4.5. A célula de pixel

Um sensor de câmara é uma grelha bidimensional de células sensíveis à luz, uma por pixel. Cada célula é um pequeno circuito elétrico construído em torno de um fotodíodo que converte luz em tensão, a qual no final de cada fotograma é digitalizada num único valor numérico de pixel.

4.5.1. O circuito

O elemento ativo em cada célula é um fotodíodo – uma pequena junção p-n sensível à luz em silício. Com polarização inversa, o fotodíodo armazena uma pequena reserva de carga que os fotões incidentes podem libertar, um pouco 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 de pixel: um fotodíodo com um interruptor de reset que o pré-carrega, um interruptor de transferência que entrega a tensão exposta a um pequeno condensador 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 em cada fotograma.

Pré-carregamento. O ciclo começa com um breve pulso de reset que fecha o interruptor de reset RST, ligando o fotodíodo ao rail de alimentação e elevando a sua tensão armazenada a uma referência conhecida. O interruptor abre de seguida, deixando o fotodíodo isolado à tensão de reset com a sua reserva de carga cheia.

Exposição. Durante a janela de exposição o fotodíodo é deixado a recolher luz. Cada fotão absorvido custa ao fotodíodo uma pequena quantidade da sua carga armazenada. A luz faz a carga armazenada desaparecer – quanto mais brilhante a cena, mais rapidamente o fotodíodo se descarrega e mais baixa a sua tensão no 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 remanescente do fotodíodo é descarregada para o pequeno condensador de retenção C ligado ao nó B. A tensão em C regista agora a medição do pixel. TX abre de novo, bloqueando o valor em C e libertando o fotodíodo para ser reiniciado para o próximo fotograma enquanto C aguarda a sua vez no amplificador de leitura.

Leitura. O amplificador de leitura alimenta a tensão em C a um ADC, que a converte numa contagem inteira – tipicamente 10 a 12 bits de precisão bruta por pixel (por vezes 14 em sensores de gama mais alta). Essa contagem é o valor bruto do pixel. Tudo o que o pipeline faz à imagem depois – correções, debayering, gradação de cor, conversão de formato – começa a partir deste número, um por célula.

4.5.3. Saturação

O fotodíodo tem uma quantidade máxima de carga que pode libertar antes de a sua reserva ficar completamente esgotada. A partir desse ponto o pixel está saturado – luz adicional não tem qualquer efeito na tensão registada, e a célula lê o seu valor máximo independentemente do brilho crescente da cena.

A quantidade máxima que o fotodíodo pode perder antes de saturar é a sua capacidade de poço cheio. Pixels físicos maiores retêm mais carga armazenada e têm, por isso, uma capacidade de poço cheio maior, razão pela qual sensores com pixels menores e mais numerosos têm geralmente uma gama dinâmica inferior à dos seus homólogos de menor resolução.