本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种高动态图像传感器像素的全局快门控制方法。
背景技术：
动态范围是图像传感器的一个重要指标，现有技术的5晶体管高动态范围图像传感器像素如图1所示，包括光电二极管PD，电荷转移控制晶体管M1，开关晶体管M2，电容C1，复位晶体管M3，缓冲放大器M4和行选晶体管M5。该像素工作时序如图2所示，其工作原理如下：
1、t1时刻，电荷转移控制晶体管M1闭合，开关晶体管M2闭合，复位晶体管M3闭合，光电二极管PD被复位。之后断开电荷转移控制晶体管M1，像素开始曝光；
2、在曝光结束之前闭合行选晶体管M5开始读取信号，然后断开复位晶体管M3，于t2时刻在像素输出端采集一个低增益复位电压1；
3、断开开关晶体管M2，于t3时刻在像素输出端采集一个高增益复位电压2；
4、闭合电荷转移控制晶体管M1，进行第一次电荷转移，光生电荷转移至浮置扩散区FD中，曝光结束。之后断开电荷转移控制晶体管M1，于t4时刻在像素输出端采集一个高增益信号电压3；
5、闭合开关晶体管M2，闭合电荷转移控制晶体管M1，进行第二次电荷转移，使第一次没有转移完全的电荷转移至并联了较大电容C1的浮置扩散区FD中，在像素输出端采集一个低增益信号电压4；
6、经后续电路处理，高增益复位电压2与信号电压3相减，低增益复位电压1与信号电压4相减，每个像素可以得到两个不同增益有效信号值。
如图3a所示，曝光时，光电二极管PD积累电荷；如图3b所示，曝光量较小时(积分时间较短或光强较弱)，经过第一次电荷转移，光电二极管PD内积分电荷全部转移至浮置扩散区FD，读取信号3；而后晶体管M2闭合，浮置扩散区FD内的电荷重新在电容C1间进行分配，如图3c所示，然后进行第二次电荷转移，由于第一次转移中光电二极管PD电荷已经转移完全，第二次转移中没有多余的电荷转移至大电容C1中，读取信号4。
曝光量较大时(积分时间较长或光强较强)，经过第一次电荷转移，浮置扩散区FD已满，光电二极管仍然有部分电荷未转移出，读取信号3，如图3d所示。而后开关晶体管M2闭合，浮置扩散区FD内的电荷重新在电容C1中进行分配，然后进行第二次电荷转移，如图3e所示。由于第一次光电二极管PD中电荷没有完全转移，在第二次可以将额外电荷转移至大电容C1中，这时大电容C1中信号为两次转移信号之和，读取信号4。
通过以上时序控制，整个图像传感器阵列可以得到两幅不同增益的图像。高增益图像能够很好的显示场景中的弱光细节，低增益图像能够很好的显示场景中的强光细节，再通过后续图像处理，对两幅图像进行综合，即可以得到一副高动态范围图像。
该高动态范围图像传感器的快门模式为卷帘快门，即像素阵列逐行曝光，逐行读取，读出时间可认为是行选晶体管闭合时间。卷帘快门工作示意图如下图4所示。应用这种快门对高速运动的物体进行拍摄，每行起止曝光时间不同，容易出现画面变形现象。
全局快门可以使所有像素的曝光起止时间相同，拍摄高速运动物体不失真。全局快门工作示意图如下图5所示。具体操作方法：所有像素感光二极管同时开始复位，然后进行曝光，曝光结束之后进行帧转移，即所有像素的光生电荷同时转移至像素内的电荷存储区，然后开始逐行读取数据，未被读取到的行的光生电荷在电荷存储区内等待被读出。可见，若要实现高动态图像传感器的全局快门工作方式，两个高低增益信号值需要同时在像素中进行存储，等待被逐行读出。使用上述5晶体管高动态范围图像传感器像素信号读出控制方法，该像素在进行第二次电荷转移时，会破坏已存储的高增益信号值，因此无法实现全局曝光。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种所有像素起止曝光时间相同，在拍摄高速移动物体时，画面不会失真的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法如下：
开始曝光前闭合各像素复位晶体管M3使浮置扩散区接电源电压VD1，然后控制图像传感器全局栅晶体管M6闭合再断开使所有像素的光电二极管PD同时复位并开始曝光；经过一段曝光时间后，闭合第一行行选晶体管M5，断开复位晶体管M3，读取该行低增益复位电压,再断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧低增益复位电压；然后闭合第一行行选晶体管M5，将横向溢出栅开关结构的导通电压降低到设定值，读取该行高增益复位电压，再断开行选晶体管M5；逐行重复以上过程，读出整帧高增益复位电压；控制图像传感器各像素的电荷转移控制晶体管M1闭合再断开结束曝光，使得当曝光量较小时，光电二极管PD中全部电荷一次性转移并存储至浮置扩散区FD，当曝光量较大时，光电二极管PD中全部电荷一次性分别转移并存储至浮置扩散区FD和电荷存储区中；电荷转移完成后，闭合第一行行选晶体管M5，读取该行高增益信号电压，闭合横向溢出栅开关结构使该行电荷在浮置扩散区FD和电荷存储区进行重新分配，断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧高增益信号电压；闭合行选晶体管M5，读取该行低增益信号电压，闭合该行复位晶体管M3，断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧低增益信号电压。
所述高动态范围图像传感器像素包括全局栅晶体管M6、光电二极管PD、电荷转移控制晶体管M1、复位晶体管M3、横向溢出栅开关结构、缓冲放大器M4和行选晶体管M5；光电二极管PD负极通过图像传感器的全局栅晶体管M6与复位电压VD3相连，并通过电荷转移控制晶体管M1与浮置扩散区FD连接；浮置扩散区FD通过横向溢出栅开关结构与电荷存储区连接，并通过缓冲放大器M4与行选晶体管M5连接。
在片外进行数据处理，将低增益复位电压与低增益信号电压相减，高增益复位电压与高增益信号电压相减，即可以得到两帧不同增益的有效信号，完成相关双采样技术，消除了复位噪声，降低了传统全局快门图像传感器较高的暗噪声。
所述横向溢出栅开关结构由一个开关晶体管M2构成，该开关晶体管M2的源极连接浮置扩散区FD，漏极连接复位晶体管M3的源极，复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1，且开关晶体管M2漏极通过一个存储电容C1连接电源地或者任一稳定电源电位，存储电容C1作为电荷存储区。
所述横向溢出栅开关结构由一个开关晶体管M2构成，该开关晶体管M2的源极连接浮置扩散区FD，漏极通过存储电容C1连接电源地或者任一稳定电源电位；存储电容C1作为电荷存储区；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1，源极接浮置扩散区FD。
所述横向溢出栅开关结构由N级开关晶体管构成，N≥2；各级开关晶体管串接于浮置扩散区FD与复位晶体管M3之间；第一级开关晶体管的源极连接浮置扩散区FD，第N级开关晶体管的漏极连接复位晶体管的源极M3，复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1,各级开关晶体管漏极通过对应的存储电容与电源地或者任一稳定电源电位连接；第一、第二、……第N级开关晶体管对应的存储电容分别作为第一、第二、……第N电荷存储区。
所述横向溢出栅开关结构由N级开关晶体管串接构成，N≥2；第一级开关晶体管的源极连接浮置扩散区FD，且各级开关晶体管漏极通过对应的存储电容与电源地连接；第一、第二、……第N级开关晶体管对应的存储电容分别作为第一、第二、……第N电荷存储区。
其中稳定电源电位可以是像素内已有的任意电源电位或者另一独立电位。
存储电容可以有多种形式，包括PN结电容，或者金属板电容，或者MOS晶体管栅电容。其中采用PN结电容时，电荷存储在PN结内的最高电势区；采用金属板电容时，电荷存储在一侧的金属极板上；采用MOS晶体管栅电容时，电荷存储在栅极板上；也可以是以上几种电容的组合形式。
当横向溢出栅开关结构由N级开关晶体管构成时，经过一段曝光时间后，首先控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，断开复位晶体管M3，读取低增益复位电压值，重复该过程，读出整帧低增益复位电压值；然后控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，将第N级开关晶体管导通电压降低到设定值，读取次低增益复位电压值，重复该过程，读出整帧低增益复位电压值；以此类推，最后控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，将第一级开关晶体管导通电压降低到设定值，读取高增益复位电压值，重复该过程，读出整帧高增益复位电压值；这样得到多个增益的整帧复位电压值；控制图像传感器各像素的电荷转移控制晶体管M1闭合再断开结束曝光；曝光结束后，首先控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，首先读取高增益信号电压值，然后闭合第一级开关晶体管，重复该过程，读出整帧高增益信号电压值；然后控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内首先读取次高增益信号电压值，然后闭合第二级开关晶体管，重复该过程，读出整帧次高增益信号电压值；以此类推，最后控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内首先读取次低增益信号电压值，然后闭合第N级开关晶体管，重复该过程，读出整帧次低增益信号电压值；然后控制第一行行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内读取低增益信号电压值，闭合复位晶体管，重复该过程，读出整帧低增益信号电压值；这样得到多个增益的整帧信号电压值。
采用的存储电容越大，数量越多，可以存储的电荷越多。
在片外进行数据处理，将对应增益的复位电压与信号电压进行相减，完成相关双采样，可以消除复位噪声。这样经过多级增益的放大，HDR合成曲线在增益转换处的信噪比跳变较小。也可以同时半闭合多个开关晶体管，同时读取第一、第二、……存储区的信号值，这样还是相当于仅有两个高低增益的信号输出，HDR合成曲线在增益转换处的信噪比跳变比多级增益大。
多个开关晶体管的半闭合栅压(即导通电压设定值)一般相同，也可以不同。在不同时，一般后一级的半闭合栅压要高于前一级，保证一次性转移过来的电荷依次充满第一、第二、……第N电荷存储区。
本发明中，也包含多个开关晶体管的半闭合栅压不同，且不是按照后一级高于前一级的方式设置的情况。
所述横向溢出栅开关结构还可以采用由一个高动态晶体管HDR构成的高动态控制结构，该高动态晶体管的源极连接浮置扩散区，漏极连接复位晶体管的源极；高动态晶体管HDR的沟道作为电荷存储区；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1。
所述横向溢出栅开关结构还可以采用由一个高动态晶体管HDR构成的高动态控制结构，该高动态晶体管的源极连接浮置扩散区，漏极连接电源地；高动态晶体管HDR的沟道作为电荷存储区；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1，源极接浮置扩散区FD。
所述的高动态晶体管的漏极还可以通过存储电容接电源地，高动态晶体管HDR的沟道和存储电容共同作为电荷存储区。
所述横向溢出栅开关结构还可以采用由N级高动态晶体管构成的高动态控制结构，各高动态晶体管串接于浮置扩散区与复位晶体管之间，第一级高动态晶体管的源极连接浮置扩散区，第N级高动态晶体管的漏极连接复位晶体管的源极，第一、第二、……第N级高动态晶体管的沟道分别作为第一、第二、……第N电荷存储区；N≥2；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1。
所述横向溢出栅开关结构还可以采用由N级高动态晶体管构成的高动态控制结构，各高动态晶体管串接于浮置扩散区与电源地之间，第一级高动态晶体管的源极连接浮置扩散区，第N级高动态晶体管的漏极连接电源地，第一、第二、……第N级高动态晶体管的沟道分别作为第一、第二、……第N电荷存储区；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1，源极接浮置扩散区FD。
应用时，与存储电容结构的多个存储区控制方法相似，控制高动态晶体管沟道下电势相同，依次半闭合高动态晶体管，将相应读取多个增益的复位电压值；依次闭合高动态晶体管，相应读取多个增益的信号电压值。对应增益的复位电压与信号电压进行相减，完成相关双采样，消除复位噪声。这样经过多级增益的放大，HDR合成曲线在增益转换处的信噪比跳变较小。也可以同时半闭合多个高动态晶体管，同时读取第一、第二、第三……存储区的信号值，这样HDR合成曲线在增益转换处的信噪比跳变比多级增益大。
多个高动态晶体管的半闭合栅压(即导通电压设定值)一般相同，也可以不同。在不同时，一般后一级的半闭合栅压要低于前一级，保证一次性转移过来的电荷依次充满第一存储区、第二存储区等。
本发明也包含多个高动态晶体管的半闭合栅压不同，且不是按照后一级低于前一级的方式来设置的情况。
本发明在高动态范围图像传感器像素中应用横向溢出栅技术，在电荷转移时将横向溢出栅开关导通电压降低到设定值，使在进行第一次电荷转移时，可以同时在像素内浮置扩散区和电荷存储区得到高低增益信号值，而不需要进行第二次电荷转移。通过该方法，图像传感器进行全局快门，所有像素同时开始曝光，同时截止曝光。曝光结束之后，经过一次信号转移，在浮置扩散区和电荷存储区得到不同增益信号，两个信号在像素内进行存储，等待被逐行读取，完成全局快门。使用该控制方法，所有像素起止曝光时间相同，在拍摄高速移动物体时，画面不会失真。
当上一帧曝光结束，在浮置扩散区和电荷存储区已经进行电荷存储时，可以同时闭合所有像素的全局栅晶体管使光电二极管被复位，然后断开全局栅晶体管，使所有像素同时开始曝光。这样可以在上一帧信号存储和读取时进行下一帧曝光，提高图像传感器帧率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是典型5晶体管高动态范围图像传感器像素结构示意图。
图2是现有技术的典型5晶体管高动态范围图像传感器像素工作时序示意图。
图3是现有技术的典型5晶体管高动态范围图像传感器像素曝光过程电势示意图。
图4是卷帘快门工作示意图。
图5是全局快门工作示意图。
图6是本发明高动态范围图像传感器像素的全局快门工作示意图。
图7是实现本发明方法的工作时序示意图。
图8是实现本发明方法的装置实施例1示意图。
图9a～9e是实现本发明方法的实施例1的曝光过程电势示意图；图9b、图9c是曝光结束后当曝光量较小时电荷转移示意图；图9d、图9e是曝光结束后当曝光量较大时电荷转移示意图。
图10是实现本发明方法的装置实施例2示意图。
图11是实现本发明方法的装置实施例3示意图。
图12a是实现本发明方法的实施例3的曝光过程电势示意图；图12b、图12c是曝光结束后当曝光量较小时电荷转移示意图；图12d、图12e是曝光结束后当曝光量较大时电荷转移示意图。
图13是实现本发明方法的装置实施例4示意图。
图14是高动态晶体管HDR的结构示意图。
图15实现本发明方法的装置实施例5示意图。
图16是本发明实施例5的工作时序示意图。
图17a～图17e是实施例5的曝光过程电势示意图。
图18是实现本发明方法的装置实施例6示意图。
图19a～图19e是实施例6的曝光过程电势示意图。
具体实施方式
如图6、图7所示，本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法如下：
开始曝光前闭合各像素复位晶体管M3使浮置扩散区接电源电压VD1，然后控制图像传感器全局栅晶体管M6闭合再断开使所有像素的光电二极管PD同时复位并开始曝光；经过一段曝光时间后，闭合第一行行选晶体管M5，断开复位晶体管M3，读取该行低增益复位电压,再断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧低增益复位电压；然后闭合第一行行选晶体管M5，将横向溢出栅开关结构的导通电压降低到设定值，读取该行高增益复位电压，再断开行选晶体管M5；逐行重复以上过程，读出整帧高增益复位电压；控制图像传感器各像素的电荷转移控制晶体管M1闭合再断开结束曝光，使得当曝光量较小时，光电二极管PD中全部电荷一次性转移并存储至浮置扩散区FD，当曝光量较大时，光电二极管PD中全部电荷一次性分别转移并存储至浮置扩散区FD和电荷存储区中；电荷转移完成后，闭合第一行行选晶体管M5，读取该行高增益信号电压，闭合第一行像素横向溢出栅开关结构使全部电荷在浮置扩散区(FD)和电荷存储区进行重新分配，断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧高增益信号电压；闭合行选晶体管M5，读取该行低增益信号电压，闭合该行复位晶体管M3，断开行选晶体管M5,逐行重复以上过程，读出整帧低增益信号电压。在片外进行数据处理，将低增益复位电压与低增益信号电压相减，高增益复位电压与高增益信号电压相减，即可以得到两帧不同增益的有效信号，完成相关双采样技术，消除了复位噪声，降低了传统全局快门图像传感器较高的暗噪声。
实施例1
如图8所示，实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置包括全局栅晶体管M6、光电二极管PD、电荷转移控制晶体管M1、复位晶体管M3、横向溢出栅开关结构、缓冲放大器M4和行选晶体管M5。图像传感器各像素的全局栅晶体管M6的栅极TX2由同一个信号控制。全局栅晶体管M6的漏极接复位电压VD3，源极接光电二极管PD的负极，光电二极管PD的负极同时接电荷转移控制晶体管M1的源极；电荷转移控制晶体管M1的漏极接浮置扩散区FD；横向溢出栅开关结构由开关晶体管M2构成，浮置扩散区FD同时连接到开关晶体管M2的源极和作为缓冲放大器的晶体管M4的栅极；开关晶体管M2的漏极连接到复位晶体管M3的源极和存储电容C1的一端，存储电容C1的另一端接电源地；复位晶体管M3的漏极接电源电压VD1；晶体管M4的漏极接电源电压VD2，源极接行选晶体管M5的漏极。
针对任一像素，如图7所示，开始曝光前首先将复位晶体管M3的栅极电压RST拉到高电平使复位晶体管M3闭合，将开关晶体管M2的栅极电压S1拉到高电平；然后将全局栅晶体管M6的栅极电压TX2拉到高电平后再拉到低电平使全局栅晶体管M6闭合后再断开，将光电二极管PD复位，曝光开始；曝光结束前首先闭合行选晶体管M5，将复位晶体管M3的栅极电压RST拉到低电平使复位晶体管M3断开，在T1时刻读取低增益复位电压，断开行选晶体管M5。依照这种方法，逐行读取一帧的低增益复位电压，在片外使用FPGA等进行存储。
然后操作行选晶体管M5及开关晶体管M2，将行选晶体管M5的栅极SEL拉到高电平，将开关晶体管M2的栅极电压降低至设定值(设定的电压值保证晶体管沟道下的电势低于浮置扩散区FD并高于光电二极管被复位的电势)，在T2时刻读取高增益复位电压，在片外使用FPGA等进行存储，再将行选晶体管M5的栅极SEL拉到低电平。
如图9a所示，曝光期间，全部电荷存储在光电二极管PD中。
然后进行帧转移，如图7所示，操作所有像素的电荷转移控制晶体管M1的栅极电压TX1拉到高电平后再拉到低电平使其闭合再断开结束曝光。如图9b所示，当曝光量较小时，光电二极管PD中全部电荷一次性转移并存储至浮置扩散区FD；如图9d所示，当曝光量较大时，光电二极管PD中全部电荷一次性分别转移并存储至浮置扩散区FD和电荷存储区(即存储电容C1)中。闭合行选晶体管M5，在T3时刻读取高增益信号电压(如图9b、9d所示的信号3)，闭合横向溢出栅开关结构使全部电荷在浮置扩散区FD和电荷存储区进行重新分配，如图9c和图9e所示，断开行选晶体管M5；闭合行选晶体管M5，读取低增益信号电压(信号4)，闭合复位晶体管M3，断开行选晶体管M5。按照图7中所示的时序及以上操作方法读取一帧的高增益信号电压及一帧的低增益信号电压，在片外相减，完成相关双采样。
实施例2
如图10所示，实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置与实施例1不同之处在于，复位晶体管M3的源极直接连接到浮置扩散区FD；横向溢出栅开关结构由开关晶体管M2构成，浮置扩散区FD同时连接到开关晶体管M2的源极，开关晶体管M2的漏极连接到存储电容C1的一端，存储电容C1的另一端接电源地。该装置其余部分的结构与实施例1相同。
本实施例工作时序及曝光过程各部分电势如图7、图9a～图9e所示，与实施例1相同。
实施例3
如图11所示，实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置与实施例1不同之处仅在于，横向溢出栅开关结构由高动态晶体管HDR构成，将高动态晶体管HDR的沟道直接作为电荷存储区，省去了存储电容C1。
高动态晶体管HDR的结构如图14所示。
其中高动态晶体管HDR的栅极面积S满足式(1)；
Qmax/(ΔVmax×Cox)≤S≤2×Qmax/(ΔVmax×Cox) (1)
其中Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，ΔVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
本实施例工作时序与实施例1相同，如图7所示。
针对任一像素，如图7所示，开始曝光前首先将复位晶体管M3的栅极电压RST拉到高电平使复位晶体管M3闭合，将高动态晶体管HDR的栅极电压S1拉到高电平；然后将全局栅晶体管M6的栅极电压TX2拉到高电平后再拉到低电平使全局栅晶体管M6闭合后再断开，将光电二极管PD复位，曝光开始；曝光结束前首先闭合行选晶体管M5，将复位晶体管M3的栅极电压RST拉到低电平使复位晶体管M3断开，在T1时刻读取低增益复位电压，断开行选晶体管M5。依照这种方法，逐行读取一帧的低增益复位电压，在片外使用FPGA等进行存储。
然后操作行选晶体管M5及高动态晶体管HDR，将行选晶体管M5的栅极SEL拉到高电平，将高动态晶体管HDR的栅极电压降低至设定值(设定的电压值保证晶体管沟道下的电势低于浮置扩散区FD并高于光电二极管被复位的电势)，在T2时刻读取高增益复位电压，在片外使用FPGA等进行存储，再将行选晶体管M5的栅极SEL拉到低电平。
如图12a所示，曝光期间，全部电荷存储在光电二极管PD中。
然后进行帧转移，如图7所示，操作所有像素的电荷转移控制晶体管M1的栅极电压TX1拉到高电平后再拉到低电平使其闭合再断开结束曝光。如图12b所示，当曝光量较小时，光电二极管PD中全部电荷一次性转移并存储至浮置扩散区FD；如图12d所示，当曝光量较大时，光电二极管PD中全部电荷一次性分别转移并存储至浮置扩散区FD和电荷存储区(即高动态晶体管HDR的沟道)中。闭合行选晶体管M5，在T3时刻读取高增益信号电压(信号3)，闭合横向溢出栅开关结构使全部电荷在浮置扩散区FD和电荷存储区进行重新分配，如图12c和图12e所示，断开行选晶体管M5；闭合行选晶体管M5，读取低增益信号电压(信号4)，闭合复位晶体管M3，断开行选晶体管M5。按照图7中所示的时序及以上操作方法读取一帧的高增益信号电压及一帧的低增益信号电压，在片外相减，完成相关双采样。
实施例4
如图13所示，实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置与实施例2不同之处仅在于，横向溢出栅开关结构由高动态晶体管HDR构成，将高动态晶体管HDR的沟道直接作为电荷存储区，省去了存储电容C1。
本实施例工作时序及曝光过程各部分电势如图7、图12a～图12e所示，与实施例3相同。
实施例5
如图15所示，实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置与实施例1不同之处在于，横向溢出栅开关结构由三个开关晶体管M21、M22、M23构成，第一开关晶体管M21连接于浮置扩散区与第一存储电容C11之间，第一存储电容C11作为第一电荷存储区；第二开关晶体管M22连接于第一电荷存储区与第二存储电容C12之间，第二存储电容C12作为第二电荷存储区，以此类推，第三开关晶体管M23连接于第二存储区与第三存储电容C13之间，第三存储电容C13作为第三电荷存储区。该装置其余部分的结构与实施例1相同。
如图16所示，针对任一像素，经过一段曝光时间后，首先控制行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，断开复位晶体管M3，在T1时刻读取低增益复位电压值；然后控制行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，将第三级开关晶体管M23导通电压降低到设定值，在T2时刻读取次低增益复位电压值；控制行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，将第二级开关晶体管M22导通电压降低到设定值，在T3时刻读取次高增益复位电压值；最后控制行选晶体管M5闭合再断开，并在行选晶体管M5闭合时间内，将第一级开关晶体管M21导通电压降低到设定值，在T4时刻读取高增益复位电压值；这样得到4个增益的复位电压值。依照上述方法可以逐行得到一帧的像素4个增益的复位电压值。
如图17a所示，在曝光过程中，电荷存储在光电二极管PD中。如图17b～17e所示，在帧转移过程中，如果曝光量很小，经过一次电荷转移仅浮置扩散区FD中有电荷；曝光量提高时，如果一次性转移过来的电荷将第一个存储电容C11填满，则继续溢出至第二个存储电容C12；如果第二个存储电容C12被填满，则继续溢出至第三个存储电容C13。
电荷转移完成后，首先控制行选晶体管M5闭合再断开，在行选晶体管M5闭合时间内，在T5时刻读取高增益信号电压值，然后闭合第一级开关晶体管M21，使得电荷在浮置扩散区FD与第一电荷存储区之间进行重新分配；然后控制行选晶体管M5闭合再断开，在行选晶体管M5闭合时间内，在T6时刻读取次高增益信号电压值，然后闭合第二级开关晶体管M22；控制行选晶体管M5闭合再断开，在行选晶体管M5闭合时间内，在T7时刻读取次低增益信号电压值，然后闭合第三级开关晶体管M23；最后控制行选晶体管M5闭合再断开，并在T8时刻读取低增益信号电压值，然后闭合复位晶体管M3；这样得到多个增益的信号电压值。依照上述方法可以逐行得到一帧的像素4个增益的信号电压值。
在片外进行数据处理，将对应增益的复位电压与信号电压进行相减，完成相关双采样，可以消除复位噪声。
所述开关晶体管M21、M22、M23的导通电压设定值相同。
实施例6
如图18所示，本实施例实现本发明的高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法的装置与实施例3不同之处在于，横向溢出栅开关结构由三个高动态晶体管HDR1、HDR2、HDR3串接构成。当各高动态晶体管沟道下电势不同时，可以认为高动态晶体管HDR1、HDR2、HDR3下的沟道分别为第一、第二、第三电荷存储区。
应用时，与实施例5电容结构的多个电荷存储区控制方法相似，控制晶体管沟道下电势相同，在曝光结束前依次半闭合三个高动态晶体管，将相应读取四个增益的复位电压值；曝光结束后依次闭合三个高动态晶体管，将相应读取四个增益的信号电压值。对应增益的复位电压与信号电压进行相减，完成相关双采样，消除复位噪声。如图19a～19e所示，在帧转移过程中，如果曝光量很小，经过一次电荷转移仅浮置扩散区FD中有电荷；曝光量提高时，经过一次电荷转移，电荷将依次填满第一、第二、第三电荷存储区。
所述高动态晶体管HDR1、HDR2、HDR3的导通电压设定值由小到大排列。
本发明不限于上述实施例，所述的高动态晶体管的漏极还可以通过存储电容接电源地，高动态晶体管的沟道和存储电容共同作为电荷存储区。