[科普中國(guó)]-白光散斑法

概述

用相干光的激光散斑法因受入射光強(qiáng)度和測(cè)試區(qū)域等條件的局限，在工程應(yīng)用中受到許多限制。如果在物面上人為地制造細(xì)微的斑點(diǎn)，改用白光，即非相干光照射人工斑化的物面，在同一張全息底片上，用兩次曝光法記錄斑點(diǎn)在變形前后的像。經(jīng)顯影和定影等處理后，獲得散斑圖，它是全場(chǎng)人工斑點(diǎn)在位移前后的像的永久記錄。這種用白光記錄變形前后全場(chǎng)人工斑點(diǎn)的像，而不是記錄表面各個(gè)點(diǎn)光源子波相互干涉所形成的散斑場(chǎng)的方法，稱為白光散斑法。至于信息的提取，仍然采用逐點(diǎn)或全場(chǎng)分析法。

白光散斑法保留了激光散斑法無(wú)損、非接觸式全場(chǎng)量測(cè)和適用于各種材料及表面等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是由于改用了白光光源，可以獲得大范圍高強(qiáng)度的光場(chǎng)，從而帶來(lái)了設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、靈敏度可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整、適用于較高溫度下進(jìn)行測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)大型結(jié)構(gòu)物上應(yīng)用等一系列優(yōu)點(diǎn)。1

白光散斑法主要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)物面的人工斑化因?yàn)榘坠馐欠窍喔晒猓浞瓷涔獾淖硬ㄔ诳臻g不相干，故需要對(duì)待測(cè)表面作人工斑化處理，常用的有下列幾種。

（1）噴涂銀粉

適用于金屬、工程塑料、玻璃鋼等復(fù)合材料。不論是噴涂或刷涂，一定要薄面均勻，這才能保證記錄光強(qiáng)的一致性。

（2）細(xì)微致斑

主要用于混凝土、水泥制品等表面?？捎脦в蓄伾囊后w噴灑在表面上，使之形成黑白相間的斑點(diǎn)，看起來(lái)是布滿連續(xù)斑點(diǎn)的整體。應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)試件的大小、記錄鏡頭的分辨率、記錄位置等條件來(lái)設(shè)計(jì)斑點(diǎn)的大小，以保證正確的測(cè)量。

（3）拋光打毛

在金屬表面采用直接記錄時(shí)效果較好。拋光后的表面要求具有隨機(jī)平穩(wěn)的斑化結(jié)構(gòu)。條紋質(zhì)量和靈敏度的可調(diào)范圍與拋光處理的手段密切相關(guān)。

（4）人造薄片

在直接記錄時(shí)，有些構(gòu)件表面不允許拋光打毛或噴涂制斑，這時(shí)可用人造薄片的方法。要求薄片質(zhì)地細(xì)膩，反射率高，有精細(xì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，達(dá)到與金屬表面拋光處理后的效果。

照相機(jī)鏡頭的選擇為了能分辨微小斑點(diǎn)照相成像，照相機(jī)鏡頭要求有較高的分辨率。照相記錄時(shí)，可以采用制版鏡頭。如果位移較大時(shí)，斑點(diǎn)顆?？梢韵鄬?duì)大一些，鏡頭的分辨率可以稍低一些。白光散斑法的靈敏度取決于成像透鏡的分辨率，位移越小，對(duì)分辨率的要求越高。若已有鏡頭的分辨率不很高，但所測(cè)的位移又較小時(shí)，可以用人為給定已知的附加剛體位移的方法，適當(dāng)加大斑點(diǎn)距離，以達(dá)到在低分辨率情況下測(cè)量小位移的目的。在曲面三維位移測(cè)量時(shí)，這樣做要特別謹(jǐn)慎。

記錄介質(zhì)的選擇記錄介質(zhì)對(duì)被攝物細(xì)節(jié)的分辨能力稱為解像力。記錄介質(zhì)上感光的顆粒越細(xì)、膜越薄，解像力就越高。對(duì)于小位移測(cè)量，要求有高的解像力。通常選用定數(shù)小的底片，如8以下的底片比較好。為了獲得高質(zhì)量的散斑條紋圖，一般用全息底片來(lái)作記錄介質(zhì)。1

白光散斑照相法的截止頻率白光散斑法記錄系統(tǒng)是一種非相干光成像系統(tǒng)。當(dāng)用白光入射于人工斑化表面時(shí)，通過(guò)透鏡成像，對(duì)全息底片作兩次曝光，記錄兩種狀態(tài)下試件表面全場(chǎng)斑點(diǎn)的像，經(jīng)過(guò)顯影、定影、沖洗和晾干后，獲得相應(yīng)的主觀散斑圖。這時(shí)，記錄系統(tǒng)是光強(qiáng)的線性迭加系統(tǒng)，它滿足

式中，是像平面的光強(qiáng)，它表示成像系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行線性變換。這里光強(qiáng)變換的脈沖響應(yīng)，即點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為相干光入射時(shí)點(diǎn)擴(kuò)射函數(shù)模的平方，這種衍射受制于非相干光成像系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，它可用光瞳的光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)描述，定義

其中光瞳的光學(xué)傳遞函數(shù)為

式中，為相干光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率；為透鏡的光瞳半徑；為透鏡像平面的距離；為非相干光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率。

可見(jiàn)：對(duì)于非相干光學(xué)系統(tǒng)，存在著一個(gè)截止頻率，其大小與光瞳孔徑成正比。截止頻率以外的高頻成分，透鏡不能接納，也就是說(shuō)，透鏡分辨率受到有限大小孔徑的限制。所以用照相機(jī)記錄散斑時(shí)，存在物鏡分辨率的問(wèn)題，物鏡分辨率越高，靈敏度也越高。

當(dāng)然，也可以用直接記錄的方法得到客觀散斑圖。因?yàn)檫@種方法不用透鏡，所以有寬廣的頻率范圍，條紋質(zhì)量容易保證，但在一般曲面上難以應(yīng)用。1