(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電位点の電位を反映する画素電圧を出力する第１出力部と、
前記第１電位点と第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第１電位点の電位を初期化して、前記画素電圧を第１値と第２値との間の初期値に初期化する第１リセットスイッチと、
受光した光に応じて光電流を発生させ、前記第１リセットスイッチをオフした状態で前記光電流を前記第１電位点に流して、前記画素電圧を前記初期値から時間の経過と共に変化させるフォトダイオードと
を有する画素と、
前記画素電圧の変化方向とは反対方向へと時間の経過と共に変化し、前記第１値から前記第２値へと至る基準電圧を、生成する単一の基準電圧生成部と、
前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替る切替時点に基づいて、前記光の量たる画素値を求める読出部と
を備える、画像センサ。
【請求項２】
前記読出部は、前記切替時点を計時する単一のカウンタを備える、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
第１電位点の電位を反映する画素電圧を出力する第１出力部と、
前記第１電位点と第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第１電位点の電位を初期化して、前記画素電圧を第１値と第２値との間の初期値に初期化する第１リセットスイッチと、
受光した光に応じて光電流を発生させ、前記第１リセットスイッチをオフした状態で前記光電流を前記第１電位点に流して、前記画素電圧を前記初期値から時間の経過と共に変化させるフォトダイオードと
を有する画素と、
前記画素電圧の変化方向とは反対方向へと時間の経過と共に変化し、前記第１値から前記第２値へと至る基準電圧を、生成する基準電圧生成部と、
前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替る切替時点に基づいて、前記光の量たる画素値を求める読出部と
を備え、
前記画素は、前記第１電位点と前記フォトダイオードとの間のオン／オフを選択する第１露光スイッチを更に備え、
前記画素電圧は、(i)前記第１露光スイッチがオンしつつ前記第１リセットスイッチがオフする露光期間において、前記光の量が大きいほど大きい変化速度で、前記初期値から時間の経過と共に変化し、(ii)前記露光期間の後の、前記第１露光スイッチおよび第１リセットスイッチの両方がオフする維持期間において、前記露光期間の終了時点での値を維持し、
前記基準電圧生成部は、前記露光期間において前記第１値を維持し、前記維持期間の少なくとも一部の計時期間において前記第１値から前記第２値へと時間の経過と共に変化する前記基準電圧を生成し、
前記読出部は、
前記大小関係が前記計時期間において切り替わるときの前記切替時点を計時する第１カウンタと、
前記大小関係が前記露光期間において切り替わるときの前記切替時点を計時する第２カウンタと
を備える、画像センサ。
【請求項４】
ダミー画素を更に備え、
前記ダミー画素は、
第２電位点の電位を反映するダミー電圧を出力する第２出力部と、
前記第２電位点と前記第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第２電位点の電位を初期化して、前記ダミー電圧を前記初期値に初期化する第２リセットスイッチと、
前記第２電位点と第２電源電位との間に接続され、前記第１露光スイッチのターンオンと同期してターンオンして、前記画素電圧を前記基準電圧と交差させる第２露光スイッチと
を有し、
前記第２カウンタは、前記ダミー電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わるときにカウンタ動作を開始し、前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わるときに前記カウンタ動作を終了して、前記切替時点を計時する、請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
前記画素と前記読出部とを接続し、前記画素電圧を前記読出部へと伝達する信号線と、
前記ダミー画素と前記読出部とを接続し、前記ダミー電圧を前記読出部へと伝達し、前記信号線の寄生容量と等しい寄生容量を有するダミー信号線と
を備える、請求項４に記載の画像センサ。
【請求項６】
前記読出部は、
前記画素電圧と、前記基準電圧とを比較する第１比較部と、
前記第１比較部と同じ構造を有し、前記ダミー電圧と前記基準電圧とを比較する第２比較部と
を有する、請求項４または請求項５に記載の画像センサ。
【請求項７】
前記露光期間に先立つリセット期間において、前記第１リセットスイッチをオンすることで前記画素電圧を初期化し、
前記リセット期間と前記露光期間との間の校正期間において前記第１リセットスイッチおよび前記第１露光スイッチの両方をオフすることで、前記校正期間において、前記画素電圧に前記初期値を維持させ、
前記基準電圧生成部は、前記校正期間において、前記基準電圧を前記第２値から第３値へと時間の経過と共に変化させ、
前記第３値は前記初期値よりも前記第１値に近い値であり、
前記第１カウンタは、前記校正期間において前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わる校正時点も計時し、
前記読出部は、前記第２カウンタが前記計時期間において前記切替時点を計時したときに、前記校正時点に基づいて求める前記初期値の値と、前記第２カウンタが計時した前記切替時点とに基づいて、前記画素値を求める、請求項３から５のいずれか一つに記載の画像センサ。
【請求項８】
前記第１カウンタは、第１クロック信号に基づいて前記露光期間における前記切替時点を計時し、
前記第２カウンタは、前記第１クロック信号よりも低い周波数を有する第２クロック信号に基づいて、前記計時期間における前記切替時点を計時する、請求項３から７のいずれか一つに記載の画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、画素を有するイメージセンサについて記載している。特許文献１では、画素は露光期間中に光電変換して、垂直信号線に信号電位を出力している。信号電位は、露光期間の終了時点における値を維持する。この値は画素が受ける光の量が大きいほど小さい。
【０００３】
特許文献１では、信号電位よりも大きな値から時間の経過とともに低下する参照信号を導入している。信号電位が上記値を維持するのに対して、参照信号は時間の経過と共に低下するので、信号電位と参照信号との大小関係はいずれ切り替わる。この切替時点は信号電位の値が小さいほど遅くなるので、特許文献１では、当該切替時点を計時することで、画素が受光した光の量（画素値）を把握している。
【０００４】
特許文献２も画素を有するイメージセンサについて記載している。特許文献２では、画素に属するフォトダイオードの光電効果によって、そのフォトダイオードの電位が初期値から時間の経過と共に増大する。当該電位の増大速度は入射光強度（あるいは光の量）が大きいほど高い。
【０００５】
特許文献２では、当該電位の初期値よりも高い一定の参照電位を導入している。フォトダイオードの電位が初期値から時間の経過と共に増大するのに対して、参照電位は初期値よりも高い一定値であるので、当該電位と参照電位との大小関係はいずれ切り替わる。その切替時点は増大速度が高いほど早くなるので、特許文献２では、当該切替時点を計時することで画素値を把握する。
【０００６】
また本発明に関連する技術として、特許文献３も掲示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４９４５９号公報
【特許文献２】特開平７−６７０４２号公報
【特許文献３】特開２０１３−５１５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１において、画素が受光する光の量が大きい場合に、露光期間中に信号電位が下限値を採ることがある。この場合、信号電位はもはや光量を反映しないので、適切に画素値を把握できない。つまり、光の量が大きいときの画素値を適切に把握できず、ダイナミックレンジが狭い。
【０００９】
特許文献２において、入射光強度が小さい場合には、フォトダイオードの電位は緩やかに増大する。よって、画素の読み出し期間内に、フォトダイオードの電位が参照電位を超えない場合がある。この場合、光の量が小さいときの画素値を適切に把握できず、ダイナミックレンジが狭くなる。
【００１０】
そこで、本発明は、広いダイナミックレンジで画素値を把握できる画像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
画像センサの第１の態様は、第１電位点の電位を反映する画素電圧を出力する第１出力部と、前記第１電位点と第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第１電位点の電位を初期化して、前記画素電圧を第１値と第２値との間の初期値に初期化する第１リセットスイッチと、受光した光に応じて光電流を発生させ、前記第１リセットスイッチをオフした状態で前記光電流を前記第１電位点に流して、前記画素電圧を前記初期値から時間の経過と共に変化させるフォトダイオードとを有する画素と、前記画素電圧の変化方向とは反対方向へと時間の経過と共に変化し、前記第１値から前記第２値へと至る単一の基準電圧を、生成する基準電圧生成部と、前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替る切替時点に基づいて、前記光の量たる画素値を求める読出部とを備える。
【００１２】
画像センサの第２の態様は、第１の態様にかかる画像センサであって、前記読出部は、前記切替時点を計時する単一のカウンタを備える。
【００１３】
画像センサの第３の態様は、第１電位点の電位を反映する画素電圧を出力する第１出力部と、前記第１電位点と第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第１電位点の電位を初期化して、前記画素電圧を第１値と第２値との間の初期値に初期化する第１リセットスイッチと、受光した光に応じて光電流を発生させ、前記第１リセットスイッチをオフした状態で前記光電流を前記第１電位点に流して、前記画素電圧を前記初期値から時間の経過と共に変化させるフォトダイオードとを有する画素と、前記画素電圧の変化方向とは反対方向へと時間の経過と共に変化し、前記第１値から前記第２値へと至る基準電圧を、生成する基準電圧生成部と、前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替る切替時点に基づいて、前記光の量たる画素値を求める読出部とを備え、前記画素は、前記第１電位点と前記フォトダイオードとの間のオン／オフを選択する第１露光スイッチを更に備え、前記画素電圧は、(i)前記第１露光スイッチがオンしつつ前記第１リセットスイッチがオフする露光期間において、前記光の量が大きいほど大きい変化速度で、前記初期値から時間の経過と共に変化し、(ii)前記露光期間の後の、前記第１露光スイッチおよび第１リセットスイッチの両方がオフする維持期間において、前記露光期間の終了時点での値を維持し、前記基準電圧生成部は、前記露光期間において前記第１値を維持し、前記維持期間の少なくとも一部の計時期間において前記第１値から前記第２値へと時間の経過と共に変化する前記基準電圧を生成し、前記読出部は、前記大小関係が前記計時期間において切り替わるときの前記切替時点を計時する第１カウンタと、前記大小関係が前記露光期間において切り替わるときの前記切替時点を計時する第２カウンタとを備える。
【００１４】
画像センサの第４の態様は、第３の態様にかかる画像センサであって、ダミー画素を更に備え、前記ダミー画素は、第２電位点の電位を反映するダミー電圧を出力する第２出力部と、前記第２電位点と前記第１電源電位点との間のオン／オフを選択し、オンにより前記第２電位点の電位を初期化して、前記ダミー電圧を前記初期値に初期化する第２リセットスイッチと、前記第２電位点と第２電源電位との間に接続され、前記第１露光スイッチのターンオンと同期してターンオンして、前記画素電圧を前記基準電圧と交差させる第２露光スイッチとを有し、前記第２カウンタは、前記ダミー電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わるときにカウンタ動作を開始し、前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わるときに前記カウンタ動作を終了して、前記切替時点を計時する。
【００１５】
画像センサの第５の態様は、第４の態様にかかる画像センサであって、前記画素と前記読出部とを接続し、前記画素電圧を前記読出部へと伝達する信号線と、前記ダミー画素と前記読出部とを接続し、前記ダミー電圧を前記読出部へと伝達し、前記信号線の寄生容量と等しい寄生容量を有するダミー信号線とを備える。
【００１６】
画像センサの第６の態様は、第４または第５の態様にかかる画像センサであって、前記読出部は、前記画素電圧と、前記基準電圧とを比較する第１比較部と、前記第１比較部と同じ構造を有し、前記ダミー電圧と前記基準電圧とを比較する第２比較部とを有する。
【００１７】
画像センサの第７の態様は、第３から第５のいずれか一つの態様にかかる画像センサであって、前記露光期間に先立つリセット期間において、前記第１リセットスイッチをオンすることで前記画素電圧を初期化し、前記リセット期間と前記露光期間との間の校正期間において前記第１リセットスイッチおよび前記第１露光スイッチの両方をオフすることで、前記校正期間において、前記画素電圧に前記初期値を維持させ、前記基準電圧生成部は、前記校正期間において、前記基準電圧を前記第２値から第３値へと時間の経過と共に変化させ、前記第３値は前記初期値よりも前記第１値に近い値であり、前記第１カウンタは、前記校正期間において前記画素電圧と前記基準電圧との大小関係が切り替わる校正時点も計時し、前記読出部は、前記第２カウンタが前記計時期間において前記切替時点を計時したときに、前記校正時点に基づいて求める前記初期値の値と、前記第２カウンタが計時した前記切替時点とに基づいて、前記画素値を求める。
【００１８】
画像センサの第８の態様は、第３から第７のいずれか一つの態様にかかる画像センサであって、前記第１カウンタは、第１クロック信号に基づいて前記露光期間における前記切替時点を計時し、前記第２カウンタは、前記第１クロック信号よりも低い周波数を有する第２クロック信号に基づいて、前記計時期間における前記切替時点を計時する。
【発明の効果】
【００１９】
画像センサの第１の態様によれば、光の量が大きい場合でも小さい場合でも、画素電圧が基準電圧と必ず交差するので、画素値を得ることができ、ダイナミックレンジを向上できる。
【００２０】
画像センサの第２の態様によれば、複数のカウンタを用いていないので、製造コストおよび回路規模を低減できる。
【００２１】
画像センサの第３の態様によれば、光の量が小さい場合には、計時期間において大小関係が切り替わり、光の量が大きい場合には、露光期間において大小関係が切り替わる。そして、両期間における切替時点をそれぞれ第１カウンタおよび第２カウンタで計時している。これらの第１カウンタの精度および第２カウンタの精度を独立して設計できるので、光量が大きいときの画素値の精度と、光量が小さいときの画素値の精度を独立して設計することができる。
【００２２】
画像センサの第４の態様によれば、画素とダミー画素とはフォトダイオードを除いて同様の構成を有しているので、画素電圧における遅れは、ダミー電圧における遅れと同程度となる。そして、ダミー電圧と基準電圧との大小関係が切り替わるときに、カウンタ動作を開始するので、画素電圧の遅れによる誤差を低減して、切替時点を計時することができる。
【００２３】
画像センサの第５の態様によれば、信号線による画素電圧における遅れが、ダミー信号線におけるダミー電圧における遅れと同程度となる。よって誤差を更に低減できる。
【００２４】
画像センサの第６の態様によれば、第１比較部および第２比較部の遅れが互いに同程度となる。よって誤差を更に低減できる。
【００２５】
画像センサの第７の態様によれば、初期値に基づいて画素値を求めているので、初期値のばらつきを考慮して画素値を求めることができる。
【００２６】
画像センサの第８の態様によれば、露光期間における切替時点を適切に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】画像センサの構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】画素の構成の一例を概略的に示す図である。
【図３】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図４】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図５】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図６】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図７】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図８】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図９】画素電圧の仮想値の求め方を説明する図である。
【図１０】画像センサの構成の一例を概略的に示す図である。
【図１１】ダミー画素の構成の一例を概略的に示す図である。
【図１２】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図１３】画像センサの構成の一例を概略的に示す図である。
【図１４】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図１５】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図１６】タイミングチャートの一例を示す図である。
【図１７】画素の構成の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
第１の実施の形態．
＜画像センサの全体構成の概要＞
まず画像センサの全体構成について概説する。図１は、画像センサ１の構成の一例を概略的に示す図である。図１の例示では、画像センサ１は画素アレイ１００と行制御部３００と列読出部４００とクロック生成部５００とを備えている。
【００２９】
画素アレイ１００は例えば複数の画素１１０を備えている。複数の画素１１０の各々は光を受光し、その光量に応じた画素電圧Ｖｃｏｌを発生させる。複数の画素１１０は例えばマトリックス状に配置されている。
【００３０】
クロック生成部５００はクロック信号を生成し、これを行制御部３００および列読出部４００に出力する。行制御部３００および列読出部４００はクロック信号に基づいて、互いに協働して動作する。
【００３１】
行制御部３００は行ごとに複数の画素１１０を制御する制御部であり、複数の行選択線２１１、複数のリセット信号線２１２および複数の露光信号線２１３を介して、複数の画素１１０に接続されている。１本の行選択線２１１、１本のリセット信号線２１２および１本の露光信号線２１３は、同じ行に属する複数の画素１１０に接続されている。
【００３２】
リセット信号線２１２は、画素１１０の画素電圧Ｖｃｏｌを初期値にリセットするリセット信号を流すための信号線である。露光信号線２１３は、画素１１０における露光を制御する露光信号を流すための信号線である。この露光により、画素１１０は画素電圧Ｖｃｏｌを初期値から光量に応じた値へと変化させることができる。行選択線２１１は画素１１０を選択する選択信号を流すための信号線である。画素１１０が選択されると、その画素１１０は列信号線２２１へと画素電圧Ｖｃｏｌを出力する。
【００３３】
列読出部４００は複数の列信号線２２１を介して複数の画素１１０に接続される。列信号線２２１は同じ列に属する複数の画素１１０に接続されており、列読出部４００は列ごとに複数の画素１１０と接続される。
【００３４】
行制御部３００によって一つの行に属する画素１１０が選択されると、複数の列信号線２２１を介して、その一つの行に属する複数の画素１１０からの画素電圧Ｖｃｏｌが列読出部４００へと入力される。列読出部４００は、その画素電圧Ｖｃｏｌに基づいて画素１１０の光量たる画素値を求める。
【００３５】
行制御部３００が例えば画素１１０を行ごとに順次に選択することによって、列読出部４００は行ごとに画素値を読み出すことができる。そして、全ての画素１１０の画素値を読み出すことで、画像センサ１で撮像された画像を生成できる。この画像は、全ての画素１１０の画素値によって構成される画像であり、例えば１枚の画面を形成する。また、この画像を所定時間ごとに繰り返し生成することで、動画像を生成することもできる。
【００３６】
＜画素の内部構成の一例＞
次に、画素１１０の内部構成の一例について説明するとともに、画素電圧Ｖｃｏｌについて説明する。
【００３７】
図２は一つの画素１１０の内部構成の一例を示す図である。画素１１０は、例えば、電位点Ｐ１と、フォトダイオードＰＤ１と、露光スイッチＥＰ１と、リセットスイッチＲＳ１と、画素選択スイッチＰＳ１と、トランジスタＴｒ１とを備えている。
【００３８】
リセットスイッチＲＳ１は、電源電位点（例えば直流電源Ｅ１の高電位端）と、電位点Ｐ１との間のオン／オフを選択する。リセットスイッチＲＳ１の制御電極はリセット信号線２１２に接続されており、このリセットスイッチＲＳ１は、リセット信号線２１２を流れるリセット信号ＲＳＴによって制御される。リセットスイッチＲＳ１がオンすることで、電位点Ｐ１の電位ＶＧは直流電源Ｅ１の直流電圧とほぼ等しい値に初期化される。
【００３９】
図２の例示では、電位ＶＧを理解すべく、例えば寄生容量で形成される電荷蓄積部Ｃ１が破線で示されている。この電荷蓄積部Ｃ１の一端１ａは電位点Ｐ１に接続され、他端１ｂが直流電源Ｅ１の低電位端に接続される。図２の例示では、直流電源Ｅ１の低電位端は接地されている。電位ＶＧは電荷蓄積部Ｃ１の電圧とも把握することができる。なお、電荷蓄積部Ｃ１が寄生容量である場合には、明確な一端および他端は存在しないかもしれないが、ここでは便宜上、一端および他端を登場させて説明した。また、電荷蓄積部Ｃ１としてコンデンサが採用されても構わない。
【００４０】
フォトダイオードＰＤ１は光を受光し、光量が大きいほど大きい光電流を発生させる。このフォトダイオードＰＤ１は後に詳述するように、光電流を電位点Ｐ１に流して電位ＶＧを時間の経過とともに変化させる。
【００４１】
図２の例示では、フォトダイオードＰＤ１は、電位点Ｐ１と直流電源Ｅ１の低電位端（例えば接地）との間で露光スイッチＥＰ１と直列に接続されている。言い換えれば、フォトダイオードＰＤ１および露光スイッチＥＰ１の一組が電荷蓄積部Ｃ１と並列に接続される。
【００４２】
この露光スイッチＥＰ１は、フォトダイオードＰＤ１と電位点Ｐ１との間のオン／オフ（言い換えればフォトダイオードＰＤ１と電荷蓄積部Ｃ１との間のオン／オフ）を選択する。露光スイッチＥＰ１の制御電極は露光信号線２１３に接続されており、この露光スイッチＥＰ１は、露光信号線２１３を流れる露光信号ＥＰによって制御される。図２の例示では、フォトダイオードＰＤ１のアノードが接地されており、フォトダイオードＰＤ１のカソードが露光スイッチＥＰ１を介して電位点Ｐ１（電荷蓄積部Ｃ１の一端１ａ）に接続されている。
【００４３】
露光スイッチＥＰ１は、例えばリセットスイッチＲＳ１と排他的に制御される。より具体的には、露光スイッチＥＰ１がオンするときには、リセットスイッチＲＳ１をオフに制御し、リセットスイッチＲＳ１がオンするときには、露光スイッチＥＰ１をオフに制御する。また、露光スイッチＥＰ１およびリセットスイッチＲＳ１の両方をオフに制御することもある。
【００４４】
さて、リセットスイッチＲＳ１がオフしつつ露光スイッチＥＰ１がオンするときに、フォトダイオードＰＤ１に光が照射されると、フォトダイオードＰＤ１による光電流が電位点Ｐ１（および電荷蓄積部Ｃ１）を流れる。これにより、電荷蓄積部Ｃ１が放電し、電位ＶＧが光電流に応じた変化速度で時間と共に低下することになる。光電流はフォトダイオードＰＤ１が受光する光の量（光量）が大きいほど大きいので、電位ＶＧは光量が大きいほど大きい変化速度で低下することとなる。
【００４５】
電位点Ｐ１（電荷蓄積部Ｃ１の一端１ａ）はトランジスタＴｒ１の制御電極に接続されている。よって電位ＶＧは、トランジスタＴｒ１の制御電極に印加される制御電位としても機能する。トランジスタＴｒ１は、後の説明から理解できるように、電位ＶＧを反映する画素電圧Ｖｃｏｌを列信号線２２１へと出力するために設けられる。
【００４６】
上述の説明から理解できるように、リセットスイッチＲＳ１がオンすると、トランジスタＴｒ１の制御電位（電位ＶＧ）は初期値に初期化され、また露光スイッチＥＰ１がオンすると、制御電位（電位ＶＧ）は光量に応じた変化速度で時間の経過と共に低下する。
【００４７】
トランジスタＴｒ１は例えばＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)電界効果トランジスタであって、直流電源Ｅ２の高電位端と列信号線２２１との間に接続されている。列信号線２２１には電流源ＣＳ１が設けられている。より具体的には、電流源ＣＳ１の一端が列信号線２２１に接続され、他端が直流電源Ｅ１，Ｅ２の低電位端（例えば接地）に共通して接続される。直流電源Ｅ１，Ｅ２は同じ直流電源であってもよい。
【００４８】
画素選択スイッチＰＳ１は直流電源Ｅ２の高電位端と列信号線２２１との間においてトランジスタＴｒ１と直列に接続されており、より具体的には、トランジスタＴｒ１と列信号線２２１との間に接続されている。画素選択スイッチＰＳ１はトランジスタＴｒ１と列信号線２２１との間のオン／オフを選択する。画素選択スイッチＰＳ１の制御電極は行選択線２１１に接続されており、画素選択スイッチＰＳ１は、行選択線２１１を流れる選択信号Ｓｅｌによって制御される。
【００４９】
画素選択スイッチＰＳ１がオンすると、電流源ＣＳ１によって規定される電流ＩＣＳがトランジスタＴｒ１および画素選択スイッチＰＳ１に流れる。この電流ＩＣＳはいわゆる定電流である。このとき、トランジスタＴｒ１は、電位ＶＧを反映する画素電圧Ｖｃｏｌを列信号線２２１に出力することとなる。なお、この画素電圧Ｖｃｏｌは電流源ＣＳ１の両端電圧と把握することもできる。
【００５０】
画素電圧Ｖｃｏｌは、トランジスタＴｒ１の制御電極（例えばゲート電極）と、画素選択スイッチＰＳ１側の一端（例えばソース電極）との間の電圧ＶＧＳを用いて以下の式で表される。
【００５１】
Ｖｃｏｌ＝ＶＧ−ＶＧＳ      ・・・（１）
【００５２】
式（１）から理解できるように、画素電圧Ｖｃｏｌは電位ＶＧを反映した値となる。なおここでは、簡単のために、画素選択スイッチＰＳ１の両端電圧を無視している。また電圧ＶＧＳは、以下の式を満足する。
【００５３】
ＩＣＳ＝Ｗ・Ｃｏｘ・μ・（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）＾２／Ｌ  ・・・（２）
【００５４】
ここで、ＩＣＳ，Ｗ，Ｌ，Ｃｏｘ，μ，Ｖｔｈはそれぞれ、電流源ＣＳ１による電流、ゲート幅、ゲート長、ゲート容量、電子の移動度およびトランジスタＴｒ１の閾値電圧を示す。またＡ＾ＢはＢを指数としたＡのべき乗を示す。電流ＩＣＳは電流源ＣＳ１による電流であるので、定数として考えることができ、またゲート長Ｌ、ゲート幅Ｗ、ゲート容量Ｃｏｘ、電子の移動度μおよび閾値電圧Ｖｔｈも定数と考えることができる。式（４）から理解できるように、電圧ＶＧＳがこれらの定数で求まるので、電圧ＶＧＳも定数と考えることができる。
【００５５】
よって、画素電圧Ｖｃｏｌは、電位ＶＧを定数（＝電圧ＶＧＳ）でオフセットした値であると考えることができ、電位ＶＧと同じように変化することとなる。したがって、リセットスイッチＲＳ１がオンするときには、画素電圧Ｖｃｏｌも初期値に初期化され、リセットスイッチＲＳ１がオフしつつ露光スイッチＥＰ１がオンするときには、画素電圧Ｖｃｏｌも光量に応じた変化速度で時間の経過と共に低減する。
【００５６】
なお、電位点Ｐ１（あるいは更に電荷蓄積部Ｃ１）と、トランジスタＴｒ１と、電流源ＣＳ１との一組は電位ＶＧを反映する画素電圧Ｖｃｏｌを出力する出力部の一例である、と把握することができる。ただし本実施の形態は、電位点Ｐ１の電位ＶＧをそのまま画素電圧Ｖｃｏｌとして列信号線２２１に出力する態様を排除するものではない。この場合、画素電圧Ｖｃｏｌは電位ＶＧと一致するので、当然に電位ＶＧを反映する。
【００５７】
＜画素値の読み出しの基本的な考え方＞
図３は一つの画素１１０のタイミングチャートの一例を概略的に示す図である。ここでは、選択信号Ｓｅｌ、リセット信号ＲＳＴおよび露光信号ＥＰが高電位を採るときに、それぞれ画素選択スイッチＰＳ１、リセットスイッチＲＳ１および露光スイッチＥＰ１がオンすると仮定する。
【００５８】
図３の例示では、画素選択スイッチＰＳ１がオンしている期間内で、リセットスイッチＲＳ１および露光スイッチＥＰ１がそれぞれ適宜にオンする。例えば、まずリセットスイッチＲＳ１がオンする。これにより、電位ＶＧが初期化される。これに伴って画素電圧Ｖｃｏｌも初期値Ｖｃｏｌ０に初期化される。そしてリセットスイッチＲＳ１をターンオフした後の時点ｔ２０において、露光スイッチＥＰ１がターンオンする。これにより、フォトダイオードＰＤ１が電位点Ｐ１に光電流を流し始める。言い換えれば、電荷蓄積部Ｃ１が光電流によって放電し始める。よって時点ｔ２０において、電位ＶＧは低下し始め、これに伴って画素電圧Ｖｃｏｌも低下し始める。このときの低下速度は光電流が大きいほど、つまり光量が大きいほど高くなる。
【００５９】
次に時点ｔ２１において、露光スイッチＥＰ１がターンオフすると、電位点Ｐ１に電流が流れなくなる。言い換えれば、電荷蓄積部Ｃ１の放電が停止する。よって、電位ＶＧ、ひいては画素電圧Ｖｃｏｌは、再び初期化される時点ｔ２５まで、時点ｔ２１での値を維持する。以下では、露光スイッチＥＰ１がオンする期間を露光期間Ｔ１と呼び、露光期間Ｔ１に続く、画素電圧Ｖｃｏｌが一定値を維持する期間を維持期間Ｔ２とも呼ぶ。維持期間Ｔ２においては露光スイッチＥＰおよびリセットスイッチＲＳ１の両方がオフする。
【００６０】
画素電圧Ｖｃｏｌの低下速度は光量が大きいほど高いので、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌは、光量が大きいほど小さい。
【００６１】
図４は一つの画素１１０のタイミングチャートの他の一例を概略的に示す図である。図４の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌは図３の画素電圧Ｖｃｏｌよりも高い低下速度で低下している。つまり図４は、光量が図３よりも大きい場合を例示している。そして図４の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌは、露光スイッチＥＰ１がターンオフする時点ｔ２１よりも前に、下限値Ｖｃｏｌ１に至っている。これは、電位点Ｐ１の電位ＶＧが時点ｔ２１よりも前に接地電位（下限値Ｖｃｏｌ１）に至ったことを意味する。この場合、時点ｔ２１での画素電圧Ｖｃｏｌの値はもはや光量に依存しない。その一方で、画素電圧Ｖｃｏｌが下限値Ｖｃｏｌ１に至る時点ｔ２６が光量に依存する。なぜなら、光量が大きいほど画素電圧Ｖｃｏｌはより早く下限値Ｖｃｏｌ１に至るからである。
【００６２】
そこで本実施の形態では、図３および図４の両方の場合でも、光量（画素値）を把握することを企図すべく、図５に例示するように、基準電圧Ｖｒａｍｐを導入する。なお図５の例示では、図３で示す画素電圧Ｖｃｏｌが太い実線で示され、図４で示す画素電圧Ｖｃｏｌのうち図３の画素電圧Ｖｃｏｌと異なる部分が、太い一点鎖線で示されている。
【００６３】
図５の例示では、基準電圧Ｖｒａｍｐは、初期的には最小値ＶＬを維持し、露光期間Ｔ１においても最小値ＶＬを維持する。そして基準電圧Ｖｒａｍｐは、露光期間Ｔ１の終了時点たる時点ｔ２１の後の期間（以下、計時期間とも呼ぶ）Ｔ２１において、最小値ＶＬから最大値ＶＨへと時間の経過と共に増大する。
【００６４】
以上のように、基準電圧Ｖｒａｍｐは露光期間Ｔ１において初期値Ｖｃｏｌ０よりも小さい最小値ＶＬを維持するので、たとえ光量が大きく画素電圧Ｖｃｏｌが露光期間Ｔ１内に下限値Ｖｃｏｌ１に至る場合でも、画素電圧Ｖｃｏｌは露光期間Ｔ１内の時点ｔ２２において基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する（太い一点鎖線を参照）。
【００６５】
一方で、維持期間Ｔ２のうち、計時期間Ｔ２１において、基準電圧Ｖｒａｍｐは最小値ＶＬから最大値ＶＨへと増大する。よって、画素電圧Ｖｃｏｌが時点ｔ２１において最小値ＶＬよりも大きい場合には、画素電圧Ｖｃｏｌは計時期間Ｔ２１内の時点ｔ２３において基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する（太い実線を参照）。
【００６６】
また基準電圧Ｖｒａｍｐは計時期間Ｔ２１において、初期値Ｖｃｏｌ０よりも大きい最大値ＶＨまで増大する。よって、たとえ光量が非常に小さく、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌが初期値Ｖｃｏｌ０よりも僅かに小さい場合（不図示）であっても、計時期間Ｔ２１内の時点において、画素電圧Ｖｃｏｌは基準電圧Ｖｒａｍｐと交差することとなる。
【００６７】
以上のように、画素電圧Ｖｃｏｌは、光量が大きい場合でも小さい場合でも、時点ｔ２０から、計時期間Ｔ２１の終了時点たる時点ｔ２４までに、必ず基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する。言い換えると、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係は、時点ｔ２０から時点ｔ２４までの間に必ず切り替わる。
【００６８】
画素電圧Ｖｃｏｌが計時期間Ｔ２１内の時点ｔ２３において基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する場合、その時点ｔ２３は時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌの値に依存する。より具体的には、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌが大きいほど、時点ｔ２３は遅れる。したがって、時点ｔ２３を検出することで、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌを把握することができ、ひいては光量を把握することができる。具体的な時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌの求め方は後に詳述する。
【００６９】
一方で、画素電圧Ｖｃｏｌが時点ｔ２１よりも前に下限値Ｖｃｏｌ１に至る場合には、画素電圧Ｖｃｏｌは露光期間Ｔ１内の時点ｔ２２において、基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する。この場合には、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌの値（下限値Ｖｃｏｌ１）は光量を反映しない。そこで、画素電圧Ｖｃｏｌがその低下速度を維持しながら仮想的に低下すると考えたときの、時点ｔ２１における仮想的な画素電圧Ｖｃｏｌの値を求める。図５の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌの仮想値Ｖｃｏｌ＿Ｉｍも示している。このような時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌの仮想値Ｖｃｏｌ＿Ｉｍは光量を反映する。この仮想値Ｖｃｏｌ＿Ｉｍは、幾何学的な関係により、時点ｔ２２に基づいて得ることができる。具体的な求め方は後に詳述する。
【００７０】
以上のように、本実施の形態では、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる切替時点（時点ｔ２２あるいは時点ｔ２３）を計時することで、時点ｔ２１における画素電圧Ｖｃｏｌの値（あるいは仮想値）を求め、ひいては画素１１０（より具体的にはフォトダイオードＰＤ１）が受光する光の量たる画素値を把握するのである。
【００７１】
しかも本実施の形態では、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係は、時点ｔ２０から時点ｔ２４までの間に必ず切り替わる。よって光量が大きい場合でも小さい場合でも適切に光量を把握することができることとなる。したがってダイナミックレンジを向上することができるのである。
【００７２】
＜列読出部の具体例＞
次に、図５の基準電圧Ｖｒａｍｐを用いた場合の列読出部４００の具体例について詳述する。図１を参照して、列読出部４００は、基準電圧生成部４１０と、読出部４２０とを備えている。基準電圧生成部４１０は、クロック生成部５００からのクロック信号に基づいて上述の基準電圧Ｖｒａｍｐを生成し、これを読出部４２０へと出力する。
【００７３】
読出部４２０には、基準電圧Ｖｒａｍｐと各列の画素電圧Ｖｃｏｌとが入力される。この読出部４２０は、画素電圧Ｖｃｏｌの各々と基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる切替時点（時点ｔ２２あるいは時点ｔ２３）を計時し、その切替時点に基づいて、選択された画素の画素値を求める。
【００７４】
図１の例示では、読出部４２０は、列ごとに設けられる列処理部４３０と、演算部４４０とを備えている。列処理部４３０の各々は、例えば、比較部４３１と、スイッチ４３２と、カウンタ４３３，４３５と、記憶部４３４，４３６とを有している。
【００７５】
比較部４３１には、対応する列の画素電圧Ｖｃｏｌと、基準電圧Ｖｒａｍｐとが入力される。比較部４３１は画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとを比較し、その大小関係についての比較結果をスイッチ４３２へと出力する。
【００７６】
スイッチ４３２は、比較部４３１の比較結果を、カウンタ４３３，４３５へと選択的に出力する。スイッチ４３２の選択動作については後に説明する。
【００７７】
カウンタ４３３，４３５は、後に詳述するように、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる切替時点（図５の時点ｔ２２，ｔ２３）を計時するために設けられる。カウンタ４３３は、当該大小関係が計時期間Ｔ２１において切り替わるときの、その切替時点（図５の時点ｔ２３）を計時し、カウンタ４３５は、当該大小関係が露光期間Ｔ１において切り替わるときの、その切替時点（図５の時点ｔ２２）を計時するのである。
【００７８】
例えば、カウンタ４３３には、クロック生成部５００からのクロック信号ＣＬＫも入力される。このカウンタ４３３はクロック信号ＣＬＫに基づくカウンタ動作を行って、カウンタ値ＣＶ１を更新し、これを記憶部４３４に記憶する。このカウンタ動作については後に説明するものの、カウンタ値ＣＶ１により、計時期間Ｔ２１内の切替時点を計時する。
【００７９】
カウンタ４３５にもクロック信号ＣＬＫが入力される。このカウンタ４３５もクロック信号ＣＬＫに基づくカウンタ動作を行って、カウンタ値ＣＶ２を更新し、これを記憶部４３６へ記憶する。このカウンタ動作についても後に説明するものの、カウンタ値ＣＶ２により、露光期間Ｔ１内の切替時点を計時する。
【００８０】
記憶部４３４，４３６は例えばメモリであり、それぞれカウンタ値ＣＶ１，ＣＶ２を記憶するとともに、これを演算部４４０へと出力する。演算部４４０はカウンタ値ＣＶ１，ＣＶ２に基づいて光量（画素値）を求める。演算部４４０についても後述する。
【００８１】
図６は、一つの画素１１０についての画像センサ１のタイミングチャートの一例を示している。図６の例示では、時点ｔ０において、行制御部３００がある行の画素選択スイッチＰＳ１をターンオンさせる（選択信号Ｓｅｌ参照）。これにより、選択された画素１１０は画素電圧Ｖｃｏｌを列信号線２２１へと出力する。よって、各列の比較部４３１には、選択された画素１１０の画素電圧Ｖｃｏｌが入力されることになる。図６の例示では、時点ｔ０において、画素電圧Ｖｃｏｌは基準電圧Ｖｒａｍｐ（最小値ＶＬ）よりも大きく、比較部４３１の比較結果ＣＭＰは例えば低電位を採っている。
【００８２】
図６の例示では、基準電圧Ｖｒａｍｐは後述する時点ｔ８まで最小値ＶＬを維持する。またスイッチ４３２は初期的にはカウンタ４３３を選択するように制御されており、比較結果ＣＭＰをカウンタ４３３へと出力する。
【００８３】
次に、時点ｔ１において、行制御部３００はリセットスイッチＲＳ１をターンオンさせる（リセット信号ＲＳＴ参照）。これに伴って画素電圧Ｖｃｏｌが初期値Ｖｃｏｌ０へと初期化される。そして初期化に十分な時間が経過した時点ｔ２において、行制御部３００はリセットスイッチＲＳ１をターンオフさせる。次に時点ｔ６において、行制御部３００は露光スイッチＥＰ１をターンオンさせる（露光信号ＥＰ参照）。これに伴って画素電圧Ｖｃｏｌは低下し始める。またクロック生成部５００は時点ｔ６からクロック信号ＣＬＫをカウンタ４３３，４３５へと入力する。ただし、このときカウンタ４３３，４３５はカウンタ動作を開始しない。
【００８４】
次に、時点ｔ７において、行制御部３００は露光スイッチＥＰ１をターンオフさせる。図６の例示では、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌは最小値ＶＬよりも大きく、未だ基準電圧Ｖｒａｍｐと交差していない。画素電圧Ｖｃｏｌは、再び初期化される時点まで、時点ｔ７（露光期間Ｔ１における終了時点）における値を維持する。
【００８５】
次に、時点ｔ８において、基準電圧生成部４１０は基準電圧Ｖｒａｍｐを単調に増大させ始める。図６の例示では、基準電圧Ｖｒａｍｐは時間に比例して増大しており、その比例係数は予め決まっている。なお、基準電圧Ｖｒａｍｐがクロック信号ごとに一定値を採る場合には、微視的に見れば、基準電圧Ｖｒａｍｐは時間に対して階段状で変化する。
【００８６】
図６の例示では、時点ｔ８，ｔ９の間の時点ｔａにおいて、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとが交差している。言い換えれば、時点ｔａの前後に、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる。これに伴って、時点ｔａにおいて比較部４３１による比較結果ＣＭＰが低電位から高電位へと切り替わる。
【００８７】
時点ｔ８から時点ｔ９までの計時期間Ｔ２１でも、スイッチ４３２はカウンタ４３３を選択しており、比較結果ＣＭＰはカウンタ４３３へと入力される。カウンタ４３３は比較結果ＣＭＰが高電位に切り替わると、カウンタ動作を開始する。これにより、カウンタ値ＣＶ１はクロック信号ＣＬＫが入力されるたびに、例えば１つ増大する。このカウンタ値ＣＶ１は記憶部４３４に記憶される。そして、基準電圧Ｖｒａｍｐが最大値ＶＨに至る時点ｔ９において、クロック生成部５００はカウンタ４３３へのクロック信号ＣＬＫの出力を停止する。これに伴って、カウンタ４３３はカウンタ動作を停止する。なお図６の例示では、カウンタ値ＣＶ１は時点ｔ９において初期化される。
【００８８】
時点ｔ９における初期化前のカウンタ値ＣＶ１は記憶部４３４を介して演算部４４０へと出力される。この時点ｔ９における初期化前のカウンタ値ＣＶ１は時点ｔａ，ｔ９の間の期間に相当する。カウンタ４３３は時点ｔ９を基準として時点ｔａを計時している、とも説明できる。
【００８９】
次に、時点ｔ１０において、行制御部３００は画素選択スイッチＰＳ１をターンオフさせる。これにより、当該画素１１０の選択が解除される。
【００９０】
さて時点ｔ９における初期化前のカウンタ値ＣＶ１の値をｋ１とし、計時期間Ｔ２１におけるクロック信号ＣＬＫのクロック数をＮ１とすると、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（ｔ７）は以下の式で表される。なお、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（ｔ７）は図５を参照して説明した時点ｔ２２における画素電圧Ｖｃｏｌと同じである。
【００９１】
Ｖｃｏｌ（ｔ７）＝ＶＨ−ｋ１・（ＶＨ−ＶＬ）／Ｎ１      ・・・（３）
【００９２】
以上のように、演算部４４０は例えば式（３）に基づいて時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（ｔ７）を把握することができ、ひいては画素値を把握することができる。時点ｔ７においける画素電圧Ｖｃｏｌ（ｔ７）と画素値との関係は、例えば、シミュレーションまたは実験等により予め決められていればよい。
【００９３】
図７の例示では、図６と異なって、基準電圧Ｖｒａｍｐは時点ｔ０において最大値ＶＨを採っている。これは、初期値Ｖｃｏｌ０の、画素１１０間のばらつき、または、温度変動を吸収するためである。以下に詳述する。
【００９４】
上述の例では、式（１）および式（２）において、電圧ＶＧＳを定数として考慮した。しかしながら、電圧ＶＧＳに影響を与える各種パラメータ（式（２）参照）は、複数の画素１１０の間で互いに相違し得る。特に、閾値電圧Ｖｔｈは複数の画素１１０間において相違しやすい。またこれらの各種パラメータは温度によっても変動し得る。特に閾値電圧Ｖｔｈは温度によって変動しやすい。よって、初期値Ｖｃｏｌ０は、画素１１０間においてばらつき、あるいは、温度に依存して変動する。そこで、本実施の形態では、これらのパラメータのばらつき、または、温度に起因する変動を吸収する。
【００９５】
例えば初期値Ｖｃｏｌ０が設計値よりも小さい場合、これに起因して時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌが小さくなり、ひいてはカウンタ値ＣＶ１が大きくなる。そこで、初期値Ｖｃｏｌ０の値に応じてカウンタ値ＣＶ１を予め減少させておくことで、時点ｔ９における初期化前のカウンタ値ＣＶ１から初期値Ｖｃｏｌ０の変動分を取り除くことを企図するのである。
【００９６】
図７の例示では、時点ｔ０において基準電圧Ｖｒａｍｐは最大値ＶＨを採っており、画素電圧Ｖｃｏｌよりも高い。よって、時点ｔ０において比較結果ＣＭＰは高電位を採っている。時点ｔ１，ｔ２の間のリセット期間においてリセットスイッチＲＳ１がオンすることにより、画素電圧Ｖｃｏｌは初期値Ｖｃｏｌ０を採る。画素電圧Ｖｃｏｌは、露光スイッチＥＰ１がターンオンする時点ｔ６まで、初期値Ｖｃｏｌ０を維持する。
【００９７】
次に、時点ｔ３において基準電圧生成部４１０は基準電圧Ｖｒａｍｐを単調に低下させ始める。そして、時点ｔ６よりも前の時点ｔ５まで基準電圧Ｖｒａｍｐを低下させる。時点ｔ３から時点ｔ５までの校正期間における基準電圧Ｖｒａｍｐの比例係数の絶対値は、計時期間Ｔ２１における基準電圧Ｖｒａｍｐの比例係数と略等しい。また時点ｔ５における基準電圧Ｖｒａｍｐは、初期値Ｖｃｏｌ０が採り得る範囲の最小値よりも小さい。言い換えると、時点ｔ５における基準電圧Ｖｒａｍｐは、初期値Ｖｃｏｌ０よりも最小値ＶＬに近い。
【００９８】
この校正期間において、露光スイッチＥＰおよびリセットスイッチＲＳ１の両方がオフして、画素電圧Ｖｃｏｌが初期値Ｖｃｏｌ０を維持するのに対して、基準電圧Ｖｒａｍｐは初期値Ｖｃｏｌ０よりも大きい値から小さい値へと低下する。したがって、基準電圧Ｖｒａｍｐはこの校正期間内に必ず画素電圧Ｖｃｏｌと交差する。つまり、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる。そして、この大小関係が切り替わる時点ｔ４は初期値Ｖｃｏｌ０に依存する。より具体的には、初期値Ｖｃｏｌ０が小さいほど、時点ｔ４は遅い。よって、この時点ｔ４を計時することで、初期値Ｖｃｏｌ０の値を把握することができる。
【００９９】
図７の例示では、クロック生成部５００は時点ｔ３においてカウンタ４３３へとクロック信号ＣＬＫの出力を開始する。これに伴って、カウンタ４３３はクロック信号ＣＬＫに基づくカウンタ動作を行う。ただし、このカウンタ動作では、クロック信号ＣＬＫが入力されるたびに、カウンタ値ＣＶ１を１つ減少させる。
【０１００】
そして、時点ｔ４において比較結果ＣＭＰが高電位から低電位へと切り替わると、カウンタ４３３はカウンタ動作を停止する。なお時点ｔ３から時点ｔ５までの期間において、スイッチ４３２はカウンタ４３３を選択しており、比較結果ＣＭＰはカウンタ４３３に入力される。時点ｔ４におけるカウンタ値ＣＶ１は初期値Ｖｃｏｌ０に依存しており、初期値Ｖｃｏｌ０が小さいほど小さい。
【０１０１】
時点ｔ５において、基準電圧生成部４１０は、基準電圧Ｖｒａｍｐを最小値ＶＬと一致させ、時点ｔ５から時点ｔ８まで最小値ＶＬを維持させる。以後の動作は図６と同様である。ただし、時点ｔａにおいて、カウンタ値ＣＶ１は時点ｔ４におけるカウンタ値ＣＶ１から増大し始める。
【０１０２】
例えば初期値Ｖｃｏｌ０が設計値よりも小さい場合には、カウンタ４３３は、時点ｔａから時点ｔ９までの期間において、初期値Ｖｃｏｌ０と設計値との差の分、カウンタ値ＣＶ１を余分に増大させるものの、時点ｔ３から時点ｔ５までの期間において、初期値Ｖｃｏｌ０と設計値との差の分をカウンタ値ＣＶ１から予め低減している。しかも、基準電圧Ｖｒａｍｐの比例係数の絶対値は、校正期間と計時期間Ｔ２１とにおいて等しい。したがって、時点ｔ９におけるカウンタ値ＣＶ１には、当該差が実質的に含まれない。
【０１０３】
なお、初期値Ｖｃｏｌ０が設計値と等しいときであっても、カウンタ値ＣＶ１は時点ｔ３から時点ｔ４までの間に低下する。よって、初期値Ｖｃｏｌ０が設計値と等しいときの時点ｔ４におけるカウンタ値ＣＶ１（これは予め決まっている）と、時点ｔ９におけるカウンタ値ＣＶ１との差が、時点ｔａから時点ｔ９までの期間に相当する。よって、当該差を上述のｋ１として式（３）を用いることで、適切に時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌを得ることができ、ひいては画素値を把握できる。
【０１０４】
以上のように、演算部４４０は、初期値Ｖｃｏｌ０のばらつき或いは温度変動を吸収して、画素値を把握することができる。
【０１０５】
図８は一つの画素１１０についての画像センサ１のタイミングチャートの一例を示している。図８の例示では、図６と比較して、画素電圧Ｖｃｏｌが露光期間Ｔ１内の時点ｔａにおいて基準電圧Ｖｒａｍｐと交差している。
【０１０６】
露光期間Ｔ１では、スイッチ４３２はカウンタ４３５を選択する。よって比較結果ＣＭＰはカウンタ４３５へと入力される。スイッチ４３２の制御電極には、例えば露光信号ＥＰが入力されてもよい。この場合、スイッチ４３２は露光信号ＥＰが高電位を採るときにカウンタ４３５を選択し、低電位を採るときにカウンタ４３３を選択する。
【０１０７】
時点ｔａにおいて、比較結果ＣＭＰが低電位から高電位へと切り替わると、これに伴ってカウンタ４３５はクロック信号ＣＬＫに基づくカウンタ動作を開始する。カウンタ４３５は、クロック信号ＣＬＫが入力されるたびに、カウンタ値ＣＶ２を１つ増大させる。そして露光スイッチＥＰ１がターンオフする時点ｔ７において、カウンタ値ＣＶ２のカウンタ動作を終了する。例えば露光信号ＥＰがカウンタ４３５にも入力されており、この露光信号ＥＰの遷移に基づいて時点ｔ７においてカウンタ動作を停止してもよい。このカウンタ値ＣＶ２は記憶部４３６を介して演算部４４０へと出力される。
【０１０８】
時点ｔ７におけるカウンタ値ＣＶ２は時点ｔａ，ｔ７の間の期間に相当する。カウンタ４３５は時点ｔ７を基準として時点ｔａを計時している、とも説明できる。
【０１０９】
次に、時点ｔ７におけるカウンタ値ＣＶ２に基づいて、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌの仮想値を求める方法について説明する。図９は、仮想値を求める方法を説明するための図である。時点ｔ６から時点ｔ７までの露光期間Ｔ１におけるクロック信号ＣＬＫのクロック数をＮ２とし、時点ｔ７におけるカウンタ値ＣＶ２をｋ２とすると、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌの仮想値Ｖｃｏｌ＿Ｉｍ（ｔ７）は以下の式で表される。
【０１１０】
Vcol_Im(t7)=Vcol0-{N2/(N2-k2)}・(Vcol0-VL)    ・・・（４）
【０１１１】
したがって、演算部４４０は例えば式（４）に基づいて時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（仮想値）を把握することができ、ひいては画素値を把握することができる。
【０１１２】
なお、初期値Ｖｃｏｌ０は、画素１１０間のばらつき或いは温度変動にも依存する。よって式（４）を用いて求まる仮想値Ｖｃｏｌ＿Ｉｍは初期値Ｖｃｏｌ０によって変動する。そこで、演算部４４０は時点ｔ４におけるカウンタ値ＣＶ１を、時点ｔ８よりも前に記憶部４３４から取得する。そして、時点ｔ４におけるカウンタ値ＣＶ１から初期値Ｖｃｏｌ０を把握し、これを式（４）における初期値Ｖｃｏｌ０として用いればよい。これにより、初期値Ｖｃｏｌ０のばらつき或いは温度変動を吸収して、画素値を把握することができる。
【０１１３】
以上のように、本実施の形態によれば、基準電圧Ｖｒａｍｐを導入することにより、画素電圧Ｖｃｏｌを、計時期間Ｔ２１において必ず基準電圧Ｖｒａｍｐと交差させることができる（図６〜図８参照）。そして、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐが交差する時点ｔａを計時することにより、適切に画素値を把握することができる。よって光量が大きい場合でも小さい場合でも、高い精度で光量を把握することができるのである。つまりダイナミックレンジを向上できるのである。
【０１１４】
また第１の実施の形態では、光量が高いときの時点ｔａ（図８）および光量が低いときの時点ｔａ（図６，７）を、それぞれ２つのカウンタ４３３，４３５が計時している。ところで、カウンタ４３３，４３５の計時精度は互いに独立して設計することができる。例えば、カウンタ４３５は露光期間Ｔ１においてカウンタ動作するところ、露光期間Ｔ１のクロック信号ＣＬＫのクロック周波数を調整することにより、カウンタ４３５の計時精度を調整することができる。具体的にはクロック周波数が高いほど、計時精度が高い。同様に、カウンタ４３３は計時期間Ｔ２１においてカウンタ動作を行うところ、この期間におけるクロック信号ＣＬＫのクロック周波数により、カウンタ４３３の計時精度を設定することができる。よって、光量が大きいときの画素値の精度と、光量が小さいときの画素値の精度を独立して設計することができる。
【０１１５】
さて、露光期間Ｔ１における画素電圧Ｖｃｏｌの低下速度は高いので、適切に時点ｔａを計時するには、露光期間Ｔ１におけるクロック信号ＣＬＫの周波数を高めることが望ましい。そこで、例えば露光信号ＥＰをクロック生成部５００へと入力させる。そして、クロック生成部５００は、露光信号ＥＰが高電位を採るときに、クロック信号ＣＬＫの周波数を高くし、露光信号ＥＰが低電位を採るときに、クロック信号ＣＬＫの周波数を低くする。つまり、計時期間Ｔ２１における基準電圧の変化速度よりも大きい変化速度で画素電圧Ｖｃｏｌが変化する露光期間Ｔ１においては、クロック信号ＣＬＫの周波数を高めるのである。これにより、露光期間Ｔ１における時点ｔａを適切に計時できる。また、比較的緩やかに基準電圧Ｖｒａｍｐが変化する計時期間Ｔ２において、クロック信号ＣＬＫの周波数を低くしているので、カウンタ４３５の消費電力を低減できる。
【０１１６】
なお基準電圧Ｖｒａｍｐは上述の波形に限らない。要するに、画素電圧Ｖｃｏｌの初期値Ｖｃｏｌ０が第１値（上述の例では最小値ＶＬ）と第２値（上述の例では最大値ＶＨ）との間に設定され、基準電圧Ｖｒａｍｐが、光量に依存する画素電圧Ｖｃｏｌの変化（上述の例では低下）とは反対方向に時間の経過と共に変化して、第１値から第２値へと至ればよい。基準電圧Ｖｒａｍｐの他の例については、第３の実施の形態でも述べる。
【０１１７】
第２の実施の形態．
第１の実施の形態の具体的な一例では、図８の例示において、光量が大きいときの切替時点を計時すべく、時点ｔａから時点ｔ７までの期間をカウンタ値ＣＶ２によって計時していた。第２の実施の形態では、時点ｔ６から時点ｔａの期間をカウンタ値ＣＶ２によって計時する。つまり、クロック生成部５００は露光スイッチＥＰ１のターンオンを契機として、クロック信号ＣＬＫをカウンタ４３５へと出力するとともに、カウンタ４３５はカウンタ動作を開始する。そして比較部４３１の比較結果ＣＭＰが高電位へと切り替わることを契機として、カウンタ動作を終了する。これにより、時点ｔ６から時点ｔａまでの期間をカウンタ値ＣＶ２によって計時することができる。カウンタ４３５は、時点ｔ６を基準として時点ｔａを計時する、とも説明できる。
【０１１８】
第２の実施の形態では、画素電圧Ｖｃｏｌの遅れも考慮する。比較部４３１に入力される画素電圧Ｖｃｏｌは、実際には、露光信号ＥＰが低電位から高電位へと切り替わってから、所定時間遅れて、低下を開始する。これは、画素１１０による遅れ（露光スイッチＥＰ１およびトランジスタＴｒ１などによる遅れ）、および、列信号線２２１の寄生容量による遅れに起因する。
【０１１９】
画素電圧Ｖｃｏｌが遅れて低下し始めることに伴って、時点ｔａも遅れることとなり、ひいては、カウンタ４３５のカウンタ動作の終了時点も遅れることとなる。これにより、カウンタ値ＣＶ２には誤差が生じることになる。
【０１２０】
そこで、第２の実施の形態では、カウンタ４３５のカウンタ動作の開始を時点ｔ６よりも遅らせることによって、カウンタ値ＣＶ２の誤差を抑制することを企図する。
【０１２１】
図１０は第２の実施の形態にかかる画像センサ１の一例を示している。図１０の例示では、図１と比較して、画像センサ１は、複数のダミー画素１０１とダミー列信号線２０１とを更に備えている。ダミー画素１０１は行ごとに設けられており、行選択線２１１、リセット信号線２１２および露光信号線２１３に接続されている。よってダミー画素１０１は同じ行に属する画素１１０と同様に制御される。
【０１２２】
ダミー列信号線２０１は、列信号線２２１と略平行に延在しており、複数のダミー画素１０１に共通して接続されている。行選択線２１１の選択信号によって、ダミー画素１０１が選択されると、ダミー画素１０１はダミー列信号線２０１へとダミー電圧ＶＤＭ（後述）を出力する。ダミー列信号線２０１の寄生容量は列信号線２２１の寄生容量と略等しい。
【０１２３】
図１１はダミー画素１０１の内部構成を示す図である。ダミー画素１０１はフォトダイオードＰＤ１の有無を除いて画素１１０と同じ構成を有している。ダミー画素１０１ではフォトダイオードＰＤ１は設けられない。
【０１２４】
列信号線２２１に替えてダミー列信号線２０１が画素選択スイッチＰＳ１に接続されている。ダミー列信号線２０１にも電流源ＣＳ１が接続される。以下では、ダミー画素１０１がダミー列信号線２０１へと出力する電圧を、ダミー電圧ＶＤＭと呼ぶ。このダミー電圧ＶＤＭは電位点Ｐ１の電位ＶＧを反映した電圧であり、画素電圧Ｖｃｏｌと同様に、電位ＶＧとトランジスタＴｒ１の電圧ＶＧＳとの差で表される。
【０１２５】
このダミー画素１０１においても、リセットスイッチＲＳ１がオンすると、電位ＶＧは直流電源Ｅ１の直流電圧に初期化されて、ダミー電圧ＶＤＭも初期化される。一方で、ダミー画素１０１ではフォトダイオードＰＤ１が設けられていないので、露光スイッチＥＰ１がターンオンすると、電位ＶＧは短絡放電して速やかに接地電位に至る。これに伴って、ダミー電圧ＶＤＭも下限値に至る。
【０１２６】
ダミー画素１０１においても、露光スイッチＥＰ１と電位点Ｐ１とトランジスタＴｒ１が、画素１１０のそれらと同じ構成で互いに接続される。よって、画素１１０の構成に起因して生じる画素電圧Ｖｃｏｌの遅れと同様に、ダミー電圧ＶＤＭは露光スイッチＥＰ１のターンオンから遅れて低下し始める。ただし、画素１１０とは異なってフォトダイオードＰＤ１が設けられていないので、ダミー電圧ＶＤＭは瞬時に下限値へと低下する。
【０１２７】
ダミー画素１０１は同じ行の行選択線２１１、リセット信号線２１２および露光信号線２１３に接続される。よって、ダミー画素１０１に属する露光スイッチＥＰ１、リセットスイッチＲＳ１および画素選択スイッチＰＳ１は、同じ行の画素１１０に属する露光スイッチＥＰ１、リセットスイッチＲＳ１および画素選択スイッチＰＳ１とそれぞれ同期して動作する。
【０１２８】
なお、ダミー画素１０１に属する、電位点Ｐ１（あるいは更に電荷蓄積部Ｃ１）、トランジスタＴｒ１、および、電流源ＣＳ１の一組は、ダミー電圧ＶＤＭを出力する出力部の一例である。
【０１２９】
また、このダミー電圧ＶＤＭはダミー列信号線２０１を介して列読出部４００へと入力される。よって、ダミー電圧ＶＤＭもダミー列信号線２０１の寄生容量に応じて遅れて列読出部４００へと入力されることとなる。ダミー列信号線２０１の寄生容量と、列信号線２２１の寄生容量とが略等しい場合には、ダミー列信号線２０１によるダミー電圧ＶＤＭの遅れ時間は、列信号線２２１による画素電圧Ｖｃｏｌの遅れ時間と略等しい。
【０１３０】
したがって、ダミー電圧ＶＤＭは画素電圧Ｖｃｏｌと同様に遅れて低下し始めるのである（後述の図１２参照）。つまり、露光スイッチＥＰ１のターンオン（あるいは露光信号ＥＰの遷移時点）よりも、画素電圧Ｖｃｏｌの低下時点に近い時点で、ダミー電圧ＶＤＭが低下し始める。よって、ダミー電圧ＶＤＭの低下を検出し、その検出時点においてカウンタ４３５にカウンタ動作を開始させればよい。これを実現すべく、図１２に示すように、露光期間Ｔ１内でダミー電圧ＶＤＭと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる時点において、カウンタ４３５がカウンタ動作を開始する。以下に詳述する。
【０１３１】
再び図１０を参照して、列読出部４００は図１と比較して時間調整部４０１を更に備えている。時間調整部４０１にはダミー電圧ＶＤＭと基準電圧Ｖｒａｍｐとが入力される。時間調整部４０１は、ダミー電圧ＶＤＭと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が露光期間Ｔ１において切り替わることを契機として、カウンタ４３５のカウンタ動作を開始させる。
【０１３２】
より具体的には、時間調整部４０１は例えば比較部４０２と論理積部４０３とを備えている。比較部４０２には、基準電圧Ｖｒａｍｐと、ダミー電圧ＶＤＭとが入力される。比較部４０２は例えば比較部４３１と同じ構造を有している。比較部４０２はダミー電圧ＶＤＭが基準電圧Ｖｒａｍｐよりも小さいときに、比較結果ＣＭＰ１として高電位を出力する。
【０１３３】
論理積部４０３には、クロック生成部５００からのクロック信号と比較部４０２の比較結果ＣＭＰ１とが入力される。論理積部４０３は、例えばいわゆるＡＮＤ回路であって、クロック生成部５００からのクロック信号と比較結果ＣＭＰ１との論理積を、クロック信号ＣＬＫとしてカウンタ４３３，４３５へと出力する。
【０１３４】
カウンタ４３３は第１の実施の形態と同様に動作するので繰り返しの説明を避ける。
【０１３５】
カウンタ４３５は、論理積部４０３からのクロック信号ＣＬＫの入力の開始に応じてカウンタ動作を開始する。
【０１３６】
図１２は、一つの画素１１０についての画像センサ１のタイミングチャートの一例を示している。図１２の例示では、露光期間Ｔ１において、画素電圧Ｖｃｏｌが基準電圧Ｖｒａｍｐと交差している（時点ｔａ参照）。また図１２の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌは露光スイッチＥＰ１がターンオンする（あるいは、露光信号ＥＰが遷移する）時点ｔ６よりも後の時点ｔｂにおいて低下し始めている。これは、画素１１０の構成および列信号線２２１の寄生容量に起因する画素電圧Ｖｃｏｌの遅れを示している。
【０１３７】
一方で、ダミー電圧ＶＤＭも時点ｔ６から遅れて低下している。これは、ダミー画素１０１の構成およびダミー列信号線２０１の寄生容量に起因するダミー電圧ＶＤＭの遅れを示している。図１２の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌの遅れと、ダミー電圧ＶＤＭの遅れは互いにほぼ等しい。また図１２の例示では、時点ｔｂにおいてダミー電圧ＶＤＭが瞬時に低下して基準電圧Ｖｒａｍｐと交差している。これはダミー画素１０１においては電荷蓄積部Ｃ１が短絡放電するからである。
【０１３８】
比較部４０２は、ダミー電圧ＶＤＭが基準電圧Ｖｒａｍｐよりも小さくなると、比較結果ＣＭＰ１として高電位を出力する。よって時点ｔｂにおいて、比較結果ＣＭＰ１は低電位から高電位へと切り替わっている。
【０１３９】
クロック生成部５００は例えば時点ｔ６においてクロック信号を論理積部４０３へと出力し始める。論理積部４０３は当該クロック信号と比較結果ＣＭＰ１との論理積をクロック信号ＣＬＫとして出力するので、クロック信号ＣＬＫは、時点ｔｂにおいてカウンタ４３５へと入力され始める。
【０１４０】
カウンタ４３５は、クロック信号ＣＬＫの入力に応じてカウンタ動作を開始させる。よって図１２に示すように、カウンタ値ＣＶ２は時点ｔｂにおいて増大し始める。つまり、カウンタ値ＣＶ２は露光スイッチＥＰ１がターンオンする時点ｔ６で増大し始めるのではなく、その後の時点ｔｂにおいて増大し始めるのである。
【０１４１】
そしてカウンタ４３５は、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる時点ｔａにおいて、カウンタ値ＣＶ２のカウンタ動作を終了する。
【０１４２】
以上のように、カウンタ値ＣＶ２のカウンタ動作の終了時点（時点ｔａ）が、画素１１０の構成および列信号線２２１の寄生容量に起因して遅れる場合であっても、カウンタ値ＣＶ２のカウンタ動作の開始時点（時点ｔｂ）を、ダミー画素１０１の構成およびダミー列信号線２０１の寄生容量に応じて遅らせることにより、遅れを吸収してカウンタ値ＣＶ２を得ることができる。したがって、演算部４４０は高い精度で画素値を読み出すことができる。
【０１４３】
上述の例において、比較部４３１にも遅れが生じ得る。より具体的には、比較部４３１は、画素電圧Ｖｃｏｌが基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する時点ｔａよりも遅れて、比較結果ＣＭＰを高電位へと切り替える。かかる遅れは、カウンタ４３５のカウンタ動作の終了を遅らせるので、カウンタ値ＣＶ２に誤差を生じさせる。
【０１４４】
しかるに上述の例では、時間調整部４０１には比較部４０２が設けられている。比較部４０２は、ダミー電圧ＶＤＭが基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する時点ｔｂよりも遅れて、比較結果ＣＭＰ１を高電位へと切り替えている。かかる遅れは、カウンタ４３５のカウンタ動作の開始を遅らせるので、カウンタ値ＣＶ２の誤差を低減することができる。比較部４０２の遅れ時間は例えば比較部４３１の遅れ時間と略等しいことが望ましい。これにより、誤差を最小化できるからである。例えば比較部４０２として、比較部４３１と同じ構造の比較部を採用すればよい。
【０１４５】
なお図１０の例示では、論理積部４０３の出力はクロック信号ＣＬＫとしてカウンタ４３３にも入力されているものの、例えばクロック生成部５００からのクロック信号が論理積部４０３を迂回して、クロック信号ＣＬＫとしてカウンタ４３３に入力されてもよい。
【０１４６】
第３の実施の形態．
図１３は画像センサ１の一例を概略的に示している。図１３の例示では、図１と比較して、スイッチ４３２、カウンタ４３５および記憶部４３６が設けられていない。つまり読出部４２０は、単一のカウンタ４３３を備えている。
【０１４７】
図１４は一つの画素１１０に対するタイミングチャートの一例を示している。第３の実施の形態では、基準電圧Ｖｒａｍｐは、露光スイッチＥＰ１がオンする露光期間Ｔ１に亘って、言い換えれば、画素電圧Ｖｃｏｌが光量に応じて変化する露光期間Ｔ１に亘って、単調に増大している。図１４の例示では、基準電圧Ｖｒａｍｐは、例えば露光スイッチＥＰ１がターンオンする時点ｔ６において最小値ＶＬから増大し始め、露光スイッチＥＰ１がターンオフする時点ｔ７において最大値ＶＨに至る。基準電圧Ｖｒａｍｐは時点ｔ６から時点ｔ７までの露光期間Ｔ１において、例えば時間に比例して増大している。
【０１４８】
第３の実施の形態でも、画素電圧Ｖｃｏｌの初期値Ｖｃｏｌ０は、最小値ＶＬよりも大きく最大値ＶＨよりも小さくなるように設定される。
【０１４９】
図１４の例示では、画素電圧Ｖｃｏｌは時点ｔ６において、初期値Ｖｃｏｌ０から低下し始める。なおここでは簡単のために、画素電圧Ｖｃｏｌの遅れを無視している。また図１４の例示では、光量の異なる画素電圧Ｖｃｏｌが示されている。太い実線、太い破線および太い一点鎖線はいずれも画素電圧Ｖｃｏｌを示しており、この順で光量が大きい。つまり太い実線で示された画素電圧Ｖｃｏｌは光量が最も小さいときの画素電圧Ｖｃｏｌである。各画素電圧Ｖｃｏｌが互いに重なる部分では、より光量が小さいときの画素電圧Ｖｃｏｌが示されている。
【０１５０】
第３の実施の形態でも、初期値Ｖｃｏｌ０が最小値ＶＬと最大値ＶＨとの間の値であり、画素電圧Ｖｃｏｌが光量に応じて低下し、基準電圧Ｖｒａｍｐがそれとは反対に増大するので、時点ｔ６から時点ｔ７までに、画素電圧Ｖｃｏｌは必ず基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する。言い換えれば、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係は時点ｔ６から時点ｔ７までに必ず切り替わる。
【０１５１】
また光量が大きいほど画素電圧Ｖｃｏｌの低下速度は高いので、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係が切り替わる切替時点は、光量が大きいほど早まる。図１４において各画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとが交差する時点ｔａ１〜ｔａ３が示されており、時点ｔａ１〜ｔａ３はこの順で遅い。つまり時点ｔａ１，ｔａ２はそれぞれ時点ｔａ２，ｔａ３よりも前の時点である。よって、この切替時点を計時することで、画素値を把握することができる。よって、単一のカウンタ４３３は当該切替時点を計時するのである。
【０１５２】
図１５は一つの画素１１０についてのタイミングチャートの一例を示している。図１５の例示では、露光スイッチＥＰ１がターンオンする時点ｔ６において、カウンタ４３３はカウンタ動作を開始しており、カウンタ値ＣＶ１が増大し始める。そして、比較結果ＣＭＰが高電位へと切り替わる時点ｔａにおいて、カウンタ動作を停止する。これにより、カウンタ値ＣＶ１によって、時点ｔ６から時点ｔａまでの期間を計時することができる。図１５の例示では、時点ｔａにおいてカウンタ値ＣＶ１を初期化している。
【０１５３】
次に、時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（あるいは仮想値）の求め方について説明する。時点ｔ６から時点ｔ７までの露光期間Ｔ１におけるクロック信号ＣＬＫのクロック数をＮとすると、１クロックにおける基準電圧Ｖｒａｍｐの変化量ΔＶｒａｍｐは以下の式で表すことができる。
【０１５４】
ΔＶｒａｍｐ＝（ＶＨ−ＶＬ）／Ｎ    ・・・（５）
【０１５５】
時点ｔａにおける初期化前のカウンタ値ＣＶ１をｋとすると、時点ｔａにおける基準電圧Ｖｒａｍｐたる基準電圧Ｖｒａｍｐ（ｔａ）は以下の式で表される。
【０１５６】
Ｖｒａｍｐ（ｔａ）＝ＶＬ＋ΔＶｒａｍｐ・ｋ    ・・・（６）
【０１５７】
時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（あるいはその仮想値）たる画素電圧Ｖｃｏｌ（ｔ７）は以下の式で表される。
【０１５８】
Vkol(t7)=Vcol0-{Vcol0-Vramp(ta)}・(N/k)    ・・・（７）
【０１５９】
したがって、演算部４４０は例えば式（７）に基づいて時点ｔ７における画素電圧Ｖｃｏｌ（仮想値）を把握することができ、ひいては光量を把握することができる。
【０１６０】
なお第３の実施の形態において、露光スイッチＥＰ１は必須要件ではない。この場合、図１６に例示するように、リセットスイッチＲＳ１がターンオフした時点ｔ２において、画素電圧Ｖｃｏｌは光量に応じた低下速度で低下し始める。
【０１６１】
そこで、図１６に示すように、基準電圧生成部４１０は時点ｔ２において基準電圧Ｖｒａｍｐを最小値ＶＬから増大させ始めるとともに、クロック生成部５００は時点ｔ２においてクロック信号ＣＬＫをカウンタ４３３へと出力させる。カウンタ４３３はクロック信号ＣＬＫの入力に応じてカウンタ動作を開始する。その後の動作は上述の説明と同様である。
【０１６２】
第３の実施の形態でも、画素電圧Ｖｃｏｌと基準電圧Ｖｒａｍｐとの大小関係は時点ｔ２から時点ｔ７までに必ず切り替わる。よってダイナミックレンジを向上することができる。また第３の実施の形態では、単一のカウンタ４３３を用いているので、複数のカウンタを用いる場合に比べて、製造コストおよび回路規模を低減することができる。
【０１６３】
なお第３の実施の形態において、カウンタ４３３は、時点ｔａから時点ｔ７までの時間を計時しても構わない。
【０１６４】
第１から第３の実施の形態では、フォトダイオードＰＤ１が発生する光電流によって、電荷蓄積部Ｃ１を放電させた。しかるに、光電流によって電荷蓄積部Ｃ１を充電させてもよい。つまり、画素電圧Ｖｃｏｌが光量に応じた増大速度で増大するように、画素１１０を構成してもよい。
【０１６５】
図１７は画素１１０の内部構成の一例を示している。電位点Ｐ１と直流電源Ｅ１の高電位端との間には、フォトダイオードＰＤ１と露光スイッチＥＰ１とが互いに直列に接続されている。また電位点Ｐ１と直流電源Ｅ１の低電位端（接地）との間には、リセットスイッチＲＳ１が接続されている。これによれば、リセットスイッチＲＳ１をオンすることで、電位点Ｐ１の電位ＶＧを接地電位に初期化できる。またリセットスイッチＲＳ１をオフしつつ露光スイッチＥＰ１をオンすることで、電位点Ｐ１の電位ＶＧを、光量に応じた増大速度で増大させることができる。
【０１６６】
図１７の例示では、電位点Ｐ１の電位ＶＧはトランジスタＴｒ１の制御電極に印加される。直流電源Ｅ２の低電位端（接地）と、列信号線２２１との間には、トランジスタＴｒ１と画素選択スイッチＰＳ１が互いに直列に接続されている。画素選択スイッチＰＳ１はトランジスタＴｒ１よりも列信号線２２１側に接続されている。画素選択スイッチＰＳ１がオンすると、トランジスタＴｒ１は電位ＶＧを反映する画素電圧Ｖｃｏｌ（＝ＶＧ−ＶＧＳ）を出力する。
【０１６７】
この場合であっても、基準電圧Ｖｒａｍｐは、光量による画素電圧Ｖｃｏｌの変化とは反対方向に変化する。つまり、基準電圧Ｖｒａｍｐは最大値から最小値まで時間の経過と共に低減する。また画素電圧Ｖｃｏｌの初期値Ｖｃｏｌ０は、基準電圧Ｖｒａｍｐの最小値よりも大きく、最大値よりも小さい。これにより、画素電圧Ｖｃｏｌは、基準電圧Ｖｒａｍｐが最小値に至るまでに、必ず基準電圧Ｖｒａｍｐと交差する。これにより、適切に画素値を読み出すことができ、ダイナミックレンジを向上できる。
【０１６８】
なお、画素選択スイッチＰＳ１、リセットスイッチＲＳ１および露光スイッチＥＰ１としてはＭＯＳ電界効果トランジスタを採用できるものの、これに限らず、任意のスイッチを採用してもよい。また上述の例では、トランジスタＴｒ１はＭＯＳ電界効果トランジスタであるものの、これに限らず、例えば絶縁ゲート型の他のトランジスタを採用することもできる。
【０１６９】
以上のように、画像センサ１は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。また、上述した各種変形例は、相互に矛盾しない限り組み合わせて適用可能である。そして、例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【０１７０】
１  画像センサ
１０１  ダミー画素
１１０  画素
４１０  基準電圧生成部
４２０  読出部
ＰＤ１  フォトダイオード
ＲＳ１  リセットスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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