4.5. Piksel hücresi

Bir kamera sensörü, her piksel için bir tane olmak üzere, ışığa duyarlı hücrelerden oluşan iki boyutlu bir ızgaradır. Her hücre, ışığı bir gerilime dönüştüren bir fotodiyot etrafında kurulmuş küçük bir elektrik devresidir ve bu gerilim her çerçevenin sonunda tek bir sayısal piksel değerine dijitalleştirilir.

4.5.1. Devre

Her hücredeki aktif eleman bir fotodiyottur – silikondaki küçük, ışığa duyarlı bir p-n eklemi. Ters polarma altında fotodiyot, gelen fotonların her seferinde küçük bir parça serbest bırakabileceği küçük bir yük rezervuarı depolar.

Bir CMOS piksel hücresinin şeması. RST olarak etiketlenmiş bir sıfırlama anahtarı, şeklin üstündeki besleme rayını (VDD) A olarak etiketlenmiş bir düğüme bağlar. Bir fotodiyot, A düğümünü aşağı doğru toprağa bağlar ve fotodiyoda işaret eden, gelen ışığı temsil eden oklar bulunur. TX olarak etiketlenmiş bir aktarma anahtarı, A düğümünü yatay olarak B olarak etiketlenmiş ikinci bir düğüme bağlar. C olarak etiketlenmiş bir depolama kapasitörü, B düğümünü aşağı doğru toprağa bağlar. B düğümünden gelen bir tel sağa doğru uzanır ve "okumaya" olarak etiketlenmiştir.

Piksel devresi: kendisini ön şarj eden bir sıfırlama anahtarına sahip bir fotodiyot, pozlanan gerilimi küçük bir tutma kapasitörüne aktaran bir aktarma anahtarı ve okuma yükseltecine bir çıkış.

4.5.2. Pozlama döngüsü

Her hücre, her çerçevede aynı dört adımlı döngüyü izler.

Ön şarj. Döngü, sıfırlama anahtarını RST kapatan kısa bir sıfırlama darbesiyle başlar; bu, fotodiyodu besleme rayına bağlar ve depolanmış gerilimini bilinen bir referansa yükseltir. Anahtar ardından açılır ve fotodiyodu yük rezervuarı dolu olarak sıfırlama geriliminde yalıtılmış halde bırakır.

Pozlama. Pozlama penceresi sırasında fotodiyot ışık toplamak için serbest bırakılır. Soğurulan her foton, fotodiyodun depolanmış yükünün küçük bir miktarına mal olur. Işık, depolanmış yükün kaybolmasına neden olur – sahne ne kadar parlaksa, fotodiyot o kadar hızlı boşalır ve pencerenin sonunda gerilimi o kadar düşük olur. Toplam düşüş, pikselin sinyalidir.

Örnekleme. Pozlama penceresi, aktarma anahtarı TX üzerinde kısa bir darbeyle sona erer. TX kapalıyken fotodiyodun kalan yükü, B düğümüne bağlı küçük tutma kapasitörü C üzerine boşaltılır. C üzerindeki gerilim artık pikselin ölçümünü kaydeder. TX ardından tekrar açılır, C üzerindeki değeri kilitler ve C okuma yükseltecindeki sırasını beklerken fotodiyodu bir sonraki çerçeve için sıfırlanmaya serbest bırakır.

Okuma. Okuma yükselteci, C üzerindeki gerilimi bir ADC’ye besler ve bu da onu bir tamsayı sayımına dönüştürür – tipik olarak piksel başına 10 ila 12 bit ham hassasiyet (bazen üst düzey sensörlerde 14). Bu sayım ham piksel değeridir. İşlem hattının görüntüye yaptığı diğer her şey – düzeltmeler, debayer işlemi, renk derecelendirme, biçim dönüşümü – her hücre için bir tane olan bu sayıdan başlar.

4.5.3. Doygunluk

Fotodiyot, rezervuarı tamamen boşalmadan önce verebileceği maksimum miktarda yüke sahiptir. Bu noktayı geçtikten sonra piksel doygundur – ek ışığın kaydedilen gerilim üzerinde hiçbir etkisi olmaz ve sahne ne kadar parlak olursa olsun hücre maksimum değerini okur.

Fotodiyodun doygunluğa ulaşmadan önce kaybedebileceği maksimum miktar, onun tam kuyu kapasitesidir. Daha büyük fiziksel pikseller daha fazla depolanmış yük tutar ve dolayısıyla daha yüksek bir tam kuyu kapasitesine sahiptir; bu nedenle daha küçük, daha çok sayıda piksele sahip sensörler genellikle daha düşük çözünürlüklü muadillerine göre daha düşük bir dinamik aralığa sahiptir.