JPH0270181A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH0270181A
JPH0270181A JP1160801A JP16080189A JPH0270181A JP H0270181 A JPH0270181 A JP H0270181A JP 1160801 A JP1160801 A JP 1160801A JP 16080189 A JP16080189 A JP 16080189A JP H0270181 A JPH0270181 A JP H0270181A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野) 本発明は高速シャッタ動作を伴う固体撮像装置の5動力
式に関する。
〔従来技術とその問題点〕
固体撮像装置は従来の撮像管に比べ、小型、軽−畦、高
信頼性、特性面では図形歪がなく、残像が小さく、・尭
げきかない等の多くの利点を有していルタメ、ITV 
、家庭ビデオカメラ用として広く使用され始めており、
特に最近では銀塩フィルムを弔いない、いわゆる電子カ
メラへの応用も考えられている。
しかるに従来の固体撮像装置は例えばNTSC標準方式
に適合させるように駆動されており、従って固体撮像装
置の画素数を全て再生するために1は、上記成子カメラ
のシャッタi 1/30秒以上開口させなけれ・ばなら
ないことになる。しかし通常シャッタ速度が1/30秒
の場合は例えば三脚で固定するなどして撮像しない限り
、手振れがおこる。そのため1/30秒以下での高速シ
ャッタ撮像を可能にするためには、読出し周波数を高く
して1フレ一ム時間の短縮で図る必要があるが、現在の
500(垂直) X 400 (水平)画素のセンサに
おける読出し周波数:i、7.161’vfHzであり
、これを2陪の1432MHzにできたとしても、シャ
ッタ速度は高々1/60秒にしかならなAo一方、カメ
ラとしてのシャッタ速度は1/1000秒程Vまで必要
であり、このような高速シャッタ動作を満足させるには
上記読出し周波数は240MHzとなってしまい、固体
撮像装置の駆動、信号処理が極めて困難となる。
このため従来の方式で高速シャッタ1像を行なおうとす
る揚台はインターレス撮像を行わずに撮像せざるを得す
、その結果画素数は垂直方向において半分になってしま
い、解像度が大幅に低下する。
以上の事項を図面を参照してもう少し詳しく説明する。
第1図はよく知られているインターライン転送方式のC
CD (以下IT−CCDと称す)の、溝戎テ示す。
このIT−CODは例えばホトダイオード(以下PDと
称す)で形成されたMX2N個の感光部(”l 1 +
 ”11 rP12 r P;2+ ”+3 + ”’
 + PIN +PIN + P21 +P21 t 
”u、”221 ”231”’ IP2N、P、二、・
+ PMl + p、、 l ”M2 + ”Mt r
 2M3 +・・r ”MN 1 ”MN )(以下P
i、Pi’で代表する)と、この感光部(Pi。
Pi’)で光電変換されて蓄積された信号電荷を読出す
ための垂直CCD (C,、C2,・・・CM)が図示
の如く水平方向に交互に配列されている。そして垂直C
CD(C4,C2,・、CM)の信号電荷は1段ごとに
水平CCDシフトレジスタ(1)に転送され、水平有効
期間において水平CCDシフトレジスタ(1)内を転送
さまた後、順次出力部12)より読出される0ここで垂
直CCD(C8,C2,・・・l ”M )  におけ
る垂直方向転送段数は感光部(Pi、Pi’)の垂直方
向画素数の半数である。
通常のテレビジョン標準方式においては1フレームば2
フイールドより構成され、インターレス走査を行ってい
る。従ってIT−CCDでもこれに適合した撮像動作を
行っている。すなわち先の2フイールドiA 、Bフィ
ールドとすると、Aフィールドでは垂直方向に連伏して
設けられた2個のPD(P12.P+:) 、 (P1
21 ”+2) l−、(P+s、 PIN) + (
P2、+P21)+(P2tr P22 ) + 、”
 r (”zN + PtN ) + ”’ r (”
lJ+ + ”M+) + (PM21PM2′) +
 ”’ + (PMN l ”MN )で蓄積された信
号電荷が合せて読出され、Bフィールドでは、Aフィー
ルドで読出された2個のPD(Pi、Pi )  に対
して空間的に垂直方向に180度位相の異なる連続した
2個のPD (P、LP、□)、(P+t、P+s)、
−、(P21.P 2□)、ω22 + ”23 ) 
+”’(”)j l’+ PM□) + (P)421
2M3 )置・で蓄積された信号電荷が合せて読出され
る。このような信号電荷転送モードはフィールド蓄積モ
ードと呼ばれる。この場合、垂直方向においてA、Bフ
ィールドで読出される信号の空間的位相が180度異な
るため、感光領域全域からは2NXM個のサンプル点が
得られる。
なおPD(Pi 、 Pi )から垂直CCD(C,・
C2パ°・CM)への信号電荷転送はPDと垂直CCD
との間に設けられたフィールドシフトゲート(以下FS
Gと呼ぶ)(4)にパルス磁圧を印加して行う。
第2図(a)は第1図+7) IT−CCDニオはルF
SG(4)ニ印加するシ圧波形を、第2図(b)は信号
出力波形を、第2d(c)は高速シャッタ時のシャッタ
開閉を各々示す。すなわち第21図(alに示すように
FSG (41に高レベル底圧VHが印加されている同
にPDに蓄積すれている信号電荷が垂直CODへ移動さ
れ、第2図(blに示すように例えばAフィールド期間
で蓄積された信号電荷が出力部(2)よりBフィールド
期間に読出される。この信号出力を8人とすると、Bフ
ィールドでPDに蓄積された信号電荷による信号出力S
Bは1フイ一ル°ド期間遅れて続いて読出される。
この扇合第1図で説明しiように全てのPDでAフィー
ルド期間で蓄積された信号な荷が全て垂直CCDに移動
された後新たにBフィールドでの信号蓄積が行われる。
従って第2図(b)に示すようにBフィールドでの信号
出力SBが辱られるためには、Bフィールド期間に何ら
かの光入力が必要である。
しかるに第2図(c)に示すように例えば1/1000
秒だけ光学シャッタが開きその間だけ光入力があるよう
な高速シャッタ動作においては、Aフィールド信号出力
SAは得られるがBフィールド信号出力SBは傅らルな
いこと、/こなる。これは第1図で説明したところの感
光領域全域から2NXM個のサンプル点が得られず、高
速シャッタ動作でi N X M個のサンプル点しか得
られないこと全意味する。
従って高速シャッタ動作では前述したように垂直方向の
画素数が半分になり、解像度が大幅に低下してしまう。
以上述べたように、従来の方式で解像度を低下させずに
高速シャッタ動作を行うとしても高々1/60秒までし
かできず、これ以上の高速シャッタ動作を行おうとする
と、解像度が大幅に低下してしまい、実用に供すること
ができない。
〔発明の目的〕
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、解像度を低下
させることなく高速シャッタ動作を可能とした固体撮像
装置の駆動方式を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明は固体撮像装置への入射光像の通過金制到するた
めの光学シャッタの開口期間を、感光部に蓄積された信
号電荷を読み出し部に同時に転送せしめる動作の前後に
2いて、同じ期間だけ設けるようにしたことを特徴とす
る0 〔発明の効果〕 このようにした本発明によれば、信号電荷の読み出し部
への転送動作の前及び後で感光部で信号電荷が発生・蓄
積されるため出力部からはその両方の信号電荷が読み出
されることとなり、かつ1/1000秒程度の高速シャ
ッタ動作が容易に達成されるため、特に成子カメラにと
って極めて有効となる。
〔発明の実施例〕
以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明の固体撮像装置における駆動方式の一実
施例を示す図で、第1図(a):r’f、フィールドシ
フトゲ−) (F’SG)に印加する・成田波形を示す
すなわち第1図に示したIT−CCDのFSG (41
に高レベル電圧vHを印加することによりPD (PI
 、P+ )に蓄積された信号電荷全垂直CCD (C
,、C,、、、、、CM)に移動せしめる。
ここで、例えばビデオカメラのように連続して各フィー
ルドの画像信号を得る場合は上記VH印加パルスは1フ
イールド毎に繰返し印加されるが、ル子カメラに2いて
は瞬時の画像を撮像するため、第1図(33に示すよう
に少なくとも2個でよい。また印加パルス幅Ts14 
P Dから垂直C’CDへの信号電荷移動期間で、1μ
〜10μ秒である。
第1図(blはシャッタ開口期間を示す。この実施例に
よ仇ば本図に示すように、高レベル成圧VH保持期間に
またがる期間Toだけ開口させる。この期間Toは例え
ば1/1000秒(1m秒)である。ここで、シャッタ
が開口してTo/2期間後、即ち開口期間の中心時期を
第1図(alO高レベし電圧保持期間Tsの終端に一致
させることが望ましい。これは、第1図(alで示した
高レベル電圧印加期間にもPDに光照射があり、この光
照射によって発生した信号4荷が高レベル電圧印加期間
に垂直CCDに流入するからである。
このように高レベル電圧vHの終端を中心fc Lで、
その前後にTo/2ずつ開口せしめることにより、前半
の開口期間To /2でPDに発生し蓄積された信号電
荷は高レベル威圧Vo[Iolの印加により垂直CCD
に移送され、後半の開口期間To / 2でFDに発生
し蓄積された信号電荷は、次の高しペルシ圧VH(11
3の印加によシ垂直CC’Dに移送される。その結果信
号出力は第1図(C)l/c示すようにAフィールドの
信号SAとBフィールドの信号SBの両方が得られるこ
とになる。
ここで上述のようにシャッタ開口期間の中心が高しペル
シ圧■Hの終端に一致しているため、Aフィールド、B
フィールドにおける光照射期間は一致しており、従って
信号出力SAとSBのレベルば1ぼ同じである。
このようにFSGへ印加する高レベル電圧■H保持期間
にまたがるようにシャッタを開口させて光入射を行うと
いう全く新規な方式を採用することにより、例えば1/
1000秒という高速シャッタ動作を必要とする場合に
おいてもA 、 B’両タフイールド信号を出力するこ
とができる。従って解像度を低下させることなくシ子カ
メラに適用することができる。
尚、上述したとうシVH印加パルスの終端時点とTo 
/2時点を完全に一致させることが望ましいが、■H印
加パルスの幅Tsは1μ秒程度であるため、シャッタ開
口期間Toを例えば1/1000秒(1m秒)とすると
、Tsはシャッタ開口時間Toの0.1%程度と極めて
短い。よってVH印加パルスの終端とシャッタ開口期間
の中心は多少のズレがあってもさしつかえない。
第4図は本発明の他の実施列を示すもので、第4図(a
)はFSGに印加する電圧波形、第4図fb)はシャッ
タ開口期間、第4図(C)は信号出力を夫々示す。
本実施例の場合は第4図(blに示されているように、
ンヤツタ開口はToの期間のうちのTIの期間に行われ
る。そしてこの期間TIはvH印・)0パルス00の前
後に位置する。言い換えればToの期間中のシャッタ閉
期間TM内にVH印加パルス00が位置する。
そして、$1のシャツタ開期間12においてPDに発生
し、蓄積された信号電荷がvHパルスaOの印加によっ
て垂直CODに移送され、その後第2のシャツタ開期間
t131においてPL)に発生・蓄積された信号4荷が
VHハルスαDの印刀口によって垂直CCDに移送され
る。従って出力信号は第4図(clのように、兆、SB
の両方が得られる。
この実施例によればシャッタ閉期間TM金設け、この期
間内にVHパルス印加(すなわちPDから垂直CCDへ
の信号電荷の移送)を行っているので、先の実施列のよ
りなりHパルス印加期間内の光入射による問題もなく、
またVHパルス印加は期間TM内(C位置しておれば・
よいため、シャツタ開口と■Hパルスの時間位相のズレ
の許容範囲も大きくとれるという利点がある。
ここでシャッタ速度は、第1のシャッタ開口期間qzの
始点から第2のシャッタ期間113の終点までの期間(
To)に相当する。
このように本実施夕1jにおいても先の実施例と同様、
解像度を低下させることなく、高速シャッタ動作が可能
となる。
以上説明したように本発明によれば高速シャッタ動作金
高解像度で達成させることができるが、本発明は水平解
像度を向上させる方式においても極めて都合良く適用す
ることができ、以下これについて説明する。
第5図(a)は、第1図に示したIT−CCDにおける
一部の画素部分を示すもので、図において(15−1)
(15−2) 、(15−3)・・は画素を示す。これ
らの画素は、本図で示すようにその全てが光入射(C対
する有効領域ではなく、図中実線で示された開口部(1
6−1) 。
(16−2) 、(16−3)・・のみが有効領域であ
る。上記の水平方向解像度を向上させる方式とは、この
点に着目して、固体撮像素子チップ基板を再生画像上で
水平方向に対応する方向に、入射像llc対して相対的
に1フレ一ム期間を1周期として振動させる方式である
。すなわち第5図(b)は固体撮像素子チップの撮動モ
ードの一例を示し、この例によればチップはX軸方向(
水平方向)に三角波状に撮動される。ここでAフィール
ド、Bフィールドの各フィールドでPDに蓄積された信
号電荷は、垂直ブランキング期間中の任意の期間に垂直
CCDに移動されるが、この移動期間と上述の固体撮像
チップ基板の撮動中心(第5図(b)中のA、B、C・
)とが同期される。
その結果ダ]えばAフィールドにおいて光入射に対する
有効領域が例えば第5図(a)の実線で示された開口部
(16−1) 、(15−2) 、(16−3)  の
位置にあったとすると、Bフィールドではこれらの開口
部は第5図(a)中の点線で示す位置(17−1) 、
(17−2)、(17−3)・に移動し、これらの位置
で光入射による信号電荷の発生・蓄遺が行われることに
なる。これはとりもなおさず水平方向において1画素内
に2つのサンプル点が存在するため実効的に画素数が2
@になったことを意味し、これによって水平方向の解像
度が2倍に同上されることになる。
このような方式に本発明を適用するには、第6図に示す
ようにすればよい。すなわち第6図(a)。
(b)は第1図(aj 、 (blと全く同様のFSG
への印加信号とシャッタ開口期間を示し、第6図(C)
が上記振動の様子を示す。第6図(C)からも明らかな
ようにシャッタ開口期間Toの中心(多少のズレは許容
できる)が振動の中心になるように固体撮像チップ基体
が水平方向に振動される。なお第6図(dlは第1図f
c)と全く周環の出力信号図である。
このようにすることにより垂直方向の解像度はもとよシ
、固体撮像チップ基板を水平方向に振動させることによ
って水平方向の解像度をも向上させることができ、高速
シャッタ動作時でも垂直水平両方向の高解像度化が達成
される。
なお本実施例における固体、撮像チップ基板の移動は三
角波状の場合であるが、正弦波状2台形状。
階段状の変化でもよい。
第7図は第6図の変形例を示す。第7図(a)、 (b
lは第6図(al 、 (blと同、猥に、FSGへの
印加電圧とシャツタ開口を各々示し、第7図(C)は振
動モードを示す。すなわち第6図の場合は固体撮像チッ
プ基板はシャッタが開口している期間のみ振動するよう
にしたが、第7図の場合は、第7図(C)かられかるよ
うに、シャッタ開口以前に振動を開始させ、シャッタが
閉じられた以後もこの振動が持続するようにしている。
このようにすれば振動が安定した状態でシャツタ開口を
行うことができ、シャッタ開口期間の中心と撮動中心と
を一致させるのが容易となる。また仮にシャッタ開口期
間の中心と振1中心との間(C第7図(d)(シャッタ
開口期間内を実線で、それ以外を点線で示す)に示すよ
うに多少のズレが生じたとしても、出力信号S入とSB
とで再生される各画素内で各々2個存在する見かけ上の
空間的画素内感度分布の重なりが犬きくなることによる
若干の解像度劣化が生ずるだけに止まり、横スジ発生に
は至らない。
第8図は第6図の他の変・杉例を示す。すなわちこの方
式は上述のシャッタ開口期間中、固体撮像チップ基板を
入射光学像に対して相対的に一方向に移動させるように
したものである。
例えばシャッタ開口期間Toにおいて画素(15−1)
 。
(15−2) 、 I’15−3)・・・の水平ピッチ
をPM1開口水平方向長をLA、固体撮像基板の移動速
度をVBとしたとき、 の関係で撮像基板を移動させる。その、造果、画素(1
5−1) 、 (15−2) 、 (15−3)・・の
開口部(16−1) 、 (16−2) 。
(16−3)・は、シャッタ開口期間の終端で、図示点
線で示す如く、元の開口部と接する位置まで移動される
。このよう;Cすれば撮像チップ基板の移動に関してシ
ャッタ開口期間との時間位相のズレを考麗する必要がな
くなるため、第7図において述べた位相ズレによる解像
度劣化の心配はなくなる。
なおシャッタ速度が変化した場合は上記VBをそれに応
じて変化させればよい。
第9図は前述した撮像チップ基板振動方式に本発明を適
用する場合の他の列を示す図である。
纂9図(at 、 (b)は第4図fa) 、 (b)
と同一の図で、第9図fc)が振動モードを示す図であ
る。すなわち第9図iclのように、第1のシャッタ開
口期間(12でIdチップ基板は第1の所定の位置に静
止せしめ、シャツタ閉期間TMでチップ基板を振動(移
動)して、第2のシャッタ開口期間(131で第2の所
定の位置に静止tしめる。ここで移動用@dは、第5図
で説明した各画素内に2つのサンプル点を形成する方法
により定められる。また上述のように撮像基板チップの
移動はシャッタ閉期間TM内で行われるが、To<TM
が満足される限りシャツタ開口とチップ基板の時間位相
のズレ1d問題とならなIA。
以上詳しく説明したように本発明は近時注目をあびてき
たいわゆるシ子カメラに極めて有用であるが、本発明に
お叶る固体撮像チップ基板は第1図に示したIT−CC
Dに限定されるもので−°はなく、各画素の感光部に発
生した信号載荷が任意の期間蓄積された後、同時に炉出
部に移動されるものであれば何でもよく、例えば光導濾
膜で光電変換を行ない信号電荷読出しを従来の固体、゛
最像素子で行ういわゆる2階建センサ等にも適用できる
。また第1図ではPDが垂直方向に一列に配列されtも
せしめた場合について説明したが、この前後に複数個の
■Hパルスが印クロされても何ら本発明の効果は損なわ
れない。
また本発明は固体囁像チップ基板金1個、2個あるいは
3個用いてカラー撮像を行うシ子カメラにも適用でき、
2枚、3枚式シ子カメラにおいては本発明と絵素ずらし
法を共用することにより更に高解像度の画像を得ること
もできる。
さらに本発明の説明では2次元のセンサについて述べた
が、1次元センサに対しても高解像度化ができる。
また第1図のI’I’−CCDは垂直方向のPD数が垂
直C(?Dの段数の2倍のものについて示したが、本発
明は垂直方向のPD数と垂直CCDの段数が同じものに
ついても適用できる。
又、実施例では固体撮像チップ基板を再生画像上で水平
方向に対応する方向に相対的に移動せしめた場合につい
て説明したが、斜め方向に移動せしめる場合(Cついて
も適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図はインターライン転送方式CCDの概略構成図、
第2図は第1図に示したCODを用いて高速シャッタ動
作を行なう場合の問題点を説明するための図、第1図は
不発明の固体撮像装置の駆動方式の一実施例を示す図、
第4図は本発明の固体撮像装置の駆動方式の他の実施例
を示す図、第5図乃至第9図は本発明の詳細な説明する
ための図である。 PII + Pll * PI3 + Pll + ”
’ * PMN + P≦:感光部CI + ”2 *
・・・、CM:垂直CC’D(1):水平CCDシフト
レジスタ (2):出力部 (4):フィールドシ7トゲート

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板上に1次元もしくは2次元的に配列さ
    れた感光部を有し、この感光部において光電変換された
    後蓄積された信号電荷を読み出し部に同時に転送せしめ
    て読み出す間、前記感光部が次につながる期間の光照射
    による信号電荷の蓄積動作を行う固体撮像装置と、この
    固体撮像装置に任意の期間入射光学像を照射するための
    光学シャッタとを備え、前記蓄積された信号電荷を前記
    読み出し部に同時に転送させる動作の前後において、前
    記光学シャッタを同じ期間開口させるようにしたことを
    特徴とする固体撮像装置の駆動方式。
  2. (2)前記光学シャッタの開口期間は、前記感光部に蓄
    積された信号電荷を前記読み出し部に転送させるための
    制御パルス信号の終端を中心としてその前後に連続して
    同じ期間だけ設けられることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の固体撮像装置の駆動方式。
  3. (3)前記光学シャッタの開口期間は、少なくとも前記
    感光部に蓄積された信号電荷を前記読み出し部に転送さ
    せるための制御パルス印加期間を除いて、この制御パル
    ス印加期間の前後に同じ期間だけ設けられることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の固体撮像装置の駆動
    方式。
  4. (4)前記固体撮像装置は、その固体撮像基板チップが
    、前記感光部に蓄積された信号電荷を前記読み出し部に
    同時に転送させる動作期間を移動中心として、再生画像
    上で水平方向に対応する方向に入射光像に対して相対的
    に移動されるものであることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の固体撮像装置の駆動方式。
  5. (5)前記固体撮像装置は、その固体撮像基板チップが
    、前記感光部に蓄積された信号電荷を前記読み出し部に
    同時に転送させる動作期間を移動中心として、再生画像
    上で斜め方向に対応する方向に入射光像に対して相対的
    に移動されるものであることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の固体撮像装置の駆動方式。
JP1160801A 1989-06-26 1989-06-26 固体撮像装置 Granted JPH0270181A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS52155010A (en) * 1976-06-18 1977-12-23 Hitachi Ltd Solid image pickup unit

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS52155010A (en) * 1976-06-18 1977-12-23 Hitachi Ltd Solid image pickup unit

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