一种红外大面阵多模块自动拼接机构制造技术

本发明专利技术公开了一种红外大面阵多模块自动拼接机构。红外大面阵多模块自动拼接机构由焦平面拼接基板、大面阵探测器模块、大面阵红外探测器拼接机构、微调压电步进马达、微调压电旋转马达组成。先在定位打孔焦平面拼接基板并涂覆低温胶，将多个面阵探测器安装在基板上，借助红外焦平面大面阵多模块对中拼接机构实现水平面及Z轴高度方向高精度调节。之后将拼接基板与多个红外探测器模块常温固化，最后再将红外焦平面多模块对中拼接机构与带大面阵红外探测器和微调步进及旋转马达分离，这样就完成了多模块大面阵红外探测器的三维拼接。本发明专利技术可实现多个探测器模块间高精度自动对中拼接、精度高、重复性好，同时大规模面阵模块可单独替换，可维修性好。

【技术实现步骤摘要】
一种红外大面阵多模块自动拼接机构
本专利技术涉及多模块红外探测器的拼接技术，具体指一种红外大面阵多模块自动拼接机构，它适用于大面阵红外焦平面探测器组件组装，同样适用于多模块CCD焦平面探测器组件组装。
技术介绍
红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和空间分辨率。红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和空间分辨率。视场扩大可以增加仪器的观测范围，空间分辨率提高可以改善仪器的成像质量。在红外成像系统中，光学系统的焦距和探测器的规模尺寸决定了系统的视场，光学系统的焦距和像元尺寸大小决定了系统的空间分辨率。在探测器靶面一定的情况下，为了提高成像系统的作用距离和分辨率等总体指标，需要采用长焦距光学系统，导致系统视场减小，因此在红外探测器规模和像元尺寸一定的情况下，红外系统视场和分辨率存在相互制约的关系。在研制高分辨大视场光学系统中，为了克服视场和分辨率存在矛盾，解决的途径之一为采用高分辨效率、超大规模面阵红外焦平面探测器。红外探测器受制备工艺、填充系数、灵敏度、成品率、成本等因素的限制，其规模是一定的。为了得到超大规模面阵大像元的面阵探测器件，一般采用多个大规模的面阵探测器(如1K×1K、4K×4K等)通过“无缝”拼接而成。“无缝”拼接并不是指真正意义上的焦平面无缝拼接，而是通过一定的视场拼接方法，对整个视场进行无缝覆盖。典型的方法有品字形拼接，通过两次或多次成像覆盖，采用图像拼接的方法完成视场的无缝拼接。或是采用田字型拼接，直接实现视场的无缝拼接，这样成像的光学结构更为简单，成像时间更短，但需要多个大规模的面阵探测器之间在三维空间上具有较高的精度要求。传统的拼接主要是满足在XY平面及旋转方向的精度，其拼接方法为在显微镜或显微投影仪下，用镊子将探测器模块放在涂有粘合剂的基板上，然后手动或通过特定的微调机构将探测器拨动到指定的位置。具体见中国专利03230349.1长线列红外探测器件拼接装置。或是采用多模块面阵红外探测器三维拼接结构进行品字形的多个小模块焦平面探测器拼接，但是这个方法通过铰链的方式精度控制比较难于操作。具体见CN103411681A通过传统的方法不能满足对Z轴即高度方向多个探测器焦面的平面度精度的拼接要求。文章《PerformanceoftheQWIPfocalplanearraysforNASA'sLandsatDataContinuityMission》(Proc.ofSPIEVol.8012)3个640×512拼接在一起，其三个模块拼接后Z轴方向多个探测器焦面的平面度精度达到±8.54μm。文章描述的原理是控制探测器衬底、读出电路、硅衬底的精度，同时在读出电路与硅衬底、硅衬底与因瓦基板之间用不同直径的空心微小珠和粘合剂在填充间隙。具体实施方法未见报道。SBIRS-high系统由6个中波红外512×512拼接而成，其拼接原理为首先选取一个平面度很高的胶接平面，选择不易变形且温度特性良好的胶，将其均匀的涂在平面上；然后采用吸盘将焦平面放置在胶上，等待胶干后放开吸盘，拼接焦平面的平面度依靠吸盘每次放置焦平面的高度保证，其平面度误差依靠胶来调整。其优点在于可以实现非常高精度的平面拼接；其难点在于胶材料的选取、吸盘重复高度的控制、涂胶工艺要求高；缺点在于风险很高，焦平面一旦胶接后焦平面无法替换，其中一个焦平面模块的损坏将导致整个拼接焦平面报废。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种红外大面阵多模块自动拼接机构及实现方法，实现多个大规模的面阵探测器之间在三维方向上具有较高的位置精度，解决了大面阵红外焦平面探测器的三维高精度组装要求。本专利技术一种红外大面阵多模块自动拼接机构如附图1所示，它包括大规模探测器模块1、SiC/Al大基板2、安装支架3、Z轴向微调机构4、Z轴旋转微调机构5、X，Y向微调控制机构6、SiC/Al大基板固定螺钉7及四角调节小宝石片8。所述的SiC/Al大基板2为各个模块开孔方形结构，其材料为合金Al基SiC陶瓷复合材料，由SiC/Al基板201、对中方孔202、小宝石片台阶203、对中细孔204组成。尺寸为100mm×70mm×5mm，每一个探测器模块1决定相应的对中方孔202、四个小宝石片台阶203和四个对中细孔204的位置。探测器模块1贴装在SiC/Al基板201上，对中胶接固定后探测器模块1的宝石电极板102与SiC/Al基板201上表面贴合。所述的安装支架3由上支架301、支撑柱302及安装底板303组成。上支架301通过支撑柱302与安装底板303连接，SiC/Al大基板2则通过限位台阶305和固定螺钉7固定在上支架301上。Z轴轴向微调机构4和Z轴旋转微调机构5都固定在大地板安装底孔304内。所述的Z轴向微调机构4由压电步进马达401、固定连杆402及调节连杆403组成，压电步进马达401最小步进量为1μm，最大行程为80mm，具有非常高的步进精度和足够大的行程。通过在芯片模块四个角的下面安装四只压电步进马达401可以实现，单模块和多模块的Z轴向高精度微调节。所述的Z轴旋转微调机构5由压电旋转马达501、固定连杆502及调节连杆503组成，压电旋转马达501最小旋转量为1arcsec，具有非常高的旋转控制精度。通过在芯片模块中心下方安装一只压电旋转马达501可以实现，单模块和多模块绕Z轴向的方位角微调节。所述的XY向微调机构6由压电步进马达601、连杆602及调节杆603组成，压电步进马达601最小步进量为1μm，最大行程为80mm，具有非常高的步进精度和足够大的行程。通过在上支架301边缘固定的压电步进马达601推拉调节杆603，实现单模块和多模块XY向高精度微调节。在三维方向调节完成后，对多个模块进行四周灌胶、固化，最后形成贴装有多个高精度拼接的大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2。所述的红外大面阵多模块自动拼接机构的压电步进马达401、压电旋转马达501、压电步进马达601都是通过电脑控制的，可以直接输入调节数值，以实现自动高精度对中。本专利技术由于采用胶结固定的方式，当拼接有多个大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2上的某个大规模探测器模块1损坏或失效后，可对损坏或失效的模块进行更换。进行更换操作时，只需使用恒温加热器局部加热损坏或失效模块周围的低温胶，等胶变软熔化后，从背部顶出有损坏或失效模块的贴装基板201，再重新拼接贴装一个完好大规模探测器模块1在SiC/Al大基板上，在对其进行对中微调节灌胶胶结，待胶固化后即完成现单模块的修复工作。具体步骤如下：1)SiC/Al大基板2加工研磨过程中进行常温5分钟、液氮浸泡5分钟、再回室温5分钟的温度冲击，反复5次以上，同时测量SiC/Al大基板(2)面型变化，高低温处理目的是释放材料的低温应力，SiC/Al大基板(2)的贴装基板(201)的贴装面平面度小于0.01mm即可，若实测情况变化小于0.005mm则具体的反复冲击次数足够，即认为应力释放完成。温度冲击确保大规模探测器模块1与SiC/Al大基板2热适配适应性，提高探测器工作的可靠性。冲击完成后，通过高精度紫外激光对SiC/Al大基板2进行中心划十字线，划线宽度和深度都为0.01±0.005mm，定位精度为0.003mm。2)将本专利技术的多模块自动拼接机构按如图1所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外大面阵多模块自动拼接机构，包括大规模探测器模块(1)、SiC/Al大基板(2)、安装支架(3)、Z轴向微调机构(4)、Z轴旋转微调机构(5)、XY向微调控制机构(6)、SiC/Al大基板固定螺钉(7)及四角调节小宝石片(8)，其特征在于：XY向微调控制机构(6)通过安装法兰固定在上支架(301)上，Z轴轴向微调机构(4)通过安装柱(402)固定在下底板(303)上，Z轴旋转微调机构(5)通过固定连杆(502)固定在下底板(303)上，SiC/Al大基板(2)固定在上支架的安装槽内；Z轴轴向微调机构(4)和Z轴旋转微调机构(5)都固定在大底板安装底孔(304)内；而多个探测器模块(1)通过低温胶贴装并胶结在SiC/Al基板(201)上，对中胶接固定后探测器模块(1)的宝石电极板(102)与SiC/Al基板(201)上表面贴合；通过在调节连杆(403)和其顶上的小宝石片(8)，Z轴旋转微调杆(502)以及X，Y向微调杆(602)满足三维空间位置精度后，常温固定不动，最后获得多个大规模探测器模块(1)的高精度拼接模块组件。

【技术特征摘要】
1.一种红外大面阵多模块自动拼接机构，包括大规模探测器模块(1)、SiC/Al大基板(2)、安装支架(3)、Z轴向微调机构(4)、Z轴旋转微调机构(5)、XY向微调控制机构(6)、SiC/Al大基板固定螺钉(7)及四角调节小宝石片(8)，其特征在于：XY向微调控制机构(6)通过安装法兰固定在上支架(301)上，Z轴轴向微调机构(4)通过安装柱(402)固定在下底板(303)上，Z轴旋转微调机构(5)通过固定连杆(502)固定在下底板(303)上，SiC/Al大基板(2)固定在上支架的安装槽内；Z轴轴向微调机构(4)和Z轴旋转微调机构(5)都固定在大底板安装底孔(304)内；而多个探测器模块(1)通过低温胶贴装并胶结在SiC/Al基板(201)上，对中胶接固定后探测器模块(1)的宝石电极板(102)与SiC/Al基板(201)上表面贴合；通过在调节连杆(403)和其顶上的小宝石片(8)，Z轴旋转微调杆(502)以及X，Y向微调杆(602)满足三维空间位置精度后，常温固定不动，最后获得多个大规模探测器模块(1)的高精度拼接模块组件。2.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：所述的SiC/Al大基板(2)为各个模块开孔方形结构，其材料为Al基SiC陶瓷复合材料，由SiC/Al基板(201)、对中方孔(202)、小宝石片台阶(203)、对中细孔(204)组成，尺寸为100mm×70mm×5mm，每一个探测器模块(1)决定相应1个对中方孔(202)、四个小宝石片台阶(203)和四个对中细孔(204)的位置。3.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：所述的安装支架(3)由上支架(301)、支撑柱(302)及安装底板(303)组成。上支架(301)通过支撑柱(302)与安装底板(303)连接。4.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：Z轴向微调机构(4)由压电步进马达(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨力怡，曾智江，莫德锋，郝振贻，王小坤，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31