4.5. La celda de píxel

El sensor de una cámara es una rejilla bidimensional de celdas sensibles a la luz, una por píxel. Cada celda es un pequeño circuito eléctrico construido en torno a un fotodiodo que convierte la luz en un voltaje, el cual al final de cada fotograma se digitaliza en un único valor numérico de píxel.

4.5.1. El circuito

El elemento activo de cada celda es un fotodiodo: una pequeña unión p-n sensible a la luz en silicio. Bajo polarización inversa, el fotodiodo almacena un pequeño reservorio de carga que los fotones entrantes pueden liberar, un poco a la vez.

Un esquema de una celda de píxel CMOS. Un interruptor de reinicio etiquetado RST conecta el carril de alimentación (VDD) en la parte superior de la figura a un nodo etiquetado A. Un fotodiodo conecta el nodo A hacia abajo a tierra, con flechas que representan la luz entrante apuntando al fotodiodo. Un interruptor de transferencia etiquetado TX conecta el nodo A horizontalmente a un segundo nodo etiquetado B. Un condensador de almacenamiento etiquetado C conecta el nodo B hacia abajo a tierra. Un cable desde el nodo B sale hacia la derecha, etiquetado como "a la lectura".

El circuito del píxel: un fotodiodo con un interruptor de reinicio que lo precarga, un interruptor de transferencia que entrega el voltaje expuesto a un pequeño condensador de retención y una salida hacia el amplificador de lectura.

4.5.2. El ciclo de exposición

Cada celda sigue el mismo ciclo de cuatro pasos en cada fotograma.

Precarga. El ciclo comienza con un breve pulso de reinicio que cierra el interruptor de reinicio RST, conectando el fotodiodo al carril de alimentación y elevando su voltaje almacenado hasta una referencia conocida. El interruptor se abre entonces, dejando el fotodiodo aislado en el voltaje de reinicio con su reservorio de carga lleno.

Exposición. Durante la ventana de exposición se deja que el fotodiodo recoja luz. Cada fotón absorbido le cuesta al fotodiodo una pequeña cantidad de su carga almacenada. La luz hace que la carga almacenada desaparezca: cuanto más brillante es la escena, más rápido se descarga el fotodiodo y más bajo es su voltaje al final de la ventana. La caída total es la señal del píxel.

Muestreo. La ventana de exposición termina con un breve pulso en el interruptor de transferencia TX. Mientras TX está cerrado, la carga restante del fotodiodo se vuelca sobre el pequeño condensador de retención C conectado al nodo B. El voltaje en C registra ahora la medición del píxel. TX se abre de nuevo, fijando el valor en C y liberando el fotodiodo para que se reinicie de cara al siguiente fotograma mientras C espera su turno en el amplificador de lectura.

Lectura. El amplificador de lectura entrega el voltaje en C a un ADC, que lo convierte en un conteo entero: típicamente de 10 a 12 bits de precisión bruta por píxel (a veces 14 en sensores de gama más alta). Ese conteo es el valor bruto del píxel. Todo lo demás que el pipeline hace con la imagen (correcciones, debayering, gradación de color, conversión de formato) parte de este número, uno por celda.

4.5.3. Saturación

El fotodiodo tiene una cantidad máxima de carga que puede ceder antes de que su reservorio quede totalmente agotado. Pasado ese punto, el píxel queda saturado: la luz adicional no tiene efecto sobre el voltaje registrado, y la celda lee su valor máximo por más brillante que se vuelva la escena.

La cantidad máxima que el fotodiodo puede perder antes de saturarse es su capacidad de pozo lleno. Los píxeles físicos más grandes retienen más carga almacenada y por tanto tienen una mayor capacidad de pozo lleno, razón por la cual los sensores con píxeles más pequeños y numerosos generalmente tienen un menor rango dinámico que sus equivalentes de menor resolución.