CN110726919A - 阵列apd光电参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列APD光电参数测试系统，包括减震台、源表和计算机，所述减震台上设有龙门架，所述龙门架上固设有XYZ三维微动装置,所述XYZ三维微动装置上设有低倍显微辅助成像模组和显微激光共焦模组，所述显微激光共焦模组通过光纤连接有激光器；在所述XYZ三维微动装置的下方设有固设在减震台上的XYZR三维微动及旋转装置，所述XYZR三维微动及旋转装置上设有样品台。本发明能够使激光全部汇聚到待测阵列APD测试像元的光敏面，从而准确测量出阵列APD的光电参数，同时，还能直观显示激光处于光敏面的位置；而且待测阵列APD的光敏面离出光口较远，便于测试操作；测试过程自动化程度高，操作简单。

Description

阵列APD光电参数测试系统

技术领域

本发明涉及光电二极管测试系统领域，特别涉及一种阵列APD光电参数测试系统。

背景技术

相比于CCD、CMOS、PIN等光电探测器，APD(雪崩光电二极管)能通过雪崩倍增效应将光转换成的电信号放大几个数量级，且其相比PMT(光电倍增管)具有体积较小的优势，而且APD探测器还具有高灵敏度、高信噪比等特性，在激光测距、激光制导、大气探测、荧光分析等领域，APD都取得了广泛的应用，为实现更高的成像速率和精度，阵列APD在激光雷达的应用中也得到了快速发展。

响应非均匀性、串扰等参数作为阵列APD的核心关键指标，对其测试评价也变得至关重要。根据中华人民共和国工业和信息化部发布的行业标准《PIN、雪崩光电二极管测试方法》(标准号：SJ/T 2354-2015)，要实现响应非均匀性及串扰测试，都需要光照射到其中某一像元，其余像元无光照。目前，主流的方式是通过光纤芯径较细的光纤实现对单个像元加光，并通过移动光纤出光口与测试像元光敏面的相对位置，通过光电流最大判断光是否全部照射光敏面，但由于光纤端面发出的光存在一定发散角，对于光敏面较小的像元，通过光电流最大判断光是否全部照射光敏面并不准确。使光纤尽可能靠近光敏面或使用自聚焦光纤，虽一定程度能使光只照射到测试像元光敏面以内，但光纤需要专门的夹具固定，而且光照射到光敏面的位置不能直观显示，给测试带来了困难和不确定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种能够直观显示激光照射光敏面位置并准确测试阵列APD的光电参数，测试操作便捷且自动化程度较高的阵列APD光电参数测试系统。

本发明的技术方案如下：

一种阵列APD光电参数测试系统，包括减震台、源表和计算机，所述减震台上设有龙门架，所述龙门架上固设有XYZ三维微动装置,所述XYZ三维微动装置的微动部上固设有低倍显微辅助成像模组，所述低倍显微辅助成像模组的一侧固设有显微激光共焦模组，在所述低倍显微辅助成像模组的下端和显微激光共焦模组的下端均设有环形照明灯，所述显微激光共焦模组通过光纤连接有激光器；在所述XYZ三维微动装置的下方设有固设在减震台上的XYZR三维微动及旋转装置，所述XYZR三维微动及旋转装置的微动部上固设有样品台；所述低倍显微辅助成像模组用于获取样品台上待测阵列APD的图像；所述显微激光共焦模组用于将激光器发出的激光聚焦到待测阵列APD的光敏面内；所述源表用于测试待测阵列APD各像元的光电流及暗电流，所述计算机与激光器、低倍显微辅助成像模组的对应位置、显微激光共焦模组的对应位置、XYZ三维微动装置、XYZR三维微动及旋转装置、源表和两个环形照明灯均电连接。

进一步的，所述低倍显微辅助成像模组包括第一壳体，所述第一壳体的上端和下端均设有开口，该第一壳体上端的开口处固设有第一相机，所述第一相机与计算机电连接，在所述第一相机的正下方，由上至下依次设有箍紧在第一壳体中的第一远心镜头和第二远心镜头,所述第二远心镜头位于第一壳体下端的开口处。

进一步的，所述显微激光共焦模组包括第二壳体，所述第二壳体上端面的中心处设有进光口，所述进光口处固设有FC光纤接口，在所述FC光纤接口的正下方，依次设有固设在第二壳体中的准直镜、第一分光镜、第二分光镜和聚焦镜头，在所述第二壳体的下端设有开口，所述聚焦镜头位于第二壳体下端的开口处；在所述第一分光镜的一侧固设有第二孔套，所述第二壳体的内侧壁上对应第二孔套的位置处设有第一凹槽，所述第二孔套的一端插设在第一凹槽中，所述第一分光镜的另一侧设有固设有连接部，所述连接部的中部设有透光通孔，该连接部的一端水平穿设出第二壳体，所述连接部的穿出端固设有光功率计，所述光功率计与计算机电连接；在所述第二分光镜的一侧固设有第三孔套，所述第二壳体的内侧壁上对应第三孔套的位置处设有第二凹槽，所述第三孔套的一端插设在第二凹槽中，所述第二分光镜的另一侧固设有第四孔套，在所述第二壳体的内侧壁上，对应第四孔套的位置处设有固定通孔，所述第四孔套的一端插设在固定通孔中，在所述第二壳体的外侧壁上，对应固定通孔的位置处设有成像装置。

进一步的，在所述FC光纤接口的正下方，设有固设在第二壳体内壁上的第一孔套，所述准直镜嵌设在第一孔套中。

进一步的，所述第一分光镜和第二分光镜均设有一个沿对角线设置的反射面，两个反射面的夹角为90°。

进一步的，所述成像装置包括固设在第二壳体外侧壁上的成像部，所述成像部的中部水平设有成像通孔，在所述成像通孔中箍紧设有成像镜头，该成像通孔的一端与固定通孔连通，另一端的孔口处固设有第二相机，所述第二相机与计算机电连接。

进一步的，在所述第二壳体下端开口处的内壁上固设有第五孔套，所述聚焦镜头嵌设在第五孔套中。

本发明与现有技术相比具有如下优势：

1、能够使激光全部汇聚到测试像元的光敏面，从而准确测量出阵列APD的光电参数，同时，还能直观显示激光处于光敏面的位置；

2、待测阵列APD的光敏面离出光口较远，便于测试操作；

3、测试过程自动化程度高，操作简单。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为低倍显微辅助成像模组的结构示意图；

图3为显微激光共焦模组的结构示意图；

图4为第二相机的光线成像路径示意图；

图5为通过虚拟辅助对位线和第一相机对待测阵列APD芯片进行对位的示意图；

图6为第二相机对第一扫描定位点和第二扫描定位点进行成像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明一种阵列APD光电参数测试系统，包括减震台8、源表9和计算机10，所述减震台8上设有龙门架7，所述龙门架7上固设有XYZ三维微动装置5,所述XYZ三维微动装置5的微动部上固设有低倍显微辅助成像模组2，所述低倍显微辅助成像模组2用于获取样品台11上待测阵列APD的图像；所述低倍显微辅助成像模组2的一侧固设有显微激光共焦模组3，所述显微激光共焦模组3用于将激光器1发出的激光聚焦到待测阵列APD的光敏面内；在所述低倍显微辅助成像模组2的下端和显微激光共焦模组3的下端均设有环形照明灯4，所述显微激光共焦模组3通过光纤连接有激光器1；在所述XYZ三维微动装置5的下方设有固设在减震台8上的XYZR三维微动及旋转装置6，所述XYZR三维微动及旋转装置6的微动部上固设有样品台11；所述源表9用于测试待测阵列APD各像元的光电流及暗电流。

如图2所示，所述低倍显微辅助成像模组2包括第一壳体23，所述第一壳体23的上端和下端均设有开口，该第一壳体23上端的开口处固设有第一相机20，在所述第一相机20的正下方，由上至下依次设有箍紧在第一壳体23中的第一远心镜头21和第二远心镜头22,所述第二远心镜头22位于第一壳体23下端的开口处。

如图3所示，所述显微激光共焦模组3包括第二壳体25，所述第二壳体25上端面的中心处设有进光口，所述进光口处固设有FC光纤接口12，在所述FC光纤接口12的正下方，依次设有固设在第二壳体25中的准直镜13、第一分光镜14、第二分光镜15和聚焦镜头19，在所述FC光纤接口12的正下方，设有固设在第二壳体25内壁上的第一孔套31，所述准直镜13嵌设在第一孔套31中；所述第一分光镜14和第二分光镜15均设有一个沿对角线设置的反射面，两个反射面的夹角为90°；在所述第一分光镜14的一侧固设有第二孔套32，所述第二壳体25的内侧壁上对应第二孔套32的位置处设有第一凹槽36，所述第二孔套32的一端插设在第一凹槽36中，所述第一分光镜14的另一侧设有固设有连接部26，所述连接部26的中部设有透光通孔27；该连接部26的一端水平穿设出第二壳体25，所述连接部26的穿出端固设有光功率计16；在所述第二分光镜15的一侧固设有第三孔套33，所述第二壳体25的内侧壁上对应第三孔套33的位置处设有第二凹槽37，所述第三孔套33的一端插设在第二凹槽37中，所述第二分光镜15的另一侧固设有第四孔套34，在所述第二壳体25的外侧壁上，对应固定通孔29的位置处设有成像装置；所述成像装置包括固设在第二壳体25外侧壁上的成像部28，所述成像部28的中部水平设有成像通孔30，在所述成像通孔30中箍紧设有成像镜头17，该成像通孔30的一端与固定通孔29连通，另一端的孔口处固设有第二相机18；在所述第二壳体25的下端设有开口，在所述第二壳体25下端开口处的内壁上固设有第五孔套35，所述聚焦镜头19嵌设在第五孔套35中。

所述计算机10与激光器1、第一相机20、光功率计16、第二相机18、XYZ三维微动装置5、XYZR三维微动及旋转装置6、源表9和两个环形照明灯4均电连接。

下面以像元水平及垂直中心间距150μm、像元规格为128×2的阵列APD芯片的测试为例，详细介绍本发明的测试原理及操作过程。

如图1所示，由于激光器1、照明灯4、源表9、第一相机20、第二相机18、光功率计16、XYZ三维微动装置5和XYZR三维微动及旋转装置6均与计算机10电连接，计算机10能够通过控制XYZ三维微动装置5沿水平和竖直方向移动低倍显微辅助成像模组2和显微激光共焦模组3的位置，能够通过控制XYZR三维微动及旋转装置6沿水平和竖直方向移动待测芯片的位置，以及沿水平方向转动待测芯片，以完成待测芯片的成像及依次为芯片各像元加激光的扫描操作；同时，计算机10能将待测芯片在第一相机20及第二相机18上的成像情况进行实时显示，以辅助位置修正；另外，计算机10还能控制激光器1、照明灯4、源表9及光功率计16进行相应的测试操作。

测试前，在计算机10上构建虚拟辅助对位线及光斑虚拟位置：首先，以XYZ三维微动装置5的X轴运动坐标点构建水平辅助对位线，以XYZ三维微动装置5的Y轴运动坐标点构建垂直辅助对位线；然后，将一个对激光反射率较高且与待测芯片光敏面等高的平整样品(未标示)置于样品台11上，将显微激光共焦模组3水平移动到平整样品的正上方，打开激光器1，激光器1发出的激光(图3中的虚线所示)通过FC光纤接口12向下导入到准直镜13处，由准直镜13汇聚成平行光，再向下依次透射过第一分光镜14和第二分光镜15，最后经聚焦镜头19聚焦后汇聚到平整样品上，沿水平和竖直方向调整XYZ三维微动装置5或XYZR三维微动及旋转装置6，使激光在平整样品上汇聚成一个小光斑，并以激光光斑在第二相机18上所成的像点中心构建光斑虚拟位置，之后，关闭激光器1。

在上述过程中，部分激光在通过第一分光镜14时，被第一分光镜14的反射面反射至光功率计16，根据光功率计16测得的光功率及分光系数能够计算得到照射到第一行第一个像元光敏面的光功率；分光系数根据同一光功率下对光功率计16位于聚焦镜头19出光的位置处测得的光功率及位于图3所示位置测得的光功率进行标定得到；部分激光在通过第二分光镜15时，也会被第二分光镜15的反射面反射，但反射的微弱激光会被第二外壳25的内壁吸收，对测试没有影响。

测试时，将待测阵列APD芯片(未标示)放置在样品台11上，将源表9与待测阵列APD芯片电连接；先将低倍显微辅助成像模组2调整到待测阵列APD芯片的正上方，如图2所示，打开环形照明灯4照射待测芯片，照射在芯片上的光线(如图2中的虚线所示)依次经第二远心镜头22及第一远心镜头21整形后，由第一相机20进行成像，并送到计算机10进行实时显示，如图5中的a图所示。在计算机10上根据显示的图像及设定的虚拟辅助对位线控制XYZR三维微动及旋转装置6在水平方向上旋转及移动待测阵列APD芯片，使待测阵列APD芯片尽量对齐虚拟辅助对位线，如图5中的b图所示，以便于后续显微激光共焦模组3实现精对位及依次为各像元加激光的扫描操作。

然后，将显微激光共焦模组3横向移动到待测阵列APD芯片第一行第一个像元的正上方，如图3所示，激光器1发出的激光通过显微激光共焦模组3聚焦后汇聚到芯片第一行第一个像元的光敏面内，形成一个很小的光点。如图4所示，激光照射在芯片第一行第一个像元光敏面上后会发生反射，反射的激光及环形照明灯4照射在该像元上产生的反射光又经聚焦镜头19汇聚成平行光，被第二分光镜15的反射面反射到成像镜头17，经成像镜头17聚焦后，由第二相机18进行成像，计算机10通过相机18将激光光点位于像元光敏面位置的放大图像进行实时显示。微调显微激光共焦模组3的位置，使光斑虚拟位置位于芯片第一行第一个像元光敏面的中心位置处，如图6中的a图所示，存储此时的XYZ坐标为第一扫描定位点的坐标；然后将显微激光共焦模组3横向移动到待测阵列APD芯片第一行最后一个像元的正上方，微调显微激光共焦模组3的位置，使光斑虚拟位置位于芯片第一行最后一个像元光敏面的中心位置处，如图6中的b图所示，存储此时的XYZ坐标为第二扫描定位点的坐标，之后关闭激光器1；由于待测阵列APD芯片的像元均匀分布，相邻像元间水平和垂直中心间距均为150μm，计算机10根据第一扫描定位点和第二扫描定位点的坐标及像元间距能够计算出待测阵列APD芯片所有像元的扫描定位点坐标。

确认各像元的扫描定位点坐标后，关闭环形照明灯4，并将显微激光共焦模组3水平移动到第一扫描定位点，计算机10通过源表9获取无光时芯片第一行第一个像元的暗电流，之后，打开激光器1，计算机10通过源表9获取激光照射芯片第一行第一个像元产生的光电流及邻近像元的串扰电流，并通过光功率计16获取照射该像元的激光光功率；之后，水平移动显微激光共焦模组3到下一像元对应的扫描定位点，重复上述步骤，依次对其他像元进行相应的测试操作。整个测试完成后，计算机10即可根据获得的测试数据计算出待测阵列APD的暗电流、响应度、串扰、响应非均匀性等光电参数。

各像元扫描定位点的坐标确认后，也可只对指定像元进行测试操作。从待测阵列APD器件的对位到扫描测试的整个过程自动化程度高，操作简单，测试结果准确。

本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阵列APD光电参数测试系统，包括减震台(8)、源表(9)和计算机(10)，其特征在于：所述减震台(8)上设有龙门架(7)，所述龙门架(7)上固设有XYZ三维微动装置(5),所述XYZ三维微动装置(5)的微动部上固设有低倍显微辅助成像模组(2)，所述低倍显微辅助成像模组(2)的一侧固设有显微激光共焦模组(3)，在所述低倍显微辅助成像模组(2)的下端和显微激光共焦模组(3)的下端均设有环形照明灯(4)，所述显微激光共焦模组(3)通过光纤连接有激光器(1)；在所述XYZ三维微动装置(5)的下方设有固设在减震台(8)上的XYZR三维微动及旋转装置(6)，所述XYZR三维微动及旋转装置(6)的微动部上固设有样品台(11)；所述低倍显微辅助成像模组(2)用于获取样品台(11)上待测阵列APD的图像；所述显微激光共焦模组(3)用于将激光器(1)发出的激光聚焦到待测阵列APD的光敏面内；所述源表(9)用于测试待测阵列APD各像元的光电流及暗电流，所述计算机(10)与激光器(1)、低倍显微辅助成像模组(2)的对应位置、显微激光共焦模组(3)的对应位置、XYZ三维微动装置(5)、XYZR三维微动及旋转装置(6)、源表(9)和两个环形照明灯(4)均电连接。

2.根据权利要求1所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：所述低倍显微辅助成像模组(2)包括第一壳体(23)，所述第一壳体(23)的上端和下端均设有开口，该第一壳体(23)上端的开口处固设有第一相机(20)，所述第一相机(20)与计算机(10)电连接，在所述第一相机(20)的正下方，由上至下依次设有箍紧在第一壳体(23)中的第一远心镜头(21)和第二远心镜头(22),所述第二远心镜头(22)位于第一壳体(23)下端的开口处。

3.根据权利要求1所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：所述显微激光共焦模组(3)包括第二壳体(25)，所述第二壳体(25)上端面的中心处设有进光口，所述进光口处固设有FC光纤接口(12)，在所述FC光纤接口(12)的正下方，依次设有固设在第二壳体(25)中的准直镜(13)、第一分光镜(14)、第二分光镜(15)和聚焦镜头(19)，在所述第二壳体(25)的下端设有开口，所述聚焦镜头(19)位于第二壳体(25)下端的开口处；在所述第一分光镜(14)的一侧固设有第二孔套(32)，所述第二壳体(25)的内侧壁上对应第二孔套(32)的位置处设有第一凹槽(36)，所述第二孔套(32)的一端插设在第一凹槽(36)中，所述第一分光镜(14)的另一侧设有固设有连接部(26)，所述连接部(26)的中部设有透光通孔(27)，该连接部(26)的一端水平穿设出第二壳体(25)，所述连接部(26)的穿出端固设有光功率计(16)，所述光功率计(16)与计算机(10)电连接；在所述第二分光镜(15)的一侧固设有第三孔套(33)，所述第二壳体(25)的内侧壁上对应第三孔套(33)的位置处设有第二凹槽(37)，所述第三孔套(33)的一端插设在第二凹槽(37)中，所述第二分光镜(15)的另一侧固设有第四孔套(34)，在所述第二壳体(25)的内侧壁上，对应第四孔套(34)的位置处设有固定通孔(29)，所述第四孔套(34)的一端插设在固定通孔(29)中，在所述第二壳体(25)的外侧壁上，对应固定通孔(29)的位置处设有成像装置。

4.根据权利要求3所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：在所述FC光纤接口(12)的正下方，设有固设在第二壳体(25)内壁上的第一孔套(31)，所述准直镜(13)嵌设在第一孔套(31)中。

5.根据权利要求3所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：所述第一分光镜(14)和第二分光镜(15)均设有一个沿对角线设置的反射面，两个反射面的夹角为90°。

6.根据权利要求3所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：所述成像装置包括固设在第二壳体(25)外侧壁上的成像部(28)，所述成像部(28)的中部水平设有成像通孔(30)，在所述成像通孔(30)中箍紧设有成像镜头(17)，该成像通孔(30)的一端与固定通孔(29)连通，另一端的孔口处固设有第二相机(18)，所述第二相机(18)与计算机(10)电连接。

7.根据权利要求3所述的阵列APD光电参数测试系统，其特征在于：在所述第二壳体(25)下端开口处的内壁上固设有第五孔套(35)，所述聚焦镜头(19)嵌设在第五孔套(35)中。

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