(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子および電流読出部を備え、
前記受光素子は、
第１電源電位が印加される第１型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成され、前記第１半導体層との接合部において光を受ける第２型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第１型の第１領域および前記第１型の第２領域と、
前記第１領域の上に設けられ、前記第１電源電位とは異なる第２電源電位が印加される第１電極と、
前記第２領域の上に設けられる第２電極と、
前記第１領域と前記第２領域との間において、前記第２半導体層の上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成され、ゲート電圧が印加されるゲート電極と
を有し、
前記電流読出部は、前記第１領域から前記第２領域へと流れる電流を、前記受光素子が受光した光量を反映する画素信号として検出する、画像センサ。
【請求項２】
前記ゲート電極は前記第１型の半導体で形成される、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
リセット用電位が印加されるリセット用配線と、
前記第２半導体層と前記リセット用配線との間に設けられるリセットスイッチと
を更に備え、
前記リセットスイッチがオンして前記第２半導体層の電位を前記リセット用電位にリセットした後に、前記リセットスイッチがオフし、
前記電流読出部は、前記リセットスイッチがオフした時点から、予め決められた所定期間が経過したときに、前記電流を前記画素信号として検出する、請求項１または２に記載の画像センサ。
【請求項４】
前記リセットスイッチがオンした状態で流れる前記電流を入力し、入力された前記電流と、予め定められた電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、前記ゲート電極に電圧を出力するゲート電圧発生部を備える、請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
複数のゲート用スイッチ、複数の画素選択スイッチおよび信号線を備え、
前記受光素子および前記リセットスイッチは複数設けられており、
前記複数の画素選択スイッチの各々は、前記複数の受光素子の各々と前記信号線との間に設けられており、
前記ゲート電圧発生部の出力端は、前記複数のゲート用スイッチを介してそれぞれ前記複数の受光素子の前記ゲート電極に接続され、
前記電流読出部は前記信号線を流れる電流を検出し、
前記ゲート電圧発生部は、前記複数の受光素子の一つに接続された前記リセットスイッチ、前記ゲート用スイッチおよび前記画素選択スイッチをオンした状態で前記信号線を流れる電流を、前記電流読出部から入力し、入力された電流と前記電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、電圧を出力する動作を、前記受光素子を異ならせて繰り返し行う、請求項４に記載の画像センサ。
【請求項６】
受光素子、電流読出部および電圧制御部を備え、
前記受光素子は、
第１電源電位が印加される第１型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成される第２型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第１型の第１領域および前記第１型の第２領域と、
前記第１領域の上に設けられ、前記第１電源電位とは異なる第２電源電位が印加される第１電極と、
前記第２領域の上に設けられる第２電極と、
前記第１領域と前記第２領域との間において、前記第２半導体層の上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成されるゲート電極と
を有し、
前記電流読出部は、前記第１領域から前記第２領域へと流れる電流を画素信号として検出し、
前記電圧制御部は、前記画素信号に基づいて、前記ゲート電極に印加するゲート電圧、前記第２電源電位および前記第２半導体層の電位の少なくともいずれかの制御対象電圧を制御する、画像センサ。
【請求項７】
前記画素信号に基づいて、画像統計情報を算出する画像統計処理部を更に備え、
前記電圧制御部は、前記画像統計情報に基づいて前記制御対象電圧を制御して、前記画像センサの感度またはダイナミックレンジを調整する、請求項６に記載の画像センサ。
【請求項８】
前記受光素子の複数が配置され、
前記電圧制御部は、
前記複数の受光素子に対して設定される複数のエリアごとに前記制御対象電圧を制御する、請求項６または７に記載の画像センサ。
【請求項９】
前記電圧制御部は前記受光素子の複数のうち一部の受光素子のみに前記第２電源電位を出力する、請求項６から８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】
従来から、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)画像センサおよびＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)画像センサが多く使用されている。これらの画像センサは、受光素子としてのフォトダイオードを画素ごとに有しており、このフォトダイオードが光を受けて電流を発生させる。そして、その電流を蓄積し、蓄積された電荷を電圧として取り出すことで、画素ごとの信号を得る。全ての画素の信号を得ることで、画像信号が生成される。
【０００３】
これらの画像センサにおいて、露光時間は上記電流を蓄積する期間である。この露光時間は、適切な画像信号を得るために、フォトダイオードが受ける光の強度に応じて制御される。例えば光の強度が高い場合に露光時間を比較的長く制御すると、キャパシタ成分に蓄えられる電荷量が上限値を超えやすく、これによって白とびが発生する。よって、このような白とびを回避すべく、光の強度が高い場合には露光時間を短く制御するのである。
【０００４】
また本発明に関連する技術として特許文献１〜６を掲示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０４９４５９号公報
【特許文献２】米国特許第８５６９８０６号明細書
【特許文献３】米国特許第８６１０２３４号明細書
【特許文献４】米国特許第８６５３６１８号明細書
【特許文献５】米国特許第８６６９５９８号明細書
【特許文献６】米国特許第８６６９５９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動的に露光時間が調整される構造を有する受光素子の開発が求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、自動で露光時間が調整される受光素子を有す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】
【０００８】
本発明にかかる画像センサの第１の態様は、受光素子および電流読出部を備え、前記受光素子は、第１電源電位が印加される第１型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成され、前記第１半導体層との接合部において光を受ける第２型の第２半導体層と、前記第２半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第１型の第１領域および前記第１型の第２領域と、前記第１領域の上に設けられ、前記第１電源電位とは異なる第２電源電位が印加される第１電極と、前記第２領域の上に設けられる第２電極と、前記第１領域と前記第２領域との間において、前記第２半導体層の上に形成される絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、ゲート電圧が印加されるゲート電極とを有し、前記電流読出部は、前記第１領域から前記第２領域へと流れる電流を、前記受光素子が受光した光量を反映する画素信号として検出する。
【０００９】
本発明にかかる画像センサの第２の態様は、第１の態様にかかる画像センサであって、前記ゲート電極は前記第１型の半導体で形成される。
【００１０】
本発明にかかる画像センサの第３の態様は、第１または第２の態様にかかる画像センサであって、リセット用電位が印加されるリセット用配線と、前記第２半導体層と前記リセット用配線との間に設けられるリセットスイッチとを更に備え、前記リセットスイッチがオンして前記第２半導体層の電位を前記リセット用電位にリセットした後に、前記リセットスイッチがオフし、前記電流読出部は、前記リセットスイッチがオフした時点から、予め決められた所定期間が経過したときに、前記電流を前記画素信号として検出する。
【００１１】
本発明にかかる画像センサの第４の態様は、第３の態様にかかる画像センサであって、前記リセットスイッチがオンした状態で流れる前記電流を入力し、入力された前記電流と、予め定められた電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、前記ゲート電極に電圧を出力するゲート電圧発生部を備える。
【００１２】
本発明にかかる画像センサの第５の態様は、第４の態様にかかる画像センサであって、複数のゲート用スイッチ、複数の画素選択スイッチおよび信号線を備え、前記受光素子および前記リセットスイッチは複数設けられており、前記複数の画素選択スイッチの各々は、前記複数の受光素子の各々と前記信号線との間に設けられており、前記ゲート電圧発生部の出力端は、前記複数のゲート用スイッチを介してそれぞれ前記複数の受光素子の前記ゲート電極に接続され、前記電流読出部は前記信号線を流れる電流を検出し、前記ゲート電圧発生部は、前記ゲート電圧発生部は、前記複数の受光素子の一つに接続された前記リセットチをオンした状態で前記信号線を流れる電流を、前記電流読出部から入力し、入力された電流と前記電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、電圧を出力する動作を、前記受光素子を異ならせて繰り返し行う。
【００１３】
本発明にかかる画像センサの第６の態様は、受光素子、電流読出部および電圧制御部を備え、前記受光素子は、第１電源電位が印加される第１型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成される第２型の第２半導体層と、前記第２半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第１型の第１領域および前記第１型の第２領域と、前記第１領域の上に設けられ、前記第１電源電位とは異なる第２電源電位が印加される第１電極と、前記第２領域の上に設けられる第２電極と、前記第１領域と前記第２領域との間において、前記第２半導体層の上に形成される絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されるゲート電極とを有し、前記電流読出部は、前記第１領域から前記第２領域へと流れる電流を画素信号として検出し、前記電圧制御部は、前記画素信号に基づいて、前記ゲート電極に印加するゲート電圧、前記第２電源電位および前記第２半導体層の電位の少なくともいずれかの制御対象電圧を制御する。
【００１４】
本発明にかかる画像センサの第７の態様は、第６の態様にかかる画像センサであって、前記画素信号に基づいて、画像統計情報を算出する画像統計処理部を更に備え、前記電圧制御部は、前記画像統計情報に基づいて前記制御対象電圧を制御して、前記画像センサの感度またはダイナミックレンジを調整する。
【００１５】
本発明にかかる画像センサの第８の態様は、第６または第７の態様にかかる画像センサであって、前記受光素子の複数が配置され、前記電圧制御部は、前記複数の受光素子に対して設定される複数のエリアごとに前記制御対象電圧を制御する。
【００１６】
本発明にかかる画像センサの第９の態様は、第６から第８の態様のいずれか一つにかかる画像センサであって、前記電圧制御部は前記受光素子の複数のうち一部の受光素子のみに前記第２電源電位を出力する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる画像センサの第１の態様によれば、ゲート電圧が閾値電圧よりも大きくなると、第１領域と第２領域との間にチャネルが形成されて第１電極から第２電極へと電流（第１電流と呼ぶ）が流れる。この第１電流は、ゲート電圧と閾値電圧との差に依存する。
【００１８】
また、第１半導体層と第２半導体層との接合部は光を受けると、光起電力効果により、光量に応じた第２電流を発生し、これが第１電極、第１領域、第２半導体層および第１半導体層を経由して流れる。このとき第２半導体層に印加される電位（バイアス電圧）は、第２電流に応じた電位となる。つまりバイアス電圧は光量に依存する。
【００１９】
また、閾値電圧はバイアス電圧に応じて変動する（基板バイアス効果）。よって、第１電流はバイアス電圧に応じた値を採り、ひいては光量に応じた値を採る。
【００２０】
この構造によれば、露光時間は、接合部が光を受けてから、バイアス電圧が光量に応じた値を採るまでの時間となり、これは後に詳述するように自動的に決定される。
【００２１】
本発明にかかる画像センサの第２の態様によれば、閾値電圧の増大を回避できる。
【００２２】
本発明にかかる画像センサの第３の態様によれば、所定期間で露光時間の上限値を設定できる。
【００２３】
本発明にかかる画像センサの第４の態様によれば、バイアス電圧の製造ばらつきを吸収できる。
【００２４】
本発明にかかる画像センサの第５の態様によれば、複数の受光素子に対してゲート電圧発生部が設けられるので、受光素子ごとにゲート電圧発生部が設けられる場合に比べて、回路規模を低減できる。
【００２５】
本発明にかかる画像センサの第６および第７の態様によれば、画素信号に応じたフィードバック系を構築することができる。ひいては、画像信号に応じた適切な特性（例えば感度またはダイナミックレンジ等）で撮像を行うことができる。
【００２６】
本発明にかかる画像センサの第８の態様によれば、エリアごとに特性を制御できる。よって、例えばコンピュータビジョンに好適である。
【００２７】
本発明にかかる画像センサの第９の態様によれば、一部のみの受光素子が動作するので、この一部のみによる画像センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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】受光素子の構成の一例を概略的に示す図である。
【図４】ソース電極から半導体層までの等価回路を概略的に例示する図である。
【図５】バイアス電圧と電流との関係の一例を概略的に示す図である。
【図６】バイアス電圧と閾値電圧との関係の一例を概略的に示す図である。
【図７】光量と電流との関係の一例を概略的に示す図である。
【図８】タイミングチャートの一例を概略的に示す図である。
【図９】画素の構成の一例を概略的に示す図である。
【図１０】タイミングチャートの一例を概略的に示す図である。
【図１１】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概略的に示す図である。
【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】画素信号制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１５】画像センサの構成の一例を概略的に示す図である。
【図１６】画素信号制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１７】画素信号制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１８】画像センサの構成の一例を概略的に示す図である。
【図１９】エリアの一例を概略的に示す図である。
【図２０】電圧制御回路とエリアの一例を概略的に示す図である。
【図２１】画像センサ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】
【００２９】
第１の実施の形態．
＜画像センサの全体構成＞
図１は、画像センサ１００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１００は複数の信号線１２０および複数の信号線１２２を有している。複数の信号線１２０は互いに並行して延在し、複数の信号線１２２は、信号線１２０と交差して延在しつつ、互いに並行して延在している。図１の例示では、信号線１２０，１２２は互いに直交している。
【００３０】
信号線１２０，１２２の交点に形成される各領域には、画素１１０が設けられる。図１の例示では、信号線１２０，１２２は互いに直交するので、複数の画素１１０はマトリックス状に配置されることとなる。画素１１０の具体的な内部構成については後に詳述する。
【００３１】
各信号線１２２は、同じ行に属する画素１１０に接続されるとともに、行選択部１３２にも接続されている。行選択部１３２は、画素１１０を行ごとに選択する信号を、信号線１２２に順次に出力する。
【００３２】
各信号線１２０は、同じ列に属する画素１１０に接続されるとともに、電流読出部１３０にも接続されている。画素１１０が行ごとに選択されると、選択された画素１１０は、後に詳述するように、受光した光の量に応じた電流を信号線１２０に流す。電流読出部１３０は、この電流をそれぞれ画素信号として読み出す。電流読出部１３０は回路によって形成できる。
【００３３】
以上のように、画素１１０が行ごとに順次に選択されることによって、電流読出部１３０は行ごとに画素信号を読み出すことができる。そして、全ての画素１１０の画素信号を読み出すことで、画像センサ１００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の画素信号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、画像が所定時間ごとに繰り返し生成されることで、動画像を生成することもできる。
【００３４】
＜画素の構成＞
図２は、画素１１０の内部構成の一例を概略的に示す等価回路である。画素１１０は受光素子１０と、リセットスイッチ２０と、画素選択スイッチ３０とを備えている。
【００３５】
受光素子１０は光を受光する素子である。図３は、受光素子１０の構成の一例を概略的に示している。受光素子１０は、半導体層１１，１２と、絶縁層１３と、ゲート電極１４と、ソース電極１５と、ドレイン電極１６とを備えている。
【００３６】
半導体層１１は、例えばキャリアとして正孔が使われるＰ型の半導体層である。このようなＰ型の半導体層は、例えば４価元素（例えばシリコン）の半導体に、３価元素（例えばホウ素、アルミニウムなど）を添加することで形成される。半導体層１１には第１電源電位（例えば接地電位）が印加される。
【００３７】
半導体層１２は半導体層１１の一部の上に形成されている。半導体層１２は、半導体層１１とは異なる型の半導体層であり、例えばキャリアとして自由電子が使われるＮ型の半導体層である。このような半導体層は、例えば４価元素の半導体に、５価元素（例えばリン、ヒ素など）を添加することで形成できる。
【００３８】
半導体層１２の上部には、半導体層１２の型とは異なるＰ型のソース領域１７およびＰ型のドレイン領域１８が形成されている。ソース領域１７およびドレイン領域１８は、紙面左右方向において互いに間隔を空けて形成されている。
【００３９】
半導体層１２の上には、少なくともソース領域１７とドレイン領域１８との間において、絶縁層１３が形成されている。絶縁層１３は例えば酸化シリコンなどである。
【００４０】
絶縁層１３の上にはゲート電極１４が形成されている。ゲート電極１４は例えば半導体（Ｐ型またはＮ型の半導体）である。このような半導体は、キャリア用の不純物の濃度を高めることで、実質的に導体と同様の機能を発揮する。ゲート電極１４には、所定の電位（以下、ゲート電圧Ｖｇｓとも呼ぶ）が印加される。
【００４１】
ソース電極１５およびドレイン電極１６はそれぞれソース領域１７およびドレイン領域１８の上に形成される。ソース電極１５およびドレイン電極１６は例えば金属（例えば銅またはアルミニウムなど）である。ソース電極１５には、第１電源電位とは異なる第２電源電位（例えば２Ｖ）が印加される。
【００４２】
このような構造は、いわゆるＭＯＳ(Metal-Oxide-Semiconductor)電界効果トランジスタと同様の構造を有している。
【００４３】
このような受光素子１０においても、ＭＯＳ電界効果トランジスタと同様に、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値電圧Ｖｔｈを超えると、ソース領域１７とドレイン領域１８との間にチャネルが形成される。これにより、ソース電極１５からドレイン電極１６へと電流ＩＰＭＯＳが流れる。この電流ＩＰＭＯＳは、後に詳述するように、受光素子１０が受ける光の量に依存する。
【００４４】
図２を参照して、受光素子１０の一端（ソース電極１５）は直流電源Ｅ１の高電位端に接続されており、他端（ドレイン電極１６）は画素選択スイッチ３０を介して信号線１２０に接続されている。つまり、画素選択スイッチ３０は、受光素子１０と信号線１２０との間に設けられている。
【００４５】
この画素選択スイッチ３０は、画素１１０を選択するスイッチ（例えばトランジスタ）である。この画素選択スイッチ３０がオンすることで、受光素子１０は電流ＩＰＭＯＳを信号線１２０へと流すことができる。そして、電流読出部１３０は信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳを画素信号として読み出す。
【００４６】
画素選択スイッチ３０の制御端子は信号線１２２に接続される。ここでは、同じ行に属する画素１１０の画素選択スイッチ３０は、一つの信号線１２２に接続される。よって、複数の画素選択スイッチ３０は行ごとに制御される。また同じ列に属する画素選択スイッチ３０は互いに排他的にオンする。例えば当該画素選択スイッチ３０は一つずつ順次にオンする。
【００４７】
ここで、受光素子１０の受光動作について説明する。外部からの光は例えば不図示のレンズ等を介して、半導体層１１，１２の境界（ＰＮ接合部）に入射される（図３）。光が入射された当該ＰＮ接合部には、光起電力効果によって自由電子および正孔が発生する。発生した正孔は半導体層１１へと移動し、電子は半導体層１２に移動する。つまり、このＰＮ接合部がフォトダイオードとして機能する。
【００４８】
このように半導体層１２に電子が蓄積されることによって、半導体層１２の電位（以下、バイアス電圧Ｖｂｓとも呼ぶ）は低下する。そして、このバイアス電圧Ｖｂｓの低下に伴って、ソース領域１７および半導体層１２の接合部によって形成されるダイオードが導通する。これにより、ソース電極１５から半導体層１１へと電流ＩＰＤが流れることとなる。
【００４９】
一方で、このバイアス電圧Ｖｂｓの低下に伴って、基板バイアス効果により閾値電圧Ｖｔｈも低下する。閾値電圧Ｖｔｈが低下すると、ゲート電圧Ｖｇｓと閾値電圧Ｖｔｈとの差が増大するので、ソース領域１７からチャネルを経由してドレイン領域１８へと流れる電流ＩＰＭＯＳは増大する。
【００５０】
またバイアス電圧Ｖｂｓは、後に詳述するように電流ＩＰＤに依存する。より具体的には、電流ＩＰＤが大きいほどバイアス電圧Ｖｂｓは小さくなる。つまり、電流ＩＰＭＯＳは光量が大きいほど大きくなる。したがって、電流ＩＰＭＯＳを画素信号として用いることができるのである。より具体的には、図２において、画素選択スイッチ３０をオンすることで、電流ＩＰＭＯＳが信号線１２０を流れ、電流読出部１３０が信号線１２０に流れる電流ＩＰＭＯＳを画素信号として検出する。
【００５１】
また図２の例示では、リセットスイッチ２０が設けられている。リセットスイッチ２０は、半導体層１２のバイアス電圧Ｖｂｓを初期化するためのスイッチ（例えばトランジスタ）であり、半導体層１２とリセット用配線１２６との間に設けられている。リセット用配線１２６には、リセット用電位（例えばソース電極１５と同じ電位）が印加されている。リセットスイッチ２０は、画素選択スイッチ３０をオンして画素信号を読み出した後に、オンする。これにより、半導体層１２のバイアス電圧Ｖｂｓがリセット用電位（以下、初期値とも呼ぶ）に初期化される。ひいては電流ＩＰＭＯＳも初期化される。
【００５２】
そして、リセットスイッチ２０をオフすることにより、再び半導体層１２のバイアス電圧Ｖｂｓが光量に応じた値を採る。よって画素選択スイッチ３０がオンすると、電流ＩＰＭＯＳも光量に応じた値となり、その電流ＩＰＭＯＳが読み出される。以後、上述の動作を繰り返すことで、画素１１０の画素信号が所定時間ごとに繰り返し読み出される。
【００５３】
図２の例示では、リセットスイッチ２０の制御端子には、リセット用信号線１２４が接続されている。このリセット用信号線１２４は、例えば同じ行に属する複数の画素１１０のリセットスイッチ２０の制御端子に接続されていてもよい。この場合、複数のリセットスイッチ２０も行ごとに制御される。また、このリセット用信号線１２４は例えば行選択部１３２に接続されていてもよい。つまり、行選択部１３２がリセットスイッチ２０を制御してもよい。行選択部１３２は回路によって形成できる。
【００５４】
＜露光時間＞
次に受光素子１０の露光時間について考察する。露光時間とは、光を受光してから、画素信号が光量に応じた値を採るまでの時間である。よって本実施の形態では、露光時間とは、リセットスイッチ２０がターンオフしてから、半導体層１２のバイアス電圧Ｖｂｓが光量に応じた値になるまでの時間である、と考えることができる。バイアス電圧Ｖｂｓが光量に応じた値を採れば、上述のように、電流ＩＰＭＯＳが光量に応じた値を採るからである。
【００５５】
この露光時間を考慮するに際して、まず半導体層１２に印加されるバイアス電圧Ｖｂｓについて考慮する。図４は、ソース電極１５から半導体層１１までの構成を等価回路で概略的に示す図である。
【００５６】
電流源ＰＤ１は半導体層１１，１２のＰＮ接合部によるフォトダイオードに相当する。電流源ＰＤ１が発生する電流は半導体層１１，１２のＰＮ接合部が受光する光量に対して、おおよそ比例する。コンデンサＣ１は半導体層１１，１２による静電容量を示しており、電流源ＰＤ１と並列に接続されている。ダイオードＤ１はソース領域１７と半導体層１２とのＰＮ接合部に相当する。そして、コンデンサＣ１および電流源ＰＤ１の一組とダイオードＤ１とが、直流電源Ｅ１の高電位端と低電位端との間において、互いに直列に接続される。ここでは直流電源Ｅ１の低電位端は接地されており、また以下では、直流電源Ｅ１の高電位を電位Ｖｃｃと呼ぶ。
【００５７】
さて受光素子１０が光を受光すると、電流源ＰＤ１はその光量におおよそ比例した電流ＩＰＤを流す。これに伴って、コンデンサＣ１は電流源ＰＤ１を介して放電する。これにより、上述のように半導体層１２のバイアス電圧Ｖｂｓは低下する。このバイアス電圧Ｖｂｓの低下に伴って、ダイオードＤ１が導通する。そして、このダイオードＤ１を流れる電流が電流ＩＰＤと一致する時点において、コンデンサＣ１の放電が終了し、バイアス電圧Ｖｂｓが光量に応じた値を採る。図５は、電流ＩＰＤとバイアス電圧Ｖｂｓの対応関係の一例を概略的に示すグラフである。バイアス電圧Ｖｂｓは、電流ＩＰＤが大きくなるほど低下するところ、バイアス電圧Ｖｂｓの電流ＩＰＤに対する変化率は、電流ＩＰＤが大きいほど小さい。即ち、電流ＩＰＤが小さい領域では、バイアス電圧Ｖｂｓは電流ＩＰＤの増大に応じて大きく低下する一方で、電流ＩＰＤが大きい領域では、バイアス電圧Ｖｂｓは電流ＩＰＤの増大に応じて小さく低下する。
【００５８】
これは、ダイオードＤ１の電圧ＶＤ（＝Ｖｃｃ−Ｖｂｓ）が電流に対して非線形に増大するからである。この電圧ＶＤと電流との関係は周知であり、より具体的には、ダイオードＤ１の電流が電圧ＶＤに対して指数関数的に増大する。
【００５９】
さて露光時間は、バイアス電圧Ｖｂｓが初期値から電流ＩＰＤに応じた電位（図５）を採るまでの時間である。バイアス電圧ＶｂｓはコンデンサＣ１の電圧とも捉えることができるので、露光時間は、コンデンサＣ１の電圧が初期値から上記電位になるまで、コンデンサＣ１が放電する時間とも捉えることができる。
【００６０】
さて、コンデンサＣ１の放電時間は、コンデンサＣ１から流れる電流が大きいほど短く、またバイアス電圧Ｖｂｓ（つまりコンデンサＣ１の電圧）の変化量が大きいほど長い。そして、図５から理解できるように、電流ＩＰＤが比較的大きい領域では、バイアス電圧Ｖｂｓは、電流ＩＰＤの増大に対して比較的小さく増大する。つまり、電流が大きくなることによる放電時間の短縮効果が、バイアス電圧Ｖｂｓの変化量が大きくなることによる放電時間の増大効果よりも上回る。したがって、電流ＩＰＤが大きい方がコンデンサＣ１の放電に要する時間は短くてすむ。つまり、光の光量が大きいほど、露光時間は短くなるのである。
【００６１】
以上のように本画像センサ１００によれば、露光時間が光量に応じて自動的に決定される。より具体的には、光量が大きいほど露光時間は短く決定される。したがって従来のＣＣＤ画像センサまたはＣＭＯＳセンサと違って、光量に応じて露光時間を算出する必要がない。これは制御を容易にすることができる。
【００６２】
＜光量と電流ＩＰＭＯＳとの関係＞
次に、光量と電流ＩＰＭＯＳとの関係について考慮する。受光素子１０はＭＯＳ電界効果トランジスタと同様の構造を有しているので、受光素子１０の各電圧の関係はこれに準拠すると考えることができる。よって閾値電圧Ｖｔｈは以下の式で表すことができる。
【００６３】
｜Ｖｔｈ｜＝｜Ｖｔｈ０｜
＋γ｛√（２・φＦ＋Ｖｂｓ）−√（２・φＦ）｝・・・（１）
ただし、Ｖｔｈ０はバイアス電圧Ｖｂｓが零であるときの閾値電圧Ｖｔｈを示し、γは基板バイアス係数を示し、φＦはフェルミポテンシャルを示す。
【００６４】
図６は式（１）を図示したグラフの一例を示している。図６から理解できるように、閾値電圧Ｖｔｈは簡単に考えれば、バイアス電圧Ｖｂｓの平方根にほぼ比例する。
【００６５】
また電流ＩＰＭＯＳは以下の式で表される。
【００６６】
ＩＰＭＯＳ＝β・（｜Ｖｇｓ｜−｜Ｖｔｈ｜）＾２／２    ・・・（２）
ただし、βは、チャネルのサイズおよび半導体層１２の材質などによって決まる定数であり、Ａ＾ＢはＡのＢ乗の値を示す。
【００６７】
さて、式（２）に示すように、電流ＩＰＭＯＳはゲート電圧Ｖｇｓと閾値電圧Ｖｔｈとの差の２乗に比例する。またここでは簡単のために、電流ＩＰＭＯＳは閾値電圧Ｖｔｈの２乗に対してほぼ比例して変化すると考えることができる。
【００６８】
したがって、閾値電圧Ｖｔｈはバイアス電圧Ｖｂｓの平方根にほぼ比例し、電流ＩＰＭＯＳは閾値電圧Ｖｔｈの２乗にほぼ比例すると考えることができる。よって、電流ＩＰＭＯＳはバイアス電圧Ｖｂｓにほぼ比例すると考えることができる。これを式で表すと以下のようになる。
【００６９】
ＩＰＭＯＳ∝Ｖｂｓ      ・・・（３）
さて、電流ＩＰＤは、ダイオードＤ１の特性から電圧ＶＤに対して指数関数的に増大する。逆に言えば、電圧ＶＤは電流ＩＰＤの対数に対して比例する。よって、バイアス電圧Ｖｂｓも電流ＩＰＤの対数に比例する。これを式で表すと以下のようになる。
【００７０】
Ｖｂｓ∝ＬＮ（ＩＰＤ）・・・（４）
ここで、ＬＮ（Ａ）は底がネイピア定数であるＡの指数を示す。
【００７１】
電流ＩＰＤが光量Ｌｕｘにほぼ比例することを考慮しつつ、式（３）および式（４）を考慮すると、式（５）を導くことができる。
【００７２】
ＩＰＭＯＳ∝ＬＮ（Ｌｕｘ）      ・・・（５）
以上のように、電流ＩＰＭＯＳは光量Ｌｕｘの対数にほぼ比例する。図７は、光量Ｌｕｘと電流ＩＰＭＯＳとの関係の一例を概略的に示す実験結果であり、当該関係が折れ線グラフで示されている。図７に例示するように、電流ＩＰＭＯＳが光量Ｌｕｘの対数にほぼ比例している。
【００７３】
一方で、従来のＣＣＤ画像センサ等では、光量に比例したフォトダイオードの電流ＩＰＤをキャパシタ成分で蓄電し、そのキャパシタ成分の電圧値を画素信号として読み出す。このようなＣＣＤ画像センサでは、電圧値（画素信号）は光量Ｌｕｘに比例して増大することとなる。図７の例示では、当該電圧値の光量Ｌｕｘに対する変化を模式的に破線で示している。なお電流ＩＰＭＯＳと上記電圧値とは、初期値が相違するところ、図７では、これらの相違を無視して、光量Ｌｕｘに対する変化の違いを示している。
【００７４】
本画像センサ１００においては、電流ＩＰＤではなく、電流ＩＰＭＯＳを利用する。この電流ＩＰＭＯＳは光量Ｌｕｘの対数に比例するので、光量Ｌｕｘが大きいほど、光量Ｌｕｘの増大に対して電流ＩＰＭＯＳが緩やかに増大する。
【００７５】
ところで、画像センサにおいては、画素信号を適切に読み出すべく、画素信号に上限値が設定される。ＣＣＤ画像センサでは、キャパシタ成分の電圧に上限が設定され、本画像センサ１００には、電流ＩＰＭＯＳに上限が設定される。
【００７６】
そして上述したように、本画像センサ１００では、電流ＩＰＭＯＳの上限に近い領域ほど、電流ＩＰＭＯＳは光量Ｌｕｘの増大に対して緩やかに増大する。したがって、電流ＩＰＭＯＳが上限に至る光量Ｌｕｘの値を向上することができる。つまり、画像センサ１００のダイナミックレンジを向上することができる。
【００７７】
またＣＣＤ画像センサなどでは、ダイナミックレンジを向上すべく、光量に応じて露光時間を制御するところ、本画像センサ１００によれば、そのような露光時間の制御を必要とせずに、ダイナミックレンジを向上できるのである。なお従来のＣＣＤ画像センサ等では、ダイナミックレンジが６０ｄＢ程度であるのに対して、本画像センサ１００では１２０ｄＢ程度のダイナミックレンジを実現できる。つまり、ダイナミックレンジを１０００倍程度に向上できるのである。
【００７８】
＜タイミングチャート＞
図８は、画像センサ１００のタイミングチャートの一例を概略的に示している。図８の例示では、信号ＮＷＲ１，ＮＷＲ２，ＳＥＬ１，ＳＥＬ２が示されている。信号ＮＷＲ１，ＮＷＲ２は、それぞれ第１行目および第２行目のリセット用信号線１２４に出力される信号であり、信号ＳＥＬ１，ＳＥＬ２は、それぞれ第１行目および第２行目の信号線１２２に出力される信号である。実際には、第３行目以降の信号線１２２およびリセット用信号線１２４にも信号が出力されるものの、図８では図示を省略している。
【００７９】
図８の例示では、いわゆるローリングシャッタ方式を用いた場合のタイミングチャートの一例が示されている。以下、具体的に説明する。
【００８０】
初期において信号ＮＷＲ１は活性している。よって、第１行目の画素１１０のリセットスイッチ２０はオンしており、これにより、第１行目の画素１１０に属する受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓは初期値にリセットされる。また初期において信号ＳＥＬ１も非活性である。よって第１行目の画素１１０の画素選択スイッチ３０はオフしており、第１行目の画素１１０は選択されていない。
【００８１】
時点ｔ１において、信号ＮＷＲ１が活性から非活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目の画素１１０のリセットスイッチ２０はターンオフする。これにより、第１行目の画素１１０に属する受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓが、光量Ｌｕｘに応じた値へと変化し始める。そして、上述の通り、光量Ｌｕｘに応じた露光時間が経過することで、バイアス電圧Ｖｂｓがそれぞれの光量Ｌｕｘに応じた値を採る。
【００８２】
予め定められた所定期間Ｔ１が時点ｔ１から経過した時点ｔ２において、信号ＳＥＬ１が非活性から活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目の画素１１０の画素選択スイッチ３０がターンオンする。つまり第１行目の画素１１０が選択される。これにより、第１行目の受光素子１０は光量Ｌｕｘに応じた電流ＩＰＭＯＳを、それぞれ画素選択スイッチ３０を介して信号線１２０へと流す。
【００８３】
次に、予め定められた所定時間が時点ｔ２から経過した時点ｔ３において、信号ＳＥＬ１が活性から非活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目の画素１１０の画素選択スイッチ３０がターンオンする。
【００８４】
さて電流読出部１３０は、時点ｔ２，ｔ３の間の期間において各信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳを、画素信号として検出する。例えば電流読出部１３０は電流ＩＰＭＯＳを電圧に変換しつつ、その電圧値を例えば不図示のアナログデジタルコンバータへと出力する。アナログデジタルコンバータは、アナログデータの電圧値をデジタルデータに変換する。
【００８５】
また、このような動作において、所定期間Ｔ１は露光時間の上限値として機能する。つまり、本画像センサ１００においては、光量Ｌｕｘが小さいほど露光時間が自動的に長くなるところ、光量Ｌｕｘがゼロに近い値を採れば、理論的には、露光時間が無限に近い値を採ることになる。そこで、所定期間Ｔ１によって露光時間の上限値を設定しているのである。これにより、最大でも所定期間Ｔ１で画素信号を取得することができる。
【００８６】
また、図８の例示では、時点ｔ３において信号ＮＷＲ１が非活性から活性へと切り替わっている。これに伴って、第１行目の画素１１０のリセットスイッチ２０がターンオンする。これにより、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓが初期値へと変化し始める。バイアス電圧Ｖｂｓが初期値を採るのに要する十分な期間が経過した時点ｔ５において、信号ＮＷＲ１は再び活性から非活性へと切り替わる。以後、上述した動作を繰り返す。
【００８７】
第２行目の画素１１０についての信号ＮＷＲ２，ＳＥＬ２は、第１行目の画素１１０についての信号ＮＷＲ１，ＳＥＬ１と同様に切り替わるものの、それぞれ信号ＮＷＲ１，ＳＥＬ１よりも遅れて切り替わる。すなわち、信号ＮＷＲ２は、信号ＮＷＲ２が非活性へと切り替わった以後に、活性へと切り替わり、信号ＳＥＬ１は、信号ＳＥＬ１が非活性へと切り替わった以後に、活性へと切り替わる。これにより、第２行目の画素１１０の画素信号は、第１行目の画素１１０の画素信号の読み出しが終了した以後に読み出され、また、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓが初期化された以後に、第２行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓが初期化される。
【００８８】
第３行目以後の画素１１０についても同様であり、それぞれ第ｎ行目の画素１１０は、第（ｎ−１）行目の画素１１０よりも遅れて動作する。
【００８９】
なお、全ての行の画素１１０の画素信号の読出しが終了してから、第１行目の画素１１０の画素信号の読み出しを行うべく、時点ｔ１から時点ｔ５までの期間（フレーム周期）は、画素選択スイッチ３０がオンする期間と行数との積以上の期間である。
【００９０】
＜ゲート電極の材質＞
ゲート電極１４がソース領域１７およびドレイン領域１８と異なる型の半導体（例えばＮ型の半導体）で形成される場合には、同じ型である場合に比べて、閾値電圧Ｖｔｈが大きくなる。この場合には、閾値電圧Ｖｔｈを低減するために、第２半導体層１２のチャネル領域の不純物濃度を調整する必要がある。例えば、チャネル領域を第２半導体層１２の表面ではなく、内部に設けた埋め込みチャネルが採用される。
【００９１】
よって、ゲート電極１４はソース領域１７およびドレイン領域１８と同じ型の半導体（例えばＰ型の半導体）で形成されるとよい。これにより、上記閾値電圧Ｖｔｈの増大を回避しつつ、簡易に画像センサ１００を製造することができる。
【００９２】
＜ゲート電圧の調整＞
複数の画素の１１０の閾値電圧Ｖｔｈは、製造ばらつきによって互いに相違し得る。つまり閾値電圧Ｖｔｈには、画素１１０間において、ばらつきが存在する。このような閾値電圧Ｖｔｈのばらつきは、光量Ｌｕｘに応じた電流ＩＰＭＯＳに誤差を生じさせる。なぜなら、式（２）から理解できるように、電流ＩＰＭＯＳは、ゲート電圧Ｖｇｓと閾値電圧Ｖｔｈとの差に依存するからである。そこで、ここでは閾値電圧Ｖｔｈのばらつきを吸収することを企図する。
【００９３】
電流ＩＰＭＯＳはゲート電圧Ｖｇｓと閾値電圧Ｖｔｈとの差で決まるので、複数の受光素子１０の各ゲート電圧Ｖｇｓを、閾値電圧Ｖｔｈのばらつきに応じて調整することで、閾値電圧Ｖｔｈのばらつきによる電流ＩＰＭＯＳの誤差を低減できることが分かる。
【００９４】
そして閾値電圧Ｖｔｈの画素１１０間のばらつきは、複数の画素１１０において等しいバイアス電圧Ｖｂｓを与えたときの、電流ＩＰＭＯＳで把握することができるので、各受光素子１０の電流ＩＰＭＯＳに応じてゲート電圧Ｖｇｓを調整することを考える。
【００９５】
図９は、画素１１０の内部構成の一例を概略的に示す図である。図９の例示では、画素１１０は、図２の画素１１０に比して、ゲート電圧発生部４０、電流読出部４２および設定用スイッチ４４を更に備えている。
【００９６】
設定用スイッチ４４は、例えばトランジスタであって、直流電源Ｅ１の高電位端と低電位端（接地）との間において、受光素子１０と直列に設けられている。この設定用スイッチ４４がオンすると、光量Ｌｕｘに応じた電流ＩＰＭＯＳが流れる。この電流経路は、画素選択スイッチ３０および信号線１２０とは別の経路である。
【００９７】
この設定用スイッチ４４は、リセットスイッチ２０がオンした状態でオンする。したがって、設定用スイッチ４４がオンするときに流れる電流ＩＰＭＯＳは、バイアス電圧Ｖｂｓが初期値を採る状態での電流である。
【００９８】
設定用スイッチ４４の制御端子には、設定用信号線１２８が接続されている。例えば、設定用信号線１２８は信号線１２２に並行して延在しており、同じ行に属する画素１１０の設定用スイッチ４４に共通して接続されている。この場合、設定用スイッチ４４は行ごとに制御される。設定用信号線１２８も行選択部１３２に接続されて、行選択部１３２が適宜に設定用信号線１２８に信号を出力する。
【００９９】
電流読出部４２は、設定用スイッチ４４がオンしたときに流れる電流ＩＰＭＯＳを検出する。つまり、バイアス電圧Ｖｂｓが初期値を採る状態での電流ＩＰＭＯＳを検出する。検出した電流ＩＰＭＯＳはゲート電圧発生部４０に出力される。なお図９の例示では、電流読出部４２は受光素子１０と設定用スイッチ４４との間に設けられているものの、設定用スイッチ４４と接地との間に設けられもよい。これによれば、画素選択スイッチ３０がオンしたときに信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳ（画素信号）は、電流読出部４２を経由しない。よって電流読出部４２による影響を回避することができる。
【０１００】
ゲート電圧発生部４０は、電流読出部４２から入力された電流ＩＰＭＯＳを入力し、これに基づいて生成したゲート電圧Ｖｇｓを、受光素子１０のゲート電極１４に出力する。より具体的には、ゲート電圧発生部４０は、電流ＩＰＭＯＳと、予め定められた電流設定値と差が所定値よりも下回るように、ゲート電圧Ｖｇｓを調整する。このように電圧レベルを調整する回路は公知であるので、その詳細な説明は省略するものの、例えば増幅率が可制御である増幅回路を採用できる。
【０１０１】
このようなゲート電圧Ｖｇｓの調整は全ての画素１１０において行われる。よって、閾値電圧Ｖｔｈのばらつきに応じて、ゲート電圧Ｖｇｓが調整される。したがって、閾値電圧Ｖｔｈのばらつきを吸収することができる。
【０１０２】
なお、ゲート電圧発生部４０は、設定用スイッチ４４がオンしたときに流れる電流ＩＰＭＯＳに応じてゲート電圧Ｖｇｓを調整すればよいので、その調整動作は、設定用スイッチ４４がオンしている期間のみ行えばよい。そこで、図９の例示では、設定用信号線１２８をゲート電圧発生部４０にも接続している。
【０１０３】
図１０は、画像センサ１００のタイミングチャートの一例を概略的に示す図である。図１０の例示では、第１行目および第２行目の設定用信号線１２８にそれぞれ出力される信号ＣＯＮＦ１，ＣＯＮＦ２も示されている。
【０１０４】
信号ＣＯＮＦ１は、第１行目の信号ＮＷＲ１が活性した状態でのみ（即ち第１行目のリセットスイッチ２０がオンした状態のみ）、オンしている。これにより、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓが初期値を採った状態で、第１行目の設定用スイッチ４４がオンする。設定用スイッチ４４がオンすると、第１行目の受光素子１０は閾値電圧Ｖｔｈのばらつきを反映して電流ＩＰＭＯＳを流す。よって、第１行目の受光素子１０からそれぞれ流れる電流ＩＰＭＯＳは互いに相違している。第１行目の電流読出部４２はそれぞれ電流ＩＰＭＯＳを検出して、対応するゲート電圧発生部４０へと出力する。ゲート電圧発生部４０は、入力された電流ＩＰＭＯＳと、予め設定された電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓを調整し、対応する受光素子１０へと出力する。
【０１０５】
これにより、第１行目の受光素子１０は、共通のバイアス電圧Ｖｂｓ（初期値）が印加された状態で、互いに略等しい電流ＩＰＭＯＳを流すこととなる。これにより、第１行目の受光素子１０における閾値電圧Ｖｔｈのばらつきを吸収することができる。
【０１０６】
信号ＣＯＮＦ１が活性から非活性へと切り替わると、ゲート電圧Ｖｇｓは、再び信号ＣＯＮＦ１が活性するまで、調整された値を維持する。よって、ゲート電圧Ｖｇｓは、読み出し期間（信号ＳＥＬ１が活性する期間）においても、調整された値を維持している。したがって、閾値電圧Ｖｔｈのばらつきを吸収した状態で、光量に応じた電流ＩＰＭＯＳを流すことができる。よって閾値電圧Ｖｔｈのばらつきによる電流ＩＰＭＯＳの誤差を低減することができる。
【０１０７】
第２行目以降についても同様であるので、繰り返しの説明を避ける。
【０１０８】
なお図９の例示では、ゲート電圧発生部４０は画素１１０ごとに設けられていた。しかるにこれに限らない。図１１は、画素１１０の内部構成の一例を概略的に示す図である。図１１の例示では、ゲート電圧発生部４０は画素１１０に設けられずに、画素１１０の外に設けられている。また、画素１１０には、設定用スイッチ４４の替りにゲート用スイッチ４６が設けられている。
【０１０９】
図１０の例示では、ゲート電圧発生部４０は、同じ列に属する複数の受光素子１０に対して一つ設けられている。言い換えれば、複数のゲート電圧発生部４０が、互いに異なる列に設けられている。そしてゲート電圧発生部４０には、電流読出部１３０によって読み出された、対応する列の電流ＩＰＭＯＳが入力される。例えば第１列目のゲート電圧発生部４０には、第１列目の電流ＩＰＭＯＳが入力される。
【０１１０】
ゲート用スイッチ４６は、受光素子１０のゲート電極１４とゲート電圧発生部４０との間に設けられている。言い換えれば、ゲート電圧発生部４０の出力端が、ゲート用スイッチ４６を介して受光素子１０のゲート電極１４に接続される。図１０の例示では、ゲート用スイッチ４６の制御端子は設定用信号線１２８に接続されている。ここでは設定用信号線１２８は信号線１２２と並行に延在しており、同じ行に属する画素１１０のゲート用スイッチ４６の制御端子に共通して接続されている。よって、ゲート用スイッチ４６は行ごとに制御される。
【０１１１】
ゲート電圧発生部４０は、図１２を参照して後に説明するように、受光素子１０の一つに接続されたリセットスイッチ２０、ゲート用スイッチ４６および画素選択スイッチ３０をオンした状態で信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳを、電流読出部１３０から入力し、入力された電流ＩＰＭＯＳと電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、電圧を出力する動作を、受光素子１０を異ならせて繰り返し行う。
【０１１２】
図１２は画像センサ１００のタイミングチャートの一例を示す図である。図１２の例示では、初期から時点ｔ１１までの期間において、信号ＮＷＲ１，ＣＯＮＦ１，ＳＥＬ１が活性している。よって、この期間では、第１行目のリセットスイッチ２０、ゲート用スイッチ４６および画素選択スイッチ３０はオンしている。
【０１１３】
第１行目のリセットスイッチ２０がオンしているので、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓは初期値を採る。また第１行目の画素選択スイッチ３０がオンしているので、複数の信号線１２０には、第１行目の受光素子１０の電流ＩＰＭＯＳがそれぞれ流れている。電流読出部１３０は信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳを読み出して、これを、対応するゲート電圧発生部４０へと出力する。
【０１１４】
また第１行目のゲート用スイッチ４６がオンしているので、ゲート電圧発生部４０の出力は、第１行目の受光素子１０のゲート電極１４に印加される。ゲート電圧発生部４０は、入力された電流ＩＰＭＯＳと電流設定との差が所定値よりも小さくなるように、出力電圧を調整して出力する。出力電圧は、ゲート電圧Ｖｇｓとして第１行目の受光素子１０に印加される。
【０１１５】
時点ｔ１１において、信号ＣＯＮＦ１，ＳＥＬ１が活性から非活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目のゲート用スイッチ４６および画素選択スイッチ３０がターンオフする。第１行目のゲート用スイッチ４６のオフによって、第１行目の受光素子１０のゲート電圧Ｖｇｓは、それぞれ第１行目の受光素子１０の寄生容量で維持される。また第１行目の画素選択スイッチ３０のオフによって、各信号線１２０に流れる電流ＩＰＭＯＳは一旦、零となる。
【０１１６】
時点ｔ１１の後の時点ｔ１２において、信号ＮＷＲ１が活性から非活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目のリセットスイッチ２０がターンオフする。これにより、第１行目の受光素子１０において、バイアス電圧Ｖｂｓがそれぞれ光量に応じた値へと変化し始める。そして、光量に応じた露光時間が経過することで、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓがそれぞれの光量に応じた値を採る。
【０１１７】
時点ｔ１２から所定期間Ｔ１が経過した時点ｔ１３において、信号ＳＥＬ１が非活性から活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目の画素選択スイッチ３０をターンオンする。これにより、第１行目の受光素子１０はそれぞれ光量に応じた電流ＩＰＭＯＳを信号線１２０に流す。
【０１１８】
時点ｔ１３の後の時点ｔ１４において、信号ＮＷＲ１，ＣＯＮＦ１が非活性から活性へと切り替わる。これに伴って、第１行目のリセットスイッチ２０およびゲート用スイッチ４６がターンオンする。これによって、第１行目の受光素子１０のバイアス電圧Ｖｂｓのいずれもが再び初期値を採り、各信号線１２０を流れる電流ＩＰＭＯＳは光量を反映しなくなる。そして、時点ｔ１４の後の時点ｔ１５において、信号ＣＯＮＦ１，ＳＥＬ１が活性から非活性へと切り替わる。これにより、電流ＩＰＭＯＳが再び零となる。
【０１１９】
さて時点ｔ１３，ｔ１４の間の期間において流れる電流ＩＰＭＯＳは光量を反映した電流であるので、電流読出部１３０はこの期間に流れる電流ＩＰＭＯＳを画素信号として読み出す。
【０１２０】
一方で、時点ｔ１４，ｔ１５の間で信号線１２０に流れる電流ＩＰＭＯＳは、バイアス電圧Ｖｂｓが初期値を採るときの電流であり、ゲート電圧Ｖｇｓを決定するときに用いられる電流である。よって、このときに流れる電流ＩＰＭＯＳは、電流読出部１３０によって、それぞれ対応するゲート電圧発生部４０へと出力される。ゲート電圧発生部４０は入力された電流ＩＰＭＯＳに応じてゲート電圧Ｖｇｓを調整する。以後は、上述の動作を繰り返す。
【０１２１】
第２行目以降の動作についても第１行目と同様であるものの、上記動作を行ごとに順次に行うべく、第ｎ行目の動作は第（ｎ−１）行目の動作よりも遅れて行われる。
【０１２２】
以上のように、ゲート電圧発生部４０は、同じ列に属する複数の受光素子１０に対して一つ設けられつつも、これらの受光素子１０に対して適切なゲート電圧Ｖｇｓを個別に与えることができる。この構造によれば、ゲート電圧発生部４０が画素１１０ごとに設けられる場合に比べて、ゲート電圧発生部４０の個数を低減できる。よって、回路規模および製造コストを低減することができる。
【０１２３】
なおゲート電圧発生部４０は、設定用信号線１２８の信号のいずれかが活性しているときのみ動作すればよい。よって、全ての行の設定用信号線１２８の信号の論理和たる信号ＣＯＮＦをゲート電圧発生部４０に入力し、この信号ＣＯＮＦが活性しているときのみ、ゲート電圧発生部４０が動作してもよい。これによれば、不要な動作を回避することができる。これは例えば消費電力の低減に資する。
【０１２４】
また、上述の例では、画素信号が読み出されるたびに、ゲート電圧Ｖｇｓが調整されるものの、ゲート電圧Ｖｇｓの調整は最初の１回のみであってもよい。或いは、ある行の画素信号が複数回読み出されるたびに、その行の受光素子１０のゲート電圧Ｖｇｓを調整してもよい。
【０１２５】
また上述の例では、受光素子１０はいわゆるＰ型のＭＯＳ電界効果トランジスタと同様の構成を有しているものの、Ｎ型のＭＯＳ電界効果トランジスタと同様の構成を有していてもよい。
【０１２６】
第２の実施の形態．
図１３は受光素子１０の構成とその周辺回路の構成の一例を概略的に示す図である。図１３では、リセットスイッチ２０の構成の一例も示されている。例えばリセットスイッチ２０はゲート電極２１とドレイン領域２２とソース領域２３と絶縁層２４とを備えている。ドレイン領域２２およびソース領域２３は例えば半導体層１１の上部に形成される。ドレイン領域２２およびソース領域２３は半導体層１１の型（ここではＰ型）とは別の型（ここではＮ型）の半導体層である。
【０１２７】
ソース領域２３は配線を介して半導体層１２と接続されている。図１３の例示では、半導体層１２の上部には、半導体層１２と同じ型であって不純物濃度が高い半導体層１２１が形成されており、この半導体層１２１とソース領域２３とが配線で接続されている。半導体層１２１によって、半導体層１２とソース領域２３とを低抵抗で接続することができる。
【０１２８】
半導体層１１の上には、少なくともドレイン領域２２とソース領域２３との間において、絶縁層２４が設けられている。この絶縁層２４の上には、ゲート電極２１が設けられている。言い換えれば、ゲート電極２１は、ドレイン領域２２とソース領域２３との間の部分に対して、絶縁層２４を介して対面する。
【０１２９】
このようなリセットスイッチ２０は、いわゆるＭＯＳ電界効果トランジスタである。
【０１３０】
図１３の例示では、周辺回路として、電圧制御回路１４０と、センサ出力回路１５０と、画素信号制御回路１６０とが設けられている。
【０１３１】
電圧制御回路１４０は、後に詳述するように、センサ出力回路１５０が出力する画素信号に基づいて、次で説明する電圧の少なくともいずれか一つを制御する。即ち、ドレイン電極１６に印加される電源電位（以下、電源電圧ＰＶＤＤとも呼ぶ）、ゲート電極１４に印加されるゲート電圧Ｖｇｓ、および、半導体層１２に印加される電位（以下、ウェル電圧ＶＷＥＬＬとも呼ぶ）の少なくともいずれか一つを制御する。以下では、この電圧を総称して制御対象電圧とも呼ぶことがある。
【０１３２】
図１３の例示では、電圧制御回路１４０は、電源電圧制御回路１４１と、ゲート電圧制御回路１４２と、ウェル電圧制御回路１４３とを備えている。
【０１３３】
電源電圧制御回路１４１は、その出力側においてドレイン電極１６と接続されており、可変の電源電圧ＰＶＤＤを、ドレイン電極１６を介してドレイン領域１８へと出力する。可変の電圧を出力する回路は公知であるので詳細な説明を省略するものの、例えば増幅率が制御可能な増幅器を採用することができる。また電源電圧制御回路１４１は、画素信号制御回路１６０から電源電圧ＰＶＤＤの値についての指令を受け取る。電源電圧制御回路１４１はこの指令に基づいた電源電圧ＰＶＤＤを出力する。なお、この電源電圧制御回路１４１は第１の実施の形態でいう直流電源Ｅ１に相当する。
【０１３４】
ゲート電圧制御回路１４２は、その出力側においてゲート電極１４と接続されており、可変のゲート電圧Ｖｇｓをゲート電極１４へと出力する。可変の出力電圧を出力する回路としては、例えば増幅率が制御可能な増幅器を採用することができる。ゲート電圧制御回路１４２は画素信号制御回路１６０からゲート電圧Ｖｇｓの値についての指令を受け取り、この指令に基づいたゲート電圧Ｖｇｓを出力する。なお、ゲート電圧制御回路１４２は、第１の実施の形態でいうゲート電圧発生部４０と同様の機能を有するものの、ゲート電圧Ｖｇｓの決定方法が相違する。第２の実施の形態では、後に具体例を詳述するように、画素信号に応じてゲート電圧Ｖｇｓを決定するのである。
【０１３５】
ウェル電圧制御回路１４３は、半導体層１２に印加される電位（以下、ウェル電圧ＶＷＥＬＬと呼ぶ）を制御するための回路である。図１３の例示では、リセットスイッチ２０を利用して、可変のウェル電圧ＶＷＥＬＬを半導体層１２に出力する。例えば、ウェル電圧制御回路１４３はリセットスイッチ２０のゲート電極２１に接続されるとともに、ドレイン領域２２にも接続されている。なお、ウェル電圧制御回路１４３は不図示の電極を介してドレイン領域２２に接続される。
【０１３６】
ウェル電圧制御回路１４３は、ゲート電極２１へと可変のゲート電圧ＶＲｇｓを出力するとともに、ドレイン領域２２へと可変の電圧ＰＶＲＤＤを出力する。ゲート電圧ＶＲｇｓおよび電圧ＰＶＲＤＤを制御することによって、半導体層１２に印加されるウェル電圧ＶＷＥＬＬを制御することができる。例えば電圧ＰＶＲＤＤを増大させることで、ウェル電圧ＶＷＥＬＬを増大させることができる。可変の出力電圧を出力する回路としては、例えば増幅率が制御可能な増幅器を採用することができる。ウェル電圧制御回路１４３は、例えば、ゲート電圧Ｖｇｓ用の当該回路と、電圧ＰＶＲＤＤ用の当該回路とを含む。
【０１３７】
ウェル電圧制御回路１４３は、画素信号制御回路１６０からウェル電圧ＶＷＥＬＬの値についての指令を受け取り、この指令に基づいたウェル電圧ＶＷＥＬＬを半導体層１２に印加すべく、ゲート電圧ＶＲｇｓおよび電圧ＰＶＲＤＤを出力する。
【０１３８】
なお第１の実施の形態では、一例として、リセットスイッチ２０がオフした状態で、画素１１０が光量を検出した。そして、リセットスイッチ２０のオンは、半導体層１２の電位を初期化するために用いられた。しかるに、第２の実施の形態では、必ずしもこれに限らない。例えばリセットスイッチ２０がオンした状態、即ち、ウェル電圧ＶＷＥＬＬが半導体層１２に印加された状態で、画素１１０が電流ＩＰＭＯＳを出力してもよい。この場合であっても、例えば特許文献２に記載のように、ドレイン領域１８、ゲート電極１４およびソース領域１７からなる経路でのトンネル効果によっても、光量に応じた電流ＩＰＭＯＳが流れる。
【０１３９】
センサ出力回路１５０は、その入力側において、受光素子１０のソース電極１５に接続されている。センサ出力回路１５０は、例えば上述の画素選択スイッチ３０および電流読出部１３０を含んでいる。センサ出力回路１５０（より具体的には電流読出部１３０）は電流ＩＰＭＯＳを、画素信号として出力する。この画素信号は画素信号制御回路１６０へと入力される。
【０１４０】
画素信号制御回路１６０は画素信号を入力し、その画素信号に基づいて、電圧制御回路１４０へと指令を出力して、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御する。よって、画素１１０が出力する画素信号に基づいて、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬが制御されることとなる。
【０１４１】
例えば、画素信号制御回路１６０は、画素信号によって示される画素値が上限値よりも大きいときに、画素値を低減すべく、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御してもよい。図１４はかかる制御の一例を示すフローチャートである。まずステップＳＴ１にて、画素信号制御回路１６０は、センサ出力回路１５０が出力する画素値が上限値よりも大きいか否かを判断する。この判断は、周知の比較器を用いて行うことができる。後述する他の比較においても同様であるので、以下では繰り返しの説明を避ける。上限値および基準値は例えば予め定められて、所定の記憶媒体（不図示）に記憶されていればよい。また基準値としては零を採用することもできる。
【０１４２】
ステップＳＴ１にて画素値が上限値よりも小さいと判断したときには、再びステップＳＴ１を実行する。
【０１４３】
ステップＳＴ１にて画素値が基準値よりも大きいと判断したときには、ステップＳＴ２にて、画素信号制御回路１６０は、画素値を低減すべく、制御対象電圧を制御する。例えば、画素信号制御回路１６０は、電源電圧ＰＶＤＤを低減する指令を電源電圧制御回路１４１へと出力したり、或いは、ゲート電圧Ｖｇｓを低減する指令をゲート電圧制御回路１４２へと出力したり、或いは、ウェル電圧ＶＷＥＬＬを低減する指令をウェル電圧制御回路１４３へと出力する。
【０１４４】
ゲート電圧制御回路１４２はこの指令に応じてゲート電圧Ｖｇｓを低減して、これをゲート電極１４へと出力する。或いは、電源電圧制御回路１４１はこの指令に応じて電源電圧ＰＶＤＤを低減し、これをドレイン領域１８へと出力する。或いは、ウェル電圧制御回路１４３はこの指令に応じて、ウェル電圧ＶＷＥＬＬを低減するように、ゲート電圧ＶＲｇｓおよび電圧ＰＶＲＤＤの少なくともいずれか一方を変更する。これにより、電流ＩＰＭＯＳが低減して画素値を低減することができる。よって画素値が上限値を超えることを抑制できる。画素値が上限値を超えると、光量を適切に検出できないところ、そのような不備を回避できるのである。
【０１４５】
なお、電圧制御回路１４０は、全ての画素１１０の受光素子１０に対して共通の制御対象電圧を出力してもよい。例えば、複数の画素１１０の画素値のいずれか一つと上限値との差が基準値を超えたときに、その画素１１０の画素値が低減するような制御対象電圧を、全ての画素１１０の受光素子１０に対して共通して出力してもよい。
【０１４６】
また、画素値に基づく制御対象電圧の制御は上述の例に限らず、適宜に変更してもよい。
【０１４７】
図１３の例示では、一つの画素１１０の画素信号（画素値）に基づいて制御対象電圧を制御しているものの、必ずしもこれに限らない。複数の画素１１０の画素信号に基づいて制御対象電圧を制御してもよい。図１５は、画像センサ１００の一例を示す図である。図１５の例示では、画素アレイ１０１と、露光制御回路２００と、ノイズ除去／ゲインコントロール回路２１０と、ＡＤ変換回路２２０と、画像信号処理回路２３０と、画像センサ制御回路２４０とが設けられている。
【０１４８】
画素アレイ１０１は、上述の複数の画素１１０と、行選択部１３２と、電流読出部１３０と、電圧制御回路１４０とを備えている。
【０１４９】
露光制御回路２００は、画像信号処理回路２３０からの情報（後述）に基づいて、画素１１０の露光時間を制御する。例えば、リセットスイッチ２０へとリセット信号を送信するタイミングを制御することにより、露光時間を制御してもよい。露光時間は第１の実施の形態で述べたように、光量に応じて決定されるものの、リセットスイッチ２０がオンするタイミングによっても、露光時間を変更し得るからである。
【０１５０】
或いは、例えばシャッタ（不図示）が設けられていてもよい。このシャッタは受光素子１０への光の通過／遮断を選択することができる。シャッタが開いているときには、受光素子１０へと光が入射され、シャッタが閉じているときには受光素子１０への光が遮断される。よってこのシャッタの開閉を制御することで、露光時間を制御してもよい。
【０１５１】
ノイズ除去／ゲインコントロール回路２１０は、画素アレイ１０１から出力される画素信号に対してノイズ除去処理を施したり、あるいは、増幅処理を施すことにより、画素信号を補正する。かかるノイズ除去処理および増幅処理は周知の回路によって実現できる。
【０１５２】
ＡＤ変換回路２２０は、ノイズ除去／ゲインコントロール回路２１０から出力されるアナログデータの画素信号をデジタルデータの画素信号に変換し、これを画像信号処理回路２３０へと出力する。
【０１５３】
画像信号処理回路２３０は、画素信号に対して種々の画像処理を施すことができる。例えば、画像信号処理回路２３０は、画像統計処理部２３１と、逆対数変換部２３２と、補正処理部２３３とを備えている。
【０１５４】
逆対数変換部２３２は、画素信号（画素値）に対して逆対数変換を行う。画素値が光量の対数に比例する場合に、画素値に対して逆対数変換を施すことで、変換後の画素値を光量に比例させるのである。これにより、リニア領域で画素値を取り扱うことができる。
【０１５５】
したがって、光量と画素値とが比例する従来の画像センサ用の画像処理を、そのまま適用することが可能となる。例えば補正処理部２３３は、画像信号に対して画素補間処理、ガンマ補正、エッジ強調、色補正などの画像処理を施す。上述のように、逆対数変換部２３２による変換後の画素値を用いれば、例えば従来のガンマ補正をそのまま採用することができるのである。その他の画像処理についても同様に、光量と画素値とが比例する従来の画像センサ用の画像処理をそのまま採用することができる。
【０１５６】
画像統計処理部２３１は、画素信号に基づいて統計値（以下、画像統計情報とも呼ぶ）を演算する。画像統計情報としては、任意の統計情報を用いればよいものの、例えば全ての画素１１０の画素信号についての最大値、最小値、総和、平均値、最頻値、分散値および標準偏差などの少なくともいずれかを採用することができる。なお、以下では、全ての画素１１０の画素信号によって構成される信号を画像信号とも呼ぶ。
【０１５７】
例えば画像統計情報として、画素信号の総和あるいは平均値を採用してもよい。この総和あるいは平均値は画像の全体的な明るさを示すこととなる。画像センサ制御回路２４０は、例えば画像統計情報（明るさ）に応じて感度を調整すべく、制御対象電圧を制御してもよい。例えば図１６に示すように、ステップＳＴ１０にて、画像センサ制御回路２４０は、画像統計情報と所定の明るさ基準値とを比較し、画像統計情報が明るさ基準値よりも小さいか否かを判断する。この明るさ基準値は予め設定されて、所定の記憶媒体に記憶されている。
【０１５８】
ステップＳＴ１０にて画像統計情報が明るさ基準値よりも大きいと判断したときには、ステップＳＴ１０を再び実行する。
【０１５９】
ステップＳＴ１０にて画像統計情報が明るさ基準値よりも小さいと判断したときには、ステップＳＴ１１にて、例えば感度を大きくすべく、画像センサ制御回路２４０は、電源電圧制御回路１４１、ゲート電圧制御回路１４２およびウェル電圧制御回路１４３の少なくともいずれか一つに指令を出力する。つまり画像が暗いときには感度を増大すべく、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御するのである。例えば当該指令を受け取った電源電圧制御回路１４１は電源電圧ＰＶＤＤを増大させて出力する。これにより、感度が大きくなるので、より明るい画像信号を得ることができる。
【０１６０】
なお、上述のように、明るさを二値で判断する必要はなく、多値で判断してもよい。あるいは、明るさに応じて連続的に制御対象電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬ）を制御してもよい。この点は他に述べる制御についても同様であるので、繰り返しの説明を避ける。
【０１６１】
さて、感度を高くすれば露光時間を短縮することも可能である。つまり短い露光時間で画像信号を得ることができる。これは高速物体の撮像に適している。逆に言えば、短い露光時間が要求されるときには、画像センサ制御回路２４０は、感度を向上すべく、電源電圧制御回路１４１、ゲート電圧制御回路１４２およびウェル電圧制御回路１４３の少なくともいずれか一つに指令を出力してもよい。
【０１６２】
また感度を高くすると、暗電流が増大する傾向がある。暗電流とは、光量とは無関係に流れる電流ＩＰＭＯＳである。そこで、画像センサ制御回路２４０は暗電流を低減すべく、ウェル電圧ＶＷＥＬＬを制御してもよい。上述のようにウェル電圧ＶＷＥＬＬを変更すれば、基板バイアス効果により、閾値電圧Ｖｔｈを制御することができるので、暗電流を制御することができるのである。より具体的には、閾値電圧Ｖｔｈを増大するように、ウェル電圧ＶＷＥＬＬを変更してもよい。これにより、暗電流を低減することができる。よって高いＳＮ比を実現することができる。
【０１６３】
またこのように暗電流を低減することができるので、別途に暗電流を低減するためのアナログ回路等を不要にでき、製造コストを低減することができる。
【０１６４】
また例えば画像統計情報として、全ての画素１１０の画素値の最大値および最小値の差を採用しても構わない。この画像統計情報が大きいほど、大きいダイナミックレンジが必要である。そこで、この画像統計情報が大きいときには、ダイナミックレンジを増大するように、制御対象電圧を制御してもよい。
【０１６５】
例えば図１７に示すように、ステップＳＴ２０にて、画像センサ制御回路２４０はこの画像統計情報（最大値と最小値との差）とレンジ基準値とを比較し、当該差がレンジ基準値よりも大きいか否かを判断する。レンジ基準値も例えば予め定められて、所定の記憶媒体に記憶されている。
【０１６６】
ステップＳＴ２０にて、画像統計情報がレンジ基準値よりも小さいと判断されると、ステップＳＴ２０を再び実行する。
【０１６７】
ステップＳＴ２０にて画像統計情報がレンジ基準値よりも大きいと判断したときには、ステップＳＴ２１にて、画像センサ制御回路２４０は、ダイナミックレンジを増大すべく、電源電圧制御回路１４１、ゲート電圧制御回路１４２およびウェル電圧制御回路１４３の少なくともいずれか一つに指令を出力する。つまり、ダイナミックレンジを増大すべく、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御する。例えば指令を受け取った電源電圧制御回路１４１は電源電圧ＰＶＤＤを増大させて出力する。これにより、光量と電流ＩＰＭＯＳとの指数性が強くなるので、ダイナミックレンジを向上できるのである。
【０１６８】
なお光量と電流ＩＰＭＯＳとの対数関係は、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの組ごとに、予め所定の記憶媒体に記憶されていてもよい。そして、逆対数変換部２３２に、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬを入力し、逆対数変換部２３２がこれらの電圧に応じた対数関係を記憶媒体から読み出し、これを用いて画素信号に対して逆対数変換を施せばよい。これにより、適切に画素信号をリニア領域で取り扱うことができる。
【０１６９】
なお、光量と電流ＩＰＭＯＳとの関係は、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬによって調整できる。具体的には、光量と電流ＩＰＭＯＳとの関係を対数ではなく略線形にすることもできる。この場合には、逆対数変換部２３２は必ずしも必要ではない。
【０１７０】
また、画像信号処理回路２３０は、露光制御を行うための画像処理を行うこともできる。例えば、露光制御では、画像の明るさに応じて、露光制御回路２００における露光時間、および、ノイズ除去／ゲインコントロール回路２１０におけるゲインの少なくとも一方を制御する場合がある。より具体的な一例として、画像統計処理部２３１は全ての画素１１０の画素信号（画素値）を積算して全体的な明るさを算出し、その明るさに基づいて露光時間を決定してもよい。例えば明るいときには、露光制御回路２００は露光時間を短く設定する。これにより、より適切な露光時間で画素信号を得ることができる。
【０１７１】
本実施の形態では、上述のように、明るさを電源電圧ＰＶＤＤ、ゲート電圧Ｖｇｓおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つによって調整してもよい。明るさに応じて露光時間が制御されることに鑑みると、本実施の形態では、露光時間をこれらの電圧に基づいても調整することとなる。つまり、画像センサ制御回路２４０および露光制御回路２００が互いに協働して、露光制御を行うこととなる。制御パラメータの数が増えるので、露光についての制御性を向上することができる。
【０１７２】
なお、上述した制御方法は一例であって、これに限るものではない。要するに、画像統計情報に基づいて、制御対象電圧を制御すればよい。
【０１７３】
第２の実施の形態によれば、画素信号に応じたフィードバック系を構築することができるので、画像信号に応じた適切な特性（例えば感度またはダイナミックレンジ等）で撮像を行うことができるのである。
【０１７４】
またゲート電圧Ｖｇｓは印加されなくてもよい。例えばゲート電極１４はいわゆるフローティング状態であってもよい。この場合、ゲート電圧Ｖｇｓが出力されないので、当然にゲート電圧制御回路１４２は設けられない。
【０１７５】
また、制御対象電圧としては、電源電圧ＰＶＤＤ、ゲート電圧Ｖｇｓおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを採用すればよく、電源電圧制御回路１４１、ゲート電圧制御回路１４２およびウェル電圧制御回路１４３は、採用する制御対象電圧に応じて適宜に設けられればよい。
【０１７６】
また第２の実施の形態によれば、画像信号に基づいてゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬを制御するフィードバック系を構築しているので、画素信号の安定化にも資する。特に、本画像センサ１００の感度は従来のセンサ（例えばＣＩＳ（コンタクトイメージセンサ））などに比べて高く、１万倍以上である。また、ダイナミックレンジは１２０ｄＢ以上である。しかるに、感度が高くダイナミックレンジも高いからこそ、本画像センサ１００の出力（画素信号）は、製造プロセスの変動または電源変動等の変動要因にも、センシティブに反応し得る。
【０１７７】
そこで、画素１１０の出力に応じて、電源電圧ＰＶＤＤ、ゲート電圧Ｖｇｓおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御することで、安定した出力を得てもよい。例えば、明るさ（画素値の総和または平均値）が一定の範囲内に収まるように、ゲート電圧Ｖｇｓ、電源電圧ＰＶＤＤおよびウェル電圧ＶＷＥＬＬの少なくともいずれか一つを制御してもよい。
【０１７８】
＜消費電力＞
また例えば電源電圧ＰＶＤＤが大きいほど、消費電力は大きいので、電源電圧ＰＶＤＤを低減することで、消費電力を低減できる。例えば図１８では、電池３１０と電池残量検出部３００とが設けられている。電池３１０は、いわゆるバッテリであって、上述の各回路に対して電源を供給する。電池残量検出部３００は電池３１０の電池残量を検出し、これを画像センサ制御回路２４０へと出力する。
【０１７９】
画像センサ制御回路２４０は電池残量が少ないときに、消費電力を低減すべく、電源電圧ＰＶＤＤを低減する指令を電源電圧制御回路１４１へと出力してもよい。より具体的には、例えば画像センサ制御回路２４０は電池残量と残量基準値とを比較する。この残量基準値は例えば予め定められており、所定の記憶媒体に記憶されている。そして、電池残量が残量基準値よりも小さいと判断したときには、画像センサ制御回路２４０は電源電圧ＰＶＤＤを低減すべく、電源電圧制御回路１４１へと指令を出力する。これにより、電池３１０の残量が零になるタイミングを遅らせることができる。言い換えれば、画像センサ１００の動作時間を延長することができる。
【０１８０】
＜エリアの設定＞
複数の画素１１０によって構成されるエリアを設定し、エリアごとに制御対象電圧を制御してもよい。これらの複数のエリアは一つの画像を構成し、例えば複数のエリアは互いに重複しない。また、各画素１１０は、いずれか一つのエリアに属する。例えば図１９に示される通り、複数の画素１１０はマトリクス状に配置されている。図１９の例示では、縦３個および横３個の合計９個の画素１１０によってエリアＢ１が形成される。これらのエリアＢ１もマトリクス状に配置されることとなる。
【０１８１】
例えば電圧制御回路１４０はエリアＢ１ごとに設けられてもよい。図２０は、一つエリアＢ１と、一つの電圧制御回路１４０との一例を概略的に示す図である。なお図２０では、画素１１０の内部には、受光素子１０およびリセットスイッチ２０のみを示し、その他については省略している。
【０１８２】
図２０の例示では、一つのエリアＢ１に対応して一つの電圧制御回路１４０が設けられている。より具体的に説明すると、電源電圧制御回路１４１は、エリアＢ１に属する全ての受光素子１０のドレイン領域１８に共通して接続され、ゲート電圧制御回路１４２は、エリアＢ１に属する全ての受光素子１０のゲート電極１４に共通して接続される。ウェル電圧制御回路１４３は、エリアＢ１に属する全てのリセットスイッチ２０のゲート電極２１に共通して接続されるとともに、全てのリセットスイッチ２０のドレイン領域２２にも接続される。これにより、エリアＢ１ごとに制御対象電圧を制御することができる。
【０１８３】
例えば画像センサ制御回路２４０が画像統計情報に基づいて、電圧制御回路１４０ごとに指令を出力することで、画像信号に基づくフィードバック系をエリアＢ１ごとに構築することができる。これにより、エリアＢ１ごとに画像センサ１００の特性（例えば感度またはダイナミックレンジなど）を制御することができる。
【０１８４】
また、電圧制御回路１４０は画素１１０ごとに設けられても構わない。これによれば、画素１１０ごとに制御対象電圧を制御することができる。
【０１８５】
図２１では、電圧制御回路群１４４が設けられている。電圧制御回路群１４４は、例えば複数の電圧制御回路１４０を有しており、例えば、エリアＢ１ごとに電圧制御回路１４０が設けられている（図２０も参照）。電圧制御回路群１４４は、ブロック単位で指令を出力するためのデコーダ回路１３３によって制御されてもよい。
【０１８６】
なお電圧制御回路１４０は、例えば同じ列に属する複数のエリアＢ１に対応して設けてもよい。この場合、電圧制御回路１４０は、エリアＢ１の列の数と同じ数だけ設けられる。そして、行ごとに異なるタイミングでエリアＢ１の露光を行えばよい。つまり、ある第１行のエリアＢ１の露光を行っているときには、その第１行のエリアＢ１の制御対象電圧が互いに独立して制御される。そして、次の第２行のエリアＢ１の露光を行うときには、各列の電圧制御回路１４０が制御対象電圧を制御する。これにより、その第２行のエリアＢ１の制御対象電圧が互いに独立して制御されることとなる。以後、同様である。
【０１８７】
同様に、電圧制御回路１４０は同じ行に属する複数のエリアＢ１に対応して設けられてもよい。この場合、列ごとに異なるタイミングでエリアＢ１の露光を行えばよい。
【０１８８】
かかる構成は、例えばコンピュータビジョンに適している。コンピュータビジョンでは、画像信号に対して種々の処理を行い、画像内に存在する物体等を認識したり、画像内の文字を認識したりする。かかるコンピュータビジョンにおいて、画像のエリアＢ１ごとに適した感度またはダイナミック等を設定することは、例えば以下の点で好適である。
【０１８９】
コンピュータビジョンにおいて、人が画像を見る必要がない場合には、その映像の美しさ、および、人にとっての見やすさは必要にされない。例えば、車両に画像センサ１００を搭載し、この画像センサ１００によって撮像される画像信号に基づいて車両の制御（例えば加速、減速および操舵の少なくとも一方など）を行う場合などでは、必ずしも画像を人に表示する必要はない。この場合、エリアＢ１ごとに大きく異なる感度または大きく異なるダイナミックレンジで撮像を行ったとしても、問題はない。
【０１９０】
そこで、コンピュータが画像信号に基づく識別を容易にすべく、コンピュータにとって識別しやすい画像を生成することが望ましい。例えば、人物が写っている領域が認識されると、その後の撮像では、人物判定を容易にすべく、当該領域に属するエリアＢ１におけるコントラストを、他のエリアＢ１に比べて向上してもよい。例えば光量に対する電流ＩＰＭＯＳの線形性を向上すべく、電源電圧ＰＶＤＤを他のエリアＢ１に比べて小さくしてもよい。これにより、ダイナミックレンジは狭まるものの、コントラストを向上できるので、人物判定を容易にできる。
【０１９１】
以上のように、エリアＢ１ごとに感度またはダイナミックレンジを制御することで、画像のコントラストをエリアＢ１ごとに最適化することができ、画像認識の性能を向上することができるのである。
【０１９２】
＜画素ごとの電源供給＞
また、電源電圧制御回路１４１によって、画素１１０ごとに、あるいはエリアＢ１ごとに、電源電圧ＰＶＤＤを制御できる。よって、電源電圧制御回路１４１は、その一部の画素１１０のみに対して、電源電圧ＰＶＤＤを出力し、他の画素１１０に対しては電源電圧ＰＶＤＤを出力しなくてもよい。これによれば、一部の画素１１０のみを動作させ、当該一部の画素１１０のみの画像センサ１００を構築することができる。
【０１９３】
なお第２の実施の形態では、リセットスイッチ２０を用いてウェル電圧ＶＷＥＬＬを制御しているものの、リセットスイッチ２０を用いずに、直接にウェル電圧制御回路１４３が半導体層１２１へと可変のウェル電圧ＶＷＥＬＬを出力してもよい。
【０１９４】
また、画像センサ１００は複数の画素１１０を有するエリアセンサあるいはラインセンサであってもよく、一つの画素１１０のみからなるセンサ（例えば照度センサ）であってもよい。
【０１９５】
また上述した各種の機能部または回路は、ハードウェアで構成されてもよく、ソフトウェアで構成されてもよい。
【０１９６】
また上述した画像センサ１００は、可視光のみならず、可視光以外の光を受光するセンサとしても有効である。例えば、近赤外線および近紫外線の少なくともいずれか一方を、受光の対象とすることができる。
【０１９７】
以上のように、画像センサ１００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】
【０１９８】
１０  受光素子
１１，１２  半導体層
１３  絶縁層
１４  ゲート電極
１５  ソース電極
１６  ドレイン電極
２０  リセットスイッチ
３０  画素選択スイッチ
４０  ゲート電圧発生部
４２，１３０  電流読出部
１４０  電圧制御回路
１４１  電源電圧制御回路
１４２  ゲート電圧制御回路
１４３  ウェル電圧制御回路
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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