最近，蘋(píng)果公司新發(fā)布了一項(xiàng)名為“具有高動(dòng)態(tài)范圍和低噪點(diǎn)的堆疊像素圖像傳感器”的專(zhuān)利。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能預(yù)示著一項(xiàng)可能重塑移動(dòng)和專(zhuān)業(yè)成像領(lǐng)域的突破。蘋(píng)果公司聲稱其堆疊式傳感器架構(gòu)擁有高達(dá)20檔的動(dòng)態(tài)范圍，或許正蓄勢(shì)待發(fā)，準(zhǔn)備與電影攝影機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的巨頭們競(jìng)爭(zhēng)，甚至超越他們。
一、性能超越最佳的傳感器
蘋(píng)果新發(fā)布的一項(xiàng)名為“高動(dòng)態(tài)范圍低噪點(diǎn)堆疊像素圖像傳感器”的專(zhuān)利，揭示了成像技術(shù)的重大進(jìn)步。雖然蘋(píng)果以其定制芯片和相機(jī)軟件而聞名，但這項(xiàng)專(zhuān)利暗示著一項(xiàng)更具雄心的目標(biāo)：一種完全自主設(shè)計(jì)的圖像傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍有望與領(lǐng)先的電影攝影機(jī)相媲美，甚至超越它們。而且，這并非僅僅是理論上的——該傳感器架構(gòu)聲稱其動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)120 dB，相當(dāng)于近20檔的動(dòng)態(tài)范圍。這比目前業(yè)界的巨頭，例如ARRI ALEXA 35，都要高得多。
按照蘋(píng)果在專(zhuān)利描述文件中所說(shuō)：
本文描述的本發(fā)明實(shí)施例提供了一種包含新穎設(shè)計(jì)的3T像素的圖像傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲，并且不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)4T像素陣列中可能出現(xiàn)的偽影。該圖像傳感器包含一個(gè)堆疊在邏輯芯片上的傳感器芯片。每個(gè)3T像素在傳感器芯片上包含一個(gè)傳感電路，該電路包括一個(gè)光電二極管和一個(gè)橫向溢流積分電容(LOFIC:lateral overflow integration capacitor)電路，以便在從室內(nèi)到明亮陽(yáng)光的各種光照條件下進(jìn)行傳感，而無(wú)需自動(dòng)曝光控制。
此外，每個(gè)像素在邏輯芯片上包含一個(gè)像素電路，該電路包含一個(gè)電流存儲(chǔ)電路。該電流存儲(chǔ)電路用于感測(cè)探測(cè)器元件中的噪聲水平。電流存儲(chǔ)電路輸出的信號(hào)能夠利用CDS抑制熱噪聲(kTC)。
二、蘋(píng)果的專(zhuān)利內(nèi)容是什么？
該專(zhuān)利概述了一種由兩層組成的堆疊傳感器：傳感器芯片（帶有光電二極管和模擬電路）和邏輯芯片（處理讀出、噪聲消除和控制）。
這種堆疊式方法與索尼的做法類(lèi)似，使蘋(píng)果能夠?qū)⑾冗M(jìn)的電路封裝到更薄的傳感器模塊中，非常適合智能手機(jī)和Vision Pro等AR/VR設(shè)備。但真正的創(chuàng)新在于像素級(jí)架構(gòu)，其特點(diǎn)如下：
1. LOFIC（橫向溢流積分電容器）
這種機(jī)制使傳感器能夠處理三個(gè)電荷存儲(chǔ)層級(jí)的光溢出，自動(dòng)適應(yīng)極端亮度或黑暗環(huán)境——一次性完成。這便是20檔動(dòng)態(tài)范圍得以實(shí)現(xiàn)的原因。
2. 內(nèi)置噪聲感應(yīng)電路
每個(gè)像素內(nèi)的電流存儲(chǔ)電路可實(shí)時(shí)檢測(cè)并消除熱噪聲，這意味著即使在低光照條件下，最終圖像也更加清晰-無(wú)需后期處理或AI技巧。
3. 3T像素設(shè)計(jì)（非4T）
令人驚訝的是，蘋(píng)果采用了3晶體管設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為更簡(jiǎn)單，但噪音也更大。然而，得益于上述創(chuàng)新，該設(shè)計(jì)比標(biāo)準(zhǔn)的4T傳感器噪音更低，從而以更少的組件和更高的效率提供更佳的性能。
按照蘋(píng)果所說(shuō)：
本例中的LOFIC電路44包括兩個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50和52以及兩個(gè)串聯(lián)連接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42的LOFIC晶體管（LOFIC1和LOFIC2）54和56。第一個(gè)LOFIC晶體管（LOFIC1）54將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)連接到第一個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50的電荷輸入端，該電容器的電容較小，例如約為20 fF。第二個(gè)LOFIC晶體管56將第一個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50的電荷輸入端連接到第二個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器52的電荷輸入端，該電容器的電容較大，例如約為500 fF。
在此配置中，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42本身將用于在弱光條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷；電荷存儲(chǔ)電容器50將用于在中等光照條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷；電荷存儲(chǔ)電容器52將用于在強(qiáng)光條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷。這種LOFIC結(jié)構(gòu)使探測(cè)器元件26能夠感測(cè)約120 dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的光。或者，也可以使用其他LOFIC結(jié)構(gòu)，并采用更少或更多數(shù)量的電容器和晶體管。
三、這個(gè)產(chǎn)品意味著什么?
如果這項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)施（或許在未來(lái)的iPhone 17 Pro或Apple Vision Pro 2中），它可能會(huì)導(dǎo)致：
移動(dòng)設(shè)備上的電影級(jí)HDR；
實(shí)時(shí)無(wú)噪音視頻捕捉；
超薄外形，專(zhuān)業(yè)品質(zhì)成像，具有極高的DR（20檔動(dòng)態(tài)范圍）。
蘋(píng)果可能正準(zhǔn)備擺脫對(duì)索尼高端相機(jī)傳感器的依賴，以競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手而非客戶的身份進(jìn)入圖像傳感器市場(chǎng)。這也表明，蘋(píng)果在計(jì)算攝影領(lǐng)域的下一次飛躍可能植根于以圖像傳感器為先的創(chuàng)新，而非軟件或人工智能。
動(dòng)態(tài)范圍和噪點(diǎn)是數(shù)字成像的兩個(gè)主要制約因素。一款能夠提供20檔動(dòng)態(tài)范圍和先進(jìn)片上噪點(diǎn)抑制功能的移動(dòng)式或緊湊型傳感器，不僅是一種改進(jìn)，更是顛覆性的。
這可能會(huì)影響：
移動(dòng)電影攝影；
HDR流媒體內(nèi)容；
AR/VR視覺(jué)保真度；
即使是專(zhuān)業(yè)的電影制作套件，緊湊性和質(zhì)量也必須共存。
由于這是蘋(píng)果公司的產(chǎn)品，因此不難想象該公司會(huì)將該傳感器與神經(jīng)引擎處理深度集成，使其在極端條件下更加強(qiáng)大。
在我們看來(lái)，這項(xiàng)專(zhuān)利目前可能不太引人注目，但其影響深遠(yuǎn)。蘋(píng)果不僅僅是在改進(jìn)相機(jī)軟件，而是從芯片層面重新定義圖像傳感器。如果這項(xiàng)技術(shù)投入生產(chǎn)，我們可能會(huì)看到數(shù)字成像領(lǐng)域的全新黃金標(biāo)準(zhǔn)——不僅在智能手機(jī)領(lǐng)域，也在電影領(lǐng)域。
四、具有高動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲的堆疊像素圖像傳感器
目前使用的絕大多數(shù)圖像傳感器都是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）有源像素傳感器（APS）單片陣列，具有4T像素。在這些器件中，每個(gè)探測(cè)器元件（稱為“像素”）包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)和四個(gè)CMOS晶體管，其中包括一個(gè)傳輸門(mén)、一個(gè)復(fù)位門(mén)、一個(gè)選擇門(mén)和一個(gè)源極跟隨器讀出晶體管。傳輸門(mén)控制從光電二極管到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移，并通過(guò)相關(guān)雙采樣（CDS）實(shí)現(xiàn)降噪。使用3T像素（沒(méi)有傳輸門(mén)）的圖像傳感器更容易制造，也更不容易出現(xiàn)偽影，但通常噪聲較高。
概括：
下文描述的本發(fā)明實(shí)施例提供了改進(jìn)的圖像傳感器以及用于生產(chǎn)和控制此類(lèi)圖像傳感器的方法。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種圖像傳感器，該圖像傳感器包括一個(gè)邏輯芯片，該邏輯芯片包含列讀出電路和連接到列讀出電路的位線，以及一個(gè)覆蓋在邏輯芯片上的傳感器芯片。該圖像傳感器包括一個(gè)探測(cè)器元件陣列，每個(gè)探測(cè)器元件包括一個(gè)設(shè)置在傳感器芯片上的傳感電路和一個(gè)設(shè)置在邏輯芯片上的像素電路。
該傳感電路包括一個(gè)具有陰極和陽(yáng)極端子的光電二極管、一個(gè)連接到光電二極管其中一個(gè)端子的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、一個(gè)耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和復(fù)位電壓之間的復(fù)位晶體管，以及一個(gè)具有連接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出的源極跟隨器晶體管。
像素電路包括一個(gè)選擇晶體管，該選擇晶體管具有耦合到源極跟隨器的輸出的輸入和耦合到其中一條位線的輸出，以及一個(gè)電流存儲(chǔ)器電路，該電流存儲(chǔ)器電路耦合到選擇晶體管的輸入，并配置為感測(cè)和輸出指示檢測(cè)器元件中的噪聲水平的信號(hào)。
在一些實(shí)施例中，每個(gè)感測(cè)電路包括一個(gè)橫向溢流積分電容(LOFIC)電路，該電路包括一個(gè)或多個(gè)電荷存儲(chǔ)電容以及耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和電荷存儲(chǔ)電容之間的一個(gè)或多個(gè)LOFIC晶體管，其中，復(fù)位晶體管耦合在LOFIC電路和復(fù)位電壓之間。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，該LOFIC電路包括：具有第一電容的第一電荷存儲(chǔ)電容；具有大于第一電容的第二電容的第二電荷存儲(chǔ)電容；連接在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和第一電荷存儲(chǔ)電容的第一電荷輸入端之間的第一LOFIC晶體管；以及連接在第一電荷存儲(chǔ)電容的第一電荷輸入端和第二電荷存儲(chǔ)電容的第二電荷輸入端之間的第二LOFIC晶體管。
在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)位晶體管連接在第二電荷存儲(chǔ)電容的第二電荷輸入端和復(fù)位電壓之間。此外或可選地，在將檢測(cè)器元件讀出到位線期間，第一和第二LOFIC晶體管依次導(dǎo)通，同時(shí)選擇晶體管導(dǎo)通。
在一些實(shí)施例中，在每個(gè)圖像幀期間，復(fù)位晶體管在第一復(fù)位周期內(nèi)導(dǎo)通，以在幀的曝光周期之前復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)；選擇晶體管在曝光周期之后的第一讀出周期內(nèi)導(dǎo)通，以從浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)讀出光電荷。然后，復(fù)位晶體管在第一選擇周期之后的第二復(fù)位周期內(nèi)導(dǎo)通，以復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)；選擇晶體管在第二復(fù)位周期之后的第二讀出周期內(nèi)導(dǎo)通，以讀出探測(cè)器元件累積的噪聲。
在一些實(shí)施例中，電流存儲(chǔ)電路包括至少一個(gè)采樣電容器和至少一個(gè)采樣晶體管，它們耦合在選擇晶體管的輸入端和至少一個(gè)采樣電容器之間，其中，至少一個(gè)采樣晶體管在第一和第二復(fù)位周期內(nèi)跟隨復(fù)位晶體管導(dǎo)通，使得至少一個(gè)采樣電容器對(duì)探測(cè)器元件中的kTC噪聲進(jìn)行采樣。
在公開(kāi)的實(shí)施例中，電流存儲(chǔ)電路包括：連接在選擇晶體管的輸入端和至少一個(gè)采樣晶體管之間的讀取晶體管；以及與讀取晶體管并聯(lián)的、極性與讀取晶體管相反的偏置晶體管。其中，讀取晶體管和偏置晶體管在第一和第二讀出周期導(dǎo)通，在曝光周期截止。在一個(gè)實(shí)施例中，偏置晶體管在第一和第二復(fù)位周期導(dǎo)通。
另外或可替代地，至少一個(gè)采樣電容器包括第一和第二采樣電容器，并且至少一個(gè)采樣晶體管包括第一和第二采樣晶體管，它們串聯(lián)耦合在第一和第二采樣電容器與選擇晶體管的輸入端之間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種圖像感測(cè)方法，該方法包括：提供一個(gè)邏輯芯片，該邏輯芯片包括列讀出電路和連接到列讀出電路的位線；以及在邏輯芯片上覆蓋一個(gè)傳感器芯片。在傳感器芯片和邏輯芯片上形成一個(gè)探測(cè)器元件陣列，每個(gè)探測(cè)器元件包括一個(gè)形成在傳感器芯片上的感測(cè)電路和一個(gè)形成在邏輯芯片上的像素電路。
每個(gè)感測(cè)電路包括一個(gè)具有陰極和陽(yáng)極端子的光電二極管、一個(gè)連接到光電二極管其中一個(gè)端子的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、一個(gè)耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和復(fù)位電壓之間的復(fù)位晶體管，以及一個(gè)具有連接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出的源極跟隨器晶體管。
每個(gè)像素電路包括一個(gè)選擇晶體管，該選擇晶體管具有耦合到源極跟隨器的輸出的輸入和耦合到其中一條位線的輸出，以及一個(gè)電流存儲(chǔ)器電路，該電流存儲(chǔ)器電路耦合到選擇晶體管的輸入并配置為感測(cè)和輸出指示檢測(cè)器元件中的噪聲水平的信號(hào)。
通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更全面地理解本發(fā)明：
實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明
本文描述的本發(fā)明實(shí)施例提供了一種包含新穎設(shè)計(jì)的3T像素的圖像傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲，并且不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)4T像素陣列中可能出現(xiàn)的偽影。該圖像傳感器包含一個(gè)堆疊在邏輯芯片上的傳感器芯片。
每個(gè)3T像素在傳感器芯片上包含一個(gè)傳感電路，該電路包括一個(gè)光電二極管和一個(gè)橫向溢流積分電容(LOFIC)電路，以便在從室內(nèi)到明亮陽(yáng)光的各種光照條件下進(jìn)行傳感，而無(wú)需自動(dòng)曝光控制。此外，每個(gè)像素在邏輯芯片上包含一個(gè)像素電路，該像素電路包含一個(gè)電流存儲(chǔ)電路。該電流存儲(chǔ)電路用于感測(cè)探測(cè)器元件中的噪聲水平。電流存儲(chǔ)電路輸出的信號(hào)能夠利用CDS抑制熱噪聲(kTC)。
雖然邏輯芯片上的電流存儲(chǔ)電路與LOFIC電路配合使用特別有用，但在其他實(shí)施例中，即使沒(méi)有LOFIC電路，邏輯芯片上的組件也可用于降低其他圖像傳感器像素中的噪聲。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器的示意側(cè)視圖；
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器20的示意側(cè)視圖。圖像傳感器20包括由一個(gè)硅晶片制成的邏輯芯片24，以及由另一個(gè)硅片制成的傳感器芯片22，該芯片覆蓋在邏輯芯片24上。圖像傳感器20包含一個(gè)探測(cè)器元件陣列26（也稱為像素），每個(gè)探測(cè)器元件包括位于傳感器芯片22上的傳感電路28和位于邏輯芯片24上的像素電路30。像素電路30通過(guò)位線連接到列讀出電路（如圖2所示）。圖像傳感器20的堆疊硅片配置使得在邏輯芯片24中使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS控制和讀出電路成為可能，而傳感電路28可以通過(guò)不同的工藝制造。或者，傳感器芯片22可以包含除硅之外的其他半導(dǎo)體材料。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器中探測(cè)器元件細(xì)節(jié)的示意電路圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的探測(cè)器元件26之一的示意電路圖。圖2中所示的傳感電路28包含N溝道MOSFET晶體管和N-on-P光電二極管38。或者，傳感電路28也可以包含P溝道晶體管和P-on-N光電二極管。傳感電路28的組件連接到電源電壓48，例如1.5 V、1.2 V或1.0 V。在本設(shè)計(jì)中，無(wú)需將電壓升壓至高于電源電壓或低于地電位。
傳感電路28包含一個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(FD：floating diffusion)42，該節(jié)點(diǎn)連接到光電二極管38的一個(gè)端子（在本例中連接到陰極，陽(yáng)極連接到地40）。橫向溢流積分電容(LO-FIC)電路44耦合至浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42，復(fù)位晶體管(RST1)46耦合于LOFIC電路和復(fù)位電壓（在圖示示例中，該復(fù)位電壓為電源電壓48）之間。
本示例中的LOFIC電路44包括兩個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50和52，以及兩個(gè)串聯(lián)耦合至浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42的LOFIC晶體管(LOFIC1和LOFIC2)54和56。第一個(gè)LOFIC晶體管(LOFIC1)54將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)連接到第一個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50的電荷輸入端，該電容器具有較小的電容，例如約為20 fF。
第二個(gè)LOFIC晶體管56將第一個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器50的電荷輸入端連接到第二個(gè)電荷存儲(chǔ)電容器52的電荷輸入端，該電容器具有較大的電容，例如約為500 fF。在該配置中，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42本身將用于在弱光條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷；電荷存儲(chǔ)電容器50將用于在中等光照條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷；電荷存儲(chǔ)電容器52將用于在強(qiáng)光條件下存儲(chǔ)和讀出光電荷。該LOFIC配置使探測(cè)器元件26能夠感測(cè)約120 dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的光。或者，也可以使用其他LOFIC配置，其中電容器和晶體管的數(shù)量可以更少或更多。
源極跟隨器晶體管(SF：source follower transistor)58的柵極連接用于接收來(lái)自浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42的電荷輸入，其漏極連接到輸出端子32，該輸出端子與像素電路30的輸入端子34連接。輸入端子34連接到選擇晶體管(SEL)60。當(dāng)選擇晶體管導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)將來(lái)自探測(cè)器元件26的信號(hào)輸出到位線62，該位線為探測(cè)器元件陣列的提供服務(wù)。
如上所述，該位線將傳感器芯片22中的探測(cè)器元件連接到邏輯芯片24中的列讀出電路64。在從探測(cè)器元件26讀出數(shù)據(jù)期間，連接到輸入端子34的偏置晶體管(V3 Bias)66處于關(guān)閉狀態(tài)，通常消耗約1 uA的電流。
為了實(shí)現(xiàn)噪聲感測(cè)和消除，像素電路30包含一個(gè)電流存儲(chǔ)電路68，該電路包含一個(gè)N溝道讀取晶體管(RD：read transistor)70和一個(gè)P溝道偏置晶體管(V1 Bias)72并聯(lián)。本例中的讀取晶體管和偏置晶體管極性相反。因此，在圖示的示例中，讀取晶體管70（以及像素電路30的其他組件）是N溝道器件，而V1 Bias晶體管72是P溝道器件。第二個(gè)偏置晶體管(V2 Bias)74與P溝道偏置晶體管串聯(lián)，當(dāng)兩個(gè)偏置晶體管導(dǎo)通時(shí)，會(huì)吸收偏置電流，例如約100 nA。
采樣線36連接到讀取晶體管70和V1偏置晶體管72的漏極以及V2偏置晶體管74的源極。從檢測(cè)器元件26流出的電流由一對(duì)采樣電容器76、78采樣，這對(duì)采樣電容器連接在采樣線36和地40之間。這些采樣電容器76、78可以具有低電容，例如每個(gè)約為4 fF，并且兩個(gè)采樣電容器之間存在大約0.1 fF的附加寄生耦合80。
為了在感測(cè)電路復(fù)位期間對(duì)流經(jīng)感測(cè)電路28的電流進(jìn)行采樣，一對(duì)采樣晶體管（SMP1和SMP2）82、84會(huì)短暫地同時(shí)導(dǎo)通。然后，晶體管82（SMP1）關(guān)閉，接著晶體管84（SMP2）也關(guān)閉。晶體管82對(duì)探測(cè)器元件26的kTC噪聲進(jìn)行采樣，而晶體管84對(duì)晶體管82關(guān)閉后的殘余誤差進(jìn)行采樣。因此，kTC噪聲被采樣，并通過(guò)流入和流出采樣電容器78的電流進(jìn)行補(bǔ)償。
在從探測(cè)器元件26讀出期間，采樣的電流信號(hào)由選擇晶體管60讀出到位線62。或者，電流存儲(chǔ)電路68可以僅包含一個(gè)采樣電容器，也可以包含更多數(shù)量的采樣電容器，并相應(yīng)地布置一個(gè)或多個(gè)采樣晶體管。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)序圖，示意性地示出了施加到圖2中探測(cè)器元件晶體管的信號(hào)
圖3為時(shí)序圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在單個(gè)圖像幀88過(guò)程中施加到探測(cè)器元件26的晶體管46、54、56、66、70、72、74、82和84的信號(hào)。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，施加到晶體管72的V1偏置信號(hào)顯示為與其他信號(hào)具有相同的極性；但實(shí)際上，由于V1偏置晶體管72是P溝道器件，因此V1偏置信號(hào)的極性將與其他信號(hào)的極性相反。施加到晶體管66的V3偏置信號(hào)與V2偏置信號(hào)相同，因此為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處省略。
每個(gè)圖像幀88包括曝光期90，例如在1-10毫秒的范圍內(nèi)，在此期間，來(lái)自光電二極管的光電荷在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42處收集，并且可能在LOFIC電荷存儲(chǔ)電容器50、52中的一個(gè)或兩個(gè)上收集，具體取決于入射光的強(qiáng)度。在曝光期90之前的預(yù)曝光復(fù)位期92中，復(fù)位晶體管(RST1)46導(dǎo)通，以復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42。LOFIC晶體管54、56也與RST1一起導(dǎo)通，以復(fù)位LOFIC電荷存儲(chǔ)電容器50、52。
此外，在曝光期之前的復(fù)位期內(nèi)，像素電路30中的偏置晶體管72、74、66（V1 Bias、V2 Bias和V3 Bias）均導(dǎo)通，采樣晶體管82、84（SMP1和SMP2）在RST1復(fù)位脈沖之后導(dǎo)通，然后依次關(guān)閉。
在曝光周期90之后，選擇晶體管60和讀取晶體管70（SEL和RD）在讀出周期94期間導(dǎo)通，同時(shí)三個(gè)偏置晶體管72、74和66（V1 Bias、V2 Bias和V3 Bias）也導(dǎo)通，以將光電荷從浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42讀出到位線62。讀出周期94包括高增益間隔96、中增益間隔98和低增益間隔100。當(dāng)選擇晶體管60導(dǎo)通時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42上的電荷首先在高增益間隔96期間被讀出。然后，LOFIC晶體管54和56依次在中增益間隔98和低增益間隔100期間導(dǎo)通，以將存儲(chǔ)在LOFIC電荷存儲(chǔ)電容器50和52中的光電荷讀出到位線62。
所有光電荷讀出后，復(fù)位晶體管在曝光后復(fù)位周期102中，(RST1)46與兩個(gè)LOFIC晶體管54、56再次導(dǎo)通，以復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42和LOFIC電荷存儲(chǔ)電容器54、56。像素電路30中的偏置晶體管72、74、66（V1 Bias、V2 Bias和V3 Bias）再次全部導(dǎo)通，采樣晶體管82、84（SMP1和SMP2）在RST1復(fù)位脈沖后導(dǎo)通，然后依次關(guān)斷，就像在復(fù)位周期92期間一樣。
在這些復(fù)位之后，選擇晶體管60和讀取晶體管70在噪聲讀出周期104期間再次導(dǎo)通，以讀出探測(cè)器元件26積累的噪聲。噪聲讀出周期104包括高增益間隔106、隨后的中增益間隔108和低增益間隔110。當(dāng)選擇晶體管60和讀取晶體管70導(dǎo)通時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)42上的電荷首先在高增益間隔106期間被讀出。然后，LOFIC晶體管54和56依次在中增益間隔108和低增益間隔110期間導(dǎo)通，以將LOFIC電荷存儲(chǔ)電容器52和54中剩余的電荷讀出到位線62。
在噪聲讀出周期104期間，偏置晶體管72、74和66保持導(dǎo)通。電流存儲(chǔ)電路68感測(cè)并輸出指示探測(cè)器元件26中噪聲水平的信號(hào)。邏輯芯片24中的CDS電路（未示出）從曝光周期后讀出的光信號(hào)中減去在此第二讀出周期讀出的噪聲信號(hào)，從而降低圖像傳感器20輸出信號(hào)中的噪聲影響。
應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例僅作為示例引用，本發(fā)明不限于上述具體顯示和描述的內(nèi)容。相反，本發(fā)明的范圍包括上述各種特征的組合和子組合，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀前述說(shuō)明后能夠想到的、且在現(xiàn)有技術(shù)中未公開(kāi)的變體和修改。