4.5. A célula de pixel

Um sensor de câmera é uma grade bidimensional de células sensíveis à luz, uma por pixel. Cada célula é um pequeno circuito elétrico construído em torno de um fotodiodo que transforma luz em tensão, a qual, ao final de cada quadro, é digitalizada em um único valor numérico de pixel.

4.5.1. O circuito

O elemento ativo em cada célula é um fotodiodo – uma pequena junção p-n sensível à luz no silício. Sob polarização reversa, o fotodiodo armazena um pequeno reservatório de carga que os fótons incidentes podem liberar, um pouquinho de cada vez.

Um esquema de uma célula de pixel CMOS. Um interruptor de reset rotulado RST conecta o trilho de alimentação (VDD) na parte superior da figura a um nó rotulado A. Um fotodiodo conecta o nó A para baixo até o terra, com setas representando a luz incidente apontando para o fotodiodo. Um interruptor de transferência rotulado TX conecta o nó A horizontalmente a um segundo nó rotulado B. Um capacitor de armazenamento rotulado C conecta o nó B para baixo até o terra. Um fio do nó B segue para a direita, rotulado "para a leitura".

O circuito do pixel: um fotodiodo com um interruptor de reset que o pré-carrega, um interruptor de transferência que entrega a tensão exposta a um pequeno capacitor de retenção e uma saída para o amplificador de leitura.

4.5.2. O ciclo de exposição

Cada célula segue o mesmo ciclo de quatro etapas a cada quadro.

Pré-carga. O ciclo começa com um breve pulso de reset que fecha o interruptor de reset RST, conectando o fotodiodo ao trilho de alimentação e elevando sua tensão armazenada até uma referência conhecida. O interruptor então abre, deixando o fotodiodo isolado na tensão de reset com seu reservatório de carga cheio.

Exposição. Durante a janela de exposição, o fotodiodo é deixado para coletar luz. Cada fóton absorvido custa ao fotodiodo uma pequena parte de sua carga armazenada. A luz faz a carga armazenada desaparecer – quanto mais brilhante a cena, mais rápido o fotodiodo se descarrega e menor sua tensão ao final da janela. A queda total é o sinal do pixel.

Amostragem. A janela de exposição termina com um breve pulso no interruptor de transferência TX. Enquanto TX está fechado, a carga restante do fotodiodo é despejada no pequeno capacitor de retenção C ligado ao nó B. A tensão em C agora registra a medição do pixel. TX então abre novamente, travando o valor em C e liberando o fotodiodo para ser resetado para o próximo quadro enquanto C aguarda sua vez no amplificador de leitura.

Leitura. O amplificador de leitura alimenta a tensão em C para um ADC, que a converte em uma contagem inteira – tipicamente 10 a 12 bits de precisão bruta por pixel (às vezes 14 em sensores de mais alto nível). Essa contagem é o valor bruto do pixel. Tudo o mais que o pipeline faz com a imagem – correções, debayering, gradação de cor, conversão de formato – parte desse número, um por célula.

4.5.3. Saturação

O fotodiodo tem uma quantidade máxima de carga que pode ceder antes que seu reservatório seja totalmente drenado. Além desse ponto, o pixel está saturado – luz adicional não tem efeito sobre a tensão registrada, e a célula lê seu valor máximo, não importa quão mais brilhante a cena fique.

A quantidade máxima que o fotodiodo pode perder antes de saturar é sua capacidade de poço cheio. Pixels físicos maiores retêm mais carga armazenada e, portanto, têm uma capacidade de poço cheio maior, razão pela qual sensores com pixels menores e mais numerosos geralmente têm uma faixa dinâmica menor do que suas contrapartes de menor resolução.