[科普中国]-白光散斑法

概述

用相干光的激光散斑法因受入射光强度和测试区域等条件的局限，在工程应用中受到许多限制。如果在物面上人为地制造细微的斑点，改用白光，即非相干光照射人工斑化的物面，在同一张全息底片上，用两次曝光法记录斑点在变形前后的像。经显影和定影等处理后，获得散斑图，它是全场人工斑点在位移前后的像的永久记录。这种用白光记录变形前后全场人工斑点的像，而不是记录表面各个点光源子波相互干涉所形成的散斑场的方法，称为白光散斑法。至于信息的提取，仍然采用逐点或全场分析法。

白光散斑法保留了激光散斑法无损、非接触式全场量测和适用于各种材料及表面等优点，最重要的是由于改用了白光光源，可以获得大范围高强度的光场，从而带来了设备简单、经济、灵敏度可以在较大范围内调整、适用于较高温度下进行测试和现场大型结构物上应用等一系列优点。1

白光散斑法主要的实验技术物面的人工斑化因为白光是非相干光，其反射光的子波在空间不相干，故需要对待测表面作人工斑化处理，常用的有下列几种。

（1）喷涂银粉

适用于金属、工程塑料、玻璃钢等复合材料。不论是喷涂或刷涂，一定要薄面均匀，这才能保证记录光强的一致性。

（2）细微致斑

主要用于混凝土、水泥制品等表面。可用带有颜色的液体喷洒在表面上，使之形成黑白相间的斑点，看起来是布满连续斑点的整体。应用时应根据试件的大小、记录镜头的分辨率、记录位置等条件来设计斑点的大小，以保证正确的测量。

（3）抛光打毛

在金属表面采用直接记录时效果较好。抛光后的表面要求具有随机平稳的斑化结构。条纹质量和灵敏度的可调范围与抛光处理的手段密切相关。

（4）人造薄片

在直接记录时，有些构件表面不允许抛光打毛或喷涂制斑，这时可用人造薄片的方法。要求薄片质地细腻，反射率高，有精细的光学结构，达到与金属表面抛光处理后的效果。

照相机镜头的选择为了能分辨微小斑点照相成像，照相机镜头要求有较高的分辨率。照相记录时，可以采用制版镜头。如果位移较大时，斑点颗粒可以相对大一些，镜头的分辨率可以稍低一些。白光散斑法的灵敏度取决于成像透镜的分辨率，位移越小，对分辨率的要求越高。若已有镜头的分辨率不很高，但所测的位移又较小时，可以用人为给定已知的附加刚体位移的方法，适当加大斑点距离，以达到在低分辨率情况下测量小位移的目的。在曲面三维位移测量时，这样做要特别谨慎。

记录介质的选择记录介质对被摄物细节的分辨能力称为解像力。记录介质上感光的颗粒越细、膜越薄，解像力就越高。对于小位移测量，要求有高的解像力。通常选用定数小的底片，如8以下的底片比较好。为了获得高质量的散斑条纹图，一般用全息底片来作记录介质。1

白光散斑照相法的截止频率白光散斑法记录系统是一种非相干光成像系统。当用白光入射于人工斑化表面时，通过透镜成像，对全息底片作两次曝光，记录两种状态下试件表面全场斑点的像，经过显影、定影、冲洗和晾干后，获得相应的主观散斑图。这时，记录系统是光强的线性迭加系统，它满足

式中，是像平面的光强，它表示成像系统对光强进行线性变换。这里光强变换的脉冲响应，即点扩散函数为相干光入射时点扩射函数模的平方，这种衍射受制于非相干光成像系统的频率响应，它可用光瞳的光学传递函数来描述，定义

其中光瞳的光学传递函数为

式中，为相干光学系统的截止频率；为透镜的光瞳半径；为透镜像平面的距离；为非相干光学系统的截止频率。

可见：对于非相干光学系统，存在着一个截止频率，其大小与光瞳孔径成正比。截止频率以外的高频成分，透镜不能接纳，也就是说，透镜分辨率受到有限大小孔径的限制。所以用照相机记录散斑时，存在物镜分辨率的问题，物镜分辨率越高，灵敏度也越高。

当然，也可以用直接记录的方法得到客观散斑图。因为这种方法不用透镜，所以有宽广的频率范围，条纹质量容易保证，但在一般曲面上难以应用。1