4.5. 像素单元

摄像头传感器是一个由感光单元构成的二维网格，每个像素对应一个单元。每个单元都是一个围绕光电二极管构建的小型电路，光电二极管把光转换成电压，在每一帧结束时，该电压被数字化成单个数值像素值。

4.5.1. 电路

每个单元中的有源元件是一个光电二极管——硅中一个微小的感光 p-n 结。在反向偏置下，光电二极管会储存一小池电荷，入射的光子可以一点一点地将其释放。

像素电路：一个光电二极管，配有一个对其预充电的复位开关、一个把曝光后的电压交给小型保持电容的传输开关，以及一个连到读出放大器的输出。

4.5.2. 曝光周期

每个单元在每一帧都遵循同样的四步周期。

预充电。 周期以一个短暂的复位脉冲开始，该脉冲闭合复位开关 RST，将光电二极管连接到供电轨，并把它储存的电压抬升到一个已知的基准。随后开关断开，使光电二极管在复位电压下处于隔离状态，其电荷储池被充满。

曝光。 在曝光窗口期间，光电二极管被放任去收集光。每吸收一个光子，光电二极管就会损失一小部分储存的电荷。光使储存的电荷消失——场景越亮，光电二极管放电越快，窗口结束时其电压越低。电压的总下降量就是该像素的信号。

采样。 曝光窗口以传输开关 TX 上的一个短暂脉冲结束。在 TX 闭合期间，光电二极管剩余的电荷被倾倒到连接在节点 B 上的小型保持电容 C 上。此时 C 上的电压记录了该像素的测量结果。随后 TX 再次断开，把数值锁定在 C 上，并释放光电二极管以便为下一帧复位，而 C 则等待轮到它接入读出放大器。

读出。 读出放大器把 C 上的电压送入一个 ADC，后者将其转换为一个整数计数——每像素通常为 10 到 12 位的原始精度（高端传感器中有时为 14 位）。这个计数就是原始像素值。流水线对图像所做的其余一切——校正、去拜耳、调色、格式转换——都从这个数字开始，每个单元一个。

4.5.3. 饱和

光电二极管在其储池被完全耗尽之前能够释放的电荷量是有上限的。超过该点，像素就饱和了——额外的光对记录到的电压不再有影响，无论场景变得多亮，该单元都读出其最大值。

光电二极管在饱和之前能够损失的最大量就是它的满阱容量。物理尺寸更大的像素能储存更多电荷，因而满阱容量更高，这就是为什么像素更小、数量更多的传感器通常比分辨率较低的同类产品具有更低的动态范围。