撰稿：Lance（華中科技大學，博士生）

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

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

近期，來自德國斯圖加特大學的 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，回顧了全息計量的研究歷程，介紹了選擇合適檢測方法的標準和典型應(yīng)用，并討論了當前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

一、全息計量的早期發(fā)展

20 世紀 40 年代，物理學家 Dennis Gabor 提出了全息術(shù)的概念并因此被授予 1971 年諾貝爾物理學獎。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），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測量方法打開了大門。接下來的幾年里，各種技術(shù)如實時技術(shù)（real-time technique）、雙曝光技術(shù)（double-exposure technique）、時間平均技術(shù)和頻閃技術(shù)（time-average and stroboscopic technique）被廣泛用于無損檢測、實驗應(yīng)力分析和形狀測量。

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

圖1：可通過全息檢測的關(guān)鍵特征

圖源：Light: Advanced Manufacturing

二、選擇合適檢測方法的標準

由于接測量過程中涉及光學數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，討論測量系統(tǒng)性能和導(dǎo)出數(shù)據(jù)真實性的可靠程序和措施，選擇合適檢測方法有助于提高對光學測量系統(tǒng)的信任。在文中，作者針對一個與被測對象有關(guān)的特定問題，區(qū)分了有助于描述測量系統(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)格和光學測量系統(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)、探測器）；

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

此外，測量系統(tǒng)還可以通過模塊化程度、靈活性、用戶友好性、對環(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估光學測量系統(tǒng)及其組件的性能。

圖2：測量系統(tǒng)的主要組件

圖源：Light: Advanced Manufacturing

三、全息檢測的典型應(yīng)用

全息和散斑技術(shù)直接測量的量是強度和相位，通過進一步重建位移、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)。作者在文中進一步介紹了全息技術(shù)在飛機和汽車零件、微機電系統(tǒng)（MEMS）、噴涂工藝、惡劣環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測和藝術(shù)品檢查中的最新應(yīng)用。以下對部分典型應(yīng)用進行介紹：

1. 飛機和汽車零件

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

為了保證長期運行的強度和安全性，提前檢測材料和結(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）可用于對此類部件的材料缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷進行無損檢查。該方法通過對物體施加適當?shù)妮d荷來檢測受損區(qū)域，基于被測物體空載和負載狀態(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結(jié)果

圖源：Light: Advanced Manufacturing

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

2. 藝術(shù)品檢查

當藝術(shù)品在不同地點間進行轉(zhuǎn)移時，對文物狀況的精確監(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，可以對藝術(shù)作品中每一種材料分別進行研究，并可以立即識別各種缺陷，如氣泡、分層、膠結(jié)和木材蠕蟲等的影響。這些檢測結(jié)果對文物保護人員進行修復(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 是全息計量值得紀念的一年。50 年前，Dennis Gabor在帝國理工學院發(fā)表了著名的演講，彼時，他因發(fā)明全息術(shù)而被授予諾貝爾獎；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測量方法打開了大門；40 年前， Charles Vest 發(fā)表了第一篇關(guān)于使用全息原理進行計量的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的綜述。經(jīng)過 55 年的發(fā)展，全息無損檢測在技術(shù)上已經(jīng)相對成熟，作者們借此機會回顧了全息計量的早期發(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。

盡管全息無損檢測技術(shù)具有光學原理賦予的諸多優(yōu)點，如與被測物體的非接觸和高速交互能力、探測工具尺寸的可擴展性、數(shù)據(jù)的高分辨率和波長的靈活適應(yīng)性等。但另一方面，面對更復(fù)雜的邊界條件和應(yīng)用場景，全息無損檢測方法仍需不斷改進和適應(yīng)。早在 1981 年，Charles Vest 就提出了對提高全息測量技術(shù)性能的幾項重要任務(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，提高對惡劣環(huán)境的魯棒性，并使技術(shù)在實際使用中更具協(xié)作性。

圖5：提高全息測量技術(shù)性能的重要方向

圖源：Light: Advanced Manufacturing

現(xiàn)代制造業(yè)對計量系統(tǒng)提出了更多的要求，測量系統(tǒng)需要具備相當高的空間和時間分辨率、與區(qū)域相關(guān)的分辨率、獲得的測量數(shù)據(jù)的精度和真實性、系統(tǒng)對外部影響的魯棒性、自動化程度，以及盡可能接近待檢查過程的工作能力。通過利用主動視覺、基于模型的重建、傳感器融合和利用光場的全部信息內(nèi)容等原理改進檢測策略，相干光學計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)可以實現(xiàn)直接遠程訪問生產(chǎn)和測量地點，這提供了通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)字全息圖，并與遠程計量系統(tǒng)進行通信并最終控制其物理設(shè)置的機會。此外，可以設(shè)想通過允許遠程訪問元數(shù)據(jù)和通過互聯(lián)網(wǎng)訪問實驗裝置，將真實實驗添加到出版物中，在教室和演講廳展示復(fù)雜的實驗，在國際合作中共享昂貴而復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，遠程測試新設(shè)備以進行維護和服務(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

轉(zhuǎn)載/合作/課題組投稿，微信：447882024

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