CN108419032A - 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

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；其光电二极管通过滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点；同时，该光电二极管还通过全局曝光传输单元耦接至浮动扩散节点或者耦接至双转换增益控制单元与复位晶体管之间的节点。由于使用了两种曝光模式传输单元来转移电荷，因而本发明的像素结构可以支持多种曝光模式，并且由于使用了双转换增益控制单元，使得本发明的像素结构可以支持DCG，从而具有高动态范围特性。

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。

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支持多种曝光模式的问题。

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：

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；

滚动曝光传输单元，所述光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至所述浮动扩散节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式或混合曝光模式下将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点；

全局曝光传输单元，所述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；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式或混合曝光模式的曝光过程中将所述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；

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。

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，所述混合曝光模式为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

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：

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；

滚动曝光传输单元，所述光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至所述浮动扩散节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式或混合曝光模式下将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点；

全局曝光传输单元，所述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；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式或混合曝光模式的曝光过程中将所述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；

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。

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，所述混合曝光模式为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

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；

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。

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2为本发明图1中的像素结构工作在滚动曝光下的时序图；

图3为本发明图1中的像素结构工作在全局曝光下的时序图；

图4为本发明图1中的像素结构工作在混合曝光下的曝光方式示意图；

图5为本发明图1中的像素结构工作在混合曝光下的时序图；

图6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7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8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9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：光电二极管、复位晶体管、双转换增益控制单元、滚动曝光传输单元、全局曝光传输单元以及输出单元，其中，

光电二极管用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光；

复位晶体管地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；

光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至所述浮动扩散节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式或混合曝光模式下将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点；

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；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式或混合曝光模式的曝光过程中将所述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；

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。

本发明通过设置两种曝光模式传输单元，以在不同的曝光模式下转移电荷，从而使得本发明提供的图像传感器像素结构可支持多种曝光模式。同时，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。

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光电二极管pd，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光，该光电二极管具有第一端子和第二端子，第一端子连接到接地端，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RTX，光电二极管pd的第二端子通过滚动曝光传输晶体管RTX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GTX、曝光控制晶体管SSG以及存储电容器Cm，光电二极管pd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GTX的第一端连接，全局曝光传输晶体管GTX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，光电二极管pd的第一端子连接接地端，具体地，光电二极管pd的第一端子为阳极端，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VDD，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。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RTX、全局曝光传输晶体管GTX、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RTX的栅极接收控制信号rtx，全局曝光传输晶体管GTX的栅极接收控制信号gtx，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row_sel。

其中，混合曝光模式例如为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

以下对本发明提供的像素结构在各种曝光模式下的工作原理进行详细介绍。

1.支持DCG的滚动曝光模式

在该模式下，像素阵列逐行曝光及读取。全局曝光传输单元在曝光至读取的过程中均不工作，曝光结束后仅由滚动曝光传输单元转移电荷。具体的时序控制请参考图2，结合图1和图2所示，像素结构的工作过程为：

1)电路及pd复位

a.将rst、dcg、rtx、gtx置为高电位，对应晶体管RST、DCG、RTX及GTX导通，将双转换增益电容器Cdcg、浮动扩散节点FD、光电二极管pd及存储电容器Cm初始化至Vrab电压；

b.将rst、dcg、rtx、gtx置为低电位，对应晶体管RST、DCG、RTX及GTX关断，将ssg置为高电平，曝光控制晶体管SSG导通，平衡存储电容器Cm和光电二极管pd的初始化电位。

2)曝光

c.将ssg置为低电平，曝光控制晶体管SSG关断，光电二极管pd开始曝光积累电荷。

3)读取

d.将row_sel置为高电平，选通读取行输出，将rst、dcg置为高电平，将浮动扩散节点FD初始化至Vrab电压；

e.将rst置为低电平，关断复位晶体管RST,读取低增益配置LCG时的初始电位Vlcg0；

f.将rst置为高电平，再次初始化浮动扩散节点FD至Vrab电平；

g.将rst、dcg置为低电平，读取高增益配置HCG时的初始电位Vhcg0；

h.将rtx置为高电平，滚动曝光传输晶体管RTX导通，光电二极管pd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD；

i.将rtx置为低电平，读取HCG时的光信号电压Vhcg1；

j.将dcg、rtx置为高电平，光电二极管pd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD和双转换增益电容器Cdcg中；

k.将dcg、rtx置为低电平，读取LCG时的信号电压Vlcg1。

通常对Vhcg0和Vhcg1,Vlcg0和Vlcg1分别进行双相关运算，获取HCG时的光信号Vhcg＝Vhcg1-Vhcg0,LCG时的光信号Vlcg＝Vlcg1-Vlcg0；对不同转换增益下的信号Vhcg和Vlcg进行运算处理可以获得高动态范围的图像，其中运算处理为现有的处理方式，本发明不做详细介绍。

2.支持DCG的全局曝光模式

该模式下，像素阵列同时曝光，在曝光结束时，同时将pd产生的电荷储存在存储电容器Cm，读取过程为逐行读取，具体工作过程如图3所示：

1)电路及pd复位

a.将rst、dcg、rtx、gtx置为高电位，对应晶体管RST、DCG、RTX及GTX导通，将双转换增益电容器Cdcg、浮动扩散节点FD、光电二极管pd及存储电容器Cm初始化至Vrab电压；

2)曝光

b.将ssg置为高电平，光电二极管pd积累的电荷开始在存储电容器Cm中积累，曝光结束时，ssg变为低电平，光电二极管pd产生的光电子被保存在存储电容器Cm中；

3)读取

c.将row_sel置为高电平，选通读取行输出，将rst、dcg置为高电平，将浮动扩散节点FD初始化至Vab电压；

d.将rst置为低电平，关断复位晶体管RST,读取低增益配置LCG时的初始电位Vlcg0；

e.将rst置为高电平，再次初始化浮动扩散节点FD至Vrab电平；

f.将rst、dcg置为低电平，读取高增益配置HCG时的初始电位Vhcg0；

g.将gtx置为高电平，全局曝光传输晶体管GTX导通，光电二极管pd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD；

h.将gtx置为低电平，读取高增益配置HCG时的光信号电压Vhcg1；

i.将dcg、gtx置为高电平，光电二极管pd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD和双转换增益电容器Cdcg中；

j.将dcg、gtx置为低电平，读取低增益配置LCG时的信号电压Vlcg1。

通常对Vhcg0和Vhcg1,Vlcg0和Vlcg1分别进行双相关运算，获取HCG时的光信号Vhcg＝Vhcg1-Vhcg0,LCG时的光信号Vlcg＝Vlcg1-Vl cg0,对不同转换增益下的信号Vhcg和Vlcg进行运算处理可以获得高动态范围的图像，其中运算处理为现有的处理方式，本发明不做详细介绍。

3.支持DCG的混合曝光模式

本实施例提供的像素结构在混合曝光可应用于LED闪烁衰减和TOF等应用，下面以LED闪烁衰减应用为例进行说明。

LED光源应用越来越广泛，由于LED光源大多是由脉冲光源控制,LED灯亮度会以人眼难以觉察的频率闪动，当用传统图像传感器拍摄带LED光源的场景时，可能会由于光源亮度大，图像过爆，无法识别光源信息(如交通灯，汽车尾灯)，本实施例中的像素结构在基于DCG的HDR技术基础上，将长曝光分为长、短两种交替曝光，如图4所示所示，对读取的两种曝光信号进行处理，进一步提高动态范围，可衰减LED频闪(flicker)的影响。其中，读取时序如图5所示，主要过程为：

1)电路和pd复位

a.将rst、dcg、rtx、gtx置为高电位，对应晶体管RST、DCG、RTX及GTX导通，将双转换增益电容器Cdcg、浮动扩散节点FD、光电二极管pd及存储电容器Cm初始化至Vrab电压；

b.将rst、dcg、rtx、gtx置为低电位，对应晶体管RST、DCG、RTX及GTX关断，将ssg置为高电平，曝光控制晶体管SSG导通，平衡存储电容器Cm和光电二极管pd的初始化电位。

2)曝光

c.rtx与ssg的控制时序如图中所示，晶体管RTX与SSG导通的时间分别为t1和t2；

3)读取

d.行选择晶体管ROWSEL导通，读取高增益配置HCG时浮动扩散节点FD长曝光期间电荷积累产生的电压信号VLhcg1；

e.rst为低电平，dcg为高电平,长曝光时积累的电荷部分转移至双转换增益电容器Cdcg中；

f.读取低LCG时的电压信号VLlcg1；

g.rst为高电平，hcg保持高电平，将浮动扩散节点FD复位为Vrab；

h.rst为低电平，读取低增益配置LCG时的复位信号Vlcg0；

i.rst、hcg为高电平，将浮动扩散节点FD再次复位为Vrab；

j.rst、hcg为低电平，读取高增益配置HCG时的复位信号Vhcg0；

k.gtx为高电平，将保存在存储电容器Cm的电荷转移至浮动扩散节点FD；

l.关闭全局曝光传输晶体管GTX，读取高增益配置HCG时短曝光信号电压VShcg1；

m.hcg、gtx为高电平，将积累的部分电荷转移至双转换增益电容器Cdcg；

n.读取低增益配置LCG时的短曝光信号VSlcg1；

通过对初始信号Vhcg0和Vlcg0,长曝光信号VLhcg1和VLlcg1，短曝光信号VShcg1和VSlcg1进行运算处理，将获得保留LED信号信息的高动态范围图像；其中运算处理为现有的处理方式，本发明不做详细介绍。

由以上分析可知，本发明提供的像素结构既支持DCG,又支持多种曝光模式。

实施例2

请参阅图6，如图6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7，如图7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光电二极管pd、复位晶体管RST以及双转换增益控制单元；其中，光电二极管pd用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光，该光电二极管pd具有第一端子和第二端子，第一端子连接地端，第二端子通过滚动曝光传输单元耦接至浮动扩散节点FD,具体地，滚动曝光传输单元为滚动曝光传输晶体管RTX。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。

同时光电二极管pd的第二端子还通过全局曝光传输单元耦接至双转换增益控制单元与复位晶体管RST之间的节点。具体地，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。

全局曝光传输单元包括全局曝光传输晶体管GTX、曝光控制晶体管SSG以及存储电容器Cm，光电二极管pd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GTX的第一端连接，全局曝光传输晶体管GTX的第二端耦接至双转换增益晶体管DCG与复位晶体管RST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，光电二极管pd的第一端子为阳极端，第二端子为阴极端。

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VDD，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。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RTX、全局曝光传输晶体管GTX、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RTX的栅极接收控制信号rtx，全局曝光传输晶体管GTX的栅极接收控制信号gtx，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row_sel。

其中，混合曝光模式例如为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

本实施例提供的像素结构在各种曝光模式下的工作原理与实施例1类似，在此不再赘述，区别在于当工作在全局曝光时，该像素结构不支持DCG。

实施例4

请参阅图8，如图8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9，如图9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 (24)

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：

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；

滚动曝光传输单元，所述光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至所述浮动扩散节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式或混合曝光模式下将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点；

全局曝光传输单元，所述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；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式或混合曝光模式的曝光过程中将所述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；

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。

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，所述混合曝光模式为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

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，所述第一电压源为可变电压源。

9.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。

10.如权利要求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。

11.如权利要求9或10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。

12.一种成像系统，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：

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；

滚动曝光传输单元，所述光电二极管通过所述滚动曝光传输单元耦接至所述浮动扩散节点；所述滚动曝光传输单元用于在滚动曝光模式或混合曝光模式下将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点；

全局曝光传输单元，所述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；所述全局曝光传输单元用于在全局曝光模式或混合曝光模式的曝光过程中将所述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；

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。

13.如权利要求12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。

14.如权利要求13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。

15.如权利要求12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。

16.如权利要求15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。

17.如权利要求12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。

18.如权利要求12或15或17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。

19.如权利要求18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。

20.如权利要求12所述的成像系统，其特征在于，所述混合曝光模式为滚动曝光与全局曝光交替曝光模式。

21.如权利要求12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。

22.如权利要求12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。

23.如权利要求22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。

24.如权利要求22或23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。