4.5. De pixelcel

Een camerasensor is een tweedimensionaal raster van lichtgevoelige cellen, één per pixel. Elke cel is een klein elektrisch circuit dat is opgebouwd rond een fotodiode die licht omzet in een spanning, die aan het einde van elk frame wordt gedigitaliseerd tot één enkele numerieke pixelwaarde.

4.5.1. Het circuit

Het actieve element in elke cel is een fotodiode – een kleine lichtgevoelige p-n-junctie in silicium. Onder omgekeerde voorspanning slaat de fotodiode een klein ladingsreservoir op dat binnenkomende fotonen beetje bij beetje kunnen vrijmaken.

Het pixelcircuit: een fotodiode met een resetschakelaar die hem voorlaadt, een overdrachtsschakelaar die de belichte spanning doorgeeft aan een kleine opslagcondensator, en een uitgang naar de uitleesversterker.

4.5.2. De belichtingscyclus

Elke cel volgt elk frame dezelfde viertraps cyclus.

Voorladen. De cyclus begint met een korte resetpuls die de resetschakelaar RST sluit, waardoor de fotodiode met de voedingsrail wordt verbonden en zijn opgeslagen spanning omhoog wordt gebracht naar een bekende referentie. De schakelaar opent vervolgens, waardoor de fotodiode geïsoleerd achterblijft op de resetspanning met zijn ladingsreservoir vol.

Belichting. Tijdens het belichtingsvenster wordt de fotodiode aan licht blootgesteld. Elk geabsorbeerd foton kost de fotodiode een kleine hoeveelheid van zijn opgeslagen lading. Licht laat de opgeslagen lading verdwijnen – hoe helderder de scène, hoe sneller de fotodiode ontlaadt en hoe lager zijn spanning aan het einde van het venster. De totale daling is het signaal van de pixel.

Bemonsteren. Het belichtingsvenster eindigt met een korte puls op de overdrachtsschakelaar TX. Terwijl TX gesloten is, wordt de resterende lading van de fotodiode gestort op de kleine opslagcondensator C die op knooppunt B is aangesloten. De spanning op C registreert nu de meting van de pixel. TX opent vervolgens weer, vergrendelt de waarde op C en geeft de fotodiode vrij om te worden gereset voor het volgende frame terwijl C wacht op zijn beurt bij de uitleesversterker.

Uitlezen. De uitleesversterker voert de spanning op C toe aan een ADC, die deze omzet in een gehele telling – meestal 10 tot 12 bits ruwe precisie per pixel (soms 14 in hoogwaardiger sensoren). Die telling is de ruwe pixelwaarde. Alles wat de pipeline verder met de afbeelding doet – correcties, debayering, kleurgradering, formaatconversie – begint bij dit getal, één per cel.

4.5.3. Verzadiging

De fotodiode heeft een maximale hoeveelheid lading die hij kan afgeven voordat zijn reservoir volledig is uitgeput. Voorbij dat punt is de pixel verzadigd – aanvullend licht heeft geen effect meer op de opgenomen spanning, en de cel leest zijn maximumwaarde uit, ongeacht hoeveel helderder de scène wordt.

De maximale hoeveelheid die de fotodiode kan verliezen voordat hij verzadigt, is zijn full-well-capaciteit. Grotere fysieke pixels houden meer opgeslagen lading vast en hebben dus een hogere full-well-capaciteit, wat de reden is dat sensoren met kleinere, talrijkere pixels over het algemeen een lager dynamisch bereik hebben dan hun tegenhangers met lagere resolutie.