ДЕФЕКТЫ МАТРИЦ ПЗС - НОРМАТИВЫ И РЕАЛЬНОСТЬ

А.Куликов

Продвинутые покупатели телевизионных камер ( а также, бытовых видеокамер, WEB-камер, цифровых фотоаппаратов и т.д.) при их проверке обязательно проводят тест на "битые" пиксели (они же, "горячие пиксели", они же, "белые точки", они же, "дефекты матрицы"). К слову говоря, обычные покупатели просто не обращают на них внимания. При проверке продвинутый покупатель закрывает объектив камеры от света плотным материалом. Тогда, на экране, подключенного к камере монитора становиться виден только флуктуирующий зернистый шум. Но, если внимательно приглядеться к изображению, то в разных его местах можно заметить несколько постоянно светящихся белых точек. Сначала они еле заметны, но со временем, при прогреве камеры точки становятся все более и более яркими. Это и есть "горячие пиксели". Не многие знают, что фирмы изготовители матриц ПЗС имеют специальные нормативы на количество и амплитуды дефектных пикселей в различных зонах изображения. В качестве примера, мы подробно рассмотрим нормативные документы фирмы SONY на матрицу ПЗС типа ICX-259AL. Отметим, что спецификация SONY приводится при условии работы матриц ПЗС в рекомендуемом SONY стандартном режиме работы матрицы по питающим напряжениям и размахам тактовых импульсов. Стандартные режимы по напряжениям и токам используют в своих камерах большинство фирм производителей, в том числе и фирма ЭВС.

Спецификация SONY по дефектам на матрицу ICX-259AL

Выдержки из спецификации фирмы SONY на дефекты, которые допускаются в матрицах ПЗС типа ICX-259AL приведены ниже на английском языке:

SONY (ICX259AL-E)

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

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

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)

Рассмотрим подробнее, какие дефекты допускает в своих матрицах фирма SONY.

В таблице "Spot Blemish Specifications" приводятся допускаемые точечные (более правильный перевод слова "spot" - пятно) белые и черные дефекты, как в темноте, так и при засветке матрицы в различных ее зонах. Из таблицы видно, что даже в центральной зоне изображения "0" (которая занимает менее 1/4 всей площади изображения) допускается 4 белых пятна ( отметим, что, точечные дефекты могут быть "многопиксельными", например, дефект размерами 2х2 пикселя все еще считается одним пятном) амплитудой равной, или больше 12 мВ. Учитывая то, что в datasheet SONY на матрицу ПЗС типа ICX-259AL сигнал насыщения указан равным 1000 мВ, можно определить, что SONY в своей матрице допускает 4 точечных белых дефекта в центральной зоне изображения с амплитудой более 1% от уровня насыщения. Реально, при работе телевизионной камеры такие белые точки при наблюдении днем при свете Солнца будут не видны, но утром и вечером, при отработке системы АРУ, они уже будут заметны, а ночью при максимальном усилении 32 дБ они будут сиять на экране монитора как звезды первой величины. В зонах II и II' допускаются белые и черные дефекты амплитудой до 20% от измерительного уровня 200 мВ, что соответствует 4% от уровня насыщения. Такие точки будут заметны даже при наблюдении в дневных условиях на ровном фоне. Интересно, что в спецификации SONY количество точечных дефектов с амплитудой менее 1% от уровня насыщения вообще не лимитируются, то есть на изображении их может быть сколько угодно! В режиме электронного затвора во всех зонах допускаются 4 белых, или черных точки с амплитудой более 3 мВ, то есть, фактически, эти четыре точки могут быть любой амплитуды, вплоть до уровня насыщения, а точек амплитудой менее 3 мВ может быть любое количество.

В таблице "Stain Specifications" (спецификация на пятна большого размера) указано, что в зонах "0" и "I" (то есть в центральных зонах) допускаются до 3-х пятен размерами до 10 строк (то есть пятна размерами 10 х 10 пикселей) с амплитудой до 8% от измерительного уровня. Такие пятна будут хорошо заметны на ровном фоне при наблюдении даже в дневных условиях. В краевой зоне "II" допускается 3 пятна размерами 20 х 20 пикселей, которые невозможно не заметить при любых условиях наблюдения.

Подводя итог по обзору спецификаций SONY на дефекты, отметим, что не только SONY, но и другие производители ПЗС допускают возможность большого числа дефектов в своих матрицах К счастью, в настоящее время значительная доля матриц SONY (80 - 90%) имеет дефекты намного меньше предельно допустимых. Многолетняя статистика завода ЭВС показывает, что только 10 - 20% матриц фирма SONY выпускает с дефектами, уровень которых приближается к предельным значениям, указанным в рассмотренной спецификации. И только 1% продающихся матриц не удовлетворяет нормативам SONY. Интересно отметить, что уровень дефектов матриц ПЗС сильно отличается от партии к партии, и зависит от времени года. Худшие матрицы по невыясненным причинам выпускаются в осенние месяцы, а лучшие - весной. Интересно, что в приборах, изготавливаемых по разным технологиям, различные виды дефектов присутствуют в разных пропорциях. Например, для технологии ExViewHad (SONY) наиболее характерны дефекты типа 1.2 и 2.1. (см. описание видов дефектов ниже). Для серий SuperHad, наоборот, такие дефекты крайне редки, а наибольшим образом проявляются дефекты видов 1.1., 1.3 и 2.2.. Для матриц старых поколений, особенно, у фирм Sharp и Samsung часто встречаются дефекты типов 3 и 4. Для матриц, изготавливаемых на корейских и тайваньских заводах нередко характерны дефекты п.п. 2.3., 6.1 и 6.2 типа "полос" и "пятен", которые практически отсутствуют в матрицах японского производства.

Виды дефектов в реальных матрицах ПЗС.

В спецификациях на матрицы фирмы изготовители указывают далеко не все возможные для матриц ПЗС дефекты. К счастью для фирм-производителей телевизионных камер и цифровых фотоаппаратов даже продвинутые покупатели не знают всех возможных дефектов матриц ПЗС и не проверяют их наличие. Иначе к фирмам - производителям было бы намного больше претензий. Ниже, для просвещения сотрудников занимающихся охранным телевидением, мы рассмотрим различные виды дефектов ПЗС, в том числе и те, которые не указываются фирмами-изготовителями матриц в своих нормативах.

Наблюдаемые на экране монитора дефекты фотоприемных ПЗС матриц в большинстве случаев связаны либо с дефектами кристаллической структуры полупроводника, появившимися в процессе выращивания кристалла, либо с погрешностями фотолитографических и химических процессов, протекающих при обработке кремниевых пластин. Дефекты могут образовываться на разных стадиях производства матриц, и быть геометрически расположены в разных секциях и элементах матрицы ПЗС, поэтому, в зависимости от этого их влияние на работу фотоприемника будет различным. Дефекты можно классифицировать по разным признакам, таким как геометрическая форма (точечные, столбики, пятна, и т.п.), по их поведению в зависимости от различных факторов: (изменения напряжения, температуры, фазы управляющих импульсов и т.п.), по их изменению в процессе времени (постоянные, пульсирующие, возникающие в процессе работы, или хранения и т.п.) и по различным другим критериям. Мы будем рассматривать дефекты в первую очередь по признакам геометрической формы и по различию их зависимости от воздействующих на матрицу ПЗС внешних факторов.

1. Белые точки - являются наиболее заметными (и наиболее известными потребителям) дефектами матриц ПЗС. Их легко обнаружить, закрыв объектив от света плотным материалом, или закрыв диафрагму объектива (в случае АРД объектива достаточно вынуть разъем кабеля объектива из разъема камеры). Дефекты типа "белые точки" бывают различных видов :

1. Белые точки - центры повышенной генерации темнового тока (так называемые "горячие пиксели"). Их легко отличить от других видов белых точек тем, что они при включении камеры имеют незначительную яркость, а затем при прогреве матрицы ПЗС их яркость монотонно увеличивается (принято считать, что при увеличении температуры на 7 - 8 градусов Цельсия амплитуда этих дефектов увеличивается в 2 раза) . Еще одним признаком "горячих пикселов" является их зависимость от времени экспозиции в режиме электронного затвора. Чем больше установлено время экспозиции, тем точка ярче. Здесь зависимость - прямо пропорциональная. Большая часть точечных дефектов, наблюдаемых на рис. 1 является дефектами данного типа.

   

   Рис.1. Изображение темнового тока не самого лучшего образца матрицы ПЗС типа ICX-259AL, но, тем не менее, удовлетворяющей спецификациям фирмы SONY на точечные дефекты, при времени экспозиции 20 мс и температуре +45 градусов Цельсия (слева) и изображение и осциллограммы "точечного" дефекта "А" типа 1.1. размерами 4 пикселя х 2 строки (справа).

2. Белые точки - дефекты структуры полупроводника связанные не с генерацией темнового тока, а с инжекцией заряда из образовавшегося в результате дефекта структуры канала связи данного пиксела ПЗС с внутренним источником зарядов. Эти дефекты, как правило, постоянной амплитуды, независящей ни от температуры, ни от времени экспозиции. Обычно, они имеют либо ярко выраженный пороговый эффект в яркости и яркости и почти не зависят от температуры и времени экспозиции, но зависят от напряжения приложенного к электроду положительного питания матрицы (или от напряжений на фазных электродах). В некотором диапазоне напряжений их амплитуда достаточно линейно зависит от напряжения (рис.2). Иногда, в широком диапазоне напряжений этот белый дефект "ярко сияет" на изображении, а при изменении напряжения чуть выше, или ниже пороговых, он полностью пропадает (инжекция заряда перекрывается). Обычно, в реальных матрицах ПЗС дефектов типа 1.2. меньше, чем центров повышенной генерации темнового тока (1.1.), но амплитуда сигнала от них, как правило, выше.

   

   Рис.2. Иллюстрация зависимости амплитуды белого дефекта типа 1.2. от напряжения на положительном электроде питания матрицы ПЗС (+ 15V).

3. Пульсирующие белые точки - особый вид дефектов, которые, то появляются, то исчезают с периодом мерцания от десятков миллисекунд до минут и даже часов. Пульсирующие дефекты бывают, как первого вида (центры генерации темнового тока п. 1.1.), так и второго (дефекты структуры п. 1.2). По статистике ЭВС доля мерцающих дефектов в матрицах невелика, и примерно составляет 1 - 2% от всех белых точечных дефектов. Причина мерцаний дефектов не ясна, в литературе почти нет сообщений на эту тему. Отметим, что в зависимости от геометрического места расположения пульсирующего дефекта он может в определенных случаях трансформироваться в пульсирующий "столб", или пульсирующую "полосу".

   

   Рис.3. Иллюстрация сверхяркого белого дефекта типа 1.2. (20% от уровня насыщения матрицы ПЗС), который виден даже днем

4. Появляющиеся в процессе работы или хранения ПЗС белые точки, обусловлены, в основном, двумя причинами. Первая из них - попадание в матрицу ПЗС частиц высоких энергий, которые вызывают локальное разрушение структуры полупроводника, что приводит к появлению белого точечного дефекта, в основном вида 1.2. Наибольший риск возникновения новых дефектных пикселей возникает при работе камеры в зонах с повышенной радиацией, либо в высоких слоях атмосферы и в космосе. Статистика работы телевизионных камер на космических аппаратах показывает, что за год нахождения на орбите спутника в матрице ПЗС SONY типа ICX-249AL появляется несколько десятков новых белых точечных дефектов различной амплитуды. Другой причиной появляющихся вновь точечных дефектов (и столбиков) может быть микропробой внутри полупроводника (обусловленный прикладываемыми к матрице ПЗС напряжениями в процессе работы камеры) в тех местах, где уже находился небольшой дефект его структуры. После микропробоя область разрушения увеличивается, что и приводит к появлению на матрице ПЗС вновь появившегося точечного дефекта значительной амплитуды.

2. Черные и серые точки - дефекты, на которые потребители не так часто обращают внимание, так как они менее заметны на изображении, также бывают различных видов.

1. Черные точки, вызванные нарушением структуры полупроводника проявляются, как постоянный "черный пиксел", или группа пикселей, не зависящих ни от уровня освещенности, ни от других факторов. В черном пикселе не может образовываться заряд и передаваться далее в регистры ПЗС. Пример точечного дефекта данного типа приведен на рис. 4 (слева).

   

   Рис.4. Черный дефект типа 2.1. (слева) и крупинки клея и стекла на поверхности матрицы ПЗС (справа)

2. Черные и серые точки, обусловленные дефектом полупроводника, ограничивающим канал переноса заряда некоторой величиной, меньшей уровня насыщения. Обычно, при малых уровнях освещенности (малой величине заряда) такие дефекты не видны, но начиная, с некоторого уровня, амплитуда сигнала в них не изменяется при увеличении уровня освещенности. Такие дефекты выглядят как серые, или черные точки на изображении при больших уровнях освещенности. Наиболее заметны они на ровном фоне изображения (стены зданий, поверхности автомобилей, чистое небо и т.д.).
3. Черные и серые точки, обусловленные прилипшими к поверхности фоточувствительного слоя матрицы крупинками пыли, или других материалов, применяемых при производстве матрицы ПЗС. Эти пылинки, попавшие на поверхность матрицы работают как локальные миниатюрные нейтральные светофильтры, ослабляющие сигнал в тех пикселях над которыми они находятся (см. рис. 4, справа). Такие дефекты могут в процессе работы телевизионной камеры как увеличиваться в количестве (например, кусочки клея, которым приклеено защитное стекло, могут отваливаться и попадать на фоточувствительную поверхность), так и исчезать (при механических воздействиях крупинка может переместиться за пределы фоточувствительной области матрицы).

Отметим, что белые и черные точки бывают разного размера, как в один пиксель, так и более крупные по несколько пикселей, вытянутые как в направлении строк, так и в направлении столбцов.

Взято с www.sec.ru