裂紋在萌生的那一刻，往往只有幾微米寬、幾毫秒的壽命。傳統量測工具──應變規、聲射感測器──能給出數值，卻拍不出裂紋尖端在哪裡、朝哪個方向移動。高速攝影機填補了這個缺口：它提供連續影像序列，讓 CGR（crack growth rate，裂紋擴展速率）不再只是統計平均值，而是每一幀都可以追蹤的動態過程，目前已成為材料科學動態斷裂研究的核心量測工具之一。
DIC 數位影像相關法與高速攝影的整合
DIC（Digital Image Correlation，數位影像相關法）的核心做法，是在試片表面噴上隨機散斑（speckle pattern），攝影機連續拍攝後，演算法比對相鄰影格中每個子區域的灰階分布，計算出位移場與全域應變雲圖。整個過程無需接觸、無需貼應變規，特別適合高溫、腐蝕環境或尺寸微小的試片。
搭配機型取決於裂紋速度。疲勞試驗或準靜態彎曲的裂紋速度在每秒數毫米以下，AOS L-PRI 全解析度 3,530 fps 已綽綽有餘，影像幅寬大、景深相對友善，拍攝完成後直接匯入 Imaging Studio 即可輸出位移與應變資料。若是高應變率衝擊或準脆性材料斷裂，DITECT HAS-EX 全解析度 40,000 fps 讓兩幀間距縮短到 25 μs，可解析大多數工程材料動態斷裂前沿的細部行為。
SHPB 霍普金森桿試驗中的裂紋觀測
分離式霍普金森桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）是量測高應變率（10³–10⁵ s⁻¹）動態力學性質的標準方法，整個加載過程通常在 50–500 μs 內完成。要在這麼窄的時間窗裡抓到裂紋萌生的瞬間，觸發時機的精準度與攝影機幀率缺一不可。
DITECT HAS-D71 在 VGA（640×480）解析度下達到 8,000 fps，配合外部觸發與入射桿應變規的 TTL 同步信號，可以完整記錄應力波通過試片的時序過程。需要更高時間解析度的陶瓷或纖維複合材料試驗，HAS-EX 的 40,000 fps 全解析度可以把每一個裂紋萌生事件都收進來。Mega Speed MS180K V2 則是需要同時兼顧極速幀率與一定視野時的另一個選項，適合不希望犧牲影像區域的應用場景。
SEM 原位（in-situ）試驗的補充角色
掃描式電子顯微鏡做原位拉伸或壓縮時，成像速度受制於電子束掃描時間，每幀往往需要數秒甚至數分鐘，遠不足以追蹤動態裂紋擴展。SEM in-situ 的真正優勢在於幾十奈米的空間解析度，適合觀察裂紋尖端微觀形貌、晶界偏析或孔洞聚合機制，前提是材料的裂紋速度夠慢（準靜態或疲勞低週次）。
實務上，多數研究團隊採「高速攝影先行、SEM 善後」的兩步策略：先用高速攝影機確定 CGR 數值與巨觀裂紋路徑，動態試驗結束後再對斷面做 SEM post-mortem 分析，用微觀形貌來解釋巨觀裂紋行為。這樣兩種工具各司其職，不浪費 SEM 的空間解析度，也不強求高速攝影機做到奈米尺度。
微觀成像的四個關鍵技術挑戰
- 景深（DOF）：放大倍率每提升一倍，景深約縮短四倍。試片稍微傾斜，裂紋尖端就可能跑出焦面。建議搭配遠心鏡頭（telecentric lens）或在試驗前做嚴格的試片平面度校準，確保裂紋平面嚴格平行於感測器。
- 放大倍率：一般工業鏡頭的放大倍率上限約 2×，材料裂紋觀測常需要 5–20×，需搭配長工距顯微鏡頭（long working distance objective）或顯微鏡接筒，並確認鏡頭的最短工作距離和試驗夾具不會發生干涉。
- 補光同步（LED / 雷射）：快門縮短到微秒等級後，一般連續 LED 燈的亮度遠不夠用。需使用可同步觸發的高亮度脈衝 LED 陣列或雷射照明，與攝影機的幀觸發信號精確對齊，才能在不產生運動模糊的前提下取得足夠曝光量。
- 幀率下限：觀測對象的裂紋速度決定幀率門檻。金屬疲勞裂紋速度 0.1–10 mm/s，5,000 fps 以下即可；衝擊陶瓷裂紋速度可達 1,000 m/s 以上，40,000 fps 甚至更高才能解析。原則是讓裂紋每幀移動距離不超過影像視野寬度的 3–5%。
材料種類 × 裂紋速度 × 建議幀率對照表
| 材料種類 | 典型裂紋速度 | 建議最低幀率 | 推薦觀測技術 |
|---|---|---|---|
| 金屬合金（疲勞裂紋） | 0.1–10 mm/s | 1,000–5,000 fps | DIC + AOS L-PRI |
| 高分子複合材料 | 10–500 m/s | 10,000–50,000 fps | DITECT HAS-D71 / HAS-EX + DIC |
| 脆性陶瓷（動態斷裂） | 500–3,000 m/s | 100,000 fps+ | DITECT HAS-EX（降解析度高速模式） |
| 混凝土（衝擊壓縮） | 100–500 m/s | 20,000–100,000 fps | DITECT HAS-D71 / HAS-EX |
| 橡膠 / 彈性體 | 1–100 mm/s | 1,000–10,000 fps | AOS L-PRI + 同步脈衝 LED 補光 |
常見問題
Q：觀測疲勞裂紋需要多高的幀率？
視 CGR 數量級而定。低碳鋼疲勞裂紋速度通常在每秒數毫米以下，5,000 fps 以下即可。陶瓷在衝擊載荷下的快速斷裂，裂紋速度可達每秒數百公尺，100,000 fps 以上才能解析前沿細節。選定幀率的經驗原則是：讓裂紋每幀移動距離不超過影像視野寬度的 3–5%，超過就需要提高幀率或縮小觀測視野。
Q：DIC 量測裂紋時，試片表面的散斑要怎麼準備？
常見做法是先噴白底漆，乾燥後用黑色噴罐在距試片約 30–40 cm 處輕甩，產生隨機黑點。散斑點徑建議控制在 2–5 個像素之間：太小在散焦時會消失，太大則降低應變量測的空間解析度。噴完後務必在高速拍攝的曝光時間條件下確認散斑不會出現運動模糊，必要時縮短曝光並加強補光亮度。
Q：SHPB 試驗觸發時機如何與高速攝影機同步？
標準做法是把入射桿上的惠斯登電橋（Wheatstone bridge）接到電壓臨界觸發器，當應力波到達時輸出 TTL 脈衝給攝影機的外部觸發端子（EXT TRIG）。DITECT HAS-D71 與 HAS-EX 均支援此類硬體觸發，並可設定負延遲（pre-trigger），讓攝影機在觸發前已將影像存入環形緩衝，觸發信號到達時只是決定儲存時間窗的位置，不會漏掉試驗開始前的初始狀態。
Q：高倍率觀測時景深很淺，裂紋跑出焦面怎麼辦？
有幾個方向可以處理：第一，改用遠心鏡頭（telecentric lens），其景深通常比標準工業鏡頭深 2–3 倍；第二，試驗前用三軸精密移台做對焦校準，確保裂紋預期路徑嚴格平行於感測器平面；第三，若裂紋路徑不確定，部分研究團隊會採多相機從不同視角拍攝，後處理做 3D-DIC 重建，繞開單一焦面的限制。
Q：AOS L-PRI 和 DITECT HAS-EX 應該怎麼選？
兩者的定位不同。AOS L-PRI 全解析度 3,530 fps，感測器面積較大，適合需要完整視野的 DIC 量測，以及疲勞裂紋、準靜態斷裂等中等速度場景，Imaging Studio 的後處理流程也較為直覺。DITECT HAS-EX 全解析度 40,000 fps，適合 SHPB 這類極短時間窗、動態斷裂陶瓷或爆炸衝擊等高速事件。若實驗同時涵蓋兩種情境，可先估算 CGR 數量級，再決定機種，或聯繫東茂評估雙機配置的可行性。
Q：拍到裂紋影像後，如何定量計算 CGR？
最直接的方法是在每一幀影像中標記裂紋尖端位置（可手動逐幀點選，或用邊緣偵測半自動化），再除以幀間時間差得出瞬時速率。更嚴謹的做法是搭配 DIC 輸出的應變集中區域（最大主應變梯度處）來客觀定位裂紋尖端，排除主觀目測誤差。Imaging Studio（AOS 平台）支援 ROI 擷取與時間序列匯出，可直接接後續 Python 或 MATLAB 腳本做 CGR 統計與繪圖。
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作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。