CN112781841A - 基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像传感器的装调方法，具体涉及基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统及方法，以解决现有成像传感器像面平行度调试时，存在直接测量法会划伤或损坏保护玻璃，且调试精度差，而成像测量法的离焦像质模糊不利于准确计算，且工作量大的技术问题。调试系统包括偏心仪气浮平台、四维调整台、辅助工装、偏心仪成像显微镜和千分表；待调试传感器组件安装在所述四维调整台上，偏心仪成像显微镜设置在待调试传感器组件的正上方。基于上述调试系统的调试方法包括：偏心仪气浮平台调平；将待调试传感器组件的安装法兰调平；用偏心仪成像显微镜测试成像传感器三点的数值，计算偏差值；根据偏差修正垫柱的厚度。

Description

基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统及方法

技术领域

本发明涉及成像传感器的装调方法，具体涉及一种基于偏心仪显微测量的成像传感器像面平行度调试系统及方法。

背景技术

成像传感器有CMOS、CCD等，安装在星敏感器光学镜头的后端，用来对恒星目标成像，成像传感器感光像面理论上要与光轴垂直，具有很高的安装精度指标才能保证成像质量与精度。

成像传感器像面一般为正方形或长方形，星敏感器光学镜头要求在不同视场即成像传感器像面每个位置都要保证成像质量。对于大数值孔径的光学镜头，成像传感器像面的倾斜会引起离焦，造成成像模糊、图像变形、能量下降、视场不对称等，严重影响星敏感器的测量精度。因此必须保证成像传感器感光像面与光轴垂直这一指标。

成像传感器一般先焊接在电路板上，再通过调整垫柱安装在法兰上，最后安装到光学镜头后端法兰面上。影响成像传感器感光像面与光轴垂直一般有：成像传感器像面与电路板不平行度、成像传感器像面与保护玻璃不平行度、电路板与法兰端面安装不平行度等。

结构上我们一般把成像传感器感光像面与光轴垂直度转换为成像传感器感光像面与安装法兰的平行度，安装法兰端面在结构上已保证与光学镜头光轴的垂直度。对于大数值孔径的星敏感器光学系统，不平行度指标要求小于0.01mm或更小。

一般的像面平行度调试方法有直接测量法、成像测量法等。直接测量法：用直线千分表测量保护玻璃与安装法兰的平行度，缺点为存在划伤或损坏保护玻璃的危险，而且存在保护玻璃与像面不平行的情况；如果无保护玻璃不能使用此方法。成像测量法：将星敏感器对准平行光管，通过查看像面不同位置的成像质量来判断是否与光轴垂直；缺点是倾斜较大时离焦像质模糊严重难以判断，不利于准确计算，而且调试时要拆装整个星敏感器装置工作量比较大；一般把此方法作为最后一道验收工序。

发明内容

本发明的目的是解决现有成像传感器像面平行度调试时，存在直接测量法会划伤或损坏保护玻璃，且保护玻璃与像面不平行导致调试精度差，而成像测量法在倾斜较大时离焦像质模糊，不利于准确计算，且调试工作量大的技术问题，提出基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统及方法，基于偏心仪显微测量技术，只对待调试传感器组件进行测量，实现了无接触测量和数字化测量，大幅提高了装配调试效率，保证了批次性质量。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统，其特殊之处在于：

包括设置在工作台上的偏心仪气浮平台5和设置在偏心仪气浮平台5上的四维调整台4、设置在偏心仪气浮平台5一侧的支架、以及设置在支架上的偏心仪成像显微镜1和千分表6；

所述四维调整台4用于安装待调试传感器组件2，且待调试传感器组件2的安装法兰7安装端面向上；

所述偏心仪成像显微镜1设置在待调试传感器组件2的正上方；

所述千分表6可沿支架上下移动。

进一步地，还包括设置在四维调整台4上辅助工装3；待调试传感器组件2安装在所述辅助工装3上。

同时，本发明还提出一种采用上述调试系统的基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、将千分表6球形触头接触到偏心仪气浮平台5安装面上，测量安装面不平行度，调节偏心仪气浮平台5调平功能，使偏心仪气浮平台5安装面与转轴垂直；

步骤2、将待调试传感器组件2安装到四维调整台4上，且待调试传感器组件2的安装法兰7安装端面向上，再将四维调整台4安装到偏心仪气浮平台5上，用千分表6测量待调试传感器组件2的安装法兰7安装端面不平行度，调节四维调整台4的调平功能，使安装法兰7安装端面与偏心仪气浮平台5安装平行；

步骤3、调节四维调整台4的平移功能，采用偏心仪成像显微镜1对传感器进行显微测量；定义待调试传感器组件2中垫柱安装位置为A1、A2及A3点，在成像传感器10上设置与A1、A2及A3点一一对应的测试点B1、B2及B3；所述测试点B1、B2及B3位于成像传感器10的边缘位置；

测量出成像传感器10上B1、B2及B3点的数值，计算B2与B1点的差值ΔB2，以及B3与B1点的差值ΔB3；或者，测量出成像传感器10上B1点的数值后置零，然后测出B2位置的数值ΔB2及B3位置的数值ΔB3；

步骤4、若ΔB2和/或ΔB3大于等于0.01mm，计算垫柱8安装位置A1、A2及A3的垫柱厚度修切量，拆下待调试传感器组件2及四维调整台4，对垫柱厚度进行修切，修切后返回步骤2；

若ΔB2及ΔB3均小于0.01mm，则成像传感器10像面与安装法兰7安装端面基本平行，完成调试。

进一步地，步骤2中，将待调试传感器组件2通过辅助工装3安装到四维调整台4上。

进一步地，为了保证调试精度，步骤3中，设置测试点B1、B2及B3，满足B1、B2及B3点构成的三角形与A1、A2及A3点构成的三角形为同心的相似三角形。

进一步地，步骤4中，所述计算垫柱8安装位置A1、A2及A3的垫柱厚度修切量，具体为：

将A1位置垫柱设为基准点不做厚度修切，定义ΔA2和ΔA3为A2和A3位置垫柱厚度修切量，，ΔA2和ΔA3可依据下式计算得到：

ΔA2＝-ΔB2*L2/L1

ΔA3＝-ΔB3*H2/H1

式中，L1为成像传感器10上B1位置与B2位置之间的距离；L2为安装法兰7上A1位置与A2位置之间的距离；H1为成像传感器10上B1位置与B2位置连线到B3位置的垂直距离；H2为安装法兰7上A1位置与A2位置连线到A3位置的垂直距离；定义偏心仪成像显微镜1面向成像传感器10向下的方向为正；

若ΔA2或ΔA3为正，则相应位置的垫柱修切减去对应ΔA2或ΔA3厚度，或者相应位置的垫柱更换为当前厚度减去相应的ΔA2或ΔA3厚度的垫柱；

若ΔA2或ΔA3为负，则相应位置的垫柱更换为当前厚度加上相应的ΔA2或ΔA3厚度的垫柱。

进一步地，所述垫柱修切或垫柱更换时，先对ΔA2进行计算，并对A2位置垫柱进行修切或更换，再对ΔA3进行计算，对A3位置的垫柱进行修切或更换；这样，在A2点与A1点基本等高的情况下，对ΔA3计算更为精准。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用偏心仪显微成像测量方法以实现成像传感器像面平行度的装配调试，只对传感器组件进行测量，实现了无接触测量和数字化测量，大幅提高了装配调试效率，保证了批次性质量。

2)本发明基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法中使用的偏心仪成像显微镜、四维调整台、千分表及辅助工装等设备为常用光学仪器，操作容易，调试方便。

附图说明

图1为本发明采用的测量系统结构示意图；

图2为本发明采用的测量系统中待调试传感器组件示意图；其中(a)为待调试传感器组件主视图；(b)为待调试传感器组件左视图。

附图标记说明：

1-偏心仪成像显微镜，2-待调试传感器组件，3-辅助工装，4-四维调整台，5-偏心仪气浮平台，6-千分表，7-安装法兰，8-垫柱，9-传感器电路板，10-成像传感器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法采用的测量系统如图1所示，包括偏心仪气浮平台5、四维调整台4、辅助工装3、偏心仪成像显微镜1以及千分表6。四维调整台4设置在偏心仪气浮平台5上，辅助工装3设置在四维调整台4上，待调试传感器组件2安装在辅助工装3上。偏心仪成像显微镜1以及千分表6设置在支架上，且偏心仪成像显微镜1位于待调试传感器组件2的正上方，千分表6可沿支架上下移动，用于测量偏心仪气浮平台5及待调试传感器组件2的不平行度。

待调试传感器组件2的结构如图2所示，其中(a)为待调试传感器组件主视图；(b)为待调试传感器组件左视图。成像传感器10焊接在传感器电路板9上，在安装法兰7小端的A1、A2、A3位置设置垫柱8，其中，A1、A2位置相对于安装法兰7的中心为轴对称设置，A3位于A1、A2连线的中垂线上。传感器电路板9通过垫柱8安装在安装法兰7上，传感器电路板9上焊接成像传感器10的一侧面向安装法兰7，安装法兰7的中间开设有与电路板上成像传感器10外形相适配的通孔。安装法兰7的大端为安装端面，用于安装到光学镜头后端法兰面上。系统调试时，待调试传感器组件2安装在辅助工装3上，安装法兰7的安装端面朝上，成像传感器10正对偏心仪成像显微镜1，在成像传感器10的边缘靠近每个垫柱8的位置设置相应测试点B1、B2、B3，其优选测试点位置为B1、B2、B3点构成的三角形与A1、A2、A3点构成的三角形同心设置，且两个三角形为相似三角形。可采用偏心仪成像显微镜1对成像传感器10的测试点B1、B2、B3进行测量。

基于本发明实施例的测量系统，对成像传感器10像面平行度调试步骤如下：

(1)将千分表6球形触头接触到偏心仪气浮平台5安装面上，旋转偏心仪气浮平台5，用千分表6测量出偏心仪气浮平台5安装面不平行度，调节偏心仪气浮平台5调平功能，再旋转偏心仪气浮平台5测量安装面不平行度，直到千分表6读数接近0，则偏心仪气浮平台5安装面与转轴垂直。

(2)将四维调整台4、辅助工装3、待调试传感器组件2安装到偏心仪气浮平台5上，旋转偏心仪气浮平台5，用千分表6测量安装法兰7安装端面不平行度，调节四维调整台4调平功能，再旋转偏心仪气浮平台5测量安装法兰7安装端面不平行度，直到千分表6读数接近0，则安装法兰7安装端面与偏心仪气浮平台安装平行。

(3)调节四维调整台4的XY平移功能，调节偏心仪成像显微镜1对成像传感器10进行显微测量，测量出传感器B1点数值后置零，然后测量出B2、B3点数值ΔB2、ΔB3。

(4)如果B2、B3点数值小于0.01mm则认为成像传感器10像面与安装法兰7的安装端面基本平行，达到技术要求指标；如果B2、B3点数值ΔB2、ΔB3大于0.01mm，则计算垫柱8安装点垫柱厚度误差。这里为了调高计算效率，对A1、A2、A3、B1、B2、B3空间点采用近似计算的方法，定义图1中测量数值向下为正值，向上位负值。A1点垫柱设为基准点不做厚度修切，ΔA2、ΔA3为A2、A3点垫柱厚度修正量近似计算公式为：

ΔA2＝-ΔB2*L2/L1

ΔA3＝-ΔB3*H2/H1

式中，L1、L2、H1、H2如图2所示。如果ΔA2或ΔA3数值为正值，则为相应点垫柱当前厚度研磨去掉ΔA2、ΔA3厚度数值，或A2、A3点更换为当前厚度减去ΔA2、ΔA3的垫柱；如果ΔA2或ΔA3数值为负值，则A2、A3点更换为当前厚度加上ΔA2、ΔA3的垫柱。

(5)重复步骤2、3、4，直到B2、B3点数值小于0.01mm，则认为成像传感器10像面与安装法兰7的安装端面基本平行，达到技术要求指标。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统，其特征在于：

包括设置在工作台上的偏心仪气浮平台(5)和设置在偏心仪气浮平台(5)上的四维调整台(4)、设置在偏心仪气浮平台(5)一侧的支架、以及设置在支架上的偏心仪成像显微镜(1)和千分表(6)；

所述四维调整台(4)用于安装待调试传感器组件(2)，且待调试传感器组件(2)的安装法兰(7)安装端面向上；

所述偏心仪成像显微镜(1)设置在待调试传感器组件(2)的正上方；

所述千分表(6)可沿支架上下移动。

2.根据权利要求1所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统，其特征在于：还包括设置在四维调整台(4)上的辅助工装(3)；

待调试传感器组件(2)安装在所述辅助工装(3)上。

3.一种权利要求1所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试系统的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将千分表(6)球形触头接触到偏心仪气浮平台(5)安装面上，测量安装面不平行度，调节偏心仪气浮平台(5)调平功能，使偏心仪气浮平台(5)安装面与转轴垂直；

步骤2、将待调试传感器组件(2)安装到四维调整台(4)上，且待调试传感器组件(2)的安装法兰(7)安装端面向上，再将四维调整台(4)安装到偏心仪气浮平台(5)上，用千分表(6)测量待调试传感器组件(2)的安装法兰(7)安装端面不平行度，调节四维调整台(4)的调平功能，使安装法兰(7)安装端面与偏心仪气浮平台(5)安装平行；

步骤3、调节四维调整台(4)的平移功能，采用偏心仪成像显微镜(1)对待调试传感器组件(2)的成像传感器(10)进行显微测量；定义待调试传感器组件(2)中垫柱安装位置为A1、A2及A3点，在成像传感器(10)上设置与A1、A2及A3点一一对应的测试点B1、B2及B3；所述测试点B1、B2及B3位于成像传感器(10)的边缘位置；

测量出成像传感器(10)上B1、B2及B3点的数值，计算B2与B1点的差值ΔB2，以及B3与B1点的差值ΔB3；

或者，测量出成像传感器(10)上B1点的数值后置零，然后测出B2位置的数值ΔB2及B3位置的数值ΔB3；

步骤4、若ΔB2和/或ΔB3大于等于0.01mm，计算垫柱(8)安装位置A1、A2及A3的垫柱厚度修切量，拆下待调试传感器组件(2)及四维调整台(4)，对垫柱厚度进行修切，修切后返回步骤2；

若ΔB2及ΔB3均小于0.01mm，则成像传感器(10)像面与安装法兰(7)安装端面基本平行，完成调试。

4.根据权利要求3所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法，其特征在于：步骤2中，将待调试传感器组件(2)通过辅助工装(3)安装到四维调整台(4)上。

5.根据权利要求3或4所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法，其特征在于：步骤3中，设置测试点B1、B2及B3，满足B1、B2及B3点构成的三角形与A1、A2及A3点构成的三角形为同心的相似三角形。

6.根据权利要求5所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法，其特征在于，步骤4中，所述计算垫柱(8)安装位置A1、A2及A3的垫柱厚度修切量，具体为：

将A1位置垫柱设为基准点不做厚度修切，定义ΔA2和ΔA3为A2和A3位置垫柱厚度修切量，ΔA2和ΔA3可依据下式计算得到：

ΔA2＝-ΔB2*L2/L1

ΔA3＝-ΔB3*H2/H1

式中，L1为成像传感器(10)上B1位置与B2位置之间的距离；L2为安装法兰(7)上A1位置与A2位置之间的距离；H1为成像传感器(10)上B1位置与B2位置连线到B3位置的垂直距离；H2为安装法兰(7)上A1位置与A2位置连线到A3位置的垂直距离；定义偏心仪成像显微镜(1)面向成像传感器(10)向下的方向为正；

若ΔA2或ΔA3为正，则相应位置的垫柱修切减去对应ΔA2或ΔA3厚度，或者相应位置的垫柱更换为当前厚度减去相应的ΔA2或ΔA3厚度的垫柱；

若ΔA2或ΔA3为负，则相应位置的垫柱更换为当前厚度加上相应的ΔA2或ΔA3厚度的垫柱。

7.根据权利要求6所述基于显微测量的成像传感器像面平行度调试方法，其特征在于：所述垫柱修切或垫柱更换时，先对ΔA2进行计算，并对A2位置垫柱进行修切或更换，再对ΔA3进行计算，对A3位置的垫柱进行修切或更换。

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