CN109724523A - 用于可视地对准太赫兹辐射束的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量目标表面上的涂层厚度的系统包括太赫兹光谱装置以及参考图像投影仪。所述太赫兹光谱装置包括辐射头，所述辐射头可操作以将太赫兹辐射束投影到所述目标表面上并接收被反射的束。所述参考图像投影仪包括可见光装置，并且可操作以使用所述可见光装置将参考图像投影到所述目标表面上。所述参考图像的视觉特性指示所述辐射头相对于所述目标表面的距离、旋转对准和角对准中的至少一个。

Description

用于可视地对准太赫兹辐射束的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于对准太赫兹辐射束以测量表面上的多个层的厚度的系统和方法。
背景技术
本节中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
车辆的外部一般包括多个油漆层和/或其它涂层，诸如电涂层、底漆、底涂层和透明涂层。每个层具有最小成膜，最小成膜被设计成抑制因例如UV和可见光而造成的外部的劣化和潜在分层，并且为车辆提供了适当的外观/颜色，而且保护基材免受环境损害。
虽然各种油漆厚度测量技术可用于测量单个油漆层，但是存在用于测量多个层的有限数量的非破坏性测量技术。一种这样的测量技术利用超声技术，其中超声换能器(ultrasonic transducer)放置在外表面上，并且发送超声信号通过外表面。液体耦合剂(通常是水)用于将信号传输到涂层材料中。超声信号在层界面处产生回波，并且基于连续回波之间的时间差而确定厚度。声速值在不同涂层间有所不同，因此除了各种底涂层颜色之外，还对所有层执行校准。
虽然超声技术是有效的，但是这种技术存在一些问题。例如，换能器大小和用于换能器的工具可能不允许测量某些车辆表面，诸如挡风玻璃凸缘，并且因此，通常采用单独过程来获得那些区域的数据。另一个问题是换能器需要大的(例如，10mm直径)平坦区域，以便产生足够波形。这需要基于车辆上的点的平坦度而对这些点进行选择，而不是能够选择车辆上的感兴趣但可能不平坦的位置。此外，换能器与车辆物理地接触。虽然换能器可能不会发生损坏，但是留在车身上的水影响其它质量控制措施，诸如污垢检测质量检查。
用于测量多层表面的另一种技术包括使用具有太赫兹(THz)频率的辐射束。在使用THz光源产生THz辐射束的情况下，THz头定位在指定的偏移处并且在执行测量之前垂直于车辆的目标表面。例如，辐射头可以附接到机器人或某一其它自动化件，以允许其跟踪轮廓表面和复杂的几何形状。THz辐射束从Thz辐射头发射并且因折射率的变化而从车辆反射。发射与反射之间的时间差用于计算厚度。由于折射率的变化，THz信号从涂层界面反射，并且反射的时间差用于计算厚度。
由于THz头相当地紧凑并且不接触车辆表面，因此它能用于测量不能被超声换能器测量的位置，诸如挡风玻璃凸缘。THz辐射束的直径典型地是1mm，这使得能够测量具有该大小的平坦区段的多个区。
然而，为了进行最佳测量，THz辐射头应垂直于车辆的目标表面对准，使得辐射头的发射器与辐射头的检测器对准。当发射器和检测器对准时，被反射的辐射信号的振幅通常处于最大值。如果辐射头不垂直于表面，那么被反射的辐射信号可能不与检测器对准，这造成较低的峰值振幅。信号的这种损失可能影响厚度测量的结果。在校准过程期间的未对准也会产生不正确的校准文件和不良数据。通过本公开的教导解决了这些和其它问题。
发明内容
本节提供本公开的一般概述，并且不是本公开的全部范围或其所有特征的全面公开。
在一种形式中，本公开涉及一种用于测量目标表面上的涂层的厚度的系统。所述系统包括太赫兹光谱装置以及参考图像投影仪。所述太赫兹光谱装置包括辐射头，所述辐射头可操作以将太赫兹辐射束投影到目标表面上并接收被反射的束。所述参考图像投影仪包括可见光装置，并且可操作以使用可见光源将参考图像投影到所述目标表面上。所述参考图像的视觉特性指示所述辐射头相对于所述目标表面的距离、旋转对准和角对准中的至少一个。
在另一种形式中，所述太赫兹光谱装置包括：太赫兹光源，所述太赫兹光源可操作以产生所述太赫兹辐射束；以及辐射头，所述辐射头包括发射所述太赫兹辐射束的发射器和用于接收所述被反射的束的检测器。
在又一种形式中，所述可见光装置与所述辐射头一起定位。
在一种形式中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为基于所述参考图像的所述视觉特性而控制所述辐射头相对于所述目标表面的位置和定向。
在另一种形式中，所述参考图像包括彼此叠加的至少两个图案。每个图案具有根据所述辐射头相对于所述目标表面的所述位置的视觉特性，并独立于其它图案。
在又一种形式中，所述至少两个图案中的一个图案是以矩阵形式布置的多个点，并且所述至少两个图案中的另一个图案是具有不同直径且彼此同心地定位的多个环。
在一种形式中，所述至少两个图案是彼此叠加的不同几何形状。
在另一种形式中，所述参考图像的所述视觉特性包括大小、变形和旋转位置中的至少一个。
在一种形式中，本公开涉及一种用于将光谱装置的太赫兹辐射头与目标表面对准的方法。所述方法包括：通过可见光源将参考图像投影到所述目标表面上；分析所述参考图像的视觉特性以确定所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的所述对准；以及将所述太赫兹辐射头与所述目标表面对准，使得所述参考图像的所述视觉特性在被校准的视觉特性内。从所述太赫兹辐射头发射的太赫兹辐射束由所述参考图像包围，并且所述参考图像的所述视觉特性指示所述太赫兹辐射头的距离、角度和旋转定向中的至少一个。
在另一种形式中，所述被校准的视觉特性代表所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的对准对于从所述目标表面接收被反射的太赫兹辐射束来说最佳时的所述参考图像。
在又一种形式中，所述投影所述参考图像还包括将彼此叠加的至少两个图案投影在所述目标表面上以形成所述参考图像。
在一种形式中，本公开涉及一种用于将光谱装置的太赫兹辐射头与车辆的目标表面对准的方法。所述方法包括：使用可见光源将图像投影到所述目标表面上；以及将所述太赫兹辐射头与所述目标表面对准，直到所述图像的视觉特性满足被校准的特性。所述被校准的特性代表所述太赫兹辐射头处于被校准的位置时的所述图像。
在另一种形式中，所述投影所述图像还包括将彼此叠加的两个图案投影在所述目标表面上以形成参考图像。每个图案具有根据所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的位置的视觉特性，并独立于另一个图案。
在又一种形式中，所述图像的所述视觉特性指示所述太赫兹辐射头的距离、角度和旋转定向中的至少一个。
另外的应用领域将从本文提供的描述中变得明显。应理解，描述和特定示例旨在仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将通过示例的方式参考附图描述其各种形式，其中：
图1是根据本公开的教导的具有参考图像投影仪的太赫兹(THz)传感系统的示意图；
图2是图1的系统的辐射头的示意图；
图3A示出了根据本公开的教导的参考图像投影仪的与辐射头一起布置的光装置；
图3B和图3C示出了由图3A的光装置形成的图案；
图3D示出了由图3B和图3C的图案形成的参考图像；
图4A和图4B示出了根据本公开的教导的辐射头与光图案的旋转关系；
图5A、图5B和图5C示出了根据本公开的教导的参考图像的基于辐射头的位置的不同视觉特性；以及
图6是根据本公开的教导的辐射头对准例程的流程图。
本文所述的附图仅用于说明的目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制本公开、应用或用途。应理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相似或对应的部分和特征。
太赫兹辐射束对于人眼是不可见的，并且因此可能难以对准辐射头，使得其垂直于目标表面。虽然一些系统包括与辐射头对准的单个可见激光束以帮助辐射头的对准，但是激光束不向操作者提供距辐射头的距离的指示，也不提供关于辐射头的旋转的指示。
本公开涉及一种太赫兹传感系统，所述太赫兹传感系统包括用于将参考图像投影到车辆的目标表面上的参考图像投影仪，所述参考图像投影仪提供用于将系统的辐射头与目标表面对准的视觉工具。如本文还描述的，参考图像的视觉特性用于指示例如辐射头相对于目标表面的距离和旋转对准。
参考图1，太赫兹(THz)传感系统100用于测量车辆车身102上的一个或多个油漆层的厚度。系统100包括光源106、耦接到光源106的辐射头108，以及控制器110。光源106可操作以产生在THz频率范围内的辐射束112。因此，辐射束112处于包括微波和红外光波的电磁波谱区中。辐射束112能穿透各种各样的材料并在视线中行进。
在一种形式中，辐射头108通过光纤电缆耦接到光源106，并且布置并附接到可移动构件114，诸如机器人臂。可移动构件114可操作以调整辐射头108的定向和位置。参考图2，辐射头108包括发射器202和检测器204。发射器202沿着车辆车身102朝向目标表面208发射或辐射由光源106产生的辐射束112。检测器204接收从车辆车身102反射的一个或多个被反射的辐射束210。辐射头108通过例如接线通信地耦合到控制器110，并且将指示被反射的辐射束210的数据传输到控制器110。
控制器110是包括例如处理器、计算机可读介质和其它电子部件的计算机。控制器110还连接到一个或多个用户接口115，诸如键盘和监视器(例如，液晶显示器)，以允许操作者查看被配置为用于操作系统100的一个或多个图形用户界面。控制器110被配置为控制光源106和辐射头108以发射THz辐射束112。控制器110还分析从辐射头108接收的信号以确定目标表面208的一个或多个油漆层的厚度。申请人的2015年8月19日提交的且标题为“ROBOTIC VEHICLE PAINTING INSTRUMENT INCLUDING A TERAHERTZ RADIATION DEVICE”的共同未决的申请美国序列号14/829,888中提供了这种分析的示例，该申请与本申请一起被共同拥有并且其内容以引用方式整体并入本文。
为了将辐射头108与目标表面208对准，系统100还包括参考图像投影仪116(图1)，参考图像投影仪116使用一个或多个可见光装置将参考图像投影到目标表面208上。参考图3A至图3D，在一种形式中，参考图像投影仪116包括用于产生参考图像的两个可见光装置302A和302B(即，统称光装置302)。光装置302与辐射头108一起设置，并且可以是任何合适的可见光装置，诸如可见激光装置。
光装置302被配置为投影不同图像以形成参考图像。在一种形式中，光装置302A形成线性图案304，线性图案304包括沿着两个正交轴线布置的多个点，并且光装置302B形成圆形图案306，圆形图案306具有不同直径且彼此同心地设置的多个环。在另一种形式中，圆形图案306可以被偏移到浅角，使得角度的略微变化造成用于以下进一步描述的视觉评估的被投影的图案的大的变形。光装置302被配置为投影相应的图像，使得图像叠加以形成参考图像308。光装置302能被配置为形成其它合适的几何形状和/或图案，并且因此图案和参考图像不限于本文所示的点和环。
在参考图像投影仪116与辐射头108一起布置的情况下，辐射头108的位置和旋转影响由光装置302投影的图案的一个或多个视觉特性。例如，图4A示出了辐射头108和线性图案304绕z轴的旋转关系，并且图4B示出了辐射头108和圆形图案306绕X-Y轴的旋转关系。如图所示，图案304和306的视觉特性是根据辐射头108的位置，并且因此可以与辐射头108相对于目标表面208的一个或多个位置特性相关。
参考图像投影仪116与辐射头108一起布置，使得辐射束112由参考图像308包围，并且当辐射头108处于相对于目标表面208的测量位置(例如，辐射头108垂直于目标表面208并且在距目标表面208的指定偏移处)时，参考图像308的视觉特性在一个或多个被校准的视觉特性内。视觉特性包括但不限于参考图像308的大小、变形和旋转位置中的至少一个。例如，图3D示出了当辐射头108处于测量位置时具有被校准的视觉特性的参考图像308。在测量位置处，圆形图案306定位在由线性图案304形成的边界内，线性图案304形成由多个点构成的方形网格，并且圆形图案306的圆形彼此同心地布置。
参考图像308的视觉特性指示辐射头108相对于目标表面208的位置关系。这种位置关系包括但不限于辐射头108相对于目标表面208的距离、旋转对准和角对准。例如，图5A至图5C示出了辐射头108处于除相对于目标表面208的测量位置之外的位置时的参考图像。在图5A中，圆形图案306大于图3D的圆形图案，并且与辐射头108的距离太远离目标表面208的位置相关。相反地，在图5B中，圆形图案306小于图3D的圆形图案，并且与辐射头108的距离太靠近目标表面208的位置相关。在图5C中，线性图案304旋转并且圆形图案306变形，这与辐射头108太靠近目标表面208且不垂直于目标表面208的位置相关。参考图像的视觉特性与辐射头108的各种位置之间的其它相关性是可能的，并且在本公开的范围内。
在使用被校准的视觉特性以及参考图像的视觉特性与辐射头108的位置之间的预定相关性的情况下，进行投影在目标表面208上的参考图像的视觉评估，以将辐射头108与目标表面208对准。在一种形式中，视觉评估由操作者执行，操作者通过操作可移动构件114来调整辐射头108的位置，直到投影在目标表面208上的参考图像在被校准的视觉特性内。
在另一种形式中，系统100被配置为包括视觉辨认仪器，其将参考图像的视觉特性与被校准的视觉特性进行比较并使用视觉特性与辐射头108的位置之间的预存储的相关性来对准辐射头108。例如，视觉辨认仪器具有相机，相机捕获参考图像的图像并将被捕获的图像传输到控制器110。控制器110被配置为基于参考图像的被捕获的图像而确定辐射头108的位置，并且通过控制可移动构件114来对准辐射头108，直到参考图像的视觉特性基本上匹配被校准的视觉特性的视觉特性。在又一种形式中，视觉评估由操作者和控制器110的组合执行。例如，当参考图像的视觉特性明显地不同于被校准的视觉特性时，操作者可以进行对辐射头108的初始调整，并且然后操作控制器110以执行进一步分析来进一步调整辐射头的位置。
在一种形式中，控制器110可以在监视器上显示可移动构件114、辐射头108和目标表面208的动画表示。在动画表示中，控制器110基于参考图像的视觉评估而显示用于指示辐射头108相对于目标表面208的位置的一个或多个标记。例如，控制器110可以示出以不同颜色和/或大小显示的圆形气泡以用于指示辐射头108相对于目标表面之间的距离。其它标记可以用于指示角度测量。这种视觉指示符帮助操作者将辐射头108与目标表面对准。
参考图6，提供由系统100执行的辐射头对准例程600。在602处，系统100将参考图像投影到目标表面上并分析参考图像的一个或多个视觉特性。例如，控制器110操作参考图像投影仪116以将参考图像投影在目标表面上。可以由控制器110、系统100的操作者或其组合来分析参考图像的视觉特性。
在604处，执行视觉评估以确定参考图像的一个或多个视觉特性是否在相应的被校准的视觉特性内。例如，将被投影的参考图像的大小、旋转和/或变形与被校准的大小、被校准的旋转和/或被校准的变形进行比较。
如果一个或多个视觉特性不在相应的被校准的视觉特性内，那么在606处，基于视觉特性的分析和预定相关信息而调整辐射头108的位置。例如，在一种形式中，参考图像的大小与辐射头108相对于目标表面208的距离相关。因此，如果参考图像的大小小于被校准的大小，那么辐射头108太靠近目标表面。从606，在604处再次将参考的视觉特性与被校准的视觉特性进行比较。如果视觉特性在被校准的视觉特性内，那么在608处，确定辐射头108与目标表面208正确地对准，以执行油漆厚度评估，并且对准例程600结束。
通过使用参考图像投影仪，能将不可见太赫兹辐射束可视化，以由操作者和/或控制器准确地将辐射头相对于目标表面对准。在本文提供的示例中，参考图像包括彼此叠加的两个图案。通过将两个图案叠加在彼此之上，可以确定绕太赫兹辐射头的三个轴线的旋转和距离。
本公开的描述本质上仅是示例性的，且因此，不脱离本公开的实质的变型旨在落入本公开的范围内。不应将这些变型视为脱离本公开的精神和范围。
根据本发明，一种用于将光谱装置的太赫兹辐射头与车辆的目标表面对准的方法，所述方法被提供为具有：使用可见光源将图像投影到所述目标表面上；以及将所述太赫兹辐射头与所述目标表面对准，直到所述图像的视觉特性满足被校准的特性，其中所述被校准的特性代表所述太赫兹辐射头处于被校准的位置时的所述图像。
根据实施例，所述投影所述图像还包括将彼此叠加的两个图案投影在所述目标表面上以形成参考图像，其中每个图案具有根据所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的位置的视觉特性，并独立于另一个图案。
根据实施例，所述两个图案中的一个图案是以矩阵形式布置的多个点，并且所述两个图案中的另一个图案是具有不同直径且彼此同心地定位的多个环。
根据实施例，所述两个图案是彼此叠加的不同几何形状。
根据实施例，所述图像的所述视觉特性包括所述图像的大小、变形和旋转位置中的至少一个。
根据实施例，所述图像的所述视觉特性指示所述太赫兹辐射头的距离、角度和旋转定向中的至少一个。

Claims (14)

1.一种用于测量目标表面上的涂层厚度的系统，所述系统包括：
太赫兹光谱装置，所述太赫兹光谱装置包括辐射头，所述辐射头可操作以将太赫兹辐射束投影到目标表面上并接收被反射的束；以及
参考图像投影仪，所述参考图像投影仪包括可见光装置并且可操作以使用所述可见光装置将参考图像投影到所述目标表面上，其中所述参考图像的视觉特性指示所述辐射头相对于所述目标表面的距离、旋转对准和角对准中的至少一个。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
所述太赫兹光谱装置包括太赫兹光源，所述太赫兹光源可操作以产生所述太赫兹辐射束，以及
所述辐射头包括发射所述太赫兹辐射束的发射器和用于接收所述被反射的束的检测器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述可见光装置与所述辐射头一起定位。
4.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为基于所述参考图像的所述视觉特性而控制所述辐射头相对于所述目标表面的所述位置和定向。
5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述参考图像包括彼此叠加的至少两个图案，每个图案具有根据所述辐射头相对于所述目标表面的所述位置的视觉特性，并独立于其它图案。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述至少两个图案中的一个图案是以矩阵形式布置的多个点，并且所述至少两个图案中的另一个图案是具有不同直径且彼此同心地定位的多个环。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述至少两个图案是彼此叠加的不同几何形状。
8.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述参考图像的所述视觉特性包括大小、变形和旋转位置中的至少一个。
9.一种用于将光谱装置的太赫兹辐射头与目标表面对准的方法，所述方法包括：
通过可见光源将参考图像投影到所述目标表面上，其中从所述太赫兹辐射头发射的太赫兹辐射束由所述参考图像包围；
分析所述参考图像的视觉特性以确定所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的所述对准，其中所述参考图像的所述视觉特性指示所述太赫兹辐射头的距离、角度和旋转定向中的至少一个；以及
将所述太赫兹辐射头与所述目标表面对准，使得所述参考图像的所述视觉特性在被校准的视觉特性内。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述被校准的视觉特性代表所述太赫兹辐射头相对于所述目标表面的对准对于从所述目标表面接收被反射的太赫兹辐射束来说最佳时的所述参考图像。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述投影所述参考图像还包括将彼此叠加的至少两个图案投影在所述目标表面上以形成所述参考图像。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个图案中的一个图案是以矩阵形式布置的多个点，并且所述至少两个图案中的另一个图案是具有不同直径且彼此同心地定位的多个环。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个图案是彼此叠加的不同几何形状。
14.如权利要求9或10所述的方法，其中所述参考图像的所述视觉特性包括大小、变形和旋转位置中的至少一个。
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