JPH0339690Y2

JPH0339690Y2 -

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Publication number: JPH0339690Y2
Application number: JP4876390U
Authority: JP
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1991-08-21
Also published as: JPH02141814U

Description

【考案の詳細な説明】［考案の目的］（産業上の利用分野）この考案は、例えば人工衛星搭載用の恒星セン
サに係り、特に検出器としてCCD（電荷転送素
子）を用いて構成したものに関する。

（従来の技術）一般に、例えば人工衛星に搭載される姿勢セン
サには、地球センサ、太陽センサ、地磁気セン
サ、恒星センサ等が使用される。このうち地球セ
ンサ、太陽センサ、地磁気センサは各姿勢計測精
度が0.1°〜1°程度であるのに対し、恒星センサは
天体上の恒星の位置が誤差0.01秒角のオーダで比
較的容易に測定できることから、高精度姿勢検出
ができる唯一のセンサだと言えるものである。

この恒星センサには、従来より検出器としてイ
メージデイテクタ管、光電子増倍管、シリコンフ
オトセルが使用されてきたが、最近の半導体技術
の進展に伴つて、固体撮像素子を用いる試みがな
されている。この固体撮像素子のうち、CCDを
用いた恒星センサの基本的な機能系統は第１図に
示すようになされている。

この恒星センサでは、図示しない光学系によつ
てその焦点面に設けられた撮像部１１のフオトダ
イオード部上に恒星を結像させる。この撮像部１
１では、垂直及び水平転送CCD部によつて、あ
る一定期間フオトダイオード部に露光蓄積された
電荷を、一般に電圧として転送出力する。

ここで、クロツクパルス（CP）発生器１２で
発生されたクロツクパルスは水平ドライバ回路１
３を介して上記水平転送CCD部の水平ドライブ
パルスとなる。また、この水平ドライブパルスは
水平パルス（HP）計数器１４で計数されてお
り、この計数器１４はその計数値が所定値に達し
たとき、一般には水平画素数に達した時点でキヤ
リーパルスを出力する。このキヤリー出力パルス
は垂直ドライバ回路１５を介して上記垂直転送
CCD部の垂直ドライブパルスとなる。

つまり、これらの水平ドライブパルス及び垂直
ドライブパルスは、それぞれ上記撮像部１１の水
平転送CCD部及び垂直転送CCD部を駆動制御す
るものである。また、水平パルス計数器１４の出
力パルスは、垂直パルス（VP）計数器１６によ
つて計数される。これらの水平パルス計数器１４
及び垂直パルス計数器１６の計数値は、それぞれ
Ｘ方向の位置情報１７及びＹ方向の位置情報１８
となる。

上記撮像部１１の出力信号は、前置増幅器１９
により所望の信号レベルに変換された後、サンプ
ルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２０及びアナログ・デ
ジタル（以下Ａ／Ｄと記す）変換器２１によつ
て、信号強度すなわち恒星の明るさに対応したデ
ジタル量に変換され、恒星の光強度情報２２とな
る。

尚、上記サンプルホールド回路２０へのサンプ
リングパルス及びＡ／Ｄ変換器２１へのＡ／Ｄス
タートパルスは、それぞれタイミング発生回路２
３によりクロツクパルスと同期して発生される。

このような恒星センサで求められた位置情報１
７，１８及び光強度情報２２から恒星の中心位置
を求めるには、一般に重心計算として知られる方
法が用いられている。この方法は、光学系の焦点
面を撮像部１１からずらして、この撮像部１１上
の像のぼけを積極的に利用し、ぼけた像の光強度
を複数個のフオトダイオードによつて検出して、
光強度の中心値を重心計算によつて求めるもので
ある。つまり、衛星の姿勢が変化すると像の位置
がずれるので、逆に像の位置のずれ量から姿勢角
が求められることになる。

すなわち、二次元像の強度分布をＩ（ｘ，ｙ）
とすると、像の中心は、ｘ＝∫∫x（ｘ，ｙ）dxdy／∫∫I（ｘ，ｙ）dxdy
…(1) ｙ＝∫∫yI（ｘ，ｙ）dxdy／∫∫I（ｘ，ｙ）dxd
y…(2) で示される。例えば、恒星の結像が第２図に示す
ように撮像部１１上に形成されているとき、撮像
部１１の（ｉ，ｊ）画素からは、 Ii，ｊ＝∫ⁱ⁺△^x/z _i-△_x/z∫ⁱ⁺△^y/z _i-△_y/zＩ（Ｘ
，Ｙ）dxdy…(3) で示す出力が得られる。このときの撮像部１１の
出力から求められる重心は、 Xc＝〓〓iIi，ｊ／〓〓Ii，ｊ …(4) yc＝〓〓jIi，ｊ／〓〓Ii，ｊ …(5) となる。つまり、この恒星センサは、上記のよう
にして求めた重心位置が所定位置からどれぐらい
ずれたかを計測することによつて衛星の姿勢角を
検出し得るものである。

ところで、上記の恒星センサを安価に製造する
ため、従来では量産されるCCDを使用している。
しかしながら、近年の半導体技術の進歩に伴い、
固体撮像素子が高密度化されつつあり、かえつて
画素数の少ない旧型のCCDは入手困難になつて
きている。このため、恒星センサには必要以上に
画素数の多いCCDを使用しなければならなくな
つているが、このような画素数の増加は、必然的
にＡ／Ｄ変換器に高速応答性能を要求することに
なる。

例えば、垂直画素数を500、水平画素数を400の
合計20万画素構成のCCDを用いて100［ms］で全
画素を走査する場合、１画素の滞留時間が500
［ns］となり、この時間以内でＡ／Ｄ変換しなけ
ればならない。このような高速応答性能を有する
Ａ／Ｄ変換器は、一般に高価であると共に、消費
電力も大きい。さらに、画素数の増加はデータ数
増加を意味するので、重心計算の処理能力にも影
響する。したがつて、特に衛星搭載用の恒星セン
サとしては、消費電力が大きいこと、データ数の
多いことが致命的な欠点となつていた。

（考案が解決しようとする課題）以上述べたように、従来の恒星センサでは、必
要以上の画素数の多いCCDを使用する場合、高
価かつ消費電力の多い高速応答性能を有するＡ／
Ｄ変換器を使用しなければならず、データ数も多
くなるため、特に電力および計算処理能力に制約
のある衛星搭載用としては不向きであつた。

この考案は上記のような問題を解決するために
なされたもので、CCDの画素数が多くても、
Ａ／Ｄ変換の高速応答を必要とせず、消費電力を
低減して、衛星搭載用として好適する恒星センサ
を提供することを目的とする。

［考案の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するためにこの考案は、複数ラインについて複数個かつ同数個の光電変
換素子を配置して受光面を形成してなる光電変換
部と、この光電変換部の垂直方向に並ぶ光電変換
素子の蓄積電荷を取り込んで転送出力する垂直転
送CCD部と、この垂直転送CCD部の各列の転送
出力を取り込んで転送出力する水平転送CCD部
と、この水平転送CCD部の転送出力を蓄積しそ
の電位を読出して画像信号を得る読出し回路部と
からなる撮像部を有する恒星センサにおいて、前記光電変換素子の電荷が前記垂直転送CCD
部に取り込まれ、前記水平転送CCD部に転送さ
れて前記読出し回路部へ転送出力されるまでに互
いに隣接する複数個の電荷を加算合成して垂直方
向の画素数を圧縮する垂直画素数圧縮手段と、前
記水平転送CCD部から読出し回路部に転送され、
その電位が読み出されるまでに、隣接する複数個
の電荷を加算合成して水平方向の画素数を圧縮す
る水平画素数圧縮手段とを具備して構成される。

（作用）上記構成による恒星センサでは、垂直画素数、
水平画素数の圧縮処理を行つてデータ数の低減を
図り、これによつてＡ／Ｄ変換器の負担を軽減
し、消費電力を低減し、計算処理能力に見合つた
データ数としている。

（実施例）以下、第３図乃至第６図を参照してこの考案の
一実施例を詳細に説明する。

第３図はこの考案に係る恒星センサに用いられ
るインタライン転送型CCDによる撮像部の構成
を示すもので、その他の部分は第１図と同様であ
るので、その説明を省略する。

すなわち、この撮像部の主な構成要素として、
フオトダイオード部（光電変換部）１１１、垂直
転送CCD部１１２、水平転送CCD部１１３及び
読出し回路部１１４がある。ここでは、通常のテ
レビジヨン撮像の場合と同様に、インターレース
撮像を行うものとする。この場合、奇数フイール
ドではフオトダイオード部１１１のA₁，A₂，
A₃，…の電荷がそれぞれ対応する垂直転送CCD
へフイールドシフトされ、以後、ラインシフトパ
ルスで垂直CCD部１１２から水平転送CCDへシ
フトされ、順次水平転送CCD部１１３によつて
読出し回路１１４へ転送される。また、偶数フイ
ールドではフオトダイオード部１１１のB₁，B₂，
B₃，…の電荷が同様に転送、出力される。

ここで、この考案の画素数圧縮手段を第４図及
び第５図のタイミングチヤートを用いて説明す
る。尚、第５図は第４図に示すφ_H及びφ_RSの時間
軸を拡大して示したものである。

第４図において、φ_Vはフオトダイオード部１
１１と垂直転送CCD部１１２の間のフイールド
シフト、垂直転送CCD部１１２内の転送、及び
垂直転送CCD部１１２から水平転送CCD部１１
３へのラインシフトを行うための垂直ドライブパ
ルスの基本波形を示すもので、フイールドシフト
パルス２４の部分では、フオトダイオード部１１
１のA₁＋B₁，A₂＋B₂，…の電荷を同時に垂直転
送CCD部１１２へシフトする。このような垂直
ドライブパルスφ_Vは、実際には４相、３相、２
相、１相のものが提案されているが、いずれの方
式でもこの考案に適用可能である。

例として４相駆動の垂直転送CCDの場合を取
り上げて、上記フイールドシフトパルス２４及び
ラインシフトパルス２５１，２５２，…による垂
直転送CCD部１１２の動作の様子を第６図に示
して説明する。

まず、タイミングt₁にて、各垂直転送CCDの第
１及び第３相転送電極G₁，G₃にフイールドシフ
ト電圧V_Fを印加すると共に、第２及び第４相転
送電極G₂，G₄にラインシフト低レベル電圧V_LSL
を印加してそれぞれ電位の井戸を形成し、ここに
対応する奇数フイールドA₁，A₂，A₃，…及び偶
数フイールドB₁，B₂，B₃，…のフオトダイオー
ドに蓄積された電荷を転送する。

その後、タイミングt₂にて、第１乃至第３相転
送電極G₁〜G₃にラインシフト高レベル電圧V_LSH
を印加して井戸の電位を一定にする。これによ
り、奇数フイールドA₁，A₂，A₃，…と偶数フイ
ールドB₁，B₂，B₃，…の各電荷がそれぞれ加算
され、垂直画素数は1/2に圧縮される。そして、
タイミングt₃にて、第１の転送電極G₁にラインシ
フト低レベル電圧V_LSLを印加し、タイミングt₄に
て第４転送電極G₄にラインシフト高レベル電圧
V_LSHを印加し、タイミングt₅にて第２転送電極G₂
にラインシフト低レベル電圧V_LSLを印加すること
により、タイミングt₂で加算された電荷A₁＋B₁，
A₂＋B₂，A₃＋B₃，…を順次隣接する垂直転送
CCDにシフトしていく。

次に、第４図のφ_Hは水平転送CCD部１１３へ
の水平ドライブパルスを示し、φ_RSは読出し回路
部１１４へのリセツトパルスを示すものである。
つまり、上記垂直ドライブパルスφ_Vの第１ライ
ンシフトパルス２５で水平転送CCDに電荷が転
送されるが、次の第２ラインシフトパルス２６が
くるまで水平転送は行われない。

このようにすると、水平転送CCDには水平２
ライン分の電荷が蓄積され、これによつて垂直画
素数はさらに1/2に圧縮される。そして、第２ラ
インシフトパルス２６の後に水平ドライブパルス
φ_Hの水平転送クロツク２７によつて電荷が水平
方向に転送され、読出し回路部（出力レジスタ）
１１４に蓄積される。

このとき、第５図に拡大して示すように、読出
し回路部１１４のリセツト２８を水平４クロツク
後に１回行うことにより、水平方向はリセツト直
前に蓄積された４画素分の電荷の電位を取り出す
ことができる。

一方、垂直方向はフオトダイオード部１１１か
ら垂直転送CCD部１１２へのシフトで２画素分、
垂直転送CCDから水平転送CCDへのシフトで２
画素分、合計４画素分の電荷が加算される。すな
わち、ここでは垂直方向に４画素分、水平方向に
４画素分の、合計が16画素の電荷の電位がまとめ
て出力される。例えば垂直に500画素、水平に400
画素を有する撮像部にこの考案を適用すると、垂
直画素数125、水平画素数100の撮像部と等価とな
る。

尚、上記実施例では、垂直、水平ともに1/4の
画素数圧縮の場合について説明したが、垂直方向
は1/2n（ｎは１以上の整数）に圧縮でき、水平
方向は１／ｍ（ｍは１以上の整数）に圧縮できる。

また、上記実施例では垂直CCDの数がフオト
ダイオードの数の1/2の場合について説明したが、
垂直CCDの数がフオトダイオードの数と等しい
撮像部の場合においてもこの考案が適用できるこ
とはもちろんである。この場合、光電変換部１１
１から垂直転送CCD部１１２への電荷転送を垂
直方向に数えてｎ個同時に行い、垂直転送CCD
部１１２から水平転送CCD部１１３への転送並
びに水平転送CCD部１１３による蓄積をｎ回行
う。そして、水平転送CCD部１１３から読出し
回路部１１４の転送をｎ回に１回行うことによ
り、垂直画素数を1/nに圧縮することができる。

したがつて、以上述べた画素数圧縮手段を第１
図に示した恒星センサに適用すると、前置増幅器
１９の出力信号は第７図に示すような波形とな
る。この信号をリセツトの直前でサンプルホール
ドすることにより、サンプルホールド回路２０の
出力Ｓ／Ｈは第７図に示すように画素数を圧縮し
た比率で時間軸に延長することができ、これによ
つてＡ／Ｄ変換器２１に高速応答性能を有するも
のを使用する必要がなくなる。これによつて、消
費電力も充分に低減することができる。

例えば、500×400画素を有する撮像部を用い
て、100［ms］毎に全画素データを取得しようと
すると、従来では一画素当たりの滞留時間は500
［ns］となつてＡ／Ｄ変換をこの500［ns］以内で
完了しなければならないが、この考案の特徴とす
る画素数圧縮手段を用いれば、例えば垂直方向に
１／４、水平方向に1/4にそれぞれ圧縮することがで
き、Ａ／Ｄ変換は８［μs］で完了させればよいこ
とになる。

尚、画素数圧縮に伴つて、第１図の位置情報１
７，１８は、計数器を追加することにより圧縮後
に恒星像のデフオーカスを大きくしていわゆる重
心計算を行うことにより、実質上十分なデータを
得ることができるものである。

［考案の効果］以上のようにこの考案によれば、CCDの画素
数が多くても、Ａ／Ｄ変換の高速応答を必要とせ
ず、消費電力を低減して、衛星搭載用として好適
する恒星センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は恒星センサの機能系統を説明するため
のブロツク回路図、第２図は重心計算を説明する
ための図、第３図乃至第７図はそれぞれこの考案
に係る恒星センサの一実施例を説明するためのも
ので、第３図は同実施例に用いる撮像部の構成を
示す図、第４図及び第５図は同実施例の画素数圧
縮のタイミングを説明するための図、第６図は垂
直転送CCDが４相駆動の場合の同実施例の動作
を説明するための図、第７図は同実施例の撮像部
出力とサンプルホールド回路出力のタイミングを
示す図である。１１……撮像部、１１１……フオトダイオード
部、１１２……垂直転送CCD部、１１３……水
平転送CCD部、１１４……読出し回路部、１２
……クロツク発生器、１３……水平ドライバ回
路、１４……水平パルス計数器、１５……垂直ド
ライバ回路、１６……垂直パルス計数器、１７，
１８……Ｘ，Ｙ方向の位置情報、２０……サンプ
ルホールド回路、２１……Ａ／Ｄ変換器、２２…
…光強度情報、２４……フイールドシフトパル
ス、２５，２６……ラインシフトパルス、２７…
…水平転送クロツク、２８……リセツトパルス、
φ_V……垂直ドライブパルス、φ_H……水平ドライ
ブパルス、φ_RS……リセツト信号。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】 (1) 複数個の光電変換素子を垂直方向及び水平方
向に配置して受光面を形成してなる光電変換部
と、この光電変換部の垂直方向に並ぶ光電変換
素子の蓄積電荷を取り込んで転送出力する複数
列の垂直転送CCD部と、この垂直転送CCD部
の各列の転送出力を取り込んで転送出力する水
平転送CCD部と、この水平転送CCD部の転送
出力を蓄積しその電位を読出して画像信号を得
る読出し回路部と、この読出し回路部に対して
前記水平転送CCD部からの転送電荷の電位を
読出させ、その後リセツトをかける読出し駆動
部からなる撮像部を有し、この撮像部から出力
される画像信号をアナログ／デジタル変換器で
デジタルデータに変換し、当該デジタルデータ
から前記受光面の光強度分布の重心位置を計算
する恒星センサにおいて、前記垂直転送CCD部に対して光電変換素子
の蓄積電荷を取り込ませ、取り込んだ複数個の
隣接電荷を加算合成させて前記水平転送CCD
部に転送させる垂直転送駆動部と、前記水平転送CCD部に対して前記垂直転送
CCD部の転送電荷を取り込ませ、取り込んだ
複数個の隣接電荷を加算合成させて前記読出し
回路部に転送させる水平転送駆動部と、を具備したことを特徴とする恒星センサ。 (2) 前記水平転送駆動部は、さらに前記垂直転送
CCD部からの転送電荷を複数個分蓄積してか
ら転送させることを特徴とする実用新案登録請
求の範囲第１項記載の恒星センサ。 (3) 前記垂直転送CCD部が、前記光電変換部の
水平方向の光電変換素子を奇数ラインと偶数ラ
インに区別し、垂直方向に並ぶ２個の光電変換
素子に対応して１個の垂直転送CCDを配置し
たものである場合は、前記垂直転送駆動部は、前記垂直転送CCD
部に奇数ラインと偶数ラインの光電変換素子の
蓄積電荷をフイールド単位で同時に取り込ま
せ、加算合成して転送出力させることを特徴と
する実用新案登録請求の範囲第１項記載の恒星
センサ。 (4) 前記読出し駆動部は、前記読出し回路部に対
して、水平転送CCD部からの転送電荷を複数
画素分蓄積した後にその電位を読出させ、その
後リセツトをかけることを特徴とする実用新案
登録請求の範囲第１項記載の恒星センサ。