CN108419030B - 具有led闪烁衰减的hdr图像传感器像素结构及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点。由于采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。

Description

具有LED闪烁衰减的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，尤其涉及一种具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构及成像系统。
背景技术
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。图像传感器是智能系统中重要的信息获取组件，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。
因而，有必要针对LED光源闪动提供对应的图像传感器像素结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有LED闪烁衰减的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：
一种具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点；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；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浮动扩散节点，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浮动扩散节点；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；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，该成像系统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浮动扩散节点，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，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。
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。
3)本发明提供的图像传感器像素结构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。
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具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图2为本发明图1中的像素结构可降低LED频闪影响的曝光原理示意图；
图3为本发明图1中的像素结构的一种时序图；
图4为本发明另一实施例提供的具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图5为本发明又一实施例提供的具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图6为本发明再一实施例提供的具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；
图7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具有LED闪烁衰减的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。
本发明提供了一种具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点；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；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，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具有LED闪烁衰减的HDR图像传感器像素结构包括大面积光电二极管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，其第二端子分别通过两个支路耦接至浮动扩散节点FD，其中一个支路为滚动曝光传输单元，另一个支路为全局曝光传输单元；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的第二端连接至浮动扩散节点FD，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。
该像素结构还包括复位晶体管RST与双转换控制单元，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、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，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。
以下对本发明提供的像素结构可衰减LED频闪的原理进行详细介绍。
请参考图2，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Ipd持续曝光(图2中Ipd的曝光区间全部填充阴影表示在整个曝光阶段Ipd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2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3，如图3所示，本发明实施例提供的具有LED闪烁衰减的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、Itx、sgtx、srtx置为高电平，ssg置为低电平，将大面积光电二极管Ipd、小面积光电二极管spd、存储电容Cm及浮动扩散节点FD初始化至Vrab电位；
2.将Itx、sgtx、srtx变为低电平，ssg为高电平，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spd与lpd同时曝光，spd的曝光控制如图中srtx和ssg控制信号所示；
C.读取
lpd读取：
4.将rowsel置为高电平，ROWSEL选通；将Vrab、dcg、srtx置为高电平，ltx、sgtx置为低电平，对浮动扩散节点FD进行初始化；
5.将rst置为低电平，读取低增益配置(LCG)时的初始电压Vlcga0；
6.将rst变为高电平，再次对浮动扩散节点FD初始化；
7.将rst、dcg置为低电平，读取高增益配置(HCG)时的初始电位Vhcga0；
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.读取高增益配置(HCG)时的光信号Vhcga1；
10.将dcg、ltx置为高电平，将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.读取低增益配置(LCG)时的光信号，Vlcga1；
spd读取：
12.将rst置为高电平，对浮动扩散节点FD进行初始化；
13.将rst置为低电平，读取低增益配置(LCG)时的初始电位Vlcgb0；
14.将rst置为高电平，对浮动扩散节点FD再次进行初始化；
15.将dcg、rst拉低，读取高增益配置(HCG)时的初始电位Vhcgb0；
16.将sgtx置为高电平，将存储电容器Cm保存的电荷转移至浮动扩散节点FD；
17.将sgtx置为低电平，读取高增益配置(HCG)时的光信号Vhcgb1；
18.将dcg置为高电平，将sgtx再次置为高电平；
19.读取低增益配置(LCG)时的信号Vlcgb1；
通过对读取的电压信号Vlcga0、Vlcga1、Vhcga0、Vhcga1、Vlcgb0、Vlcgb1、Vhcgb0、Vhcgb1进行运算处理可以获得具有全部信号细节的图像信息。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。
此外，由于本发明提供的图像传感器像素结构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spd曝光结束后累积的电荷，使得本发明的像素结构可以支持多种曝光模式，例如滚动曝光模式、全局曝光模式等。在滚动曝光模式下，像素阵列逐行曝光及读取，小面积光电二极管spd的曝光时间由曝光控制晶体管SSG控制，曝光结束后，小面积光电二极管spd累积的电荷通过滚动曝光传输晶体管SRTX转移。在全局曝光模式下，像素阵列同时曝光，小面积光电二极管spd的曝光时间由滚动曝光传输晶体管SRTX控制，曝光结束后，小面积光电二极管spd产生的电荷储存在存储电容器Cm中，存储电容器Cm存储的电荷通过全局曝光传输晶体管SGTX，读取过程为逐行读取。
实施例2
请参阅图4，如图4所示，与实施例1相比，本发明实施例提供的具有LED闪烁衰减的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5，如图5所示，本实施例提供的具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点FD。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的第二端连接至浮动扩散节点FD，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、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，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6，如图6所示，与实施例3相比，本发明实施例提供的具有LED闪烁衰减的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7，如图7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)

1.一种具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点；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；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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点，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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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所述的具有LED闪烁衰减的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浮动扩散节点；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；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浮动扩散节点，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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