4.5. خلية البكسل

مستشعر الكاميرا هو شبكة ثنائية الأبعاد من الخلايا الحساسة للضوء، واحدة لكل بكسل. وكل خلية دارة كهربائية صغيرة مبنية حول صمام ضوئي يحوّل الضوء إلى جهد، يُرقمن في نهاية كل إطار إلى قيمة بكسل عددية واحدة.

4.5.1. الدارة

العنصر الفعّال في كل خلية هو الصمام الضوئي -- وصلة p-n صغيرة حساسة للضوء في السيليكون. تحت الانحياز العكسي يخزّن الصمام الضوئي خزاناً صغيراً من الشحنة يمكن للفوتونات الواردة أن تطلقه، شيئاً فشيئاً في كل مرة.

A schematic of one CMOS pixel cell. A reset switch labelled RST connects the supply rail (VDD) at the top of the figure to a node labelled A. A photodiode connects node A downward to ground, with arrows representing incoming light pointing at the photodiode. A transfer switch labelled TX connects node A horizontally to a second node labelled B. A storage capacitor labelled C connects node B downward to ground. A wire from node B leads off to the right, labelled "to read-out".

دارة البكسل: صمام ضوئي مع مفتاح إعادة ضبط يشحنه مسبقاً، ومفتاح نقل يسلّم الجهد المعرّض إلى مكثف احتجاز صغير، وخرج إلى مكبر القراءة.

4.5.2. دورة التعريض

تتبع كل خلية الدورة نفسها المؤلفة من أربع خطوات في كل إطار.

الشحن المسبق. تبدأ الدورة بنبضة إعادة ضبط قصيرة تغلق مفتاح إعادة الضبط RST، فتربط الصمام الضوئي بسكة التغذية وترفع جهده المخزّن إلى مرجع معروف. ثم يفتح المفتاح، تاركاً الصمام الضوئي معزولاً عند جهد إعادة الضبط مع خزان شحنته ممتلئاً.

التعريض. خلال نافذة التعريض يُترك الصمام الضوئي ليجمع الضوء. وكل فوتون يُمتص يكلّف الصمام الضوئي قدراً صغيراً من شحنته المخزّنة. يجعل الضوء الشحنة المخزّنة تختفي -- فكلما كان المشهد أسطع، أسرع تفرّغ الصمام الضوئي وانخفض جهده بنهاية النافذة. والانخفاض الكلي هو إشارة البكسل.

أخذ العينة. تنتهي نافذة التعريض بنبضة قصيرة على مفتاح النقل TX. وأثناء إغلاق TX تُفرَغ الشحنة المتبقية في الصمام الضوئي على مكثف الاحتجاز الصغير C الموصول بالعقدة B. ويسجّل الجهد على C الآن قياس البكسل. ثم يفتح TX مجدداً، فيقفل القيمة على C ويحرّر الصمام الضوئي لإعادة ضبطه للإطار التالي بينما ينتظر C دوره عند مكبر القراءة.

القراءة. يغذّي مكبر القراءة الجهد على C إلى وحدة ADC، التي تحوّله إلى عدّ صحيح -- عادةً 10 إلى 12 بت من الدقة الخام لكل بكسل (أحياناً 14 في المستشعرات الراقية). وذلك العدّ هو قيمة البكسل الخام. وكل ما يفعله خط المعالجة الآخر بالصورة -- التصحيحات، وإلغاء البايير، وتدريج اللون، وتحويل التنسيق -- يبدأ من هذا الرقم، واحد لكل خلية.

4.5.3. التشبع

للصمام الضوئي حد أقصى لكمية الشحنة التي يمكنه التخلي عنها قبل أن يُستنزف خزانه بالكامل. وبعد تلك النقطة يصبح البكسل مشبَّعاً -- فلا تأثير للضوء الإضافي على الجهد المسجَّل، وتقرأ الخلية قيمتها القصوى مهما ازداد المشهد سطوعاً.

أقصى كمية يمكن للصمام الضوئي أن يفقدها قبل التشبع هي سعة البئر الكاملة له. تحتفظ البكسلات الفيزيائية الأكبر بشحنة مخزّنة أكثر ومن ثم لها سعة بئر كاملة أعلى، ولهذا فإن المستشعرات ذات البكسلات الأصغر والأكثر عدداً تكون عموماً ذات نطاق ديناميكي أقل من نظيراتها الأقل دقة.