CN108827247B - 基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，基于三片普通探测器，采用机械交错拼接方法，可获得近三倍于单个探测器的大视场，同时可有效的控制拼接精度以及设备的体积重量和研制成本；其具有稳定度高，系统复杂度低，光学性能好以及成本低等优点。

Description

基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法
技术领域
本发明涉及光学成像领域中视场拼接技术领域，尤其涉及一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法。
背景技术
大视场、高分辨率空间相机已经成为遥感卫星应用的发展趋势。受工艺影响，探测器尺寸不可能做的很大，因此视场拼接是解决大视场问题的主要途径。视场拼接一般可以分为两种类型，一类为内拼接，又称为像方拼接；另一类为外拼接，又称物方拼接。
1、外拼接是指将多台成像设备按精密计算的角度进行组合，成为具有大视场覆盖的多目标成像系统。由于多台设备需要精密配合，重量和体积不好控制，因此在工程应用中实现起来困难比较大，应用较少。
2、内拼接又有多种形式，可以在第一像面上用多个面阵图像探测器直接拼接，称机械拼接法；也可以在第一像面之后借助于光学零件，将视场的不同部分成像到各自的面阵图像探测器上进行视场拼接，称光学拼接法。
1)光学拼接又有光学棱镜分光拼接和反射式多次指向拼接等方式。a、光学棱镜分光拼接是利用光学棱镜分光将视场分为多个像面，然后在空间上安装多个探测器阵列覆盖整个视场，达到拼接的效果。但拼接棱镜时会产生色差，一般多用于透射式光学系统，可以使拼接的棱镜与透镜组合进行色差校正，但对于全反射系统将直接引入色差，降低像质，同时棱镜分光会导致焦平面的能量下降，增加曝光时间。b、反射式多次指向拼接在像方安放一个反射镜进行指向，系统分时指向每个探测器拼接阵列，同时每个阵列间的探测器在像面上进行重叠分布，保证像面无缝拼接，该方法可以实现大视场无缝拼接同时不使焦平面能量下降，缺点是需要增加反射镜并需要多次指向。
2)机械拼接主要有直接拼接和机械交错拼接等方式。a、直接拼接是指利用探测器直接拼接覆盖整个视场，由于探测器组件封装等原因边缘无法无缝连接，会导致焦平面像素缺失图像出现盲区。b、机械交错拼接方法是根据探测器的特点，将所要拼接的探测器错开一定尺寸平行地交错排列在焦平面上，让过探测器的外形封装尺寸，使其长度充满整个视场空间。机械交错拼接对交错叠加的探测器之间像元的直线度，重叠量，整个探测器像面拼接后的平面度都有较高的精度要求；但是，现有的机械交错拼接方法的拼接结构设计太过复杂，且拼接精度也不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，具有稳定度高，系统复杂度低，光学性能好以及成本低等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，包括：
在带有高倍率显微镜的精密负压吸附导轨精密支撑工作平台上固定好探测器安装基板，在基板上以品字型排列安装三个探测器，并对三个探测器与基板之间的研磨垫片进行研磨来调整三个探测器的整体平面度；
卸下上方的探测器A与左下方探测器B，保留右下方的探测器C，利用固定在基板上相对于探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，调整好探测器C相对于基板所要求的直线度，固定好探测器C位置；
卸下探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器A及其可锁紧型微型调整工装，以探测器C为基准在高倍率显微镜下调整探测器A，保证探测器A与探测器C的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器A位置；
卸下探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器B及其可锁紧型微型调整工装，以探测器A为基准在高倍率显微镜下调整探测器B，保证探测器B与探测器A的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器B位置后卸下探测器B四个方向的可锁紧型微型调整工装。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于三片普通探测器，采用机械交错拼接方法，可获得近三倍于单个探测器的大视场，同时可有效的控制拼接精度以及设备的体积重量和研制成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的探测器拼接几何关系示意图；
图3为本发明实施例提供的机械拼接装置示意图；
图4为本发明实施例提供的探测器PCB电路板设计示意图；
图5为本发明实施例提供的精密位置调节装置；
图6为本发明实施例提供的探测器C装调工装结构示意图；
图7为本发明实施例提供的探测器A装调工装结构示意图；
图8为本发明实施例提供的探测器B装调工装结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例中提供一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，其是将三个探测器按品字型排列，采用机械交错拼接方法获得近三倍于单个探测器的大视场；如图1所示，其主要包括：
1、在带有高倍率显微镜的精密负压吸附导轨精密支撑工作平台上固定好探测器安装基板，在基板上以品字型排列安装三个探测器，并对三个探测器与基板之间的研磨垫片进行研磨来调整三个探测器的整体平面度。
受元器件制造工艺限制，常见的光电转换探测器的感光面尺寸都小于封装尺寸，因此并不是所有的探测器都可以实现拼接。如图2所示，A、B、C代表三个探测器，其中用斜线条填充的矩形区域代表探测器封装尺寸大小，长为L2、高为H2。用横线条填充的矩形区域是探测器的感光面尺寸，长为L1、高为H1。d1探测器B与探测器A，以及探测器C与探测器A的重叠区域的宽度，d2表示探测器B与探测器C之间的间隔。
由图中几何关系可知，为了实现拼接后的视场的完整性，探测器A的感光面的长度必须能覆盖B、C两个探测器感光面在X方向之间的间隔，即所选探测器的尺寸必须满足下式：
L1>L2-L1+2d1+d2(即L1>L2/2-L1+d1+d2/2)
其中，d1可以根据光学设计给出，一般为几十到100个像元的大小。由于探测器需要焊接在PCB电路板上，探测器B与探测器C在物理上不可能做到无缝拼接，因此d2可以很小，但不可能为0，当满足上述公式时，d2越大，则视场越大。
为了实现拼接，本发明实施例设计了机械拼接装置。如图3所示，最下面的灰色板为探测器安装基板，基板上面白色板为研磨垫片，垫片上是探测器PCB电路板。基板在加工过程中要保证平面度，拼接主要利用高精密位置调节装置，不断地测量焦平面与基准的误差(包括共面度误差，平行度误差，像元搭接误差)，计算修磨量，通过修磨白色垫片来完成。
本发明实施例中，在基板上以品字型排列安装三个探测器时，每一探测器用紧固螺钉结构与研磨垫片相互连接，研磨垫片用紧固螺钉结构安装在基板上。
如图4所示，三个探测器均装载在相应的PCB电路板上，PCB电路板采用异性设计，使装载探测器B与探测器C的两块PCB电路板相邻边的尺寸尽可能小，从而使得探测器B与探测器C之间的间隔d2尽可能小。此外，受空间限制，同时为了保证拼接的装调可操作，采用刚柔线缆将探测器信号连接到信号处理板，而不采用接插件的方式。
如图5所示，为拼接过程中使用的高精度的精密位置调节装置的示意图，其中1-机械装调装置、2-高倍率显微镜、3-精密负压吸附导轨、4-精密支撑工作平台。该装置可以读取探测器每个像元的三坐标位置，然后可以对探测器位置进行精密移动。
2、卸下上方的探测器A与左下方探测器B，保留右下方的探测器C，利用固定在基板上相对于探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，调整好探测器C相对于基板所要求的直线度，固定好探测器C位置。
3、卸下探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器A及其可锁紧型微型调整工装，以探测器C为基准在高倍率显微镜下调整探测器A，保证探测器A与探测器C的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器A位置。
4、卸下探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器B及其可锁紧型微型调整工装，以探测器A为基准在高倍率显微镜下调整探测器B，保证探测器B与探测器A的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器B位置后卸下探测器B四个方向的可锁紧型微型调整工装。
本发明实施例中，由于机械装调装置比较精密复杂，在整体拼接时根据其装调结构设计不同在三维空间上都需要占用一定的探测器基板空间，但当探测器基板装调空间有局限时，一般的机械装调方法很难对探测器整个拼接面进行装调。因此需要设计一套微型调整工装进行拼接操作。
上述步骤2～4的拼接操作原理类似，这三个步骤示意图分别如图6～图8所示。这三个附图中，5-单片探测器板，6-可锁紧型微型调整工装，7-研磨垫片，8-探测器安装基板。
可锁紧型微型调整工装带有精密细牙螺纹顶杆，通过紧固螺纹连接在基板上，精密细牙螺纹顶杆通过对与探测器固定连接的研磨垫片四个方向位置的调整来调整探测器的相对位置，相对于单片探测器四个方向上每个方向均放置两个调整工装进行对探测器位置的调整固定。
本领域技术人员可以理解，文中所涉及的诸如“高倍率”、“精密”、“高精度”、“微型”等特征的具体指标可以由本领域技术人员根据其掌握的知识来确定。以“高倍率”为例，高倍率显微镜的目的是为了能够准确观测到各个探测器的像元位置，从而对各个探测器进行调整，基于这样的目的，本领域技术人员自然会选择至少能够观测到各个探测器像元位置的高倍率显微镜。
本发明实施例上述方案，基于三片普通探测器，采用机械交错拼接方法，可获得近三倍于单个探测器的大视场，同时可有效的控制拼接精度以及设备的体积重量和研制成本；其具有稳定度高，系统复杂度低，光学性能好以及成本低等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，其特征在于，包括：
在带有高倍率显微镜的精密负压吸附导轨精密支撑工作平台上固定好探测器安装基板，在基板上以品字型排列安装三个探测器，并对三个探测器与基板之间的研磨垫片进行研磨来调整三个探测器的整体平面度；
卸下上方的探测器A与左下方探测器B，保留右下方的探测器C，利用固定在基板上相对于探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，调整好探测器C相对于基板所要求的直线度，固定好探测器C位置；
卸下探测器C四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器A及其可锁紧型微型调整工装，以探测器C为基准在高倍率显微镜下调整探测器A，保证探测器A与探测器C的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器A位置；
卸下探测器A四个方向的可锁紧型微型调整工装，安装探测器B及其可锁紧型微型调整工装，以探测器A为基准在高倍率显微镜下调整探测器B，保证探测器B与探测器A的相对直线度与像元重叠量，再固定好探测器B位置后卸下探测器B四个方向的可锁紧型微型调整工装；
三个探测器的尺寸满足如下公式：
L1>L2-L1+2d1+d2
上式中，L2表示每一探测器的长度；L1表示每一探测器感光面的长度；d1表示探测器B与探测器A，以及探测器C与探测器A的重叠区域的宽度；d2表示探测器B与探测器C之间的间隔；
当满足上述公式时，d2越大，则视场越大。
2.根据权利要求1所述的一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，其特征在于，在基板上以品字型排列安装三个探测器时，每一探测器用紧固螺钉结构与研磨垫片相互连接，研磨垫片用紧固螺钉结构安装在基板上。
3.根据权利要求1所述的一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，其特征在于，可锁紧型微型调整工装带有精密细牙螺纹顶杆，通过紧固螺纹连接在基板上，精密细牙螺纹顶杆通过对与探测器固定连接的研磨垫片四个方向位置的调整来调整探测器的相对位置，相对于单片探测器四个方向上每个方向均放置两个调整工装进行对探测器位置的调整固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于三片探测器机械交错拼接的视场拼接方法，其特征在于，三个探测器均装载在相应的PCB电路板上，PCB电路板采用异性设计，使装载探测器B与探测器C的两块PCB电路板相邻边的尺寸尽可能小；同时，采用刚柔线缆将每一探测器连接到信号处理板。
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