JP2010028320A

JP2010028320A - 光電変換装置、その駆動方法及び撮像装置

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Publication number: JP2010028320A
Application number: JP2008185291A
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Inventors: Takashi Kishi; 隆史岸
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Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-16
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Abstract

【課題】消費電力の増加を抑えつつ、光電変換された信号の読み出しを高速で行う。
【解決手段】光電変換装置は、受光量に応じた光電変換を行うＰＤ２０２、光電変換された電荷を保持するＦＤ２０４、その電荷量に応じた電位を読み出す信号読み出し部２１０を備える。また、光電変換装置における信号読み出し部２１０での電位の読み出しは、ＦＤ２０４に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅ＭＯＳアンプ２０５と、その増幅電位とするための定電流源２０９を介して行われる。この時、定電流源２０９は、その定電流源２０９で流す電流量より、増幅ＭＯＳアンプ２０５で流す電流量が少なくなる期間の少なくとも一部の期間において、他の期間より定電流量を増加させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置、その駆動方法及び撮像装置に関する。

従来、光学系により結像された光学像を撮像する光電変換装置を使用し、撮像された画像データを記録するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置が知られている。この撮像装置で使用される光電変換装置には、ＣＭＯＳＡＰＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor）などがある。ここで、従来の光電変換装置について、図１１〜図１３を参照して説明する。図１１は、従来の光電変換装置１１００の全体構成を示す概略図である。図１２は、光電変換装置１１００における１画素分の回路及びその画素から信号を読み出す読み出し回路の構成を示す回路図である。図１３は、光電変換装置１１００の垂直信号線電位と各種信号とのタイミングを示すタイミングチャートである。

図１１に示すように、光電変換装置１１００は、画素部１１０１、垂直選択回路１１０２、読み出し回路１１０３、水平選択回路１１０４を有する構成である。画素部１１０１は、複数の画素が２次元アレイ状に配列されており、２次元の撮像画像を取得する。垂直選択回路１１０２は画素部１１０１における行を選択し、水平選択回路１１０４は画素部１１０１における列を選択する回路である。一般的には、垂直選択回路１１０２は、画素部１１０１の複数の行を順に選択し、水平選択回路１１０４は、垂直選択回路１１０２によって選択されている行を構成する複数の画素を順に選択するように画素部１１０１の複数の列を順に選択する。読み出し回路１１０３は、垂直選択回路１１０２及び水平選択回路１１０４によって選択される画素の信号を読み出す回路である。なお、光電変換装置１１００は、上記の各回路にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路などを備えてもよい。

図１２に示すように、画素部１１０１における画素１２０１は、ＰＤ１２０２、転送スイッチ１２０３、ＦＤ１２０４、リセットスイッチ１２０７、増幅ＭＯＳアンプ１２０５、選択スイッチ１２０６を含んで構成される。なお、ＰＤはフォトダイオード、ＦＤはフローティングディフュージョン部の略記である。

ＰＤ１２０２は、光学系を通して入射する光を光電変換する光電変換部として機能する。ＰＤ１２０２のアノードは接地ラインに接続され、カソードは転送スイッチ１２０３のソースに接続される。転送スイッチ１２０３は、そのゲート端子に入力される転送パルス信号φＴＸによって駆動され、ＰＤ１２０２で発生した電荷をＦＤ１２０４に転送する。ＦＤ１２０４は、電荷を一時的に蓄積するとともに蓄積した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。

増幅ＭＯＳアンプ１２０５は、ソースフォロアとして機能し、そのゲートにはＦＤ１２０４で電荷電圧変換された信号が入力される。また、増幅ＭＯＳアンプ１２０５は、そのドレインが第１電位を提供する第１電源線ＶＤＤ１に接続され、そのソースが選択スイッチ１２０６に接続されている。選択スイッチ１２０６は、そのゲートに入力される垂直選択パルス信号φＳＥＬによって駆動され、そのドレインが増幅ＭＯＳアンプ１２０５に接続され、そのソースが垂直信号線１２０８に接続されている。垂直選択パルス信号φＳＥＬがアサートされてアクティブレベル（ハイレベル）になると、画素部１１０１の該当する行に属する画素の選択スイッチ１２０６が導通状態になり、増幅ＭＯＳアンプ１２０５のソースが垂直信号線１２０８に接続される。

リセットスイッチ１２０７は、そのドレインが第２電位（リセット電位）を提供する第２電源線ＶＤＤ２に接続されており、そのソースがＦＤ１２０４に接続されている。リセットスイッチ１２０７は、そのゲートに入力されるリセットパルス信号φＲＥＳによって駆動されて、ＦＤ１２０４に蓄積されている電荷を除去する。

光電変換装置１１００では、ＦＤ１２０４及び増幅ＭＯＳアンプ１２０５他、垂直信号線１２０８に定電流を供給する定電流源１２０９によってフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ１２０６で選択された行を構成する各画素の信号は、ＦＤ１２０４に転送された電荷がＦＤ１２０４で電圧信号に変換される。次いで、ＦＤ１２０４により変換された電圧信号は、フローティングディフュージョンアンプを通じて読み出し回路１１０３における画素対応の信号読み出し部１２１０に出力される。

スイッチ１２１１は、ＦＤ１２０４のリセット電位をリセットレベル信号として読み出すためのスイッチであり、読み出しパルス信号φＴＮにより駆動される。キャパシタ１２１２は、画素信号の読み出しの直前にリセットレベル信号（ＦＤ１２０４のリセットレベルに応じた電位の信号）に応じた電位で充電される。

スイッチ１２１４は、ＰＤ１２０２で発生した電荷信号に応じた電圧信号を読み出すためのスイッチであり、読み出しパルス信号φＴＳにより駆動される。キャパシタ１２１５は、画素信号の読み出し時に、その画素信号（ＰＤ１２０２からＦＤ１２０４に転送された電荷に応じた電位の信号）に応じた電位で充電される。

差動アンプ１２１７は、キャパシタ１２１２の電位とキャパシタ１２１５の電位との差分を出力線１２１８に出力するアンプである。スイッチ１２１３、１２１６は、水平選択パルス信号φＨｉによって駆動されて、それぞれキャパシタ１２１２、１２１５の電位を差動アンプ１２１７に伝達する。すなわち、出力線１２１８には、ＰＤ１２０２からＦＤ１２０４に転送される電荷に対応する電位とリセット状態のＦＤ１２０４の電位との差分を増幅した値が画素信号として出力される。

ここで、差動アンプ１２１７の入力端子に接続された共通出力線１２１７ａ、１２１７ｂには、一般的には、水平選択パルス信号φＨ１…φＨ_{（ｉ−１）}、φＨ_{（ｉ＋１）}…φＨｎで駆動される他の列のスイッチ１２１３、１２１６も接続される。なお、ｎは、画素部１１０１の列の数である。

図１３では、上部に垂直信号線１２０８の電位、下部に各信号のタイミングを示している。期間ｔ１４０１では、リセットパルス信号φＲＥＳと転送パルス信号φＴＸが印加されてリセットスイッチ１２０７と転送スイッチ１２０３がＯＮとなり、ＰＤ１２０２とＦＤ１２０４の電位が初期電位（リセット電位）にリセットされる。ＰＤ１２０２では、そのリセットの終了とともに新たな露光が開始される。その後、垂直選択パルス信号φＳＥＬが印加されて選択スイッチ１２０６がＯＮされることによって読み出し行が選択される。読み出し行が選択されると期間Ｔ１４０７の間に垂直信号線１２０８の電位がＦＤ１２０４のリセットレベルに応じた電位となる。期間ｔ１４０２において読み出しパルス信号φＴＮが印加されてスイッチ１２１１がＯＮされることで、キャパシタ１２１２はＦＤ１２０４のリセット電位に応じた電位で充電される。なお、期間ｔ１４０２は、キャパシタ１２１２の充電に必要な期間Ｔ１４０７より長い必要がある。

期間ｔ１４０３では転送パルス信号φＴＸが印加される。転送パルス信号φＴＸが印加されることによって転送スイッチ１２０３がＯＮとなり、ＰＤ１２０２に蓄積されていた電荷がＦＤ１２０４に転送される。この時、垂直信号線１２０８の電位は、垂直選択パルス信号φＳＥＬの印加により選択スイッチ１２０６がＯＮされているため、ＦＤ１２０４の電位に応じた電位となる。期間ｔ１４０４では読み出しパルス信号φＴＳが印加される。読み出しパルス信号φＴＳが印可されることによってスイッチ１２１４がＯＮとなり、キャパシタ１２１５は、ＰＤ１２０２に蓄積されていた電荷が転送された後のＦＤ１２０４の電位に応じた電位で充電される。なお、期間ｔ１４０４は、キャパシタ１２１５の充電に必要な期間Ｔ１４０８より長い必要がある。

期間ｔ１４０６において水平選択パルス信号φＨが印加されると、スイッチ１２１３、１２１６がＯＮとなる。これにより、キャパシタ１２１５、キャパシタ１２１２のリセット電位とＰＤ１２０２に蓄積された電荷による電位との差分は、差動アンプ１２１７により増幅され、出力線１２１８に出力される。例えば、特許文献１には、上述した光電変換装置と同様の回路構成が開示されている。
特公平５−１８３０９号公報

以上のように、光電変換装置１１００は、ＰＤ１２０２で光電変換された電荷による電位とリセット電位との差分を増幅して画素の信号を取得している。従って、光電変換装置１１００は、固定パターンノイズの低減や、画素のリセットスイッチのばらつきによるノイズの低減を実現している。なお、垂直信号線１２０８をＰＤ１２０２で光電変換された電荷による電位やリセット電位に応じた電位となる期間（期間Ｔ１４０７，Ｔ１４０８）はソースフォロアの能力で決定される。すなわち、画素の信号読み出しに係る期間Ｔ１４０７、Ｔ１４０８はソースフォロアを構成している増幅ＭＯＳアンプ１２０５と定電流源１２０９で決定される。

このため、画素の信号を高速で読み出す場合は、期間Ｔ１４０７，Ｔ１４０８を短くする必要があり、定電流源１２０９の電流量を増大させればよい。しかしながら、単に定電流源１２０９の電流量を増やしてしまうと消費電力の増大が無視できなくなる虞があった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであって、消費電力の増加を抑えつつ、光電変換された信号の読み出しを高速で行う光電変換装置、その駆動方法及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的は、受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位を前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有し、前記制御手段は、前記増幅用トランジスタで流す電流量が前記定電流源で流す電流量より少なくなる期間の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする本発明による光電変換装置によって達成される。

また、上記目的は、受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位が前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源とを有し、前記制御手段は、前記読み出し手段における電位の読み出し期間内の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする本発明による光電変換装置によっても達成される。

また、上記目的は、受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位を前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、前記増幅用トランジスタで流す電流量が前記定電流源で流す電流量より少なくなる期間の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする本発明による光電変換装置の駆動方法によっても達成される。

また、上記目的は、受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位が前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、前記読み出し手段における電位の読み出し期間内の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする本発明による光電変換装置の駆動方法によっても達成される。

本発明によれば、消費電力の増加を抑えつつ、光電変換された信号の読み出しを高速で行うことができる。

以下、この発明の実施の形態について図を参照して説明するが、この発明は以下の実施の形態に限定されない。また、この発明の実施の形態は発明の最も好ましい形態を示すものであり、発明の範囲を限定するものではない。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光電変換装置１００の全体構成を示す概念図である。図２は、光電変換装置１００における１画素分の回路及びその画素の読み出し回路の構成を示す回路図である。

図１に示すように、光電変換装置１００は、画素部１０１、垂直選択回路１０２、読み出し回路１０３、水平選択回路１０４を有する構成である。画素部１０１は、複数の画素が２次元アレイ状に配列されており、２次元の撮像画像を取得する。垂直選択回路１０２は画素部１０１における行を選択し、水平選択回路１０４は画素部１０１における列を選択する回路である。一般的には、垂直選択回路１０２は、画素部１０１の複数の行を順に選択し、水平選択回路１０４は、垂直選択回路１０２によって選択されている行を構成する複数の画素を順に選択するように画素部１０１の複数の列を順に選択する。読み出し回路１０３は、垂直選択回路１０２及び水平選択回路１０４によって選択される画素の信号を読み出す回路である。なお、光電変換装置１００は、上記の各回路にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ或いは後述する各種信号を出力する制御回路などを備えてもよい。

図２に示すように、画素部１０１における画素２０１は、ＰＤ２０２、転送スイッチ２０３、ＦＤ２０４、リセットスイッチ２０７、増幅ＭＯＳアンプ２０５、選択スイッチ２０６を含んで構成される。

ＰＤ２０２は、光学系を通して入射する光を受光し、その受光量に応じた電荷に光電変換する光電変換部として機能する。ＰＤ２０２のアノードは接地ラインに接続され、カソードは転送スイッチ２０３のソースに接続される。転送スイッチ２０３は、そのゲート端子に入力される転送パルス信号φＴＸによって駆動され、ＰＤ２０２で発生した電荷をＦＤ２０４に転送する。ＦＤ２０４は、電荷を一時的に保持する電荷保持部であり、その保持した電荷量に応じた電圧（第１電位）に変換し、変換された電圧に応じた電圧信号を出力する。

増幅用トランジスタである増幅ＭＯＳアンプ２０５は、ＦＤ２０４の電位を増幅した増幅電位を出力するソースフォロアとして機能し、そのゲートにはＦＤ２０４で電荷電圧変換された信号が入力される。また、増幅ＭＯＳアンプ２０５は、そのドレインが第１電源線ＶＤＤ１に接続され、そのソースが選択スイッチ２０６に接続されている。選択スイッチ２０６は、そのゲートに入力される垂直選択パルス信号φＳＥＬによって駆動され、そのドレインが増幅ＭＯＳアンプ２０５に接続され、そのソースが垂直信号線２０８に接続されている。垂直選択パルス信号φＳＥＬがアサートされてアクティブレベル（ハイレベル）になると、画素部１０１の該当する行に属する画素の選択スイッチ２０６が導通状態になり、増幅ＭＯＳアンプ２０５のソースが垂直信号線２０８に接続される。

リセットスイッチ２０７は、そのドレインが第２電位（リセット電位）を提供する第２電源線ＶＤＤ２に接続され、そのソースがＦＤ２０４に接続されている。リセットスイッチ２０７は、そのゲートに入力されるリセットパルス信号φＲＥＳによって駆動されて、ＦＤ２０４に蓄積されている電荷を除去する。定電流源２０９は、垂直信号線２０８に接続されており、選択スイッチ２０６により増幅ＭＯＳアンプ２０５が垂直信号線２０８に接続されて増幅電位が読み出される際の垂直信号線２０８の電位を増幅電位とするための定電流を供給する。

光電変換装置１００では、ＦＤ２０４及び増幅ＭＯＳアンプ２０５他、垂直信号線２０８に定電流を供給する定電流源２０９によって、ソースフォロアであるフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ２０６で選択された行を構成する各画素の信号は、ＦＤ２０４に転送された電荷がＦＤ２０４で電圧信号に変換された後、フローティングディフュージョンアンプを通じて読み出し回路１０３における画素対応の信号読み出し部２１０に出力される。

スイッチ２１１は、ＦＤ２０４のリセット電位をリセットレベル信号として読み出すためのスイッチであり、読み出しパルス信号φＴＮにより駆動される。キャパシタ２１２は、画素信号の読み出しの直前にリセットレベル信号（ＦＤ２０４のリセットレベルに応じた電位の信号）に応じた電位で充電される。

スイッチ２１４は、ＰＤ２０２で発生した電荷信号に応じた電圧信号を読み出すためのスイッチであり、読み出しパルス信号φＴＳにより駆動される。キャパシタ２１５は、画素信号の読み出し時に、その画素信号（ＰＤ２０２からＦＤ２０４に転送された電荷に応じた電位の信号）に応じた電位で充電される。

差動アンプ２１７は、キャパシタ２１２の電位とキャパシタ２１５の電位との差分を出力線２１８に出力するアンプである。スイッチ２１３、２１６は、水平選択パルス信号φＨｉによって駆動されて、それぞれキャパシタ２１２、２１５の電位を差動アンプ２１７に伝達する。すなわち、出力線２１８には、ＰＤ２０２からＦＤ２０４に転送される電荷に対応する電位とリセット状態のＦＤ２０４の電位との差分を増幅した値が画素信号として出力される。

ここで、差動アンプ２１７の入力端子に接続された共通出力線２１７ａ、２１７ｂには、一般的には、水平選択パルス信号φＨ１…φＨ_{（ｉ−１）}、φＨ_{（ｉ＋１）}…φＨｎで駆動される他の列のスイッチ２１３、２１６も接続される。なお、ｎは、画素部１０１の列の数である。

ここで、定電流源２０９の詳細について、図３に示す回路図を参照して説明する。図３に示すように、定電流源２０９は、ＭＯＳトランジスタである定電流トランジスタ３０１を飽和特性領域で使用することで定電流を得る構成である。定電流トランジスタ３０１は、飽和特性で使用するトランジスタであり、そのドレインが垂直信号線２０８に接続され、ソースがグランド電位に接続されている。また、定電流トランジスタ３０１のゲートには、電位Ｖｉのゲート電圧が印加されている。このように、定電流源２０９は、電位Ｖｉのゲート電圧に応じたドレイン電流を定電流として使用している。

次に、光電変換装置１００の駆動パターンについて、図４に示す信号タイミングチャートを参照して説明する。なお、光電変換装置１００の駆動パターンに係る信号については、制御回路（不図示）が生成して信号読み出し部１０３に入力されるものであってよい。また、制御回路とタイミングジェネレータ（いずれも不図示）からの制御信号及びタイミング信号に基づいて信号読み出し部１０３が生成してもよい。図４に示すように、期間ｔ４０１では、リセットパルス信号φＲＥＳと転送パルス信号φＴＸが印加されてリセットスイッチ２０７と転送スイッチ２０３がＯＮとなり、ＰＤ２０２とＦＤ２０４の電位が初期電位（リセット電位）にリセットされる。ＰＤ２０２では、そのリセットの終了とともに新たな露光が開始される。その後、垂直選択パルス信号φＳＥＬが印加されて選択スイッチ２０６がＯＮされることによって読み出し行が選択される。この読み出し行の選択により、垂直信号線２０８の電位はＦＤ２０４のリセットレベルに応じた電位となる。期間ｔ４０２において読み出しパルス信号φＴＮが印加されてスイッチ２１１がＯＮされることで、キャパシタ２１２はＦＤ２０４のリセット電位に応じた電位で充電される。

期間ｔ４０３では転送パルス信号φＴＸが印加される。転送パルス信号φＴＸが印加されることによって転送スイッチ２０３がＯＮとなり、ＰＤ２０２に蓄積されていた電荷がＦＤ２０４に転送される。この時、垂直信号線２０８の電位は、垂直選択パルス信号φＳＥＬの印加により選択スイッチ２０６がＯＮされているため、ＦＤ２０４の電位に応じた電位となる。期間ｔ４０４では読み出しパルス信号φＴＳが印加される。読み出しパルス信号φＴＳが印可されることによってスイッチ２１４がＯＮとなり、キャパシタ２１５は、ＰＤ２０２に蓄積されていた電荷が転送された後のＦＤ２０４の電位に応じた電位で充電される。

ここで、光電変換装置１００では、期間ｔ４０３、ｔ４０４の開始とともに期間ｔ４０５の間に定電流トランジスタ３０１のゲートの電位Ｖｉを電位Ｖ１から電位Ｖ２にすることで、期間ｔ４０５の間の定電流量が増加される。この期間ｔ４０５は、期間ｔ４０４の期間内であり、期間ｔ４０４の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間である。好ましくは、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１５の電位がＦＤ２０４の電位に応じた電位となるまで変動する期間（図１３の例では期間Ｔ１４０８）である。この電位が変動する期間では、ソースフォロアにおいて、定電流源２０９で流す電流量より増幅ＭＯＳアンプ２０５で流す電流量が少なくなる。

従って、電位Ｖｉは、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１５の電位の変動が開始される読み出しパルス信号φＴＳをトリガとして、電位Ｖ１から電位Ｖ２へ切り替わることが望ましい。また、電位Ｖｉは、予め電位の変動期間程度の遅延期間が設定された遅延要素などを介して入力されるトリガにより、電位Ｖ２から電位Ｖ１へ切り替わることが望ましい。

なお、上述した駆動例における期間ｔ４０５は、期間ｔ４０４の期間内であり、期間ｔ４０４の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間としたが、期間ｔ４０２の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間としてもよい。好ましくは、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１２の電位がＦＤ２０４のリセット電位に応じた電位となるまで変動する期間（図１３の例では期間Ｔ１４０７）である。この電位が変動する期間では、ソースフォロアにおいて、定電流源２０９で流す電流量より増幅ＭＯＳアンプ２０５で流す電流量が少なくなる。この場合、電位Ｖｉは、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１２の電位の変動が開始される読み出しパルス信号φＴＮをトリガとして、電位Ｖ１から電位Ｖ２へ切り替わることが望ましい。また、電位Ｖｉは、予め電位の変動期間程度の遅延期間が設定された遅延要素などを介して入力されるトリガにより、電位Ｖ２から電位Ｖ１へ切り替わることが望ましい。

このため、光電変換装置１００では、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１５、又は、垂直信号線２０８及びキャパシタ２１２の電位がＦＤ２０４の電位に応じた電位となるまでの期間を短縮することができる。また、光電変換装置１００では、期間ｔ４０５でのみ定電流量が増加されるため、消費電力の増大を抑えつつ、画素信号に係る読み出し期間を短縮することができる。

光電変換装置１００では、定電流トランジスタ３０１がｎＭＯＳトランジスタの場合、電位Ｖ１は定電流トランジスタ３０１を飽和特性で動作させるための電位以上の値であり、電位Ｖ２は電位Ｖ１以上の値である。また、光電変換装置１００では、期間ｔ４０４の終わりの電位がキャパシタ２１５に書き込まれるが、期間ｔ４０５を期間ｔ４０４より短くし、期間ｔ４０５の終わりの時刻を期間ｔ４０４の終わりの時刻より前としている。従って、光電変換装置１００では、ＰＤ２０２のリセット電位と、光電変換による電荷に対応する電位と、を読み出す際の定電流特性を同じにしている。

その後、光電変換装置１００では、期間ｔ４０６において水平選択パルス信号φＨが印加されると、スイッチ２１３、２１６がＯＮとなる。これにより、キャパシタ２１５、２１２のリセット電位とＰＤ２０２に蓄積された電荷による電位との差分は、差動アンプ２１７により増幅され、出力線２１８に出力される。

以上のように、光電変換装置１００では、画素信号に係る読み出し期間である期間ｔ４０４の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間に定電流トランジスタ３０１のゲート電位を上げることによって、定電流量を一時的に増加させている。従って、光電変換装置１００では、消費電力の増加を抑えつつ、画素信号に係る読み出し期間を短縮させ、その信号読み出しを高速で行うことが可能となる。

なお、電位Ｖｉについては、光電変換装置１００の外部であって当該光電変換装置１００を用いる撮像装置の制御部などで生成することも可能であり、さらに内部で電流バイアス回路を用いて生成してもよい。ここで、電位Ｖｉを電流バイアス回路を用いて生成する場合について、図５に示す電流バイアス回路を参照して説明する。

図５に示す電流バイアス回路は、垂直信号線２０８に流れる電流を電流Ｉに応じた電流とする、すなわち、電流Ｉを垂直信号線２０８の電流としてコピーする回路である。電流Ｉの流れるグランド側には抵抗５０２、５０３が並列に接続されており、抵抗５０３への接続はスイッチ５０１により切り替え可能となっている（第２切り替え手段）。定常的には、スイッチ５０１はＯＦＦになるようにパルス信号φＲ＋はネガティブレベル（ローレベル）になっており、垂直信号線２０８における定電流量を決定する電位Ｖｉは抵抗５０２によって制御された電流Ｉによって決まっている。ここで、前述した期間ｔ４０５においてパルス信号φＲ＋がアサートされてアクティブレベル（ハイレベル）となることにより、電流Ｉは抵抗５０２、５０３によって決定されることとなる。すなわち、抵抗が並列に接続されるため、電流Ｉに係る抵抗値は低下する。従って、電流Ｉは増加することとなり、その電流Ｉの増加に伴って電位Ｖｉが上昇するので、垂直信号線２０８の定電流量は増加することとなる。なお、電流Ｉを決定するための抵抗値の制御は、抵抗を並列に接続する抵抗の個数を変更する以外に、直列に接続する抵抗の個数を変更するなどしてもよい。

また、定電流源２０９の回路構成の別形態について、図６に示す回路図及び図７に示す信号タイミングチャートを参照して説明する。図３に示すように、トランジスタ６０１は、定常的に使用するトランジスタであり、ゲートには電位Ｖｉ１が印加されており、この電位Ｖｉ１に応じたドレイン電流を定電流として使用している。トランジスタ６０２は、画素信号を読み出す際の期間ｔ４０５に使用するトランジスタであり、ゲートには電位Ｖｉ２が印加されている。トランジスタ６０３は、トランジスタ６０２を使用するか否かを決定するトランジスタ（第１切り替え手段）であり、ゲートには信号φＩ＋が印加されている。

上記別形態においては、図７に示すように、期間ｔ４０３、ｔ４０４の開始とともに、期間ｔ４０５の間に信号φＩ＋がローレベルからハイレベルにアサートされて、トランジスタ６０２がＯＮされる。このため、期間ｔ４０５以外は電位Ｖｉ１とトランジスタ６０１によって決定されている定電流量が、期間ｔ４０５の間は、電位Ｖｉ２とトランジスタ６０２による定電流量も加わることとなり、総じてその定電流量が増大する。すなわち、本形態では、第１切り替え手段であるトランジスタ６０３により、通電する定電流トランジスタの個数を増やすことで定電流量を増加させている。したがって、光電変換装置１００では、画素信号に係る読み出し期間の一部において、定電流量が一時的に増加させており、画素信号に係る読み出し期間を短縮させ、その信号読み出しを高速で行うことが可能となる。

なお、前述した構成において、ソースフォロアの定電流源２０９におけるＭＯＳトランジスタは、ｎＭＯＳの場合を説明したが、特に限定するものではなく、ｐＭＯＳであってもよい。ｐＭＯＳで構成された定電流源２０９の場合は、図３を参照して説明した電位Ｖｉの電圧値は電位Ｖ１が電位Ｖ２以上の値となる。すなわち、電位Ｖｉの電圧値は、図４における期間ｔ４０５において、それ以外の期間より減少した電圧値となる。このように、ｐＭＯＳを用いる場合であっても、定電流源２０９の定電流量を常に増加させることなく、一時的に増加させることで、画素信号の読み出し期間における過渡応答期間を短くすることができる。

同様に、前述した構成において、ソースフォロアを形成する増幅用のトランジスタは、ｎ型のトランジスタの場合を説明したが、ｐ型のトランジスタであってもよい。図８は、光電変換装置１００における１画素分の回路及びその画素の読み出し回路の構成において、ソースフォロアを形成する増幅用のトランジスタとしてｐ型のトランジスタを用いた構成を示す回路図である。図８に示すように、前述した増幅ＭＯＳアンプ２０５、選択スイッチ２０６は、ｐ型のＭＯＳトランジスタである増幅ＭＯＳアンプ８０５、８０６に置き換えてもよい。定電流源８０９は、前述したｎＭＯＳトランジスタを含む定電流源２０９をｐＭＯＳトランジスタに置き換えたものである。

図９は、図８に例示したｐＭＯＳトランジスタを用いた形態における駆動パターンを示す信号タイミングチャートである。なお、図９における駆動パターンでは、定電流源８０９において定電流量を増加させる過渡応答期間は、信号読み出し期間ではなく、リセット期間である場合を例示している。従って、定電流量を増加させる期間ｔ９０５は、期間ｔ４０２の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間となる。なお、図７に例示した信号φＩ＋についても同様であり、期間ｔ４０５以外であって、期間ｔ４０２の開始から終了の手前までの少なくとも一部の期間にアクティブにされてもよい。以上のように、光電変換装置１００は、図９に例示した駆動パターンで駆動することで、画素信号の読み出し期間であり、リセット電位の読み出しに係る過渡応答期間を短くすることができる。

［第２実施形態］
次に、図１０を参照して、上記第１実施形態で説明した光電変換装置を用いた撮像装置について説明する。図１０は、撮像装置２００の機能的構成を模式的に示すブロック図である。

図１０に示すように、撮像装置２００は、駆動回路７により駆動される光学系１、メカシャッタ２、光電変換装置１００を備える。光学系１はレンズ及び絞り羽根などである。メカシャッタ２は、例えばフォーカルプレーン式のメカニカルシャッタ（以下、「メカシャッタ」とする）である。メカシャッタ２は、動画／静止画モードを切り替える不図示の撮影モード切替スイッチにより、静止画モードが選択された際には、先幕及び後幕の走行時刻の差により光電変換装置１００への露光時間の制御を行う。また、メカシャッタ２は、動画モードが選択された際には、全開となって光電変換装置１００へ常に光が導光される状態となる。光電変換装置１００は撮像素子であり、その構成は第１実施形態で説明したとおりである。

ＣＤＳ４は、アナログ信号処理を行うＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路である。Ａ／Ｄ５は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。タイミング信号発生回路６は、ＣＤＳ４、Ａ／Ｄ５、駆動回路７を動作させるためのタイミング信号を発生する。駆動回路７は、光学系１、メカシャッタ２及び光電変換装置１００を駆動させるための駆動信号を出力する。信号処理回路８は、撮像した画像データに必要な信号処理を行う。画像メモリ９は、信号処理回路８により信号処理された画像データを記憶する。記録媒体１０は、特に図示しないインターフェイスなどを介して接続し、撮像装置２００から取り外し可能な半導体メモリなどである。記録回路１１は、信号処理回路８により信号処理された画像データを記録媒体１０に記録する。画像表示装置１２は、信号処理回路８により信号処理された画像データを表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などである。表示回路１３は、信号処理回路８により信号処理された画像データに基づいて画像表示装置１２に画像を表示させるための表示信号を生成する。

システム制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などであり、撮像装置２００全体の動作を中央制御する。ＲＯＭ１５（Read Only Memory）は、システム制御部１４で実行されるプログラムデータ、そのプログラムデータを実行する際に使用されるパラメータやテーブルデータ等の制御データが格納されている。ＲＡＭ１６（Random Access Memory）は、ＲＯＭ１５に記憶されたデータなどを一時的に記憶し、システム制御部１４がプログラムデータを実行する際の作業領域を提供する。

ここで、上記撮像装置２００の動作について、動画モードが選択された場合の動作を例に説明する。静止画モードが選択された場合については、動画モードにおける１フレーム分の撮像動作とほぼ同じであるため、その説明は省略する。

撮像動作に先立ち、撮像装置２００の電源投入時等のシステム制御部１４の動作開始時において、ＲＯＭ１５から必要なプログラムデータや制御データ等については、ＲＡＭ１６に転送して記憶しておくものとする。また、これらのプログラムデータや制御データは、システム制御部１４が撮像装置２００を制御する際に使用するとともに、必要に応じて、追加のプログラムデータや制御データがＲＯＭ１５からＲＡＭ１６へ転送される場合もある。さらに、システム制御部１４は、ＲＯＭ１５内のデータを直接読み出して使用したりしてもよい。

先ず、光学系１は、システム制御部１４からの制御信号により駆動される駆動回路７により、絞りとレンズが駆動される。同様に、メカシャッタ２は全開とされ、光電変換装置１００には、適切な明るさに設定された被写体像が結像される。光電変換装置１００は、システム制御部１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスをもとにした駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換して、アナログ画像信号として出力する。なお、光電変換装置１００の駆動方法については、前述した第１実施形態のとおりである。

光電変換装置１００から出力されたアナログ画像信号は、システム制御部１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスにより、ＣＤＳ４でクロック同期性ノイズが除去され、Ａ／Ｄ５でデジタル画像信号に変換される。次に、デジタル画像信号に変換された画像データは、一旦、画像メモリ９に記憶される。画像メモリ９に記憶された画像データは、システム制御部１４により制御される信号処理回路８において、色変換、ホワイトバランス調整、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理などの信号処理が行われる。なお、画像メモリ９は、信号処理中の画像データ（デジタル画像信号）を一時的に記憶したり、信号処理された後の画像データを記憶したりするために用いられる。

信号処理回路８で信号処理された画像データや画像メモリ９に記憶されている画像データは、記録回路１１において記録媒体１０に適したデータ（例えば階層構造を持ちファイルシステムデータ）に変換されて記録媒体１０に記録されてもよい。また、上記画像データは、信号処理回路８で解像度変換処理を実施された後、表示回路１３において画像表示装置１２に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号）に変換されて画像表示装置１２に表示されてもよい。

信号処理回路８は、システム制御部１４から要求があった場合に、信号処理の家庭で生じたデジタル画像信号や画像データの情報、あるいは、それらから抽出された情報をシステム制御部１４に出力する。この信号処理回路８がシステム制御部１４に出力する情報としては、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値（例えば空間周波数）、圧縮画像のデータ量などがある。また、記録回路１１は、システム制御部１４からの要求があった場合に、記録媒体１０の種類や空き容量などの情報をシステム制御部１４に出力する。

さらに、撮像装置２００において、記録媒体１０に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。システム制御部１４からの制御信号により、記録回路１１は記録媒体１０から画像データを読み出す。記録媒体１０から読み出された画像データが圧縮画像であった場合、システム制御部１４からの制御信号により信号処理回路８は画像伸張処理を行う。この画像伸張処理後の画像データは、画像メモリ９に記憶される。次いで、画像メモリ９に記憶されている画像データは、信号処理回路８で解像度変換処理が実施された後、表示回路１３において画像表示装置１２に適した信号に変換され、画像表示装置１２に表示される。

なお、上述した実施の形態における記述は、一例を示すものであり、これに限定するものではない。上述した実施の形態における構成及び動作に関しては、適宜変更が可能である。

（他の実施形態）
上述の実施形態は、システム或は装置のコンピュータ（或いはＣＰＵ、ＭＰＵ等）によりソフトウェア的に実現することも可能である。従って、上述の実施形態をコンピュータで実現するために、該コンピュータに供給されるコンピュータプログラム自体も本発明を実現するものである。つまり、上述の実施形態の機能を実現するためのコンピュータプログラム自体も本発明の一つである。

なお、上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能であれば、どのような形態であってもよい。例えば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等で構成することができるが、これらに限るものではない。上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムは、記憶媒体又は有線／無線通信によりコンピュータに供給される。プログラムを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ等の磁気記憶媒体、ＭＯ、ＣＤ、ＤＶＤ等の光／光磁気記憶媒体、不揮発性の半導体メモリなどがある。

有線／無線通信を用いたコンピュータプログラムの供給方法としては、コンピュータネットワーク上のサーバを利用する方法がある。この場合、本発明を形成するコンピュータプログラムとなりうるデータファイル（プログラムファイル）をサーバに記憶しておく。プログラムファイルとしては、実行形式のものであっても、ソースコードであっても良い。そして、このサーバにアクセスしたクライアントコンピュータに、プログラムファイルをダウンロードすることによって供給する。この場合、プログラムファイルを複数のセグメントファイルに分割し、セグメントファイルを異なるサーバに分散して配置することも可能である。つまり、上述の実施形態を実現するためのプログラムファイルをクライアントコンピュータに提供するサーバ装置も本発明の一つである。

また、上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムを暗号化して格納した記憶媒体を配布し、所定の条件を満たしたユーザに、暗号化を解く鍵情報を供給し、ユーザの有するコンピュータへのインストールを許可してもよい。鍵情報は、例えばインターネットを介してホームページからダウンロードさせることによって供給することができる。また、上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムは、すでにコンピュータ上で稼働するＯＳの機能を利用するものであってもよい。さらに、上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムは、その一部をコンピュータに装着される拡張ボード等のファームウェアで構成してもよいし、拡張ボード等が備えるＣＰＵで実行するようにしてもよい。

第１実施形態に係る光電変換装置の全体構成を示す概念図である。光電変換装置における１画素分の回路及びその画素の読み出し回路の構成を示す回路図である。定電流源の回路構成を示す回路図である。光電変換装置の駆動パターンを示す信号タイミングチャートである。電流バイアス回路を示す回路図である。定電流源の回路構成の別形態を示す回路図である。別形態の駆動パターンを示す信号タイミングチャートである。光電変換装置における１画素分の回路及びその画素の読み出し回路の構成の別形態を示す回路図である。ｐＭＯＳトランジスタを用いた形態の駆動パターンを示す信号タイミングチャートである。撮像装置の機能的構成を模式的に示すブロック図である。従来の光電変換装置の全体構成を示す概念図である。従来の光電変換装置における１画素分の回路及びその画素の読み出し回路の構成を示す回路図である。従来の光電変換装置における垂直信号線電位と各種信号とのタイミングを示すタイミングチャートである。

Claims

受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、
前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、
前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、
前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、
前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位を前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有し、
前記制御手段は、前記増幅用トランジスタで流す電流量が前記定電流源で流す電流量より少なくなる期間の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする光電変換装置。
受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、
前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、
前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、
前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、
前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位が前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源とを有し、
前記制御手段は、前記読み出し手段における電位の読み出し期間内の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする光電変換装置。
前記電荷保持手段が保持する電荷をリセットするリセット手段を更に備え、
前記電荷保持手段は、前記光電変換手段により光電変換された電荷と、前記リセット手段によりリセットされた際の電荷と、を保持し、
前記読み出し手段は、前記増幅手段により増幅された電位として、前記光電変換手段により光電変換された電荷量に応じた第１電位と、前記リセットされた際の電荷量に応じた第２電位と、を読み出して、前記第１電位と前記第２電位との差に基づいて前記受光量を示す信号を出力し、
前記制御手段は、前記定電流源で流す電流量を、前記第１電位の読み出し期間内及び／又は前記第２電位の読み出し期間内の少なくとも一部の期間において、他の期間より増加させることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
前記定電流源は、ゲート電圧に応じた定電流を供給する定電流トランジスタを備え、前記制御手段は、前記ゲート電圧を制御することにより前記定電流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
前記定電流源は、複数の前記定電流トランジスタと、当該複数の定電流トランジスタへの通電を切り替える第１切り替え手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１切り替え手段により通電させる定電流トランジスタの個数を前記他の期間より前記一部の期間において増やすことで前記定電流量を増加させることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
前記定電流源は、前記定電流量を決定するための抵抗と、当該抵抗の抵抗値を切り替える第２切り替え手段と、を備え、前記制御手段は、前記第２切り替え手段により前記抵抗の抵抗値を前記他の期間より前記一部の期間において低下させることで前記定電流量を増加させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、
前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、
前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、
前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、
前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位を前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、
前記増幅用トランジスタで流す電流量が前記定電流源で流す電流量より少なくなる期間の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
受光量に応じた光電変換を行う光電変換手段と、
前記光電変換手段により光電変換された電荷を保持する電荷保持手段と、
前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の動作を制御する制御手段と、
前記増幅手段により増幅された電位を読み出して、当該読み出された電位に基づいて前記受光量を示す信号を出力する読み出し手段とを備え、
前記増幅手段は、前記電荷保持手段に保持された電荷量に応じた電位を増幅するための増幅用トランジスタと、前記読み出し手段により読み出される電位が前記増幅用トランジスタによる増幅電位とするための定電流源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、
前記読み出し手段における電位の読み出し期間内の少なくとも一部の期間において、他の期間より前記定電流源で流す定電流量を増加させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする撮像装置。