一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備，該裝調(diào)設備包括運動控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、附屬結(jié)構和計算機，其中，運動控制系統(tǒng)由平移臺、旋轉(zhuǎn)臺和傾斜臺組成，負責調(diào)整待測器件和檢測系統(tǒng)的空間位置，檢測系統(tǒng)由自準直儀和遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)組成，負責測量待測器件的角度和位置偏差，計算機能控制平移臺的運動并記錄其位置坐標，也能從遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)獲取待測器件的圖像并進行分析計算；在裝調(diào)過程中對角度和位置的測量精度分別達到秒級和微米量級，在裝調(diào)完成后能保證探測器芯片的角度和位置偏差分別小于1′和0.02mm。
【專利說明】一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種光學裝調(diào)設備，它能實現(xiàn)光學鏡頭、探測器芯片及其附屬安 裝結(jié)構間的相互對準，由此實現(xiàn)成像系統(tǒng)的高精度裝配和測量。
【背景技術】
[0002] 成像系統(tǒng)的兩大核心部件是光學鏡頭和探測器芯片。為保證光學鏡頭和探測器芯 片之間的精密裝配，通常需要一個附屬安裝結(jié)構，其被稱為主體結(jié)構。主體結(jié)構包含三個互 相垂直度的高精度加工面，它們將為成像系統(tǒng)的裝配提供機械基準。但是通常為了方便，這 些機械基準將被轉(zhuǎn)移到安裝在主體結(jié)構上的一塊各面嚴格垂直的玻璃立方體上，該玻璃立 方體被稱為基準鏡。
[0003] 成像系統(tǒng)的實際應用對光學鏡頭、探測器芯片以及基準鏡之間的角度和位置偏差 有很高的要求。特別是對于探測器芯片，盡管根據(jù)具體任務的不同，各類成像系統(tǒng)探測器芯 片的型號各有不同，但它們相對于基準鏡和光學鏡頭的角度和位置關系都是至關重要的。 然而，目前還沒有專門應用于成像系統(tǒng)各部件之間高精度裝配的設備。因此，為達到探測器 芯片與基準鏡及光學鏡頭之間高精度裝配和測量的目的，需研制一套可以實現(xiàn)常見探測器 芯片空間位置裝調(diào)的設備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密 裝調(diào)設備。
[0005] 對于成像系統(tǒng)探測器芯片的裝調(diào)，常常以一些角度和位置的偏差來表征其精度， 例如：探測器芯片感光面法線指向和基準鏡光軸指向的角度偏差、探測器芯片各邊和主體 結(jié)構機械基準的角度偏差、探測器芯片中心和光學鏡頭光軸的位置偏差等。對于精密裝調(diào)， 一般要求角度偏差在分級及以下，而位置偏差在十微米量級及以下。
[0006] 另一方面，成像系統(tǒng)探測器芯片的常見安裝方式可以歸納為兩種。一種安裝方式 中，芯片本身不具有專用的安裝結(jié)構，而是直接固定于成像系統(tǒng)的主體結(jié)構上，相應的光學 鏡頭將在芯片的裝調(diào)完成后再分立地安裝到主體結(jié)構上。另一種安裝方式中，芯片本身具 有專用的安裝結(jié)構，芯片通過膠粘或螺絲固定的方式安裝于該結(jié)構上，并與該結(jié)構一起裝 配到光學鏡頭后端，再隨光學鏡頭整體安裝到成像系統(tǒng)的主體結(jié)構上。這兩種芯片安裝方 式的區(qū)別在于：前一種安裝方式中，芯片和鏡頭分立安裝，芯片在裝調(diào)過程中保持可見，可 以直接測量；而后一種安裝方式中，芯片和鏡頭整體裝配到主體結(jié)構上，芯片在裝調(diào)過程中 始終被遮擋，需要將其角度和位置信息傳遞出來。
[0007] 為精確測量角度和位置參數(shù)，并適應不同芯片安裝方式的需要，本實用新型的思 路如下：
[0008] 1.角度測量可采用最為常見的自準直儀方案，它成熟、方便、可靠，且能達到秒級 的精度，在光學裝調(diào)中大量使用。
[0009] 2.位置測量可采用高精度電控平移臺配合遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)，高精度電 控平移臺能夠提供精準的位移并記錄當前的位置坐標，遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯 示圖形圖像，兩者都能連接計算機，易于在計算機中實時地讀取測試數(shù)據(jù)并進行處理，最后 方便地得到測試結(jié)果。
[0010]3.本實用新型提出了一種光學基準傳遞思想：如果某表面在裝配過程中被遮擋 而無法直接測量，則可在裝配前將該表面的角度和位置信息傳遞到與其剛性連接的延伸結(jié) 構表面，裝配完成后即可通過測量延伸結(jié)構的表面來反推被測表面的信息。
[0011] 4.光學基準傳遞思想也適用于這樣的情況：在裝調(diào)過程中，如果作為基準的某個 平面的鏡面反射不夠強（反射率太小或反射面積太?。?，無法在自準直儀上看到反射光標， 則可在該表面上粘貼一塊標定好的校準玻璃片（可鍍反射膜），將被測表面的指向信息傳 遞到玻璃片上。
[0012] 為使用上述思路解決探測器芯片的裝調(diào)問題，本實用新型構建了一套專用的裝調(diào) 設備。該設備包括運動控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、附屬結(jié)構和計算機；
[0013]所述運動控制系統(tǒng)固定于光學平臺上，分為三個區(qū)域：下方待測區(qū)域、上方檢測區(qū) 域和側(cè)向檢測區(qū)域，三個區(qū)域分別用來控制下方待測器件、上方檢測設備以及側(cè)向檢測設 備的運動并調(diào)整其空間位置；所述下方待測區(qū)域由雙軸高精度電控平移臺、手動旋轉(zhuǎn)臺和 手動傾斜臺組成，其中，雙軸高精度電控平移臺由兩臺相同的平移臺正交連接構成，固定于 光學平臺上；手動旋轉(zhuǎn)臺通過轉(zhuǎn)接件固定于雙軸高精度電控平移臺上；手動傾斜臺通過轉(zhuǎn) 接件連接到手動旋轉(zhuǎn)臺上；所述上方檢測區(qū)域由鋁型材支架、水平電控平移臺、垂直電控平 移臺、垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構和配重組成；其中，鋁型材支架搭建成龍門結(jié)構，固定于光 學平臺上；水平電控平移臺固定于鋁型材支架上；垂直電控平移臺通過垂直電控平移臺轉(zhuǎn) 接結(jié)構和水平電控平移臺相連；配重可固定于垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構上，平衡垂直電控 平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構兩邊的力矩；所述側(cè)向檢測區(qū)域由一臺電控升降臺構成，電控升降臺固定 在光學平臺上；
[0014]所述檢測系統(tǒng)分布在運動控制系統(tǒng)的上方檢測區(qū)域和側(cè)向檢測區(qū)域，包括遠心數(shù) 字顯微成像系統(tǒng)、上方自準直儀和側(cè)向自準直儀；所述遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)固定在垂直 電控平移臺上；所述上方自準直儀固定在垂直電控平移臺上；所述側(cè)向自準直儀固定在電 控升降臺上；側(cè)向自準直儀包含水平調(diào)節(jié)板，水平調(diào)節(jié)板能對側(cè)向自準直儀的俯仰角進行 微調(diào)；
[0015]所述附屬結(jié)構包括轉(zhuǎn)接板、夾具、二維調(diào)節(jié)架、刻線玻璃片和成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)接部件， 所述轉(zhuǎn)接板固定在手動傾斜臺上，所述夾具具有一延伸結(jié)構，二維調(diào)節(jié)架固定在該延伸結(jié) 構上，刻線玻璃片膠粘在二維調(diào)節(jié)架上；夾具和芯片安裝法蘭之間可裝卸；
[0016]所述雙軸高精度電控平移臺、水平電控平移臺、垂直電控平移臺、電控升降臺和遠 心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)均與計算機相連。
[0017]進一步地，所述檢測系統(tǒng)還包括第一輔助定位激光器和第二輔助定位激光器，所 述第一輔助定位激光器固定在垂直電控平移臺上，所述第二輔助定位激光器固定在電控升 降臺上。
[0018]本實用新型的有益效果是能夠?qū)崿F(xiàn)成像系統(tǒng)探測器芯片的精密裝調(diào)，具體地說， 能夠?qū)崿F(xiàn)如下目標：
[0019] 1.測量基準鏡各表面和主體結(jié)構機械基準的角度偏差，測量精度達到秒級，并保 證在裝調(diào)完成后該角度偏差的值不大于P;
[0020] 2.測量探測器芯片感光面法線指向和基準鏡光軸指向的角度偏差，測量精度達到 秒級，并保證在裝調(diào)完成后該角度偏差的值不大于P;
[0021] 3.測量探測器芯片各邊和主體結(jié)構機械基準的角度偏差，測量精度達到秒級，并 保證在裝調(diào)完成后該角度偏差的值不大于P;
[0022] 4.測量探測器芯片中心和光學鏡頭光軸的位置偏差，測量精度達到微米量級，并 保證在裝調(diào)完成后該位置偏差的值不大于0. 02mm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是裝調(diào)設備整體的結(jié)構示意圖；
[0024] 圖2是基準鏡裝調(diào)過程的器件裝配示意圖；
[0025] 圖3是探測器芯片信息傳遞過程的器件裝配示意圖；
[0026] 圖4是探測器芯片位置信息傳遞的數(shù)學模型示意圖；
[0027] 圖5是探測器芯片裝調(diào)過程的器件裝配示意圖；
[0028] 圖6是探測器芯片位置裝調(diào)的數(shù)學模型示意圖；
[0029] 圖中：光學平臺001、雙軸高精度電控平移臺101、手動旋轉(zhuǎn)臺102、手動傾斜臺 103、鋁型材支架104、水平電控平移臺105、垂直電控平移臺106、垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構 107、配重108、電控升降臺109、遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201、上方自準直儀202、第一輔助定 位激光器203、側(cè)向自準直儀204、第二輔助定位激光器205、轉(zhuǎn)接板301、主體結(jié)構302、基準 鏡座303、基準鏡304、探測器芯片305、芯片安裝法蘭306、夾具307、二維調(diào)節(jié)架308、刻線 玻璃片309、光學鏡頭310、成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)接部件311。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的具體實施。
[0031] 本實用新型待裝調(diào)的成像系統(tǒng)包括主體結(jié)構302、基準鏡座303、基準鏡304、探測 器芯片305、芯片安裝法蘭306和光學鏡頭310,所述基準鏡304膠粘于基準鏡座303上，基 準鏡座303和光學鏡頭310均安裝在主體結(jié)構302上，探測器芯片305通過芯片安裝法蘭 306安裝在光學鏡頭310后端。
[0032] 如圖1所示，本實用新型成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備，包括運動控制系統(tǒng)、 檢測系統(tǒng)、附屬結(jié)構和計算機。
[0033] 所述運動控制系統(tǒng)固定于光學平臺001上，劃分為三個區(qū)域：下方待測區(qū)域、上方 檢測區(qū)域和側(cè)向檢測區(qū)域，三個區(qū)域分別用來控制下方待測器件、上方檢測設備以及側(cè)向 檢測設備的運動并調(diào)整其空間位置。
[0034]所述下方待測區(qū)域由雙軸高精度電控平移臺101、手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺 103組成，其中，雙軸高精度電控平移臺101由兩臺相同的平移臺正交連接構成，固定于光 學平臺001上，它的作用是為待測器件提供精確的二維位移；手動旋轉(zhuǎn)臺102通過轉(zhuǎn)接件固 定于雙軸高精度電控平移臺101上，它的作用是調(diào)整待測器件的水平偏角；手動傾斜臺103 通過轉(zhuǎn)接件連接到手動旋轉(zhuǎn)臺102上，它的作用是調(diào)整待測器件的俯仰角。
[0035] 所述上方檢測區(qū)域由鋁型材支架104、水平電控平移臺105、垂直電控平移臺106、 垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構107和配重108組成。其中，鋁型材支架104搭建成龍門結(jié)構，固 定于光學平臺001上，它主要為上方檢測區(qū)域提供強有力的支撐，并保證該區(qū)域的整體形 變遠小于位置測量的精度要求；水平電控平移臺105固定于鋁型材支架104上，能夠為上方 檢測設備提供橫向位移；垂直電控平移臺106通過垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構107和水平電 控平移臺105相連，能夠為上方檢測設備提供堅向位移以滿足檢測設備的工作距離要求， 所述垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構107經(jīng)過特別設計，用以進一步保證上方檢測區(qū)域的整體形 變遠小于位置測量的精度要求；配重108可固定于垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構107上，它的作 用是平衡轉(zhuǎn)接結(jié)構107兩邊的力矩，從而減小上方檢測設備在位置改變前后的相對形變。
[0036] 所述側(cè)向檢測區(qū)域由一臺電控升降臺109構成，電控升降臺109固定在光學平臺 001上，它能夠為側(cè)向檢測設備提供升降，以保證側(cè)向檢測設備能夠?qū)蚀郎y器件。
[0037] 所述檢測系統(tǒng)分布在運動控制系統(tǒng)的上方檢測區(qū)域和側(cè)向檢測區(qū)域，包括遠心數(shù) 字顯微成像系統(tǒng)201、上方自準直儀202、第一輔助定位激光器203、側(cè)向自準直儀204和第 二輔助定位激光器205。
[0038] 所述遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201通過連接件固定在垂直電控平移臺106上，它的 作用是將待測器件成像到相機，并通過USB數(shù)據(jù)線將圖像傳輸?shù)接嬎銠C上。
[0039] 所述上方自準直儀202及第一輔助定位激光器203通過各自的連接件固定在垂直 電控平移臺106上，上方自準直儀202用于測量兩個平面的平行度，第一輔助定位激光器 203用于幫助上方自準直儀202快速地找到反射光標，測量前應使用標準的反射平面將第 一輔助定位激光器203的出射光束調(diào)整到和上方自準直儀202的出射光束平行。
[0040] 所述側(cè)向自準直儀204及第二輔助定位激光器205通過各自的轉(zhuǎn)接件固定在電控 升降臺109上，它們的作用和上方自準直儀202及第一輔助定位激光器203相同，只是測量 對象從上表面變成了側(cè)表面。另外，側(cè)向自準直儀204包含水平調(diào)節(jié)板，水平調(diào)節(jié)板能對側(cè) 向自準直儀204的俯仰角進行微調(diào)。
[0041] 所述附屬結(jié)構包括轉(zhuǎn)接板301、夾具307、二維調(diào)節(jié)架308、刻線玻璃片309和成像 系統(tǒng)轉(zhuǎn)接部件311，所述轉(zhuǎn)接板301固定在手動傾斜臺103上，所述夾具307具有一延伸結(jié) 構，二維調(diào)節(jié)架308固定在該延伸結(jié)構上，刻線玻璃片309膠粘在二維調(diào)節(jié)架308上；夾具 307和芯片安裝法蘭306之間可裝卸。
[0042] 所述雙軸高精度電控平移臺101、水平電控平移臺105、垂直電控平移臺106、電控 升降臺109和遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201均與計算機相連。所述計算機用于實現(xiàn)電控平移 臺位置坐標的實時控制和顯示、成像系統(tǒng)返回圖像的數(shù)據(jù)提取和處理以及其它在測試過程 中需要使用的功能。在運動控制系統(tǒng)中，手動操作的部件不需要計算機參與控制，雙軸高精 度電控平移臺101、水平電控平移臺105、垂直電控平移臺106和電控升降臺109配備有專 門的控制箱，該控制箱可通過USB數(shù)據(jù)線等與計算機連接，因此可通過計算機來控制平移 臺和升降臺的運動并記錄它們的位置坐標。而在檢測系統(tǒng)中，上方自準直儀202和側(cè)向自 準直儀204不通過計算機而通過目視和數(shù)顯盒讀取數(shù)據(jù)，而遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201通 過相機的USB接口與計算機連接，從而可在計算機上進行圖像的讀取和分析。
[0043] 計算機主要需完成以下功能：
[0044] 1.控制雙軸高精度電控平移臺101、水平電控平移臺105、垂直電控平移臺106和 電控升降臺109的運動，顯示它們的當前位置坐標并能夠使它們移動到任意需要的位置坐 標（在行程和分辨率范圍內(nèi)）。
[0045] 2.讀取待測器件的圖像并顯示，記錄圖像中每一點的位置坐標。
[0046] 3.對圖像數(shù)據(jù)進行處理和分析，例如：通過在圓周上取點，能夠利用最小二乘的 算法擬合出圓心；通過在直線附近取點，能夠利用最小二乘的算法擬合出直線方程；通過 擬合平行四邊形各邊所在直線的方程，能夠解出平行四邊形的四個頂點及中心。
[0047] 該裝置的具體裝調(diào)步驟如下：
[0048] (1)基準鏡304的裝調(diào)
[0049] 基準鏡304是表面鍍反射膜且相鄰表面互相垂直的玻璃立方體，它通常被膠粘于 專門配備的基準鏡座303上，然后再隨基準鏡座303 -起被安裝到主體結(jié)構302上。主體結(jié) 構302為基準鏡座303提供了專門的基準鏡座安裝面，該表面經(jīng)過高精度機械加工，能保證 基準鏡304與主體結(jié)構302建立高度的形位關系。主體結(jié)構302包含三個互相垂直的加工 面，它們?yōu)檎麄€成像系統(tǒng)的裝配提供機械基準，基準鏡304的裝調(diào)就是要把這些機械基準 全部轉(zhuǎn)移到基準鏡304上。為實現(xiàn)這個目標，至少需進行兩次角度測量，以保證基準鏡304 的上表面和側(cè)表面分別與主體結(jié)構302的上表面和側(cè)表面平行。在裝調(diào)過程中，主體結(jié)構 302通過專門設計的轉(zhuǎn)接板301連接到運動控制系統(tǒng)的手動傾斜臺103上，該轉(zhuǎn)接板301能 承擔后續(xù)所有裝調(diào)過程中器件的轉(zhuǎn)接任務。
[0050] 基準鏡裝調(diào)所需的兩次角度測量均可使用上方自準直儀202和側(cè)向自準直儀204 完成。由于上方自準直儀202和側(cè)向自準直儀204的視場很小，因此要找到反射光標不僅 費時而且費力。利用第一輔助定位激光器203和第二輔助定位激光器205能有效改善這個 問題。第一輔助定位激光器203和第二輔助定位激光器205被固定在二維調(diào)節(jié)架上，因此 它的出射光束角度能被調(diào)節(jié)，利用這一點，在事先將第一輔助定位激光器203和上方自準 直儀202、第二輔助定位激光器205和側(cè)向自準直儀204的出射光束調(diào)整到平行，就能在測 試時以第一輔助定位激光器203和第二輔助定位激光器205的出射光束方向來代表上方自 準直儀202和側(cè)向自準直儀204的出射光束方向。第一輔助定位激光器203和第二輔助定 位激光器205的出射光束為可見細光束，其自準直過程方便快捷，因此該方法能大大提高 上方自準直儀202和側(cè)向自準直儀204的使用效率。下面凡是用到自準直儀的操作，均可 用輔助激光器定位。
[0051] 下面是基準鏡304裝調(diào)的具體步驟：
[0052] (I. 1)如圖2所示，將主體結(jié)構302通過轉(zhuǎn)接板301連接到運動控制系統(tǒng)的手動傾 斜臺103上；
[0053] (1. 2)基準鏡304上表面的角度偏差測量
[0054] (1. 2. 1)調(diào)整運動控制系統(tǒng)，使上方自準直儀202對準主體結(jié)構302的基準鏡座 安裝面，調(diào)節(jié)手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103改變基準鏡座安裝面的角度，使上方自準直 儀202的反射光標在其視場里居中；如果基準鏡座安裝面鏡面反射效果較差，則在其上粘 貼一塊反射效果較好的校準玻璃片，將其表面指向信息傳遞到該校準玻璃片上；校準玻璃 片前后表面的平行度經(jīng)干涉儀標定，誤差低于5";
[0055] (1. 2. 2)將基準鏡304膠粘到基準鏡座303上，再將基準鏡座303安裝到主體結(jié)構 302的基準鏡座安裝面上；
[0056] (I. 2. 3)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整雙軸高精度電控平移臺 101和水平電控平移臺105,使上方自準直儀202對準基準鏡304的上表面，檢查反射光標 在上方自準直儀202視場中的位置，如在允許誤差范圍內(nèi)，則無需調(diào)整；如偏離允許誤差， 則檢查基準鏡座303和基準鏡304的加工精度或使用調(diào)整墊片對基準鏡座303的角度進行 微調(diào)；
[0057](L3)基準鏡304側(cè)表面的角度偏差測量
[0058] (1. 3. 1)調(diào)整運動控制系統(tǒng)，使側(cè)向自準直儀204對準選定的主體結(jié)構302側(cè)表 面，調(diào)節(jié)手動旋轉(zhuǎn)臺102和側(cè)向自準直儀204的水平調(diào)節(jié)板，使側(cè)向自準直儀204的反射光 標在其視場里居中；如果選定的主體結(jié)構302側(cè)表面鏡面反射效果較差或面積太小，則將 該表面的指向信息傳遞到一塊反射效果較好的校準玻璃片上；
[0059] (1. 3. 2)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整電控升降臺109使側(cè)向 自準直儀204對準相應的基準鏡304側(cè)表面，檢查反射光標在側(cè)向自準直儀204視場中的 位置，如在允許誤差范圍內(nèi)，則無需調(diào)整；如偏離允許誤差，則在基準鏡304和基準鏡座303 間的粘膠固化前對該側(cè)表面的角度進行微調(diào)；
[0060] (2)探測器芯片305的信息傳遞
[0061] 探測器芯片305固定在芯片安裝法蘭306上，探測器芯片305在安裝到主體結(jié)構 302上后不再可見，因此根據(jù)光學基準傳遞思想，需事先將探測器芯片305的角度和位置信 息傳遞出來。探測器芯片305的角度信息包括探測器芯片305感光面的法線指向信息和探 測器芯片305感光面各邊所在直線的方向信息，探測器芯片305的位置信息由探測器芯片 305感光面中心的位置來表征。其中，探測器芯片305感光面各邊所在直線可由探測器芯片 305感光面的四個頂點來確定，故其對應的角度信息可以轉(zhuǎn)化為其四個頂點的位置信息。綜 上所述，需事先傳遞出來的探測器芯片305的信息包括其感光面的法線指向信息以及四個 頂點和中心的位置信息。為實現(xiàn)探測器芯片305的信息傳遞，需要使用一夾具307,芯片安 裝法蘭306通過該夾具307固定到轉(zhuǎn)接板301上。該夾具307還有一個延伸結(jié)構，該延伸 結(jié)構與一個二維調(diào)節(jié)架308相連，二維調(diào)節(jié)架308上膠粘了一塊刻有十字線的刻線玻璃片 309,由于二維調(diào)節(jié)架308帶有圓孔，因此刻線玻璃片309上的十字刻線可從正反兩面觀察 至IJ。如果刻線玻璃片309的表面反射率不夠，同時要保證十字刻線兩面可見，可以在刻線玻 璃片309上鍍半透半反膜。探測器芯片305的信息傳遞過程，就是將其信息傳遞到刻線玻 璃片309及其十字刻線上的過程。
[0062] 下面是探測器芯片305信息傳遞的具體步驟：
[0063] (2. 1)如圖3所示，將夾具307夾緊芯片安裝法蘭306后固定到轉(zhuǎn)接板301上；
[0064] (2. 2)探測器芯片305感光面的法線指向信息傳遞
[0065] (2. 2. 1)調(diào)整運動控制系統(tǒng)，使上方自準直儀202對準探測器芯片305感光面，調(diào) 節(jié)手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103改變探測器芯片305感光面的角度，使上方自準直儀 202的反射光標在其視場里居中；如果探測器芯片305感光面鏡面反射效果較差或面積太 小，則將該表面的指向信息傳遞到一塊反射效果較好的校準玻璃片上；
[0066] (2. 2. 2)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整雙軸高精度電控平移 臺101和水平電控平移臺105使上方自準直儀202對準刻線玻璃片309的上表面，利用二 維調(diào)節(jié)架308調(diào)整刻線玻璃片309的角度，使反射光標重新在自準直儀視場里居中；此時， 探測器芯片305感光面的法向和刻線玻璃片309上表面的法向平行，即探測器芯片305感 光面的法線指向信息傳遞到了刻線玻璃片309上；
[0067] (2. 3)探測器芯片305感光面四個頂點和中心的位置信息傳遞
[0068] (2. 3. 1)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整雙軸高精度電控平移 臺101和水平電控平移臺105,使遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201對準刻線玻璃片309上表 面，在計算機的圖像顯示窗口可以看到十字刻線的像；調(diào)節(jié)垂直電控平移臺106的高度，使 十字刻線的像足夠清晰，如果該像超過了圖像顯示的范圍，可以調(diào)整雙軸高精度電控平移 臺101和水平電控平移臺105改變圖像顯示的部位；記錄十字刻線四個端點的位置坐標 Rl (&1，t)i)、1?2 (&2，bg)、R3 (&3，^3)、R4 (&4，^4);
[0069] (2. 3. 2)調(diào)整雙軸高精度電控平移臺101和水平電控平移臺105使遠心數(shù)字顯微 成像系統(tǒng)201對準探測器芯片305感光面，在計算機的圖像顯示窗口可以看到探測器芯片 305感光面的像；調(diào)節(jié)垂直電控平移臺106的高度，使探測器芯片305感光面的像足夠清 晰，如果該像超過了圖像顯示的范圍，可以調(diào)整雙軸高精度電控平移臺101和水平電控平 移臺105改變圖像顯示的部位；在探測器芯片305感光面的四條邊線上分別讀取三個點，再 用直線擬合的算法得到四條邊線的直線方程，最后求出四條直線各自的交點即為探測器芯 片 305 感光面的四個頂點AU1,y)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、D(x4,y4);
[0070] (2. 3. 3)計算并記錄A(X1,y)和R1 (a"Id1)、R2 (a2,b2)、R3 (a3,b3)、R4 (a4,b4)的距離 或角度，它們不會隨探測器芯片305的位置改變而改變，因而為常量；如果使用距離量，那 么Rja1,Id1)、R2(a2,b2)、R3(a3,b3)、R4(a4,b4)可做四個圓，AU1,y)可通過這四個圓的公共交 點來表示；如果使用角度量，那么Rja1,b)、R2(a2,b2)、R3(a3,b3)、R4(a4,b4)到AU1,Y1)可做 四條直線，AU1,yj可通過這四條直線的公共交點來表示；對B(x2,y2)、C(x3,y3)、D(x4,y4) 的處理同上；探測器芯片305感光面的中心E(x5,y5)則可由AU1, 、B(x2,y2)、C(x3,y3)、 D(x4，y4)導出；因此，探測器芯片305感光面四個頂點和中心的位置信息傳遞到了十字刻 線的端點上；如圖4所示，以點A(Xl，yi)和距離量為例，具體說明位置信息的傳遞原理：點 AU1,Y1)可分別與十字刻線的四個端點R1(apId1)、R2(a2,b2)、R3(a3,b3)、R4(a4,b4)建立聯(lián)系， 即可分別計算八(義1，71)和1?1(3 1，131)、1--2)、1?3(33，13 3)、1?4(34，134)的距離(11、(1 2、(13、(14。在 探測器芯片305裝調(diào)時，由于受到遮擋，A點坐標將變?yōu)槲粗?，但十字刻線的四個端點坐 標仍然可測，并且(^、(^、(^、山是固定的常量，故可根據(jù)這些已知量重新導出A點坐標，具體 算法是利用最小二乘法求出四圓相交的最佳交點。
[0071] (3)探測器芯片305的裝調(diào)
[0072] 探測器芯片305的裝調(diào)主要包含三個內(nèi)容：
[0073] -是測量探測器芯片305感光面法線指向和基準鏡304光軸指向的角度偏差。由 于基準鏡304的光軸指向就是其上表面的法線指向，因此，這一步就是要保證芯片感光面 305和基準鏡304上表面的法線指向互相平行。
[0074] 二是測量探測器芯片305各邊和主體結(jié)構302機械基準的角度偏差。由于主體結(jié) 構302機械基準已經(jīng)在基準鏡304的裝調(diào)完成后轉(zhuǎn)移到了基準鏡304上，因此，這一步就是 要保證探測器芯片305感光面和基準鏡304上表面的各邊分別對應平行。
[0075] 三是測量探測器芯片305中心和光學鏡頭310光軸的位置偏差。光學鏡頭310的 光軸通常是很難確定的，為了方便起見，在光學鏡頭310的裝配過程中通常會進行光軸一 致性裝調(diào)，即在定心儀的監(jiān)視下，在精密機床上將光學鏡頭310的光軸調(diào)整到與精密機床 的回轉(zhuǎn)軸重合，再以該回轉(zhuǎn)軸為基準車削鏡框。由此可知，光學鏡頭310的光軸可以用鏡框 外圓的中心來表征，因此，這一步就是要保證探測器芯片305感光面和鏡框外圓的中心重 合。
[0076] 下面是探測器芯片305裝調(diào)的具體步驟：
[0077] (3. 1)如圖5所示，探測器芯片305的信息傳遞完成后，將它和夾具307、二維調(diào)節(jié) 架308以及刻線玻璃片309 -起裝配到光學鏡頭310后端，再將光學鏡頭310安裝到主體 結(jié)構302上，然后將整個成像系統(tǒng)通過成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)接部件311連接到轉(zhuǎn)接板301上；
[0078] (3. 2)探測器芯片305感光面法線指向和基準鏡304光軸指向的角度偏差測量
[0079] (3. 2. 1)調(diào)整運動控制系統(tǒng)，使上方自準直儀202對準基準鏡304的上表面，調(diào)節(jié) 手動傾斜臺103改變基準鏡304的俯仰角，使上方自準直儀202的反射光標在其視場里居 中；
[0080] (3. 2. 2)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整雙軸高精度電控平移 臺101和水平電控平移臺105使上方自準直儀202對準刻線玻璃片309上表面；如果此時 在上方自準直儀202的視場中沒有反射光標，則說明基準鏡304和刻線玻璃片309上表面 的法線指向偏差太大，需重新裝配探測器芯片305 ;如果有反射光標，則需轉(zhuǎn)動上方自準直 儀202目鏡上的測微鼓輪，使上方自準直儀202視場中的測量線對準反射光標的中心，然后 從上方自準直儀202的數(shù)顯盒上讀取反射光標在前后兩個位置的角度偏差，也即探測器芯 片305感光面法線指向和基準鏡304光軸指向的角度偏差；
[0081] (3. 3)探測器芯片305感光面各邊和主體結(jié)構302機械基準的角度偏差測量
[0082] (3·3· 1)保持手動旋轉(zhuǎn)臺102和手動傾斜臺103固定，調(diào)整雙軸高精度電控平 移臺101和水平電控平移臺105使遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)201對準刻線玻璃片309上表 面，在計算機的圖像顯示窗口可以看到十字刻線的像；調(diào)節(jié)垂直電控平移臺106的高度，使 十字刻線的像足夠清晰，如果該像超過了圖像顯示的范圍，可以調(diào)整雙軸高精度電控平移 臺101和水平電控平移臺105改變圖像顯示的部位；記錄十字刻線四個端點的位置坐標 R'i(a'yb'）、!?' 2(a' 2，b' 2)、R' 3(a' 3，b' 3)、R' 4(a' 4，b' 4);
[0083] (3.3.2)如圖6所示，通過步驟（3.3.I)得到十字刻線四個端點的位置坐標， 再結(jié)合探測器芯片305位置信息傳遞過程中得到的距離常量，就可以計算出探測器芯 片 305 感光面四個頂點的坐標A' (X' i)、B' (X' 2，y' 2)、C' (X' 3，y' 3)、 D' (X' 4，y' 4)。十字刻線的四個端點到探測器芯片305感光面的某個頂點可做四個圓， 該頂點可通過四個圓的公共交點來表示，實際情況下，任意兩圓交點會存在一定偏差，通過 最小二乘法算得最優(yōu)解作為最終的頂點坐標。
[0084] (3. 3. 3)調(diào)整雙軸高精度電控平移臺101和水平電控平移臺105使遠心數(shù)字顯微 成像系統(tǒng)201對準基準鏡304的上表面，在計算機的圖像顯示窗口可以看到基準鏡304上 表面的像；調(diào)節(jié)垂直電控平移臺106的高度，使基準鏡304上表面的像足夠清晰，如果該像 超過了圖像顯示的范圍，可以調(diào)整雙軸高精度電控平移臺101和水平電控平移臺105改變 圖像顯示的部位；在基準鏡304上表面的四條邊線上分別讀取三個點，再用直線擬合的算 法得到四條邊線的直線方程，最后求出四條直線各自的交點即為基準鏡304上表面的四個 頂點K(x6,y6)、L(x7,y7)、M(x8,y8)、N(x9,y9);
[0085] (3.3.4)分別利用探測器芯片305感光面的四個頂點坐標A' (X' 1>y'J、 B' (X' 2，y' 2)、C' (X' 3，y' 3)、D' (X' 4，y' 4)和基準鏡304上表面的四個頂點坐 標K(x6,y6)、L(x7,y7)、M(x8,y8)、N(x9,y9)計算每條邊線的傾斜角：
【權利要求】
1. 一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備，所述成像系統(tǒng)包括主體結(jié)構（302)、基準 鏡座（303)、基準鏡（304)、探測器芯片（305)、芯片安裝法蘭（306)和光學鏡頭（310)，所述 基準鏡（304)膠粘于基準鏡座（303)上，基準鏡座（303)和光學鏡頭（310)均安裝在主體 結(jié)構（302)上，探測器芯片（305)通過芯片安裝法蘭（306)安裝在光學鏡頭（310)后端，其 特征在于，該設備包括運動控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、附屬結(jié)構和計算機； 所述運動控制系統(tǒng)固定于光學平臺（001)上，分為三個區(qū)域：下方待測區(qū)域、上方檢 測區(qū)域和側(cè)向檢測區(qū)域；所述下方待測區(qū)域由雙軸高精度電控平移臺（101)、手動旋轉(zhuǎn)臺 (102)和手動傾斜臺（103)組成，其中，雙軸高精度電控平移臺（101)由兩臺相同的平移臺 正交連接構成，固定于光學平臺（001)上；手動旋轉(zhuǎn)臺（102)通過轉(zhuǎn)接件固定于雙軸高精度 電控平移臺（101)上；手動傾斜臺（103)通過轉(zhuǎn)接件連接到手動旋轉(zhuǎn)臺（102)上；所述上 方檢測區(qū)域由鋁型材支架（104)、水平電控平移臺（105)、垂直電控平移臺（106)、垂直電控 平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構（107)和配重（108)組成；其中，鋁型材支架（104)搭建成龍門結(jié)構，固定 于光學平臺（001)上；水平電控平移臺（105)固定于鋁型材支架（104)上；垂直電控平移 臺（106)通過垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構（107)和水平電控平移臺（105)相連；配重（108) 固定于垂直電控平移臺轉(zhuǎn)接結(jié)構（107)上；所述側(cè)向檢測區(qū)域由一臺電控升降臺（109)構 成，電控升降臺（109)固定在光學平臺（001)上； 所述檢測系統(tǒng)分布在運動控制系統(tǒng)的上方檢測區(qū)域和側(cè)向檢測區(qū)域，包括遠心數(shù)字顯 微成像系統(tǒng)（201)、上方自準直儀（202)和側(cè)向自準直儀（204);所述遠心數(shù)字顯微成像系 統(tǒng)（201)固定在垂直電控平移臺（106)上；所述上方自準直儀（202)固定在垂直電控平移 臺（106)上；所述側(cè)向自準直儀（204)固定在電控升降臺（109)上；側(cè)向自準直儀（204)包 含水平調(diào)節(jié)板； 所述附屬結(jié)構包括轉(zhuǎn)接板（301)、夾具（307)、二維調(diào)節(jié)架（308)、刻線玻璃片（309)和 成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)接部件（311)，所述轉(zhuǎn)接板（301)固定在手動傾斜臺（103)上，所述夾具（307) 具有一延伸結(jié)構，二維調(diào)節(jié)架（308)固定在該延伸結(jié)構上，刻線玻璃片（309)膠粘在二維調(diào) 節(jié)架（308)上；夾具（307)和芯片安裝法蘭（306)之間可裝卸； 所述雙軸高精度電控平移臺（101)、水平電控平移臺（105)、垂直電控平移臺（106)、電 控升降臺（109)和遠心數(shù)字顯微成像系統(tǒng)（201)均與計算機相連。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種成像系統(tǒng)探測器芯片精密裝調(diào)設備，其特征在于，所述檢 測系統(tǒng)還包括第一輔助定位激光器（203)和第二輔助定位激光器（205)，所述第一輔助定 位激光器（203)固定在垂直電控平移臺（106)上，所述第二輔助定位激光器（205)固定在 電控升降臺（109)上。
【文檔編號】G01B11/26GK204177358SQ201420673931
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權日:2014年11月12日
【發(fā)明者】李雄風, 汪凱巍, 白劍 申請人:浙江大學