JP2004356791A - 固体撮像素子およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチドキャパシタ回路の帰還容量を小さくすることで、高Ｓ／Ｎを保証することができるが、その反面出力回路の周波数帯域を狭めてしまう。
【解決手段】動画撮像／静止画撮像兼用の水平スキャン方式ＣＣＤ固体撮像素子において、動画撮像モードでは、静止画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を高く設定してさらなる高速化を図り、静止画撮像モードでは、動画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を低く設定するとともに、出力回路４０における信号の増幅度を高く設定してさらなる高Ｓ／Ｎ化を図る。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特に動画撮像／静止画撮像兼用の固体撮像素子およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子に対して、動画撮像／静止画撮像兼用のものが求められてきている。中でも、動画撮像を主目的とする固体撮像素子に対しては高速撮像を実現する機能が、静止画撮像を主目的とする固体撮像素子に対しては高Ｓ／Ｎを実現する機能が主に求められている。
【０００３】
ここで、動画撮像と静止画撮像を兼用できる固体撮像素子について現状を述べる。一般に、両者兼用の固体撮像素子においては、動画撮像時に隣接する画素間画素信号を加算することにより、静止画と比較して実効的な出力画素数（出力画素信号数）の低減を図っている。これは、動画撮像時と静止画撮像時の水平走査回路（スキャナ）等の駆動周波数が等しく、静止画撮像の画素数を動画で出力する程には、読み出しスピードの高速化が実現されていないからである。
【０００４】
一方、静止画撮像時には画素信号の加算を行っていないため、動画撮像時と比べて加算していない分だけ絶対的に信号量が少なく、Ｓ／Ｎの面から見て不利になる。また、人間の目は、その視覚特性から時間的に変動するノイズ、即ちランダムノイズに対しては感度が弱いことが知られている。このランダムノイズに対する感度の観点からすると、動画の方が静止画と比較して一般的にＳ／Ｎの点では有利であると言える。
【０００５】
すなわち、動画撮像と静止画撮像を兼用する固体撮像素子において、動画撮像時と静止画撮像時のスキャナ等の駆動周波数が等しい場合、動画では読み出しスピードの制限のために画素信号の加算が必要な結果Ｓ／Ｎが良くなり、Ｓ／Ｎが厳しく要求される静止画では動画のように画素信号が加算されないために逆にＳ／Ｎに対して不利になっている状況にある。言い換えると、動画撮像と静止画撮像を兼用する固体撮像素子ではそれぞれの特性に対して最適化されている訳ではない。
【０００６】
ところで、固体撮像素子は、画素部で光電変換して得られる信号を電荷のまま垂直転送および水平転送し、水平転送した後に電荷検出部にて電圧変換するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサに代表される電荷転送方式の固体撮像素子と、画素部で光電変換して得られる信号を少なくとも水平方向に読み出す段階でスキャン読み出しによって出力するＣＭＯＳイメージセンサに代表される水平スキャン方式の固体撮像素子とに大別される。
【０００７】
これら各種の固体撮像素子のうち、特に主流となっているＣＣＤイメージセンサでは、水平スキャン方式の固体撮像素子と比較して高Ｓ／Ｎは実現できるが、高速撮像機能を実現する上では比較的不利である。何故ならば、ＣＣＤイメージセンサの場合、信号が電荷で運ばれるので高Ｓ／Ｎを実現し易いが、水平ＣＣＤにおける信号電荷の高速転送が難しいからである。
【０００８】
また、ＣＣＤイメージセンサでは、垂直ＣＣＤによって転送されてきた信号電荷を１ライン分同時に水平ＣＣＤに転送し、当該水平ＣＣＤによって水平転送した後、水平ＣＣＤの転送先側の端部に設けられた１つの出力アンプによって全ての信号電荷を信号電圧に変換するようにしているため、信号の周波数帯域が大きくなってしまうことによって出力アンプの周波数帯域もそれ以上に大きくしなければならず、よって雑音の通過成分も大きくなってしまう。
【０００９】
このＣＣＤイメージセンサで発生する雑音、特に出力アンプのＭＯＳトランジスタで発生する熱雑音を抑え、さらなる高Ｓ／Ｎ化を図るために、垂直ＣＣＤの各々に対して出力アンプを１つずつ設け、これら出力アンプの各々で１ライン分の信号電荷を信号電圧に変換した後に、これら信号電圧をスキャン読み出しによって出力するようにした水平スキャン方式の固体撮像素子がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−９７４１４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この種の水平スキャン方式固体撮像素子では、信号をスキャン読み出しで行っているために高速性を実現し易いが、出力アンプの各出力側に設けられるＣＤＳ回路（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；相関二重サンプリング回路）に存在するキャパシタの容量バラツキや、出力回路から生じるランダムノイズ等が問題となって高Ｓ／Ｎの実現は厳しい状況にある。現在、水平スキャン方式の固体撮像素子の空間的なノイズ（固定パターンノイズ）については、チップ内のＣＤＳ回路で補正される傾向にある。したがって、問題となるのは時間的なノイズ（ランダムノイズ）である。
【００１２】
ここで、図５に示す構成のＣＤＳ回路および出力回路を持つ水平スキャン方式固体撮像素子についてＳ／Ｎおよび周波数帯域について述べる。ここでは、図面の簡略化のために、ある１つの垂直画素列に対するＣＤＳ回路のみを図示している。
【００１３】
図５において、ＣＤＳ回路１０１は、キャパシタ１０２、このキャパシタ１０２の出力端と基準電位点との間に並列に接続されたサンプリングスイッチ１０３およびサンプルホールドキャパシタ１０４を有する構成となっている。ＣＤＳ回路１０１の出力端と水平信号線１０５との間には水平スイッチ１０６が接続されている。水平スイッチ１０６は、水平走査回路（水平スキャナ）１０７から順次出力される水平走査パルスφＨに応答してオン状態となり、ＣＤＳ回路１０１を経た画素信号を水平信号線１０５に出力する。
【００１４】
出力回路１１１は、水平信号線１０５からの画素信号を反転（−）入力とし、基準電圧Ｖｒｅｆを非反転（＋）入力とするオペアンプ１１２、このオペアンプ１１２の反転入力端と出力端との間に並列に接続されたスイッチングトランジスタ１１３および帰還キャパシタ１１４を有するスイッチドキャパシタ回路構成となっている。スイッチングトランジスタ１１３は、水平走査回路１０７の水平走査に同期してスイッチング動作を行う。
【００１５】
上記構成のＣＤＳ回路１０１および出力回路１１１を持つ水平スキャン方式固体撮像素子において、画素信号を△Ｖｉｎ、サンプルホールドキャパシタ１０４の容量をＣＡ、帰還キャパシタ１１４の容量（スイッチドキャパシタ回路の帰還容量）をＣＢとすると、出力信号△Ｖｏｕｔは、
△Ｖｏｕｔ＝ＣＡ／ＣＢ＊△Ｖｉｎ ……（１）
なる式で表される。
【００１６】
上記（１）式から明らかなように、サンプルホールドキャパシタ１０４の容量ＣＡを一定にしたとき、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢの値を小さくするほど出力信号△Ｖｏｕｔは増加する。このとき、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢを小さくすることにより、一般にｋＴＣノイズと言われるランダムノイズが増加することが懸念される。ここで、ｋＴＣノイズＶｎは、
Ｖｎ＝√（ｋＴ／ＣＢ） ……（２）
で表される。ここに、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。
【００１７】
したがって、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢの縮小による信号の増加量（上記（１）式）とノイズの増加量（上記（２）式）を比較してみると、Ｓ／Ｎの観点からは、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢを小さくすることが高Ｓ／Ｎ化に作用することがわかる。
【００１８】
しかしながら、上述の内容から、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢを極力小さくした方が良いかというと、一概にそれは言えない。その理由として、帰還キャパシタ１１４の容量ＣＢを小さくすることによる信号の増幅は、出力回路１１１の周波数帯域を狭めてしまうことが挙げられる。すなわち、帰還キャパシタ１１４の容量（帰還容量）ＣＢを小さくすることで、高Ｓ／Ｎを保証することができるが、その反面、出力回路１１１の周波数帯域を狭めてしまうことになるため高速性を犠牲にするという課題がある。
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、動画用途におけるさらなる高速化と、静止画用途におけるさらなる高Ｓ／Ｎ化を可能とした動画撮像／静止画撮像兼用の固体撮像素子およびその駆動方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、画素部で光電変換して得られる画素信号を１ライン分ずつ順次走査して読み出す水平出力手段と、前記水平出力手段から出力される画素信号を一方の入力とし、基準電圧を他方の入力とするオペアンプ、当該オペアンプの前記画素信号が入力される入力端と出力端との間に接続された帰還キャパシタおよび当該帰還キャパシタに対して並列に接続されたスイッチ素子を有する出力回路とを備えた固体撮像素子において、前記水平出力手段および前記出力回路を同じ駆動周波数で駆動するとともに、当該駆動周波数を出力画素信号数に応じて変更するようにしたことを特徴としている。
【００２１】
スイッチドキャパシタ回路構成の出力回路を備えた動画撮像／静止画撮像兼用の固体撮像素子において、前記水平出力手段および前記出力回路の駆動周波数を出力画素信号数に応じて変更する、具体的には出力画素信号数の多い静止画撮像モード時には出力画素信号数の少ない動画撮像モード時よりも駆動周波数が低くなるように変更することで、高い駆動周波数によって動画用途におけるさらなる高速化と、低い駆動周波数によって静止画用途におけるさらなる高Ｓ／Ｎ化を、同一の固体撮像素子で実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る動画撮像／静止画撮像兼用の固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、センサ部（画素部）がＣＣＤ構成となっており、各画素で光電変換して得られる画素信号を電荷のまま垂直ＣＣＤで垂直方向に転送し、垂直ＣＣＤの各々の後段に配された電荷検出部で電圧変換して得られる各信号電圧を、１ライン分ずつ順次走査して読み出す水平スキャン方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を例に挙げている。
【００２４】
図１において、半導体基板１０上にはセンサ部２０と共に、その周辺回路部３０、出力回路４０およびタイミング生成回路（ＴＧ）５０が搭載されている。ただし、タイミング生成回路５０については、必ずしも半導体基板１０上に搭載する必要はなく、半導体基板１０外に設けることも可能である。センサ部２０は、半導体基板１０上に行列状に多数二次元配置されたフォトダイオード等からなる光電変換素子（画素）２１と、これら光電変換素子２１に対して垂直画素列ごとに配された垂直ＣＣＤ２２と、これら垂直ＣＣＤ２２ごとにその転送先側の端部に配された例えばフローティングディフュージョン・アンプ構成の電荷検出部２３とを有する構成となっている。
【００２５】
光電変換素子２１は、受光した光を露光期間に亘って光電変換し、光電変換によって発生する信号電荷を蓄積する。垂直ＣＣＤ２２は、光電変換素子２１の各々から読み出される信号電荷を、例えば４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４によって駆動されることで垂直方向に転送する。垂直ＣＣＤ２２の各々からは、対応する電荷検出部２３に対して信号電荷が１行（１ライン）単位で転送される。電荷検出部２３は、垂直ＣＣＤ２２によって転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する。
【００２６】
周辺回路部３０は、ＣＤＳ回路３１と、水平出力手段としての水平走査回路３２および水平出力回路３３とを少なくとも有する構成となっている。ＣＤＳ回路３１は、センサ部２０の各垂直画素列ごとに一つずつ設けられ、電荷検出部２３から出力される信号電圧中に含まれるノイズ成分を除去するノイズ除去手段である。水平走査回路３２は、シフトレジスタ等からなり、所定の周期で水平走査パルスφＨ１〜φＨｎ（ｎは水平方向の画素数）を順次出力する。水平出力回路３３は、水平走査回路３２から順次出力される水平走査パルスφＨ１〜φＨｎに同期して、ＣＤＳ回路３１を通して供給される信号電圧を１ライン分ずつ画素単位で順次選択して出力する。
【００２７】
出力回路４０は、水平出力回路３３から画素単位で順次出力される信号電圧を撮像信号Ｖｏｕｔとして半導体基板１０外に出力する。タイミング生成回路（ＴＧ）５０は、垂直ＣＣＤ２２を駆動する４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４を始め、水平走査回路３２や出力回路４０等の各回路部を駆動するための各種のタイミングパルスを生成し、これらタイミングパルスによって各回路部を駆動する駆動手段となる。
【００２８】
本実施形態に係る動画撮像／静止画撮像兼用の水平スキャン方式ＣＣＤ固体撮像素子では、タイミング生成回路５０でのタイミング制御にに基づく駆動方法を特徴としている。具体的には、タイミング生成回路５０は、水平出力回路３３と共に水平出力手段を構成する水平走査回路３２および出力回路４０を同じ駆動周波数で駆動するとともに、当該駆動周波数を出力画素数に応じて変更する。具体的には、基板１０外から与えられるモード選択信号に基づいて、動画撮像モードと静止画撮像モードに対応して各種のタイミングパルスの発生タイミングを制御するとともに、静止画撮像モードでは駆動周波数を動画撮像モードよりも低くなるように変更する。
【００２９】
ここで、出力画素数とは、実際に出力する画素信号の数を意味する。そして、静止画撮像モードでは、センサ部２０の光電変換素子（画素）２１個々の信号がそのまま１つの画素信号となるのに対して、動画撮像モードでは、例えば加算処理の場合には加算して得られる複数画素分の信号が１つの画素信号となり、また例えば間引き処理の場合には間引いて得られる個々の信号がそのまま１つの画素信号となる。
【００３０】
図２は、ＣＤＳ回路３１、水平出力回路３３および出力回路４０の具体的な構成の一例を示す回路図である。
【００３１】
図２において、ＣＤＳ回路３１は、垂直信号線１０２の出力側の端部に接続されたキャパシタ３１１、このキャパシタ３１１の出力端と基準電位点（例えば、グランド）との間に並列に接続されたサンプリングスイッチ３１２およびサンプルホールドキャパシタ３１３を有する構成となっている。水平出力回路３３は、１本の水平信号線３３１と、当該水平信号線３３１とＣＤＳ回路３１の出力端との間に接続された水平スイッチ３３２とによって構成されている。水平スイッチ３３２は、水平走査回路３２から順次出力される水平走査パルスφＨ（φＨ１〜φＨｎ）に応答してオン状態となり、ＣＤＳ回路３１を経た画素信号を水平信号線３３１に出力する。
【００３２】
出力回路４０は、水平信号線３３１を通して供給される画素信号を反転（−）入力とし、基準電圧Ｖｒｅｆを非反転（＋）入力とするオペアンプ４０１と、このオペアンプ４０１の反転入力端と出力端との間に接続された第１の帰還キャパシタ４０２と、この第１の帰還キャパシタ４０２に対して両端のスイッチトランジスタ４０３，４０４を介して並列に接続された第２の帰還キャパシタ４０５と、第１の帰還キャパシタ４０２に対して並列に接続されたスイッチングトランジスタ４０６とを有するスイッチドキャパシタ回路構成となっている。
【００３３】
このスイッチドキャパシタ回路構成の出力回路４０において、スイッチングトランジスタ４０６は、水平走査回路１０８の駆動周波数と同じ周波数のリセットパルスに同期してオン／オフ動作を繰り返す。このリセットパルスは、タイミング生成回路５０で生成される。ここで、タイミング生成回路５０は、先述したように、静止画撮像モードでは駆動周波数を動画撮像モードよりも低くなるように変更する制御を行う。これにより、スイッチングトランジスタ４０６のオン／オフ動作の周波数も、静止画撮像モードでは動画撮像モードよりも低くなる
【００３４】
また、第２の帰還キャパシタ４０５に対して直列に接続されたスイッチトランジスタ４０３，４０４は、撮像モードに応じてタイミング生成回路５０で生成されるスイッチ信号によってオン／オフ制御される。具体的には、動画撮像モードではスイッチトランジスタ４０３，４０４がオン状態となる。これにより、第２の帰還キャパシタ４０５は、第１の帰還キャパシタ４０２に対して並列に接続される。
【００３５】
ここで、第１の帰還キャパシタ４０２の容量をＣＢ１、第２の帰還キャパシタ４０２の容量をＣＢ２とすると、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢは、ＣＢ＝ＣＢ１＋ＣＢ２となる。したがって、画素信号を△Ｖｉｎ、サンプルホールドキャパシタ３１３の容量をＣＡとすると、動画撮像モードでの出力信号△Ｖｏｕｔ１は、

なる式で表される。
【００３６】
一方、動画撮像モードでは、スイッチトランジスタ４０３，４０４がオフ状態となる。これにより、第１の帰還キャパシタ４０２に対する第２の帰還キャパシタ４０５の並列接続が解除される。したがって、ＣＢ＝ＣＢ１となり、静止画撮像モードでの出力信号△Ｖｏｕｔ２は、
△Ｖｏｕｔ２＝ＣＡ／ＣＢ１＊△Ｖｉｎ …（４）
なる式で表される。
【００３７】
上記（３）式と上記（４）式の対比から明らかなように、静止画撮像モードでは、出力回路４０の増幅度が動画モードの増幅度よりも高くなる。すなわち、第１の帰還キャパシタ４０２に対する第２の帰還キャパシタ４０５の並列接続／並列接続の解除の切り替えを行い、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢを変更することにより、出力回路４０の増幅度が静止画撮像モード時には動画撮像モード時よりも高くなるように変更される。
【００３８】
上述したことから明らかなように、本実施形態に係る動画撮像／静止画撮像兼用のＣＣＤ固体撮像素子では、水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を、静止画撮像モード時には動画撮像モード時よりも低く設定することを特徴としている。これは、静止画撮像モードでは、ＣＤＳ回路３１を経た画素信号を動画撮像モード時と同じ駆動周波数で読み出す必要が無いことを利用している。逆に言えば、動画撮像モード時には、静止画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数が高く設定される。これにより、動画撮像モードでの動作のさらなる高速化を実現している。
【００３９】
静止画撮像モード時には、動画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を低く設定するとともに、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢを切り替えることにより、動画撮像モード時に比べて出力回路４０における信号の増幅度を高く設定するようにしている。これは、必要な周波数帯域と密接に関連する駆動周波数と信号の増幅度とは互いにトレードオフの関係にあり、静止画撮像モード時に駆動周波数を低減することにより、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢを変更して出力回路４０における信号の増幅度を高めることができるからである。
【００４０】
上述したように、動画撮像／静止画撮像兼用のＣＣＤ固体撮像素子によれば、動画撮像モードでは、静止画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を高く設定することによってさらなる高速化を実現でき、静止画撮像モードでは、動画撮像モード時に比べて水平走査回路３２および出力回路４０の駆動周波数を低く設定するとともに、出力回路４０における信号の増幅度を高く設定することによってさらなる高Ｓ／Ｎ化を実現できる。すなわち、動画撮像／静止画撮像兼用のＣＣＤ固体撮像素子において、それぞれの特性を最大限に発揮することができる。
【００４１】
［第１変形例］
図３は、出力回路４０の第１変形例を示す回路図であり、図中、図２と同等部分には同一符号を付して示している。
【００４２】
本変形例に係る出力回路４０Ａでは、当該出力回路４０Ａの電源電圧、即ちオペアンプ４０１の電源電圧を撮像モードに応じて変更可能な構成を採っている。具体的には、第１の電源電圧Ｖｄｄ１とそれよりも高い第２の電源電圧Ｖｄｄ２を用意し、静止画撮像モード時にはスイッチトランジスタ４０７をオンさせることによって低い方の電源電圧Ｖｄｄ１をオペアンプ４０１に与え、加算処理を行う動画撮像モード時にはスイッチトランジスタ４０８をオンさせることによって高い方の電源電圧Ｖｄｄ２をオペアンプ４０１に与えるようにする。スイッチトランジスタ４０７，４０８のオン／オフ制御は、タイミング生成回路５０で生成される制御信号によって行われる。
【００４３】
先述したように、静止画撮像モードでは、センサ部２０の光電変換素子２１個々の信号がそのまま１つの画素信号として出力されるのに対し、加算処理を行う動画撮像モードでは、複数画素分の信号が１つの画素信号となって出力されることになるため、１つの画素信号の信号レベルが静止画撮像時に比べて数倍の大きさになる。したがって、出力回路４０としては、加算処理を行う動画撮像時の信号レベルに対応した高ダイナミックレンジのものが必要となる。しかしながら、出力回路４０のダイナミックレンジを動画撮像時の信号レベルに対応して設定しかつこれを固定にしたのでは、静止画撮像時の消費電力が不必要に高くなってしまう。
【００４４】
これに対して、本変形例に係る出力回路４０Ａでは、動画撮像時の信号レベルに対応したダイナミックレンジ用の高い電源電圧Ｖｄｄ２と、それよりも低い電源電圧Ｖｄｄ１とを用意してオペアンプ４０１の電源電圧を撮像モードに応じて変更可能な構成とし、加算処理を行う動画撮像モード時には高い方の電源電圧Ｖｄｄ２をオペアンプ４０１に与え、静止画撮像モード時には低い方の電源電圧Ｖｄｄ１をオペアンプ４０１に与えるようにすることにより、動画撮像時には信号レベルに対応したダイナミックレンジを確保できるため、画素信号を歪無く出力することができ、また静止画撮像モードで消費電力が不必要に高くなるのを抑えることができる。
【００４５】
なお、本変形例では、単純にオペアンプ４０１の電源電圧を撮像モードに応じて変更可能な構成を採る場合を回路例に挙げたが、図２に示す出力回路４０の回路構成、即ち出力回路４０の増幅度を撮像モードに応じて変更可能な構成との組み合わせとすることも可能である。この場合には、上記変形例の場合と考え方が逆になる。
【００４６】
すなわち、静止画撮像モードで出力回路４０の増幅度を高く設定し、画素信号を増幅した場合、出力回路４０が許容する信号のダイナミックレンジを超える恐れがある。このとき、動画撮像モード時に、静止画撮像モード時と同じ高ダイナミックレンジ用の電源電圧を用いると、動画撮像時の消費電力が不必要に高くなってしまう。
【００４７】
そこで、静止画撮像モード時の増幅度に対応したダイナミックレンジ用の高い電源電圧Ｖｄｄ２と、それよりも低い電源電圧Ｖｄｄ１とを用意してオペアンプ４０１の電源電圧を撮像モードに応じて変更可能な構成とし、静止画撮像モード時には高い方の電源電圧Ｖｄｄ２をオペアンプ４０１に与え、動画撮像モード時には低い方の電源電圧Ｖｄｄ１をオペアンプ４０１に与えるようにすることにより、静止画撮像時には信号レベルに対応したダイナミックレンジを確保できるため、画素信号を歪無く出力することができ、また動画撮像モードで消費電力が不必要に高くなるのを抑えることができる。
【００４８】
［第２変形例］
図４は、出力回路４０の第２変形例を示す回路図であり、図中、図２と同等部分には同一符号を付して示している。
【００４９】
本変形例に係る出力回路４０Ｂでは、図２に示す出力回路４０の回路構成に加えて、オペアンプ４０１の非反転入力に与えられる基準電圧Ｖｒｅｆを撮像モードに応じて変更可能な構成を採っている。具体的には、第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１とそれよりも低い第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２を用意し、動画撮像モード時にはスイッチトランジスタ４０９をオンさせることによって高い方の基準電圧Ｖｒｅｆ１をオペアンプ４０１に与え、静止画撮像モード時にはスイッチトランジスタ４１０をオンさせることによって低い方の基準電圧Ｖｒｅｆ２をオペアンプ４０１に与えるようにする。スイッチトランジスタ４０９，４１０のオン／オフ制御は、タイミング生成回路５０で生成される制御信号によって行われる。
【００５０】
出力回路４０において、例えばスイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢを変更したときに、映像信号の黒レベル（黒信号の電位）が変化してしまう場合が生じる。これは、出力回路４０であるスイッチドキャパシタ回路の基準電圧Ｖｒｅｆが、出力回路４０に入ってくる黒信号の電位と異なる場合に起こる。この場合は、本出力回路４０に入力される黒レベルに依存して、本出力回路４０から出力される黒レベルが変化してしまうことを意味しており、後段の回路にとっては好ましくない。
【００５１】
そこで、本変形例に係る出力回路４０Ｂでは、動画撮像時に対応して設定された基準電圧Ｖｒｅｆ１とそれよりも低い基準電圧Ｖｒｅｆ２を用意し、動画撮像モードでは高い方の基準電圧Ｖｒｅｆ１を選択し、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢを変更する静止画撮像モードでは低い方の基準電圧Ｖｒｅｆ２を選択することにより、本出力回路４０Ｂのダイナミックレンジを、基準電圧Ｖｒｅｆ１と基準電圧Ｖｒｅｆ２の差分だけシフトすることができるため、帰還容量ＣＢの変更に伴うダイナミックレンジを確実に確保することができる。
【００５２】
なお、本変形例では、図２に示す回路構成の出力回路４０と併用する場合を例に挙げて説明したが、必ずしも併用する必要はなく、スイッチドキャパシタ回路に対して基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の切り替え機能を単独で付加し、静止画撮像モードでは高い方の基準電圧Ｖｒｅｆ１を選択し、例えば加算処理を行う動画撮像モードでは低い方の基準電圧Ｖｒｅｆ２を選択するように構成することも可能である。
【００５３】
また、当然のことながら、スイッチドキャパシタ回路の帰還容量ＣＢの変更に伴うダイナミックレンジの確保のために、第１変形例に係る電源電圧Ｖｄｄの変更機能と第２変形例に係る基準電圧Ｖｒｅｆの変更機能とを併用する構成を採ることも可能である。
【００５４】
なお、上記実施形態では、センサ部２０がＣＣＤ構成の水平スキャン方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を例に挙げて説明したが、センサ部２０がＣＭＯＳ構成など、光電変換素子２１の信号を垂直信号線に読み出し、各垂直画素列ごとに配されるＣＤＳ回路３１に供給した後に、スキャン読み出しによって出力する水平スキャン方式の固体撮像素子にも同様に適用可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチドキャパシタ回路構成の出力回路を備えた固体撮像素子において、水平出力手段および出力回路の駆動周波数を出力画素信号数に応じて変更する、具体的には出力画素信号数の多い静止画撮像モード時には出力画素信号数の少ない動画撮像モード時よりも駆動周波数が低くなるように変更することにより、高い駆動周波数によって動画用途におけるさらなる高速化と、低い駆動周波数によって静止画用途におけるさらなる高Ｓ／Ｎ化を、同一の固体撮像素子で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る動画撮像／静止画撮像兼用の固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子におけるＣＤＳ回路、水平出力回路および出力回路の具体的な構成の一例を示す回路図である。
【図３】第１変形例に係る出力回路の構成例を示す回路図である。
【図４】第１変形例に係る出力回路の構成例を示す回路図である。
【図５】従来例に係る固体撮像素子におけるＣＤＳ回路、水平出力回路および出力回路の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、２０…センサ部、２１…光電変換素子（画素）、２２…垂直ＣＣＤ、２３…電荷検出部、３０…周辺回路部、３１…ＣＤＳ回路、３２…水平走査回路、３３…水平出力回路、４０…出力回路、５０…タイミング生成回路

Claims (14)

1. 画素部で光電変換して得られる画素信号を１ライン分ずつ順次走査して読み出す水平出力手段と、
   前記水平出力手段から出力される画素信号を一方の入力とし、基準電圧を他方の入力とするオペアンプ、当該オペアンプの前記画素信号が入力される入力端と出力端との間に接続された帰還キャパシタおよび当該帰還キャパシタに対して並列に接続されたスイッチ素子を有する出力回路と、
   前記水平出力手段および前記出力回路を同じ駆動周波数で駆動するとともに、当該駆動周波数を出力画素信号数に応じて変更可能な駆動手段と
   を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記駆動手段は、前記駆動周波数を静止画撮像モード時に動画撮像モード時よりも低くなるように変更する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記出力回路は、前記駆動手段による前記駆動周波数の変更に応じて前記帰還キャパシタの容量を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記出力回路は、前記駆動手段による前記駆動周波数の変更に応じて電源電圧を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記出力回路は、前記駆動手段による前記駆動周波数の変更に応じて前記帰還キャパシタの容量を変更可能であるとともに、電源電圧を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
6. 前記出力回路は、前記駆動手段による前記駆動周波数の変更に応じて前記基準電圧を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記出力回路は、前記駆動手段による前記駆動周波数の変更に応じて前記帰還キャパシタの容量を変更可能であるとともに、前記基準電圧を変更可能である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
8. 画素部で光電変換して得られる画素信号を１ライン分ずつ順次走査して読み出す水平出力手段と、
   前記水平出力手段から出力される画素信号を一方の入力とし、基準電圧を他方の入力とするオペアンプ、当該オペアンプの前記画素信号が入力される入力端と出力端との間に接続された帰還キャパシタおよび当該帰還キャパシタに対して並列に接続されたスイッチ素子を有する出力回路とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記水平出力手段および前記出力回路を同じ駆動周波数で駆動するとともに、当該駆動周波数を出力画素信号数に応じて変更する
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
9. 前記駆動周波数が静止画撮像モード時に動画撮像モード時よりも低くなるように当該駆動周波数を変更する
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。
10. 前記駆動周波数を変更する際に前記出力回路の前記帰還キャパシタの容量を変更する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。
11. 前記駆動周波数を変更する際に前記出力回路の電源電圧を変更する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。
12. 前記駆動周波数を変更する際に前記出力回路の前記帰還キャパシタの容量を変更するとともに、前記出力回路の電源電圧を変更する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。
13. 前記出力回路は、前記駆動周波数を変更する際に前記出力回路の前記基準電圧を変更する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。
14. 前記駆動周波数を変更する際に前記出力回路の前記帰還キャパシタの容量を変更するとともに、前記出力回路の前記基準電圧を変更する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の駆動方法。

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