CN115979185A - 一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置及方法，包括：载物系统、测量系统和控制系统；载物系统，承载封装好的探测器和光学平晶；测量系统，基于斜射三角激光测量法采集探测器的高度数据，光学平晶作为参考测量物，实现对低温真空封装下的探测器成像面由于低温造成平面度变化的透过封窗的差分测量；所述斜射三角激光测量法是采用对置的两个三角激光探头倾斜安装采集探测器的高度数据，避免探测器封装中封窗玻璃对测量带来的误差；控制系统，用于控制测量系统中探测器的高度数据采集和高度数据处理，获得最终的探测器封装的成像面平面度数据；其中所述数据处理中采用改进的渐进一致采样算法进行误差点去除。本发明实现了低温探测器的封装，将系统误差减少一个量级，达到um量级的重复精度。

Description

一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高精度无接触光学测量领域，具体涉及一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置及方法，能透过封窗玻璃对目标物体平面度进行高精度无接触光学测量。

背景技术

在现代精密仪器和精密测量领域，很多精密仪器或零件加工及组装过程中，对平面度有一定指标要求，通过高精度平面度测量装置的测量可以得到对该指标的判定。特别在现代大型光电探测系统中，需要一个大靶面的探测器焦面，而为了保证成像质量或者光电探测的中焦面高精度平面度的要求，需要对探测器焦面进行高精度的无接触测量，特别在探测器的运行工况下的测量，探测器往往是需要进行低温真空封装，这样探测器焦面的测量就需要通过其封窗玻璃进行无接触高精度的测量。以现代大型望远镜成像系统为例，其焦面面积远大于单片探测器芯片，需要对成像焦面进行探测器拼接，而为了保证成像质量，必须对成像焦面在低温真空封装下具有很高的平面度，因此需要对低温真空封装的工况下进行高精度测量，测量精度达到微米量级。一般的光学望远镜的探测器在可见光波段采用CCD(Charge-coupledDevice)探测器，CMOS图像传感器，在红外波段有InGaAs，InSb，MCT探测器，在紫外波段和X-ray波段一样有类似的半导体传感器。这些传感器为了减少其暗电流，需要进行低温封装，在大靶面拼接的需求下就需要进行在低温封装工况下的成像面平面度的测量。

拼接式相机在传感器拼接过程中每进行一次安装都需要对焦面进行平面度测量，以确保安装过程带来的受力变化没有影响焦面平面度，尤其在拼接完成后，需要对整个焦面进行真空封装，在使用的时候还需要对探测器进行制冷。真空封装会引入装调误差，可能导致焦面受力形变。更重要的是，探测器是常温拼接，然后低温使用，制冷后带来的温度变化和温度分布不均，可能会造成成像面因为温变导致的形变，包括制冷造成探测器芯片封装的形变；基板因温度梯度造成形变等。因此在传感器低温真空封装后的焦面平面度测量尤为重要。

为了获取拼接焦面平面度参数，国际已采用多种方法，日本HyperSuprime-Cam(HSC)相机采用接触式测量仪获得了焦面基板的平面度和斜度，采用激光干涉仪测得了每一片CCD的平面度和高度差异，并将数据一起进行计算得到最终的焦面平面度。The Pan-STARRSGigapixelcamera#1采用了激光干涉仪透过镀有增透膜的玻璃进行测量。J-PASCryoCam(JPCam)使用Cyber公司的CT1000非接触式3D测量仪来测量焦平面，该测量系统使用彩色共焦传感器。Thedarkenergycamera(DECam)采用彩色共焦法。不过均未考虑真空封装下的焦面平面度测量。

由于传感器造价昂贵，因此只能采取非接触式的测量方法，而对于真空封装下的焦面平面度测量，由于传感器封装在真空腔体中，所用非接触式测量方法均需要透过封窗玻璃，但是封窗玻璃会对测量带来影响。常用的干涉仪和彩色共焦光谱探头均无法实现透过封窗玻璃的测量，其会受到玻璃带来的相位差、色散和球差影响。而现有的商业非接触式测量仪多采用彩色共焦光谱探头，无法保证探测器低温真空封装下的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是探测器低温真空封装下的测量，克服现有技术无法完成透过真空腔封窗玻璃下的测量限制，提供一种探测器在低温真空封装的工况下对探测器成像面进行高精度无接触测量的装置及方法，在低成本下达到了μm量级的重复测量精度，在透过封窗玻璃后的误差小于0.5％。

本发明的具体解决方案如下：

一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置，包括：载物系统、测量系统和控制系统；

载物系统，承载封装好的探测器和光学平晶；

测量系统，基于斜射三角激光测量法采集探测器的高度数据，光学平晶作为参考测量物，实现对低温真空封装下的探测器成像面由于低温造成平面度变化透过封窗的差分测量；所述斜射三角激光测量法是采用对置的两个三角激光探头倾斜安装采集探测器的高度数据，避免探测器封装中封窗玻璃对测量带来的误差；

控制系统，用于控制测量系统中探测器的高度数据采集和高度数据处理，获得最终的探测器封装的成像面平面度数据；其中所述数据处理中采用改进的渐进一致采样(ProgressiveSampleConsensus，PROSAC)算法，即改进PROSAC算法进行误差点去除。

进一步，所述三角激光探头倾斜安装时，安装倾斜角度与激光反射角度对应。

进一步，所述两个三角激光探头倾斜安装时，安装用于三角激光测量探头的测量悬臂的测量基座为轻量化设计，即采用轻量级钛合金材料，并采用挖孔设计，以减轻零件重量；同时测量悬臂采用的碳纤维材料，并采用双悬臂结构，以进一步加强悬臂的强度。

进一步，所述测量装置达到um量级的重复测量精度，通过差分测量将系统误差减少一个量级。

进一步，所述控制系统中，改进PROSAC算法进行误差点去除的过程为：计算所有数据点，即全样本数据中相邻两点数据高度差的分布，选择分布中出现频率最多数据点作为数据子集，在数据子集中选取最小样本，计算得到拟合参数，再将拟合参数带回到全样本数据中，得到处于设定阈值中的内点个数，通过不断重复随机选取最小样本，计算拟合参数，计算内点个数的操作，得到内点个数最多时的拟合参数作为最终拟合基面参数；然后计算各个内点到最终拟合基面的距离，即最终平面度。

本发明的一种采用上述所述装置的测量方法，实现如下：

步骤1：倾斜安装三角激光探头，根据三角激光探头自身的激光反射角度调节探头的安装角度，最终使得三角激光探头激光到被测面镜面反射光能回到三角激光探头的激光接收器中，而不再接收漫反射光；

步骤2：将封装好的探测器，安装在载物系统的被测物载物盘上，将参考光学平晶安装在载物系统的参考平晶载物盘；完成后，对被测物体和参考平晶进行水平调整，水平调整过程通过电子式水平仪作为参考，不断调节载物系统，修正探测器和参考平晶的水平度和相互之间的平行度，探测器和参考平晶组成差分测量关系，以减少测量误差；

步骤3：扫描测量，通过控制系统控制直线电机分别以X轴和Y轴方向进行移动，位移平台带动三角激光探头组件移动，分别沿X和Y方向对被测面和参考测量平晶进行测量，获得各自的高度数据；将二者高度数据相加，以抵消探头抖动造成的误差；然后进行改进PROSAC算法运算，即计算高度数据中相邻两点数据高度差的分布，选择分布中出现频率最多数据点作为数据子集，在数据子集中选取最小样本计算得到可能的拟合参数，再将拟合参数带回到全样本数据中，得到处于规定阈值中的内点个数，通过不断重复操作，得到内点个数最多时的拟合参数作为最终拟合基面参数；然后计算各个点到最终拟合基面的距离，即最终平面度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)测量系统中：用于探测器封装的斜射三角激光法测量法，通过此方法可以对低温封装下的探测器透过平面封窗进行测量。由于低温制冷需要对传感器进行真空封装，目前现有的非接触式测量技术均会受到真空封装的封窗玻璃的影响，采用斜射三角激光法后，可以避免封窗玻璃的影响。

(2)载物系统中：同时测量被测物和参考平晶的差分测量法，可将系统误差减少一个量级，达到um量级的重复精度。目前常用的直线电机，其直线度等造成的运动误差往往100um左右甚至更大，远超一般探测器本身的平面度，通过进一步提高加工制造精度以改善直线电机的运动误差通常受到高成本的约束。因此通过对标准光学平面件，即参考平晶的测量来抵消这部分误差。由于平晶的表面是平面度10nm量级的标准平面，对于其的测量结果就是测量系统运动抖动误差，在探测器的平面度结果中即可扣除掉这部分误差。

(3)控制系统中：数据处理部分包含了改进PROSAC算法，可以用于误差点去除。测量过程，由于被测面上的灰尘，锈迹等，测量结果中常常存在误差点。目前现有的平面度测量技术通常人为去除误差点，通过此改进算法，计算机可以自动化寻找到误差点并进行去除。

附图说明

图1为本发明的测量装置整体示意图；

图2为本发明的斜射三角激光测量法示意图；

图3为本发明的差分测量方法示意图；

图4为本发明的测量装置中测量系统示意图；

图5为本发明的测量系统中激光探头组件示意图；

图6为本发明的测量装置中载物系统示意图；

图7为本发明的测量装置中数据处理流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实例，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，为本发明的测量装置整体示意图，测量装置主要由控制系统、测量系统和载物系统组成。控制系统中的控制机柜包含了位移平台电机的控制器，激光探头组件的控制器，负责各控制器管理的可编程逻辑控制器PLC，主控电脑以及对各个组件供电的电源。位移平台的控制器可以完成对电机移动的高精度控制，控制精度达到0.01mm，该控制器与PLC进行通信交互。激光探头组件的控制器负责对探头的控制。主控电脑连接控制柜中的可编程逻辑控制器PLC和激光探头控制器。控制电脑中的控制程序通过PLC完成对位移平台的运动控制和位置信息获取，通过激光探头控制器读取激光探头组件的数据。测量系统负责移动三角激光测量探头以对平面度进行测量，为了能够达到对探测器封装下的测量，三角激光测量探头需要进行倾斜安装，其安装倾斜角度与激光反射角度对应；载物系统负责承载被测物和参考测量平晶，同时提供被测物和参考测量平晶根据需要进行的距离调整，水平调整等功能。测量系统受到控制系统的控制，在将被测物安装在载物系统上后，即可通过测量系统对载物系统上的被测物进行平面度测量。载物系统不仅承载了被测物，同时安装有平面度达到10nm量级的标准参考测量面，以提供差分测量功能。

如图2所示为本发明的实施实例的斜射三角激光测量法示意图，采用单色光谱的三角激光位移探头，由于该探头采用的单色光，因此在透过玻璃后不会受到色散的影响。该探头的工作原理为发射单色激光到测量点上，经过镜面反射回到探头接收激光用的透镜和成像传感器。对于不同高度的原测量点1和原测量点2，其反射激光返回到成像传感器的位置不同，由此得到高度信息。由于采用倾斜测量模式，倾斜角度α与激光反射角度对应，为12°。在此测量方式下，可以保证入射角α不会随测量点的高度变化而变化。如图2所示，在经过厚度为d的玻璃后，测量点1到原测量点1的高度变化和测量点2到原测量点2的高度变化一致，即Δh1＝Δh2，从而保证玻璃不会对平面度测量产生影响。通过这种斜射三角激光测量法，解决探测器低温真空封装的封窗玻璃影响问题。

如图3所示为本发明的实施实例的差分测量方法示意图，采用差分补偿测量法，即通过探头1和探头2分别测量被测面和参考面，进行差分补偿测量，对探头移动时产生的抖动误差进行补偿。由于消除由于测量系统中位移平台运动带来的抖动测量误差，能将测量系统的整体测量误差减少一个量级，使重复精度达到μm量级。

如图4所示为本发明的实施实例的测量系统示意图，包括X轴直线电机1，Y轴直线电机2，悬臂配重3，测量基座4，测量悬臂5，激光探头组件6组成。X轴直线电机1和Y轴直线电机2共同组成了位移平台。测量基座4安装在位移平台上，负责带动激光探头组件6移动；测量悬臂5负责测量基座4和激光探头组件6的连接，通过悬臂结构使得探头测量到位移平台运动范围外的被测面，悬臂配重3负责维持测量基座的平衡，使得重心维持在测量基座4的中心，保证位移平台运行时的稳定性；激光探头组件6安装在测量悬臂5末端，在测量悬臂5的运动下进入载物系统测量。

如图5所示为本发明的实施实例的激光探头组件6示意图，包括探头连接座601，被测面三角激光位移探头602，参考面三角激光位移探头603，探头测量角度调节装置604。被测面三角激光位移探头602主要负责对被测物的测量，参考面激光三角位移探头603主要负责对参考光学平晶的测量。通过对光学平晶的测量，可以抵消探头移动过程中产生的系统误差。

如图6所示为本发明的实施实例的载物系统示意图，包括减速器7，参考标准平晶8，参考平晶载物盘9，被测物载物盘10，连接支架11，载物环12，轴承13，可调高度万向轮14。通过减速器7和轴承13可以调节载物盘9和10的水平度，被测物固定在被测物载物盘10上，参考平晶载物盘9通过连接支架11挂载在被测物载物盘10下方，参考标准平晶8固定在参考平晶载物盘9上。通过同时对参考标准平晶9的测量，抵消位移平台抖动导致的误差影响。

在实际操作过程中，测量悬臂5通过环氧树脂与测量基座4进行粘连，测量悬臂5通过环氧树脂与激光探头组件6进行粘连。被测面三角激光位移探头602、参考面三角激光位移探头603安装后需要进行调平，确保探头测量角度与水平方向垂直。实际测量时，首先控制X轴直线电机1和Y轴直线电机2进行移动，直线电机组成的位移平台带动测量基座4和测量悬臂5移动，其再带动激光探头组件6移动，以进行整个平面的扫描。测量基座4经过轻量化设计，首先采用轻量级高强度的钛合金材料，并采用挖孔设计，以减轻零件重量，这样可以减轻直线电机的载荷，避免载荷过大造成电机运行不稳定。

探头连接座601与测量悬臂5粘连，负责整个激光探头的固定，在其两侧分别固定了被测面三角激光位移探头602和参考面三角激光位移探头603。在测量前需要用探头测量角度调节装置604对探头进行校直。同时需要使用减速器7和连接支架11分别对被测物和参考标准平晶8进行调平。根据不同的被测物，通过连接支架11调节物体的高度以满足激光探头所需工作距离。测量悬臂5负责测量基座4和激光探头组件6的连接，通过悬臂结构可以使得探头测量到位移平台运动范围外的物体，悬臂采用轻量化碳纤维材料。由于悬臂摆动会带来很大的误差，因此本发明中设计了双悬臂梁结构，在不过度增加负载重量的情况下，有效减少了悬臂的摆动。悬臂配重负责维持测量基座4的平衡，使得重心维持在测量基座的中心，保证位移平台运行时的稳定性。

在测量过程中，通过控制电机1和2移动带动被测面三角激光位移探头602，参考面三角激光位移探头603的移动，使得三角激光位移探头可以扫到被测物载物盘10上的被测面和参考标准平晶8，然后获得被测面三角激光位移探头602和参考面三角激光位移探头603的数据，此数据包括被测面的数据和参考平晶的数据，对数据进行相加，以抵消探头移动过程中产生的系统误差，得到最终的高度数据Z。并同时采集X轴直线电机1和Y轴直线电机2的位置信息，以此获得每个点的XYZ三维坐标数据。在数据获取完成后，然后对此高度数据进行处理，由于被测面和参考标准平晶8通过低温漂的连接支架11进行刚性固定，其二者距离视为不变。通过这种双探头差分补偿测量法，即通过对高精度高平面度的参考标准平晶进行测量，以获得位移平台的抖动误差，可以有效提高测量装置的精度。最终对数据进行处理，通过数据相加，抵消了位移平台抖动产生的误差，得到高度数据。

通过如图7所示的数据处理流程，对高度数据进行处理，其中改进PROSAC算法的处理方式为，首先计算非边界相邻数据点之间的高度差分布，选择分布中出现频率最多数据点作为数据子集，在数据子集中选取最小样本计算得到可能的拟合参数，再将拟合参数带回到全样本数据中，得到处于规定阈值中的内点个数，通过不断重复随机选取最小样本，计算拟合参数，计算内点个数的操作，得到内点个数最多时的拟合参数作为最终拟合基面参数；然后计算各个点到最终拟合基面的距离，即最终平面度。并进行三维数据可视化，以此实现了高精度的平面度测量。

为了保证探测器封装的成像面平面度测量的可靠性，对测量装置进行精度测试和定标。采用标准平晶代替被测物，做双平晶测量，得到系统重复精度在μm量级。通过对高精度标准台阶块的测试，得到透过封窗玻璃后的系统误差小于0.5％。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种面向探测器封装的成像面平面度测量装置，其特征在于，包括：载物系统、测量系统和控制系统；

载物系统，承载封装好的探测器和光学平晶；

测量系统，基于斜射三角激光测量法采集探测器的高度数据，光学平晶作为参考测量物，实现对低温真空封装下的探测器成像面由于低温造成平面度变化的透过封窗的差分测量；所述斜射三角激光测量法是采用对置的两个三角激光探头倾斜安装采集探测器的高度数据，避免探测器封装中封窗玻璃对测量带来的误差；

控制系统，用于控制测量系统中探测器的高度数据采集和高度数据处理，获得最终的探测器封装的成像面平面度数据；其中所述数据处理中采用改进PROSAC算法进行误差点去除。

2.根据权利要求1所述的面向探测器封装的成像面平面度测量装置，其特征在于：所述三角激光探头倾斜安装时，安装倾斜角度与激光反射角度对应。

3.根据权利要求1所述的面向探测器封装的成像面平面度测量装置，其特征在于：所述两个三角激光探头倾斜安装时，安装用于三角激光测量探头的测量悬臂的测量基座为轻量化设计，即采用轻量级钛合金材料，并采用挖孔设计，以减轻零件重量；同时测量悬臂采用的碳纤维材料，并采用双悬臂结构，以进一步加强悬臂的强度。

4.根据权利要求1所述的面向探测器封装的成像面平面度测量装置，其特征在于：所述测量装置达到um量级的重复测量精度，通过差分测量将系统误差减少一个量级。

5.根据权利要求1所述的面向探测器封装的成像面平面度测量装置，其特征在于：所述控制系统中，改进PROSAC算法进行误差点去除的过程为：计算所有数据点，即全样本数据中相邻两点数据高度差的分布，选择分布中出现频率最多数据点作为数据子集，在数据子集中随机选取最小样本，计算得到拟合参数，再将拟合参数带回到全样本数据中，得到处于设定阈值中的内点个数，通过不断重复随机选取最小样本，计算拟合参数，计算内点个数的操作，得到内点个数最多时的拟合参数作为最终拟合基面参数；然后计算各个内点到最终拟合基面的距离，即最终平面度。

6.一种采用权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于，实现如下：

步骤1：倾斜安装三角激光探头，根据三角激光探头自身的激光反射角度调节探头的安装角度，最终使得三角激光探头激光到被测面镜面反射光能回到三角激光探头的激光接收器中，而不再接收漫反射光；

步骤2：将封装好的探测器，安装在载物系统的被测物载物盘上，将参考光学平晶安装在载物系统的参考平晶载物盘；完成后，对被测物体和参考平晶进行水平调整，水平调整过程通过电子式水平仪作为参考，不断调节载物系统，修正探测器和参考平晶的水平度和相互之间的平行度，探测器和参考平晶组成差分测量关系，以减少测量误差；

步骤3：扫描测量，通过控制系统控制直线电机分别以X轴和Y轴方向进行移动，位移平台带动三角激光探头组件移动，分别沿X和Y方向对被测面和参考测量平晶进行测量，获得各自的高度数据；将二者高度数据相加，以抵消探头抖动造成的误差；然后进行改进PROSAC算法运算，即计算高度数据中相邻两点数据高度差的分布，选择分布中出现频率最多数据点作为数据子集，在数据子集中选取最小样本计算得到可能的拟合参数，再将拟合参数带回到全样本数据中，得到处于规定阈值中的内点个数，通过不断重复随机选取最小样本，计算拟合参数，计算内点个数的操作，得到内点个数最多时的拟合参数作为最终拟合基面参数；然后计算各个点到最终拟合基面的距离，即最终平面度。

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