像素装置、图像传感器和操作像素装置的方法与流程

本发明涉及像素装置、图像传感器、光电设备和用于操作像素装置的方法。

背景技术：

1、cmos图像传感器用于广泛的应用中，诸如用于相机?？楹椭悄艿缁?、平板计算机、膝上型计算机等。对于一些应用，需要高动态范围(hdr)，例如高于85db。动态范围(dr)在一方面受到低光条件下的本底噪声的限制，并且在另一方面受到高光条件下的饱和效应的限制。

2、为了解决饱和问题，已经开发了一些方法，其可以被分类为线性响应方法和非线性响应方法。例如，对数压缩、拐点压缩、时间戳转换、光频转换属于非线性响应方法。线性响应方法可以进一步细分为多次曝光和单次曝光方法。多次曝光方法包括利用具有不同积分时间的多个帧的方法或利用具有不同积分时间的线或像素交错的方法。单次曝光方法包括例如多增益读出或多灵敏度复合。

3、大多数可用的dr技术具有被设计用于滚动快门像素但对全局快门不友好的问题。在滚动快门模式中，像素矩阵的像素由光源照明。在照明期间，像素被顺序曝光并逐行读出。这意味着，像素矩阵在整个读出过程期间被照明。滚动快门模式实现了图像传感器的高分辨率，但是可能伴随有其他缺点，如长照明时间和动态或颜色伪影，特别是如果滚动快门模式与前述dr技术之一组合时。

4、在全局快门模式中，像素矩阵的所有像素在同一时间段期间曝光。因此，需要比滚动快门模式显著更短的照明时间。在积分时间结束时，像素矩阵的所有行的电荷转移操作同时发生。信号被存储在像素级存储器中并随后被读出。包括前述dr技术之一的已知全局快门像素装置遭受需要附加电路组件并且具有大的像素间距的问题。

技术实现思路

1、要实现的目的是提供一种具有高动态范围的像素装置和用于操作这种像素装置的方法。另一个目的是提供一种包括根据像素装置的像素的阵列的图像传感器和包括这种图像传感器的光电设备。

2、这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。

3、这里和在下文中，术语“像素装置”和“像素”是指光接收元件，其可以与其他像素一起布置在二维阵列(也称为矩阵)中。阵列中的像素按行和列布置。术语“行”和“列”可以互换使用，因为它们仅取决于像素阵列的取向。像素还可以包括用于控制去往和来自像素的信号的电路。因此，像素可以形成所谓的有源像素。像素可以接收任意波长范围内的光。术语“光”通?？梢灾傅绱欧?，包括例如红外(ir)辐射、紫外(uv)辐射和可见(vis)光。

4、在实施例中，像素装置被配置为分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射。像素包括至少一个光电二极管。光电二极管被配置为将电磁辐射转换为相应的电荷信号。具体地，像素装置可以形成全局快门像素。光电二极管具体地可以是钉扎光电二极管。光电二极管可以布置在基板中，尤其是半导体基板中。

5、高灵敏度模式和低灵敏度模式是像素的操作模式?？梢运婧笾葱懈吡槊舳饶Ｊ胶偷土槊舳饶Ｊ?。这可以意味着在一帧内执行高灵敏度模式和低灵敏度模式。具体地，低灵敏度模式可以在高灵敏度模式之前执行?？梢晕吖馓跫?即，高照度)提供像素的低灵敏度模式。在这种情况下，由光电二极管生成的电荷信号已经很大，并且不需要例如通过高增益、长曝光时间等“人工”增加。如果这种电荷信号例如通过高转换增益(hcg)增加，则可能发生饱和效应。饱和可能发生，例如，因为光电二极管和/或像素内的存储元件的势阱不足以大到携带所有光感应电荷载流子?？梢晕凸馓跫?即，低照度)提供像素的高灵敏度模式。在这种情况下，由光电二极管生成的电荷信号很小，并且应当例如通过高增益或长曝光时间来增加，以便获得良好的信噪比(snr)。

6、换句话说，低灵敏度模式可以是操作模式，其中像素的曝光时间短，尤其是短于高灵敏度模式的曝光时间?？商娲?，在低灵敏度模式中，应用低转换增益(lcg)。在又一替代方案中，借助于小的光电二极管区域或相应的过滤器使电荷信号保持较小。高灵敏度模式可以是操作模式，其中像素的曝光时间长，尤其是长于低灵敏度模式的曝光时间?？商娲?，在高灵敏度模式中，信号增益可以很大。在又一替代方案中，借助于大的光电二极管区域等来增加电荷信号。在又一实施例中，高灵敏度模式和低灵敏度模式通过转移栅极的势垒调制来实现。

7、像素装置还包括至少一个转移栅极，其布置在光电二极管和电容之间。转移栅极被配置为将相应的电荷信号从光电二极管转移到电容。

8、转移栅极可以被实现为转移开关。例如，转移栅极可以是转移晶体管的一部分，该转移晶体管包括连接到光电二极管的第一端子和连接到电容的第二端子。通过将转移信号施加到转移栅极，转移晶体管变为电导通，使得电荷载流子从光电二极管朝向电容扩散。因此，电容可以被实现为浮动扩散电容。电容形成存储元件。电容可以被称为浮动扩散电容器。电容可以在半导体基板中形成掺杂阱。电容可以被配置为将相应的电荷信号转换为相应的电压信号。出于暗电流和降低像素的寄生光灵敏度(pls)的考虑，可能期望将信号存储在电压域中而不是电荷域中。

9、电容包括电耦合到转移栅极的端子节点。因此，转移栅极布置在光电二极管和电容的端子节点之间。电容的端子节点可以被称为浮动扩散节点或fd节点或扩散节点。电容还包括可以接地的另外的端子节点。

10、电容可以是扩散节点的电容。电容可以被实现为pn结。在示例中，不存在连接到扩散节点的分立电容器。电容例如仅由至少一个寄生电容产生。因此，术语“电容”和“扩散节点”在下文中可以互换使用。

11、像素装置还包括电耦合到电容的复位栅极。具体地，复位栅极电耦合到fd节点。复位栅极用于对电容进行复位。

12、复位栅极可以被实现为复位开关。例如，复位栅极可以是复位晶体管的一部分，该复位晶体管包括连接到像素电源电压的第一端子和连接到fd节点的第二端子。通过向复位栅极施加复位信号，复位晶体管变为导通，使得通过施加像素电源电压来去除任何冗余电荷载流子。

13、像素装置还包括放大器。放大器电连接到电容，具体是电连接到电容的端子节点，即fd节点。具体地，放大器的输入端子与电容的端子节点电连接。放大器被配置为基于相应的电荷信号和灵敏度模式生成相应的放大信号。相应的放大信号分别是低灵敏度信号和高灵敏度信号中的一个。低灵敏度信号和高灵敏度信号基于公共噪声电平。这可以意味着低灵敏度信号和高灵敏度信号的噪声电平是相关的。公共噪声电平可以是空间或时间域中的公共噪声电平。具体地，公共噪声电平可以是复位噪声电平。

14、高灵敏度信号可以被称为高转换增益(hcg)信号。低灵敏度信号可以被称为低转换增益(lcg)信号。

15、放大器可以形成共漏极放大器，也称为源极跟随器。源极跟随器的栅极端子连接到fd节点并用作放大器的输入端子。公共端子可以连接到电源电压。在放大器的输出端子处生成相应的放大信号。放大器可以用作电压缓冲器。放大器可以被配置为缓冲信号，从而将fd节点与另外的像素组件解耦。放大器还可以被配置为放大光感应电荷载流子。

16、放大信号可以是低灵敏度信号或高灵敏度信号，这取决于像素在相应时刻操作的相应灵敏度模式。低灵敏度信号基于视频信号和噪声电平。噪声电平包括时间噪声(诸如热噪声和复位噪声)以及固定模式噪声(fpn)。fpn是指信号从像素到像素的变化，其“固定”在某个空间位置。热噪声主要由电子在电导体内的随机热搅动运动产生。复位噪声是指需要在电荷积分开始之前每帧进行复位的fd节点的复位操作。该复位操作会引入采样噪声。

17、根据本公开的一个方面，高灵敏度信号可以基于低灵敏度信号。因此，高灵敏度信号基于与低灵敏度信号相同的噪声电平，尤其是基于公共复位噪声电平和/或公共固定模式噪声电平。高灵敏度信号可以包括低灵敏度信号和附加视频信号?；痪浠八?，高灵敏度信号的噪声和低灵敏度信号的噪声是相关的。因此，可以使用低灵敏度信号作为高灵敏度信号的参考电平，使得可以有效地消除高灵敏度信号的噪声。该操作可以被称为相关双采样(cds)。因此，可以用cds访问高灵敏度信号，从而获得纯视频信号。

18、像素装置还包括第一电容器，其被配置为存储高灵敏度信号。第一电容器可以被实现为金属氧化物半导体(mos)电容器。替换地，第一电容器被形成为金属-绝缘体-金属(mim)电容器。第一电容器包括端子节点和另外的端子节点。另外的端子节点可以接地或连接到另外的电源电压。

19、像素装置还包括第二电容器，其被配置为存储低灵敏度信号。第二电容器可以被实现为mos或mim电容器。第二电容器包括端子节点和另外的端子节点。另外的端子节点可以接地或连接到另外的电源电压。

20、像素装置还包括布置在放大器的输出端子和第一电容器之间的第一开关。这可以意味着第一开关将第一电容器的端子节点连接到放大器的输出端子。第一开关被提供用于将相应的放大信号转移到第一电容器。第一开关可以由第一开关晶体管形成。第一开关晶体管可以包括栅极端子，该栅极端子被配置为接收第一开关信号，第一开关晶体管通过该第一开关信号变为导通，使得放大信号被转移。第一开关晶体管的第一端子连接到放大器的输出端子。第一开关晶体管的第二端子连接到第一电容器的端子节点。

21、像素装置还包括布置在放大器的输出端子和第二电容器之间的第二开关。这可以意味着第二开关将第二电容器的端子节点连接到放大器的输出端子。第二开关被提供用于将相应的放大信号转移到第二电容器。第二开关可以由第二开关晶体管形成。第二开关晶体管可以包括栅极端子，栅极端子被配置为接收第二开关信号，第二开关晶体管通过第二开关信号变为导通，使得放大信号被转移。第二开关晶体管的第一端子可以连接到放大器的输出端子或第一开关晶体管的第二端子。第二开关晶体管的第二端子连接到第二电容器的端子节点。

22、仅需要两个电容器来实现所描述的像素装置的功能。这允许像素装置较小。这意味着可以在包括hdr的同时在尺寸上缩放像素间距，这进而使得能够降低成本和?？槌叽?。例如，如果像素以矩阵布置，则像素间距可以小于2μm。另外，所提出的像素装置与许多hdr技术兼容。有利地，两个电容器存储两个不同的信号，即高灵敏度信号和低灵敏度信号。因此，可以增加像素装置的动态范围。此外，高灵敏度信号和低灵敏度信号都可以基于尤其是由热噪声和复位噪声组成的公共噪声电平。因此，低灵敏度信号可以用作高灵敏度信号的参考电平。这意味着可以用cds访问高灵敏度信号。由于在低光条件下使用高灵敏度信号，因此热噪声是相关参数。有利地，可以通过cds有效地抑制热噪声和复位噪声。在高光条件下，进一步处理低灵敏度信号。这里，热噪声不太相关，因为光子散粒噪声在高照度水平下占主导地位。

23、在至少一个另外的实施例中，高灵敏度信号包括低灵敏度信号和附加视频信号。这意味着高灵敏度信号等于低灵敏度信号加上附加视频信号。附加视频信号可以表示没有噪声的纯视频信号。有利地，高灵敏度信号的噪声与低灵敏度信号的噪声相关，使得可以执行cds。因此，可以有效地消除高灵敏度信号的噪声。

24、在至少一个另外的实施例中，像素装置还包括至少一个另外的放大器。该另外的放大器包括输入端子，该输入端子电连接到第一电容器和/或第二电容器，即电连接到相应电容器的端子节点。另外的放大器被配置为在另外的放大器的输出端子处生成像素输出信号。

25、另外的放大器可以形成另外的共漏极放大器，即另外的源极跟随器。另外的放大器的栅极端子连接到第一电容器和/或第二电容器的端子节点。这可以意味着第一电容器和第二电容器并联布置，使得另外的放大器的栅极端子可以连接到两个端子节点?？商娲?，另外的放大器连接到第一电容器的端子节点，并且第二另外的放大器连接到第二电容器的端子节点。第一电容器和第二电容器也可以级联布置，使得另外的放大器仅直接连接到第二电容器的端子节点。另外的放大器的公共端子连接到像素电源电压。像素输出信号被施加在另外的放大器的输出端子处。另外的放大器可以用作电压缓冲器。放大器可以被配置为缓冲信号，从而将电容器级与读出电路解耦。

26、在至少一个另外的实施例中，像素装置还包括在另外的放大器的输出端子和列总线之间的选择栅极。选择栅极被提供用于将像素输出信号转移到列总线。

27、选择栅极可以被实现为选择开关。例如，选择栅极是选择晶体管的一部分，选择晶体管包括连接到另外的放大器的输出端子的第一端子和连接到列总线的第二端子。通过将选择信号施加到选择栅极，选择晶体管变为导通，使得像素输出信号经由列总线转发到读出电路。例如，读出电路包括具有采样和保持功能的模数转换器(adc)。列总线可以由像素装置包括或可以不由像素装置包括?？商娲?，像素仅包括列总线的一部分。有利地，可以单独访问阵列内的每个像素的输出信号。

28、在至少一个另外的实施例中，像素还包括电耦合到放大器的输出端子的预充电栅极。预充电栅极被配置为对第一电容器和第二电容器预充电。

29、预充电栅极可以被实现为预充电开关。例如，预充电栅极是预充电晶体管的一部分，该预充电晶体管包括连接到放大器的输出端子的第一端子和连接到地(gnd)的第二端子。通过将预充电信号施加到预充电栅极，预充电晶体管变为导通，使得第一电容器和第二电容器可以被预充电。这可以具体地意味着第一电容器和第二电容器在它们被放大器再充电到它们的最终值之前在每个帧中被放电。此外，预充电晶体管还可以提供一定的偏置电流以偏置放大器。预充电栅极还可实现为被配置为提供固定电流的恒定电流源。

30、在至少一个另外的实施例中，至少一个光电二极管包括用于在高灵敏度模式下生成第一电荷信号的第一光电二极管。此外，至少一个光电二极管包括用于在低灵敏度模式下生成第二电荷信号的第二光电二极管。

31、第一光电二极管和第二光电二极管可以是不同的。例如，第一光电二极管具有比第二光电二极管更大的光活性区域，以便比第二光电二极管生成更多的电荷载流子?？商娲?，第二光电二极管设置有过滤器，以便衰减第二电荷信号。第一光电二极管和第二光电二极管可以共享公共fd节点，即相同的电容。

32、因此，可将两个光电二极管指派给两个相应转移栅极，其中提供第一转移栅极以用于将第一电荷信号转移到电容的端子节点，提供第二转移栅极以用于将第二电荷信号转移到电容的端子节点。

33、第一光电二极管的第一电荷信号导致高灵敏度信号，而第二光电二极管的第二电荷信号导致低灵敏度信号。因此，通过提供第一光电二极管和与第一光电二极管不同的第二光电二极管，可以使用相应的电荷信号来获得高动态范围。

34、在至少一个另外的实施例中，像素装置还包括灵敏度栅极。灵敏度栅极布置在复位栅极和电容的端子节点之间。在该实施例中，像素装置还包括第三电容器，该第三电容器包括端子节点。灵敏度栅极被提供用于将电容的端子节点短接到第三电容器的端子节点。

35、灵敏度栅极可以被实现为增益开关。灵敏度栅极可以是灵敏度晶体管的一部分，灵敏度晶体管包括电连接到电容的端子节点的第一端子和电连接到第三电容器的端子节点的第二端子。通过将增益信号施加到灵敏度栅极，灵敏度晶体管变为导通，使得fd节点与第三电容器的端子节点短接。灵敏度晶体管可以被称为双转换增益(dcg)晶体管，并且灵敏度信号可以被称为dcg信号或耦合信号。

36、第三电容器可以被实现为mos或mim电容器。第三电容器的端子节点布置在复位栅极与灵敏度栅极之间。

37、第三电容器还包括可接地的另外的端子节点。

38、通过将fd节点与第三电容器的端子节点短接，组合电容大于fd电容的电容。保持电荷恒定，这导致电压信号减小。因此，通过增大电容，增益减小。这意味着如果电容和第三电容器短接，则像素装置具有减小的增益?；痪浠八?，如果第三电容器通过灵敏度栅极与电容电解耦，则像素装置具有增加的增益。

39、通常，如果转移栅极被去激活，则光电二极管通过势垒与电容分离。类似地，如果灵敏度栅极被去激活，则电容通过另外的势垒与第三电容器分离。这意味着分别防止电荷载流子在光电二极管和电容之间扩散，或者在电容和第三电容器之间扩散。然而，在一些实施例中，允许这种电荷溢出，尤其是如果光电二极管的势阱或电容的势阱分别饱和。以这种方式，即使在饱和期间也不会损失光感应电荷载流子，从而为像素装置提供增加的动态范围?；痪浠八?，第三电容器存储过量的电荷载流子。此外，光电二极管和/或电容的尺寸可以更小。

40、在至少一个另外的实施例中，第一电容器和第二电容器并联布置。第一开关和第二开关都直接电连接到放大器的输出端子。第一电容器的端子节点可以电连接到另外的放大器。第二电容器的端子节点可以电连接到第二另外的放大器?；箍赡艿氖?，第一电容器的端子节点和第二电容器的端子节点可以连接到公共的另外的放大器。有利地，第一电容器和第二电容器可以由第一开关和第二开关独立地控制。

41、在至少一个另外的实施例中，第一电容器和第二电容器级联布置。在这种情况下，第二开关经由第一开关电连接到放大器的输出端子?；痪浠八?，第二开关布置在第一电容器的端子节点和第二电容器的端子节点之间。有利地，与电容器的并联布置的情况相比，需要更少的组件。

42、此外，提供了一种图像传感器，其包括根据如上述实施例之一中所描述的像素装置的像素的阵列。这意味着针对像素装置公开的所有特征也被公开用于图像传感器并且适用于图像传感器，反之亦然。

43、此外，提供了一种包括图像传感器的光电设备。这意味着针对图像传感器公开的所有特征也被公开用于光电设备并且适用于光电设备，反之亦然。

44、图像传感器可以方便地用于光电设备，诸如智能电话、平板计算机、膝上型计算机或相机?？?。例如，相机?？楸慌渲梦诳杉蛑胁僮饕杂糜谏阌昂?或视频捕获。此外，像素装置尤其适合于在全局快门模式下操作，因为信号被存储在像素级存储器(即，第一电容器和第二电容器)中。全局快门模式尤其适合于红外应用，其中图像传感器设备还包括与像素同步的光源。因此，包括这种图像传感器的光电设备也可以在红外(ir)域中工作，例如用于3d成像和/或识别目的。具有红外灵敏度的图像传感器可以用于需要视频馈送的黑暗环境中。这样的应用从移动电话面部解锁到驾驶员监视系统。两者都可以部署在短波红外(swir)频谱中的照明器，使得电话用户/驾驶员不会被照亮他/她的光致盲。

45、此外，提供了一种用于操作像素装置的方法，该像素装置被配置为分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射。上述像素装置可以优选地用于操作本文所述的像素装置的方法。这意味着针对像素装置和图像传感器公开的所有特征也针对用于操作像素装置的方法公开，反之亦然。

46、根据用于操作像素装置的方法的至少一个实施例，该方法包括通过至少一个光电二极管将电磁辐射转换成相应的电荷信号。该方法还包括提供用于对电容进行复位的复位信号。例如，复位信号被施加到电耦合到电容的复位栅极。例如，通过施加复位信号，像素电源电压被施加到电容的端子节点，使得存储在电容上的电荷载流子被去除。

47、该方法还包括提供用于将相应的电荷信号从至少一个光电二极管转移到电容的转移信号。例如，转移信号被施加到光电二极管和电容的端子节点之间的转移栅极。

48、该方法还包括基于相应的电荷信号和灵敏度模式生成相应的放大信号。相应的放大信号分别是低灵敏度信号和高灵敏度信号中的一个。低灵敏度信号和高灵敏度信号基于公共噪声电平。这可以意味着低灵敏度信号的噪声电平与高灵敏度信号的噪声电平相关。例如，相应的放大信号由在其输入端子处电连接到电容的放大器生成。

49、该方法还包括提供用于将相应的放大信号转移到第一电容器的第一开关信号。第一电容器被配置为存储高灵敏度信号。例如，第一开关信号被施加到第一电容器的端子节点与放大器的输出端子之间的第一开关。

50、该方法还包括提供用于将相应的放大信号转移到第二电容器的第二开关信号。第二电容器被配置为存储低灵敏度信号。例如，第二开关信号被施加到第二电容器的端子节点与放大器的输出端子之间的第二开关。

51、有利地，两个电容器存储两个不同的信号，这两个信号是高灵敏度信号和低灵敏度信号。因此，可以增加像素装置的动态范围。此外，低灵敏度信号可以用作高灵敏度信号的参考电平，因为两个信号都基于公共噪声电平。这意味着可以利用cds访问高灵敏度信号，使得例如可以有效地消除热噪声和复位噪声。

52、在该方法的至少一个另外的实施例中，该方法还包括在像素曝光期间的第一步骤，其中像素在低灵敏度模式下操作。在低灵敏度模式中，低灵敏度信号被生成并存储在第二电容器上。在像素曝光期间的第二步骤中，像素在高灵敏度模式下操作，使得高灵敏度信号被生成并存储在第一电容器上。像素曝光是指光电二极管暴露于光的时间段。

53、低灵敏度信号小于高灵敏度信号。具体地，高灵敏度信号等于低灵敏度信号加上附加视频信号。因此，在高灵敏度信号之前确定低灵敏度信号。因此，有利地，高灵敏度信号可以基于低灵敏度信号。

54、在该方法的至少一个另外的实施例中，在像素曝光期间的第一步骤和第二步骤在不对其间的电容进行复位的情况下进行。如果电容被复位，则高灵敏度信号将不基于低灵敏度信号，因为关于低灵敏度信号的信息将从fd节点去除。有利地，电容存储关于低灵敏度信号的信息，使得其可以在高灵敏度模式下重复使用。有利地，不引入附加的噪声。

55、在该方法的至少一个另外的实施例中，在像素读出期间的第一步骤中读出低灵敏度信号。在读出期间的第二步骤中，读出高灵敏度信号。像素读出是指进一步处理存储在电容器上的模拟信号的时间段。例如，模拟信号经由列总线转移到读出电路，在读出电路中将模拟信号转换成数字信号。有利地，在高灵敏度信号之前读出低灵敏度信号，使得低灵敏度信号可以用作高灵敏度信号的参考电平。

56、读出高灵敏度信号可以意味着直接从第一电容器读出高灵敏度信号。然而，这也可以意味着读出高灵敏度信号的衰减版本。如果第一电容器和第二电容器级联布置，则两个电容器彼此耦合。例如，当读出高灵敏度信号时，高灵敏度信号可以在第一电容器和第二电容器中重新分布。这意味着第一电容器上的电荷将与第二电容器上的电荷混合。因此，如果第一电容器等于第二电容器，则第一电容器上的高灵敏度信号将被衰减，例如衰减两倍。

57、在该方法的至少一个另外的实施例中，在像素读出期间的第三步骤中，电容被复位并且复位电平被读出。通过施加复位信号来执行对电容的复位。复位电平是指像素装置的非视频信号，即没有来自光电二极管的电荷信号。通过对电容(即fd节点)进行复位，引入与高灵敏度信号或低灵敏度信号的噪声不相关的附加噪声。然而，像素装置的复位电平包括关于固定模式噪声(fpn)的信息。因此，有利地，可以在像素读出期间在第三步骤中确定像素装置的fpn。

58、在至少一个另外的实施例中，该方法还包括：在像素读出期间，通过使用复位电平作为低灵敏度信号的参考电平来执行双增量采样。在高照度的情况下，进一步处理低灵敏度信号。这里，热噪声不太相关，因为在高照度下光子散粒噪声占主导地位。因此，不需要从视频信号中去除噪声的相关双采样。然而，可能希望从视频信号中去除fpn。通过执行双增量采样(dds)，即通过使用复位电平作为低灵敏度信号的参考电平，可以去除fpn。

59、在至少一个另外的实施例中，该方法还包括：在像素读出期间，通过使用低灵敏度信号作为高灵敏度信号的参考电平来执行相关双采样。如上所述，低灵敏度信号和高灵敏度信号基于公共噪声电平。因此，通过执行相关双采样，即通过使用低灵敏度信号作为高灵敏度信号的参考电平，可以有效地从高灵敏度信号中去除噪声。去除的噪声包括时间噪声以及固定模式噪声。

60、在至少一个另外的实施例中，该方法还包括：在像素读出期间，基于相应的幅度水平确定是使用低灵敏度信号还是使用高灵敏度信号进行进一步处理。在高照度的情况下，高灵敏度信号可能饱和。因此，低灵敏度信号应用于进一步处理。在低照度的情况下，低灵敏度信号可能很弱并且受到噪声的影响。因此，高灵敏度信号应用于进一步处理?；谙嘤Φ姆人饺范ㄊ鞘褂玫土槊舳刃藕呕故歉吡槊舳刃藕沤薪徊酱砜梢园ń嘤Φ姆人接胂嘤Φ你兄到斜冉?。有利地，取决于当前照度，可以使用低灵敏度信号或高灵敏度信号。因此，动态范围增加。

61、在至少一个另外的实施例中，该方法还包括：在低灵敏度模式下的像素曝光期间，通过施加用于使电容的端子节点与第三电容器的端子节点短接的增益信号来调整转换增益。例如，增益信号被施加到电容的端子节点与第三电容器的端子节点之间的灵敏度栅极。通过在给定电荷信号处使相应端子节点短接，总电容增加，这继而减小电压信号。因此，相应电荷信号的转换增益减小。因此，可以提供两个不同的转换增益。

62、在该方法的至少一个另外的实施例中，将电磁辐射转换为相应的电荷信号包括由第一光电二极管在高灵敏度模式下生成第一电荷信号，以及由第二光电二极管在低灵敏度模式下生成第二电荷信号。具体地，第一光电二极管和第二光电二极管可以是不同的，使得它们在给定照度下生成不同的电荷信号。例如，大光电二极管可用于高灵敏度模式中以用于生成增大的电荷信号，而较小光电二极管可用于低灵敏度模式中以用于生成减小的电荷信号且因此防止像素内的存储元件饱和。通过使用两个或至少两个光电二极管，可以增加像素装置的动态范围。

63、在该方法的至少一个另外的实施例中，将电磁辐射转换成相应的电荷信号包括在低灵敏度模式下通过减少的曝光时间生成第一电荷信号，以及在高灵敏度模式下通过增加的曝光时间生成第二电荷信号。在给定照度下的相应电荷信号可以通过不同的曝光时间而变化。例如，在高灵敏度模式中可以使用长曝光时间来生成增大的电荷信号，而在低灵敏度模式中可以使用短曝光时间来生成减小的电荷信号，从而防止饱和。通过使用两个或至少两个曝光时间，可以增加像素装置的动态范围。

64、根据上述像素装置的实施例，该方法的其他实施例对于本领域技术人员而言变得显而易见，反之亦然。

65、此外，提供了另一种用于操作像素装置的方法。上述被配置为在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射的像素装置也可以用于该操作方法。这意味着针对像素装置和图像传感器公开的所有特征也针对操作像素装置的以下方法公开，反之亦然。此外，上述方法的方面也与以下方法相关。因此，上述方法的实施例也被公开用于并且适用于以下方法。

66、在至少一个实施例中，该方法包括在第一积分时段中利用光电二极管累积电荷载流子。该方法还包括在第一积分时段结束时将转移栅极脉冲化到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的一部分转移到电容，其中所述部分被配置为耗尽到电源电压。

67、第一积分时段是曝光时段的一部分。这可以意味着曝光时段被细分为若干积分时段，例如第一积分时段、第二积分时段和第三积分时段。曝光时段可以被称为在像素曝光期间。如上所述，电容可以是扩散节点的(寄生)电容。因此，换句话说，通过将转移信号施加到转移栅极，将累积的电荷载流子转移到扩散节点。转移栅极可以被实现为转移晶体管的一部分。第一电压电平可以是低于转移晶体管的阈值电压的电压电平。这可以意味着第一电压电平是部分电压电平。例如，第一电压电平是0.8v。通过将第一电压电平施加到转移栅极，光电二极管和扩散节点之间的势垒降低。因此，过量的电荷载流子可以克服降低的势垒以从光电二极管转移到扩散节点。这些过量的电荷载流子被称为累积电荷载流子的所述部分。所述部分被配置为耗尽到电源电压。这可以通过对扩散节点进行复位来实现。如上所述，通过将复位信号施加到连接在扩散节点和像素电源端子之间的复位晶体管，可以实现对扩散节点的复位。所述部分的耗尽可以例如在曝光时段期间或在曝光时段结束时或在曝光时段之后进行。

68、在至少一个实施例中，该方法还包括在第二积分时段中利用光电二极管继续累积电荷载流子。

69、第二积分时段是曝光时段的一部分。第二积分时段晚于第一积分时段。第二积分时段可以紧接在第一积分时段之后。曝光时段可以包括第一积分时段和第二积分时段。在第二积分时段之后在光电二极管处累积的电荷载流子包括在第一积分时段和第二积分时段期间累积的电荷载流子减去待耗尽的电荷载流子的部分。

70、在至少一个实施例中，在第二积分时段结束时，该方法还包括将转移晶体管脉冲化到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的第一部分转移到电容，以及将表示累积的电荷载流子的第一部分的低灵敏度信号存储在电耦合到电容的一对电容器中的至少第二电容器(80)上。

71、存储低灵敏度信号可以在存储时段期间进行。存储时段可以与曝光时段重叠。这可以意味着存储时段在曝光时段期间开始。存储时段可以被称为在像素的帧存储期间。转移累积的电荷载流子的第一部分可以在对扩散节点/电容进行复位以耗尽累积的电荷载流子的该部分之后进行。累积的电荷载流子的第一部分不同于累积的电荷载流子的该部分。然而，由于第一电压电平再次施加到转移栅极，因此势垒降低相同的量。因此，累积的电荷载流子的第一部分对应于在第二积分时段期间累积的过量电荷载流子。累积的电荷载流子的第一部分不被耗尽，而是存储在该对电容器上。该对电容器分别电耦合到电容或扩散节点。如上所述，该对电容器包括第一电容器和第二电容器。如上所述，电容器可以经由源极跟随器电耦合到扩散节点。如上所述，电容器可以并联或级联布置。在电容器级联布置的情况下，表示累积的电荷载流子的第一部分的低灵敏度信号可以分布在两个电容器上。在电容器并联布置的情况下，低灵敏度信号可以存储在电容器中的一个上，例如存储在第二电容器上。存储低灵敏度信号可以通过将开关信号施加到分配给电容器的相应开关来实现。例如，如上所述，第一开关被分配给第一电容器，并且第二开关被分配给第二电容器。

72、在至少一个实施例中，该方法还包括在第三积分时段中利用光电二极管继续累积电荷载流子。第三积分时段是曝光时段的一部分。第三积分时段晚于第二积分时段。第三积分时段可以紧接在第二积分时段之后。曝光时段可以包括第一积分时段、第二积分时段和第三积分时段。在第三积分时段之后在光电二极管处累积的电荷载流子包括在第一积分时段、第二积分时段和第三积分时段期间累积的电荷载流子减去要耗尽的电荷载流子的部分并且减去要存储在至少第二电容器上的电荷载流子的第一部分。

73、在至少一个实施例中，在第三积分时段结束时，该方法还包括将转移晶体管脉冲化到第二电压电平，以将累积的电荷载流子的剩余部分转移到电容，以及将表示累积的电荷载流子的剩余部分的高灵敏度信号存储在该对电容器中的第一电容器上。

74、将转移晶体管脉冲化到第二电压电平比将转移晶体管脉冲化到第一电压电平更晚地进行。第二电压电平可以是全电压电平。第二电压电平可以是高于转移晶体管的阈值电压电平的电压电平。例如，第二电压电平是2.8v。因此，通过施加第二电压电平，转移晶体管处于电导通状态。因此，通过施加第二电压电平，光电二极管和扩散节点之间的势垒低于施加第一电压电平时的势垒。具体地，可以完全耗散势垒。因此，在光电二极管处累积的剩余电荷载流子被转移到扩散节点。累积的电荷载流子的剩余部分对应于在第一积分时段、第二积分时段和第三积分时段期间累积的电荷载流子减去要耗尽的电荷载流子的该部分并减去要存储在至少第二电容器上的电荷载流子的第一部分。

75、在至少一个实施例中，在读出时段期间，该方法还包括读出存储在电容器上的低灵敏度信号和高灵敏度信号。

76、如上所述，可以通过将选择信号施加到选择晶体管来进行相应信号的读出。选择信号将具有存储在其上的信号的电容器连接到像素的列总线。如上所述，电容器可以经由另外的源极跟随器电耦合到列总线。

77、所描述的方法包括转移栅极的势垒调制。借助于势垒调制，可以增加像素装置的动态范围。具体地，通过在高光条件下耗尽累积的电荷载流子的一部分来增加像素装置的动态范围。高灵敏度信号(高转换增益信号，hcg信号)包含在像素输出信号的线性化期间所需的拐点校准值。具体地，分别知道第一积分时段和第二积分时段的持续时间以及第一电压电平，可以重建线性化信号。每个像素的转移晶体管在制造过程中受到变化和波动的影响。因此，转移晶体管的阈值电压对于每个像素是不同的。这可以意味着当施加第一电压电平时，光电二极管和扩散节点之间的势垒对于每个像素是不同的。然而，知道确切的势垒电平与去除固定模式噪声fpn相关。根据第一电压电平和像素的hcg信号(其对应于在施加第一电压电平之后累积的电荷载流子的剩余部分)，可以导出关于输出信号对势垒的依赖性的信息。此外，由于在曝光时段期间施加的第一电压电平也在存储时段期间施加，因此第一积分时段和第二积分时段的比率以及hcg信号可以用于确定在第一积分时段结束时耗尽到电源电压的电荷载流子的量有多大。给定该量和低灵敏度信号(低转换增益信号，lcg信号)，可以重建在高光条件下使用的像素输出信号。

78、此外，低灵敏度信号(lcg信号)可以用作高灵敏度信号(hcg信号)的参考电平，因为两个信号都基于公共噪声电平，因为在存储lcg和hcg信号之间不对扩散节点进行复位。因此，可以对在低光条件下使用的hcg信号执行cds(在低光条件下，lcg信号仅包含噪声，但不包含视频信息)。

79、在至少一个实施例中，用于操作像素装置的方法包括在第一积分时段中利用光电二极管累积电荷载流子，以及在第一积分时段结束时将转移栅极脉冲化到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的一部分转移到电容，其中所述部分被配置为耗尽到电源电压。它还包括在第二积分时段中利用光电二极管继续累积电荷载流子。它还包括，在第二积分时段结束时，将转移栅极脉冲化到第一电压电平，用于将累积的电荷载流子的第一部分转移到电容，以及将表示累积的电荷载流子的第一部分的低灵敏度信号存储在电耦合到电容的一对电容器中的至少第二电容器上。它还包括在第三积分时段(t3)中利用光电二极管(20)继续累积电荷载流子。它还包括，在第三积分时段结束时，将转移栅极脉冲化到第二电压电平，用于将累积的电荷载流子的剩余部分转移到电容，以及将表示累积的电荷载流子的剩余部分的高灵敏度信号存储到该对电容器中的第一电容器上。该方法还包括：在读出时段期间，读出存储在电容器上的低灵敏度信号和高灵敏度信号。

80、在至少一个实施例中，高灵敏度信号指示基于累积的电荷载流子的剩余部分的校准电平。

81、在至少一个实施例中，该方法还包括取决于基于校准电平确定的像素特定拐点值，基于低灵敏度信号和高灵敏度信号调整像素输出信号。

82、如上所述，累积的电荷载流子的剩余部分对应于高灵敏度信号，也称为hcg信号。知道第一电压电平和hcg信号，可以推导出关于形成势垒的转移栅极的信息。因此，hcg信号可以用作lcg信号的校准电平。这可以意味着校准电平是hcg信号?；痪浠八?，关于累积电荷载流子的耗尽部分的信息不会丢失，而是可以基于第一电压电平和hcg信号以及积分时段来重建。以这种方式，可以考虑耗尽的电荷载流子。此外，在后处理中需要校准电平以去除由转移栅极的变化引起的fpn。

83、取决于光条件，像素输出信号可以基于lcg信号或hcg信号。在高光条件下，lcg信号被进一步处理。lcg信号的进一步处理可以意味着借助于校准电平以及第一积分时段和第二积分时段的关系来调整lcg信号。因此，调整像素输出信号可被称为像素拐点校准?？梢哉攵悦扛鱿袼氐ザ赖刂葱邢袼毓盏阈Ｗ?。此外，像素装置是自校准的，因为势垒信息包含在hcg信号中。因此，不需要附加的读取。

84、调整lcg信号还可以包括双增量采样dds例程以去除fpn。

85、在低光条件下，hcg信号被进一步处理。对hcg信号的进一步处理可以意味着通过相关双采样cds例程来调整hcg信号。

86、在至少一个实施例中，第一积分时段长于第二积分时段。这可以意味着第一积分时段的持续时间大于第二积分时段的持续时间。例如，第一积分时段是第二积分时段的1.5至3.0倍长。例如，第一积分时段是第二积分时段的2.0倍长。以这种方式，可以避免饱和效应。

87、在至少一个实施例中，第二电压电平大于第一电压电平。这意味着，如果第二电压电平被施加到转移栅极，则光电二极管和扩散节点之间的势垒低于第一电压电平被施加到转移栅极的情况。因此，第一电压电平可以是部分电压电平，而第二电压电平可以是全电压电平?；痪浠八?，第一电压电平可以低于阈值电压电平，并且第二电压电平可以高于阈值电压电平。第一电压电平可以低于1.0v，例如0.8v。例如，第二电压电平可以高于2.0v，例如2.8v。通过向转移栅极施加部分电压电平，累积的电荷载流子的仅一部分被转移到扩散节点。通过向转移栅极施加全电压电平，光电二极管可以被复位，并且累积的电荷载流子的剩余部分可以被转移到扩散节点。

88、所描述的使用势垒调制的方法也可以与上述方法的各方面组合：

89、具体地，在至少一个实施例中，在像素读出(读出时段)期间的第一步骤中，可以读出低灵敏度信号，以及在读出期间的第二步骤中，可以读出高灵敏度信号，其中，在像素读出期间的第三步骤中，对电容进行复位并且读出复位电平。

90、在至少一个另外的实施例中，复位电平可以用作低灵敏度信号的参考电平。这实现dds。

91、在至少一个另外的实施例中，可以通过使用低灵敏度信号作为高灵敏度信号的参考电平来执行相关双采样。

92、在至少一个另外的实施例中，可以基于相应的幅度水平来确定是使用低灵敏度信号还是高灵敏度信号进行进一步处理。因此，像素输出信号可以适应于光条件，这增加了动态范围。

93、在至少一个另外的实施例中，像素装置可以包括上面解释的双转换增益晶体管。因此，该方法可以包括通过施加用于使电容的端子节点(对应于扩散节点)与第三电容器的端子节点短接的增益信号来调整转换增益。调整转换增益可以在存储时段期间进行。

94、通过上述操作像素装置的方法，可以在不影响流水线模式(即，将信号流水线化到存储电容器)的情况下实现电压域全局快门(vgs)像素中的hdr。此外，仅需要两个电容器，这意味着像素装置可以具有低面积。后一种方法利用自校准势垒调制，这意味着校准值包括在信号之一中，具体是在hcg信号中。通常，校准值必须通过附加读取来获得。

95、根据上述像素装置的实施例，该方法的其他实施例对于本领域技术人员而言变得显而易见，反之亦然。像素装置可以形成电压域全局快门像素?？商娲?，像素装置形成滚动快门像素。