- ДЕФЕКТИ матриць ПЗС - НОРМАТИВИ І РЕАЛЬНІСТЬ

ДЕФЕКТИ матриць ПЗС - НОРМАТИВИ І РЕАЛЬНІСТЬ

А.Куликов

Просунуті покупці телевізійних камер (а також, побутових відеокамер, WEB-камер, цифрових фотоапаратів і т.д.) при їх перевірці обов'язково проводять тест на "биті" пікселі (вони ж, "гарячі пікселі", вони ж, "білі точки" , вони ж, "дефекти матриці"). До слова кажучи, звичайні покупці просто не звертають на них уваги. При перевірці просунутий покупець закриває об'єктив камери від світла щільним матеріалом. Тоді, на екрані, підключеного до камери монітора ставати видно тільки флуктуірует зернистий шум. Але, якщо уважно придивитися до зображення, то в різних його місцях можна помітити кілька постійно світяться білих точок. Спочатку вони ледве помітні, але з часом, при прогріванні камери точки стають все більш і більш яскравими. Це і є "гарячі пікселі". Мало хто знає, що фірми виробники матриць ПЗС мають спеціальні нормативи на кількість і амплітуди дефектних пікселів в різних зонах зображення. Як приклад, ми докладно розглянемо нормативні документи фірми SONY на матрицю ПЗС типу ICX-259AL. Відзначимо, що специфікація SONY наводиться за умови роботи матриць ПЗС в рекомендованому SONY стандартному режимі роботи матриці по годує напруженням і розмахом тактовихімпульсів. Стандартні режими по напруженням і струмів використовують в своїх камерах більшість фірм виробників, в тому числі і фірма ЕВС.

Специфікація SONY по дефектам на матрицю ICX-259AL

Витяги з специфікації фірми SONY на дефекти, які допускаються в матрицях ПЗС типу ICX-259AL наведені нижче на англійській мові:

SONY (ICX259AL-E)

Spot Blemish Specifications (Field readout CCD signal, Ta = 25 ° C) (Field readout CCD signal, Ta = 25 ° C)

Zone Allowable blemishes Total allowable blemishes Size Level Interval 0: 1 3 3 ≤ L ≤ 10 lines 4 <R <8% ≥ 200 lines I 2 II 3 4 ≤ L ≤ 20 lines 4 <R <8% Overlap permitted For instances of two or more zones, the surface area of ​​the largest zone is used.

Notes

D ... Spot blemish level.

1. Zone III - no evaluation criteria applied.
2. In the optical black (OB), the level of white blemishes in the dark must be 6mV or less in the horizontal optical black (HOB) and 18mV or less in the vertical optical black (VOB) (Ta = 60 ° C).
3. Zone definition is illustrated in figure below.

The Zone IT specification applies to the black blemishes at low light in the halftone area of ​​Zone III on the monitor. (See the figure shown below.)

Spot Blemish Zone Definition

Measurement Method for Spot Blemishes After setting to standard imaging condition III , and the device driver should be set to meet bias and clock voltage conditions . Configure the driver circuit according to the example and measure at the CCD output [* A] point.

1. Black or white blemishes at high light After adjusting the luminous intensity so that the average value of signal output is 200mV, measure the local dip point (black blemishes at high light, VB) and peak point (white blemishes at high light, VK ) in the signal output. Substitute the value into the following formula.

2. Black blemishes at low light After adjusting the luminous intensity so that the average value of signal output is 10mV, measure the local dip point in the signal output.

3. White blemishes in the dark

Set the device to a dark setting and measure the local peak point of the signal output waveform, using the average value of the dark signal output as a reference. 4. Black or white blemishes at electronic shutter operation

Set to electronic shutter operation, adjust the luminous intensity so that the average value of signal output is 10mV, and measure the local dip point (black blemishes at electronic shutter operation) and peak point (white blemishes at electronic shutter operation).

Stain Specifications

Zone Allowable blemishes Total allowable blemishes Size Level Interval 0: 1 3 3 ≤ L ≤ 10 lines 4 <R <8% ≥ 200 lines I 2 II 3 4 ≤ L ≤ 20 lines 4 <R <8% Overlap permitted For instances of two or more zones, the surface area of ​​the largest zone is used.

Stain Measurement Method

In the following measurements, set to standard imaging condition ???, set the lens iris to F16, and adjust the luminous intensity so that the average value of signal output is 200mV. Measure the local dip in the average value of signal output (VBL) and then calculate the stain level (R) as the ratio of VBL to the average value of signal output.

At the same time, the size (L) of the area where the stain level is 4% or more is determined by CCIR frame line number conversion. The distance from one center of a stain to another is the stain interval, and is also determined in the same fashion by CCIR frame line number conversion.

SONY (ICX259AL-E)

Розглянемо докладніше, які дефекти допускає в своїх матрицях фірма SONY.

У таблиці "Spot Blemish Specifications" наводяться допустимі точкові (більш правильний переклад слова "spot" - пляма) білі і чорні дефекти, як в темряві, так і при засветке матриці в різних її зонах. З таблиці видно, що навіть в центральній зоні зображення "0" (яка займає менше 1/4 всієї площі зображення) допускається 4 білих плями (відзначимо, що, точкові дефекти можуть бути "многопіксельнимі", наприклад, дефект розмірами 2х2 пікселя все ще вважається одним плямою) амплітудою рівною, або більше 12 мВ. З огляду на те, що в datasheet SONY на матрицю ПЗС типу ICX-259AL сигнал насичення вказано рівним 1000 мВ, можна визначити, що SONY в своїй матриці допускає 4 точкових білих дефекту в центральній зоні зображення з амплітудою більше 1% від рівня насичення. Реально, при роботі телевізійної камери такі білі точки при спостереженні днем ​​при світлі Сонця будуть не видно, але вранці і ввечері, при відпрацюванні системи АРУ, вони вже будуть помітні, а вночі при максимальному посиленні 32 дБ вони будуть сяяти на екрані монітора як зірки першої величини. У зонах II і II 'допускаються білі і чорні дефекти амплітудою до 20% від вимірювального рівня 200 мВ, що відповідає 4% від рівня насичення. Такі точки будуть помітні навіть при спостереженні в денних умовах на рівному тлі. Цікаво, що в специфікації SONY кількість точкових дефектів з амплітудою менше 1% від рівня насичення взагалі не лімітуються, тобто на зображенні їх може бути скільки завгодно! У режимі електронного затвора в усіх зонах допускаються 4 білих, або чорних точки з амплітудою більше 3 мВ, тобто, фактично, ці чотири точки можуть бути будь-амплітуди, аж до рівня насичення, а точок амплітудою менше 3 мВ може бути будь-яка кількість.

У таблиці "Stain Specifications" (специфікація на плями великого розміру) зазначено, що в зонах "0" і "I" (тобто в центральних зонах) допускаються до 3-х плям розмірами до 10 рядків (тобто плями розмірами 10 х 10 пікселів) з амплітудою до 8% від вимірювального рівня. Такі плями будуть добре помітні на рівному тлі при спостереженні навіть в денних умовах. У крайовій зоні "II" допускається 3 плями розмірами 20 х 20 пікселів, які неможливо не помітити при будь-яких умовах спостереження.

Підводячи підсумок по огляду специфікацій SONY на дефекти, відзначимо, що не тільки SONY, а й інші виробники ПЗС допускають можливість великого числа дефектів в своїх матрицях На щастя, в даний час значна частка матриць SONY (80 - 90%) має дефекти набагато менше гранично допустимих. Багаторічна статистика заводу ЕВС показує, що тільки 10 - 20% матриць фірма SONY випускає з дефектами, рівень яких наближається до граничних значень, зазначених у розглянутій специфікації. І тільки 1% продаються матриць не задовольняє нормативам SONY. Цікаво відзначити, що рівень дефектів матриць ПЗС сильно відрізняється від партії до партії, і залежить від пори року. Найгірші матриці з нез'ясованих причин випускаються в осінні місяці, а кращі - навесні. Цікаво, що в приладах, що виготовляються за різними технологіями, різні види дефектів присутні в різних пропорціях. Наприклад, для технології ExViewHad (SONY) найбільш характерні дефекти типу 1.2 і 2.1. (Див. Опис видів дефектів нижче). Для серій SuperHad, навпаки, такі дефекти вкрай рідкісні, а найбільшим чином виявляються дефекти видів 1.1., 1.3 і 2.2 .. Для матриць старих поколінь, особливо, у фірм Sharp і Samsung часто зустрічаються дефекти типів 3 і 4. Для матриць, що виготовляються на корейських і тайваньських заводах нерідко характерні дефекти п.п. 2.3., 6.1 і 6.2 типу "смуг" і "плям", які практично відсутні в матрицях японського виробництва.

Види дефектів в реальних матрицях ПЗС.

У специфікаціях на матриці фірми виробники вказують далеко не всі можливі для матриць ПЗС дефекти. На щастя для фірм-виробників телевізійних камер і цифрових фотоапаратів навіть просунуті покупці не знають всіх можливих дефектів матриць ПЗС і не перевіряють їх наявність. Інакше до фірм - виробників було б набагато більше претензій. Нижче, для освіти співробітників займаються охоронним телебаченням, ми розглянемо різні види дефектів ПЗС, в тому числі і ті, які не вказуються фірмами-виробниками матриць в своїх нормативах.

Спостережувані на екрані монітора дефекти фотоприйомних ПЗС матриць в більшості випадків пов'язані або з дефектами кристалічної структури напівпровідника, що з'явилися в процесі вирощування кристала, або з похибками фотолітографічних і хімічних процесів, що протікають при обробці кремнієвих пластин. Дефекти можуть утворюватися на різних стадіях виробництва матриць, і бути геометрично розташовані в різних секціях та елементах матриці ПЗС, тому, залежно від цього їх вплив на роботу фотоприймача буде різним. Дефекти можна класифікувати за різними ознаками, таким як геометрична форма (точкові, стовпчики, плями, і т.п.), з їхньої поведінки в залежності від різних факторів: (зміни напруги, температури, фази керуючих імпульсів і т.п.), щодо їх зміни в процесі часу (постійні, пульсуючі, що виникають в процесі роботи, або зберігання і т.п.) і по різним іншими критеріями. Ми будемо розглядати дефекти в першу чергу за ознаками геометричної форми і по відмінності їх залежності від впливають на матрицю ПЗС зовнішніх факторів.

1. Білі точки - є найбільш помітними (і найбільш відомими споживачам) дефектами матриць ПЗС. Їх легко виявити, закривши об'єктив від світла щільним матеріалом, або закривши діафрагму об'єктива (в разі АРД об'єктива досить вийняти роз'єм кабелю об'єктива з роз'єму камери). Дефекти типу "білі точки" бувають різних видів:

1. Білі точки - центри підвищеної генерації темнового струму (так звані "гарячі пікселі"). Їх легко відрізнити від інших видів білих точок тим, що вони при включенні камери мають незначну яскравість, а потім при прогріванні матриці ПЗС їх яскравість монотонно збільшується (прийнято вважати, що при збільшенні температури на 7 - 8 градусів Цельсія амплітуда цих дефектів збільшується в 2 рази ). Ще однією ознакою "гарячих пікселів" є їх залежність від часу експозиції в режимі електронного затвора. Чим більше встановлено час експозиції, тим точка яскравіше. Тут залежність - прямо пропорційна. Велика частина точкових дефектів, які спостерігаються на рис. 1 є дефектами даного типу.

   

   Рис.1. Зображення темнового струму не найкращої зразка матриці ПЗС типу ICX-259AL, але, тим не менше, задовольняє специфікаціям фірми SONY на точкові дефекти, при часу експозиції 20 мс і температурі +45 градусів Цельсія (зліва) і зображення і осцилограми "точкового" дефекту "А" типу 1.1. розмірами 4 пікселя х 2 рядки (праворуч).

2. Білі точки - дефекти структури напівпровідника пов'язані ні з генерацією темнового струму, а з інжекцією заряду з утворився в результаті дефекту структури каналу зв'язку даного пікселя ПЗЗ з внутрішнім джерелом зарядів. Ці дефекти, як правило, постійної амплітуди, незалежної ні від температури, ні від часу експозиції. Зазвичай, вони мають або яскраво виражений пороговий ефект в яскравості і яскравості і майже не залежать від температури і часу експозиції, але залежать від напруги прикладеного до електрода позитивного харчування матриці (або від напружень на фазних електродах). У певному діапазоні напруг їх амплітуда досить лінійно залежить від напруги (рис.2). Іноді, в широкому діапазоні напруг цей білий дефект "яскраво сяє" на зображенні, а при зміні напруги трохи вище, або нижче порогових, він повністю пропадає (інжекція заряду перекривається). Зазвичай, в реальних матрицях ПЗС дефектів типу 1.2. менше, ніж центрів підвищеної генерації темнового струму (1.1.), але амплітуда сигналу від них, як правило, вище.

   

   Рис.2. Ілюстрація залежності амплітуди білого дефекту типу 1.2. від напруги на позитивних пластинах харчування матриці ПЗС (+ 15V).

3. Пульсуючі білі крапки - особливий вид дефектів, які, то з'являються, то зникають з періодом мерехтіння від десятків мілісекунд до хвилин і навіть годин. Пульсуючі дефекти бувають, як першого виду (центри генерації темнового струму п. 1.1.), Так і другого (дефекти структури п. 1.2). За статистикою ЕВС частка мерехтливих дефектів в матрицях невелика, і приблизно становить 1 - 2% від усіх білих точкових дефектів. Причина мерехтінь дефектів не ясна, в літературі майже немає повідомлень на цю тему. Відзначимо, що в залежності від геометричного місця розташування пульсуючого дефекту він може в певних випадках трансформуватися в пульсуючий "стовп", або пульсуючий "смугу".

   

   Рис.3. Ілюстрація надяскравого білого дефекту типу 1.2. (20% від рівня насичення матриці ПЗС), який видно навіть вдень

4. З'являються в процесі роботи або зберігання ПЗС білі точки, обумовлені, в основному, двома причинами. Перша з них - потрапляння в матрицю ПЗС частинок високих енергій, які викликають локальне руйнування структури напівпровідника, що приводить до появи білого точкового дефекту, в основному виду 1.2. Найбільший ризик виникнення нових дефектних пікселів виникає при роботі камери в зонах з підвищеною радіацією, або у високих шарах атмосфери і в космосі. Статистика роботи телевізійних камер на космічних апаратах показує, що за рік перебування на орбіті супутника в сенсорі SONY типу ICX-249AL з'являється кілька десятків нових білих точкових дефектів різної амплітуди. Іншою причиною з'являються знову точкових дефектів (і стовпчиків) може бути мікропроб всередині напівпровідника (обумовлений прикладаються до сенсорі напруженнями в процесі роботи камери) в тих місцях, де вже знаходився невеликий дефект його структури. Після мікропробоя область руйнування збільшується, що і призводить до появи на сенсорі знову з'явився точкового дефекту значною амплітуди.

2. Чорні і сірі точки - дефекти, на які споживачі не так часто звертають увагу, так як вони менш помітні на зображенні, також бувають різних видів.

1. Чорні точки, викликані порушенням структури напівпровідника проявляються, як постійний "чорний піксель", або група пікселів, що не залежать ні від рівня освітленості, ні від інших факторів. У чорному пікселі не може утворюватися заряд і передаватися далі в регістри ПЗС. Приклад точкового дефекту даного типу наведено на рис. 4 (зліва).

   

   Рис.4. Чорний дефект типу 2.1. (Зліва) і крупинки клею і скла на поверхні матриці ПЗС (праворуч)

2. Чорні та сірі точки, обумовлені дефектом напівпровідника, що обмежує канал переносу заряду деякою величиною, меншою рівня насичення. Зазвичай, при малих рівнях освітленості (малої величині заряду) такі дефекти не видно, але починаючи, з деякого рівня, амплітуда сигналу в них не змінюється при збільшенні рівня освітленості. Такі дефекти виглядають як сірі, або чорні точки на зображенні при великих рівнях освітленості. Найбільш помітні вони на рівному тлі зображення (стіни будівель, поверхні автомобілів, чисте небо і т.д.).
3. Чорні та сірі точки, обумовлені прилипли до поверхні фоточутливого шару матриці крупинками пилу, або інших матеріалів, що застосовуються при виробництві матриці ПЗС. Ці пилинки, що потрапили на поверхню матриці працюють як локальні мініатюрні нейтральні світлофільтри, що ослабляють сигнал в тих пікселях над якими вони знаходяться (див. Рис. 4, праворуч). Такі дефекти можуть в процесі роботи телевізійної камери як збільшуватися в кількості (наприклад, шматочки клею, яким приклеєне захисне скло, можуть відвалюватися і потрапляти на фоточутливий поверхню), так і зникати (при механічних впливах крупинка може переміститися за межі фоточутливої ​​області матриці).

Відзначимо, що білі і чорні точки бувають різного розміру, як в один піксель, так і більші за кілька пікселів, витягнуті як в напрямку рядків, так і в напрямку стовпців.

взято з www.sec.ru