4.5. La cellule de pixel

Un capteur de caméra est une grille bidimensionnelle de cellules sensibles à la lumière, une par pixel. Chaque cellule est un petit circuit électrique construit autour d’une photodiode qui convertit la lumière en une tension, laquelle est numérisée à la fin de chaque trame en une unique valeur numérique de pixel.

4.5.1. Le circuit

L’élément actif de chaque cellule est une photodiode – une petite jonction p-n sensible à la lumière dans le silicium. Sous polarisation inverse, la photodiode stocke un petit réservoir de charge que les photons entrants peuvent libérer, un petit peu à la fois.

Un schéma d'une cellule de pixel CMOS. Un commutateur de réinitialisation étiqueté RST relie le rail d'alimentation (VDD) en haut de la figure à un nœud étiqueté A. Une photodiode relie le nœud A vers le bas à la masse, avec des flèches représentant la lumière entrante pointant vers la photodiode. Un commutateur de transfert étiqueté TX relie horizontalement le nœud A à un second nœud étiqueté B. Un condensateur de stockage étiqueté C relie le nœud B vers le bas à la masse. Un fil partant du nœud B se dirige vers la droite, étiqueté « vers la lecture ».

Le circuit de pixel : une photodiode avec un commutateur de réinitialisation qui la précharge, un commutateur de transfert qui transmet la tension exposée à un petit condensateur de maintien, et une sortie vers l’amplificateur de lecture.

4.5.2. Le cycle d’exposition

Chaque cellule suit le même cycle en quatre étapes à chaque trame.

Précharge. Le cycle commence par une brève impulsion de réinitialisation qui ferme le commutateur de réinitialisation RST, reliant la photodiode au rail d’alimentation et portant sa tension stockée jusqu’à une référence connue. Le commutateur s’ouvre ensuite, laissant la photodiode isolée à la tension de réinitialisation avec son réservoir de charge plein.

Exposition. Pendant la fenêtre d’exposition, la photodiode est laissée à collecter la lumière. Chaque photon absorbé coûte à la photodiode une petite partie de sa charge stockée. La lumière fait disparaître la charge stockée – plus la scène est lumineuse, plus la photodiode se décharge vite et plus sa tension est basse à la fin de la fenêtre. La chute totale constitue le signal du pixel.

Échantillonnage. La fenêtre d’exposition se termine par une brève impulsion sur le commutateur de transfert TX. Tant que TX est fermé, la charge restante de la photodiode est déversée sur le petit condensateur de maintien C câblé au nœud B. La tension sur C enregistre désormais la mesure du pixel. TX s’ouvre ensuite à nouveau, verrouillant la valeur sur C et libérant la photodiode pour qu’elle soit réinitialisée en vue de la trame suivante pendant que C attend son tour à l’amplificateur de lecture.

Lecture. L’amplificateur de lecture transmet la tension présente sur C à un ADC, qui la convertit en un comptage entier – typiquement 10 à 12 bits de précision brute par pixel (parfois 14 dans les capteurs haut de gamme). Ce comptage est la valeur brute du pixel. Tout le reste de ce que le pipeline applique à l’image – corrections, débayerisation, étalonnage des couleurs, conversion de format – part de ce nombre, un par cellule.

4.5.3. Saturation

La photodiode peut céder une quantité maximale de charge avant que son réservoir ne soit entièrement vidé. Au-delà de ce point, le pixel est saturé – la lumière supplémentaire n’a plus d’effet sur la tension enregistrée, et la cellule affiche sa valeur maximale quelle que soit la luminosité de la scène.

La quantité maximale que la photodiode peut perdre avant de saturer est sa capacité de puits plein. Les pixels physiques plus grands retiennent davantage de charge stockée et ont donc une capacité de puits plein plus élevée, ce qui explique pourquoi les capteurs dotés de pixels plus petits et plus nombreux ont généralement une plage dynamique plus faible que leurs homologues à plus basse résolution.