CN103257032A - 用于测试传感器阵列中的像素性能的系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于测试光学传感器（50）的操作的系统。该光学传感器（50）包括被配置将光转换为电信号的一个或更多个感光装置（80）。测试光源（60）和参考目标（76）包括在光学传感器（50）的壳体（52）内。该测试光源（60）被安装成接近于感光装置（80），并且参考目标（76）与测试光源（60）相对。测试光源（60）被周期性地触发以发射已知波长的光（62）。光（62）从参考目标（60）被反射回感光装置（80）的至少一部分（82）。逻辑电路使用被感光装置（80）的部分（82）接收的反射光（64）来确定光源（60）与参考目标（76）之间的距离。将所计算出的距离与已知距离进行比较以验证光学传感器（50）的正确工作。

Description

用于测试传感器阵列中的像素性能的系统

技术领域

本文公开的主题涉及用在安全系统中的光学传感器，，更具体地，涉及用于测试用在光学传感器中的光学接收器的性能的系统。

背景技术

光学传感器包括将入射至传感器的光转换为电信号的接收器。该接收器可以包括单个感光装置或像素阵列，例如电荷耦合装置（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。每个像素将入射至像素的光转换为分离的电信号。光学传感器通常具有光通过其的开口，并且还可以包括在该开口上的透镜或滤光器以将光聚焦至检测器上。取决于传感器的应用要求和配置，光学传感器适于如下的多种用途：从指示光束的存在到再现对象的三维（3D）图像。

已知接收器的灵敏性随着时间而变化。尽管无疑会出现各个像素的改变速率的变化，但是平均起来像素阵列的性能将以大体均匀的速率变化。通过对像素阵列的一部分的性能进行抽样，可以监控整个阵列的状态而不会受到来自单独像素的变化的影响。通过将参考光源导向待测试像素阵列的一部分并测量得到的电信号，可以测试检测器的性能。将得到的电信号与期望值进行比较可用于检测传感器性能的变化。

然而，光学传感器常用在不利于为测试传感器提供参考光的应用中。例如，传感器可以是安全系统的部件，例如监控对工业机器或工艺线的访问或操作的光幕或3D相机。该机器或工艺线可以借助于所安排的每月一次或甚至更长间隔的定期维护来近似连续地操作。由于安全系统通常保护操作者不受潜在的危险工作区域或条件的影响，所以较之单独的定期维护所实现的监控，工业标准需要更加频繁地监控操作性能。

因此，期望提供如下的一种系统：其定期测试传感器的操作而不需要妨碍传感器的正常工作。

发明内容

本文公开的主题描述了一种用于测试用在安全系统中的光学传感器操作的方法及设备。光学传感器包括被配置将光转换为电信号的一个或更多个感光装置。测试光源和参考目标包括在光学传感器的壳体内。测试光源被安装成接近于感光装置，并且参考目标被布置为与测试光源相对。周期性触发测试光源以发射已知波长的光。光从参考目标被反射回感光装置的至少一部分。逻辑电路使用在感光装置的该部分处接收的反射光来确定光源与参考目标之间的距离。将所计算出的距离与已知距离进行比较以验证光学传感器的正确操作。

根据本发明的一个实施方式，用在安全系统中的光学传感器包括壳体以及安装在该壳体内的光学接收器。光源安装在壳体内并被配置成发射待由光学接收器的至少一部分接收的某一波长的辐射。逻辑电路被配置成接收来自光学接收器的该部分的、与光学接收器的该部分接收的辐射对应的至少一个信号，并且根据从光学接收器的该部分接收的信号来确定与光从光源行进至光检测器的一部分的时间或者光源与光检测器的该部分之间的距离相对应的值。逻辑电路将该值与预定阈值进行比较并当该值超过预定阈值时生成信号。

根据本发明的另一个实施方式，公开了一种验证用在安全系统中的光学传感器的操作的方法。该光学传感器具有多个接收元件以及安装在壳体内的光源。光源按第一周期间隔发射某一波长的辐射。该辐射被接收元件的第一部分接收。根据从接收元件的第一部分接收的辐射来确定与光从光源行进至接收元件的第一部分的时间或者光源与接收元件的第一部分之间的距离相对应的值。将该值与预定阈值进行比较，当该值大于预定阈值时生成信号。

根据本发明的又一个实施方式，用在安全系统中的光学传感器系统包括被配置成在定义路径中发射光的第一光源以及光学传感器单元。该光学传感器单元包括具有如下开口的壳体：该开口被设置成接收直接沿定义路径的或者被对象反射通过定义路径的来自第一光源的光。安装在壳体内的接收元件阵列接收通过开口进入的光。参考目标位于壳体的内部并邻近于开口，并且测试光源被配置成朝向参考目标发射光，该参考目标继而朝向接收元件阵列的一部分反射光。与第一光源、测试光源以及接收元件阵列中的每个通信的控制器被配置成从第一光源或测试光源周期性发射光，在接收元件阵列处检测来自第一光源或测试光源的光的存在，在第一光源正在发射的情况下确定在定义路径上是否存在对象，并且在测试光源正在发射的情况下根据从测试光源发射的光来评估接收元件阵列的性能。

根据详细描述以及附图，本发明的这些以及其他优点和特征对本领域的技术人员将变得明显。然而，应当理解，指示本发明的优选实施方式的详细描述和附图仅作为说明给出而非作为限制给出。在不偏离本发明的精神的前提下可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

附图中图示了本文公开的主题的各个示例性实施方式，其中相同的附图标记通篇表示相同的元件，其中：

图1是并入本发明的一个实施方式的示例性环境视图；

图2是本发明的一个实施方式的框图。

在描述在附图中示出的本发明的各个实施方式时，为了清楚起见将采用特定术语。然而，本发明并不受限于这样选择的特定术语，并且应当理解每个特定术语包括以相似方式操作来完成相似目的的所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与其相似的术语。它们并不限于直接连接而是包括经由其他元件的连接，其中对于本领域的技术人员这样的连接被认为是等同的。

具体实施方式

首先参照图1，光学传感器系统10被示出在示例性环境下进行操作。光学传感器系统10包括被配置成在定义路径14中发射光的第一光源12。第一光源12可以是任何合适的发射辐射（例如可见光谱或红外光谱中的辐射）的源。第一光源12可以是但不限于发光二极管、红外二极管或激光二极管。另外，第一光源12可以包括一个或更多个光源，并且可选地，可以包括透镜、滤光器或其他光学装置以对从源12发射的光进行引导、聚焦或滤光。定义路径14例如是光束或光平面，其意在被直接地或例如通过与定义路径14相交的对象的反射发射至光学传感器50。

如图1所示，第一光源12可以沿定义路径14发射光平面。可选地，沿路径14可以引导多个光束。路径14与传送装置C相交，并且用于检测沿着传送装置C的对象的存在与否。传送装置C可以在两点之间传送箱子B的运货板P。从第一光源12发射的光被箱子B反射离开，并被光学传感器50检测到。光学传感器50将在传感器处接收的光转换为向控制器30传送的电信号16。光学传感器50能够在其视场20内检测从对象反射离开的光。由传感器生成的电信号16可以是指示在视场20内是否存在对象的二进制开/关信号，或可选地，电信号16可以是对应于由光学传感器50接收的光的强度的模拟值。控制器30根据应用需要使用电信号16，例如，用于在预定路径14内检测到意外对象的情况下使传送装置C停止，或重建通过预定路径14的箱子B和运送板P的图像。根据本发明的又一个实施方式，控制器30的至少一部分可以并入到光学传感器50中以直接处理电信号16。此外，控制器30可以向第一光源12提供控制信号18以控制所发射的光。

根据本发明的其他实施方式，第一光源12和光学传感器50可以被配置成在定义路径14中发送并接收光束，该定义路径14被配置成水平地或以某个角度与传送装置C的路径交叉并且在传送装置上方移位。光学传感器50可以被配置成正常设置指示其正在接收来自光源12的光束的电信号16。如果对象与预定路径14相交，则重置电信号16。第一光源12可以是单个光束或者例如定义光幕的多个光束。相似地，可以水平布置光幕并且使其与传输装置平行以检测例如跨越传送装置到达或进入保护区域的操作者。在检测到对象进入保护区域时，控制器30可以使用电信号16来禁用在保护区域内操作的传送装置C或其他机械装置。

接着参照图2，光学传感器50包括具有前壁54和后壁56的壳体52。前壁54具有内表面53、外表面55以及开口58，该开口58延伸通过前壁54并被配置成允许入射光通过进入光学传感器50。光学接收器70被安装在壳体内并被配置成接收入射至传感器50的光。光学传感器70例如可以安装到接近于后壁56的基板72。所示的实施方式意在为示例性的，并且可以进一步构思光学传感器50可以具有多种形状和配置，例如没有前壁，或者光学接收器70接近传感器50的前壁54。

光学接收器70包括至少一个感光装置80。感光装置80可以是例如有源像素传感器（APS）（诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器）或无源像素传感器（PPS）（诸如电荷耦合器件（CCD））。光学接收器70可以包括单个感光装置80以生成例如二进制信号，或包括感光像素阵列80以再现例如对象的图像。光学接收器70需要控制信号以选择要从像素80的阵列读取的一行或一列信号16。进一步构思来自控制器30的部分或所有控制功能可以与接收器70一起集成到专用集成电路（ASIC）上。

光学传感器50还包括安装在壳体52内的第二光源60。根据本发明的一个实施方式，第二光源60可以被安装在光学接收器70的基板72上。可选地，第二光源60可以被安装在侧壁57上或相对于壳体52的任意已知位置。作为又一种选择，在基板72上可以定义孔（未示出），并且光源60可以位于孔内或孔后，使得其通过基板72中的孔发射光。第二光源60可以是但不限于发光二极管、红外二极管或激光二极管。第二光源60被配置成朝向位于壳体52内的参考目标76发射如图2中的光线62所示的光。参考目标76优选地为反射性材料并被配置成如光线64所示将来自第二光源60的光反射回感光装置80的部分82。

在操作中，使用第二光源60来测试光学接收器70的操作。控制器30生成启用第二光源60的控制信号。第二光源60被命令朝向参考目标76发射光线62，并且参考目标76使反射后的光线64朝向被配置成执行该测试的感光装置80的部分82行进。根据本发明的一个实施方式，根据现有技术中已知的飞行时间的原理来计算出光线62从第二光源60行进至参考目标76再返回至感光装置80的部分82所需要的时间。可以在光学传感器50、控制器30或者它们的组合内部分地或完全地执行飞行时间的计算。相似地，可以计算出从第二光源60到参考目标76再返回到感光装置80的部分82的距离。根据本发明的又一个实施方式，光线62可以具有预定波长，并且可以测量所发射的光线62与所反射的光线64之间的相移。

响应于测试生成指示信号以向操作者指示光学接收器70的状态。由于被配置成执行测试的第二光源60、参考目标76和感光装置80的部分82设置有已知的空间关系，因此任何计算出的值（即从第二光源60到感光装置80的部分的光行进时间或距离，或者发射的辐射与接收的辐射之间的相移）在正常操作条件下具有期望的结果。可以选择阈值或范围，例如作为在期望的结果以上和/或以下的百分比，以指示光学传感器50在可接受的操作范围内。如果所计算的值在可接受范围内，则可以设置指示器信号以指示光学传感器70正在正常操作。如果所计算的值在可接受范围之外，则可以重置指示器信号以指示光学接收器70不再正常操作。可以向控制器30传送指示器信号，控制器30继而可以使用指示器信号来张贴消息、操作灯或者向操作者提供光学接收器70的状态的一些其他可视或音频指示。

在安全系统中，传感器系统10可用于例如检测人或对象未授权进入到限制区域或检测被传送到操作区域的工件或部件的存在。根据本发明的一个实施方式，光源12可以是建立光幕的一个或更多个光束，并且每个光束被一个或更多个光学传感器单元50所接收。根据本发明的另一个实施方式，光源12可以生成光平面并且光学传感器单元50可以是生成反射光的对象的图像的3D相机。根据应用需要来选择光源12和传感器单元50的类型。

不管所选择的光源12和传感器单元50的类型如何，光学传感器系统10的测试与系统10的正常监控功能相协调。来自控制器30的命令信号18控制第一光源12的操作，可以使得第一光源12在监控特定区域的任意时间连续启用。可选地，第一光源12可以与安装在光学传感器50的壳体52内的第二光源60相协调地进行开关。来自控制器30的另一个命令信号相似地控制第二光源60的操作。在测试光学传感器50期间启用第二光源60并且第二光源60可以被启用短时间以从第二光源60发射光脉冲。

根据本发明的一个实施方式，光学传感器50包括在传感器50的前壁54中的开口58。开口58位于前壁54的中心，使得前壁54的一部分在开口58的周界周围延伸。开口58可以包括透镜、滤光器或被配置成接收来自第一光源12的光并将光导向光学接收器70的中心的其他光学装置。作为光学装置的选择或与光学装置相协作，前壁54阻止光的至少一部分进入光学传感器50的外周界。第二光源60可以位于光学接收器70的外周界上，并且参考目标76可以位于前壁54的后表面53上。被配置成执行测试的感光装置80的部分82相似地位于光学接收器70的周界周围，并可以例如围绕第二光源60。因此，用于测试光学接收器的操作的每个元件位于正常接收很少入射光的光学传感器50的区域内，减小了入射光对测试结果的影响。可选地，可以由光学接收器的第二部分或剩余部分来确定入射光的水平并且对测试结果进行补偿。

为了保持对保护区域的连续监控，测试可以与监控功能相交织。应用的安全要求通常提供必须对光学传感器50进行抽样以确定从第一光源12接收的光的强度从而检测保护区域内的对象的存在与否的速率或周期时间。在该周期时间内，光学传感器50必须对来自第一光源的光进行抽样并根据应用要求来执行任何必要的诊断或性能检查。因此，在该周期期间，控制器30提供控制信号18以使第一光源12通电，给光学传感器50留出充分的时间以接收辐射的光，并且从光学传感器50读取对应的信号16。控制器30然后可以给第一光源断电（在需要的情况下），并使第二光源60通电。第二光源60可以仅通电足够长到发射如下光脉冲的时间：该光脉冲随后被参考目标76反射至光学接收器70的预配置部分82。控制器然后确定期望的值，例如第二光源60、参考目标76以及光学接收器70的部分82之间的距离或时间，并将期望的值与正常操作范围进行比较。因此，正常的检测功能和每个测试功能都在光学传感器50的周期时间内执行。

根据上述可知，本发明的实施例包括但不限于以下技术方案：

方案1.一种在安全系统中使用的光学传感器，包括：

壳体；

光学接收器，所述光学接收器安装在所述壳体内；

光源，所述光源安装在所述壳体内并被配置成发射待由所述光学接收器的至少一部分接收的辐射；以及

逻辑电路，所述逻辑电路被配置成：

（a）接收来自所述光学接收器的所述部分的、对应于由所述光学接收器的所述部分接收的辐射的至少一个信号；

（b）根据从所述光学接收器的所述部分接收的信号来确定与光从所述光源行进到所述光学接收器的所述部分的时间或者所述光源与所述光学接收器的所述部分之间的距离相对应的值；

（c）将所述值与预定阈值进行比较；以及

（d）当所述值超过所述预定阈值时生成信号。

方案2.根据方案1所述的光学传感器，其中，所述光学接收器是感光装置，所述感光装置生成响应于所述入射光的强度的信号。

方案3.根据方案1所述的光学传感器，其中，所述光学接收器是感光装置阵列，每个感光装置生成对应于入射至所述装置上的光的信号。

方案4.根据方案1所述的光学传感器，其中，所述逻辑电路还被配置成：

控制所述光源以第一周期间隔发射所述辐射；

以所述第一周期间隔执行以上标记的步骤（a）至（d）；以及

以第二周期间隔从所述光学接收器接收与所述光学接收器接收的辐射相对应的至少一个信号，所述第一周期间隔散置于所述第二周期间隔中。

方案5.根据方案1所述的光学传感器，还包括安装在所述壳体内的参考目标，其中，所述光源被布置为朝向所述参考目标发射辐射，所述辐射朝向被配置成接收所述辐射的所述光学接收器的所述部分反射并被所述光学接收器的所述部分接收。

方案6.根据方案5所述的光学传感器，其中：

所述壳体包括：

前壁，所述前壁具有内表面和外表面；

后壁，所述后壁大体上与所述前壁相对；以及

开口，所述开口延伸通过所述前壁；

所述光学接收器被安装在接近于所述后壁并与所述前壁中的所述开口相对的基板上；以及

所述参考目标被安装在所述前壁的所述内表面上。

方案7.根据方案6所述的光学传感器，其中，所述光源被安装成与所述参考目标相对并大体上与所述基板共面。

方案8.根据方案7所述的光学传感器，其中，所述光源与所述光学接收器一起被安装在所述基板上。

方案9.根据方案7所述的光学传感器，其中，所述光源通过所述基板中的所述开口来发射辐射。

方案10.根据权利要求7所述的光学传感器，其中，所述光源选自发光二极管、红外二极管以及激光二极管之一。

方案11.一种验证用在安全系统中的光学传感器的操作的方法，所述光学传感器具有安装在壳体内的多个接收元件，所述方法包括如下步骤：

在所述壳体内安装光源，其中，所述光源发射具有某一波长的辐射；

以第一周期间隔从所述光源发射所述辐射；

在所述接收元件的第一部分处接收所述辐射；

根据从所述接收元件的所述第一部分接收的所述辐射来确定与光从所述光源行进到所述接收元件的所述第一部分的时间或者所述光源与所述接收元件的所述第一部分之间的距离相对应的值；

将所述值与预定阈值进行比较；以及

当所述值超过所述预定阈值时生成信号。

方案12.根据方案11所述的方法，其中所述接收元件位于基板上，所述方法还包括步骤：

将所述光源安装为接近所述接收元件的所述第一部分；以及

将参考目标定位在大体上与所述光源相对的所述壳体的内表面上，其中，所述接收元件的所述第一部分被选择为接收从所述光源发射并且从所述参考目标反射的光。

方案13.根据方案11所述的方法，还包括步骤：以第二周期间隔生成与入射在所述接收元件的第二部分上的光对应的信号，其中所述接收元件的所述第二部分接近所述第一部分。

方案14.根据方案13所述的方法，还包括步骤：根据在所述接收元件的所述第二部分处接收的辐射，对所述值进行补偿。

方案15.一种用在安全系统中的光学传感器系统，包括：

第一光源，所述第一光源被配置成在定义路径中发射光；

光学传感器单元，所述光学传感器单元包括：

壳体，所述壳体具有如下开口：所述开口被布置成接收直接沿所述定义路径的或者被对象反射通过所述定义路径的来自所述第一光源的光，

接收元件阵列，所述接收元件阵列安装在所述壳体内以接收通过所述开口进入的光，

参考目标，所述参考目标位于所述壳体的内部并邻近于所述开口，以及

测试光源，所述测试光源被配置成朝向所述参考目标发射光，所述参考目标继而朝向所述接收元件阵列的一部分反射光；以及

控制器，所述控制器与所述第一光源、所述测试光源以及所述接收元件阵列中的每个通信并且被配置成：

从所述第一光源和所述测试光源中的至少一个周期性发射光，

在所述接收元件阵列处检测来自所述第一光源或所述测试光源的光的存在，

在所述第一光源正在发射的情况下确定在所述定义路径上是否存在对象，以及

在所述测试光源正在发射的情况下根据从所述测试光源发射的光来评估所述接收元件阵列的性能。

方案16.根据方案15所述的光学传感器系统，其中所述控制器通过根据从所述测试光源发射并且入射在所述阵列的所述部分上的光来确定与光从所述测试光源行进到所述阵列的所述部分的时间或者所述光源与所述阵列的所述部分之间的距离相对应的值，评估所述接收元件阵列的性能。

方案17.根据方案15所述的光学传感器系统，其中所述定义路径是波束和平面之一。

方案18.根据方案15所述的光学传感器系统，其中所述测试光源被安装为基本上与所述接收元件阵列对准。

方案19.根据方案15所述的光学传感器系统，其中所述测试光源发射定义波长的辐射。

方案20.根据方案19所述的光学传感器系统，其中所述控制器通过确定与从所述测试光源发射的辐射和在所述阵列的所述部分处接收的辐射之间的相移相对应的值，评估所述接收元件阵列的性能。

应当理解，本发明的应用不限于本文中阐述的部件的构建和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并能够以各种方式来实践或实施。前述内容的变型和修改在本发明的保护范围内。还应当理解，本文中公开和定义的发明可以扩展至所提及的或者根据说明书和/或附图而明显的两个或更多个单独特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各个替选方面。本文中描述的实施方式解释了已知的用于实践本发明的最佳模式并使得本领域的技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种在安全系统中使用的光学传感器，包括：

壳体；

光学接收器，所述光学接收器安装在所述壳体内；

光源，所述光源安装在所述壳体内并被配置成发射待由所述光学接收器的至少一部分接收的辐射；以及

逻辑电路，所述逻辑电路被配置成：

（a）接收来自所述光学接收器的所述部分的、对应于由所述光学接收器的所述部分接收的辐射的至少一个信号；

（b）根据从所述光学接收器的所述部分接收的信号来确定与光从所述光源行进到光检测器的一部分的时间或者所述光源与所述光检测器的所述部分之间的距离相对应的值；

（c）将所述值与预定阈值进行比较；以及

（d）当所述值超过所述预定阈值时生成信号。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述光学接收器是感光装置阵列，每个感光装置生成对应于入射至所述装置上的光的信号。

3.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述逻辑电路还被配置成：

控制所述光源以第一周期间隔发射所述辐射；

以所述第一周期间隔执行以上标记的步骤（a）至（d）；以及

以第二周期间隔从所述光学接收器接收与所述光学接收器接收的辐射相对应的至少一个信号，所述第一周期间隔散置于所述第二周期间隔中。

4.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括安装在所述壳体内的参考目标，其中，所述光源被布置为朝向所述参考目标发射辐射，所述辐射朝向被配置成接收所述辐射的所述光学接收器的所述部分反射并被所述光学接收器的所述部分接收。

5.根据权利要求4所述的光学传感器，其中：

所述壳体包括：

前壁，所述前壁具有内表面和外表面；

后壁，所述后壁大体上与所述前壁相对；以及

开口，所述开口延伸通过所述前壁；

所述光学接收器被安装在接近于所述后壁并与所述前壁中的所述开口相对的基板上；以及

所述参考目标被安装在所述前壁的所述内表面上。

6.根据权利要求5所述的光学传感器，其中，所述光源被安装成与所述参考目标相对并大体上与所述基板共面。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，其中，所述光源与所述光学接收器一起被安装在所述基板上。

8.根据权利要求6所述的光学传感器，其中，所述光源通过所述基板中的所述开口来发射辐射。

9.根据权利要求6所述的光学传感器，其中，所述光源选自发光二极管、红外二极管以及激光二极管之一。

10.一种验证用在安全系统中的光学传感器的操作的方法，所述光学传感器具有安装在壳体内的多个接收元件，所述方法包括如下步骤：

在所述壳体内安装光源，其中，所述光源发射具有某一波长的辐射；

以第一周期间隔从所述光源发射所述辐射；

在所述接收元件的第一部分处接收所述辐射；

根据从所述接收元件的所述第一部分接收的所述辐射来确定与光从所述光源行进到所述接收元件的所述第一部分的时间或者所述光源与所述接收元件的所述第一部分之间的距离相对应的值；

将所述值与预定阈值进行比较；以及

当所述值超过所述预定阈值时生成信号。

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