使用激光投射光热法构造加热的地下缺陷定位
2017年5月15日
该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在这里，我们将激光与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以确定性地用两个反相调制线加热样品表面，同时获得高分辨率的热图像。从评估热波干扰最小值来检索缺陷位置。
该方法的总体目标是以非破坏性和非接触的方式使用结构加热和高分辨率热成像来定位垂直于钢样品表面的表面下缺陷。这种方法可以帮助回答热成像领域的关键问题。例如，为了被检测到，缺陷可以有多小和多深。
这种技术的主要优点是我们可以产生在观察平面上传播的热波场，这使得该方法对垂直方向的缺陷高度敏感。该激光投影光热热成像系统布置在台式面包板上。该系统已完成实验中使用的大部分准备步骤。
光束路径的头部是激光源。该激光光纤由激光光纤支架支撑。接下来，望远镜将激光的光束直径减小到合适的尺寸，以便在光束线中稍后使用。
在光束采样器后面，一个 500 瓦功率计头吸收了大部分光束能量，使激光器能够以全功率运行。从光束采样器开始，光束通过镜子继续到达投影仪开发套件。这是一台拆解的商用投影仪，其光引擎和镜头被移除。
对于实验，准直光束以进入投影仪。通过投影仪后，光束将遇到将安装在计算机控制平移台上的样品。要完成此设置，请为投影仪获取一个 100 毫米焦距的镜头。
在平移阶段之前将镜头安装到投影仪物镜上。接下来，使用 LED 手电筒作为投影仪的输入光源。将一张白纸放在物镜前面并移动它，直到纸上有一个清晰的发光矩形，指示图像平面的位置。
此时，获取用于实验的样品。将样品安装在配备有实验室千斤顶的线性平移台上的光路中。使用实验室千斤顶抬起样品，使其顶部与投影矩形的顶部对齐。
确保缺陷位于图像平面的照明区域内。接下来，首先在柱子上获得金镜，安排进行红外摄影。镜子会将散射光束反射到相机。
将镜子安装在投影机附近的柱架上。它应反映样品的上边缘，并调整角度以尽可能多地看到样品表面。从镜子反射的光线将进入安装在三脚架上的红外摄像机。
将其放置在投影仪物镜的高度，以便它通过金色镜子看到投影的白色图像。将相机设置为由计算机控制，并让它预热。将相机连接到其控制软件后，获取一把钢尺。
将标尺放在样品表面，然后手动将相机对准样品。与钢尺的温度对比有助于聚焦。努力获得最清晰的图像。
最关键的步骤之一是在样品表面实现足够的横向分辨率。这很重要，因为必须解决耗尽线。使用激光软件将激光电压设置为 10 伏并启动激光。
使用相机软件处理投影仪和相机之间的关系。从顶部的选项中选择 Measure。转到 Measure areas （测量区域） 工具栏，然后选择交叉工具选项。
当激光打开时，会有热图像。使用该工具通过左键单击框架来标记图像的角落，然后记下坐标。必须为实验配置相机控制软件。
首先切换到 Camera （摄像机） 面板。在那里，单击 远程 按钮打开远程控制面板。在下拉菜单中，选择选项 Process-IO。
另外，继续点击 同步 选项和 门 选项。在此之后关闭菜单。从 Acquisitions parameters 选项卡中，打开 Acquisition 菜单。
从下拉菜单中选择 External Sync。在 Folder 字段中提供文件和文件夹名称。然后，移动到 Count 字段并输入之前计算的帧数，然后关闭 Acquisition 菜单。
通过选择 Record （记录） 开始相机数据采集。此时，转到实验控制软件。单击 Activate 以激活运动控制器。
接下来，编辑 Start Positions 和 End Positions （开始位置） 和 End Positions （结束位置） （以毫米为单位），以将缺陷包含在扫描中。之后输入以毫米/秒为单位的速度。单击 Start Measurement（开始测量）。
左键单击 Choose Area Color 字段。在颜色对话框中，为图案区域选择一种颜色。转到绘图工具栏，然后选择矩形工具。
移动到图像区域，并使用该工具创建一个与之前找到的投影仪像素域一致的矩形。单击 define Area 继续。该对话框允许设置投影模式属性。
在 Signal Type 下拉菜单中，选择 Sine Wave。要定义正弦波，请将 Phase Shift 字段设置为零度。此外，以赫兹为单位设置 Frequency。
将 振幅 设置为最大值。接下来，转到 Voltage 字段以伏特为单位输入激光电压。在字段 Pictures per period 字段中，输入以前计算的值。
单击 Next（下一步）。按照类似的步骤创建 180 度相移不同颜色的第二个矩形。在预览滑块中使用图像序列预览图像序列。
然后按 Start 开始实验。平移台缓慢地将样品移动通过选定的范围，以将不同区域暴露在投影振荡结构照明下。本实验的总传输时间为 200 秒。
随着样品的移动，红外热像仪会以 40 赫兹的频率采集热图像。此序列热图像提供了照明产生的热波场的示例。获取所有帧后停止实验。
要执行必要的后处理，请在后处理软件中加载数据帧。转换数据后，插入之前找到的投影点坐标。单击 Transform 将数据放入投影仪像素域中。
要提取温度信息，请通过输入两个点的坐标来定义耗尽线。在实验期间，在样品的起始位置输入速度参数。此外，输入红外摄像机的 FrameRate 和图案的正弦波 Frequency。
最后，确保数据后处理参数正确。准备就绪后，单击 Evaluate（评估）。裂纹位置显示在突出显示的字段中。
这些数据是从大约深度为1/4 毫米的缺陷的测试样品中收集的。样品以每秒 0.05 毫米的速度平移。黑色曲线表示温度随时间的变化，它沿着顶部的水平轴。
时间也可以平移到沿底部轴的位置。红色实线是温度非振荡升高的拟合曲线。红色虚线表示缺陷的位置。
这是经过额外后处理后的相同数据。蓝色曲线是 Hilbert 曲线，缺陷处于最小值。这些数据是在将扫描速度加倍至每秒 0.1 毫米后收集的。
与第一次测量相比，伸长率相同，但振荡频率降低。请注意，样品被移动到一个新的位置，这反映在测量中当该方案用于表面以下 1 毫米的缺陷时，仍然可以确定其位置，但具有更大的不确定性。这两个图都使用以每秒 0.1 毫米的扫描速度收集的数据。
该技术开发后，为无损检测领域的研究人员探索结构照明的使用铺平了道路。按照此过程，可以使用其他更复杂的照明图案来查找其他缺陷类型。到目前为止，只测试了钢，但该方法非常有前途，特别是对于塑料、复合材料和其他非常敏感的材料，因为施加的热应力很低。
当前实验装置的瓶颈是空间光调制器的热应力极限。这就是为什么我们必须注意测量时间，测量时间不应超过两到三分钟。到目前为止，只产生了两个整体热源。
但原则上，使用这种设置可以产生和控制多达 100 万个热源，这为任意法向波整形开辟了另一个领域。观看此视频后，您应该对如何使用激光投影的光热热成像技术定位亚表面缺陷有了很好的了解。不要忘记，使用 4 类高功率红外激光器可能非常危险，应始终采取预防措施，例如佩戴激光防护镜。
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概览
该方法利用结构化加热和高分辨率热成像来无损定位钢样品中的地下缺陷。通过使用激光和空间光调制器，该技术提高了对垂直于样品表面的缺陷的灵敏度。
关键研究组成部分
科学领域
- 热成像
- 无损检测
- 材料科学
背景
- 地下缺陷可能显著影响材料完整性。
- 传统方法可能无法有效检测小型或深层缺陷。
- 热波场可以提高检测灵敏度。
- 该方法旨在解决当前热成像技术的局限性。
研究目的
- 开发一种无接触检测地下缺陷的方法。
- 评估可检测缺陷的大小和深度限制。
- 提高热成像对缺陷检测的灵敏度。
使用的方法
- 使用激光和空间光调制器进行结构化加热。
- 在加热过程中获取热成像。
- 分析热波干涉最小值以定位缺陷。
- 实验应用的台面设置。
主要结果
- 该方法成功定位垂直于表面的地下缺陷。
- 对小型和深层缺陷实现了高灵敏度。
- 热成像提供了有关缺陷特征的详细见解。
- 系统在准备步骤完成后已准备好进行实验使用。
结论
- 该技术代表了热成像技术的重大进步。
- 它提供了一种可靠的无损缺陷检测方法。
- 未来的应用可能会提高材料安全性和性能。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables non-destructive, high-resolution detection of subsurface defects in materials, supporting early-stage material characterization in pharmaceutical and biotechnology R&D. By identifying structural flaws without sample damage, it aids in evaluating material integrity for device manufacturing, packaging, or implant development. The technique enhances predictive confidence in material selection by providing quantitative, spatially resolved defect localization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material structural integrity to support hypothesis testing in device or implant material selection.
- Operational Value: Provides non-contact, label-free assessment of subsurface flaws, reducing need for destructive sectioning.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative thermal oscillation data that can be used to standardize defect detection thresholds across material batches.
- Operational Value: Supports reproducible scanning protocols with synchronized stage and thermal imaging for consistent material screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from material discovery to preclinical validation by detecting defects that could compromise device function or safety.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by identifying subsurface anomalies before costly downstream testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by supporting material evaluation from early screening through preclinical validation, particularly for implantable devices or drug delivery systems where material integrity is critical.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding material suitability by revealing subsurface defects that may affect biological performance.
- Screening: Enables standardized, reproducible assessment of material batches through controlled thermal wave field generation and imaging.
- Analytics: Provides spatial-temporal thermal oscillation readouts that allow quantification of defect depth and orientation for comparative analysis.
- Translational Research: Connects early material screening to preclinical use by identifying flaws that could lead to device failure in biological environments.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable, platform-capable approach for material qualification across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection by reducing ambiguity in subsurface structural assessment.
- Operational Value: Enhances reproducibility and throughput via synchronized laser projection, stage scanning, and thermal imaging.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in material qualification, lowering risk of late-stage failure in device or implant development.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of materials based on quantifiable defect detection and localization.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser safety, thermal imaging, and synchronized data acquisition systems.
- Depends on specialized instrumentation including high-power diode lasers, spatial light modulators, and high-speed infrared cameras.
- Necessitates cross-team standardization for consistent application across material science, engineering, and biology groups.
- Involves adaptation considerations for varying thermal properties and geometries of different material systems.
- Limited by thermal stress thresholds of optical components, constraining maximum measurement duration to two to three minutes per sample.
