撰稿：Lance（華中科技大學(xué)，博士生）

全息檢測(cè)（Holographic testing）是利用全息攝影再現(xiàn)的三維圖像進(jìn)行無損檢測(cè)（Nondestructive testing）的方法。與干涉測(cè)量等傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)相比，基于波前存儲(chǔ)和重建的全息方法可以同時(shí)記錄物體的振幅、相位和波長(zhǎng)的全部信息，使研究和測(cè)量具有粗糙表面的物體成為可能。

全息檢測(cè)具有非接觸性、非破壞性、快速響應(yīng)、高靈敏度、高分辨率和高精度等特點(diǎn)，已被證明是解決許多檢測(cè)問題的通用工具，如材料參數(shù)測(cè)量、殘余應(yīng)力測(cè)量、振動(dòng)分析、形狀測(cè)量和故障檢測(cè)等。

近期，來自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的 Wolfgang Osten 教授和 Giancarlo Pedrini 教授合作在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表了題為“55 Years of Holographic Non-Destructive Testing and Experimental Stress Analysis: Is there still Progress to be expected ?  ”的綜述論文，回顧了全息計(jì)量的研究歷程，介紹了選擇合適檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)和典型應(yīng)用，并討論了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

一、全息計(jì)量的早期發(fā)展

20 世紀(jì) 40 年代，物理學(xué)家 Dennis Gabor 提出了全息術(shù)的概念并因此被授予 1971 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。相比普通照相術(shù)只記錄物體表面光波的振幅信息，全息術(shù)是利用光的干涉和衍射原理,將物體發(fā)射的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，這種方式可以記錄物體的全部信息（振幅、相位、波長(zhǎng)），并且在一定條件下可以使其在現(xiàn)，形成物體逼真的三維像。

1965 年，Karl Stetson 和 Robert Powell 首次將全息技術(shù)應(yīng)用于干涉測(cè)量并發(fā)表了開創(chuàng)新的論文《全息干涉術(shù)》（https://doi.org/10.1364/JOSA.56.001161），為一系列新的相干光學(xué)測(cè)量方法打開了大門。接下來的幾年里，各種技術(shù)如實(shí)時(shí)技術(shù)（real-time technique）、雙曝光技術(shù)（double-exposure technique）、時(shí)間平均技術(shù)和頻閃技術(shù)（time-average and stroboscopic technique）被廣泛用于無損檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析和形狀測(cè)量。

在全息干涉術(shù)被發(fā)現(xiàn)后不久，最初被認(rèn)為是全息圖質(zhì)量缺陷的散斑噪聲，成為了無損檢測(cè)的有力工具。通過干涉測(cè)量與散斑相關(guān)結(jié)合的散斑計(jì)量為全息檢測(cè)走出實(shí)驗(yàn)室并在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用打開了大門，在輪胎測(cè)試、鐵路橋梁和車身振動(dòng)研究中展現(xiàn)了的巨大潛力，并實(shí)現(xiàn)了高度實(shí)用性的應(yīng)用（圖1）。

圖1：可通過全息檢測(cè)的關(guān)鍵特征
圖源：Light: Advanced Manufacturing

二、選擇合適檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)

由于接測(cè)量過程中涉及光學(xué)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，討論測(cè)量系統(tǒng)性能和導(dǎo)出數(shù)據(jù)真實(shí)性的可靠程序和措施，選擇合適檢測(cè)方法有助于提高對(duì)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的信任。在文中，作者針對(duì)一個(gè)與被測(cè)對(duì)象有關(guān)的特定問題，區(qū)分了有助于描述測(cè)量系統(tǒng)整體質(zhì)量的一般特征，提出了與任務(wù)相關(guān)的系統(tǒng)規(guī)格和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的主要組件（圖2）：

1. 照明（光源、光束整形器、光調(diào)制器）；

2. 傳感（傳感器、定位系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、探測(cè)器）；

3. 評(píng)估（模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理算法、圖形展示）；

此外，測(cè)量系統(tǒng)還可以通過模塊化程度、靈活性、用戶友好性、對(duì)環(huán)境影響的魯棒性、多模態(tài)性能、資源消耗、易于集成和小型化來評(píng)估光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)及其組件的性能。

圖2：測(cè)量系統(tǒng)的主要組件
圖源：Light: Advanced Manufacturing

三、全息檢測(cè)的典型應(yīng)用

全息和散斑技術(shù)直接測(cè)量的量是強(qiáng)度和相位，通過進(jìn)一步重建位移、應(yīng)變、殘余應(yīng)力、材料缺陷和形狀數(shù)據(jù)，全息無損檢測(cè)可以適用于檢查各類產(chǎn)品和材料在操作或人工荷載下的響應(yīng)。作者在文中進(jìn)一步介紹了全息技術(shù)在飛機(jī)和汽車零件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、噴涂工藝、惡劣環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測(cè)和藝術(shù)品檢查中的最新應(yīng)用。以下對(duì)部分典型應(yīng)用進(jìn)行介紹：

1. 飛機(jī)和汽車零件

碳纖維等輕質(zhì)材料已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和汽車零部件。例如，現(xiàn)代飛機(jī)已經(jīng)在機(jī)身、垂直和水平穩(wěn)定器、方向舵、空氣制動(dòng)器和擾流板中安裝了此類碳纖維部件。

為了保證長(zhǎng)期運(yùn)行的強(qiáng)度和安全性，提前檢測(cè)材料和結(jié)構(gòu)缺陷可能造成的損壞是不可避免的。剪切成像術(shù)（Shearography）可用于對(duì)此類部件的材料缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行無損檢查。該方法通過對(duì)物體施加適當(dāng)?shù)妮d荷來檢測(cè)受損區(qū)域，基于被測(cè)物體空載和負(fù)載狀態(tài)下散斑波前的數(shù)字相關(guān)性，材料和結(jié)構(gòu)缺陷都可以在剪切圖中識(shí)別為典型的條紋圖案。

圖3：空客A320穩(wěn)定器的剪切成像檢測(cè)結(jié)果
圖源：Light: Advanced Manufacturing

另一方面，飛機(jī)和汽車部件通常需要在具有強(qiáng)烈振動(dòng)、氣流和高溫梯度的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行研究。當(dāng)基于干涉的方法，如數(shù)字全息（Digital holography）或電子散斑干涉（Electronic speckle pattern interferometry）用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)和動(dòng)態(tài)分析時(shí)，這些條件使得測(cè)量尤其困難。剪切成像允許通過使用測(cè)量變形梯度的自參考布置來降低對(duì)擾動(dòng)的敏感性。但當(dāng)飛機(jī)或汽車部件在強(qiáng)載荷下，產(chǎn)生相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)變形時(shí)，使用可見光的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)過于敏感。為測(cè)量大變形的同時(shí)降低系統(tǒng)對(duì)惡劣環(huán)境條件的敏感性，使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，如紅外光，可以更清晰地對(duì)缺陷引起的局部變形成像。

2. 藝術(shù)品檢查

當(dāng)藝術(shù)品在不同地點(diǎn)間進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)，對(duì)文物狀況的精確監(jiān)控是必不可少的。近期，散斑剪切成像技術(shù)被用于檢測(cè)著名畫作 Stuppacher Madonna。如圖4所示，畫作的亞表面缺陷在剪切圖像中清晰可見。這種通過制作散斑剪切圖的方法，可以對(duì)藝術(shù)作品中每一種材料分別進(jìn)行研究，并可以立即識(shí)別各種缺陷，如氣泡、分層、膠結(jié)和木材蠕蟲等的影響。這些檢測(cè)結(jié)果對(duì)文物保護(hù)人員進(jìn)行修復(fù)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4：利用數(shù)字剪切成像檢查藝術(shù)品
圖源：Light: Advanced Manufacturing

四、總結(jié)與展望

2021 是全息計(jì)量值得紀(jì)念的一年。50 年前，Dennis Gabor在帝國(guó)理工學(xué)院發(fā)表了著名的演講，彼時(shí)，他因發(fā)明全息術(shù)而被授予諾貝爾獎(jiǎng)；更早的 5 年前，Karl Stetson 和 Robert Powell 發(fā)表了開創(chuàng)性的文章《全息干涉術(shù)》，為一系列新的相干光學(xué)測(cè)量方法打開了大門；40 年前， Charles Vest 發(fā)表了第一篇關(guān)于使用全息原理進(jìn)行計(jì)量的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)的綜述。經(jīng)過 55 年的發(fā)展，全息無損檢測(cè)在技術(shù)上已經(jīng)相對(duì)成熟，作者們借此機(jī)會(huì)回顧了全息計(jì)量的早期發(fā)展歷程，并向主要原理和開創(chuàng)性應(yīng)用的發(fā)明者們致敬。

盡管全息無損檢測(cè)技術(shù)具有光學(xué)原理賦予的諸多優(yōu)點(diǎn)，如與被測(cè)物體的非接觸和高速交互能力、探測(cè)工具尺寸的可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)的高分辨率和波長(zhǎng)的靈活適應(yīng)性等。但另一方面，面對(duì)更復(fù)雜的邊界條件和應(yīng)用場(chǎng)景，全息無損檢測(cè)方法仍需不斷改進(jìn)和適應(yīng)。早在 1981 年，Charles Vest 就提出了對(duì)提高全息測(cè)量技術(shù)性能的幾項(xiàng)重要任務(wù)，如圖 5 所示，包括提高可靠性，確保在線性能，提高分辨率，使工具更加用戶友好、靈活和緊湊，提高對(duì)惡劣環(huán)境的魯棒性，并使技術(shù)在實(shí)際使用中更具協(xié)作性。

圖5：提高全息測(cè)量技術(shù)性能的重要方向
圖源：Light: Advanced Manufacturing

現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)提出了更多的要求，測(cè)量系統(tǒng)需要具備相當(dāng)高的空間和時(shí)間分辨率、與區(qū)域相關(guān)的分辨率、獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和真實(shí)性、系統(tǒng)對(duì)外部影響的魯棒性、自動(dòng)化程度，以及盡可能接近待檢查過程的工作能力。通過利用主動(dòng)視覺、基于模型的重建、傳感器融合和利用光場(chǎng)的全部信息內(nèi)容等原理改進(jìn)檢測(cè)策略，相干光學(xué)計(jì)量將能夠充分滿足這些要求。

另一方面，隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化程度的提高，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)直接遠(yuǎn)程訪問生產(chǎn)和測(cè)量地點(diǎn)，這提供了通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)字全息圖，并與遠(yuǎn)程計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行通信并最終控制其物理設(shè)置的機(jī)會(huì)。此外，可以設(shè)想通過允許遠(yuǎn)程訪問元數(shù)據(jù)和通過互聯(lián)網(wǎng)訪問實(shí)驗(yàn)裝置，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)添加到出版物中，在教室和演講廳展示復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際合作中共享昂貴而復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，遠(yuǎn)程測(cè)試新設(shè)備以進(jìn)行維護(hù)和服務(wù)的新方法等。

論文信息

Osten et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:8 

https://doi.org/10.37188/lam.2022.008

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