CN117795975A - 具有多势垒、双转换增益和低面积的自校准势垒调制像素 - Google Patents

Abstract

提供了一种像素装置，该像素装置包括被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子的光电检测器、电耦合到光电检测器的转移晶体管、电耦合到转移晶体管的扩散节点、电耦合到扩散节点和像素电源电压的复位晶体管、包括至少第一电容器和第二电容器的采样保持级，采样保持级的输入端经由放大器电耦合到扩散节点，其中，所述转移晶体管被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，以将部分累积电荷载流子转移至所述扩散节点，至少所述第二电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中所述第一电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。此外，提供了一种操作像素装置的方法和包括该像素装置的图像传感器。

Description

具有多势垒、双转换增益和低面积的自校准势垒调制像素

优先权要求和交叉引用

本申请要求2021年11月10日提交的美国临时申请第63/263，861号和2021年8月10日提交的德国专利申请第102021120779.7号的权益，通过引用将其全部内容纳入本文。

技术领域

本公开涉及像素装置、图像传感器和操作像素装置的方法。

背景技术

CMOS图像传感器用于广泛的应用中，例如用于相机模块和智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。对于一些应用，需要例如85dB以上的高动态范围(HDR)。动态范围(DR)一方面受限于低光照条件下的噪底，另一方面受限于高光照条件下的饱和效应。此外，这种图像传感器所包含的像素的尺寸必须保持较小。

发明内容

要实现的目的是提供一种具有高动态范围的像素装置，以及一种操作该像素装置的方法。要实现的另一个目的是提供一种包括具有高动态范围的像素装置的图像传感器。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述了进一步的扩展和实施例。

在此处和下文中，术语“像素”和“像素装置”是指光接收元件，其可与其他像素一起排列成二维阵列，也称为矩阵。阵列中的像素按行和列排列。术语“行”和“列”可以互换使用，因为它们仅取决于像素阵列的方向。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效(active)像素。像素可以接收任意波长范围内的光。术语“光”通常可以指电磁辐射，例如包括红外(IR)辐射、紫外(UV)辐射和可见光(VIS)。

在一个实施例中，像素装置包括光电检测器，被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子。像素装置可以形成全局快门像素，特别是电压域全局快门像素，缩写为VGS像素。该像素也可能形成滚动快门像素。光电检测器尤其可以是光电二极管或钉扎光电二极管(pinned photodiode)。光电二极管可以布置在衬底中，特别是半导体衬底中。

在一个实施例中，像素装置包括电连接至光电检测器的转移晶体管。在一个实施例中，像素装置包括电耦合到转移晶体管的扩散节点。转移晶体管形成开关。转移晶体管的第一端子连接到光电检测器，转移晶体管的第二端子连接到扩散节点。通过向转移晶体管的栅极施加转移信号，电荷载流子可以从光电检测器向扩散节点扩散。扩散节点可以是浮动扩散节点，缩写为FD节点。FD节点可以包括用于临时储存电荷载流子的电容。在下文中，术语FD节点和扩散节点同义使用。

在一个实施例中，像素装置包括电耦合至扩散节点和像素电源电压的复位晶体管。提供复位晶体管用于复位FD节点。复位晶体管形成开关。复位晶体管的第一端子连接到像素电源电压，第二端子耦合到FD节点。通过向复位晶体管的栅极施加复位信号，任何冗余电荷载流子都被排到像素电源。

在一个实施例中，像素装置包括采样保持级，采样保持级至少包括第一电容器和第二电容器。采样保持级的输入经由放大器电耦合到扩散节点。采样保持级可以缩写为S/H级。第一和第二电容器可以被称为S/H电容器。放大器可以包含在S/H级中。放大器可以形成为共漏极放大器，也称为源极跟随器。源极跟随器的栅极端连接到FD节点，并用作放大器的输入端。公共端可以连接到电源电压。基于FD节点处的电荷信号，在放大器的输出端产生放大信号。放大器可以用作电压缓冲器。放大器可经配置以缓冲信号，因此将FD节点与额外像素组件去耦合。电容器通过开关晶体管电耦合到放大器的输出端。电容器可以具有相同或相似的电容。

在一个实施例中，转移晶体管被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，用于将部分累积电荷载流子转移到扩散节点。不同的电压电平可以是部分电压电平。因此，可以修改或调制光电检测器和扩散节点之间的势垒。因此，像素装置可以用于势垒调制。根据势垒，累积电荷载流子的一部分可以克服势垒并可以转移到扩散节点。

在一个实施例中，至少第二电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号。低转换增益信号可以被称为LCG信号。LCG信号可以储存在第二电容器上，或者在第一和第二电容器两者上重新分配。LCG信号指的是以低增益产生的信号。这可能意味着该信号仅基于累积电荷载流子的一部分，特别是第一部分。这也意味着LCG信号被附加地衰减。

在一个实施例中，第一电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。高转换增益信号可以被称为HCG信号。HCG信号储存在第一电容器上。HCG信号是指以高增益产生的信号。这可能意味着信号是基于累积电荷载流子的剩余部分，这可能是主要部分。这也意味着HCG信号被附加地放大。

像素装置势垒利用传输门的势垒调制。通过势垒调制，可以增加像素装置的动态范围。此外，只需要两个电容器来实现像素装置的这一功能。这允许像素装置具有小的面积。

在一个实施例中，像素装置包括被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子的光电检测器，电耦合到光电检测器的转移晶体管，电耦合到转移晶体管的扩散节点，电耦合到扩散节点和像素电源电压的复位晶体管，包括至少第一电容器和第二电容器的采样保持级，采样保持级的输入通过放大器电耦合到扩散节点，其中，所述转移晶体管被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，以将累积电荷载流子的一部分转移到所述扩散节点，至少所述第二电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中所述第一电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

在一个实施例中，低转换增益信号和高转换增益信号包括公共的噪声电平。公共噪声电平可能特别包括热噪声和复位噪声。因此，LCG信号可以用作HCG信号的参考电平。这意味着可以通过相关双采样CDS来访问HCG。由于HCG信号在低光条件下使用，热噪声是一个相关参数。在这种情况下，LCG信号可以仅包括噪声而没有任何视频信息。HCG信号可以等于LCG信号加上附加视频信号，其中附加视频信号可以代表没有噪声的纯视频信号。因此，HCG信号的噪声与LCG信号的噪声相关。CDS可以有效抑制热噪声和复位噪声。执行CDS可能意味着从HCG信号中减去LCG信号。在高光条件下，LCG被进一步处理。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。这里，双增量采样(doubledelta sampling)DDS就足够了。可以基于各自的幅度电平来确定是使用LCG信号还是HCG信号进行进一步处理。

在一个实施例中，高转换增益信号指示调节依赖于像素特定拐点值的像素输出信号的校准电平。因此，可以基于LCG信号和HCG信号来调节像素输出信号，LCG信号和HCG信号依赖于基于校准电平确定的像素特定拐点值。知道势垒调制的电压电平和HCG信号，可以推断出关于势垒的信息。因此，HCG信号可以用作LCG信号的校准电平。这可能意味着校准电平等于HCG信号。

在一个实施例中，像素装置还包括双转换增益晶体管和双转换增益电容器。双转换增益晶体管将扩散节点连接到双转换增益电容器的端子节点，并且复位晶体管经由所述端子节点和双转换增益晶体管电耦合到扩散节点。双转换增益可缩写为DCG。DCG电容器在下文中也可以被称为第三电容器。DCG晶体管在下文中可以被称为耦合晶体管。借助于DCG晶体管和DCG电容器，可以调节LCG信号和HCG信号的转换增益。在一个实施例中，像素装置还包括至少两个开关晶体管，其中每个开关晶体管被分配给采样保持级的相应电容器，并且将相应电容器的端子节点耦合到采样保持级的输入。通过施加相应的开关信号，LCG信号和HCG信号可以被转移到相应的电容器并储存在其上。

在一个实施例中，采样保持级的第一和第二电容器并联布置。在该实施例中，可以通过指定的开关晶体管独立控制电容器。

在一个实施例中，采样保持级的至少两个电容器级联布置。在该实施例中，第一开关晶体管将放大器的输出端耦合到第一电容器的端子节点。第二开关晶体管将第一电容器的端子节点耦合到第二电容器的端子节点。与并联布置的情况相比，需要更少的电路元件。

在一个实施例中，采样保持级恰好包括两个电容器。

在一个实施例中，采样保持级还包括预定数量的附加电容器，每个附加电容器被配置为储存代表累积电荷载流子的额外部分的附加信号。此外，每个附加信号可以指示用于调节像素输出信号的附加校准电平。

在一个实施例中，像素装置包括耦合到采样保持级的输出的额外放大器和选择晶体管，选择晶体管将额外放大器电连接至列总线。

此外，提供包括上述实施例之一中所述的像素装置的图像传感器。特别地，图像传感器可以包括像素装置的阵列。这意味着针对像素布置公开的所有特征也针对图像传感器公开并适用于图像传感器，反之亦然。

图像传感器可方便地用于光电设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑或相机模块。例如，相机模块被配置为在可见光域中操作，用于摄影和/或视频捕捉。此外，由于信号被储存在像素级储存器中，即第一电容器和第二电容器中，因此像素布置特别适合于在全局快门模式下操作。全局快门模式特别适合于红外应用，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在需要视频馈送的黑暗环境中。此类应用从手机面部解锁到司机监控系统。两者都可以部署短波红外(SWIR)光谱的照明器，使得电话用户/司机就不会被照亮他/她的光蒙蔽。

此外，提供了一种操作像素装置的方法。上述像素装置可以优选地用于操作这里描述的像素装置的方法。这意味着像素装置可以被配置为根据以下方法操作。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。

在该方法的一个实施例中，该方法包括，在曝光时段内，在第一积分时段内，利用像素装置中的光电检测器累积电荷载流子。该方法还包括，在曝光时段，在第一积分时段结束时，将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，以将一部分累积电荷载流子转移到扩散节点，其中所述部分被配置为排出到电源电压。第一积分时段是曝光时段的一部分。这意味着曝光时段被细分成几个积分时段，例如第一积分时段和第二积分时段。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。这意味着第一电压电平是部分电压电平。通过向转移晶体管施加第一电压电平，光电检测器和扩散节点之间的势垒被降低。因此，过量的电荷载流子可以克服降低的势垒，从光电检测器转移到扩散节点。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。所述部分被配置为排出到电源电压。这可能意味着在所述部分被转移到扩散节点之后，扩散节点被复位。如上所述，通过向连接在扩散节点和像素电源端子之间的复位晶体管施加复位信号，可以实现复位扩散节点。所述部分的排出可以在曝光时段结束时或曝光时段之后进行，例如在储存时段开始时或在专用的排出时段中进行。

在一个实施例中，该方法还包括，在曝光时段期间，在第二积分时段中，继续利用光电检测器累积电荷载流子。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跟在第一积分时段之后。曝光时段可以包括或由第一和第二积分时段组成。曝光时段可以包括更多的积分时段。在第二积分时段之后在光电二极管处累积的电荷载流子可以包括在第一和第二积分时段累积的电荷载流子减去要被排出的电荷载流子部分。

在一个实施例中，该方法还包括，在储存时段期间，将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，以将累积电荷载流子的第一部分转移到扩散节点，并将代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在耦合到扩散节点的至少第二电容器上。储存时段可以紧接在曝光时段之后。转移累积电荷载流子的第一部分可以在复位扩散节点以排出累积电荷载流子的部分之后进行。累积电荷载流子的第一部分不同于累积电荷载流子的部分。然而，由于第一电压电平再次施加到传输门，所以势垒降低了相同的量。因此，累积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。累积电荷载流子的第一部分没有被排出而是被储存。如上所述，在级联布置两个电容器的情况下，表示累积电荷载流子的第一部分的LCG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，LCG信号可以储存在第二电容器上。储存LCG信号可以通过向分配给电容器的各个开关(开关晶体管)施加开关信号来实现。

在一个实施例中，该方法还包括，在储存时段期间，将转移晶体管脉冲推动至全电压电平，以将累积电荷载流子的剩余部分转移到扩散节点，并将代表累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号储存在耦合到扩散节点的第一电容器上。将转移晶体管脉冲推动至全电压电平在将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平之后进行。全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。因此，通过施加全电压电平，转移晶体管处于导电状态。因此，通过施加全电压电平，光电检测器和扩散节点之间的势垒低于施加第一电压电平时的势垒。特别地，势垒可以完全消失。因此，累积在光电检测器上的剩余电荷载流子被转移到扩散节点。

在一个实施例中，该方法还包括，在读出时段期间，读出储存在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。读出时段可以紧跟在储存时段之后。如上所述，可以通过向选择晶体管施加选择信号来读出各个信号。选择信号将其上储存有信号的电容器连接到像素的列总线。如上所述，电容器可以通过额外放大器电耦合到列总线。该额外放大器可以被实现为额外源极跟随器。

所述方法包括转移晶体管的势垒调制。通过势垒调制，可以增加像素装置的动态范围。具体而言，通过在高光条件下排出一部分累积电荷载流子，增加了像素装置的动态范围。HCG信号包含像素输出信号线性化期间所需的拐点校准值。特别地，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，有可能重构线性化的信号。每个像素的转移晶体管在制造过程中会发生变化和波动。因此，转移晶体管的阈值电压对于每个像素是不同的。这意味着当施加第一电压电平时，光电检测器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消除固定模式噪声FPN是相关的。从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，因为在曝光时段期间施加的第一电压电平也在储存时段期间施加，所以第一和第二积分时段的比率和HCG信号可以用于确定在第一积分时段结束时有多少电荷载流子的量被排出到电源电压。给定这个量和LCG信号，可以重构在高光条件下使用的像素输出信号。

此外，LCG信号可用作HCG信号的参考电平，因为两个信号均基于公共的噪声电平，因为扩散节点不会在储存LCG和HCG信号之间复位。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，而不包含视频信息)。

在一个实施例中，该方法包括：在曝光时段期间，在第一积分时段中，利用像素装置中包括的光电检测器累积电荷载流子，在第一积分时段结束时，将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，以将累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点，其中所述部分被配置为被排出至电源电压，在第二积分时段中，利用光电检测器继续累积电荷载流子。该方法还包括：在储存时段期间，将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，用于将累积电荷载流子的第一部分转移到扩散节点，将表示累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在耦合到扩散节点的至少第二电容器上，将转移晶体管脉冲推动至全电压电平，用于将累积电荷载流子的剩余部分转移到扩散节点，将代表累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号储存在耦合到扩散节点的第一电容器上。该方法还包括：在读出时段期间，读出储存在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。

在一个实施例中，该方法还包括，在曝光时段期间和在第二积分时段之后，至少一个附加脉冲推动转移晶体管达到相应的额外电压电平，其中，随着每个附加脉冲推动，累积电荷载流子的附加部分被配置为排出到像素电源电压。每个附加脉冲推动之后是在相应的额外积分时段中用光电检测器额外继续累积电荷载流子。在一个示例中，额外电压电平分别是第二电压电平或第三电压电平。在一个示例中，附加积分时段分别是第三积分时段或第四积分时段。第三积分时段可以跟随至第二电压电平的脉冲。第四积分时段可以跟随至第三电压电平的脉冲，等等。换句话说，在曝光时段期间，转移晶体管可以被脉冲推动n次到某个部分电压电平，并且电荷被排出到电源。可以在曝光时段之后进行将累积电荷载流子的部分排出到电源。因此，动态范围可以进一步扩展，因为可以利用n个附加势垒电平。

在一个实施例中，曝光时段期间施加的连续脉冲的电压电平相等或逐脉冲递减。在一个示例中，第一电压电平大于或等于第二电压电平。在一个示例中，第二电压电平大于或等于第三电压电平，等等。

在一个实施例中，曝光时段期间的脉冲推动之后的积分时段逐积分时段地减少。这意味着所述积分时段的时间间隔减少。在一个示例中，第一积分时段比第二积分时段长。在一个示例中，第二积分时段比第三积分时段长，第三积分时段可以比第四积分时段长，依此类推。以这种方式，累积电荷载流子的量逐积分时段地减少。因此，关于累积电荷载流子的排出部分的信息不会丢失，而是可以基于电压电平和积分时段的知识来重构。因此，有可能重构线性化的像素输出信号。

在一个实施例中，高转换增益信号指示基于累积电荷载流子的剩余部分的校准电平。HCG信号包含校准电平，因为在曝光时段期间施加的第一电压电平也在储存时段期间施加。

在一个实施例中，该方法还包括基于依赖于基于校准电平确定的像素特定拐点值的低转换增益信号和/或高转换增益信号调节像素输出信号。给定第一电压电平和HCG信号，可以导出关于势垒的信息。因此，HCG信号可以用作LCG信号的校准电平。这可能意味着校准电平等于HCG信号。换句话说，关于累积电荷载流子的排出部分的信息没有丢失，但是可以基于第一电压电平和HCG信号以及积分时段来重构。此外，在后处理中需要校准电平来消除由转移晶体管的变化引起的FPN。校准电平也可以用作参考，以消除由积分时段期间出现的附加n-1个脉冲引起的FPN变化。

在一个实施例中，读出低转换增益信号包括双增量采样DDS。DDS可以通过使用复位电平作为LCG信号的参考电平来执行。可以在读出时段的一个步骤中读出复位电平，例如在读出HCG和LCG信号之后。通过向复位晶体管施加复位信号来执行FD节点的复位。复位电平指的是像素装置的非视频信号，即没有来自光电检测器的视频信号。通过复位FD节点，引入了与HCG和LCG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。

在一个实施例中，读出高转换增益信号包括相关双采样。如上所述，LCG信号可以用作HCG信号的参考电平以执行CDS，因为两个信号都基于公共的噪声电平。因此，可以从HCG信号中减去LCG信号。

在一个实施例中，在转移累积电荷载流子的第一部分和累积电荷载流子的剩余部分之间，不复位扩散节点，使得高转换增益信号和低转换增益信号基于公共的噪声电平。

在一个实施例中，该方法还包括，在储存时段期间，将转移晶体管脉冲推动至相应的额外电压电平，以将累积电荷载流子的额外部分转移到扩散节点，并将代表累积电荷载流子的额外部分的额外信号储存在耦合到扩散节点的额外电容器上。这可能意味着S/H级可以包括与第一电容器和第二电容器级联或并联布置的额外电容器。该额外电压电平可以是在曝光时段期间施加的相应电压电平。也就是说，额外电压电平可以是第二电压电平、第三电压电平等。将转移晶体管脉冲推动至相应的额外电压电平可以位于在储存时段期间将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平之前。在储存时段期间施加相应电压电平的顺序可以与在曝光时段中施加相应脉冲的顺序相反。因此，累积电荷载流子的对应的额外部分给出了关于在曝光时段期间在相应电压电平的对应脉冲下排出的电荷载流子部分的信息，并且因此可以用作额外校准电平。

在一个实施例中，所述额外信号指示基于所述累积电荷载流子的额外部分的额外校准电平，并且依赖于基于所述额外校准电平确定的额外像素特定拐点值来进行所述像素输出信号的调节。

在一个实施例中，该方法还包括，在读出时段期间，读出储存在额外电容器上的额外信号，其中读出额外信号包括相关双采样。这可能意味着额外信号、LCG信号和HCG信号基于公共的噪声电平。

此外，提供了另一种操作像素装置的方法。上述像素装置也可以用于这种操作方法。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，上面讨论的方法的各方面也与下面的方法相关。因此，上述方法的实施例也公开并适用于以下方法。

在一个实施例中，操作像素装置的方法包括在曝光时段期间，利用像素装置包括的光电检测器累积电荷载流子。该方法还包括在累积期间执行以下步骤：首先将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，以将累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点，其中所述部分被配置为排出到电源电压；将所述转移晶体管第二脉冲推动至所述第一电压电平，以将所述累积电荷载流子的第一部分转移到所述扩散节点，并且将表示所述累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在耦合到所述扩散节点的至少第二电容器上。在曝光时段结束时，该方法还包括将转移晶体管脉冲推动至全电压电平，用于将累积电荷载流子的剩余部分转移到扩散节点。在所述脉冲推动至全电压电平之后，该方法还包括将表示累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号储存在耦合到扩散节点的第一电容器上。

在一个实施例中，该方法还包括，在读出时段期间，读出储存在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。

第一电压电平可小于全电压电平。全电压电平可以是例如2.8V。第一电压电平可以是例如0.8V。在电容器上储存高转换增益信号和低转换增益信号可以在储存时段期间进行。因此，储存时段可能与曝光时段重叠。从第一脉冲至第一电压电平到第二脉冲至第一电压电平的时段可以被称为第一积分时段。如上所述，通过向复位晶体管施加复位信号来实现对累积电荷载流子部分的排出。

有利的是，操作像素装置的方法使用转移晶体管的势垒调制来增加像素装置的动态范围。有利的是，只需要储存电容器，即第一和第二电容器，其中一个电容器储存代表累积电荷载流子的第一部分的LCG信号，另一个电容器储存代表累积电荷载流子的剩余部分的HCG信号。有利的是，可以基于LCG信号和HCG信号重构像素输出信号。HCG信号可以指示势垒调制的校准电平，特别是在高光条件下。LCG信号可以指示相关双采样的参考电平，特别是在低光条件下。

在一个实施例中，通过应用低转换增益储存累积电荷载流子的第一部分。这可能意味着LCG信号以低转换增益进行采样/储存。这可以通过激活至耦合晶体管的耦合信号来实现。耦合晶体管可以被命名为双转换增益晶体管。在一个实施例中，通过应用高转换增益来储存累积电荷载流子的剩余部分。这可能意味着LCG信号以低转换增益进行采样/储存。这可以通过去激活耦合信号来实现。通过将耦合信号施加到双转换增益晶体管，扩散节点电连接到双转换增益电容器，其可被称为第三电容器。因此，扩散节点和双转换增益电容器可以被短路。通过短路扩散节点和双转换增益电容器，增加了总电容。保持电荷恒定，这导致电压信号降低。因此，扩散节点上的电压可以被压缩。因此，通过增大电容可以降低增益。这意味着，如果扩散节点和第三电容器短路，则像素装置具有降低的增益。换句话说，如果第三电容器与扩散节点电去耦，则像素装置具有增加的增益。因此，可以提供两种不同的转换增益。使用双增益允许像素装置的更大动态范围。有利的是，双增益可以与势垒调制相结合，从而允许更大的动态范围。有利的是，只需要两个储存电容器，即第一和第二电容器。因此，在双转换增益模式下，两个增益都储存在像素级电容上，可用于列级重构。

第一和第二电容器可并联或级联布置。在曝光时段之前，可以有一个复位时段，用于从光电二极管和扩散节点去除任何多余的电荷载流子。

在一个实施例中，该方法还包括，在第一脉冲推动至第一电压电平之后和第二脉冲推动至第一电压电平之前，至少一次附加脉冲推动转移晶体管至相应的额外电压电平，以将累积电荷载流子的相应的额外部分转移到扩散节点，其中所述额外部分被配置为排出至电源电压。

在一个实例中，该方法包括将转移晶体管脉冲推动至第二电压电平，以将累积电荷载流子的额外部分转移到扩散节点，其中所述额外部分被配置为排出至电源电压。第二电压电平可以小于第一电压电平。第二电压电平可以是例如0.4V。从脉冲至第二电压电平到第二脉冲至第一电压电平的时段可以被称为第二积分时段。因此，第二积分时段小于第一积分时段，并且与第一积分时段重叠。

在一个实施例中，施加连续脉冲直至第二次脉冲推动达到第一电压电平的电压电平相等或逐脉冲降低。在一个实施例中，高转换增益信号指示基于累积电荷载流子的剩余部分的校准电平。在一个实施例中，该方法还包括基于依赖于基于校准电平确定的像素特定拐点值的低转换增益信号和/或高转换增益信号来调节像素输出信号。在一个实施例中，读出低转换增益信号是双增量采样读出。在一个实施例中，读出高转换增益信号是相关双采样读出。

从上述像素装置和操作像素装置的方法的实施例中，方法的其他实施例对于本领域技术人员是显而易见的，反之亦然。像素装置可以形成电压域全局快门像素。或者，像素装置形成滚动快门像素。所公开的方法实现了HDR，而不影响像素的流水线模式(将各个信号流水线转移到S/H电容器)。使用多个势垒可以进一步扩展动态范围。通过仅利用两个S/H电容器，像素装置可以具有较小的面积。此外，可以通过利用双转换增益组件来改善低光性能。该方法利用自校准势垒调制，从而不需要额外的读出。这是可能的，因为HCG信号包含一个校准电平，作为校准附加势垒的参考电平。本公开适用于其中一个读出被用作拐点校准并且使用第一拐点作为参考电平来使用和校准附加拐点的任何系统。

此外，提供了一种操作成像设备的方法，该成像设备包括如上所述的像素装置。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成像设备的方法公开，反之亦然。

在一个实施例中，操作成像设备的方法包括：

在曝光时段期间：

在第一积分时段中，利用成像设备所包含的像素的光电检测器累积电荷载流子，

在第一积分时段结束时，第一次将转移晶体管脉冲推动至第一电压电平，转移晶体管电耦合到光电检测器，

在第二积分时段中，继续利用光电检测器累积电荷载流子，

在第二积分时段结束时，将转移晶体管第二次脉冲推动至第二电压电平，

在第三积分时段中，继续利用光电检测器累积电荷载流子，以及

在储存时段期间：

复位电耦合到转移晶体管的扩散节点和电耦合到扩散节点的增益转换节点，

将转移晶体管第三次脉冲推动至第一电压电平，以将累积电荷载流子的第一部分转移到扩散节点和增益转换节点，

将代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在电耦合到扩散节点的一对电容器上，

将转移晶体管第四次脉冲推动至阈值电压电平，用于将累积电荷载流子的剩余部分转移到扩散节点，

将代表累积电荷载流子剩余部分的高转换增益信号储存在电容器对的第一电容器上，以及

在读出时段期间：

读出储存在电容器对上的低转换增益信号和高转换增益信号。

在一个实施例中，该方法进一步包括：

在曝光时段期间：

在所述第三积分时段之后，将所述转移晶体管至少额外脉冲推动至相应的额外电压电平，其中

每个额外脉冲推动之后，在相应的额外积分时段中，通过光电检测器继续累积电荷载流子。

在一个实施例中，随着曝光时段期间的每次脉冲推动，累积电荷载流子的一部分被排出至像素电源电压。

在一个实施例中，第一电压电平大于第二电压电平。

在一个实施例中，读出低转换增益信号包括双增量采样，其中读出高转换增益信号包括相关双采样。

在一个实施例中，在转移累积电荷载流子的第一部分和累积电荷载流子的剩余部分之间，不复位扩散节点，使得高转换增益信号和低转换增益信号基于公共的噪声电平。

在一个实施例中，高转换增益信号指示基于累积电荷载流子的剩余部分的校准电平。

在一个实施例中，该方法还包括基于依赖于基于校准电平确定的像素特定拐点值的读出的低转换增益信号和高转换增益信号来调节像素输出信号。

此外，提供了一种成像设备，该成像设备包括上述像素装置。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成像设备公开，反之亦然。

在一个实施例中，成像设备包括多个像素，每个像素包括：

被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子的光电检测器，

电耦合到光电检测器的转移晶体管，

电耦合到转移晶体管的扩散节点，

通过增益开关与扩散节点电耦合的增益转换节点，

通过增益开关与扩散节点电耦合的复位开关，

包括一对电容器的采样保持级，采样保持级的输入通过放大器与扩散节点电耦合，其中

转移晶体管被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，

所述一对电容器经配置以储存代表所述累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，且其中

所述电容器对的第一电容器进一步经配置以储存代表所述累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

在一个实施例中，成像设备还包括电耦合至增益转换节点的双增益电容器。

在一个实施例中，该对电容器包括第一电容器和第二电容器，其中第一电容器的第一端通过第一开关与放大器电耦合，第二电容器的第一端通过第二开关与第一电容器的第一端电耦合，并形成采样保持级的输出，两个电容器的第二端均与恒压节点电连接。

在一个实施例中，成像设备还包括选择开关，通过额外放大器将采样保持级的输出电连接至列总线。

附图说明

以下附图说明可进一步说明和解释像素装置的各个方面以及操作像素装置的方法。功能相同或具有相同效果的像素装置的组件和部分由相同的参考符号表示。相同或实际上相同的部件和零件可能仅针对它们首先出现的附图进行描述。它们的描述不必在连续的附图中重复。

图1显示了像素装置的示例性实施例。

图2显示了图像传感器的示例性实施例。

图3显示了像素装置执行的示例性操作。

图4显示了像素装置的示例性信号时序。

图5显示了势垒调制期间光电二极管的电荷。

图6显示了像素装置的示例性特征。

图7显示了线性重构信号。

图8显示了像素装置的另一个示例性实施例。

图9显示了像素装置的另一示例性实施例。

图10显示了像素装置的另一示例性信号时序。

图11显示了像素装置的另一示例性信号时序。

图12显示了像素装置的另一示例性信号时序。

图13显示了像素装置的另一示例性特征。

具体实施方式

图1显示了图像传感器200所包含的像素装置10的示例性实施例。所示的像素装置10可以被操作来实现高动态范围(HDR)。像素装置10被配置为将电磁辐射转换成高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号。

像素装置10包括光电二极管20，光电二极管20被配置为将电磁辐射转换为电荷载流子。光电二极管20也可以被称为光电检测器20。光电二极管20包括阳极端子和阴极端子。光电二极管20的阳极端子连接到负像素电源电压VSS，其也可以是地(GND)。光电二极管20可以转换任何波长的光，例如可见光、红外光和/或紫外光。

像素还包括光电二极管20和扩散节点42之间的转移晶体管30。转移晶体管30充当开关。转移晶体管30被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，用于将部分累积电荷载流子转移到扩散节点42。转移晶体管30的第一端子电连接到光电二极管20的阴极端子。转移晶体管30的第二端子电连接到扩散节点42。扩散节点42在下文中可以被命名为浮动扩散(FD)节点。FD节点42可具有或可连接到电容40(如图8所示)。电容可以被实现为电容器(未示出)，并且可以被称为FD电容。可选地，电容可以由寄生电容形成。转移晶体管30经配置以接收转移信号TX，用于将电荷载流子从光电二极管20转移到FD节点42。FD节点42，特别是FD电容，被配置为缓冲或临时储存来自光电二极管20的电荷载流子。FD电容可以被配置为将电荷载流子转换成电压信号。

像素装置10还包括电耦合至FD节点42的复位晶体管50，用于复位FD节点42。复位晶体管50充当开关。复位晶体管50的第一端子电连接到像素电源电压VDD。复位晶体管50的第二端子经由耦合晶体管140电连接到FD节点。耦合晶体管140可以被命名为双转换增益(DCG)晶体管140。复位晶体管30经配置以接收复位信号RST，用于通过施加像素电源电压VDD来复位FD节点42，且因此排出任何多余的电荷载流子。

像素装置10还包括放大器60，其与FD节点42电连接。放大器60被配置为根据FD节点42处的电容电压，分别生成低转换增益(LCG)信号和高转换增益(HCG)信号。如图1所示，放大器60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62连接到FD节点42，并用作放大器60的输入端62。公共端连接到电源电压VDD。在放大器60的输出端64产生相应的放大信号。

像素装置10还包括第一电容器70和第二电容器80。第一电容器70包括端子节点72和额外端子节点74。如图1所示，额外端子节点74可以连接到参考电位VSS1。此外，第二电容器80包括端子节点82和额外端子节点84。如图1所示，额外端子节点84可以连接到参考电位VSS1。至少第二电容器80被配置为储存代表累积电荷载流子的第一部分的LCG信号。第一电容器70被配置为储存代表累积电荷载流子的剩余部分的HCG信号。

像素装置10还包括位于放大器60的输出端64和第一电容器70之间的第一开关90。第一开关90被提供用于将LCG信号和HCG信号转移到电容器70、80中的一个或两个。第一开关90可以由第一开关晶体管90形成。第一开关晶体管包括被配置为接收第一开关信号S1的栅极端。第一开关晶体管90的第一端子连接到放大器60的输出端64。第一开关晶体管90的第二端子连接到第一电容器70的端子节点72。

像素装置10还包括布置在放大器60的输出端64和第二电容器80之间的第二开关100。第二开关100被提供用于将LCG信号或HCG信号转移到第二电容器80。第二开关100可以由第二开关晶体管100形成。第二开关晶体管100可以包括被配置为接收第二开关信号S2的栅极端。第二开关晶体管100的第一端子连接到第一开关晶体管90的第二端子和第一电容器70的端子节点72。第二开关晶体管100的第二端子连接到第二电容器80的端子节点82。

根据图1的像素装置10还包括与放大器60的输出端64电连接的预充电晶体管160。预充电晶体管160可以被提供用于预充电第一电容器70和第二电容器80，这可以特别地意味着电容器70、80在新信号被储存之前被放电。预充电晶体管160包括连接到放大器60的输出端64的第一端子和连接到参考电位VSS1的第二端子。通过向预充电晶体管160施加预充电信号PC，第一和第二电容器70、80放电，并且为放大器60输送偏置电流。

在未显示的替代实施例中，预充电晶体管160的第二端子连接至额外参考电位VSS_PC，其可不同于参考电压VSS1。

根据图1的像素装置10还包括额外放大器110，其包括电连接至第二电容器80的输入端112，并被配置为在额外放大器110的输出端114产生像素输出信号。像放大器60一样，额外放大器110可以实现为源极跟随器，其中栅极112充当输入端112，公共端连接到像素电源电压VDD。

像素装置10还包括位于额外放大器110的输出端114和列总线130之间的选择晶体管120，用于将像素输出信号转移至列总线130。选择晶体管120包括连接到额外放大器110的输出端114的第一端子和连接到列总线130的第二端子。通过将选择信号SEL施加到选择晶体管120，像素输出信号被转发到列总线130。

像素装置10还包括位于FD节点42和复位晶体管50之间的耦合晶体管140。此外，像素装置10包括第三电容器150。第三电容器150包括端子节点152和额外端子节点154。第三电容器150的额外端子节点154连接到第二额外参考电位Vref，其也可以是VSS。耦合晶体管140包括连接到FD节点42的第一端子和连接到第三电容器150的端子节点152的第二端子。通过向耦合晶体管140施加耦合信号DCG，FD节点42与第三电容器150的端子节点152短路。因此，总电容增加，转换增益降低。耦合晶体管140可被命名为双转换增益晶体管140，并且第三电容器150可被命名为双转换增益电容器150。耦合信号DCG可以被称为双转换增益信号DCG。

FD节点42的电容包括，例如，放大器60的输入端62的电容、转移晶体管30的端子的pn结的电容和耦合晶体管140的第一端子的pn结的电容。因此，连接到FD节点42的晶体管的寄生电容可能导致FD节点42的电容。FD节点42的电容值可以是连接到FD节点42的晶体管的寄生电容值的总和。可选地，像素装置10包括例如连接到FD节点42的电容器(未示出)；该电容器可能对电容有贡献。

例如，第一电容器70的电容和第二电容器80的电容相等。第一电容器70的电容例如高于FD节点42的电容值。第二电容器80的电容例如高于FD节点42的电容值。第三电容器150的电容例如高于FD节点42的电容值。第一和第二电容器70、80被实现为例如金属-绝缘体-金属电容器或金属-绝缘体-半导体电容器。第三电容器150被实现为例如金属-绝缘体-金属电容器或金属-绝缘体-半导体电容器。

第一电容器70和第二电容器80以及第一开关晶体管90和第二开关晶体管100形成采样保持级，采样保持级通过放大器60与扩散节点42电耦合。放大器60和/或额外放大器110和/或预充电晶体管160可以是采样保持级的一部分。

图2显示了具有像素装置10的图像传感器200的示例性实施例。该图像传感器200包括像素装置10的阵列。此外，图像传感器200还包括行驱动器204，其向像素装置10的阵列提供转移信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、预充电信号PC、第一开关信号S1、第二开关信号S2和选择信号SEL。行驱动器204为每一行提供这些信号。图像传感器200包括评估电路205，用于数字化列总线130上的信号。

下文说明了像素装置10的操作。图3示出了由图1所示的像素装置10执行的示例性操作。在图3中，操作用方框示出。一种用于操作像素装置10的方法包括例如以下可以被命名为过程或步骤的方框：

方框350：开始曝光：光电二极管20将电磁辐射转换成电荷载流子。这意味着电荷载流子累积在光电二极管20中。这个阶段可以被称为曝光时段EP。曝光时段EP可以细分成几个连续的积分时段T1、T2、T3等。积分时段的数量可以至少是两个。

方框351：基于系统输入修改转移势垒：提供给转移晶体管30的转移信号TX控制光电二极管20和FD节点42之间的势垒。转移晶体管被脉冲推动至转移信号TX的第一电压电平V1。选择转移信号TX的第一电压电平V1，使得光电二极管20和FD节点42之间的电荷载流子流的势垒降低。这意味着累积电荷载流子的一部分被转移到FD节点42。之后，电荷载流子继续累积。转移晶体管可以被脉冲推动至转移信号TX的第二电压电平V2。可以选择转移信号TX的第二电压电平V2，使得第一电压电平V1大于第二电压电平V2。借助于第二脉冲，累积电荷载流子的额外部分被转移到FD节点42。在总曝光期间，可以施加任意数量的脉冲。例如，施加第三电压电平V3的第三脉冲。在一个示例中，第一电压电平V1等于或大于第二电压电平V2。通常，后续脉冲的相应电压电平可以等于或小于前一脉冲的电压电平。这可能意味着V1≥V2≥V3等。

累积电荷载流子的所述部分将被排出至像素电源电压。将所述部分排出至像素电源电压VDD可通过同时施加复位信号RST和耦合信号DCG来进行，以使FD节点42电连接至像素电源电压VDD。所述部分的排出可以在曝光时段EP期间或者在曝光时段EP结束时或者在曝光时段EP之后进行，例如在储存时段FS开始时或者在专用的排出时段D中进行(见图4)。

换句话说，在总曝光时间期间，转移晶体管30可被脉冲推动至某个部分电平n次，电荷通过DCG晶体管140和复位晶体管50排出至电源VDD。因此，在曝光期间可以使用多个势垒，并且可以使用第一势垒电平作为进一步扩展动态范围的参考点来校准多个势垒。

在一个示例中，在第一积分时段T1之后，转移晶体管30被脉冲推动至第一(部分)电压电平V1，光电二极管电荷的一部分被排出至电源VDD。一段时间后，转移晶体管30可以再次被脉冲推动至第二电压电平V2。第一脉冲达到第一电压电平V1和第二脉冲达到第二电压电平V2之间的时间可以称为第二积分时段T2。第二脉冲至达第二电压电平V2之后的时间可以被称为第三积分时段T3。第一电压电平V1可以大于第二电压电平V2，即V1>V2。

方框352：将光电二极管20累积的电荷载流子的第一部分转移到FD节点42和第三电容器150。转移信号TX的脉冲被提供给对应于第一电压电平V1的转移晶体管30。这意味着第一电压电平V1被施加到转移晶体管30。耦合信号DCG的脉冲被施加到耦合晶体管140。对应于在最后积分时段中累积的电荷载流子的第一部分经由转移晶体管30和耦合晶体管140从光电二极管20转移到FD节点42的电容40和第三电容器150。因此，电荷载流子在放大器60的输入端62产生电容电压VC。由于FD节点和第三电容器的总电容大，所以施加在放大器60的输入端62的信号的增益减小(低增益)。

方框353：在储存时段FS的第一阶段FS1中，将电荷载流子的第一部分储存在第一和第二电容器70、80上：第一和第二开关晶体管90、100被设置为导通状态，用于将电荷载流子的第一部分从FD节点42转移到第二电容器80。这可能意味着放大的电容电压被施加到第一和第二电容器70、80。第二开关信号S2可以具有短脉冲，用于均衡第一和第二电容器70、80处的电压。这意味着信号在第一和第二电容器70、80上被重新分配。所述放大的电容电压对应于低转换增益(LCG)信号。

方框354：在读出时段RO的第一阶段RO1中，第二电容器80的读出：在第二电容器80处分接的输出电压VO由额外放大器110放大。如果选择晶体管120在读出时段RO的第一读出阶段RO1中被设置为导通状态，则放大的输出电压被提供给列线130用于数字化。例如由评估电路(如图2所示)产生作为输出电压VO的第一值的函数的第一数字化值。输出电压VO的所述第一值对应于LCG信号。

方框355：将剩余电荷载流子转移到FD节点42：将转移信号TX的第二脉冲施加至转移晶体管30，以将剩余电荷载流子从光电二极管20转移到FD节点42。第二脉冲可对应于转移晶体管30的全电压电平Vf，使得光电二极管20与FD节点42之间的势垒最小化或被移除。

转移信号的第一电压电平V1导致比全电压电平Vf更高的势垒。在一个例子中，V1<Vf。耦合晶体管140保持在非导通状态，使得FD节点42的单个电容导致施加在放大器60的输入端62的信号的高增益。

方框356：在储存时段FS的第二阶段FS2，将光电二极管20累积的剩余电荷载流子储存在第一电容器70上。这可能意味着在FD节点42处分接的电容电压VC被放大器60放大。通过向第一开关晶体管90提供第一开关信号S1的脉冲，放大的电容电压被提供给第一电容器70。所述放大的电容电压对应于高转换增益(HCG)信号。

方框357：在读出时段RO的第二阶段RO2中，读出第一电容器70：在第一读出阶段RO1中，在方框354中已经读出第二电容器80处的输出电压VO后，将第二开关晶体管100设置为导通状态。因此，第一电容器70和第二电容器80的电压相等。因为电容电压VC仍然被放大器60放大，所以第二电容器80处的输出电压VO等于放大的电容电压。输出电压VO被额外放大器110放大。当选择晶体管120在读出阶段RO的第二读出阶段RO2中被设置为导通状态时，放大的输出电压被提供给列线130用于数字化。由评估电路产生作为输出电压VO的第二值的函数的第二数字化值。输出电压VO的所述第二值对应于HCG信号。

通常，方框352、353、355、356的步骤在帧储存时段FS内执行。在读出时段RO中执行方框354、357的步骤。

方框358：从第一电容器70的电压或第一电容器70的电压的数字化值中减去第二电容器80的电压或第二电容器80的电压的数字化值：表示光电二极管20的照度IL的输出信号是第一数字化值(由方框353产生)和第二数字化值(由方框357产生)的函数。在一个示例中，由评估电路从第二数字化值(由方框357产生)中减去第一数字化值(由方框353产生)。通过这种操作，可以用相关双采样(CDS)来访问HCG信号，因为第一(数字化)值和第二(数字化)值基于公共的噪声电平。

方框359：放大LCG信号。这可能意味着LCG信号被调节。特别地，LCG信号可以被放大。评估电路205可以调节或放大LCG信号。借助于第三电容器150(双转换增益电容器150)以较低的增益对LCG信号进行采样，以增加动态范围。为了校正这种增益调节，LCG信号在方框359中被放大。此外，LCG信号可以通过双增量采样(DDS)获得。LCG信号用于高照度的情况，在这种情况下，热噪声不太相关，因为光子散粒噪声占主导地位。因此，从视频信号中去除噪声的相关双采样是不必要的。然而，可能希望从视频信号中去除固定模式噪声(FPN)。通过执行双增量采样(DDS)，可以从LCG信号中去除FPN。可以通过从LCG信号中减去复位电平来执行DDS，其中可以在第二读出阶段RO2之后的读出时段RO的第三阶段RO3中读出复位电平。

方框360：每像素拐点校准：HCG信号包含后处理中所需的第一校准电平，以消除由影响转移晶体管30的阈值电压的转移晶体管30的变化引起的FPN。由于在曝光时段期间已经施加于势垒调制的相同的第一电压电平V1也在帧储存期间被施加，所以HCG信号包括线性化期间所需的和用于FPN校正拐点校准值。在积分期间，转移晶体管30的额外脉冲(例如，到第二电压电平V2)的拐点校正可以被映射(map)，并且利用第一电压电平V1的精确校准值作为参考点。校准值也将用作参考，以消除由积分期间出现的附加脉冲引起的FPN变化。因为在总曝光期间可以施加任意数量的脉冲，所以第一电压电平V1的精确校准值也可以用作校正这种额外脉冲的参考。例如，在至第三电压电平V3的第三脉冲的情况下，可以通过使用V1精确电平作为参考来校正V3脉冲。对每个像素分别执行拐点校准。此外，像素装置10是自校准的，因为势垒信息包含在HCG信号中。因此，不需要额外读出。方框360是可选的。

方框361：线性化。有可能重构线性化的像素输出信号，即线性依赖于照明电平的像素输出信号。下面解释这种重构。积分时段的持续时间可用于重构像素输出信号。用于转移晶体管30的势垒调制的脉冲的电压电平V1、V2等可以可选地用于重构像素输出信号。

图4显示了由图1所示的像素装置10执行的示例性时序图。以下信号被示为时间的函数：转移信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、第一开关信号S1和第二开关信号S2。应当注意，所示的信号时序更多的是一个例子，并且可以改变。此外，时间间隔的标度不应被视为精确的指示。

图4显示了复位时段R、曝光时段EP、排空时段D和(帧)储存时段FS。没有示出读出时段RO。读出时段RO将跟随储存时段FS。储存时段FS将跟随曝光时段EP。曝光时段EP跟随复位时段R。曝光时段EP包括第一、第二和第三积分时段T1、T2和T3。第三积分时段跟随第二积分时段T2，第二积分时段跟随第一积分时段T1。储存时段FS包括第一和第二储存阶段FS1、FS2。第二储存阶段FS2跟随第一储存阶段FS1。储存时段FS可以是像素阵列内每个像素的全局储存时段。可以为每行单独执行读出时段RO。因此，在第二储存阶段FS2和读出时段RO之间可能存在时间间隙。

在复位时段R期间，施加复位信号RST、耦合信号DCG和转移信号TX。这可能意味着复位晶体管50、耦合晶体管140(双转换增益晶体管140)和转移晶体管30被脉冲推动，导致通过将光电二极管20和FD节点42连接到像素电源电压VDD来排出任何冗余电荷载流子。转移晶体管30可以被脉冲推动至全电压电平Vf。

在第一积分时段T1期间，光电二极管20累积电荷载流子。累积电荷载流子的量取决于第一积分时段T1的持续时间。在第一积分时段T1结束时，传输门30被脉冲推动至第一电压电平V1。这导致累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点42。所述部分被配置为在稍后的阶段被排出到像素电源电压VDD。

在传输门30的所述脉冲之后，光电二极管20继续在第二积分时段T2中累积电荷载流子。第二积分时段T2可以比第一积分时段T1短。在第二积分时段T2中累积电荷载流子的量取决于第二积分时段T2的持续时间。

在第二积分时段T2结束时，传输门30被脉冲推动至第二电压电平V2，第二电压电平V2可能小于第一电压电平。这导致累积电荷载流子的额外部分转移到扩散节点42。所述额外部分还被配置为在稍后的阶段被排出到像素电源电压VDD。

在传输门30的所述脉冲之后，光电二极管20在第三积分时段T3内继续累积电荷载流子。第三积分时段T3可以比第二积分时段T2短。在第三积分时段T3中累积电荷载流子的量取决于第三积分时段T3的持续时间。

在随后的排出时段中，在第三积分时段T3结束时施加复位脉冲RST和耦合脉冲DCG。这从扩散节点42移除了任何多余的电荷载流子，特别是在曝光时段期间通过TX脉冲(V1、V2等)转移的累积电荷载流子的部分。因此，所述部分被排出到像素电源电压VDD。

在储存时段FS的下一个第一储存阶段FS1中，传输门30再次被脉冲推动至第一电压电平V1。这导致累积电荷载流子的第一部分转移到FD节点42。所述第一部分可以对应于在最后的积分时段(例如第三积分时段T3)期间累积的电荷载流子。同时，耦合信号DCG变高，以通过用第三电容器150短路FD节点42来降低增益。然后，施加第一和第二开关信号S1、S2，用于储存代表电容器对70、80上累积电荷载流子的第一部分的LCG信号，电容器对70、80经由源极跟随器60电耦合到FD节点42。LCG信号可以在第一电容器70和第二电容器80上重新分配。

第二储存阶段FS2之后，将转移晶体管30脉冲推动至全电压电平Vf，以将累积电荷载流子的剩余部分转移到FD节点42。所有剩余的电荷载流子被转移。耦合信号DCG保持为低，从而实现高转换增益。然后，第一开关信号S1被施加到第一开关90，用于储存表示第一电容器70上累积电荷载流子的剩余部分的HCG信号。

图5进一步说明了势垒调制，并补充了图4关于曝光时段EP的时序图。在图5中，示出了在曝光时段EP期间光电二极管20处累积的电荷Qout随时间的变化。在第一积分时段T1中，电荷累积在光电二极管20上。进而，充电信号Qout增加。累积电荷可能达到饱和电平Qsat，如图5所示。在第一积分时段T1结束时，势垒被脉冲调制至第一电压电平V1。这导致光电二极管20处的电荷信号Qout下降。电荷信号Qout下降到对应于第一电压电平V1的第一势垒电平Qbarr1。在第二积分时段T2中，由于光电二极管20处的光转换，电荷信号Qout从第一势垒电平Qbarr1继续增加。在第二积分时段T2结束时，施加至第二电压电平V2的脉冲，这导致充电信号Qout的进一步下降。如果第二电压电平V2小于第一电压电平V1，则充电信号Qout下降到高于第一势垒电平Qbarr1的第二势垒电平Qbarr2。在第三积分时段T3中，由于光电二极管20处的光转换，电荷信号Qout从第二势垒电平Qbarr2继续增加。如上所述，对应于图5所示信号压降的电荷被排到电源。因此，光电二极管20处的电荷信号Qout受到撇除操作(skimming operation)/势垒调制的影响。

图6显示了像素装置10的示例性特征。以模拟单位(artificial unit)的响应信号SIG被示以模拟单位的照度IL的函数。响应信号SIG可以是采样保持电容器(第一和第二电容器70、80)上的电荷等效信号。信号SIG1(窄实线)是由第一积分时段T1产生的信号。当将传输门30脉冲推动至第一电压电平V1时，它对于较高的曝光电平饱和，导致将多余的电荷载流子排出到像素电源电压VDD。

信号SIG2(虚线)是第二积分时段T2产生的信号。信号SIG2的斜率没有信号SIG1的斜率陡，因为积分时段T2可能比积分时段T1短。可选地或附加地，信号SIG2的斜率没有信号SIG1的斜率陡，因为两个信号都是在不同的转换增益下获得的。例如，信号SIG1(直到拐点)是在高转换增益下获得的。例如，在低转换增益下获得信号SIG2。因此，斜率取决于例如FD节点42的电容值和第三电容器150的电容值。斜率差取决于增益比。信号SIG2对于较高的照度级可能饱和，因为将传输门30脉冲推动至第一电压电平V2导致将多余的电荷载流子排出到像素电源电压VDD。

信号SIG3(虚线)是第三积分时段T3产生的信号。信号SIG3的斜率没有信号SIG2的斜率陡，因为积分时段T3可能比积分时段T2短。可选地或附加地，信号SIG3的斜率没有信号SIG2的斜率陡，因为两个信号都是在不同的转换增益下获得的。例如，信号SIG2(直到其拐点)是在高转换增益下获得的。例如，在低转换增益下获得信号SIG3。因此，斜率取决于例如FD节点42的电容值和第三电容器150的电容值。斜率差取决于增益比。

输出信号SIG4(宽实线)是通过信号SIG1、SIG2和SIG3的组合获得的信号。此外，输出信号SIG3可以是信号SIG1、信号SIG2、信号SIG3和复位信号(未示出)的函数。通过组合信号SIG1、SIG2和SIG3，可以增加像素装置10的动态范围。信号SIG1的精确饱和电平可以从HCG信号中确定，因为HCG信号对应于在至第一电压电平V1的脉冲之后剩余的电荷载流子。这可能意味着信号SIG1对应于HCG信号。信号SIG3可以对应于LCG信号。此外，基于对积分时段T1-T3的持续时间和电压电平V1-V2的了解，信号SIG2的准确饱和电平也可以从HCG信号中确定。换句话说，V2的拐点校正将被映射并利用V1精确校准值作为参考点。

图7显示了依赖于光强度IL的重构线性化信号Qlin。线性化信号Qlin和光强度/照度以模拟单位示出。应当注意，图7所示的强度范围对应于图6所示的强度范围。线性化信号Qlin是重构后的有效信号。线性化信号Qlin可以基于图6所示的信号SIG1、SIG2和SIG3。这可能意味着使用在曝光时段EP期间获得的信号SIG1至SIG3来重构线性化信号Qlin。如图所示，对于非常高的照度级，线性化信号Qlin可能饱和。然而，由于势垒调制，动态范围增加了。

图8显示了像素装置10的另一个实施例。根据图8的实施例与根据图1的实施例的不同之处在于：电容器70、80不是级联布置，而是并联布置。这意味着耦合到第二电容器80的第二开关100直接连接到放大器60的输出端64，而不是如图1所示经由第一开关90。应当注意，预充电门160也可以被实现为被配置为提供固定电流的恒流源。此外，根据图8的实施例还包括耦合到第二电容器80的第二附加放大器110’和附加选择门120’，而附加放大器110和选择门120耦合到第一电容器70。然而，应该注意的是，所示的实施例仅通过示例的方式示出了电容器70、80的并联布置。其他布置也是可能的。例如，并联布置的电容器70、80可以通过附加开关共享公共的额外放大器110。本领域技术人员将理解如何实现如图4所示的类似信号时序。然而，由于第一开关和第二开关可以独立操作，所以在帧储存和读出期间，信号时序可能稍微改变。

像素装置10可包括以类似方式排列的额外电容器，如图8中的省略号所示。这样，至少一个额外信号可以储存在额外电容器上。额外信号可以对应于图6所示的信号。例如，额外信号可以对应于信号SIG2。信号SIG2指示可以对应于其饱和电平的额外校准电平。因此，可以基于进一步的校准电平来确定像素输出信号。在这种情况下，用于操作像素装置10的方法可以包括更多的储存阶段，例如第三储存阶段FS3，其中额外信号储存在额外电容器上。该额外储存阶段可以在第一储存阶段FS1之前。可以通过转移晶体管30的脉冲将额外储存阶段引入到相应的电压电平，例如第二电压电平V2。通常，像素装置10可以包括n个采样保持(S/H)电容器，允许n个以上的自校准点，其中除了第一次读出之外的所有读出都是CDS读出(第一次读出是DDS)。因此，可以扩展动态范围，并且可以直接访问拐点校准和线性化所需的对应于多个势垒的校准电平。

图9显示了像素装置10的另一个实施例。根据图9的实施例与根据图1的实施例的不同之处在于，它包括与第一电容器70和第二电容器80级联布置的额外电容器75。额外开关晶体管95被分配给额外电容器75。也就是说，额外开关晶体管95将第一电容器70的端子节点连接到额外电容器75的端子节点。第二开关晶体管100将额外电容器75的端子节点连接到第二电容器80的端子节点。像素装置10可以包括以类似于省略号所示的方式布置的第二额外电容器。如同在图8的实施例中，至少一个额外信号可以储存在(额外)电容器70、75、80上，从而可以储存更多的自校准点以确定像素输出信号。为此，用于操作像素装置10的方法可以包括更多的储存阶段，例如第三储存阶段FS3，其中额外信号分别储存在额外电容器75上或者重新分布在S/H电容器70、75、80中的至少一些上。这样，可以直接访问对应于多个势垒的校准电平。

图10显示了由图1所示像素装置10执行的操作方法的另一实施例的时序图。如图4所示，以下信号被示为时间的函数：转移信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、第一开关信号S1和第二开关信号S2。应当注意，所示的信号时序更多的是一个例子，并且可以改变。此外，时间间隔的标度不应被视为精确的指示。

时序包括曝光时段EP，在此期间，通过像素装置10所包含的光电检测器20累积电荷载流子。在曝光时段EP之前，向转移晶体管30施加达到全电压电平Vf的TX脉冲。由于复位信号RST和耦合信号DCG同时为高，这导致光电二极管20和扩散节点42的复位，其中任何冗余电荷载流子都被移除，使得像素装置10准备好捕获新的帧。如图10所示，耦合信号DCG和复位信号RST可以在曝光时段EP内的预定时段内保持高电平。

在电荷载流子累积期间，即曝光时段EP期间，执行以下步骤：

转移晶体管被脉冲推动至第一电压电平V1，以将累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点42。所述部分被配置为排出到电源电压，这是通过耦合信号DCG和复位信号RST都为高的事实来实现的。因此，浮动扩散节点42电连接到像素电源电压VDD。

然后，转移晶体管30被脉冲推动至第二电压电平V2，用于将累积电荷载流子的额外部分转移到扩散节点42。第二电压电平V2低于第一电压电平V1，导致光电二极管20和扩散节点42之间更高的势垒。所述额外部分被配置为被排出到电源电压VDD，这是通过耦合信号DCG和复位信号RST仍然为高的事实来实现的。此后，复位信号RST下降，使得扩散节点42不再连接到像素电源电压VDD。

然后，转移晶体管30被脉冲推动至第一电压电平V1，用于将累积电荷载流子的第一部分转移到扩散节点42。第一部分的表示被配置为储存为低转换增益信号，即LCG信号。LCG信号以低转换增益储存，这通过DCG信号仍然为高的事实来实现，使得扩散节点42电连接到耦合电容器150，导致电容增加。

代表累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在通过放大器60和开关晶体管90、100耦合到扩散节点42的第二电容器80上。这是通过开关信号S1和S2都变高来实现的。低转换增益信号可以在第一电容器70和第二电容器80上重新分配。此后，耦合信号DCG变低以增加转换增益，因为扩散节点42不再连接到耦合电容器150。

在曝光时段结束时，转移晶体管30被脉冲推动至全电压电平Vf，用于将累积电荷载流子的剩余部分转移到扩散节点42。剩余部分的表示被配置为储存为高转换增益信号，即HCG信号。HCG信号以高转换增益储存，这是通过DCG信号为低来实现的。

在所述脉冲推动至全电压电平Vf后，代表累积电荷载流子剩余部分的高转换增益信号储存在第一电容器70上，第一电容器70通过放大器60和第一开关晶体管90耦合到扩散节点42。这是通过第一开关信号S1变高来实现的。或者，如虚线所示，第一开关信号S1在储存LCG信号后可以保持高。在读出时段(未示出)期间，储存在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号被读出并经由列总线130被转发到评估电路。

在所示示例中，从第一脉冲至第一电压电平V1到第二脉冲至第一电压电平的时段由T1表示。从脉冲至第二电压电平V2到第二脉冲至第一电压电平的时段由T2表示。LCG信号提供了关于时段T1和时段T2期间的曝光的信息。

HCG信号提供了在曝光时段(低光)或第一势垒(高光)期间总曝光的信息。重构线性化信号取决于光线条件：

在下文中，对应于复位电平减去LCG信号的信号被称为DDS信号。对应于LCG信号减去HCG信号的信号被称为CDS信号。

在低光条件下，势垒脉冲TX不影响光电二极管电荷，通过读出CDS信号来实现重构。

在低至中光条件下，仅第二势垒脉冲TX(至第二电压电平V2的脉冲)影响光电二极管电荷，通过对DDS信号和数字域中的DDS信号求和来实现重构。

在中到高光条件下，两个势垒脉冲(至第一和第二电压电平)都影响光电二极管电荷，仅通过使用DDS信号实现重构。对于线性化，它乘以时段比值EP/T1。

在两个阻挡脉冲TX都影响光电二极管电荷的中到高光条件下，仅使用DDS信号实现重构。可以减去一个偏移量(第二势垒电平QBarr2–第一势垒电平Qbarr1)。第一势垒电平Qbarr1等于CDS读出，可估计第二势垒电平Qbarr2。

对于线性化，偏移消除后的DDS信号乘以时段比值EP/T2。

所示示例说明了通过使用具有两个势垒的势垒调制来操作像素装置10的方法。然而，正如有经验的读者将容易认识到的，该方法可以用附加的势垒来扩展。

图11显示了图1所示像素装置10的额外信号时序。根据图11的信号时序类似于图4的信号时序，不同之处在于转移晶体管30没有被脉冲推动至第二电压电平V2。因此，曝光时段仅包括第一和第二积分时段T1、T2。换句话说，操作像素装置10的方法仅利用转移晶体管30的一个势垒来增加动态范围。对于图11的进一步描述，请参考图4的注释。

图12显示了图1所示像素装置10的另一种信号时序。根据图12的信号时序类似于图10的信号时序，不同之处在于转移晶体管30没有被脉冲推动至第二电压电平V2。换句话说，操作像素装置10的方法仅利用转移晶体管30的一个势垒来增加动态范围。对于图12的进一步描述，请参考图10的注释。

图13显示了仅利用图11或12所示的一个势垒的像素装置10的另一示例性特征。如图6所示，以模拟单位的响应信号SIG被示为以模拟单位的照度IL的函数。响应信号SIG可以是采样保持电容器上的电荷等效信号。输出信号SIG3是通过信号SIG1和SIG2的组合获得的信号。此外，输出信号SIG3可以是信号SIG1、信号SIG2和复位信号(未示出)的函数。通过组合信号SIG1、SIG2，可以增加像素装置10的动态范围。

信号SIG2是由第一脉冲推动至第一电压电平V1和第二脉冲推动至第一电压电平V1之间的积分时段(根据图12的第一积分时段T1)产生的信号。它可以代表LCG信号。信号SIG1是低光信号，即它可以代表HCG信号。信号SIG1可以由总曝光时段EP产生。它在高照度级别下会饱和。饱和电平可以用作校准电平，以在高照度级别下重构输出信号。SIG1和SIG2之间的斜率差可以取决于增益比和/或不同的积分时段。对于进一步的细节，参考图6的描述。

本文公开的像素装置10的实施例和操作该像素装置10的方法已进行了讨论，目的是让读者熟悉该思想的新颖方面。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以对所公开的概念进行许多改变、修改、等同物和替换，而不会不必要地偏离权利要求的范围。

应理解，本公开不限于所披露的实施例以及上文具体示出和描述的内容。相反，在分开的从属权利要求或说明书中列举的特征可以有利地组合。此外，本公开的范围包括那些变型和修改，这些变型和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且落入所附权利要求的范围内。

权利要求或说明书中使用的术语“包括”不排除相应特征或过程的其他元素或步骤。在术语“一”或“一个”与特征结合使用的情况下，它们不排除多个这样的特征。此外，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记

10 像素装置

20 光电二极管

30 转移晶体管

40 电容

42 扩散节点

44 电容的额外端子节点

50 复位晶体管

60 放大器

62 放大器的输入端

64 放大器的输出端

70 第一电容器

72 第一电容器的端子节点

74 第一电容器的额外端子节点

75 附加电容器

80 第二电容器

82 第二电容器的端子节点

84 第二电容器的额外端子节点

90 第一开关、开关晶体管

95 额外开关、开关晶体管

100 第二开关、开关晶体管

110 额外放大器

112 额外放大器的输入端

114 额外放大器的输出端

120 选择晶体管

130 列总线

140 双转换增益晶体管

150 双转换增益(第三)电容器

152 第三电容器的端子节点

154 第三电容器的额外端子节点

160 预充电晶体管

200 图像传感器

204 行驱动器

205 评估电路

350-361 方框

D排出时段

DCG耦合信号、双转换增益信号

FS1、FS2储存阶段

IL照度/光强度

Qbarr1 第一势垒电平

Qbarr2 第二势垒电平

Qlin 线性化信号

Qout 电荷信号

Qsat 饱和电平

RST 复位信号

S1，S2开关信号

SIG1-SIG4 信号

T1-T3 积分时段

EP 像素曝光、曝光时段

FS 储存时段

RO 像素读出、读出时段

R 复位时段

TX 转移信号

V1，V2电压电平

Vf 全电压电平

Vref 第二额外参考电位

VSS负像素电源电压，GND

VSS1参考电位

VSS_PC额外参考电位

VDD像素电源电压。

Claims (20)

1.一种像素装置(10)，包括：

光电检测器(10)，被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子，

转移晶体管(30)，电耦合到所述光电检测器(20)，

扩散节点(42)，电耦合到所述转移晶体管(30)，

复位晶体管(50)，电耦合到所述扩散节点(42)和像素电源电压(VDD)，

采样保持级，至少包括第一电容器(70)和第二电容器(80)，所述采样保持级的输入端经由放大器(60)电耦合到所述扩散节点(42)，其中

所述转移晶体管(30)被配置为被脉冲推动至不同的电压电平，用于将部分所述累积电荷载流子转移到所述扩散节点(42)，

至少所述第二电容器(80)被配置为储存代表所述累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中

所述第一电容器(70)被配置为储存代表所述累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

2.根据权利要求1所述的像素装置(10)，

其中所述低转换增益信号和所述高转换增益信号包括公共的噪声电平，并且

其中所述高转换增益信号指示用于调整依赖于像素特定拐点值的像素输出信号的校准电平。

3.根据权利要求1至2之一所述的像素装置(10)，进一步包括

双转换增益晶体管(140)，以及

双转换增益电容器(150)，

其中所述双转换增益晶体管(140)将所述扩散节点(42)连接到所述双转换增益电容器(150)的端子节点，并且

其中所述复位晶体管(50)经由所述端子节点和所述双转换增益晶体管(140)电耦合到所述扩散节点(42)。

4.根据权利要求1至3之一所述的像素装置(10)，进一步包括

至少两个开关晶体管(90，100)，

其中每个开关晶体管(90，100)被分配给所述采样保持级的相应电容器(70，80)，并且将所述相应电容器(70，80)的端子节点耦合到所述采样保持级的输入端。

5.根据权利要求1至4之一所述的像素装置(10)，

其中所述采样保持级恰好包括两个电容器(70，80)。

6.根据权利要求1至5之一所述的像素装置(10)，

其中所述采样保持级还包括预定数量的附加电容器(75)，每个所述附加电容器(75)被配置为储存表示所述累积电荷载流子的额外部分的附加信号。

7.根据权利要求1至6之一所述的像素装置(10)，进一步包括

额外放大器(110)，耦合到所述采样保持级的输出端，以及

选择晶体管(120)，该选择晶体管(120)将所述额外放大器(110)电连接到列总线(130)。

8.一种图像传感器(200)，包括根据权利要求1至7之一所述的像素布置(10)。

9.一种操作像素装置(10)的方法，该方法包括：

在曝光时段(EP)期间：

在第一积分时段(T1)中，利用所述像素装置(10)所包括的光电检测器(20)累积电荷载流子，

在所述第一积分时段(T1)结束时，将转移晶体管(30)脉冲推动至第一电压电平(V1)，以将所述累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点(42)，其中所述部分被配置为被排出到电源电压(VDD)，

在第二积分(T2)时段中，用所述光电检测器(20)继续累积电荷载流子，以及

在储存时段(FS)：

将所述转移晶体管(30)脉冲推动至所述第一电压电平(V1)，用于将所述累积电荷载流子的第一部分转移到所述扩散节点(42)，

将代表所述累积电荷载流子的第一部分的低转换增益信号储存在耦合到所述扩散节点(42)的至少第二电容器(80)上，

将所述转移晶体管(30)脉冲推动至全电压电平(Vf)，用于将所述累积电荷载流子的剩余部分转移到所述扩散节点(42)，

将代表所述累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号储存在耦合到所述扩散节点(42)的第一电容器(70)上，以及

在读出时段(RO)：

读出储存在所述电容器(70，80)上的所述低转换增益信号和所述高转换增益信号。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

在所述曝光时段(EP)期间，在所述第二积分时段(T2)之后：

至少一个附加脉冲推动所述移晶体管(30)达到相应的额外电压电平(V2，V3)，

其中，通过每个附加脉冲推动，所述累积电荷载流子的额外部分被配置为被排出到所述像素电源电压(VDD)，并且

其中每个附加脉冲推动之后是在相应的附加积分时段(T3，T4)中用所述光电检测器(20)附加地继续累积电荷载流子。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中在所述曝光时段期间施加的连续脉冲的电压电平(V1、V2、V3)是相等的或者从一个脉冲至另一个脉冲减小。

12.根据权利要求9至10之一所述的方法，

其中在所述曝光时段(EP)期间跟随所述脉冲推动的积分时段(T1，T2，T3，T4)从一个积分时段到另一个积分时段减小。

13.根据权利要求9至12之一所述的方法，

其中所述高转换增益信号指示基于所述累积电荷载流子的所述剩余部分的校准电平。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括

基于所述低转换增益信号和/或所述高转换增益信号来调整像素输出信号，所述低转换增益信号和/或所述高转换增益信号依赖于基于所述校准电平确定的像素特定拐点值。

15.根据权利要求9至14之一所述的方法，

其中读出所述低转换增益信号包括双增量采样，并且其中所述高转换增益信号包括相关双采样。

16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

在所述储存时段(FS)：

将所述转移晶体管(30)脉冲推动至所述相应的额外电压电平，用于将所述累积电荷载流子的额外部分转移到所述扩散节点(42)，以及

在耦合到所述扩散节点(42)的额外电容器(75)上储存表示所述累积电荷载流子的所述额外部分的额外信号。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中所述额外信号指示基于所述累积电荷载流子的所述额外部分的额外校准电平，并且

依赖于基于所述额外校准电平确定的额外像素特定拐点值来调整所述像素输出信号。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

在读出时段(RO)期间：

读出储存在所述额外电容器(75)上的所述额外信号，其中读出所述额外信号包括相关双采样。

19.一种操作像素装置(10)的方法，该方法包括：

在曝光时段(EP)期间，利用所述像素装置(10)所包括的光电检测器(10)累积电荷载流子，并且在累积时段执行以下步骤：

将转移晶体管(30)第一脉冲推动至第一电压电平(V1)，以将所述累积电荷载流子的一部分转移到扩散节点(42)，其中所述部分被配置为被排出到电源电压(VDD)，

将所述转移晶体管(30)第二脉冲推动到第一电压电平(V1)，用于将所述累积电荷载流子的第一部分转移到所述扩散节点(42)，以及

将代表所述累积电荷载流子的所述第一部分的低转换增益信号储存在耦合到所述扩散节点(42)的至少第二电容器(80)上，

在所述曝光时段(EP)结束时，将所述转移晶体管(30)脉冲推动至全电压电平(Vf)，用于将所述累积电荷载流子的剩余部分转移到所述扩散节点(42)，

在所述脉冲推动至全电压电平(Vf)之后，在耦合到所述扩散节点(42)的第一电容器(70)上储存表示所述累积电荷载流子的所述剩余部分的高转换增益信号，以及

在读出时段(RO)期间，读出储存在所述电容器(70，80)上的所述低转换增益信号和所述高转换增益信号。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：

在所述第一脉冲推动至所述第一电压电平(V1)之后并且在所述第二脉冲推动至所述第一电压电平(V1)之前，至少一个附加脉冲推动所述转移晶体管(30)到相应的额外电压电平(V2，V3)，用于将所述累积电荷载流子的相应的额外部分转移到所述扩散节点(42)，其中所述额外部分被配置为被排出到所述电源电压(VDD)。