4.5. Pikselisolu

Kamerasensori on kaksiulotteinen ruudukko valoherkkiä soluja, yksi pikseliä kohti. Kukin solu on pieni sähköinen piiri, joka on rakennettu fotodiodin ympärille, joka muuntaa valon jännitteeksi, joka kunkin kehyksen lopussa digitoidaan yhdeksi numeeriseksi pikseliarvoksi.

4.5.1. Piiri

Aktiivinen elementti kussakin solussa on fotodiodi – pieni valoherkkä p-n-liitos piissä. Estosuuntaisessa esijännityksessä fotodiodi varastoi pienen varausvaraston, jonka saapuvat fotonit voivat vapauttaa, hieman kerrallaan.

Yhden CMOS-pikselisolun kaavio. RST:ksi merkitty nollauskytkin yhdistää syöttöjohdon (VDD) kuvan yläosassa solmuun nimeltä A. Fotodiodi yhdistää solmun A alaspäin maahan, saapuvaa valoa edustavien nuolten osoittaessa fotodiodiin. TX:ksi merkitty siirtokytkin yhdistää solmun A vaakasuoraan toiseen solmuun nimeltä B. C:ksi merkitty varastokondensaattori yhdistää solmun B alaspäin maahan. Solmusta B lähtevä johdin kulkee oikealle, merkittynä "lukemiseen".

Pikselipiiri: fotodiodi, jossa on nollauskytkin joka esivarauttaa sen, siirtokytkin joka luovuttaa valotetun jännitteen pieneen pitokondensaattoriin, ja ulostulo lukuvahvistimeen.

4.5.2. Valotussykli

Jokainen solu noudattaa samaa nelivaiheista sykliä joka kehyksessä.

Esivaraus. Sykli alkaa lyhyellä nollauspulssilla, joka sulkee nollauskytkimen RST, yhdistäen fotodiodin syöttöjohtoon ja nostaen sen varastoidun jännitteen ylös tunnettuun viitearvoon. Kytkin sitten avautuu, jättäen fotodiodin eristettynä nollausjännitteeseen varausvaraston ollessa täynnä.

Valotus. Valotusikkunan aikana fotodiodi jätetään keräämään valoa. Kukin absorboitu fotoni maksaa fotodiodille pienen osan sen varastoidusta varauksesta. Valo saa varastoidun varauksen katoamaan – mitä kirkkaampi näkymä, sitä nopeammin fotodiodi purkautuu ja sitä matalampi sen jännite on ikkunan loppuun mennessä. Kokonaispudotus on pikselin signaali.

Otanta. Valotusikkuna päättyy lyhyeen pulssiin siirtokytkimellä TX. Kun TX on suljettuna, fotodiodin jäljellä oleva varaus puretaan pieneen solmuun B kytkettyyn pitokondensaattoriin C. C:n jännite tallentaa nyt pikselin mittauksen. TX sitten avautuu jälleen, lukiten arvon C:hen ja vapauttaen fotodiodin nollattavaksi seuraavaa kehystä varten samalla kun C odottaa vuoroaan lukuvahvistimella.

Lukeminen. Lukuvahvistin syöttää C:n jännitteen ADC:lle, joka muuntaa sen kokonaislukulukemaksi – tyypillisesti 10–12 bittiä raakatarkkuutta pikseliä kohti (joskus 14 korkealuokkaisemmissa sensoreissa). Tämä lukema on raaka pikseliarvo. Kaikki muu mitä putki tekee kuvalle – korjaukset, debayerointi, värisävytys, formaattimuunnos – alkaa tästä numerosta, yksi kutakin solua kohti.

4.5.3. Kyllästyminen

Fotodiodilla on maksimimäärä varausta, jonka se voi luovuttaa ennen kuin sen varasto on täysin tyhjentynyt. Tämän pisteen jälkeen pikseli on kyllästynyt – lisävalolla ei ole vaikutusta tallennettuun jännitteeseen, ja solu lukee maksimiarvonsa riippumatta siitä, kuinka paljon kirkkaammaksi näkymä tulee.

Maksimimäärä, jonka fotodiodi voi menettää ennen kyllästymistä, on sen potentiaalikaivon kapasiteetti. Suuremmat fyysiset pikselit pitävät enemmän varastoitua varausta ja niillä on siten korkeampi potentiaalikaivon kapasiteetti, minkä vuoksi sensoreilla, joissa on pienempiä, lukuisampia pikseleitä, on yleensä matalampi dynamiikka-alue kuin niiden matalamman resoluution vastineilla.