光绘:自由开源的数字散斑图像生成和评价软件

生成数字散斑图像以及对应的变形图像是数字图像相关研究的基础,然而至今仍然缺乏功能齐全、操作简单、界面友好的专业散斑生成和分析软件;研究者需要自行实现相关算法,不仅费时耗力,也增加了出错的可能性。本文发布了一款自由开源的数字散斑图像生成和评价软件:《光绘》。该软件具有散斑图生成、变形图生成、散斑质量评价和散斑图案推荐等功能:可以生成椭圆、多边形和高斯散斑;可以渲染平移、拉伸/压缩、旋转、正弦、高斯和剪切带等变形模式的变形图;可以计算散斑占空比、散斑尺寸、系统误差和随机误差等关键散斑质量评价参数;可以根据工况生成矢量格式的推荐散斑图案。本文提出向后映射初值快速估计算法和散斑图预渲染技术实现了变形图的实时渲染显示,并使用积分图像技术大幅提升了灰度梯度平方和的计算效率。该软件不仅可用于数字图像相关的学术研究和工程应用,也可服务于实验力学的教学工作,具有广阔的应用前景。     

空间散斑场捕获大量吸光性颗粒及其红外显微观测

光镊技术被广泛应用于捕获和操纵微纳米尺寸颗粒,主要包括捕获水中透明性颗粒和空气中吸光性颗粒两种类型.本文用激光束照射毛玻璃散射片,透射光经透镜会聚后在透镜的像平面附近产生了主观散斑场.该散斑场为空间分布,包含大量的亮斑和暗斑.大量由亮斑包围的暗斑如同一个个空间能量陷阱,被用来捕获大量的吸光性墨粉颗粒,被捕获颗粒的尺寸约2—8μm,密度约1—2 g/cm3.采用红外显微镜拍摄到空间散斑场捕获颗粒的红外像,红外图像显示被捕获颗粒吸光后温度升高,证实了空间散斑场捕获吸光性颗粒的机理为光泳力原理.     

数字散斑相关法研究镍钴基高温合金中的PLC效应

作为航空发动机涡轮盘用新型材料,镍钴基变形高温合金在300～600℃温度区间内拉伸时会产生Portevin-Le Chatelier (PLC)效应.本文采用数字散斑相关方法,研究了镍钴基变形高温合金在400℃下拉伸变形过程中伴随PLC效应出现的应变局域化现象,即PLC带.实验结果表明,PLC带内的应变比试件平均应变大一个数量级,而带外部分应变接近于零.同时还观察到了带外部分的弹性收缩现象,即出现应变为负的区域.在拉伸全程中,PLC带与拉伸轴方向成约60°的夹角.PLC带的宽度均为4～4.5 mm,远大于试件最小尺寸(厚度),这一点与铝合金中的带宽与试件最小尺寸相近这一现象截然不同.     

Effect of solute concentration on the serrated flow in solution-treated Al--4%Cu alloys

In order to compare with annealed Al--4%Cu alloys, the influence of solute concentration on the serrated flow is investigated by solution treatment. In this paper, some dynamic parameters, such as critical time and the ultimate tensile strength are obtained. Moreover, the change of the strain rate range for serrated flow in Al--4%Cu alloys prepared by annealing and quenching heat treatments is reported too. The difference between them is attributed to the increasing solute concentration in the bulk of the solution treated materials.     

Deformation measurements of three types of Portevin--Le Chatelier bands

In this paper a technique based on high-speed digital photography and the digital speckle correlation (DSC) method is used for the quantitative measurement of the displacement and strain fields of various Portevin--Le Chatelier (PLC) bands (types A, B, and C). The experimental results clearly show the nucleation process of a type-B band and the propagation of a type-A band. The results also reveal that there exists an elastic shrinkage deformation outside a PLC band during a large avalanche-like deformation inside the PLC band.     

基于数字图像相关法的Mg含量对Al合金Protein-Le Chatelier效应影响的实验研究

利用数字图像相关法研究了常温与恒定应变率(5.00×10~(-3)s~(-1))下Mg含量(质量分数)分别为2.30%,4.57%,6.10%及6.91%四种Al-Mg合金Portevin-Le Chatelier(PLC)效应的宏观变形行为.实验发现,Mg含量的增加导致强化效果的增强;低Mg含量(2.30%)合金中锯齿跌落幅值基本保持不变,而在高Mg含量(4.57%,6.10%,6.91%)合金中随应变增加而增加.锯齿跌落幅值随Mg含量增加而逐渐增大,在高Mg含量合金中趋于饱和.宏观局域变形带的观察结果表明PLC带宽不随Mg含量或者应变改变而变化,带内变形量随着Mg含量或者应变的增加而逐渐增大.此外,在低Mg含量合金的加载曲线后段(应变约为0.3时)观测到了特殊的周期性的衰减锯齿,相应的时域PLC带演化表明加载曲线的周期性转变大锯齿对应着空间上PLC带的转向,幅度逐渐减小的振荡对应着PLC带的传播,且在转向前后PLC带均向上连续传播.     

数字图像相关技术中插值偏差的理论估计

数字图像相关测量的普及提出了建立散斑质量评价体系要求,即发展针对不同的数字散斑图能够评估测量精度的标准方法.其中,数字图像相关计算中插值误差引起亚像素位移系统偏差(插值偏差)的估计是评价散斑质量的重要参数,然而至今插值偏差与散斑图结构及其插值方法之间的深层机制仍然不明,而且缺乏快速有效的手段估计插值偏差的量级.基于傅里叶方法获得了插值偏差的解析表达式.在满足采样定理的情况下,对其简化得到了插值偏差的带限近似形式和正弦近似形式.插值偏差的正弦近似形式解释了插值偏差随亚像素平移呈正弦形式变化的现象.基于插值偏差的正弦近似公式,提出了决定插值算法用于相关匹配优劣的插值偏差核概念,它表征了插值算法对散斑图特定频率的偏差响应,插值偏差是由插值偏差核与图像功率谱乘积的积分决定的.基于理论分析,提出了一种通过散斑频谱和插值偏差核估计插值偏差的简便有效算法,较之于传统的散斑图平移方法有明显的速度优势.分析了模板大小对估计精度的影响,并通过模拟进行了验证.解释了插值偏差产生的深层机理,解决了长久以来插值偏差难以快速估计的问题.不仅可以用于插值偏差估计,也可以用于插值算法优化,滤波模板选取等问题.对建立散斑质量评价体系,从而制作方便用户的水转印标准散斑也有推动作用.      

Thermal and mechanical characterizations of asubstrate-free focal plane array

We propose a substrate-free focal plane array (FPA) in this paper. The solid substrate is completely removed, and the microcantilevers extend from a supporting frame. Using finite element analysis, the thermal and mechanical characterizations of the substrate-free FPA are presented. Because of the large decrease in thermal conductance, the supporting frame is temperature dependent, which brings out a unique feature: the lower the thermal conductance of the supporting frame is, the higher the energy conversion efficiency in the substrate-free FPA will be. The results from the finite element analyses are consistent with our measurements: two types of substrate-free FPAs with pixel sizes of 200× 200 and 60× 60~μ m² are implemented in the proposed infrared detector. The noise equivalent temperature difference (NETD) values are experimentally measured to be 520 and 300~mK respectively. Further refinements are considered in various aspects, and the substrate-free FPA with a pixel size of 30× 30~μ m² has a potential of achieving an NETD value of 10~mK.     

红外显微观测被俘获吸光性颗粒

光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒, 目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力. 本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测. 当激光器功率为1.0 W时, 成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7 μm)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1–20 μm)的温升约为14 K, 为光泳力理论提供了强有力的证据. 另外, 首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象, 并分析了振荡现象的产生机理. 关键词： 光镊 光俘获 红外显微     

光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。