4.5. La cella di pixel

Un sensore di camera è una griglia bidimensionale di celle sensibili alla luce, una per pixel. Ogni cella è un piccolo circuito elettrico costruito attorno a un fotodiodo che trasforma la luce in una tensione, la quale alla fine di ogni frame viene digitalizzata in un singolo valore numerico di pixel.

4.5.1. Il circuito

L’elemento attivo di ogni cella è un fotodiodo – una piccola giunzione p-n sensibile alla luce nel silicio. In polarizzazione inversa il fotodiodo immagazzina un piccolo serbatoio di carica che i fotoni in arrivo possono liberare, un poco alla volta.

Lo schema di una cella di pixel CMOS. Un interruttore di reset etichettato RST collega il rail di alimentazione (VDD) in cima alla figura a un nodo etichettato A. Un fotodiodo collega il nodo A verso il basso a massa, con frecce che rappresentano la luce in arrivo che puntano verso il fotodiodo. Un interruttore di trasferimento etichettato TX collega il nodo A orizzontalmente a un secondo nodo etichettato B. Un condensatore di memorizzazione etichettato C collega il nodo B verso il basso a massa. Un filo dal nodo B conduce verso destra, etichettato "verso la lettura".

Il circuito del pixel: un fotodiodo con un interruttore di reset che lo precarica, un interruttore di trasferimento che passa la tensione esposta a un piccolo condensatore di mantenimento e un’uscita verso l’amplificatore di lettura.

4.5.2. Il ciclo di esposizione

Ogni cella segue lo stesso ciclo a quattro fasi per ogni frame.

Precarica. Il ciclo inizia con un breve impulso di reset che chiude l’interruttore di reset RST, collegando il fotodiodo al rail di alimentazione e portando la sua tensione immagazzinata a un riferimento noto. L’interruttore si apre quindi, lasciando il fotodiodo isolato alla tensione di reset con il suo serbatoio di carica pieno.

Esposizione. Durante la finestra di esposizione il fotodiodo viene lasciato a raccogliere luce. Ogni fotone assorbito costa al fotodiodo una piccola parte della sua carica immagazzinata. La luce fa scomparire la carica immagazzinata: più luminosa è la scena, più velocemente il fotodiodo si scarica e più bassa è la sua tensione alla fine della finestra. Il calo totale costituisce il segnale del pixel.

Campionamento. La finestra di esposizione termina con un breve impulso sull’interruttore di trasferimento TX. Mentre TX è chiuso, la carica residua del fotodiodo viene riversata sul piccolo condensatore di mantenimento C collegato al nodo B. La tensione su C registra ora la misurazione del pixel. TX si apre quindi di nuovo, bloccando il valore su C e liberando il fotodiodo per il reset in vista del frame successivo, mentre C attende il proprio turno all’amplificatore di lettura.

Lettura. L’amplificatore di lettura invia la tensione su C a un ADC, che la converte in un conteggio intero – tipicamente da 10 a 12 bit di precisione grezza per pixel (a volte 14 nei sensori di fascia alta). Quel conteggio costituisce il valore grezzo del pixel. Tutto il resto che la pipeline fa sull’immagine – correzioni, debayering, color grading, conversione di formato – parte da questo numero, uno per cella.

4.5.3. Saturazione

Il fotodiodo ha una quantità massima di carica che può cedere prima che il suo serbatoio sia completamente esaurito. Oltre quel punto il pixel è saturo: la luce aggiuntiva non ha alcun effetto sulla tensione registrata e la cella legge il suo valore massimo per quanto più luminosa diventi la scena.

La quantità massima che il fotodiodo può perdere prima di saturare è la sua capacità di pozzetto pieno. I pixel fisici più grandi trattengono più carica immagazzinata e hanno quindi una capacità di pozzetto pieno maggiore, motivo per cui i sensori con pixel più piccoli e più numerosi hanno generalmente una gamma dinamica inferiore rispetto alle loro controparti a risoluzione più bassa.