全阱容量和像素饱和度

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。

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