Cơ chế bên trong của cảm biến CMOS di động: Bộ lọc Bayer và giếng điốt quang
Mỗi bức ảnh kỹ thuật số được chụp bằng điện thoại thông minh đều bắt nguồn từ một Cảm biến pixel hoạt động bán dẫn oxit kim loại (CMOS) bổ sung. Bề mặt của cảm biến silicon bao gồm hàng triệu giếng ánh sáng photodiode cực nhỏ. Bởi vì điốt quang silicon về bản chất là mù màu (chỉ đo tổng cường độ ánh sáng), nên một mảng lọc màu khảm cực nhỏ được gọi là Bộ lọc Bayer được liên kết với bề mặt cảm biến theo mô hình xen kẽ 50% Xanh lục, 25% Đỏ và 25% Xanh lam ống kính vi mô.
Các photon ánh sáng tấn công vào từng photodiode, đánh bật các electron thông qua hiệu ứng quang điện để tích lũy điện tích. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) trên chip biến điện tích này thành số kỹ thuật số 10 bit hoặc 14 bit. Bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP) sẽ loại bỏ các giá trị RGB thô này, thực hiện giảm nhiễu đa khung hình, ánh xạ tông màu và xuất ra các khung hình video nguyên sơ ở tốc độ 30 đến 60 FPS.
Chẩn đoán lỗi cảm biến: Điểm ảnh chết, Điểm ảnh nóng và Bức xạ vũ trụ
Trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, hoặc do hậu quả của bức xạ nền tự nhiên và chu trình nhiệt, các giếng photodiode riêng lẻ có thể phát triển các khuyết tật vi mô:
- Điểm ảnh chết (Đen): Xảy ra khi kết nối điện của photodiode bị hỏng hoàn toàn hoặc mạch pixel chạm đất. Điểm ảnh tạo ra điện áp bằng 0 bất kể ánh sáng tới, hiển thị dưới dạng điểm đen vĩnh viễn.
- Điểm ảnh nóng (Đỏ tươi, Xanh lục hoặc Xanh lam): Nguyên nhân là do sự lệch mạng tinh thể silicon cho phép năng lượng nhiệt tạo ra các cặp electron-lỗ trống ngay cả trong bóng tối tuyệt đối (rò rỉ dòng tối). Các điểm ảnh nóng trở nên rõ ràng khi phơi sáng lâu hoặc khi cảm biến của thiết bị nóng lên trong quá trình quay video kéo dài.
- Pixel bị kẹt: Xảy ra khi bóng bán dẫn vẫn bị khóa ở trạng thái mở, làm bão hòa ADC và tạo ra độ chói toàn thang (màu trắng tinh khiết hoặc màu RGB đầy đủ) trong mọi điều kiện ánh sáng.
Phép trừ khung tối: Tiêu chuẩn khoa học để kiểm tra cảm biến
Trong chụp ảnh thiên văn chuyên nghiệp và quang phổ khoa học, tình trạng cảm biến được kiểm tra bằng cách sử dụng phép trừ khung tối. Bằng cách chặn tất cả các photon tới tiếp cận cảm biến (cửa trập đóng hoặc ống kính bị che), bất kỳ tín hiệu nào được máy ảnh ghi lại đều thể hiện nhiễu nhiệt điện tử thuần túy và rò rỉ điốt quang. Máy quét trực tuyến của FlashSoft phân tích các khung hình tối này với độ tương phản được khuếch đại để phát hiện các điểm ảnh nóng bị cô lập báo hiệu sự xuống cấp của cảm biến.