CN215682442U - 高动态范围图像传感器像素电路 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围图像传感器像素电路，属于传感器领域，通过光电转换元件接收光信号以产生电荷；电荷存储转移电路根据电荷输出信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将积分电荷信号输出；所述电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同；释放电路至少在电荷存储转移电路对电荷进行存储以生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；电荷读出电路根据积分电荷信号输出电信号，以得到图像信号；增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围并增加了感光动态范围调节的灵活性。

Description

高动态范围图像传感器像素电路

技术领域

本申请属于传感器领域，尤其涉及一种高动态范围图像传感器像素电路。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。

图像传感器像素电路工作原理通常为采用光电二极管将接收到的光信号转换为光电电荷信号，光电二极管在曝光过程中所能收集到最多光电电荷量称为电荷饱和容量，电荷饱和容量越高，像素采集到物体信息的动态范围就会越高。相关技术的图像传感器像素电路中，光电二极管的光电响应通常是线性关系，称为线性图像传感器；光电二极管随着曝光量的增加，很快达到饱和状态，很难收集到强光环境的图像信息，采集到的图像信息动态范围一般低于80dB。在自然界中，人的眼睛对弱光敏感，即感知弱光时灵敏度高；而对强光不敏感，即感知强光时灵敏度低。人眼睛对光线的感知特征为对数曲线关系，这种关系有效提高了眼睛感知光线的能力，其动态范围可达100dB以上。由此可见，与人眼睛相比，上述线性图像传感器采集图像的能力显然欠佳。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种高动态范围图像传感器像素电路，旨在解决传统的高动态范围图像传感器像素电路存在的感光动态范围较低的缺陷。

本申请实施例提供了一种高动态范围图像传感器像素电路，包括：

光电转换元件，配置为接收光信号以产生电荷；

电荷存储转移电路，与所述光电转换元件连接，配置为对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将所述积分电荷信号输出；

其中，所述电荷存储转移电路根据电荷输出信号对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号，所述电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各所述周期对应的时长均不同；

释放电路，与所述光电转换元件和所述电荷存储转移电路的输入端连接，配置为至少在所述电荷存储转移电路对所述电荷进行存储以生成所述积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷；

电荷读出电路，与所述电荷存储转移电路的输出端相连接，配置为根据所述积分电荷信号输出电信号，以得到图像信号。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于释放电路至少在所述电荷存储转移电路对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；将强光照射的光电转换元件中的电荷，通过释放电路释放一部分电荷，且电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同，强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变，增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围，增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围调节的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术实用新型，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种示例电路原理图；

图3为对应图2的高动态范围图像传感器像素电路的关键信号时序图；

图4为本申请一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的工作在强光照射时的势阱示意图

图5为本申请一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的工作在弱光照射时的势阱示意图

图6为相关技术和本申请一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的光电响应曲线示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种相关技术的图像传感器像素电路中，为了提高采集图像信息的动态范围，通常在光电二极管中采用杂质离子高剂量注入的方法，进而增加光电二极管的电荷饱和容量，但其缺点是光电二极管完全耗尽电势升高，容易产生图像拖影，并且暗电流也会增加。提升采集图像信息动态范围的另一相关技术为在像素中设置高转换增益和低转换增益两种模式技术，分别来应对弱光和强光环境的图像采集，虽然这两种模式可以根据光照环境来回切换，但像素工作过程中同一时间只能使用两种模式中的其中一种，因此弱光和强光光照图像细节信息不能够同时兼得。

图1示出了本申请较佳实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

上述高动态范围图像传感器像素电路包括光电转换元件11、电荷存储转移电路12、释放电路13以及电荷读出电路14。

光电转换元件11，配置为接收光信号以产生电荷。

电荷存储转移电路12，与光电转换元件11连接，配置为对电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将积分电荷信号输出；其中，电荷存储转移电路12根据电荷输出信号对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号，电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同。

释放电路13，与光电转换元件11和电荷存储转移电路12的输入端连接，配置为至少在电荷存储转移电路12对电荷进行存储以生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷。

电荷读出电路14，与电荷存储转移电路12的输出端相连接，配置为根据积分电荷信号输出电信号，以得到图像信号。

在一示例中，自第1个周期至第n个周期，各周期对应的积分时长逐渐减小或各周期对应的积分时长逐渐增加；本实施例中，选择为各周期对应的积分时长逐渐减小。其中，每个周期包括电荷输出信号关断阶段和电荷输出信号开启阶段；积分时长为周期的电荷输出信号关断阶段的时长，在本实施例中，每个周期依次包括电荷输出信号关断阶段和电荷输出信号开启阶段。

通过各周期对应的积分时长逐渐增加，使得强光照射的像素感光能力进一步受到压制，感光灵敏度进一步降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度得到增强，使高动态范围图像传感器像素电路更加符合人眼睛对光线的感知特征为对数曲线关系，有效提高了感知光线的能力，进一步增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围。

通过各周期对应的积分时长逐渐减小，使得弱光光照射的像素感光能力进一步受到压制，感光灵敏度进一步降低，而强光照射的像素感光能力和灵敏度得到增强，使高动态范围图像传感器像素电路适用于强光感知的场景。

具体实施中，相邻所述周期的积分时长的比例介于1/2-9/10之间，例如，后一个周期的积分时长设定为前一个积分时长的4/5。在另外的示例中，还可以是各所述周期的积分时长呈等差数列分布。

在一示例中，所述电荷输出信号为包括n个脉冲周期的脉冲调制信号，所述电荷输出信号总时长为T，T为正数。

作为示例而非限定，所述脉冲调制信号的脉冲时长为a，a为正数且为常数。

通过将电荷输出信号设置为包括n个脉冲周期的脉冲调制信号，可以调节像素感光能力，进一步增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围。

其中，光电转换元件11的输出端可以为光电转换元件11的负极，例如，光电转换元件11选择为光电二极管。从而光电转换元件11接收光信号而产生的电荷为负电荷，提高了电荷的迁移率。

具体实施中，电荷读出电路14还配置为根据清除信号清除光电转换元件11中的电荷。

通过电荷读出电路14根据清除信号清除光电转换元件11中的电荷，使得每次获取图像信号时清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。

当电荷读出电路14清除光电转换元件11中的电荷时释放电路13还配置为根据抗电荷串扰控制信号清除光电转换元件11中的电荷；其中，所述抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据所述弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷时对应的控制电压。

通过释放电路13清除光电转换元件11中的电荷，进一步地清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。所述抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据所述弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷时对应的控制电压，故防止了释放电路13电势变化导致地干扰。

本实用新型实施例还提供一种高动态范围图像传感器像素电路的工作方法，包括步骤101a、101b和步骤102。

步骤101a：在曝光过程中，输入电荷输出信号，电荷存储转换电路根据电荷输出信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号；

步骤101b：在输入电荷输出信号的过程中，输入弱关闭信号，以使释放电路13至少在电荷存储转移电路对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；

其中，电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同。

作为示例而非限定，步骤101a和步骤101b之前还包括步骤100a。

步骤100a：在开始曝光前输入清除信号，电荷读出电路14根据清除信号清除光电转换元件11中的电荷；曝光开始。

在执行步骤100a过程中，高动态范围图像传感器像素电路的工作方法还包括步骤100b。

步骤100b：输入抗电荷串扰控制信号，释放电路13根据抗电荷串扰控制信号清除光电转换元件11中的电荷；

其中，所述抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据所述弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷时对应的控制电压。

步骤102：输入控制选择信号，以使电荷存储转移电路12根据控制选择信号将积分电荷信号输出，以得到图像信号。

在一示例中，自第1个周期至第n个周期，各周期对应的积分时长逐渐减小或各周期对应的积分时长逐渐增加；

其中，每个周期依次包括电荷输出信号关断阶段和电荷输出信号开启阶段；积分时长为周期的电荷输出信号关断阶段的时长。

在具体实施中，相邻周期的积分时长的比例介于1/2-9/10之间；或者，各周期的积分时长呈等差数列分布。

在一示例中，电荷输出信号为包括n个脉冲周期的脉冲调制信号，电荷输出信号总时长为T，T为正数。

进一步示例中，脉冲调制信号的脉冲时长为a；a为正数且为常数。

具体实施中，步骤102可以包括步骤A1至步骤A2。

步骤A1：输入控制选择信号，电荷存储转移电路12根据控制选择信号将积分电荷信号输出；

步骤A2：电荷读出电路14根据积分电荷信号输出电信号。

具体实施中，步骤A1之前可以包括步骤A0。

步骤A0：输入复位控制信号，电荷读出电路14根据复位控制信号输出复位信号。

具体实施中，在执行步骤102过程中，高动态范围图像传感器像素电路的工作方法还包括步骤102b：

步骤102b：停止曝光，输入电荷释放信号，释放电路13根据电荷释放信号输出清除光电转换元件11中的电荷；其中，在将积分电荷信号输出的过程中保持输入电荷释放信号。

通过曝光前和停止曝光后清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。

具体实施中，复位控制信号、抗电荷串扰控制信号、电荷输出信号、控制选择信号以及电荷释放信号可以由控制逻辑输出。

图2示出了本实用新型实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

电荷读出电路14包括复位晶体管104、源跟随晶体管105以及像素选择晶体管106。

复位晶体管104的源极以及源跟随晶体管105的栅极共同连接至电荷读出电路14输入端，电荷读出电路14输入端作为积分电荷信号输入端；

复位晶体管104的栅极连接至复位信号控制线，以作为电荷读出电路14的复位控制信号输入端；复位晶体管104的漏极连接至第一电源VDD，源跟随晶体管105的漏极连接至第二电源，所述第一电源VDD及所述第二电源为相同或不同的电源；源跟随晶体管105的源极与像素选择晶体管106的漏极连接，像素选择晶体管106的源极连接至电荷读出电路14输出端，电荷读出电路14输出端作为电信号的输出端。

电荷存储转移电路12包括电荷传输晶体管102、电荷存储器件108以及电荷选择晶体管103。

电荷传输晶体管102的源极连接至电荷存储转移电路12的电荷输入端，电荷输入端连接至光电转换元件的输出端，电荷传输晶体管102的漏极与电荷存储器件108的第一端和电荷选择晶体管103的源极连接，电荷选择晶体管103的漏极连接至电荷存储转移电路12的积分电荷信号输出端；电荷传输晶体管102的栅极连接至电荷输入信号控制线，以作为电荷输出信号输入端，电荷选择晶体管103的栅极连接至控制选择信号控制线，以作为控制选择信号输入端。电荷存储器件108的第二端接入第一电压，其中，第一电压可以是表示为电荷存储器件108的第二端接地或者连接一指定电压。

释放电路13包括电荷释放晶体管107。在一示例中，通过控制线给所述电荷释放晶体管107在曝光阶段输入弱关闭信号，曝光之前输入抗串扰控制信号，在读出阶段输出电荷释放信号。其中，抗串扰控制信号对应的控制电压和弱关闭信号对应的控制电压相等且小于电荷释放信号对应的控制电压。

光电转换元件11包含但不限于掩埋型光电二极管(Pinned Photodiode)、多晶硅栅型光电二极管(Photogate Photodiode)、电流辅助型光电器件(Current AssistancePhotodiode)；电荷存储器件包含但不限于MOS晶体管型电容、多晶硅栅-绝缘体-多晶硅栅型电容、金属-绝缘体-金属型电容。

以下结合工作原理对图2所示的作进一步说明：

高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号的一帧操作流程，包含三个阶段：像素复位阶段、光电电荷信号收集阶段和光电信号输出阶段。

像素复位阶段为高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号一帧操作中的第一阶段，具体操作是开启复位晶体管104、电荷传输晶体管102和电荷选择晶体管103，并将电荷释放晶体管107置为弱关闭状态(输入抗串扰控制信号)，目的是清除光电二极管101和电荷存储器件108中的电荷；光电二极管101和电荷存储器件108中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管104、电荷传输晶体管102和电荷选择晶体管103，进入第二阶段光电电荷信号收集阶段。

在第二阶段光电电荷信号收集阶段，光电二极管101接收到光信号并将光信号转换为光电电荷信号，并收集在光电二极管101中。光电二极管101收集电荷的过程，称为曝光周期，在此曝光周期内，电荷传输晶体管102有多次开启和关闭动作，从电荷传输晶体管102关闭到下一次电荷传输晶体管102开启并关闭的时段称为微曝光时长(周期t)，在曝光周期内微曝光时长逐渐缩短，共计N个微曝光时长，N为大于2的自然数，N个微曝光时长总和为一个曝光周期(总时长T)；电荷传输晶体管102每次的开启和关闭动作，都会将光电二极管101中的光电电荷传输到电荷存储器件108中，此方式称为电荷传输晶体管102对电荷的调制。光电二极管101曝光完毕后，进入第三阶段光电信号输出阶段。

第三阶段光电信号输出阶段，具体操作是开启像素选择晶体管106，并且复位晶体管104给予开启操作，清除漂浮扩散有源区FD的寄生电容中的电荷，随后高动态范围图像传感器像素电路输出复位信号；然后，电荷选择晶体管103给与开启操作，将电荷存储器件108中的电荷传输到漂浮扩散有源区FD内，随后高动态范围图像传感器像素电路输出光电信号。光电信号输出完毕后，采集光电信号的一帧操作完毕。采集到的图像信号等于复位信号与光电信号的差。

在第二阶段光电电荷信号收集阶段中，曝光周期内分成多个微曝光步骤，光电二极管101的电荷饱和容量相对相关技术中的光电二极管的电荷饱和容量低，所以光电二极管101的完全耗尽电势较低，不易产生图像拖影问题，同时暗电流也会降低。电荷传输晶体管102对电荷的调制功能，是将强光照射的光电二极管101中的电荷，通过电荷释放晶体管107释放一部分电荷到电源正极，而弱光照射的光电二极管101中的电荷被全部收集。由此可见，强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变，因此光电二极管101的光电响应为非线性模式，此类传感器称为非线性图像传感器。因此，可有效拓展强光光照强度范围的信号采集，相对相关技术，提高了像素感光动态范围，并同时降低了图像拖影和暗电流的风险。

高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号的具体时序工作方法示意图，如图3所示，其中，图3为图2所示的高动态范围图像传感器像素电路所对应的时序图。可以理解的是，该时序图为一个示例，本领域技术人员可以依据本领域的公知常识进行对应的调整以得到其它示例时序图。

图3中，高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号的一帧操作流程，包含三个阶段：像素复位阶段201、光电电荷信号收集阶段202和光电信号输出阶段203。所示晶体管栅极端高电位表示晶体管处于开启状态，所示晶体管栅极端低电位表示晶体管处于关闭状态；所示read时序，为在光电信号处理系统模块中，读取像素电路中的信号操作时序，高电平表示读取像素电路输出的信号。

像素复位阶段201描述如下：

像素复位阶段201为高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号一帧操作中的第一阶段，具体操作是将电荷释放晶体管107的栅极Anti置为次低电位，使电荷释放晶体管107处于弱关闭状态；电荷存储器件108的栅极SG和像素选择晶体管106的栅极RS分别保持为低电位；将复位晶体管104的栅极RST、电荷传输晶体管102的栅极端TX和电荷选择晶体管103的栅极TXb置高电位，开启复位晶体管104、电荷传输晶体管102以及电荷选择晶体管103，清除光电二极管101和电荷存储器件108中的电荷；清除完毕后，将复位晶体管104的栅极RST、电荷传输晶体管102的栅极TX和电荷选择晶体管103的栅极端TXb置为低电位，关闭电荷传输晶体管102、电荷选择晶体管103以及复位晶体管104。随后，将电荷存储器件108的栅极端SG置为高电位，像素复位阶段201结束，进入下一阶段光电电荷信号收集阶段。

光电电荷信号收集阶段202描述如下：

第二阶段为光电电荷信号收集阶段202，光电二极管101接收到光信号将光信号转换为电荷，并收集在光电二极管101中；电荷释放晶体管107的栅极Anti保持为次低电位状态(输入弱关闭信号)，目的是将电荷释放晶体管107保持为弱关闭状态；复位晶体管104的栅极RST、电荷选择晶体管103的栅极TXb和像素选择晶体管106的栅极RS都保持为低电位状态。

光电二极管101收集电荷的过程，称为曝光周期T。电荷传输晶体管102的栅极TX输入电荷输出信号，电荷输出信号为脉冲时长为a且周期为t的脉冲调制信号，电荷输出信号总时长为T；a、t以及T均为正数；即：在此曝光周期T内，电荷传输晶体管102有多次开启和关闭动作，从电荷传输晶体管102关闭到下一次电荷传输晶体管102开启并关闭的时段称为微曝光时长t(脉冲调制信号的周期t)，共计N个微曝光时长(如图3中所示的t1，t2，……，tN)，N为大于2的自然数，N个微曝光时长总和为一个曝光周期T(电荷输出信号的总时长T)，即：t1+t2+……+tN＝T。自第1个周期至第n个周期，各周期对应的积分时长逐渐减小；其中，每个周期依次包括电荷输出信号关断阶段和电荷输出信号开启阶段；积分时长为周期的电荷输出信号关断阶段的时长。

电荷传输晶体管102在曝光周期T内每次的高电位的脉冲时长范围可以为0.05us至0.5us，电荷传输晶体管102每次的高电位的脉冲动作，都会将光电二极管101中的电荷传输到电荷存储器件108中，此方式称为电荷传输晶体管102对电荷的调制。光电二极管101曝光完毕后，进入第三阶段光电信号输出阶段。

光电信号输出阶段203描述如下：

第三阶段光电信号输出阶段203，将电荷释放晶体管107的栅极Anti置为高电位，开启电荷释放晶体管107；将像素选择晶体管106的栅极RS置为高电位，开启像素选择晶体管106；将复位晶体管104的栅极RST置为高电位，清除漂浮扩散有源区FD的寄生电容中的电荷，其中，漂浮扩散有源区FD与电荷选择晶体管103的漏极、复位晶体管104的源极以及源跟随晶体管105的栅极连接。

清除完毕后将复位晶体管104的栅极RST置为低电位，随后read时序中脉冲SHR表示像素输出复位信号R；下一步，将电荷选择晶体管103的栅极端TXb置为高电位，紧跟其后将电荷存储器件108的栅极SG置为高电位，将电荷存储器件108中的电荷传输至漂浮扩散有源区FD中，光电电荷传输完毕后将电荷选择晶体管103的栅极TXb置为低电位，随后read时序中脉冲SHS表示高动态范围图像传感器像素电路输出光电信号S。光电信号S输出完毕后，将电荷释放晶体管107的栅极Anti和像素选择晶体管106的栅极RS分别置为低电位，像素采集光电信号的一帧操作完毕。

高动态范围图像传感器像素电路采集到的图像信号Sig等于复位信号R减去光电信号S。

图3中，电荷传输晶体管102对电荷的调制模式，强光照射的高动态范围图像传感器像素电路的势阱示意图如图4所示，其为N个微曝光时长中的其中一个微曝光时长即将结束时的势阱示意图，势阱示意图中画出了图1标定的109虚线框中的器件部分。

图4中，分别标出了电源Vdd、光电二极管101的电势和SD区的电势，及电荷释放晶体管107和电荷传输晶体管102关闭时的电势状态。

其中，Vtx_off为电荷传输晶体管102关闭时的沟道电势，Vanti_off为电荷释放晶体管107弱关闭状态时的沟道电势，Vsd为SD区(电荷存储器件)的复位电势，Vdd为第一电源的正极的电势；Vanti_off高于Vtx_off，差值大于0.1V，例如，可以是0.2V、0.5V。强光照射的光电二极管101中收集到过多电荷，超过Vanti_off预设电势的电荷被释放到第一电源的正极Vdd，光照强度越强，光电二极管101被释放的电荷越多。

弱光照射的高动态范围图像传感器像素电路的光电二极管101的势阱示意图如图5所示，其为N个微曝光时长中的其中一个微曝光时长即将结束时的势阱示意图，在曝光周期T内，光电二极管101收集到少量电荷，少量光电光荷不足以使光电二极管101的势阱电势低于预设电势Vanti_off，因此不会有电荷被释放到第一电源的正极Vdd，光电电荷被全部收集。

由此可见，本实用新型的高动态范围图像传感器像素电路，为非线性光电响应类型，本实用新型中不同的微曝光时间段，曝光时间不同，收集的光电荷不同，被释放到第一电源的正极Vdd的电荷不同，形成非线性的响应曲线。

本实用新型和相关技术的光电响应曲线示意图，如图6所示。图6中，Qmax为像素漂浮扩散有源区FD所能检测的最高电荷量，Pmax1为相关技术线性光电响应图像传感器所能探测的最高曝光量，Pmax2为本实用新型非线性光电响应图像传感器所能探测的最高曝光量。

在501区间，高动态范围图像传感器像素电路工作在弱光环境，像素曝光量低，所有光电电荷全部被收集；

在502区间，高动态范围图像传感器像素电路工作普通光强度环境中，像素曝光过程中，有少量电荷被释放出；

在503区间，高动态范围图像传感器像素电路工作在高强度光照环境中，像素曝光量高，较大一部分光电电荷被释放出。

图6所示，本实用新型的高动态范围图像传感器像素电路的光电响应曲线为非线性模式，压低了强光照射像素的光电响应灵敏度，提升了像素对强光光照信息感知的能力，从而有效提高了高动态范围图像传感器像素电路采集的图像动态范围。

本实用新型的高动态范围图像传感器像素电路的工作方法中，由于曝光周期内分成多个微曝光时长步骤，每个微曝光时长阶段产生的电荷量少，光电二极管101的电荷饱和容量相对相关技术中的光电二极管101的电荷饱和容量低，所以光电二极管101的完全耗尽电势较低，不易产生图像拖影问题，即，光电二极管中的电荷容易导出，同时暗电流也会降低。

电荷传输晶体管102对电荷的调制功能，是将强光照射的光电二极管101中的电荷，通过电荷释放晶体管107释放一部分电荷到第一电源正极Vdd，而弱光照射的光电二极管101中的电荷被全部收集。由此可见，强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变。

本实用新型实施例通过光电转换元件接收光信号以产生电荷；电荷存储转移电路根据电荷输出信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将积分电荷信号输出；所述电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同；释放电路至少在电荷存储转移电路对电荷进行存储以生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；电荷读出电路根据积分电荷信号输出电信号，以得到图像信号；由于将强光照射的光电转换元件中的电荷，通过释放电路释放一部分电荷，而弱光照射的光电转换元件中的电荷被全部收集，故强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变，增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围。且且自第1个周期至第n个周期，各周期对应的时长均不同，提高了感光动态范围调节的灵活性。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，包括：

光电转换元件，配置为接收光信号以产生电荷；

电荷存储转移电路，与所述光电转换元件连接，配置为对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将所述积分电荷信号输出；

其中，所述电荷存储转移电路根据电荷输出信号对所述电荷进行存储以生成所述积分电荷信号，所述电荷输出信号为包括n个周期的调制信号，且自第1个周期至第n个周期，各所述周期对应的时长均不同；

释放电路，与所述光电转换元件以及所述电荷存储转移电路的输入端连接，配置为至少在所述电荷存储转移电路对所述电荷进行存储以生成所述积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷；

电荷读出电路，与所述电荷存储转移电路的输出端相连接，配置为根据所述积分电荷信号输出电信号，以得到图像信号。

2.如权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，自第1个周期至第n个周期，各所述周期对应的积分时长逐渐减小或各所述周期对应的积分时长逐渐增加；

其中，每个所述周期依次包括电荷输出信号关断阶段和电荷输出信号开启阶段；所述积分时长为所述周期的电荷输出信号关断阶段的时长。

3.如权利要求2所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，相邻所述周期的积分时长的比例介于1/2-9/10之间；或者，各所述周期的积分时长呈等差数列分布。

4.如权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述电荷输出信号为包括n个脉冲周期的脉冲调制信号，所述电荷输出信号总时长为T，T为正数，所述脉冲调制信号的脉冲时长为a；a为正数且为常数。

5.如权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述电荷输出信号的所述周期的个数n介于4-10之间。

6.如权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述电荷读出电路还配置为根据清除信号至少清除所述光电转换元件中的电荷。

7.如权利要求6所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，当所述电荷读出电路至少清除所述光电转换元件中的电荷时，所述释放电路还配置为根据抗电荷串扰控制信号转移所述光电转换元件中的电荷；

其中，所述抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据所述弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷时对应的控制电压。

8.如权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述电荷读出电路包括复位晶体管、源跟随晶体管以及像素选择晶体管；

所述复位晶体管的源极以及所述源跟随晶体管的栅极共同连接至所述电荷读出电路输入端，所述电荷读出电路输入端作为所述积分电荷信号输入端；

所述复位晶体管的栅极连接至复位信号控制线，以作为所述电荷读出电路的复位控制信号输入端；

所述复位晶体管的漏极连接至第一电源，所述源跟随晶体管的漏极连接至第二电源，所述第一电源及所述第二电源为相同或不同的电源；

所述源跟随晶体管的源极与所述像素选择晶体管的漏极连接，所述像素选择晶体管的源极连接至所述电荷读出电路输出端，所述电荷读出电路输出端作为所述电信号的输出端。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述电荷存储转移电路包括电荷传输晶体管、电荷存储器件以及电荷选择晶体管；

所述电荷传输晶体管的源极连接至所述电荷存储转移电路的电荷输入端，所述电荷输入端连接至所述光电转换元件的输出端，所述电荷传输晶体管的漏极与所述电荷存储器件的第一端和所述电荷选择晶体管的源极连接，所述电荷选择晶体管的漏极连接至所述电荷存储转移电路的积分电荷信号输出端；

所述电荷传输晶体管的栅极连接至所述电荷输入信号控制线，以作为电荷输出信号输入端，所述电荷选择晶体管的栅极连接至所述控制选择信号控制线，以作为控制选择信号输入端；

所述电荷存储器件的第二端接入第一电压。

10.如权利要求9所述的高动态范围图像传感器像素电路，其特征在于，所述释放电路包括抗电荷串扰晶体管，所述抗电荷串扰晶体管的源极连接所述光电转换元件的输出端，所述抗电荷串扰晶体管的漏极连接控制电源，所述抗电荷串扰晶体管的栅极连接抗电荷串扰晶体管控制线；

其中，基于所述抗电荷串扰晶体管控制线控制所述抗电荷串扰晶体管的沟道电势大于所述电荷传输晶体管关闭时的沟道电势，以释放所述部分电荷。

Images