СПОСОБ ЮСТИРОВКИ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF ADJUSTING MATRIX PHOTODETECTOR

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии изготовления оптико-электронных приборных комплексов, модули которого работают в различных спектральных диапазонах, и может применятся при серийном изготовлении оптико-электронных модулей (ОЭМ) для систем обнаружения, наблюдения и сопровождения объектов.
Специфика изготовления ОЭМ с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ) заключается в том, что, во-первых, перед фоточувствительной поверхностью МФПУ находится защитное стекло, исключающее возможность механического измерения расстояния до фоточувствительной поверхности МФПУ; во-вторых, ОЭМ работают в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до глубокого инфракрасного; в-третьих, применяемые МФПУ имеют существенные допуски по положению фоточувствительной поверхности относительно их посадочной плоскости. Так, например, ПЗС матрица KAI-1020 известной фирмы Kodak (Техническое описание KAI-1020, www.kodak.com/go/imagers) имеет следующие допуски на составляющие элементы:
защитное стекло, мкм
50
зазор между стеклом и фоточувствительной поверхностью, мкм
10
толщина фоточувствительной поверхности с подложкой, мкм
200
зазор между подложкой и монтажной платой, мкм
130
Таким образом, среднеквадратичное значение допуска на положение фоточувствительной поверхности МФПУ относительно ее посадочной плоскости составляет примерно 350 мкм. Если еще учесть допуск на толщину печатной платы, на которой крепится МФПУ, технологические погрешности, возникающие при изготовлении ОЭМ, то этот допуск еще более увеличится.
Для светосильных оптических систем с высоким качеством оптического изображения допуск на положение фоточувствительной поверхности МФПУ относительно плоскости изображения оптической системы составляет единицы микрометра. Это приводит к необходимости индивидуального сопряжения каждого узла МФПУ с оптической системой ОЭМ, а юстировка является трудоемким процессом, требующим использования специальных технологических инструментов и выполняющимся высококвалифицированными специалистами. Проблема точной выставки фоточувствительной поверхности МФПУ относительно посадочных поверхностей (диаметра и торца оправы МФПУ) еще более усугубляется при требовании взаимозаменяемости узлов с МФПУ.
Традиционные способы юстировки предполагают конструктивные решения, обеспечивающие подвижку МФПУ вдоль, перпендикулярно и вокруг оптической оси объектива (Г.В.Погарев. Юстировка оптических приборов, изд. «Машиностроение», Ленинград, 1968, глава 3; С.М.Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов, изд. «Политехника», Санкт-Петербург, главы 9.4; 9.5).
Недостаток традиционных способов - сложность и трудоемкость юстировки, а также расстраиваемость юстировки изделий в процессе их эксплуатации вследствие нестабильности и ослабления фиксирующих элементов крепления МФПУ. Кроме того, традиционными способами обеспечить взаимозаменяемость узлов с МФПУ сложно из-за необходимости точной выставки и поддержания величины рабочего расстояния от посадочной плоскости оправы МФПУ до фоточувствительной поверхности МФПУ.
Этот недостаток преодолен в способе юстировки, при котором измерения проводят визуально с помощью микроскопа, а юстировку осуществляют способом точной подрезки посадочных поверхностей оправы МФПУ (С.М.Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов, изд. «Политехника», Санкт-Петербург, глава 9.5). Недостаток этого способа состоит в невозможности его применения для юстировки ОЭМ, работающих вне видимого спектрального диапазона, т.к. фоточувствительная поверхность МФПУ закрыта непрозрачным для глаза защитным стеклом.
Предлагаемый способ обеспечивает возможность точной юстировки ОЭМ с МФПУ и их взаимозаменяемость в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что юстировку осуществляют подрезкой посадочных поверхностей оправы МФПУ с контролем операций в спектральном диапазоне работы ОЭМ по изображениям на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ), используя видеосигналы как юстируемого МФПУ, так и контрольного МФПУ автоколлимационного микроскопа, работающего в том же спектральном диапазоне.
Способ характеризуется следующими операциями:
- МФПУ в оправе устанавливают в центрировочный патрон, который закрепляют в шпинделе токарного станка;
- подключают МФПУ к ВКУ;
- выставляют автоколлимационный микроскоп с тест-объектом, подсвечиваемым в заданном диапазоне спектра, на фоточувствительную поверхность МФПУ;
- формируют по видеосигналам МФПУ изображение тест-объекта на экране ВКУ;
- точность выставки автоколлимационного микроскопа контролируют по резкости изображения тест-объекта на экране ВКУ;
- поворотами центрировочного патрона выставляют фоточувствительную поверхность МФПУ перпендикулярно оси его вращения;
- перемещением центрировочного патрона перпендикулярно оси вращения совмещают центр МФПУ с осью вращения патрона;
- протачивают посадочный диаметр оправы МФПУ, обеспечивая центрировку МФПУ относительно посадочного диаметра;
- предварительно подрезают посадочную плоскость оправы МФПУ, обеспечивая параллельность посадочной плоскости оправы МФПУ фоточувствительной поверхности МФПУ;
- наводят микроскоп на фоточувствительную поверхность МФПУ, контролируя точность наведения по резкости изображения тест-объекта на экране ВКУ, и снимают показания с отсчетного устройства;
- наводят микроскоп на посадочную плоскость оправы МФПУ, контролируя точность наведения по резкости изображения посадочной плоскости на экране ВКУ, и снимают показания с отсчетного устройства;
- вычисляют разность двух замеров;
- вычитают из полученной разности замеров заданное значение рабочего расстояния;
- подрезают посадочную плоскость оправы МФПУ на величину полученного значения.
Пример реализации способа юстировки МФПУ представлен на чертежах, на которых на фиг.1 схематично изображен комплект технологического оборудования и его состояние, необходимое для контроля процессов проточки диаметра и предварительной подрезки посадочной плоскости оправы МФПУ, а на фиг.2 - состояние технологического оборудования, обеспечивающее окончательную подрезку посадочной плоскости оправы МФПУ. В качестве технологического оборудования используются высокоточный токарный станок, котировочный патрон, подвижный стол с отсчетным устройством, автоколлимационный микроскоп с телекамерой и видеоконтрольное устройство.
Реализацию способа юстировки МФПУ начинают (фиг.1) с монтажа электронной платы 1 с МФПУ 2 в оправу 3, которую, в свою очередь, закрепляют в технологической оправе 4. Технологическую оправу 4 устанавливают в котировочный патрон 5, ось 6 которого закрепляют в шпинделе токарного станка (токарный станок на фиг.1 и фиг.2 не показан). Винты 7, расположенные через 120 градусов (на фиг.1 и фиг.2 показан один винт, чтобы не загромождать рисунок), обеспечивают подвижку шайбы 8 перпендикулярно оси вращения; винты 9, расположенные также через 120 градусов (на фиг.1 и фиг.2 показан один винт, чтобы не загромождать рисунок), обеспечивают наклон шайбы 8 относительно оси вращения.
Автоколлимационный микроскоп 10, содержащий объектив 11, полупрозрачное зеркало 12, тест-объект 13, спектральный фильтр 14, источник света 15 и контрольную телекамеру 16, устанавливают на каретку 17 подвижного стола 18. Каретка 17 и подвижный стол 18 обеспечивают подвижку автоколлимационного микроскопа 10 вдоль и перпендикулярно оси вращения шпинделя токарного станка: подвижный стол 18 обеспечивает перемещение автоколлимационного микроскопа 10 по основанию 19 перпендикулярно оси вращения шпинделя, а каретка 17 обеспечивает точное перемещение автоколлимационного микроскопа 10 вдоль оси вращения шпинделя с помощью микрометрического винта 20. Величину перемещения контролируют отсчетным устройством 21.
Выход видеосигнала с электронной платы 1, несущий видеоинформацию с МФПУ 2, подсоединяют к входу видеоконтрольного устройства (ВКУ) 22.
Включают ВКУ 22, источник света 15 и электронную плату 1 и наблюдают изображение тест-объекта 13 на ВКУ 22. Добиваются резкого изображения тест-объекта 13, перемещая автоколлимационный микроскоп 10 вдоль его оси винтом 20. Вручную вращают шпиндель станка с юстировочным патроном 5. Винтами 9 выставляют фоточувствительную поверхность МФПУ 2 перпендикулярно оси вращения, а винтами 7 совмещают центр МФПУ 2 с осью его вращения. Контроль точности позиционирования МФПУ 2 ведут по изображению на ВКУ 22. Снимают показания L1 с отсчетного устройства 22.
Отсоединяют выход видеосигнала с электронной платы 1 от входа ВКУ 22, включают станок, протачивают посадочный диаметр и предварительно подрезают посадочную плоскость оправы 3, тем самым фиксируя центрировку МФПУ 2 относительно посадочного диаметра и параллельность его фоточувствительной поверхности посадочной плоскости оправы 3.
ИЗМ
ИЗМ
ЗАД
ИЗМ
ЗАД
Подключают выход видеосигнала телекамеры 16 к входу ВКУ 22 (фиг.2). Наводят автоколлимационный микроскоп 10 на посадочную плоскость оправы 3 перемещением подвижного стола 18 и каретки 17. Точность наведения контролируют по резкости изображения посадочной плоскости оправы 3 на ВКУ 22. Снимают показания L2 с отсчетного устройства 21. Вычисляют разность L=L1-L2 между показаниями отсчетного устройства 21 при наведении автоколлимационного микроскопа 10 на фоточувствительную поверхность МФПУ 2 и наведении автоколлимационного микроскопа 10 на посадочную плоскость оправы 3. Вычитают из полученной разности замеров L заданное значение рабочего расстояния L и подрезают посадочную плоскость оправы 3 МФПУ 2 на величину полученного значения ∆L=L-L.