JP4548428B2 - 固体撮像装置及び画像入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば画像入力システム等に適用される固体撮像装置、特にＭＯＳ型固体撮像装置に関する。
本発明は、かかるＭＯＳ型固体撮像装置を搭載した画像入力装置に関する。

固体撮像装置を用いた画像入力システムとして、近年デジタルカメラやＰＣカメラ、光学マウス、携帯ＴＶ電話等が開発されている。これらは画質の面以外に、バッテリー使用時間や小型化の点から低電圧、低消費電力が要請されている。ＣＣＤセンサではこれらの点で難があるので、ＭＯＳ型の固体撮像装置を採用するものが多くなっている。ＭＯＳ型固体撮像装置は、単一電源、低消費電力、システムオンチップ等の特長を備え、さらに読出しの自由度が大きい。例えば、画像の一部のみを出力したり（切り出し動作）、画像の情報を飛び飛びで出力したり（間引き動作）することができる。

図９に、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の全体構成の例を示す。
このＭＯＳ型固体撮像装置１は、光電変換を行うフォトダイオードとＭＯＳスイッチからなる単位画素が行列状に多数配列されたセンサ部２と、このセンサ部２を駆動する垂直走査回路３及び水平走査回路４と、センサ部２の１行分の画素の信号を受けるＣＤＳ（相関二重サンプリング）／信号保持回路５と、出力アンプ６と、各部の垂直走査回路３、水平走査回路４、ＣＤＳ／信号保持回路５、及び出力アンプ６を動作させるためのパルスを発生するタイミング発生回路７と、シリアルインターフェイス８とを備えて成る。

センサ部２では、各行毎の画素に垂直走査回路３からの垂直選択線１０が共通接続され、垂直走査回路３から垂直走査パルスφＶ〔φＶ₁ 、φＶ₂ 、・・・φＶｎ〕が垂直選択線１０を通じて各行の画素に同時に供給される。また、各列毎の画素に垂直信号線１１が共通接続され、各垂直信号線１１がＣＤＳ／信号保持回路５を介して水平信号線１２に接続される。水平信号線１２は出力アンプ６の入力側に接続される。水平走査回路４は、ＣＤＳ／信号回路５からの画素信号を選択して水平信号線１２に出力するための水平走査パルスφＨ〔φＨ₁ 、φＨ₂、・・・φＨｎ〕をＣＤＳ／信号保持回路５の水平スイッチに供給するようになされている。
シリアルインターフェイス８には、外部からシリアルデータが供給される。また、外部から同期信号及びクロック信号が、シリアルインターフェイス８及びタイミング発生回路７に供給される。

このＣＭＯＳ型固体撮像装置１では、シリアルインターフェイス８が外部からデータを受け取り、データに応じてタイミング発生回路７の動作が制御される。タイミング発生回路７では、データに応じて垂直走査回路３、水平走査回路４、ＣＤＳ／信号保持回路５及び出力アンプ６を動作させる駆動パルスを発生し、各部へ供給するようになされる。 センサ部２は、垂直走査回路３によって走査され、即ち垂直走査回路３からの垂直選択パルスφＶ〔φＶ₁ 、φＶ₂ 、・・・〕により画素の行が順次選択され、選択（走査）された行の画素の信号が垂直信号線１１を通してＣＤＳ／信号保持回路５に出力される。
ＣＤＳ／信号保持回路では、１行分の信号を受け、各画素固有のオフセット成分（固定パターンノイズ成分に相当する）を差し引いた信号が保持される。そして、水平走査回路４からの水平走査パルスφＨ〔φＨ₁ 、φＨ₂ 、・・・〕により水平スイッチが順次オンしてＣＤＳ／信号保持回路５に保持された１行分の画素の信号が水平信号線１２を通して出力アンプ６に順次読み出される。出力アンプ６でこの信号が増幅され出力端子ｔ_out にアナログ信号として出力される。

固体撮像装置の他の例として、省電力化のために、垂直転送速度に応じて増幅回路へのバイアス電流を変更する電流可変回路を設けた固体撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２３６４８５号公報

ところで、上述したＭＯＳ型固体撮像装置１は、ＣＣＤ固体撮像装置の１／５程度の消費電力であるが、携帯用機器に搭載するためには更なる低消費電力化が求められている。また、画素数が増加し、出力レート（即ち、水平走査回路の駆動周波数）が高くなると、やはり消費電力が増大するという問題がある。

ＭＯＳ型固体撮像装置の消費電力を見ると、画素部ではＣＣＤ画素に比べて１／１０以下で殆ど無視でき、デジタル部分（シリアルインターフェイス８、タイミング発生回路７、垂直走査回路３、水平走査回路４等）でも比較的に少なく、アナログ回路の出力アンプ６で最も消費されている。特に、画素数が増加してくると、駆動周波数が上がり、これに伴って出力アンプ６の周波数特性（以下、ｆ特という）を上げていかなくてはならない。アナログ回路でｆ特を上げることは、バイアス電流を多く流さねばならず、益々消費電力の増加が問題となる。
また、画素数が増加し出力レートが高くなると、出力回路のランダムノイズも増加するという問題があった。

一方、全体の消費電力が上がると、撮像チップが熱をもつことになり、熱電流が発生してセンサ部のフォトダイオードに入り、雑音電流（いわゆる暗電流）が増加する。出力アンプに近いところだけ雑音電流が増えることになる。

本発明は、上述の点に鑑み、消費電力の低減とランダムノイズの低減を図った固体撮像装置及び画像入力装置を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が配列されたセンサ部と、センサ部を制御するための複数の駆動モード信号から選択された駆動モード信号を供給する入力部と、選択された駆動モード信号に応じて前記センサ部の駆動周波数を切り替える分周部と、センサ部から読み出された画素を出力する出力部と、選択された駆動モード信号に応じて出力部のバイアス電流を可変させるバイアス電流調整部とを有し、駆動モード信号に基いて分周部で分周されたクロック信号に応じてタイミング発生部で発生したタイミング信号がバイアス電流調整部に供給されて、出力部のバイアス電流が変化し、出力部の周波数特性の値が切替えられることを特徴とする。

本発明に係る画像入力装置は、上記固体撮像装置を備えて成ることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、選択された駆動モードに応じて、分周部を通じてセンサ部の駆動周波数が切り替えられる。例えば間引きモード、切り出しモード、低速動作モード等の駆動モード時に、駆動モード信号により駆動周波数が低い方に可変する。それに応じて出力部のアナログ回路のバイアス電流がバイアス電流調整部により切り換えられる。これにより、駆動周波数を低くした駆動モードでは出力部のアナログ回路の周波数特性が低い方に切り替わり、固体撮像装置における消費電力が低減する。また、駆動周波数を低くした駆動モードでのランダムノイズが低減する。
本発明の画像入力装置では、このような固体撮像装置が備えられることによって、低消費電力化が図られ、駆動周波数を低くした駆動モードでのランダムノイズの低減化が図られる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、低消費電力で且つ低ランダムノイズの固体撮像装置を提供することができる。特に、この固体撮像装置は、画像入力システム（画像入力装置）に適用して好適である。

本発明に係る画像入力装置によれば、大幅な低消費電力化ができ、且つランダムノイズの低減化を図ることができる。従って、小型化、長時間使用が可能で、且つ画質の良いこの種の画像入力装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の固体撮像装置、即ちＭＯＳ型固体撮像装置の第１実施の形態の構成を示す。全体の構成が１個の固体撮像装置である。
本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置２１は、光電変換を行うフォトダイオードとＭＯＳスイッチ素子からなる単位画素が行列状に多数配列されたセンサ部２２と、このセンサ部２２を駆動する垂直走査回路２３及び水平走査回路２４と、センサ部２２の１行分の画素の信号を受けるＣＤＳ／信号保持回路２５と、出力アンプ２６と、各部を動作させるためのパルスを発生するタイミング発生回路２７と、シリアルインターフェイス２８を有し、さらに、シリアルインターフェイス２８からの指令に応じてクロック信号を分周する分周回路２９と、出力アンプ２６のｆ特を調整する手段、本例では出力アンプ２６に対するバイアス電流を調整するバイアス電流調整回路３０を備えて成る。

センサ部２２では、各行毎の画素に垂直走査回路２３からの垂直選択線３２が共通接続され、垂直走査回路２３から垂直走査パルスφＶ〔φＶ₁ 、φＶ₂ 、・・・〕が垂直選択線３２を通じて各行の画素に同時に供給される。また、各列毎の画素に垂直信号線３３が共通接続され、各垂直信号線３３がＣＤＳ／信号保持回路２５を介して水平信号線３４に接続される。水平信号線３４は、出力アンプ２６の入力側に接続される。ＣＤＳ／信号保持回路２５には、各画素列に対応して水平スイッチ素子が設けられ、この水平スイッチ素子に水平走査回路２４から水平走査パルスφＨ〔φＨ₁ 、φＨ₂ 、・・・〕が供給される。

シリアルインターフェイス２８には外部からシリアルデータが入力される。このシリアルデータは後述するセンサ部２２の駆動モードを規定するデータである。シリアルインターフェイス２８及び分周回路２９には、夫々例えば外部から同期信号及びクロック信号が入力される。

タイミング発生回路２７は、後述する複数の駆動モードに対応して、複数の駆動モードのタイミングパルスを発生できるように構成される。このタイミング発生回路２７から、垂直走査回路２３、水平走査回路２４、ＣＤＳ／信号保持回路２５、出力アンプ２６及びバイアス電流調整回路３０の各部へ動作させるための所要のパルスが供給される。分周回路２９は、シリアルインターフェイス２８からの指令に応じてクロック信号を分周してタイミング発生回路２７に入力するように構成される。シリアルインターフェイス２７の指令は、分周回路２９及びタイミング発生回路２７に入力される。

次に、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置２１の動作を説明する。センサ部２２の駆動モードに応じたシリアルデータがシリアルインターフェイス２８に入力され、モード選択が行われる。駆動モードに応じたデータはシリアルインターフェイス２８によってデコードされ、分周回路２９とタイミング発生回路２７に入力される。分周回路２９では、シリアルインターフェイス２８からの指令（選択された駆動モードに基く指令）に応じて、例えば外部から入力されたクロック信号を分周し、分周したクロック信号を同期信号に同期させてタイミング発生回路２７に入力する。

タイミング発生回路２７は、分周回路２９からのクロック信号とシリアルインターフェイス２８からのデータを受け、選択された駆動モードのタイミングパルスを発生させて垂直走査回路２３、水平走査回路２４、ＣＤＳ／信号保持回路２５、出力アンプ２６及びバイアス電流調整回路３０の各部に入力する。

センサ部２２は、垂直走査回路２３によって駆動され、即ち駆動モードに応じて垂直走査回路２３からの選択された垂直選択パルスφＶにより画素の行が選択され、選択された行の画素の信号が垂直信号線３３を通じてＣＤＳ／信号保持回路２５に出力される。ＣＤＳ／信号保持回路２５では、１行分の信号を受け、各画素固有のオフセット成分（固定パターンノイズ成分に相当する）を差し引いた信号が保持される。

そして、水平走査回路２４からの選択された水平走査パルスφＨにより水平スイッチ素子が順次オンしてＣＤＳ／信号保持回路２５に保持された１行分の画素の信号が水平信号線３４を通じて出力アンプ２６に読み出される。一方、バイアス電流調整回路３０がタイミング発生回路からのタイミングパルスで制御され、出力アンプ２６のバイアス電流が調整される。このバイアス電流で出力アンプ２６のｆ特が調整される。出力アンプ２６は、ＣＤＳ／信号保持回路２５からの画素の信号を増幅して出力端子ｔ_OUT よりアナログ信号として出力する。

センサ部の駆動モード、いわゆる読出しモードとしては、以下のものがある。
（1) 全画素読出しモード：全部の画素を順番に選択して読み出すモード（図３参照）。
図３は、簡単のため８×８画素で示しているが、実際には多数の画素が配列されて成り、斜線の画素が読み出される。Ｒは色フィルタが赤の画素、Ｇは色フィルタが緑の画素、Ｂは色フィルタが青の画素を示す（以下、同様である）。
（2) 間引き読出しモード：間引いた画素のみを読み出すモード（図４、図５参照）。図４は１／９間引き読出しモードであり、図５は１／４間引き読出しモードである。
固体撮像装置の出力信号を間引きして減らすことが有用となる場合を例示する。
ａ．例えばデジタルカメラで、シャッタを切って撮り込む画像は高精細が要求されるが、その前の小さな液晶画面で被写体を確認している段階では、液晶の画素数に応じた荒い画像で良い。よって信号を間引きする。
ｂ．携帯ＴＶ電話における画像伝送では、送信のデータレートが限られているため、静止画は高精細で伝送し、動画は信号を間引きして情報量を減少させて伝送する。
（3) 切り出し読出しモード：一部の区域の画素のみを切り出して読み出すモード（図６参照）。
固体撮像装置の出力信号を切り出して読み出すことが有用となる場合を例示する。
ａ．自動焦点、自動絞りのために画面中心付近の情報だけを必要とする場合。
ｂ．画面中の一部分のみを拡大して見たい場合。
（4) 低速動作モード：フレームレートを落としたモード。
フレームレートを落として読み出すことが有用となる場合を例示する。
ａ．監視用カメラなどで、フレームレートが小さくても良い場合。
ｂ．バッテリ動作機器などで、低消費電力あるいは長時間走査を優先する場合。

ここで、前記（2)、（3)は、明るさを全画素読出しモードと同等にして、全画素読出しモードから切替えた場合に違和感の無いようにするため、デフォルト値ではフレームレートを前記（1)と同じにする。この場合、固体撮像装置の駆動周波数は低くなるので、分周回路２９によってそれに応じた周波数で動作させる。前記（4)は全画素読出しでも駆動周波数が低くなるので、やはり分周回路２９によってそれに応じた周波数で動作させる。明るさは電子シャッタで調節する。

本実施の形態で特徴的なことは、シリアルインターフェイス２８からの信号に応じて何分周するかを切替えられえる分周回路２９の存在と、出力アンプ２６に対してバイアス電流調整回路３０が存在し、タイミング発生回路２７からの制御により、出力アンプ２６のｆ特を調節していることである。このＭＯＳ型固体撮像装置の消費電力とランダムノイズの一定の割合は、出力アンプ２６によるものである。ｆ特を駆動モードに応じて最適に調節することで、消費電力の低減と、画質の向上ができる。

例えば携帯端末に搭載するＶＧＡ（６４０×４８０）のＭＯＳ型固体撮像装置の場合、モニタリングの動画像は小さな液晶画面に画像を表示するので、１／４間引きモードで１秒間に３０枚の画像を出力している。静止画を出力する場合は、シャッターを検出すると全画素読出しモードに切り替わり、分周回路２９から出る内部クロックは高速化され、全画素の信号を出力する。その後、内部クロックは低速化され１／４間引きモードに復帰する。

ここで、低消費電力化の効果は以下のようになる。全画素読出しモードでは内部クロックは１２．２７ＭＨｚ、１／４間引き読出しモードでは３．０７ＭＨｚとなっている。出力アンプ２６のバイアス電流は、全画素読出しモードでは合計５ｍＡのところ、１／４間引きモードでは１．５ｍＡにしている。電源電圧は２．８Ｖであり、出力アンプ２６全体の消費電力は全画素読出しモードで１６．０ｍＷ、１／４間引きモードで５．０ｍＷである。固体撮像装置全体の消費電力は、全画素読出しモードで３４ｍＷ、１／４間引きモードで１１．２ｍＷとなっており、約１／３の低消費電力となっている。通常は９９％以上の動作がモニタリング動作であるので、分周回路２９とバイアス電流調整回路３０を搭載したことによって、実質の消費電力を１／３にすることができた。

さらに画質の向上については、前記（2)、（3)、（4)のような低速動作のときにランダムノイズを低減できることである。本実施の形態によれば、低速動作の場合に出力アンプ２６のｆ特を落とすので、雑音帯域が狭くなる。例えばｆ特を１／４に落とせば出力アンプ２６の発生するランダムノイズが１／２に、ｆ特を１／９に落とせばランダムノイズが１／３に低減できる。これは画質向上に非常に大きな効果が有る。前記ＶＧＡのＭＯＳ型固体撮像装置の場合、１秒間に３０枚の画像を出力する全画素読出しモードでのランダムノイズは、１．４５ｍＶだった。これに対して１／４間引きモードでは０．７５ｍＶ、１秒間に７．５枚の画像を出力する全画素低速読出しモードでも０．７５ｍＶであり、顕著な効果があった。

出力アンプ２６は、回路形式に依らず公知のものを適用できる。出力アンプ２６のバイアス電流を調節するバイアス電流調整回路３０の例を図７、図８に示す。

図７に示すバイアス電流調整回路３０１は、カレントミラー回路を応用して構成される。このバイアス電流調整回路３０１では、第１、第２及び第３のＭＯＳトランジスタＱ₁ 、Ｑ₂ 及びＱ₃ を有し、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ の一方の主電極が定電流源となる抵抗Ｒを介して電源Ｖｄｄに接続され、第１、第２、第３のＭＯＳトランジスタＱ₁ 、Ｑ₂ 及びＱ₃ の各ゲート電極が互いに共通接続されると共に、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ の一方の主電極と抵抗Ｒとの接続中点が各ＭＯＳトランジスタＱ₁ 、Ｑ₂ 、Ｑ₃ のゲート電極に接続される。第２のＭＯＳトランジスタＱ₂ には第１スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ が直列接続され、第３のＭＯＳトランジスタＱ₃ には第２スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₅ が直列接続される。そして、第１、第２スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄、Ｑ₅ の各他方の主電極と第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ の他方の主電極とが接地され、第２及び第３のＭＯＳトランジスタＱ₂ 及びＱ₃ の一方の主電極が共通接続されてバイアス電流出力端ｔ_B に接続される。この例では、第１スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ のゲート電極にタイミング発生回路２７からの選択信号Ｐ₁ が供給され、第２スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₅ のゲート電極にタイミング発生回路２７からの選択信号Ｐ₂ が供給される。各選択信号Ｐ₁ 、Ｐ₂ は、夫々高レベルと低レベルの２値パルスで形成される。

抵抗Ｒ、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ と、第２のＭＯＳトランジスタＱ₂ 、第１スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ とで、カレントミラー回路が構成され、抵抗Ｒ、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ と、第３のＭＯＳトランジスタＱ₃ 、第２スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₅ とで、カレントミラー回路が構成される。

このバイアス電流調整回路３０１においては、抵抗Ｒで電流を決め、その電流値をカレントミラー回路で折り返して端子ｔ_B にバイアス電流として出力する。ここで、第２及び第３のＭＯＳトランジスタＱ₂ 、Ｑ₃ のゲート幅を適切に組み合わせることにより、電流０を含む４通りのバイアス電流を出力することができる。
例えば第２のＭＯＳトランジスタＱ₂ のゲート幅を、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ のゲート幅と同じにし、第３のＭＯＳトランジスタＱ₃ のゲート幅を第１のＭＯＳトランジスタＱ₁ のゲート幅の２倍にすれば、第１スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ をオンしたときには１単位のバイアス電流が流れ、第１スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ をオフし第２スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₅ をオンしたときには２倍のバイアス電流が流れ、両スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ 、Ｑ₅ をオンしたときには３倍のバイアス電流が流れる。スタンバイ（両スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ₄ 、Ｑ₅ をオフの状態：バイアス電流０）を含めると、４通りのバイアス電流に変えられる。

ＭＯＳトランジスタＱ₁ 、Ｑ₂ 、Ｑ₃ のゲート幅の取り方には自由度がある。このような回路構成により、タイミング発生回路２７からの選択信号Ｐ₁ 、Ｐ₂を適当に入力することで、バイアス電流を変えることができ、出力アンプ２６のバイアス電流が切り換えられる。図７において、破線で示す回路を追加すれば８通りのバイアス電流を変えることができる。

図８に示すバイアス電流調整回路３０２もカレントミラー回路を応用している。このバイアス電流調整回路３０２は、第１のｎチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₁、第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₂と、定電流源となる第１のｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃及び第２のｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₄とを有して成る。そして、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁₁の一方の主電極が互いに並列接続された第１、第２のｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄を介して電源Ｖｄｄに接続され、第１及び第２のＭＯＳトランジスタＱ₁₁及びＱ₁₂のゲート電極が互いに共通接続されると共に、第１のＭＯＳトランジスタＱ₁₁の一方の主電極とｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄との接続中点が両ＭＯＳトランジスタＱ₁₁、Ｑ₁₂のゲート電極に接続される。第１、第２のＭＯＳトランジスタＱ₁₁、Ｑ₁₂の他方の主電極は互いに接地され、第２のＭＯＳトランジスタＱ₁₂の一方の主電極がバイアス電流出力端ｔ_B に接続される。
この例では、第１のｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃のゲート電極にタイミング発生回路２７からの選択信号Ｐ₁ が供給され、第２のＭＯＳトランジスタＱ₁₄のゲート電極にタイミング発生回路２７からの選択信号Ｐ₂ が供給される。各選択信号Ｐ₁ 、Ｐ₂ は、夫々高レベルと低レベルの２値パルスで形成される。

このバイアス電流調整回路３０２においては、しきい値を適当に調節したｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄で電流を決め、その電流値をカレントミラー回路で折り返して端子ｔ_B にバイアス電流として出力する。ここで、第１、第２のｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄のゲート幅を適切に設定し、タイミング発生回路２７からの２種類の選択信号Ｐ₁ 、Ｐ₂ をｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄に選択的に入力させ、ｐチャネルＭＯＳトランジスタＱ₁₃、Ｑ₁₄に流れる電流を制御することにより、第２のＭＯＳトランジスタＱ₁₂に流れる電流が２×２＝４通りとなり、電流０を含む４通りのバイアス電流を出力することができる。

上述した本実施の形態に係る固体撮像装置２１によれば、センサ部２２の駆動モードに応じた外部データに基いて、駆動周波数の設定と共に、バイアス電流調整回路３０を制御し、即ち例えば間引きモード、切り出しモード、低速動作モードでは、駆動走査パルスのクロック周波数を落とし、それに応じてバイアス電流調整回路３０から出力されるバイアス電流を制御して出力アンプ２６のバイアス電流値を切り換え、出力アンプ２６のｆ特値を低い方に切り換えることにより、固体撮像装置２１における消費電力を低減することがきる。固体撮像装置の高画素化に伴う出力部での電力消費を抑えることができる。また、駆動走査パルスのクロック周波数を落とした駆動モードでのランダムノイズを低減することができる。低消費電力化が可能になるので、熱電流の発生を抑え、固体撮像装置での暗電流の低減化を図ることもできる。
特に、本実施形態の固体撮像装置２１を携帯機器等に搭載した場合に、消費電力の劇的な低減が図れ、且つクロック周波数を低くした駆動モードでのランダムノイズの低減が図れる。ランダムノイズを低減できるので、間引きモード、切り出しモード、低速全画素読出しモード等、低駆動周波数による駆動モードでの画質、いわゆるＳ／Ｎ比、ダイナミックレンジ等を向上することができる。

なお、図１の実施の形態では、分周回路２９を内蔵したが、分周回路を内蔵せず、入力クロック信号自体の周波数を可変としても良い。このときに、入力クロック信号と独立に入力データによってバイアス電流を調節しても良いし、入力クロック信号に自動的に連動させてバイアス電流を制御する回路を設けてもよい。バイアス電流調整回路３０は出力アンプ２６と不可分でも、作用が同じならば構わない。

図２は、本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の第２実施の形態の全体構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置４１において、図１の第１実施の形態の固体撮像装置２１と異なる点は、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｅ）回路とアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４３を搭載し、デジタル出力としていることである。ＡＧＣ回路４２は、ＣＤＳ／信号保持回路２５から出力された信号レベルを検出し、信号レベルに応じた適度なゲイン（利得）で増幅してＡ／Ｄ変換回路４３に入力する。その他の構成は、図１と同様である。
この構成では、ＡＧＣ回路４２での消費電力が大きくなるので、ＡＧＣ回路４２に対してバイアス電流調整回路３０を設け、ＡＧＣ回路４２のｆ特を調整する。その手法は前述と同様である。勿論、Ａ／Ｄ変換器４３に対しても同様の手法が適用できる。

即ち、本実施の形態に係る固体撮像装置４１は、前述と同様に、光電変換を行うフォトダイオードとＭＯＳスイッチ素子からなる単位画素が行列状に多数配列されたセンサ部２２と、このセンサ部２２を駆動する垂直走査回路２３及び水平走査回路２４と、センサ部２２の１行分の画素の信号を受けるＣＤＳ／信号保持回路２５と、各部を動作させるためのパルスを発生するタイミング発生回路２７と、シリアルインターフェイス２８と、シリアルインターフェイス２８からの指令に応じてクロック信号を分周する分周回路２９を有し、さらに、出力アンプに代えて、出力部を構成するＡＧＣ回路４２及びＡ／Ｄ変換器４３と、このＡＧＣ回路４２のｆ特を調整する手段、本例ではＡＧＣ回路４２に対するバイアス電流を調整する前述したと同様のバイアス電流調整回路３０を備えて成る。

センサ部２２では、各行毎の画素に垂直走査回路２３からの垂直選択線３２が共通接続され、垂直走査回路２３から垂直走査パルスφＶ〔φＶ₁ 、φＶ₂ 、・・・〕が垂直選択線３２を通じて各行の画素に同時に供給される。また、各列毎の画素に垂直信号線３３が共通接続され、各垂直信号線３３がＣＤＳ／信号保持回路２５を介して水平信号線３４に接続される。水平信号線３４は、出力アンプ２６の入力側に接続される。ＣＤＳ／信号保持回路２５には、各画素列に対応して水平スイッチ素子が設けられ、この水平スイッチ素子に水平走査回路２４から水平走査パルスφＨ〔φＨ₁ 、φＨ₂ 、・・・〕が供給される。

シリアルインターフェイス２８には外部からシリアルデータが入力される。このシリアルデータは前述と同様にセンサ部２２の駆動モードを規定する入力データである。シリアルインターフェイス２８及び分周回路２９には、夫々例えば外部から同期信号及びクロック信号が入力される。

タイミング発生回路２７は、複数の駆動モードに対応して、複数の動作モードのタイミングパルスを発生できるように構成される。このタイミング発生回路２７から、垂直走査回路２３、水平走査回路２４、ＣＤＳ／信号保持回路２５、ＡＧＣ回路４２、バイアス電流調整回路３０及びＡ／Ｄ変換器４３の各部へこれらを動作させるためのパルスが供給される。分周回路２９は、シリアルインターフェイス２８からの指令に応じてクロック信号を分周してタイミング発生回路２７に入力するように構成される。シリアルインターフェイス２８の指令は、分周回路２９及びタイミング発生回路２７に供給される。

本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置４１によれば、前述の図１で説明したと同様に、センサ部２２の駆動モードに基く入力データがシリアルインターフェイス２８に入力され、シリアルインターフェイス２８からの指令で駆動モードに応じて分周されたクロック信号がタイミング発生回路２７から各部に供給される。特に駆動周波数が低い駆動モードにおいて、ＡＧＣ回路４２では、バイアス電流調整回路３０によってバイアス電流が切り換えられ、これによりｆ特が低い方に切り換えられる。

これにより、前述と同様にＭＯＳ型固体撮像装置４１内で最も多く電力消費される出力部での消費電力を低減することができる。また、低駆動周波数の駆動モードでのランダムノイズを低減することができる。ランダムノイズを低減できるので、間引きモード、切り出しモード、低速全画素読出しモード等、低駆動周波数による駆動モードでの画質、いわゆるＳ／Ｎ比、ダイナミックレンジ等を向上することができる。

なお、出力部としては、出力アンプ、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器のいずれか１つ以上で構成することができる。画素の構成は種々のものを採用でき、垂直走査回路２３からは画素の回路構成に応じた駆動パルスが供給される。

本発明は、上述したＭＯＳ型固体撮像装置２１又は４１を機器に搭載し、例えばデジタルカメラ、ＰＣカメラ、光学マウス、携帯ＴＶ電話等のいわゆる画像入力装置として構成することができる。
かかる画像入力装置によれば、大幅な低消費電力化ができ、且つランダムノイズの低減化を図ることができる。従って、小型化、長時間使用が可能で、且つ画質のよいこの種の画像入力装置を提供できる。

本発明の固体撮像装置の第１実施の形態を示す構成図である。 本発明の固体撮像装置の第２実施の形態を示す構成図である。 全画素読出しモードを説明する説明図である。 １／９間引き読出しモードを説明する説明図である。 １／４間引き読出しモードを説明する説明図である。 切り出し読出しモードを説明する説明図である。 本発明に適用されるバイアス電流調整回路の一例を示す回路図である。 本発明に適用されるバイアス電流調整回路の他の例を示す回路図である。 従来の固体撮像装置を示す構成図である。

符号の説明

２１、４１・・・ＭＯＳ型固体撮像装置、２２・・・センサ部、２３・・・垂直走査回路、２４・・・水平走査回路、２５・・・ＣＤＳ／信号保持回路、２６・・・出力アンプ、２７・・・タイミング発生回路、２８・・・シリアルインターフェイス、２９・・・分周回路、３０・・・バイアス電流調整回路、４２・・・ＡＧＣ回路、４３・・・Ａ／Ｄ変換器

Claims (4)

1. 複数の画素が配列されたセンサ部と、
   前記センサ部を制御するための複数の駆動モード信号から選択された駆動モード信号を供給する入力部と、
   前記選択された駆動モード信号に応じて前記センサ部の駆動周波数を切り替える分周部と、
   前記センサ部から読み出された画素を出力する出力部と、
   前記選択された駆動モード信号に応じて前記出力部のバイアス電流を可変させるバイアス電流調整部とを有し、
   前記駆動モード信号に基いて前記分周部で分周されたクロック信号に応じてタイミング発生部で発生したタイミング信号が前記バイアス電流調整部に供給されて、前記出力部のバイアス電流が変化し、前記出力部の周波数特性の値が切替えられる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記出力部は、出力アンプ、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器のいずれか１つ以上で構成され、
   前記出力部の周波数特性が、前記バイアス電流調整部からのバイアス電流に応じて、複数の値に切替えられる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 複数の画素が配列されたセンサ部と、
   前記センサ部を制御するための複数の駆動モード信号から選択された駆動モード信号を供給する入力部と、
   前記選択された駆動モード信号に応じて前記センサ部の駆動周波数を切り替える分周部と、
   前記センサ部から読み出された画素を出力する出力部と、
   前記選択された駆動モード信号に応じて前記出力部のバイアス電流を可変させるバイアス電流調整部とを有し、
   前記駆動モード信号に基いて前記分周部で分周されたクロック信号に応じてタイミング発生部で発生したタイミング信号が前記バイアス電流調整部に供給されて、前記出力部のバイアス電流が変化し、前記出力部の周波数特性の値が切替えられる固体撮像装置を備えて成る
   ことを特徴とする画像入力装置。
4. 前記出力部は、出力アンプ、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器のいずれか１つ以上で構成され、前記出力部の周波数特性が、前記バイアス電流調整部からのバイアス電流に応じて、複数の値に切替えられる
   ことを特徴とする請求項３記載の画像入力装置。

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