滲透檢測的光學基礎

1、職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫滲透檢測的光學基礎一、光的本性1.光是一種電磁波（1）波、機械波、電磁波振動的傳播過程，稱為波動，簡稱波。振動是產(chǎn)生波動的根源。波動是振動的結(jié)果，是物質(zhì)的基本運動形式之一。波動可分為兩大類，一類是機械波，另一類是電磁波。兩者有很大的本質(zhì)區(qū)別，不可混淆。機械波是機械振動在彈性介質(zhì)中引起的波動過程。例如水波、聲波、超聲波等。電磁波則是電磁振蕩所產(chǎn)生的變化電場和變化磁場在物體中或空間的傳播過程，如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線等。不同電磁波的區(qū)別只是頻率（或波長）范圍的不同，從而呈現(xiàn)出不同的特性。光是電磁波，具有波粒二像性。（2）光波“光”這個詞，

2、通常指的是與視覺有關的那一類輻射電磁能。廣義地講，光包括電磁波的整個輻射范圍。因此通常說光是一種電磁波。光速等于電磁波的波速。波粒二像性：微觀粒子，即光子、中子、電子、質(zhì)子以及所有基本粒子，在運動中既表現(xiàn)出波動性，又表現(xiàn)出粒子性，這個性質(zhì)稱為微觀粒子的波粒二像性。人眼所能看見的光的波長范圍約在380毫微米（紫光）至760毫微米（紅光）之間。（1毫微米10-9m，又稱為納米，簡記為nm）。圖1 電磁波波譜圖可見光包括七種顏色的光，按照光的頻率由低到高，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。光的顏色由光的頻率決定，在可見光范圍內(nèi)，紅光頻率最低，紫光頻率最高。在光譜上波長小于紫光的區(qū)域，人眼看不見，稱為

3、紫外光；而波長大于紅光的區(qū)域，人眼也是看不見，稱為紅外光。紅外線存在于紅光區(qū)域以外，顯著特性是熱作用。紫外線存在于紫光區(qū)域以外，顯著特性是化學作用。紅外線、可見光和紫外線，它們產(chǎn)生的原因都是原子的外層電子受激發(fā)后躍遷而形成的。2.光子說空間傳播的光（包括不可見光），并不是連續(xù)的波，而是一份一份的，每一份叫做一個光子（光量子）。光子是組成光的最小單元，有能量和動量但沒有質(zhì)量。光是具有質(zhì)量（靜止質(zhì)量為零）、能量和動量的粒子所組成的粒子流。光子能量的大小與它的頻率成正比：E=hE光子的能量，J光子的頻率，Hzh普朗克常量，h=6.6310-34Js表1 電磁波譜表名稱頻率（Hz）波長（m）無線電波1

4、0431012310410-4紅外線10123.91014310-47.710-7可見光3.910147.510147.710-7410-7紫外線7.5101451016410-7610-9X射線310163102010-810-12射線31019以上10-11以下3.光的波粒二象性光在傳播時，主要表現(xiàn)出波動的性質(zhì)，光的波動性表現(xiàn)在光具有波長和頻率，當光通過狹縫時，會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。光在跟物質(zhì)作用時，主要表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)，光的粒子性表現(xiàn)在光具有量子化的能量，同時還具有動量，光的動量是光子的運動質(zhì)量和速度的乘積。研究大量光子產(chǎn)生的效果主要顯示出波動性。研究個別光子產(chǎn)生的效果又顯示出粒子性。波長短的

5、電磁波粒子性顯著，波長長的電磁波波動性顯著。光同時具有波動性和粒子性，這就是光的波粒二象性。用電磁波的理論能解釋光的折射、干涉、衍射和色散等，用光子說能解釋光電效應。無論是電磁說，還是光子說，說的都只是光的局部而不是全部性質(zhì)?？傊饧炔皇墙?jīng)典意義上的“單純的”波，也不是經(jīng)典意義上的“單純的”粒子。二、發(fā)光及光致發(fā)光1.發(fā)光發(fā)光的物體稱為光源，也稱為發(fā)光體。一個光的輻射體，當光源的大小和其輻射能的作用距離相比可以忽略不計時，就稱之為發(fā)光點，發(fā)光點被認為是一個既無體積又無大小的幾何點。任何被成像的物體都是由無數(shù)發(fā)光點所組成。光線：用一條表示光傳播的線來代表光，稱之為光線，光線是一條攜帶能量的幾何

6、線。這種發(fā)光點和光線實際上是不存在的，只是人們用來方便理解和處理問題的一種方法。按光的激發(fā)方法來說，利用熱能激發(fā)的光源，稱為熱光源，例如白熾燈；利用化學能、電能或光能激發(fā)的光源稱為冷光源，例如熒光及磷光。但是，光的發(fā)射不能僅僅歸因于發(fā)射體的溫度。人們常常按照激發(fā)能源的方式來劃分各種類型的發(fā)光。當發(fā)射的光能由化學反應提供時，如在常溫下磷的緩慢氧化稱為化學發(fā)光；當發(fā)光的化學反應發(fā)生在有生命的機體中時，如熒光蟲的輝光稱為生物發(fā)光。在上述兩個例子中，有一部分是化學反應能量轉(zhuǎn)變成能發(fā)光的。另外，還有一些發(fā)光是由某種形式的能量從外部輸入物體產(chǎn)生的，這類發(fā)光可根據(jù)激發(fā)能的來源命名。激發(fā)能來自外加電場，稱為場

7、致發(fā)光；激發(fā)能來自紫外線、可見光或紅外線，稱為光致發(fā)光；激發(fā)能來自X射線或射線，則稱為射線致發(fā)光或輻射致發(fā)光。在“發(fā)光”一詞前加一適當前綴，同樣也可以命名表征其他機制激發(fā)的發(fā)光。例如，還可以按照高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的不同形式，將發(fā)光分為自發(fā)福射發(fā)光和受激輻射發(fā)光兩種形式。通常所使用的光源，例如白熾燈、霓虹燈、日光燈、高壓水銀燈等都是自發(fā)輻射光源；而激光就是受激輻射光源；它是與絕大多數(shù)發(fā)光系統(tǒng)的常規(guī)激發(fā)發(fā)光不一樣的。不考慮激發(fā)的方式，那么，引起發(fā)光的原子和電子現(xiàn)象基本上都里一樣的。因此，將發(fā)光現(xiàn)象細分成上述種種類型并不是根本性的區(qū)別，主要是為理解方便。2.光致發(fā)光許多原來在白光下不發(fā)光的物質(zhì)，在紫

8、外線等外輻射源的作用下，能夠發(fā)光，這種現(xiàn)象稱光致發(fā)光。這種發(fā)光的時間，有長有短。熒光：有些物質(zhì)的發(fā)光，當外輻射源停止作用后，經(jīng)過極短的時間就消失了，這種發(fā)光稱為熒光，這樣的物質(zhì)叫熒光物質(zhì)。磷光：有些物質(zhì)的發(fā)光，當外輻射源停止作用后，經(jīng)過很長時間才停止發(fā)光，這種發(fā)光稱為磷光，這樣的物質(zhì)叫磷光物質(zhì)。外輻射源停止作用后，仍然能持續(xù)發(fā)光的物質(zhì)稱磷光物質(zhì)。外輻射源停止作用后，立即停止發(fā)光的物質(zhì)，稱熒光物質(zhì)。熒光滲透劑中的熒光染料是一種熒光物質(zhì)。光的顏色是由受激發(fā)的原子種類決定。這幾乎是所有光源的最基本工作機制。這些光源的主要不同是在于激發(fā)原子的過程。在白熾燈光源里，原子是通過加熱來激發(fā)；而在燈管里，原子

9、是通過化學反應來激發(fā)。3.滲透檢測用光眼睛所以能看見物體，是由于物體對我們的眼睛引起光的感覺。不發(fā)光的物體，只要受到發(fā)光體的照射，能反射出光來引起眼睛的感覺，我們同樣的可以看見。著色檢測時，缺陷的紅色顯示及背景的白色顯示，是因為在發(fā)光體照射下（直接照射或間接照射），它們都能反射出光來引起眼睛的感覺，從而，使我們能用眼看見它們。著色滲透檢測時，使用可見白光，其波長范圍為400760nm，可由白熾燈或日光燈等光源得到。熒光滲透檢測時，使用紫外線，它是一種比可見光更短波長的不可見光。國際照明學委員會，將紫外線的頻譜范圍分類如下：UVA：315400 nm，又稱長波紫外線；UVB：280315nm，又

10、稱中波紫外線，能使皮膚變紅，引起曬斑；UVC：100280nm，又稱短波紫外線，有光化、殺菌作用。這種光是看不見的，所以又稱黑光。熒光滲透檢測所用紫外線，波長范圍為330390nm，中心波長約365nm，屬于黑光。也稱A類紫外輻射。般使用高壓黑光水銀燈作光源可得到紫外線。其有生理作用，還能使底片感光。紫外線能使熒光滲透劑產(chǎn)生熒光，熒光滲透檢測就是以熒光滲透劑受紫外線照射而激發(fā)產(chǎn)生熒光這一現(xiàn)象為基礎的。熒光滲透檢測常用的熒光，其波長為510550nm，呈黃綠色。4.發(fā)光機理我們知道，物質(zhì)是由很小的分子組成，分子是由更小的原子所組成。原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部

11、質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)，原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個原子是中性的；電子繞核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對它的庫侖引力。整個原子相似于小太陽系，行星繞太陽運動，相似于電子繞原子核運動。原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。原子從一種定態(tài)（設能量為E2）躍遷到另一種定態(tài)（設能量為E1）時，它輻射或吸收一定頻率的光子。光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即：hv=E2-E1式中h普朗克常量；v光子的頻率，Hz在正常情況下，大多數(shù)原子是處于能量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)。由于外界的

12、原因，例如輻射的照射、快速粒子的撞擊、化學分解與化合、加熱等傳輸給原子一定的能量，則原子可以吸收能量而由基態(tài)躍遷到能量較高的某一狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子總是力圖再躍遷到基態(tài)。這是由于基態(tài)能量最低而最穩(wěn)定，高能級的激發(fā)態(tài)相對于基態(tài)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。當原子從高能級的激發(fā)態(tài)躍遷到低能級的狀態(tài)時，原子就要輻射光。原子由高能態(tài)向低能態(tài)或基態(tài)躍遷有兩種形式：在沒有外界影響的情況下，原子總是力圖降低自己的能態(tài)而自發(fā)的向較低能態(tài)躍遷而發(fā)生輻射。由于這種輻射是自發(fā)進行的，稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射時，光源中大量輻射原子，它們是彼此獨立，互不相關的進行輻射，因此發(fā)光時間、頻率和位相、傳播方向都無一定關系，

13、各原子輻射的光是互不相干的。通常所用光源中，例如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈等都是自發(fā)輻射光源。處于高能態(tài)的原子，如果受到一定頻率外來光子的作用，也會引起該原子向低能態(tài)躍遷而發(fā)生輻射。由于這種輻射是被感應而產(chǎn)生的，所以稱為感應輻射或受激輻射。由于受激輻射光是被入射光感應而產(chǎn)生，所以輻射光子和入射光子相互關聯(lián)，特征相同，即它們的頻率相同、位相相同和振動方向相同，傳播方向也一致。顯然，受激輻射得到與入射光子特征完全相同的光子。例如激光光源就是受激輻射光源。熒光滲透檢測時，熒光滲透劑中熒光染料在紫外線照射下發(fā)出熒光，其機理簡述如下：當紫外線照射到熒光滲透劑時，熒光物質(zhì)便吸收紫外線的光能量。處于較低能級

14、的離原子核較近的軌道上的電子受激發(fā)而跳躍到離原子核較遠的軌道上，使原子能量升高而處于激發(fā)狀態(tài)。處于激發(fā)狀態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級上的電子要自發(fā)地跳躍到失去電子的較低能級上去，電子由高能級跳到低能級，將發(fā)出光子，這個光子的能就等于高低能級的能量差。熒光滲透劑中熒光染料吸收紫外線的光能量，發(fā)出光子，其波長為510550nm，為黃綠色熒光。三、光度學光度學是一門研究光的計算和測量的科學。光度學通常涉及到發(fā)光強度、光能量等的計算及測量。各種光源發(fā)光的強弱是不同的，即使是同一個光源，它向不同方向發(fā)光的強弱也不一定相同。為了說明光源發(fā)光強弱的這種特性，引入了發(fā)光強度這個概念，繼而引出了光通量、輻射通量和照

15、度等概念。（1）發(fā)光強度是指光源向某方向單位立體角發(fā)射的光通量，單位是坎德拉（cd）。要用數(shù)值表示出各種光源的發(fā)光強度，必須先規(guī)定一個客觀的標準來做發(fā)光強度的單位。最初是用一種鯨燭的發(fā)光強度來做發(fā)光強度的標準的。這種鯨油蠟燭直徑是2.2cm，每支的質(zhì)量是75.5g。支這樣的鯨燭每小時燃燒7.78g，火焰高度是4.5cm時，沿水平方向的發(fā)光強度就是1發(fā)光強度的單位；這樣的單位叫1燭光。以1燭光的點光源為中心，作半徑為1m的球面，那么通過球面上每1m2面積的光通量就是1lm。很顯然，用鯨油蠟燭做發(fā)光強度的客觀標準在使用時很不方便，故被淘汰。國際單位制中，發(fā)光強度的單位名稱是坎德拉，單位符號是cd，

16、又名新燭光。1坎德拉是指某給定單色光源（頻率為5401012Hz，波長為0.550m）在給定方向上（該方向上輻射強度為1/683W/sr的發(fā)光強度。（球面度sr是一個立體角，其頂點位于球心，而它在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積）。發(fā)光強度為1cd的光源在一個球面度內(nèi)的光通量就是1lm。（2）光通量是指能引起眼睛視覺強度的輻射通量，單位是流明（lm)。（3）輻射通量是指輻射源（例如光源）單位時間內(nèi)向給定方向所發(fā)射的光能量，即以輻射的形式發(fā)射、傳播和接收的功率，故又稱輻射功率。單位是瓦特（W)。（4）輻射強度單位面積上的輻射通量是輻射強度。單位：瓦（特）/米2，（W/m2)。(1

17、W/m2=100W/cm2)。（5）光視效能表示輻射通量（功率）產(chǎn)生光通量的效率。因為人眼僅對波長約400700nm之間的輻射敏感，即輻射體只有在此有限區(qū)域內(nèi)的輻射才能引起視覺的感覺，人眼的視見靈敏度隨波長而變，亮適應條件下的標準觀察者，公認的最大值是在550nm波長上680lm/W如果把所有波長上每個光譜光視效能值都除以最大值（680lm/W)，那么就得到輻射功率的光譜光視效率（視見函數(shù)）V()，它是無量綱的。人眼對波長為一定值的黃綠色光最敏感。（6）照度是指被照射物單位面積上所接受的光通量，單位是勒克司（lx)。1lx=1lm/m2，即被均勻照射的物體，lm2面積上所得到的光通量是11m時

18、，它的照度就是1lx。照度是表示物體被照明的程度。對于面積一定的表面，照射到它上面的光通量越大，這個表面的照度也越大；如果光通量的大小一定，被均勻照射的表面面積越大，表面的照度就越小。滲透檢測時，工作場地保持一定的照度，對于確保滲透檢測靈敏度及提髙工作效率是非常必要的。一般要求，著色滲透檢測時，被檢物表面上可見光照度應在500lx以上。熒光滲透檢測時，被檢物表面上的紫外線強度應不低于1000W/cm2，暗室內(nèi)可見光照度應不大于20lx（紫外線，按黑光源的間接評定方法測定）。除了注意到照度的強弱，還必須注意照度的均勻和穩(wěn)定，強光源的光直射到眼里以及明暗交替過劇的光線，對眼睛視覺都是有害的。因此，

19、當利用強光源照明時，要把光源掛得高些，或安裝適當?shù)姆瓷湓O備；從明亮處進入黑暗處，應有黑暗適應時間，從黑暗處進入明亮處，應有恢復時間等都是必須采取的措施。四、對比度和可見度1對比度某個顯示和圍繞這個顯示的背景之間的亮度和顏色之差，稱為對比度。對比度可用兩者間的反射光或發(fā)射光的相對量來表示。這個相對量稱對比率。試驗表明，從純白色表面上反射的最大光強度約為入射光強度的98%。從最黑的表面上反射的最小光強度約為入射白光強度的3%。這表明黑白之間能得到的最大對比率為33比1。實際上要達到這個比值是極不容易的。試驗測量結(jié)果表明，黑色染料顯示與白色顯像劑背景之間的對比率為90%:10%，即9:1，而紅色染料

20、顯示與白色顯像劑背景之間的對比率卻只有6:1。熒光顯示與不發(fā)熒光的背景之間的對比率數(shù)值卻比顏色對比率高得多，即使周圍環(huán)境有微弱的白光存在，這個對比率值仍可達300:1，有時可達1000:1，在完全暗的理想情況下，對比率值甚至可達無窮大。因為這是發(fā)光顯示與不發(fā)熒光的背景之間的對比率。由于著色滲透檢測時的對比率遠小于熒光滲透檢測，因此熒光滲透檢測有較髙的靈敏度。著色滲透檢測時，紅色染料顯示與白色顯像劑背景之間應形成鮮明的色差。熒光滲透檢測時，背景的亮度必須低于要求顯示的熒光亮度。2可見度可見度表征相對于背景及外部光等條件，滲透劑形成可用人眼直接觀察到的缺陷顯示的能力。所謂背景是缺陷顯示周圍的襯底。

21、人眼具有復雜的觀察機能，見圖2在強白光下，人眼對光強度的微小差別不敏感，而對顏色和對比度差別的辨別能力很強。著色滲透檢測時，紅色缺陷顯示能在白色背景上形成較大的色差，人眼在強白光下的辨別能力很強。在暗光中，人眼辨別顏色和對比度差別的本領很差，卻能看見微弱發(fā)光的物體。在暗視場中，人眼直接觀察發(fā)光的小物體時，感覺到的光源尺寸要比真實物體大，這是因為人眼有自動放大作用。因為當光的亮度降低時，眼睛的瞳孔會自動放大，以便吸收更多的光。所以，從明亮處進入黑暗處，必須過一段時間，才能看見周圍的東西，這種現(xiàn)象稱為黑暗適應。黑暗適應所需要的時間因人而異，它取決于檢測人員的年齡及健康狀況等因素。對于熒光滲透檢測而言，黑暗適應時間通常5min就夠了。不過，要完全適應黑暗條件，一般需要20min，同樣，從黑暗處進入明亮處，也需要足夠的恢復時間。人的眼睛對各色光的敏感性是不同的，對黃綠色光最敏感，在黑暗處黃綠色光具有最好的可見度。熒光滲透檢測時采用的熒光滲透劑，在紫外線照射下，發(fā)黃綠色熒光，因而缺陷顯示在暗室里具有最好的可見度。圖2 人眼睛敏感特性圖五、缺陷顯示及裂紋檢出能力1缺陷顯示缺陷容積越大，它容納的滲透液就越多，留在缺陷中可