DE4231401A1 - Bildaufnahmevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Bildaufnahmevorrichtungen arbeiten nach dem Prinzip des Abtastens eines Bildfeldes, indem das Bildfeld relativ zu den Detektorelementen, vorzugsweise mittels eines Schwenkspiegels geschwenkt wird. Die betrachtete Szene wird dadurch ausschnittsweise sukzessiv auf die Detektorelemente abgebildet, die üblicherweise als lineare Detektorzeile ausgeführt sind und durch Schwenken des Bildfelds senkrecht zur Zeilenrichtung nacheinander Bildzeilen aufnehmen.

Für das Erreichen eines hohen Signal-Rauschverhältnisses ist es vorteilhaft, das Signal möglichst lange zu inte­ grieren. Aus vorgegebenem Bildformat und gewünschter Bildrate ergibt sich die Schwenkgeschwindigkeit des Bild­ felds, die zusammen mit der Pixelgröße die Integrations­ zeit begrenzt.

Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses sind soge­ nannte TDI-Anordnungen (Time Delay and Integration) be­ kannt, welche in Schwenkrichtung hintereinander mehrere Detektorelemente aufweisen, die an eine gemeinsame TDI- CCD-Struktur angeschlossen sind. Während des Schwenkens des Blickfelds über eine derartige lineare Detektorspal­ tenanordnung wird ein Pixel des Bildfeldes nacheinander auf die aufeinanderfolgenden Detektorelemente der Spalte abgebildet und bewirkt ein entsprechendes Detektorsignal. Durch zeitrichtiges Aufsummieren der Detektorsignale zu ein und demselben Bildfeldpixel wird die effektive Inte­ grationszeit erhöht und dadurch das Signal-Rauschverhält­ nis verbessert, ohne daß die Bildauflösung beeinträchtigt wird.

Während der Zeit des Rückschwenkens des Schwenkspiegels kann die Detektorspalte mit der TDI-CCD-Struktur nicht benutzt werden, da die Bildfeldbewegung gegenläufig zu der festgelegten Ladungsverschieberichtung der CCD-Struktur ist. Dies führt zu einer Verschlechterung der Sy­ stemeigenschaften bei langer Rückschwenkzeit oder zu er­ heblichen mechanischem Aufwand, um die Rückschwenkzeit ge­ ring zu halten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bildaufnahmevorrichtung der genannten Art anzugeben, wel­ che eine weitere Verbesserung der Systemeigenschaften auf­ weist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung bewirkt im wesentlichen durch einfache Vor­ gabe eines neuen geometrischen Aufbaus der CCD-Struktur in Verbindung mit einer gattungsgemäßen Bildaufnahmevorrich­ tung eine erhebliche Verbesserung der Systemeigenschaften durch Ausnutzen der Rückschwenkzeit des Bildfeldes zur Bildaufnahme, ohne daß hierfür nennenswerter Zusatzaufwand oder andere Nachteile in Kauf genommen werden müßten. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für auf Lücke ver­ setzte Doppelzeilenanordnungen von Detektorelementen mit synchroner Auslesung einer vollständigen Bildzeile.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine lückenversetzte Detektordoppelzeile,

Fig. 2 eine Anordnung mit mehreren linearen CCD-Struktu­ ren,

Fig. 3 zwei schleifenförmige CCD-Strukturen,

Fig. 4 CCD-Strukturen für lückenversetzte Detektordoppel­ zeilen.

Die Anordnung von Detektorelementen nach Fig. 1 sieht in zwei Zeilen Z1, Z2 mit jeweils einer Mehrzahl N von Spal­ ten angeordnete Einzelelemente DE vor, die sich jeweils innerhalb einer vier Elemente enthaltenden Spalte an Spal­ tenpositionen A, B, C, D in Zeile Z1 bzw. A′, B′, C′, D′ in Zeile Z2 befinden. Die Spalten der Zeile Z1 sind gegenüber denen der Zeile Z2 in Zeilenrichtung lückenversetzt ange­ ordnet (staggered), so daß ein in Zeilenrichtung lückenlo­ ses Bild aufgenommen werden kann. Eine Bildbeeinträchti­ gung durch den Elementabstand in Spaltenrichtung kann durch die Möglichkeit der an sich bekannten Zwischenabta­ stung verhindert werden.

Die Schwenkung des in die Ebene der Detektorelemente abge­ bildeten Bildfelds erfolgt in Spaltenrichtung.

Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip einer TDI-CCD-Anordnung für ein Detektorarray z. B. der Zeile Z1 aus Fig. 1. Die Detektorelemente selbst sind nicht eingezeichnet. Jeder Spalte mit vier Detektorelementen ist eine lineare TDI- CCD-Struktur TCL zugeordnet. Die Detektorelemente sind über Kontaktflächen IB mit je einem Integrationsspeicher CI verbunden, dessen aufintegrierte Ladung nach Ablauf ei­ ner Integrationsperiode mittels eines Transfergates TG in die Struktur TCL vollständig oder teilweise übernommen wird. Die TDI-CCD-Struktur ist in üblicher Weise aus auf­ einanderfolgenden mehrphasigen Zellen aufgebaut.

Durch Takten der CCD-Struktur TCL werden die aus den Inte­ grationsspeichern übernommenen Ladungspakete innerhalb der Struktur in Pfeilrichtung verschoben. Die Ladungsverschie­ bung im TDI-CCD erfolgt synchron zur Schwenkung SCAN des Bildfeldes. Dadurch wird erreicht, daß während einer zwei­ ten Integrationsperiode innerhalb einer Elementspalte das zuvor auf Elementposition A abgebildete Bildfeldpixel nun auf Elementposition B abgebildet wird. In derselben Zeit ist das vom Element an Position A zuvor übernommene La­ dungspaket in der Struktur TCL in die Zelle zur Elementpo­ sition B verschoben worden und bei erneuter Übernahme von Ladungen werden die beiden Ladungen, die den zeitlich nacheinander aufgenommenen Detektorsignalen für dasselbe Bildfeldpixel entsprechen, in der TDI-CCD-Struktur aufaddiert. Diese Aufsummierung von Einzelsignalen desselben Pixels setzt sich über die gesamte Spaltenlänge bzw. Strukturlänge fort. Bei einer Spaltenlänge von M Einzelelementen resultiert daraus eine Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses um den Faktor M^½.

Die nach Durchlaufen der TDI-CCD-Struktur am linksseitigen Ausgang anstehenden aufsummierten Signale werden bei­ spielsweise in ein serielles CCD-Register CA übernommen und synchron mit den Signalen aus anderen Detektorspalten ggf. über einen Verstärker U oder dergleichen dem Ausgang A als serielle Bildsignale zugeführt.

Demgegenüber sieht die vorliegende Erfindung als wesentli­ chen Gedanken vor, die TDI-CCD-Struktur nicht linear son­ dern wie in Fig. 3 skizziert als Schleife TCS auszuführen und aus Zellen CZ aufzubauen, die eine Ladungsverschiebung TR in beide Längsrichtungen (Pfeil) erlauben. Letzteres ist z. B. möglich mit gebräuchlichen 3- oder 4-Phasen-Zel­ len. Die beiden Enden der Schleife einer CCD-Struktur sind mit einem gemeinsamen CCD-Ausgang AS verbunden, der je nach Art der Weiterverarbeitung der Signale, z. B. Auslesen über CCD-Register oder Umsetzen in Spannungssignale als CCD-Übergabestufe oder als Ausgangsdiffusion oder in son­ stiger geeigneter Weise ausgeführt sein kann.

Die schleifenförmige Anordnung der Zellen in der TDI-CCD- Struktur TCS bleibt ohne Einfluß auf die Anordnung der De­ tektorelemente in linearen Spalten im Detektorarray. Die korrekte Zuordnung der einzelnen Detektorelemente zu den Ladungsspeichern CI entlang der Struktur TCS erfolgt über Zuleitungen.

Besonders vorteilhaft ist ein hybrider Aufbau der Vorrich­ tung derart, daß die Detektorelemente, beispielsweise IR- Detektoren aus HgCdTe, einerseits und die CCD-Strukturen mit Integrations-Ladungsspeichern andererseits auf ge­ trennten Trägern angeordnet sind, die auf einander zuge­ wandten ebenen Flächen gegenüberliegende Kontaktbereiche (Pads P) aufweisen, zwischen denen beispielsweise über In­ diumkontakte (Bumps) elektrische Verbindungen bestehen. Die Kontaktbereiche auf dem Detektorträger sind dabei vor­ teilhafterweise in ihrer Anordnung den CCD-Strukturen an­ gepaßt und über metallische Zuleitungen mit den einzelnen Detektorelementen verbunden. Hierdurch unterliegt das De­ sign der gegenüber dem Detektorarray wesentlich komplexe­ ren CCD-Strukturen keinen zusätzlichen Einschränkungen aus der Geometrie des Detektorarrays und es entfallen entspre­ chende Verdrahtungen bei den CCD-Strukturen.

Die Detektorelementzuordnung der einzelnen Ladungsspeicher CI ist in Fig. 3 durch Bezeichnung der Pads P verdeut­ licht. Die in a) und b) verschiedene Anzahl von CCD-Zellen zwischen benachbarten Ladungsspeichern spiegelt die ver­ schieden vorgebbare Zahl von Zwischenabtastungen wieder.

Die unter a) in Fig. 2 skizzierte CCD-Struktur hat gegen­ über der unter b) skizzierten noch den Vorteil, daß die Steuerleitungen zu einzelnen Baugruppen, insbesondere den Ladungsspeichern nicht in die Schleife hineingeführt wer­ den müssen.

In Fig. 4 sind zwei schleifenförmige TDI-CCD-Strukturen TCS, TCS′ in vereinfachter Darstellung skizziert, welche für eine Detektordoppelzeilenanordnung wie in Fig. 1 be­ sonders vorteilhaft sind. Zusätzlich zu dem bereits zu Fig. 3 erläuterten Aufbau weisen die beiden Strukturen noch jeweils einen Verzögerungsabschnitt RT bzw. RT′ an ei­ nem Schleifenende auf. Die Signallaufdauer in dem Verzöge­ rungsabschnitt ist jeweils gleich der Bildschwenkzeit zwi­ schen Position A′ und A (bzw. B′ und B usw.) nach Fig. 1. Die Verzögerungsabschnitte sind so angeordnet, daß für jede Schwenkrichtung der Schwenkzeitunterschied zwischen Zeile Z1 und Zeile Z2 ausgeglichen wird, so daß die Si­ gnale einer Bildfeldzeile trotz Aufnahme in verschiedenen Detektorzeilen gleichzeitig an den Ausgängen AS bzw. AS′ der TDI-CCD-Strukturen TCS, TCS′ auftreten. Der Verzöge­ rungsabschnitt liegt dabei in den beiden Strukturen TCS, TCS′ jeweils zwischen dem Ausgang AS bzw. AS′ und dem La­ dungsspeicheranschluß, dessen zugehörige Detektorelement­ position der jeweils anderen Zeile zugewandt ist, für TCS also die Position A und TCS′ die Position D′ nach Fig. 1. In jede Schwenkrichtung wird dann nur in einer der Strukturen die Verzögerung wirksam. In Fig. 4 ist beispielhaft für eine Schwenkrichtung von A nach D wie in Fig. 2 durch Pfeil angedeutet die Ladungsverschieberichtung TR (2) in den Strukturen TCS, TCS′ eingetragen. Nur die Verzögerung TR′ in der Struktur TCS′ für die Signale aus den Positionen A′, B′, C′, D′ wird wirksam. Bei Umkehr der Schwenkrich­ tung wird auch die Ladungsverschiebungsrichtung umgeschal­ tet und entsprechend wird die Verzögerung in der anderen Struktur TCS wirksam.

Aus geometrischen Gründen ist es vorteilhaft die Ausgänge AS, AS′ der Strukturen TCS bzw. TCS′ nach entgegengesetzten Seiten auszurichten und bei Auslesung über ein serielles CCD-Register zwei getrennte solche Register CA bzw. CA′ vorzusehen.

Die technischen Einzelheiten für die Ausführung der Erfin­ dung, beispielsweise die Ausgestaltung bidirektional be­ treibbarer CCD-Zellen, die Verbindung der CCD-Strukturen mit den Detektorelementen, Auslesearten und Strukturen usw. sind aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fach­ mann geläufig.

Die Erfindung ist auch nicht auf die zu den Beispielen be­ schriebenen Ausführungen beschränkt.

Claims (7)

1. Bildaufnahmevorrichtung mit mindestens einer linearen Spaltenanordnung mehrerer Photodetektorelemente und einer zugeordneten CCD-Struktur zur zeitrichtigen Zusammenfas­ sung und Ausgabe (TDI) der Detektorsignale für ein in Spaltenrichtung relativ zu den Detektorelementen ge­ schwenktes Bildfeld, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die CCD-Struktur eine ebene Schleife mit einem beiden Schleifenenden gemeinsamen Ausgang bildet
• - die CCD-Struktur eine Ladungsverschiebung in beiden Längsrichtungen ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwenkspiegel das Bildfeld abwechselnd in beide Längsrichtungen der Spaltenanordnung schwenkt und Steuer­ einrichtungen die Richtung der Ladungsverschiebung längs der CCD-Struktur nach Maßgabe der Schwenkrichtung des Bildfeldes steuern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der CCD vorgeschaltete und mit dieser mono­ lithisch integrierte Ladungsspeicher für die Detektorsi­ gnale außerhalb der Schleife angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Spaltenrichtung eine Mehrzahl von Detektorspalten als Detektorzeile mit zuge­ ordneten CCD-Strukturen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Detektorzeile mit in Zeilenrichtung auf Lücke und in Spaltenrichtung um mindestens eine Spalten­ länge versetzt angeordneten Detektorspalten mit zugeordne­ ten CCD-Strukturen vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Strukturen der beiden Detektorzeilen jeweils einen nur in einer Ladungstransferrichtung wirksamen Verzögerungsabschnitt derart aufweisen, daß nur die Si­ gnale der in Schwenkrichtung früher beleuchteten Detektor­ zeile jeweils eine Verzögerung durch diese Abschnitte er­ fahren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ih­ ren hybriden Aufbau in der Weise, daß Detektorelemente ei­ nerseits und CCD-Strukturen andererseits auf verschiedenen Trägern realisiert sind, die auf einander zugewandten ebe­ nen Flächen unmittelbar gegenüberliegende Kontaktbereiche aufweisen, wobei die Anordnung der Kontaktflächen auf dem Detektorträger der Anordnung der CCD-Strukturen angepaßt ist.