JP2008236156A

JP2008236156A - 光検出器及び人工衛星搭載光学センサ

Info

Publication number: JP2008236156A
Application number: JP2007070604A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ueno; 信一上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP5042675B2

Abstract

【課題】開発期間の短縮及び開発コストの低減を図ることができ、軌道上の衛星で分解能を変更することができ、さらに、小型化、軽量化を図ることができる光検出器及び人工衛星搭載光学センサを得る。
【解決手段】光検出器は、光を電荷に変換しかつ発生した電荷を垂直方向に転送するＴＤＩ機能を持つ垂直ＣＣＤ部１と、前記垂直ＣＣＤ部１から転送された電荷を、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間蓄積する電荷蓄積ゲート部２と、前記電荷蓄積ゲート部２から転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ部３と、前記水平ＣＣＤ部３から転送された電荷を、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換して出力するフローティングディフージョンアンプ４とを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、人工衛星に搭載され地表面上の情報を観測する光学センサに用いる光検出器に関するものである。

人工衛星搭載光学センサを用いた地球観測に関しては、全地球的規模という広域の観測が可能であること、衛星が地球を周回することにより周期性のある観測が可能であること、人工衛星に搭載された同一センサにより均一かつ継続性のある観測が可能であることなどから既に多くの人工衛星搭載光学センサが打ち上げられ、観測データが取得されていることは周知のところである。

地表面上にある土壌、岩石、植生、水などは、これらの物質毎に異なる太陽光の反射、吸収、透過特性を示す。これらの特性を得るため、人工衛星搭載光学センサでは光を複数の波長帯域に分ける、すなわち分光を行い、それぞれの波長帯での光の強度を観測する。可視近赤外波長領域を１バンドに分光して観測するパンクロマチックセンサ、可視近赤外波長領域を２〜４程度のバンドに分光して観測するマルチスペクトルセンサや、可視近赤外波長領域を連続かつ狭波長領域の超多バンドに分光して観測する、いわゆるハイパースペクトルセンサなどがあり、単独あるいは複数のセンサを人工衛星に搭載して地表面の観測を実施している。このセンサとしてはＳｉＣＣＤ検出器などの光検出器が用いられる（例えば、非特許文献１参照）。

Thomas M. Lillesand and Ralph W. Kiefer著「REMOTE SENSING AND IMAGE INTERPRETATION」，third edition，John Wiley & Sons, Inc, p.352-422

従来のパンクロマチックセンサ、マルチスペクトルセンサ、ハイパースペクトルセンサを混在させた人工衛星搭載光学センサにおいては、観測波長領域幅がそれぞれのセンサで異なるため分解能が異なっていた。このため、同一光学系を用いた場合でも光検出器の画素ピッチが異なり、複数の光検出器を同時に開発する必要があり、開発期間が長期化したり、開発コストが増大したりするという問題点があった。

また、光検出器の画素ピッチが固定となるため、軌道上の衛星で分解能を変更することができないという問題点があった。

さらに、前述のように、複数の光検出器を使用するため、光検出器を駆動する検出器駆動部や、光検出器の出力信号を処理する信号処理部の規模が増大するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、開発期間の短縮及び開発コストの低減を図ることができ、軌道上の衛星で分解能を変更することができ、さらに、小型化、軽量化を図ることができる光検出器及び人工衛星搭載光学センサを得るものである。

この発明に係る光検出器は、光を電荷に変換しかつ発生した電荷を垂直方向に転送するＴＤＩ機能を持つ垂直ＣＣＤ部と、前記垂直ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間蓄積する電荷蓄積ゲート部と、前記電荷蓄積ゲート部から転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ部と、前記水平ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換して出力するフローティングディフージョンアンプとを設けたものである。

この発明に係る光検出器及び人工衛星搭載光学センサは、開発期間の短縮及び開発コストの低減を図ることができ、軌道上の衛星で分解能を変更することができ、さらに、小型化、軽量化を図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光検出器について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る光検出器の構成を示すとともに、パンクロマチックセンサとして動作する様子を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る光検出器の構成を示すとともに、マルチスペクトルセンサとして動作する様子を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１及び図２において、この発明の実施の形態１に係る光検出器は、光を電荷に変換しかつ発生した電荷を人工衛星の移動を合わせて転送できる機能、すなわちＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙ＆Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）機能をもつ垂直ＣＣＤ部１と、この垂直ＣＣＤ部１から転送された電荷を駆動信号に基づき一定時間蓄積する電荷蓄積ゲート部２と、水平方向に電荷を転送する水平ＣＣＤ部３と、この水平ＣＣＤ部３で転送された電荷を電気信号に変換するフローティングディフージョンアンプ４とが設けられている。

また、１０はパンクロマチックセンサの１画素相当の画素、１１は垂直ＣＣＤ部１の電荷転送方向、１２は水平ＣＣＤ部３の電荷転送方向、１３は出力電圧信号、１４はマルチスペクトルセンサの１画素相当の画素をそれぞれ表す。

つぎに、この実施の形態１に係る光検出器の動作について図面を参照しながら説明する。

まず、パンクロマチックセンサ用光検出器として用いる場合の動作について説明する。図１には示していないが、基準信号を発生するとともに、フローティングディフージョンアンプ４から出力される電圧信号１３を処理する信号処理部と、この信号処理部からの基準信号に基づき電荷蓄積ゲート部２及びフローティングディフージョンアンプ４へ駆動信号（クロック）を出力する検出器駆動部とが人工衛星搭載光学センサに設けられている。

図１において、入射した光は、垂直ＣＣＤ部１で光から電荷に変換される。この変換された電荷は、人工衛星の移動速度に略同期した速度で垂直ＣＣＤ部１の電荷転送方向１１に沿って転送される。

垂直ＣＣＤ部１で発生し、かつ転送された電荷は電荷蓄積ゲート部２に転送され、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分の時間蓄積したのち、水平ＣＣＤ部３に転送する。水平ＣＣＤ部３では、電荷転送方向１２に沿って順次電荷を転送し、フローティングディフージョンアンプ４に転送する。フローティングディフージョンアンプ４では、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換し信号処理部に出力する。

続いて、パンクロマチックセンサよりも分解能が略２倍大きいマルチスペクトルセンサに用いた場合の動作について説明する。図２には示していないが、基準信号を発生するとともに、フローティングディフージョンアンプ４から出力される電圧信号１３を処理する信号処理部と、この信号処理部からの基準信号に基づき電荷蓄積ゲート部２及びフローティングディフージョンアンプ４へ駆動信号（クロック）を出力する検出器駆動部とが人工衛星搭載光学センサに設けられている。

図２において、入射した光は、垂直ＣＣＤ部１で光から電荷に変換される。この変換された電荷は、人工衛星の移動速度に略同期した速度で垂直ＣＣＤ部１の電荷転送方向１１に沿って転送される。

垂直ＣＣＤ部１で発生し、かつ転送された電荷は電荷蓄積ゲート部２に転送され、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、２画素分の時間蓄積したのち、水平ＣＣＤ部３に転送する。水平ＣＣＤ部３では、電荷転送方向１２に沿って順次電荷を転送し、フローティングディフージョンアンプ４に転送する。フローティングディフージョンアンプ４では、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、２画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換し信号処理部に出力する。

なお、上記の説明では、マルチスペクトルセンサの分解能をパンクロマチックセンサの略２倍としたが、分解能比を略整数倍として、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、整数分の時間、電荷蓄積ゲート部２及びフローティングディフージョンアンプ４で電荷蓄積を実施すればよいことはいうまでもない。

また、上記の説明では、「パンクロマチックセンサとマルチスペクトルセンサ」の組み合わせとしたが、「パンクロマチックセンサとハイパースペクトルセンサ」、「パンクロマチックセンサとマルチスペクトルセンサとハイパースペクトルセンサ」の組み合わせでもよいことはいうまでもない。

上記の光検出器の電荷蓄積ゲート部２、フローティングディフージョンアンプ４への駆動信号は、上述したように、人工衛星搭載光学センサの検出器駆動部より供給される。

従って、人工衛星搭載光学センサの信号処理部に、地上からの送信コマンドに応じて、基準信号（クロック）を変更する機能を持たせれば、この基準信号に基づき検出器駆動部が発生する、光検出器の電荷蓄積ゲート部２、フローティングディフージョンアンプ４への駆動信号を変更することができ、軌道上で分解能を変更できるようになることはいうまでもない。

本実施の形態１によれば、パンクロマチックセンサ、マルチスペクトルセンサ、ハイパースペクトルセンサを混在させた人工衛星搭載光学センサにおいて、観測波長領域幅がそれぞれのセンサで異なるため分解能が異なっていても、同一の光検出器を使用できるため開発期間の短縮や開発コストの低減が図れる。

また、本実施の形態１によれば、パンクロマチックセンサ、マルチスペクトルセンサ、ハイパースペクトルセンサを混在させた人工衛星搭載光学センサにおいて、電荷蓄積ゲート部２とフローティングディフージョンアンプ４の駆動信号を除いて共通化可能であるため、光検出器を駆動する検出器駆動部や、光検出器の出力電圧信号を処理する信号処理部の回路が簡素となり、人工衛星搭載光学センサとしても小型化、軽量化が可能となる。

さらに、本実施の形態１によれば、電荷蓄積ゲート部２とフローティングディフージョンアンプ４の駆動信号を変更することで、人工衛星搭載光学センサの分解能を変更することが可能となる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る光検出器について図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る光検出器の構成を示すとともに、パンクロマチックセンサとして動作する様子を示す図である。また、図４は、この発明の実施の形態２に係る光検出器の構成を示すとともに、マルチスペクトルセンサとして動作する様子を示す図である。

図３及び図４において、この発明の実施の形態２に係る光検出器は、光を電荷に変換しかつ発生した電荷を人工衛星の移動を合わせて転送できる機能、すなわちＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙ＆Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）機能をもつ垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂと、垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂから転送された電荷を駆動信号に基づき一定時間蓄積する電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂと、水平方向に電荷を転送する水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂと、水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂで転送された電荷を電気信号に変換するフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂとが設けられている。

また、垂直ＣＣＤ部１ａと垂直ＣＣＤ部１ｂは、電荷転送方向１１ａ、１１ｂの方向に０．５＋ｎ（ｎは整数）画素ずれ、水平ＣＣＤ部３ａと水平ＣＣＤ部３ｂは、電荷転送方向１２ａ、１２ｂに０．５＋ｍ（ｍは整数、ここではｍ＝０）画素ずれた配置となっている。

さらに、１０ａ、１０ｂはパンクロマチックセンサの１画素相当の画素、１３ａ、１３ｂは出力電圧信号、１４ａ、１４ｂはマルチスペクトルセンサの１画素相当の画素をそれぞれ表す。

つぎに、この実施の形態２に係る光検出器の動作について図面を参照しながら説明する。

まず、パンクロマチックセンサ用光検出器として用いる場合の動作について説明する。図３には示していないが、基準信号を発生するとともに、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂから出力される電圧信号１３ａ、１３ｂを処理する信号処理部と、この信号処理部からの基準信号に基づき電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂ及びフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂへ駆動信号（クロック）を出力する検出器駆動部とが人工衛星搭載光学センサに設けられている。

図３において、入射した光は、垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂで光から電荷に変換される。この変換された電荷は、人工衛星の移動速度に略同期した速度で垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂの電荷転送方向１１ａ、１１ｂに沿って転送される。

垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂで発生し、かつ転送された電荷は電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂに転送され、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分の時間蓄積したのち、水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂに転送する。水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂでは、電荷転送方向１２ａ、１２ｂに沿って順次電荷を転送し、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂに転送する。フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂでは、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、１画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換し出力する。

続いて、パンクロマチックセンサよりも分解能が略２倍大きいマルチスペクトルセンサに用いた場合の動作について説明する。図４には示していないが、基準信号を発生するとともに、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂから出力される電圧信号１３ａ、１３ｂを処理する信号処理部と、この信号処理部からの基準信号に基づき電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂ及びフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂへ駆動信号（クロック）を出力する検出器駆動部とが人工衛星搭載光学センサに設けられている。

図４において、入射した光は、垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂで光から電荷に変換される。この変換された電荷は、人工衛星の移動速度に略同期した速度で垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂの電荷転送方向１１ａ、１１ｂに沿って転送される。

垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂで発生し、かつ転送された電荷は電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂに転送され、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、２画素分の時間蓄積したのち、水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂに転送する。水平ＣＣＤ部３ａ、３ｂでは、電荷転送方向１２ａ、１２ｂに沿って順次電荷を転送し、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂに転送する。フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂでは、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、２画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換し出力する。

上記の説明では、マルチスペクトルセンサの分解能をパンクロマチックセンサの略２倍としたが、分解能比を略整数倍として、検出器駆動部からの駆動信号に基づいて、整数分の時間、電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂ及びフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂで電荷蓄積を実施すればよいことはいうまでもない。

光検出器の電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂ、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂへの駆動信号は、上述したように、人工衛星搭載光学センサの検出器駆動部より供給される。

従って、人工衛星搭載光学センサの信号処理部に、地上からの送信コマンドに応じて、基準信号（クロック）を変更する機能を持たせれば、この基準信号に基づき検出器駆動部が発生する、光検出器の電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂ、フローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂへの駆動信号を変更することができ、軌道上で分解能を変更できるようになることはいうまでもない。

本実施の形態２によれば、パンクロマチックセンサ、マルチスペクトルセンサ、ハイパースペクトルセンサを混在させた人工衛星搭載光学センサにおいて、観測波長領域幅がそれぞれのセンサで異なるため分解能が異なっていても、同一の光検出器を使用できるため開発期間の短縮や開発コストの低減が図れる。

また、本実施の形態２によれば、パンクロマチックセンサ、マルチスペクトルセンサ、ハイパースペクトルセンサを混在させた人工衛星搭載光学センサにおいて、電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂとフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂの駆動信号を除いて共通化可能であるため、光検出器を駆動する検出器駆動部や、光検出器の出力電圧信号を処理する信号処理部の回路が簡素となり、人工衛星搭載光学センサとしても小型化、軽量化が可能となる。

また、本実施の形態２によれば、電荷蓄積ゲート部２ａ、２ｂとフローティングディフージョンアンプ４ａ、４ｂの駆動信号を変更することで人工衛星搭載光学センサの分解能を変更することが可能となる。

さらに、本実施の形態２によれば、垂直ＣＣＤ部１ａに対して垂直ＣＣＤ部１ｂが電荷転送方向１１ａ、１１ｂに０．５＋ｎ（ｎは整数）画素ずれ、水平ＣＣＤ部３ａに対して水平ＣＣＤ部３ｂが電荷転送方向１２ａ、１２ｂに０．５＋ｍ（ｍは整数）画素ずれた配置となっているため、オーバーサンプリングの状態を満足し、垂直ＣＣＤ部１ａ、１ｂの信号を地上で処理することにより高分解能化可能である。

この発明の実施の形態１に係る光検出器の構成を示すとともに、パンクロマチックセンサとして動作する様子を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光検出器の構成を示すとともに、マルチスペクトルセンサとして動作する様子を示す図である。この発明の実施の形態２に係る光検出器の構成を示すとともに、パンクロマチックセンサとして動作する様子を示す図である。この発明の実施の形態２に係る光検出器の構成を示すとともに、マルチスペクトルセンサとして動作する様子を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ垂直ＣＣＤ部、２、２ａ、２ｂ電荷蓄積ゲート部、３、３ａ、３ｂ水平ＣＣＤ部、４、４ａ、４ｂフローティングディフージョンアンプ。

Claims

光を電荷に変換しかつ発生した電荷を垂直方向に転送するＴＤＩ機能を持つ垂直ＣＣＤ部と、
前記垂直ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間蓄積する電荷蓄積ゲート部と、
前記電荷蓄積ゲート部から転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ部と、
前記水平ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換して出力するフローティングディフージョンアンプと
を備えたことを特徴とする光検出器。
請求項１記載の光検出器と、
基準信号を発生する信号処理部と、
前記信号処理部からの基準信号に基づいて前記電荷蓄積ゲート部及び前記フローティングディフージョンアンプへの駆動信号を出力する検出器駆動部と
を備えたことを特徴とする人工衛星搭載光学センサ。
前記信号処理部は、地上からのコマンドにより前記基準信号を変化させ、
前記検出器駆動部は、変化した基準信号に基づいて前記電荷蓄積ゲート部及び前記フローティングディフージョンアンプへの駆動信号を変化させる
ことを特徴とする請求項２記載の人工衛星搭載光学センサ。
光を電荷に変換しかつ発生した電荷を垂直方向に転送するＴＤＩ機能を持つ第１の垂直ＣＣＤ部と、
前記第１の垂直ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間蓄積する第１の電荷蓄積ゲート部と、
前記第１の電荷蓄積ゲート部から転送された電荷を水平方向に転送する第１の水平ＣＣＤ部と、
前記第１の水平ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換して出力する第１のフローティングディフージョンアンプとを有する第１の光検出器と、
光を電荷に変換しかつ発生した電荷を垂直方向に転送するＴＤＩ機能を持つ第２の垂直ＣＣＤ部と、
前記第２の垂直ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間蓄積する第２の電荷蓄積ゲート部と、
前記第２の電荷蓄積ゲート部から転送された電荷を水平方向に転送する第２の水平ＣＣＤ部と、
前記第２の水平ＣＣＤ部から転送された電荷を、外部からの駆動信号に基づいて、１画素分又は複数画素分の時間の電荷蓄積を行い、蓄積された電荷量に応じた強度の電圧信号に変換して出力する第２のフローティングディフージョンアンプとを有する第２の光検出器とを備え、
前記第１の垂直ＣＣＤ部に対して第２の垂直ＣＣＤ部が垂直方向に０．５＋ｎ（ｎは整数）画素ずれ、前記第１の水平ＣＣＤ部に対して第２の水平ＣＣＤ部が水平方向に０．５＋ｍ（ｍは整数）画素ずれて配置された
ことを特徴とする光検出器。
請求項４記載の光検出器と、
基準信号を発生する信号処理部と、
前記信号処理部からの基準信号に基づいて前記第１及び第２の電荷蓄積ゲート部、並びに前記第１及び第２のフローティングディフージョンアンプへの駆動信号を出力する検出器駆動部と
を備えたことを特徴とする人工衛星搭載光学センサ。
前記信号処理部は、地上からのコマンドにより前記基準信号を変化させ、
前記検出器駆動部は、変化した基準信号に基づいて前記第１及び第２の電荷蓄積ゲート部、並びに前記第１及び第２のフローティングディフージョンアンプへの駆動信号を変化させる
ことを特徴とする請求項５記載の人工衛星搭載光学センサ。