从翱翔天际的航空发动机，到保障电力供应的锅炉水冷管，再到植入人体的纳米级医疗器件，在现代工业中，无数具有内腔结构的零件正扮演着关乎系统性能与安全的关键角色。航空发动机叶轮内腔的微小偏差，可能导致涡轮叶片冷却失效；火力发电水冷壁管的内壁腐蚀，每年造成数百亿经济损失；油气管道的隐蔽裂纹，更是能源运输的“定时炸弹”。 然而，这些内腔结构的检测却长期面临困境：大尺寸管道难以兼顾效率与精度，微米级深孔易出现测量盲区，纳米级结构更是挑战技术极限等。本综述介绍了具有内腔结构的特殊零件在航空航天、能源动力、运输、核工程、结构工程、微纳器件及医疗等众多关键领域的应用现状，系统梳理了各类内腔在各自领域的测量需求，并根据不同尺寸内腔结构在不同测量场景下的检测需求，将当前主流测量技术归纳为接触式测量和非接触式测量。针对应用需求更迫切的光学测量技术，介绍了主流测量方法的技术原理和经典系统，探讨了其在复杂曲面结构测量、高反光镜面内腔测量、短基线三角测量等常见应用场景中的技术瓶颈，并结合具体测量需求，展望了内腔表面三维形貌光学测量方法的光路设计、系统微型化和算法优化。
在现代工业与科技的飞速发展中，具有内腔结构的零件已成为航空航天、能源动力、运输、核工程、结构工程、微纳器件及医疗等众多关键领域的扮演着重要角色。这些零件的内腔结构不仅是实现特定功能的基础，其特征参数的精确控制更是直接关乎系统的性能表现乃至整体安全。这一现状，让内腔检测成为工业制造与运维的 “必答题”，却也因技术局限成为长期难题。
在航空航天领域，航空发动机叶轮内腔的尺寸与表面形貌，直接影响二次空气系统的流动分配，一旦存在微小偏差，可能引发涡轮叶片冷却不足、旋转组件载荷失衡，甚至导致发动机性能退化。而涡轮叶片上的微米级冷却孔，若因激光钻孔出现孔径偏差或堵塞，将直接威胁飞行安全。能源领域，火力发电锅炉水冷壁管长期承受高温高压，内壁氧化、腐蚀或蠕变变形，每年导致数百亿元经济损失，传统检测需停机拆管，既增加成本又影响供电连续性。运输领域的油气管道、核工程的压水反应堆 U 型管束、结构工程的建筑钢管，同样面临内部隐患难察觉的问题：油气管道内壁裂纹可能引发泄漏爆炸，U型管束的微小腐蚀可能导致放射性物质泄漏，建筑钢管的尺寸误差则影响施工质量。更具挑战的是微纳器件与医疗领域——硅通孔、玻璃通孔的几何参数决定芯片通信速度，二氧化钛纳米管（直径 10-200nm）的结构直接影响骨整合性能，这些纳米级结构的检测，传统方法几乎无能为力。
上述零件的内腔表面质量评估在各领域的重要性不言而喻，而其三维形貌测量又是表面质量评估中的关键指标，换言之，对零件的内腔表面三维形貌进行精确、全面的测量已成为当前工程技术领域的迫切需求。然而，由于这些内腔结构往往具有从宏观到微观的不同尺度，且存在弯曲、分叉、渐变等复杂特征，导致传统测量方法已逐渐跟不上实际工业生产的需求。接触式测量依赖微米级探针逐点扫描，效率低且易损伤软质或者脆性材料，更无法应对纳米级需求；非接触式光学测量虽无损伤，却受限于光路体积——深孔、小孔中光线易被遮挡，信号衰减或失真，难以适配直径小于10mm的微型内腔。工业对“精准、高效、无损”内腔检测的需求，已迫在眉睫。
在实际测量工作中，鉴于测量原理的差异、技术水平的局限以及应用场景的多样性，测量方式通常依据不同场景划分为非接触式测量与接触式测量这两大类别。非接触式测量凭借其可实现快速批量检测且不会对零件造成损伤的优势，在毫米/亚毫米精度的检测领域得到了广泛应用。与之相比，接触式测量在微米精度测量方面展现出显著优势。其通过直接接触被测物体，具备高灵敏度的特点，能够敏锐感知微小变化；同时，机械结构具有高稳定性，可有效减少外界干扰对测量结果的影响。本文从非接触式测量与接触式测量这两个维度，对现有的成熟内腔表面三维形貌测量技术进行系统总结。
本文具体介绍了光学三角测量法和结构光投影法两大非接触式光学测量方法。光学三角测量原理依托于探测器图像位移与内腔表面形貌实际位移之间所构成的相似三角形方程。如图5所示，此方程为获取内腔表面低频三维形貌轮廓变化信息提供了理论依据。众多学者基于该原理，开展了深入研究并提出了多种不同类型的点测量传感器。结构光投影法作为一种重要的三维测量技术，其基本原理是通过向被测物体表面投射特定编码的光图案，诸如条纹、网格或点阵等，利用相机捕捉因物体表面形变所引发的图案畸变，再结合三角测量原理精确计算物体表面的三维坐标。在内腔表面形貌测量这一特定应用场景中，由于深孔或狭窄空间的限制，需要采用特殊的光学系统来实现光路的有效投射与图像的精准采集。该测量系统的核心组件涵盖投影模块、成像模块、运动控制平台以及数据处理单元。
对于微米级、内腔结构复杂的耐损伤非光学材料零件内腔表面形貌测量，相较于光学测量方法光路体积较大，接触式测量方式通过直径微米级的探针逐点采集形貌数据具有抗干扰能力强、绝对精度高等优势。其主要原理是由细长的探针深入零件内侧，使探针顶端的探头或探针球与零件内腔表面接触产生形变或位移，通过电学或声学、光学的方法将力学形变或位移转化为相应的电信号或光信号、声学信号并对其进行数据分析获取其三维形貌特征。因此，探针式测量主要可分为基于电学、声学以及基于光学三种测量方式。电学探针式测量通过压敏电阻、电容或电感等将由于探针接触到零件内腔表面造成的应力产生的形变或位移转化成电信号实现形貌测量。图7是基于电学的探针式测量常用的系统结构，由传感器、铰链、探针悬臂和探针头组成，当探针头与零件内表面接触时，铰链受应力产生形变或位移。声学探针式测量方法要通过基于石英音叉形成的驻波或通过超声进行测量。高速振动的音叉激励探针共振，当振动探针接触零件内腔表面时，振动特性改变，尤其是共振频率的改变，通过监测振动特性如频率、振幅、相位等的改变进行零件内部测量。光学探针式测量主要可以分为以使用象限光电探测器（QPD）、位置敏感探测器（PSD）和干涉法对探针尾端位移形变测量法，激光光纤探头测量法，光纤探针偏转探测法和光纤布拉格光栅（FBG）测量法四种。
非接触式光学测量方式和接触式探针测量法都因系统体积无法对进一步细小尺寸的零件内腔进行测量，随着测量精度与效率需求的提高，测量技术需要进一步完善与发展。在当前尤其是高精密零件的测量中，对于零件的无损伤性更加受到重视，因此需要提高非接触式光学测量方式的测量范围、测量精度与效率使其能够广泛应用于各种尺寸、场景的零件内腔表面测量。本文分类整理了不同的技术对应不同的测量精度、测量范围和测量效率。针对现有光学测量技术测量效率低、测量系统庞大冗杂、测量精度不足等问题，不同的测量技术对于内腔表面三维形貌测量的发展趋势是相同的，即在测量方案上实现光路优化，在硬件上实现测量系统的微型化，通过引入算法实现更高的测量精度。
在测量光路的优化研究中，锥镜的设计和使用是一种常见的优化方案。锥形镜是一种光学元件，由于内腔部分的整体轮廓呈旋转形状，因此可以显著提高测量范围，传统的激光光束和矩形视场经锥形镜反射后，可形成环形激光带和环形带状视场，其有效地扩大了测量范围。如图10所示，光由一个或两个锥形反射镜转向，形成传统锥形反射镜光路中的反射光路，在这些方法中，顶角90度的直角锥反射镜较为常见，可以减少元件轴对准误差和光散射，其缺点是无法避免图像畸变。为解决这一问题，人们设计了各种特殊的锥面反射镜，由两个反射面组成的复合锥面反射镜，或由内外锥面反射镜组成的组合光学元件。后者可实现内腔表面无失真图像采集或内外壁同步测量。与点测量法相比，这种方法存在复合锥镜加工复杂、制造成本高的缺点，而且锥镜会引入偏心误差、角度误差、旋转误差等，影响测量精度。
为实现测量系统的微型化，应在确保测量精度和分辨率的前提下，选择更小尺寸的光学元件，如光源和透镜。此外，还可以使用模拟软件来优化参数，如锥形镜和每个光学元件的长度和直径。然后，可以利用光转换和其他方法压缩光路，设计出更紧凑的测量内窥镜，以满足小型内腔表面的测量需求。图11展示了一种由微型摄像头和精密光学元件组成的内窥镜设计，可实现10 mm以内的内腔表面测量。随着通信技术的发展，光纤技术具有灵活、快速、体积小、重量轻等优点，可应用于测量领域，缩小测量系统的体积。首先，光纤可用作内腔表面测量的功能传感器，这是测量系统微型化的趋势之一。
随着业界对生产力需求的提高，内腔表面三维形貌光学测量技术正处于实验室研究到工业化部署的快速转化阶段。本文整理了具有内腔结构的特殊零件在业界各个领域的应用情况，回顾了主流内腔表面三维形貌检测技术的基本原理、测量方案和硬件部署等研究成果，并对过程中涉及的研究方法进行了凝练总结。随着测量精度与效率需求的提高，测量技术需要进一步完善与发展，本文总结了一些方案与未来展望: 通过测量光路的优化，设计复合锥镜、DOE等新型光学元件，减少光路遮挡并扩大视场，以此来适配深孔与复杂内腔表面的测量，通过双目视觉或多传感器拼接解决测量盲区问题；通过实现系统结构微型化，开发基于MEMS技术的微型投影与成像模块，结合光纤束传输光信号，将测量系统直径缩小至毫米级以下来满足更多的测量场景需求；通过AI与硬件深度融合，利用深度学习算法实现测量数据实时降噪、相位解算与三维重建，缩短处理时间，优化光路设计与传感器布局，推动测量系统从实验室原型向工业化装备转化，最终满足高端制造对高精度、高效率、高适应性的内腔表面检测需求。
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