謝勝利,廖文建,白玉磊,梁 勇,董 博,
(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣東 廣州 510006;2. 澳門科技大學(xué) 資訊科技學(xué)院,澳門 999078)
從“德國(guó)工業(yè)4.0”到“中國(guó)制造2025”,智能制造領(lǐng)域已逐漸成為未來工業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn),而自動(dòng)化檢測(cè)作為貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與管理等制造領(lǐng)域各重要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù),已被世界多國(guó)列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域,與通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)具有同等重要地位。近年來,隨著航空航天、材料研發(fā)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,現(xiàn)代自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)測(cè)試手段及相關(guān)儀器也提出了更多更高的要求,如高靈敏度、高精度、多功能、內(nèi)部透視測(cè)量等。因此,研發(fā)基于新原理的高性能測(cè)量方法具有極其重要的意義。
層析成像技術(shù),如計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography, CT)、超聲層析成像(Ultrasound Tomography, UT)、激光共聚焦顯微成像(Laser Scanning Confocal Microscope, LSCM)、光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)等,作為探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的最直接手段,一直是國(guó)際無損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)成像原理的不同,這些層析成像技術(shù)分別適用于不同被測(cè)對(duì)象和成像尺度。其中,OCT作為一種基于低相干干涉原理的層析成像技術(shù),它具有微米級(jí)層析分辨率和毫米級(jí)深度量程,可廣泛適用于聚合物、陶瓷、復(fù)合材料等透明/半透明物體。該技術(shù)自1991年被HUANG D等[1]發(fā)表之后,在近30年中得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[2-5]。尤其是與定量相位、散斑追蹤以及相襯等方法進(jìn)一步結(jié)合后,最近還衍生了一系列功能型層析成像方法。他們通過對(duì)光程差變化量的高靈敏度檢測(cè),揭示物體內(nèi)部物理量的微弱變化[6-16]。其中,相襯OCT是一種可在測(cè)量物體內(nèi)部形貌同時(shí)重構(gòu)其在力學(xué)載荷下位移與應(yīng)變場(chǎng)的層析成像新方法,能實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部各向異性力學(xué)特性的表征與測(cè)試,是目前材料檢測(cè)領(lǐng)域的前沿方向[17-18]。
相襯OCT最早由TORRE-IBARRA M等于2006年提出,它在利用干涉信號(hào)幅頻特性重構(gòu)材料內(nèi)部截面輪廓形貌的基礎(chǔ)上,還采用干涉相位對(duì)位移的高靈敏特性,實(shí)現(xiàn)物體內(nèi)部納米級(jí)離面位移場(chǎng)的測(cè)量[17]。進(jìn)一步結(jié)合矢量梯度等應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算方法后,該技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)的重構(gòu),其應(yīng)變測(cè)量靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍可分別達(dá)到10?6和103。得益于相襯OCT的高靈敏特性,該方法最近被廣泛應(yīng)用于材料內(nèi)部全場(chǎng)力學(xué)行為的測(cè)試,以實(shí)現(xiàn)各向異性力學(xué)行為的表征[18-23]。此外,在結(jié)合了相襯OCT的快速測(cè)量能力和深度分辨能力后,相關(guān)學(xué)者還將其拓展應(yīng)用于多種材料內(nèi)部的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)當(dāng)中,如多層結(jié)構(gòu)熱變形場(chǎng)層析測(cè)量、聚合物固化過程的可視化監(jiān)測(cè)、材料內(nèi)部微缺陷檢測(cè)等。本文旨在介紹相襯OCT成像原理及其在檢測(cè)領(lǐng)域典型應(yīng)用的基礎(chǔ)上,對(duì)該技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行探討與展望。
OCT通常采用寬帶光源空間調(diào)制或窄帶光源時(shí)間調(diào)制的方式獲得參考面與被測(cè)試樣之間的干涉光譜,因此其光學(xué)系統(tǒng)可被分為譜域OCT和掃頻OCT兩種,如圖1(a)和(b)所示。再結(jié)合透鏡成像原理后,上述系統(tǒng)可分別用于材料二維截面和三維體結(jié)構(gòu)信息的層析成像。圖1(c)展示的即為一種可用于材料二維截面成像的線掃描譜域OCT的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。利用上述OCT系統(tǒng)采集到的干涉信號(hào)可表示為
圖1 成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the imaging systems
其中:k=2π/λ為波數(shù),λ為波長(zhǎng),tn為采樣時(shí)間,I0為干涉信號(hào)的直流分量,M為試樣內(nèi)參與干涉的表面?zhèn)€數(shù),IR為參考光強(qiáng),Ii和Ij為試樣內(nèi)第i和第j個(gè)表面的反射光強(qiáng),?表示相位。式中等號(hào)右側(cè)第2項(xiàng)為參考面與試樣內(nèi)各表面干涉形成的互相干分量,第3項(xiàng)為試樣內(nèi)各表面相互干涉形成的自相干分量。由于互相干分量沿k軸的變化頻率為fk=Λj/π,因此該信號(hào)的頻率fk對(duì)應(yīng)于試樣內(nèi)部光學(xué)深度Λj;而該分量的幅值又與試樣內(nèi)散射光強(qiáng)Ij正相關(guān),因此其幅頻特性即試樣內(nèi)部三維體層析形貌。基于上述原理,OCT在空氣介質(zhì)中的層析分辨率可定義為
其中:δz受限于光源帶寬λw和光源中心波長(zhǎng)λc,它通常是5~15 μm;Δz則受限于干涉測(cè)量系統(tǒng)沿光譜軸的采樣率N,它通常是1~3 mm。在實(shí)際應(yīng)用中,可采用增加光源帶寬或開發(fā)超分辨算法的方式滿足更高分辨的檢測(cè)需要。為此,相關(guān)學(xué)者在結(jié)合波長(zhǎng)合成、壓縮感知等方法和算法的基礎(chǔ)上,還相繼開發(fā)了多種高分辨OCT成像方法[24-27]。
除了采用幅頻特性獲得被測(cè)材料內(nèi)部截面形貌信息外,結(jié)合了相襯技術(shù)的OCT還能用于材料內(nèi)部微變形場(chǎng)重構(gòu),其測(cè)量原理如下。首先,采用OCT系統(tǒng)獲得式(1)所述隨時(shí)間變化的干涉光譜,并對(duì)形變前后采集到的干涉光譜的相頻特性進(jìn)行差分相位?diff,得到光程差的變化量Λdiff
忽略形變過程材料的折射率變化,可根據(jù)光程差與距離之間的物理關(guān)系進(jìn)一步得到各層材料離面位移wj與光程差變化量Λdiff之間的關(guān)系
其中:n0和n分別是空氣和被測(cè)材料的折射率。從式(4)可以看出,相位差每變化2π代表光程差變化了光源中心波長(zhǎng)λc的一半,也即約420 nm。因此,基于相襯方法的OCT技術(shù)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 nm靈敏度的全場(chǎng)光程差變化測(cè)量。但需要注意的是,在從相位差計(jì)算光程差變化量的過程中還需進(jìn)行相位解卷繞計(jì)算,以消除2π相位模糊效應(yīng)。
對(duì)相位差?diff沿深度z方向進(jìn)行梯度估計(jì)后,還可以得到Φdiff,即
其中:εz為試樣深度方向的正應(yīng)變。上述梯度估計(jì)過程可以在相位解卷繞后獲得的離面位移場(chǎng)中采用最小二乘等方法進(jìn)行,也可直接在卷繞相位場(chǎng)采用矢量平均等方法進(jìn)行,如圖2所示[28-30]。值得一提的是,盡管結(jié)合了相襯方法的OCT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)離面位移的高靈敏測(cè)量,但當(dāng)位移量超過層析分辨率時(shí)(也即約10 μm時(shí))會(huì)產(chǎn)生散斑退相關(guān)現(xiàn)象,從而限制了該方法的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。為解決該問題,近年來相關(guān)學(xué)者還相繼開發(fā)了基于位移估計(jì)和噪聲定位的一系列跨像素差分相位算法[31-32]。
圖2 相襯OCT測(cè)量方法示意圖Fig.2 Schematic of the phase-contrast OCT system
相襯OCT是一種適用于材料內(nèi)部微變形場(chǎng)層析測(cè)量的有效方法,因此它可拓展應(yīng)用于溫度變化過程中材料內(nèi)部熱變形場(chǎng)的測(cè)量。但由于材料熱變形過程中折射率也會(huì)同時(shí)發(fā)生改變,而且相關(guān)研究顯示材料熱變形過程的應(yīng)變量和折射率變化量為同一量級(jí)。因此,在利用相襯OCT測(cè)量熱變形場(chǎng)的過程中,還需在式(6)基礎(chǔ)上考慮折射率的變化量。2015年,ZHANG Y等[33]在考慮多層材料折射率溫度系數(shù)不同的前提下,提出了一種多層結(jié)構(gòu)熱變形的位移場(chǎng)計(jì)算新模型
其中:zl表示第l層材料前表面的深度,nl和Δnl分別表示第l層材料的折射率和折射率變化量。基于該模型,他們利用相襯OCT實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱變形場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量,如圖3所示。從結(jié)果可以看出,在測(cè)量具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層薄膜時(shí),差分相位沿深度變化的梯度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。此時(shí)若不考慮折射率變化,將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出前后兩層材料分別處于收縮和膨脹過程的錯(cuò)誤結(jié)果。而在采用改進(jìn)后模型計(jì)算的位移與應(yīng)變場(chǎng)中能夠看到,兩層材料均處于收縮過程,只是收縮程度不同,這與實(shí)際情況一致。此外,基于應(yīng)變計(jì)算的雙層材料熱膨脹系數(shù)與參考值一致,驗(yàn)證了上述新模型的可靠性。盡管結(jié)合了位移場(chǎng)計(jì)算新模型的相襯OCT可實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部熱變形場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量,但其在實(shí)際應(yīng)用中仍需要在測(cè)量之前對(duì)材料的折射率和溫度系數(shù)進(jìn)行預(yù)先測(cè)定,具體實(shí)現(xiàn)較為繁瑣。為此,相關(guān)學(xué)者又設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)方法,利用相襯OCT同時(shí)測(cè)量了折射率、溫度系數(shù)和材料內(nèi)部熱變形場(chǎng)[34]。如圖4所示,該方法在測(cè)量材料內(nèi)部熱變形場(chǎng)過程中,同時(shí)監(jiān)測(cè)了試樣基底表面的光程差及其變化量。圖4(e)中的I和A分別為歸一化后的強(qiáng)度和幅值。首先,該方法可獲得被測(cè)對(duì)象的厚度d=Λ2?Λ1,以及被測(cè)對(duì)象的折射率n=(Λ3?Λ1)/(Λ2?Λ1)。然后,再根據(jù)光程差變化量與形變、折射率變化量之間的關(guān)系,可進(jìn)一步得到材料的折射率變化量
圖3 雙層薄膜A和B的熱變形場(chǎng)層析測(cè)量[33]Fig.3 Thermal deformation measurement of a dual-layered film A and B[33]
其中:Λdiff1、Λdiff2和Λdiff3分別為試樣前、后表面以及基底前表面的光程差變化量。從圖4所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,基底前表面光程差變化量Λdiff3與其他兩個(gè)光程差變化量均為微米級(jí),表明其影響在折射率變化量測(cè)量中不可忽略,須同步監(jiān)測(cè);而應(yīng)變和折射率變化量在熱變形過程處于同一量級(jí),印證了前文所述折射率變化量在熱變形場(chǎng)重構(gòu)過程的不可忽略性。
圖4 基于相襯OCT的材料折射率溫度系數(shù)和熱變形場(chǎng)同時(shí)測(cè)量[34]Fig.4 Simultaneous measurement of refractive index variation and thermal deformation field by using the phase-contrast OCT[34]
除了可用于材料內(nèi)部全場(chǎng)力學(xué)性能表征與測(cè)試之外,相關(guān)學(xué)者近期還發(fā)現(xiàn)結(jié)合了相襯方法的OCT技術(shù)可拓展用于聚合物固化過程的可視化監(jiān)測(cè)。聚合物是一類由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成的高分子化合物材料,具有易改性、易加工、低導(dǎo)電、低導(dǎo)熱、高耐腐和高比強(qiáng)等特點(diǎn),在國(guó)防建設(shè)、工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而聚合物在制備成型期間需經(jīng)歷由低分子到高分子的轉(zhuǎn)變過程,期間連續(xù)變化的力學(xué)和流變學(xué)特性對(duì)聚合物材料的最終性能有著至關(guān)重要的影響。然而,現(xiàn)有方法都只能用于聚合物固化過程的整體固化度監(jiān)測(cè),無法用于了解和研究聚合物固化過程存在的空間分布特征。針對(duì)該問題,DONG B和PAN B[35]在2020年開發(fā)了基于相襯OCT的聚合物固化過程監(jiān)測(cè)方法,它利用OCT的層析測(cè)量能力和相襯技術(shù)的高靈敏特性,成功觀測(cè)了具有深度分布特征的聚合物凝膠過程以及雙層聚合物固化過程,首次實(shí)現(xiàn)了聚合物內(nèi)部空間分辨的固化過程可視化監(jiān)測(cè),其測(cè)量原理如下。
由于聚合物固化會(huì)同時(shí)產(chǎn)生形變和折射率變化,而且由于材料內(nèi)部固化過程具有各向異性分布的特征,因此可將式(6)改寫為
能夠發(fā)現(xiàn),相襯OCT在固化過程測(cè)量到的相位深度梯度是由應(yīng)變和折射率變化量組成的一個(gè)復(fù)合量。在傳統(tǒng)固化監(jiān)測(cè)方法中,收縮應(yīng)變和折射率變化量是用于監(jiān)測(cè)聚合物固化程度的兩個(gè)常用指標(biāo),因此其兩者組成的復(fù)合量也可用于監(jiān)測(cè)聚合物固化程度。為此,相關(guān)學(xué)者首先進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),同時(shí)監(jiān)測(cè)了聚合物試樣固化過程的收縮應(yīng)變、折射率變化量以及相位深度梯度。從圖5所示結(jié)果可以看出,上述3個(gè)物理量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同,表明相位深度梯度可作為一個(gè)固化監(jiān)測(cè)的有效指標(biāo)。
圖5 基于相襯OCT的聚合物固化監(jiān)測(cè)[35]Fig.5 OCT based polymer curing monitoring[35]
基于上述結(jié)論,他們分別對(duì)單層聚合物試樣和雙層聚合物試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,如圖6所示[35]。從雙層聚合物試樣測(cè)量結(jié)果中能夠發(fā)現(xiàn),盡管層析截面輪廓(左圖)中難以分辨上下兩層聚合物液滴,但是從相位差分布圖(右上圖)以及應(yīng)變速率分布圖(右下圖)能夠看出兩層材料固化速率的明顯不同,驗(yàn)證了方法的深度分辨能力;從單層聚合物試樣測(cè)量結(jié)果中能夠看出,在聚合物由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)的過程中,存在明顯的由表及里的深度分布特征。并且由于固化光源分布于聚合物液滴左上側(cè),因此還能清晰地觀測(cè)到凝膠點(diǎn)從左至右的變化過程。由于該方法首次實(shí)現(xiàn)了聚合物內(nèi)部固化過程空間分布的可視化監(jiān)測(cè),該成果近期還得到了美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》的專題報(bào)道。
圖6 基于相襯OCT的聚合物內(nèi)部固化過程可視化監(jiān)測(cè)結(jié)果[35]Fig.6 Visualizing the polymer curing process by using the phase-sensitive OCT [35]
結(jié)合相襯OCT的高靈敏特性和缺陷材料受力變形過程普遍表現(xiàn)出的應(yīng)力集中現(xiàn)象,相關(guān)學(xué)者還開發(fā)了一種基于相襯OCT的微缺陷可靠辨識(shí)方法[36]。從式(2)可以看出,OCT的層析分辨率通常為微米級(jí),因此采用直接成像方式觀測(cè)反射率奇異點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)10 μm以上缺陷的辨識(shí)。但這種基于層析形貌測(cè)量的缺陷檢測(cè)方式存在兩個(gè)主要問題:(1) 無法檢測(cè)尺度小于10 μm的缺陷,而且難以準(zhǔn)確辨識(shí)尺度接近10 μm的缺陷?;贠CT測(cè)量的半透明被測(cè)試樣內(nèi)部通常呈散斑狀分布,因此即使缺陷尺度略大于層析分辨率,仍難以準(zhǔn)確區(qū)分散斑點(diǎn)與缺陷點(diǎn)。(2) 難以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷進(jìn)行可靠辨識(shí)。對(duì)于復(fù)合材料等內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料,即使從形貌測(cè)量結(jié)果中能觀測(cè)到反射率奇異點(diǎn),但仍難以準(zhǔn)確區(qū)分增強(qiáng)材料與缺陷點(diǎn)。相襯OCT作為一種微形變?nèi)珗?chǎng)測(cè)量方法,在結(jié)合應(yīng)力集中現(xiàn)象后,可通過形變奇異點(diǎn)實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部層析分辨率以下的微小缺陷的準(zhǔn)確辨識(shí)。而且考慮到相位差分布與形變正相關(guān),因此直接觀察卷繞相位分布中的奇異點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)缺陷辨識(shí)。基于此,相關(guān)學(xué)者利用相襯OCT分別對(duì)4類試樣在降溫過程進(jìn)行了測(cè)試,如圖7所示[36]。圖7(a)所示為一各向同性材料的測(cè)量結(jié)果,從其形貌測(cè)量結(jié)果和相位差分布結(jié)果中均不存在奇異點(diǎn)可知,該材料不存在內(nèi)部缺陷;圖7(b)所示為另一各向同性材料的測(cè)量結(jié)果,從其形貌測(cè)量結(jié)果和相位差分布結(jié)果中均存在奇異點(diǎn)可知,該材料存在內(nèi)部缺陷。而且從形貌測(cè)量結(jié)果中能夠清晰觀測(cè)到該缺陷大小為百微米級(jí);圖7(c)所示為第三種各向同性材料的測(cè)量結(jié)果,其形貌測(cè)量結(jié)果不存在奇異點(diǎn),但相位差分布結(jié)果中存在奇異點(diǎn),表明該材料內(nèi)存在層析測(cè)量結(jié)果無法辨識(shí)的微米/亞微米級(jí)缺陷;圖7(d)所示為一各向異性材料的測(cè)量結(jié)果,其形貌測(cè)量結(jié)果存在奇異點(diǎn),而相位差分布結(jié)果中不存在奇異點(diǎn),表明材料內(nèi)部的高反射率點(diǎn)是材料內(nèi)部增強(qiáng)材料而非內(nèi)部缺陷。上述4類實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于相位分布的缺陷辨識(shí)方法一方面提高了缺陷辨識(shí)的靈敏度,可識(shí)別微米/亞微米級(jí)缺陷;另一方面還提高了缺陷識(shí)別的可靠性,可準(zhǔn)確判斷材料自身結(jié)構(gòu)及缺陷點(diǎn),具有比形貌測(cè)量更高的識(shí)別率和靈敏度。
圖7 基于相襯OCT的材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)結(jié)果[36]Fig.7 Detecting the internal defect by using the phase-contrast OCT[36]
OCT作為近年來發(fā)展迅速的一種層析成像技術(shù),在結(jié)合了相襯方法后它可拓展應(yīng)用于透明/半透明物體內(nèi)部位移與應(yīng)變的全場(chǎng)高靈敏測(cè)量,被廣泛用于材料內(nèi)部各向異性力學(xué)特性表征、聚合物內(nèi)部固化過程可視化監(jiān)測(cè)、物體內(nèi)部微小缺陷高靈敏辨識(shí)等多個(gè)方面,目前已成為無損檢測(cè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。該技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下:
(1) 微米級(jí)層析分辨率:OCT以低相干干涉方式從干涉光譜的幅頻和相頻特性分別提取被測(cè)對(duì)象內(nèi)部的形貌和形變信息,其層析分辨率受限于系統(tǒng)對(duì)干涉光譜信號(hào)的采樣帶寬,通常為5~15 μm。因此該方法非常適用于內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的表征與測(cè)試,如各類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等[37-38]。
(2) 納米級(jí)位移測(cè)量靈敏度:相襯OCT利用干涉信號(hào)相位靈敏的特性,實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部位移與應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量。由于相位差每變化2π代表光程差變化了光源中心波長(zhǎng)的一半,因此其測(cè)量靈敏度可達(dá)納米級(jí)。再結(jié)合OCT毫米級(jí)的深度量程,該方法的應(yīng)變測(cè)量靈敏度也可達(dá)到10?6,也即微應(yīng)變級(jí)。所以,該方法特別適用于材料內(nèi)部微形變的測(cè)試,如溫度變化以及聚合物固化收縮導(dǎo)致的材料形變。
(3) 適用于透明/半透明材料:相襯OCT通常采用近紅外波段寬帶光源/掃頻光源對(duì)物體內(nèi)部進(jìn)行層析測(cè)量,因此其普遍適用于透明和半透明物體,包括聚合物、復(fù)合材料、陶瓷等。近年來,大量學(xué)者也在探索基于中紅外、太赫茲波的OCT成像方法,因此該技術(shù)在未來還有望拓展應(yīng)用于非透明材料的表征與測(cè)試當(dāng)中[39-40]。
綜上所述,相襯OCT是一種極具前景的非接觸式全場(chǎng)檢測(cè)技術(shù),未來可服務(wù)于各類高性能材料的研發(fā)與測(cè)試,為工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。