4.5. Ô điểm ảnh

Một cảm biến camera là một lưới hai chiều các ô nhạy sáng, một ô cho mỗi điểm ảnh. Mỗi ô là một mạch điện nhỏ được xây dựng xung quanh một photodiode chuyển đổi ánh sáng thành điện áp, được số hóa thành một giá trị điểm ảnh số duy nhất vào cuối mỗi khung hình.

4.5.1. Mạch điện

Phần tử hoạt động trong mỗi ô là một photodiode -- một tiếp giáp p-n nhạy sáng nhỏ trong silicon. Dưới điện áp phân cực ngược, photodiode lưu trữ một lượng nhỏ điện tích mà các photon đến có thể giải phóng, từng chút một.

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".

Mạch điểm ảnh: một photodiode với công tắc đặt lại để nạp trước điện tích, một công tắc truyền chuyển điện áp đã phơi sáng sang một tụ giữ nhỏ, và một đầu ra đến bộ khuếch đại đọc.

4.5.2. Chu kỳ phơi sáng

Mỗi ô đều tuân theo cùng một chu kỳ bốn bước mỗi khung hình.

Nạp trước. Chu kỳ bắt đầu bằng một xung đặt lại ngắn đóng công tắc đặt lại RST, kết nối photodiode với ray cung cấp và nâng điện áp lưu trữ của nó lên một mức tham chiếu đã biết. Công tắc sau đó mở ra, để lại photodiode ở trạng thái cô lập tại điện áp đặt lại với bể điện tích đầy.

Phơi sáng. Trong cửa sổ phơi sáng, photodiode được để thu thập ánh sáng. Mỗi photon được hấp thụ làm tiêu tốn một lượng nhỏ điện tích lưu trữ của photodiode. Ánh sáng làm cho điện tích lưu trữ biến mất -- cảnh càng sáng, photodiode phóng điện càng nhanh và điện áp của nó càng thấp vào cuối cửa sổ. Tổng sụt áp là tín hiệu của điểm ảnh.

Lấy mẫu. Cửa sổ phơi sáng kết thúc bằng một xung ngắn trên công tắc truyền TX. Trong khi TX đóng, điện tích còn lại của photodiode được đổ vào tụ giữ nhỏ C được nối với nút B. Điện áp trên C bây giờ ghi lại phép đo của điểm ảnh. TX sau đó mở lại, khóa giá trị trên C và giải phóng photodiode để được đặt lại cho khung hình tiếp theo trong khi C đợi đến lượt tại bộ khuếch đại đọc.

Đọc ra. Bộ khuếch đại đọc đưa điện áp trên C đến ADC, ADC chuyển đổi nó thành một số đếm số nguyên -- thường là 10 đến 12 bit độ chính xác thô mỗi điểm ảnh (đôi khi là 14 bit trong các cảm biến cao cấp hơn). Số đếm đó là giá trị điểm ảnh thô. Mọi thứ khác mà pipeline thực hiện với ảnh -- hiệu chỉnh, debayering, phân loại màu sắc, chuyển đổi định dạng -- đều bắt đầu từ con số này, một con số cho mỗi ô.

4.5.3. Bão hòa

Photodiode có lượng điện tích tối đa có thể nhường trước khi bể điện tích của nó bị cạn kiệt hoàn toàn. Sau điểm đó, điểm ảnh bị bão hòa -- ánh sáng bổ sung không có tác dụng gì đến điện áp được ghi, và ô đọc giá trị tối đa của nó bất kể cảnh sáng hơn bao nhiêu.

Lượng tối đa mà photodiode có thể mất trước khi bão hòa là dung lượng giếng đầy của nó. Các điểm ảnh vật lý lớn hơn giữ nhiều điện tích lưu trữ hơn và do đó có dung lượng giếng đầy cao hơn, đó là lý do tại sao các cảm biến có điểm ảnh nhỏ hơn và nhiều hơn thường có dải động thấp hơn so với các đối tác có độ phân giải thấp hơn của chúng.