本实用新型涉及成像领域，特别地涉及一种像素单元及成像装置。
背景技术：
对于图像质量的要求一直以来不断地提高。特别是不借助结构复杂的硬件而获取高质量的图像更是成为目前成像领域研发工作的努力方向。例如，在如卡片式相机的便携式成像装置上获取高分辨率高质量的照片。
成像装置一般具有像素阵列。像素阵列中的每一个像素包括感光器件，例如光电二极管、光开关等。每个感光器件接收光的能力不同。这种能力的不同反映到成像装置上使成像装置具有不同的光动态范围，即成像装置可接收光的范围。当成像装置的光动态范围小于外界光强度的变化时，外界的景象就无法完全反映到所获取的图像中。本领域中一直希望能够有一种简便的方式能够解决这一问题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，根据本实用新型的一个方面，提出一种像素单元，包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号。
如上所述的像素单元，进一步包括一行选择晶体管，耦合于所述源极跟随晶体管输出端，根据行选择控制信号对像素单元进行行输出控制。
如上所述的像素单元，其特征在于，所述增益控制晶体管通过控制所述电容是否电耦合到所述浮动扩散区域来改变所述浮动扩散区域的电容。
如上所述的像素单元，其特征在于，耦合至所述电容第一极的指定电压为固定电压或可变电压。
如上所述的像素单元，其特征在于，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述增益控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。
根据本实用新型的另一个方面，提出一种成像装置，包括：像素单元阵列，其包括排列成行和列的多个像素单元，其中，每个所述像素单元包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号；以及，外围电路，其控制所述像素阵列，并对所述像素阵列输出的图像信号进行量化和处理。
如上所述的成像装置，增益控制晶体管通过控制所述电容是否电耦合到所述浮动扩散区域来改变所述浮动扩散区域的电容。
如上所述的成像装置，进一步包括行选择晶体管，耦合于所述源极跟随晶体管输出端，根据行选择控制信号对像素单元进行行输出控制。
如上所述的成像装置，其中耦合至所述电容第一极的指定电压为固定电压或可变电压。
如上所述的成像装置，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述增益控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。
本实用新型提出的内容，所述增益控制晶体管对电容和浮动扩散区域进行有效隔离，通过增大电容值以获取更大的高转换增益/低转换比例；通过设置感光面积不同的光电二极管，从而获得更大动态范围的图像。同时，本实用新型技术方案使得浮动扩散区域的寄生电容相对较小，高转换增益相对较大，能有效提高电路的噪声性能。
附图说明
下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是一种成像装置的结构的示意图；
图2是依据本实用新型的一个实施例的像素单元的示意图；
图3是根据本实用新型的一个实施例的像素单元读取过程的时序示意图；
图4根据本实用新型的实施例的成像方法的流程图；以及
图5是根据本实用新型的一个实施例的系统的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
术语“像素”一词指含有感光器件或用于将电磁信号转换成电信号的其他器件的电子器件。为了说明的目的，图1描述了一种代表性成像装置，其包含一个像素阵列。
图1表示了一种成像装置的结构的示意图。图1所示的成像装置100，例如CMOS成像装置，包括像素阵列110。像素阵列110包含排列成行和列的多个像素。像素阵列110中每一列像素由列选择线选择性地接通，且每一行像素分别由行选择线选择性地输出。逻辑控制单元140对各功能单元进行逻辑控制，行驱动单元120和列驱动单元130分别对读取的像素的行和列进行控制。所读取的像素输出到列A/D转换单元150。经列A/D转换单元150输出的像素信息传输到图像处理单元160进行信号处理，输出图像信息。
图2是依据本实用新型的一个实施例的像素单元的示意图。像素200包括复位晶体管201、增益控制晶体管202、电容Ca、第一转移晶体管203、第一光电二极管PD1、第二转移晶体管204、第二光电二极管PD2、源极跟随晶体管205和行选择晶体管206。
第一光电二极管PD1连接到第一转移晶体管203的源极。第一转移晶体管203的栅极可以耦合信号TX1控制，以使得第一转移晶体管203可以响应于信号TX1。当TX1控制第一转移晶体管至“on”状态时，第一光电二极管PD1中积累的电荷被转移到浮动扩散区域FD中。第二光电二极管PD2连接到第二转移晶体管204的源极。第二转移晶体管205的栅极可以耦合信号TX2控制，以使得第二转移晶体管204可以响应于信号TX2。当TX2控制第二转移晶体管至“on”状态时，第二光电二极管PD2中积累的电荷被转移到浮动扩散区域FD中。源极跟随晶体管205的栅极连接到浮动扩散区域FD，从而使得源极跟随晶体管205的输出电压与浮动扩散区域FD的电压(即，节点处的电压)基本上相同，源极跟随晶体管204的源极直接或间接地耦合到输出Pixout。源极跟随晶体管205的输出端连接到行选择晶体管206的源极。行选择晶体管206经行选择控制信号Row_sel控制耦合到量化电路。增益控制晶体管202耦合在复位晶体管201的源极与转移晶体管203之间，并且电容C的一极耦合至复位晶体管201和增益控制晶体管202之间，另外一极耦合至电平VC。可以理解的，电平VC可以为某一固定电平(如，地或者其它电压)或者为可控制变化的电平。复位晶体管201由信号RST控制，用来重设浮动扩散区域FD。
根据本实用新型的一个实施例，第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2的感光面积不同。即，对于同一像素，通过将其分成面积不同的两个感光区域而形成两个不同的光电二极管。
进一步地，基于上述结构，可以通过控制增益控制晶体管202的通断来调节浮动扩散区域FD的电容CFD和转换增益CG。
在信号DCG为高电平时，增益控制晶体管202处于打开的状态，从而使得电容Ca并联到浮动扩散区域FD。对于浮动扩散区域FD而言，其总电容CFD为电容Ca与浮动扩散区域FD原有的电容CFD相互叠加：
CFD＝Ca+CFD。
如此，通过增加电容Ca，浮动扩散区域FD的整体电荷存储能力得到了提高，从而使得像素200具有了更高的满阱容量而使得成像装置具有了更宽的光动态范围。
根据本实用新型的一个实施例，第一光电二极管PD1的面积大于第二光电二极管PD2的面积。也就是说，第一光电二极管PD1的感光能力高于第二光电二极管PD2，其转移的电荷也更多。相应地，在信号DCG为高电平时，选择将第一光电二极管PD1或第二光电二极管中的电荷转移到浮动扩散区域FD。
在信号DCG为低电平时，增益控制晶体管202处于关闭状态，使得电容Ca与浮动扩散区域FD相隔离。浮动扩散区域FD处总电容CFD降低为浮动扩散区域FD原有的电容CFD。相应地，在信号DCG为低电平时，选择将第一光电二极管PD1或第二光电二极管中的电荷转移到浮动扩散区域FD。
转换增益CG(Conversion Gain)计算公式如下：
CG＝q/CFD＝q/(CFD+Ca)(uV/e) (1)
其中q为浮动扩散区域中的电荷量，uV/e表示CG的单位。
由以上公式可知，电容Ca的加入使得像素200的转换增益CG降低，相应地，电容Ca与浮动扩散区域FD的断开则使得转换增益增大，如此，可以通过控制增益控制晶体管202a的通断来实现像素200在高、低转换增益模式之间切换。
另外，由公式(1)可以得到HCG/LCG的比例如下：
HCG/LCG＝(CFD+Ca)/CFD (2)
通过上述实施例可以发现，本实用新型的增益控制晶体管202a可以效地改善成像装置中像素的信噪比(SNR)和光动态范围。电容Ca电容与浮动扩散区域FD通过增益控制晶体管202a隔离，可以增大Ca以获取大的HCG/LCG比例，从而具有大的动态范围。
根据本实用新型的一个实施例，可以有多种方式形成电容Ca。电容Ca可为器件电容或复位晶体管201和增益控制晶体管202a的连接点对地产生的寄生电容。根据本实用新型的另一个实施例，为器件电容Ca，而且将电容连接到电压可控的VC，即如图2的方式。
进一步地，如图2所示的方式，在FD点没有增加额外的器件，因此FD点的寄生电容会比较小，即HCG(DCG管关闭)时的转换增益(CG)会比较高，不仅噪声性能会好，而且HCG与LCG(DCG管导通时)的比例在相同Cdcg条件下会比较高，动态范围会更大。另外，图2的电路中电容Ca的另一极的连接电位的选择更灵活。更为重要的是，电容Ca的值可能不会受限于控制信号DCG的驱动能力。因为直接与较强驱动能力的RST复位管(连接电源线)相连，且有DCG管与FD点隔离，可以Ca的值可以更大，即LCG可以更小，动态范围相对也会更大。
进一步地，作为本实用新型的一个可选的实施例，同时作为本实用新型的一个重要的特征，增加的增益控制晶体管202a以及电容Ca可以与其它的晶体管具有相同的工艺生产步骤。所以工艺成本没有增加，工艺难度也没有增加。
图3是根据本实用新型的一个实施例的光电二极管信号的读取过程的控制时序示意图。
首先，列选通信号ROW_SEL置于高电平，使能像素200的读取过程。
区间a：
在此区间中，信号RST和信号DCG置于高电平，此时复位晶体管201和增益控制晶体管202均将导通，如此，浮动扩散区域FD处的电位将被复位至高电平PIXVDD。
区间b：
在此区间中，读取处于低转换增益模式中的FD处的电位VL01。由于信号RST置于低电平，而信号DCG则保持高电平，即复位晶体管201关闭，增益控制晶体管202被打开，因此，浮动扩散区域FD上总电容CFD包括浮动扩散区域FD原有的电容CFD以及电容Ca，使得转换增益模式变小。
区间c：
在此区间中，信号RST再次置于高电平，如此，复位晶体管201和增益控制晶体管202均将导通，节点FD处的电位将被复位至高电平PIXVDD。
区间d：
在此区间中，将读取处于高转换增益模式中FD的电位VH01。由于信号RST和信号DCG均置于低电平，电容Ca无法电连接到浮动扩散区域FD，因此，浮动扩散区域FD上总电容CFD将仅包括浮动扩散区域FD原有的电容CFD，使得转换增益变大。
区间e：
在此区间中，信号TX1置于高电平，从而打开第一转移晶体管203，使得第一光电二极管PD1上的电荷传输至浮动扩散区域FD。由于此时信号RST和DCG均处于低电平，因此，此时处于高转换增益模式。
区间f：
在此区间中，信号TX1置于低电平，并读取处于高转换增益模式中的FD的电位VH10。
区间g：
在此区间中，信号DCG和TX1均置于高电平，如此，第一光电二极管PD上的电荷再次转移至浮动扩散区域FD。显然，此时浮动扩散区域FD上总电容CFD将包括浮动扩散区域FD原有的电容CFD和电容Ca。
区间h：
在此区间中，信号TX1置于低电平，读取处于低转换增益模式中的FD的电位VL10。
通过以上过程，获得了处于高、低转换增益模式中浮动扩散区域FD的复位电压(VH01、VL01)和第一光电二极管FD1转移的信号电压(VH10、VL10)。由于上述信号均于同一个信号输出周期中采样，当两次采样时间之间的间隔小于指定的时间阈值时，这两次采样的噪声电压将基本相同。由于上述采样的时间又是相关的，当将两次采样值相减时，可以基本消除复位噪声的干扰，得到在不同转换增益模式下的信号电压的实际有效幅值。
按照类似的方式，也可以获得了处于高、低转换增益模式中浮动扩散区域FD的复位电压(VH02、VL02)和第二光电二极管FD2转移的信号电压(VH20、VL20)。由于上述信号均于同一个信号输出周期中采样，当两次采样时间之间的间隔小于指定的时间阈值时，这两次采样的噪声电压将基本相同。由于上述采样的时间又是相关的，当将两次采样值相减时，可以基本消除复位噪声的干扰，得到在不同转换增益模式下的信号电压的实际有效幅值。
根据本实用新型的一个实施例，通过算法组合来自第一光电二极管PD1的暗处细节图像与来自第二光电二极管PD2的高亮处细节图像，获得更高动态范围(HDR)的图像。
假定第一光电二极管PD1的曝光时间T1，且P10＝VH10-VH01，P01＝VL10-VL01；第一有效值为P10+P01；第二光电二极管PD2的曝光时间T2，且P20＝VH20-VH02，P02＝VL20-VL02；第一有效值为P20+P02；组合来自PD1和PD2的图像可以依据以下公式，得到曝光时间为T1和T2的图像：
P1＝(P10+P01)+(P20+P02)T1/T2；以及
P2＝(P20+P02)+(P10+P01)T2/T1。
进一步地，将两个不同曝光时间的图像组合而得出高HDR的图像。根据本实用新型的一个实施例，首先根据多曝光图像的对比度、饱和度和曝光度特性三个特征组合成其相应的权重图像，再根据图像的信息熵特征对权重图像进行预处理；其次对多曝光权重图像进行归一化处理得到突显各自区域的信息，然后对多曝光图像和归一化处理的权重图像分别进行分解，最后通过融合各分解层上的图像再进行重构，从而得到信息更丰富的融合图像。
根据本实用新型的另一个实施例，基于小波变换的融合方法，包括根据图像的边缘细节特性、饱和度特性和合适曝光度特性，分别对多曝光图像和其三个特性组合的权重图进行小波分解，通过特定的小波变换融合规则，对各分解层上的小波系数进行融合再进行小波逆变换，从而得到能充分展现多曝光图像序列中大部分细节信息的融合图像。
以上的实施例中的算法可能会需要更多的计算能力并且消耗更多的电量，而并不适合电池容量有限的可移动设备。根据本实用新型的另一个实施例，可以通过舍弃过饱和的像素而减少计算量。具体包括：判断P10+P01是否大于预定阈值；如果P10+P01大于预定阈值，则P＝(P20+P02)T1/T2；如果P10+P01小于第一阈值，则P＝(P10+P01)+(P20+P02)T1/T2；其中预定阈值为最大曝光值与T2/T1的乘积。本领域技术人员应当理解，以上的预定阈值仅为举例方式，也可以采用其他方式确定预定阈值。
图4是根据本实用新型的实施例的成像方法的流程图。
步骤S400：获得第一转换增益模式中复位电压。
在该步骤中，增益控制晶体管导通使得像素电路处于第一转换增益模式，读取浮动扩散区域FD的第一复位电压。
步骤S401：获得第二转换增益模式中的复位电压。
在该步骤中，增益控制晶体管关断，使得像素电路处于第二转换增益模式，读取浮动扩散区域的第二复位电压。
步骤S402：获得第二转换增益模式中第一光电二极管的信号电压。
在该步骤中，将使得第一光电二极管的电荷传输至浮动扩散区域FD。可以理解的，此时浮动扩散区域FD处的电压由第一光电二极管实际所产生的电子，浮动扩散区域FD处的噪声以及浮动扩散区域FD对地的等效电容所决定。
步骤S403：获得第一转换增益模式中第一光电二极管的信号电压。
在该步骤中，增益控制晶体管导通，浮动扩散区域FD处的电压由第一光电二极管实际所产生的电子，浮动扩散区域FD处的噪声，以及浮动扩散区域FD对地的等效电容和电容Ca所决定。
步骤S404：通过双相关运算，确定来自第一光电二极管的信号电压的有效幅值。
通过步骤S400-S404可以获得在不同转换增益模式下的复位电压和第一光电二极管的信号电压，基于所获得的复位电压和信号电压，通过双相关运算确定可以确定在不同转换增益模式下的第一光电二极管实际所产生信号电压值，且消除了噪声电压带来的影响。
在步骤S405：获得第一转换增益模式中复位电压。
在该步骤中，增益控制晶体管导通，使得像素处于第一转换增益模式，读取浮动扩散区域FD的第一复位电压。
步骤S406：获得第二转换增益模式中的复位电压。
在该步骤中，增益控制晶体管关断，使得像素处于第二转换增益模式，读取浮动扩散区域FD的第二复位电压。
步骤S407：获得第二转换增益模式中第二光电二极管的信号电压。
在该步骤中，将使得第二光电二极管的电荷传输至浮动扩散区域FD。可以理解的，此时浮动扩散区域FD处的电压由第二光电二极管实际所产生的电子，浮动扩散区域FD处的噪声以及浮动扩散区域FD对地的等效电容所决定。
步骤S408：获得第一转换增益模式中第二光电二极管的信号电压。
在该步骤中，浮动扩散区域FD处的电压由第二光电二极管实际所产生的电子，浮动扩散区域FD处的噪声以及浮动扩散区域FD对地的等效电容和电容Ca所决定。
步骤S409：通过双相关运算，确定来自第一光电二极管的信号电压的有效幅值。
通过步骤S405-S409可以获得在不同转换增益模式下的复位电压和第二光电二极管的信号电压，基于所获得的复位电压和信号电压，可以确定在不同转换增益模式下第二光电二极管实际所产生信号电压值，且消除了噪声电压带来的影响。
步骤S410：组合来自第一和第二光电二极管的信号电压的有效幅值。
在该步骤，通过算法组合来自第一光电二极管PD1的暗处细节图像与来自第二光电二极管PD2的高亮处细节图像，获得更高动态范围(HDR)的图像。
图5是根据本实用新型的一个实施例的系统的示意图。图5说明了一个包含图像传感器510的处理器系统500。其中，图像传感器510包括本实用新型所描述的像素。所述处理器系统500示范说明具有可包含图像传感器装置的数字电路的系统。在不加限制的情况下，此系统可包含计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星体追踪仪系统、运动检测系统、图像稳定化系统和数据压缩系统。
处理器系统500(例如，相机系统)通常包括中央处理单元(CPU)540(例如微处理器)，其经由总线501而与输入/输出(I/O)装置520通信。图像传感器510也经由总线501而与CPU 540通信。基于处理器的系统500还包含随机存取存储器(RAM)530，且可包含可移除存储器550(例如快闪存储器)，其也经由总线501而与CPU 540通信。图像传感器510可与处理器(例如CPU、数字信号处理器或微处理器)组合，单个集成电路或不同于所述处理器的芯片上可有或没有存储器存储装置。图像组合和处理的计算可由图像传感器510或由CPU 540执行。
上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。