CN105009569B - 摄像元件、摄像装置以及内窥镜系统 - Google Patents

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Abstract

摄像元件的特征在于，具备：多个像素，该多个像素被配置成二维矩阵状，从外部接收光，生成与受光量相应的摄像信号并输出该摄像信号；第一传送线，其与上述像素连接，该第一传送线用于传送上述摄像信号；第二传送线，其输出由上述第一传送线传送的摄像信号；列选择开关，其从上述二维矩阵中选择一个像素列，以将由上述第一传送线传送的摄像信号输出到上述第二传送线；列源极跟随器，其具有被输入由上述第一传送线传送的摄像信号的栅极，该列源极跟随器的漏极端与电源电压连接，源极端与上述列选择开关连接；以及电位设定单元，其将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。

Description

摄像元件、摄像装置以及内窥镜系统
技术领域
本发明涉及一种摄像元件、摄像装置以及内窥镜系统。
背景技术
以往，已知在具有CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)图像传感器的摄像装置中，为了去除因每个像素的晶体管的偏差导致的固定模式噪声和单位像素内的电荷电压转换部的复位噪声，而对每个像素列设置噪声去除部(例如参照专利文献1和专利文献2)。
图12是表示以往的摄像装置的结构的电路图。在该例中，对摄像装置500具有CMOS图像传感器的情况进行说明。
摄像装置500例如配置于内窥镜的前端部，包括受光部和读出部。受光部包括：多个单位像素530，该多个单位像素530以跨越多行多列的方式被配置为二维矩阵状；以及多个垂直传送线539，对二维矩阵的各列分别设置垂直传送线539，该多个垂直传送线539用于传送从各单位像素530输出的信号。读出部包括：垂直扫描部(行选择电路)541；像素驱动线549，其将来自垂直扫描部541的驱动信号提供到各单位像素530；对每个像素列设置的噪声去除部543；以及水平扫描部(列选择电路)558。
各单位像素530具备：光电转换元件，其蓄积与入射光量相应的信号电荷；电荷转换部，其对从光电转换元件传送来的信号电荷进行电压转换；传送晶体管，其将信号电荷从光电转换元件传送到电荷转换部；复位晶体管，其对被传送到电荷转换部的信号电荷进行复位；行选择晶体管；以及输出晶体管，其将摄像信号输出到垂直传送线539。
读出部通过垂直扫描部(行选择电路)541使任意的行的行选择晶体管成为导通状态，来将摄像信号读出到垂直传送线539。所读出的摄像信号被输出到噪声去除部543来去除噪声成分。之后，通过水平扫描部558被作为图像信息输出到外部。
图13是表示图12所示的摄像装置的噪声去除部的结构的电路图。噪声去除部543具备：一端侧与垂直传送线539连接的采样保持用晶体管544、一端侧与晶体管544的另一端侧连接的耦合电容器(AC耦合电容)CC、连接在AC耦合电容CC的另一端侧与地面之间的电荷蓄积用电容器(采样电容)CS、以及同AC耦合电容CC与采样电容CS之间的连接节点SN连接的电位箝位晶体管545。此外，连接节点SN与包括列选择晶体管的水平扫描部558连接。
噪声去除部543首先在进行像素复位时使采样保持用晶体管544成为导通状态来通过AC耦合电容CC传递由垂直传送线539传送来的噪声信号，使电位箝位晶体管545成为规定期间导通状态来将噪声信号水平采样到电容CS中。之后，在读出摄像信号时，再次通过AC耦合电容CC传递包含噪声信号的摄像信号(光噪声和信号)。进行像素复位后的摄像信号的与电压变化相应的部分被传递，因此，结果是，能够取出从光噪声和信号中减去噪声信号得到的摄像信号。
专利文献1：日本特开2000-059691号公报
专利文献1：日本特开2006-121652号公报
发明内容
发明要解决的问题
在图13所示的噪声去除部543中，需要对每个像素列设置AC耦合电容CC和采样电容CS这两个电容器。当像素数增加时，电容器的大小成为限制，难以实现摄像装置的小型化。并且，在对信号水平进行采样时，由于AC耦合电容CC和采样电容CS的容量分割，增益降低，S/N比劣化。为了抑制上述情况，需要增大AC耦合电容CC，这样的话，更加难以实现小型化。
为了实现摄像装置的小型化，考虑减小采样电容CS的容量。在CMOS图像传感器中，存在以下情况：在列选择晶体管等中产生漏电流，噪声叠加于被读出到水平传送线的摄像信号。列选择晶体管逐列地选择像素行列来将摄像信号读出到水平传送线，因此在最初读出的列和最后读出的列之间产生时间差。在该时间差期间漏电流被蓄积而叠加于摄像信号，因此产生在水平方向上亮度不均匀等所谓的暗影。在采样电容CS的容量充足的情况下，能够消除因漏电流等导致的噪声的影响，但是，越减小该容量，则因漏电流等导致的噪声对摄像信号的影响越大，从而图像质量降低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供一种实现小型化并且图像质量不降低的摄像元件、摄像装置以及内窥镜系统。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题而达成目的，本发明的摄像元件的特征在于，具备：多个像素，该多个像素被配置成二维矩阵状，从外部接收光，生成与受光量相应的摄像信号并输出该摄像信号；第一传送线，其与上述像素连接，该第一传送线用于传送上述摄像信号；第二传送线，其输出由上述第一传送线传送的摄像信号；列选择开关，其从上述二维矩阵中选择一个像素列，以将由上述第一传送线传送的摄像信号输出到上述第二传送线；列源极跟随器，其具有被输入由上述第一传送线传送的摄像信号的栅极，该列源极跟随器的漏极端与电源电压连接，源极端与上述列选择开关连接；以及电位设定单元，其将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述像素具备：光电转换元件，其根据受光量来进行光电转换，并蓄积电荷；第一传送部，其传送所蓄积的上述电荷；电荷转换部，其将所传送的上述电荷转换为电压信号或电流信号；像素复位部，其将上述电荷转换部复位为第一电压；以及信号输出部，其输出进行转换得到的上述信号，上述摄像元件还具备：传送电容，其与上述第一传送线连接；传送电容复位部，其将上述传送电容复位为第二电压；以及驱动部，其通过噪声信号读出动作以及光噪声和信号读出动作来使得从上述第一传送线输出信号，其中，噪声信号读出动作是在使上述第一传送部成为截止状态来通过上述像素复位部将上述电荷转换部复位之后经由上述信号输出部向上述第一传送线输出上述电荷转换部的信号时、通过上述传送电容复位部将上述传送电容复位的动作，光噪声和信号读出动作是在使上述传送电容复位部成为截止状态并使上述第一传送部成为导通状态来传送上述光电转换元件所蓄积的电荷之后、经由上述信号输出部向上述第一传送线输出上述电荷转换部的信号的动作。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述电位设定单元在上述列选择开关接通之前将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述电位设定单元通过流过自身的电流将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述电位设定单元包括MOS晶体管。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述电位设定单元包括电阻。
另外，本发明所涉及的摄像元件的特征在于，在上述发明的基础上，上述电位设定单元包括电压切换部，该电压切换部切换向上述列源极跟随器的上述漏极端侧提供的电源电压。
本发明所涉及的摄像装置的特征在于，具备上述发明中的摄像元件。
本发明所涉及的内窥镜系统的特征在于，具备上述发明中的摄像元件。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种实现小型化并且不降低图像质量的摄像元件、摄像装置以及内窥镜系统。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式1的内窥镜系统的整体结构的图。
图2是表示本发明的实施方式1的内窥镜系统的主要部分的功能的框图。
图3是表示图2所示的第一芯片的详情的框图。
图4是表示实施方式1的内窥镜系统的第一芯片的结构的电路图。
图5是表示实施方式1的内窥镜系统的基准电压生成部的结构的电路图。
图6A是表示实施方式1的电压设定部的第一其它例的电路图。
图6B是表示实施方式1的电压设定部的第二其它例的电路图。
图6C是表示实施方式1的电压设定部的第三其它例的电路图。
图7是表示实施方式1的摄像部的驱动信号的时序图的一例。
图8是表示实施方式2的内窥镜系统的第一芯片的结构的电路图。
图9是表示实施方式2的电压设定部的其它例的电路图。
图10是表示实施方式2的摄像装置的驱动信号的时序图的一例。
图11是表示实施方式2的摄像装置的驱动信号的时序图的其它例。
图12是表示以往的摄像装置的结构的电路图。
图13是表示图12所示的摄像装置的噪声去除部的结构的电路图。
具体实施方式
在以下的说明中，作为用于实施本发明的方式(以下称为“实施方式”)，对具备摄像装置的内窥镜系统进行说明。另外，本发明并不限定于以下实施方式。并且，在附图的记载中，对相同部分标注相同的附图标记。另外，需要注意的是，附图是示意性的，各构件的厚度与宽度的关系、各构件的比率等与实际不同。另外，附图彼此之间也包含尺寸、比率互不相同的部分。
(实施方式1)
图1是示意性地表示本发明的实施方式1的内窥镜系统的整体结构的图。该图所示的内窥镜系统1具备内窥镜2、传输线缆3、连接器部5、处理器(控制装置)6、显示装置7以及光源装置8。内窥镜2通过将作为传输线缆3的一部分的插入部插入到被检体的体腔内来拍摄被检体的体内图像并输出摄像信号。传输线缆3将内窥镜2与连接器部5连接。连接器部5与内窥镜2、处理器6以及光源装置8连接，对由所连接的内窥镜2输出的摄像信号实施规定的信号处理，并且对摄像信号进行模拟/数字转换(A/D转换)后将其作为图像信号输出。处理器6对从连接器部5输出的图像信号实施规定的图像处理，并且控制内窥镜系统1整体。显示装置7显示由处理器6实施了处理的图像信号。光源装置8例如使用白色LED构成。光源装置8点亮时的脉冲状的白色光成为经由连接器部5、传输线缆3从内窥镜2的插入部的前端侧朝向被摄体照射的照明光。
内窥镜2在作为传输线缆3的一端侧的被插入到被检体的体腔内的插入部的前端侧设置有进行体内图像的拍摄的摄像部(摄像装置)20，在插入部的基端侧连接有接受针对内窥镜2进行的各种操作的操作部4。摄像部20通过传输线缆3并经由操作部4而与连接器部5连接。由摄像部20拍摄到的图像的摄像信号例如通过具有几m长度的传输线缆3被输出到连接器部5。
图2是表示本发明的实施方式1的内窥镜系统的主要部分的功能的框图。参照图2来说明内窥镜系统1的各个结构的详情和内窥镜系统1内的电信号的路径。
摄像部20包括具有受光部23的第一芯片21和具有缓冲器27的第二芯片22。第一芯片21和第二芯片22以相对的方式粘贴，芯片之间通过配置于芯片周缘部的焊盘或贯穿芯片间的通孔等连接。此外，第一芯片21和第二芯片22不限于以双方的主面平行的方式进行配置，也可以根据周围的构造而以在横向上排列的方式配置、或者以另一个芯片的主面相对于一个芯片的主面垂直的方式配置。
摄像部20的第一芯片21包括多个单位像素沿行列方向被配置成二维矩阵状的受光部23、读出由受光部23进行了光电转换的摄像信号的读出部24、根据从连接器部5输出的基准时钟信号和同步信号来生成定时信号并提供到读出部24的定时生成部25、以及将摄像信号输出到第二芯片22的缓冲器(多路转换器)26。此外，在后文中参照图3来详细记述第一芯片21的更详细的结构。
摄像部20的第二芯片22包括作为发送部发挥功能的缓冲器27，该缓冲器27仅将从第一芯片21输出的摄像信号的交流成分经由传输线缆3及连接器部5发送到处理器6。此外，能够根据设计上的便利性适当地变更搭载于第一芯片21和第2芯片22的电路的组合。
另外，摄像部20经由传输线缆3接受由处理器6内的电源部61生成的电源电压(VDD)并且接受接地电压(VSS)。在向摄像部20提供的电源电压(VDD)与接地电压(VSS)之间设置电源稳定用的电容器C1。
连接器部5包括模拟前端(AFE)部51和摄像信号处理部52。连接器部5将内窥镜2(摄像部20)与处理器6电连接，作为对电信号进行中继的中继处理部发挥功能。连接器部5与摄像部20通过传输线缆3连接，连接器部5与处理器6例如通过线圈线缆连接。另外，连接器部5还与光源装置8连接。
AFE部51接收从摄像部20传输来的摄像信号，在通过电阻等无源元件进行了阻抗匹配之后，通过电容器取出交流成分，通过分压电阻确定动作点。之后，AFE部51对模拟摄像信号进行模拟/数字(A/D)转换，将其作为数字摄像信号送出到摄像信号处理部52。
摄像信号处理部52例如包括FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)，生成作为内窥镜2的各结构部的动作的基准的基准时钟信号(例如27MHz的时钟)以及表示各帧的起始位置的同步信号，将这些信号提供到定时生成部25，并且对从AFE部51输入的数字摄像信号进行噪声去除等规定的信号处理。
处理器6构成为包括电源部61和图像信号处理部62，是控制内窥镜系统1的整体的控制装置。电源部61生成电源电压(VDD)，将所生成的该电源电压与接地电压(VSS)一同经由连接器部5和传输线缆3提供到摄像部20。图像信号处理部62对由摄像信号处理部52实施了噪声去除等信号处理的数字摄像信号进行规定的图像处理，将其作为图像信号输出到显示装置7。
显示装置7根据图像信号来显示由摄像部20拍摄到的图像。图像信号处理部62中的图像处理例如是同时化处理、白平衡(WB)调整处理、增益调整处理、伽马校正处理、数字模拟(D/A)转换处理、格式转换处理等。
图3是表示图2所示的第一芯片的详细结构的框图。图4是表示实施方式1的内窥镜系统的第一芯片的结构的电路图。在第一芯片21上例如搭载有受光部23、读出部(驱动部)24、定时生成部25以及多路转换器26。在后文中参照图4来详细叙述受光部23的详情。此外，在定时生成部25的前部、即定时生成部25的输入与处理器6之间设置有滞后电路28。滞后电路28进行通过传输线缆3被长距离传输的基准时钟信号和同步信号的波形整形。由滞后电路28进行了波形整形的基准时钟信号和同步信号被输入到定时生成部25。
定时生成部25根据由滞后电路28进行了整形的基准时钟信号和同步信号生成各种驱动信号(φT1、φT2、φR、φX、φVCL、φHCLR、φHCLK、φMUXSEL、φVSH)，并提供到垂直扫描部241、噪声去除部243、水平扫描部245、多路转换器26以及基准电压生成部246。
读出部24包括垂直扫描部(行选择电路)241、恒流源242、噪声去除部243、列源极跟随缓冲器(晶体管)244、水平扫描部(列选择电路)245、基准电压生成部246以及电压设定(电位设定)部247。
垂直扫描部241根据从定时生成部25提供的驱动信号(φT、φR、φX)，对受光部23的被选择的行<N>(N＝0、1、2、……n-1、n)施加行选择脉冲φT1<N>、φT2<N>、φR<N>以及φX<N>，通过恒流源242驱动受光部23的各单位像素230，将摄像信号和进行像素复位时的噪声信号传送到垂直传送线239，进而输出到噪声去除部243。
噪声去除部243去除各单位像素230的输出偏差和进行像素复位时的噪声信号，将由各单位像素230进行了光电转换的摄像信号输出到列源极跟随缓冲器244。此外，在后文中参照图4来详细记述噪声去除部243的详情。
水平扫描部245根据从定时生成部25提供的驱动信号(φHCLK)，对受光部23的被选择的列<M>(M＝0、1、2、……m-1、m)施加列选择脉冲φHCLK<M>，经由列源极跟随缓冲器244将由各单位像素230进行了光电转换的摄像信号传送到水平传送线258，进而输出到多路转换器26。
多路转换器26通过从定时生成部25提供的驱动信号(φMUXSEL)被驱动，经由输出部(放大器)31将通过水平传送线258输入的摄像信号和由基准电压生成部246生成的基准电压Vref(恒压信号)交替地输出到第二芯片22。关于在此输出的基准电压Vref，在连接器部5的摄像信号处理部52等中被用于去除传输摄像信号时在传输线缆3中叠加的同相噪声。此外，也可以根据需要而在多路转换器26的输入侧设置用于调整增益的放大器。
在第一芯片21的受光部23中，多个单位像素230排列成二维矩阵状。各单位像素230包括光电转换元件231和232、电荷转换部233、传送晶体管(第一传送部)234和235、像素复位部(晶体管)236、像素源极跟随晶体管237以及像素输出开关(信号输出部)238。此外，在本说明书中，将一个或多个光电转换元件以及用于从各个光电转换元件向电荷转换部233传送信号电荷的传送晶体管称为单位单元。即，单位单元中包含一个或多个光电转换元件与传送晶体管的组，各单位像素230中包含一个单位单元。
光电转换元件231和232将入射光光电转换为与其光量相应的信号电荷量并蓄积。光电转换元件231和232的阴极侧分别与传送晶体管234和235的一端侧连接，阳极侧与接地电压VSS连接。电荷转换部233包括寄生扩散电容(FD，日语：浮遊拡散容量)，将由光电转换元件231和232蓄积的电荷转换为电压。
传送晶体管234和235分别从光电转换元件231和232向电荷转换部233传送电荷。传送晶体管234和235各自的栅极与用于提供脉冲状的驱动信号(行选择脉冲)φT1和φT2的信号线连接，另一端侧与电荷转换部233连接。当从垂直扫描部241经由信号线被提供脉冲状的驱动信号φT1和φT2时，传送晶体管234和235成为导通状态，从光电转换元件231和232向电荷转换部233传送信号电荷。
像素复位部(晶体管)236将电荷转换部233复位成规定电位。像素复位部236的一端侧与电源电压VDD连接，另一端侧与电荷转换部233连接，栅极与用于提供脉冲状的驱动信号φR的信号线连接。当从垂直扫描部241经由信号线被提供脉冲状的驱动信号φR时，像素复位部236成为导通状态，蓄积于电荷转换部233的信号电荷被释放，从而电荷转换部233被复位为规定电位。
像素源极跟随晶体管237的一端侧与电源电压VDD连接，另一端侧与像素输出开关238的一端侧连接。栅极被输入由电荷转换部233进行了电压转换的信号(摄像信号或进行复位时的信号)。像素输出开关238将由电荷转换部233进行了电压转换的信号输出到垂直传送线239。像素输出开关238的另一端侧与垂直传送线239连接，栅极与用于提供脉冲状的驱动信号φX的信号线连接。当从垂直扫描部241经由像素驱动线向像素输出开关238的栅极提供脉冲状的驱动信号φX时，像素输出开关238成为接通状态，摄像信号或进行复位时的信号被传送到垂直传送线239。
恒流源242的一端侧与垂直传送线239连接，另一端侧与接地电压VSS连接，栅极被施加偏置电压Vbias1。通过恒流源242来驱动单位像素230，将单位像素230的输出读出到垂直传送线239。被读出到垂直传送线239的信号被输入到噪声去除部243。
噪声去除部243包括传送电容(AC耦合电容器)252和箝位开关(晶体管)253。传送电容252的一端侧与垂直传送线239连接，另一端侧与列源极跟随晶体管244连接。箝位开关253的一端侧与用于从基准电压生成部246提供箝位电压Vclp的信号线连接。箝位开关253的另一端侧连接在传送电容252与列源极跟随晶体管244之间，从定时生成部25向栅极输入驱动信号φVCL。被输入到噪声去除部243的摄像信号是包含噪声成分的光噪声和信号。
当驱动信号φVCL从定时生成部25被输入到箝位开关253的栅极时，箝位开关253成为接通状态，传送电容252通过从基准电压生成部246提供的箝位电压Vclp被复位。由噪声去除部243进行了噪声去除的摄像信号被输入到列源极跟随晶体管244的栅极。
噪声去除部243不需要采样用的电容器(采样电容)，因此传送电容(AC耦合电容器)252的容量只要是相对于列源极跟随晶体管244的输入容量而言足够的容量即可。除此以外，能够使噪声去除部243在第一芯片21中占用的面积减小与省略的采样电容相应的面积。
列源极跟随晶体管244的一端(漏极)侧与电源电压VDD连接，另一端(源极)侧与列选择开关(第二传送部)254的一端侧连接，栅极被输入由噪声去除部243进行了噪声去除的摄像信号。另外，列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧与电压设定部247连接。
电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电位(电压)设定为规定电位。电压设定部247是针对各像素列的列源极跟随晶体管244设置的，因此能够将各列的列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)统一设定为规定电压。
在图4所示的例中，电压设定部247将包括MOS晶体管的电流产生部(电流源)470与列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧连接。电压设定部247通过使规定电流流过列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧，来将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。此外，电流产生部470也可以以使用电阻代替MOS晶体管的方式构成，还可以使用其它恒流源构成电流产生部470。
电流产生部470在摄像部20的驱动时一直使规定电流流过列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧，由此将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)一直设定为规定电位。此外，能够将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位的期间设定为不是从始至终的，而仅为读出由光电转换元件231进行了光电转换的电荷的期间内，或者为读出由光电转换元件231进行了光电转换的电荷的期间的前后或只在之后。通过像这样使电流仅在所需的期间流过，能够减少功率消耗。此外，在对电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位的期间进行控制的情况下，例如设置仅在后述的图7所示的驱动信号φLSW为高时使电压设定部247动作这样的开关等。
另外，在设计上假定的漏电流是皮安水平，与此相对，通过电流产生部470使纳安水平的规定电流流过列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧。通过流通与漏电流位数相差大的电流，列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压不会受到因漏电流导致的波动的影响，因此能够防止暗影等的产生。
列选择开关254的一端侧与列源极跟随晶体管244的另一端侧连接，列选择开关254的另一端侧与水平传送线(第二传送线)258连接。列选择开关254的栅极与用于从水平扫描部245提供驱动信号φHCLK<M>的驱动线连接。当从水平扫描部245向列<M>的列选择开关254的栅极提供驱动信号φHCLK<M>时，列选择开关254成为接通状态，列<M>的垂直传送线239的信号(由噪声去除部243进行了噪声去除的摄像信号)被传送到水平传送线258。
恒流源257的一端侧与水平传送线258连接，另一端侧与接地电压VSS连接，栅极被施加偏置电压Vbias2。恒流源257驱动列源极跟随晶体管244，将摄像信号从垂直传送线239读出到水平传送线258。被读出到水平传送线258的信号被输入到采样保持部255。
水平复位晶体管256的一端侧与水平复位电压Vclr连接，另一端侧与水平传送线258连接。从定时生成部25向水平复位晶体管256的栅极输入驱动信号φHCLR。当从定时生成部25向水平复位晶体管256的栅极输入驱动信号φHCLR时，水平复位晶体管256成为导通状态，水平传送线258被复位。
采样保持部255包括缓冲器261、采样保持开关(晶体管)262、采样电容(电容器)263以及运算放大器264。缓冲器261的输入侧与水平传送线258连接，摄像信号和进行水平复位时的噪声信号经由该水平传送线258被输入到缓冲器261。缓冲器261的输出与采样保持开关262的一端侧连接。采样保持开关262的另一端侧与运算放大器264的输入侧连接。采样电容263的一端侧与采样保持开关262的另一端侧及运算放大器264的输入侧连接，另一端侧与接地电压VSS连接。运算放大器264的输出与运算放大器264的反相输入端子连接，并且与多路转换器26的输入侧连接。采样保持部255使采样电容263保持采样保持开关262即将成为断开状态时的电压，并且在采样保持开关262为断开状态的期间输出采样电容263所保持的电压。
在实施方式1中，通过交替地进行来自垂直传送线239的进行了噪声去除的摄像信号的读出和利用水平复位晶体管256的水平传送线258的复位，能够抑制列方向的摄像信号的串扰。另外，通过使采样保持部255的采样保持开关262在传送进行了噪声去除的摄像信号时为接通状态、在传送进行复位时的噪声信号时为断开状态，能够仅将进行了噪声去除的摄像信号输出到运算放大器264。通过使第一芯片21具备采样保持部255，能够使后部的放大电路的频带减半，并且能够抑制范围。
多路转换器26将从采样保持部255输出的进行了噪声去除的摄像信号和由基准电压生成部246生成的基准电压Vref交替地输出到输出部31。输出部31根据需要而对进行了噪声去除的摄像信号和基准电压Vref进行信号放大后交替地输出到第二芯片22。
在第二芯片22中，经由传输线缆3仅将进行了噪声去除的摄像信号和基准电压Vref的交流成分传输到连接器部5。
图5是表示实施方式1的内窥镜系统的受光部的基准电压生成部的结构的电路图。基准电压生成部(恒压信号生成部)246包括：电阻分压电路，其包括两个电阻291和292；开关(晶体管)293，其通过驱动信号φVSH被驱动；采样电容(电容器)294，其用于使基准电压生成部246从电源独立来避免受到波动影响。基准电压生成部246在通过开关293的驱动而由驱动信号φVSH进行驱动的定时，从电源电压VDD生成基准电压Vref(恒压信号)和噪声去除部243的箝位电压Vclp。
在同一定时从同一电源生成基准电压Vref和箝位电压Vclp，因此基准电压Vref反映电源波动对从噪声去除部243输出的摄像信号的影响。另外，基准电压Vref在传输过程中反映传输线缆3中的传输噪声信息。因而，通过将进行了噪声去除的摄像信号和基准电压Vref交替地传输到连接器部5，能够在连接器部5中进行相关双采样等噪声去除处理，从而获得去除了传输中的噪声的摄像信号。
图6A是表示实施方式1的电压设定部247的第一其它例的电路图。在图6A所示的例中，电压设定部247包括电流镜、电流源473以及开关474，其中，电流镜包括输出侧晶体管471和输入侧晶体管472。输出侧晶体管471的一端(漏极)与列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧连接，另一端(源极)与接地电压VSS连接。输出侧晶体管471的栅极与输入侧晶体管472的栅极连接。输入侧晶体管472的一端(漏极)与电流源473连接，另一端(源极)与接地电压VSS连接。开关474连接在输入侧晶体管472的一端(漏极)与接地电压VSS之间。通过驱动信号φLSW控制开关474的接通和断开。
当开关474为断开状态(驱动信号φLSW为高)时，从电流源473提供的电流经由电流镜流到列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧。由此，将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。
图6B是表示实施方式1的电压设定部247的第二其它例的电路图。在该图6B所示的例中，将开关474设置于列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧与输出侧晶体管471之间。其它结构和动作与图6A所示的例相同，当开关474为接通状态(驱动信号φLSW为高)时，从电流源473提供的电流经由电流镜流到列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧。由此，将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。
图6C是表示实施方式1的电压设定部247的第三其它例的电路图。在图6C所示的例中，电压设定部247包括电阻475、提供规定电压VA的直流电压源476以及开关474。电阻475的一端与列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧连接，另一端与开关474的一端连接。开关474的另一端与直流电压源476的一端连接，直流电压源476的另一端与接地电压VSS连接。
当开关474为接通状态(驱动信号φLSW为高)时，从直流电压源476提供的电压VA经由电阻475被施加于列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧。由此，将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位(电压VA)。
规定电压(VA)例如为接地电压(VSS)以上，并且为列源极跟随晶体管244在线性区域动作的电压(栅极电压(VG)-列源极跟随晶体管244的阈值电压(VTH))，由以下的式(1)表示。
VSS≤VA≤VG-VTH …(1)
图7是表示实施方式1的摄像部的驱动信号的时序图的一例。在本例中，说明从受光部23的行<0>和行<1>的单位像素230读出信号后直到从输出部31输出该信号。另外，设电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位的期间不是从始至终的，而仅为读出由光电转换元件231进行了光电转换的电荷的期间。此外，在通过电流源构成电压设定部247并且一直有电流流动的情况下，驱动信号φLSW以外的驱动信号的定时是相同的，能够同样地驱动摄像部20。
此外，为了在图7所示的时序图中方便进行说明，设单位像素230中仅包含光电转换元件231。在单位像素230中包含多个光电转换元件的情况下，使该时序图所示的与一个影像信号行相应的动作重复进行与单位像素230中包含的光电转换元件的个数相应的次数。即，在如本实施方式1那样单位像素230中包含光电转换元件231和232的情况下，对传送晶体管234、235分别重复进行该时序图所示的与一个影像信号行相应的动作，由此将影像信号行<n>的信号读出。
首先，使箝位开关253接通(驱动信号φVCL为高)，使像素输出开关238接通(驱动信号φX<0>为高)，使像素复位部236脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φR<0>为高)，使传送晶体管234截止(脉冲状的驱动信号φT<0>为低)，由此将包含作为读出对象的单位像素230特有的偏差和进行像素复位时的噪声等的噪声信号从单位像素230输出到垂直传送线239。此时，通过使箝位开关253保持接通(驱动信号φVCL为高)状态来将列源极跟随晶体管244的栅极设为箝位电压Vclp的电压。在驱动信号φVSH的下降沿定时，箝位电压Vclp被确定，在该定时，基准电压Vref也被确定。
接着，在将电压设定部247有效(在图6A所示的例子的情况下，将驱动信号φLSW设为低水平来使开关474成为断开状态，在图6B和图6C所示的例子的情况下，将驱动信号φLSW设为高水平来使将开关474成为接通状态)并且使箝位开关253断开(驱动信号φVCL为低)的状态下，使传送晶体管234脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φT<0>为高)，由此将电荷转换部233对由光电转换元件231进行了光电转换的电荷进行转换后的信号读出到垂直传送线239。在该状态下，像素输出开关238保持接通(驱动信号φX<0>为高)，因此由电荷转换部233进行了电压转换的摄像信号(光噪声和信号)被传送到垂直传送线239。通过此动作，将减去了噪声信号的摄像信号(光信号)经由传送电容252输出到列源极跟随晶体管244的栅极。在此，被输出到列源极跟随晶体管244的栅极的信号是以箝位电压Vclp为基准而采样出的信号。
在以箝位电压Vclp为基准对摄像信号进行采样之后，使水平复位晶体管256截止(驱动信号φHCLR为低)来解除水平传送线258的复位，并且将电压设定部247设为非有效(在图6A所示的例的情况下，将驱动信号φLSW设为高水平来使开关474成为接通状态，在图6B和图6C所示的例的情况下，将驱动信号φLSW设为低水平来使开关474成为断开状态)。由此，电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。
之后，通过使列<0>的列选择开关254接通(脉冲状的驱动信号φHCLK<0>为高)来将摄像信号传送到水平传送线258。此时，通过使采样保持开关262脉冲状地接通(脉冲状的驱动信号φHSH为高)来将摄像信号采样到采样电容263。之后，对多路转换器26施加低水平的脉冲状的驱动信号φMUXSEL(图4)来将被采样到采样电容263的摄像信号输出到输出部31。此时，与多路转换器26的脉冲状的驱动信号同步地使水平复位晶体管256导通(脉冲状的驱动信号φHCLR为高)，来将水平传送线258再次复位。
并且，之后，对多路转换器26施加高水平的脉冲状的驱动信号φMUXSEL(图4)来将由基准电压生成部246生成的基准电压Vref(恒压信号)输出到输出部31，并且使水平复位晶体管256截止(驱动信号φHCLR为低)来解除被复位了的水平传送线258的复位，通过使下一列的列选择开关254接通(驱动信号φHCLK<1>为高)来将摄像信号传送到水平传送线258。此时，通过使采样保持开关262脉冲状地接通(脉冲状的驱动信号φHSH(图4)为高)来将摄像信号采样到采样电容263。然后，使水平复位晶体管256导通(驱动信号φHCLR为高)来将水平传送线258再次复位，并且与水平复位晶体管256的脉冲同步地对多路转换器26施加低水平的脉冲状的驱动信号φMUXSEL(图4)来将被采样出的摄像信号输出到输出部31。
在行<0>的摄像信号全部被传送到水平传送线258之后，将驱动信号φVSH和驱动信号φVCL设为高水平，之后通过使像素输出开关238断开(驱动信号φX<0>为低)来结束行<0>的摄像信号的传送，并开始下一行<1>的摄像信号的传送。
通过使这样的动作重复进行与受光部23的列数(或进行读出所需的列数)相应的次数，来从输出部31交替地输出摄像信号和基准电压Vref。通过使与一行相应的读出动作重复进行与单位像素行数(或进行读出所需的行数)相应的次数，来输出与一帧相应的摄像信号。
以上，根据本发明的实施方式1，噪声去除部243中不需要采样用电容器(采样电容)，因此能够将传送电容(AC耦合电容器)252的容量抑制得低。另外，能够减少省略的采样电容在噪声去除部243占用的面积。
另外，根据本发明的实施方式1，至少在读出来自各光电转换元件231、232的电荷的过程中通过电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位，因此列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压不会受到因漏电流导致的波动的影响。由此，能够防止暗影等的产生。
并且，根据本发明的实施方式1，能够对每个像素交替地输出摄像信号和基准电压Vref。由此，例如能够通过设置于连接器部5的相关双采样电路来有效地去除在信号传输中叠加的同相噪声。
此外，在上述的实施方式1中，将在列方向上相邻的两个光电转换元件231和232设为一组来构成单位单元，但是也可以将在行方向上相邻的两个光电转换元件设为一组来构成单位单元，也可以将在行方向上和列方向上相邻的四个光电转换元件设为一组来构成单位单元。另外，也可以设为不进行像素共享而利用一个光电转换元件来构成单位单元。
此外，能够省略采样保持部255。即使在省略了采样保持部255的情况下，也能够通过后部的多路转换器26仅选择出摄像信号，并将摄像信号和基准电压Vref交替地输出到输出部31。
(实施方式2)
图8是表示实施方式2的内窥镜系统的第一芯片的结构的电路图。在本实施方式2的内窥镜系统1的说明中，对与实施方式1的内窥镜系统1相同的结构要素标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
在实施方式2中，将电压设定部247设为切换列源极跟随晶体管244的电源电压的电压切换部480。除此以外的电路结构与实施方式1相同。
电压切换部480例如包括多路转换器或开关，根据从定时生成部25提供的驱动信号φLSW，将电源电压VDD与接地电压VSS中的某一方作为列源极跟随晶体管244的电源电压来选择性地提供。电压切换部480在驱动信号φLSW为低水平时提供电源电压VDD，在高水平时提供接地电压VSS。
当将接地电压VSS作为列源极跟随晶体管244的电源电压来提供时，列源极跟随晶体管244成为导通状态，在从接地电压VSS恢复为电源电压VDD时，列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)被设定为规定电压。此外，作为列源极跟随晶体管244的驱动电压被提供的接地电压VSS是用于使列源极跟随晶体管244成为导通状态的足够低的电压即可。例如，也可以是由上述的式(1)表示的规定电压VA。
在本实施方式2中，通过使列源极跟随晶体管244成为导通状态来使电流流过列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧，与实施方式1同样地将另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电压。由此，在实施方式2中也与实施方式1同样地，列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压不会受到因漏电流导致的波动的影响。由此，能够防止暗影等的产生。在实施方式2中也能够获得与上述实施方式1同样的效果。
另外，在该实施方式2中，电压切换部480在读出来自各光电转换元件231、232的电荷的过程中，将电源电压VDD作为列源极跟随晶体管244的电源电压来提供，在电荷读出期间以外提供接地电压VSS。在后文中参照图10和图11来叙述详细的定时。
图9是表示实施方式2的电压设定部的其它例的电路图。在图9所示的例中，将包含PMOS晶体管481、NMOS晶体管482以及直流电压源483的电压切换电路作为电压设定部247。直流电压源483是提供由上述的式(1)表示的规定电压VA的电压源，在驱动信号φLSW为高水平时，向列源极跟随晶体管244的一端(漏极)侧提供规定电压VA。在驱动信号φLSW为低水平时，向列源极跟随晶体管244的一端(漏极)侧提供电源电压VDD。
图10是表示实施方式2的摄像装置的驱动信号的时序图的一例。在本例中，将电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位的期间设为读出由光电转换元件231进行了光电转换的电荷的期间的前后。其它驱动信号的定时与图7所示的例子相同。
在图10所示的时序图中，在使像素复位部236脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φR<0>为高)之后，电压切换部480通过脉冲状的驱动信号φLSW向列源极跟随晶体管244的一端(漏极)侧提供接地电压VSS(或规定电压VA)。由此，将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)统一设定为规定电位，通过使传送晶体管234脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φT<0>为高)来将电荷转换部233对由光电转换元件231进行了光电转换的电荷进行转换后的信号读出到垂直传送线239。之后，电压切换部480再次通过脉冲状的驱动信号φLSW向列源极跟随晶体管244的一端(漏极)侧提供接地电压VSS(或规定电压VA)，来将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)统一设定为规定电位，通过使各列的列选择开关254依次接通来将摄像信号读出到水平传送线258。
图11是表示实施方式2的摄像装置的驱动信号的时序图的其它例。在本例中，将电压设定部247将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位的期间设为读出由光电转换元件231进行了光电转换的电荷的期间之后。其它驱动信号的时刻与图10所示的例相同。
在图11所示的时序图中，在使像素复位部236脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φR<0>为高)之后，使传送晶体管234脉冲状地导通(脉冲状的驱动信号φT<0>为高)，由此将电荷转换部233对由光电转换元件231进行了光电转换的电荷进行转换后的信号读出到垂直传送线239。之后，电压切换部480再次通过脉冲状的驱动信号φLSW向列源极跟随晶体管244提供接地对应VSS(或规定电压VA)，来将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)统一设定为规定电位，通过使各列的列选择开关254依次接通来将摄像信号读出到水平传送线258。
此外，在图7、图10以及图11所示的时序图中，在将各影像信号行的首列<0>的摄像信号传送到水平传送线258之前，只有一次将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位，但是也可以设为，在将每列的摄像信号传送到水平传送线258之前都将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。另外，也可以设为，每隔一列、每隔两列等，以任意的周期将列源极跟随晶体管244的另一端(源极)侧的电压(源极电压)设定为规定电位。
附图标记说明
1：内窥镜系统；2：内窥镜；3：传输线缆；4：操作部；5：连接器部；6：处理器；7：显示装置；8：光源装置；20：摄像部；21：第一芯片；22：第二芯片；23：受光部；24：读出部；25：定时生成部；26：多路转换器；27：缓冲器；28：滞后电路；31：输出部；51：AFE部；52：摄像信号处理部；61：电源部；62：图像信号处理部；230：单位像素；231、232：光电转换元件；233：电荷转换部；234、235：传送晶体管；236：像素复位部；237：像素源极跟随晶体管；238：像素输出开关；239：垂直传送线；241：垂直扫描部；242、257：恒流源；243：噪声去除部；244：列源极跟随晶体管；245：水平扫描部；246：基准电压生成部；247：电压设定(电位设定)部；252：传送电容；253：箝位开关；254：列选择开关；255：采样保持部；256：水平复位晶体管；258：水平传送线；261：缓冲器；262：采样保持开关；263：采样电容；264：运算放大器；291、292：电阻；470：电流产生部；471：输出侧晶体管；472：输入侧晶体管；473：电流源；474：开关；475：电阻；476、483：直流电压源；480：电压切换部；481、482：MOS晶体管。

Claims (9)

1.一种摄像元件，其特征在于，具备：
多个像素，该多个像素被配置成二维矩阵状，从外部接收光，生成与受光量相应的摄像信号并输出该摄像信号；
第一传送线，其与上述像素连接，该第一传送线用于传送上述摄像信号；
第二传送线，其输出由上述第一传送线传送的上述摄像信号；
列选择开关，其从上述二维矩阵中选择一个像素列，以将由上述第一传送线传送的上述摄像信号输出到上述第二传送线；
列源极跟随器，其具有被输入由上述第一传送线传送的上述摄像信号的栅极，该列源极跟随器的漏极端与电源电压连接，源极端与上述列选择开关连接；
恒流源，其驱动上述列源极跟随器，以将由上述第一传送线传送的上述摄像信号读出到上述第二传送线；以及
电流产生单元，其使规定电流流过上述列源极跟随器的上述源极端侧，以使上述列源极跟随器的上述源极端侧电位不会受到因漏电流导致的波动的影响。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，
上述电流产生单元仅在向上述第一传送线传送上述摄像信号的期间内或者在上述摄像信号没有从上述第一传送线被输出到上述第二传送线的规定期间内使上述规定电流流通。
3.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其特征在于，
上述像素具备：
光电转换元件，其根据受光量来进行光电转换，并蓄积电荷；
第一传送部，其传送所蓄积的上述电荷；
电荷转换部，其将所传送的上述电荷转换为电压信号或电流信号；
像素复位部，其将上述电荷转换部复位为第一电压；以及
信号输出部，其输出进行转换得到的上述信号，
上述摄像元件还具备：
传送电容，其与上述第一传送线连接；
传送电容复位部，其将上述传送电容复位为第二电压；以及
驱动部，其通过噪声信号读出动作以及光噪声和信号读出动作来使得从上述第一传送线输出信号，其中，噪声信号读出动作是在使上述第一传送部成为截止状态来通过上述像素复位部将上述电荷转换部复位之后经由上述信号输出部向上述第一传送线输出上述电荷转换部的信号时、通过上述传送电容复位部将上述传送电容复位的动作，光噪声和信号读出动作是在使上述传送电容复位部成为截止状态并使上述第一传送部成为导通状态来传送上述光电转换元件所蓄积的电荷之后、经由上述信号输出部向上述第一传送线输出上述电荷转换部的信号的动作。
4.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其特征在于，
上述电流产生单元在上述列选择开关接通之前将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。
5.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其特征在于，
上述电流产生单元通过流过自身的电流将上述列源极跟随器的上述源极端侧电位设定为规定电位。
6.根据权利要求5所述的摄像元件，其特征在于，
上述电流产生单元包括MOS晶体管。
7.根据权利要求5所述的摄像元件，其特征在于，
上述电流产生单元包括电阻。
8.一种摄像装置，其特征在于，
具备根据权利要求1～7中的任一项所述的摄像元件。
9.一种内窥镜系统，其特征在于，
具备根据权利要求1～7中的任一项所述的摄像元件。
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