DE102008024417B3 - Time delay-integration line detector for use in earth observance field, has selection register unit designed as shifting register, masking provided between pixels of lines, and registers of pixels widened corresponding to width of masking - Google Patents

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Abstract

The detector (2) has time delay-integration lines (Z1-Z3) comprising pixels (P), and a selection register unit designed as a shifting register and attached to an outer line. Registers (R) are assigned to respective pixels of the lines. A masking (M) is provided between the pixels of the lines. The masking has width of a pixel (Pb) or an integral multiple of the pixel (Pb). The registers of the pixels are widened corresponding to the width of the masking, where the detector is shifted in a transverse direction at the pixel width. An independent claim is also included for a detector arrangement comprising line detectors.

Description

Die Erfindung betrifft einen TDI-Zeilendetektor und eine Detektoranordnung unter Verwendung von TDI-Zeilendetektoren.The The invention relates to a TDI line detector and a detector arrangement using TDI line detectors.

Insbesondere auf dem Gebiet der Erdbeobachtung sind verschiedene Verfahren und Sensoren bekannt, die mit Hilfe verschiedener Sensoren (Zeilen oder Matrizen) aus dem Orbit die Erde abtasten. Mit Hilfe verschiedener Technologien wird versucht, die Auflösung des Instrumentes sowohl spektral als auch geometrisch zu maximieren. Beispiele für derartige Technologien sind Sensorarchitekturen mit TDI-Zeilendetektoren oder bewegungskompensierte Matrix- und/oder Zeilendetektoren. Der Nachteil derartiger Technologien liegt in dem Problem der Auslesegeschwindigkeit und der damit verbundenen zu geringen Lastkapazität des Ausleseregisters, größere Anzahlen von Elektronen zu transportieren. Daher sind derartige Ansätze bisher auf Auflösungen von ca. 0,4 m GSD (Ground Sample Distance) beschränkt, welche mit Hilfe von SMC-Steuerungen des Satelliten erhöht werden können, die allerdings ein erhöhtes Jitter des Satelliten mit sich bringt.Especially In the field of earth observation are different methods and Sensors are known using different sensors (lines or Matrices) from Earth orbit the earth. With the help of various Technologies is trying to resolve the instrument as well spectrally and geometrically to maximize. Examples of such Technologies are sensor architectures with TDI line detectors or motion-compensated matrix and / or line detectors. The disadvantage Such technologies is the problem of read speed and the associated low load capacity of the readout register, larger numbers to transport electrons. Therefore, such approaches are so far on resolutions limited by about 0.4 m GSD (Ground Sample Distance), which with the help of SMC controllers of the Satellites increased can be which, however, an elevated Jitter of the satellite brings with it.

Aus "Theuwissen, Albert J. P.: Solid-State Imaging with Charge-Coupled Devices. Reprinted with corrections 1996. ISBN 0-7923-3456-6. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1996. Chapter 4: Solid-State Imaging at a Glance, pp. 109–130; Chapter 9: Advanced Imaging: Device Architectures, pp. 247–278" und "Burke, Michael W.: Image Acquisition. Handbook of Machine Vision Engineering, Volume 1. First Edition. London; Weinheim; New York: Chapman & Hall, 1996. Chapter 5: Image Sensor Basics, Abschnitt 5.3.6: Storage/architectures, pp. 604–626." sind verschiedene Aufbauten bekannter Zeilen- und Flächen-Halbleiter-Bildsensoren bekannt, die unterschiedlich gestaltete Maskierungen für die Transportregister offenbaren. Des Weiteren werden TDI-Zeilendetektoren erläutert.From "Theuwissen, Albert J.P .: Solid-State Imaging with Charge-Coupled Devices. Reprinted with corrections 1996. ISBN 0-7923-3456-6. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1996. Chapter 4: Solid-State Imaging at a Glance, pp. 109-130; Chapter 9: Advanced Imaging: Device Architectures, pp. 247-278 "and" Burke, Michael W .: Image Acquisition. Handbook of Machine Vision Engineering, Volume 1st First Edition. London; Weinheim; New York: Chapman & Hall, 1996. Chapter 5: Image Sensor Basics, Section 5.3.6: Storage / architectures, pp. 604-626. "Are different constructions known line and area semiconductor image sensors known, the differently shaped masks for the transport registers reveal. Furthermore, TDI line detectors will be explained.

Aus der GB 2 302 472 A ist ein luftfahrzeuggestütztes bildgebendes System mit einem CCD-Matrix-Sensor bekannt, wobei jeweils abwechselnd zwischen zwei vertikalen photosensitiven Pixel-Reihen eine Pixel-Reihe maskiert ist. Durch eine horizontale und vertikale Taktung kann dabei ein einen TDI-Sensor ähnliches Abtastprinzip erreicht werden.From the GB 2 302 472 A is an aircraft-based imaging system with a CCD matrix sensor known, each alternately between two vertical photosensitive pixel rows a pixel row is masked. By a horizontal and vertical timing while a TDI sensor similar scanning principle can be achieved.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen TDI-Zeilendetektor sowie eine Detektoranordnung unter Verwendung von TDI-Detektoren zu schaffen, mittels derer die Lastkapazität der Ausleseregister erhöht werden kann.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a TDI line detector and a detector array using TDI detectors to create, by means of which the load capacity of the readout registers are increased can.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1 and 3. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Hierzu umfasst der TDI-Zeilendetektor n TDI-Zeilen, wobei jede TDI-Zeile m Pixel aufweist, wobei mindestens einer äußeren TDI-Zeile eine Ausleseregister-Einheit zugeordnet ist, wobei jedem Pixel der ersten und/oder n-ten Zeile ein eigenes Register zugeordnet ist, wobei zwischen zwei Pixeln jeder Zeile eine Maskierung vorgesehen ist, wobei die Maskierung eine Breite von einem Pixel oder einem ganzzahligen Vielfachen eines Pixels aufweist, wobei die Register der Pixel entsprechend der Breite der Maskierung verbreitert sind. Hierdurch kann die Lastkapazität der Register entsprechend vergrößert werden. Andererseits kann die Auslesegeschwindigkeit der einzelnen Zeile reduziert werden. Dies wird allerdings durch einen Informationsverlust erkauft, der aber durch eine Detektoranordnung mit mindestens zwei solcher TDI-Zeilendetektoren kompensiert werden kann. Ein weiterer Vorteil des TDI-Zeilendetektors ist, dass das Übersprechen von einem Pixel zum benachbarten Pixel durch Diffusionseffekte ausgeschlossen wird, was wiederum zu einer Verbesserung der MTF führt. Vorzugsweise ist die Ausleseregister-Einheit als Schieberegister ausgebildet.For this The TDI line detector includes n TDI lines, each TDI line m pixels, wherein at least one outer TDI line is a readout register unit associated with each pixel of the first and / or nth row a separate register is assigned, with between two pixels Each line is provided with a mask, the masking a width of one pixel or an integer multiple of one Pixels, wherein the registers of the pixels corresponding to the width the masking are broadened. This allows the load capacity of the registers be increased accordingly. On the other hand, the read speed of the single line can be reduced become. However, this is bought by a loss of information, but by a detector arrangement with at least two such TDI line detectors can be compensated. Another advantage of the TDI line detector is that crosstalk from one pixel to the neighboring pixel is excluded by diffusion effects, which in turn leads to an improvement of the MTF. Preferably, the readout register unit designed as a shift register.

Die erfindungsgemäße Detektoranordnung umfasst mindestens zwei erfindungsgemäße TDI-Zeilendetektoren, wobei die TDI-Zeilendetektoren in Querrichtung um eine Pixelbreite jeweils versetzt zueinander angeordnet sind und in Längsrichtung jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches einer Pixellänge zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, dass die durch einen TDI-Zeilendetektor verlorene Information durch die nachfolgenden TDI-Zeilendetektoren geliefert wird. Dabei sind die TDI-Zeilendetektoren vorzugsweise miteinander synchronisiert, so dass die Bildstreifen sich einfach zu einem vollständigen Bild zusammensetzen lassen. Die Längsrichtung ist dabei die Richtung der Akkumulation.The inventive detector arrangement comprises at least two TDI line detectors according to the invention, wherein the TDI line detectors in the transverse direction by one pixel width each offset from each other and are arranged in the longitudinal direction each by an integer multiple of a pixel length to each other are arranged offset. This ensures that the by a TDI line detector lost information through the following TDI line detectors is delivered. Here are the TDI line detectors preferably synchronized with each other, so that the image strips easy to complete Assemble picture. The longitudinal direction is the direction the accumulation.

Weiter vorzugsweise beträgt die Breite der Markierungen X-1 Pixelbreiten, wobei X gleich die Anzahl der TDI-Zeilendetektoren ist.Further preferably the width of the markers X-1 pixel widths, where X equals the number of the TDI line detectors.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The Fig. Show:

1 eine schematische Detektoranordnung mit zwei TDI-Zeilendetektoren und 1 a schematic detector arrangement with two TDI line detectors and

2 eine schematische Detektoranordnung mit vier TDI-Zeilendetektoren. 2 a schematic detector arrangement with four TDI line detectors.

Die Detektoranordnung 1 gemäß 1 umfasst zwei TDI-Zeilendetektoren 2. Im dargestellten Beispiel umfasst jeder TDI-Zeilendetektor 2 drei Zeilen Z1–Z3 mit jeweils fünf Pixeln P. Es versteht sich, dass in der Praxis die Anzahl der Zeilen und Pixel üblicherweise ein Vielfaches größer ist. Zwischen zwei Pixeln P einer Zeile Z1–Z3 ist eine Maskierung M angeordnet, die sich über alle Zeilen Z1–Z3 erstreckt. Die Breite Mb der Maskierung beträgt dabei eine Pixelbreite Pb. Die Akkumulationsrichtung des TDI-Zeilendetektors 2 ist mit V gekennzeichnet, die bei einem Einsatz in einem Flugzeug oder Satelliten der Flugrichtung entsprechen würde. Unterhalb der letzten Zeile Z3 sind Register R für die Pixel P angeordnet, wobei sich die Fläche des Registers R bis unter die benachbarte Maskierung M erstreckt, so dass die Fläche für das jeweilige Register R verdoppelt wird. Entsprechend kann die Lastkapazität des jeweiligen Registers R verdoppelt werden. Alle Register R eines TDI-Zeilendetektors 2 bilden die Ausleseregister-Einheit, wobei die Register R vorzugsweise ein Schieberegister bilden, das in Richtung A ausgelesen wird. Der zweite TDI-Zeilendetektor 2 ist gegenüber dem ersten TDI-Zeilendetektor 2 um eine Pixelbreite Pb nach rechts verschoben, wobei der Abstand d der beiden TDI-Zeilendetektoren (gemessen von Pixelmittelpunkt zu Pixelmittelpunkt) eine ganzzahlige Anzahl von Pixellängen Pl beträgt. Der Abstand d wird dabei vorzugsweise möglichst klein gewählt. Die beiden TDI-Zeilendetektoren 2 werden dabei synchronisiert angesteuert. Überfliegt nun die Detektoranordnung 1 eine Szene, so nimmt der erste TDI-Zeilendetektor 2 im Bereich der Maskierung M nichts auf, so dass das gewonnene Bild an diesen Stellen schwarze Streifen aufweist. Allerdings werden genau diese fehlenden Streifen durch den zweiten TDI-Zeilendetektor 2 aufgenommen. Dies erfolgt zwar zu einem etwas späteren Zeitpunkt, aber synchronisiert zum ersten TDI-Zeilendetektor 2. Aus den beiden Bildern wird das resultierende Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei eine eindeutige Zuordnung existiert. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Lastkapazität der Register erhöht und die Auslesegeschwindigkeit halbiert werden kann und dies bei gleichbleibender Auflösung. Sind die beiden TDI-Zeilendetektoren 2 exakt zueinander positioniert, so können die beiden Teilbilder einfach zusammengefügt werden.The detector arrangement 1 according to 1 includes two TDI line detectors 2 , In the illustrated Example includes each TDI line detector 2 three lines Z1-Z3 each with five pixels P. It is understood that in practice the number of lines and pixels is usually many times greater. Between two pixels P of a row Z1-Z3 a mask M is arranged, which extends over all rows Z1-Z3. The width M b of the masking is a pixel width P b . The accumulation direction of the TDI line detector 2 is denoted by V, which would correspond to the flight direction when used in an aircraft or satellite. Below the last line Z3, registers R are arranged for the pixels P, the area of the register R extending below the adjacent mask M, so that the area for the respective register R is doubled. Accordingly, the load capacity of the respective register R can be doubled. All registers R of a TDI line detector 2 form the readout register unit, wherein the registers R preferably form a shift register, which is read out in the direction A. The second TDI line detector 2 is opposite to the first TDI line detector 2 shifted by one pixel width P b to the right, wherein the distance d of the two TDI line detectors (measured from pixel center to pixel center) is an integer number of pixel lengths P l . The distance d is preferably chosen as small as possible. The two TDI line detectors 2 are controlled synchronized. Now fly over the detector array 1 a scene, so takes the first TDI line detector 2 nothing in the area of the mask M, so that the image obtained has black stripes in these areas. However, just these missing strips are produced by the second TDI line detector 2 added. Although this occurs at a later date, it is synchronized with the first TDI line detector 2 , From the two images, the resulting overall image will be assembled, with a unique mapping exists. The advantage of this arrangement is that the load capacity of the registers can be increased and the read-out speed can be halved with the same resolution. Are the two TDI line detectors 2 positioned exactly to each other, so the two partial images can be easily put together.

In der 2 ist eine Detektoranordnung 1 mit vier TDI-Detektorzeilen 2 dargestellt, wobei bezüglich der grundsätzlichen Wirkungsweise auf die Ausführungen zu 1 Bezug genommen werden kann. Der Unterschied besteht darin, dass die Maskierung M drei Pixelbreiten Pb beträgt und sich daher der Platz für ein Register R im Vergleich zu 1 noch einmal verdoppelt hat. Entsprechend kann auch die Auslesegeschwindigkeit der Register R weiter reduziert werden. Aus Übersichtsgründen wurden die TDI-Zeilendetektoren 2 dabei nur mit zwei Zeilen und drei Pixeln P pro Zeile dargestellt.In the 2 is a detector arrangement 1 with four TDI detector lines 2 shown, with respect to the basic mode of action on the comments to 1 Reference can be made. The difference is that the mask M is three pixel widths P b and therefore the space for a register R compared to 1 has doubled again. Accordingly, the read speed of the register R can be further reduced. For clarity, the TDI line detectors were used 2 only shown with two lines and three pixels P per line.

Claims (6)

TDI-Zeilendetektor, umfassend n TDI-Zeilen, wobei jede TDI-Zeile m Pixel aufweist, wobei mindestens einer äußeren Zeile eine Ausleseregister-Einheit zugeordnet ist, wobei jedem Pixel der ersten und/oder n-ten Zeile ein eigenes Register zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Pixeln (P) jeder Zeile (Z1–Z3) eine Maskierung (M) vorgesehen ist, wobei die Maskierung (M) eine Breite (Mb) von einem Pixel (Pb) oder einem ganzzahligen Vielfachen eines Pixels (Pb) aufweist, wobei die Register (R) der Pixel (P) entsprechend der Breite (Mb) der Maskierungen (M) verbreitert sind.A TDI line detector, comprising n TDI lines, each TDI line having m pixels, wherein at least one outer line is associated with a readout register unit, each pixel of the first and / or nth line having its own register associated therewith characterized in that a masking (M) is provided between two pixels (P) of each line (Z1-Z3), the masking (M) having a width (M b ) of one pixel (P b ) or an integral multiple of a pixel ( P b ), wherein the registers (R) of the pixels (P) are widened in accordance with the width (M b ) of the maskings (M). TDI-Zeilendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseregister-Einheit als Schieberegister ausgebildet ist.TDI line detector according to claim 1, characterized that the readout register unit formed as a shift register is. Detektoranordnung, umfassend mindestens zwei TDI-Zeilendetektoren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die TDI-Zeilendetektoren (2) in Querrichtung um eine Pixelbreite (Pb) jeweils versetzt zueinander angeordnet sind und in Längsrichtung jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches einer Pixellänge (Pl) zueinander versetzt angeordnet sind.A detector arrangement comprising at least two TDI line detectors according to claim 1 or 2, wherein the TDI line detectors ( 2 ) in the transverse direction by a pixel width (P b ) are each offset from each other and are arranged offset in the longitudinal direction in each case by an integer multiple of a pixel length (P l ) to each other. Detektoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (Mb) der Maskierung (M) X-1 Pixelbreiten (Pb) beträgt, wobei X gleich die Anzahl der TDI-Zeilendetektoren (2) ist.Detector arrangement according to Claim 3, characterized in that the width (M b ) of the masking (M) is X-1 pixel widths (P b ), where X equals the number of TDI line detectors ( 2 ). Detektoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die TDI-Zeilendetektoren (2) miteinander synchronisiert sind.Detector arrangement according to Claim 3 or 4, characterized in that the TDI line detectors ( 2 ) are synchronized with each other. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung (1) monolithisch ausgebildet ist.Detector arrangement according to one of Claims 3 to 5, characterized in that the detector arrangement ( 1 ) is monolithic.
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