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全阱容量和像素饱和度

jf_64961214 来源:jf_64961214 作者:jf_64961214 2024-04-22 07:01 次阅读

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图 1:示意图显示了三种不同相机的示例,它们具有不同的像素大小和不同的满阱容量。这些相机表明,全阱容量随着像素尺寸的增加而增加。在此示例中,尺寸增加超过 1.5 倍会导致像素内存储的电子增加 3.8 倍。

满井容量

全阱容量定义为可以在单个像素内存储而不会使像素饱和的电荷量。这取决于传感器的像素大小和相机的工作电压。在选择相机时,此限制可能是一个重要的考虑因素。

图 1 显示了像素为 4.25 μm 的相机、像素为 6.5 μm 的相机和像素为 11 μm 的相机的全阱容量示例。此示例显示了全阱容量如何随着像素大小的增加而增加。总体而言,满阱容量随着像素尺寸的增加而增加,如图 1 所示。

像素饱和度

饱和是一种现象,当单个像素不再能够存储更多的电荷(即不能接受更多的光电子)时就会发生。如果可以假设每个像素都是一个电子阱,则当该阱充满时就会发生饱和。

一个像素内可以存储的最大电荷很大程度上取决于其面积,但是由于电荷存储在势阱内,因此当电子接近饱和时,将电子捕获在阱内的概率会降低。

因此,当像素接近饱和极限时,光强度和信号之间的线性关系会降低。这导致了“饱和”像素下降的明显反应。油井容量有时被称为线性全井。这是光强度和信号衰减之间的线性度超过可接受水平的点,而不是当像素达到其最终饱和极限时。相机通常设计为该信号电平填充模数转换器的整个动态范围。

盛开

在饱和时,像素无法容纳任何额外的电荷,因此该电荷会分散到相邻的像素中。这会导致测量信号中的误差或相邻像素的饱和。这种电荷的扩散称为绽放,在图像中显示为白色条纹或斑点。

在CCD读出过程中,饱和信号中多余的电子会向下移动传感器,导致图像出现垂直条纹或拖尾,从而进一步破坏图像采集。

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图 2:传感器像素饱和引起的光晕。左图:日落图片,图像中的太阳非常明亮,以至于太阳本身绽放,泄漏到周围的像素中,并且整个图像上有一条垂直条纹。右图:标有水华和污迹的类似情况。

有几种不同类型的抗霜晕结构可以逆转这些影响,但最常见的两种是固定的和门控的。固定的抗光晕结构包含一个在像素旁边运行的漏极,在像素和漏极之间有一个屏障。如果像素中的电荷填充到势垒的高度,它将溢出到漏极中,从而阻止电荷流入相邻像素。门控防喷霜使用门式系统,其中屏障可以打开或关闭。这是由用户发送到门的脉冲控制的。如果打开,栅极允许像素中的任何电荷流入漏极。

总结

满阱容量是可以存储在单个像素内而不会饱和的电荷量。它取决于像素大小和相机工作电压。当像素饱和时,它不再能够存储更多的电荷。当像素接近其饱和极限时,光强度和信号之间的线性关系会降低。这会导致“饱和”像素下降。

在饱和时,电荷会扩散到相邻像素上,因为饱和像素不能容纳任何额外的电荷。这种电荷的扩散称为光晕,在图像上显示为白色斑点或污迹。在读出过程中,饱和信号中多余的电子向下移动到传感器上,导致垂直拖尾。

可以实施抗喷霜结构以防止喷霜效应。最常见的两种是固定和门控,其中固定结构在每个像素周围包含漏极以消除多余的电荷。门控结构使用屏障,可以手动切换为打开或关闭。如果打开,屏障允许任何电荷流入漏极。

审核编辑 黄宇

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