一种拼接探测器综合误差的补偿结构

1.本发明涉及一种用于光电遥感仪器或成像仪器拼接探测器综合误差的补偿方法和结构，可用于补偿(a)线列或面阵光学遥感仪器拼接探测器在高度或深度方向的机械拼接误差，(b)大视场望远镜或光学镜头等成像光学系统的场曲，(c)拼接探测器的温度变形，以及(d)拼接探测器组件的窗口片或滤光片等分立光学元件的附加光程差等，减小大规模拼接探测器的拼接难度，等效实现拼接探测器的共焦面设计，保证拼接探测器全视场的成像质量。


背景技术：

2.为了扩大光学遥感仪器的覆盖范围和分辨能力，提高光电信息获取的时间分辨率和空间分辨率，大视场高分辨率光电系统获得了越来越广泛的关注和应用，对应的超长线列和超大面阵探测器需求越来越多，超长线列和超大面阵探测器通过短线列或小面阵的交错拼接获得，从而扩大探测器的规模，实现更高分辨率和更大观测范围的覆盖。
3.在常用的大视场光电遥感仪器中，品字形交错排列的长线阵探测器是最常见的大规模探测器实现形式。超长线列探测器通过短线列探测器的首尾相接，交替排列的品字形拼接方式，在整个像面上间隔采样，等效实现了超大规模的线列拼接探测器。对于面阵探测器，也可以采取类似的方法，通过小面阵探测器的品字形排列或田字形布置，实现超大规模的面阵拼接探测器。
4.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的17片ccd拼接的可见光探测器，中国科学院上海技术物理研究所研制的2048
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1长波红外探测器，以及美国的kepler天文卫星、欧洲的gaia天文卫星，美国的高级陆地成像仪ali(advanced land imager)和多光谱热成像仪mti(multi-spectrum thermal imager)都成功应用了拼接长线列探测器或拼接面阵探测器。
5.对于近地轨道上的光学遥感仪器，采用长线列探测器的推扫成像体制是一种很好的图像获取方式，大视场推扫成像光学遥感系统可以实现宽广的地面覆盖。例如cook型离轴反射光学系统，视场角可达到20
°
或更大，对应在500km的近地圆轨道上，可以实现宽度超过176km的地面覆盖。
6.在上述条件下，假设每个像元对应地面分辨率10m，对应的推扫成像光学遥感系统需要至少17600个有效像元，才能覆盖上述宽度，由此带来了长线列探测器像元数量和拼接规模等要求的提高。大面阵探测器也有这样的需求，通过单个小面阵芯片的机械拼接，获得超大规模的面阵探测器，实现高分辨率的大视场成像，一次获取大视场范围内的高分辨率地物信息，对于提高光电遥感仪器的时空分辨率都是有利的。
7.长线列和面阵拼接探测器对拼接位置精度有特定的要求，在线列(面阵)长度x和宽度y方向的定位误差，对应了光学相机或遥感系统的物像共轭关系，影响几何定位精度。长线列和大面阵拼接探测器通过精密机械调节机构，实现拼接模块的高精度调节和对准，精度可达μm量级。现有的拼接工艺过程基本能够保证长度x和宽度y方向的拼接精度，并且
通过适当的重叠像元设计，在后期处理中加以补偿和完善。
8.在线列或面阵高度z(深度)方向的拼接误差，需要用光学系统的焦深来补偿，通常光学系统的焦深有限，且光学仪器的装调误差也会影响焦深的容限。因此现有的线列或面阵拼接探测器，对拼接的共面精度提出了较高的要求，在这个问题上需要花较多的代价去解决。
9.但随着拼接规模的扩大，在长度1000mm量级以上的拼接探测器，对拼接子模块的共面要求越来越高，现有的机械拼接技术难以适应越来越大的拼接规模和精度要求。
10.再加上拼接探测器的拼接底板和拼接探测器之间材料和成分不同，拼接探测器采用胶结界面或机械连接结构固定在拼接底板。在这样的拼接结构中，由于热胀冷缩以及双金属效应的影响，温度变化以及温度梯度对长线列或大面阵拼接结构平面度的影响变得更为显著，并且在1000mm量级上，长线列或大面阵拼接探测器的尺寸量级增加，在温度变化或温度梯度影响下的变形和翘曲极为显著。
11.针对红外探测器的大规模拼接阵列，在实验室条件下对拼接子模块的位置进行精密调节以获得最佳的共面度，但是红外探测器通常要求的工作温度在100k左右，在这样的温度场条件下，由于热胀冷缩、双金属效应以及探测器和基板材料热失配的影响，导致线列或面阵拼接的红外探测器在工作温度下发生显著变形或翘曲，此时的拼接平面度很难满足预定的技术指标要求。而为了修正低温平面度，需要在常温修配，低温测试的循环中，花费极大的时间精力和调试成本，才能提高有限的拼接精度。
12.同样的，针对大规模的可见光或其他波段的拼接探测器，随着拼接模块的增多，电子学的功耗升高，且集中在拼接模块的一定区域或范围内，导致拼接区域温度变化显著，此时由热效应导致的热胀冷缩，引起拼接探测器的共面特性变差。即在常温拼接测试，需要有一定的方法和手段，补偿拼接探测器在高低温度热效应下的变形，或者补偿温度变化和温度梯度带来的拼接探测器共面特性的变化。
13.最后针对弯曲像面的拼接，美国kepler天文卫星采取了弯曲像面的设计方案，拼接探测器采用共曲面拼接的方式，通过弯曲像面减少望远镜或光学系统对场曲这种像差的优化，从而实现更大视场兼顾更好像质的光学镜头，此时对拼接探测器的共面精度提出了新的要求。
14.针对拼接线列或面阵探测器的光学系统或望远镜，其视场较大，对于kepler天文卫星的schmidt望远镜视场角12
°
，大视场光学镜头或望远镜在校正各种像差过程中，还需要对场曲进行校正。平像面是光学系统较强的一个约束条件，而弯曲像面可以降低对像差优化的要求，从而实现光学系统轻巧紧凑等设计是有利的。若对大视场光学镜头的场曲不做特别校正，各个拼接探测器应当拼接为弯曲像面。
15.同时长线列或大面阵的拼接探测器，需要对应的窗口片或滤光片进行光学波段选择或密封保护，但这些分立的窗口片或滤光片经过多道工艺处理和筛选，难以做到光学等厚，由此带来不等厚的光程差，也会导致拼接探测器的子模块不能处在最佳焦面位置上。
16.在以往的实践中，对于上述多种拼接误差，都需要用光学系统的焦深作为容差加以消化。而光学系统的理论焦深为
±
2λf2，由于光学系统加工误差、装调精度等影响，光学镜头的焦深余量较小。对于可见光镜头，中心波长λ＝0.5μm，f＝10，焦深约为
±
100μm，长波红外镜头，中心波长λ＝8μm，f＝2，焦深约为
±
64μm。
17.综合以上分析，线列或面阵拼接探测器虽然解决了大视场成像问题，但是拼接探测器本身还有(a)拼接探测器共面误差(温度变化、机械拼接)，(b)大视场光学系统场曲的影响，(c)拼接探测器组件内部分立光学元件带来的误差等的影响，需要对上述误差进行综合补偿，才能充分发挥拼接探测器的作用。
18.本文所述的分立补偿片的方法和模型，可用于线列和面阵拼接探测器以及大视场光学系统的综合误差补偿，使用一定折射率的光学材料制作不同光学厚度的分立补偿片，通过分立补偿片的光学厚度变化来补偿探测器拼接的高度误差和光学系统场曲及分立光学元件的光程差，等效实现拼接探测器的共焦面设计，从而保证拼接探测器在整个像面上的成像质量，有利于光学遥感仪器和成像仪器的大视场和高分辨率应用。


技术实现要素：

19.根据线列或面阵拼接探测器的技术特点和应用背景，提出了一种线列或面阵探测器的综合误差补偿结构，即在现有光电遥感仪器的望远镜或成像光学系统和拼接探测器之间安装不同光学厚度的分立补偿片。
20.线列或面阵拼接探测器的光敏元件呈品字形、田字形或一字形排列，如果能够为每个拼接探测器添加独立的补偿片，通过不同光学厚度的补偿片，补偿和校正探测器的拼接误差、光学系统的场曲和分立光学元件的光程差等因素影响，使大视场望远镜或光学镜头与对应的长线列或面阵拼接探测器子模块之间的光程差相等，既能降低拼接探测器的难度，又能等效实现共焦面设计，同时保证拼接探测器全视场的成像质量。
21.本发明所涉及的线列或面阵拼接探测器综合误差补偿结构如附图1所示。分立补偿片1是具有不同光学厚度的平行平板，平行平板的光学材料根据光电仪器或拼接探测器的工作波段而选定，且根据光电仪器的工作波段进行光学镀膜处理；分立补偿片1通过胶结固定在补偿片保持架3内，补偿片压板2进一步固定分立补偿片1，补偿片压板通过螺钉固定在补偿片保持架3；补偿片保持架3通过螺钉或胶结安装在拼接探测器组件的外壳或底座6上，或固定在望远镜等光机结构上；拼接探测器的分立窗口或滤光片4是拼接探测器的组成部分之一，或省略，直接利用分立补偿片1代替分立窗口或滤光片4的作用。
22.拼接探测器的每个光敏元件5都有一个专属对应的分立补偿片1，来自望远镜或光学镜头的成像光束依次通过分立补偿片1、穿过补偿片保持架3的开孔，或经过分立窗口或滤光片4到达拼接探测器组件中的每个拼接探测器的光敏元件5，或直接到达拼接探测器组件中的每个拼接探测器的光敏元件5。
23.上述综合误差补偿结构既可用在线列拼接探测器，也可用于面阵拼接探测器。既可用是平面拼接探测器，也可用于曲面拼接探测器。其中拼接探测器可以具有窗口、滤光片的任意一种或者两种，也可以都没有。
24.上述补偿结构可以用在紫外、可见光、短波红外、中波红外和长波红外各个光学波段探测器的一种或多种组合，即每个拼接探测器的工作波段可以相同，此时补偿片可以按照相同的光学镀膜处理。也可以用在不同工作波段的拼接探测器，即拼接探测器的子模块是不同的工作波段，此时补偿片的光学镀膜处理就要根据对应的拼接探测器工作波段来确定。
25.上述补偿结构的补偿片安装在补偿片保持架内，可以胶结安装，也可以螺钉+压板
安装，组成一个相对独立的补偿片组件。
26.补偿片组件可以直接安装在拼接探测器上，作为拼接探测器的一部分；也可以安装在拼接探测器前的望远镜光机结构上，作为拼接探测器的外部附件，即通过补偿片保持架等零件进行转接，两种安装方式的核心是保持分立补偿片和拼接探测器子模块的相对位置关系。
27.一种分立补偿片厚度的计算方法
28.步骤1)调节拼接探测器相对于望远镜或光机系统的姿态或位置，使拼接探测器每个拼接子模块i光敏元件获得最佳焦面位置对应的后截距li；
29.步骤2)根据子模块之间后截距的变化量δli，除以补偿片的材料折射率ni，即为每个补偿片的初始厚度。在此厚度基础上，统一增加厚度d0，以增加补偿片的强度，保证补偿片加工和安装的可靠性。由此得到每个分立补偿片的初始厚度di＝δli/n+d0；
30.步骤3)将步骤2)确定的补偿片依次装入补偿片保持架。回到步骤1)，重复上述迭代过程，根据每个拼接子模块的后截距变化情况，更换对的补偿片厚度，使拼接探测器的各子模块处在相同的后截距lf上，即可停止迭代。
31.分立补偿片厚度的计算原理和方法可参考附图3和图4的线列或面阵拼接探测器综合误差补偿结构示意图。
32.本发明的优点是：
33.1.结构简洁和装配简单，分立补偿片和补偿片保持架自成模块，可以独立完成装配，有利于与已有的长线列或面阵拼接探测器的配合；
34.2.所述的拼接探测器综合误差补偿结构能综合补偿探测器的拼接共面误差，光学系统的场曲，分立光学系统光程差等多种误差。
35.(a)补偿探测器的共面拼接误差不同厚度的分立补偿片能够分别匹配线列或面阵拼接探测器组件中每个拼接探测器对应的光程差，使其处于各自对应的最佳焦面位置，可以有效减少线列或面阵拼接探测器组件的共面要求。
36.(b)补偿光学系统的场曲分立补偿片的结构和方法还能对望远镜系统或光学仪器的场曲等进行补偿，等效扩大了光学系统的焦深；
37.(c)补偿分立光学元件的光程差分立补偿片还能对线列或面阵拼接探测器的分立窗口或滤光片等分立光学元件的不等厚误差等光程差进行补偿，
38.3.所述的拼接探测器综合误差补偿结构还能减少线列或面阵拼接探测器组件中心视场和边缘视场对应的立体角差异，从而限制进入拼接探测器组件的杂散辐射能量，降低了线列或面阵拼接探测器组件每个拼接探测器的辐照度波动，改善了焦面的辐照度均匀性，有利于提高光电成像系统的动态范围和探测灵敏度。
39.4.所述的拼接探测器综合误差补偿结构不仅适合长线列和大面阵的平面拼接，也适合曲面拼接的弯曲像面，有利于光学成像或遥感仪器的大视场兼具高分辨率应用。
附图说明
40.图1是拼接探测器综合误差补偿结构一个光敏元件对应的补偿结构剖视图，图1中，1是分立补偿片，2是补偿片压板，3是补偿片保持架，1～3构成所述补偿结构。4是拼接探测器组件的窗口或滤光片，5是拼接探测器组件的光敏元件，6是拼接探测器的外壳或底座，
4～6构成线列或面阵拼接探测器组件。
41.图2是拼接探测器综合误差补偿结构的俯视图，图2中标号1是不同光学厚度的分立补偿片。
42.图3是现有的拼接探测器共焦面拼接示意图。
43.图4是拼接探测器分立补偿片厚度计算的原理图。
具体实施方式
44.下面结合附图予以详细描述，以便能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。
45.图1和图2详细标识了本发明——拼接探测器综合误差补偿结构的组成，包括分立补偿片、补偿片保持架、补偿片盖板和拼接探测器组件。
46.拼接探测器组件是基于现有拼接工艺完成的产品，窗口或滤光片4是拼接探测器的组成部分之一，或省略。线列或面阵拼接探测器组件中光敏元件5的排列和布局是根据光学设计的结果或总体设计结果确定，拼接探测器的外壳或底座6或光机系统的外壳或底座可以作为补偿片最终的固定基座。补偿片的厚度按照图4所示方法进行设计，步骤1)不安装补偿片时、调节拼接探测器，使拼接探测器每个拼接模块i获得最佳焦面位置对应的后截距li；步骤2)根据拼接探测器子模块之间后截距的变化量δli，除以补偿片的材料折射率ni，即为每个补偿片的初始厚度δli/n。在此厚度基础上，统一增加厚度d0，以增强补偿片的强度和可加工性，保证补偿片加工和安装的可靠性。由此得到每个分立补偿片的初始厚度di＝δli/n+d0；步骤3)将步骤2)确定的补偿片装入补偿片保持架。回到步骤1)，重复上述迭代过程，根据每个拼接子模块的后截距变化情况，更换对的补偿片厚度，使拼接探测器的各子模块处在相同的后截距lf上，即可停止迭代。
47.补偿片的通光口径选取的原则主要是根据光学设计的结果确定，不同位置拼接探测器芯片对应的分立补偿片具有不同的有效通光口径，也可以根据光学设计结果取最大包络，作为统一的补偿片通光孔径。厚度参数根据图4的方法进行设计。
48.分立补偿片保持架的开孔尺寸和厚度的参数，根据光学设计的结果确定通光口径的开孔尺寸和位置，保持架和压板的厚度可参照薄壁结构的设计原则进行选取。
49.线列或面阵拼接探测器综合误差补偿结构的装配可以通过模块化装配和检测完成。分立补偿片1、补偿片压板2、补偿片保持架3以及线列或面阵拼接探测器组件在工艺上相对独立，可实现并行装配和检测。避免发生如图3所示的常规拼接探测器误差调整和补偿方法，及其存在的串行装配和整体拆装的情况。