CN108419033B - 基于拐点的hdr图像传感器像素结构及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拐点的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耦接至浮动扩散节点及第一电压源之间，其光电二极管分别通过滚动曝光传输单元以及全局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可以用于在光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷量。由于能够使用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，并且由于滚动曝光传输单元可用于在光电二极管的曝光过程中提供平衡电流来控制满阱电荷，改变信号传输增益,从而使得本像素结构具有高动态范围特性。

Description

基于拐点的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，尤其涉及一种基于拐点的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基于拐点的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：

一种基于拐点的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,耦接于第一电压源和浮动扩散节点之间，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；

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光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷，改变传输增益；以及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；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；

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，所述滚动曝光传输晶体管用于在所述光电二极管的曝光过程中，随着所述光电二极管的端电压逐渐降低而工作在亚阈值状态，以向所述光电二极管提供电流来平衡光电流，使光电二极管的端电压保持不变。

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，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,耦接于第一电压源和浮动扩散节点之间，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；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光电二极管的曝光过程中提供平衡电流，以控制满阱电荷量，改变传输增益；以及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；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；

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，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，所述滚动曝光传输晶体管用于在所述光电二极管的曝光过程中，随着所述光电二极管的端电压逐渐降低而工作在亚阈值状态，以向所述光电二极管提供电流来平衡光电流，使光电二极管的端电压保持不变。

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，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。所述第二电压源可为固定电压源。

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利用滚动曝光传输单元在光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷量，不仅可以防止光强过强产生的过曝(blooming)现象，而且满阱电荷的值会随着平衡电流和光强的变化而改变，从而使得本像素结构可实现高动态范围特性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于拐点的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；

图2a为本发明图1中的像素结构在曝光期间的时序控制示意图；

图2b为在图2a所示的曝光时序控制下输出信号随光强的变化曲线；

图3为本发明图1中的像素结构工作在全局曝光模式下的时序图；

图4为本发明图1中的像素结构工作在滚动曝光模式下的时序图；

图5为本发明另一实施例提供的基于拐点的HDR图像传感器像素结构的结构示意图；

图6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基于拐点的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。

本发明提供了一种基于拐点的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,耦接于第一电压源和浮动扩散节点之间，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；

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可用于在光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷，改变传输增益；以及可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；所述全局曝光传输单元可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；

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。并且通过利用滚动曝光传输单元在光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷量，不仅可以防止光强过强产生的过曝(blooming)现象，而且满阱电荷的值会随着平衡电流和光强的变化而改变，从而使得本像素结构可实现高动态范围特性。

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基于拐点的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至接地端或者连接至一固定电压值。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耦接在第一电压源Vrab和浮动扩散节点FD之间；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。

该图像传感器像素结构还包括输出单元，输出单元耦接至浮动扩散节点FD，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个实现方式，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为单独的电容器件。并且，在本实施例中，复位晶体管RST、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接收复位控制信号rst，滚动曝光传输晶体管RTX接收控制信号rtx，全局曝光传输晶体管GTX接收控制信号gtx，曝光控制晶体管SSG接收控制信号ssg，行选择晶体管ROWSEL接收行选择控制信号rowsel。

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。

以下对本实施例提供的像素结构的基于拐点的HDR原理进行详细说明：

假设在曝光期间控制信号rtx的电压值为V1，其中V1的值大于零但略小于滚动曝光传输晶体管RTX的阈值电压，当光电二极管pd积累的电荷逐渐增多，光电二极管pd端的电压降低至某一点电压，滚动曝光传输晶体管RTX工作在亚阈值状态，产生流向光电二极管pd的亚阈电流。

当光电二极管pd的光电流等于亚阈电流时，且在光强不变的条件下，光电二极管pd上积累的电荷将保持不变，因而在光电二极管pd的曝光期间控制rtx信号，不仅可以防止光强过强产生的过曝(blooming)现象，而且满阱电荷的值会随着平衡电流和光强的变化而改变，从而使得本像素结构可实现高动态范围特性。

具体地，在曝光过程中rtx信号的时序控制例如可以如图2a所示，在图2a中，曝光期间定义为开始积分至结束积分的这段时间，在曝光(exposure)期间，将rtx信号进行分段控制，例如分成三段控制，使得rtx信号在曝光期间逐渐由相对高的电压TXVDD分成三段降低为相对低的电压NVDD，具体地，例如曝光开始前rtx信号控制为相对高的电压TXVDD，在第一曝光时间t1内，rtx信号控制为第一电压V1，在第二曝光时间t2内，rtx信号控制为第二电压V2，第三曝光时间t3内，rtx信号控制为相对低的电压NVDD；此外，在整个曝光期间控制rst信号为高电平，使得复位晶体管RST导通，将浮动扩散节点FD的电位拉为第一电压源Vrab的电压，也即将滚动曝光传输晶体管RTX的漏极电压拉为第一电压源Vrab的电压，并且在整个曝光期间内控制第一电压源Vrab为相对高的电压。假设总曝光时间为固定值，通过如图2a的这种曝光控制得到的输出信号随光强的变化曲线如图2b所示，其中图2b中的实线代表采用图2a的曝光控制后得到的曲线，虚线代表采用常规曝光方式得到的曲线，由图2b可知，通过曝光期间控制rtx信号，使得在相同的光强下像素的满阱电荷的值会有所提高。其中实线曲线像素1、像素2、像素3表示由于工艺波动，输出曲线在拐点处的位置会有所不同。当然，应该意识到，图2a的控制方式仅是示例，对rtx信号的控制不限于三段，还可以采用其它段数，并且每段的控制时间没有固定限制。

本发明提供的基于拐点的HDR图像传感器像素结构可以工作在不同的曝光模式，例如滚动曝光、全局曝光以及混合曝光模式，以下对本发明提供的像素结构在全局曝光模式以及滚动曝光模式下的工作原理进行详细介绍。

1.全局曝光模式

在该模式下，像素阵列同时曝光，逐行读取，其时序控制如图3所示，具体工作过程为：

1)电路及pd复位

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

b.将rst、rtx、gtx置为低电位，对应晶体管RST、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，分2段对rtx电压进行控制，如图3所示，光电二极管pd开始曝光积累电荷，曝光结束前，将ssg变为高电平，光电二极管pd积累的电荷转移至存储电容器Cm后，将ssg再变为低电平，将曝光控制晶体管SSG关断，曝光结束。

3)读取

d.将rowsel置高电平，选通读取行输出，将rst置低电平，关断复位晶体管RST,读取初始电位V0；

e.将gtx置高电平，将存储电容器Cm中保存的电荷转移至浮动扩散节点FD；

f.读取此时输出电压值V1；

g.将rtx置为高电平，滚动曝光传输晶体管RTX导通，将rst置为高电平，复位晶体管RST导通，光电二极管pd端复位为Vrab电位；

h.将Vrab置为低电平，将rtx变为拐点电压Vknee,使得光电二极管pd端电荷量为拐点时的值，随后rtx为低电平，滚动曝光传输晶体管RTX完全关断；

i.将rst置为高电平，复位晶体管RST导通，光电二极管pd端再次复位为Vrab电位；

j.将rst置为低电平，复位晶体管RST关断，读取此时输出值Vk0；

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

l.将rtx置为低电平，滚动曝光传输晶体管RTX关断，读取此时的输出电压值Vk1。

通过对V0和V1,Vk0和Vk1分别进行双相关运算，获取的光信号Vsig＝V1-V0,Vk＝Vk1-Vk0,其中Vk是各像素输出曲线的实际拐点电压值，对Vsig和Vk进行运算处理可以获得拐点修正的高动态范围的图像，其中该运算处理采用现有的运算处理方式即可，本发明对此不再进行详细介绍。

2.滚动曝光模式

在该模式下，像素阵列逐行曝光并读取，其时序控制如图4所示，具体工作过程为：

1)电路及pd复位

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

b.将rst、rtx、gtx置为低电位，对应晶体管RST、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，分2段对rtx电压进行控制，如图4所示，光电二极管pd开始曝光积累电荷。

3)读取

d.将rowsel置高电平，选通读取行输出，将rst置低电平，关断复位晶体管RST,读取初始电位V0；

e.将rtx置高电平，将光电二极管pd积累的电荷转移至浮动扩散节点FD；

f.读取此时输出电压值V1；

g.将rtx置为高电平，滚动曝光传输晶体管RTX导通，将rst置为高电平，复位晶体管RST导通，光电二极管pd端复位为Vrab电位；

h.将Vrab置为低电平，将rtx变为拐点电压Vknee,使得光电二极管pd端电荷量为拐点时的值，随后rtx为低电平，滚动曝光传输晶体管RTX完全关断；

i.将rst置为高电平，复位晶体管RST导通，光电二极管pd端再次复位为Vrab电位；

j.将rst置为低电平，复位晶体管RST关断，读取此时输出值Vk0；

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

l.将rtx置为低电平，滚动曝光传输晶体管RTX关断，读取此时的输出电压值Vk1。

通常对V0和V1,Vk0和Vk1分别进行双相关运算，获取的光信号Vsig＝V1-V0,Vk＝Vk1-Vk0,其中Vk是各像素输出曲线的实际拐点电压值，对Vsig和Vk进行运算处理可以获得拐点修正的高动态范围的图像，其中该运算处理采用现有的运算处理方式即可，本发明对此不再进行详细介绍。

其中，混合曝光模式参照上述全局曝光模式与滚动曝光模式的原理，在曝光过程中，交替导通滚动曝光传输晶体管RTX和曝光控制晶体管SSG，使得光电二极管pd积累的电荷的一部分通过滚动曝光传输晶体管RTX转移至浮动扩散节点，另一部分通过曝光控制晶体管SSG转移至存储电容器Cm；后续读取过程参照上述全局曝光模式与滚动曝光模式的读取即可。

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基于拐点的HDR图像传感器像素结构，其存储电容器Cm为寄生电容，具体地，存储电容器Cm为曝光控制晶体管SSG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。

实施例3

请参阅图6，如图6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2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2，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)

1.一种基于拐点的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,耦接于第一电压源和浮动扩散节点之间，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；

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光电二极管的曝光过程中提供平衡电流以控制满阱电荷，所述滚动曝光传输单元随着所述光电二极管的端电压逐渐降低，工作在亚阈值状态，产生流向所述光电二极管的亚阈电流，以保持所述光电二极管积累的电荷不变，从而改变传输增益；以及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；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；

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所述的基于拐点的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。

3.如权利要求2所述的基于拐点的HDR图像传感器像素结构，其特征在于，所述滚动曝光传输晶体管用于在所述光电二极管的曝光过程中,随着光电二极管的端电压逐渐降低而工作在亚阈值状态，以向所述光电二极管提供电流来平衡光电流，使光电二极管的端电压保持不变。

4.如权利要求1至3任一项所述的基于拐点的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，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。

5.如权利要求4所述的基于拐点的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。

6.如权利要求1所述的基于拐点的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。

7.如权利要求1所述的基于拐点的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所述的基于拐点的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所述的基于拐点的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所述的基于拐点的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：

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,耦接于第一电压源和浮动扩散节点之间，用于根据复位控制信号重置浮动扩散节点的电压；

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光电二极管的曝光过程中提供平衡电流，以控制满阱电荷量，所述滚动曝光传输单元随着所述光电二极管的端电压逐渐降低，工作在亚阈值状态，产生流向所述光电二极管的亚阈电流，以保持所述光电二极管积累的电荷不变，从而改变传输增益；以及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；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；

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。

15.如权利要求14所述的成像系统，其特征在于，所述滚动曝光传输晶体管用于在所述光电二极管的曝光过程中，随着光电二极管的端电压逐渐降低而工作在亚阈值状态，以向所述光电二极管提供电流来平衡光电流，使光电二极管的端电压保持不变。

16.如权利要求11或15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，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。

17.如权利要求16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。

18.如权利要求11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。

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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