4.5. Ćelija piksela

Senzor kamere je dvodimenzionalna mreža svjetloosjetljivih ćelija, jedna po pikselu. Svaka ćelija je mali električni sklop izgrađen oko fotodiode koja svjetlo pretvara u napon, koji se na kraju svake sličice digitalizira u jednu numeričku vrijednost piksela.

4.5.1. Sklop

Aktivni element u svakoj ćeliji je fotodioda – mali svjetloosjetljiv p-n spoj u siliciju. Pod inverznom polarizacijom fotodioda pohranjuje mali spremnik naboja koji dolazni fotoni mogu osloboditi, malo po malo.

Sklop piksela: fotodioda s reset prekidačem koji je prednabija, prijenosni prekidač koji eksponirani napon predaje malom kondenzatoru za zadržavanje i izlaz prema pojačalu za očitanje.

4.5.2. Ciklus ekspozicije

Svaka ćelija slijedi isti četverokoračni ciklus za svaku sličicu.

Prednabijanje. Ciklus počinje kratkim reset impulsom koji zatvara reset prekidač RST, povezujući fotodiodu s napojnom šinom i podižući njezin pohranjeni napon do poznate reference. Prekidač se zatim otvara, ostavljajući fotodiodu izoliranu na reset naponu s punim spremnikom naboja.

Ekspozicija. Tijekom prozora ekspozicije fotodioda se ostavlja da skuplja svjetlo. Svaki apsorbirani foton fotodiodu košta mali dio njezina pohranjenog naboja. Svjetlo čini da pohranjeni naboj nestaje – što je scena svjetlija, to se fotodioda brže prazni i to je niži njezin napon na kraju prozora. Ukupan pad je signal piksela.

Uzorkovanje. Prozor ekspozicije završava kratkim impulsom na prijenosnom prekidaču TX. Dok je TX zatvoren, preostali naboj fotodiode prebacuje se na mali kondenzator za zadržavanje C spojen na čvor B. Napon na C sada bilježi mjerenje piksela. TX se zatim ponovno otvara, zaključavajući vrijednost na C i oslobađajući fotodiodu za resetiranje za sljedeću sličicu dok C čeka svoj red na pojačalu za očitanje.

Očitanje. Pojačalo za očitanje dovodi napon na C do ADC-a, koji ga pretvara u cjelobrojni iznos – obično 10 do 12 bitova sirove preciznosti po pikselu (ponekad 14 u senzorima više klase). Taj iznos je sirova vrijednost piksela. Sve ostalo što cjevovod radi sa slikom – korekcije, debayering, gradiranje boja, pretvorbu formata – kreće od ovog broja, jedan po ćeliji.

4.5.3. Zasićenje

Fotodioda ima maksimalnu količinu naboja koju može predati prije nego što joj se spremnik potpuno isprazni. Nakon te točke piksel je zasićen – dodatno svjetlo nema učinka na zabilježeni napon, a ćelija očitava svoju maksimalnu vrijednost bez obzira koliko scena postane svjetlija.

Maksimalna količina koju fotodioda može izgubiti prije zasićenja je njezin kapacitet pune jame. Veći fizički pikseli drže više pohranjenog naboja pa imaju veći kapacitet pune jame, zbog čega senzori s manjim, brojnijim pikselima općenito imaju niži dinamički raspon od svojih pandana niže razlučivosti.