4.5. Sel piksel

Sensor kamera adalah kisi dua dimensi dari sel-sel yang sensitif terhadap cahaya, satu per piksel. Setiap sel adalah rangkaian listrik kecil yang dibangun di sekitar fotodioda yang mengubah cahaya menjadi tegangan, yang pada akhir setiap bingkai didigitalisasi menjadi satu nilai piksel numerik.

4.5.1. Rangkaian

Elemen aktif di setiap sel adalah fotodioda -- sambungan p-n kecil yang sensitif terhadap cahaya dalam silikon. Di bawah bias balik, fotodioda menyimpan reservoir muatan kecil yang dapat dilepaskan oleh foton yang datang, sedikit demi sedikit.

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".

Rangkaian piksel: fotodioda dengan sakelar reset yang mengisi muatannya terlebih dahulu, sakelar transfer yang menyerahkan tegangan yang terekspos ke kapasitor penahan kecil, dan keluaran ke amplifier read-out.

4.5.2. Siklus eksposur

Setiap sel mengikuti siklus empat langkah yang sama setiap bingkai.

Pra-pengisian. Siklus dimulai dengan pulsa reset singkat yang menutup sakelar reset RST, menghubungkan fotodioda ke rel supply dan mengangkat tegangan tersimpannya ke referensi yang diketahui. Sakelar kemudian terbuka, meninggalkan fotodioda terisolasi pada tegangan reset dengan reservoir muatannya penuh.

Eksposur. Selama jendela eksposur, fotodioda dibiarkan mengumpulkan cahaya. Setiap foton yang diserap menghabiskan sebagian kecil muatan tersimpan fotodioda. Cahaya membuat muatan tersimpan menghilang -- semakin terang pemandangan, semakin cepat fotodioda habis muatannya dan semakin rendah tegangannya pada akhir jendela. Total penurunan adalah sinyal piksel.

Sampel. Jendela eksposur berakhir dengan pulsa singkat pada sakelar transfer TX. Sementara TX tertutup, muatan sisa fotodioda dibuang ke kapasitor penahan kecil C yang tersambung ke node B. Tegangan pada C sekarang merekam pengukuran piksel. TX kemudian terbuka lagi, mengunci nilai pada C dan membebaskan fotodioda untuk direset pada bingkai berikutnya sementara C menunggu gilirannya di amplifier read-out.

Read-out. Amplifier read-out memberi makan tegangan pada C ke ADC, yang mengubahnya menjadi hitungan integer -- biasanya 10 hingga 12 bit presisi mentah per piksel (terkadang 14 pada sensor kelas lebih tinggi). Hitungan tersebut adalah nilai piksel mentah. Semua yang dilakukan pipeline pada citra setelahnya -- koreksi, debayering, color grading, konversi format -- dimulai dari angka ini, satu per sel.

4.5.3. Saturasi

Fotodioda memiliki jumlah muatan maksimum yang dapat dilepaskannya sebelum reservoirnya benar-benar terkuras. Melewati titik itu, piksel menjadi jenuh -- cahaya tambahan tidak berpengaruh pada tegangan yang direkam, dan sel membaca nilai maksimumnya terlepas dari seberapa terang pemandangan tersebut.

Jumlah maksimum yang dapat hilang dari fotodioda sebelum jenuh adalah kapasitas full-well-nya. Piksel fisik yang lebih besar menyimpan lebih banyak muatan tersimpan sehingga memiliki kapasitas full-well yang lebih tinggi, itulah mengapa sensor dengan piksel yang lebih kecil dan lebih banyak umumnya memiliki rentang dinamis yang lebih rendah dibandingkan sensor dengan resolusi lebih rendah.