一种基于PDE的光通量调节结构的制作方法

一种基于pde的光通量调节结构
技术领域
1.本发明涉及pde测试领域，尤其是涉及一种基于pde的光通量调节结构。


背景技术：

2.sipm(silicon photomultipliers，硅光电倍增管，简称sipm)是目前飞行时间传感器不可或缺的光电探测器之一，其工作原理是外界光子入射后，激发电子-空穴对，在盖革模式下，电子-空穴对被电场加速到拥有足够撞击产生新的多个的电子-空穴对的能量，进而引发雪崩，雪崩在外加淬灭电路下迅速停止回复到雪崩前的状态，进而等待下一个待测光子，其拥有着高增益，高灵敏度等诸多优点。
3.光子探测效率(pde，photo detection efficiency)是用于评估硅光电倍增管(sipm)性能的一个重要参数，可分解为三个量：
4.pde＝∈
geo
·
qe
·
∈
trigger
,其中∈
geo
表示填充因子，即实际有效受光面积与总面积之比；qe为量子效率，表示在光/热激发下，产生电子-空穴对的概率；∈
trigger
为电子-空穴对引发雪崩的概率，其受工作电压，入射光波长，光强等等诸多因素的影响。近年来，随着激光雷达技术领域日渐发展，pde已经成为rx(接收端)最重要的评估参数之一，直接影响着激光雷达的探测灵敏度和探测效率。本技术方案设计了一种基于pde的、特别适用于sipm的pde测试的光通量调节结构，以实现pde测试需求。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种基于pde的光通量调节结构，以实现光电探测器的pde测试需求。
6.基于以上技术目的，本发明采取了以下技术方案：
7.本发明提供了一种基于pde的光通量调节结构，包括光源、光线调节组部、积分球和光学套筒；所述光线调节组部包括准直透镜、聚光透镜；所述光源发出的光线经过所述光线调节组部转为平行光、将平行光汇聚后，进入所述积分球的输入端，所述积分球的输出端与所述光学套筒的一端连接，光线从所述积分球的输出端射出，进入所述光学套筒内，待测sipm设置于所述光学套筒的另一端，光线通过所述光学套管照射在待测sipm上。
8.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部还包括滤光反射镜和光电探测器，所述光源发出的光线经过所述准直透镜后、经过所述滤光反射镜反射出待测试波长的光线，反射出的待测试波长的光线经由所述聚光透镜进入所述积分球的输入端，通过所述准直透镜的光线经过所述滤光反射镜透射出非待测试波长的光线，透射出的非待测试波长的光线被所述光电探测器感应。
9.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述积分球的输入端设置有光纤，通过所述聚光透镜的光线进入所述光纤，通过所述聚光透镜的光线通过所述光纤进入所述积分球的输入端。
10.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部还包括
第一光学衰减片，所述反射出的待测试波长的光线经过所述第一光学衰减片经由所述聚光透镜进入所述积分球的输入端；所述第一光学衰减片为可调衰减片。
11.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部还包括第一反射镜和第二反射镜，通过所述准直透镜的光线依次通过所述第一反射镜和第二反射镜照射到所述滤光反射镜上。
12.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述第一反射镜和第二反射镜均为直角反射镜；所述滤光反射镜为直角反射镜。
13.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光学套管的另一端的端面与所述积分球的出光面平行。
14.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光学套筒内设置有第二光学衰减片，光线通过所述光学套管内的第二光学衰减片，照射在待测sipm上。
15.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述光学套筒为可调节长度的光学套筒。
16.在一较佳实施例中，所述的基于pde的光通量调节结构，所述准直透镜和聚光透镜均为半凸透镜。
17.相较于现有技术，本发明提供的一种基于pde的光通量调节结构，包括光源、光线调节组部、积分球和光学套筒；所述光线调节组部包括准直透镜、聚光透镜；所述光源发出的光线经过所述光线调节组部转为平行光、将平行光汇聚后，进入所述积分球的输入端，所述积分球的输出端与所述光学套筒的一端连接，光线从所述积分球的输出端射出，进入所述光学套筒内，待测sipm设置于所述光学套筒的另一端，光线通过所述光学套管照射在待测sipm上。本发明可以实现光电探测器，特别是sipm等光电探测器的pde测试，可以在光强一定的情况下通过调节光学套筒的长度来达到调节输入到sipm上的光通量的效果，使其满足pde的测试需求。本发明将积分球测试部分与光源输入部分分隔开，这种设计将光路分隔成输入调节和测试两个部分，有利于保证测试部分不受干扰。
附图说明
18.图1为本发明提供的基于pde的光通量调节结构的结构示意图。
19.图2为本发明提供的基于pde的光通量调节结构的积分球输出的结构示意图。
20.图3为本发明提供的基于pde的光通量调节结构的测试部分的结构示意图。
21.附图标注说明：101、光源；102、光线调节组部；103、积分球；104光学套筒；105、准直透镜；106、聚光透镜；107、待测sipm；108、滤光反射镜；109、光电探测器；110、第一反射镜；111、第二反射镜；112、第一光学衰减片；113、光纤；114、第二光学衰减片。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个
部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
24.还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
25.如图1所示，本发明提供了一种基于pde的光通量调节结构，包括光源101、光线调节组部102、积分球103和光学套筒104；所述光线调节组部102包括准直透镜105、聚光透镜106；所述光源101发出的光线经过所述光线调节组部102转为平行光、将平行光汇聚后，进入所述积分球103的输入端，所述积分球103的输出端与所述光学套筒104的一端连接，光线从所述积分球103的输出端射出，进入所述光学套筒104内，待测sipm107设置于所述光学套筒104的另一端，光线通过所述光学套管照射在待测sipm107上。较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，在本实施例中，所述准直透镜105和聚光透镜106均为半凸透镜。本发明能够实现光电探测电子器件，特别是sipm的pde测试。本发明可以在光强一定的情况下通过调节光学套筒104的长度或替换不同长度的光学套筒104来达到调节输入到sipm上的光通量的效果，使其满足pde的测试需求。本发明将积分球103测试部分与光源101输入部分分隔开，这种设计将光路分隔成输入调节和测试两个部分，有利于保证测试部分不受干扰。并且本发明在积分球103输出端设置光学套筒104可以实现防尘，保护积分球103内光学涂层，有利于延长积分球103使用寿命。
26.sipm由多个spad(single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)阵列组成，且共用同一输出，每个spad之间雪崩与否是相对独立的事件，若将一固定光照条件下发生雪崩的spad数视为一个离散型随机变量，那么其应该服从于泊松分布，pde应当等于仅由光子触发的雪崩数减去热激发雪崩数的差与入射光子数的比值：
[0027][0028]
其中npe为发生雪崩的spad数量，nph为单个脉冲光的入射光子数。一般的sipm可由几百到几千个spad组成，为了pde测试的准确性，nph必须低于npe，相应nph就必须控制的很低，同时由于需要抓取外加光引发的雪崩信号，必须测量入射光的时刻，因此还必须能输出光的同步信号，这直接导致了针对pde测量时的光源101要求变得尤为苛刻。
[0029]
较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部102还包括滤光反射镜108和光电探测器109，所述光源101发出的光线经过所述准直透镜105后、经过所述滤光反射镜108反射出待测试波长的光线，反射出的待测试波长的光线经由所述聚光透镜106进入所述积分球103的输入端，通过所述准直透镜105的光线经过所述滤光反射镜108透射出非待测试波长的光线，透射出的非待测试波长的光线被所述光电探测器109感应。本发明在输入部分设置滤光反射镜108，巧妙地在过滤掉非测试光波长的同时，截取光源101的同步信号，无需光源101额外设计同步信号输出电路，有利于降低成本，简化装置结构。
[0030]
较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部102还包括第一反射镜110和第二反射镜111，通过所述准直透镜105的光线依次通过所述第一反射镜110和第二反射镜111照射到所述滤光反射镜108上。这些设置是基于实际装置结构的相应部件之间的位置调整，可以使得整体装置空间结构更加紧凑。较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述第一反射镜110和第二反射镜111均为直角反射镜；所述滤光反
射镜108为直角反射镜。
[0031]
较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光线调节组部102还包括第一光学衰减片112，所述反射出的待测试波长的光线经过所述第一光学衰减片112经由所述聚光透镜106进入所述积分球103的输入端；所述第一光学衰减片112为可调衰减片。所述第一光学衰减片112用于调节输入光的光强。
[0032]
较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述积分球103的输入端设置有光纤113，通过所述聚光透镜106的光线进入所述光纤113，通过所述聚光透镜106的光线通过所述光纤113进入所述积分球103的输入端，以将光线导入积分球103。较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光学套管的另一端的端面与所述积分球103的出光面平行，以更好地保证待测sipm107所接收的为一均匀光(可使7mm范围内光强变化控制在8％)。较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光学套筒104内设置有第二光学衰减片114，光线通过所述光学套管内的第二光学衰减片114，照射在待测sipm107上。
[0033]
本发明结构简单，能够经济、有效地实现光路的高衰减要求，能够保证待测sipm107所接受光的均匀性效果，实现了无需光源101电路同步信号电路输出的同时，过滤掉了非测试所需光波长，其便携、简单、有效地提高了pde测试效率，有利于节省测试成本。
[0034]
本实施例的光线输入部分在光源101散射出激光后，经过半凸透镜转为平行光，反射后进入到滤光反射镜108，非测试波长的其余光透过滤光反射镜108，进入光电探测器109中，将其信号转为同步的电信号，而测试波长的光则被反射，穿过可调节的第一光学衰减片112后经下一个半凸透镜汇聚到光纤113端。
[0035]
如图2、图3所示，本实施例的测试部分在待测试光线由光纤113输入到积分球103后，在积分球103内部经过多次反射，由输出端输出各向同性的光进入到光学套筒104中，再通过光学套筒104中的第二光学衰减片114进行二次衰减，同时限制到待测sipm107上的入射光角度，使立体角足够小以达到降低光通量的作用。较佳地，本发明提供的基于pde的光通量调节结构，所述光学套筒104为可调节长度的光学套筒104。
[0036]
根据光强与光通量的关系式：
[0037]
其中i为发光强度，φ为光通量，ω为立体角，而立体角又等于单位球面上的极小面积：
[0038]
由于积分球103输出的光为各向同性，在输入端固定的时候，光强(i)是不变的，且待测芯片sipm的受光面积(da)不变，为了调节光通量足够小，必须要使得立体角足够小，而通过增加光套筒长度(r2)，可以巧妙地达到这个效果。
[0039]
本发明将测试部分与输入部分分开，使得测试部分可以在更好的暗环境下进行，有利于保障测试效果。本发明选用的光学套筒104易装配，且可以配合衰减片使用，经济实用的同时，使得测试高效可靠。本发明在输入端反射光路上选用滤光反射镜108，不仅过滤掉了杂波长的光，更利用这部分光用于输出同步信号以便于pde测试，有利于简化结构，降低成本。本发明使用简单的光学套筒104结构，完成了pde测试的高衰减要求的同时，更是将立体角降得足够低使得待测芯片接收光的均匀性得到了非常好的保障。
[0040]
综上所述，本发明能够实现光电探测电子器件，特别是sipm的pde测试。本发明使
用简单的光学套筒结构，完成了pde测试的高衰减要求的同时，更是将立体角降得足够低使得待测芯片接收光的均匀性得到了非常好的保障。本发明可以在光强一定的情况下通过调节光学套筒的长度或替换不同长度的光学套筒来达到调节输入到sipm上的光通量的效果，使其满足pde的测试需求。本发明在输入端反射光路上选用滤光片，不仅过滤掉了杂波长的光，更利用这部分光用于输出同步信号以便于pde测试，有利于简化结构，降低成本。本发明将积分球测试部分与光源输入部分分隔开，这种设计将光路分隔成输入调节和测试两个部分，使得测试部分可以在更好的暗环境下进行，有利于保证测试部分不受干扰。并且本发明在积分球输出端设置光学套筒可以实现防尘，保护积分球内光学涂层，有利于延长积分球使用寿命。
[0041]
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于pde的光通量调节结构，其特征在于，包括光源、光线调节组部、积分球和光学套筒；所述光线调节组部包括准直透镜、聚光透镜；所述光源发出的光线经过所述光线调节组部转为平行光、将平行光汇聚后，进入所述积分球的输入端，所述积分球的输出端与所述光学套筒的一端连接，光线从所述积分球的输出端射出，进入所述光学套筒内，待测sipm设置于所述光学套筒的另一端，光线通过所述光学套管照射在待测sipm上。2.根据权利要求1所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光线调节组部还包括滤光反射镜和光电探测器，所述光源发出的光线经过所述准直透镜后、经过所述滤光反射镜反射出待测试波长的光线，反射出的待测试波长的光线经由所述聚光透镜进入所述积分球的输入端，通过所述准直透镜的光线经过所述滤光反射镜透射出非待测试波长的光线，透射出的非待测试波长的光线被所述光电探测器感应。3.根据权利要求1所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述积分球的输入端设置有光纤，通过所述聚光透镜的光线进入所述光纤，通过所述聚光透镜的光线通过所述光纤进入所述积分球的输入端。4.根据权利要求2所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光线调节组部还包括第一光学衰减片，所述反射出的待测试波长的光线经过所述第一光学衰减片经由所述聚光透镜进入所述积分球的输入端；所述第一光学衰减片为可调衰减片。5.根据权利要求2所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光线调节组部还包括第一反射镜和第二反射镜，通过所述准直透镜的光线依次通过所述第一反射镜和第二反射镜照射到所述滤光反射镜上。6.根据权利要求5所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜均为直角反射镜；所述滤光反射镜为直角反射镜。7.根据权利要求1所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光学套管的另一端的端面与所述积分球的出光面平行。8.根据权利要求1所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光学套筒内设置有第二光学衰减片，光线通过所述光学套管内的第二光学衰减片，照射在待测sipm上。9.根据权利要求1-6任意一项所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述光学套筒为可调节长度的光学套筒。10.根据权利要求1-6任意一项所述的基于pde的光通量调节结构，其特征在于，所述准直透镜和聚光透镜均为半凸透镜。

技术总结
本发明提供的一种基于PDE的光通量调节结构，包括光源、光线调节组部、积分球和光学套筒；所述光线调节组部包括准直透镜、聚光透镜；所述光源发出的光线经过所述光线调节组部转为平行光、将平行光汇聚后，进入所述积分球的输入端，所述积分球的输出端与所述光学套筒的一端连接，光线从所述积分球的输出端射出，进入所述光学套筒内，待测SiPM设置于所述光学套筒的另一端，光线通过所述光学套管照射在待测SiPM上。本发明可以实现光电探测器，特别是SiPM等光电探测器的PDE测试，可以在光强一定的情况下通过调节光学套筒的长度来达到调节输入到SiPM上的光通量的效果，使其满足PDE的测试需求。将积分球测试部分与光源输入部分分隔开，有利于保证测试部分不受干扰。有利于保证测试部分不受干扰。有利于保证测试部分不受干扰。


技术研发人员：朱沙净 李力为 张超
受保护的技术使用者：深圳市灵明光子科技有限公司
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/18