4.5. 픽셀 셀

카메라 센서는 픽셀당 하나씩 배치된 감광 셀들의 2차원 격자입니다. 각 셀은 빛을 전압으로 변환하는 포토다이오드를 중심으로 구성된 작은 전기 회로이며, 이 전압은 각 프레임의 끝에서 하나의 수치 픽셀 값으로 디지털화됩니다.

4.5.1. 회로

각 셀의 능동 소자는 포토다이오드입니다 – 실리콘 내부의 작은 감광 p-n 접합입니다. 역방향 바이어스 상태에서 포토다이오드는 들어오는 광자가 한 번에 조금씩 방출시킬 수 있는 작은 전하 저장소를 보유합니다.

픽셀 회로: 포토다이오드를 사전 충전하는 리셋 스위치, 노출된 전압을 작은 유지 커패시터로 전달하는 전송 스위치, 그리고 판독 증폭기로 향하는 출력으로 구성됩니다.

4.5.2. 노출 주기

모든 셀은 프레임마다 동일한 4단계 주기를 따릅니다.

사전 충전. 주기는 짧은 리셋 펄스로 시작하여 리셋 스위치 RST를 닫고, 포토다이오드를 공급 전압에 연결하여 저장된 전압을 알려진 기준값까지 끌어올립니다. 그런 다음 스위치가 열리면서 포토다이오드는 전하 저장소가 가득 찬 리셋 전압 상태로 고립됩니다.

노출. 노출 윈도우 동안 포토다이오드는 빛을 모으도록 방치됩니다. 흡수되는 각 광자는 포토다이오드에서 저장된 전하를 조금씩 소모시킵니다. 빛은 저장된 전하를 사라지게 합니다 – 장면이 밝을수록 포토다이오드가 더 빠르게 방전되고 윈도우가 끝날 무렵의 전압이 더 낮아집니다. 전체 강하량이 픽셀의 신호입니다.

샘플. 노출 윈도우는 전송 스위치 TX에 가해지는 짧은 펄스로 끝납니다. TX가 닫혀 있는 동안 포토다이오드에 남은 전하가 노드 B에 연결된 작은 유지 커패시터 C로 옮겨집니다. 이제 C의 전압이 픽셀의 측정값을 기록합니다. 그 후 TX가 다시 열려 C의 값을 고정하고, C가 판독 증폭기에서 자기 차례를 기다리는 동안 포토다이오드는 다음 프레임을 위해 리셋될 수 있도록 풀려납니다.

판독. 판독 증폭기는 C의 전압을 ADC에 공급하고, ADC는 이를 정수 카운트로 변환합니다 – 일반적으로 픽셀당 10~12비트의 원시 정밀도(고급 센서에서는 때때로 14비트)입니다. 그 카운트가 원시 픽셀 값입니다. 파이프라인이 이미지에 대해 하는 그 밖의 모든 작업 – 보정, 디베이어링, 컬러 그레이딩, 포맷 변환 – 은 셀당 하나씩인 이 숫자에서 시작됩니다.

4.5.3. 포화

포토다이오드는 저장소가 완전히 비워지기 전까지 내놓을 수 있는 최대 전하량이 정해져 있습니다. 그 지점을 넘어서면 픽셀은 포화됩니다 – 추가적인 빛은 기록된 전압에 영향을 주지 않으며, 장면이 아무리 더 밝아져도 셀은 최댓값을 읽습니다.

포화되기 전까지 포토다이오드가 잃을 수 있는 최대량이 풀웰 용량(full-well capacity)입니다. 물리적으로 더 큰 픽셀은 더 많은 전하를 저장하므로 풀웰 용량이 더 높으며, 이것이 더 작고 더 많은 수의 픽셀을 가진 센서가 일반적으로 해상도가 낮은 센서보다 다이내믹 레인지가 더 낮은 이유입니다.