Elektrony i fotony
Niezależnie od typu półprzewodnikowego elementu światłoczułego podstawowa zasada jego działania jest zawsze taka sama. Światło, padając na złącze półprzewodnikowe, generuje w nim ładunek elektryczny. Oczywiście im więcej na złącze trafi fotonów (cząsteczek światła), tym wytworzona energia elektryczna będzie większa. Wystarczy teraz odczytać zgromadzony ładunek elektryczny i przesłać go dalej do obróbki przez elektronikę aparatu.
Przedstawiony sposób pracy detektora dotyczy przede wszystkim urządzeń typu CCD, gdzie mierzy się zgromadzony ładunek elektryczny. Elementy CMOS działają bardzo podobnie, lecz nie czyta się w nich wytworzonego ładunku. W tym wypadku elektrony wygenerowane na półprzewodnikowym złączu sterują przepływem prądu w fototranzystorze, który stanowi integralną część pojedynczej komórki obrazowej.
Aby zapisać w jednej chwili całe zdjęcie, potrzeba wielu sprzężonych ze sobą elementów światłoczułych, które połączone tworzą tzw. matrycę. Bezpośrednio od liczby punktów rejestrujących obraz zależy więc maksymalna rozdzielczość wykonywanych przez nas zdjęć. Niestety, nie jest ona jedynym parametrem charakteryzującym element obrazujący.
Duże znaczenie ma także rozmiar pojedynczej komórki światłoczułej – nie tylko wyznacza ona przy określonej rozdzielczości wymiary (im większa powierzchnia pojedynczego detektora, tym lepiej) całego przetwornika, ale decyduje też o maksymalnej czułości aparatu. Im mniejszy punkt rejestrujący obraz, tym mniej pada na niego fotonów, a więc mniejszy jest również wytworzony pod wpływem światła prąd. Tymczasem w złączu półprzewodnikowym dochodzi także do samoistnego pojawiania się ładunków. Powstający w ten sposób prąd nazywany jest prądem ciemnym i zależy jedynie od temperatury otoczenia. Ów ciemny prąd losowo zmienia wiel-kość ładunku elektrycznego generowanego przez światło, tworząc szum i zmniejszając czułość detektora. W wyniku tego procesu na fotografiach zauważyć można przypadkowo rozmieszczone różnokolorowe punkty. Zniekształcenia te są tym mniejsze, im wyższy jest stosunek prądu generowanego przez padające fotony do prądu ciemnego (stosunek sygnał/szum). Niestety, parametr ten ulega pogorszeniu wraz ze zmniejszaniem się powierzchni komórek światłoczułych, a wytworzenie sporych matryc z dużymi komórkami jest trudne i bardzo kosztowne – kółko więc się zamyka!
Rozmiar światłoczułego punktu ma także istotny wpływ na zakres dynamiki, czyli liczbę rozróżnianych poziomów jasności. Ograniczenie dynamiki powodowane jest zjawiskiem nasycenia złącza półprzewodnikowego. Oznacza to, że po przekroczeniu granicznej ilości fotonów padających na piksel generowany prąd przestaje wzrastać. Nie ma więc możliwości rozróżnienia jasności obiektów, których luminancja jest wyższa od maksymalnego poziomu – a tu z kolei, im większy element światłoczuły, tym łatwiej go “zatkać”.
