(57)【要約】【課題】  固体撮像素子を用いた撮像装置の消費電力を低減するために、フレーム間にて部分的に停止させる場合に、各部の復帰を任意のタイミングで行うと、消費電力の低減効果が損なわれる。【解決手段】  撮像期間に先行して、ドライバ用電源回路の出力電圧Ｖdrv及び基板電圧用電源回路の出力電圧Ｖsubを昇圧し復帰させる。その後、読み出し期間の開始前までにアンプ用電源回路の出力Ｖddを昇圧し復帰させ、またＡＦＥ回路をスタンバイ状態からアクティブ状態に移行させる。【選択図】        図２
2006081048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷に応じた画像信号を出力アンプで増幅して出力する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子をパルス駆動して前記信号電荷を転送出力させる駆動回路と、
前記固体撮像素子及び前記駆動回路に電力を供給する第１電源回路と、
前記出力アンプに電力を供給する第２電源回路と、
前記固体撮像素子から１フレームの前記画像信号が出力される読み出し期間の終了に応じて、前記第１電源回路及び前記第２電源回路を停止する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記固体撮像素子の新たな撮像期間の開始に先行して、前記第１電源回路を起動しその出力電圧を回復させ、
前記撮像期間の開始後、前記第２電源回路を起動し、その出力電圧を当該撮像期間に対応する前記画像信号の前記読み出し期間の開始前に回復させること、
を特徴とする撮像装置。
【請求項２】
信号電荷に応じた画像信号を増幅して出力する出力アンプ及び、当該出力アンプの電源拡散層と基板領域との間にダイオード構造を形成し前記電源拡散層に印加される過電圧から当該出力アンプを保護する保護回路を含む固体撮像素子と、
前記固体撮像素子をパルス駆動して前記信号電荷を転送出力させる駆動回路と、
前記固体撮像素子及び前記駆動回路に電力を供給する第１電源回路と、
前記電源拡散層に電圧を印加し前記出力アンプに電力を供給する第２電源回路と、
前記第１電源回路及び前記第２電源回路の起動及び停止を制御する制御部と、
を有し、
前記第１電源回路は、前記固体撮像素子の基板領域に前記ダイオード構造を逆バイアスとする電圧を印加し、
前記制御部は、
前記固体撮像素子から１フレームの前記画像信号が出力される読み出し期間の終了に応じて、前記第２電源回路を停止させ、次いで前記第１電源回路を停止させ、
前記固体撮像素子の新たな撮像期間の開始に先行して、前記第１電源回路を起動しその出力電圧を回復させ、
前記第１電源回路の起動後、前記第２電源回路を起動し、その出力電圧を当該撮像期間に対応する前記画像信号の前記読み出し期間の開始前に回復させること、
を特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の撮像装置において、
前記制御部は、
前記撮像期間の終了後、前記第２電源回路を起動すること、
を特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の撮像装置において、
前記固体撮像素子から出力される前記画像信号に対して信号処理を行う信号処理回路を有し、
前記制御部は、
前記読み出し期間の終了に応じて、さらに前記信号処理回路を停止し、
前記撮像期間の開始後かつ前記読み出し期間の開始前に前記信号処理回路を起動すること、
を特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像装置において、
前記制御部は、
前記第２電源回路の出力電圧の回復後に前記信号処理回路を起動すること、
を特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の撮像装置において、
前記第１電源回路は、
前記固体撮像素子の基板に印加する所定の基板電圧を生成する基板電圧用電源回路と、
前記駆動回路に供給する所定の駆動回路用電圧を生成する駆動回路用電源回路と、
を含むことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置に関し、特に消費電力を低減するための固体撮像素子の駆動停止及び再開に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサを用いた撮像装置はＣＣＤイメージセンサの他、ＣＣＤイメージセンサを駆動する駆動回路（ドライバ）やＣＣＤイメージセンサの出力に対して各種の処理を施すプロセッサ、さらには、撮像画面を表示するディスプレイや画像信号をデータとして記憶するメモリ等より構成される。このような撮像装置はバッテリ駆動されることが多いため、撮像装置を構成する各部のうち、定常的に使用しない部分については、不使用の期間に動作を停止して消費電力を低減することが可能である。
【０００３】
例えば、医療用内視鏡において、撮影は数フレーム／秒程度の比較的低いフレームレートで足りる。それに応じてフレーム間にて比較的長く動作を停止することが可能であり、消費電力低減の効果も大きい。
【０００４】
特に、消化器等の観察用途に開発され使用されているカプセル型の内視鏡は基本的に、カプセル内の内蔵されたバッテリで撮像装置を駆動する構成であり、消費電力の低減によりバッテリをより小型化することができ、ひいてはカプセル型内視鏡のサイズを小さくすることが可能となる。
【０００５】
ＣＣＤイメージセンサを用いた撮像装置において、具体的にフレーム間にて停止できる部分として、例えば、ＣＣＤイメージセンサでの電荷の蓄積及び転送に用いられる駆動用電源として、半導体基板に印加される正電圧を生成する基板電源、ドライバにて用いられる負電圧を生成する駆動回路用電源があり、さらに、ＣＣＤイメージセンサの出力部に設けられる出力アンプに電力を供給するアンプ用電源、ＣＣＤイメージセンサから出力されるアナログ画像信号に対して信号処理を行うアナログ信号処理回路がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それら部分は先行するフレームにて撮影された画像信号の出力の完了により当該フレームの撮影動作が終了すると休止され、次のフレームの撮影動作に際して休止状態から復帰される。ここで、それら各部の復帰を任意のタイミングで行うと、消費電力の低減効果が損なわれるという問題があった。
【０００７】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、消費電力低減の効果が好適に実現される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】
【０００８】
本発明に係る撮像装置は、信号電荷に応じた画像信号を出力アンプで増幅して出力する固体撮像素子と、前記固体撮像素子をパルス駆動して前記信号電荷を転送出力させる駆動回路と、前記固体撮像素子及び前記駆動回路に電力を供給する第１電源回路と、前記出力アンプに電力を供給する第２電源回路と、前記固体撮像素子から１フレームの前記画像信号が出力される読み出し期間の終了に応じて、前記第１電源回路及び前記第２電源回路を停止する制御部とを有し、前記制御部が、前記固体撮像素子の新たな撮像期間の開始に先行して、前記第１電源回路を起動しその出力電圧を回復させ、前記撮像期間の開始後、前記第２電源回路を起動し、その出力電圧を当該撮像期間に対応する前記画像信号の前記読み出し期間の開始前に回復させるものである。
【０００９】
第１電源回路から供給される電力を用いて、固体撮像素子の電荷転送チャネルや半導体基板等の電位状態が制御され、信号電荷の蓄積、転送、及び電子シャッタ動作等による信号電荷の排出が行われる。固体撮像素子において、信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力部には出力アンプが設けられる。この出力アンプは、第１電源回路とは別個の電源である第２電源回路から電力を供給され動作する。第１電源回路は、起動後、所定の立ち上がり期間を経て出力電圧が安定した状態に達する。本発明によれば、第１電源回路は撮像期間に先行して安定状態まで回復されるように起動される。一方、第２電源回路は、出力アンプと同じ基板上に形成される固体撮像素子の他の主要部の電気的状態が通常動作時の定常状態となっている撮像期間の開始後に起動され、かつ撮像期間にて得られた信号電荷に対応する電圧信号の出力が始まる前に安定状態まで回復される。
【００１０】
別の本発明に係る撮像装置は、信号電荷に応じた画像信号を増幅して出力する出力アンプ及び、当該出力アンプの電源拡散層と基板領域との間にダイオード構造を形成し前記電源拡散層に印加される過電圧から当該出力アンプを保護する保護回路を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子をパルス駆動して前記信号電荷を転送出力させる駆動回路と、前記固体撮像素子及び前記駆動回路に電力を供給する第１電源回路と、前記電源拡散層に電圧を印加し前記出力アンプに電力を供給する第２電源回路と、前記第１電源回路及び前記第２電源回路の起動及び停止を制御する制御部と、を有し、前記第１電源回路が、前記固体撮像素子の基板領域に前記ダイオード構造を逆バイアスとする電圧を印加し、前記制御部が、前記固体撮像素子から１フレームの前記画像信号が出力される読み出し期間の終了に応じて、前記第２電源回路を停止させ、次いで前記第１電源回路を停止させ、前記固体撮像素子の新たな撮像期間の開始に先行して、前記第１電源回路を起動しその出力電圧を回復させ、前記第１電源回路の起動後、前記第２電源回路を起動し、その出力電圧を当該撮像期間に対応する前記画像信号の前記読み出し期間の開始前に回復させる。
【００１１】
通常状態では、出力アンプの電源拡散層と基板領域との間の保護回路は逆バイアス状態とされるが、電源拡散層に意図しない電圧が印加されることが起こり得る。その場合に、保護回路は、ダイオード構造を順バイアスとする過電圧から出力アンプを保護する。本発明によれば、第１電源回路が起動している期間内、すなわちダイオード構造が逆バイアスされている期間内でのみ、第２電源回路が電源拡散層に電圧を印加する。つまり、第１電源回路が基板領域に電圧を印加していない状態で第２電源回路が電圧を印加されて、ダイオード構造が順バイアスとなることが回避される。
【００１２】
他の本発明に係る撮像装置においては、前記制御部が、前記撮像期間の終了後、前記第２電源回路を起動する。
【００１３】
本発明によれば、露光動作が完了し撮像期間が終了してから、信号電荷に応じた電圧信号の出力が開始されるまでの期間内に、第２電源回路が起動から安定状態までの立ち上がり期間が設定される。例えば、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおいては、撮像期間の終了から読み出し期間の開始までの期間は、蓄積部へのフレーム転送動作の開始から、蓄積部から水平転送部へのライン転送動作の開始までの期間に相当する。
【００１４】
さらに他の本発明に係る撮像装置においては、前記固体撮像素子から出力される前記画像信号に対して信号処理を行う信号処理回路を有し、前記制御部が、前記読み出し期間の終了に応じて、さらに前記信号処理回路を停止し、前記撮像期間の開始後かつ前記読み出し期間の開始前に前記信号処理回路を起動する。
【００１５】
本発明の好適な態様は、前記制御部が、前記第２電源回路の出力電圧の回復後に前記信号処理回路を起動する撮像装置である。
【００１６】
本発明の他の好適な態様は、前記第１電源回路が、前記固体撮像素子の基板に印加する所定の基板電圧を生成する基板電圧用電源回路と、前記駆動回路に供給する所定の駆動回路用電圧を生成する駆動回路用電源回路と、を含む撮像装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、撮像装置の停止された各部を時間差を設けて所定の順序で起動することで、各部が不必要に早いタイミングで起動されず、消費電力低減の効果を好適に得ることができる。また、固体撮像素子において、第２電源回路から電源供給を受ける半導体領域とその近傍の半導体領域、例えば基板との間の電気的バイアス状態が通常動作時に応じたものとなり、それら領域間で不必要な電流が流れることが防止されることで電力消費が抑制され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本実施形態に係る撮像装置の概略のブロック構成図である。本撮像装置は、固体撮像素子であるＣＣＤイメージセンサ２、ＣＣＤイメージセンサ２を駆動するための各種パルスを生成するドライバ４（駆動回路）、ＣＣＤイメージセンサ２の動作に必要な電圧を発生する電源部６、ドライバ４及び電源部６に対して制御パルスを供給するタイミングジェネレータ８、ＣＣＤイメージセンサ２の出力信号Ｖoutに対しアナログ信号処理を行うＡＦＥ（Analog Front End）回路１０及びＡＦＥ回路１０の出力信号に対し各種のデジタル処理を施すデジタル信号処理回路１２を含んで構成される。
【００２０】
ここで、ＣＣＤイメージセンサ２は、フレーム転送型であり、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを含んで、ｎ型半導体基板に形成される。撮像部２ｉ、蓄積部２ｓは３相駆動のＣＣＤシフトレジスタで構成される。出力部２ｄは、水平転送部２ｈから出力される信号電荷を浮遊拡散層に受け、その電位変化に応じた電圧信号を取り出す。浮遊拡散層から得られた電圧信号は微弱であるため、これを増幅するために出力部２ｄには出力アンプが設けられる。例えば、出力アンプはＭＯＳ型電界効果トランジスタからなるソースフォロワアンプが複数段接続された構成を有する。ここで、ソースフォロワアンプは後段ほどチャネル電流を大きく設定して、段階的に駆動能力が増加するように構成される。
【００２１】
ドライバ４は、撮像部２ｉの垂直シフトレジスタを駆動する３相クロックφｉ、蓄積部２ｓの垂直シフトレジスタを駆動する３相クロックφｓ、水平転送部２ｈのＣＣＤシフトレジスタを駆動するクロックφｈ、出力部２ｄの浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタのゲートをオン／オフ制御するクロックφｒを生成して、ＣＣＤイメージセンサ２の各部に供給する。
【００２２】
電源部６は、ドライバ４に供給する所定の負電圧Ｖdrvを生成するドライバ用電源回路２０（駆動回路用電源回路）、ＣＣＤイメージセンサ２の基板に印加される所定の正電圧Ｖsubを生成する基板電圧用電源回路２２、及びＣＣＤイメージセンサ２の出力部２ｄに設けられる出力アンプに所定の正電圧Ｖddを供給するアンプ用電源回路２４を含んで構成される。ちなみに、Ｖddは数ボルト程度であり、またＶsubはそれより高い電圧に設定される。
【００２３】
電源部６は、タイミングジェネレータ８から入力される昇圧パルスによりチャージポンプ動作を行って電圧を昇圧する。これにより電源部６は、昇圧パルスの入力量を所定の時定数で積分した値に応じた電圧としてＶdrv、Ｖsub、Ｖddをそれぞれ生成し、ドライバ４、ＣＣＤイメージセンサ２の基板、及び出力アンプへ出力する。電源部６は例えばＤＣ−ＤＣコンバータを用いて構成される。
【００２４】
これらドライバ用電源回路２０、基板電圧用電源回路２２及びアンプ用電源回路２４は、１フレームの画像信号の読み出しが完了すると停止される。この停止は、昇圧パルスの供給を停止することにより行われる。電源部６の各出力電圧は、昇圧パルスの供給が停止されると降下する。
【００２５】
ＡＦＥ回路１０は、相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）を行うＣＤＳ回路、ＣＤＳ回路の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）を含んで構成される。
【００２６】
タイミングジェネレータ８及びデジタル信号処理回路１２は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１４を用いて構成される。タイミングジェネレータ８は、プログラムされたタイミングにてドライバ４にタイミングパルスを与える。ドライバ４は、タイミングジェネレータ８からのタイミングパルスに応じて、ＣＣＤイメージセンサ２を駆動するパルスを生成して出力する。また、タイミングジェネレータ８は、上述したように電源部６へ昇圧パルスを供給する。
【００２７】
図２は、本装置の動作を説明するタイミングチャートであり、垂直同期信号ＶＤ、ＣＣＤイメージセンサ２の動作状態（撮像期間か読み出し期間か）、電子シャッタのトリガ信号ＳＴ、ドライバ用電源回路２０の出力電圧Ｖdrv、基板電圧用電源回路２２の出力電圧Ｖsub、アンプ用電源回路２４の出力電圧Ｖdd、ＡＦＥ回路１０の動作状態（スタンバイ状態かアクティブ状態か）を表している。
【００２８】
垂直同期信号ＶＤがＬ（Low）レベルとなるＶＤパルス４０の期間が垂直ブランキング期間となる。垂直ブランキングの周期に同期して１フレームの撮影動作が行われる。例えば、先行するフレームでの露光状態に基づいて後続フレームでの露光時間Ｅが定められ、タイミングジェネレータ８はＶＤパルス４０の立ち下がりに時間Ｅだけ先行するタイミングにて電子シャッタのトリガ信号ＳＴにシャッタトリガパルス（STTRGパルス）４２を発生させる。
【００２９】
またタイミングジェネレータ８は、このSTTRGパルス４２に先行して、停止状態にあるドライバ用電源回路２０及び基板電圧用電源回路２２の昇圧動作を実行する。この昇圧動作はSTTRGパルス４２のタイミングまでに完了するように行われる。それにより得られたＶdrv及びＶsubがドライバ４及び基板に供給され、STTRGパルス４２のタイミングにてドライバ４は電子シャッタ動作を実行する。
【００３０】
電子シャッタ動作では、撮像部２ｉの垂直シフトレジスタの転送電極が全てオフ状態とされ、基板表面側のｎ型不純物領域（Ｎウェル）に発生した信号電荷は、基板Ｎsubに印加された正電圧Ｖsubに引き寄せられ排出される。その後、ドライバ４は撮像部２ｉの転送電極に印加される３相クロックφi1〜φi3を制御してＮウェルに電位井戸を形成し、入射光に応じて発生する信号電荷の蓄積を可能とする。このようにしてSTTRGパルス４２に連動して撮像期間が開始され、撮像部２ｉにて露光動作が行われる。
【００３１】
露光期間Ｅの終わりはＶＤパルス４０の立ち下がりのタイミングとなる。ＶＤパルス４０が立ち下がると、ドライバ４は撮像部２ｉから蓄積部２ｓへ信号電荷を高速に転送するフレーム転送動作を開始し、その開始と共に露光動作が終了し、撮像期間が終わる。
【００３２】
蓄積部２ｓは遮光膜で覆われており、フレーム転送された信号電荷を保持することができる。蓄積部２ｓに格納された信号電荷は、読み出し期間にて順次、出力部２ｄに転送され、画像信号として読み出される。読み出し期間の開始は撮像期間の終了後、所定時間後のタイミングに設定される。タイミングジェネレータ８は、この読み出し期間の開始に先行して、停止状態にあるアンプ用電源回路２４の昇圧動作を実行する。この昇圧動作は読み出し期間の開始までに完了するように行われる。それにより得られたＶddが出力アンプに供給される。また、タイミングジェネレータ８は読み出し期間の開始に先行して、ＡＦＥ回路１０のスタンバイ状態を解除し、ＡＦＥ回路１０を起動させる。これによりＡＦＥ回路１０はアクティブ状態に移行する。
【００３３】
ここで、アンプ用電源回路２４の昇圧動作は撮像期間の終了前から開始することができる。その一方で、当該昇圧動作が撮像部２ｉの信号電荷のノイズ成分を増加させるといった影響を及ぼすことが懸念される場合には、当該昇圧動作を撮像期間の終了後から開始させてもよい。
【００３４】
ＡＦＥ回路１０の起動は、撮像期間の終了前から開始することができ、またアンプ用電源回路２４の昇圧動作の開始前から開始することもできる。一方、ＡＦＥ回路１０がＣＣＤイメージセンサ２の出力Ｖoutでフィードバック制御を行う構成を含むような場合には、Ｖoutのバイアスレベル等が安定してからＡＦＥ回路１０を起動すると、例えば、フィードバック制御が円滑に収束し得る。そのような場合、アンプ用電源回路２４の昇圧動作が完了することによりＶoutのバイアスレベルが安定してからＡＦＥ回路１０を起動するように構成することができる。
【００３５】
上述のように、アンプ用電源回路２４の昇圧動作及びＡＦＥ回路１０の起動は、基本的には、ドライバ用電源回路２０及び基板電圧用電源回路２２の昇圧動作に対して遅延して行われ、その分、消費電力が低減される。
【００３６】
また、出力アンプに対する保護回路として、半導体基板上にてＶddが印加される拡散層領域の電圧が所定値より高くなると、Ｖddから基板領域Ｎsubに向けて電流を流すダイオード構造が作り込まれている。このダイオードは、通常は、Ｖsub＞Ｖddであることにより逆バイアス状態となっているが、Ｖdd端子に静電気放電やサージ電圧等により通常電圧より高い電圧が不意に加わると、順バイアスとなって電流を流し、出力アンプの破壊の発生等を防止する。本装置においては、Ｖsubの昇圧後にＶddの昇圧を開始することで、保護回路のダイオードを逆バイアスに保ったままＶddの昇圧を行うことができる。すなわち、順バイアス電流の発生が防止されるため、電力消費が抑制される。
【００３７】
Ｖddの昇圧及びＡＦＥ回路１０の起動が完了した後、読み出し期間が開始される。読み出し期間において、ドライバ４は蓄積部２ｓに格納される信号電荷のライン転送、水平転送、出力部２ｄのリセットゲートの動作を制御する。ライン転送動作では、蓄積部２ｓの信号電荷は１行ずつ水平転送部２ｈへ垂直転送される。水平転送部２ｈに転送された１行分の信号電荷は、ＣＣＤシフトレジスタで構成される水平転送部２ｈの水平転送動作により、次のライン転送までに出力部２ｄへ順次、転送される。出力部２ｄは、上述のように浮遊拡散層にて信号電荷量に応じた電圧信号を検出し、出力アンプで増幅して画像信号Ｖoutとして出力する。
【００３８】
１フレームのＶoutの出力が完了し、読み出し期間が終わると、上述したように電源部６は停止され、またＡＦＥ回路１０はスタンバイ状態とされ、これらにより電力消費の抑制が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係る撮像装置の概略のブロック構成図である。
【図２】本装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
２  ＣＣＤイメージセンサ、２ｉ  撮像部、２ｓ  蓄積部、２ｈ  水平転送部、２ｄ  出力部、４  ドライバ、６  電源部、８  タイミングジェネレータ、１０  ＡＦＥ回路、１２  デジタル信号処理回路、１４  ＤＳＰ、２０  ドライバ用電源回路、２２  基板電圧用電源回路、２４  アンプ用電源回路。
【図１】
2006081048.tif 000003
【図２】
2006081048.tif 000004