4.5. Celula de pixel

Un senzor de cameră este o grilă bidimensională de celule sensibile la lumină, câte una per pixel. Fiecare celulă este un mic circuit electric construit în jurul unei fotodiode care transformă lumina în tensiune, care la sfârșitul fiecărui cadru este digitizată într-o singură valoare numerică de pixel.

4.5.1. Circuitul

Elementul activ din fiecare celulă este o fotodiodă – o mică joncțiune p-n sensibilă la lumină din siliciu. Sub polarizare inversă, fotodioda stochează un mic rezervor de sarcină pe care fotonii primiți îl pot elibera, câte puțin de fiecare dată.

O schemă a unei celule de pixel CMOS. Un comutator de resetare etichetat RST conectează șina de alimentare (VDD) din partea de sus a figurii la un nod etichetat A. O fotodiodă conectează nodul A în jos la masă, cu săgeți care reprezintă lumina primită îndreptate spre fotodiodă. Un comutator de transfer etichetat TX conectează nodul A orizontal la un al doilea nod etichetat B. Un condensator de stocare etichetat C conectează nodul B în jos la masă. Un fir de la nodul B duce spre dreapta, etichetat "către citire".

Circuitul pixelului: o fotodiodă cu un comutator de resetare care o preîncarcă, un comutator de transfer care predă tensiunea expusă unui mic condensator de reținere și o ieșire către amplificatorul de citire.

4.5.2. Ciclul de expunere

Fiecare celulă urmează același ciclu în patru pași la fiecare cadru.

Preîncărcare. Ciclul începe cu un scurt impuls de resetare care închide comutatorul de resetare RST, conectând fotodioda la șina de alimentare și ridicându-i tensiunea stocată la o referință cunoscută. Comutatorul se deschide apoi, lăsând fotodioda izolată la tensiunea de resetare, cu rezervorul de sarcină plin.

Expunere. În timpul ferestrei de expunere, fotodioda este lăsată să acumuleze lumină. Fiecare foton absorbit costă fotodioda o mică parte din sarcina sa stocată. Lumina face ca sarcina stocată să dispară – cu cât scena este mai luminoasă, cu atât mai repede se descarcă fotodioda și cu atât mai mică îi este tensiunea la sfârșitul ferestrei. Căderea totală reprezintă semnalul pixelului.

Eșantionare. Fereastra de expunere se încheie cu un scurt impuls pe comutatorul de transfer TX. Cât timp TX este închis, sarcina rămasă a fotodiodei este descărcată pe micul condensator de reținere C conectat la nodul B. Tensiunea de pe C înregistrează acum măsurătoarea pixelului. TX se deschide apoi din nou, blocând valoarea de pe C și eliberând fotodioda pentru a fi resetată pentru următorul cadru, în timp ce C își așteaptă rândul la amplificatorul de citire.

Citire. Amplificatorul de citire alimentează tensiunea de pe C către un ADC, care o convertește într-o valoare întreagă – de obicei 10 până la 12 biți de precizie brută per pixel (uneori 14 în senzorii de gamă superioară). Acea valoare este valoarea brută a pixelului. Tot ce face mai departe fluxul de procesare cu imaginea – corecții, debayering, gradare de culoare, conversie de format – pornește de la acest număr, unul per celulă.

4.5.3. Saturație

Fotodioda are o cantitate maximă de sarcină pe care o poate ceda înainte ca rezervorul ei să fie complet golit. Dincolo de acel punct, pixelul este saturat – lumina suplimentară nu are niciun efect asupra tensiunii înregistrate, iar celula citește valoarea sa maximă oricât de mult ar crește luminozitatea scenei.

Cantitatea maximă pe care o poate pierde fotodioda înainte de a se satura este capacitatea godeului (full-well capacity). Pixelii fizici mai mari rețin mai multă sarcină stocată și au astfel o capacitate a godeului mai mare, motiv pentru care senzorii cu pixeli mai mici și mai numeroși au în general o gamă dinamică mai mică decât omologii lor cu rezoluție mai scăzută.