JP3895930B2

JP3895930B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3895930B2
Application number: JP2001001302A
Authority: JP
Inventors: 一男石本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: CN1189023C; CN1366425A; US20020089594A1; TW535414B; JP2002209145A; US6882370B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置の消費電力の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）イメージセンサを用いたカメラ、いわゆるデジタルスチルカメラはＣＣＤイメージセンサの他、ＣＣＤイメージセンサを駆動するドライバや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。このようなデジタルスチルカメラはバッテリ駆動されることが多いため、デジタルスチルカメラ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ように構成される。
【０００３】
ＣＣＤイメージセンサは、通常の半導体素子と比較して駆動電圧が高く、バッテリの電圧を昇圧してＣＣＤイメージセンサのための駆動電圧を発生する昇圧回路が設けられる。またＣＣＤイメージセンサをパルス駆動するドライバについても、十分な電圧の駆動パルスを発生するため、同様の昇圧回路が用いられる。この昇圧回路は、例えば、パルス駆動されるチャージポンプによって電源電圧を積み重ね、所望の電圧を得るように構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＣＤイメージセンサやドライバに電力を供給する昇圧回路は、所定の電力を供給できるように駆動パルスの周波数を決定し、デジタルスチルカメラの動作期間中、昇圧動作を継続する。すなわち、デジタルスチルカメラが動作を継続している期間は、常にＣＣＤイメージセンサを動作させるため、ＣＣＤイメージセンサやドライバの電源となる昇圧回路は動作を継続している。このような、高周波の駆動パルスを必要とする昇圧回路の動作を継続させることは、消費電力を増大させる要因となっている。
【０００５】
そこで本発明は、上述の昇圧回路の消費電力を低減することで、デジタルスチルカメラの更なる消費電力の低減を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、受光した映像に応答して信号電荷を発生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、昇圧パルスの入力量に応じた電圧を発生し、前記固体撮像素子及び前記駆動回路に供給する電源と、前記昇圧パルスを発生し前記電源に供給するパルス発生回路とを備え、前記パルス発生回路が、前記固体撮像素子からの１撮像期間分の信号電荷の読み出し期間の終了に応じて、前記昇圧パルスの発生を停止すると共に、前記駆動回路が前記固体撮像素子に蓄積された信号電荷を排出し新たな露光を開始させる電子シャッタ動作を実行する際、この動作に先行して、所定の昇圧期間にわたり前記昇圧パルスを前記読み出し期間よりも高密度に発生させて前記電源の電圧を昇圧する。
【０００７】
固体撮像素子の露光時間を調節する技術として電子シャッタ動作が知られている。電子シャッタ動作では、それまで受光画素に蓄積されていた信号電荷が排出され、その時点から新たな露光が開始される。そして、露光を終え信号電荷が固体撮像素子から全て読み出されると１撮像期間（例えば、インターライン走査では１フィールド、ノンインターライン走査では１フレーム）の動作が実質的に完了する。つまり、この信号電荷の読み出し期間の終了から次の電子シャッタ動作までは、固体撮像素子が基本的に駆動パルスを必要としない期間である。本発明によれば、この固体撮像素子が駆動パルスを必要としない期間において、固体撮像素子の駆動系を停止させ、その期間における電力消費を削減する。駆動に用いられる電源は、昇圧パルスの入力量に応じた電圧を発生するものであり、例えばそのようなものとしてＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。この電源は、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を出力する。すなわち、昇圧パルスの供給が停止されると、電源の出力電圧は低下し、固体撮像素子を駆動するドライバは停止する。一方、昇圧パルスの供給が開始されると、出力電圧は上昇し、ドライバは動作を開始する。そこで、本発明では、信号電荷の読み出し期間の終了に応じて、昇圧パルス発生回路を停止する。これにより電源の電圧は次第に低下し、次に昇圧パルス発生回路が昇圧パルスの発生を開始するまでの固体撮像素子での電力消費を抑制することができる。一方、電子シャッタ動作が行われる時点では、電源が通常のレベルである目標レベルに達している必要がある。そこで、電子シャッタに先だって、昇圧パルス発生回路の動作を開始し、電源の出力電圧を通常レベルまで引き上げる。特に電子シャッタ動作の前の昇圧期間には、昇圧パルスの発生頻度を高め、例えば連続的に昇圧パルスをオン状態とすることにより、電源の出力電圧を速やかに立ち上がらせる。
【０００８】
他の本発明に係る固体撮像装置においては、任意の前記撮像期間での露光状態に応じて、後続の前記撮像期間での前記電子シャッタ動作を行うシャッタタイミングを設定し、前記昇圧期間以上の所定時間、前記シャッタタイミングから先行するタイミングを前記昇圧動作の開始タイミングとして設定する。
【０００９】
本発明によれば、昇圧動作開始から電子シャッタ動作までの所定時間があらかじめ設定される。この時間は、目標レベルまでの昇圧を可能な時間であり、上述の昇圧パルスの高密度での発生期間である昇圧期間を内包するので、少なくとも当該昇圧期間以上に設定される。電子シャッタ動作のタイミングは、先行する画像の撮影での露光状態に基づいて決定することができる。すなわち、先行する画像の信号が読み出されると、それに基づいて露光状態が検知されて次のシャッタタイミングが定められ、例えば、そのタイミングに電子シャッタトリガパルスを生成して電子シャッタ動作を制御することができる。さらに当該シャッタタイミングから上述のあらかじめ設定された所定時間だけ先行したタイミングが昇圧動作の開始タイミングと定められ、例えばそのタイミングから前記昇圧期間継続する昇圧パルスが電源に供給される。
【００１０】
また他の本発明に係る固体撮像装置においては、前記昇圧期間以上の所定のパルス幅を有するシャッタトリガパルスを用い、前記昇圧動作が、前記シャッタトリガパルスの先端エッジのタイミングに連動して開始され、前記電子シャッタ動作が、前記シャッタトリガパルスの後端エッジのタイミングに連動して開始される。
【００１１】
本発明によれば、１つのシャッタトリガパルスを用いて、シャッタタイミングと昇圧動作の開始タイミングとが定義される。例えば、シャッタトリガパルスは外部システムがシャッタタイミングを制御するために撮像装置に供給する。そのような場合、撮像装置は、シャッタタイミングがいつであるかを予知できず、よってそれに所定時間先行する昇圧動作の開始タイミングも予知できない。そのため、昇圧動作の開始タイミングも外部システムから与える必要がある。本発明によれば、１つのパルスでこれら２つのタイミングを制御することができる。
【００１２】
別の本発明に係る固体撮像装置は、前記昇圧動作の開始タイミングが前記信号電荷の前記読み出し期間の終了よりも先行する場合には、前記昇圧パルス発生回路の前記停止動作を行わないことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、昇圧パルス発生回路の停止タイミングから開始タイミングまでの電力消費が削減されるが、シャッタタイミングによっては、開始タイミングが停止タイミングよりも先行する場合がある。この場合には、信号電荷の読み出し動作と電子シャッタ動作との両方において、目標レベルの電圧が電源から出力されるように、昇圧パルスの停止を抑止する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
［実施形態１］
図１は本発明の固体撮像装置としてのデジタルスチルカメラの概略のブロック構成図である。本装置は、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、ドライバ４の動作に必要な電圧を発生する電源６、ドライバ４及び電源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Ｖ_OUTに対し相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）を行うＣＤＳ回路１０、ＣＤＳ回路１０の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）１２、及びＡＤＣ１２の出力信号に対し各種のデジタル処理を施す信号処理回路１４を含んで構成される。ここで、ＣＣＤイメージセンサ２はフレーム転送型である。
【００１６】
電源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をＣＣＤイメージセンサ２及びドライバ４へ出力する。一方、電源６の出力電圧は、昇圧パルスの供給が停止されると降下する。電源６は例えばＤＣ−ＤＣコンバータを用いて構成される。
【００１７】
タイミングジェネレータ８及び信号処理回路１４は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１６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６へ昇圧パルスDRVCLKを供給する。
【００１８】
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る。図において、信号ＶＤは垂直同期信号であり、ＶＤがＬ（Low）レベルである期間２０は垂直ブランキング期間を表し、垂直ブランキングの周期が１フィールドに相当する。
【００１９】
信号STTRGはシャッタトリガパルス（STTRGパルス）２２を与える信号であり、当該パルス２２は電子シャッタ動作のタイミングを定める。
【００２０】
信号FTTRGはフレームシフトトリガパルス（FTTRGパルス）２４を与える信号であり、当該パルス２４はフレームシフトのタイミングを定める。フレームシフトは垂直ブランキング期間内に行われることに対応して、FTTRGパルス２４も垂直ブランキング期間に発生される。
【００２１】
信号DATAは、ＡＤＣ１２から出力される映像信号である。また、VOPBLは、映像信号の出力期間２６が終了したことを示すフラグパルス２８を与える信号である。
【００２２】
また、信号DRVCLKは上述したように昇圧パルスを与える信号である。垂直ブランキング期間ではフレームシフト等の動作を行うため、ドライバ４の消費電力が大きい。そのため、タイミングジェネレータ８は垂直ブランキング期間において、連続的に昇圧パルスを発生させ、これによりドライバ４に供給する電流量を確保する。また、ＣＣＤイメージセンサ２の出力信号にノイズを生じないように、昇圧パルスは、水平走査期間においては停止され、水平ブランキング期間に連続発生される。図２において、信号波形３０は垂直ブランキング期間に対応して発生される昇圧パルス群を表し、信号波形３２は水平ブランキング期間に対応して発生される昇圧パルス群を表す。
【００２３】
電源６の電圧は、上述のように昇圧パルスにより昇圧される。電源６はドライバ４に対して、例えば通常動作時にそれぞれ所定の正電位（＋８Ｖ）、負電位（−６Ｖ）を有する出力DRV-POWERを供給する。同時に、電源６はＣＣＤイメージセンサ２に対してドライバ４の駆動電圧に応じた所定の電圧の出力CCD-POWERを供給する。
【００２４】
タイミングジェネレータ８は、ＣＣＤイメージセンサ２からの任意のフィールドでの信号電荷の読み出しのための制御動作を完了するとVOPBL信号にフラグパルス２８を立てる。するとタイミングジェネレータ８は、このフラグ２８が立ったことに連動して、昇圧パルスDRVCLKの発生を停止する。
【００２５】
昇圧パルスの供給を停止されると、電源６の出力電圧は次第に低下する。すなわち、昇圧パルスの停止後、２つのCCD-POWERの電圧は０Ｖになり、ドライバ４の動作が停止する。これによりドライバ４での電力消費も基本的に停止する。
【００２６】
信号処理回路１４は、ＡＤＣ１２の出力に基づいて、例えば各フィールドの輝度信号を積分し、当該フィールドの露光量を検知する。そして、タイミングジェネレータ８は次のフィールドの露光量が所定の適正レンジに収まるように、検知された露光量に基づいて、次のフィールドでのSTTRGパルス２２の位置を求める。具体的には、例えば最新フィールドで検知された露光量が多すぎた場合には、次のフィールドでのSTTRGパルス２２のタイミングを現フィールドでのタイミングより遅らせて、露光期間を短くし、逆に露光量が少なすぎた場合にはSTTRGパルス２２のタイミングを早くする。
【００２７】
ＣＣＤイメージセンサ２にて電子シャッタ動作を実施するためには、信号電荷読み出し期間の終了に連動して停止されたドライバ４を起動する必要がある。すなわち、タイミングジェネレータ８による昇圧パルスDRVCLKの発生を再開させて電源６の出力電圧を昇圧させ、ドライバ４の動作を開始させる。
【００２８】
ここで、電源６を通常動作時の電圧まで昇圧するためには所定の立ち上がり時間を要する。本装置では、その立ち上がり時間を短縮するために、昇圧パルスDRVCLKはその発生再開から連続的に発生される。つまり、信号電荷の読み出し期間においては、昇圧パルスは水平ブランキング期間にて発生され、水平走査期間には停止されるという間欠的な発生のさせ方が採られるのに対し、再起動時の昇圧においては水平ブランキング期間以上の時間にわたり連続的に昇圧パルスが発生され得る。そしてこれにより、電源６の出力電圧が急速に通常レベルまで引き上げられる。
【００２９】
立ち上がりに要する時間は、電源のコンデンサ、負荷等の要因に応じて定まる。ここでは、昇圧パルスを連続発生させた場合に通常レベルまで立ち上がるのに要する時間を昇圧期間Ｔ_bと定義する。ＤＳＰ１６はレジスタを有し、そのレジスタに昇圧期間の値Ｔ_bをあらかじめ設定されている。ＤＳＰ１６は、上述のようにして決定されたSTTRGパルス２２のタイミングに対し、レジスタに設定されたＴ_bだけマイナスオフセットしたタイミングを求め、そのタイミングが来たことを検知すると、タイミングジェネレータ８による昇圧パルスの連続発生を開始する。この昇圧パルスの連続発生は昇圧期間Ｔ_bだけ継続され、これによりSTTRGパルス２２が発生されるタイミングまでに電源６の電圧が通常レベルに昇圧される。
【００３０】
なお、あるフィールド内で発生されるSTTRGパルスのタイミング及び昇圧期間Ｔ_bは、当該フィールド内での信号電荷読み出し期間の終了前に既知である。よってＤＳＰ１６は、信号電荷の読み出し期間の終了前に、STTRGパルスの発生タイミングから昇圧期間Ｔ_bだけマイナスオフセットした昇圧動作の開始タイミングを計算することができる。ＤＳＰ１６は算出した昇圧動作の開始タイミングが昇圧パルスの停止タイミングである信号電荷読み出し期間の終了よりも前のタイミングである場合には、昇圧パルスの停止を行わないこととして、電源６の出力電圧を通常レベルに維持する。
【００３１】
このように本装置では、ＣＣＤイメージセンサ２が駆動されない期間において電源６からの電力供給を停止して、ドライバ４を停止させる。これにより、ＣＣＤイメージセンサ２の駆動に要する電力消費が抑制される。撮像装置が動画を撮影する場合には、基本的に１フィールド内にて信号電荷の読み出し動作と、電子シャッタ動作及びそれに続く露光動作と、昇圧動作とが行われるので、基本的には１フィールドの期間からそれらの動作期間を差し引いた時間だけドライバ４を停止させ電力消費を削減することができる。また、静止画を撮影する場合には、その撮影間隔は動画の撮影間隔である１フィールド（又は１フレーム）に比べて一般にはるかに大きく、この場合には、ＣＣＤイメージセンサ２の駆動に要する消費電力が特に顕著に抑制される。
【００３２】
［実施形態２］
以下の本発明の第２の実施形態の説明において、上記実施形態１と同様の構成要素、信号等には同一の符号、記号を付し、説明の簡略化を図る。
【００３３】
図３は本発明の固体撮像装置としてのデジタルスチルカメラの概略のブロック構成図である。本システムでは、外部システム４０がSTTRGパルスを発生し、撮像装置４２における電子シャッタ動作を制御する。
【００３４】
図４は、本装置の動作を説明するタイミングチャートである。信号STTRGは上述のように外部システム４０からタイミングジェネレータ４４に入力される。外部システム４０は信号STTRGにSTTRGパルス４６を発生する。STTRGパルス４６はパルスの後端、すなわち立ち下がりのタイミングが電子シャッタ動作の起動タイミングとなり、パルス幅が上記実施形態で説明した昇圧期間Ｔ_bとなるように生成される。
【００３５】
タイミングジェネレータ４４は、上記実施形態と同様、信号電荷の読み出し期間の終了タイミングにて昇圧パルスDRVCLKの発生を停止する。そして、STTRGパルス４６を入力されると、その前端、すなわち立ち上がりのタイミングを検知して昇圧パルスDRVCLKの発生を再開し、昇圧期間Ｔ_bだけ昇圧パルスDRVCLKを連続発生させる。昇圧期間の終了タイミングはSTTRGパルス４６の後端タイミングであるので、タイミングジェネレータ４４はSTTRGパルス４６の後端を検知すると、昇圧パルスを信号読み出し期間における１Ｈ周期の間欠的な発生動作に切り換えると同時に、ドライバ４を駆動して電子シャッタ動作を行う。
【００３６】
上述の実施形態の撮像装置では、電子シャッタの動作タイミングは前フィールドの露光状態に基づいてＤＳＰ１６により内部生成されるので、当該タイミングを基準とし当該タイミングに先行する昇圧動作の開始タイミングもＤＳＰ１６にて内部生成することができた。一方、本装置では、電子シャッタの動作タイミングは、外部システム４０により指示されるため、当該タイミングに先行する昇圧動作の開始タイミングをＤＳＰ１６で生成することができない。そこで、昇圧動作の開始タイミングも外部システム４０から与える。本装置では、これら電子シャッタ動作及び昇圧開始動作のタイミングを、外部システム４０が生成する１つのSTTRGパルス４６で与えることができる。
【００３７】
例えば、外部システム４０は、本撮像装置の撮像エリア内の所定位置に対象物を検知すると、本撮像装置に撮影を指示する。具体例としては、ベルトコンベア上の移動する物体の撮影等において、外部システム４０は物体が撮像装置の前に到達したことを検知して、STTRGパルス４６を出力する。これにより、物体が撮像装置の前に来た時点にて露光が行われるため、各画像には常にその中心に目的とする物体が捕捉される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、固体撮像素子が駆動されていない信号電荷読み出し期間の終了後から電子シャッタ動作までの間、駆動回路が停止され、その消費電力が削減される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略のブロック構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略のブロック構成図である。
【図４】第２の実施形態に係る固体撮像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】
２ＣＣＤイメージセンサ、４ドライバ、６電源、８，４４タイミングジェネレータ、１４信号処理回路、１６ＤＳＰ、４０外部システム。

Claims

受光した映像に応答して信号電荷を発生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、
昇圧パルスの入力量に応じた電圧を発生し、前記固体撮像素子及び前記駆動回路に供給する電源と、
前記昇圧パルスを発生し、前記電源に供給するパルス発生回路と、
を備え、
前記パルス発生回路は、前記固体撮像素子からの１撮像期間分の信号電荷の読み出し期間の終了に応じて、前記昇圧パルスの発生を停止すると共に、前記駆動回路が前記固体撮像素子に蓄積された信号電荷を排出し新たな露光を開始させる電子シャッタ動作を実行する際、この動作に先行して、所定の昇圧期間にわたり前記昇圧パルスを前記読み出し期間よりも高密度に発生させて前記電源の電圧を昇圧することを特徴とする固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置において、
任意の前記撮像期間での露光状態に応じて、後続の前記撮像期間での前記電子シャッタ動作を行うシャッタタイミングを設定し、
前記昇圧期間以上の所定時間、前記シャッタタイミングから先行するタイミングを前記昇圧動作の開始タイミングとして設定すること、
を特徴とする固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記昇圧期間以上の所定のパルス幅を有するシャッタトリガパルスを用い、
前記昇圧動作は、前記シャッタトリガパルスの先端エッジのタイミングに連動して開始され、
前記電子シャッタ動作は、前記シャッタトリガパルスの後端エッジのタイミングに連動して開始されること、
を特徴とする固体撮像装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置において、
前記昇圧動作の開始タイミングが前記信号電荷の前記読み出し期間の終了よりも先行する場合には、前記昇圧パルス発生回路の前記停止動作を行わないことを特徴とする固体撮像装置。