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焦面组件是空间遥感器的关键部组件，其主要功能是将光信号转变为电信号，一般来讲，当前主流的空间遥感器的焦面组件上的功能元器件是CCD图像传感器或者面阵CMOS图像传感器。CCD是电荷耦合器件，是一种用于探测光信号的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。CMOS是互补金属氧化物半导体，它是指制造大规模集成电路芯片的一种技术或用这种技术制造出来的芯片[1-2]。
两种图像传感器，都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，其感光元件的核心都是一个感光二极管，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，电流的强度与光照成正比。CCD的量子效率高、信噪比高，而CMOS器件允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计、逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强、静态功率低、驱动能力强。
在光学遥感器领域，一般的，CCD图像传感器为线阵，用于推扫成像，CMOS图像传感器为面阵，用于凝视成像。
鉴于某深空高轨探测遥感器的推扫成像和凝视成像的功能需求，设计了一种线阵和面阵探测器共基板的焦面组件。该组件结构紧凑、质量轻，各个探测器件之间具有很高的共线、平行和共面的精度指标，具有很高的力、热稳定性能和动力学性能，并且具有优良的电磁兼容性能[3-5]。
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光学参数中与焦面组件设计相关的参数：视场角2ω=2°（9 km幅宽对应视场角：2ω=1.95°）；像面长度2x>157.90 mm（对应星下点9 km幅宽）；像面宽度2y=56.13 mm。
依据上述光学设计指标以及TDI CCD和CMOS的结构参数，确定焦面组件的设计及拼接指标如下：
（1） CCD的线视场长度要大于等于157.90 mm；
（2） CCD 和CMOS的像面宽度小于等于56.13 mm；
（3） CCD探测器之间搭接像元116个，搭接误差±2 μm；
（4） CCD及CMOS器件的共线度误差优于±2 μm；
（5） CCD及CMOS器件的平行度误差优于±2 μm；
（6） CCD及CMOS器件的像面共面度误差优于±2.5 μm；
（7） 组件基频大于120 Hz。
要求上述指标在力、热环境试验后仍旧满足上述指标，具有高度的稳定性。
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依据焦面组件的功能需求和指标要求，采用三片TDI CCD探测器和两片CMOS探测器。探测器的布局图见图1。
图 1 像面探测器布局
Figure 1. Detector layout of focal plane
线阵CCD探测器全色像元个数为6 144个，像元大小8.75 μm，三片交错搭接，搭接像元个数为116个；面阵CMOS探测器两片对称布置在视场边缘处，像元位数2 048×2 048，像元大小为11 μm。探测器布局完成后，像面长度159.25 mm，像面宽度 56.03 mm。
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焦面组件主要用于固定TDI CCD和CMOS探测器器件，进行拼接和配准，提供成像和TDI CCD、CMOS器件的光电接口，要求具有良好的力学、热以及电子学特性。焦面组件主要由焦面基板、TDI CCD组件、面阵CMOS组件、基准棱镜、前置电路板和楔形垫块等组成[6-10]。前置电路板包括TDI CCD视频处理板、CMOS板和CCD板。详细布局见图2和图3。
图 2 焦面组件结构布局（去除电路板）
Figure 2. Structure layout of focal plane component(circuit board removed)
图 3 焦面组件结构布局
Figure 3. Structure layout of focal plane component
在轨期间工作时，当温度在一定的范围内变化时，要求焦面组件保持原始的拼接精度，即要求焦面组件具有很好的热稳定性；在结构上要求焦面系统的质量要足够轻，导热性能良好，且能要承受运载过程中的冲击与振动。在进行设计时，结构件的选材是一个必须考虑的因素。对材料的选取做了如下考虑：
（1）为保证焦面组件质量轻和导热性能良好的设计指标，焦面组件上的主要结构件：焦面基板、楔形垫块、修研垫、导热块等均采用导热系数大、热容高、密度小和温度均匀性好的铝合金材料。
（2）考虑了TDI CCD座的线胀系数与探测器本身封装材料线胀系数之间的匹配关系。如果材料的线胀系数与探测器本身封装材料线胀系数相差较大，当组件承受较大的温度载荷时，会产生很大的温度应力导致变形，影响尺寸稳定性和成像质量。因此，在设计时对与TDI CCD相接触主要零件—CCD座的材料做了充分的考虑，以尽量减小因温度变化而产生的尺寸不稳定性。CCD座采用高体分铝基复合材料，其线胀系数（8×10−6/℃）相对铝合金的线胀系数（23×10−6/℃）小了很多，大大缓解了CCD器件封装材料陶瓷的线胀系数（0.35×10−6/℃）与铝合金材料的线胀差，同时高体分铝基复合材料弹性模量高，导热性能良好，有航天应用经验，提高了焦面组件力学及热学稳定性。
焦面基板是探测器组件的承载体，TDI CCD探测器采用机械交错搭接的方式固定在焦面基板上，两片面阵CMOS器件位于中间TDI CCD组件的两侧。工作时，TDI CCD器件和CMOS器件产生的热量通过导热压块和TDI CCD座和CMOS座传导至焦面基板上，由焦面基板作为辐射散热源，将TDI CCD和面阵CMOS产生的热量缓慢散掉一部分，其余部分热量通过与焦面基板连接的框架传导出去。
考虑到质量指标的限制，在保证使用性能要求的情况下，尽量缩小了焦面基板的外形尺寸并采取了减重措施。为保证TDI CCD和面阵CMOS能够成像，在焦面基板上相应位置设置了通光孔，焦面基板结构见图4。
图 4 焦面基板结构
Figure 4. Structure of focal plane substrate
为保证TDI CCD和面阵CMOS器件的像面与相机的实际成像面重合，同时填补焦面组件与后框架上的楔形空间，在焦面组件上与后框架连接的位置设计了一个楔形垫块，该楔形垫块同时具备焦面组件修研垫的功能，材料选择与焦面基板相同的铝合金。楔形垫块结构形式见图5，为保证质量指标要求，对楔形垫块进行了轻量化设计。
为实现对探测器的固定，同时保证探测器器件在振动和运行过程中不发生位置变化，进而影响相机的精度和成像质量，设计了TDI CCD座和面阵CMOS座。先将探测器器件固定在相应的座内，而后作为组件再与焦面基板进行连接。这样连接时只连接TDI CCD座和面阵CMOS座，不会对探测器造成损伤。为保证探测器器件与相应座的位置尽量固定，在二者装配时采用小间隙配合，通过胶和压块固定。TDI CCD座如图6所示。
图 5 楔形垫块结构
Figure 5. Structure of wedge block
图 6 CCD座
Figure 6. CCD substrate
TDI CCD组件结构组成见图7，组件包括修研垫、CCD座、CCD探测器、导热压块和CCD板。其中导热压块同时具有导热功能，固定TDI CCD器件的同时，还可以起到散热的作用。由于TDI CCD器件和CMOS器件都存在加工制造误差，为保证各个探测器的像面拼接的共面性，在每个TDI CCD组件和面阵CMOS组件与焦面基板的连接处设计了修研垫。通过对修研垫高度和角度的修整，保证各个探测器器件的共面性。面阵CMOS组件的结构组成及布置形式与TDI CCD组件基本一致。
图 7 CCD组件
Figure 7. CCD component
TDI CCD组件和面阵CMOS组件拼接完成后通过螺钉固定在焦面基板上，CCD板和面阵CMOS板分别采用支撑柱安装在TDI CCD座和面阵CMOS座上并与探测器针脚焊接，其中TDI CCD板通过刚柔板与成像控制箱的驱动电路板连接，面阵CMOS板通过刚柔板与成像控制箱的成像控制电路板连接；TDI CCD视频处理板位于焦面组件的上层，采用支撑柱与焦面组件固定在一起，通过刚柔板与成像控制箱的成像控制电路板连接。
在焦面基板上设置了两块基准棱镜，用以标定像面坐标系与相机整体坐标系的相对位置关系。
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空间环境中的各种高能粒子及空间辐射都容易对焦面组件电子元器件造成破坏。再就是，焦面组件各路探测器的电路之间也容易互相造成电磁干扰，造成功能破坏。抑制辐射和耦合对电控系统造成破坏的有效方法就是空间分离。对该焦面组件的设计也采用了空间隔离的手段。如图3和图5所示，楔形垫块设计了“飞边”结构，楔形垫块安装于主基板，焦面组件安装于楔形垫块上，CCD电控箱覆盖于焦面组件上，形成“围包”结构，在电控箱的底部设计了止口，与楔形垫块上设计的“飞边”结构形成止口搭接，实现焦面组件与外部空间的隔离，示意图见图8，有效地避开了空间辐射，同时也抑制了焦面组件电磁信号对外部其它载荷的干扰。针对各路探测器的电路之间的电磁干扰问题也采用了空间隔离的手段，如图2所示，在三片CCD探测器和两片CMOS探测器之间放置了隔离铜片，将五个探测器隔离开，有效地解决了焦面组件的内部电磁干扰问题[11]。
图 8 CCD控制箱与楔形垫块止口搭接示意图
Figure 8. Spigot lap schematic diagram of CCD control box and wedge block
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探测器拼接可分为机械拼接和光学拼接两种。光学拼接中的分光棱镜又可采用半透半反式或全透全反式。全透全反式光能利用率高，但这种方法要求连接起来的探测器之间的边界必须与相应的全透全反表面的边界对齐，而且当从一个阵列渐渐向相邻阵列跨越时，相对照度减少，大部分像元受渐晕影响，从而使信噪比下降。半透半反式能量损失大。该方案采用机械拼接的方法，将三片TDI CCD和两片面阵CMOS器件交错排列固定焦面基板上，既保证全视场内成像质量，又能满足能量要求[12]。
拼接的技术要求主要是三片TDI CCD器件和两片面阵CMOS器件的相对位置的精度要求，如图9所示。取TDI CCD2为基准，首先拼装TDI CCD2，保证其对焦面基板达到一定的平行性等技术要求。然后按TDI CCD3、TDI CCD1、面阵CMOS A、面阵CMOS B次序逐个拼接，使它们相对于TDI CCD2的位置达到以下三项指标（这里以全色TDI CCD像元为准）。
图 9 探测器布局及搭接示意
Figure 9. Schematic diagram of detector layout and lap
（1）搭接要求（x方向）
相邻TDI CCD首尾像元搭接。由于每片TDI CCD总像元数为6 144，同光学设计及电子学相关人员协商沟通，确定搭接时交错的像元数限制在116个像元以内。
搭接处像元的对准误差：Δx≤±2 μm；
（2）直线性和平行性要求（y方向）
第一行的TDI CCD1、TDI CCD3的同一级的所有像素必须在同一直线上，其非直线度误差为Δy≤±2 μm; 第二行的TDI CCD2、面阵CMOS A和面阵CMOS B的同一级的所有像素也必须在同一直线上，其非直线度误差为Δy≤±2 μm。
第一行TDI CCD与第二行TDI CCD必须平行，其不平行度误差Δy≤±2 μm；
（3）共面度要求（z方向）
三片TDI CCD和两片面阵CMOS芯片的所有像素必须在同一焦平面上，其不共面误差为Δz≤±2.5 μm。
整个拼接和组装过程在特殊研制的拼接设备上进行。通过研磨垫片保证共面性要求；通过专用工装及装调设备微调TDI CCD及面阵CMOS芯片，保证五片探测器在x、y方向的技术要求。装调好后，涂胶固定。然后依次安装导热块、线路板等，并用压线板将电缆压紧，防止扯动已拼接好的TDI CCD。图10为拼接焦面组件。
图 10 焦面组件拼接
Figure 10. Splicing of focal plane component
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焦面组件拼接完成后，要对焦面组件的设计和拼接指标进行测试，并开展温度试验和动力学环境试验，验证焦面组件各项指标的环境试验稳定性。
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对拼接完成的焦面组件静置，测试焦面组件的设计和拼接指标。
实测线阵CCD探测器的线视场为159.25 mm，拼接宽度为56 mm，满足设计指标要求。
拼接指标共面度检测的实测值见图11。拼接指标平行、共线度检测的实测值见图12。
图 11 焦面组件共面度测试数据
Figure 11. Coplanarity test date of focal plane component
图 12 焦面组件平行、共线度测试数据
Figure 12. Parallelism and colinearity test date of focal plane component
图11和图12测试数据表明，焦面组件的CCD探测器的搭接116个像元，误差优于±2.5 μm，共线、平行度指标优于±2 μm，共面度指标优于±2.5 μm。
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为验证焦面组件的抵抗力、热环境能力，对焦面组件开展动力学试验和高低温循环试验[13-15]。图13为焦面组件开展动力学实验，表1和表2为力学振动试验的试验条件。图14为焦面组件开展高低温循环试验，表3为焦面组件开展高低温循环试验的试验条件。
图 13 焦面组件动力学试验
Figure 13. Dynamics test of focal plane component
表 1 焦面组件正弦振动试验条件
Table 1. Sine vibration test condition of the focal plane component
Direction x y z Parameters Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude 5-18 5.36 mm(O-P) 5-20 6.21 mm(O-P) 5-15 6.62 mm(O-P) 18-80 7 g 20-60 10 g 15-60 6 g 80-100 10 g 60-100 8 g 60-100 10 g Scan frequency 2 oct/min 表 2 焦面组件随机振动试验条件
Table 2. Random vibration test condition of the focal plane component
Direction x y z Parameters Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude 20-100 +6 dB/oct 20-100 +6 dB/oct 20-100 +6 dB/oct 100-240 0.06 g2/Hz 100-200 0.07 g2/Hz 100-180 0.06 g2/Hz 240-360 0.03 g2/Hz 200-330 0.03 g2/Hz 180-320 0.03 g2/Hz 360-500 0.06 g2/Hz 330-500 0.07 g2/Hz 320-500 0.06 g2/Hz 500-2 000 −12 dB/oct 500-2 000 −12 dB/oct 500-800 −12 dB/oct 250-300 1e-5 g2/Hz 250-300 1e-5 g2/Hz 800-1 000 0.001 g2/Hz 1000-2 000 −12 dB/oct 200-280 1e-5 g2/Hz Total rms acceleration/grms 5.52 g 5.93 g 4.93 g Testing time/min 2 综上，焦面组件基频是135 Hz，具有足够的动态刚度；在经历动力学、热学试验后，焦面组件的搭接精度、共面度，平行度和共线度指标基本没有变化，分别满足优于±2 μm、±2.5 μm和±2 μm的指标要求，具有极高的稳定性。
图 14 焦面组件高低温循环试验
Figure 14. Temperature cycle test with high and low temperature of focal plane component
表 3 焦面组件高低温循环试验条件
Table 3. High and low temperature cycle test condition of the focal plane component
Parameter Test conditions Note Temperature range −40−+75 ℃ Rate of temperature range ≥5 ℃/min Temperature tolerance High temperature 0−+4 ℃ Low temperature −4−0 ℃ Cycle index 2.5 One cycle：4 h，including 1.5 h staying at high temperature，2 h staying at low temperature -
针对某深空探测遥感器同时具有推扫和凝视的功能需求，完成了线阵和面阵探测器共基板的焦面组件的设计，结构紧凑，质量轻，同时具有优良的电磁兼容性。CCD的线视场为159.25 mm，大于157.90 mm；CCD 和CMOS的像面宽度56.03 mm，小于56.13 mm；CCD探测器件的搭接像元个数116，搭接精度优于±2 μm；CCD及CMOS器件的共线度误差优于±2 μm；CCD及CMOS器件的平行度误差优于±2 μm；CCD及CMOS器件的像面共面度误差优于±2.5 μm；组件基频135 Hz，高于设计要求的120 Hz，具有优良的动态刚度特性；并且整机的电磁兼容试验表明焦面组件电磁兼容特性优良，CCD及CMOS探测器共基板的焦面组件的各项指标均满足使用需求。
Design of focal plane assembly of linear array and area array detector based on one substrate of space remote sensor
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摘要: 空间遥感器的焦面组件是空间遥感器的一个关键部组件，完成光信号到电信号的转变功能，要求其具有高拼接精度、高稳定性和高度轻量化的性能。针对某深空探测遥感器兼具推扫成像和凝视成像的功能需求，设计了一种线阵面阵探测器共基板的焦面组件，主要包括焦面基板、CCD组件、CMOS组件和视频处理电路板等。通过合理的布局，在一块焦面基板上完成了三片CCD芯片和两片CMOS芯片的布局设计，结构紧凑，散热效果好，同时利用铜片分割和电箱结构覆盖的手段提升了焦面组件的电测兼容性能。完成焦面组件的拼接，CCD探测器的搭接误差优于±2 μm，各个探测器的共线和平行度误差优于±2 μm，共面度误差优于±2.5 μm。最终，对焦面组件开展了力、热环境试验，探测器的共线、平行度和共面度误差均无变化，表明焦面组件具有足够高的拼接精度和稳定性，焦面组件的基频为135 Hz，具有足够高的动态刚度，同时，还对整机进行了电磁兼容试验，性能良好。Abstract: Focal plane assembly of space remote sensor is a key component of space remote sensor, which is used to finish the transition function of the light signal into electrical signal. The focal plane assembly should have the characteristics of high splicing accuracy, high stability and high lightweight performance. In view of the function requirement of a deep space remote sensor with push-scan imaging and staring imaging, a focal plane assembly whose substrate was common with CCD detector and CMOS detector was designed, the focal plane assembly included focal plane substrate, CCD component, CMOS component, video processing circuit board, and so on. With a reasonable layout, the focal plane assembly was designed with three pieces of CCD and two pieces of CMOS, which was a compact structure and had a good heat dissipation effect. Moreover, the electromagnetic compatibility performance of focal plane assembly was improved obviously with the means of copper segment and box structure covering. After the assembling of focal plane assembly, the lapping error of CCD detector was better than ±2 μm, the collinearity and parallelism error of detector of CCD and CMOS was better than ±2 μm, the coplanarity error was better than ±2.5 μm. Finally, the force and thermal tests were carried out for the focal plane assembly, and the collinearity, parallelism and coplanarity errors of the detector did not change, indicating that the focal plane component has high enough splicage accuracy and stability. The fundamental frequency of the focal plane assembly is 135 Hz, which had sufficient dynamic stiffness. At the same time, the electromagnetic compatibility test was carried out on the space remote sensor, with good performance.
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图 2 焦面组件结构布局（去除电路板）
Figure 2. Structure layout of focal plane component(circuit board removed)
图 8 CCD控制箱与楔形垫块止口搭接示意图
Figure 8. Spigot lap schematic diagram of CCD control box and wedge block
图 12 焦面组件平行、共线度测试数据
Figure 12. Parallelism and colinearity test date of focal plane component
图 14 焦面组件高低温循环试验
Figure 14. Temperature cycle test with high and low temperature of focal plane component
表 1 焦面组件正弦振动试验条件
Table 1. Sine vibration test condition of the focal plane component
Direction x y z Parameters Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude 5-18 5.36 mm(O-P) 5-20 6.21 mm(O-P) 5-15 6.62 mm(O-P) 18-80 7 g 20-60 10 g 15-60 6 g 80-100 10 g 60-100 8 g 60-100 10 g Scan frequency 2 oct/min 
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表 2 焦面组件随机振动试验条件
Table 2. Random vibration test condition of the focal plane component
Direction x y z Parameters Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude Frequency/Hz Magnitude 20-100 +6 dB/oct 20-100 +6 dB/oct 20-100 +6 dB/oct 100-240 0.06 g2/Hz 100-200 0.07 g2/Hz 100-180 0.06 g2/Hz 240-360 0.03 g2/Hz 200-330 0.03 g2/Hz 180-320 0.03 g2/Hz 360-500 0.06 g2/Hz 330-500 0.07 g2/Hz 320-500 0.06 g2/Hz 500-2 000 −12 dB/oct 500-2 000 −12 dB/oct 500-800 −12 dB/oct 250-300 1e-5 g2/Hz 250-300 1e-5 g2/Hz 800-1 000 0.001 g2/Hz 1000-2 000 −12 dB/oct 200-280 1e-5 g2/Hz Total rms acceleration/grms 5.52 g 5.93 g 4.93 g Testing time/min 2
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表 3 焦面组件高低温循环试验条件
Table 3. High and low temperature cycle test condition of the focal plane component
Parameter Test conditions Note Temperature range −40−+75 ℃ Rate of temperature range ≥5 ℃/min Temperature tolerance High temperature 0−+4 ℃ Low temperature −4−0 ℃ Cycle index 2.5 One cycle：4 h，including 1.5 h staying at high temperature，2 h staying at low temperature
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