(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷結合デバイス（CCD）から転送される信号を増幅して出力する複数段のソースフォロワ増幅回路を含むCCD出力回路において、該回路は、
ソースフォロワ増幅回路の最終段電源電圧の値を、最終段を除く他のソースフォロア増幅回路の電源電圧よりも低く設定された電圧か、もしくは実質的にゼロの電圧かに切り換えるスイッチング手段と、
前記CCDを含むカメラ全体の同期信号を発生するタイミングジェネレータおよび前記スイッチング手段の切り換えを制御する制御手段とを含み、
前記制御手段は、CCDの信号読み出しが行われない期間、前記同期信号中の垂直同期信号の切り換えに同期して前記スイッチング手段を切り換えて、前記最終段電源電圧の値を実質的にゼロにすることを特徴とするCCD出力回路。
【請求項２】
請求項１に記載のCCD出力回路において、前記制御手段は、CCDの露光時に前記スイッチング手段を切り換えて前記電源電圧の値を実質的にゼロにすることを特徴とするCCD出力回路。
【請求項３】
電荷結合デバイス（CCD）から転送される信号を複数段のソースフォロワ増幅回路で増幅して出力するCCD出力方法において、該方法は、
ソースフォロワ増幅回路の最終段電源電圧の値を、最終段を除く他のソースフォロア増幅回路の電源電圧よりも低く設定された電源電圧か、もしくは実質的にゼロの電圧かに切り換えるスイッチング工程と、
前記CCDを含むカメラ全体の同期信号を発生するタイミングジェネレータおよび前記スイッチング手段の切り換えを制御する制御工程とを含み、
前記制御工程は、CCDの信号読み出しが行われない期間、前記同期信号中の垂直同期信号の切り換えに同期して前記スイッチング工程を切り換えて、前記最終段電源電圧の値を実質的にゼロにすることを特徴とするCCD出力方法。
【請求項４】
請求項３に記載のCCD出力方法において、前記制御工程は、CCDの露光時に前記スイッチング工程を切り換えて前記電源電圧の値を実質的にゼロにすることを特徴とするCCD出力方法。
【請求項５】
CCDから転送される信号を増幅して出力する複数段のソースフォロワ増幅回路を含むCCD出力回路において、該回路は、
ソースフォロワ増幅回路を流れる直流電流の値を各段ごとに変化させるスイッチング手段と、
CCDの不要電荷掃き出し期間に前記スイッチング手段を切り換えてCCDの信号読み出し期間より前記直流電流の値を低く設定する制御手段とを含み、
これにより、消費電力を低減することを特徴とするCCD出力回路。
【請求項６】
CCDから転送される信号を複数段のソースフォロワ増幅回路で増幅して出力するCCD出力方法において、CCDの不要電荷掃き出し期間における各段のソースフォロワ増幅回路を流れる直流電流の値を、CCDの信号読み出し期間より低く設定することを特徴とするCCD出力方法。
【請求項７】
請求項６に記載のCCD出力方法において、所定の時間以上露光を継続する場合は、前記直流電流の値を低くしまたは実質的にゼロにすることを特徴とするCCD出力方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOS型撮像デバイスその他の固体撮像デバイスの出力回路および出力方法に関するものであり、とりわけ、電荷結合デバイス（Charge Coupled Device; CCD）を撮像素子として使用するディジタルカメラ、ラインセンサその他の機器におけるCCD出力回路およびCCD出力方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
CCDから出力される信号電荷を微小な容量にサンプルホールドし、電圧信号として検出する回路として、フローティングディフュージョンアンプ（Floating-Diffusion Amplifier; FDA）がよく知られている。FDAによって信号電荷から変換された電圧信号は、複数段（２段または３段が一般的）のソースフォロワ増幅回路で増幅される。このように、CCD撮像デバイスは、一般的に、FDAとソースフォロワ増幅回路とを含む出力回路を有している。
【０００３】
各段のソースフォロワ増幅回路の電源電圧に注目すると、これらは一律に16Ｖ程度の高い値に設定されている。これは、ソースフォロワ増幅回路を構成する電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor; FET）において、電源電圧が設定されるドレインからソースに向かって電圧レベルが降下し、ある一定の電圧以下になると、ソースフォロワ回路として機能しなくなるからである。また、ソースフォロワ増幅回路のバイアス電流も、定電流源により、一定値に設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、CCD撮像デバイスの高速読み出しに伴い、出力回路のソースフォロワ増幅回路においても、高い周波数特性が要求され、各段のバイアス電流は増加する傾向にある。したがって、出力回路の消費電力は増大することとなるが、これは様々な問題を引き起こすおそれがある。例えば20秒から30秒程度の長時間にわたって露光が行われる場合は、ソースフォロワ増幅回路を含む出力回路において、暗電流による消費電力が増大する。露光時間が上記のように長いと、CCDへの入射光レベルに比較して、暗電流による熱雑音は相対的に大きくなるため、出力回路付近に位置する画素には白キズが発生し、画像の乱れの原因となる。また、出力回路の発熱による周辺の素子への悪影響は、特に、小型化を目指す携帯機器にとって好ましくない。
【０００５】
特開平10-117306号公報によれば、ソースフォロワ増幅回路に流れるバイアス電流が大きいほど、電源電圧を低くした固体撮像装置が提案されている。また特開平９-252111号公報によれば、ソースフォロワ増幅回路の最終段のトランジスタの構造を変更することにより、消費電力の低減が図られている。しかし、これらの先行技術においても、定常的に一定の電力消費を行うことには変わりなく、上述の問題を完全に防ぐものではない。
【０００６】
さらに、特願2001-69051号も、撮像素子の出力回路に関するものであるが、電源電圧を実質的にゼロにすることについては言及されていない。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、出力回路の周波数特性を損なうことなく、消費電力を低減するCCD出力回路およびCCD出力方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、CCDから転送される信号を増幅して出力する複数段のソースフォロワ増幅回路を含むCCD出力回路において、少なくとも最終段のソースフォロワ増幅回路の電源電圧の値を実質的にゼロにするスイッチング手段と、CCDの信号読み出しが行われない期間にスイッチング手段を切り換えて電源電圧の値を実質的にゼロにする制御手段とを含み、これにより、消費電力を低減する。
【０００９】
また、本発明は上述の課題を解決するために、CCDから転送される信号を増幅して出力する複数段のソースフォロワ増幅回路を含むCCD出力回路において、ソースフォロワ増幅回路を流れる直流電流の値を各段ごとに個別に変化させるスイッチング手段と、CCDの信号読み出し周波数に応じて、スイッチング手段を切り換えて直流電流の値を低くする制御手段とを含み、これにより、消費電力を低減する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明によるCCD出力回路およびCCD出力方法の実施例を詳細に説明する。図中、本発明に関連のない要素については省略し、信号はそれが現れる信号線の符号によって表すものとする。また、同様の要素は同一の符号で表すものとする。
【００１１】
図２は本発明によるCCD出力回路が適用されるディジタルスチルカメラの一例を示すブロック図である。カメラ10はCCD（Charge Coupled Device）を撮像素子として用い、被写界から取り込んだ入射光をディジタル画像信号として記録する装置である。カメラ10はレンズ12を含み、これを通して入射光14が取り込まれる。カメラ10用の撮像素子16は、入射光14を光電変換し、得られた信号電荷を垂直・水平方向に転送する画素領域18と、画素領域18の水平転送路32に接続された出力回路20A（20B）とで構成されている。この出力回路20A（20B）が、本発明に係るCCD出力回路の実施例である。なお、本実施例では撮像素子としてCCDを用いているが、本発明は、光電変換された信号電荷を読み出す、例えばMOS型撮像デバイスなどの他の固体撮像デバイスに適用することも可能である。
【００１２】
図３は画素領域18の模式図である。画素領域18には画素に相当するフォトダイオード24が格子状に配列され、入射光14を光電変換し、信号電荷として基板に蓄積する。図３のフォトダイオード24は簡単のため限られた数を代表的に示したものであり、実際は数百万画素存在することは言うまでもない。また画素領域18は、蓄積された信号電荷を受け取り（フィールドシフト）、垂直方向26に転送する垂直転送CCD 28と、垂直転送された信号電荷をさらに受け取り（ラインシフト）、水平方向30に転送する水平転送CCD 32とを含む。このように、画素領域18は、光電変換を行うフォトダイオード24と電荷転送を行うCCD 28、32とで構成されるインターライン型CCDを採用している。しかし、インターライン型を採用するのは、ディジタルカメラに使用されるものとして最も一般的であるからにすぎず、フレーム転送型CCDやフレームインターライン転送型CCDを用いてもよい。
【００１３】
図１は本発明に係るCCD出力回路の第１の実施例20Aを示す回路図である。出力回路20Aは、水平転送された信号電荷34を、電荷量に応じた電圧を有する電気信号として検出する装置である。信号線34にはコンデンサ35が接続されていて、これは当初、図示しないリセット回路によってリセット電圧が与えられているが、転送されてきた信号電荷34が与えられることによって、電荷量が変化し、信号電荷34に対応した電圧変化を起こす。ただし、コンデンサ35の出力インピーダンスが非常に高く、この電圧変化は小さくてそのままでは実用に耐えないため、出力回路20Aは３段のソースフォロワ増幅回路36、38、40を含んでいる。
【００１４】
ソースフォロワ増幅回路36、38、40は、各段ごとに電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor; FET）42、44、46を含み、出力インピーダンスを次第に低くする回路である。各段の動作を代表として初段36によって説明する。初段36のFET 42のゲート37に印加さた上述の電圧変化により、これに対応した直流電流がドレイン47−ソース49間を流れる。これにより、ソース49は、ドレイン47の電源電圧60（16Ｖ）から降下した電位になり、これが第２段38のFET 44のゲート53に印加される。このように、ゲート電圧の変化を入力として、次第に出力インピーダンスを下げる（直流電流を増幅する）。そして最終段40で増幅された出力信号56は、アンプ90に出力される。なお、本実施例のように、出力回路20Aの段数は通常、２〜３段であるが、これらの段数に限られるものではない。
【００１５】
各段36、38、40には定電流源50、52、54が接続されているが、これらが定電流源として動作するためには、一定値以上の電圧が必要であり、それ以下になるとソースフォロワ増幅回路として機能しなくなる。したがって、初段36および第２段38は、共通の高い電源電圧60（16Ｖ）を使用している。しかし、このような高い電源電圧を設定すると、消費電力が高くなりがちである。
【００１６】
図４はそのような問題を抱えた、従来技術におけるソースフォロワ増幅回路の回路図である。図４において、図１と同様の要素については、同一の符号が付してある。図４に示すように、従来は、各段36、38、40は共通に高い電源電圧60に接続されていた。そして、各FET 42、44、46における消費電力は、ドレイン−ソース間を流れる電流の値が最も大きくなる最終段40のFET 46で最大となっていた。
【００１７】
そこで、本実施例では、図１に示すように、最終段40の電源電圧を、初段36および第２段38とは独立して設けるとともに、その電圧値をスイッチング素子64によって自由に切換可能とした。スイッチング素子64によれば、最終段40を、低く設定された独立した電源電圧62（５Ｖ）に接続し、あるいは、アース66して電圧を実質的にゼロ（またはオフ）とすることができる。この電圧値ゼロへの切換は、信号電荷の読み出しが行われていない期間に実行可能である。読み出しが行われていなければ、出力回路20Aが信号電荷34の検出を行う必要はないからである。なお、スイッチング素子64はトランジスタで構成してよい。また、スイッチング素子64はカメラ制御部70によって制御されるが、これについては後述する。
【００１８】
図１に示す実施例では、各段の電源電圧を共通にした場合に消費電力が最大となる、最終段40の電源電圧を独立とする構成としたが、このように電源電圧を独立の構成とし、また、スイッチング素子によって、自由に電圧値を切り換えることは、初段36または第２段38についても行ってもよい。
【００１９】
再び図２を参照されたい。カメラ制御部70は、出力回路20Aに制御信号72を与えて出力回路20Aに含まれるスイッチング素子64を切り換える装置である。またカメラ制御部70は、カメラ10内の各種装置に同期信号76、78、80を与えるタイミングジェネレータ74に対しても制御信号82を与え、タイミングジェネレータ74が発振する同期信号76、78、80を自由に変更して、信号処理の速度を変化させることができる。その一方、カメラ制御部70は、タイミングジェネレータ74から同期信号84を受信し、出力回路20Aへ制御信号72を与えるタイミングを得ている。
【００２０】
その他、本実施例ではそれほど重要な要素ではないが、カメラ10は、以下の要素を含む。すなわち、タイミングジェネレータ74からの同期信号に同期して撮像素子16に垂直および水平転送用の駆動信号86を与えるCCD駆動回路88と、出力回路20から出力された画像信号56をさらに増幅するアンプ90と、増幅された画像信号92をA/D変換するA/Dコンバータ94と、ディジタル画像信号96に対して各種信号処理を施す信号処理装置98と、静止画像を撮像する（以下「本撮像」と称する）際に、信号処理された画像信号100を記録する記録部102と、本撮像時以外の期間に、粗い信号処理が施された画像信号104を、動画像として表示する液晶モニタ17とである。これらの装置は、前述のように、タイミングジェネレータ74からの同期信号76、78、80によって駆動される。一方、記録部102はカメラ制御部70からの制御信号106により、画像の記録を行う。
【００２１】
以上のように構成された本発明の第１の実施例の動作について、以下、説明する。図５(a)(b)(c)は前記第１の実施例の動作を示すタイミングチャートである。タイミングジェネレータ74がカメラ制御部70に与える同期信号84は、垂直および水平の同期信号を含むが、図５(a)には代表として垂直同期信号を示している。他の装置に与えられる同期信号76、78、80も、同期信号84と同様であるから、以下、各種装置88、90、94、98は、図５(a)に代表的に図示される同期信号84に従って駆動されるものと考えられたい。
【００２２】
垂直同期信号84はカメラ10の電源がオンになった時から発振を開始し、本撮像を行っていない期間、すなわち、単にモニタ17に動画（スルー画）を高速に描画している期間は、図５(a)に示すように、一定の周期99（１Ｖ）を保っている。この定常的な垂直同期信号がlowレベル110の間はブランキング期間112であり、highレベル114の間はスルーモード116である。
【００２３】
垂直同期信号84がlowレベルに立ち下がる時118には、原則として、画素領域18において、フィールドシフトが行われる。つまり、フォトダイオード24に蓄積されていた信号電荷が垂直転送CCD 28に転送される。フィールドシフトと同時に始まるブランキング期間112では、信号電荷の転送は行われない。よって、カメラ制御部70はスイッチ64をアース66して最終段40の電源電圧をオフ120にすることができる。
【００２４】
ブランキング期間112の終了と同時に、カメラ10はスルーモード116となる。スルーモード116では、粗い画像でもよいからモニタ17に動画像を描画しなければならないため、フィールドシフトされた信号電荷は垂直転送CCD 28および水平転送CCD 32を高速に転送され、出力回路20Aで電気信号として検出される。この時は、出力回路20Aはソースフォロワ増幅回路として機能する必要があるため、カメラ制御部70はスイッチ64を電源電圧62に接続する（電源オン121）。
【００２５】
次に、本撮像を行う場合の動作を説明する。撮影者がシャッタレリーズボタン（図示しない）を押すことによる撮像命令を受け取ったカメラ制御部70は、タイミングジェネレータ74にリセットパルス82を送信して本撮像の準備を開始する。このリセットパルス82は、図４(a)では撮像命令122として現れる。タイミングジェネレータ74の垂直同期信号84には強制的な立ち下がり124が行われ、フィールドシフトが行われる。ここでフィールドシフトされた電荷は不要電荷として掃き出されることとなる。この不要電荷の掃き出しモード126では、本実施例のカメラ制御部70は、直前のスルーモード127に引き続いて、スイッチ64を電源電圧62に接続する（電源オン129）。不要電荷の掃き出しとはいえ、信号読み出し動作と同様の経路を通って不要電荷は掃き出されるのであるから、出力回路20Aも、信号読み出しモードと同様に動作している必要があるからである。ただし、不要電荷掃き出しを垂直・水平転送路28、32を用いて行わず、基板方向に廃棄する縦型オーバフロードレイン（Vertical Overflow Drain; VOD）を使用する場合には、カメラ制御部70は、掃き出しモード126の間、スイッチ64をアース66して、消費電力を低減してもよい。
【００２６】
掃き出しモード126が終了すると、露光モード128となる。静止画像の撮影であるから、カメラ制御部70は、タイミングジェネレータ74を制御して次の立ち下がり132のタイミングを遅らせ、露光期間128に十分な時間をかける。露光期間128では信号読み出しの必要がないため、カメラ制御部70は、スイッチ64をアース66して最終段40の電源電圧を実質的にゼロにする（電源オフ130）。
【００２７】
次の同期信号の立ち下がり132により、蓄積された信号電荷がフィールドシフトされ、信号読み出しモード134が開始される。この場合は読み出された信号電荷34を出力回路20Aが検出しなければならないから、当然、カメラ制御部70は、スイッチ64を電源電圧62に接続する（電源オン136）。
【００２８】
このように、信号読み出しモード134、スルーモード116、127および掃き出しモード126のように、出力回路20Aを介して信号電荷が読み出される場合のみ、最終段のソースフォロワ増幅回路40の電源電圧をオン136、121、129とし、それら以外のブランキング期間112および露光モード128では、電源電圧をオフ120、130とする。これによって、消費電力を低減するのが本発明の第１の実施例の特徴である。
【００２９】
なお本実施例ではブランキング期間として、垂直ブランキング期間112で電圧オフ120としているが、水平ブランキング期間に電圧オフとしてもよい。
【００３０】
図６は本発明に係るCCD出力回路の第２の実施例20Bを示す回路図である。第１の実施例を示す図１と同様の要素は、同一の符号で表している。第２の実施例では、出力回路20Bの各段のソースフォロワ増幅回路36、38、40の電源電圧60（16Ｖ）は共通である一方、第２段38および最終段40に接続されたスイッチング素子140、142、144、146によって、直流電流の値が切り換えられる構成となっている。
【００３１】
第２段のスイッチ140側の定電流源148の電流値Ｉ２Ｈは、スイッチ142側の定電流源150の電流値Ｉ２Ｌより高い。この関係は最終段の定電流源152、154の電流値Ｉ３Ｈ、Ｉ３Ｌについても同様であり、Ｉ２Ｈ＞Ｉ２Ｌ、Ｉ３Ｈ＞Ｉ３Ｌの関係がある。スイッチ140、144は共通の制御信号72Aによって同時に開閉いずれかに切り換えられ、スイッチ142、146は共通の制御信号72Bによって同時に開閉いずれかに切り換えられる。かかる構成を利用し、各スイッチを制御するカメラ制御部70は、スイッチ140、144を閉じるときはスイッチ142、146を開放して第２段38および最終段40にそれぞれ高い電流を流し、スイッチ142、146を閉じるときはスイッチ140、144を開放して第２段38および最終段40にそれぞれ低い電流を流す。
【００３２】
このような３段から成るソースフォロワ増幅回路において、初段、第２段、最終段に各々流れる電流の値は、例えば、１：２：７に設定することができる。本実施例ではスイッチングによって電流値を変更可能であるが、各定電流源148、150、152、154が設定している不連続な電流値を選択できるにすぎない。しかし、本発明の思想は、信号電荷の読み出し周波数に応じて電流値を変更することにある。したがって、可変電流源を各段38、40について設け、電流値を連続的に変化させる構成としてもよい。また、本実施例では、第２段38および最終段40について電流を変更可能な構成としたが、初段36についても電流値を変更可能な構成としてもよいことは言うまでもない。
【００３３】
以上のように構成された本発明によるCCD出力回路の第２の実施例の動作を、以下、図５(a)(b)(d)を参照して説明する。なお図５(c)は、電源電圧だけをオン／オフ制御する第１の実施例のタイムチャートであるから、第２の実施例の動作を示す図５(d)とは関係がない。ただし、第１の実施例と第２の実施例とを組み合わせて利用することは、更なる消費電力の低減を実現できるため、好ましい。
【００３４】
第２の実施例の動作は、代表的に、図６の第２段38を用いて説明する。本実施例における電流の制御は、以下の方針に従って行われている。すなわち、本撮像時（信号読み出しモード134）では、スイッチ140、142のいずれか一方を閉じ、他方を開放し、大小いずれかの電流Ｉ２Ｈ、Ｉ２Ｌを流す（期間156）。原則として高い電流Ｉ２Ｈを流すが、これは、本撮像における信号読み出しに高い周波数特性が要求されるからである。
【００３５】
一方、信号読み出しモード134において、例外的に低い電流Ｉ２Ｌを流す場合もある（期間156）。これは、本撮像時の信号読み出し速度が、例えばスルーモード116と比較してゆっくりであり、高い読み出し周波数が要求されない場合もあるからである。このように、読み出しモード134においては、信号電荷の読み出し周波数に応じて、電流値を変化させる。なお、電流をゼロにしないのは、次のモードに迅速に移行することを可能とするためである。
【００３６】
上述のように、読み出し周波数に応じて電流値を変更する規則に従い、他のモードでは以下のように電流値を設定する。スルーモード116では、スイッチ140のみを閉じ、高い電流Ｉ２Ｈを流す（期間158）。高速読み出しを行うため、読み出し周波数が高くなるからである。不要電荷掃き出し期間すなわち、掃き出しモード126では、スイッチ142のみを閉じ、小さい電流Ｉ２Ｌを流す（期間160）。高い読み出し周波数が要求されていないからである。そして、信号を読み出していない期間すなわち、ブランキング期間112では、スイッチ140、142をいずれも開放し、電流値をオフ（実質的にゼロ）にする（期間162）。
【００３７】
露光モード128では、直前の掃き出しモード126における不要電荷の掃き出し動作（これも一種の信号読み出し）が継続している場合があるため、スイッチ142のみを閉じ、小さい電流Ｉ２Ｌを流す（期間164）。一方、掃き出し完了後も露光モード128が継続するほど、長時間の露光が行われる場合は、スイッチ140、142をいずれも開放し、電流値をオフ（実質的にゼロ）にすることもできる（期間164）。
【００３８】
このように、本発明の思想は、CCDの信号読み出しが行われない期間は電源電圧をオフにして消費電力を低減しようとするものである。また、CCDの信号読み出し周波数に応じて、直流電流の値を低くし、または実質的にゼロとして、消費電力を低減しようとするものである。
【００３９】
なお、本発明は実施例としてディジタルスチルカメラを利用したが、CCDを撮像素子として利用する他の多くの機器、例えばスキャナ（ラインセンサ方式）にも適用可能であることは明らかである。
【００４０】
【発明の効果】
このように本発明によれば、CCD出力回路の周波数特性を損なうことなく、CCD出力回路の消費電力を減らすことができる。また、出力回路の消費電力を下げることにより、出力回路で発生する熱を低減でき、出力回路付近に位置する画素の暗電流を低減することができる。よって、発熱による画像への影響を減らすことができる。
【００４１】
また、長時間露光時には電流値が低くなり、またはオフされるため、暗電流による発熱を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るCCD出力回路の第１の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明に係るCCD出力回路が適用されるディジタルスチルカメラの一例を示すブロック図である。
【図３】図２に示す画素領域の模式図である。
【図４】従来技術におけるソースフォロワ増幅回路の回路図である。
【図５】本発明に係るCCD出力回路の実施例の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明に係るCCD出力回路の第２の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
10  ディジタルスチルカメラ
16  撮像素子
18  画素領域
20  出力回路
36、38、40  ソースフォロワ増幅回路
64、140、142、144、146  スイッチング素子
70  カメラ制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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