4.5. Пиксельная ячейка

Датчик камеры – это двумерная сетка светочувствительных ячеек, по одной на пиксель. Каждая ячейка представляет собой небольшую электрическую схему, построенную вокруг фотодиода, который преобразует свет в напряжение, оцифровываемое в конце каждого кадра в единственное числовое значение пикселя.

4.5.1. Схема

Активный элемент каждой ячейки – это фотодиод, небольшой светочувствительный p-n переход в кремнии. Под обратным смещением фотодиод хранит небольшой резервуар заряда, который входящие фотоны могут высвобождать, понемногу за раз.

Принципиальная схема одной пиксельной ячейки CMOS. Переключатель сброса с меткой RST соединяет шину питания (VDD) в верхней части рисунка с узлом с меткой A. Фотодиод соединяет узел A вниз с землёй, при этом стрелки, представляющие входящий свет, указывают на фотодиод. Переключатель передачи с меткой TX соединяет узел A горизонтально со вторым узлом с меткой B. Накопительный конденсатор с меткой C соединяет узел B вниз с землёй. Провод от узла B уходит вправо с меткой "к считыванию".

Пиксельная схема: фотодиод с переключателем сброса, который предзаряжает его, переключателем передачи, который передаёт экспонированное напряжение на небольшой накопительный конденсатор, и выходом на усилитель считывания.

4.5.2. Цикл экспозиции

Каждая ячейка следует одному и тому же четырёхэтапному циклу в каждом кадре.

Предзаряд. Цикл начинается с короткого импульса сброса, который замыкает переключатель сброса RST, соединяя фотодиод с шиной питания и поднимая его накопленное напряжение до известного опорного уровня. Затем переключатель размыкается, оставляя фотодиод изолированным при напряжении сброса с полным резервуаром заряда.

Экспозиция. В течение окна экспозиции фотодиод оставлен накапливать свет. Каждый поглощённый фотон стоит фотодиоду небольшой части его накопленного заряда. Свет заставляет накопленный заряд исчезать – чем ярче сцена, тем быстрее разряжается фотодиод и тем ниже его напряжение к концу окна. Суммарное падение и есть сигнал пикселя.

Выборка. Окно экспозиции заканчивается коротким импульсом на переключателе передачи TX. Пока TX замкнут, оставшийся заряд фотодиода сбрасывается на небольшой накопительный конденсатор C, подключённый к узлу B. Напряжение на C теперь записывает измерение пикселя. Затем TX снова размыкается, фиксируя значение на C и освобождая фотодиод для сброса перед следующим кадром, пока C ждёт своей очереди к усилителю считывания.

Считывание. Усилитель считывания подаёт напряжение с C на АЦП, который преобразует его в целочисленный отсчёт – обычно от 10 до 12 бит исходной точности на пиксель (иногда 14 в датчиках более высокого класса). Этот отсчёт и есть исходное значение пикселя. Всё остальное, что конвейер делает с изображением – коррекции, дебайеризация, цветокоррекция, преобразование формата – начинается с этого числа, по одному на ячейку.

4.5.3. Насыщение

Фотодиод имеет максимальное количество заряда, которое он может отдать, прежде чем его резервуар будет полностью опустошён. За этой точкой пиксель насыщен – дополнительный свет не влияет на записанное напряжение, и ячейка считывает своё максимальное значение, насколько бы ярче ни становилась сцена.

Максимальное количество заряда, которое фотодиод может потерять до насыщения, – это его ёмкость полной потенциальной ямы. Более крупные физические пиксели удерживают больше накопленного заряда и потому имеют более высокую ёмкость полной ямы, поэтому датчики с меньшими, более многочисленными пикселями обычно имеют более низкий динамический диапазон, чем их аналоги с меньшим разрешением.