本发明涉及探头系统，尤其涉及用于三维表面尺寸测量的探头系统和检测方法。
背景技术：
探头系统，典型地例如管道镜或内窥镜，一般用来对弯曲管道深处进行工业探测，特别针对密封空腔内部空间结构进行观察。大多数管道镜或内窥镜通过投射结构光到物体表面来进行三维表面尺寸测量。然而，如果物体表面为光滑表面，物体表面反射光的强度太强，会使图像传感器饱和。如果物体表面太暗，其反射率太低，物体表面反射的光的强度太弱而不能被图像传感器感应。一些物体表面可能部分区域光滑和/或部分区域太暗，因此物体表面的反射率变化导致很难形成完整的物体表面的图像。物体表面光滑的区域在图像中显示为高亮区域，太暗的区域在图像中显示为极黑区域，如此高亮区域和太暗的区域的信息不能被获得。因而，具有反射率变化的被测物体对于任何探头和检测方法来说都是很大的挑战。
因此，有必要提供一种探头系统和检测方法用于解决至少部分上述问题。
技术实现要素：
本发明的一个方面在于提供一种内窥镜探头系统。该探头系统包括：发光单元，用来发射光；图案生成单元，用来投射至少一个参照结构光图案至物体表面以获得至少一个参照投影图案，所述图案生成单元包括振镜扫描单元，用来将发光单元发射的光反射至多个方向；及光强调制器，用来根据所述参照投影图案调制发光单元发射的光的强度，且提供调制光至所述振镜扫描单元来将调制光反射至多个方向，来投射至少一个调制结构光图案至物体表面，以获得至少一个调制投影图案。
本发明的另一个方面在于提供一种检测方法。该检测方法包括：发射光；将光反射到多个方向，来投射至少一个参照结构光图案至物体表面，以获得至少一个参照投影图案；根据所述参照投影图案调节发射出的光的强度以获得调制光；及将调制光反射到多个方向，来投射至少一个调制结构光图案至物体表面，以获得至少一个调制投影图案。
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所示为本发明探头系统的一个实施例的示意图；
图2所示为本发明生成结构光图案的一个实施例的光路图；
图3所示为本发明生成结构光图案的另一个实施例的光路图；及
图4所示为本发明检测方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，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连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为管道镜/内窥镜系统或探头系统10的一个实施例的示意图。探头系统10包括用于发射光的发光单元34。发光单元34包括发光模块11。在一个实施例中，发光模块11包括用于发射光点的一个或多个点光源。一个点光源发射出一个光点，或多个点光源发射出多个独立的间隔的光点。点光源可以是激光二极管、发光二极管(led)，或能够发射光点的其他任何光源。在另一个实施例中，发光模块11包括用于发射线形光的线光源。线光源可以是一排点光源，如一排激光二极管或一排led，其紧密排布来发射一条线形的光，或能够发射出线形光的其他任何光源。在又一实施例中，发光模块11包括一个光源，其可以是点光源，以及一排光纤，用来产生线形光。在又一实施例中，发光模块11可包括点光源阵列，其设置成可以发射出比光点大的光斑。
发光单元34包括驱动导体35和发光驱动器32。在一个实施例中，驱动导体35包括一根或多根导线，从发光驱动器32向发光模块11传输电力。在一个实施例中，发光单元34可包括微控制器30。微控制器30与中央处理单元(cpu)56交互通信并且控制发光驱动器32以驱动发光模块11。微控制器30可以指令发光驱动器32将电力提供到发光模块11来发射光，或禁用发光驱动器32来关掉发光模块11。在一个实施例中，发光驱动器32和/或微控制器30可整合在发光模块11中。在图示实施例中，微处理器30可以实现除了控制发光驱动器32之外的其他功能，该些功能将在后续的段落中描述。从发光模块11发射的光可以通过光纤线缆16引导到图案生成单元23。光纤线缆16可以包括一条或多条光纤。
图案生成单元23用来投射至少一个结构光图案(structured-lightpattern)41到物体表面43以获得至少一个投影图案45。图案生成单元23利用来自发光模块11的光形成结构光图案41。在一个实施例中，结构光图案41包括包含正弦强度轮廓(sinusoidalintensityprofile)的平行的亮线和暗线。具有方形、梯形、三角形或其它轮廓的线条结构光图案也可以用来投影到物体表面43。结构光图案41也可以包括非直线的平行线。例如，曲线、波浪线、锯齿线或者其它此类图案。物体表面43反射投射在其上的结构光图案41形成投影图案45。
在一个实施例中，至少三个彼此偏移的结构光图案依次形成并投射到物体表面。该至少三个结构光图案可以在垂直于结构光图案的线条的轴线上偏移1/3周期，从而投射图案之间相位偏移120°。值得注意的是，该实施例是一个非限定的例子。在其它一些实施例中，可以形成某些其它相位偏移的结构光图案投射到物体表面。
图案生成单元23包括振镜扫描单元19，用来将发光单元34发射的光反射至多个方向。振镜扫描单元19可包括一个或多个可控镜，被控制偏斜来反射光。在一个实施例中，可控镜被控制在二维方向上偏斜来向预期的多个方向反射单个光点。可控镜可以被控制在两个垂直的方向上偏斜。在另一个实施例中，可控镜被控制在一维方向偏斜，来向预期的多个方向反射光。在另一个实施例中，多个可控镜被控制在一维或二维的方向偏斜，以分别反射相应的光点。在一个实施例中，振镜扫描单元19包括一个或多个微机电系统(microelectromechanicalsystems)振镜扫描仪。
扫描控制器36用来根据期望形成的结构光图案控制振镜扫描单元19的可控镜偏斜。微控制器30可发送可控镜偏斜的方向和/或角度的信号给扫描控制器36，且扫描控制器36根据该信号偏斜可控镜。在一个实施例中，信号可指示该可控镜的边缘的位置，以便改变可控镜的方向和角度。可控镜可以向多个方向和/或角度偏斜，来将光投射至不同的方向。在一个实施例中，扫描控制器36也可给振镜扫描单元19提供电力。
图案生成单元23包括光强调制器18，其用于调制发光模块11发射出的光的强度。在一个实施例中，光强调制器18位于光传输路径上，例如位于下光纤线缆16的下游，作为外部调制。例如，光强调制器18可以是液晶面板或微反射镜阵列。在另一个实施例中，光强调制器18调制驱动发光模块11的电流来调节光强，其可位于发光模块11或发光驱动器32内。调制控制器38用来控制光强调制器18调制光的强度。
振镜扫描单元19反射发光单元34发射出的未调制的光，并且图案生成单元23形成并投射至少一个参照结构光图案到物体表面43，以获得至少一个参照投影图案。由于物体表面43对光的反射率的变化，参照投影图案包含强度变化的光。
光强调制器18根据参照投影图案调制来自发光单元34的光强，以获得调制光。如果参照投影图案的光的强度过高，表明物体表面43的对应部分是光滑的，光强调制器18降低投影到物体表面43的该光滑部分的光的强度。如果参照投影图案的光的强度过低，表明物体表面43的相应部分是很暗的，光强调制器18提高投影到物体表面43的该很暗部分的光的强度。如果参照投影图案的光的强度适合被图像传感器(未图示)感应，投射到物体表面43的光的强度不被调制。
光强调制器18提供调制光给图案生成单元23，来投射至少一个调制结构光图案到物体表面43，以获得至少一个调制投影图案。在振镜扫描单元19反射调制光的过程中，光强调制器18可逐个光点、逐条线形光，或逐个光照区域地调节光的强度。可能对光进行多次调节直至获得期望的适合构建清晰完整的图像的调制投影图案。如此，投影图案的光分布被调节来适应反射率的变化，且反射率变化得到补偿。
在图示的实施例中，图案生成单元23包括位于光纤线缆16的下游用来散射光的透镜17。透镜17散射的光被用于形成结构光图案。反射镜33用来将来自光强调制器11的光引导到振镜扫描单元19，使光可以被振镜扫描单元19所反射。在一个实施例中，光栅37位于振镜扫描单元19的下游，用于遮挡振镜扫描单元19反射的光。
发光模块11、光纤线缆16、透镜17、光强调制器18、反射镜33、振镜扫描单元19和光栅37可按图1所示的方式，但不限于此方式，进行排布。在另一个实施例中，发光模块11、光纤线缆16、透镜17、光强调制器18、反射镜33、振镜扫描单元19和光栅37可以按其他方式进行排布来形成并投射结构光图案到物体表面43。在一些实施例中，透镜17、反射镜33和/或光栅37可以被省略，或者使用一些其它的光学器件。
在图示的实施例中，透镜17、光强调制器18、反射镜33、振镜扫描单元19和光栅37置于插入管40中，发光模块11置于插入管40外部，且光纤线缆16从发光模块11延伸到插入管40内。插入管40包括成像单元24，其包括观察光学器件44、至少一个成像器12、缓冲电子器件13和探头光学器件15，用于从投影图案45获取图像数据。插入管40可置于物体表面43附近，比如，插入到物体中。插入管40包括细长部分46和可拆卸的末梢42。细长部分46是可弯曲的，并包括成像器12、缓冲电子器件13和光学探头15。末梢42连接到细长部分46。可拆卸的末梢42包括观察光学器件44，其和光学探头15组合来引导并聚焦来自物体表面43的投影图案45的光到成像器12。末梢42内的元件可替换地位于细长部分46内。这些元件包括观察光学器件44和光栅37。
在一个实施例中，结构光图案41从插入管40的前端投射到物体表面43，且物体表面43反射的投影图像45从插入管40的前端回传到观察光学器件44。在另一个实施例中，结构光图案41可以从插入管40的侧边投射到物体表面，且物体表面43反射的投影图像从插入管40的该侧边回传到观察光学器件44。
成像器12可包含，例如，感光像素(light-sensitivepixel)的二维阵列，其响应于每一个像素下感应到的光强输出图像数据。成像器12可包含电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器，或其他有类似功能的设备。来自成像器12的图像数据由缓冲电子设备13缓冲，并经信号线14传送到成像器接口电子器件31。成像器接口电子器件31可包含，例如，电源、用于产生成像器时钟信号的定时发生器、用于数字化图像数据的模拟前端，以及用于把数字化的图像数据处理成对于视频处理器50更有用的格式的数字信号处理器(dsp)51。
微控制器30可接收来自于成像器接口电子器件31数字化的图像数据，并分析图像数据以确定光的调制。在一个实施例中，微控制器30分析图像数据的灰度来确定该灰度是否适合产生清晰的图像，比如，确定每一灰度是否在阈值上限和阈值下限之间。如果物体表面43的一部分是光亮的，对应于光亮部分的图像数据的灰度则大于阈值上限，光亮部分的图像将为高光。如果物体表面43的部分太暗，对应于暗部的图像数据的灰度则低于阈值下限，暗部的图像将很暗。在一个实施例中，阈值上限可以在220-250的范围内而阈值下限可以在0-60的范围内。在非限定实施例中，阈值上限可以为230，阈值下限可以为50。
如果一个或多个图像数据的灰度大于阈值上限，微控制器30将命令调制器控制器38来控制光强调制器18，以降低发光模块11发射的光的强度。如果一个或多个图像数据的灰度小于阈值下限，微控制器30将命令调制器控制器38来控制光强调制器18，以提高发光模块11发射的光的强度。如果一个或多个图像的灰度在阈值上限和阈值下限之间，微控制器30则命令调制器控制器38控制光强调制器18不调制发光模块11发射的光的强度。调制光的强度直至图像数据的灰度均在阈值上限和阈值下限之间。成像单元24从调制投影图案获得调制图像数据。在一个实施例中，调制图像数据可被用于物体表面的三维映射和尺寸测量。因此，物体表面43的每个部分的图像都是清晰的，从而可以获得物体表面34的三维信息。
视频处理器50可执行各种功能，不仅限于图像捕获、图像增强、图形叠加合并以及视频格式转换，其将相关功能的信息存储在视频存储器52内。视频处理器50可以包含现场可编程门阵列(fpga)、相机数字信号处理器，或其他处理元件，并向中央处理单元56提供以及接收信息。提供的和接收的信息可以涉及命令、状态信息、视频、静止图像和/或图形叠加。视频处理器50还给各种显示器输出信号，如计算机监视器22、视频监视器20和集成显示器21。
连接后，计算机监视器22、视频监视器20和/或集成显示器21通常各自显示处于检测下的物体表面的图像、菜单、光标和测量结果。计算机监视器22一般是外部计算机类型监视器。类似地，视频监视器20一般包括外部视频监视器。集成显示器21集成并内置到探头系统10中，并且一般包括液晶显示器(lcd)。
中央处理单元56优选使用程序存储器58和非易失性存储器60，其可包括可移动存储设备。中央处理单元56也可以使用易失性存储器，如ram，用于执行程序及临时存储。小键盘64和操纵杆62用于传输用户输入到中央处理单元56，来执行诸如菜单选择、光标移动、滑块的调整和清晰度控制(articulationcontrol)等类似功能。计算机i/o接口66给中央处理单元56提供各种接口，如usb、火线、以太网、音频i/o，以及无线收发器。另外的用户i/o设备，例如键盘或鼠标，也可以连接到计算机i/o接口66，以提供用户控制。中央处理单元56生成用于显示的图形覆盖数据，提供调用功能以及系统控制，并提供图像、视频和音频存储。
中央处理单元56和视频处理器50可以整合成探头系统10的一个元件。此外，探头系统10的部件，包括但不限于中央处理单元56和视频处理器50可被集成并内置到探头系统10中，或者也可以置于外部。探头系统10的元件不限于图1所示的元件。在一个实施例中，探头系统10的一个或多个元件可以省略。例如，在一些实施例中，操纵杆62、小键盘64或计算机i/o接口66可以省略，或者集成显示器21、计算机监控器22或视频监视器20可以省略。
图2为一个实施例的生成结构光图案的光路图。在图示的实施例中，发光模块11的单个光源发射出光70。在该实施例中，单个点光源发射光点。光70由光纤线缆16传输到振镜扫描单元19。在一个实施例中，光纤线缆16是单条光纤，以输出光点。在一个实施例中，振镜扫描单元19的可控镜在一维方向上偏斜至多个方向和角度，来向多个方向反射光点以投射出一条线形光。该线形光可平行于或垂直于光栅37的光栅图案(gratingpattern)371。图示实施例中光栅37为线型光栅(linegrating)。来自振镜扫描单元19的线形光被投射到光栅37并被光栅37遮挡，以形成结构光图案72。图示实施例中的结构光图案72是条纹图案。在一个实施例中，振镜扫描单元19结合光栅37可投射一个或多个相位偏移的结构光图案。结构光图案和相位偏移的结构光图案用来生成物体表面的图像。
在该实施例中，光线的强度是逐点来调整的。振镜扫描单元19反射出的线形的光线的每个点被光栅37遮挡，可扫描物体表面的一个小区域。依据物体表面相应的被扫描区域反射的光，来调制源自发光器11的相应的光点的强度。
在另一个实施例中，振镜扫描单元19的可控镜在二维方向偏斜至多个方向和角度，以反射光点至多个方向来投射一片光区。光区被投射到光栅37并被光栅37所遮挡，以形成结构光图案72。振镜扫描单元19可投射一个或多个相位偏移的光区以形成一个或多个相位偏移的结构光图案。在本实施例中，可逐点调节光区的光的强度。
在另一实施例中，光纤线缆16包括一排光纤，接收光点并输出一条线形光。振镜扫描单元19的可控镜在一维方向上偏斜以反射线形光来投射一片光区。光区被光栅37所遮挡，形成结构光图案72。在该实施例中，可逐线调节光区的光的强度，且通过调制来自发光器11的光点的强度来调制线形光的强度。
图3所示为另一个实施例的生成结构光图案的光路图。来自发光模块11的光点70通过光纤线缆16传输到透镜17，透镜17是发散透镜(divergencelens)。透镜17发散并引导光点到振镜扫描单元19，振镜扫描单元19的可控镜在一维方向上偏斜，形成结构光图案的一条亮线。通过在二维方向上偏斜振镜扫描单元19来一条亮线一条亮线地形成结构光图案。
图4所示为一个实施例的检测方法100的流程图。检测方法100可以用于物体表面的三维映射和尺寸测量。在步骤102中，发射光。在步骤104中，将光反射到多个方向，来投射至少一个参照结构光图案至物体表面，以获得至少一个参照投影图案。在步骤106中，根据参照投影图案调节发射出的光的强度以获得调制光。在步骤108中，将调制光反射到多个方向，来投射至少一个调制结构光图案至物体表面，以获得至少一个调制投影图案。在步骤110中，从调制投影图案获得调制图像数据。调制图象数据可用于重建物体表面的图像，并且可以从该图像中获得的物体的三维尺寸信息。
图4中的步骤的先后顺序和步骤中的动作的划分并不限于图示的实施例。例如，步骤可以按照不同的顺序执行，一个步骤中的动作可与另一个或多个其他步骤中的动作结合，或拆分成几个子步骤。另外在一些实施例中，方法100之前、过程中和/或之后还可以有一个或多个其他动作。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，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覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。