[发明专利]复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统

说明书

本发明公开复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统，复眼原位监测单元包括球面安装罩以及设置在所述球面安装罩上的成像组件，所述球面安装罩上设置有球面栅格阵列，所述球面栅格阵列包括5行4列共20个安装点，每个所述安装点安装有1组所述成像组件，所述成像组件包括CCD光学数字相机组件、DIC数字散斑光源组件、IR红外光谱组件、拉曼光谱组件和太赫兹光源组件；本发明能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制。

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，特别是涉及复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统。

背景技术

关键材料保障能力不足是制约国民经济发展的瓶颈之一。由于对材料的微观损伤机制不明确而造成的材料失效是引发重大恶性事故和生命财产损失的重要原因之一。造成这些问题的重要原因就是材料的测试能力不足。材料及其制品在服役期间的工作条件复杂，又不可避免的受到多种载荷形式的共同作用和影响。材料力学性能原位(In Situ)测试是指对各类固态材料进行力学性能测试过程中，除要获取材料的固有力学性能参数外，还通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、电荷耦合器件(CCD)等对载荷作用下材料的组织结构演化进行高分辨率动态监测的技术。其中，SEM侧重于对被测试件表面的微观组织形貌进行高分辨观测，其原理是依靠高能入射电子束轰击被测试件表面时激发出的二次电子在被测试件表面形成逐点放大的形貌像来对表面形貌进行观察，配合能谱仪(EDS)，亦可对材料微区成分的元素种类与含量进行分析；XRD则侧重于分析材料的衍射图谱，获得材料内部原子或分子的结构、形态等信息；而Raman光谱仪则更侧重于分子结构的定性分析及试件微米级的微区检测。此外，AFM也是被经常采用的形貌监测仪器，可对材料进行纳米级区域的形貌探测和纳米操作。CCD则是试件表面光学成像信息的重要应用载体，相对于SEM在大工作距离条件下依然具有高成像倍率的优势，CCD则侧重在材料金相组织形貌等方面的显微观察。材料微观力学性能原位测试仪器与上述成像装备的结合使用需要满足与各类具有开放式空间载物环境装备的结构兼容问题，以及与SEM密闭真空载物环境的真空兼容及电磁兼容问题。尽管如此，传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成，建立载荷作用与单一光谱信息的相关性，无法同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，即难以深入理解材料微观失效和变形损伤机制。

现有材料表面缺陷监测涉及的形貌表征或图像识别技术大都依赖于固定式或具有多自由刚性驱动式成像装备，如扫描电子显微镜具有固定式电子发射枪和多轴载物移动平台，原子力显微镜的探针具有多自由度运动与高精度定位功能。受制于载物空间、夹持条件和复杂外场结构干涉，依靠固定式(如SEM电子枪)或多自由度刚性驱动式(如压电多自由度驱动平台)方式难以实现在小视野范围、远距离成像且存在明显结构干涉等局限条件下的快速、宽域和全视场成像。

以昆虫复眼成像为代表的生物成像原理为多光谱原位监测提供了新思路。昆虫复眼中的每个小眼都有角膜、晶椎、色素细胞、视网膜细胞、视杆等结构，是一个独立的感光单位。每个小眼只接受单一方向的光讯号刺激，形成点状的影像，复眼的小眼数量愈多，视野通常愈宽广。一般而言，昆虫可通过其复眼结构能够感知300nm-650nm波长范围的光线。人类眼球可绕其玻璃体球心自如地转动，在极紧凑空间内依靠六条眼肌的柔性牵拉实现快速、广角和全视场图像识别。因此，为确保材料及其制品在服役过程中的长期稳定性、耐久性和可靠性，研制开发能够对材料微观力学行为进行精确测试的，并能够同步获取材料变形损伤过程中的“形貌-热场-应变-成分-缺陷”信息演化十分重要。通过以昆虫复眼结构和人眼眼肌牵拉成像原位为仿生设计与制造的生物模板，研制基于昆虫复眼多光谱成像以及眼球转动柔性牵拉的仿生成像技术，可为深入理解材料微观失效和变形损伤机制提供测试技术支撑。

发明内容