4.5. Komórka piksela

Sensor kamery to dwuwymiarowa siatka komórek światłoczułych, po jednej na piksel. Każda komórka jest małym obwodem elektrycznym zbudowanym wokół fotodiody, która zamienia światło na napięcie, a to na końcu każdej ramki jest digitalizowane do pojedynczej liczbowej wartości piksela.

4.5.1. Obwód

Aktywnym elementem każdej komórki jest fotodioda – małe światłoczułe złącze p-n w krzemie. Przy polaryzacji zaporowej fotodioda gromadzi mały zapas ładunku, który napływające fotony mogą uwalniać, po troszeczku na raz.

Obwód piksela: fotodioda z przełącznikiem resetu, który ją wstępnie ładuje, przełącznikiem transferu, który przekazuje naświetlone napięcie do małego kondensatora przechowującego, oraz wyjściem do wzmacniacza odczytu.

4.5.2. Cykl ekspozycji

Każda komórka wykonuje w każdej ramce ten sam czteroetapowy cykl.

Wstępne ładowanie. Cykl rozpoczyna się krótkim impulsem resetu, który zamyka przełącznik resetu RST, łącząc fotodiodę z szyną zasilania i podnosząc jej zgromadzone napięcie do znanego poziomu odniesienia. Przełącznik następnie się otwiera, pozostawiając fotodiodę odizolowaną przy napięciu resetu z pełnym zapasem ładunku.

Ekspozycja. Podczas okna ekspozycji fotodioda zbiera światło. Każdy zaabsorbowany foton kosztuje fotodiodę niewielką część jej zgromadzonego ładunku. Światło sprawia, że zgromadzony ładunek znika – im jaśniejsza scena, tym szybciej fotodioda się rozładowuje i tym niższe jest jej napięcie pod koniec okna. Całkowity spadek jest sygnałem piksela.

Próbkowanie. Okno ekspozycji kończy się krótkim impulsem na przełączniku transferu TX. Gdy TX jest zamknięty, pozostały ładunek fotodiody jest zrzucany na mały kondensator przechowujący C podłączony do węzła B. Napięcie na C rejestruje teraz pomiar piksela. TX następnie znów się otwiera, blokując wartość na C i uwalniając fotodiodę do zresetowania dla następnej ramki, podczas gdy C czeka na swoją kolej przy wzmacniaczu odczytu.

Odczyt. Wzmacniacz odczytu podaje napięcie z C do przetwornika ADC, który zamienia je na całkowitoliczbową wartość – zwykle od 10 do 12 bitów surowej precyzji na piksel (czasem 14 w sensorach z wyższej półki). Ta wartość to surowa wartość piksela. Wszystko inne, co potok robi z obrazem – korekcje, debayering, korekcja kolorów, konwersja formatu – zaczyna się od tej liczby, jednej na komórkę.

4.5.3. Nasycenie

Fotodioda ma maksymalną ilość ładunku, jaki może oddać, zanim jej zapas zostanie całkowicie wyczerpany. Po przekroczeniu tego punktu piksel jest nasycony – dodatkowe światło nie ma już wpływu na zarejestrowane napięcie, a komórka odczytuje swoją maksymalną wartość bez względu na to, o ile jaśniejsza staje się scena.

Maksymalna ilość, jaką fotodioda może stracić przed nasyceniem, to jej pojemność pełnej studni. Większe fizyczne piksele przechowują więcej zgromadzonego ładunku i dlatego mają wyższą pojemność pełnej studni, dlatego sensory z mniejszymi, liczniejszymi pikselami mają zwykle niższy zakres dynamiczny niż ich odpowiedniki o niższej rozdzielczości.