CN103308008B - 一种低温状态下元件平面度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温状态下元件平面度的测量装置及测量方法，测量装置包括激光器、汇聚光学***、成像光学***、光电探测器、高精度三维位移平台、专用杜瓦、杜瓦支架、光学避震平台及数据处理装置；被测元件安放于专用杜瓦中；激光器发出的光束通过汇聚光学***垂直入射于被测元件表面，成像光学***和光电探测器对激光光斑成像，利用激光三角法测量被测元件表面测量点的微位移；数据处理***利用质心算法计算激光光斑的位置，控制高精度三维位移平台实现二维扫描测量并计算被测元件表面平面度。本发明的优点在于：测量装置利用激光三角法位移测量原理实现非接触测量，原理简单易于实现，且工作距离可调，使得该装置具有很强的适用性。

Description

一种低温状态下元件平面度的测量方法

技术领域

本发明涉及平面度测量技术，特别指一种低温状态下元件平面度的测量装置及方法。

背景技术

大面阵、长线列是红外焦平面探测器发展的主要方向之一，而为了实现这一目标通常使用的技术是：首先制造较小规模的红外焦平面探测器子模块，再在高平整度的金属基板上进行精密拼接。由于焦平面探测器一般都在77K～100K的低温环境下工作，所以拼接完成的焦平面探测器连同金属基板需要装入低温杜瓦中，由制冷机或液氮通过冷链、金属基板的热传导达使得红外探测器达到要求的工作温度。在超长线列探测器从室温安装到低温应用的过程中，由于冷链、支撑结构和金属基板等材料的热胀系数不同，则必然会导致应力、应变的产生。应力的存在会使金属基板产生形变，这就会使得粘贴在金属基板表面的红外焦平面探测器光学平面偏离光学***的焦面。在大孔径的光学***中，***景深很小，这种偏离会严重影响红外焦平面探测器***的成像质量。解决低温下大面阵、长线列焦平面探测器的平面度测量问题，从而可以改进探测器安装结构设计，使得探测器在低温下平面度指标满足应用要求。因此低温平面度的测量问题是提高大规模红外焦平面探测器制造质量的重要环节。

由于拼接好的长线列探测器封装于低温杜瓦中，所以通常接触式的测试方法不能达到直接测量探测器平面度的目的。授权公告号为CN100334425C的专利提出了一种测量焦平面探测器低温形变的测量方法及专用杜瓦，其所述的常规激光高度测试仪(例如NikonVMR-3020三维影像仪)只能实现较小工作距离的形变测量，且现成仪器只能在竖着方向应用。当焦平面器件的面阵或线度比较大的时候，待测面到低温杜瓦窗口外表面的距离常常大于常规激光高度测试仪的工作距离；另外，由于封装的长线列探测器低温杜瓦窗口要求测试在水平方向经行。所以，现有仪器的测试工作距离、光入射方向都不能满足需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种低温状态下元件平面度的测量装置及方法，解决了低温下元件平面度的精确测量问题。

本发明的科学原理：

待测元件的低温形变量是通过测量降温前后待测元件表面上各测量点空间位置的变化来实现；具体的说就是通过激光三角法测量各个被测点的空间坐标，通过各个测量点的空间坐标来还原待测元件表面在不同温度下的形貌，并计算相应的温度下待测元件的平面度；所述的激光三角法的测量原理见图1，激光器1-1发出的光束聚焦在待测元件1-2的表面，激光光斑成像于光电探测器1-3表面，通过定标建立激光光斑质心与空间坐标的函数关系，利用该函数关系可以反推出待测元件1-2表面测量点得空间坐标。

本发明的技术方案是：

为实现上述测量方案搭建一种低温状态下元件平面度的测量装置，其包括：激光器2-13、汇聚光学***2-14、成像光学***2-15、光电探测器2-16、高精度三维位移平台2-12、专用低温杜瓦2-18、杜瓦支架2-10、光学避震平台2-11及数据处理***2-17。

所述的激光器2-13发出的激光束通过所述的汇聚光学***2-14汇聚并垂直于入射至安放于所述专用低温杜瓦2-18中的被测元件表面，在表面形成一个激光光斑，由所述的成像光学***2-15和所述的光电探测器2-16对激光光斑成像，利用激光三角法测量被测元件表面测量点的微位移；所述的数据处理***2-17利用质心算法计算激光光斑的位置，控制高精度三维位移平台2-12实现二维扫描测量，处理被测元件表面各测量点的微位移的数据并计算被测元件表面平面度。

所述的专用杜瓦包括外壳2-1、内胆2-2和真空夹层2-3，被测元件2-4通过冷链2-5与内胆2-2中得液氮相连，被测元件2-4由带有透光窗口2-6的盖子2-7罩住，并与窗口2-6平行并且垂直于水平面，盖子2-7与外壳真空密封连接，被测元件2-4上贴有测温电阻2-8，用于实时监控被测元件2-4的温度，外壳侧壁有一抽气口2-9。

所述的光电探测器2-16采用面阵CCD或位置灵敏探测器。

测量方法包括以下几个步骤：

步骤1：将待测元件装入低温杜瓦中，然后对杜瓦经行真空排气，使其真空度达到1×10^-3torr以上，已达到良好的隔热效果；

步骤2：将上述低温杜瓦连同杜瓦支架固定于所述光学避震平台上，使杜瓦内的被测元件表面大致位于上述激光三角位移测量装置的工作范围内；

步骤3：测量装置定标，首先固定低温杜瓦，控制三维位移平台沿激光入射方向移动，记录激光光斑质心坐标与空间坐标的对应关系，并利用二次曲线拟合所需要的定标曲线；

步骤4：调节高精度三维位移平台，使被测元件表面待测区域的三个顶点的激光光斑的质心坐标相同，并记录由这三个测量点所决定的高精度三维位移平台移动的平面，作为后续二维扫描的基准面；

步骤5：在待测区域中选取合适的扫描测量点，记录常温时每个扫描点上的激光光斑的质心坐标，并由定标曲线换算成空间坐标，完成室温元件平面度测量；

步骤6：向低温杜瓦中灌入液氮，利用测温电阻2-8实时监测待测元件2-4表面温度，上述测量装置在任意时刻扫描步骤5中选取的测量点，记录每个测量点上激光光斑质心坐标，利用定标曲线可以反推出测量点得空间位坐标，实时监测被测元件表面的形变情况；

步骤7：当待测元件温度和激光光斑质心坐标稳定后，测量装置扫描步骤5中选取的测量点，记录每个测量点上激光光斑质心坐标，利用定标曲线可以反推出被测元件表面测量点得空间坐标并计算出被测元件在此温度下的平面度。

本发明具有如下优点：

1.利用激光三角法位移测量原理实现非接触测量，原理简单易于实现，且工作距离可调，使得该装置具有很强的适用性；

2.利用二次标定函数来计算空间坐标，避免了由***几何配置不精确而引入的***误差；

3.采用固定沉重的低温杜瓦的测量模式，降低了有位移平台引入的***误差；

4.可以实时监测待测元件在降温过程中的形变情况。

附图说明

图1为激光三角位移测量法原理图。

图2为本发明的测试***的侧视图。

图3为图2的顶视图。

图4为线性定标法和二次定标法的拟合误差曲线。

具体实施方式：

以下结合附图和具体配置参数对本发明一种低温状态下元件平面度的测量装置及方法作进一步详细说明，并给出该测量装置采用线性定标和二次定标的精度对比，以及该装置所述具体配置下达到的测量精度。

参考图2和图3，本专利实施例提供一种低温状态下红外探测器平面度的测量装置及方法，所述测量装置包括专用低温杜瓦2-18，激光器2-13为1mw氦氖激光器，汇聚光学***2-14为激光括束镜、孔径光阑和80mm焦距的凸透镜，光电探测器2-16为面阵CCD，成像光学***15为110mm定焦距两倍光学放大镜头，其成像光轴与激光光束的夹角为40°，高精度三维位移平台2-12，专用低温杜瓦2-18，光学避震平台2-11以及数据处理中心为一台PC机。所述放置于专用低温杜瓦2-18中的红外探测器的金属基板距离透光窗口2-6上表面有60mm，所以测量***工作距离应该大于60mm。

测量方法：

1)将拼接完成的红外探测器装入低温杜瓦中，然后对杜瓦经行真空排气，使其真空度达到1×10^-3torr以上，已达到良好的隔热效果；

2)将上述低温杜瓦连同杜瓦支架固定于所述光学避震平台上，使杜瓦内的金属基板大致位于上述激光三角位移测量装置的工作范围内；

3)测量装置定标，首先固定低温杜瓦，调整成像光学***2-15和面阵CCD使得激光光斑在CCD中心形成光斑面积最小的像，这时成像光学***2-15和汇聚光学***2-14的焦点大致重合；利用质心算法提取激光光斑在CCD面阵上投影的质心坐标，所述的激光光斑质心算法为利用光亮度为权值计算光斑中心坐标的一种算法。利用高精度三维位移平台2-12沿激光光束方向前后移动，每移动10μm，记录下激光光斑质心坐标与空间坐标，由此建立激光光斑的质心坐标与待测点的空间坐标的对映关系，为并利用二次曲线拟合，得到所需要的定标曲线方程；

4)调节高精度三维位移平台，使被测元件表面待测区域的三个顶点的激光光斑的质心坐标相同，并记录有这三个测量点所决定的高精度三维位移平台移动的平面，作为后续二维扫描的基准面；

5)在待测区域中选取合适的扫描测量点，记录常温时每个扫描点上的激光光斑的质心坐标，并由定标曲线换算成空间坐标，完成室温元件平面度测量；

6)专用低温杜瓦2-18加入液氮后，通过测温电阻2-8获得金属基板实时的温度数据，再对已选取好的测量点进行扫描测量，可以获得各个点得空间坐标数据，实时显示测量面的形变情况。当金属基板温度和各测量点的激光光斑质心位置稳定后，就能得到红外焦平面探测器低温工作时的平面度；

二次定标法与***测量精度：

由于测量***在直入射模式下，激光光斑的物象关系是非线性的，所以在高精度测量时不宜使用线性定标法。在我们所关心的测量范围内，直入射式成像***的光学放大倍率可近似为线性变化的，利用二次定标法可以提高测量的精度。图4.给出了在上述实施例的具体配置下线性定标法和二次定标法的拟合误差，线性定标法的拟合方差为0.59μm，二次定标法的拟合方差为0.23μm。

利用二次定标法，对本***经行了测量精度实验。表1给出了在100μm量程内，本测量***和商用松下HL-C2高精度激光三角位移传感器的测试结果对比(HL-C2的主要指标：工作距离110±15mm，激光束直径Φ80μm)。实验结果表明本测量***在上述工作条件下测量误差极限(3σ)小于1.2μm。

表1测量精度对比实验

Claims (1)

1.一种低温状态下元件平面度的测量方法，它基于低温状态下元件平面度的测量装置实现的，所述的低温状态下元件平面度的测量装置包括激光器(2-13)、汇聚光学***(2-14)、成像光学***(2-15)、光电探测器(2-16)、高精度三维位移平台(2-12)、低温杜瓦、杜瓦支架(2-10)、光学避震平台(2-11)及数据处理***(2-17)；装置中所述的激光器(2-13)发出的激光束通过所述的汇聚光学***(2-14)汇聚并垂直于入射至安放于所述低温杜瓦中的被测元件表面，在表面形成一个激光光斑，由所述的成像光学***(2-15)和所述的光电探测器(2-16)对激光光斑成像，利用激光三角法测量被测元件表面测量点的微位移；所述的数据处理***(2-17)利用质心算法计算激光光斑的位置，控制高精度三维位移平台(2-12)实现二维扫描测量，处理被测元件表面各测量点的微位移数据并计算被测元件表面平面度；其特征在于测量方法包括以下步骤：

步骤1：将待测元件装入低温杜瓦中，然后对杜瓦经行真空排气，使其真空度达到1×10^-3torr以上，已达到良好的隔热效果；

步骤2：将上述低温杜瓦连同杜瓦支架固定于所述光学避震平台上，使杜瓦内的被测元件表面大致位于成像光学***(2-15)的焦平面附近；

步骤3：测量装置定标，首先固定低温杜瓦，控制三维位移平台沿激光入射方向移动，记录激光光斑质心坐标与空间坐标的对应关系，并利用二次曲线拟合所需要的定标曲线；

步骤4：调节高精度三维位移平台，使被测元件表面待测区域的三个顶点的激光光斑的质心坐标相同，并记录由这三个顶点所决定的高精度三维位移平台移动的平面，作为后续二维扫描的基准面；

步骤5：在待测区域中选取合适的扫描测量点，记录常温时每个扫描测量点上的激光光斑的质心坐标，并由定标曲线换算成空间坐标，完成室温元件平面度测量；

步骤6：向低温杜瓦中灌入液氮，利用测温电阻(2-8)实时监测待测元件(2-4)表面温度，上述测量装置在任意时刻扫描步骤5中选取的扫描测量点，记录每个扫描测量点上激光光斑质心坐标，利用定标曲线反推出扫描测量点的空间坐标，实时监测被测元件表面的形变情况；

步骤7：当待测元件温度和激光光斑质心坐标稳定后，测量装置扫描步骤5中选取的扫描测量点，记录每个扫描测量点上激光光斑质心坐标，利用定标曲线反推出被测元件表面扫描测量点的空间坐标并计算出被测元件在此温度下的平面度。