DE102019211805B3

DE102019211805B3 - Optisches System und TDI-Sensor

Info

Publication number: DE102019211805B3
Application number: DE102019211805.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Eckardt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (1), umfassend mindestens eine Optik, einen TDI-Sensor (2) und eine Steuereinheit (3) zum Ansteuern des TDI-Sensors (2), wobei der TDI-Sensor (2) mindestens einen panchromatischen Kanal (5) und mindestens zwei multispektrale Kanäle (6 - 8) aufweist, wobei die Pixelgröße der multispektralen Kanäle (6 - 8) ein Vielfaches der Pixelgröße des mindestens einen panchromatischen Kanals (5) beträgt, wobei die Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) eine quadratische Grundform aufweisen und wobei mindestens die inneren Pixel der jeweiligen Zeilen eines multispektralen Kanals (6 - 8) mindestens eine Struktur (S) aufweisen, die in ein horizontal benachbartes Pixel ragt, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) desynchronisiert zu den Pixeln des mindestens einen panchromatischen Kanals (5) angesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System sowie einen TDI-Sensor.
Insbesondere für die Fernerkundung sind optische Systeme bekannt, mittels derer hochauflösende Multispektralbilder erzeugt werden können.
Hierzu umfasst das optische System mindestens eine Optik, einen TDI-Sensor und eine Steuereinheit zum Ansteuern des TDI-Systems, wobei der TDI-Sensor mindestens einen panchromatischen Kanal und mindestens zwei (vorzugsweise drei) multispektrale Kanäle aufweist. Dabei ist die Pixelgröße der multispektralen Kanäle ein Vielfaches der Pixelgröße des mindestens einen panchromatischen Kanals, wobei die Pixel eine quadratische Grundform aufweisen. Typischerweise ist die Pixelgröße der multispektralen Kanäle um den Faktor vier größer, d. h. Pixelbreite und Pixellänge sind jeweils um den Faktor zwei größer. Durch Korrelation der panchromatischen Pixel mit den Multispektralbildern können dann hochauflösende Multispektralbilder erzeugt werden. Ein solches optisches System ist beispielsweise aus der DE 10 2008 045 242 B4 bekannt.
Aufgrund der größeren Pixelgröße bei den multispektralen Kanälen kann es zu Unterabtastungen kommen, unter der Voraussetzung, dass sich die multispektralen Kanäle und die panchromatischen Kanäle auf demselben Chip oder in dem gleichen Abstand zum Teleskop bzw. zur Optik befinden. Die Unterabtastung der multispektralen Kanäle kann zu Artefakten in den Multispektralbildern führen. Dabei ist bereits vorgeschlagen worden, die multispektralen Pixel durch optische Wegverlängerungen definiert unscharf zu stellen, wenn beispielsweise optische Gläser oder Mikrolinsen verwendet werden. Dies ist jedoch recht aufwändig.
Aus der WO 2018/064612 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes optisches System bekannt.
Aus der EP 0 774 870 A2 ist ein elektrischer Bildsensor für Farbanwendungen bekannt, der im TDI-Modus betrieben werden kann. Dabei können analoge Ladungsspeicher innerhalb der Image-Register so implementiert werden, dass diese eine Struktur aufweisen, die in benachbarte lichtempfindliche Pixelbereiche ragt. Durch eine zusätzliche zufällige Verteilung bzw. Streuung der Speicher-Blöcke können Bild-Artefakte vermieden werden.
Aus der US 9 297 769 B1 ist ein Anti-Aliasing-Verfahren für TDI-Bildsensoren in Wafer-Inspektions-Systemen bekannt, das darauf basiert, dass eine Bildbewegung bzw. Scan-Rate von der Ladungstransfer-Rate bzw. Abtast-Taktfrequenz gezielt desynchronisiert wird, um eine kontrollierte Bild-Verschmierung herbeizuführen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein optisches System sowie einen hierfür geeigneten TDI-Sensor zu schaffen, mittels derer die Gefahr von Artefakten in den Multispektralbildern reduziert oder verhindert wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen TDI-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das optische System mindestens eine Optik, einen TDI-Sensor und eine Steuereinheit zum Ansteuern des TDI-Sensors, wobei der TDI-Sensor mindestens einen panchromatischen Kanal und mindestens zwei multispektrale Kanäle aufweist. Dabei ist die Pixelgröße der multispektralen Kanäle ein Vielfaches der Pixelgröße des mindestens einen panchromatischen Kanals, wobei die Pixel der multispektralen Kanäle eine quadratische Grundform aufweisen. Dabei weisen mindestens die inneren Pixel der jeweiligen Zeilen eines multispektralen Kanals mindestens eine Struktur auf, die in ein horizontal benachbartes Pixel ragt, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die Pixel der multispektralen Kanäle desynchronisiert zu den Pixeln des mindestens einen panchromatischen Kanals angesteuert werden. Die Grundidee der Erfindung ist es, dabei gezielt die Pixel der multispektralen Kanäle zu „verschmieren“, also die MTF zu verschlechtern. Dies erfolgt in horizontaler Richtung durch die Strukturen. In vertikaler Richtung könnte grundsätzlich der gleiche Ansatz gewählt werden. Allerdings führt dies dazu, dass die Ausleseelektroniken nicht exakt parallel zueinander angeordnet werden könnten. Daher erfolgt das „Verschmieren“ der Pixel in vertikaler Richtung durch eine desynchrone Ansteuerung zu den panchromatischen Pixeln. Beide Maßnahmen führen zu einer Verschlechterung der MTF, was die Gefahr von Unterabtastungen mit Artefakten reduziert. Wünschenswert ist es, die MTF auf unter 20 % an der Nyquist-Frequenz zu drücken.
Die Struktur hat vorzugsweise eine Fläche kleiner als 25 % der quadratischen Grundform.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Struktur ein Rechteck, dessen Breite kleiner als die Breite des Pixels ist. Es handelt sich dabei also nicht um eine Verschiebung der Pixel.
In einer weiteren Ausführungsform ragen mindestes zwei Rechtecke in das benachbarte Pixel. Dabei kann vorgesehen sein, dass beide Rechtecke in das gleiche Pixel ragen oder aber jeweils ein Rechteck in das linke und das andere Rechteck in das rechte benachbarte Pixel. Dies gilt allgemein, wenn mindestens zwei Strukturen vorhanden sind. Diese können dann zusammen in ein benachbartes Pixel ragen oder jeweils in ein unterschiedliches benachbartes Pixel ragen.
Alternativ kann die Struktur auch als Kreissegment oder als Dreieck ausgebildet sein, was allerdings lithographisch etwas aufwändiger ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass die Integrationszeit der Pixel der multispektralen Kanäle gegenüber einer synchronisierten Abtastung zu den panchromatischen Pixeln vergrößert wird, sodass es zur desynchronisierten Ansteuerung kommt. Bei einer synchronisierten Abtastung kann die Integrationszeit eines multispektralen Pixels doppelt so groß sein wie die eines panchromatischen Pixels (bei unterstellter vierfacher Größe des Pixels). Auch die Taktfrequenz ist nur halb so groß wie die eines panchromatischen Pixels. Wird nun die Integrationszeit über das Doppelte im Vergleich zum panchromatischen Pixel erhöht, kommt es zu einer vertikalen Verschmierung, da die Szene länger über das Pixel läuft. Die Abweichung der Integrationszeit beträgt beispielsweise 5 - 10 %.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines TDI-Sensors eines optischen Systems,
2 eine schematische Darstellung einer multispektralen TDI-Zeile in einer ersten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer multispektralen TDI-Zeile in einer zweiten Ausführungsform und
4 eine schematische Darstellung einer multispektralen TDI-Zeile in einer dritten Ausführungsform.

Das in 1 dargestellte optische System 1 weist einen TDI-Sensor 2, eine Steuereinheit 3, einen Speicher 4 und eine nicht dargestellte Optik auf. Der TDI-Sensor 2 weist einen panchromatischen Kanal 5 sowie drei multispektrale Kanäle 6 - 8 auf (insbesondere einen R-, G- und B-Kanal). Vom Aufbau sind die drei multispektralen Kanäle 6 - 8 gleich aufgebaut und nur unterschiedlich spektral selektiv.
Der panchromatische Kanal 5 weist n Zeilen Z1 - Zn auf, die jeweils k Pixel PA - PK aufweisen. Unter der letzten Zeile Zn ist eine Ausleseelektronik 9 angeordnet, die seriell oder parallel die akkumulierten Informationen der n-ten Zeile Zn pixelweise ausliest und in den Speicher 4 abspeichert.
Entsprechend verfügen die drei multispektralen Kanäle 6 - 8 jeweils über n/2 Zeilen mit k/2 Pixeln, wobei die Pixelgröße viermal so groß ist wie die Pixel des panchromatischen Kanals 5.
Unter der letzten Zeile Zn/2 des jeweiligen multispektralen Kanals 6 - 8 ist wieder jeweils eine Ausleseelektronik 9 angeordnet. Die Größe der Ausleseelektroniken 9 sowie deren Abstand zu der nächsten darunter angeordneten Zeile sind vorzugsweise ganzzahlige Vielfache der Länge eines Pixels P eines multispektralen Kanals 6 - 8.
Soweit entspricht der Aufbau dem Stand der Technik, dabei steuert die Steuereinheit 3 die jeweiligen Zeilen Z1 - Zn bzw. Z1 - Zn/2 aller Kanäle 5 -8 an, sodass diese während einer Integrationszeit Ladungen akkumulieren. Anschließend werden die Ladungen in die darunter liegende Zeile geschoben und synchron zur Bewegungsgeschwindigkeit der Vorgang wiederholt. Da die Pixel der multispektralen Kanäle 6 - 8 doppelt so lang sind wie die des panchromatischen Kanals 5, ist im Stand der Technik deren Integrationszeit doppelt solang und die Abtastfrequenz entsprechend nur halb so groß. Erfindungsgemäß wird nun die Integrationszeit der Pixel der multispektralen Kanäle weiter erhöht. Hierdurch werden die Pixel der multispektralen Kanäle 6 - 8 im Vergleich zu den panchromatischen Pixeln desynchronisiert und in Längsrichtung L verschmiert. Die Längsrichtung L entspricht dabei der Bewegungsrichtung des optischen Systems 1.
In horizontaler Richtung erfolgt die gezielte Verschmierung durch Strukturen S, was nachfolgend anhand der 2 - 4 näher erläutert wird. Dabei ist in 2 eine beliebige Zeile ZX eines multispektralen Kanals 6 - 8 dargestellt, wobei links das erste Pixel P1 und rechts das letzte Pixel Pk/2 dargestellt ist. Die Pixel weisen dabei eine quadratische Grundform auf, was durch die Strichelung angedeutet ist. Diese quadratische Grundform wird nun in horizontaler Richtung mittels einer Struktur S, die in ein benachbartes Pixel hineinragt, verschmiert. Für das zweite Pixel P2 gilt dabei, dass die Struktur S des ersten Pixels P1 in die quadratische Grundform des zweiten Pixels P2 hineinragt. Eine gleiche Struktur S ragt dann aus dem zweiten Pixel P2 in das benachbarte Pixel, sodass die Gesamtfläche des zweiten Pixels P2 gegenüber der quadratischen Grundform gleichbleibt. Die Strukturen S sind dabei Kreissegmente. Bei der Ausführungsform ist das erste Pixel P1 am äußeren Rand durch eine Struktur S eingewölbt und das letzte Pixel Pk/2 am äußeren Rand durch eine Struktur ausgewölbt, sodass auch deren Flächen gegenüber der quadratischen Grundform gleichbleiben.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei die äußeren Ränder des ersten Pixels P1 und des letzten Pixels Pk/2 parallel zur Längsrichtung L sind. Dies hat einige Vorteile bezüglich der Lithographie. Dafür ist dann das erste Pixel P1 etwas größer und das letzte Pixel Pk/2 etwas kleiner als die anderen Pixel, sodass für das letzte Pixel Pk/2 keine Verschmierung erreicht wird. Dies kann aber gegebenenfalls toleriert werden bzw. anderweitig berücksichtigt werden.
In der 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der jeweils zwei rechteckige Strukturen S in ein benachbartes Pixel ragen. Dabei sind die Breiten b der Rechtecke kleiner als die Breite B des Pixels. Im dargestellten Beispiel weisen die beiden äußeren Pixel eine unterschiedliche Größe auf. Dies kann durch zusätzliche Strukturen an den Rändern analog zu 2 kompensiert werden.

Claims

Optisches System (1), umfassend mindestens eine Optik, einen TDI-Sensor (2) und eine Steuereinheit (3) zum Ansteuern des TDI-Sensors (2), wobei der TDI-Sensor (2) mindestens einen panchromatischen Kanal (5) und mindestens zwei multispektrale Kanäle (6 - 8) aufweist, wobei die Pixelgröße der multispektralen Kanäle (6 - 8) ein Vielfaches der Pixelgröße des mindestens einen panchromatischen Kanals (5) beträgt, wobei die Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) eine quadratische Grundform aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die inneren Pixel der jeweiligen Zeilen eines multispektralen Kanals (6 - 8) mindestens eine Struktur (S) aufweisen, die in ein horizontal benachbartes Pixel ragt, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) desynchronisiert zu den Pixeln des mindestens einen panchromatischen Kanals (5) angesteuert werden.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Struktur (2) ein Rechteck ist, dessen Breite (b) kleiner als die Breite (B) des Pixels ist.
Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rechtecke in das benachbarte Pixel ragen.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (S) als Kreissegment oder als Dreieck ausgebildet ist.
Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) derart ausgebildet ist, dass die Integrationszeit der Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) gegenüber einer synchronisierten Abtastung zu den panchromatischen Pixeln vergrößert wird.
TDI-Sensor (2), umfassend mindestens einen panchromatischen Kanal (5) und mindestens zwei multispektrale Kanäle (6 - 8), wobei die Pixelgröße der multispektralen Kanäle (6 - 8) ein Vielfaches der Pixelgröße des mindestens einen panchromatischen Kanals (5) beträgt, wobei die Pixel der multispektralen Kanäle (6 - 8) eine quadratische Grundform aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die inneren Pixel der jeweiligen Zeilen eines multispektralen Kanals (6 - 8) mindestens eine Struktur (S) aufweisen, die in ein horizontal benachbartes Pixel ragt.