用来测量几何特征的测量系统和测量方法技术领域
本发明有关一种测量系统和测量方法，尤其涉及一种测量被测对象的几
何特征的测量系统和测量方法。
背景技术
测量被测对象的几何特征时往往存在诸多的挑战，例如测量空腔的内表
面、开口表面、两边缘之间的间隙、横截面的半径或两个面之间的阶梯。目
前的测量系统包括发光源发射光束至透镜，例如锥形镜。透镜反射光束形成
聚焦光环照射被测对象，被测对象的表面反射聚焦光环形成反射光环。测量
系统根据反射光环获得被测对象的几何特征。然而，利用单聚焦光环来测量
几何特征的测量系统具有其局限性，如此单次测量仅可以获得被测对象的一
个横截面的轮廓。当聚焦光环所在的平面与被测对象的被测表面成非90度的
角时，很难获得准确的几何特征。
因此，有必要提供一种测量系统和方法来解决上面提及的至少一个技术
问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种测量系统。该测量系统包括：发光单元，
用来发出准直光束；前透镜，用来反射部分所述准直光束来发射结构光的前
聚焦光环至被测对象来获得来自所述被测对象的前反射光环，并且用来允许
部分准直光束通过；后透镜，在光传播路径上位于所述前透镜的下游，用来
反射至少部分通过所述前透镜的所述准直光束来发射所述结构光的后聚焦光
环至所述被测对象来获得来自所述被测对象的后反射光环；成像单元，用来
记录所述前反射光环和所述后反射光环的组合图像；及处理单元，连接于所
述成像单元，用来根据所述组合图像获得所述被测对象的至少一个几何特征。
本发明的另一个方面在于提供一种测量系统。该测量系统包括：发光单
元，用来发出准直光束；结构光产生单元，用来产生结构光，包括：前锥形
反射面，用来反射部分所述准直光束形成所述结构光的前聚焦光环来获得前
反射光环，并且用来允许部分准直光束通过；及后锥形反射面，用来反射至
少部分通过所述前锥形反射面的所述准直光束形成所述结构光的后聚焦光环
来获得后反射光环。该测量系统还包括成像单元，用来记录所述前反射光环
和所述后反射光环的组合图像；及处理单元，连接于所述成像单元，用来根
据所述组合图像获得被测对象的至少一个几何特征。
本发明的另一个方面在于提供一种测量方法。该测量方法包括步骤：发
出准直光束；反射部分所述准直光束来发射结构光的前聚焦光环至被测对象
来获得前反射光环，并且使得部分准直光束通过；反射至少部分通过的所述
准直光束产生并发射所述结构光的后聚焦光环至所述被测对象来获得后反射
光环；记录所述前反射光环和所述后反射光环的组合图像；及根据所述组合
图像获得所述被测对象的至少一个几何特征。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，
在附图中：
图1所示为本发明测量系统的一个实施例的示意图；
图2所示为本发明组合图像和单独图像的一个实施例的示意图；
图3所示为本发明测量系统的另一个实施例的示意图；
图4所示为本发明测量系统的另一个实施例的示意图；
图5所示为本发明测量系统的结构光产生单元的一个实施例的示意图；
图6所示为本发明结构光产生单元的另一个实施例的示意图；
图7所示为本发明结构光产生单元的再一个实施例的示意图；
图8所示为本发明结构光产生单元的又一个实施例的示意图；
图9所示为本发明结构光产生单元的另一个实施例的示意图；
图10所示为本发明测量方法的一个实施例的流程图；
图11所示为本发明测量方法的另一个实施例的流程图；
图12所示为利用本发明测量系统测量圆锥形的空腔的一个实施例的示
意图；
图13所示为利用本发明测量系统测量开曲面的一个实施例的示意图。
具体实施方式
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领
域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权
利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量
或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似
的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包
括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或
者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连
接，而是可以包括电性的或者光学的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为一个实施例的测量系统100的示意图。测量系统100能够用
来测量被测对象的至少一个几何特征。例如能够测量空腔的三维轮廓、圆柱
体空腔的直径、开曲面的过渡半径、台阶的阶梯特征及间隙的两个边缘之间
的距离。被测对象的表面的裂缝和隆起也可通过测量系统100来测量。测量
系统100包括发光单元15、结构光产生单元16、成像单元21和处理单元23。
发光单元15用来发出准直光束25。在一个实施例中，发光单元15包括光源
27和准直镜29。光源27可以是激光二极管、发光二极管(LED)或其他点
光源。准直镜29用来准直光源27发出的光产生准直光束25。在另一个实施
例中，发光单元15包括按照一定的规律排列的若干准直镜来准直来自光源
27的光。在另一个实施例中，发光单元15包括一个或多个其他光学元件。
例如，光源27放置于偏离测量系统100的测量轴31的位置，多个平面镜用
来改变光源27的光的传播方向。在图示实施例中，光源27和准直镜29位于
测量轴31上。图中每一光束仅用一条带箭头的线表示，实际的光束不是只有
一条线而是若干条光线。在本实施例中，被测对象11为管道。
结构光产生单元16用来产生结构光32，其包括前透镜17和后透镜19。
前透镜17用来反射部分准直光束25来发射结构光32的前聚焦光环33至被
测对象11来获得来自被测对象11的前反射光环37，并且用来允许部分准直
光束25通过。其中，“通过”指光线从前透镜17中穿过或从前透镜17周围
绕过前透镜17。前透镜17包括前锥形反射面50，用来反射部分准直光束25
形成结构光32的前聚焦光环33来获得前反射光环37，并且用来允许部分准
直光束25通过。
在图示实施例中，前透镜17包括设置于前透镜17内的允许准直光束25
通过的透光通道39。透光通道39穿过前锥形反射面50且允许准直光束25
通过。透光通道39的直径小于准直光束25的直径，如此让部分准直光束25
从中通过。在一个实施例中，透光通道39是一个沿测量轴31延伸的通孔。
在另一个实施例中，透光通道39由透光材料制成，例如玻璃，可让准直光束
25通过。在一个实施例中，前透镜17的端部为平面，也就是说，透光通道
39为圆柱状，其端部为平面，使得准直光束25在透光通道39中沿测量轴31
传播。
在图示实施例中，前透镜17的前锥形反射面50反射准直光束25的外围
部分且准直光束25的内圈部分传播至后透镜19。前透镜17位于测量轴31
上。在图示实施例中，前透镜17为锥形镜，例如45度的锥形镜。透光通道
39从锥形镜的尖端沿其中心轴延伸。前透镜17的中心轴和测量轴31重合。
前聚焦光环33垂直于测量轴31。前聚焦光环33照射到被测对象11的反射
面35产生前反射光环37。
后透镜19在光传播路径上位于前透镜17的下游，用来发射至少部分通
过前透镜17的准直光束25来发射结构光32的后聚焦光环41至被测对象11
来获得来自被测对象11的后反射光环43。后透镜19包括后锥形反射面52，
用来反射至少部分通过前锥形反射面50的准直光束25形成结构光的后聚焦
光环41来获得后反射光环43。
在图示实施例中，结构光32包括前聚焦光环33和后聚焦光环41。后透
镜，例如锥形镜，位于测量轴31上。在图示实施例中，后透镜19为45度的
锥形镜。在一个实施例中，后透镜19和前透镜17同轴排列，前锥形反射面
50和后锥形反射面52同轴排列。前聚焦光环33和后聚焦光环41平行。后
聚焦光环41照射到被测对象11的反射面35产生后反射光环43。
成像单元21，例如相机，用来记录前反射光环37和后反射光环43的组
合图像。成像单元21包括物镜或物镜组45和阵列探测器46。前反射光环37
和后反射光环43被物镜45成像。图像被记录在阵列探测器46，例如CCD、
CMOS。在一个实施例中，发光单元15和成像单元21位于前透镜17和后透
镜19的相对两侧。
处理单元23连接于成像单元21，用来根据组合图像获得被测对象11的
至少一个几何特征。在一个实施例中，处理单元23为计算机或其他计算设备，
例如现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器等，其中处理器可以是多核处理
器。处理单元23连接前反射光环37和后反射光环43上相对应的点来获得被
测对象11的几何特征。例如，处理单元23根据前反射光环37产生被测对象
11的前横截面的二维轮廓且根据后反射光环43产生被测对象11的后横截面
的二维轮廓，处理单元23通过线性连接前横截面的二维轮廓和后横截面的二
维轮廓上对应的点输出三维的被测对象11的结构。此处仅举出一个示例，并
不限于此。
在一个实施例中，测量系统100进一步包括开闭部件47。开闭部件47
可操作地阻止后反射光环43产生。当开闭部件47打开时，光可穿过。当开
闭部件47闭合时，光被阻挡。在一个实施例中，开闭部件47在光传播路径
上位于前透镜17和后透镜19之间。开闭部件47通过阻挡准直光束25到达
后透镜19来阻止产生后反射光环43，如此仅产生并成像前反射光环37。在
另一个实施例中，开闭部件47环绕后透镜19设置，其可操作地阻挡后聚焦
光环41到达被测对象11，从而不产生后反射光环43。在再一个实施例中，
开闭部件47可用来阻挡后反射光环43到达成像单元21，从而不成像后反射
光环43。成像单元21用来记录前反射光环37的单独图像，且处理单元23
用来在单独图像的辅助之下从组合图像中区分出前反射光环37和后反射光
环43。开闭部件47可以是机械的开闭部件、液晶的开闭部件或其他能够在
透光和挡光之间切换的部件。
图2所示为一个实施例的组合图像200和单独图像202的示意图。组合
图像200显示了前反射光环37的图像和后反射光环43的图像。前反射光环
37的图像表示了被测对象11的反射面35的前横截面的轮廓，且后反射光环
43的图像表示了被测对象11的反射面35的后横截面的轮廓。在图示实施例
中，前反射光环37和后反射光环43的图像都是环形，也就是说，被测对象
11的前横截面和后横截面的轮廓都是环形。本实施例中，被测对象11可以是
圆台状的空腔。此处仅以此示例说明但不限于此。前反射光环37和后反射光
环43的图像根据不同的横截面的形状而变化。
单独图像202仅显示了前反射光环37。根据组合图像200和单独图像202
将组合图像200的前反射光环37的图像和后反射光环43的图像分开。如此，
即使组合图像200的前反射光环37上的点和后反射光环43上的点很靠近或
重叠时，两光环上的点也可以被区分开。结合参考图1，图2的前反射光环
37的图像乘以放大倍数而放大来获得前聚焦光环33的图像，其中该放大倍
数为前聚焦光环33和物镜45之间的距离L1除以物镜45和阵列探测器46
之间的距离L3的结果。类似的，图2的后反射光环43的图像乘以另一放大
倍数而放大来获得后聚焦光环41的图像，其中该放大倍数为后聚焦光环41
和物镜45之间的距离L2除以物镜45和阵列探测器46之间的距离L3的结
果。在一个实施例中，前聚焦光环33的图像和后聚焦光环41的图像为相互
重叠的圆环。
图3所示为另一个实施例的测量系统300的示意图。图3的测量系统300
类似于图1的测量系统100。相比较于图1的测量系统100，图3的测量系统
300的发光单元15和成像单元21位于前透镜17和后透镜19的同一侧，如
此测量系统300的结构较紧凑。发光单元15的光源27通过准直镜29发射出
准直光束25至前透镜17，前透镜17反射部分光至被测对象11的反射面35，
且部分光穿过前透镜17至开闭部件47和后透镜19。剩余的光传播路径与图
1实施例相同。
图4所示为再一个实施例的测量系统400的示意图。图4的测量系统400
类似于图1的测量系统100。相比较于图1的测量系统100，图4的测量系统
400的结构光32产生单元16进一步包括至少一个在光传播路径上位于前透
镜17和后透镜19之间的中间透镜18。中间透镜18用来反射部分准直光束
25来发射结构光32的至少一个中间聚焦光环34来获得至少一个中间反射光
环38，且用来使得部分准直光束25通过。仅为了图示说明的目的，图中仅
示出一个中间透镜18。根据特定的运用，结构光产生单元16可以包括任意
数目的中间透镜18。一个实施例中，中间透镜18可用于图像精度要求比较
高的运用中，例如光环33、34和41之间的距离较小可以提高测量精度。另
一个实施例中，中间透镜18可以测量被测对象11的发射面35的更大区域，
来提高测量速度。
在图示实施例中，中间透镜18包括透光通道40，其类似于前透镜17的
透光通道39。中间透镜18的透光通道40的直径小于前透镜17的透光通道
39。在一个实施例中，结构光产生单元16包括两个或两个以上的中间透镜
18。下游的中间透镜18的透光通道40的直径小于上游的中间透镜18的透光
通道40。如此，准直光束25能够被中间透镜18反射且部分通过中间透镜18。
中间反射光环38也由成像单元21成像，且处理单元23根据前反射光环37、
中间反射光环38和后反射光环43来获得被测对象11的几何特征，从而提高
测量的精度。在一个实施例中，结构光成像单元16进一步包括开闭部件48，
其类似于开闭部件47。开闭部件47和48分别位于两个透镜之间。开闭部件
的数目根据透镜的数目而设定。如此，组合图像中的多个反射光环37、38、
43可以被区分开。
图5所示为另一个实施例的结构光产生单元16的示意图。前透镜17的
第一底面的直径D1小于准直光束25的直径，且后透镜19的第二底面的直
径D2大于前透镜17的第一底面171的直径D1。前透镜17比准直光束25
小且后透镜19比前透镜17大。前锥形反射面50围成的第一底面171的直径
D1小于准直光束25的直径，且后锥形反射面52围成的第二底面191的直径
D2大于前锥形反射面50围成的第一底面171的直径D1。如此，前锥形反射
面50反射准直光束25的内圈部分形成前聚焦光环33，准直光束25的外围
部分从前透镜17的侧面通过前透镜17至后透镜19。后透镜19的后锥形反
射面52反射准直光束25的外围部分形成后聚焦光环41。
在一个实施例中，前透镜17和后透镜19制造成一体，为一片透镜。前
锥形反射面50和后锥形反射面52成阶梯状排列。前锥形反射面50和后锥形
反射面52之间形成有台阶54。前锥形反射面50和后锥形反射面52在垂直
于透镜中心轴的方向上错开排列，使得两锥形反射面50、52均可以接收到准
直光束25。在另一个实施例中，前透镜17和后透镜19可以制造成独立的两
片透镜。例如，前透镜17为比准直光束25小的锥形镜，且后透镜19为比前
透镜17大的锥形镜。图1、3和4中的前透镜17和后透镜19可制造成独立
的两片透镜。在图示实施例中，开闭部件47设置成环绕后透镜19，其为环
形的开闭部件，可用来阻挡后聚焦光环41到达被测对象。
图6所示为再一个实施例的结构光产生单元16的示意图。图6的结构光
产生单元16类似于图5所示的结构光产生单元16。相比于图5的结构光产
生单元16，图6的结构光产生单元16包括中间透镜18，中间透镜18包括中
间锥形反射面51。结构光产生单元16包括至少一个在光传播路径上位于前
锥形反射面50和后锥形反射面52之间的中间锥形反射面51，中间锥形反射
面51用来反射部分准直光束25形成结构光的至少一个中间聚焦光环34来获
得至少一个中间反射光环，且用来使得部分准直光束25通过。在另一个实施
例中，两个或更多个中间透镜18被用来产生中间聚焦光环34。锥形反射面
50、51和52成阶梯状排列。
图7所示为又一个实施例的结构光产生单元16的示意图。图7的结构光
产生单元16类似于图5所示的结构光产生单元16。相比于图5的结构光产
生单元16，图7的结构光产生单元16的前透镜17和后透镜19为在一个镜
片的内部形成的内部锥形镜。前透镜17和后透镜19形成在一片外表面601
为平面的透光的块体60内，透光的块体60可以是由玻璃或其他透光的材料
制成。前锥形反射面50和后锥形反射面52由反射材料形成在透光的块体60
的内表面来反射光线。在一个实施例中，图6所示的结构光产生单元16的透
镜17至19可以制造成内部的锥形透镜，其类似于图7所示的结构光产生单
元16的透镜。
图8所示为另一个实施例的结构光产生单元16的示意图。后透镜19为
成形在透光的块体60的内部的锥形镜。前透镜17成形在块体60的前表面。
前透镜17的顶端为透光的平面62，使得部分准直光束25通过至后透镜19。
前锥形反射面50直接在透光的块体60的表面形成或形成后附着在块体60表
面。
图9所示为另一个实施例的结构光产生单元16的示意图。图9的结构光
产生单元16类似于图8所示的结构光产生单元16。相比于图8的结构光产
生单元16，图9的结构光产生单元16进一步包括形成在透光的块体60内的
中间透镜18。中间透镜18比后透镜19小，且中间透镜18的底面直径比前
透镜17的顶端平面62的直径小，来反射部分准直光束25且让部分准直光束
25通过至后透镜19。中间透镜18和后透镜19的排布类似于图5和7的透镜
的排布。在另一个实施例中，两个或更多个中间透镜18可形成在透光的块体
60内。
图10所示为一个实施例的用来测量被测对象的几何特征的测量方法600
的流程图。步骤601中，发出准直光束。步骤603中，反射部分准直光束来
发射结构光的前聚焦光环至被测对象来获得前反射光环，并且使得部分准直
光束通过。准直光束被前透镜反射形成前聚焦光环。被测对象的表面反射前
聚焦光环形成前反射光环。
步骤605中，反射至少部分通过的准直光束来发射结构光的后聚焦光环
至被测对象来获得后反射光环。通过的准直光束被后透镜反射形成后聚焦光
环。被测对象的表面反射后聚焦光环产生后反射光环。在一个实施例中，前
反射光环和后反射光环平行。
步骤607中，记录前反射光环和后反射光环的组合图像。组合图像显示
了被测对象的前横截面的轮廓和后横截面的轮廓。步骤609中，根据组合图
像获得被测对象的至少一个几何特征。连接前反射光环和后反射光环上相应
的点并处理来获得被测对象的几何特征。
在一个实施例中，测量方法600进一步包括记录前反射光环的单独图像
且在单独图像的辅助之下从组合图像中区分出前反射光环和后反射光环。仅
前反射光环被成像，如此获得前反射光环上的点。从而，可以从组合图像中
区分开前反射光环的点和后反射光环的点。在另一个实施例中，仅后反射光
环被成像，如此获得后反射光环上的点。从而，可以从组合图像中区分开前
反射光环的点和后反射光环的点。
在一个实施例中，移动测量装置或者被测对象来连续地测量和成像被测
对象。例如，测量装置封装于管道镜中，管道镜插入管道或空腔中来测量管
道或空腔的几何特征。图像可以用来排查裂缝、翘曲、表面凸起等。
图11所示为另一个实施例的测量方法700的流程图。图11的测量方法
700类似于图10的测量方法600。相比较于图10的测量方法600，图11的
测量方法700进一步包括步骤604。在步骤604中，反射准直光束产生并发
射结构光的位于前聚焦光环和后聚焦光环之间的中间聚焦光环至被测对象来
获得中间反射光环。中间反射光环也被成像。根据前反射光环、中间反射光
环和后反射光环的图像来获得被测对象的几何特征，从而提高测量精度。
一个实施例中，为了区分前反射光环、后反射光环和中间反射光环，后
反射光环和中间反射光环分别成像，且和组合图像对比来区分各个光环。在
另一个实施例中，前反射光环和中间反射光环可以分别独立成像来分别获得
前反射光环和中间反射光环上的点，且与组合图像对比来区分各个光环。在
再一个实施例中，前反射光环和后反射光环分别成像，且与组合图像对比来
区分各个光环。
图12为利用测量系统100、300或400测量圆锥形的空腔800的一个实
施例的示意图。测量系统100、300或400获得从圆锥形空腔800内表面反射
出的前反射光环37和后反射光环43。线性连接前反射光环37和后反射光环
43上相对应的点获得空腔800的三维轮廓，如此获得空腔800的几何特征。
在一个实施例中，前反射光环37和后反射光环43不垂直于圆锥形空腔800
的中心轴801。
图13为利用测量系统100、300或400测量开曲面900的一个实施例的
示意图。测量系统100、300或400获得从开曲面900的表面反射出的前反射
光环37和后反射光环43。前反射光环37和后反射光环43分别是曲线。线
性连接前反射光环37和后反射光环43上相对应的点获得开曲面900的三维
轮廓，如此获得开曲面900的几何特征。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可
以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书
的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。