4.5. Pixelová buňka

Senzor kamery je dvourozměrná mřížka světlocitlivých buněk, jedna na pixel. Každá buňka je malý elektrický obvod postavený kolem fotodiody, která mění světlo na napětí, jež je na konci každého snímku digitalizováno na jedinou číselnou hodnotu pixelu.

4.5.1. Obvod

Aktivním prvkem v každé buňce je fotodioda – malý světlocitlivý p-n přechod v křemíku. Při závěrném napětí fotodioda ukládá malou zásobu náboje, kterou mohou příchozí fotony uvolňovat, vždy po malých kouscích.

Pixelový obvod: fotodioda s resetovacím spínačem, který ji předem nabíjí, přenosový spínač, který předává exponované napětí malému přídržnému kondenzátoru, a výstup do vyčítacího zesilovače.

4.5.2. Expoziční cyklus

Každá buňka sleduje v každém snímku tentýž čtyřkrokový cyklus.

Přednabití. Cyklus začíná krátkým resetovacím pulzem, který sepne resetovací spínač RST a propojí fotodiodu s napájecí kolejnicí, čímž zvedne její uložené napětí na známou referenci. Spínač se poté rozepne a ponechá fotodiodu izolovanou na resetovacím napětí s plnou zásobou náboje.

Expozice. Během expozičního okna je fotodioda ponechána sbírat světlo. Každý pohlcený foton stojí fotodiodu malé množství jejího uloženého náboje. Světlo způsobuje, že uložený náboj mizí – čím jasnější scéna, tím rychleji se fotodioda vybíjí a tím nižší je její napětí na konci okna. Celkový pokles je signálem pixelu.

Vzorkování. Expoziční okno končí krátkým pulzem na přenosovém spínači TX. Zatímco je TX sepnutý, zbývající náboj fotodiody se vyklopí na malý přídržný kondenzátor C připojený k uzlu B. Napětí na C nyní zaznamenává měření pixelu. TX se poté opět rozepne, čímž uzamkne hodnotu na C a uvolní fotodiodu k resetu pro další snímek, zatímco C čeká na svou řadu u vyčítacího zesilovače.

Vyčtení. Vyčítací zesilovač přivádí napětí na C do ADC, který jej převádí na celočíselnou hodnotu – typicky 10 až 12 bitů surové přesnosti na pixel (u špičkovějších senzorů někdy 14). Tato hodnota je surová hodnota pixelu. Vše ostatní, co pipeline s obrazem dělá – korekce, debayering, barevné ladění, převod formátu – vychází z tohoto čísla, jednoho na buňku.

4.5.3. Nasycení

Fotodioda má maximální množství náboje, které může vydat, než se její zásoba zcela vyčerpá. Za tímto bodem je pixel nasycený – další světlo nemá na zaznamenané napětí žádný vliv a buňka vyčítá svou maximální hodnotu bez ohledu na to, o kolik jasnější se scéna stane.

Maximální množství, které fotodioda může ztratit, než dojde k nasycení, je její kapacita plné jímky. Větší fyzické pixely pojmou více uloženého náboje, a mají tedy vyšší kapacitu plné jímky, což je důvod, proč senzory s menšími, početnějšími pixely mají obecně nižší dynamický rozsah než jejich protějšky s nižším rozlišením.