全息技術(shù)在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

陳 璞，徐亨成

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

全息技術(shù)在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

陳 璞，徐亨成

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

為了解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)問題，采用以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的全息技術(shù)。通過分析全息技術(shù)的理論基礎(chǔ)、基本過程和實(shí)現(xiàn)方法以及全息圖的基本特點(diǎn)，討論全息技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用原理、實(shí)現(xiàn)方法，特別是在全息金屬無損檢測(cè)和全息振動(dòng)測(cè)試兩個(gè)方向上，較詳細(xì)地研究了這兩種檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理、實(shí)現(xiàn)方法及適用場(chǎng)合，為全息技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域中實(shí)踐應(yīng)用提供一個(gè)有價(jià)值的理論參考。

檢測(cè)；全息；無損檢測(cè)；振動(dòng)測(cè)試；應(yīng)用

1 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全息技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于科研生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在作為科研生產(chǎn)技術(shù)支撐的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用。未來，這個(gè)趨勢(shì)將更加明顯。

2 全息技術(shù)

2.1 全息技術(shù)的產(chǎn)生

物體在光的照射下會(huì)產(chǎn)生反射，這時(shí)物體上的每點(diǎn)都可看作是一個(gè)新的光源，這些新的光源發(fā)出的光以球面波的形式向四面八方傳播，且頻率與照射物體的光頻率相同，這些光稱之為物光。視覺成像理論認(rèn)為，人眼之所以能看見外界物體，其直接原因并不是因?yàn)槲矬w的客觀存在，而是由于物體發(fā)出的光波到達(dá)人眼的視網(wǎng)膜，視神經(jīng)細(xì)胞接收物光波而產(chǎn)生三維空間物像的視覺[1]。因此，假設(shè)若只保留物光的場(chǎng)而去掉物體，當(dāng)這些物光被人眼接收，人們?nèi)匀荒芸吹皆瓉淼奈矬w。依據(jù)這個(gè)原理，1947年，匈牙利物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丹尼斯·嘉柏（Dennis Gabor）提出了全息技術(shù)（Holography）。當(dāng)時(shí)，丹尼斯·嘉柏提出的全息技術(shù)是為了提高電子顯微鏡的分辨率，但是隨著科技的不斷發(fā)展，全息技術(shù)被廣泛應(yīng)用到了社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。

2.2 全息的基本過程

全息的基本過程主要包括波前記錄和波前再現(xiàn)兩步[2]。

波前記錄是一個(gè)拍攝過程，也就是數(shù)據(jù)記錄過程，波前記錄原理如圖1所示。

圖1 波前記錄示意圖

光源的光通過分光鏡，一部份照射在目標(biāo)物體上，物體在光源照射下產(chǎn)生漫反射并形成漫射式的物光束射到全息底片上，這部分光來自物方并攜帶有物體調(diào)制信號(hào)，故稱為物光；同時(shí)光源通過分光鏡的另一部分激光作為參考光束也射到全息底片上，由于和物光來自同一光源，滿足形成干涉所需的相干條件，故而會(huì)和物光束疊加產(chǎn)生干涉，在全息底片上形成光的干涉條紋。通過這種方式可以把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息如振幅、相位等信息記錄下來，干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張圖。這張記錄著物體光波全部信息的圖被稱為全息圖，如圖2所示。這也是全息術(shù)這個(gè)稱謂的由來。波前記錄是利用光的干涉原理記錄物體光波信息的。

圖2 全息干板記錄下的干涉圖樣

波前再現(xiàn)是一個(gè)成象過程，即利用波前記錄過程得到的數(shù)據(jù)成像的過程。由于波前記錄將物光場(chǎng)分布和相干參考光波分布的雙光束干涉條紋記錄在全息干板上，因此只要利用記錄下來的數(shù)據(jù)或信息恢復(fù)物光場(chǎng)就可以再現(xiàn)物體的像。波前再現(xiàn)的過程如圖3所示。

圖3 波前再現(xiàn)示意圖

2.3 全息的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)全息分為全息記錄和再現(xiàn)兩步。

全息記錄：全息的概念是在光學(xué)基礎(chǔ)上依據(jù)的光的波動(dòng)特性提出來的，因此從理論上講全息學(xué)的原理適用于各種形式的波動(dòng)，如X射線、紅外線、微波、聲波、超聲波、電子波等各種波動(dòng)形式都可以實(shí)現(xiàn)全息的記錄和再現(xiàn)。通常的光學(xué)全息記錄方法是將光源輸出的光束分為兩束，一束投射到全息記錄干板上，稱為參考光束；另一束投射到物體上，經(jīng)物體反射或透射后，產(chǎn)生物光束也投射到全息記錄干板上，兩光束相干疊加在全息記錄干板上形成光束干涉條紋，這就是一張全息圖即干涉花樣圖。記錄全息圖樣的介質(zhì)稱為全息干板。根據(jù)全息的原理可知全息干板記錄的是物光和參考光形成的又細(xì)又密的干涉條紋，全息圖猶如一個(gè)復(fù)雜的光柵。全息記錄的過程是利用光的干涉原理實(shí)現(xiàn)的。

全息再現(xiàn)：用一束與參考光束的波長(zhǎng)和傳播方向完全相同的光束照射全息圖，由于全息圖猶如一個(gè)記錄了物體全部信息的復(fù)雜光柵，光通過光柵產(chǎn)生衍射，則可以觀察到一幅非常逼真的原物體的立體圖像。全息再現(xiàn)的過程是利用光的衍射原理實(shí)現(xiàn)的[3]。

2.4 全息圖的特點(diǎn)

由于全息圖的記錄和再現(xiàn)方法的特殊性，使它與普通照像有本質(zhì)的區(qū)別，主要有如下特點(diǎn)：

2.4.1 圖像三維

全息圖存儲(chǔ)了物光波的位相信息，全息圖的衍射光波一般可給出兩個(gè)像，即原始像和共軛像。所以再現(xiàn)像具有明顯的視差特性，再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺效應(yīng)，可以看到逼真的立體物像。

2.4.2 圖像不可撕毀

全息圖是以干涉條紋即干涉花樣圖存儲(chǔ)了物體的信息，所以只要有干涉條紋存在，全息圖的任一部分都可以再現(xiàn)出完整的原物圖像。

2.4.3 同一記錄介質(zhì)可重復(fù)記錄

同一張全息記錄介質(zhì)可多次、重復(fù)曝光記錄，并且只要每次記錄時(shí)參考光的入射方向不同，就能再現(xiàn)各個(gè)不同物像，且互不干擾。

2.4.4 波前復(fù)現(xiàn)物像有一定縮放

波前復(fù)現(xiàn)是利用衍射原理實(shí)現(xiàn)的，而衍射角與波長(zhǎng)有關(guān)，因此采用不同波長(zhǎng)的光波照射全息圖時(shí)，就會(huì)得到放大或縮小的物像。

3 全息術(shù)在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 金屬無損檢測(cè)

金屬無損檢測(cè)（Non-destructive Testing），就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)金屬構(gòu)件中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢對(duì)象所處技術(shù)狀態(tài)（如合格與否、剩余壽命等）的技術(shù)手段。常用的無損檢測(cè)方法有射線照相檢驗(yàn)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）和液體滲透檢測(cè)（PT）4種，另外渦流檢測(cè)（VT）、聲發(fā)射檢測(cè)（ET）、熱像/紅外（TIR）、泄漏試驗(yàn)（LT）、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ACFMT）、漏磁檢驗(yàn)（MFL）、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)方法（RFT）等也可以用于金屬無損檢測(cè)。全息技術(shù)也可以用于金屬無損檢測(cè)[4]。

3.1.1 全息無損檢測(cè)基本原理

金屬構(gòu)件都有一定的形狀，在同樣的外力作用下，金屬構(gòu)件表面各處所發(fā)生的位移并不相同，但每一點(diǎn)的位移都與金屬構(gòu)件的形狀具有一定的關(guān)聯(lián)性。但是當(dāng)金屬構(gòu)件內(nèi)部含有缺陷時(shí)，在物體外部受力的情況下，內(nèi)部缺陷相對(duì)應(yīng)的物體表面上各處所發(fā)生的位移就會(huì)與以前不相同，表現(xiàn)出異常。這個(gè)異常的位移與金屬構(gòu)件內(nèi)部的缺陷的大小、位置、性質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)金屬構(gòu)件的這個(gè)特點(diǎn)，可以采用全息的方法測(cè)量位移在加載外力后的變化，并根據(jù)位移的變化分析金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷或裂紋的多少、位置、大小及性質(zhì)等。具體方法如下：

首先，在金屬構(gòu)件不受力的條件下運(yùn)用全息技術(shù)拍攝金屬構(gòu)件，得到關(guān)于金屬構(gòu)件的全息干涉圖樣，并通過波前再現(xiàn)即采用恢復(fù)光場(chǎng)地方法得到金屬構(gòu)件的三維立體像，這個(gè)像和實(shí)物完全一致，因此可以與實(shí)物重合。

然后，在采用聲、熱或充氣等方法對(duì)金屬構(gòu)件實(shí)現(xiàn)加載，物體的表面形狀會(huì)因此產(chǎn)生變形，這時(shí)物體與波前再現(xiàn)的三維立體像就不再重合而是產(chǎn)生了微量的光程差[4]。由于物體表面的反射光與波前再現(xiàn)采用的參考光來自同一光源，是相干光且疊加在一起，故會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。

干涉條紋可以反映物體加載時(shí)產(chǎn)生的微位移。若物體內(nèi)部無缺陷，則干涉條紋應(yīng)該是連續(xù)、均勻變化的，而當(dāng)物體內(nèi)部有缺陷時(shí)，干涉條紋則會(huì)顯現(xiàn)出不連續(xù)的變化，因此根據(jù)干涉條紋即可判定金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷或裂紋的多少、位置、大小及性質(zhì)等[5]。

3.1.2 全息無損檢測(cè)適用類型

全息無損檢測(cè)技術(shù)可用于復(fù)合材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、航空輪胎和高壓管道容器的檢測(cè)，如飛機(jī)襟翼結(jié)構(gòu)、渦輪葉片以及輪胎等構(gòu)件都可采用全息的方法檢測(cè)其內(nèi)部缺陷。

3.2 振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試是檢測(cè)技術(shù)理論研究的重要領(lǐng)域，同時(shí)由于振動(dòng)現(xiàn)象的普遍性，振動(dòng)測(cè)試也是一個(gè)被廣泛關(guān)注的課題。振動(dòng)測(cè)試根據(jù)其研究對(duì)象的不同，可分為單自由度系統(tǒng)振動(dòng)（如鐘擺等振動(dòng)點(diǎn)）的測(cè)試和多自由度系統(tǒng)振動(dòng)（如桿、板）的測(cè)試，即點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試、線型振動(dòng)測(cè)試和面型振動(dòng)測(cè)試。點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試和線型振動(dòng)測(cè)試目前都有相對(duì)成熟的測(cè)試方法和技術(shù)，而面型振動(dòng)測(cè)試由于其振動(dòng)的復(fù)雜性和技術(shù)的局限性，相關(guān)的理論較少[6]。近年來，光學(xué)干涉的方法作為另外一種途徑被引入面型振動(dòng)測(cè)試的研究，全息技術(shù)也可以用于面型振動(dòng)測(cè)試[7]。

3.2.1 全息振動(dòng)測(cè)試原理

面型振動(dòng)測(cè)試主要采用各種方法研究彈性體的振型，即面型振動(dòng)體或面型振動(dòng)系統(tǒng)自身固有的振動(dòng)形式。由于多質(zhì)點(diǎn)體系有多個(gè)自由度，故可出現(xiàn)多種振型，同時(shí)有多個(gè)自振頻率，其中與最小自振頻率（又稱基本頻率）相應(yīng)的振型為基本振型，又稱第一階振型。此外，按自振頻率遞增還有第二階振型、第三階振型、…，分別對(duì)應(yīng)于特征方程的第二、第三個(gè)根…[8]。振型的概念發(fā)展為固有振型函數(shù)。對(duì)于面型振動(dòng)體的振動(dòng)研究就是尋求面型振動(dòng)體的振型函數(shù)，從而掌握該種面型振動(dòng)體的振動(dòng)特點(diǎn)。具體方法如下：用全息技術(shù)把面型振動(dòng)體的振動(dòng)實(shí)時(shí)地記錄在全息干板上，根據(jù)全息干板記錄的面型振動(dòng)體的振動(dòng)特征分析面型振動(dòng)體的振型、頻率等信息[9]?；具^程如圖4所示。

圖4 全息振動(dòng)測(cè)試原理圖

選用波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器作為參考光源[10]。氦氖激光器發(fā)出的光經(jīng)反光鏡后由分光鏡分成兩束光，一束連續(xù)經(jīng)過兩個(gè)反光鏡改變光路照射在全息干板上，另一束則經(jīng)過反射鏡照射在面型振動(dòng)體的表面并由面型振動(dòng)體反射后也照射在全息干板上。由于兩束光來自于同一光源，滿足形成干涉所需的相干條件，故而會(huì)在全息底片上形成光的干涉圖樣。根據(jù)二維振動(dòng)理論，由干涉圖樣即可分析出面型振動(dòng)體的振型、振幅、頻率等信息。

3.2.2 全息振動(dòng)測(cè)試適用類型

全息振動(dòng)測(cè)試可用于板材、金屬片、薄膜結(jié)構(gòu)等各種二維面型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試與分析。

4 結(jié)束語

全息技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用使檢測(cè)有了新的手段和方法，既推動(dòng)了檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，也為全息技術(shù)開拓了應(yīng)用前景。由于全息術(shù)對(duì)客觀條件的苛刻要求以及全息干板記錄的信息提取有一定難度等問題的困擾，全息術(shù)在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用存在著阻礙，但是隨著數(shù)字全息術(shù)的出現(xiàn)解決了信息提取的問題，這為全息檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展帶來了一線光明,而全息術(shù)在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用也必將帶動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的前進(jìn)。

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Application of holographic technology in testing field

CHEN Pu，XU Heng-cheng
（The First Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

To solve the test problem of complicated structure，holographic technology based on laser technique was adopted.According to the rationale，basic process，implementation and trait of hologram，the application principle and implement approach of holographic technology were discussed for the testing field.The theory，means and applicable situation were studied amply，especially in two aspects of holographic nondestructive testing and holographic vibration testing，which provided a valuable reference in theory research for the application of holographic technology in testing field.

measurement；hologram；nondestructive testing；vibration testing；application

TN247；TM930.1

A

1674-5124（2011）01-0089-03

2010-04-23；

2010-07-11

陳 璞（1975-），女，河南南陽市人，講師，主要從事計(jì)量測(cè)試方面的教學(xué)工作。