全阱容量和像素飽和度

圖 1：示意圖顯示了三種不同相機的示例，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 1.5 倍會導(dǎo)致像素內(nèi)存儲的電子增加 3.8 倍。

滿井容量

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

圖 1 顯示了像素為 4.25 μm 的相機、像素為 6.5 μm 的相機和像素為 11 μm 的相機的全阱容量示例。此示例顯示了全阱容量如何隨著像素大小的增加而增加?？傮w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)單個像素不再能夠存儲更多的電荷(即不能接受更多的光電子)時就會發(fā)生。如果可以假設(shè)每個像素都是一個電子阱，則當(dāng)該阱充滿時就會發(fā)生飽和。

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

因此，當(dāng)像素接近飽和極限時，光強度和信號之間的線性關(guān)系會降低。這導(dǎo)致了“飽和”像素下降的明顯反應(yīng)。油井容量有時被稱為線性全井。這是光強度和信號衰減之間的線性度超過可接受水平的點，而不是當(dāng)像素達(dá)到其最終飽和極限時。相機通常設(shè)計為該信號電平填充模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整個動態(tài)范圍。

盛開

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

在CCD讀出過程中，飽和信號中多余的電子會向下移動傳感器，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，圖像中的太陽非常明亮，以至于太陽本身綻放，泄漏到周圍的像素中，并且整個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)包含一個在像素旁邊運行的漏極，在像素和漏極之間有一個屏障。如果像素中的電荷填充到勢壘的高度，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在單個像素內(nèi)而不會飽和的電荷量。它取決于像素大小和相機工作電壓。當(dāng)像素飽和時，它不再能夠存儲更多的電荷。當(dāng)像素接近其飽和極限時，光強度和信號之間的線性關(guān)系會降低。這會導(dǎo)致“飽和”像素下降。

在飽和時，電荷會擴散到相鄰像素上，因為飽和像素不能容納任何額外的電荷。這種電荷的擴散稱為光暈，在圖像上顯示為白色斑點或污跡。在讀出過程中，飽和信號中多余的電子向下移動到傳感器上，導(dǎo)致垂直拖尾。

可以實施抗噴霜結(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