JP5157466B2 - 固体撮像装置、及び、電子カメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及び電子カメラに関するものである。

近年、ビデオカメラや静止画用スチルカメラ等の電子カメラが広く一般に普及している。これらの電子カメラには、ＣＣＤ型や増幅型などのイメージセンサが使用されている。これらのイメージセンサは、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が行方向（一般には横方向）と列方向（一般には縦方向）にマトリクス状に複数配置されている。

増幅型のイメージセンサでは画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、信号電荷に対応した電気信号を画素から出力する。画素は、列ごとに垂直信号線に接続されている。垂直信号線は、画素から上記電気信号を受け取って水平信号線に出力する。水平信号線に転送された電気信号は、出力アンプを介してイメージセンサの外部に出力される。

増幅型のイメージセンサには、例えば増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いたイメージセンサ（特許文献１）や、増幅部にＭＯＳトランジスタを用いたＣＭＯＳ型イメージセンサ（特許文献２）などが提案されている。

イメージセンサは、パッケージ等に組み込まれ固体撮像装置の状態となされた後に電子カメラに搭載される。固体撮像装置の部品としては、イメージセンサの他、ノイズを低減させる部品や、イメージセンサを駆動させるための電子部品等が組み込まれることがある。

増幅型イメージセンサは、各垂直信号線に定電流を生成する画素電流源が配置されている（前記特許文献１においては、例えば図６符号４４、特許文献２においては、例えば図２符号１１７）。周知のように、画素は、蓄積されている電荷をリセットして、画素リセット出力レベルを出力する。また、画素は、リセットされた後に蓄積される電荷に対応する画素信号を出力する。これらの電気信号は、垂直信号線の電圧を画素リセット出力レベルから画素信号出力レベルまで変動させる。この変動によってイメージセンサは、画像情報を得ている。画素電流源は、画素のソースフォロアアンプの負荷として動作し、垂直信号線の電圧が前記画素リセットレベル、あるいは画素信号出力レベルに達するまでの時間を大幅に短縮させる。近年のイメージセンサの画素数は、益々増大する傾向にある。画素数が増大し読み出される電気信号の総数が増大すると、この時間を短縮する技術は益々重要になってくる。具体的な画素電流源の回路、及び、画素電流源に定電流を流させるための画素電流源制御回路の構成は、例えば特許文献３に開示されている。

しかしながら、このような画素電流源は、原理的には定電流を生成するはずであるにも拘わらず、電流値が変動することがあった。このため垂直信号線に出力された画素からの電気信号が、正しく読み出されなかった。

これは、画素電流源に供給される電圧の変動が原因である。例えば、特許文献３において、画素電流源はＭＯＳトランジスタを用いているが、このＭＯＳトランジスタのゲート電圧が変動すると、垂直信号線に流れる電流も変動してしまう。

そして、この電圧の変動を生じさせる要因は、次の通りである。第一に、ノイズの影響が挙げられる。画素電流源の周囲には、多々の配線が配置されている。これらの配線にノイズが含まれると、画素電流源に供給される電圧もカップリングされて変動することが考えられる。このような場合には、得られる画像としては、横筋状のランダムノイズが含まれた画質の低い画像となる。

第二に、ある垂直信号線に読み出される画素からの電気信号が比較的大きいと（即ち、明るい被写体からの光が照射された画素からの信号）、隣接する垂直信号線に配置されている画素電気流源の電流値が変動してしまうことが考えられる。このような場合にはスミアが生じ、そのノイズが行方向に含まれた画質の低い画像となる。

そこで、当業者なら容易に解決する手段として、画素電流源に供給する電圧の配線に容量を付加する構成が考えられる。電気回路技術者ならば、容量が電圧の変動を吸収することは、周知である。例えば、非特許文献１には、容量を用いて電圧の変動を吸収する構成が開示されている。

すなわち、上記容量によりノイズによるＡＣ成分の電圧変動が吸収され、これにより、ノイズの低減された高品質の画像が得られる。よって、この容量は、直接的には「電圧変動を低減する」効果を有するが、実質的には「ＡＣ成分のノイズを吸収する」効果を奏している。

特開平１１−１７７０７６号公報 特開２００４−１２９０１５号公報 特開平８−１８８６６号公報 ＣＭＯＳアナログ回路設計講座（平成１３年８月２４日開催） テキスト Ｐ．１０７ 講師： 谷口研二（大阪大学工学部）

しかしながら、このようにして電圧変動を吸収するためには、１μＦ程度の大きな容量値を有する容量が要求される。このような大きな容量値を有する容量を画素電流源に電圧を供給する配線（以下、この配線を「供給配線」と称する）に接続すると、電子カメラの電源を入れてから撮像動作が可能とるまでの時間（シャッタータイムラグ）を長くせねばならないという新たな問題点が生ずる。

ここで、一般的な一眼デジタルカメラを考える。一眼デジタルカメラは、光学ファインダーが付いており、またＡＦ（オートフォーカス）、ＡＥ（自動露出）のための専用センサーが設けられているため、イメージセンサを常時動作させておく必要はない。そのため、シャッターボタンが押されてからイメージセンサを起動し、撮像動作を行い、撮像終了後、撮像素子の電源供給を停止することが一般的である。

しかし、上記容量に電荷が充電されている間は、供給配線の電圧が所定の電圧になるまで徐々に変動してしまう。したがって、画素電流源が発生させる電流は、供給配線の電圧が所定になるまで徐々に増大する。この間に撮像動作しても正常な画像が得られない。そのため、電子カメラはレリーズボタンが押されてから撮像動作が行われるまで時間を長くする必要がある。すなわち、シャッタータイムラグの長いカメラとなる。

上記容量の容量値が小さくても、その値に応じて電圧変動を吸収する効果は有している。しかしながら、前に説明した供給配線の電圧の変動を多くのユーザーが納得する程度まで低減させると、電子カメラのシャッタータイムラグが長くなってしまう。近年の電子カメラのユーザーは、ハイエンドユーザーでなくとも画質に関して敏感である。

このように、供給配線の電圧変動を吸収する効果と、シャッタータイムラグの短縮化とは、トレードオフの関係となっていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、供給配線の電圧変動が十分に吸収され、且つ、シャッタータイムラグが短縮化された固体撮像装置及び電子カメラを提供する。

本発明者は、電圧の変動を吸収するための上記容量に電荷を充電する時間が極めて短縮される構成を見出し、発明するに至った。

そこで、本発明の第１の態様による固体撮像装置は、行方向及び列方向に二次元状に配置され入射光量に対応する信号を出力する複数の画素と、画素列ごとに前記画素と接続され前記信号を画素から受け取る複数の垂直信号線と、前記垂直信号線ごとに設けられ前記垂直信号線に一定電流を供給する画素電流源と、前記画素電流源と供給配線によって接続され前記画素電流源に第１の電圧を供給する画素電流源制御回路と、一方の電極が前記供給配線に接続されて前記第１の電圧が供給され他方の電極にはグランドレベルの電圧が供給され、電源電圧の変動を吸収する大きさの容量と、前記容量の前記一方の電極に接続され第２の電圧を前記容量に供給して前記容量を充電する充電回路とを有し、前記充電回路は、電源投入時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を急速充電し、充電完了後にその動作を停止することを特徴とする。

本発明の第２の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、シリコン基板からなるイメージセンサを有し、少なくとも前記画素、前記垂直信号線、前記供給配線、及び、前記画素電流源は、前記イメージセンサに設けられ、前記容量は、前記イメージセンサの外部に設けられる外付け部品であることを特徴とする。

本発明の第３の態様による固体撮像装置は、前記第１又は第２の態様において、前記画素は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部と、前記電荷がゲート電極に供給され該ゲート電極の電位に応じた信号を出力する増幅部とを有し、前記画素電流源はＮＭＯＳ型トランジスタからなり、前記供給配線は前記各ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に共通に接続され、前記画素電流源と前記画素電流源制御回路とでカレントミラー回路が構成され、前記画素電流源制御回路は定電流を発生させ該定電流に対応する電圧を前記第１の電圧として前記各ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に供給することを特徴とする。

本発明の第４の態様による固体撮像装置は、前記第１〜３のいずれかの態様において、前記画素電流源制御回路はオン状態で前記第１の電圧を前記画素電流源に供給しオフ状態で前記第１の電圧より低い電圧を前記画素電流源に供給する第１の切り替えスイッチ部を有し、前記充電回路は前記第１の切り替えスイッチ部がオフ状態からオン状態に移行する時に前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を充電し充電完了後にその動作を停止することを特徴とする。

本発明の第５の態様による固体撮像装置は、前記第１〜４のいずれかの態様において、前記充電回路は、前記第２の電圧を発生する電圧発生回路と前記容量への前記第２の電圧の供給状態を切り替えるスイッチとを有し、前記スイッチを所定時間オンすることにより前記容量を充電することを特徴とする。

本発明の第６の態様による固体撮像装置は、前記第５の態様において、前記充電回路は前記容量の前記一方の電極の電位を検出する比較回路をさらに有し、前記比較回路により検出された電位が所定の電圧となったときに前記スイッチをオフしてその動作を停止することを特徴とする。

本発明の第７の態様による電子カメラは、行方向及び列方向に二次元状に配置され入射光量に対応する信号を出力する複数の画素と画素列ごとに前記画素と接続され前記信号を画素から受け取る複数の垂直信号線と前記垂直信号線ごとに設けられ前記垂直信号線に一定電流を供給するＮＭＯＳ型トランジスタからなる画素電流源と前記ＮＭＯＳ型トランジスタのゲート電極を共通接続する供給配線とを少なくとも有するＣＭＯＳ型イメージセンサと、前記供給配線と接続されて前記画素電流源とカレントミラー回路を構成し前記各ＮＭＯＳ型トランジスタのゲート電極に第１の電圧を供給する画素電流源制御回路と、一方の電極が前記供給配線に接続されて前記第１の電圧が供給され他方の電極にはグランドレベルの電圧が供給され、電源電圧の変動を吸収する大きさの容量と、前記容量の前記一方の電極に接続され第２の電圧を前記容量に供給して前記容量を充電する充電回路と、前記画素から前記信号を出力させる撮像制御部とを有し、前記充電回路は、電源投入時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を急速充電し、充電完了後にその動作を停止する固体撮像装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第８の態様による電子カメラは、前記第７の態様において、前記画素電流源制御回路はオン状態で前記第１の電圧を前記画素電流源に供給しオフ状態で前記画素電流源にグランドレベルの電圧を供給する第１の切り替えスイッチ部を有し、前記充電回路は前記第１の切り替えスイッチ部がオフ状態からオン状態に移行する時に前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を充電し充電完了後にその動作を停止し、前記撮像制御部は前記第１の切り替えスイッチ部及び前記充電回路を動作させる駆動信号を出力することを特徴とする。

本発明による固体撮像装置は、画素電流源に電圧を供給する配線に接続され電圧の変動を吸収するために設けられた容量に電荷を充電するのに要する時間が極めて短縮される。このため、本発明は、ＡＣ成分のノイズを低減させると共に、シャッタータイムラグの短い電子カメラを提供することができる。

以下、本発明によるイメージセンサ及びこれを用いた電子カメラについて、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子カメラ１を示す概略ブロック図である。電子カメラ１には撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像装置３の構成の一つであるイメージセンサ３０の撮像面が配置される。本固体撮像装置３にはイメージセンサ３０の他、ノイズを吸収するための容量（図４符合５０参照）やそれに付随する素子が搭載されるが、詳細は後述する。

固体撮像装置３は、撮像制御部４から出力される駆動信号によって駆動され信号を出力する。固体撮像装置３から出力される信号は、信号処理部５、及び、Ａ／Ｄ変換部６を介して処理された後、メモリ７に一旦蓄積される。メモリ７は、バス８に接続される。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、マイクロプロセッサ９、焦点演算部１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。撮像制御部４は、図面には示していないがタイミングジェネレータ等で構成され、固体撮像装置３の各部に駆動パルス等を供給する。マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａが接続される。また、上記の記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。

図２は、本固体撮像装置３に搭載されるイメージセンサ３０の構成を示す概略回路図である。イメージセンサ３０は、シリコン基板で形成されており、ＣＭＯＳ型のイメージセンサとして構成されている。イメージセンサ３０は、行方向、列方向に二次元状に配置され入射光量に対応する電気信号を出力する複数の画素２０と、画素２０から信号を出力するための周辺回路とを有している。図において、画素数は、横に４行縦に４列の１６個の画素を示している。しかし、これに限られるものではない。画素２０は、周辺回路の駆動信号に従って信号を出力する。画素が二次元状に配置される領域が画素領域３１である。

周辺回路は、垂直走査回路２１、水平走査回路２２、これらと接続されている駆動信号線２３，２４、画素列ごとに画素と接続され、画素からの電気信号を受け取る垂直信号線２５、垂直信号線２５ごとに設けられ垂直信号線２５に一定電流を供給する画素電流源２６、画素電流源制御回路（図２では図示せず。図４符合３２参照）、画素電流源２６と画素電流源制御回路とを接続し、画素電流源制御回路から電圧を画素電流源２６に供給する供給配線（図２では図示せず。図４符合３６参照）、垂直信号線２５ごとに設けられる相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）２７、相関二重サンプリング回路２７から出力される信号を受け取る水平信号線２８、出力アンプ２９等からなる。なお、画素電流源２６は、本図において簡略化された記号で示されているが、より詳細な回路は後述する。

垂直走査回路２１、及び、水平走査回路２２は、電子カメラ１の撮像制御部４からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される駆動信号を所定の駆動信号線２３から受け取って駆動され、入射光に対応する信号を垂直信号線２５に出力する。垂直走査回路２１から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動信号線２３も複数ある。

画素２０から出力された信号は、相関二重サンプリング回路２７にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路２２から駆動信号が駆動信号線２４を介して出力され、信号は水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して外部に出力される。

図３は、イメージセンサ３０における画素回路図である。本実施形態では、各画素２０は、図３に示すように転送トランジスタＴａと、ソースフォロアの増幅トランジスタＴｂと、リセットトランジスタＴｃと、選択トランジスタＴｄと、フォトダイオードＰＤとを有している。トランジスタＴａ〜Ｔｄは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されている。従って、そのゲートがＨレベル（ハイレベル）になるとオン状態となり、そのゲートがＬレベル（ローレベル）になるとオフ状態となる。なお、ＶＤＤは電源である。

光電変換部としてのフォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた電荷を生成し蓄積する。蓄積された電荷は、転送トランジスタＴａがオン状態とされることにより、増幅トランジスタＴｂのゲート（電極）に供給される。転送トランジスタＴａは、そのゲート（電極）に入力される駆動信号φＴＧによってオン・オフされる。駆動信号φＴＧは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介して転送トランジスタＴａのゲートに印加される。また、電荷は、実際には増幅トランジスタＴｂのゲートと電気的に接続されるフローティング拡散部ＦＤに転送される。

増幅トランジスタＴｂは、そのゲート（電極）に供給された電荷による電位に応じた電気信号を生成し出力する。

選択トランジスタＴｄは、オン状態とされることによって当該画素と垂直信号線とを電気的に接続状態にする。そして、選択トランジスタＴｄは、増幅トランジスタＴｂにて生成された電気信号を垂直信号線に出力させる。選択トランジスタＴｄは、そのゲート（電極）に入力される駆動信号φＳによってオン・オフされる。駆動信号φＳは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介して選択トランジスタＴｄのゲートに印加される。

リセットトランジスタＴｃは、オン状態とされることによって増幅トランジスタＴｂのゲート（及びフローティング拡散部）の電荷を排出し、リセット状態にする。リセットトランジスタＴｃは、そのゲート（電極）に入力される駆動信号φＦＤＲによってオン・オフされる。駆動信号φＦＤＲは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介してリセットトランジスタＴｃのゲートに印加される。

画素２０に配置される転送トランジスタＴａのゲートは、行方向で共通接続される。リセットトランジスタＴｃ、及び、選択トランジスタＴｄの各ゲートも同様に行方向でそれぞれ共通接続される。そして、行方向の画素２０は同時に駆動される。したがって、行方向に配置される画素２０は、対応する垂直信号線２５に同時に電気信号を出力する。

垂直信号線２５に出力された電気信号は、垂直信号線２５ごとに配置されるＣＤＳ回路２７にて周知の相関二重サンプリングが行われて、ノイズが除去される。ＣＤＳ回路２７は、水平走査回路２２から駆動信号線２４を介して入力される駆動信号によって動作される。

ノイズが除去され、真の画像信号の成分にされた後の電気信号は、順次垂直信号線２５から水平信号線２８に出力され、出力アンプ２９を介してイメージセンサ３０の外部に出力される。なお、図２には図示されていないが、実際には水平信号線２８をリセットするリセット部が水平信号線２８に接続され、出力アンプ２９から信号が外部に出力される毎に水平信号線２８がリセットされる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置３の概略構成を示す回路図である。本固体撮像装置３は、図３を用いて説明したイメージセンサ３０、充電回路４０、及び、一方の電極５０ａがイメージセンサ３０と電気的に接続され、他方の電極５０ｂがグランド接続される外付け容量５０とを有している。外付け容量５０は、容量値が１μＦであり、ＡＣ成分のノイズを吸収して除去する（電圧変動を抑える）格段な効果を有している。なお、容量値は、これに限られるものではない。本実施形態の固体撮像装置３に配置される外付け容量５０は、このように容量値が大きく、したがって、電極面積が大きいためにイメージセンサ３０内ではなく、外付けとされている。これは、イメージセンサ３０のチップ面積を増大させないためである。しかし、本発明はこれに限らず、イメージセンサ３０内に配置させてもよい。

ところで、イメージセンサ３０は、画素電流源制御回路３２を有している。画素電流源制御回路３２は、供給配線３６によって各画素電流源２６と接続され、画素電流源２６に所定の電圧を供給する（以下、この所定の電圧をＶｇと記載することがある）。そして、画素電流源２６は、Ｖｇを供給されてその電圧に対応する一定の電流を垂直信号線２５に流すように構成されている。なお、画素電流源２６、及び、画素電流源制御回路３２の具体的な回路構成は後述する。

外付け容量５０の一方の電極５０ａは、画素電流源２６にＶｇを供給する供給配線３６と電気的に接続されている。即ち、イメージセンサ内部端子３８と供給配線３６とを電気的に接続する配線３７、外付け容量５０の一方の電極５０ａと電気的に接続された容量側端子５１、端子３８と端子５１とを電気的に接続するワイヤボンディング５２により、供給配線３６と一方の電極５０ａとは電気的に接続されている。従って、外付け容量５０の一方の電極５０ａには、画素電流源制御回路３２から出力されて画素電流源２６に供給される所定の電圧（Ｖｇ）と同一の電圧が印加される。なお、配線３６、３７、ワイヤボンディング５２は、僅かであるが抵抗値を有しており、これによる電圧降下が生ずる。この電圧降下を考慮に入れるならば、一方の電極５０ａに印加される電圧は、厳密にはＶｇと同一にはならない。しかし、ここでは、このような僅かな電圧降下が生じても実質的に同一の電圧とみなす。

そして、本固体撮像装置３は、外付け容量５０の他方の電極５０ｂにグランドが接続される。これにより、他方の電極５０ｂにはグランドレベルの電圧が供給される。

外付け容量５０の一方の電極５０ａは、外付け容量５０を一定の電圧に急速充電するための充電回路４０が接続されている。本固体撮像装置３において、上記の画素電流源制御回路３２から外付け容量５０の一方の電極５０ａに対して供給される電圧（Ｖｇ）と、充電回路４０により外付け容量５０を急速充電する際に電極５０ａに対して供給される電圧（Ｖｃ）とは、同一の電圧となるように設定されている。したがって、外付け容量５０は、電子カメラ１が起動されたとき等に充電回路４０を動作させることで、急速にその充電が完了し、その後は定常状態となる。このため、本電子カメラ１は、ＡＣ成分のノイズが除去されつつ、シャッタータイムラグが極めて短縮される。以下、このことについて、図面を用いて詳細に説明する。

図６は、比較例に係る固体撮像装置の構成を示す概略回路図である。本図は図４に対応しており、同一の構成要素は同一の符号を記す。この固体撮像装置１４０は、前記した「当業者なら容易に解決する手段」に該当する。

比較例に係る固体撮像装置１４０が本実施形態の固体撮像装置３と異なる点は、外付け容量５０の電極５０ａに接続されている充電回路４０が除去されている点にある。

この固体撮像装置１４０に搭載したイメージセンサ３０が起動される前において、外付け容量５０の一方の電極５０ａは、電圧が印加されていないため放電され実質的に接地された状態となっている。また、外付け容量５０の他方の電極５０ｂは、前述のようにグランドに接続されることで接地されている。イメージセンサ３０が起動されると、供給配線３６に印加される電圧ＶＧは、０Ｖから所定の電圧Ｖｇにされる。したがって、外付け容量５０の一方の電極５０ａにはＶｇが供給される。しかし、外付け容量５０の他方の電極５０ｂは、接地されたままである。このため、一方の電極５０ａと他方の電極５０ｂとの間には電圧差が生じ、外付け容量５０にはこの電圧差に応じた電荷量が充電される。電荷が充電される間、前記したとおり供給配線の電圧がＶｇから変動することになり、電子カメラにはシャッタータイムラグが発生する。

一般的にＶｇは、ＮＭＯＳトランジスタ３５、３６の閾電圧で決まり、通常その値は約１Ｖとなる。接地電圧はゼロボルトである。そして、外付け容量５０の容量値は、１μＦ程度と大きい。このため、シャッタータイムラグは、１００ｍ秒よりも長くなってしまう。これは、外付け容量５０の容量値が大きいので画素電流の安定に要する時間が１００ｍ秒程度になり、これにより、電子カメラのシャッタータイムラグは、１００ｍ秒よりも長くなってしまうのである。電子カメラのシャッタータイムラグは、画素電流源の安定化に要する時間よりも長くせねばならない。シャッタータイムラグの許される範囲は、電子カメラによっても異なるが、およそ４０ｍ秒以内と言われている。そして、それを実現するために画素電流源の安定に許される時間は、２０ｍ秒以内である。もちろん、固体撮像装置は、このような外付け容量が除去されたり、容量値の小さな外付け容量にしても良い。しかしながら、このような構成を採用すれば、ＡＣ成分によるノイズが除去されない。

本実施形態の固体撮像素子３は、外付け容量５０の電極５０ａに、該外付け容量５０をＶｃまで急速充電する充電回路４０が接続されている。そして、実質的にＶｇとＶｃは、等しくされている。充電に要する時間は、充電する容量の大きさと、回路の内部抵抗の積によって求まる時定数τに応じて決まる。充電回路４０の抵抗成分が小さくなるように回路を設計することにより、急速に充電することが出来る。充電が完了した後は、充電回路４０は外付け容量５０から電気的に切り離され、以降はその動作を停止する。したがって、本実施形態の固体撮像装置３では、比較例の固体撮像装置１４０において生じていたシャッタータイムラグが十分に短縮される。そして、本電子カメラ１は、ＡＣ成分のノイズが除去された高画質な画像を得ることが可能となる。

しかし、設計上ＶｇとＶｃとが等しくなるように充電回路４０を設けても、製造のばらつきや電源投入時の様々な不安定化要因により、シャッタータイムラグを完全になくすことは困難である。ただし、それらを勘案しても、本実施形態の電子カメラは、大幅にシャッタータイムラグを短縮させることが出来る。そして、当然ながら、本固体撮像装置３は、大きな容量値の外付け容量５０が配置されるので、ＡＣ成分によるノイズが除去され、高画質の画像を得ることができる。

なお、本実施形態において、充電回路４０は、Ｖｇと実質的に等しいＶｃを外付け容量５０の電極５０ｂに充電しているが、本発明はそれに限らない。Ｖｃは、グランドレベル（即ち、ゼロボルト）よりもＶｇに近い電圧なら、シャッタータイムラグが低減される。この場合は、外付け容量５０が充電回路４０により充電される際に一方の電極５０ａに供給される電圧Ｖｃと、定常状態の電圧Ｖｇとの間に電位差が生ずるので、充電回路４０を外付け容量５０から電気的に切り離した後に、画素電流源制御回路３２によって外付け容量５０が充電される。しかしながら、その電位差は、比較例による固体撮像装置１４０より小さい。このため、本固体撮像装置３は、充電に要する電荷量が比較例による固体撮像装置１４０より少ないので、充電に要する時間も短縮される。したがって、本実施形態の固体撮像装置３は、シャッタータイムラグが短縮される。

ここで図４に戻って、画素電流源２６、画素電流源制御回路３２、及び、充電回路４０の具体的な回路構成を説明する。画素電流源２６は、ＮＭＯＳトランジスタで構成されている。画素電流源２６を構成するＮＭＯＳトランジスタは、ソースが接地され、ドレインが垂直信号線２５と接続される。画素電流源２６を構成する各ＮＭＯＳトランジスタのゲート（電極）は、共通に供給配線３６と接続される。供給配線３６は、後述するとおり画素電流源制御回路３２と接続されている。

画素電流源制御回路３２は、抵抗３４、第１の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ３３、ミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５を有している。ＰＭＯＳトランジスタ３３は、そのソースが電源電圧（ＶＤＤ）と接続され、そのドレインが抵抗３４と接続され、そのゲートには駆動信号φstbyが印加される。ＶＤＤは、後述するとおり二値の電圧である。ミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５は、そのドレインが抵抗３４及び自身のゲートと接続され、そのソースが接地されている。そして、ＮＭＯＳトランジスタ３５のゲート（及びドレイン）は、供給配線３６と接続され、ＮＭＯＳトランジスタ３５のゲート（及びドレイン）電圧と同一の電圧が画素電流源２６を構成する各ＮＭＯＳトランジスタのゲートに供給される。なお、画素電流源制御回路３２が、供給配線３６を介して画素電流源２６に供給する端子の電圧をＶＧとする。

これらの構成により、画素電流源制御回路３２のミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５を流れる電流を基準として、ＮＭＯＳトランジスタ３５とＮＭＯＳトランジスタ２６のミラー比で決まる電流が、画素電流源２６を構成する各ＮＭＯＳトランジスタに流れる。即ち、画素電流源２６と画素電流源制御回路３２とでカレントミラー回路が構成されている。画素電流源制御回路３２は、一方のＶＤＤ電圧（後述する通り本実施形態では５Ｖ）が入力されて定電流を発生させ、その電流に対応する電圧を所定の電圧Ｖｇとして画素電流源２６の各ＮＭＯＳトランジスタのゲート（電極）に供給する。また、供給配線３６は、外付け容量５０の一方の電極５０ａと接続されており、ＶＧ（ＶＤＤが５ＶならばＶｇ）と実質的に同一な電圧が外付け容量の５０の一方の電極５０ａに供給される。

また、本固体撮像装置３は、例えば１秒などの長時間露光の際に画素電流源２６をオフするための第１の切り替えスイッチ部としてのＰＭＯＳトランジスタ３３が配置されている。長時間露光時において、垂直信号線２５には定電流を流す必要は無い。つまり、イメージセンサ３０において、長時間露光時には画素２０からの信号が垂直信号線２５に出力されないので、垂直信号線２５に一定の電流を流す必要がないのである。よって、長時間露光時には画素電流源２６をオフしてイメージセンサ３０をスタンバイ状態とすることが可能である。これをオフすれば消費電力を低減することが可能となり、また、発熱を抑えることにより素子特性の安定化にも繋がる。そこで、本電子カメラ１は、長時間露光時においては、固体撮像装置３に配置される第１の切り替えスイッチ部としてのＰＭＯＳトランジスタ３３のゲートにハイレベルの駆動信号φstbyを印加する。これにより、ＰＭＯＳトランジスタ３３は、オフ状態となり、画素電流源制御回路３２のミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５から出力される電流が止まり、それに伴って、画素電流源２６を構成するＮＭＯＳトランジスタに流れる電流も止まる。画素電流源２６をオフするのは、露光時間が１／４秒以上としても良いし、或いは、１／２秒以上としても良い。

充電回路４０は、電圧発生回路４２及び転送ゲート４８を有している。電圧発生回路４２は、抵抗４４、第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ４３、バッファ回路４７、及び、Ｖｃ電位を発生するためのＮＭＯＳトランジスタ４５（ミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５と等価）を有している。第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ４３は、そのソースが電源電圧（ＶＤＤ）と接続され、そのドレインが抵抗４４と接続され、そのゲートには駆動信号φstbyが印加される。転送ゲート４８には、φSWパルスが接続されており、φSW=Hの場合に転送ゲート４８がオン状態となる。ＶＤＤは画素電流源制御回路３２に入力されるＶＤＤと同一であり、二値の電圧である。Ｖｃ電位を発生するためのＮＭＯＳトランジスタ４５は、そのドレインが抵抗４４と自身のゲートとバッファ回路４７と接続され、そのソースは接地されている。バッファ回路４７は、転送ゲート４８を介して、外付け容量５０の電極５０ａと接続されている。この端子の電圧をＶＣとする。

この構成により、充電回路４０は、一方のＶＤＤ電圧（本実施形態では５Ｖ）が入力されて、ＶＧと等しい電圧を外付け容量５０の電極５０ａに供給することが可能となる。なお、ここではＶｃは、Ｖｇと実質的に等しくされているが、グランドレベルよりＶｇに近い電圧であれば良い。また、電圧発生回路４２は、ここでは画素電流源制御回路３２と等価な回路を用いて構成されているが、これに限らず、例えば電子ボリュームとレギュレータＩＣを組み合わせた電圧発生回路を用いてもよい。電子ボリュームを用いると、設定されたステップより細かく電圧を変化させることは出来ない。このため、Ｖｃは、Ｖｇと一致させることが出来ない恐れがある。しかし、電子ボリュームを用いるなら、Ｖｃは、最もＶｇに近接した電圧に設定されればよい。このように設定されたＶｃ、又は、実質的にＶｇと一致するＶｃをここでは「略同一」の電圧とする。また、別な方法として、ＤＡコンバーターを用いて目的の電圧を作り出す方法もある。この場合も、前記の電子ボリュームを用いた場合と同様、Ｖｃは、最もＶｇに近接した電圧に設定されればよい。更に別な方法としては、ＶＧとほぼ同じ電圧（約１．０Ｖ）に調整された、充電回路専用の電圧源を別途準備してもよい。

転送ゲート４８は電気的なスイッチとして動作する。イメージセンサ３０を起動した直後は、φSWをハイレベルにして、転送ゲート４８を所定時間オン状態にする。すると、外付け容量５０は、その容量値の大きさと転送ゲート４８の持つ抵抗成分の大きさとによって決まる時定数τに応じて、充電回路４０により急速に充電される。例えば容量値が１μＦ、抵抗成分が１ｋΩとすると、時定数はτ＝ＣＲで決まり、約１ｍｓｅｃとなる。したがって、５×τ、すなわち５ｍｓｅｃ程度待てば、電源電圧の９９％まで外付け容量５０が充電される。その後でφSW=Lとし、転送ゲート４８をオフすれば、充電回路４０はイメージセンサ３０から電気的に切り離される。このようにして、本電子カメラ１は、ＡＣ成分ノイズが除去されつつ、シャッタータイムラグが極めて短縮される。

上記のような回路動作を実現するために、図１に示すカメラ１の撮像制御部４内のタイミングジェネレータで生成した専用のパルスをφSWパルスとして出力することもできる。あるいは、φSWをＨレベルとする必要があるのは、電子カメラ１を起動して固体撮像装置３にＶＤＤが供給された直後、及び、φSTBYパルスがＨからＬに反転した直後なので、ＶＤＤ電圧およびφSTBYパルスが所定の変動をしたとき、一定時間Ｈレベルになる回路を組んで使用しても良い。後者の場合は、φSWは既存の電源とパルスから作り出せるので、タイミングジェネレータは本発明適用前のものを、そのまま利用できる。

また、ここでは、充電回路４０の電圧発生回路４２は、バッファ回路４７を含むように構成されている。しかし、本発明はこれに限らない。電圧発生回路４２は、バッファ回路４７を含まず、これらが別々の部品として構成されてもよい。そして、電圧発生回路４２は、Ｖｃを発生させてバッファ回路４７に入力し、バッファ回路４７は、転送ゲート４８を介してＶｃを外付け容量５０に供給する。或いは、電圧発生回路４２とバッファ回路４７との間にレベルシフト回路を挿入し（又はバッファ回路４７がレベルシフト機能を有するバッファ回路とし）、電圧発生回路４２はＶｃとは異なる電圧を発生させて、バッファ回路４７が転送ゲート４８を介してＶｃを外付け容量５０に供給しても良い。

［第１実施形態の変形例］
図５は、充電回路４０を図４とは別の回路構成とした固体撮像装置３の変形例の構成を示す概略回路図である。この変形例に示す充電回路４０は、図４で説明した電圧発生回路４２及び転送ゲート４８に加えて、さらに比較回路４９を有している。なお、図４とは異なり、本変形例において電圧発生回路４２はバッファ回路４７を含まない。

比較回路４９の一方の入力端子は、電圧発生回路４２内のＮＭＯＳトランジスタ４５のゲート及びドレインと接続されている。これにより、比較回路４９の一方の入力端子にはＮＭＯＳトランジスタ４５の閾電圧が入力される。この閾電圧は、Ｖｇと同じ約１．０Ｖである。比較回路４９の他方の入力端子は、外付け容量５０の電極５０ａに接続されている。これにより、外付け容量５０の一方の電極５０ａの電位が比較回路４９によって検出される。比較回路４９からの出力は、φSWとして転送ゲート４８に入力される。

図６の変形例における回路動作を説明する。固体撮像装置３に電源が供給されてＶＤＤがＨレベルとなり、かつイメージセンサ３０がスタンバイ状態以外の場合に、充電回路４０がその動作を開始する。外付け容量５０の電極５０ａの電圧が低い間は、比較回路４９の出力すなわちφSWはＨレベルとなる。このとき、転送ゲート４８がオンとなるため、外付け容量５０の電極５０ａにＶＤＤが供給され、外付け容量５０が充電される。その後、外付け容量５０が充電されて電極５０ａの電圧が上昇し、目的の閾値電圧を超えると、比較回路４９の出力すなわちφSWが反転してＬレベルとなる。すると、転送ゲート４８がオフし、充電回路４０はイメージセンサ３０から電気的に切り離される。

なお、比較回路４９の入力は、シュミットトリガー入力となっている。すなわち、ＮＭＯＳトランジスタ４５の閾電圧が１Ｖの場合、外付け容量５０の電極５０ａの電位が１Ｖを超えると、比較回路４９の出力がＬからＨに反転する。しかし、いちど反転を起こすと、（１−Δ）Ｖまで下がって初めて比較回路４９の出力がＨからＬに戻る。このΔの値は、イメージセンサ３０のノイズや電源変動によって生じるＶＧ電位の変動よりも十分大きく設定することが好ましい。例えば、Δ＝０．５Ｖとすれば、比較回路４９の出力がＬからＨに反転するための閾値は１．０Ｖとなり、ＨからＬに反転するための閾値は０．５Ｖとなる。ここで、通常のイメージセンサ３０の動作時にノイズや電源電圧変動によってＶＧが変動する大きさは０．５Ｖよりも十分小さい。そのため、外付け容量５０を充電する必要がある時のみ充電回路４０が働き、それ以外の時は充電回路４０が不用意に動作することを防止することが出来る。

以上説明した変形例では、充電回路４０を制御するためのパルス（φSW）は比較回路４９によって自動的に生成されるため、外部から供給する必要が無くなる。これにより、タイミングジェネレータからφSWを出力する必要がなく、本発明適用前のものをそのまま利用できる。

図７は、本実施形態に係る電子カメラ１の撮像制御部４が出力する駆動信号φstby、制御信号φSW及び電源電圧ＶＤＤと、固体撮像装置３が生成するＶＧ及びＶＣの関係を示すタイミングチャートである。なお、ＶＧは画素電流源制御回路３２が外付け容量５０の電極５０ａに供給する電圧であり、ＶＣは充電回路４０が外付け容量５０を充電するために電圧発生回路４２によって発生する電圧である。制御信号φSWは、充電回路４０の動作・非動作状態を制御するパルスである。駆動信号φstby及び電源電圧ＶＤＤは、画素電流源制御回路３２及び画素電流源２６が定電流を流すための信号であるので、ここでは「電流電圧作成信号」と称す。なお、制御信号φSWもこの電流電圧作成信号に含まれるものとする。また、（ａ）は露光時間が通常（およそ１／４秒未満）である場合を示し、（ｂ）は露光が長時間（およそ１／４秒以上）である場合を示す。

先ず、図７（ａ）のタイミングチャートを用いて、電子カメラ１の動作を絡めて露光時間が通常であるときの電流電圧作成信号と各切り替えスイッチ部の駆動との関係を説明する。Ｔ１までの初期状態において、電子カメラ１の電源は入っているがイメージセンサ３０は停止している。マイクロプロセッサ９（図１参照）は、撮像制御部４にイメージセンサ３０を停止状態にする指令を出力する。

撮像制御部４は、マイクロプロセッサ９の指令に基づきイメージセンサ３０が停止状態となるための電流電圧作成信号を出力する。即ち、電源電圧（以下、ＶＤＤ）は０Ｖ、駆動信号φstbyはローレベル（Ｌ）が出力される。この状態では、イメージセンサ３０、および、充電回路４０いずれにも、電源が供給されていないため、イメージセンサ３０は動作せず、停止状態となる。このため、外付け容量５０の電極５０ａは、電圧が印加されずグランドレベルの０Ｖとなる。

Ｔ１の時点において、電子カメラ１のシャッターボタンが押されると、マイクロプロセッサ９は、撮像制御部４に対して、固体撮像装置３の電源を投入し、固体撮像装置３に搭載されたイメージセンサ３０を停止状態から起動状態にさせる指令を出力する。撮像制御部４は、その指令に基づき電流電圧作成信号を出力する。なお、撮像制御部４は、電流電圧作成信号以外の駆動信号も出力するが、ここではその説明を省略する。撮像制御部４は、マイクロプロセッサ９の指令に基づき、ＶＤＤを０Ｖから５Ｖに電圧を変えてイメージセンサ３０に出力する。また、撮像制御部４は、引き続きローレベルの駆動信号φstbyを出力する。このとき、第１の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ３３は、オン状態である。ＶＤＤが５Ｖになることによって、画素電流源制御回路３２が動作して定電流が流れるようになる。そして、画素電流源制御回路３２は、その定電流に対応する所定の電圧Ｖｇを供給配線３６に供給する。ここでは、Ｖｇは１Ｖである。よって、ＶＧは０Ｖから１Ｖに変化する。

また、Ｔ１の時点において、撮像制御部４からローレベルの駆動信号φstbyが出力されることで、第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ４３はオン状態である。ＶＤＤが５Ｖになると、電圧発生回路４２は所定の電圧Ｖｃを出力する。ここでは、Ｖｃは１Ｖである。よって、ＶＣは０Ｖから１Ｖに変化する。このとき撮像制御部４は、制御信号φSWをＨレベルとする。すると転送ゲート４８がオン状態となり、充電回路４０が動作し、外付け容量５０の一方の電極５０ａにＶｃ（１Ｖ）が供給される。これにより、外付け容量５０が充電される。

以上説明したように、Ｔ１の時点において、イメージセンサ３０が停止状態から起動状態となると、画素電流源制御回路３２が出力する電圧ＶＧと、充電回路４０が電圧発生回路４２により出力する電圧ＶＣとが、０Ｖから１Ｖに急速に変化する。充電回路４０は、内部抵抗が十分に小さく設計されており、急速に外付け容量５０の充電を完了することができる。そのため、電源投入直後に、外付け容量５０の充電は完了し、電圧ＶＧは供給配線３６に供給され、画素電流源２６による定電流の発生に用いられる。かつ、外付け容量５０によってＡＣ成分のノイズが吸収される。従って、電子カメラ１のシャッタータイムラグが短縮される。

電極５０ａが所定の電圧となり、外付け容量５０の充電が完了した後で、撮像制御部４はφSWをＬレベルに下げる。すると転送ゲート４８がオフ状態となる。その結果、充電回路４０はイメージセンサ３０から電気的に切り離される。これにより、外付け容量５０の充電完了後は充電回路４０の動作を停止して、充電回路４０がイメージセンサ３０の動作に不要な影響等を及ぼすのを避けることができる。

また、画素電流源２６を構成するＮＭＯＳトランジスタのゲート（電極）にＶｇが供給されることにより、画素電流源２６は、その動作を開始して定電流を垂直信号線２５に流す。画素電流源２６が動作することにより、画素２０は、垂直信号線２５に入射光量に応じた電気信号を出力することが可能となる。その後、不図示の駆動信号に従って、画素２０から電気信号が出力される。

Ｔ１からＴ２の期間において、イメージセンサ３０は、指定された露光時間（１／４秒未満）にて光電変換された電荷を生成し蓄積する。電子カメラ１は、イメージセンサ３０から光電変換された電荷の量に応じた電気信号を出力させ、信号処理、画像圧縮、記録など所定の処理を施す。そして、それらの処理が終了したＴ２の時点において、マイクロプロセッサ９は、起動状態から停止状態に制御させる指令を撮像制御部４に出力する。この指令に基づき、撮像制御部４は、ＶＤＤを０Ｖに変化させてイメージセンサ３０に出力する。イメージセンサ３０は再度停止状態とされ、ＶＧ及びＶＣは０Ｖにされる。

次に、図７（ｂ）のタイミングチャートを用いて、電子カメラ１の動作を絡めて露光時間が長時間であるときの電流電圧作成信号と各切り替えスイッチ部の駆動の関係を説明する。なお、Ｔ１までの期間、及び、Ｔ２以降の期間は、イメージセンサ３０が停止状態である期間であり、図７（ａ）と説明が重複する。よって、ここでは重複する説明を極力省略し、図７（ａ）とは異なる駆動を行うＴ３からＴ４の期間について重点的に説明する。

Ｔ１の時点において、撮像制御部４は、マイクロプロセッサ９の指令に基づき、ＶＤＤを０Ｖから５Ｖに電圧を変えてイメージセンサ３０に出力する。この時の動作は、図７（ａ）の説明と同じであり、急速に外付け容量５０に充電が行われることにより、シャッタータイムラグが短縮される。

Ｔ３からＴ４の期間は、露光期間である。図７（ｂ）においては、露光時間は１／４秒以上の長時間であり、この期間においてイメージセンサ３０は、スタンバイ状態とされる。ここで、イメージセンサ３０のスタンバイ状態とは、ＶＤＤは５Ｖを維持されており、イメージセンサ３０に電源電圧５Ｖが印加されている状態を言う。このため、スタンバイ状態において、各画素２０は光電変換して電荷を蓄積させる状態が維持されている。

Ｔ３の時点に至り、マイクロプロセッサ９は、露光を開始させる指令を撮像制御部４に出力すると共に、イメージセンサ３０をスタンバイ状態に制御させる指令を撮像制御部４に出力する。この指令に基づき、撮像制御部４は、イメージセンサ３０に露光を開始させる。具体的には撮像制御部４は、電子カメラ１のメカシャッターを開く。或いは、電子シャッターを実行するならば、撮像制御部４は、フォトダイオードに蓄積されている電荷を排出させる。

また、撮像制御部４は、ＶＤＤを５Ｖのまま保持させつつ、駆動信号φstbyをローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）に変えてイメージセンサ３０に出力する。このとき、画素電流源制御回路３２において、第１の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ３３は、ハイレベルの駆動信号φstbyをゲート（電極）に受けてオフ状態とされる。よって、ミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタ３５のドレインにはＶＤＤが印加されない。このため、ＮＭＯＳトランジスタ３５のドレインは５Ｖから０Ｖに変化し、画素電流源制御回路３２はオフ状態となる。これに伴い、ＶＧはＶｇ（１Ｖ）から０Ｖに変化し、画素電流源２６もオフ状態となる。即ち、画素電流源制御回路３２は、第１の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ３３がオフ状態のときに、Ｖｇより低い電圧である０Ｖ（グランドレベル）の電圧を画素電流源２６に供給する。画素電流源制御回路３２及び画素電流源２６が動作しておらず、また、垂直信号線２５に一定の電流が流れないので、消費電力は低減され、発熱も抑えられる。しかしながら、ＶＤＤは５Ｖに保持されているので、スタンバイ状態でありながら、画素２０は入射光に応じた電荷を生成し蓄積する状態を維持している。

Ｔ４の時点において、マイクロプロセッサ９は、露光を終了させる指令を撮像制御部４に出力すると共に、イメージセンサ３０をスタンバイ状態から起動状態に制御させる指令を撮像制御部４に出力する。この指令に基づき、撮像制御部４は、イメージセンサ３０の露光を終了させる。具体的には、電子カメラ１のメカシャッターを閉じる。或いは、イメージセンサ３０が特許文献１に開示されたように全画素同時露光を可能とする構成ならば、転送トランジスタをオンさせることによって、フォトダイオードから電荷を転送させる。また、撮像制御部４は、駆動信号φstbyをハイレベル（Ｈ）からローレベル（Ｌ）に変えて固体撮像装置３に出力する。画素電流源制御回路３２において、第１の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ３３は、ローレベルの駆動信号φstbyをゲート（電極）に受けてオン状態とされる。これに伴い、ＶＤＤと画素電流源制御回路３２とが接続される。ＶＤＤは５Ｖに維持されている。よって、画素電流源制御回路３２は、動作を開始して一定の電流が流れ、その一定電流に対応する所定の電圧Ｖｇを供給配線３６に供給する。

このとき、充電回路４０の電圧発生回路４２において、第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ４３はローレベル（Ｌ）の駆動信号φstbyをゲート（電極）に受けてオン状態とされる。よって、ＮＭＯＳトランジスタ４５はＮＭＯＳトランジスタ３５と同じ動作状態となり、電圧発生回路４２から出力されるＶＣが０ＶからＶｃ（１Ｖ）に変化する。それと同時に、撮像制御部４はφSWをＨレベルとする。すると転送ゲート４８がオン状態となるため、充電回路４０は、外付け容量５０の一方の電極５０ａにＶｃ（１Ｖ）を供給して、外付け容量５０を充電する。この結果、イメージセンサ３０がスタンバイ状態から起動状態に変化しても、外付け容量５０は急速に充電される。その結果、イメージセンサ３０がスタンバイ状態から復帰した直後、直ちに外付け容量５０が充電完了の状態となる。これに伴い、イメージセンサ３０はスタンバイ状態からの復帰動作時間が短縮され、電子カメラ１はシャッタータイムラグが短縮される。

外付け容量５０の充電が完了すると、Ｔ１の時同様、撮像制御部４はφSWをＬレベルに下げる。すると転送ゲート４８がオフ状態となり、充電回路４０がイメージセンサ３０から電気的に切り離される。これにより、外付け容量５０の充電完了後は充電回路４０の動作を停止して、充電回路４０がイメージセンサ３０の動作に不要な影響等を及ぼすのを避けることができる。

このように、Ｔ３からＴ４の期間においては、Ｔ１までの期間及びＴ２以降の期間とは異なり、ＶＤＤが５Ｖでありながら、イメージセンサ３０はスタンバイ状態とされる。

本実施形態において、Ｔ３からＴ４の期間は、露光時間であり且つスタンバイ状態の期間とされている。しかし、本発明はこれに限らず、イメージセンサ３０がスタンバイ状態とされる期間は、露光時間より短くされても良い。前記したように、例えＶｇとＶｃとを等しく設計しても、製造誤差等により僅かにずれる恐れがある。ＶｇとＶｃがずれると、外付け容量５０は電荷が充電され、充電される電荷量に応じてイメージセンサ３０は、スタンバイ状態からの復帰に要する時間が長くなる。従って、スタンバイ状態から起動状態への移行時点は、ＶｇとＶｃの許される最大のずれ量を予め想定し、充電時間を考慮して、露光終了時間より前に設定されるのが好ましい。このようにすれば、露光終了時点には、イメージセンサ３０は、各画素から電気信号を出力できる状態とされる。このため、電子カメラ１は、シャッタータイムラグを短縮することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、ＶｇとＶｃは、略同一とされている。しかし、Ｖｃを０ＶよりＶｇに近い電圧に設定するなら、ＶｇとＶｃの差と、外付け容量５０の容量値からスタンバイ状態からの復帰に要する時間を求め、それにより、スタンバイ状態から起動状態への移行時点を設定すればよい。

スタンバイ状態から起動状態へ復帰するのに要する時間が短ければ、それだけ、画素信号読み出し動作を開始する直前に画素電流源の復帰動作を開始すれば良くなり、消費電力低減や発熱の影響の低減に効果がある。

また、本実施形態において、ＶＤＤは０Ｖと５Ｖの二値としたが、これに限らず、例えば０Ｖと６Ｖとしても良い。

また、本実施形態において、画素電流源２６、画素電流源制御回路３２は、単純な回路構成にて示している。しかし、本発明はこれに限られない。図８は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置に搭載するイメージセンサの変形例である。本変形例のイメージセンサ６０がイメージセンサ３０と異なる点は、画素電流源２６に換えて画素電流源６６が配置され、画素電流源制御回路３２に換えて画素電流源制御回路６２が配置されている点のみである。

画素電流源６６は、ＮＭＯＳトランジスタ６７、６８が２段のカスコード回路で構成されている。即ち、図の上の段のＮＭＯＳトランジスタ６７は、ドレインが垂直信号線２５に接続され、ソースが下の段のＮＭＯＳトランジスタ６８のドレインに接続され、ゲート電極は供給配線６９に接続される。図の下の段のＮＭＯＳトランジスタ６８は、ドレインが上の段のＮＭＯＳトランジスタ６７のソースに接続され、ソースがグランドに接続され、ゲート電極は供給配線３６に接続される。そして、それに伴い、画素電流源制御回路６２のミラー回路６５、３５は、２段で構成されている。即ち、上の段の負荷トランジスタ６５は、ドレイン及びゲートが抵抗３４及び供給配線６９と接続され、ソースは下の段のＮＭＯＳトランジスタ３５のドレインに接続される。下の段のＮＭＯＳトランジスタ３５は、ドレイン及びゲートが上の段のＮＭＯＳトランジスタ６５のソースと供給配線３６に接続され、ソースは接地されている。

そして、画素電流源６６と画素電流源制御回路６２とで、カレントミラー回路を構成している。このようなカスコード回路による画素電流源６６は、１段によるカレントミラー回路に比べて垂直信号線２５に流れる電流が更に一定となり易く、より好ましい。

本変形例において、素子の動作原理上、垂直信号線２５の電流値を決定しているのは、グランドに近い側のＮＭＯＳトランジスタである。従って、外付け容量の一方の電極は、グランドに近い側のＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に電圧を供給する供給配線３６に接続すればよい。このようにすれば、ＡＣ成分によるノイズは、外付け容量に吸収される。また、外付け容量の他方の電極には、第１実施形態にて説明した電圧発生器が接続される。これにより、シャッタータイムラグが短縮される。

［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置６３の構成を示す概略回路図である。本図は図４に対応しており、同一の構成要素は同一の符号を記し説明を省略する。本固体撮像装置６３が第１実施形態の固体撮像装置３と異なる点は、図４に示すように固体撮像装置３ではイメージセンサ３０の外部に充電回路４０が設けられていたのに対して、本固体撮像装置６３では充電回路８０がイメージセンサ７０内に配置されている点にある。

図９の回路では、充電回路８０は、電圧発生回路８２及び転送ゲート８８を有している。電圧発生回路８２は、抵抗８４、第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ８３、負荷トランジスタを構成するＮＭＯＳトランジスタ８５、及び、バッファ回路８７を有している。第２の切り替えスイッチ部を構成するＰＭＯＳトランジスタ８３は、そのソースが電源電圧（ＶＤＤ）と接続され、そのドレインが抵抗８４と接続され、そのゲートには駆動信号φstbyが印加される。なお、駆動信号φstby及びＶＤＤは、画素電流源制御回路３２にも供給されている。ＶＤＤは、５Ｖと０Ｖの二値である。負荷トランジスタを構成するＮＭＯＳトランジスタ８５は、そのドレインが抵抗８４と自身のゲートと接続され、そのソースは接地されている。また、このＮＭＯＳトランジスタ８５のドレイン（及びゲート）は、バッファ回路８７、及び転送ゲート８８を介して、配線３７に接続される。即ち、ＮＭＯＳトランジスタ８５のドレインは、バッファ回路８７、転送ゲート８８、配線３７、イメージセンサ内部端子３８、ワイヤボンディング５２及び容量側端子５１を介して、外付け容量５０の電極５０ａと電気的に接続される。

充電回路８０は、ＶＤＤが５Ｖであるなら、電圧発生回路８２から出力するＶＣを一定の電圧Ｖｃ（ここでは１Ｖ）にする。そして、φSWがＨレベルであるときに、転送ゲート８８をオンしてＶＣを外付け容量５０の電極５０ａに供給し、外付け容量５０を急速に充電する。なお、駆動信号φstby、φSW、及びＶＤＤと、イメージセンサ７０や電子カメラ１の動作は、実施形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。

［第２実施形態の変形例］
図１０は、充電回路８０を図９とは別の回路構成とした固体撮像装置６３の変形例の構成を示す概略回路図である。この変形例に示す充電回路８０は、図５に示す第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置３の充電回路４０と同様の構成を有している。すなわち、本変形例において充電回路８０は、図９で説明した電圧発生回路８２及び転送ゲート８８に加えて、さらに比較回路８９を有している。なお、図９とは異なり、本変形例において電圧発生回路８２はバッファ回路８７を含まない。

本変形例においても、図９と同様に、電圧発生回路８２、転送ゲート８８及び比較回路８９は、図５の電圧発生回路４２、転送ゲート４８及び比較回路４９と同じ接続関係で接続されている。その状態で、充電回路８０がイメージセンサ７０内に配置されている。

以上説明した第２実施形態及びその変形例のように、充電回路８０がイメージセンサ７０内に配置されると、固体撮像装置６３の組立部品の数を低減させることが可能となる。このため、固体撮像装置６３を構成する部品の在庫管理が容易になり、また、製造工程も簡略される。

本発明の第１実施形態に係る電子カメラを示す概略ブロック図である。 本固体撮像装置におけるイメージセンサの構成を示す概略回路図である。 イメージセンサにおける画素回路図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す概略回路図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の変形例の構成を示す概略回路図である。 比較例に係る固体撮像装置の構成を示す概略回路図である。 本実施形態に係る電子カメラの撮像制御部が出力する駆動信号φstby、φSW及び電源電圧ＶＤＤと、固体撮像装置が生成するＶＧ及びＶＣの関係を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置に搭載するイメージセンサの変形例である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す概略回路図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の変形例の構成を示す概略回路図である。

符号の説明

１ 電子カメラ
３，６３，１４０ 固体撮像装置
４ 撮像制御部
９ マイクロプロセッサ
２０ 画素
２５ 垂直信号線
２６，６６ 画素電流源
３０，６０，７０ イメージセンサ
３１ 画素領域
３２，６２ 画素電流源制御回路
３６ 供給配線
４０，８０ 充電回路
４２，８２ 電圧発生回路
４８，８８ 転送ゲート
４９，８９ 比較回路
５０ 外付け容量

Claims (8)

1. 行方向及び列方向に二次元状に配置され、入射光量に対応する信号を出力する複数の画素と、
   画素列ごとに前記画素と接続され、前記信号を画素から受け取る複数の垂直信号線と、
   前記垂直信号線ごとに設けられ、前記垂直信号線に一定電流を供給する画素電流源と、
   前記画素電流源と供給配線によって接続され、前記画素電流源に第１の電圧を供給する画素電流源制御回路と、
   一方の電極が前記供給配線に接続されて前記第１の電圧が供給され、他方の電極にはグランドレベルの電圧が供給され、電源電圧の変動を吸収する大きさの容量と、
   前記容量の前記一方の電極に接続され、第２の電圧を前記容量に供給して前記容量を充電する充電回路と、を有し、
   前記充電回路は、電源投入時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を急速充電し、充電完了後にその動作を停止することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   シリコン基板からなるイメージセンサを有し、
   少なくとも前記画素、前記垂直信号線、前記供給配線、及び、前記画素電流源は、前記イメージセンサに設けられ、
   前記容量は、前記イメージセンサの外部に設けられる外付け部品であることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
   前記画素は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部と、前記電荷がゲート電極に供給され該ゲート電極の電位に応じた信号を出力する増幅部と、を有し、
   前記画素電流源はＮＭＯＳ型トランジスタからなり、
   前記供給配線は、前記各ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に共通に接続され、
   前記画素電流源と前記画素電流源制御回路とでカレントミラー回路が構成され、
   前記画素電流源制御回路は、定電流を発生させ、該定電流に対応する電圧を前記第１の電圧として前記各ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に供給することを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記画素電流源制御回路は、オン状態で前記第１の電圧を前記画素電流源に供給し、オフ状態で前記第１の電圧より低い電圧を前記画素電流源に供給する第１の切り替えスイッチ部を有し、
   前記充電回路は、前記第１の切り替えスイッチ部がオフ状態からオン状態に移行する時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を充電し、充電完了後にその動作を停止することを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
   前記充電回路は、前記第２の電圧を発生する電圧発生回路と、前記容量への前記第２の電圧の供給状態を切り替えるスイッチとを有し、前記スイッチを所定時間オンすることにより前記容量を充電することを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記充電回路は、前記容量の前記一方の電極の電位を検出する比較回路をさらに有し、
   前記比較回路により検出された電位が所定の電圧となったときに前記スイッチをオフしてその動作を停止することを特徴とする固体撮像装置。
7. 行方向及び列方向に二次元状に配置され、入射光量に対応する信号を出力する複数の画素と、画素列ごとに前記画素と接続され前記信号を画素から受け取る複数の垂直信号線と、前記垂直信号線ごとに設けられ前記垂直信号線に一定電流を供給するＮＭＯＳ型トランジスタからなる画素電流源と、前記ＮＭＯＳ型トランジスタのゲート電極を共通接続する供給配線と、を少なくとも有するＣＭＯＳ型イメージセンサと、
   前記供給配線と接続されて前記画素電流源とカレントミラー回路を構成し、前記各ＮＭＯＳ型トランジスタのゲート電極に第１の電圧を供給する画素電流源制御回路と、
   一方の電極が前記供給配線に接続されて前記第１の電圧が供給され、他方の電極にはグランドレベルの電圧が供給され、電源電圧の変動を吸収する大きさの容量と、
   前記容量の前記一方の電極に接続され、第２の電圧を前記容量に供給して前記容量を充電する充電回路と、
   前記画素から前記信号を出力させる撮像制御部と、を有し、
   前記充電回路は、電源投入時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を急速充電し、充電完了後にその動作を停止する固体撮像装置を備えたことを特徴とする電子カメラ。
8. 請求項７に記載の電子カメラにおいて、
   前記画素電流源制御回路は、オン状態で前記第１の電圧を前記画素電流源に供給しオフ状態で前記画素電流源にグランドレベルの電圧を供給する第１の切り替えスイッチ部を有し、
   前記充電回路は、前記第１の切り替えスイッチ部がオフ状態からオン状態に移行する時に、前記容量の電位が前記第２の電圧に略等しいレベルになるまで前記容量を充電し、充電完了後にその動作を停止し、
   前記撮像制御部は、前記第１の切り替えスイッチ部、及び、前記充電回路を動作させる駆動信号を出力することを特徴とする電子カメラ。

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