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.

A schematic of one CMOS pixel cell. A reset switch labelled RST connects the supply rail (VDD) at the top of the figure to a node labelled A. A photodiode connects node A downward to ground, with arrows representing incoming light pointing at the photodiode. A transfer switch labelled TX connects node A horizontally to a second node labelled B. A storage capacitor labelled C connects node B downward to ground. A wire from node B leads off to the right, labelled "to read-out".

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.