4.5. תא הפיקסל

חיישן מצלמה הוא רשת דו-ממדית של תאים רגישים לאור, אחד לכל פיקסל. כל תא הוא מעגל חשמלי קטן הבנוי סביב פוטו-דיודה ההופכת אור למתח, אשר בסוף כל פריים מומר לערך פיקסל מספרי בודד.

4.5.1. המעגל

הרכיב הפעיל בכל תא הוא פוטו-דיודה – צומת p-n קטן רגיש לאור בסיליקון. תחת מתח אחורי הפוטו-דיודה מאחסנת מאגר קטן של מטען שפוטונים נכנסים יכולים לשחרר, ביט קטן בכל פעם.

A schematic of one CMOS pixel cell. A reset switch labelled RST connects the supply rail (VDD) at the top of the figure to a node labelled A. A photodiode connects node A downward to ground, with arrows representing incoming light pointing at the photodiode. A transfer switch labelled TX connects node A horizontally to a second node labelled B. A storage capacitor labelled C connects node B downward to ground. A wire from node B leads off to the right, labelled "to read-out".

מעגל הפיקסל: פוטו-דיודה עם מתג איפוס הטוען אותה מראש, מתג העברה המעביר את המתח החשוף לקבל החזקה קטן, ופלט אל מגבר הקריאה.

4.5.2. מחזור החשיפה

כל תא עוקב אחר אותו מחזור בן ארבעה שלבים בכל פריים.

טעינה מראש. המחזור מתחיל בפולס איפוס קצר הסוגר את מתג האיפוס RST, המחבר את הפוטו-דיודה לפסת ההזנה ומרים את המתח המאוחסן שלה אל ייחוס ידוע. המתג נפתח לאחר מכן, ומשאיר את הפוטו-דיודה מבודדת במתח האיפוס כשמאגר המטען שלה מלא.

חשיפה. במהלך חלון החשיפה מושארת הפוטו-דיודה לאסוף אור. כל פוטון נספג עולה לפוטו-דיודה כמות קטנה מהמטען המאוחסן שלה. האור גורם למטען המאוחסן להיעלם – ככל שהסצנה בהירה יותר, כך הפוטו-דיודה מתפרקת מהר יותר ומתחה נמוך יותר בסוף החלון. הירידה הכוללת היא אות הפיקסל.

דגימה. חלון החשיפה מסתיים בפולס קצר על מתג ההעברה TX. בעוד TX סגור, המטען הנותר של הפוטו-דיודה נשפך אל קבל ההחזקה הקטן C המחווט לצומת B. המתח על C מקליט כעת את מדידת הפיקסל. TX נפתח שוב לאחר מכן, נועל את הערך על C ומשחרר את הפוטו-דיודה כדי שתאופס עבור הפריים הבא בעוד C ממתין לתורו במגבר הקריאה.

קריאה. מגבר הקריאה מזין את המתח על C אל ADC, הממיר אותו לספירה שלמה – בדרך כלל 10 עד 12 ביט של דיוק גולמי לכל פיקסל (לעיתים 14 בחיישנים מתקדמים יותר). ספירה זו היא ערך הפיקסל הגולמי. כל מה שהצינור עושה לתמונה לאחר מכן – תיקונים, debayering, דירוג צבעים, המרת פורמט – מתחיל ממספר זה, אחד לכל תא.

4.5.3. רוויה

לפוטו-דיודה יש כמות מרבית של מטען שהיא יכולה לוותר עליו לפני שמאגרהּ מתרוקן לחלוטין. מעבר לנקודה זו הפיקסל רווי – אור נוסף אינו משפיע על המתח המוקלט, והתא קורא את ערכו המרבי ללא קשר לכמה בהירה הופכת הסצנה.

הכמות המרבית שהפוטו-דיודה יכולה לאבד לפני הגעה לרוויה היא קיבולת הבאר המלאה שלה. פיקסלים פיזיים גדולים יותר מחזיקים יותר מטען מאוחסן ולכן יש להם קיבולת באר מלאה גבוהה יותר, וזו הסיבה שלחיישנים עם פיקסלים קטנים ורבים יותר יש בדרך כלל טווח דינמי נמוך יותר מאשר למקביליהם בעלי הרזולוציה הנמוכה יותר.