快速扫描检测大面积光电器件的装置和方法与流程

本发明总体来说涉及光电器件的扫描测试技术，具体而言，涉及一种成本低且性能稳定的快速扫描检测大面积光电器件的装置和方法。

背景技术：

在核电子学与核探测器领域，进行高能物理实验、核电子学与核探测器研制过程中，会使用大量的大型光电器件，例如大面积光电倍增管(简称PMT)。虽然对于小型的光电倍增管，由于其有效面积有限，在使用中一般不考虑其有效面积的均匀性。但是很多测试表明，无论是平面的光阴极还是球面的光阴极，由于没有采用转移阴极系统进行光阴极的制备，所以其光阴极的均匀性，受到锑球排布位置和光阴极制备工艺的限制，不可能做得非常均匀。由此，光阴极的均匀性也是衡量评价光阴极性能好坏的一个关键参数。

现有技术中，对于小面积的球型端窗的光电倍增管，其表面均匀性的扫描测试，可以通过简单三维旋转扫描平台来实现。如图1A及图1B所示，图1A及图1B为现有技术中的光电器件扫描测试装置的示意图。可以将光源61固定在立架上，通过两个旋转台控制被测光电器件进行旋转，测试得到其均匀性。具体做法如下：

例如先将一个8吋的光电器件水平安装固定到一个竖直旋转平台62上，通过这个竖直旋转台62实现光电器件绕一水平轴线的转动，可以实现被测光电器件围绕其中心轴实现纬线圈的旋转，对应于基本不动的光源，可以做到同一纬线圈内不同点的线扫面测试。即这个旋转台62每旋转一个角度后停止，等光源驱动光电器件发生光电转换后产生光电信号，然后通过相关的电子学系统获取电脉冲信号，完成单点测试。光电器件在旋转台的控制下旋转一周，完成单一纬线的数据扫描测试。

将上述光电器件和这个竖直旋转台62，再整体安装到一个水平旋转台63，该水平旋转台63围绕一垂向轴线旋转，可通过水平旋转台63带动竖直旋转台62和被测的光电器件围绕垂向轴线转动一个角度，使被测光电器件对应这个固定不变的光源的位置发生变化，而光源61照射到被测光电器件上的具体纬度发生变化，由此光源61照射另外一个纬度，进而通过旋转竖直旋转台62，完成这个纬度线圈对应的纬线扫描测试。

重复上述步骤，可以实现对8吋球形样管的均匀性扫描，其扫描测试的结果如图2A及图2B所示。

而对于小型平面端窗的光电倍增管光电器件，其表面均匀性的扫描测试，可以通过简单的二维扫描平台来实现。通过X轴(水平轴线)和Y轴(垂直轴线)两维平动，来实现对平面均匀性的扫描测试。可以是固定光源，平动待测光电器件样管；也可以是固定待测样管，平动光源，进行扫描可得出测试结果如图2C所示。

若该光电倍增管表面曲率半径与此处表面到水平旋转台63轴心的距离不同(通常是不同的)，竖直旋转台62转动而进行纬度位置变化时，将会导致光源61到光电器件表面的距离和入光角度不同，这需要手动调整光源61的位置与角度，通常是拆装后再重新安装，之后再通过精确测量进行定位。而这种操作难免出现距离和入光角的误差，由于是高精度的光电倍增管，测试光线可能会控制在单光子级，这种误差将导致各纬度测试数据依据的条件有实质区别，将直接影响光阴极的均匀性判读。

并且，对于更大面积的大型球形或者椭球形光电器件，由于其质量和体积较大，使得使用如图1A、图1B所示方案扫描测试此款大面积均匀性的可能性较低。不但待测样管质量较大，其大体积对应的大体积的安装平台和配重，将会超出一般旋转平台的承重条件，使得旋转平台不能正常工作或者被损坏。

针对大型球形或者椭球形光电器件，由于这种光电器件测试面积大，而且要求光纤输出端与光电器件表面精确匹配，以保证输出的光线在出光量与角度上保持稳定，确保测试的准确性。所以，现有的测试操作方式中，还需要操作人员对此进行反复校正出光量与角度。并不能实现自动化地快速测试。

同时，上述扫描原理是，每旋转一个角度，测试一个点，然后再旋转，再测试，以此类推。测试期间每次旋转台的旋转都会比较耗时间，效率低下。并且由于大面积的光电器件质量，还有可以在测试时产生晃动，极大的影响测试结果的准确性。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种可适用各种面积的光电器件的测量装置，尤其适用于大面积光电器件的扫描测量的快速扫描检测大面积光电器件表面均匀性的装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种快速扫描检测大面积光电器件的装置，其主要用于对大面积光电器件进行扫描检测，包括光源装置以及定位架；所述光源装置包括驱动电源、多个子光源及多个导光件；所述驱动电源分别电连接各个子光源，所述驱动电源能依次点亮各个子光源；所述导光件是呈线状的定向导光件，所述导光件两端分别为接收端和输出端；各所述导光件接收端分别光连接一个所述子光源；所述定位架位于所述大面积光电器件端窗表面外；各所述导光件的输出端安装有光接头，各输出端光接头固定于所述定位架，各输出端光接头顺所述大面积光电器件的端窗表面间隔布置，各输出端光接头的位置逐一对应所述大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，且所述多个导光件出光方向对齐所述大面积光电器件的表面法线；在保持所述大面积光电器件静止情况下，利用所述光源装置以及所述定位架，依次点亮所述子光源，并通过各个所述导光件依次照射在所述大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，以此，对所述大面积光电器件进行扫描检测。

根据本发明的一实施方式，其中所述大面积光电器件端窗表面具有第一周面方向以及第二周面方向，所述第一周面方向与所述第二周面方向垂直相交，或所述第一周面方向与所述第二周面方向之间夹角为锐角；各输出端光接头的位置沿第一周面方向以及所述第二周面方向间隔排列。

根据本发明的一实施方式，其中各所述子光源固定于一个光源固定件，各所述导光件的接收端均通过光接头接入所述光源固定件，各所述导光件的接收端与各所述子光源在光源固定件内一一对应光连接。

根据本发明的一实施方式，其中所述驱动电源包括电源模块及一电耦合模块，所述电源模块提供一预定电压的脉冲信号，所述电耦合模块将所述脉冲信号输出至各个子光源其中一个，一远程主机闭环控制所述电源模块及电耦合模块。

根据本发明的一实施方式，其中所述定位架通过一支架进行固定，所述子光源固定件固定于所述支架，所述支架上还安装有一固定板，所述固定板将所述多个导光件间隔地定位于所述支架上。

根据本发明的一实施方式，其中所述光源固定件是一个板件，所述光源固定件开设有多个安装孔，各所述子光源一一对应地装入各所述安装孔，各所述导光件的接收端均通过光接头接入各所述安装孔，各所述导光件的接收端光连接于各个所述子光源。

根据本发明的一实施方式，其中所述光源固定件为一个金属板，是采用高导热系统的金属材质，以对各所述子光源进行散热，保证其受温度的影响较小，保持长期测试稳定性。

根据本发明的一实施方式，其中所述子光源为发光二极管或者激光二极管或者可以被电流脉冲驱动的小型光源，可以直接和光纤等导光部件耦合。

根据本发明的另一方面，提供一种快速扫描检测大面积光电器件的方法，配置一个快速扫描检测大面积光电器件的装置，其包括光源装置以及定位架；所述光源装置包括驱动电源、多个子光源及多个导光件；所述驱动电源分别电连接各个子光源，所述驱动电源能依次点亮各个子光源；所述导光件是呈线状的定向导光件，所述导光件两端分别为接收端和输出端；各所述导光件接收端分别光连接一个所述子光源；所述定位架通过一支架进行固定，所述定位架位于所述大面积光电器件端窗表面外；各所述导光件的输出端安装有光接头，各输出端光接头固定于所述定位架，各输出端光接头顺所述大面积光电器件的端窗表面间隔布置，各输出端光接头的位置逐一对应所述大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，且所述多个导光件出光方向对齐所述大面积光电器件的表面法线；

所述快速扫描检测大面积光电器件的方法，包括以下步骤：

在保持所述大面积光电器件静止情况下进行扫描检测；

利用所述光源装置依次点亮所述子光源；

并通过各个所述导光件将光依次照射在所述大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，同时一一采集测试数据并存储；

完成大面积光电器件扫描检测。

根据本发明的一实施方式，其中在所有步骤前还具有光源亮度调节步骤，首先，各个所述子光源依次点亮；利用亮度检测装置检测各个所述子光源对应的所述导光件输出的光亮度；根据各个所述子光源输出的亮度结果，分别调节各个所述子光源的驱动电压，直至各个所述子光源输出的亮度结果调节为一致；或者，在采集测试数据的步骤，根据各个所述子光源输出的亮度结果，对各个所述子光源乘以自身亮度结果对应的标定系数，以消除子光源输出的亮度偏差对检测结构的影响。

由上述技术方案可知，本发明的快速扫描检测大面积光电器件的装置和方法的优点和积极效果在于：

利用光源装置控制多个子光源进行依次点亮，并利用与子光源一一对应的光纤传导至光电器件表面，测试中子光源部件并不存在物理上的移动，能避免移位误差或动力装置带来的震动。只要保证光源的同一性即可保证实验测试的精度。可更低成本的达成试验目的。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1A及图1B为现有技术中的光电器件扫描测试装置的示意图。

图2A、图2B及图2C为现有技术中的光电器件扫描测试装置的扫描结果的示意图。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种快速扫描检测大面积光电器件的装置的正面结构示意图。

图4是根据一示例性实施方式示出的一种快速扫描检测大面积光电器件的装置的侧面结构示意图。

图5是根据一示例性实施方式示出的光源固定件内部结构的部分剖面示意图。

图6A及图6B是根据一示例性实施方式示出的一种定位架的示意图。

图7是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置的光源固定件正面结构示意图。

图8是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置的定位架的正面结构示意图。

图9是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置各个硬件软件编号对应关系原理图；

图10是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置中电流计连续测试得到的光电流数据；

图11是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置中大面积光阴极对应的均匀性扫描结果；

图12是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置整体系统结构示意图；

图13是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置测得的大面积光电倍增管光阴极均匀性结果；

图14是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置测得的一张典型的20吋PMT光阴极均匀性扫描结果。

2.光源装置；21.驱动电源；

22.导光件；221.接收端；222.输出端；

23.光源固定件；232.固定孔

231.子光源；

24.电源线；

3.支架；

5.定位架；51.定位孔；

61.光源；

62.竖直旋转台；

63.水平旋转台；

100.固定平板；

PMT.光电器件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种快速扫描检测大面积光电器件的装置的正面结构示意图。图4是根据一示例性实施方式示出的一种快速扫描检测大面积光电器件的装置的侧面结构示意图。图5是根据一示例性实施方式示出的光源固定件内部结构的部分剖面示意图。图6A及图6B是根据一示例性实施方式示出的一种定位架的示意图。

如图所示，本发明实施例的一种快速扫描检测大面积光电器件的装置，其主要用于对光电器件的均匀性进行扫描测试，光电器件这里具体是指光电倍增管，但并不以此为限。而本发明实施例的快速扫描检测大面积光电器件的装置，其主要包括光源装置2、支架3以及定位架5。

其中光源装置2主要包括驱动电源21、多个子光源231(见图5)、多个导光件22及光源固定件23。如图5至图6B所示，光源固定件23中安装有多个子光源231，多个导光件22从光源固定件23中接出，驱动电源21电连接多个子光源231，驱动电源21能依次点亮各个子光源231。

图12是根据一示例性实施方式示出的一种大面积光电器件扫描测试装置整体系统结构示意图；参照图示，驱动电源21可以包括电源模块及一电耦合模块，电源模块可提供一预定电压的脉冲信号，脉冲信号可提供给多路电源线，也可以提供给一路电源线。电耦合模块可将此脉冲信号输出至光源固定件23中多个光源231其中一个，可利用一远程主机闭环控制电源模块及电耦合模块。借此，驱动电源21能依次点亮各个子光源231。电耦合模块核心器件是一款具有程控功能的单片机，通过软件程序控制多个LED子光源231的顺序依次点亮，然后通过多根分立的导光件22将对应的光依次顺序传到被测光电器件的表面，完成面扫描。

导光件22是呈线状的定向导光件，导光件22两端分别为接收端221和输出端222(见图5及图6B)。各导光件22接收端221可通过光接头分别光连接一个光源231。应当理解的是，导光件22可选择是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，传输原理是光的全反射。由于一般光源发出光线是发散的，利用纤维状导光件便可定向输入光线，之后经导光件22传输便可在输出端定向输出光斑，输出时发散性较小。光连接是指光源的光线通过连接装置或连接机构连接输入至导光件22内，光连接方式可为本领域常用技术手段。

定位架5位于大面积光电器件端窗表面外；定位架5可选择由玻璃制成，其上开设有多个定位孔51，定位孔51可顺大面积光电器件的端窗表面间隔布置，定位孔51的位置逐一对应大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置。

各导光件22的输出端222安装有光接头，各输出端222光接头固定于定位架5，各输出端222光接头顺大面积光电器件的端窗表面间隔布置，各输出端222光接头的位置逐一对应大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，且多个导光件22出光方向对齐大面积光电器件的表面法线；在保持大面积光电器件静止避光情况下，可利用光源装置2以及定位架5，顺序依次点亮子光源231，并通过各个导光件22依次照射在大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，以此，对大面积光电器件进行扫描检测。

根据本发明的一实施方式，其中大面积光电器件以具有球面形端窗的光电倍增管为例，比如大型球形或者椭球形光电倍增管，端窗表面具有第一周面方向以及第二周面方向，由于是球面形端窗，所以第一周面方向与第二周面方向之间夹角为锐角；第一周面方向与第二周面方向也可称为经线方向与纬线方向。各导光件22的输出端222光接头的位置沿第一周面方向以及第二周面方向间隔排列，以此来进行均匀性测量。

而大面积光电器件以具有平面形端窗的光电倍增管为例时，由于端窗表面为平面，所以第一周面方向与第二周面方向垂直相交，同样，各输出端222光接头的位置可以沿第一周面方向以及第二周面方向间隔排列。

根据本发明的一实施方式，如图5至图6B所示意，光源固定件23选择是一个板状部件，光源固定件23开设有多个安装孔232，各个子光源231一一对应地装入各安装孔232，各导光件22的接收端221均通过光接头接入各安装孔232，各导光件22的接收端光连接于各个子光源231。各导光件22的接收端221与各个子光源231在安装孔232内一一对应光连接。光源固定件23可选择为一个金属板，可选用高导热系统的金属材质，比如铝、铜等高导热系数材料，以利用光源固定件23对各个子光源231进行散热。

根据本发明的一实施方式，其中子光源231为发光二极管或者激光二极管。本领域技术人员应当清楚的是，光源231也可以是其它类型的光源，本发明并不限定其具体类型。例如，有机发光二极管OLED、量子点光源、或者其它半导体发光器件；光源可以是各种自然(天然)光源和人造光源，可以是宽光谱、单色光、快速光源。包括能自动精确调节的各种光源或不能自动精确调节的各种光源，例如太阳、碳弧灯、白炽灯、低压钠灯、高压钠灯、LED灯、激光器等。可选择利用外部光源以导光件从外部向光源固定件内导入。

支架3具体可以为采用金属或塑料材质制成，例如可以采用铁、不锈钢或者铝合金材质制成。支架3可以由多个固定杆组成，固定杆上形成有光电器件的固定安装位，以便于将大面积光电器件进行定位安装，同时，还可将定位架5面向端窗表面进行固定安装，完成定位架5与光电器件端窗表面的对位固定。支架3底部可通过常用连接件与固定平板固定连接，固定杆侧面上可设多个通槽，以便于上述装置通过连接件进行固定和定位。固定杆可选择为实验室常用的支架，在此不再详细赘述。本发明并不限定固定杆具体数量。实际使用时，可以将支架固定安装于一固定平板上或者光学平台上，设置支架3不仅可以增加装置的稳定性，而且还可以有效提高扫描测试的准确性，另一方面由于对PMT的扫描测试需在无光的环境下进行，因此支架3还可以用于支撑屏敝罩。还可以使本发明的实施例整体结构简单，易于使用。应当理解的是，并非本发明的所有实施方式中都必须具有支架3，在其它实施方式中也可以不包含支架3。

根据本发明的另一方面，提供一种快速扫描检测大面积光电器件的方法，配置一个快速扫描检测大面积光电器件的装置，其包括光源装置2以及定位架5；光源装置2包括驱动电源21、多个子光源231及多个导光件22；驱动电源21分别电连接各个子光源231，驱动电源21能依次点亮各个子光源231；导光件22是呈线状的定向导光件22，导光件22两端分别为接收端和输出端；各导光件22接收端分别光连接一个子光源231；定位架5通过一支架进行固定，定位架5位于大面积光电器件端窗表面外；各导光件22的输出端安装有光接头，各输出端光接头固定于定位架5，各输出端光接头顺大面积光电器件的端窗表面间隔布置，各输出端光接头的位置逐一对应大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，且多个导光件22出光方向对齐大面积光电器件的表面法线；

快速扫描检测大面积光电器件的方法，包括以下步骤：

在保持大面积光电器件静止避光情况下进行扫描检测；

利用光源装置2依次点亮子光源231；

并通过各个导光件22将光依次照射在大面积光电器件端窗表面的各个待检测位置，并通过电子学系统收集测试数据，同时将测试数据进行存储；

完成大面积光电器件扫描检测。

根据本发明的一实施方式，其中在所有步骤前还具有光源亮度调节步骤，首先，各个子光源231依次点亮；利用亮度检测装置检测各个子光源231对应的导光件22输出的光亮度；根据各个子光源231输出的亮度结果，分别调节各个子光源231的驱动电压，直至各个子光源231输出的亮度结果调节为一致；或者，在采集测试数据的步骤，根据各个子光源231输出的亮度结果，对各个子光源231乘以自身亮度结果对应的标定系数，以消除子光源231输出的亮度偏差对检测结构的影响。

一实施例中，驱动电源21可以选择使用市售现有产品，也可以是基于FPGA(Field－Programmable Gate Array现场可编程门阵列)的多路信号发生器，依次点亮图5及图7中对应的LED子光源231，保持子光源231相同的一段时间后自动切换，也就是说，图中例子的80个LED子光源231依次点亮发光，在这个期间，连接被测试大面积光阴极的电子学测量装置持续取数。由于有光照射，光阴极材料光电转换产生光电流，经过被测光电器件输出到用以测试光电流的高精度小电流测试仪器，得到非零光电流数据；没有光照时，测试光电流是趋于0的暗电。随着80个LED子光源231的周期性点亮发光，连续测试到的光电流的变化依次为零、非零、零、非零、……，具体检测结果如图11所示。

其中的80个LED子光源231依次发光，对应图8中80个非零的光电流值，扣除本底电流，这80个光电流对应的数据就是如图8所示80个位置的光阴极均匀性数据。填图与图7相对应，具体如图11所示光阴极的均匀性扫描示意图。

根据本发明实施例，提供一具体例子，一种光阴极性能测试方法，如图12所示，使用电耦合控制器为驱动电源21，其配置有多路脉冲信号发生装置，驱动多路子光源231(亮度可以通过调节驱动电压进而实现调节为一致，或者乘以标定系数后可校准一致)。子光源231发出的光通过光纤导入到光阴极面。在光阴极面下面放置一个玻璃定位架5，在定位架5上均匀地打80个直径略微比光纤直径稍大的孔，用来固定光纤输出端222，保证在更换光电倍增管的过程中，同一光纤输出端到光电倍增管光阴极面的距离不变。并将光电倍增管、玻璃定位架5、多路导光件2、LED子光源231置于暗室。在暗室外利用吉时利6517B小电流计为光电倍增管提供高压，并测量其光电流。监控主机分别通过GPIB总线和网线与小电流流计和脉冲发生器通信。其中电耦合装置的核心器件是一款具有程控功能的多路脉冲信号发生器，通过软件程序控制80个LED光源的顺序依次点亮，然后通过80根分立的光纤将对应的光依次顺序传到被测光电倍增管的表面，完成光阴极面扫描。

各通道以标定得到的电压幅值为准驱动LED发光，以20光电倍增管为测试样管，测试其均匀性，光阴极光电流大小分布结果如图14所示。光电流均值为1.15E-8A，均匀性为7％。

应理解，以上描述的多个示例可沿多个方向(如倾斜、颠倒、水平、垂直，等等)并且以多个构造被利用，而不背离本发明的原理。附图中示出的实施例仅作为本发明的原理的有效应用的示例而被示出和描述，本发明并不限于这些实施例的任何具体的细节。

当然，一旦仔细考虑代表性实施例的以上描述，本领域技术人员就将容易理解，可对这些具体的实施例做出多种改型、添加、替代、删除以及其他变化，并且这些变化在本发明的原理的范围内。因此，前面的详细描述应被清楚地理解为是仅以说明和示例的方式来给出的，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书及其等同物限定。