(57)【要約】【課題】光電変換素子で発生した電荷に応じた信号を出力する出力アンプ部での発熱を抑制してＳ／Ｎを向上させることが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】垂直電荷転送部１１に存在する不要電荷を出力部１３まで転送して出力部１３から外部に掃き出す高速掃き出し駆動が駆動回路２によって行われる高速掃き出し期間中、出力部１３に供給する電源電圧Ｖａを、露光によって光電変換素子１０で発生した電荷を出力部１３まで転送して出力部１３から該電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動が駆動回路２によって行われる信号出力期間中よりも低くする電圧切替え回路３を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、
前記電荷転送部に存在する不要電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から外部に掃き出す高速掃き出し駆動が前記駆動手段によって行われる高速掃き出し期間中、前記出力部に供給する電源電圧を、露光によって前記光電変換素子で発生した電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から該電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動が前記駆動手段によって行われる信号出力期間中よりも低くする電源電圧制御手段を備える撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記固体撮像素子から複数のフィールドに分けて前記信号を出力させる複数フィールド駆動を行い、各フィールドにおいて前記高速掃き出し駆動を行うものであり、
前記電源電圧制御手段は、前記複数のフィールドのうちの少なくとも１つにおいて行われる前記高速掃き出し駆動の期間中に前記電源電圧を低くする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の撮像装置であって、
前記電荷転送部が、前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直方向に転送する第一の電荷転送部と、前記第一の電荷転送部から転送されてきた電荷を前記出力部まで転送する第二の電荷転送部とを含み、
前記駆動手段は、前記高速掃き出し駆動の終了直後に前記第二の電荷転送部で第一の空転送を実施し、前記第一の空転送の直後に前記信号出力駆動を実施し、
前記電源電圧制御手段は、前記第一の空転送の期間中に前記電源電圧を前記高速掃き出し期間中の値から前記信号出力期間中の値まで立ち上げる撮像装置。
【請求項４】
請求項３記載の撮像装置であって、
前記駆動手段は、前記高速掃き出し駆動の開始直前に前記第二の電荷転送部で第二の空転送を実施し、
前記電源電圧制御手段は、前記第二の空転送の期間中に前記電源電圧を前記信号出力期間中の値から前記高速掃き出し駆動時の値まで立ち下げる撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記電源電圧制御手段は、露光期間でも前記電源電圧を低くする撮像装置。
【請求項６】
光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷転送部に存在する電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から外部に掃き出す高速掃き出し駆動を行う高速掃き出し期間中、前記出力部に供給する電源電圧を、露光によって前記光電変換素子で発生した電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から該電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動を行う信号出力期間中よりも低くする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記固体撮像素子から複数のフィールドに分けて前記信号を出力させるフィールド駆動を行い、各フィールドにおいて前記高速掃き出し駆動を行うものであり、
前記複数のフィールドのうちの少なくとも１つにおいて行われる前記高速掃き出し駆動の期間中に前記電源電圧を低くする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷転送部が、前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直方向に転送する第一の電荷転送部と、前記第一の電荷転送部から転送されてきた電荷を前記出力部まで転送する第二の電荷転送部とを含み、
前記高速掃き出し駆動の終了直後に前記第二の電荷転送部で第一の空転送を実施し、前記第一の空転送の直後に前記信号出力駆動を実施し、
前記第一の空転送の期間中に前記電源電圧を前記高速掃き出し期間中の値から前記信号出力期間中の値まで立ち上げる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記高速掃き出し駆動の開始直前に前記第二の電荷転送部で第二の空転送を実施し、
前記第二の空転送の期間中に前記電源電圧を前記信号出力期間中の値から前記高速掃き出し駆動時の値まで立ち下げる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
露光期間でも前記電源電圧を低くする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプ部とを有するＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型の固体撮像素子では、出力部が動作することによる熱が時間経過と共に周囲の光電変換素子に伝わっていき、この熱によって、光電変換素子内に暗電流の原因となるノイズ電荷が発生してしまう。特許文献１では、長時間露光時には出力アンプ部の電源電圧を通常露光時よりも低くすることで、出力アンプ部での発熱を抑える方法が開示されている。特許文献２では、不要電荷の排出時及び撮像電荷の読み出し時のみ出力アンプ部にバイアス電流を流し、それ以外のときには出力アンプ部にバイアス電流を流さないようにすることで、発熱を抑える方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５２４９１号公報
【特許文献２】特開２００１−９４８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記いずれの方法も、不要電荷を掃き出すときには、出力アンプ部を正常に動作させる必要がないにも関わらず、出力アンプ部の電源電圧を通常時の値にしている。不要電荷の掃き出しは高速に行われるため、その分、出力アンプ部も高速に動作することになり、発熱による影響は大きい。特に、近年の固体撮像素子は多画素化や多フィールド化が進んでいるため、不要電荷の掃き出しにかかる時間も長くなっており、発熱による影響が無視できなくなってきている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子で発生した電荷に応じた信号を出力する出力部での発熱を抑制してＳ／Ｎを向上させることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の撮像装置は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、前記電荷転送部に存在する不要電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から外部に掃き出す高速掃き出し駆動が前記駆動手段によって行われる高速掃き出し期間中、前記出力部に供給する電源電圧を、露光によって前記光電変換素子で発生した電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から該電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動が前記駆動手段によって行われる信号出力期間中よりも低くする電源電圧制御手段を備える。
【０００７】
この構成により、出力部が高速で動作する高速掃き出し期間中に電源電圧が低く制御されるため、出力部での発熱を抑制することができ、この発熱によって光電変換素子内で発生するノイズ電荷を抑制して高画質化を図ることができる。
【０００８】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記固体撮像素子から複数のフィールドに分けて前記信号を出力させる複数フィールド駆動を行い、各フィールドにおいて前記高速掃き出し駆動を行うものであり、前記電源電圧制御手段は、前記複数のフィールドのうちの少なくとも１つにおいて行われる前記高速掃き出し駆動の期間中に前記電源電圧を低くする。
【０００９】
複数フィールドで信号を出力させる場合、全ての光電変換素子から電荷を読み出し終わるまでに、単フィールド駆動よりも時間がかかる、又、高速掃き出し回数が単フィールド駆動よりも増えるため、出力部での発熱によって光電変換素子に発生するノイズ電荷が単フィールド駆動に比べて多くなる。したがって、高速掃き出し期間中に電源電圧を低くすることによるノイズ低減効果を顕著に得ることができる。特に、全てのフィールドにおいて高速掃き出し期間中に電源電圧を低くすることで、ノイズ低減効果を最大限に得ることができる。
【００１０】
本発明の撮像装置は、前記電荷転送部が、前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直方向に転送する第一の電荷転送部と、前記第一の電荷転送部から転送されてきた電荷を前記出力部まで転送する第二の電荷転送部とを含み、前記駆動手段は、前記高速掃き出し駆動の終了直後に前記第二の電荷転送部で第一の空転送を実施し、前記第一の空転送の直後に前記信号出力駆動を実施し、前記電源電圧制御手段は、前記第一の空転送の期間中に前記電源電圧を前記高速掃き出し期間中の値から前記信号出力期間中の値まで立ち上げる。
【００１１】
この構成により、電源電圧を完全に立ち上げて安定させた状態で信号出力駆動を開始することができ、信号出力動作を問題なく行うことができる。又、高速掃き出し駆動の終了間際から電源電圧の立ち上げを開始する場合と比べると、出力部での発熱をより抑制することができる。
【００１２】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段は、前記高速掃き出し駆動の開始直前に前記第二の電荷転送部で第二の空転送を実施し、前記電源電圧制御手段は、前記第二の空転送の期間中に前記電源電圧を前記信号出力期間中の値から前記高速掃き出し駆動時の値まで立ち下げる。
【００１３】
この構成により、高速掃き出し駆動の期間の開始直後から電源電圧の立ち下げを開始する場合と比べると、出力部での発熱をより抑制することができる。
【００１４】
本発明の撮像装置は、前記電源電圧制御手段は、露光期間でも前記電源電圧を低くする。
【００１５】
この構成により、出力部での発熱を更に抑えることができる。
【００１６】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷転送部に存在する電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から外部に掃き出す高速掃き出し駆動を行う高速掃き出し期間中、前記出力部に供給する電源電圧を、露光によって前記光電変換素子で発生した電荷を前記出力部まで転送して前記出力部から該電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動を行う信号出力期間中よりも低くする。
【００１７】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記固体撮像素子から複数のフィールドに分けて前記信号を出力させるフィールド駆動を行い、各フィールドにおいて前記高速掃き出し駆動を行うものであり、前記複数のフィールドのうちの少なくとも１つにおいて行われる前記高速掃き出し駆動の期間中に前記電源電圧を低くする。
【００１８】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記電荷転送部が、前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直方向に転送する第一の電荷転送部と、前記第一の電荷転送部から転送されてきた電荷を前記出力部まで転送する第二の電荷転送部とを含み、前記高速掃き出し駆動の終了直後に前記第二の電荷転送部で第一の空転送を実施し、前記第一の空転送の直後に前記信号出力駆動を実施し、前記第一の空転送の期間中に前記電源電圧を前記高速掃き出し期間中の値から前記信号出力期間中の値まで立ち上げる。
【００１９】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記高速掃き出し駆動の開始直前に前記第二の電荷転送部で第二の空転送を実施し、前記第二の空転送の期間中に前記電源電圧を前記信号出力期間中の値から前記高速掃き出し駆動時の値まで立ち下げる。
【００２０】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、露光期間でも前記電源電圧を低くする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光電変換素子で発生した電荷に応じた信号を出力する出力アンプ部での発熱を抑制してＳ／Ｎを向上させることが可能な撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子１は、シリコン等の半導体基板の垂直方向とこれに直交する水平方向に二次元状に配置された多数の光電変換素子１０と、多数の光電変換素子１０の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直電荷転送部１１と、複数本の垂直電荷転送部１１を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部１２と、水平電荷転送部１２を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた電圧信号に変換して出力する出力部（例えばフローティングディフュージョンアンプ）１３とを備える。出力部１３には電源電圧Ｖａが供給されており、この電源電圧Ｖａは、第一の電圧と、第一の電圧よりも高い第二の電圧とに切り替え可能となっている。尚、固体撮像素子１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であれば良く、公知の様々な構成を採用することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態の撮像装置の概略構成を示す模式図である。
図２に示す撮像装置は、図１に示した固体撮像素子１と、固体撮像素子１を駆動する駆動回路２と、出力部１３に供給する電源電圧を第一の電圧と第二の電圧のどちらかに切り替える電圧切替え回路３と、電源電圧Ｖａを生成する電源回路４と、出力部１３から出力される電圧信号に所定の信号処理を施す信号処理回路５とを備える。
【００２５】
駆動回路２は、垂直電荷転送部１１及び水平電荷転送部１２での電荷転送動作を制御するための駆動パルスを生成して、これを垂直電荷転送部１１及び水平電荷転送部１２に供給する。又、駆動回路２は、電圧切替え回路３に指示を出して、出力部１３に第一の電圧を供給させたり、第二の電圧を供給させたりする。
【００２６】
電圧切替え回路３は、垂直電荷転送部１１に存在する不要電荷を出力部１３まで転送して出力部１３から外部に掃き出す高速掃き出し駆動が駆動回路２によって行われる高速掃き出し期間中、出力部１３に供給する電源電圧Ｖａを、露光によって光電変換素子１０で発生した撮像電荷を出力部１３まで転送して出力部１３から該撮像電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動が駆動回路２によって行われる信号出力期間中よりも低くする。
つまり、電圧切替え回路３は、高速掃き出し期間中は、不要電荷の掃き出しに影響ない程度の電圧である上記第一の電圧を出力部１３に供給し、信号出力期間中は、信号の出力動作に影響のない程度の電圧である上記第二の電圧を出力部１３に供給する。
【００２７】
電圧切替え回路３は、例えば、電源回路４で生成された第一の電圧を昇圧して第二の電圧を生成する昇圧回路と、電源回路４と出力部１３とを接続する状態と、昇圧回路と出力部１３とを接続する状態とを切替え可能なスイッチとで構成することができる。
【００２８】
以下、本実施形態の撮像装置の撮影時の動作について説明する。本実施形態の撮像装置は、固体撮像素子１から複数フィールド（以下では４フィールドとする）に分けて信号を出力させる複数フィールド駆動を採用している。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態の撮像装置の撮影時の動作を説明するためのタイミングチャートである。尚、初期状態では、出力部１３には第二の電圧が供給されている。
撮像装置に搭載される図示しないメカニカルシャッタが開けられると、露光が開始され、メカニカルシャッタが閉じると同時に露光が終了する。露光終了後、垂直同期信号ＶＤによって規定される第一フィールドが開始されると、駆動回路２は、まず、垂直電荷転送部１１に溜まっている不要電荷を高速で掃き出す高速掃き出し駆動を実施する。具体的には、電荷を転送するための転送パルスを垂直電荷転送部１１に供給して不要電荷を水平電荷転送部１２まで転送し、電荷を転送するための転送パルスを水平電荷転送部１２に供給して、該不要電荷を出力部１３まで転送し、出力部１３から該不要電荷を掃き出す。
【００３０】
駆動回路２は、高速掃き出し駆動の開始と共に、出力部１３に供給する電源電圧Ｖａを第二の電圧から第一の電圧に切り替える指示を電圧切替え回路３に出す。この指示により、出力部１３に供給される電源電圧Ｖａは第二の電圧から立ち下がり始め、微小時間後に第一の電圧になる（図３の期間ｔ１）。
【００３１】
駆動回路２は、垂直電荷転送部１１に溜まっていた全ての不要電荷の掃き出しを終了すると、出力部１３に供給する電圧を第一の電圧から第二の電圧に切り替える指示を電圧切替え回路３に出す。この指示により、出力部１３に供給される電源電圧Ｖａは第一の電圧から立ち上がり始め、微小時間後に第二の電圧になる（図３の期間ｔ３）。
【００３２】
駆動回路２は、高速掃き出し駆動の終了と共に、水平電荷転送部１２に転送パルスを供給して、水平電荷転送部１２による空転送を実施する。この空転送を実施する時間は、電源電圧Ｖａが第一の電圧から第二の電圧に到達するまでに要する時間以上とすれば良い。
【００３３】
空転送終了後、駆動回路２は、第一フィールドで読み出すべき光電変換素子１０から撮像電荷を読み出し、この撮像電荷に応じた信号を出力させる信号出力駆動を実施する。具体的には、第一フィールドで読み出すべき光電変換素子１０から垂直電荷転送部１１に撮像電荷を読み出すための読み出しパルスを垂直電荷転送部１１に供給し、その後、転送パルスを垂直電荷転送部１１に供給して読み出した撮像電荷を水平電荷転送部１２まで転送し、水平電荷転送部１２に転送パルスを供給して、該撮像電荷を出力部１３まで転送し、出力部１３から該撮像電荷に応じた信号を出力させる。
【００３４】
信号出力駆動が終了した後は、第二フィールドが開始され、第一フィールドと同様の駆動（但し、信号出力駆動において読み出すべき光電変換素子１０が異なる）が行われる。第三フィールド及び第四フィールドにおいても同様の駆動が行われて、全ての光電変換素子１０から信号が読み出されて、撮影動作が終了する。
【００３５】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、高速掃き出し駆動時には、高速掃き出しに最低限必要な電圧である第一の電圧が出力部１３に供給されるため、高速掃き出し期間中に出力部１３に第二の電圧が供給される場合と比べると、高速掃き出し期間における発熱を抑制することができる。高速掃き出し期間は、出力部１３が高速で動作するため、出力部１３で発生する熱が大きい。このため、この期間に出力部１３に供給する電圧を低くすることが、Ｓ／Ｎ向上を図る上で重要となる。又、高速掃き出し期間に出力される信号は画像データの生成に利用されないため、出力部１３に供給する電圧を低くしても、固体撮像素子１を問題なく動作させることができる。
【００３６】
又、本実施形態の撮像装置によれば、高速掃き出し駆動の終了直後に空転送を実施し、この空転送の期間中に電源電圧Ｖａを第一の電圧から第二の電圧まで立ち上げるようにしているため、電源電圧Ｖａが完全に立ち上がった安定した状態で信号出力駆動を行うことができ、信号を安定して出力させることができる。
【００３７】
尚、以上の説明では、固体撮像素子１から複数フィールドに分けて信号を読み出すものとしたが、固体撮像素子１から１度に信号を読み出す駆動を行う場合でも、本発明は適用可能である。この場合は、図３において第二フィールド〜第四フィールドを省略し、第一フィールドの信号出力駆動時に、全ての光電変換素子１０から信号を出力させるようにすれば良い。
【００３８】
図３に示したように複数フィールドで信号を出力させる場合、全ての光電変換素子１０から電荷を読み出すまでに時間がかかるため、後のフィールドで電荷が読み出される光電変換素子１０ほど、出力部１３で発生した熱によるノイズ電荷の影響を受け易く、画質劣化が顕著となる。このため、図３に示したような駆動を採用することが非常に有用となる。
【００３９】
又、図３の例では、各フィールドの高速掃き出し駆動期間中に電源電圧Ｖａを第二の電圧から第一の電圧に下げるようにしているが、４つのフィールドのうちの少なくとも１つのフィールドにおいて電源電圧Ｖａを下げる駆動を実施すれば、出力部１３で発生した熱によるノイズ電荷の影響を抑制することができ、Ｓ／Ｎを向上させることが可能である。出力部１３で発生する熱は時間経過と共に増えるため、複数フィールドのうち、特に後半のフィールド（例えば、第三フィールド又は第四フィールド）において電源電圧Ｖａを下げる駆動を実施すれば、画質劣化を効果的に防ぐことができる。
【００４０】
又、図３の例では、高速掃き出し駆動の開始と共に、電源電圧Ｖａを立ち下げるようにしているが、図４に示すように、各フィールドの開始後、高速掃き出し駆動を行う直前に水平電荷転送部１２において空転送を行い、この空転送期間中に電源電圧Ｖａを立ち下げるようにしても良い。このようにすることで、高速掃き出し期間中の出力部１３での発熱をより抑えることができる。この空転送を行う時間は、電源電圧Ｖａが第二の電圧から第一の電圧に立ち下がるまでに要する時間以上とすれば良い。
【００４１】
又、本実施形態では、露光期間中の電源電圧Ｖａは第二の電圧としているが、この期間も出力部１３は動作させる必要がないため、発熱抑制のために、電源電圧Ｖａを第一の電圧にしても良い。又は、露光期間中、電源電圧Ｖａを第一の電圧ではなくゼロにして、出力部１３に電圧を供給しないようにしても良い。これにより、Ｓ／Ｎをより向上させることができると共に、消費電力の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図
【図２】本発明の実施形態の撮像装置の概略構成を示す模式図
【図３】本発明の実施形態の撮像装置の撮影時の動作を説明するためのタイミングチャート
【図４】本発明の実施形態の撮像装置の撮影時の動作の変形例を説明するためのタイミングチャート
【符号の説明】
【００４３】
２  駆動回路
３  電圧切替え回路
１０  光電変換素子
１１  垂直電荷転送部
１３  出力部
【図１】
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【図２】
2010010757.tif 000004
【図３】
2010010757.tif 000005
【図４】
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