利用激光投影光热成像技术通过结构化加热实现亚表面缺陷定位

摘要

该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在此，我们将激光器与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以两束相位相反的调制线对样品表面进行确定性的加热，同时采集高分辨率的热图像。通过分析热波干涉极小值，可确定缺陷的位置。

摘要

本方法用于定位垂直于表面的亚表面缺陷。为实现这一目标，我们构建了具有破坏性干涉的热波场，当热波场受到缺陷扰动时，通过测量该效应来确定缺陷位置。我们使用经过改造的投影仪来生成具有破坏性干涉的波场，将投影仪原有的光源替换为光纤耦合的高功率二极管激光器。通过首先表征激光束的光束轮廓，然后进行机械和数值校正，对激光束进行整形和准直，使其与投影仪的空间光调制器匹配，从而实现最佳的光学透过率和均匀的投影效果。根据严格的几何条件（包括对几何图像畸变的校正）以及检测样品表面微弱温度振荡的需求，配置高性能红外（IR）相机。在建立各个热波场源、扫描平台与红外相机之间的同步后，即可进行数据采集，该同步需通过专门的实验装置实现，并根据所研究的具体材料进行调谐。在数据后处理过程中，提取样品表面下方存在缺陷的相关信息。这些信息来源于样品表面所谓耗尽线区域所采集热辐射中的振荡部分。最终通过分析这些振荡信号的时空分布特征，推断出缺陷的精确位置。该方法无需参考样本，且对热波场内的变化极为敏感。目前该方法已在钢样品上进行了测试，但同样适用于其他材料，特别是对温度敏感的材料。

引言

激光投影光热热成像（LPPT）方法用于定位嵌入在试样体积内且主要垂直于其表面的亚表面缺陷。

该方法利用两个相位相反、振幅和频率相同的热波场之间的相消干涉，如图1b所示。在各向同性且无缺陷的材料中，热波通过相干叠加在对称平面处发生完全相消干涉（即温度振荡为零）。当材料中存在亚表面缺陷时，该方法利用瞬态热流的横向（即面内）分量与该缺陷之间的相互作用。这种相互作用可在样品表面的对称线上测得一个重新产生的振荡温度伸长信号。此时，通过叠加的热波场对含有缺陷的样品进行扫描，并测量温度伸长随样品位置的变化。由于对称性的存在，当缺陷穿过对称平面时，相消干涉条件再次得到满足，从而可高灵敏度地定位缺陷。此外，由于相消干涉受到扰动的最大程度与缺陷的深度相关，因此通过分析温度扫描曲线即可确定缺陷的深度¹。

激光局部热激励热成像技术（LPPT）属于主动热成像方法，这是一种成熟的无损检测技术，通过主动产生瞬态加热，并利用红外热像仪测量由此产生的瞬态温度分布。通常，该方法的灵敏度仅限于那些取向基本垂直于瞬态热流的缺陷。此外，由于控制瞬态热传导的方程是一个抛物型偏微分方程，热量向材料内部的传播会受到强烈衰减。因此，主动热成像方法的探测深度仅限于近表面区域，通常在毫米量级。最常见的两种主动热成像技术是脉冲热成像和锁相热成像。由于采用平面光学表面照明，这两种技术检测速度快²，但会导致热流方向垂直于样品表面。因此，这些技术对主要平行于加热表面的缺陷（例如分层或孔洞）具有较高的灵敏度。脉冲热成像的一个经验法则是：“可检测到的最小缺陷半径应至少为其表面下埋深的1至2倍”³。为了增加垂直取向缺陷（例如裂纹）与热流之间的有效相互作用面积，必须改变热流的方向。通过使用聚焦激光器产生线状或环状光斑进行局部激励，可生成具有面内分量的热流，从而有效与垂直取向的缺陷发生相互作用^4,5,6,7。

在本方法中，我们同样利用横向热流分量来检测亚表面缺陷，但利用了热波具有可叠加性的特点，而缺陷（尤其是垂直取向的缺陷）会破坏这种叠加。因此，本方法呈现出一种无需参考、对称且极为灵敏的特性，能够检测宽度与深度比远小于1的人工亚表面缺陷^8,9。此前，难以生成两个反相且能量充足的热波场。我们通过将空间光调制器（SLM）与高功率二极管激光器耦合，实现了这一目标，从而将激光系统的高光功率与SLM的空间和时间分辨率相结合，构建出一种高功率投影系统（见图2）。热波场通过投影图像像素亮度对两个反相正弦调制线图案进行光热转换而产生（见图2、图1a）。这导致样品表面产生结构化加热，进而形成定义明确的相互 destructive interference（相消干涉）的热波场。为了发现亚表面缺陷，利用红外相机测量表面因相消干涉被破坏而产生的温度振荡。

热波这一术语存在争议，因为热传播具有扩散特性，热波并不会传输能量。然而，在周期性加热时会出现类似波的行为，使我们能够利用真实波动与扩散过程之间的相似性。^10,11,12因此，热波可以被理解为在传播方向上具有高度衰减性，但在时间上呈周期性图1b）。特征热扩散长度 现通过其材料特性（导热系数）进行描述 k，热容 c_p 和密度 ρ），以及激发频率 ƒ。尽管热波衰减显著，但其波动特性仍可用于探究样品的性质。热波干涉的首次应用是用于测定薄膜的厚度。与我们的方法不同，该方法利用的是深度方向上的干涉效应（即 垂直于表面¹³通过将激光束在二维尺度上进行分束以扩展干涉概念，利用热波干涉对亚表面缺陷进行尺寸测定¹⁴然而，该方法采用透射构型，因此受限于热波的穿透深度。此外，由于仅使用了一个激光源，该方法依赖于相长干涉，这意味着需要一个无缺陷的参考样品。除了利用热波干涉的思路之外，首次实现空间和时间上可控加热的技术方案由Holtmann完成。 等 使用未改装的液晶显示器（LCD）投影仪及其内置光源，其光学输出功率受到严重限制¹⁵Pribe 和 Ravichandran 提出的进一步方法旨在通过将激光器也耦合到空间光调制器（SLM）来提高光学输出功率^16,17.

本文所述方案介绍如何应用LPPT方法定位垂直于钢样品表面的亚表面缺陷。该方法尚处于早期阶段，但已具备足够能力验证所提出的方法；然而，在实验装置可实现的光输出功率方面仍存在局限性。由于提高光输出功率仍是一项挑战，因此本方法应用于含有通过电火花加工制造的人工刻槽的涂覆钢样品。尽管如此，该方案中最为重要且最关键的步骤——生成均匀的结构化照明、满足热波破坏性干涉的前提条件以及缺陷定位——对于更具挑战性的缺陷同样适用。由于控制该过程的关键参数是热扩散长度μ，因此LPPT方法也可广泛应用于多种不同材料。

图1：相消干涉效应的原理。（a）实验中所用照明模式的示意图。样品通过两个具有π相位差的周期性照明图案在空间和时间上被加热。虚线表示两个图案之间的对称线，该线将用于评估，称为“耗尽线”。（b）根据热传导方程的解析解计算得到的空间和时间分辨的交变热响应示意图。图中显示了对（a）中照明条件的热波响应，两种图案的辐照度分别为 P_opt1 = 1.5 W sin(2π 0.125 Hz t) + 1.5 W 和 P_opt2 = 1.5 W sin(2π 0.125 Hz t + π) + 1.5 W，材料为结构钢，其密度 ρ = 7,850 kg/m³，比热容 c_p = 461 J/(kg·K)，导热系数 k = 54 W/(m·K)。虚线处的温度分布表明，对于均匀且各向同性的材料，无热振荡现象。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：主动热成像中使用的结构化加热测量原理示意图。 经均化为平顶分布的高斯光束被投射到空间光调制器（SLM）上。SLM通过其可切换的单元实现对光束的空间调制，并通过其切换速度实现时间调制。每个单元对应一个SLM像素。在本实验中，SLM为数字微镜器件（DMD）。通过时间确定性的控制软件对像素亮度A进行调制，从而以结构化方式对样品表面进行加热。在本实验中，我们调制两条反相的线（相位：φ = 0, π），它们在角频率ω处产生相干干涉的热波场。这些波场与样品内部结构相互作用，进而影响表面的温度场。该温度场通过中波红外相机检测其热辐射进行测量。请点击此处查看该图的放大版本。

方案

注意：警告：由于本实验装置使用了4类激光器，请务必注意激光安全。请佩戴合适的防护眼镜和防护服。同时，谨慎操作导引激光器。

1. 将二极管激光器耦合至投影仪开发套件（PDK）

1. 准备面包板。
   1. 按照图3所示，将所有器件预先组装到面包板上。将带有所有预装器件的面包板放置于激光实验室中。
2. 在面包板上定位激光光纤支架。
   1. 将光纤连接至激光光纤支架（参见图3）。
   2. 打开二极管激光器的快门和阈值开关。使用高功率红外传感器卡检查光束的输出直径（40 mm）。关闭激光阈值，打开导引激光。利用实验升降台调节激光光纤支架处的光轴高度，使其与PDK的入口对齐（参见图4a, 4d）。
   3. 沿导轨移动激光光纤支架。从远处观察导引激光的位置，其中心点不应发生移动。若出现偏移，请检查实验升降台与激光光纤支架之间的连接。随后固定激光光纤支架。
      注：导轨是光轴的参考基准，应与面包板平行对齐。此前需移除望远镜透镜。
3. 调节望远镜。
   1. 使用望远镜将光束直径从40 mm缩小至15 mm，以适配PDK的入口（参见图4a, 4d）。分别使用焦距为200 mm和75 mm的平凸透镜作为第一和第二透镜。使用导引激光和十字准线定位第一透镜（参见图4b）。
   2. 使用钢尺粗略调节两透镜之间的距离。再次使用十字准线将透镜与导引激光对齐。将第二透镜安装在xy平移台上，并利用该平台准直光束。
4. 对准光束采样器。
   1. 以45°角使激光束照射光束采样器。使用一条垂直于第一条的导轨来定位光束采样器。
      注：大部分光功率由500 W功率计耗散。二极管激光器在满功率下输出更稳定，因此需要对光功率进行分束。
   2. 使用固定高度支架上的光阑，借助导引激光检查沿导轨的光路（参见图4a）。
5. 对准反射镜。
   1. 在对准反射镜之前（如图4c所示），先移除PDK及其底板。固定第三条导轨，使其垂直于第二条导轨。再次使用光阑检查光路。
      注：光路应与导轨方向对齐，光束应为准直状态。
6. 拆卸并定位PDK。
   1. 在定位PDK¹⁸之前，移除原始光源模块。
      注：PDK¹⁹原有两片用于准直LED的透镜（参见图4d，入口处），它们被胶粘固定，需使用丙酮去除。
   2. 调整PDK平台，使其与第三条导轨平行，从而与光束的光轴对齐。使用已对准PDK入口的十字准线，将PDK相对于光束进行定位。保持平行对齐。关闭导引激光，因其强度过弱无法穿透PDK。
7. 投射白场图像以检查光功率。
   1. 确保PDK的HDMI线缆和USB线缆以及数据采集（DAQ）卡均已连接至控制计算机。将激光控制盒上的“激光快门”、“激光阈值”和“激光开启”端口连接至DAQ卡。将控制盒扫描仪的“激光控制电压”端口连接至DAQ卡。
   2. 启动PDK控制软件²⁰，并按照图5b中的步骤i.1至i.3将其配置为普通投影仪。启用第二屏幕，并确保第二屏幕上无任何窗口。使用白色桌面背景，并使用LED手电筒作为输入光源检查投影仪功能。
      注：若白场图像被正确投射至PDK的像平面，则设备工作正常。
8. 检查光学输入功率。
   1. 将连接至功率计控制单元的30 W功率计探头置于PDK前方的光路中（参见图4e - 位置1）。使用LPPT激光控制软件（按照图5a中的步骤i.1至i.3）以较低功率（步骤i.1 = 0.5 V）开启二极管激光器。
      注：LPPT激光控制软件会触发DAQ卡，进而控制激光器输出（参见1.7.1）。注意激光安全，佩戴护目镜和防护服！
   2. 使用高功率红外传感器卡检查功率计探头的位置。将红外卡插入光束中并观察其发光情况。使光束直径与功率计探头感光区域匹配（图3）。
   3. 使用图5a中的步骤i.1，设置电压为10 V，再次检查PDK入口处的最大光学输入功率。
      注：PDK入口处的最大光学输入功率应约为22 W²¹。在此配置下，连续工作时间可达5分钟而不损坏空间光调制器（SLM），本例中SLM为数字微镜器件（DMD）。
9. 检查光学输出功率。
   1. 使用连接至PDK物镜的f = 60 mm透镜，将30 W功率计探头置于距离PDK约60 mm的位置（参见图4e）。
   2. 将LED手电筒置于投影仪入口处（参见图4d）并开启。微调功率计探头位置，使其收集如图4e所示的投射图像光强。随后移除LED手电筒。
   3. 启动LPPT激光控制软件。在“电压”字段中输入“0.5 V”，点击“Laser On!”按钮。从功率计控制单元读取光学功率。点击“Stop”按钮关闭激光。重复上述步骤，分别测试2 V、6 V和10 V（参见图5a，i.1至i.3）。
      注：若10 V电压下光学输出功率达到>4 W，则初步测试成功；否则需重新检查光学对准。可通过微调反射镜位置以最大化光学输出功率。
10. 测量光束轮廓。
    1. 使用带放大器的光电二极管和小孔测量最终投射图像的光束轮廓（参见图4f）。若有光束轮廓仪可用，可使用该设备，但需先减弱光束强度。
    2. 将光电二极管安装在平移台上，该平移台本身固定于支架上。同时在二极管上安装中性密度（ND）1反射滤光片和1 mm小孔。将光电二极管置于电动平移台和实验升降台上。为增加高度，可使用两块面包板（100 mm × 100 mm）。
    3. 在PDK物镜后使用f = 100 mm透镜（参见图4e），并使用LED手电筒投射白场图像（参见步骤1.7）。移动光电二极管至像平面，并确保其在平移台上的移动范围完全处于投射图像内（参见图4f）。
    4. 将光电二极管连接至电源和DAQ卡。对于6 V控制电压下的激光光功率，使用40 dB放大倍数。将电动平移台的运动控制器连接至控制计算机。
       注：LPPT强度软件控制带小孔的光电二极管以恒定速度v = 0.1 mm/s扫描照明区域，并以100 kHz频率记录光电二极管信号。激光也由软件控制。
    5. 如图4f所示，使用平移台的千分尺以1 mm步长扫描图像。结果如图6a-6b所示。
11. 计算校正图像。
    1. 为校正光束轮廓的不均匀性，需根据测得的光束轮廓计算反向像素矩阵。使用边缘检测算法确定投射图像的范围。
    2. 利用平移台速度将时间信息转换为空间信息。再将空间信息映射至PDK的像素域（x = 1,024像素，y = 768像素）。将光电二极管信号归一化至最大值。
       注：校正的参考水平取所有归一化图像值的平均值。衰减水平按以下公式计算：
       
       P_Pixel 表示每个像素的归一化光电二极管强度。Pixel_LC 值大于1时设为1。
    3. 将校正矩阵（参见图6c）与白场图像相乘，并重新测量轮廓，以验证校正是否充分（参见图6e-6h）。

2. 准备样品

1. 使用两块尺寸为 100 mm × 100 mm × 40 mm 的 St37 结构钢作为样品材料，其密度为 ρ = 7,850 kg·m^-3，导热系数 k = 54 W·m^-1·K^-1，比热容 c_p = 461 J·kg^-1·K^-1。
2. 在两块样品中，利用电火花加工技术在表面下方分别引入深度为 0.25 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.25 mm 以及 1 mm、1.5 mm、1.75 mm、2 mm 的人工缺陷，如图7所示。
3. 用保护胶带覆盖缺陷区域。对上表面进行喷砂处理，以实现均匀吸收。涂覆前再次用保护胶带覆盖缺陷区域。使用丙酮对表面进行脱脂处理。
4. 在距表面 30 mm 处，以 0° 和 90° 方向各喷涂一次石墨涂料，共喷涂两次。若表面涂层均匀，则视为涂覆成功。若涂层不完整，需重新进行脱脂和清洁，并重复涂覆步骤。将表面干燥约 2 小时。切勿触碰表面，以免改变其发射率。
5. 移除胶带，并确保石墨未进入亚表面缺陷内部。

3. 准备实验

1. 准备PDK和二极管激光器。
   1. 按照步骤1.7所述投影一幅白色图像。按照步骤1.8所述检查PDK的光输入功率。按照步骤1.9所示检查PDK的光输出功率。
   2. 将500 W功率计探头连接至功率计控制单元，并通过USB线缆将功率计连接至控制计算机（PC）。
2. 准备运动控制器并定位样品。
   1. 通过USB线缆将运动控制器连接至平移台和控制计算机。将平移台定位在距离PDK约80 mm处，且其方向垂直于光轴。
      注：运行在控制计算机上的LPPT软件控制运动控制器。
   2. 将f = 100 mm透镜安装到PDK物镜上。使用LED手电筒作为输入光源（参见图4d，十字标记为入口）输入至PDK，以找到投影仪的像平面。
      1. 在物镜前方约100 mm处放置一张白纸，并前后移动以找到清晰照明矩形的平面，该平面即为像平面。
   3. 将镀膜样品表面置于该像平面位置。使用安装在直线平移台上的实验室千斤顶调节样品高度。选择合适高度，使照明矩形的顶部与样品顶部对齐（参见图4g）。调整缺陷位置，使其位于照明区域范围内。
   4. 通过关闭并重新开启设备，将运动控制器归零。
3. 准备相机并定位金镜。
   1. 使用LED手电筒作为投影仪的输入光源，向样品投射一幅白色图像。
   2. 将金镜放置在适当高度，使其能够看到样品的上边缘（图4g）。将镜子倾斜至约35°角，如图3所示。将金镜尽可能靠近PDK物镜放置，但不得遮挡投影光路。
      注：镜子固定在安装于支架上的立柱上，其高度和位置由夹具固定。
   3. 将红外（IR）相机安装至三脚架上。使用水准泡将IR相机调平。调节IR相机高度，使其与PDK物镜高度一致。调整位置，使其通过金镜观察到投射的白色图像。
      注：沿光路方向的近似距离约为1 m。
   4. 在IR相机物镜与IR相机之间安装间隔环。确保相机的触发输入端连接至测量数据采集卡，以触发帧捕获。同时，通过网线将IR相机控制PC连接至IR相机。
   5. 开启相机，并至少等待预热时间（约30分钟）。
   6. 启动IR相机控制软件。将菜单栏选项切换至“Camera”。点击“Connect”按钮以连接IR相机（参见图8a，步骤i.1）。
      注：相机将显示场景的实时图像。
   7. 点击“Remote”按钮以打开“Remote Control”面板（参见图8d，步骤i.2）。选择校准模式“HF 100mm (-10 °C - 60 °C) 1140 µs”。参见图8d，步骤i.2.1。
      注：为降低噪声，校准范围应尽可能小。
   8. 手动调节镜头对焦环，使IR相机对焦至样品平面。
      注：相机视场应尽可能与最大投影区域一致，以获得最大空间分辨率（参见图4g）。可能需要调整IR相机的位置、高度和方向。为判断图像是否清晰，需在像平面上存在温度对比。可使用钢尺产生对比。若IR图像对比度仍较低，可使用选择工具进行调整（参见图8c，i.3）。
   9. 点击“NUC”按钮执行非均匀性校正（参见图8d，步骤i.2.2）。遮盖IR相机物镜后点击“ok”按钮。
4. 确定IR相机像素域与投影仪坐标之间的关系。
   1. 通过向样品表面投射白色图像或图案，确定PDK像素域、IR相机像素域与样品长度尺度之间的关系（参见图4g, h）。使用钢尺测量投影区域，从而建立PDK坐标域与样品长度尺度之间的对应关系。
   2. 使用安装在PDK物镜上的f = 100 mm透镜，获得21.3 mm × 16 mm（4:3）的照明区域。
      注：PDK坐标下的长度尺度为：1个投影像素 = 21.3 mm / 1,024 像素
   3. 建立PDK与IR相机之间的对应关系。对10 V重复步骤1.9.3）。
      1. 使用IR相机软件将菜单栏选项切换至“Measure”。从“Measure areas”工具栏中选择“Cross tool”（参见图8c，步骤i.4）。通过在显示的画面上左键点击，标记热图像的四个角点。
      2. 右键点击十字标记以打开属性窗口。切换至“coordinates”并记录坐标值，用于后续将热图像转换至PDK坐标系。

4. 实施实验

1. 准备实验。
   1. 根据样品的长度尺度估计照明区域。
      1. 使用焦距 f = 100 mm 的透镜，获得每个图案 5.5 mm × 16 mm 的照明区域。在两个图案之间选择一个 5.5 mm × 16.5 mm 的未照明区域。
         注：所得辐照度约为 1.2 W/cm²。
   2. 以PDK像素域为单位估计照明区域。
      1. 使用步骤 3.4.2) 中的公式，将照明图案位置转换至 PDK 的像素域（1,024 像素 × 768 像素）。在 PDK 域中使用 [(512, 1); (512, 768)] 像素作为耗尽线，该线位于两个图案之间且对称。
   3. 计算总帧数、测量时间及每周期的帧数。假设速度为 v = 0.05 mm/s，平台移动距离为 x = 10 mm，PDK 帧率为 ƒr = 40 Hz，则通过 t = x/v = 200 s 计算测量时间。同时计算帧数 noƒ = ƒr • t = 8,000。若激发频率为 ƒ = 0.125 Hz，则每周期帧数 p 为 p = noƒ/tƒ = 320 帧/周期。
      注：这些数值将用于生成投影图像。
   4. 检查装置，确保激光系统、红外相机以及（可选）温度控制系统已连接至数据采集卡（DAQ卡）。检查500 W功率计、PDK和线性平台是否已连接至控制计算机。
2. 设置相机控制计算机。
   1. 配置红外相机控制软件，使其在接收到触发输入信号时采集一帧图像。为此，请切换到“Camera”面板，点击“Remote”按钮（参见 图8a，步骤 i.2），以打开远程控制面板。从下拉菜单中选择“Process IO”（图8d，步骤 i.2.3），启用“Sync In”和“Gate”，然后关闭菜单。
   2. 点击“Acquisition parameters”选项卡右下角以打开采集菜单（参见 图8a，i.5）。从下拉菜单中选择“Ext/Sync”（参见 图8b，i.5.1）。在“Folder”字段中输入文件名和文件夹名以命名测量任务（见 图8b，i.5.2）。
   3. 将步骤 4.1.3 计算出的总帧数填入“count”字段（参见 i.5.3）。关闭采集菜单，点击“Record”按钮以启动红外相机的数据采集（参见 图8，i.6）。
      注：仅当DAQ卡提供触发输入信号时，才会开始记录。
3. 执行实验。
   1. 启动LPPT控制软件。点击“Activate?”按钮以激活运动控制器（图9a，i.1）。通过编辑相应的命名字段，设置移动参数：“StartPosition” = “-5 mm”，“EndPosition” = “5 mm”，“Velocity” = “0.05 mm/s”（如 图9a，i.1 所示）。点击“Start Measurement”按钮（见 图9a，i.2）。
      注：若缺陷位置不明确，可选择更大的移动距离和更高的速度。注意PDK温度的升高以及生成的数据量。请注意，用于生成帧图像的用户界面将出现（参见 图9b）。
   2. 生成投影帧图像。
      1. 左键点击“Choose Area Color”字段。从颜色对话框中选择图案区域的颜色（图9，i.3）。从左上角的绘图工具栏中选择“矩形工具”。
      2. 在图像区域上通过左键点击并拖动以绘制矩形。使用步骤 4.1.2) 中转换后的图案坐标，调整左下角显示的矩形坐标（i.4）。点击“define Area”按钮（图9b，i.5）。
         注：PDK域中对应5.5 mm图案尺寸的计算像素坐标为：矩形1（x1 = 116, y1 = 1; x2 = 380, y2 = 768），矩形2（x1 = 644, y1 = 1; x2 = 908, y2 = 768）。点击“define Area”按钮后，将弹出设置图案属性的对话框。
   3. 设置图案属性（图9c，i.6）。
      1. 左键点击“Signal Type”字段，从下拉菜单中选择“sine wave”。通过设置“Phase Shift”为“0°”、“Frequency”为“0.125 Hz”、“Amplitude”为“127”来定义振荡参数（第一个图案相位偏移为0，第二个图案相位偏移为π）。
      2. 在“Voltage”字段中输入“10”，将激光电压设为10 V。在“Pics/period”字段中粘贴步骤 4.1.3) 得到的数值320。点击“Next”按钮，关闭该面板。
         注：LPPT控制软件以PDK的分辨率计算周期性图像流。白色像素表示最大光功率，黑色像素表示零功率，因此计算出两个振荡图案。第一个图案的灰度值计算为 P₁ = 127 sin (2π × 0.125 Hz × t) + 127，第二个图案为 P₂ = 127 sin (2π × 0.125 Hz × t + π) + 127（见 图2，曲线图），其中时间 t 按所选帧率离散化（参见 步骤 4.3.4）。
   4. 创建第二个投影图案。
      1. 重复步骤 4.3.2) 和 4.3.3)，遵循 图9 的工作流程，但使用不同的颜色和“Phase Shift”设为“180°”。点击“calc Frames”按钮以计算投影图案。在弹出的对话框中，将PDK和红外相机的帧率设置为“40 Hz”。
   5. 加载校正图像。
      1. 遵循 图9b）的步骤 i.12。选择“load correction”面板，并提供步骤 1.11) 中计算得到的图像文件。点击按钮加载校正图像。
   6. 点击“Start”按钮以开始测量（参见 图9b，步骤 i.13）。
      注：在平台移动过程中，计算出的帧将被投影到样品上。红外相机控制软件将采集并计数这些帧。
   7. 当所有帧均已采集完成（进度条 = 100%）时，点击“Stop Measurement”按钮以停止测量（参见 图9a，i.14）。
      注：点击后按钮标签将发生变化。

5. 数据文件的后处理

1. 启动 LPPT 后处理软件。点击“load”按钮，在文件对话框中选择测量文件。点击“OK”将相机数据格式转换为后处理数据格式（参见 图 10a）。
   注意：红外相机数据以原生格式存储在红外相机控制 PC 上。使用红外相机控制软件开发工具包将红外相机序列转换为三维矩阵（像素 X，像素 Y，帧数）以及包含时间向量 t 的头部信息。
2. 通过输入步骤 3.4.3) 中的四个投影点 P1x 至 P4y 的坐标，然后点击“Transform”，将红外相机数据转换至 PDK 域（参见 图 10b）。
   注意：由于通过金镜将图像投影至红外相机（参见 图 4g），所得红外图像存在畸变。因此需执行从红外相机域到 PDK 域的仿射几何变换。结果为大小为 1,024 × 768 × 帧数的矩阵。
3. 在耗尽线处提取温度信息（参见 图 10c）。
   1. 通过填写 L1x = L2x = “512” 像素来定义耗尽线上的两个点 L1 和 L2，该值已在步骤 4.1.2) 中选定。将 L1y 设为 “343”，L2y 设为 “393”。参见 图 10c。
      注意：由于步骤 5.2) 中的变换，可直接获取数据，但由于样品仅部分被照亮，会产生边缘效应。因此，请勿评估图案的边缘区域。若噪声仍过高，可增大 y 的范围。
   2. 通过填写以下字段设置红外相机的实验参数：帧率（FrameRate）为 “40” Hz，频率（frequency）为 “0.125” Hz，速度 v 为 “0.05” mm/s，起始位置 xStart 为 “-5” mm（参见 图 10c）。设置数据后处理参数：“Fit Degree” = “7”，“Smoothing” = “20”，“Hilbert” = “500”，如 图 10c 所示。
      注意：在耗尽线处提取的数据经过几何平均。随后通过多项式拟合（Fit Degree）提取交变温度项 ΔT（参见 图 11a, b）。所得信号通过移动平均滤波器（Smoothing）进行平滑处理。最后应用希尔伯特变换以获取瞬时幅值，并再次应用移动平均滤波器（Hilbert）以减少残余波动。利用幅值最小值的信息，确定隐藏缺陷的位置。
   3. 点击“Evaluate”执行数据分析。从“CrackPosition [mm]”字段读取计算出的缺陷位置。缺陷位置显示在 图 10d 的窗口中。

图3：实验装置的照片，其中标出了光路（红线）。 激光光纤支架连接至半导体激光器的光纤。通过望远镜调节光束，使其匹配PDK的入口直径。在进入PDK之前，光束由分束器分出一部分，并由功率计进行监测。在PDK内部，光束被均化后投射到数字微镜器件（DMD）上。由LPPT控制软件控制的PDM将照明图案投射到样品上。投射的光被光热转换，从而加热样品。样品表面发射的热辐射（橙色线）被红外相机检测，以测量温度。样品本身放置在线性平移台上。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4：显示实验装置调整过程的照片序列。（a）实验装置的俯视图，展示整体布局。（b）望远镜的对准：使用十字准线将透镜中心对准激光束的光轴。（c）光学元件的对准：利用安装在光学平台上的标尺系统，使光束相对于平台对准；使用高度固定的光阑确保光束与平台平行。（d）投影仪与光束耦合点的侧视照片。使用十字准线将投影仪与光束对准。（e）测定投影系统透射率：使用功率计测量投影仪前后光功率。（f）光束轮廓的测定：在光电二极管前安装针孔和ND1滤光片，并通过两个线性位移台在投影图像中移动。此时投影仪需设置为投射白色图像。（g）通过金镜将红外相机对准样品：样品必须位于投影仪的像平面内。为控制功率密度，可使用物镜及附加在物镜上的透镜。（h）确定投影图像、红外相机图像与样品实际长度之间的比例尺。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5：软件截图。 （a）LPPT 激光控制软件的截图。（b）PDK 控制软件：步骤 i.1 至 i.3 展示了如何将 PDK 配置为普通投影仪。 请点击此处查看此图的放大版本。

图6：非均匀光束轮廓的校正。（a）通过移动光电二极管扫描所获取的投射白场图像（全照明）的光束轮廓。数据显示光束轮廓不均匀，中心区域存在明显峰值。（b）对应于a图中红线的横截面线轮廓。（c）校正图像，叠加在空间光调制器（SLM）上的投射白场图像，用于降低不均匀程度。（d）对应于c图中红线的横截面线轮廓。（e）校正后的光束轮廓，显示其更接近平顶（top hat）分布。（f）对应于e图中红线的横截面线轮廓。（g）两个校正后图案的照明轮廓。这两个图案将以相同频率和振幅调制，但相位相反，从而在两者之间形成一个相消干涉区域。（h）对应于g图中红线的横截面线轮廓。请点击此处查看该图的放大版本。

图 7：样品制备。（a）样品表面照片，显示一块黑色涂层结构钢 St37（20 mm × 0.5 mm × 15 mm）。（b）亚表面缺陷的透明 CAD 示意图。缺陷位于右侧 40 mm 处。（c）样品侧视图照片，显示表面下方不同深度的理想化缺陷（侧 1 = 0.25 mm，侧 2 = 0.5 mm，侧 3 = 0.7 mm，侧 4 = 1.25 mm）。样品侧面未加涂层，以减少热损失。第二个样品（未显示）的亚表面缺陷深度为：侧 1 = 1 mm，侧 2 = 1.5 mm，侧 3 = 1.75 mm，侧 4 = 2 mm。请点击此处查看此图的放大版本。

图8：红外相机控制软件的截图。 步骤 i.1 至 i.5 展示了如何配置红外相机以进行数据采集。（a）“相机”面板截图：可通过“连接”按钮将红外相机连接至红外相机控制计算机。从此处可进入“远程”控制面板（b）和采集面板（d & e）。此外，可通过“记录”按钮启动测量。（b）“采集”面板截图：需通过“外部/同步（Ext/Sync）”配置红外相机，以便在接收到5 V TTL触发信号时捕获一帧图像。（c）“测量”面板截图：可通过“选择（Selection）”按钮调整数据显示范围。点工具和线工具用于将红外相机图像校准至真实世界坐标。（d）红外相机远程控制“校准”面板截图：需选择较小的测量范围（-10 至 60 °C），以实现高灵敏度。（e）红外相机远程控制面板：“过程-IO（Process-IO）”、“IN1”和“IN2”必须启用，以便触发红外相机。请点击此处查看该图的放大版本。

图9：LPPT控制软件的截图。 用户与软件交互的工作流程以步骤i.1至i.14标示。(a) LPPT主面板的截图；“Activated?”为布尔类型，若为真则激活位移台。“Start-”和“EndPosition”为位移台的行程参数，单位为mm。“Velocity”字段定义速度，单位为mm/s。“Start Measurement”按钮用于启动测量，点击后将打开如(b)图所示的对话框，若为假则停止测量。(b) 用于创建投射到样品上的图案的用户界面截图。选择一种颜色以代表一组像素区域。通过在图像上绘制矩形来选定区域。当按下“define Area”按钮时，将弹出(c)图所示的面板以定义该区域的属性。在定义所有区域后，点击“calc Frames”按钮将计算生成一组图像。“Load Correction”将弹出一个对话框，用于加载校正图像，以避免光束轮廓不均匀。“Start”按钮用于启动测量。(c) 用于设置单个图案属性的用户界面截图。上方框架显示信号类型（正弦波）、相位偏移（单位为度）和频率（单位为Hz）。下方框架显示每周期帧数、振幅（范围为1至127）以及激光电压（0 V至10 V对应0 W至500 W）。每周期帧数表示一个周期被离散化的精细程度。点击“Next”（下一步）按钮后，将弹出一个对话框，要求输入相机帧率（单位为Hz）和帧切换速度（单位为Hz）。请点击此处查看该图的放大版本。

图10：LPPT后处理软件的截图。（a）加载并转换原始红外相机数据格式。（b）利用变换点P1x至P4y将帧矩阵转换到投影仪的坐标系中。（c）L1x至L2y表示被评估线的像素坐标。“v”、“xStart”、“FrameRate”和“Frequency”为实验参数。“v”表示速度，单位为mm/s，“xStart”表示载物台起始位置，单位为mm，“FrameRate”和“Frequency”以Hz为单位。“Fit Degree”、“Smoothing”和“Hilbert”为评估参数。Fit Degree表示多项式拟合的阶数，“Smoothing”表示用于降噪的移动平均滤波器的元素数量，“Hilbert”参数用于设定平滑程度以确定曲线的最小值。（d）结果显示截图，裂纹位置以垂直虚线表示。请点击此处查看该图的放大版本。

结果

根据实验方案，选择在深度为0.25 mm处具有亚表面缺陷的钢样侧面1以获得代表性结果。实验开始时，缺陷大致位于照明区域的中心位置。随后，样品通过线性平台以0.05 mm/s的速度从-5 mm移动至5 mm。利用这些参数，图11a展示了从耗尽线中提取出的扫描数据。在此阶段，由于红外相机控制软件可提供原始数据预览（可选：使用线工具预览数据，参见图8，步骤i.4），实验的成功与否可被初步评估。经过进一步的信号后处理后，图11b显示缺陷位于0.3 mm处Hilbert曲线（蓝色）的最小值位置。

为了验证实验结果，曲线应具备以下特性：曲线应对称，在对称平面处有明显的最小值，并在其左右两侧各有一个相等的最大值。最大值的出现是由于缺陷处热量积聚，导致其中一个线热源的热流占主导地位。当缺陷靠近对称平面时，这一现象尤为明显。缺陷构成了热流的屏障，因此我...

讨论

本方案描述了如何定位垂直于表面的人工亚表面缺陷。该方法的核心思想是产生相互干涉的热波场，并使其与亚表面缺陷发生相互作用。其中最关键的步骤包括：（i）将空间光调制器（SLM）与二极管激光器结合，以在样品表面生成两个交替的高功率照明图案；这些图案通过光热转换产生相干的热波场；（ii）使这些热波场在与亚表面缺陷相互作用时发生相消干涉；（iii）利用热成像红外相机对样品表面的动态温度进行扫描，从而定位这些缺陷。由于该方法仅需检测温度相对于缓慢变化的平均值的相对振荡，而无需测量绝对温度值，因此对隐藏缺陷具有极高的灵敏度¹。

在使用SLM耦合激光源进行结构化加热时，该方案中最关键的步骤之一是确保照明光束轮廓具有足够的均匀性（参见步骤1.10）。半导体激光器可提供高辐照度，但必须以正确的光束直径和方向性输入至包含SLM的投影仪中。由于与投影仪内部专有光路存在轻微且不可避免的几何和光谱失配，样品上的生成图像会发生畸变。因此，需通过参考光束轮廓测量对控制投影图像的图像强度值进行数值校正。成功实验的第二个关键步骤是实现红外图像的高空间分辨率（参见步骤3....

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
500 W 二极管激光系统，940 nm	Laserline	LDM 500 - 20	650 nm 二类激光指示器 纳米，二极管激光器为4类激光系统——> 无需特殊实验室
激光控制箱	Laserline	激光控制箱 LDM	激光系统附加功能，用于电子切换，激光阈值，快门，激光开启 0 V–5 V TTL
控制箱扫描仪	Laserline		通过模拟信号调节激光系统的光学输出功率，范围从 0 开始 V..10 V
光纤激光器支架 2"，f = 80 mm	Laserline		激光系统的扩展
多功能数据采集（DAQ）设备 + BNC接线端子	National Instruments	NI-USB 6251	DAQ 卡用于触发红外（IR）相机，  DLP Light Commander 5500，控制激光器和二极管PDA 36A
标准 - 个人电脑			控制计算机——支持双屏幕的显卡，至少4个USB接口，基于Windows系统
BNC 电缆			标准电缆
HDMI 线缆			标准电缆
Micro USB 转 USB 数据线			标准电缆
LabVIEW 2013 SP1 开发系统	National Instruments		设备控制的开发环境
LPPT 控制软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分
LPPT 强度  软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分
LPPT 激光控制软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分
Matlab 2016b	MathWorks		测量数据的后处理
LPPT 后处理软件	BAM		测量数据的后处理
红外相机控制电脑	InfraTec		控制计算机由相机供应商提供
红外相机控制软件	InfraTec	Irbis 3 Professional
InfraTec SDK	InfraTec		动态链接库作为 Infratec 原生数据采集格式与 Matlab 之间的接口
红外相机	InfraTec	Image IR 8300	640 × 512，制冷型InSb探测器，波长2 µm..5.7 µm，噪声 = 20 mK + 配件（网线、数字输入/输出电缆、间隔环、电源、机箱）
三脚架	曼富图	161MK2B
红外相机支架	曼富图	405
用于数字光处理（DLP）技术的投影仪开发套件（PDK）（DLP Light Commander 5500）	Logic PD	DLP-LC-DLP5500-10R	包含德州仪器（Texas Instruments）的 DLP5500 数字微镜器件，需拆卸光机和外壳
PDK 控制软件	Logic PD		交付时包含，DLP Light Commander 控制软件
PDK的机械平台	BAM		自制（140 × 230 × 420）mm3
功率计控制单元	Ophir	Vega	USB接口
30 W 功率计探头	Ophir	30(150)A-LP1-18	用于测定投影系统透射率的功率计探头
500 W 功率计探头	Ophir	FL500A	用于过程监控的功率计
运动控制器	Newport	ESP301	带USB接口
平移台	Newport	M-ILS200CC	与 ESP301 连接
带放大器的光电二极管	Thorlabs	PDA 36A-EC	1" 安装
反射滤光片 ND1	Thorlabs	ND10A	安装至 PDA 36A
针孔1"	Thorlabs	P1000S	安装至 PDA 36A
光学铝制平台	Thorlabs	MB60120/M	（1,200 mm × 900 mm）基板
平凸透镜 f = 200 mm	Thorlabs	LA1979-B	用于红外的镀膜，第一级望远镜透镜
平凸透镜 f = 75 mm	Thorlabs	LA1145-B	用于红外的镀膜，第二望远镜透镜
xy-平移台	Newport	M401	用于调节望远镜
分束器	Thorlabs	BSF20-B	分光输出，用于降低投影系统的光学输入
镜子	Thorlabs	BB2-E03	用于将光束耦合至DLP Light Commander的反射镜
重型实验室升降台	Thorlabs	L490	用于光纤安装架及线性平台顶部以固定样品（2个）
PDK-目标	尼康	尼康 AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D	DLP Light Commander 的目标，50 毫米
平凸透镜 f = 100 mm	Thorlabs	LA1050 -B	镜头已安装至尼康物镜
双凸透镜 f = 60 mm	Thorlabs	LB1723 -B	用于连接尼康物镜的透镜，以使用30 W测量头测定光学透过率
方形保护金镜	Thorlabs	PFSQ20-03-M01
高功率红外传感器卡	Newport	F-IRC-HP-M	用于检查光路的传感器卡
2" 十字准线	BAM		自制
1" 十字线	BAM		自制
靶心水平	Thorlabs	LCL01
扫描平台	Newport	M-UMR8.25	用于测量光束轮廓
千分尺螺钉	Newport	DM17-25	与 M-UMR8.25 型平移台配合使用
安装式零孔径光阑	Thorlabs	ID75Z/M	用于检查光路
基座与支架杆基本套装，公制与通用组件	Thorlabs	ESK01/M	基础
帖子 &安培；附件基本套件，公制和通用组件	Thorlabs	ESK03/M
M6 内六角圆柱头螺钉及紧固件套装	Thorlabs	HW-KIT2/M
构造导轨	Thorlabs	XE25L700/M
1" 构建立方体	Thorlabs	RM1G	用于安装构造导轨
电火花加工	Sodick	AG60L	www.sodick.de
St37 钢块 (100 × 100 × 40) mm3	BAM		自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为0.25 毫米，0.5 毫米，0.70 毫米，1.25 毫米（如图所示） 图5)
St37 钢块 (100 × 100 × 40) mm	BAM		自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为1 毫米，1.5 毫米，1.75 毫米，2 毫米（如图所示） 图5)
石墨喷雾	CRC Industries Europe NV	GRAPHIT 33	Ref. 20760，200 mL 喷雾剂（Kontakt-Chemie）
保护胶带	Tesa	tesakrepp 4348	用于在涂覆过程中保护隐藏缺陷