4.5. เซลล์พิกเซล

sensor กล้องคือกริดสองมิติของเซลล์ที่ไวต่อแสง หนึ่งเซลล์ต่อพิกเซล แต่ละเซลล์เป็นวงจรไฟฟ้าขนาดเล็กที่สร้างรอบ โฟโตไดโอด ที่แปลงแสงเป็นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งในตอนท้ายของแต่ละเฟรมจะถูกแปลงเป็นดิจิทัลเป็นค่าตัวเลขพิกเซลเดียว

4.5.1. วงจร

องค์ประกอบที่ทำงานในแต่ละเซลล์คือ โฟโตไดโอด -- รอยต่อ p-n ที่ไวต่อแสงขนาดเล็กในซิลิกอน ภายใต้ไบอัสย้อนกลับ โฟโตไดโอดเก็บสำรองประจุขนาดเล็กที่โฟตอนที่เข้ามาสามารถปล่อยออกมาได้ทีละน้อย

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".

วงจรพิกเซล: โฟโตไดโอดพร้อมสวิตช์รีเซ็ตที่พรีชาร์จ สวิตช์ transfer ที่ส่งแรงดันที่รับแสงไปยังตัวเก็บประจุเก็บข้อมูลขนาดเล็ก และเอาต์พุตไปยังแอมพลิฟายเออร์อ่านค่า

4.5.2. วงจรการรับแสง

ทุกเซลล์ดำเนินตามวงจรสี่ขั้นตอนเดียวกันในแต่ละเฟรม

พรีชาร์จ วงจรเริ่มต้นด้วยพัลส์รีเซ็ตสั้น ๆ ที่ปิดสวิตช์รีเซ็ต RST เชื่อมต่อโฟโตไดโอดกับราง supply และยกแรงดันที่เก็บไว้ขึ้นสู่ค่าอ้างอิงที่ทราบ จากนั้นสวิตช์จะเปิด ปล่อยให้โฟโตไดโอดอยู่ตัวเดียวที่แรงดันรีเซ็ตพร้อมสำรองประจุเต็ม

การรับแสง ในระหว่างหน้าต่างการรับแสง โฟโตไดโอดถูกปล่อยให้สะสมแสง โฟตอนที่ถูกดูดซับแต่ละตัวทำให้โฟโตไดโอดสูญเสียประจุเก็บไว้เล็กน้อย แสงทำให้ประจุที่เก็บไว้ หายไป -- ยิ่งฉากสว่างมากเท่าไหร่ โฟโตไดโอดก็คายประจุเร็วขึ้นเท่านั้น และแรงดันจะต่ำลงเมื่อสิ้นสุดหน้าต่าง การลดลงทั้งหมดคือสัญญาณของพิกเซล

การสุ่มตัวอย่าง หน้าต่างการรับแสงสิ้นสุดลงด้วยพัลส์สั้น ๆ บนสวิตช์ transfer TX ในขณะที่ TX ปิดอยู่ ประจุที่เหลืออยู่ของโฟโตไดโอดจะถูกถ่ายโอนลงบนตัวเก็บประจุเก็บข้อมูลขนาดเล็ก C ที่ต่อกับโหนด B แรงดันบน C ตอนนี้บันทึกการวัดของพิกเซล จากนั้น TX จะเปิดอีกครั้ง ล็อกค่าบน C และปลดปล่อยโฟโตไดโอดเพื่อรีเซ็ตสำหรับเฟรมถัดไปในขณะที่ C รอถึงคิวที่แอมพลิฟายเออร์อ่านค่า

อ่านค่า แอมพลิฟายเออร์อ่านค่าป้อนแรงดันบน C ไปยัง ADC ซึ่งแปลงเป็นการนับจำนวนเต็ม -- โดยปกติคือความแม่นยำดิบ 10 ถึง 12 บิตต่อพิกเซล (บางครั้ง 14 ในเซนเซอร์ระดับสูงกว่า) การนับนั้นคือ ค่าพิกเซลดิบ ทุกสิ่งที่ไปป์ไลน์ทำกับภาพหลังจากนั้น -- การแก้ไข การ debayering การปรับสี การแปลงรูปแบบ -- เริ่มต้นจากตัวเลขนี้ หนึ่งตัวต่อเซลล์

4.5.3. ความอิ่มตัว

โฟโตไดโอดมีปริมาณประจุสูงสุดที่สามารถสูญเสียได้ก่อนที่สำรองจะหมดสิ้น เกินจุดนั้นพิกเซลจะ อิ่มตัว -- แสงเพิ่มเติมไม่มีผลต่อแรงดันที่บันทึก และเซลล์จะอ่านค่าสูงสุดไม่ว่าฉากจะสว่างแค่ไหน

ปริมาณสูงสุดที่โฟโตไดโอดสามารถสูญเสียได้ก่อนอิ่มตัวคือ ความจุบ่อเก็บประจุเต็ม พิกเซลทางกายภาพที่ใหญ่กว่าเก็บประจุได้มากกว่าและมีความจุบ่อเก็บประจุเต็มสูงกว่า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม sensor ที่มีพิกเซลขนาดเล็กกว่าและมีจำนวนมากกว่าโดยทั่วไปมีช่วงไดนามิกต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ sensor ที่มีความละเอียดต่ำกว่า