LAM | 全息计量55年回顾

撰稿：Lance（华中科技大学，博士生）

全息检测（Holographic testing）是利用全息摄影再现的三维图像进行无损检测（Nondestructive testing）的方法。与干涉测量等传统光学技术相比，基于波前存储和重建的全息方法可以同时记录物体的振幅、相位和波长的全部信息，使研究和测量具有粗糙表面的物体成为可能。

全息检测具有非接触性、非破坏性、快速响应、高灵敏度、高分辨率和高精度等特点，已被证明是解决许多检测问题的通用工具，如材料参数测量、残余应力测量、振动分析、形状测量和故障检测等。

近期，来自德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 教授和 Giancarlo Pedrini 教授合作在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了题为“55 Years of Holographic Non-Destructive Testing and Experimental Stress Analysis: Is there still Progress to be expected ?  ”的综述论文，回顾了全息计量的研究历程，介绍了选择合适检测方法的标准和典型应用，并讨论了当前面临的挑战和未来的发展方向。

一、全息计量的早期发展

20 世纪 40 年代，物理学家 Dennis Gabor 提出了全息术的概念并因此被授予 1971 年诺贝尔物理学奖。相比普通照相术只记录物体表面光波的振幅信息，全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，这种方式可以记录物体的全部信息（振幅、相位、波长），并且在一定条件下可以使其在现，形成物体逼真的三维像。

1965 年，Karl Stetson 和 Robert Powell 首次将全息技术应用于干涉测量并发表了开创新的论文《全息干涉术》（https://doi.org/10.1364/JOSA.56.001161），为一系列新的相干光学测量方法打开了大门。接下来的几年里，各种技术如实时技术（real-time technique）、双曝光技术（double-exposure technique）、时间平均技术和频闪技术（time-average and stroboscopic technique）被广泛用于无损检测、实验应力分析和形状测量。

在全息干涉术被发现后不久，最初被认为是全息图质量缺陷的散斑噪声，成为了无损检测的有力工具。通过干涉测量与散斑相关结合的散斑计量为全息检测走出实验室并在工业中实现应用打开了大门，在轮胎测试、铁路桥梁和车身振动研究中展现了的巨大潜力，并实现了高度实用性的应用（图1）。

图1：可通过全息检测的关键特征
图源：Light: Advanced Manufacturing

二、选择合适检测方法的标准

由于接测量过程中涉及光学数据的转换，讨论测量系统性能和导出数据真实性的可靠程序和措施，选择合适检测方法有助于提高对光学测量系统的信任。在文中，作者针对一个与被测对象有关的特定问题，区分了有助于描述测量系统整体质量的一般特征，提出了与任务相关的系统规格和光学测量系统的主要组件（图2）：

1. 照明（光源、光束整形器、光调制器）；

2. 传感（传感器、定位系统、成像系统、探测器）；

3. 评估（模数转换、数据处理算法、图形展示）；

此外，测量系统还可以通过模块化程度、灵活性、用户友好性、对环境影响的鲁棒性、多模态性能、资源消耗、易于集成和小型化来评估光学测量系统及其组件的性能。

图2：测量系统的主要组件
图源：Light: Advanced Manufacturing

三、全息检测的典型应用

全息和散斑技术直接测量的量是强度和相位，通过进一步重建位移、应变、残余应力、材料缺陷和形状数据，全息无损检测可以适用于检查各类产品和材料在操作或人工荷载下的响应。作者在文中进一步介绍了全息技术在飞机和汽车零件、微机电系统（MEMS）、喷涂工艺、恶劣环境中的腐蚀监测和艺术品检查中的最新应用。以下对部分典型应用进行介绍：

1. 飞机和汽车零件

碳纤维等轻质材料已被广泛应用于飞机和汽车零部件。例如，现代飞机已经在机身、垂直和水平稳定器、方向舵、空气制动器和扰流板中安装了此类碳纤维部件。

为了保证长期运行的强度和安全性，提前检测材料和结构缺陷可能造成的损坏是不可避免的。剪切成像术（Shearography）可用于对此类部件的材料缺陷和结构缺陷进行无损检查。该方法通过对物体施加适当的载荷来检测受损区域，基于被测物体空载和负载状态下散斑波前的数字相关性，材料和结构缺陷都可以在剪切图中识别为典型的条纹图案。

图3：空客A320稳定器的剪切成像检测结果
图源：Light: Advanced Manufacturing

另一方面，飞机和汽车部件通常需要在具有强烈振动、气流和高温梯度的现场工业环境中进行研究。当基于干涉的方法，如数字全息（Digital holography）或电子散斑干涉（Electronic speckle pattern interferometry）用于机械结构的无损检测和动态分析时，这些条件使得测量尤其困难。剪切成像允许通过使用测量变形梯度的自参考布置来降低对扰动的敏感性。但当飞机或汽车部件在强载荷下，产生相当大的结构变形时，使用可见光的传统光学系统过于敏感。为测量大变形的同时降低系统对恶劣环境条件的敏感性，使用更长的波长，如红外光，可以更清晰地对缺陷引起的局部变形成像。

2. 艺术品检查

当艺术品在不同地点间进行转移时，对文物状况的精确监控是必不可少的。近期，散斑剪切成像技术被用于检测著名画作 Stuppacher Madonna。如图4所示，画作的亚表面缺陷在剪切图像中清晰可见。这种通过制作散斑剪切图的方法，可以对艺术作品中每一种材料分别进行研究，并可以立即识别各种缺陷，如气泡、分层、胶结和木材蠕虫等的影响。这些检测结果对文物保护人员进行修复工作具有重要的指导意义。

图4：利用数字剪切成像检查艺术品
图源：Light: Advanced Manufacturing

四、总结与展望

2021 是全息计量值得纪念的一年。50 年前，Dennis Gabor在帝国理工学院发表了著名的演讲，彼时，他因发明全息术而被授予诺贝尔奖；更早的 5 年前，Karl Stetson 和 Robert Powell 发表了开创性的文章《全息干涉术》，为一系列新的相干光学测量方法打开了大门；40 年前， Charles Vest 发表了第一篇关于使用全息原理进行计量的优势和挑战的综述。经过 55 年的发展，全息无损检测在技术上已经相对成熟，作者们借此机会回顾了全息计量的早期发展历程，并向主要原理和开创性应用的发明者们致敬。

尽管全息无损检测技术具有光学原理赋予的诸多优点，如与被测物体的非接触和高速交互能力、探测工具尺寸的可扩展性、数据的高分辨率和波长的灵活适应性等。但另一方面，面对更复杂的边界条件和应用场景，全息无损检测方法仍需不断改进和适应。早在 1981 年，Charles Vest 就提出了对提高全息测量技术性能的几项重要任务，如图 5 所示，包括提高可靠性，确保在线性能，提高分辨率，使工具更加用户友好、灵活和紧凑，提高对恶劣环境的鲁棒性，并使技术在实际使用中更具协作性。

图5：提高全息测量技术性能的重要方向
图源：Light: Advanced Manufacturing

现代制造业对计量系统提出了更多的要求，测量系统需要具备相当高的空间和时间分辨率、与区域相关的分辨率、获得的测量数据的精度和真实性、系统对外部影响的鲁棒性、自动化程度，以及尽可能接近待检查过程的工作能力。通过利用主动视觉、基于模型的重建、传感器融合和利用光场的全部信息内容等原理改进检测策略，相干光学计量将能够充分满足这些要求。

另一方面，随着数字化和网络化程度的提高，物联网（IoT）技术已经可以实现直接远程访问生产和测量地点，这提供了通过互联网传输数字全息图，并与远程计量系统进行通信并最终控制其物理设置的机会。此外，可以设想通过允许远程访问元数据和通过互联网访问实验装置，将真实实验添加到出版物中，在教室和演讲厅展示复杂的实验，在国际合作中共享昂贵而复杂的基础设施，远程测试新设备以进行维护和服务的新方法等。

论文信息

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

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

转载/合作/课题组投稿，微信：447882024

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