CN108322677B - 支持多种曝光模式的hdr图像传感器像素结构及成像系统 - Google Patents

支持多种曝光模式的hdr图像传感器像素结构及成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构及成像系统，该像素结构的复位晶体管的一端耦接至第一电压源，其另一端通过双转换增益控制单元耦接至浮动扩散节点；其大面积光电二极管通过第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点，其小面积光电二极管一路通过滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或复位晶体管与双转换增益控制单元之间的节点，另一路通过全局曝光传输单元耦接至复位晶体管与双转换增益控制单元之间的节点。由于采用两种不同大小面积的光电二极管组合，通过两种曝光模式传输单元来转移小面积光电二极管曝光结束后积累的电荷，使得本发明的像素结构可以支持多种曝光模式，并且可实现果冻效应矫正、LED闪烁衰减等特殊功能应用。

Description

支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构及成像系统
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构及成像系统。
背景技术
近年来，CMOS图像传感器产业高速发展，图像传感器的芯片面积也越来越小，随着像素尺寸的减小，对图像传感器在大范围的光照条件(从低光条件变化到亮光条件)内执行的要求变得更难以实现。此性能能力通常称为具有高动态范围成像(HDR)。在常规图像捕获装置中，像素单元需要多次连续曝光以实现HDR。
为了提高图像传感器的动态范围，提出了各种新的像素单元结构，然而现有的各种像素单元结构一般仅能支持单一的曝光模式，从而限制了像素单元的应用场景。并且现有的像素单元结构一般也不能实现如果冻效应矫正、LED闪烁衰减等特殊功能的应用。
因而，有必要对HDR图像传感器的像素结构进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构及成像系统，以解决现有的像素结构不能适应LED光源闪动的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，包括：
大面积光电二极管以及小面积光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；
复位晶体管，其第一端耦接至第一电压源，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；
双转换增益控制单元，耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间，用于实现增益控制和电荷存储；
第一传输晶体管，所述大面积光电二极管通过所述第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点；所述第一传输晶体管用于将所述大面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点；
滚动曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式下将所述小面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点或者转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元，以及用于在全局曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
全局曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述全局曝光传输单元耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式的曝光过程中将所述小面积光电二极管累积的电荷进行存储，并在曝光结束后将存储的电荷转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元；以及用于在滚动曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
输出单元，耦接至所述浮动扩散节点，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
在本发明的一个实施例中，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器，所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间；所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点，其第二端子连接地端或连接至固定电压值。
在本发明的一个实施例中，所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。
在本发明的一个实施例中，所述滚动曝光传输单元包括滚动曝光传输晶体管，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输晶体管耦接至所述浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点。
在本发明的一个实施例中，所述全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管、曝光控制晶体管以及存储电容器，所述小面积光电二极管通过所述曝光控制晶体管及所述全局曝光传输晶体管耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点，所述存储电容器的第一端子耦接在所述曝光控制晶体管与所述全局曝光传输晶体管之间的节点，其第二端子耦接至所述曝光控制晶体管的栅极或连接地端或连接至固定电压值。
在本发明的一个实施例中，所述存储电容器为单独的电容器件或者为所述曝光控制晶体管的寄生电容。
在本发明的一个实施例中，所述第一电压源为可变电压源。
在本发明的一个实施例中，所述输出单元包括放大器，所述放大器耦接在浮动扩散节点与列输出线之间，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
在本发明的一个实施例中，所述放大器为源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点，其漏极耦接至第二电压源，其源极耦接至列输出线。
在本发明的一个实施例中，所述输出单元还包括行选择晶体管，所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。
一种成像系统，包括像素阵列，所述像素阵列按行和列排列，所述像素阵列中的每个像素包括：
大面积光电二极管以及小面积光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；
复位晶体管，其第一端耦接至第一电压源，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；
双转换增益控制单元，耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间，用于实现增益控制和电荷存储；
第一传输晶体管，所述大面积光电二极管通过所述第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点；所述第一传输晶体管用于将所述大面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点；
滚动曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式下将所述小面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点或者转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元，以及用于在全局曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
全局曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述全局曝光传输单元耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式的曝光过程中将所述小面积光电二极管累积的电荷进行存储，并在曝光结束后将存储的电荷转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元；以及用于在滚动曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
输出单元，耦接至所述浮动扩散节点，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
在本发明的一个实施例中，还包括逻辑控制单元、驱动单元、列A/D转换单元以及图像处理单元；其中：
所述逻辑控制单元用于控制整个系统的工作时序逻辑；
所述驱动单元的一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于驱动和控制像素阵列中的各控制信号线；
所述列A/D转换单元对应像素阵列中的每列像素，用于在所述逻辑控制单元的控制下实现列信号的模拟/数字转换；
所述图像处理单元用于在所述逻辑控制单元的控制下对所述列A/D转换单元输出的图像数字信号进行图像处理。
在本发明的一个实施例中，所述驱动单元包括：
行驱动单元，其一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于向像素阵列提供对应的行控制信号；
列驱动单元，其一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于向像素阵列提供对应的列控制信号。
在本发明的一个实施例中，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器，所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间；所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点，其第二端子连接地端或连接至固定电压值。
在本发明的一个实施例中，所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。
在本发明的一个实施例中，所述滚动曝光传输单元包括滚动曝光传输晶体管，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输晶体管耦接至所述浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点。
在本发明的一个实施例中，所述全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管、曝光控制晶体管以及存储电容器，所述小面积光电二极管通过所述曝光控制晶体管及所述全局曝光传输晶体管耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点，所述存储电容器的第一端子耦接在所述曝光控制晶体管与所述全局曝光传输晶体管之间的节点，其第二端子耦接至所述曝光控制晶体管的栅极或连接地端或连接至固定电压值。
在本发明的一个实施例中，所述存储电容器为单独的电容器件或者为所述曝光控制晶体管的寄生电容。
在本发明的一个实施例中，所述第一电压源为可变电压源。
在本发明的一个实施例中，所述输出单元包括放大器，所述放大器耦接在浮动扩散节点与列输出线之间，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
在本发明的一个实施例中，所述放大器为源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点，其漏极耦接至第二电压源，其源极耦接至列输出线。
在本发明的一个实施例中，所述输出单元还包括行选择晶体管，所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供的图像传感器像素结构通过采用两种不同大小面积的光电二极管组合，通过采用两种曝光模式传输单元来转移小面积光电二极管曝光结束后积累的电荷，使得本发明的像素结构可以支持多种曝光模式,如支持两个光电二极管共享结构的滚动曝光模式、大面积光电二极管滚动曝光和小面积光电二极管全局曝光的混合曝光模式、大面积光电二极管滚动曝光和小面积光电二极管斩波式滚动曝光的混合曝光模式等，并且可实现果冻效应矫正、LED闪烁衰减等特殊功能应用。
2)本发明提供的图像传感器像素结构由于采用了双转换增益控制单元，因而可支持双转换增益(DCG，dual conversion gain)，从而具有高动态范围特性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图2A为本发明图1中的像素结构应用于果冻效应矫正中的曝光与读取的流程示意图；
图2B为本发明图1中的像素结构应用于果冻效应矫正中的时序控制示意图；
图3为本发明图1中的像素结构用于降低LED频闪影响的曝光原理示意图；
图4为本发明图1中的像素结构用于降低LED频闪影响的时序控制示意图；
图5为本发明另一实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图6为本发明又一实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图7为本发明再一实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图8为本发明一实施例提供的成像系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构及成像系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供了一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，包括：
大面积光电二极管以及小面积光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；
复位晶体管，其第一端耦接至第一电压源，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；
双转换增益控制单元，耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间，用于实现增益控制和电荷存储；
第一传输晶体管，所述大面积光电二极管通过所述第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点；所述第一传输晶体管用于将所述大面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点；
滚动曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式下将所述小面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点或者转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元，以及用于在全局曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
全局曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述全局曝光传输单元耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式的曝光过程中将所述小面积光电二极管累积的电荷进行存储，并在曝光结束后将存储的电荷转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元；以及用于在滚动曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
输出单元，耦接至所述浮动扩散节点，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
本发明通过采用两种不同大小面积的光电二极管组合，通过采用两种曝光模式传输单元来转移小面积光电二极管曝光结束后积累的电荷，使得本发明的像素结构可以支持多种曝光模式,如支持两个光电二极管共享结构的滚动曝光模式、大面积光电二极管滚动曝光和小面积光电二极管全局曝光的混合曝光模式、大面积光电二极管滚动曝光和小面积光电二极管斩波式滚动曝光的混合曝光模式等，并且可实现果冻效应矫正、LED闪烁衰减等特殊功能应用。两种不同大小面积的光电二极管组合，利用大面积光电二极管持续曝光来捕获弱光信息，利用小面积光电二极管间断性地曝光来捕捉LED光源信号(高亮信号)，从而使得该像素结构能衰减LED光源频闪，从而使得该像素结构能够适用于拍摄含有LED光源的物体。此外，由于采用了双转换增益控制单元，因而可支持双转换增益(DCG，dualconversion gain)，从而具有高动态范围特性。并且通过采用两种曝光模式传输单元来转移曝光结束后积累的电荷，使得本发明的像素结构可以支持多种曝光模式。
以下结合几个具体实施例对本发明的方案进行详细说明。
实施例1
请参阅图1，如图1所示，本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构包括大面积光电二极管lpd、小面积光电二极管spd、复位晶体管RST与双转换控制单元；大面积光电二极管lpd和小面积光电二极管spd，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光，其中，大面积光电二极管lpd的第一端子连接地端，其第二端子通过第一传输晶体管LTX耦接至浮动扩散节点FD，其中大面积光电二极管lpd的第一端子为阳极端，其第二端子为阴极端。
小面积光电二极管spd的第一端子连接地端，其第二端子一路通过滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点FD，第二端子另一路通过全局曝光传输单元耦接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点。在本实施例中，滚动曝光传输单元为滚动曝光传输晶体管SRTX，小面积光电二极管spd的第二端子通过滚动曝光传输晶体管SRTX耦接至浮动扩散节点FD。全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管SGTX、曝光控制晶体管SSG以及存储电容器Cm，小面积光电二极管spd的第二端子与曝光控制晶体管SSG的第一端连接，曝光控制晶体管SSG的第二端与全局曝光传输晶体管SGTX的第一端连接，全局曝光传输晶体管SGTX的第二端连接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点。存储电容器Cm的一端与曝光控制晶体管SSG的第二端连接，其另一端与曝光控制晶体管SSG的栅极连接，当然，作为其它可选择的连接方式，存储电容器Cm的另一端还可以连接地端或者连接至固定电压值。其中，小面积光电二极管spd的第一端子为阳极端，其第二端子为阴极端。
复位晶体管RST的第一端耦接至第一电压源Vrab，其第二端通过双转换增益控制单元耦接至浮动扩散节点FD；其中，第一电压源Vrab为独立的电压源。具体地，第一电压源Vrab为可变电压源。
在本实施例中，双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管DCG以及双转换增益电容器Cdcg，双转换增益晶体管DCG耦接在复位晶体管RST与浮动扩散节点FD之间。双转换增益电容器Cdcg的第一端子耦接在双转换增益晶体管DCG与复位晶体管RST之间的节点，其第二端子连接地端。当然，作为其它可选择的连接方式，双转换增益电容器Cdcg的第二端子还可以连接至固定电压值。
该图像传感器像素结构还包括输出单元，用于对浮动扩散节点FD的电压信号进行放大输出。在本实施例中，输出单元包括源极跟随晶体管SF及行选择晶体管ROWSEL，源极跟随晶体管SF的栅极耦接至浮动扩散节点FD，其漏极耦接至第二电压源，具体地耦接至固定电压源PIXVDD，其源极通过行选择晶体管ROWSEL耦接至列输出线pix_out。当然，本实施例仅示意性地给出输出单元的一种实现方式，本领域技术人员应该意识到，输出单元也可以只包括源极跟随晶体管SF而不包括行选择晶体管ROWSEL，并且也可以采用其它不同增益的放大器件来代替源极跟随晶体管SF，例如可采用两级或多级放大器来替代本实施例中的源极跟随晶体管SF，这些变形方式也在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，存储电容器Cm以及双转换增益电容器Cdcg均为单独的电容器件，例如可以为MIM电容器、MOM电容器、MOS电容器等。并且，在本实施例中，复位晶体管RST、双转换增益晶体管DCG、第一传输晶体管LTX、滚动曝光传输晶体管SRTX、全局曝光传输晶体管SGTX、曝光控制晶体管SSG、行选择晶体管ROWSEL均为NMOS，这是考虑到NMOS的载流子迁移速率快，从而使得开关的响应速度快，但是本领域技术人员应该意识到，本发明并不以此为限，其它类型的晶体管或开关也在本发明的保护范围之内。
其中，复位晶体管RST的栅极接收复位控制信号rst，双转换增益晶体管DCG的栅极接收控制信号dcg，第一传输晶体管LTX的栅极接收控制信号ltx，滚动曝光传输晶体管SRTX的栅极接收控制信号srtx，全局曝光传输晶体管SGTX的栅极接收控制信号sgtx，曝光控制晶体管SSG的栅极接收控制信号ssg，行选择晶体管ROWSEL的栅极接收行选择控制信号rowsel。
本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构可以支持不同曝光模式，如支持双转换增益(DCG)的2PD共享结构的滚动曝光模式、lpd滚动曝光和spd全局曝光的混合曝光模式、lpd滚动曝光和spd斩波式滚动曝光的混合曝光模式等，根据不同的曝光模式除实现常规应用外，可以实现果冻效应矫正、LED闪烁衰减等特殊功能应用。以下以该像素结构应用于果冻效应矫正、LED闪烁衰减为例进行说明。
一、基于lpd滚动曝光和spd全局曝光的果冻效应矫正应用
全局曝光(Global shutter)是通过整幅场景在同一时间曝光实现的，在全局曝光中像素传感器的所有像素点同时曝光，曝光结束后像素传感器的值读出即为一幅照片。
滚动曝光(Rolling shutter)与全局曝光不同，它是通过像素传感器逐行曝光的方式实现的。在曝光开始的时候，像素传感器逐行扫描逐行进行曝光，直至所有像素点都被曝光。当然，所有的动作在极短的时间内完成。
基于滚动曝光的图像相对于全局曝光获取的图像有更好的噪声性能，但是当被拍摄物体相对于相机高速运动时，由于滚动曝光存在时效性，使得逐行扫描的速度不够，拍摄结果就可能出现"倾斜"、"摇摆不定"或"部分曝光"等任一种情况，拍出来的物体会发生变形，这种现象即为果冻效应。
目前还没有这样一种方案，既能保证图像具有较好的噪声性能又能解决果冻效应。而采用本实施例提供的图像像素结构，其可以对lpd采用滚动曝光，spd采用全局曝光，spd全局曝光获取的图像可以用来对lpd获得的图像进行矫正，从而可以获得既具有较好噪声性能、又能实现果冻效应矫正的图像，实现全局曝光和滚动曝光性能的折中。
该应用下像素结构的曝光和读取流程如图2A所示，当本发明实施例提供的像素结构应用于果冻效应矫正时，其曝光与读取的流程为：
首先，图像传感器的所有行的小面积光电二极管spd曝光，并将光电荷保存至存储电容器Cm中；
接着大面积光电二极管lpd逐行曝光及读取，同时对应行的小面积光电二极管spd读取；具体为：
第一行大面积光电二极管lpd曝光及读取，第一行小面积光电二极管spd读取；
第二行大面积光电二极管lpd曝光及读取，第二行小面积光电二极管spd读取；
第三行大面积光电二极管lpd曝光及读取，第三行小面积光电二极管spd读取；
按此顺序依次执行，直至最后一行大面积光电二极管lpd曝光及读取，最后一行小面积光电二极管spd读取。
并且，前一行的读取过程与后一行的读取过程没有交叠，如图2A中虚线分割所示，第一行lpd读取、spd读取与第二行lpd读取、spd读取没有交叠，即在第一行lpd读取、spd读取完成后才会进行第二行lpd读取、spd读取。其它行的读取要求类似。
该曝光和读取流程对应的控制时序如图2B所示，本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的工作过程包括初始化、曝光和读取，具体为：
A.初始化
1.将rst、dcg、sgtx、srtx、ltx置为高电平，使得复位晶体管RST、双转换增益晶体管DCG、全局曝光传输晶体管SGTX、滚动曝光传输晶体管SRTX、第一传输晶体管LTX导通，初始化双转换增益电容器Cdcg、存储电容器Cm、浮动扩散节点FD、小面积光电二极管spd和大面积光电二极管lpd的端电位；
2.将ssg置为高电平，sgtx、srtx置为低电平，曝光控制晶体管SSG导通，滚动曝光传输晶体管SRTX、全局曝光传输晶体管SGTX关断，存储电容器Cm与小面积光电二极管spd相连，平衡存储电容Cm和小面积光电二极管spd的电位。
B.曝光
3.将ssg置为低电平，曝光控制晶体管SSG关断，大面积光电二极管lpd和小面积光电二极管spd开始曝光，在曝光结束前将ssg置为高电平，曝光控制晶体管SSG导通，将小面积光电二极管spd产生的电荷转移至存储电容器Cm后关断曝光控制晶体管SSG；
C.读取
lpd读取：
4.将rowsel置为高电平，行选择晶体管ROWSEL导通；
5.将rst置为低电平，复位晶体管RST关断，从列输出线pix_out读取低增益配置(LCG)时的初始信号VLlcg0；
6.将rst置为高电平，复位晶体管RST导通,再次拉高浮动扩散节点FD的电位；
7.将rst、dcg置为低电平，关断复位晶体管RST、双转换增益晶体管DCG，从列输出线pix_out读取高增益配置(HCG)时的初始信号VLhcg0；
8.将ltx置为高电平，第一传输晶体管LTX导通，使得大面积光电二极管lpd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD；
9.将ltx置为低电平，第一传输晶体管LTX关断，从列输出线pix_out读取高增益配置(HCG)时的信号电压VLhcg1；
10.将dcg、ltx置为高电平，导通双转换增益晶体管DCG、第一传输晶体管LTX，使得大面积光电二极管lpd积累的信号转移至浮动扩散节点FD和双转换增益电容器Cdcg；
11.将ltx置为低电平，关断第一传输晶体管LTX，从列输出线pix_out读取低增益配置(LCG)时的信号VLlcg1；
Spd读取：
12.将rst置为高电平，导通复位晶体管RST，初始化双转换增益电容器Cdcg和浮动扩散节点FD的电位；
13.读取此时的初始信号VS0；
14.将sgtx置为高电平，全局曝光传输晶体管SGTX导通，将存储电容器Cm储存的电荷转移至双转换增益电容器Cdcg和浮动扩散节点FD；
15.将sgtx置为低电平，关断全局曝光传输晶体管SGTX，读取小面积光电二极管spd的信号电压VS1；
通过对VLlcg0与VLlcg1，VLhcg0与VLhcg1进行相关处理，读取阵列所有lpd后可以获得一帧滚动曝光模式的HDR图像；对VS0和VS1进行相关处理，读取阵列所有spd后可以获得一帧全局曝光的图像；其中这些相关处理为现有的处理方式，本发明不做详细介绍。
进一步地，通过对这两帧图像进行处理可以获得矫正后的图像，其中具体的处理方式为现有技术，本发明不再进行详细介绍。
二、基于lpd滚动曝光和spd斩波式滚动曝光的LED闪烁衰减应用
LED光源在各个领域应用越来越广泛，由于LED光源是由脉冲电压驱动，亮度会以人眼无法觉察的频率闪动。传统的图像传感器在拍摄含有LED光源的物体时，如果曝光时间过长图像会过曝，过短可能会缺少光源亮度信息，这些都会造成对LED光源信息的误判，比如交通信号灯、汽车尾灯等，进而可能造成重大的事故损失。
本发明实施例提供的像素传感器结构可以降低LED频闪，请参考图3，其基本原理为：采用大小不同面积的pd组合及双转换增益(DCG)提高动态范围(HDR)。当拍摄含有LED光源的物体时，在曝光阶段中，大面积光电二极管lpd持续曝光(图3中lpd的曝光区间全部填充阴影表示在整个曝光阶段lpd持续曝光)，用于捕捉弱光信息，但是长的曝光时间可能导致信号过曝，从而无法识别LED光源所指示的信号。对小面积光电二极管spd采用开关控制曝光时间，可以将LED光源信号(高亮信号)保留。图3中spd的有效曝光时间为斜线阴影填充区域，黑色区域为srtx为高电平复位spd的时段。
请继续参考图4，如图4所示，本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构的工作过程包括初始化、曝光和读取，具体为：
A.初始化
1.将rst、dcg、sgtx、srtx、ltx置为高电平，使得复位晶体管RST、双转换增益晶体管DCG、全局曝光传输晶体管SGTX、滚动曝光传输晶体管SRTX、第一传输晶体管LTX导通，初始化双转换增益电容器Cdcg、存储电容器Cm、浮动扩散节点FD、小面积光电二极管spd和大面积光电二极管lpd的端电位；
2.将ssg置为高电平，将sgtx、srtx置为低电平，使得曝光控制晶体管SSG导通，全局曝光传输晶体管SGTX、滚动曝光传输晶体管SRTX关断，使存储电容Cm和小面积光电二极管spd拉至相同电位；
B.曝光
3.将ssg置为低电平，曝光控制晶体管SSG关断，小面积光电二极管spd和大面积光电二极管lpd开始曝光，曝光期间SRTX与SGTX交替导通，spd的曝光控制如图中srtx和ssg控制信号所示，曝光结束后spd产生的电荷被储存在存储电容器Cm中；
C.读取
lpd读取：
4.将rowsel置为高电平，ROWSEL选通；
5.将rst置为低电平,从列输出线pix_out读取低增益配置(LCG)时的初始电压VLlcg0；
6.将rst置为高电平,再次对浮动扩散节点FD初始化；
7.将rst、dcg置为低电平，从列输出线pix_out读取高增益配置(HCG)时的初始电位VLhcg0；
8.将ltx置为高电平，将lpd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD；
9.将ltx置为低电平，从列输出线pix_out读取高增益配置(HCG)时的信号电压VLhcg1；
10.将dcg、ltx置为高电平，将lpd积累的电荷转移至双转换增益电容器Cdcg和浮动扩散节点FD；
11.将ltx置为低电平，从列输出线pix_out读取低增益配置(LCG)时的信号VLlcg1；
spd读取：
12.将rst置为高电平,对双转换增益电容器Cdcg与浮动扩散节点FD进行初始化；
13.读取此时初始信号VS0；
14.将sgtx置为高电平，将存储电容器Cm储存的电荷转移至双转换增益电容器Cdcg与浮动扩散节点FD；
15.将sgtx置为低电平，读取spd信号电压VS1；
通过对VLlcg0与VLlcg1，VLhcg0与VLhcg1进行相关处理，读取阵列所有lpd后可以获得一帧滚动曝光模式的HDR图像；对VS0和VS1进行相关处理，读取阵列所有spd后可以获得一帧交替短曝光的图像；通过对这两帧图像进行处理可以获得包含光源大量信息的图像，大大降低LED闪烁的影响。其中运算处理为现有的处理方式，本发明不做详细介绍。
由以上介绍可知，本发明通过设置两种不同面积的光电二极管，其中大面积光电二极管在曝光阶段持续曝光，小面积光电二极管在曝光阶段间歇性曝光，使得本发明提供的像素结构既能捕捉弱光信息也能捕捉LED光源信号，从而能够不受LED光源频闪的影响。同时由于采用了双转换增益控制单元，使得本发明的像素结构可支持双转换增益(DCG，dual conversion gain)，从而具有高动态范围特性。
上述两种应用仅是本发明的像素结构的应用举例，然而应该认识到，本发明的像素结构的应用是多样化的，并不以此为限。
实施例2
请参阅图5，如图5所示，与实施例1相比，本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其存储电容器Cm以及双转换增益电容器Cdcg均为寄生电容，具体地，存储电容器Cm为曝光控制晶体管SSG的寄生电容，双转换增益电容器Cdcg为复位晶体管RST与双转换增益控制晶体管DCG的连接点对地的寄生电容。除此之外，本实施例的其它方面与实施例1相同，在此不再赘述。当然，应该意识到，还可以设置为存储电容器Cm为寄生电容，双转换增益电容器Cdcg为单独的电容器，或者存储电容器Cm为单独的电容器，双转换增益电容器Cdcg为寄生电容；这些变化均在本发明的保护范围之内。
实施例3
请参阅图6，如图6所示，本实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构包括大面积光电二极管lpd、小面积光电二极管spd、复位晶体管RST与双转换控制单元；其中，大面积光电二极管lpd、小面积光电二极管spd用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；大面积光电二极管lpd的第一端子连接地端，其第二端子通过第一传输晶体管LTX耦接至浮动扩散节点FD，其中大面积光电二极管lpd的第一端子为阳极端，其第二端子为阴极端。
小面积光电二极管spd的第一端子连接地端，其第二端子一路通过滚动曝光传输单元耦接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点，第二端子另一路通过全局曝光传输单元耦接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点。在本实施例中，滚动曝光传输单元为滚动曝光传输晶体管SRTX，小面积光电二极管spd的第二端子通过滚动曝光传输晶体管SRTX耦接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点。全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管SGTX、曝光控制晶体管SSG以及存储电容器Cm，小面积光电二极管spd的第二端子与曝光控制晶体管SSG的第一端连接，曝光控制晶体管SSG的第二端与全局曝光传输晶体管SGTX的第一端连接，全局曝光传输晶体管SGTX的第二端连接至复位晶体管RST与双转换控制单元之间的节点，存储电容器Cm的一端与曝光控制晶体管SSG的第二端连接，其另一端与曝光控制晶体管SSG的栅极连接，当然，作为其它可选择的连接方式，存储电容器Cm的另一端还可以连接地端或者连接至固定电压值。其中，小面积光电二极管spd的第一端子为阳极端，其第二端子为阴极端。
复位晶体管RST的第一端耦接至第一电压源Vrab，其第二端通过双转换增益控制单元耦接至浮动扩散节点FD；其中，第一电压源Vrab为独立的电压源。具体地，第一电压源Vrab为可变电压源。
在本实施例中，双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管DCG以及双转换增益电容器Cdcg，双转换增益晶体管DCG耦接在复位晶体管RST与浮动扩散节点FD之间。小面积光电二极管spd的第二端子通过滚动曝光传输晶体管SRTX耦接至复位晶体管RST与双转换增益晶体管DCG之间的节点。双转换增益电容器Cdcg的第一端子耦接在双转换增益晶体管DCG与复位晶体管RST之间的节点，其第二端子连接地端。当然，作为其它可选择的连接方式，双转换增益电容器Cdcg的第二端子还可以连接至固定电压值。
该图像传感器像素结构还包括输出单元，用于对浮动扩散节点FD的电压信号进行放大输出。在本实施例中，输出单元包括源极跟随晶体管SF及行选择晶体管ROWSEL，源极跟随晶体管SF的栅极耦接至浮动扩散节点FD，其漏极耦接至第二电压源，具体地耦接至固定电压源PIXVDD，其源极通过行选择晶体管ROWSEL耦接至列输出线pix_out。当然，本实施例仅示意性地给出输出单元的一种实现方式，本领域技术人员应该意识到，输出单元也可以只包括源极跟随晶体管SF而不包括行选择晶体管ROWSEL，并且也可以采用其它不同增益的放大器件来代替源极跟随晶体管SF，例如可采用两级或多级放大器来替代本实施例中的源极跟随晶体管SF，这些变形方式也在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，存储电容器Cm以及双转换增益电容器Cdcg均为单独的电容器件，例如可以为MIM电容器、MOM电容器、MOS电容器等。并且，在本实施例中，复位晶体管RST、双转换增益晶体管DCG、第一传输晶体管LTX、滚动曝光传输晶体管SRTX、全局曝光传输晶体管SGTX、曝光控制晶体管SSG、行选择晶体管ROWSEL均为NMOS，这是考虑到NMOS的载流子迁移速率快，从而使得开关的响应速度快，但是本领域技术人员应该意识到，本发明并不以此为限，其它类型的晶体管或开关也在本发明的保护范围之内。
其中，复位晶体管RST的栅极接收复位控制信号rst，双转换增益晶体管DCG的栅极接收控制信号dcg，第一传输晶体管LTX的栅极接收控制信号ltx，滚动曝光传输晶体管SRTX的栅极接收控制信号srtx，全局曝光传输晶体管SGTX的栅极接收控制信号sgtx，曝光控制晶体管SSG的栅极接收控制信号ssg，行选择晶体管ROWSEL的栅极接收行选择控制信号rowsel。
本实施例提供的像素结构的工作原理与实施例1类似，在此不再赘述。
实施例4
请参阅图7，如图7所示，与实施例3相比，本发明实施例提供的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其存储电容器Cm以及双转换增益电容器Cdcg均为寄生电容，具体地，存储电容器Cm为曝光控制晶体管SSG的寄生电容，双转换增益电容器Cdcg为复位晶体管RST与双转换增益控制晶体管DCG的连接点对地的寄生电容。除此之外，本实施例的其它方面与实施例3相同，在此不再赘述。当然，应该意识到，还可以设置为存储电容器Cm为寄生电容，双转换增益电容器Cdcg为单独的电容器，或者存储电容器Cm为单独的电容器，双转换增益电容器Cdcg为寄生电容；这些变化均在本发明的保护范围之内。
实施例5
请参阅图8，如图8所示，本实施例提供一种成像系统100，包括像素阵列110，所述像素阵列110按行和列排列，所述像素阵列110中的每个像素的结构可为实施例1至实施例4中的任一种像素结构，像素结构的具体情况请参考上述实施例1至实施例4，在此不再赘述。
除此之外，作为示意性的实施例，该成像系统还包括逻辑控制单元120、驱动单元、列A/D转换单元150以及图像处理单元160；其中：
所述逻辑控制单元120用于控制整个系统的工作时序逻辑；
所述驱动单元的一端与所述逻辑控制单元120连接，另一端与像素阵列110耦接，用于驱动和控制像素阵列110中的各控制信号线；具体地，驱动单元包括行驱动单元130以及列驱动单元140，行驱动单元130的一端与所述逻辑控制单元120连接，另一端与像素阵列110耦接，用于向像素阵列110提供对应的行控制信号；列驱动单元140的一端与所述逻辑控制单元120连接，另一端与像素阵列110耦接，用于向像素阵列110提供对应的列控制信号；
所述列A/D转换单元150对应像素阵列110中的每列像素，用于在所述逻辑控制单元120的控制下实现列信号的模拟/数字转换；
所述图像处理单元160用于在所述逻辑控制单元120的控制下对所述列A/D转换单元150输出的图像数字信号进行图像处理。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (22)

1.一种支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，包括：
大面积光电二极管以及小面积光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；
复位晶体管，其第一端耦接至第一电压源，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；
双转换增益控制单元，耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间，用于实现增益控制和电荷存储；
第一传输晶体管，所述大面积光电二极管通过所述第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点；所述第一传输晶体管用于将所述大面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点；
滚动曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式下将所述小面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点或者转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元，以及用于在全局曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
全局曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述全局曝光传输单元耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式的曝光过程中将所述小面积光电二极管累积的电荷进行存储，并在曝光结束后将存储的电荷转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元；以及用于在滚动曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
输出单元，耦接至所述浮动扩散节点，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
2.如权利要求1所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器，所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间；所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点，其第二端子连接地端或连接至固定电压值。
3.如权利要求2所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。
4.如权利要求1所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述滚动曝光传输单元包括滚动曝光传输晶体管，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输晶体管耦接至所述浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点。
5.如权利要求1或2或4所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管、曝光控制晶体管以及存储电容器，所述小面积光电二极管通过所述曝光控制晶体管及所述全局曝光传输晶体管耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点，所述存储电容器的第一端子耦接在所述曝光控制晶体管与所述全局曝光传输晶体管之间的节点，其第二端子耦接至所述曝光控制晶体管的栅极或连接地端或连接至固定电压值。
6.如权利要求5所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述存储电容器为单独的电容器件或者为所述曝光控制晶体管的寄生电容。
7.如权利要求1所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一电压源为可变电压源。
8.如权利要求1所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述输出单元包括放大器，所述放大器耦接在浮动扩散节点与列输出线之间，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
9.如权利要求8所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述放大器为源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点，其漏极耦接至第二电压源，其源极耦接至列输出线。
10.如权利要求8或9所述的支持多种曝光模式的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述输出单元还包括行选择晶体管，所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。
11.一种成像系统，其特征在于，包括像素阵列，所述像素阵列按行和列排列，所述像素阵列中的每个像素包括：
大面积光电二极管以及小面积光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；
复位晶体管，其第一端耦接至第一电压源，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；
双转换增益控制单元，耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间，用于实现增益控制和电荷存储；
第一传输晶体管，所述大面积光电二极管通过所述第一传输晶体管耦接至浮动扩散节点；所述第一传输晶体管用于将所述大面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点；
滚动曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式下将所述小面积光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点或者转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元，以及用于在全局曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
全局曝光传输单元，所述小面积光电二极管通过所述全局曝光传输单元耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式的曝光过程中将所述小面积光电二极管累积的电荷进行存储，并在曝光结束后将存储的电荷转移至所述浮动扩散节点与所述双转换增益控制单元；以及用于在滚动曝光模式下控制所述小面积光电二极管的曝光时间；
输出单元，耦接至所述浮动扩散节点，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
12.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，还包括逻辑控制单元、驱动单元、列A/D转换单元以及图像处理单元；其中：
所述逻辑控制单元用于控制整个系统的工作时序逻辑；
所述驱动单元的一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于驱动和控制像素阵列中的各控制信号线；
所述列A/D转换单元对应像素阵列中的每列像素，用于在所述逻辑控制单元的控制下实现列信号的模拟/数字转换；
所述图像处理单元用于在所述逻辑控制单元的控制下对所述列A/D转换单元输出的图像数字信号进行图像处理。
13.如权利要求12所述的成像系统，其特征在于，所述驱动单元包括：
行驱动单元，其一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于向像素阵列提供对应的行控制信号；
列驱动单元，其一端与所述逻辑控制单元连接，另一端与像素阵列耦接，用于向像素阵列提供对应的列控制信号。
14.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器，所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与浮动扩散节点之间；所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点，其第二端子连接地端或连接至固定电压值。
15.如权利要求14所述的成像系统，其特征在于，所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。
16.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，所述滚动曝光传输单元包括滚动曝光传输晶体管，所述小面积光电二极管通过所述滚动曝光传输晶体管耦接至所述浮动扩散节点或者耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点。
17.如权利要求11或14或16所述的成像系统，其特征在于，所述全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管、曝光控制晶体管以及存储电容器，所述小面积光电二极管通过所述曝光控制晶体管及所述全局曝光传输晶体管耦接至所述双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点，所述存储电容器的第一端子耦接在所述曝光控制晶体管与所述全局曝光传输晶体管之间的节点，其第二端子耦接至所述曝光控制晶体管的栅极或连接地端或连接至固定电压值。
18.如权利要求17所述的成像系统，其特征在于，所述存储电容器为单独的电容器件或者为所述曝光控制晶体管的寄生电容。
19.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，所述第一电压源为可变电压源。
20.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，所述输出单元包括放大器，所述放大器耦接在浮动扩散节点与列输出线之间，用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。
21.如权利要求20所述的成像系统，其特征在于，所述放大器为源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点，其漏极耦接至第二电压源，其源极耦接至列输出线。
22.如权利要求20或21所述的成像系统，其特征在于，所述输出单元还包括行选择晶体管，所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。
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