CN115144163A - 一种分区点亮半导体激光器模组的自动化liv测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，将被测的VCSEL阵列模组通过载台水平安装于所述二维可程控精密平移台上，获取相机的定位***中心位置拍摄到的原始图像，并通过畸变校正单元得到原始图像的图像像素与真实世界坐标的映射关系；获取VCSEL阵列模组的尺寸、芯片总数量和每个芯片的位置坐标，通过可驱动运动控制卡的控制软件换算成测试位坐标；二维可程控精密平移台逐一将每个芯片移动至测试位坐标，由积分球进行收光后，对每个芯片进行光功率测试并生成LIV曲线；本发明克服了现有针对单孔或小阵列等面积较小的激光器的测试***测试速度慢、对准难的问题，为激光雷达等高功率设备研发阶段和量产阶段的试验和测试提供了新的测试方法。

Description

一种分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法
技术领域
本发明属于半导体激光器测试***技术领域，具体涉及一种分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法。
背景技术
新兴车载激光雷达等需要用到的大功率激光器近年来得到长足发展，分区点亮的大阵列VCSEL激光器应运而生。这种激光器和传统非分区激光器相比，有总功率大、面积大、驱动脉冲宽度窄、驱动电流大、物理分区多变、控制复杂等特点。同时，作为一种激光器，其LIV测试数据是评估其性能的重要指标。通过测试LIV性能，可以了解VCSEL的最佳工作电压及相关的输出光功率。对于分区点亮的VCSEL，由于其应用场景为车载激光雷达等方向，其功率一般较大，芯片需要分区点亮来满足功率要求和散热要求。
分区点亮VCSEL激光器兼具可寻址功能和高功率、窄脉冲工作特性，这些特性在其目标应用中可以得到很好的峰值功率，可以让其支持的激光雷达等***拥有更好的探测距离和适应不同环境状况的能力。但这些特性大大增加了其生产过程中的测试复杂性，事实上影响着其量产效率。因此，开创一种自动化的光电特性（LIV）测试装置成为产业链的迫切需求。
发明内容
本发明要解决现有的基于源表的测试技术，只能针对面积较小的单个激光器的测试***，无法满足未来分区点亮的阵列式激光器测试的需求，为此提供了分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，包括相机、积分球以及二维可程控精密平移台，所述相机通过龙门测试架安装于所述二维可程控精密平移台的正上方；
将被测的VCSEL阵列模组通过载台水平安装于所述二维可程控精密平移台上，并调整所述二维可程控精密平移台，使所述VCSEL阵列模组表面的其中一个芯片移动到所述相机的定位***中心位置；
基于所述相机的焦距和视场已经确保被测目标可以清晰地占满大多数视场；
获取所述相机的定位***中心位置拍摄到的所述VCSEL阵列模组的原始图像，并通过畸变校正单元得到原始图像的图像像素与真实世界坐标的映射关系；
基于原始图像的图像像素与真实世界坐标的映射关系，获取所述VCSEL阵列模组的尺寸、所述芯片总数量和每个所述芯片的位置坐标，存储于PC端，并通过PC端换算成测试位坐标；
基于测试位坐标已被确定，则所述二维可程控精密平移台逐一将每个所述芯片移动至光功率测试***的测试区域，由所述积分球进行收光后，依靠光功率测试***对每个所述芯片进行光功率测试并生成LIV曲线。
较佳的，基于原始图像中既存在径向畸变又存在切向畸变，则可以综合两种模型来表示所述相机的图像畸变，畸变校正的公式如下：
Figure 890020DEST_PATH_IMAGE002
Figure 752163DEST_PATH_IMAGE004
：畸变图像像素到坐标原点的距离；
Figure 851706DEST_PATH_IMAGE006
：发生畸变的图像像素点的坐标；
Figure 661399DEST_PATH_IMAGE008
：对应畸变图像点的坐标；
Figure 606222DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 286602DEST_PATH_IMAGE012
：为切向畸变系数；
Figure 291467DEST_PATH_IMAGE014
：为常数。
较佳的，基于对所述芯片测试位坐标的分区驱动及测试，还包括一套多通道切换电路，每组通道均包含四路；
每个四路通道均与所述VCSEL阵列模组上所述芯片所在分区相对应。
较佳的，所述光功率测试***中包括所述积分球、高速PD、高速激光器驱动板、信号发生器、可调程控稳压电源、示波器和计算机。
较佳的，在光功率测试过程中，所述信号发生器作为驱动信号源，会产生脉冲驱动信号，接收到脉冲驱动信号的高速激光器驱动板会驱动激光器产生激光，通过所述积分球收光后再通过所述高速PD进行信号探测。
较佳的，对所述高速PD探测到的信号进行放大处理后，通过50Ω的同轴线进入所述示波器，经由光功率公式计算得到所述激光器输出的光功率。
较佳的，所述信号发生器产生的信号为ns级的脉冲驱动信号，所述高速PD的带宽大于1.2G。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明利用工业相机对大阵列激光器进行扫描，通过处理单元实现畸变校正和大阵列激光器中包含的激光器数量、尺寸、间距识别（Mapping），从而实现大阵列激光器的自动测试；
2、本发明采用分区测试的思路，实现了对面积较大、总功率可变的分区点亮式VCSEL激光器的各发光区域的测试完整覆盖，兼顾快速响应的纳秒级电压脉冲，从而驱动VCSEL，实现对应的LIV测试；
3、本发明克服了现有的针对单孔或小阵列等面积较小的激光器的测试***，只能实现对亚毫米级尺寸的激光器进行测试，对毫米级或亚厘米级的高功率分区点亮型阵列激光器无法满足全部区域全部测试项全覆盖的缺陷，为激光雷达等高功率设备研发阶段和量产阶段的试验和测试提供了新的测试方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例的多通道切换电路与VCSEL阵列模组关系图；
图2为本发明实施例的光功率测试***结构图；
图3为本发明实施例的二维可程控精密平移台示意图；
图4为本发明实施例的电压测量原理图；
图5为本发明实施例的光脉冲在进入积分球前后的波形图；
图中：1、计算机； 2、可程控稳压电源；3、高速激光器驱动板；4、信号发生器；5、积分球；6、高速PD；7、示波器；8、二维可程控精密平移台；9、载台；10、直线导轨组件；11、光栅尺；12、螺母座、13、滚珠丝杆；14、支撑侧组件；15、底座、16伺服电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
请参考图1-5，本发明是基于二维可程控精密平移台8来实现对VCSEL阵列模组进行平移的，该平台为精度达到10um级精度、行程≥200mm的XY轴精密移动平台，在受到运动控制卡的驱动后，依靠伺服电机16驱动滚珠丝杆13旋转，在减少电磁干扰的同时令直线导轨组件10做到x轴y轴上的双向平移。而二维可程控精密平移台8上方的龙门式测试架、相机以及积分球（龙门式测试架和相机图中未画出）是固定不动的。其中，所选相机传感器的尺寸应能支持***要求的最小分辨率，且相机镜头的焦距和视场应能确保被测目标清晰地占满大多数视场，相机镜头的景深应能保证被测目标清晰成像。线光源应能提供足以使观测目标与背景分割开来的对比度。
在平台与相机准备就绪后，将被测的VCSEL阵列模组通过载台水平安装于二维可程控精密平移台8上，开始对VCSEL阵列模组进行芯片识别，平移台会将被测件移动到相机定位***的中心位置，进行拍摄，拍摄后的原始图像会通过畸变校正单元得到图像像素与真实世界坐标的映射关系。基于图像中不变的目标特征，指定参考坐标系，使用这些信息直接计算得到图像中的目标在真实世界坐标系中的位置、距离、面积、角度信息，获得修正后的图像。在实际测试时，相机拍摄的图片既存在径向畸变又存在切向畸变，则可以综合两种模型来表示相机的畸变：
Figure 591386DEST_PATH_IMAGE002
Figure 339899DEST_PATH_IMAGE004
：畸变图像像素到坐标原点的距离；
Figure 874785DEST_PATH_IMAGE006
：发生畸变的图像像素点的坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
：对应畸变图像点的坐标；
Figure 706344DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure DEST_PATH_IMAGE017
：为切向畸变系数；
Figure 959471DEST_PATH_IMAGE018
：为常数。
处理单元在得到畸变校正后的图像后，将VCSEL阵列模组的尺寸、所述芯片总数量和每个所述芯片的位置坐标，存储于PC端中，根据单个激光器模板进行VCSEL激光器阵列中包含的单个激光器数量及对应坐标的识别计算，即每个芯片的测试坐标，确保测试阶段进行时二维可程控精密平移台8可以将每个芯片准确移动至光功率测试***的位置。
本发明采用纳秒级激光器分区驱动及测试***进行分区驱动及测试。该***采用一套脉冲电源和一套电压采集卡构成，采用开尔文测试法进行测试。为了多个分区可以共用一套驱动源和采集卡，本***设计了一套多通道切换电路，其中包括有N个可控制的四路通道，指的是 Hi、Lo、Sense Hi、Sense Lo纳秒级脉冲源输出及采集四路，在驱动和测试时，可通过PC端控制该电路切换至相应的四路通道至VCSEL阵列模组上正在被测试的区域。
在光功率测试***测试过程中，信号发生器4作为驱动信号源会产生ns级的脉冲驱动信号，高速激光器驱动板3会驱动激光器产生ns级的激光。因此需要足够带宽的高速PD6才可以探测到。因此采用1.2G以上带宽的高速PD6来采集信号。为了确保收光，采用小型积分球5收光后再通过高速PD6探测。
其中光功率的计算一般用峰值电流或电压来进行。在窄脉冲下，积分球5收光后的输出光波形会与真实波形不同，如图5所示，光脉冲在进入积分球5之后，会发生波形的塌陷和变宽。从而以积分球输出的波形来计算光功率会产生误差。
虽然输入和输出的波形不同，但是由于光的总能量是不变的，因此可以认定两个波形的积分值相同。所以我们可以通过测量波形幅值的方法来反算激光器真实的峰值功率。
根据此原理，本方法通过光纤采集了激光直射的波形（即激光器输出的真实波形），通过积分的方法，将积分球得到的波形，代入到光纤采集到的波形，还原光脉冲真实的光功率脉冲曲线。从而得出对应的光功率。公式如下：
Figure 508745DEST_PATH_IMAGE020
Figure 366980DEST_PATH_IMAGE022
Figure 307123DEST_PATH_IMAGE024
：通过积分球后的总光功率；
Figure 781967DEST_PATH_IMAGE026
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率绝对值；
Figure 137861DEST_PATH_IMAGE028
：波形起始时间；
Figure 850603DEST_PATH_IMAGE030
：波形结束时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
：通过积分球后的t时间位置的瞬时光功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率相对幅值。
本方法采用检测电阻作为采集值，由于瞬时电流较大（1~150A），因此检测电阻采用0.05Ω以下的精密电阻；由于电压也较高，因此采用电容隔离后再进行分压的方式采集。
为了确保测试值的准确性和实时性，以及满足本方法所需的测试带宽，本方法采用示波器对前述的采集值进行测量和计算。其中每一项的采集值的计算方式如下：
1.光功率测量：
激光器发出的光，经过积分球收光后，进入高速PD。PD的信号经过放大处理后，通过50Ω同轴线缆进入示波器。公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
P：光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE038
：示波器采集到的峰值电压
Figure DEST_PATH_IMAGE040
：PD有效感应面积
Figure DEST_PATH_IMAGE042
:积分球面积
Figure DEST_PATH_IMAGE044
:PD响应率
通过以上公式，可以通过采集到的电压值，来计算出激光器输出的光功率。
2.电压测量：
由于本方法的被测件需要通过超过100V的直流电压进行驱动，超出了示波器的显示范围，且直接测试有一定的安全隐患。因此我们采用电容隔离并分压的方式进行测量，具体原理图如图4所示，需要采集的信号通过10nF的高压陶瓷电容隔离后，通过1KΩ电阻以及50Ω电阻分压后传入示波器，起到保护作用。实际电压计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE048
：驱动被测件的直流电压；
3.电流测量：
电流测量采用在回路中串联检测电阻的方式进行测量。
在完成了上述三项数据测量和获取后，即可实现分区LIV曲线及整体LIV曲线生成。
LIV曲线，是以电流为横坐标，电压、光强、PCE（光电转换效率）为三项纵坐标的综合参数曲线。
本方法采用开环的测试路线，通过PC端软件控制可调稳压电源输出指定的步进电压，控制信号发生器发送指定脉宽的脉冲。并在每一次输出电压后，读取示波器的光功率、电压及电流读数。由于采用电压直接驱动的方法进行测试，因此横坐标的电流不是固定步进，在获取到指定的电流值后，通过软件计算，仍然将电流值作为横坐标输出对应的LIV曲线。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，包括相机、积分球以及二维可程控精密平移台，所述相机通过龙门测试架安装于所述二维可程控精密平移台的正上方；其特征在于：
将被测的VCSEL阵列模组通过载台水平安装于所述二维可程控精密平移台上，并调整所述二维可程控精密平移台，使所述VCSEL阵列模组表面的其中一个芯片移动到所述相机的定位***中心位置；
基于所述相机的焦距和视场已经确保被测目标可以清晰地占满大多数视场；
获取所述相机的定位***中心位置拍摄到的所述VCSEL阵列模组的原始图像，并通过畸变校正单元得到原始图像的图像像素与真实世界坐标的映射关系；
基于原始图像的图像像素与真实世界坐标的映射关系，获取所述VCSEL阵列模组的尺寸、所述芯片总数量和每个所述芯片的位置坐标，存储于PC端，并通过PC端换算成测试位坐标；
基于测试位坐标已被确定，则所述二维可程控精密平移台逐一将每个所述芯片移动至光功率测试***的测试区域，由所述积分球进行收光后，依靠光功率测试***对每个所述芯片进行光功率测试并生成LIV曲线。
2.根据权利要求1所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
基于原始图像中既存在径向畸变又存在切向畸变，则可以综合两种模型来表示所述相机的图像畸变，畸变校正的公式如下：
Figure 726343DEST_PATH_IMAGE001
Figure 120634DEST_PATH_IMAGE002
：畸变图像像素到坐标原点的距离；
Figure 224244DEST_PATH_IMAGE003
：发生畸变的图像像素点的坐标；
Figure 624002DEST_PATH_IMAGE004
：对应畸变图像点的坐标；
Figure 392106DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 851906DEST_PATH_IMAGE006
：为切向畸变系数；
Figure 991549DEST_PATH_IMAGE007
：为常数。
3.根据权利要求1所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
基于对所述芯片测试位坐标的分区驱动及测试，还包括一套多通道切换电路，每组通道均包含四路；
每个四路通道均与所述VCSEL阵列模组上所述芯片所在分区相对应。
4.根据权利要求1所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
所述光功率测试***中包括所述积分球、高速PD、高速激光器驱动板、信号发生器、可调程控稳压电源、示波器和计算机。
5.根据权利要求4所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
在光功率测试过程中，所述信号发生器作为驱动信号源，会产生脉冲驱动信号，接收到脉冲驱动信号的高速激光器驱动板会驱动激光器产生激光，通过所述积分球收光后再通过所述高速PD进行信号探测。
6.根据权利要求5所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
对所述高速PD探测到的信号进行放大处理后，通过50Ω的同轴线进入所述示波器，经由光功率公式计算得到所述激光器输出的光功率。
7.根据权利要求5所述的分区点亮半导体激光器模组的自动化LIV测试方法，其特征在于：
所述信号发生器产生的信号为ns级的脉冲驱动信号，所述高速PD的带宽大于1.2G。
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