力線21、定電流回路22、信号増幅回路23、比較器24、カウンタ回路25、CDS回路26は、各列にそれぞれ設けられている。水平転送メモリ27は、各列のCDS回路26の画素信号を保持し、順次、撮像装置1の外部へ出力する。
The
図3は、第1の読み出し動作を示すタイミングチャートである。ここで、「n行目の行選択パルスPSEL」を、添字nを付して「行選択パルスPSEL(n)」と呼ぶ。これは、転送パルスPTXおよびリセットパルスPRESについても同様である。 FIG. 3 is a timing chart showing the first read operation. Here, the "nth row selection pulse PSEL" is referred to as a "row selection pulse PSEL (n)" with a subscript n. This also applies to the transfer pulse PTX and the reset pulse PRES.
時刻t1では、行選択パルスPSEL(n)がハイレベルとなり、n行目の行選択スイッチ15がオンになり、n行目の画素10の各々は、対応する出力線21に接続される。
At time t1, the row selection pulse PSEL (n) becomes high level, the
また、同時刻t1では、リセットパルスPRES(n)がハイレベルとなり、n行目において、リセットスイッチ16は、FD13の電圧をリセットする。その後、リセットパルスPRES(n)がローレベルとなり、n行目において、リセットスイッチ16は、FD13のリセットを解除する。このとき、n行目の画素10は、リセット解除に基づくN信号を出力線21に対して出力する。N信号は、静定時間をかけて出力線21に反映され、信号増幅回路23を経て比較器24に入力される。
Further, at the same time t1, the reset pulse PRES (n) becomes a high level, and in the nth row, the
時刻t2では、参照信号生成部31は、参照信号Vramp1のレベル変化を開始させる。参照信号Vramp1は、図1の参照信号Vrampに対応する。比較器24は、信号増幅回路23が出力するN信号と参照信号Vramp1とを比較し、参照信号Vramp1がN信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t2, the reference
また、同時刻t2では、基準クロック信号CLKの生成が開始される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、N信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t2, the generation of the reference clock signal CLK is started. The
その後、時刻t3では、比較器24は、参照信号Vramp1がN信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。これにより、N信号のAD変換が完了する。カウンタ回路25のカウント値は、N信号のデジタル値を表す。
Then, at time t3, the
時刻t4では、参照信号生成部31は、参照信号Vramp1が所定の電位になると、参照信号Vramp1を初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。
At time t4, when the reference signal Vramp1 reaches a predetermined potential, the reference
時刻t5では、転送パルスPTX(n)がハイレベルとなり、n行目において、転送スイッチ12は、フォトダイオード11により変換された電荷をFD13に転送する。その後、転送パルスPTX(n)がローレベルとなり、n行目において、転送スイッチ12は、フォトダイオード11からFD13への電荷転送を終了する。n行目の画素10は、フォトダイオード11の光電変換に基づくS信号を出力線21に対して出力する。S信号は、静定時間をかけて出力線21に反映される。
At time t5, the transfer pulse PTX (n) becomes high level, and at the nth line, the
また、同時刻t5では、信号RSTがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路25は、各列のCDS回路26に対してN信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、CDS回路26は、N信号のデジタル値を保持する。
Further, at the same time t5, the signal RST becomes high level, and the
時刻t6では、参照信号生成部31は、参照信号Vramp1のレベル変化を開始させる。比較器24は、信号増幅回路23が出力するS信号と参照信号Vramp1とを比較し、参照信号Vramp1がS信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t6, the reference
また、同時刻t6では、基準クロック信号CLKの生成が開始される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、S信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t6, the generation of the reference clock signal CLK is started. The
その後、時刻t7では、比較器24は、参照信号Vramp1がS信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。これにより、S信号のAD変換が完了する。カウンタ回路25のカウント値は、S信号のデジタル値を表す。
After that, at time t7, when the reference signal Vram1 becomes smaller than the S signal, the
時刻t8では、参照信号生成部31は、参照信号Vramp1が所定の電位になると、参照信号Vramp1を初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。
At time t8, when the reference signal Vramp1 reaches a predetermined potential, the reference
時刻t9では、行選択パルスPSEL(n)がローレベルとなり、n行目の行選択スイッチ15がオフになり、n行目の画素10の各々は、対応する出力線21に対して切断される。
At time t9, the row selection pulse PSEL (n) becomes low level, the
また、同時刻t9では、信号RSTがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路25は、各列のCDS回路26に対してS信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、CDS回路26は、S信号のデジタル値から、時刻t5にて保持したN信号のデジタル値を減算し、その減算結果を画素信号として水平転送メモリ27に出力する。水平転送メモリ27は、各列のCDS回路26の画素信号を保持し、順次、撮像装置1の外部へ出力する。これらの動作によって、第1の読み出し動作が行われる。
Further, at the same time t9, the signal RST becomes high level, and the
図4は、第2の読み出し動作を示すタイミングチャートである。時刻t11では、行選択パルスPSEL(n)がハイレベルとなり、n行目の行選択スイッチ15がオンになり、n行目の画素10の各々は、対応する出力線21に接続される。
FIG. 4 is a timing chart showing the second read operation. At time t11, the row selection pulse PSEL (n) becomes high level, the
また、同時刻t11では、リセットパルスPRES(n)がハイレベルとなり、n行目において、リセットスイッチ16は、FD13の電圧をリセットする。その後、リセットパルスPRES(n)がローレベルとなり、n行目において、リセットスイッチ16は、FD13のリセットを解除する。このとき、n行目の画素10は、リセット解除に基づくN信号を出力線21に対して出力する。N信号は、静定時間をかけて出力線21に反映され、信号増幅回路23を経て比較器24に入力される。
Further, at the same time t11, the reset pulse PRES (n) becomes a high level, and in the nth row, the
時刻t12では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNのレベル変化を開始させる。参照信号VrampNは、図1の参照信号Vrampに対応する。参照信号VrampNの傾きは、図3の参照信号Vramp1の傾きのN倍である。以降の説明では、N=2の場合を例に説明する。比較器24は、信号増幅回路23が出力するN信号と参照信号VrampNとを比較し、参照信号VrampNがN信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t12, the reference
また、同時刻t12では、基準クロック信号CLKの生成が開始される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、N信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t12, the generation of the reference clock signal CLK is started. The
その後、時刻t13では、比較器24は、参照信号VrampNがN信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を一旦停止する。カウンタ回路25のカウント値は、N信号のデジタル値を表す。図3と図4のN信号の大きさが同じ場合、参照信号VrampNの傾きは参照信号Vramp1の傾きのN倍であるので、図4のカウンタ回路25のカウント値は、図3のカウンタ回路25のカウント値の1/N(=1/2)となる。傾きがN倍の参照信号VrampNを用いることにより、AD変換時間を1/Nに短縮することができる。
After that, at time t13, when the reference signal VrampN becomes smaller than the N signal, the
時刻t14では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNが所定の電位になると、参照信号VrampNを初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。なお、この時点では、信号RSTは、ハイレベルとはならず、ローレベルを維持する。各列のカウンタ回路25は、カウント値をリセットせずに維持する。
At time t14, when the reference signal VrampN reaches a predetermined potential, the reference
時刻t15では、時刻t12と同様に、参照信号生成部31は、参照信号VrampNのレベル変化を開始させる。比較器24は、信号増幅回路23が出力するN信号と参照信号VrampNとを比較し、参照信号VrampNがN信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t15, similarly to time t12, the reference
また、同時刻t15では、基準クロック信号CLKの生成が再開される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを再開する。これにより、2回目のN信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t15, the generation of the reference clock signal CLK is restarted. The
その後、時刻t16では、比較器24は、参照信号VrampNがN信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。カウンタ回路25のカウント値は、N信号のデジタル値を表す。
Then, at time t16, the
時刻t17では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNが所定の電位になると、参照信号VrampNを初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。
At time t17, when the reference signal VrampN reaches a predetermined potential, the reference
時刻t12よりt17にかけて、N信号のAD変換を2回行い、カウンタ回路25は、2回のAD変換に対応するカウント値を累積してカウントする。1回のAD変換で得られるカウント値は、参照信号Vramp1を用いた場合のカウント値の1/2である。カウンタ回路25は、そのカウントを2回連続して行い、カウント値を累積することで、参照信号Vramp1を用いた場合のカウント値と同等のカウント値を得ることができる。なお、Nが3以上の場合は、AD変換がN回となるように、時刻t15~t17の動作を繰り返す。
From time t12 to t17, AD conversion of the N signal is performed twice, and the
時刻t18では、転送パルスPTX(n)がハイレベルとなり、n行目において、転送スイッチ12は、フォトダイオード11により変換された電荷をFD13に転送する。その後、転送パルスPTX(n)がローレベルとなり、n行目において、転送スイッチ12は、フォトダイオード11からFD13への電荷転送を終了する。n行目の画素10は、フォトダイオード11の光電変換に基づくS信号を出力線21に対して出力する。S信号は、静定時間をかけて出力線21に反映される。
At time t18, the transfer pulse PTX (n) becomes high level, and at the nth line, the
また、同時刻t18では、信号RSTがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路25は、各列のCDS回路26に対してN信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、CDS回路26は、N信号のデジタル値を保持する。
Further, at the same time t18, the signal RST becomes high level, and the
時刻t19では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNのレベル変化を開始させる。比較器24は、信号増幅回路23が出力するS信号と参照信号VrampNとを比較し、参照信号VrampNがS信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t19, the reference
また、同時刻t19では、基準クロック信号CLKの生成が開始される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、S信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t19, the generation of the reference clock signal CLK is started. The
その後、時刻t20では、比較器24は、参照信号VrampNがS信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を一旦停止する。カウンタ回路25のカウント値は、S信号のデジタル値を表す。図3と図4のS信号の大きさが同じ場合、参照信号VrampNの傾きは参照信号Vramp1の傾きのN倍であるので、図4のカウンタ回路25のカウント値は、図3のカウンタ回路25のカウント値の1/N(=1/2)となる。
After that, at time t20, when the reference signal VrampN becomes smaller than the S signal, the
時刻t21では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNが所定の電位になると、参照信号VrampNを初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。なお、この時点では、信号RSTは、ハイレベルとはならず、ローレベルを維持する。各列のカウンタ回路25は、カウント値をリセットせずに維持する。
At time t21, when the reference signal VrampN reaches a predetermined potential, the reference
時刻t22では、時刻t19と同様に、参照信号生成部31は、参照信号VrampNのレベル変化を開始させる。比較器24は、信号増幅回路23が出力するS信号と参照信号VrampNとを比較し、参照信号VrampNがS信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Compを出力する。
At time t22, similarly to time t19, the reference
また、同時刻t22では、基準クロック信号CLKの生成が再開される。カウンタ回路25は、基準クロック信号CLKに同期して、カウント値のカウントを再開する。これにより、2回目のS信号のAD変換が開始される。
Further, at the same time t22, the generation of the reference clock signal CLK is restarted. The
その後、時刻t23では、比較器24は、参照信号VrampNがS信号より小さくなると、比較結果信号Compをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路25は、比較器24の比較結果信号Compが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。カウンタ回路25のカウント値は、S信号のデジタル値を表す。
After that, at time t23, when the reference signal VrampN becomes smaller than the S signal, the
時刻t24では、参照信号生成部31は、参照信号VrampNが所定の電位になると、参照信号VrampNを初期値にリセットし、基準クロック信号CLKの生成が停止する。
At time t24, when the reference signal VrampN reaches a predetermined potential, the reference
時刻t19よりt24にかけて、S信号のAD変換を2回行い、カウンタ回路25は、2回のAD変換に対応するカウント値を累積してカウントする。1回のAD変換で得られるカウント値は、参照信号Vramp1を用いた場合のカウント値の1/2である。カウンタ回路25は、そのカウントを2回連続して行い、カウント値を累積することで、参照信号Vramp1を用いた場合のカウント値と同等のカウント値を得ることができる。なお、Nが3以上の場合は、AD変換がN回となるように、時刻t22~t24の動作を繰り返す。
From time t19 to t24, AD conversion of the S signal is performed twice, and the
時刻t25では、行選択パルスPSEL(n)がローレベルとなり、n行目の行選択スイッチ15がオフになり、n行目の画素10の各々は、対応する出力線21に対して切断される。
At time t25, the row selection pulse PSEL (n) becomes low level, the
また、同時刻t25では、信号RSTがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路25は、各列のCDS回路26に対してS信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、CDS回路26は、S信号のデジタル値から、時刻t18にて保持したN信号のデジタル値を減算し、その減算結果を画素信号として水平転送メモリ27に出力する。水平転送メモリ27は、各列のCDS回路26の画素信号を保持し、順次、撮像装置1の外部へ出力する。これらの動作によって、第2の読み出し動作が行われる。
Further, at the same time t25, the signal RST becomes high level, and the
第2の読み出し動作は、N信号のAD変換とS信号のAD変換をN回ずつ行うことにより、第1の読み出し動作に対して、ランダムノイズの低減効果が高いが、その一方で、発生する量子化誤差も大きくなる。この量子化誤差は、比較器24に入力されるN信号またはS信号のランダムノイズ量が大きければ、誤差の生じる方向もランダムとなり、AD変換を複数回実行し、累積していく過程で期待する値に収束する。
The second read operation has a high effect of reducing random noise with respect to the first read operation by performing the AD conversion of the N signal and the AD conversion of the S signal N times each, but on the other hand, it occurs. The quantization error also increases. If the amount of random noise of the N signal or S signal input to the
一方で、N信号またはS信号のランダムノイズ量が小さく、量子化誤差の生じる方向が一方に揃ってしまうと、AD変換を複数回行う過程で誤差が累積され、偽信号として現れる。 On the other hand, if the random noise amount of the N signal or the S signal is small and the directions in which the quantization error occurs are aligned on one side, the error is accumulated in the process of performing the AD conversion a plurality of times and appears as a false signal.
よって、最適な画質を得るためには、ランダムノイズ量によって、第1の読み出し動作と第2の読み出し動作を切り替え、または第2の読み出し動作のNを決定することで、ランダムノイズを低減しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制する必要がある。ノイズ予測部32は、比較器24に入力されるN信号またはS信号のランダムノイズ量を予測し、予測したランダムノイズ量に応じて、第1の読み出し動作と第2の読み出し動作を切り替え、または第2の読み出し動作のNを決定する。すなわち、ノイズ予測部32は、制御部であり、予測したランダムノイズ量に応じて、N値に対応する、参照信号Vrampの傾きと、AD変換の回数を制御する。
Therefore, in order to obtain the optimum image quality, the random noise is reduced by switching between the first read operation and the second read operation or determining N of the second read operation according to the amount of random noise. , It is necessary to suppress false signals due to quantization error. The
図5は、比較器24に入力される信号を説明するための図である。比較器24は、N信号またはS信号と参照信号VrampNとを比較する。ここで、参照信号Vramp1の基準クロック信号CLKの1周期当たりの電位変化量をΔVclkとすると、参照信号VrampNの基準クロック信号CLKの1周期当たりの電位変化量はN×ΔVclkとなる。また、比較器24に入力されるN信号またはS信号のランダムノイズ量の標準偏差をVrmsとおき、予測に用いる係数をKthとおく。このとき、ノイズ予測部32は、式(1)を満たす自然数Nのうちの最大値Nmaxを決定する。
N×ΔVclk≦Kth×Vrms ・・・(1)
FIG. 5 is a diagram for explaining a signal input to the
N × ΔVclk ≦ Kth × Vrms ・ ・ ・ (1)
撮像装置1は、Nmaxが1の場合には、第1の読み出し動作を行い、Nmaxが2以上である場合には、N=Nmaxの第2の読み出し動作を行う。
When Nmax is 1, the
また、Kthは、比較器24に入力されるN信号またはS信号のランダムノイズの確率密度関数によって様々な値をとるが、目安として実効値のガウス雑音である場合、Kthを√2とすると、量子化誤差による偽信号は極めて無視できる値となる。
Further, Kth takes various values depending on the probability density function of the random noise of the N signal or the S signal input to the
なお、このKthの決定方法は、ランダムノイズの確率密度関数のみならず、ランダムノイズの低減効果を優先するか、または量子化誤差による偽信号の抑制を優先するかのバランスを考慮して決定すると好適であり、上記方法に限られるものではない。 It should be noted that this Kth determination method is determined by considering not only the probability density function of random noise but also the balance between prioritizing the effect of reducing random noise and prioritizing the suppression of false signals due to quantization error. It is suitable and is not limited to the above method.
図6は、ノイズ予測部32の動作を説明するための図である。ノイズ予測部32は、様々な条件におけるランダムノイズ量の標準偏差Vrmsの値を格納したランダムノイズ予測テーブルを基に最大値Nmaxを決定する。参照信号生成部31は、ノイズ予測部32が決定した最大値Nmaxに応じて、参照信号VrampNの制御を行う。
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the
ノイズ予測部32は、信号増幅回路23のゲイン設定値Gainと、撮像装置1の温度情報Tempとを入力し、ランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを出力するランダムノイズ予測テーブルを有する。ランダムノイズ予測テーブルは、出荷時に書き込まれるものとし、その値は、設計値から予想される値でもよく、実測に基づく値でもよい。
The
まず、ノイズ予測部32は、撮影モード・タイミング発生部1006(図7)から信号増幅回路23のゲイン設定値Gainを取得し、温度センサ1012(図7)から撮像装置1の温度情報Tempを取得する。次に、ノイズ予測部32は、ランダムノイズ予測テーブルを参照し、取得したゲイン設定値Gainと温度情報Tempを基に、ランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを決定する。次に、ノイズ予測部32は、ランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを基に、式(1)を満たす自然数Nのうちの最大値Nmaxを算出する。次に、ノイズ予測部32は、算出された最大値Nmaxを基に、参照信号生成部31に対して、参照信号VrampNの傾きと、AD変換回数N(=Nmax)を制御する。
First, the
ノイズ予測部32は、ランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを予測し、予測したランダムノイズ量の標準偏差Vrmsが大きいほど、参照信号VrampNの傾きの絶対値を大きくし、AD変換回数N(=Nmax)を多くする。これにより、撮像装置1は、様々なランダムノイズ量に応じて、ランダムノイズ量を抑制しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制した良好な画質を得ることが可能となる。
The
図7は、本実施形態による撮像装置1を有する撮像システム1000の構成例を示す図である。レンズ部1001は、被写体の光学像を撮像装置1に結像させる。また、レンズ部1001は、レンズ駆動装置1002の制御により、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを行う。メカニカルシャッタ1003は、シャッタ駆動装置1004の制御により、撮像装置1の露光/遮光を制御する。撮像装置1は、上記のように、光電変換により画像信号を生成する。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of an
撮像信号処理回路1005は、撮像装置1により生成される画像信号に対して、各種の補正やデータ圧縮、広ダイナミックレンジ画像を得るための複数の画像の合成処理等を行う。撮影モード・タイミング発生部1006は、撮像装置1と撮像信号処理回路1005に対して、撮影モード指示信号、各種タイミング信号を出力する。
The image pickup
撮影モード・タイミング発生部1006は、撮像装置1に対して、信号増幅回路23のゲイン設定値Gainを出力する。撮像装置1内のノイズ予測部32は、撮影モード・タイミング発生部1006から信号増幅回路23のゲイン設定値Gainを取得する。温度センサ1012は、撮像装置1の温度Tempを計測し、計測した温度情報Tempを撮像装置1に出力する。撮像装置1内のノイズ予測部32は、温度センサ1012から撮像装置1の温度Tempを取得する。
The shooting mode
メモリ部1007は、画像データを一時的に記憶するためのメモリである。全体制御演算部1008は、各種演算と撮像システム1000の全体の制御を行う回路である。記録媒体制御I/F部1009は、記録媒体1010に対して、記録または読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体1010は、画像データの記録または読み出しを行うための着脱可能な半導体メモリである。表示部1011は、各種情報や撮影画像を表示するデバイスである。
The
次に、撮像システム1000の動作について説明する。撮像システム1000は、メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路1005などの撮像系回路の電源がオンされる。次に、撮像システム1000は、レリーズボタンが押されると、撮影動作を開始する。
Next, the operation of the
撮影モード・タイミング発生部1006は、撮像装置1に対して、設定情報を出力し、撮影指示を行う。このとき、ノイズ予測部32は、撮影モード・タイミング発生部1006から得た信号増幅回路23のゲイン設定値Gainと、温度センサ1012から得た温度情報Tempを基に、参照信号VrampNの傾きとAD変換回数N(=Nmax)を決定する。撮像装置1は、参照信号Vrampを用いて、デジタルの画像信号を生成する。
The shooting mode /
撮影動作が終了すると、撮影信号処理回路1005は、撮像装置1により生成された画像信号に対して画像処理する。全体制御演算部1008は、その画像処理された画像データをメモリ部1007に書き込む。そして、全体制御演算部1008は、メモリ部1007に書き込まれたデータを、記録媒体制御I/F部1009を介して、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1010に記録する。なお、撮像システム1000は、図示しない外部I/F部を介して、直接、コンピュータ等に画像データを出力し、画像の加工を行わせてもよい。
When the photographing operation is completed, the photographing
以上のように、撮像装置1は、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制した高速な信号読み出しが可能である。撮像装置1は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
As described above, the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を、図8と図9を参照しながら説明する。図8は、本発明の第2の実施形態による撮像装置1の構成例を示す図である。撮像装置1は、列読み出し回路20と、参照信号生成部31と、ノイズ予測部32と、垂直走査回路33と、画素部100とを有する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the
画素部100は、図2に示すように、2次元行列状に配列された複数の画素10を有する。画素部100は、VOB領域101と、HOB領域102と、開口領域103に分割される。VOB領域101とHOB領域102は、画素10が光学的に遮光された遮光領域(Optical Black領域:OB領域)であり、遮光されている複数の画素10を有する。開口領域103は、画素10がレンズ部1001(図7)から光を受光する領域であり、遮光されていない複数の画素10を有する。
As shown in FIG. 2, the
垂直走査回路33は、画素部100に対して、行選択パルスPSELと、リセットパルスPRESと、転送パルスPTXとを行単位で供給し、画素10の行単位の信号出力動作を制御する。また、垂直走査回路33は、1フレームの読み出し動作において、画素部100の上部から下部にかけて順番に画素10の行を選択する。すなわち、1フレームの読み出し動作では、VOB領域101から読み出しが開始される。
The
列読み出し回路20は、図2にて示された、各列に設けられた複数の定電流回路22と、信号増幅回路23と、比較器24と、カウンタ回路25と、CDS回路26と、水平転送メモリ27とを有する。列読み出し回路20は、画素部100から読み出した画素信号のうち、VOB領域101の画素信号をノイズ予測部32に対して出力し、開口領域103の画素信号を撮像信号処理回路1005(図7)に出力する。
The
ノイズ予測部32は、VOB領域101の画素信号からランダムノイズ量を測定し、参照信号生成部31の参照信号の傾きとAD変換回数Nmaxを決定する。また、撮像装置1は、VOB領域101を読み出す際は、Nの値をN=1とすることで、VOB領域101の読み出し時の量子化誤差を抑制することが可能である。
The
なお、VOB領域101を読み出す際のNの値は、ノイズ予測部32のランダムノイズ量の測定手法、または量子化誤差の測定手法により決められるのが望ましく、上記値に限られるものではない。例えば、VOB領域101の画素信号の頻度を観測し、量子化誤差が発生するほど頻度が集中する性質を利用して、量子化誤差を簡易的に測定することも可能であり、その場合はNの値を1より大きな値に設定してもよい。
The value of N when reading the
また、本実施形態では、ノイズ予測部32は、撮像装置1内にあるとしているが、VOB領域101の画素信号をモニタできるのであれば、図7に示した撮像信号処理回路1005内にあってもよい。その場合は、撮像信号処理回路1005で決定したNmaxの値を撮像装置1に対して出力することで、撮像信号処理回路1005は、撮像装置1内の参照信号生成部31を制御する。
Further, in the present embodiment, the
図9は、1フレームの読み出し動作を示すフローチャートである。1フレームの読み出しが開始されると、ステップS901では、ノイズ予測部32は、参照信号生成部31に対して、N=1を設定する。垂直走査回路33は、VOB領域101の画素行を選択して読み出しを行う。VOB領域101の画素は、N信号とS信号を順に出力する。このとき、参照信号生成部31は、図3のように、比較器24に対して、参照信号Vramp1を出力する。列読み出し回路20は、VOB領域101のN信号とS信号を順にAD変換し、VOB領域101の画素信号をノイズ予測部32に出力する。
FIG. 9 is a flowchart showing a read operation of one frame. When the reading of one frame is started, in step S901, the
ステップS902では、ノイズ予測部32は、VOB領域101の画素信号からランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを測定し、式(1)を用いて、NmaxをN値として決定し、参照信号生成部31を制御する。ノイズ予測部32は、NmaxをN値として、参照信号VrampNの傾きと、AD変換回数を制御する。
In step S902, the
ステップS903では、垂直走査回路33は、HOB領域102と開口領域103を画素行単位で順に選択して読み出しを行う。このとき、参照信号生成部31は、比較器24に対して、制御後の参照信号VrampNを出力する。撮像装置1は、参照信号VrampNを用いて、制御後のAD変換回数だけ、HOB領域102と開口領域103のN信号とS信号をAD変換し、HOB領域102と開口領域103の画素信号を生成する。これらの動作により、1フレームの読み出し動作が完了する。
In step S903, the
以上のように、ノイズ予測部32は、開口領域103を読み出す直前に、VOB領域101の画素信号を用いてランダムノイズ量の標準偏差Vrmsを実際に測定することにより、より正確にランダムノイズ量を把握し、最適なNmaxを決定することができる。これにより、撮像装置1は、ランダムノイズ量を抑制しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制した良好な画質を得ることができる。
As described above, the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
1:撮像装置、10:画素、23:信号増幅回路、24:比較器、25:カウンタ回路、26:CDS回路、27:水平転送メモリ、31:参照信号生成部、32:ノイズ予測部 1: Image pickup device, 10: Pixel, 23: Signal amplification circuit, 24: Comparator, 25: Counter circuit, 26: CDS circuit, 27: Horizontal transfer memory, 31: Reference signal generation unit, 32: Noise prediction unit
Claims (12)
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部と、
前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御部と
を有することを特徴とする撮像装置。 Multiple pixels, each of which outputs a signal based on photoelectric conversion,
An analog-to-digital conversion unit that converts a signal based on the photoelectric conversion from analog to digital by comparing the signal based on the photoelectric conversion with a reference signal that changes with time.
It is characterized by having a control unit that controls the inclination of the reference signal and the number of times the signal based on the photoelectric conversion is converted from analog to digital according to the amount of random noise included in the signal based on the photoelectric conversion. Imaging device.
前記制御部は、前記ゲイン設定値に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の撮像装置。 It further has an amplification unit that amplifies the signal based on the photoelectric conversion at the gain set value.
One of claims 1 to 3, wherein the control unit controls the slope of the reference signal and the number of times the signal based on the photoelectric conversion is converted from analog to digital according to the gain set value. The image pickup apparatus according to item 1.
前記制御部は、前記アナログデジタル変換部が前記遮光されている画素の前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換した値に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御し、
前記アナログデジタル変換部は、前記制御部により制御された参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数で、前記遮光されている画素の前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The plurality of pixels have a light-shielded pixel and a non-light-shielded pixel.
The control unit determines the inclination of the reference signal and the signal based on the photoelectric conversion according to the value obtained by converting the signal based on the photoelectric conversion of the light-shielded pixel from analog to digital by the analog-digital conversion unit. Control the number of conversions from analog to digital,
The analog-to-digital conversion unit converts a signal based on the photoelectric conversion of the shaded pixel by the inclination of the reference signal controlled by the control unit and the number of times the signal based on the photoelectric conversion is converted from analog to digital. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the image pickup device is converted from analog to digital.
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較する比較部と、
前記比較の結果に応じて、カウント値のカウントを行うカウンタ部とを有し、
前記カウンタ部のカウント値は、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換した値を表すことを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の撮像装置。 The analog-to-digital conversion unit is
A comparison unit that compares a signal based on the photoelectric conversion with a reference signal that changes with time.
It has a counter unit that counts the count value according to the result of the comparison.
The image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the count value of the counter unit represents a value obtained by converting a signal based on the photoelectric conversion from analog to digital.
前記アナログデジタル変換部は、前記リセット解除に基づく信号と、前記参照信号とを比較することにより、前記リセット解除に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1~10のいずれか1項に記載の撮像装置。 Each of the plurality of pixels outputs a signal based on reset release,
Any of claims 1 to 10, wherein the analog-to-digital conversion unit converts a signal based on the reset release from analog to digital by comparing the signal based on the reset release with the reference signal. The image pickup apparatus according to item 1.
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する変換ステップと、
前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。 It is a control method of an image pickup apparatus having a plurality of pixels, each of which outputs a signal based on photoelectric conversion.
A conversion step of converting a signal based on the photoelectric conversion from analog to digital by comparing the signal based on the photoelectric conversion with a reference signal that changes with time.
It is characterized by having a slope of the reference signal and a control step of controlling the number of times the signal based on the photoelectric conversion is converted from analog to digital according to the amount of random noise included in the signal based on the photoelectric conversion. Control method of the image pickup device.
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