4.5. Піксельна комірка

Датчик камери – це двовимірна матриця світлочутливих комірок, по одній на піксель. Кожна комірка – це невелика електрична схема, побудована навколо фотодіода, який перетворює світло на напругу; наприкінці кожного кадру ця напруга оцифровується в одне числове значення пікселя.

4.5.1. Схема

Активним елементом кожної комірки є фотодіод – невеликий світлочутливий p-n перехід у кремнії. При зворотному зміщенні фотодіод зберігає невеликий резервуар заряду, який вхідні фотони можуть поступово вивільняти.

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".

Піксельна схема: фотодіод із перемикачем скидання, що попередньо заряджає його, перемикачем передачі, що передає експоновану напругу на невеликий конденсатор-накопичувач, і вихід до підсилювача зчитування.

4.5.2. Цикл витримки

Кожна комірка проходить той самий чотириетапний цикл кожного кадру.

Попереднє заряджання. Цикл починається з короткого імпульсу скидання, що замикає перемикач скидання RST, підключаючи фотодіод до шини живлення та підіймаючи його збережену напругу до відомого опорного значення. Потім перемикач розмикається, залишаючи фотодіод ізольованим при напрузі скидання з повністю заповненим резервуаром заряду.

Витримка. Під час вікна витримки фотодіод залишається накопичувати світло. Кожен поглинений фотон витрачає частину збереженого заряду фотодіода. Світло змушує збережений заряд зменшуватись – чим яскравіша сцена, тим швидше розряджається фотодіод і тим нижча його напруга наприкінці вікна. Загальне падіння є сигналом пікселя.

Вибірка. Вікно витримки завершується коротким імпульсом на перемикачі передачі TX. Поки TX замкнений, залишковий заряд фотодіода скидається на невеликий конденсатор-накопичувач C, підключений до вузла B. Напруга на C тепер фіксує вимірювання пікселя. Потім TX знову розмикається, фіксуючи значення на C та звільняючи фотодіод для скидання до наступного кадру, поки C чекає своєї черги до підсилювача зчитування.

Зчитування. Підсилювач зчитування подає напругу з C на ADC, який перетворює її на ціле число – зазвичай 10–12 бітів сирої точності на піксель (іноді 14 у датчиках вищого класу). Це число і є сирим значенням пікселя. Все інше, що конвеєр робить із зображенням – корекції, дебаєризація, корекція кольору, конвертація формату – починається з цього числа, по одному на комірку.

4.5.3. Насичення

Фотодіод має максимальну кількість заряду, яку він може віддати, перш ніж його резервуар повністю виснажиться. Після цього пункту піксель насичений – додаткове світло не впливає на записану напругу, і комірка зчитує своє максимальне значення незалежно від того, наскільки яскравішою стає сцена.

Максимальна кількість заряду, яку фотодіод може втратити до насичення, є його повною ємністю. Більші фізичні пікселі зберігають більше заряду і тому мають вищу повну ємність – саме тому датчики з меншими, більш численними пікселями, як правило, мають нижчий динамічний діапазон порівняно з їхніми аналогами з нижчою роздільною здатністю.