圖 1：示意圖顯示了三種不同相機(jī)的示例，它們具有不同的像素大小和不同的滿阱容量。這些相機(jī)表明，全阱容量隨著像素尺寸的增加而增加。在此示例中，尺寸增加超過(guò) 1.5 倍會(huì)導(dǎo)致像素內(nèi)存儲(chǔ)的電子增加 3.8 倍。

滿井容量

全阱容量定義為可以在單個(gè)像素內(nèi)存儲(chǔ)而不會(huì)使像素飽和的電荷量。這取決于傳感器的像素大小和相機(jī)的工作電壓。在選擇相機(jī)時(shí)，此限制可能是一個(gè)重要的考慮因素。

圖 1 顯示了像素為 4.25 μm 的相機(jī)、像素為 6.5 μm 的相機(jī)和像素為 11 μm 的相機(jī)的全阱容量示例。此示例顯示了全阱容量如何隨著像素大小的增加而增加。總體而言，滿阱容量隨著像素尺寸的增加而增加，如圖 1 所示。

像素飽和度

飽和是一種現(xiàn)象，當(dāng)單個(gè)像素不再能夠存儲(chǔ)更多的電荷(即不能接受更多的光電子)時(shí)就會(huì)發(fā)生。如果可以假設(shè)每個(gè)像素都是一個(gè)電子阱，則當(dāng)該阱充滿時(shí)就會(huì)發(fā)生飽和。

一個(gè)像素內(nèi)可以存儲(chǔ)的最大電荷很大程度上取決于其面積，但是由于電荷存儲(chǔ)在勢(shì)阱內(nèi)，因此當(dāng)電子接近飽和時(shí)，將電子捕獲在阱內(nèi)的概率會(huì)降低。

因此，當(dāng)像素接近飽和極限時(shí)，光強(qiáng)度和信號(hào)之間的線性關(guān)系會(huì)降低。這導(dǎo)致了“飽和”像素下降的明顯反應(yīng)。油井容量有時(shí)被稱為線性全井。這是光強(qiáng)度和信號(hào)衰減之間的線性度超過(guò)可接受水平的點(diǎn)，而不是當(dāng)像素達(dá)到其最終飽和極限時(shí)。相機(jī)通常設(shè)計(jì)為該信號(hào)電平填充模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。

盛開

在飽和時(shí)，像素?zé)o法容納任何額外的電荷，因此該電荷會(huì)分散到相鄰的像素中。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)中的誤差或相鄰像素的飽和。這種電荷的擴(kuò)散稱為綻放，在圖像中顯示為白色條紋或斑點(diǎn)。

在CCD讀出過(guò)程中，飽和信號(hào)中多余的電子會(huì)向下移動(dòng)傳感器，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)垂直條紋或拖尾，從而進(jìn)一步破壞圖像采集。

圖 2：傳感器像素飽和引起的光暈。左圖：日落圖片，圖像中的太陽(yáng)非常明亮，以至于太陽(yáng)本身綻放，泄漏到周圍的像素中，并且整個(gè)圖像上有一條垂直條紋。右圖：標(biāo)有水華和污跡的類似情況。

有幾種不同類型的抗霜暈結(jié)構(gòu)可以逆轉(zhuǎn)這些影響，但最常見的兩種是固定的和門控的。固定的抗光暈結(jié)構(gòu)包含一個(gè)在像素旁邊運(yùn)行的漏極，在像素和漏極之間有一個(gè)屏障。如果像素中的電荷填充到勢(shì)壘的高度，它將溢出到漏極中，從而阻止電荷流入相鄰像素。門控防噴霜使用門式系統(tǒng)，其中屏障可以打開或關(guān)閉。這是由用戶發(fā)送到門的脈沖控制的。如果打開，柵極允許像素中的任何電荷流入漏極。

總結(jié)

滿阱容量是可以存儲(chǔ)在單個(gè)像素內(nèi)而不會(huì)飽和的電荷量。它取決于像素大小和相機(jī)工作電壓。當(dāng)像素飽和時(shí)，它不再能夠存儲(chǔ)更多的電荷。當(dāng)像素接近其飽和極限時(shí)，光強(qiáng)度和信號(hào)之間的線性關(guān)系會(huì)降低。這會(huì)導(dǎo)致“飽和”像素下降。

在飽和時(shí)，電荷會(huì)擴(kuò)散到相鄰像素上，因?yàn)轱柡拖袼夭荒苋菁{任何額外的電荷。這種電荷的擴(kuò)散稱為光暈，在圖像上顯示為白色斑點(diǎn)或污跡。在讀出過(guò)程中，飽和信號(hào)中多余的電子向下移動(dòng)到傳感器上，導(dǎo)致垂直拖尾。

可以實(shí)施抗噴霜結(jié)構(gòu)以防止噴霜效應(yīng)。最常見的兩種是固定和門控，其中固定結(jié)構(gòu)在每個(gè)像素周圍包含漏極以消除多余的電荷。門控結(jié)構(gòu)使用屏障，可以手動(dòng)切換為打開或關(guān)閉。如果打開，屏障允許任何電荷流入漏極。

審核編輯 黃宇