Zunahme von Pixelfehlern

Hallo Ralf,

war die Temperatur gleich? Bei höherer Temperatur gibt es mehr Fehlpixel!

Gruss Heinz

Hallo Zusammen,

ist ganz normal, Bildsensoren altern mit der Zeit und schon ab Werk wird jede Menge an fehlerhaften Pixeln ausgemappt.
Bei CMOS-Sensoren liegt an jedem Pixel ein eigener Verstärker an, diese können irgendwann mal den Geist aufgeben und so Dead- oder Hotpixel erzeugen. Ansonsten fallen mir noch Abnutzungserscheinungen im eigentlichen Aufbau eines CMOS ein (Isolatorschichten gehen kaputt etc.).

Hatte mich mal vor kurzem mit CCD- und CMOS-Technik beschäftigt und eine Präsentation in Physik darüber in der 13. Klasse gehalten, daher weiß ich noch einigermaßen bescheid.

Viele Grüße,
Tobias

Bei den DSLRs ist mir das noch nicht aufgefallen, aber sehr wohl bei Mintrons. Da nimmt die Zahl der heißen Pixel mit der heissen Pixel mit der Zeit mehr und mehr zu.

Hartwig

Von allen Sensoren sind Kodak die schlimmsten; da passen schon eine Woche später Dunkelbilder nicht mehr zu den Lichtbildern, und zwar nicht nur die Hotpixel sondern auch in den Grundwerten. Sensoren sind lebendig wie Käse!

Grüsse
Jan

Hi Ralf,

ja, die Zunahme ist normal. Kommt von der kosmischen Strahlung, die im Laufe der Zeit den Chip schädigt.

Für Sony CCDs liegen mir nähere Infos dazu vor:

- kosmische Strahlung kann einzelne Pixel schädigen, die sich dann als White Pixel äußern
- nach aktuellem Stand der Technik lässt sich das nicht verhindern
- es wird empfohlen eine automatische Kompensation vorzusehen
- für den jeweiligen Chip gibt es eine "Occurrence rate per week", die angibt mit welcher Wahrscheinlichkeit ein White Pixel mit einer bestimmten Signalhöhe pro Woche neu entsteht. Meßtechnisch ermittelt in Tokyo auf Meereshöhe. Die Werte liegen grob zwischen 0,1 - 8%.
- Es wird auf die starke Abhängigkeit von der Höhe, geogr. Breite und Sonnenaktivität hingewiesen. Und das z.B. in London und New York die Rate etwa doppelt so hoch ist wie in Tokyo.

Interessanter Sachverhalt... man fragt sich inwiefern sich dann überhaupt ein saftiger Mehrpreis für selektierte Chips lohnt.

cs
Martin

Hallo Ralf,<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Die Erklärung von Sony ist doch sehr Abenteuerlich. Wenn man mir das am 1. April erzählt hätte wüste ich auch wo ich stehe.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Auch wenn das einigen Leuten weit hergeholt erscheint, Strahlungsschäden sind tatsächlich eine Ursache für permanente Bildfehler. Generell schadet jede ionisierende Strahlung die Halbleitersensoren. Daß kosmische Strahlung je nach Betriebsbedingungen auch für "normale" Kameras eine Haupt-Fehlerquelle sein kann, leuchtet mir zumindest halbwegs ein.

Ich habe heute mal einen Arbeitskollegen gefragt, der meinte, auch der erhöhte Dunkelstrom von bereits geschädigten Pixeln könne langfristig weiter zunehmen und so die Bildqualität verschlechtern.

Was Ihr auch nicht vergessen dürft: Der Rest der Elektronik kann sich ebenfalls verändern, z.B. kann die Ansteuerung des Bildsensors oder seine Spannungsversorgung schlechter werden und die Bildqualität dadurch nachlassen.

Meine bisherigen Erfahrungen lassen mich vermuten, daß CMOS-Sensoren eher zu Ausfällen neigen als CCD-Sensoren, aber ich habe keine hieb- und stichfesten Beweise dafür.

Ich arbeite beruflich intensiv mit CMOS-Sensoren in der Röntgentechnik. Hier wird von vornherein eingeplant, daß die Sensoren nur begrenzte Lebensdauer haben. Die Defekte sehen in der Regel ganz anders aus als ich es bei CCD-Sensoren kenne. Meist gibt es um eine strahlenbedingte Fehlstelle einen rautenförmigen Bereich mit erhöhtem Dunkelstrom, der über viele Pixel geht. Allerdings haben unsere Sensoren Pixelgrößen von 50x50 oder 100x100 µm und bis zu 12x12 <i>cm</i> Chipgröße.
Mit geeigneter Bildkorrektur kann man solche Bildfehler sehr lange aus den Bildern herausrechnen, bevor der Sensor zu schlecht zum Gebrauch ist. Einzelne defekte Pixel oder sogar ganze defekte Zeilen und Spalten kann man per Mittelung der Nachbarpixel korrigieren.
Wen das interessiert, der kann sich gern per PN bei mir melden.

Wir haben in der Firma mehrere "normale" Digitalkameras mit unterschiedlichen CCD-Bildsensoren, die keinerlei automatische Vorkorrektur vornehmen. Darunter sind Interline-CCDs wie der ICX085 von Sony, auc hgrößere Kodak-Sensoren bis KB-Format, aber auch Fullframe- und Frametransfer-Sensoren. Einige sind über 10 Jahre alt. Keine der Kameras zeigt eklatantante Ausfälle. Alle Bildsensoren waren selektiert auf 0 Pixelfehler (keine dark oder hot Pixel). In Einzelfällen sind heute einzelne defekte Pixel zu sehen.

Übrigens beeinträchtigt Beleuchtung im sichtbaren Spektrum die Bildsensoren selbst praktisch überhaupt nicht. Nur starke UV-Bestrahlung mögen sie nicht.

Gruß,
Martin

Hm, nach langer Überlegung bin ich zu dem Schluss gekommen:

mit meinem SC fahre ich am besten, durch die Schmidtplatte kommt nicht ganz so viel kosmische Strahlung, also wird meine DSLR dann ja länger halten :):):):)

Ohje, ich glaub, ich leg mich hin. Kosmische Strahlung, man oh man..............

Hallo,

ionisierende Strahlung - von mir aus auch kosmische - lässt in dynamischen RAMs auch gern mal ein Bit kippen und kann auch mal ne Speicherzelle zerbröseln. Nicht jede CPU funktioniert in der Raumfahrt zuverlässig...

Die Pixel der Sensoren sind grundsätzlich Speicherzellen ganz ähnlich; das harte Strahlung durchaus geeignet ist, die Isolierung zu beschädigen, was dann zu erhöhen Leckströmen führt, ist auch kein Geheimnis.

So abwegig ist das also nicht.

cu - Arndt

Naja, aber ob die Strahlung wirklich durch die Luftschichten bis auf den Boden kommt ist doch eher fraglich.

Gruss,

Michael

Hallo Martin,

wo arbeitest du denn in der Röntgentechnik- ich werkel nämlich bei großen deutschen Firma S...... , auch in der Röntgentechnik. Entwicklung von Anigosystemen, also die Seite Patientenlagerung, C-Bögen, mobile Durchleuchtungsgeräte usw.

Laß gerade deinen Beitrag hinsichtlich Pixelfehler. Das mit der kosmischen Strahlung kann ich nicht so richtig glauben, bei der Dosis die unsere Sensoren im Vergleich dazu abkriegen...

Gruß

Stefan

das klingt für den Laien ziemlich unglaublich... aber...
ich kann mich noch an die späten 80er erinnern. Damals haben wir die Schaltkreise (RAMs, EPROMs ...) noch in Keramikgehäusen hergestellt. Wir mußten das Grundmaterial importieren, weil unsere Ausgangsstoffe zu "viel" radioaktiv waren und die Speicherzellen gekippt sind. Natürlich nicht minütlich, aber für Speicher eben untragbar. Mit Kunststoffgehäusen spielte das später keine Rolle mehr.
Und die Zellen waren damals ja um einige Größenordnungen größer, und die gespeicherten Ladungen natürlich auch. Nur um mal zu zeigen, daß Strahlung schon eine enorme Rolle spielt. Und ich mich immer wieder wundere, daß der Kram heute mit 1 Mrd. transistoren auf dem Chip trotzdem funktioniert.
Ich habe übrigens damals im Forschungszentrum des damaligen Kombinats für Mikroelektronik gearbeitet.
Nur daß meine Aussagen nicht in Frage gestellt werden...

Thomas

Hallo,

mal ne Frage. Hat von euch jemand eine Quelle für die technischen Hintergründe bzw. für die physikalischen Effekte die zu den Fehlern (Hot-Pixel) in den Sensoren führen. Bei der NASA in den zugänglichen Dokumenten habe ich schon gestöbert aber nichts gefunden. Dort gibt es nur die Erklärung dass es so ist, jedoch nicht den genauen Vorgang der dazu führt.

Grüße & CS

Olaf

Hi Olaf,

so ein Sensor besteht aus Zeilen (quer) und Spalten (senkrecht) als Anordnung von Pixeln. Um die Info auszulesen gibt es eigentlich nur eine Lösung. Pixelweise ist nicht machbar bei z.B. 6 Megapix müssten ja ca. 6 Millionen einzelne Zellen gelesen werden. Also ließt man Zeile für Zeile aus, dabei werden die Spalten einer Zeile auf eine Auswertelektronik geschaltet und ausgelesen, dann kommt die nächste Zeile dran.

Dabei hast du mikospisch kleine Punkte auf dem Chip und auch die Anschlüsse bzw. die Schalter die ein Pixel in der Spalte mit der Auswertung verbinden sind sehr kleine Teilchen.

Das Halbleitermaterial hat von Haus aus noch geringste Verunreinigungen, je höher die Ansprüche an die Qualität desto höher der Ausschuß bei der Fertigung bzw. der anschließenden Prüfung.

Ich gehe mal davon aus, das die Kamerahersteller eine gewisse Anzahl an defekten Pixeln erlauben- diese sind bei normaler Anwendung- also Fotografie- auch kaum auffällig.
Bei der Art Bilder die in der Astronomie gemacht werden, also mit langen Belichtungszeiten bzw. addieren von Bildern werden diese Fehler aber sichtbar.

Auch das Altern des Halbleitermaterials bzw. die Auswirkung der bei der Herstellung vorhandenen Verunreinigungen führt zwangsläufig zu weiteren Defektpixeln. Ebenso dürften die langen Belichtungszeiten zu einer erhöhten Ausfallrate führen da der Chip bzw. die Elektronik sich viel stärker aufheizt als bei "normaler" Anwendung für normale Fotos.

Und Wärme war schon immer ein Feind von Elektronik, dazu gehören auch die Sensorchips.

Gruß
Stefan

Hallo Stefan,

danke für die Info. Aber ich habe mich wohl missverständlich ausgedrückt. [:I]
Es geht mir mehr darum was in der Halbleiterschicht (wie hier bei den Sensoren etc.) physikalisch geschieht. Wird der PN (oder NP) Übergang durch die Strahlung aufgelöst, kommt es zu irgendwelchen Anreicherungseffekten... . Die grundlegende Funktion der Sensoren und Halbleiter kenne ich[:)]. Nur interessiert mich eben der Effekt bzw. der Hintergrund der "Zerstörung" der Halbleitermaterialien.

Grüße & CS

Olaf

Ok-

durch die Strahlung würde bei Betrieb im ungünstigsten Fall z.B. sozusagen ein Kurzschluss in einem Schaltelement ausgelöst- und der zerstört diesen Schalter. Danach ist ein Pixel oder im ungünstigsten Fall eine Zeile nicht mehr auslesbar.
Der Effekt tritt dadurch ein, das ein auftreffendes Teilchen (Strahlung) ein im Halbleiter befindliches Atom zerstört und das dadurch Elektronen und natürlich auch Protonen frei werden bzw. ein Neutron ausgelölst wird und dieses dann que durch die Halbleiterschicht flitzt- und weitere Kollisionen (=Schäden) auslösen kann.
Dadurch werden die Dotierungen des Halbleiters verändert und damit dessen Funktion geschädigt

Bei sehr harter Strahlung kann das auch passieren, wenn der Halbleiter nicht aktiv arbeitet.

Allerdings glaube ich nicht an die Theorie das kosmische Strahlung die Pixelfehler auslösen kann, dafür ist die hier unten bei uns viel zu schwach.
In der Röntgentechnik arbeiten wir seit längere Zeit mit Halbleiterdetektoren anstatt Bildverstärkern. Das heißt, wir bestrahlen fotoempfindliche "Chips" in der Größe von bis zu 30x40cm mit Röntgenstrahlung und diese wandeln das Bild um- Ergebnis- ein digitales Röntgenbild.
Würde der angesprochene Effekt schon durch kosmische Strahlung ausgelöst hätten die Detektoren bei uns wohl nun einer sehr geringe Lebensdauer. Die fallen natürlich auch mit der Zeit aus, also steigende Pixelfehler, aber das dauert Jahre.

Gruß
Stefan

Hallo zusammen,

Halbleiter altern zumeist dadurch, dass freie Ionen wie z.B. Natrium, Bor, Phosphor durch die isolierenden Schichten diffundieren und sich an den dotierten Stellen des NP oder PN Überganges ablagern und diesen soweit verändern, dass er seine elektrischen Eigenschaften verliert oder zumindest verändert.
Um das jetzt näher zu erklären müsste man sich intensiv mit der Chipherstellung befassen, Wikipedia weiss dazu etwas - Stichworte Transistor oder Chemical Vapor Deposition (CVD), evtl auch die weiterführenden Links....

Gruss,

Rainer

Hallo Stefan,

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Würde der angesprochene Effekt schon durch kosmische Strahlung ausgelöst hätten die Detektoren bei uns wohl nun einer sehr geringe Lebensdauer.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

ich vermute das "schon" meinst du in Bezug auf die Dosisleistung. Aber wenn sich unterhalb einer Mindestenergie überhaupt nix tut? Die kosmische Strahlung geht ja extrem weit hoch.

cs
Martin

Die Canon Kameras (wie auch die übrigen digitalen DSLR) haben CMOS-Bildsensoren. Da hat jedes Pixel einen eigenen Leseverstärker, es kann so ein Bild (oder Teilbilder) auf "einen Rutsch" ausgelesen werden. Bei CCD-Sensoren wird wie oben beschrieben zeilenweise über Schieberegister ausgelesen. Bei CMOS Sensoren aber nicht. Die White oder Blackpixel, sind so wie ich weiß auf defekte Ausleseverstärker zurückzuführen, die halt gar nicht funtionieren (Blackpixel), oder auch ohne Signal voll durchsteuern ("interner Kurzschluß") und zum Whitepixel führen.

Gruß
Thomas

Hi Martin,
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">[i]..Die kosmische Strahlung geht ja extrem weit hoch. <hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Von der kosmischen Strahlung kommt hier unten bei uns doch so gut wie nichts mehr an- wird doch von der Atmosphäre geschluckt. Wenn du einen Langstreckenflug machst kriegst du etwas Höhenstrahlung ab, aber da bist du auch ca. 10-11 km höher. Die Leistung die wir in der Röntgentechnik auf die Empfänger knallen ist da um Welten höher.
Wir bauen derzeit in Heidelberg mit an einer neuen Anlage für Krebsbetrahlung mit einem LINAK zur Vorbeschleunigung und einem Synchroton mit über 20m Durchmesser, Strahlleistung liegt zwischen 25 und 480 MEV. Da flitzen eine Menge Neutronen durch die Gegend, das wird unsere Detektoren auf Dauer schädigen, wir wissen nur noch nicht lange das dauert

Hallo Leute

Ist ein hochinteressantes Thema! Vielleicht kann ich noch etwas mit meinen Beobachtungen beitragen. Wegen den kosmischen Teilchen, ich könnte mir vorstellen dass hochenergetische schon zu Zerstörungen von Pixeln führen. Ich beobachte bei meinem Kodaksensor eine Zunahme von - ich nenn sie jetzt so - Clusterfehlern, die wie Einschusslöcher aussehen und sich über mehrere Pixel erstrecken. 'Normale' Röntgenhits oder ähnliche durch die erdeigenen Zerfallsprozesse passieren ja andauernd, dagegen sind die neuen Clusterfehler vielleicht ein paar zehn pro Jahr. Auffallend ist auch, dass die Dunkelbildkorrektur für diese versagt, sie scheinen komplett anomal zu arbeiten.

Ansonsten ist die 'normale' Korrektur von schlechten Pixel heute sehr gut durchführbar, das sogar bei so 'schlimmen' CCD-Sensoren wie die von Kodak. Hier ein Bildbeispiel von einem Ausschnitt einer M81-Aufnahme, es ist eine 20-minütige Belichtung:

Die Ausschnitte wurden 200% pixelwiederholt vergrössert, und zeigen:

1: Rohbild stark aufgehellt
2: Nach Darkabzug und Flatfield; viele schlechte Pixel unkorrigiert
3: Vorbehandlung von Ausschnitt 2 mittels Funktionen einer gängigen Software
4: Mittelung von vier Aufnahmen nach jeweiliger Vorbehandlung wie Ausschnitt 3, eliminert fast vollständig alles 'schlechte'

Verbleiben tun jetzt aber immer noch diese neuen Clusterfehler! Sie können wohl schlussendlich nur manuell oder mit so etwas wie einer 'defective pixel map' beseitigt werden.

Grüsse
Jan