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技術 撮像装置及び撮像装置の駆動方法

出願人 富士フイルム株式会社
発明者 小野寺竜生
出願日 2008年5月30日 (12年7ヶ月経過) 出願番号 2008-143067
公開日 2009年12月10日 (11年0ヶ月経過) 公開番号 2009-290721
状態 未査定
技術分野 固体撮像素子 光信号から電気信号への変換
主要キーワード ミドルレベル 駆動手順 n型半導体 一つ手前 最終電極 蓄積保持 偶数列目 パルス立
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供する。

解決手段

複数の垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、複数の垂直電荷転送電極のうち一部の電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する。

概要

背景

このような構成の撮像装置は、駆動時に、フォトダイオードなどの光電変換部から電荷垂直電荷転送部に読み出し、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極印加される駆動電圧駆動制御し、ラインメモリに電荷を一旦蓄積させる。その後、ラインメモリから水平電荷転送部に電荷を転送し、該水平電荷転送部を駆動することで、出力部から電荷を転送する。ここで、撮像装置は、水平転送期間出力期間)に水平電荷転送部を駆動し、水平電荷転送部の駆動を停止している水平ブランキング期間に垂直電荷転送部とラインメモリとを駆動している。これは、水平転送期間に垂直電荷転送路を駆動すると、垂直転送パルスパルス立上がり及び立ち下がりのタイミングが水平転送期間に重なることに起因して、出力側ノイズの影響が現れてしまうためである。

従来、ラインメモリを有する固体撮像素子を駆動する撮像装置では、水平ブランキング期間にラインメモリから水平転送部へ電荷を転送し、その後、光電変換部から読み出した電荷を垂直電荷転送部で転送していた。このような駆動方法は、固体撮像素子の画素数が少なく、フレームレートが低い場合には十分であったが、固体撮像素子の高画素化を図る場合には、フレームレートを向上させることが難しくなる。そこで、下記特許文献に示すような駆動方法が提案されている。

図5は、提案されている駆動方法の動作の一例を示すタイミングチャートである。図5において、V1〜V8は、垂直電荷転送部を構成する垂直電荷転送電極を示し、ここでは、8相駆動を例に説明する。また、図5において、T0,T1及びT2は、時間軸を示している。縦軸のV1〜V8及び横軸の時間軸で示す欄のうち、空白の欄は、電荷が保持されている状態(又は、電荷を蓄積可能)を示し、塗りつぶされた欄は電荷が蓄積されない状態を示している。ラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送する期間(図中のラインメモリ期間)と、垂直電荷転送部において電荷を垂直転送する期間とが一部重複するように駆動されている。こうすることで、水平ブランキング期間を短縮させることで、フレームレートを向上させている。

特開2008−42629号公報
特開2007−335972号公報

概要

水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供する。複数の垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、複数の垂直電荷転送電極のうち一部の電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する。

目的

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

複数の垂直電荷転送部と、各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置。

請求項2

前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベル切り替えるタイミングを遅延させる請求項1に記載の撮像装置。

請求項3

前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項1に記載の撮像装置。

請求項4

複数の垂直電荷転送部と、各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、出力側に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置の駆動方法であって、前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置の駆動方法。

請求項5

前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項4に記載の撮像装置の駆動方法。

請求項6

前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項4に記載の撮像装置の駆動方法。

技術分野

0001

本発明は、垂直電荷転送部(垂直シフトレジスタ)と水平電荷転送部(水平シフトレジスタ)との接続部分に転送電荷一時蓄積保持するラインメモリを備えるCCD(Charge Coupled Devices:電荷結合素子)型の撮像装置に関し、特に、高品質な画像を撮像することが可能なCCD型の撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。

背景技術

0002

このような構成の撮像装置は、駆動時に、フォトダイオードなどの光電変換部から電荷を垂直電荷転送部に読み出し、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極印加される駆動電圧駆動制御し、ラインメモリに電荷を一旦蓄積させる。その後、ラインメモリから水平電荷転送部に電荷を転送し、該水平電荷転送部を駆動することで、出力部から電荷を転送する。ここで、撮像装置は、水平転送期間出力期間)に水平電荷転送部を駆動し、水平電荷転送部の駆動を停止している水平ブランキング期間に垂直電荷転送部とラインメモリとを駆動している。これは、水平転送期間に垂直電荷転送路を駆動すると、垂直転送パルスパルス立上がり及び立ち下がりのタイミングが水平転送期間に重なることに起因して、出力側ノイズの影響が現れてしまうためである。

0003

従来、ラインメモリを有する固体撮像素子を駆動する撮像装置では、水平ブランキング期間にラインメモリから水平転送部へ電荷を転送し、その後、光電変換部から読み出した電荷を垂直電荷転送部で転送していた。このような駆動方法は、固体撮像素子の画素数が少なく、フレームレートが低い場合には十分であったが、固体撮像素子の高画素化を図る場合には、フレームレートを向上させることが難しくなる。そこで、下記特許文献に示すような駆動方法が提案されている。

0004

図5は、提案されている駆動方法の動作の一例を示すタイミングチャートである。図5において、V1〜V8は、垂直電荷転送部を構成する垂直電荷転送電極を示し、ここでは、8相駆動を例に説明する。また、図5において、T0,T1及びT2は、時間軸を示している。縦軸のV1〜V8及び横軸の時間軸で示す欄のうち、空白の欄は、電荷が保持されている状態(又は、電荷を蓄積可能)を示し、塗りつぶされた欄は電荷が蓄積されない状態を示している。ラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送する期間(図中のラインメモリ期間)と、垂直電荷転送部において電荷を垂直転送する期間とが一部重複するように駆動されている。こうすることで、水平ブランキング期間を短縮させることで、フレームレートを向上させている。

0005

特開2008−42629号公報
特開2007−335972号公報

発明が解決しようとする課題

0006

上記の駆動方法によれば、フレームレートの高速化を図ることができるが、例えば動画モード水平加算駆動のように、ラインメモリから水平電荷転送部への転送駆動を複数回行う場合のように、水平ブランキング期間が長くなると、所望のフレームレートを満たすことができなくなることがある点で、更なる改善の余地があった。

0007

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
(1)複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、
前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置。
(2)前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベル切り替えるタイミングを遅延させる上記(1)に記載の撮像装置。
(3)前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記(1)に記載の撮像装置。
(4)複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、出力側に転送する水平電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置の駆動方法。
(5)前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記(4)に記載の撮像装置の駆動方法。
(6)前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記(4)に記載の撮像装置の駆動方法。

0009

本発明は、部の垂直電荷転送電極から隣接する垂直電荷転送電極へ電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送電極によって電荷を転送する垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する期間の全部を収めることができる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができる。こうすれば、動画モードの水平加算駆動のように、水平ブランキング期間にラインメモリから水平電荷転送部へ複数回転送を行う場合に、ラインメモリを駆動する期間を短縮することなく、水平ブランキング期間を短縮させることができ、画質劣化させることなく、フレームレートを向上させることができる。

発明の効果

0010

本発明によれば、水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供できる。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明のCCD型の撮像装置の一実施形態を示す概略構成図である。図示する撮像装置は、固体撮像素子10と、撮像素子駆動回路30とを含む。

0012

固体撮像素子10は、n型半導体基板11の表面部に、行方向及び列方向に配列された多数のフォトダイオード12を備える。図示する例では、偶数行のフォトダイオード12に対して奇数行のフォトダイオード12が1/2ピッチずつずらして形成され、所謂、ハニカム画素配列となっている。フォトダイオード12は、入射する光に応じて光電変換によって電荷を生成する光電変換素子として機能する。

0013

尚、本実施形態は、ハニカム画素配列の固体撮像素子を例に説明するが、例えば正方格子配列の固体撮像素子にも適用可能である。

0014

各フォトダイオード12内に記載したR,G,Bはそれぞれ、当該フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色(R=赤,G=緑,B=青)を示している。

0015

平方向に隣接する各フォトダイオード12間には、垂直方向蛇行して延びる垂直電荷転送部(垂直シフトレジスタ:VCCD)13が形成され、半導体基板11の下辺部には、各垂直電荷転送部13の端部に連絡するラインメモリ14が設けられる。ラインメモリ14が、各垂直電荷転送部13によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部として機能する。

0016

垂直電荷転送部13は、半導体基板11のpウェル層に形成されたn型の埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に絶縁膜を介して設けられた複数の垂直転送電極とで構成される。

0017

ラインメモリ14は、半導体基板11のpウェル層に形成されたn型の不純物領域と、この不純物領域の上に絶縁膜を介して設けられた電極LMとで構成される。ラインメモリ14の不純物領域は、素子分離部によって各垂直電荷転送路対応に区画されている。

0018

ラインメモリ14には、水平電荷転送部(水平シフトレジスタ:HCCD)15が併設されている。水平電荷転送部15も、pウェル層に形成されたn型の埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に絶縁膜を介して設けられた水平転送電極H1,H2とで構成される。水平電荷転送部15の出力側には出力アンプ16が設けられている。

0019

各フォトダイオード12が受光量に応じて蓄積した電荷は、隣接の垂直電荷転送部13に読み出されたあとラインメモリ14方向に転送され、ラインメモリ14に一時蓄積される。この電荷は、ラインメモリ14の電極LMに保持された後、所定のタイミングで水平電荷転送部15に転送され、水平電荷転送部15に移された電荷は、水平電荷転送部15に沿って出力端まで転送される。そして、水平電荷転送部の出力端に設けられた出力アンプ16が、電荷量に応じた電圧値信号を出力する。

0020

尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。

0021

撮像素子駆動回路30は、垂直電荷転送部13を構成する複数の垂直電荷転送電極V1〜V8に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段として機能する。撮像素子駆動回路30は、このCCD型固体撮像装置が組み込まれるデジタルカメラ等の装置側に設けられる制御CPUからの指示を受けて、CCD型固体撮像素子10の垂直電荷転送路13を駆動する垂直転送パルスφV1〜φV8、水平電荷転送部15を駆動する水平転送パルスφH1,φH2、ラインメモリ14の電極LMを駆動するパルスφLMを生成し、CCD型固体撮像素子10に出力する。

0022

図2は、図1に示す点線矩形枠II内の拡大模式図である。ハニカム配列されたフォトダイオード12の各列の側部には、垂直方向に蛇行する垂直電荷転送部13が設けられる。図示するV1,V2,…,V8は、垂直電荷転送部13に設けられる垂直転送電極である。

0023

ラインメモリ14に最も近いフォトダイオード12に対しラインメモリ14を近接して設けず、所定距離だけ離れた位置に設けているのは、この所定距離の間で、各列の垂直電荷転送部13の間隔を等間隔にし、ラインメモリ14や水平電荷転送部15に接続するためである。この所定距離の間における垂直電荷転送部の延長部分にも、垂直電荷転送電極V5,V6,V7,V8が設けられる。

0024

これにより、ラインメモリ14の各電極LM(分離して図示しているが、同一パルスφLMで駆動される。)が水平方向に等間隔で並び、各電極LMは、水平電荷転送部15に等間隔に交互に設けられる水平転送電極H1,H2に整列することになる。

0025

次に、本実施形態の撮像装置の動作を図2に基づいて説明する。垂直電荷転送部(垂直シフトレジスタ)13で電荷転送を行うと、2行分の各フォトダイオードの電荷が各垂直電荷転送部13からラインメモリ14に転送され、蓄積保持される。

0026

次に、ラインメモリ14上の電荷のうち、奇数列目の電荷が水平電荷転送部(水平シフトレジスタ)15に転送され、次に、水平電荷転送部15がこの電荷を出力段側に転送する。これにより、奇数列目の各電荷の電荷量に応じた画像信号が出力アンプから出力される。

0027

次に、空になった水平電荷転送部15上に偶数列目の電荷をラインメモリ14から水平電荷転送部15に転送する。そして、水平電荷転送部15がこの電荷を出力段側に転送する。これにより、偶数列目の各電荷の電荷量に応じた画像信号が出力アンプから出力される。

0028

以上の動作を、繰り返すことにより、各行のフォトダイオード12の電荷に応じた画像信号が出力される。

0029

本実施形態の撮像装置は、垂直電荷転送部12を構成する複数の垂直電荷転送電極V1〜V8のうち、一部の垂直電荷転送電極からそれと隣接する垂直電荷転送電極へ電荷を転送するタイミングを調整することを特徴とする。

0030

図3は、撮像装置の転送の状態を示すタイミングチャートである。各垂直電荷転送電極V1〜V8には、ミドルレベル(M)とローレベル(L)とのうちいずれかの電位レベルの駆動電圧が所定のタイミングで印加される。ラインメモリには、ハイレベル(H)とローレベル(L)とのうちいずれかの電位レベルの駆動電圧が所定のタイミングで印加される。図3において、斜線で示すエリアは、電荷が保持されている状態を示し、空白のエリアは、電荷が保持されていない状態を示している。ラインメモリの電位レベルがハイレベルの場合には電荷が蓄積保持され、ローレベルの場合には蓄積されている電荷が水平電荷転送部へ転送可能になる。水平ブランキング期間中は、水平電荷転送部の電位レベルがハイレベル(H)で維持され、ラインメモリを介して垂直電荷転送部から電荷が転送可能な状態となる。

0031

図3に示すように、垂直電荷転送部が転送駆動される期間である垂直転送期間T1の開始前までは、垂直電荷転送電極V1〜V4にミドルレベルの駆動電圧が印加され、垂直電荷転送電極V5〜V8にはローレベルの駆動電圧が印加されている。つまり、垂直電荷転送部には、垂直電荷転送電極V1〜V4の4電極分の電位パケットが形成され、該電位パケットに電荷が蓄積されている。また、垂直転送期間T1の開始時は、ラインメモリにはハイレベルの駆動電圧が印加されている。

0032

垂直転送期間T1の開始後、垂直電荷転送電極V5の電位レベルをローレベルからミドルレベルに切り替えるタイミングで、垂直電荷転送部上の電位パケットがV垂直電荷転送電極V1〜V5の5電極分となる。その後、垂直電荷転送電極V1の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替えるタイミングで、垂直電荷転送部上の電位パケットがV垂直電荷転送電極V2〜V5の4電極分となる(期間t0)。

0033

続いて、期間t1においても期間t0と同様に、垂直電荷転送電極V6の電位レベルをローレベルからミドルレベルに切り替え、その後、垂直電荷転送電極V2の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替える。こうすることで、垂直電荷転送部上の電位パケットは、4電極、5電極、4電極と変化しながら、かつ、垂直電荷転送部上の位置が変化する。

0034

次に、期間t1に続く期間t2では、最終電極V8に印加する駆動電圧の電位レベルをローレベルに維持した状態で、垂直電荷転送電極V3〜V5の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替える動作を順に行う。すると、垂直電荷転送部上の電位パケットは、5電極から、4電極、3電極、2電極と電極数が少なくなるように順次変化する。このとき、最終電極V8に印加する駆動電圧の電位レベルをローレベルに維持されているため、最終電極V8が垂直電荷転送部上の電位パケットとラインメモリとの間でバリアとなり、電位パケットに蓄積された電荷がラインメモリへ転送されることなく、該電位パケットにおいて保持される。期間t2終了後、最終電極V8に印加する駆動電圧の電位レベルがローレベルからミドルレベルに切り替えられ、最終電極V8に垂直電荷転送電極V6,V7に蓄積されている電荷の一部が蓄積される。その後、ラインメモリの駆動電圧がハイレベルに切り替えられるタイミングで、ラインメモリを介して水平電荷転送部に電荷が転送される。

0035

このように、期間t2では、最終電極V8に印加する駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させた分だけ長くなり、この結果、垂直電荷転送期間T1が長くなる。

0036

図5に示す従来のタイミングチャートを参照すると、最終電極V8に印加する駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングは、他の垂直電荷転送電極と同じである。このため、水平ブランキング期間は、期間T0、T1、T2までの期間となる。このとき、ラインメモリの駆動期間は、期間T0と期間T1の一部にわたって設けられる。一方で、図3に示す駆動手順とすれば、最終電極V8に電荷を転送する期間t2のみを長くしたことでその分だけ垂直電荷転送期間T1を長くすることができ、ラインメモリ駆動期間を全て垂直電荷転送期間T1内に収めることができる。このため、従来の駆動手順に比べて、水平ブランキング期間を短縮することができる。こうすれば、動画モードの水平加算駆動のように、水平ブランキング期間にラインメモリから水平電荷転送部へ複数回転送を行う場合に、ラインメモリを駆動する期間を短縮することなく、水平ブランキング期間を短縮させることができ、画質を劣化させることなく、フレームレートを向上させることができる。

0037

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、垂直電荷転送電極のうち、最終電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くしたが、駆動方法の手順としてはこれに限定されない。

0038

図4は、駆動手順の他の例を示すタイミングチャートである。図4に示すように、垂直電荷転送電極V1〜V8のうち、最終電極V8の一つ手前の垂直電荷転送電極V7に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させてもよい。こうすれば、期間t1を長くしてその分だけ、垂直電荷転送期間T1を長くすることができる。このように、垂直電荷転送電極V1〜V8のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間T1を長くすることで、該垂直電荷転送期間T1内にラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送するラインメモリ駆動期間を収めることができる。

図面の簡単な説明

0039

本発明の一実施形態に係るCCD型の撮像装置の概略構成図である。
図1に示す点線矩形枠II内の拡大模式図である。
本発明の撮像装置の転送の状態を示すタイミングチャートである。
本発明の撮像装置の転送の状態の他の例を示すタイミングチャートである。
従来提案されている駆動方法の動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

0040

10固体撮像素子
12垂直電荷転送部
14ラインメモリ
15水平電荷転送部
V1〜V8 垂直電荷転送電極

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