带溢出能力的图像传感器像素的制作方法

本发明一般而言涉及成像设备，更具体而言，涉及具有带溢出能力的图像传感器像素的成像设备。

背景技术：

图像传感器通常用在诸如蜂窝电话、相机和计算机之类的电子设备中以捕获图像。在典型的布置中，图像传感器包括以像素行和像素列布置的图像像素阵列。电路系统可以耦合到每个像素列，用于从图像像素读出图像信号。

典型的图像像素包含用于响应入射光而生成电荷的光电二极管。图像像素还可以包括用于存储在光电二极管中生成的电荷的电荷存储区域。图像传感器可以使用全局快门或滚动快门方案来操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素可以同时捕获图像，而在滚动快门中，每行像素可以顺序地捕获图像。

图像传感器可以配备有多重曝光高动态范围(hdr)功能，其中在不同曝光时间用图像传感器捕获多个图像。稍后将图像组合成高动态范围图像。在常规的hdr图像传感器中，可以在第一读出循环期间对长曝光图像进行采样。然后通常使用存储器缓冲器来存储长曝光图像。在存储器缓冲器存储长曝光图像的同时，生成短曝光图像。然后在第二读出循环中对短曝光图像进行采样。在对短曝光图像进行采样之后，将短曝光图像和长曝光图像组合以形成hdr图像。但是，存储器缓冲器会增加制造图像传感器的附加成本(例如，增加的硅成本)。此外，标准hdr图像传感器像素可以具有其它缺陷，诸如由明亮场景造成的光电二极管的不希望的饱和以及不能检测到闪烁光。

因此，期望能够提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。

附图说明

图1是根据实施例的、具有图像传感器和用于使用图像像素阵列捕获图像的处理电路系统的说明性电子设备的图。

图2是根据实施例的、用于从像素阵列读出图像信号的说明性像素阵列和相关联的读出电路系统的图。

图3是根据实施例的、具有一对拆分的光电二极管的说明性图像传感器像素的电路图。

图4是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以使得这对拆分的光电二极管具有电荷溢出能力的时序图。

图5是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以使得这对拆分的光电二极管中的一个具有电荷溢出和光闪烁减轻能力的时序图。

图6a和6b是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以使用两种不同方法使得这对拆分的光电二极管具有电荷溢出和光闪烁减轻能力的时序图。

图7是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以使得这对拆分的光电二极管能够在全局快门模式和滚动快门模式下并行操作的时序图。

图8是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以使得这对拆分的光电二极管具有电荷溢出和高动态范围能力的时序图。

图9a-9c是根据实施例的、用于操作图3中所示的说明性图像传感器像素以实现顺序读出、同时读出或同时高动态范围读出的时序图。

图10是根据实施例的、具有一对拆分的光电二极管和对应的一对专用溢出电容器的说明性图像传感器像素的电路图。

图11是根据实施例的、用于操作图10中所示的说明性图像传感器像素以使得这对拆分的光电二极管具有电荷溢出和光闪烁减轻能力的时序图。

图12是根据实施例的、采用图1-11的实施例的处理器系统的框图。

具体实施方式

诸如数码相机、计算机、蜂窝电话和其它电子设备之类的电子设备可以包括搜集传入的光以捕获图像的图像传感器。图像传感器可以包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可以包括光敏元件，诸如将传入的光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可以具有任何数量的像素(例如，数百或数千或更多)。典型的图像传感器可以例如具有数十万或数百万像素(例如，百万像素)。图像传感器可以包括控制电路系统，诸如用于操作图像像素的电路系统和用于读出与由光敏元件生成的电荷对应的图像信号的读出电路系统。

图1是说明性成像系统的图，诸如使用图像传感器来捕获图像的电子设备。图1的电子设备10可以是便携式电子设备，诸如相机、蜂窝电话、平板计算机、网络摄像头、摄像机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统，或者捕获数字图像数据的任何其它期望的成像系统或设备。相机模块12可以用于将传入的光转换成数字图像数据。相机模块12可以包括一个或多个透镜14和一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可以包括固定和/或可调节的透镜，并且可以包括在图像传感器16的成像表面上形成的微透镜。在图像捕获操作期间，来自场景的光可以被透镜14聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可以包括用于将模拟像素数据转换成对应的数字图像数据的电路系统，以提供给存储和处理电路系统18。如果期望，相机模块12可以设有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。

存储和处理电路系统18可以包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器之类的存储设备等)，并且可以使用与相机分离和/或形成相机模块的一部分的部件来实现(例如，形成包括图像传感器16的集成电路或与图像传感器16相关联的模块内的集成电路的一部分的电路)。当存储和处理电路系统18包括在不同于图像传感器16的集成电路(例如，芯片)上时，具有电路系统18的集成电路可以相对于具有图像传感器16的集成电路垂直堆叠或包装。可以使用处理电路系统18处理和存储已经由相机模块捕获的图像数据(例如，使用处理电路系统18上的图像处理引擎、使用处理电路系统18上的成像模式选择引擎等)。如果期望，可以使用耦合到处理电路系统18的有线和/或无线通信路径将经处理的图像数据提供给外部装备(例如，计算机、外部显示器或其它设备)。

如果期望，图像传感器16可以包括集成电路包装或其它结构，其中多个集成电路基板层或芯片相对于彼此垂直堆叠。在这种情况下，电路系统26、28和24中的一个或多个可以垂直堆叠在图像传感器16内的阵列20下方。在这种情况下，如果期望，线32和30可以由垂直导电通孔结构(例如，硅通孔或tsv)和/或水平互连线形成。

图像传感器16可以包括图像像素22的一个或多个阵列20。可以使用互补金属氧化物半导体(cmos)技术或电荷耦合器件(ccd)技术或任何其它合适的光敏器件技术在半导体基板中形成图像像素22。图像像素22可以是前侧照明(fsi)图像像素或后侧照明(bsi)图像像素。

给定的图像传感器像素(例如，图像像素22内的图像像素，在本文中有时简称为图像像素22)可以包括一个或多个光敏区域。例如，图像像素22可以包括一个光敏区域或一对光敏区域(例如，一对拆分的光电二极管)或多于两个光敏区域。可以在图像像素22上方形成微透镜(例如，透镜14的一部分)。微透镜可以覆盖这对拆分的光电二极管。换句话说，所有像素光电二极管可以通过同一个微透镜接收光信号。

这对拆分的光电二极管可以共享该像素的读出电路系统。与这对拆分的光电二极管相关联的读出电路系统可以包括像素电荷存储区域(例如，像素电荷存储结构、浮动扩散区域、钉扎的(pinned)存储二极管、存储栅极等)和读出晶体管(例如，源极跟随器晶体管、行选择晶体管)。每个光电二极管可以具有其自己的专用传输晶体管和快门栅极晶体管(在本文中有时称为快门栅极、抗晕光晶体管或光电二极管复位晶体管)。如果期望，这对拆分的光电二极管还可以共享复位晶体管、增益控制晶体管(例如，双转换增益晶体管)和溢出电容器。如果期望，每个光电二极管可以具有其自己的专用增益控制晶体管和溢出电容器。隔离区域可以将这对拆分的光电二极管彼此分离(例如，插入之间)。插入在拆分的光电二极管之间的隔离区可以被认为是拆分的光电二极管中的任一个或两个的一部分。

这仅仅是说明性的。如果期望，给定的图像像素可以包括多于一对光敏区域。例如，给定的图像像素可以包括三个、四个或任何数量的合适的拆分的光电二极管。合适数量的拆分的光电二极管可以共享微透镜。换句话说，单个微透镜可以覆盖所有拆分的光电二极管。作为示例，多个合适的拆分的光电二极管中的每一个可以彼此共享某些电路系统(例如，增益控制晶体管、溢出电容器等)。作为示例，多个合适的拆分的光电二极管中的每一个还可以具有某些专用电路系统，该专用电路系统不与任何其它拆分的光电二极管共享或者仅与少于拆分的光电二极管总数的选定数量的其它拆分的光电二极管共享。具有拆分的光电二极管的图像像素22的细节将结合下面的实施例更详细地描述。

如图2中所示，图像传感器16可以包括像素阵列20，像素阵列20包含以行和列布置的图像传感器像素22(有时在本文中称为图像像素或像素)以及控制和处理电路系统24。阵列20可以包含例如数百或数千行和列的图像传感器像素22。控制电路系统24可以耦合到行控制电路系统26和图像读出电路系统28(有时称为列控制电路系统、读出电路系统、处理电路系统或列解码器电路系统)。行控制电路系统26可以从控制电路系统24接收行地址，并且通过行控制路径30向像素22提供对应的行控制信号，诸如复位、行选择、电荷转移、双转换增益和读出控制信号。诸如列线32之类的一条或多条导线可以耦合到阵列20中的每列像素22。列线32可以用于从像素22读出图像信号并用于向像素22提供偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。如果期望，在像素读出操作期间，可以使用行控制电路系统26选择阵列20中的像素行，并且可以沿着列线32读出由那个像素行中的图像像素22生成的图像信号。

图像读出电路系统28可以通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路系统28可以包括采样及保持电路系统，用于采样并临时存储从阵列20、放大器电路系统、模数转换(adc)电路系统、偏置电路系统、列存储器、锁存电路系统读出的图像信号，用于选择性地启用或者禁用列电路系统，或者耦合到阵列20中的一列或多列像素的其它电路系统，用于操作像素22并用于从像素22读出图像信号。读出电路系统28中的adc电路系统可以将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。对于一个或多个像素列中的像素，图像读出电路系统28可以在路径25上向控制和处理电路24和/或处理器18(图1)提供数字像素数据。

如果期望，图像像素22可以包括多于一个光敏区域，用于响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区域可以布置在阵列20上的行和列中。像素阵列20可以设有具有多个滤色器元件的滤色器阵列，其允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。作为示例，诸如阵列20中的图像像素之类的图像传感器像素可以设有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用对应的红色、绿色和蓝色图像来采样红色、绿色和蓝色(rgb)光。传感器像素以拜耳马赛克图案布置。拜耳马赛克图案由2×2图像像素的重复单位单元组成，其中两个绿色图像像素彼此对角地相对并且和与蓝色图像像素对角相对的红色图像像素相邻。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素由具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素代替。这些示例仅仅是说明性的，并且一般而言，可以在任何期望数量的图像像素22上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。

图3是说明性图像传感器像素(例如，图像像素22)的电路图。像素22可以包括光敏区域50和52(例如，拆分的光电二极管50和52，或简称为光电二极管50和52)。光敏区域50和52可以由单个微透镜覆盖。如果期望，光电二极管50和52可以是钉扎的元件(例如，钉扎到预定电位、电压电平或钉扎的电位的元件)。光电二极管50和52可以在一段时间(即，曝光时间)内接收入射光，并在曝光时间内生成与入射光对应的图像信号。

在常规的成像系统中，图像伪像可以由移动的物体、移动或摇动的相机、闪烁的光照以及图像帧中具有变化的照明的物体造成。这种伪像可以包括例如物体的缺失部分、边缘颜色伪像和物体失真。具有变化的照明的物体的示例包括发光二极管(led)交通标志(其可以每秒闪烁数百次)和led制动灯或现代汽车的前灯。以短积分时间和短曝光时间生成的图像信号可能错过闪烁光(例如，在给定频率下的led的闪烁光)。但是，通过在较长的曝光时间上展开(spread)短积分时间，错过来自闪烁光(例如，脉冲光源、led)的信号的机会较少。

像素22可以被设计为通过在较长的曝光时间上展开短积分时间来减少与闪烁照明相关联的伪像。为了实现闪烁减轻，光电二极管50和52可以通过相应的快门栅极晶体管56和58用电源电压vaapix耦合到电压源54。当相应的控制信号sga和sgb被断言(例如，脉冲高)时，可以分别复位光电二极管50和52。当控制信号sga和sgb被解除断言(例如，脉冲低)时，光电二极管50和52可以开始从入射光累积电荷。

像素22可以包括传输晶体管60和62，以及像素电荷存储器64(例如，像素电荷存储结构64、浮动扩散区域64、钉扎的存储二极管64、存储栅极64等)。传输晶体管60和62均可以包括源极端子，漏极端子，栅极端子和沟道区域。浮动扩散区域64可以是具有电荷存储能力(例如，具有电容)的掺杂半导体区域(例如，通过离子注入、杂质扩散或其它掺杂技术在硅基板中形成的掺杂硅区域)。如果期望，浮动扩散区域64可以是浮动扩散节点。

光电二极管50可以连接到晶体管60的第一端子(例如，源极或漏极端子)。浮动扩散区域64可以连接到与晶体管60的第一端子相对的第二端子。作为示例，如果第一端子是源极端子，那么第二端子可以是漏极端子，反之亦然。控制信号txa可以控制晶体管60的沟道上的电荷流。当控制信号txa被断言时，存储在光电二极管50中的图像电荷可以通过晶体管60的沟道区域到达浮动扩散区域64。随后可以解除断言控制信号txa，并且可以使用控制信号sga来复位光电二极管50。类似地，光电二极管52可以经由传输晶体管62耦合到浮动扩散区域64。控制信号txb可以类似地控制跨越传输晶体管62的电荷流。

为了改进像素22的电荷存储容量(例如，扩展浮动扩散区域64的电荷存储能力)，具有电容c的溢出电容器66可以经由增益控制晶体管68耦合到浮动扩散区域64。例如，电容c可以比与浮动扩散区域64相关联的电容大得多。控制信号dcg可以通过分别断言或解除断言控制信号dcg来控制晶体管68以启用或禁用浮动扩散区域64的电荷存储容量的扩展。浮动扩散区域64还可以耦合到提供电压电平vaapix的电压源70。如果期望，电压源70可以是与电压源54相同的电压源。可替代地，如果期望，电压源70可以提供与电压电平vaapix不同的电压电平。浮动扩散区域64可以经由复位晶体管72和增益控制晶体管68耦合到电压源70。通过断言控制信号rst和dcg，可以将溢出电容器66和浮动扩散区域64共同复位为电压电平(例如，接近vaapix的电压电平)。

像素22还可以包括读出电路系统，其包括源极跟随器晶体管74和行选择晶体管76。晶体管76可以具有由行选择控制信号rs控制的栅极。当控制信号rs被断言时，晶体管76接通，并且对应的信号pixout(例如，具有与浮动扩散节点64处的电荷量成比例的量值的输出信号)被传递到列读出路径78上(在本文中有时被称为总线78，与图2中的线32对应)。如果期望，在光电二极管50处将入射光转换成相应的图像信号可以与图像信号读出同时发生。

如图3中所示的像素22可以以电荷溢出模式操作(例如，利用启用的溢出电容器操作)以存储浮动扩散区域64不能存储(例如，通常会使浮动扩散区域64过饱和)的过量电荷。图4示出了在电荷溢出操作模式下操作说明性像素(例如，像素22)的时序图。

在时间t1和t2之间，可以发生像素复位周期，其中像素22内的电荷存储区域可以被复位为接近电源电压电平(例如，电压电平vaapix)。在像素复位周期期间，可以通过断言相应的控制信号txa、txb、dcg和rst来同时启用晶体管60、62、68和72，以复位拆分的光电二极管50和52、浮动扩散区域64和电容器66(例如，在时间t5)。控制信号txa、txb、dcg和rst可以在时间t2之前或时间t2被解除断言，其开始像素22的获取周期。通过断言相应的控制信号sga和sgb以复位光电二极管50和52，可以在像素复位周期期间(例如，在时间t1)类似地启用晶体管56和58。晶体管56和58可以被解除断言，以将光电二极管50与电压源54断开并且允许光电二极管50和52开始存储与入射光对应的电荷(例如，在时间t2)，从而开始像素获取周期(例如，信号获取周期)。

在时间t2开始并且在时间t3结束的像素获取周期期间，入射光可以在光电二极管50和52处被转换成电荷。经转换的电荷可以存储在(例如，在之间拆分的)像素22内的不同电荷存储区域(例如，光电二极管50和52、浮动扩散区域64和电容器66)中。在时间t6，断言a和b可以分别启用传输晶体管60和增益控制晶体管69。通过使用断言a和b(在本文中有时统称为溢出转移断言)，从时间t2到断言a的下降沿的时间在光电二极管50处累积的一些或全部电荷可以移动到浮动扩散区域64和溢出电容器66中。累积的电荷量可以通过连接到光电二极管50的晶体管60的源极-漏极端子与组合连接到浮动扩散区域64和电容器66的晶体管60的源极-漏极端子之间的电位差来确定。使转移断言和增益控制断言同步的溢出转移断言将减少栅极暗电流贡献(例如，通过使用溢出电容器66)。可能期望实现(例如，提供)高于光电二极管50和52的钉扎的电位的潜在欠增益控制晶体管作为钉扎的元件。此外，例如，可能期望在端子传输晶体管之间实现足够大的电位差(例如，2v、2.5v等)，以优化将部分或全部电荷从光电二极管转移到浮动扩散区域的性能。

类似地，在时间t7，断言c和d可以分别启用传输晶体管62和增益控制晶体管68。通过使用断言c和d(例如，另一个溢出转移断言)，从时间t2到断言c的下降沿的时间在光电二极管52处累积的一些或全部电荷可以转移到浮动扩散区域64和溢出电容器66。可以与结合晶体管60的处理类似地确定要转移的累积电荷量。在光电二极管52处累积的转移电荷可以与先前使用断言a和b移动的累积电荷组合。此外，如果光电二极管50和52中的一个或两个累积电荷高于阈值屏障(例如，阈值势垒)，那么高于阈值势垒的累积的电荷可以通过启用晶体管68溢出到浮动扩散区域64和可选地电容器66中。

类似于a、b、c和d的断言的传输晶体管60和62以及增益控制晶体管68的附加断言(例如，附加的溢出转移断言)可以在像素获取周期期间发生。附加断言还可以增加存储在浮动扩散区域64和电容器66处的电荷量。在电荷溢出模式下操作像素22的优点与断言b、d和控制信号dcg的类似附加断言相关联。控制信号dcg基本上为浮动扩散区域64提供对溢出电容器66的访问，该溢出电容器66可以具有比扩散区域64大得多的电容(例如，电容大十倍、大多于十倍、具有任何合适的更大电容等)。例如，溢出电容器66可以是金属-绝缘体-金属(mim)电容器，其位于像素22的有源区域之外(例如，在像素22的栅极层的外部)。照此，溢出电容器66可以不消耗有价值的像素区域(例如，光敏元件区域)。

像素22可以在信号获取周期期间与存储在光电二极管50和52处的电荷相关联的任何合适数量的附加溢出转移断言操作。每个溢出转移断言可以增加存储在浮动扩散区域64和电容器66组合中的电荷量(例如，可以与由所有先前的溢出转移断言转移的电荷组合)。

在执行适当数量的溢出转移断言之后，信号获取周期可以在时间t3结束。在时间t3，光电二极管50和52可以存储未移动(或者由于势垒而不能移动)到浮动扩散区域64和电容器66的剩余电荷。在时间t3，浮动扩散区域64和溢出电容器66可以存储与在信号获取周期期间由所有溢出断言移动的电荷总和相关联的大量电荷。

时间t3可以开始可以以断言j开始的像素读出周期(例如，行读出周期)，其启用行选择晶体管76。断言j可以在像素读出周期的开始处开始并且在像素读出周期的结束处结束。在读出周期期间，可以首先读出存储在浮动扩散区域64和溢出电容器66处的电荷。然后，可以以任何合适的次序一个接一个地读出存储在光电二极管50和52处的电荷。

作为示例，在读出周期期间，在断言j之后，可以断言控制信号dcg(例如，断言k)以收集存储在溢出电容器66处的电荷和存储在浮动扩散区域64处的电荷以用于读出。特别地，一旦行选择控制信号被断言，存储在浮动扩散区域64处的电荷就可以经由源极跟随器晶体管74读出并且经由线78从像素22传送(作为信号pixout)。在断言k之后，存储在电容器66处的电荷可以首先流到浮动扩散并且与先前存储在浮动扩散区域64的电荷一起读出。收集的电荷可以被采样并保持为第一图像信号(例如，使用断言e)。

在已经读出来自浮动扩散区域64和电容器66组合的所有存储电荷之后，可以断言控制信号rst(例如，使用断言l)以复位溢出电容器66。如果期望，在此期间，浮动扩散区域64也可以通过进一步扩展断言k来复位，如断言k'所示。浮动扩散区域64的复位状态可以作为第一复位信号被读出(例如，如断言f所示被采样和保持)。使用第一复位信号，可以使用3t操作读出第一图像信号(例如，使用在信号读出之后发生复位读出期间的相关读出)，其中可以将第一图像信号电平与第一复位信号电平进行比较，以移除任何误差(例如，偏移误差、系统噪声)。

在浮动扩散64和电容器66已经复位之后，存储在光电二极管50处的电荷可以经由控制信号txa的断言m移动到浮动扩散区域64。存储在光电二极管50处并且移动到浮动扩散区域64的电荷可以包括在t2和t3之间的获取期间累积并且在这个阶段期间由晶体管60的栅极电位调制的任何电荷。可选地，如果移动到浮动扩散区域64的电荷可以使浮动扩散64过饱和(例如，大于浮动扩散64的阱容量)，那么可以通过扩展断言k'来断言控制信号dcg。转移到浮动扩散64(以及可选地，电容器66)的电荷可以与相关双采样(cds)读出中的第一复位信号读出一起被读出(作为第二图像信号)。cds读出可以将图像信号与直接在图像信号之前读出的复位信号进行比较，以消除任何系统以及随机噪声(例如，复位噪声)。如断言g所示，作为cds读出的一部分，可以对第二信号进行采样并保持。

存储在光电二极管52处的电荷可以以与第二信号读出类似的方式被读出。特别地，断言n和k'可以复位浮动扩散64和电容器66。可以读出浮动扩散区的复位状态，作为第二复位信号读出(例如，使用断言h)。然后，存储在光电二极管52处的电荷可以通过断言p和可选的扩展断言k'移动到浮动扩散区域64和可选的电容器66。类似地，存储在光电二极管52处并且移动到浮动扩散区域64的电荷可以包括在t2和t3之间的获取期间累积并且在这个阶段期间由晶体管62的栅极电位调制的任何电荷。在断言i期间，来自光电二极管52的电荷可以被采样并保持为第三图像信号。结合第二复位信号，第三图像信号可以作为cds读出被读出。可能期望在cds读出中读出第二和第三图像信号，因为读出期间的电荷量可以非常小(例如，可能易受随机噪声影响)。行选择控制信号最终可以被解除断言，以结束像素22的读出周期。

如果期望，像素22可以包括第三拆分的光电二极管。在这种情况下，可以发生第三复位信号读出和第四图像信号读出。这仅仅是说明性的。例如，与每个拆分的光电二极管对应，可以发生具有对应复位信号读出的任何合适数量的图像信号读出。

可以使用所有图像信号的线性组合来生成整体像素信号。例如，可以组合第一、第二和第三图像信号以生成整体图像。通过使用溢出电容器66，像素22的动态范围可以显著增加，从而增加可见度，尤其是与图像中的暗场景相关的可见度。例如，所描述的读出周期可以使图像传感器16能够以滚动快门模式操作。可以通过使用第二这样的像素来启用hdr图像构造。第一图像像素可以生成长曝光信号，第二图像像素可以生成短曝光信号。可以组合长和短曝光信号以生成hdr图像。可能需要一些存储器缓冲器来存储第一信号(例如，长曝光信号)，直到它准备好与第二信号(例如，短曝光信号)组合。

如图3中所示的像素22还可以以电荷溢出模式操作给定的拆分的光电二极管，其中给定的拆分的光电二极管具有增加的光闪烁减轻(lfm)能力以存储浮动扩散区域64不能存储的过量电荷并减少图像伪像。图5示出了在电荷溢出和lfm操作模式下操作具有一个拆分的光电二极管的说明性像素(例如，像素22)的时序图。

如图5中所示，在电荷溢出和lfm操作模式下操作给定拆分的光电二极管(例如，光电二极管52)的像素22的复位周期和读出周期可以类似于以先前在图4中描述的模式操作的像素22的复位周期和读出周期。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t1-t5、断言e-p等)具有与先前描述类似的功能和描述。

在复位周期之后，可以开始信号获取周期。在信号获取周期期间，光电二极管50可以不间断地累积电荷。换句话说，控制信号txa(并且通常，控制信号sga)可以不被断言，直到通过首先将累积的电荷转移到浮动扩散区域64(以及可选地溢出电容器66)来读出在光电二极管50处累积的电荷。当光电二极管50不间断地累积电荷时，光电二极管52可以独立地操作以在电荷溢出和lfm操作模式下累积电荷。作为示例，光电二极管50可以以滚动快门方案(例如，滚动快门模式)操作。

在获取周期期间，控制信号txb和dcg可以同时被断言(即，分别是断言c和d)以在第一积分时间期间(例如，从时间t2到断言c的下降沿)转移在光电二极管52处累积的电荷。图5中断言c和d的使用(例如，溢出转移断言)类似于如前所述的图4中断言c和d的使用。参考图5，断言q(例如，在时间t8的断言启用晶体管58)可以跟随断言c和d，以使用电压源54调制存储在光电二极管52处的电荷量(例如，复位光电二极管52的电位)。如果期望，断言q可以是全脉冲(例如，控制信号的逻辑高脉冲)。当在lfm模式下操作时，断言q和c'的组合(断言q之后的控制信号txb的断言)可以统称为相关脉冲对。相关脉冲对可以通过在溢出转移断言期间将电荷转移到浮动扩散区域64和电容器66并随后通过启用快门栅极58清除来自光电二极管52的电荷来调制存储在光电二极管52处的电荷量。

例如，在复位周期期间，断言c和控制信号sgb的断言也可以被认为是相关脉冲对。附加的相关脉冲对可以跟随与断言q和c'相关联的相关脉冲对。照此，在每个附加的相关脉冲对的对应溢出转移断言期间转移的电荷可以在浮动扩散和溢出电容器组合处求和。如果期望，获取周期可以包括任何合适数量的总相关脉冲对。

在应用光闪烁减轻时，曝光周期(与获取周期对应)可以包括在曝光周期上展开的多个积分周期(例如，每个相邻相关脉冲对之间的电荷累积周期)。这导致有效的不连续积分周期与较长的曝光周期重叠。通过将图像帧期间的有效积分周期分解成跨越较长曝光时间的较短的非连续积分周期，可以最小化由移动物体、闪烁的光照和具有变化的照明的物体引起的图像伪影，而不会损害像素积分时间(即，同时维持期望的总积分时间)。

在如图5所示的读出周期期间(具有与图4中所示的读出周期类似的断言)，时间t3可以开始可以以断言j开始的像素读出周期(例如，行读出周期)，其启用行选择晶体管76。断言j可以在像素读出周期的开始处开始并且在像素读出周期的结束处结束。在读出周期期间，可以在相关读出中首先读出存储在浮动扩散区域64和溢出电容器66处的电荷。然后，可以以任何合适的次序都使用cds读出来一个接一个地读出存储在光电二极管50和52处的电荷。

例如，可以首先从浮动扩散64和电容器66组合读出高转换增益信号。然后可以读出存储在光电二极管50处的电荷并将其用作长曝光信号(例如，t1信号)。长曝光信号可能遭受一些灵敏度损失，因为仅使用一个拆分的光电二极管(例如，大约一半像素区域)来累积电荷。然后可以读出存储在光电二极管52、浮动扩散64和电容器66处的电荷并将其用作短曝光信号(例如，t2信号)。可以组合长曝光信号和短曝光信号以使用单个像素(例如，像素22)生成hdr图像而无需任何存储器缓冲器。相关脉冲对的占空比(例如，断言q和c')和相关脉冲对的总数可以确定t1和t2信号之间的曝光差异。诸如脉冲时间、脉冲强度以及快门和转移之间的定时之类的因素会影响占空比。例如，可能期望脉冲时间为微秒级(例如，1微秒)。

根据实施例，像素22可以以溢出和lfm模式操作其两个拆分的光电二极管。图6a示出了在溢出和lfm操作模式下操作说明性像素(例如，像素22)的两个光电二极管(例如，光电二极管50和52)的时序图。

如图6a中所示，在电荷溢出和lfm操作模式下操作两个拆分的光电二极管的像素22的复位周期、获取周期和读出周期可以类似于以先前在图4和5中描述的模式操作的像素22的复位周期、获取周期和读出周期。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t1-t7、断言a-e等)具有与先前描述类似的功能和描述。

在复位周期之后，可以开始信号获取周期。在信号获取周期期间，光电二极管50可以使用如结合图4所述的相关脉冲对来启用lfm操作。特别地，控制信号sga可以在时间t9被断言(即，断言r)。电荷溢出转移断言(例如，断言a和b)可以跟随断言r(例如，在断言r之后)并且统称为光电二极管50的第一相关脉冲对。如果期望，断言a、b和r可以被部分断言(例如，断言具有逻辑高和逻辑低之间的值的控制信号)，而不是如先前所描述的完全断言。任何合适数量的相关脉冲对可以跟随光电二极管50的第一相关脉冲对。

类似地，光电二极管52可以独立地使用相关脉冲对来启用lfm操作。特别地，控制信号sgb可以在时间t8被断言(即，断言q)。电荷溢出转移断言(例如，断言c和d)可以跟随断言q并且统称为光电二极管52的第一相关脉冲对。如果期望，断言c、d和q可以被部分断言(例如，断言具有逻辑高和逻辑低之间的值的控制信号)，而不是如先前所描述的完全断言。任何合适数量的相关脉冲对可以跟随光电二极管52的第一相关脉冲对。

在每个积分时间期间由光电二极管50和52生成并且转移到浮动扩散64和电容器66组合的电荷可以被求和(例如，共同存储在浮动扩散区域和溢出电容器中)。存储在浮动扩散区域64和电容器66处的总计电荷可以在读出周期期间首先被读出(例如，从断言j开始)。断言e可以用于采样和保持相加的电荷以读出第一图像信号(例如，相加的电荷)。断言l(可选地，与断言组合)然后可以复位浮动区域64和电容器66。可以使用断言f对浮动扩散区域的复位状态进行采样，以生成第一复位信号。可以使用第一复位信号在相关读出中读出第一图像信号。

在读出第一复位信号之后，可以同时断言转移栅极60和62(例如，使用断言m和p)以转移存储在统称为浮动扩散区域64的光电二极管50和52处的存储的电荷(例如，在最后相关的脉冲对之后的剩余电荷)。换句话说，光电二极管50和52处的剩余电荷可以在浮动扩散区域64处组合。如果期望，还可以同时断言控制信号dcg，以增加如前所述的浮动扩散区域64的存储容量的扩展。

可以使用第一复位信号在cds读出中读出转移到浮动扩散区域64的剩余电荷或组合电荷，以生成第二图像信号。特别地，断言g可以用于采样并保持第二图像信号。第一图像信号可以表示短曝光信号，而第二图像信号可以表示长曝光信号。因为两个光电二极管(例如，光电二极管50和52)用于生成短曝光信号和长曝光信号，所以与结合图5描述的操作相比，不会损失灵敏度，尤其是对于短曝光信号。作为示例，存储在生成短曝光信号的光电二极管50和52处的剩余电荷可以填充高达每个光电二极管的阱容量的一半(例如，10ke-)。可以组合短曝光信号和长曝光信号以生成hdr图像。

存储在光电二极管处的电荷(例如，总电荷)可以使用与对应的转移栅极和快门晶体管(例如，用于在光电二极管50处产生的剩余电荷的晶体管50和56)相关联的势垒来调制。换句话说，存储在光电二极管处的电荷可以使用相关脉冲对在剩余电荷和溢出电荷之间拆分。通过在转移和快门晶体管下方的势垒之间漂浮(skimming)来形成溢出电荷，而剩余电荷表示从总电荷中减去的、在每个相关脉冲对之后在光电二极管中遗留的溢出电荷。如果期望，光电二极管的钉扎的电位可以高于对应转移栅极的栅极电位，其高于快门栅极晶体管的栅极电位。相关脉冲对之间的占空比(例如，转移栅极控制信号和快门栅极控制信号的下降沿之间的占空比)可以调制光电二极管的灵敏度，尤其是在长曝光信号中。此外，lfm操作模式可以如先前所描述的那样减少运动伪影。

图6b示出了在电荷溢出和lfm操作模式下操作示例性像素(例如，像素22)的两个拆分的光电二极管的替代实施例。如图6b中所示，与图6a中所述的脉冲控制信号sga和sgb相比，快门栅极晶体管控制信号sga和sgb可以在获取周期内保持在相同的电位。通过维持控制信号sga和sgb，相应快门栅极晶体管(例如，晶体管56和58)的势垒的变化减小。但是，通过如图6a中所描述的那样脉动信号sga和sgb，可能存在来自相应快门栅极晶体管的较小驱动应力和较少泄漏或暗电流。

根据实施例，像素22可以在滚动快门模式下同时操作其拆分的光电二极管之一并在全局快门模式下操作其拆分的光电二极管中的另一个。图7示出了在相应的滚动快门和全局快门模式下同时操作说明性像素(例如，像素22)的两个光电二极管(例如，光电二极管50和52)的时序图。

如图7中所示，在滚动快门和全局快门模式下并行操作拆分的光电二极管的像素22的复位周期、获取周期和读出周期可以类似于以先前在图4-6中描述的模式操作的像素22的复位周期、获取周期和读出周期。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t1-t5、断言e-g等)具有与先前描述类似的功能和描述。

在复位周期期间，可以断言控制信号sga、txa、sgb、txb和rst以复位像素22。例如，在时间t1，控制信号sga和sgb可以分别用于复位光电二极管50和52。在时间t5，可以断言控制信号txa、dcg和rst，同时继续断言控制信号sga和sgb以另外复位浮动扩散区域64和溢出电容器66。控制信号sga、txa、dcg和rst可以在t2之前或之时被解除断言。可能期望继续断言控制信号sgb直到时间t10，在那个时候可能希望期望开始累积与光电二极管52处的入射光对应的电荷。

在复位周期之后并且在信号获取周期期间，光电二极管50和52可以开始并行地累积电荷。例如，光电二极管50可以开始以滚动快门模式累积电荷(例如，以准备与图像传感器16相关联的滚动快门读出方案)，类似于使用如图5中所述的光电二极管50获取图像信号。在滚动快门方案中，与图像传感器内的给定像素相关联的每一代图像信号可以直接跟随图像信号的读出。图像传感器内的另一个给定像素还可以生成并立即读出其对应的图像信号(与给定像素相关联的图像信号的生成和读出具有一些时间重叠)。换句话说，组合地生成并读出光电二极管的图像信号。

在与图像传感器相关联的全局快门读出方案(例如，全局快门模式)中，可以同时(例如，并行地)生成图像传感器内的每个图像像素的图像信号。但是，在生成要读出的最后一个图像信号之前，不读出图像信号。此后，可以同时执行所有生成的图像信号的读出。

光电二极管52可以操作以准备与图像传感器16相关联的全局快门读出方案。可以选择时间t10以适应阵列20内的其它像素的整体全局快门读出方案的定时。在时间t7，可以使用断言c和d同时断言控制信号txb和dcg，以在捕获期间转移由光电二极管52生成的电荷。由光电二极管52生成的电荷可以被转移到浮动扩散区域64和电容器66，以便随后在读出周期期间被读出。

读出周期可以用如先前所述的断言j开始。从光电二极管52转移的电荷可以在图像传感器16内以全局读出方案读出，以生成第一图像信号。随后可以使用如前所述的断言l来复位浮动扩散区域64和电容器66。浮动扩散64的复位状态可以用于在相关读出中读出转移的电荷。断言m(以及可选地，断言k')可以使存储在光电二极管50处的电荷能够被转移到浮动扩散区域64(以及可选地，电容器66)。从光电二极管50转移的电荷可以在cds读出中被读出，以使用滚动快门读出方案生成第二图像信号。

如果期望，阵列20内的第一行像素22可以以滚动快门读出方案读出，而阵列20内的第二行像素22可以以全局快门读出方案读出。图7中描述的操作仅仅是说明性的。如果期望，可以进行任何合适的修改。例如，可能期望交换光电二极管50和52的溢出和读出操作的次序。

根据实施例，像素22可以在电荷溢出和顺序高动态范围模式下同时操作两个拆分的光电二极管。图8示出了用于在具有溢出能力的顺序hdr操作中操作说明性像素(例如，像素22)的两个光电二极管(例如，光电二极管50和52)的时序图。

如图8中所示，在电荷溢出和顺序高动态范围模式下操作拆分的光电二极管的像素22的复位周期、获取周期和读出周期可以类似于以先前在图4-7中描述的模式操作的像素22的复位周期、获取周期和读出周期。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t1-t5、断言e-g等)具有与先前描述类似的功能和描述。

在复位周期之后，可以开始信号获取周期。在信号获取周期期间，光电二极管50和52可以并行地累积电荷以生成单个长曝光信号(例如，在周期t1期间)。在时间t10，断言a、c和d可以同时发生，以将与长曝光信号相关联的累积电荷转移到浮动扩散区域64和电容器66。换句话说，来自光电二极管50和52的长曝光周期t1期间的累积电荷被组合以生成长曝光信号。光电二极管50和52可以累积从时间t2到同时发生的断言a、c和d的下降沿的时间的长曝光信号的电荷。

如果期望，可以可选地发生断言q以复位光电二极管50和52。在时间t11，断言q同时使晶体管56和58将光电二极管50和52耦合到电压源54。如果没有发生断言q，那么可以在断言a和c的下降沿处立即开始生成短曝光信号的第二曝光周期(例如，短曝光周期t2)。

断言q的下降沿可以开始短曝光周期，其在相应转移栅极60和62分别使用断言m和p被启用和禁用时结束。根据期望的长曝光周期和短曝光周期比率，读出周期可以在合适的对应时间开始(例如，在时刻t3，在断言j处)。在读出周期期间，可以使用随后的复位信号读出在相关读出中首先读出与存储在浮动扩散区域64和电容器66处的长曝光信号(通过断言k)对应的电荷。可以使用断言e对长曝光信号进行采样和保持。

浮动区域64和电容器66可以通过断言l和k复位。浮动扩散区域和电容器的复位状态可以作为复位信号读出。复位信号可以用于为长曝光信号提供相关读出。复位信号还可以用于为短曝光信号提供cds读出。在复位断言l之后，断言m和p可以同时发生，以将在光电二极管50和52内并行累积的电荷转移到浮动扩散区域64和可选地电容器66(通过使用断言k')。转移的电荷可以生成短曝光信号。可以使用断言g对短曝光信号进行采样和保持。

因为两个光电二极管都用于生成长曝光信号和短曝光信号，所以不会像先前描述的操作模式那样损失灵敏度，其中仅使用两个拆分的光电二极管中的一个拆分的光电二极管来生成短曝光信号(例如，低曝光信号)。这种高动态范围操作不需要存储器缓冲器，因为长曝光信号在生成短曝光信号时存储在浮动扩散和电容器组合中。

如图8中所示，第一曝光信号(例如，长曝光信号和第二曝光信号(例如，短曝光信号))可以在获取周期期间并且部分地跨越读出周期累积。但是，如果期望，两个曝光信号可以是不相关的。如果期望，可以在单个读出周期期间生成两个、三个或多于三个信号。图9a-9c示出了在滚动快门模式操作中操作说明性像素(例如，像素22)以读出两个或更多个信号的时序图。图9a-9c中省略了获取周期，以免不必要地模糊本实施例。

如图9a-9c中所示，并行地以滚动快门模式操作拆分的光电二极管的像素22的复位周期和读出周期可以类似于以先前在图4-8中描述的模式操作的像素22的复位周期和读出周期。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t3和t4、断言e-g等)具有与先前描述类似的功能和描述。

特别地，图9a示出了在生成三个图像信号的同时在滚动快门模式下操作像素22的时序图，这些信号包括存储在浮动扩散区域和溢出电容器组合的第一图像信号、来自第一拆分的光电二极管的第二图像信号和来自第二拆分的光电二极管的第三图像信号。

如前所述，在时间t1，复位周期可以开始。断言r和a可以复位并开始光电二极管50的积分时间。断言q和c可以类似地复位并开始光电二极管52的积分时间。断言a和c可以不重叠，因为光电二极管50和52可以独立操作。光电二极管50的积分时间可以在断言m的下降沿处停止(在本文中有时称为读出期间的转移断言)。光电二极管52的积分时间可以在断言p的下降沿着停止(这里有时称为读出期间的转移断言)。光电二极管50和52的积分时间可以被分解(分成)电荷，用于合适的第一、第二和第三图像信号。

作为示例，可以出现第一断言集合(未示出)以生成第一图像信号。第一断言集合还可以包括溢出转移断言，其将与第一图像信号相关联的电荷转移到浮动扩散区域64和溢出电容器66。溢出转移断言可以在控制信号dcg和rst的复位断言b和s之后发生。断言b和s可以与断言r、a、q和c并行发生。

可以使用任何合适的方法(例如，图4-8中描述的操作方法)生成与第一图像信号相关联的转移电荷。例如，可以使用光电二极管50和52共同生成第一图像信号。可替代地，如果期望，可以使用光电二极管50和52之一生成第一图像信号。这仅仅是说明性的。在其中说明性像素可以包括多于两个拆分的光电二极管的情况下，可以使用拆分的光电二极管的任何组合来生成第一图像信号。可以在lfm操作模式、电荷溢出操作模式、任何期望的操作模式或其操作模式的任何合适(兼容)组合中生成第一图像信号。

可以发生第二断言集合(未示出)以生成与光电二极管50相关联的第二图像信号。例如，在生成第一图像信号之后，电荷可以在光电二极管50处累积。作为示例，在生成第一图像信号之后，可以在光电二极管50处留下电荷。类似地，可以发生第三断言集合(未示出)以生成与光电二极管52相关联的第三图像信号。例如，在生成第一图像信号之后，电荷可以在光电二极管52处累积。作为示例，在生成第一图像信号之后，可以在光电二极管52处留下电荷。可以以与结合图4和5描述的类似方式读出第一、第二和第三图像信号。例如，读出序列可以包括第一图像信号的3t读出(例如，相关读出)以及第二和第三图像信号的cds读出。

因为使用单个(例如，同一个)微透镜覆盖拆分的光电二极管50和52，所以可以使用拆分的光电二极管50和52来生成角度响应。特别地，光电二极管50和52可以用于生成图像信号(在本文中有时称为相位信号，用于执行相位检测)。可以将图像信号彼此进行比较以执行相位检测(pdaf)像素操作。当执行pdaf像素操作时，像素22可以具有深度感测能力，用于检测图像内的物体的距离(例如，深度)。作为示例，结合图9a描述的操作模式可以执行相位检测操作。具体而言，可以将使用光电二极管50生成的第二图像信号与使用光电二极管52生成的第三图像信号进行比较，以检测角度响应。

图9b示出了在滚动快门模式下操作像素22同时生成两个图像信号的时序图，其包括存储在浮动扩散区域和溢出电容器组合的第一图像信号以及组合在第一和第二拆分的光电二极管处生成的电荷的第二图像信号。

如前所述，在时间t1，复位周期可以开始。在复位周期期间，断言r、a、q和c可以同时发生。此外，读出转移断言m和p也可以同时发生。照此，光电二极管50和52的积分时间可以相同。可以类似于结合图9a所描述的方式生成第一图像信号。同时断言m和p可以用于生成包括来自光电二极管50和52的电荷的第二图像信号。图9b的读出序列可以类似于结合图6a、6b和8描述的读出周期。由于断言r和a与q和c以及断言m与断言p同时发生，由此图9b中描述的操作模式可以减少快门操作和读出操作的时间。换句话说，获取周期和读出周期可以缩短。可能期望在高帧速率图像生成期间使用这种操作模式。

图9c示出了在生成三个图像信号的同时在滚动快门模式下操作像素22的时序图，其包括存储在浮动扩散区域和溢出电容器组合的第一图像信号、是高转换增益(hcg)信号的第二图像信号和来自低转换增益(lcg)信号的第三图像信号。

如前所述，在时间t1，复位周期可以开始。可以类似于结合图9a所描述的那样生成第一图像信号。类似地结合图9b所描述的那样生成第二图像信号，有一关键不同。在断言m1和p1期间不能断言控制信号dcg，这是一对同时断言(类似于图9b中的断言m和p)。因为在断言m1和p1期间控制信号dcg未被断言，所以第二图像信号可以是高转换增益信号。可以通过同时断言m2、p2和k2来生成第三图像信号。因为控制信号dcg被断言(使用断言k2并且访问电容器66的大阱容量)，所以第三图像信号可以是低转换增益信号。换句话说，在图9b中，断言k'可以是可选的(如前所述)，在断言m1和p1期间可以不断言控制信号dcg，并且可能需要图9c中的断言k2来生成hcg和lcg图像信号。随后可以使用3t读出、hcg读出和lcg读出来读出第一、第二和第三图像信号。hcg和lcg读出之间可以不需要复位断言，因为lcg信号可以远大于hcg信号。

可以组合三个图像信号(例如，使用缩放的线性组合)以生成最终图像。通过以图9c中描述的操作模式操作像素22，可以扩展像素22的动态范围。特别地，帧内动态范围可以接近理论极限。换句话说，扩展帧内动态范围可以不需要任何存储器缓冲器。

根据实施例，图10示出了包括两个溢出电容器(例如，电容器66和66')的说明性像素(例如，像素22')。图10中的像素22'可以类似于图3中的像素22。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，光电二极管50和52、浮动扩散64等)具有与先前描述类似的功能和描述。

如图10中所示，溢出电容器66'可以经由增益控制晶体管68'耦合到浮动扩散区域64。增益控制晶体管68和68'可以由相应的控制信号dcga和dcgb控制。作为示例，电容器66'可以类似于电容器66形成。例如，电容器66也可以是位于栅极层之外的mim电容器。图10中示出了两个溢出电容器。但是，这仅仅是说明性的。如果期望，可以形成任何合适数量的溢流电容器。例如，可以形成与多个拆分的光电二极管对应的多个溢出电容器，可以形成超过多个拆分的光电二极管的多个过流电容器等。

溢出晶体管66可以专用于存储在光电二极管50处生成的电荷，并且溢出晶体管66'可以专用于存储在光电二极管52处生成的电荷。换句话说，来自给定光电二极管的溢出电荷(例如，高于由对应晶体管设定的某个电位的电荷，如图6a中所述)可以存储在对应的溢出电容器中。由图4-9中所示的时序图描述的操作模式可以被适当地修改以适应电容器66'的使用。例如，光电二极管52的任何溢出转移断言可以使用电容器66'而不是电容器66，如图4-9中所述。

图11示出了在适应电容器66'和增益控制晶体管68'的同时，在类似于图6a的像素22的电荷溢出和lfm操作模式下操作说明性像素(例如，像素22')的时序图。

如图11中所示，操作具有专用溢出电容器的拆分的光电二极管的像素22'的复位周期、获取周期和读出周期可以类似于以先前在图4-9中描述的模式操作的像素22的复位周期、获取周期和读出周期(特别是图6a)。照此，可以省略一些细节以防止模糊当前实施例。除非另有说明，否则可以假设类似标记的特征(例如，时间t1-t9、断言a-g等)具有与先前描述类似的功能和描述。

如图11中所示的复位周期可以类似于图6a的复位周期。但是，可以在时间t5断言控制信号dcga和dcgb以复位电容器66和66'。在时间t2，可以开始获取周期。如图11中所示的获取周期可以类似于图6a的获取周期。但是，在图11中，可以使用控制信号dcga传送断言b以及与来自光电二极管50的电荷相关联的任何后续增益控制断言，并且可以使用控制信号dcgb传送断言d以及与来自光电二极管52的电荷相关联的任何后续增益控制断言。

如图11中所示的读出周期可以类似于图6a的读出周期。但是，在图11中，可以生成并读出三个图像信号。特别地，可以首先读出中曝光信号(例如，与断言e1相关联)。然后可以读出高(例如，长)曝光信号(例如，与断言e2相关联)。最后可以读出低(例如，短)曝光信号(例如，与断言i相关联)。中曝光信号可以在相关读出中读出，而高和低曝光信号可以在cds读出中读出。此外，用于控制信号sga和txa的断言的占空比可以确定低曝光信号与中曝光信号的曝光周期比。类似地，用于控制信号sgb和txb的断言的占空比可以确定中曝光信号与高曝光信号的曝光周期比。

中曝光信号可以是存储在电容器66处的信号。在读出周期期间，断言k1可以将电容器66耦合到浮动扩散区域64以进行读出。高曝光信号可以是存储在电容器66'处的信号。断言k2可以类似地将电容器66'耦合到浮动扩散区域64以进行读出。但是，这仅仅是说明性的。如果期望，可以调节相应的占空比以生成合适的图像信号集合。

换句话说，与图6a中所示的断言e相关联的读出被执行两次，一次用电容器66(例如，使用断言e1)，第二次用电容器66'(例如，使用断言e2)。与图11中的断言g相关联的读出可以类似于图6a的读出。

根据实施例，具有拆分的光电二极管(例如，像素22、像素22')的说明性图像像素可以至少在三种操作模式下操作。在第一模式下，说明性图像像素可以具有深度感测(例如，pdaf)能力，如至少结合图9a所描述的。在第二模式下，说明性图像像素可以同时在全局快门模式和滚动快门模式下操作，如至少结合图7所描述的。在第三模式下，说明性图像像素可以以具有电荷溢出和lfm能力的线性组合操作模式操作，如至少结合图6a和11所描述的。

图12是说明性处理器系统1000(诸如数码相机)的简化图，其包括采用具有如上结合图1-11所述的像素的成像器的成像设备1008(例如，图1的相机模块)。不受限制，这种系统可以包括计算机系统、静态相机或摄像机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动聚焦系统、星跟踪系统、运动检测系统、图像稳定系统，以及采用成像设备的其它系统。

处理器系统1000，例如数字静态相机或摄像机系统，一般包括用于在按下快门释放按钮1116时将图像聚焦到成像设备1008中的一个或多个像素阵列上的透镜1114，以及控制相机和一个或多个图像流功能的中央处理单元(cpu)1002(诸如微处理器)。处理单元1102可以通过系统总线1006与一个或多个输入-输出(i/o)设备1110通信。成像设备1008还可以通过总线1006与cpu1002通信。系统1000还可以包括随机存取存储器(ram)1004，并且可以可选地包括可移动存储器1112，诸如闪存，其也可以通过总线1006与cpu1002通信。成像设备1008可以与cpu组合，在单个集成电路上或在不同芯片上，具有或不具有存储器存储装置。虽然总线1006被示为单个总线，但是它可以是用于互连系统1000的系统部件的一个或多个总线、桥接器或其它通信路径。

已经描述了说明使用具有电荷溢出能力和拆分的光电二极管的图像传感器像素来生成图像的系统和方法的各种实施例。

图像传感器像素可以包括由单个微透镜覆盖的第一和第二拆分的光电二极管。图像传感器像素还可以包括浮动扩散区域和经由控制晶体管耦合到浮动扩散区域的溢出电容器。浮动扩散区可以经由相应的第一和第二传输晶体管耦合到第一和第二拆分的光电二极管。

通过比较从第一和第二拆分的光电二极管生成的相位信号，图像传感器像素可以具有深度感测(例如，相位检测)能力。图像传感器像素还可以操作第一拆分的光电二极管以在滚动快门操作中操作，并操作第二拆分的光电二极管以在全局快门操作中操作。从第一光电二极管(例如，在第一光电二极管处累积的电荷)生成的图像信号可以在不间断的周期期间发生。从第二光电二极管生成的图像信号可以在合适的时间发生，以适应全局快门读出操作。

图像传感器像素还可以操作以生成高动态范围图像。可以使用光闪烁减轻操作和由溢出电容器启用的电荷溢出能力来生成高动态范围图像。当第一和第二传输晶体管中的至少一个被断言(例如，启用)时，控制晶体管可以被启用以扩展浮动扩散区域的存储电容器。可替代地，附加的溢出电容器可以经由附加的控制晶体管耦合到浮动扩散区域。利用附加的溢出电容器，第一和第二拆分的光电二极管可以各自具有专用的溢出电容器。

第一和第二拆分的光电二极管可以并行操作。第一时间段可以用于在第一拆分的光电二极管处累积电荷。第二时间段可以用于在第二拆分的光电二极管处累积电荷。第一和第二时间段可以完全重叠。照此，在第一拆分的光电二极管处累积的电荷可以与在浮动扩散区域处的第二拆分的光电二极管处累积的电荷(可选地与溢出电容器)组合。可以同时读出组合的电荷。可替代地，第一和第二时间段可以具有某个时间偏移。可以顺序地读出在第一拆分的光电二极管处累积的电荷和在第二拆分的光电二极管处累积的电荷。

可以在像素中使用一个、两个、三个或更多个光电二极管。可以在像素中使用一个、两个、三个或更多个溢出电容器。可以使用合适的像素电荷存储装置来代替浮动扩散，例如，钉扎的存储二极管或存储栅极。过量填充像素电荷存储装置的电荷可以溢出到溢出电容器或另一个像素电荷存储装置中。可以使用多于一个像素电荷存储装置。

前述内容仅仅是对本发明原理的说明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行各种修改。前述实施例可以单独实现或以任何组合实现。