4.5. Die Pixelzelle

Ein Kamerasensor ist ein zweidimensionales Gitter aus lichtempfindlichen Zellen, eine pro Pixel. Jede Zelle ist ein kleiner elektrischer Schaltkreis, der um eine Photodiode herum aufgebaut ist, die Licht in eine Spannung umwandelt, die am Ende jedes Einzelbilds in einen einzelnen numerischen Pixelwert digitalisiert wird.

4.5.1. Der Schaltkreis

Das aktive Element in jeder Zelle ist eine Photodiode – ein kleiner lichtempfindlicher p-n-Übergang in Silizium. Unter Sperrspannung speichert die Photodiode ein kleines Ladungsreservoir, das einfallende Photonen Stück für Stück freisetzen können.

Ein Schaltplan einer CMOS-Pixelzelle. Ein Reset-Schalter mit der Bezeichnung RST verbindet die Versorgungsschiene (VDD) am oberen Rand der Abbildung mit einem Knoten mit der Bezeichnung A. Eine Photodiode verbindet Knoten A nach unten mit Masse, wobei Pfeile das einfallende Licht darstellen, die auf die Photodiode zeigen. Ein Transferschalter mit der Bezeichnung TX verbindet Knoten A horizontal mit einem zweiten Knoten mit der Bezeichnung B. Ein Speicherkondensator mit der Bezeichnung C verbindet Knoten B nach unten mit Masse. Eine Leitung von Knoten B führt nach rechts ab und ist mit "zum Auslesen" beschriftet.

Der Pixelschaltkreis: eine Photodiode mit einem Reset-Schalter, der sie vorlädt, einem Transferschalter, der die belichtete Spannung an einen kleinen Haltekondensator übergibt, und einem Ausgang zum Ausleseverstärker.

4.5.2. Der Belichtungszyklus

Jede Zelle durchläuft pro Einzelbild denselben vierstufigen Zyklus.

Vorladen. Der Zyklus beginnt mit einem kurzen Reset-Impuls, der den Reset-Schalter RST schließt, die Photodiode mit der Versorgungsschiene verbindet und ihre gespeicherte Spannung auf eine bekannte Referenz anhebt. Der Schalter öffnet sich dann und lässt die Photodiode isoliert bei der Reset-Spannung mit vollem Ladungsreservoir zurück.

Belichtung. Während des Belichtungsfensters wird die Photodiode dem Lichtsammeln überlassen. Jedes absorbierte Photon kostet die Photodiode einen kleinen Teil ihrer gespeicherten Ladung. Licht lässt die gespeicherte Ladung verschwinden – je heller die Szene, desto schneller entlädt sich die Photodiode und desto niedriger ist ihre Spannung am Ende des Fensters. Der gesamte Abfall ist das Signal des Pixels.

Abtasten. Das Belichtungsfenster endet mit einem kurzen Impuls auf dem Transferschalter TX. Während TX geschlossen ist, wird die verbleibende Ladung der Photodiode auf den kleinen Haltekondensator C abgeladen, der mit Knoten B verdrahtet ist. Die Spannung an C zeichnet nun die Messung des Pixels auf. TX öffnet sich dann wieder, sperrt den Wert an C und gibt die Photodiode frei, um für das nächste Einzelbild zurückgesetzt zu werden, während C auf seinen Zug am Ausleseverstärker wartet.

Auslesen. Der Ausleseverstärker führt die Spannung an C einem ADC zu, der sie in einen ganzzahligen Wert umwandelt – typischerweise 10 bis 12 Bit Rohpräzision pro Pixel (bei höherwertigen Sensoren manchmal 14). Dieser Wert ist der Rohpixelwert. Alles andere, was die Pipeline mit dem Bild tut – Korrekturen, Debayering, Farbkorrektur, Formatkonvertierung – beginnt mit dieser Zahl, eine pro Zelle.

4.5.3. Sättigung

Die Photodiode hat eine maximale Ladungsmenge, die sie abgeben kann, bevor ihr Reservoir vollständig entleert ist. Über diesen Punkt hinaus ist das Pixel gesättigt – zusätzliches Licht hat keine Auswirkung auf die aufgezeichnete Spannung, und die Zelle liest ihren Maximalwert, egal wie viel heller die Szene wird.

Die maximale Menge, die die Photodiode verlieren kann, bevor sie sättigt, ist ihre Full-Well-Kapazität. Größere physische Pixel speichern mehr Ladung und haben daher eine höhere Full-Well-Kapazität, weshalb Sensoren mit kleineren, zahlreicheren Pixeln im Allgemeinen einen geringeren Dynamikumfang haben als ihre Gegenstücke mit niedrigerer Auflösung.