一种拼接焦面组件的制作方法

1.本发明涉及一种空间观测仪器，具体涉及一种拼接焦面组件。


背景技术：

2.随着空间天文观测、空间碎片探测、空间态势感知等空间暗弱目标观测领域的研究和发展，对空间暗弱目标进行高稳定度和高灵敏度观测的需求越来越高。由于目标信号能量微弱，因此观测仪器需要具备高稳定性、高灵敏度以及超低噪声的观测性能，传统的通过卫星平台姿态控制系统来保证观测仪器稳定度的方法无法满足上述高性能观测需求。
3.目前，本领域研究人员提出了将导星敏感器(导星ccd)与空间遥感器的焦面探测器(探测ccd)共焦面的观测仪器来满足高性能观测需求。
4.但是如何将探测ccd和导星ccd进行合理的布局拼接，最大程度地保证拼接焦面组件的共面精度，以及如何满足两种不同类型的探测器(探测ccd和导星ccd)在轨温控需求，使该观测仪器能够同时满足不同工作模式下不同类型ccd的低噪声工作制冷需求，以及探测ccd修复辐射损伤所带来的加热退火需求，是目前急需解决问题。


技术实现要素：

5.为了实现探测ccd和导星ccd合理的布局拼接，以及拼接后的组件具有在轨温控能力，使拼接后的组件能够满足高分辨率、高灵敏度以及在轨稳定性要求，本发明提供了一种拼接焦面组件。
6.本发明的具体技术方案是：
7.提供了一种拼接焦面组件，包括焦面箱体、探测ccd组件、导星ccd组件、窗口组件以及温控组件；
8.探测ccd组件、导星ccd组件均安装于焦面箱体底板上，且探测ccd组件为一个，导星ccd组件为两个，探测ccd组件居中放置，两个导星ccd组件对称设置于探测ccd组件两侧；焦面箱体的侧板上还设有真空密封接插件以及真空抽气口，真空密封接插件为三个，分别用于将探测ccd组件、导星ccd组件的信号向外传出，真空抽气口用于地面试验时对焦面箱体内部进行抽真空处理；
9.窗口组件安装于焦面箱体顶板上，外部光束透过窗口组件后被所述探测ccd组件、导星ccd组件接收；
10.温控组件包括热管、散热板以及主动加热回路；
11.热管一端连接于焦面箱体底板的外表面，另一端与散热板连接；
12.主动加热回路设置于焦面箱体顶板上表面，用于避免在轨工作时窗口组件受到污染，以及地面试验时环境湿度大导致窗口组件结露情况；主动加热回路还设置于焦面箱体底板下表面，用于对焦面箱体底板、探测ccd组件、导星ccd组件的温度进行精密控制。
13.具体地说，上述探测ccd组件包括探测ccd芯片、tec组件、ccd封装底板、第一温度传感器以及第一柔性电路板；
14.探测ccd芯片通过tec组件与ccd封装底板连接，ccd封装底板与所述焦面箱体底板连接；
15.第一温度传感器与探测ccd芯片连接，用于实时测量探测ccd芯片的温度；
16.第一柔性电路板一端与探测ccd芯片连接，另一端通过真空密封接插件向外部传输信号。
17.具体地说，上述tec组件包括两个堆叠放置的单级热电制冷器，上级单级热电制冷器冷端与探测ccd芯片背部直接接触，上级级热电制冷器热端与下级级热电制冷器冷端直接接触，下级级热电制冷器热端固定在tec基板上。
18.具体地说，上述导星ccd组件包括导星ccd芯片、导星电路板、支撑座、第二柔性电路板以及第一温度传感器；
19.导星ccd芯片设置于导星电路板上；
20.支撑座下端与焦面箱体底板连接，支撑座上端与设置两个凸起部，所述两个凸起部穿过导星电路板后通过两个压块将导星ccd芯片压紧；
21.第二柔性电路板一端与导星电路板接，另一端通过真空密封接插件向外部传输信号；
22.第二温度传感器安装于支撑座上，用于实时测量导星ccd芯片的温度。
23.具体地说，上述支撑座的下端与焦面箱体底板之间还设置有修切垫。
24.具体地说，上述支撑座采用铝基碳化硅材料制作。
25.具体地说，上述窗口组件包括遮光罩、窗口压圈以及窗口玻璃；
26.焦面箱体的顶板上对应与探测ccd芯片和两个导星ccd芯片的位置开设有透光口；
27.窗口玻璃、遮光罩自上而下设置在透光口上方，且遮光罩上开设有通光区域；窗口压圈设置在窗口玻璃、遮光罩之间，用于对窗口玻璃沿光传播方向定位。
28.具体地说，上述热管为铝氨槽道热管，散热板正面喷涂低吸收发射比的散热涂层.热管的外表面及散热板背部均包覆隔热层。
29.具体地说，上述焦面箱体包括顶板、中部框体以及底板，且顶板、中部框体以及底板均采用法兰连接方式连接；顶板与中部框体采用低热导率的钛合金材料制作，且顶板与中部框体的内表面均进行镀金处理；底板选用钼铜合金材料制作，且底板内表面进行抛光处理。
30.具体地说，上述焦面焦面箱体的顶部与外部光机主体采用4组钛合金螺钉及2组销钉进行隔热安装。
31.本发明的优点在于：
32.1、本发明的拼接焦面组件，将导星敏感器(导星ccd)与空间遥感器的焦面探测器(探测ccd)共焦面设置，并且利用tec将探测ccd安装于焦面箱体内，利用支撑座将导星ccd安装于焦面箱体内，并在焦面箱体外通过热管和散热板对导星ccd以及探测ccd进行散热，利用主动加热回路对焦面箱体内部进行加热，从而保证了长积分时间内的指向稳定，消除目标在像元上的抖动与位移，从而使空间遥感器能够更好地与平台姿态控制系统相适应，有效减小平台抖动、热颤振等带来的指向不稳定，同时满足不同工作模式下不同类型ccd的低噪声工作制冷需求，以及探测ccd修复辐射损伤所带来的加热退火需求，另一方面能最大程度地保证拼接焦面组件的共面精度，大大提高了空间遥感器的观测和成像质量。
33.2、该系统采用tec对探测ccd进行主动温控和采用支撑座被动散热相结合的方式，在最少的资源占用的前提下，同时实现了拼接焦面组件不同类型探测器组件的不同的制冷和退火需求，同时结合主动加热回路实现了探测ccd和导星ccd的高精度和高稳定度温度控制。
34.3、该温控系统通过热
‑
结构耦合设计的方式，在两种探测器制冷温差较大的情况下仍最大程度地保证拼接焦面组件的共面精度，根据试验测试结果，三个ccd组件拼接直线度误差和平行度误差优于3μm，共焦误差优于4μm，能够满足拼接共面要求。
附图说明
35.图1为本发明的爆炸示意图(该图中未示出温控组件)；
36.图2为探测ccd组件的结构示意图；
37.图3为导星ccd组件的结构示意图；
38.图4为本发明具有温控组件和探测ccd组件的使用原理图；
39.图5为本发明具有温控组件和导星ccd组件的使用原理图。
40.附图标记如下：
[0041]1‑
焦面箱体、11
‑
底板、12
‑
侧板、13
‑
真空密封接插件、14
‑
真空抽气口、15
‑
顶板、151
‑
透光口；
[0042]2‑
探测ccd组件、21
‑
探测ccd芯片、22
‑
tec组件、23
‑
ccd封装底板、24
‑
第一温度传感器、25
‑
第一柔性电路板；
[0043]3‑
导星ccd组件、31
‑
导星ccd芯片、32
‑
导星电路板、33
‑
支撑座、331
‑
凸起部、332
‑
压块、34
‑
第二柔性电路板、35
‑
修切垫、36
‑
第二温度传感器；
[0044]4‑
窗口组件、41
‑
遮光罩、411
‑
通光区域、42
‑
窗口玻璃、43
‑
窗口压圈；
[0045]5‑
热管、6
‑
散热、7
‑
主动加热回路。
具体实施方式
[0046]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0048]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0049]
如图1、4、5所示，本实施例提供了一种拼接焦面组件，包括焦面箱体1、探测ccd组件2、导星ccd组件3、窗口组件4以及温控组件；
[0050]
探测ccd组件2、导星ccd组件3均安装于焦面箱体的底板11上，且探测ccd组件2为一个，导星ccd组件3为两个，探测ccd组件2居中放置，两个导星ccd组件3对称设置于探测
ccd组件2两侧；焦面箱体的侧板12上还设有真空密封接插件13以及真空抽气口14，真空密封接插件13为三个，分别用于将探测ccd组件2、导星ccd组件3的信号向外传出，真空抽气口14用于地面试验时对焦面箱体内部进行抽真空处理；
[0051]
窗口组件4安装于焦面箱体的顶板15上，外部光束透过窗口组件4后被所述探测ccd组件2、导星ccd组件3接收；
[0052]
温控组件包括热管5、散热板6以及主动加热回路7；
[0053]
热管5一端连接于焦面箱体底板11的外表面，另一端与散热板6连接；探测ccd芯片发热扩散至焦面箱体的底板11，导星ccd芯片扩散至焦面箱体的底板11，底板11利用热管5收集热量，并将其传递至散热板6，最终通过热辐射方式排散至外部空间。本实施例中，热管5为铝氨槽道热管，为了增强辐射散热板散热能力，散热板6正面喷涂低吸收发射比的散热涂层。为减小外部环境漏热，将热管5外表面及散热板6背部均包覆多层隔热组件。
[0054]
主动加热回路7设置于焦面箱体顶板15上表面，用于在轨工作时窗口组件4受到污染，以及地面试验时外部环境湿度大出现窗口组件4结露情况；主动加热回路7还设置于焦面箱体底板11下表面，用于对焦面箱体底板11、探测ccd组件2、导星ccd组件3的温度进行精密控制。
[0055]
探测ccd组件
[0056]
由于探测ccd组件2中探测ccd芯片的制冷温度需求低于
‑
75℃，受到空间外热流的影响，若仅采用被动制冷方式，无法满足其制冷制冷需求，鉴于tec半导体热电制冷方式无运动部件、无振动影响、可实现制冷和加热双向精密闭环温度控制、热电器件寿命长可靠性高等优点，采用tec主动控温的方式对探测ccd进行精密温控，本实施例中探测ccd组件的具体结构如图2所示，探测ccd组件2包括探测ccd芯片21、tec组件22、ccd封装底板23、第一温度传感器24以及第一柔性电路板25；探测ccd芯片21通过tec组件22与ccd封装底板23连接，ccd封装底板23与所述焦面箱体底板11连接；第一温度传感器24与探测ccd芯片21连接，用于实时测量探测ccd芯片21的温度；第一柔性电路板25一端与探测ccd芯片21连接，另一端通过真空密封接插件13向外部传输信号。
[0057]
为了实现较大的制冷温差，tec组件22包括两个堆叠放置的单级热电制冷器，上级单级热电制冷器冷端与探测ccd芯片背部直接接触，上级级热电制冷器热端与下级级热电制冷器冷端直接接触，下级级热电制冷器热端固定在tec基板上。除此之外，探测器ccd组件与焦面箱箱体无其他接触环节。
[0058]
tec控制硬件基于单片机实现控制，通过温度采集模块采集封装在温度传感器的温度，结合pid控制算法，通过tec驱动模块实现tec电流控制，最终实现探测器温度的闭环控制。tec控制算法通常分为开环控制算法与闭环控制算法两种。开环控制算法直接设定tec工作于恒定电流.闭环控制算法根据冷端实时温度，与设定目标温度进行比对，按照pid算法将给定值与输出值构成偏差，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制确定tec实时工作电流。
[0059]
根据试验结果，探测ccd可以实现在制冷模式下
‑
75
±
0.2℃，退火模式下20
±
0.2℃的高精度温度控制。
[0060]
导星ccd组件
[0061]
导星ccd组件3中导星ccd芯片的制冷温度需求低于
‑
30℃，为尽可能地减小资源需
求，采用被动温控的方式实现其温控指标。为保证在轨探测ccd≤
‑
75℃、导星ccd≤
‑
30℃的工作温度下，3个ccd组件的共面精度为
±
20μm，考虑到地面拼接误差，必须谨慎选择导星ccd支撑结构材料，使拼接焦面热变形pv值小于10μm，铝基碳化硅热传导系数高，且拼接焦面热变形pv值最小，因此选择铝基碳化硅材料制造fgs的拼接支撑结构，因此本实施例中，导星ccd组件的具体结构如图3所示：导星ccd组件3包括导星ccd芯片31、导星电路板32、支撑座33、第二柔性电路板34以及第二温度传感器36；导星ccd芯片31的针脚焊接到导星电路板32上；支撑座34下端与焦面箱体底板11连接，支撑座34上端与设置两个凸起部341，所述两个凸起部341穿过导星电路板32后通过两个压块342将导星ccd芯片31压紧；第二柔性电路板34一端与导星电路板32连接，另一端通过真空密封接插件13向外部传输信号，支撑座34的下端与焦面箱体底板11之间还设置有修切垫35，通过修切垫35保证导星ccd与探测ccd的共面精度，间隙填充导热垫和导热胶。为了尽量减小封装箱体导热漏热，所以导星ccd组件3采用支撑座34进行支撑，除此之外，导星ccd组件3与焦面箱体底板11无其他接触环节。支撑座34安装用于实时测量导星ccd芯片温度的第二温度传感器36。
[0062]
根据试验结果，导星ccd组件在极端高温工况下可以实现
‑
32～
‑
30℃的温控水平。
[0063]
窗口组件
[0064]
如图1所示，窗口组件4包括遮光罩41、窗口玻璃42以及窗口压圈43；焦面箱体1的顶板15上对应与探测ccd芯片21和两个导星ccd芯片31的位置开设有透光口151；窗口玻璃42、遮光罩41自下而上设置在透光口151上方，且遮光罩41上开设有通光区域411；窗口压圈43设置在窗口玻璃42、遮光罩41之间，用于对窗口玻璃42沿光传播方向定位。
[0065]
焦面箱体
[0066]
如图1所示，焦面箱体1包括顶板15、中部框体12以及底板11，且顶15板、中部框体12以及底板11均采用法兰连接方式连接，焦面箱体的顶板11与外部光机设备(一般为望远镜主体)隔热设计，仅采用4组钛合金螺钉及2组销钉进行安装；顶板15与中部框体12采用低热导率的钛合金材料制作，用于隔离较高温度水平的光机设备对内部探测ccd组件2和导星ccd组件3的热传导；为了在大温差环境中保证ccd拼接结构的稳定性和安全性，同时需具备良好的导热性，焦面箱体的底板选用与tec基板材料热膨胀系数相近的钼铜合金；顶板与中部框体内表面进行镀金处理，底板内表面进行抛光处理，以减小探测ccd和导星ccd向焦面箱箱体的寄生漏热；焦面盒箱体外表面包覆隔热层。