论莫尔效应的发展

摘 要：根据莫尔效应的形成特点进行分析，详解了莫尔效应的形成。指出光栅是莫尔效应的主要应用，介绍了光栅的制作方法，莫尔条纹的应用原理、特征及应用。

关键词：莫尔 光栅 位移

中图分类号：TS853 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0078-02

1 莫尔效应简介

莫尔效应（moiré effect）是当注视一组线或点与另一组线或点的叠层时的一种视觉效果，这两组点或线在相对大小，角落或间距上不同。莫尔效应是几个世纪以前法国丝绸工人发现给的奇怪的现象—两块叠合在一起的薄绸子在光线的照射下会产生绚丽的花纹。在日常生活中，莫尔效应可以在通过平常的纱窗看另一个纱窗或背景时被观察到。莫尔条纹的产生实际是是光的衍射和干涉的总效果。

莫尔条纹演示（如图1）。

2 莫尔条纹产生的前提，是光栅。

光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等、间隔相同的高精度线纹，仅在1 mm的间隔内刻出50～200条线纹，而刻线精度可以达到在一米长度上仅有±3～5 um的刻线误差，这种具有精密刻线的尺叫做光栅。光栅是可以形成透光与不透光相间排列的光电器件。光栅分为长光栅和圆光栅两种。

莫尔条纹的形成。

当指示光栅（主光栅，是测量的基准）和主光栅（移动）的刻线相交一个微小的夹角θ时，光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上，产生出亮暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”（如图2）。

起初的时候，莫尔现象只是应用在装饰方面，但随着科学技术的发展，莫尔现象作为一种精确的检测手段，逐渐应用于光电测量技术中，同时莫尔现象的应用给机械共享带来深远的影响，如印刷，防伪等方面。

3 莫尔条纹的组成方式有如下几种

（1）相交叠合的两直光栅。

（2）平行叠合的两直光栅。

（3）两相交圆光栅。

（4）一圆形光栅和一直光栅。

4 莫尔效应应用原理

（1）长光栅莫尔条纹：相邻两亮线（或暗线）间的间距，用W表示，则W如图3。

长光栅莫尔条纹又分为如下三种形式。

①横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角θ很小，条纹近似与栅线的方向垂直。

②纵向莫尔条纹：当栅线的夹角θ=0，且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。

③光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ=0，且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。

（2）长光栅莫尔条纹的特征。

①位移放大作用。

相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为：

莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：

结论如下。

θ越小，k越大，B越大。

②运动对应关系。

光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔。

光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。

当移动的刻线数i和角度θ一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比，即：

③误差的平均效应。

光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。

（2）圆光栅的莫尔条纹。

计量圆光栅的系统结构和长光栅的结构类似，一般由黑白光栅副和光学系统、接收系统所组成。根据光栅栅线形状的不同，圆光栅分为：圆形、直线形、径向辐射光栅、切向光栅.由于各类圆光栅本身结构上的差别，使它们各自的莫尔条纹的形状也各不相同。

圆光栅莫尔条纹具有的基本特性。

①莫尔条纹横向性与纵向性。

②条纹宽度非定值空间角位移与条纹平移量关系非线性。

圆光栅莫尔效应的优点。

①信号强，信噪比高。

②可以进行高倍细分。

③不受高压和温度影响。

④系统结构简单，稳定性高。

⑤测角方便，可测大角度，也可测小角度。

5 莫尔现象的应用

5.1 光栅传感器

工作原理。

利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：将2快叠放在一起的光栅的相对移动或转动产生的与之同步的移动或转动的莫尔条纹信号，光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，并对信号进行处理，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。

特点如下。

数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强，稳定性强；易于微机接口，便于信号处理和实现自动化测量。大大提高了测量的精度。

由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。

光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。

5.2 三维形貌测量

在工业中，为了加快产品制造和确保产品质量，就要正确测量其三维形貌。各种三维形貌测量设备包括智能机器人、自动导引车辆障碍物检测、模具尺寸测量、冲压面板几何检查、应力/应变和振动的精确测量。此外，在线自动检测与识别的问题可以转换为物体的三维形貌检测，例如：主体板油漆缺陷和凹痕检查。

莫尔纹法可以分为面内和影像（离面）云纹法两类。云纹技术的关键是两面光栅（主光栅和参考光栅）生成等高条纹被CCD相机接收。由于CCD相机并不需要接收光栅本身，从而实现更高的分辨率。然而，如果参考光栅是由计算机生成的，如逻辑云纹法，相机必须接收主光栅。云纹技术相对于机构光技术，高的分辨率意味着实施的复杂性和高功率光源的需要。（1）克服环境扰动。（2）提高图像采集速度。（3）利用相移的方法来分析条纹图案（快拍和多图像莫尔系统已被开发）。使用多相机或图像分割法可以同时得到两个或两个以上不同的相移莫尔条纹。参考书目20提供了一些特别强调对噪声和系统误差函数来运的高速莫尔轮廓法。相移云纹法的典型测量范围从 1 mm～0.5 m，具有1/10～1/100的分辨率。

5.3 防伪技术

莫尔条纹用于防伪印刷品有很好的防伪效果，已经被一些印刷企业采用，用UV油墨在所需防伪部件印刷莫尔条数标识，借助刻有线纹的解码器（做成书签的形式）可以清晰地看到莫尔条纹，从而使印刷品具备防伪功能。

现代莫尔条纹防伪印刷技术，可以通过多次印刷在印品上形成固定的莫尔条纹效果，即在防伪部位印刷一组条纹，用UV上光膜覆盖，再在其上印刷与前一组相同并形成一定夹角的线纹，这样不但可以形成莫尔条纹，还可以使放大镜观测到莫尔条纹，从而达到防伪的目的，也可以在印品上一次印刷，借助相匹配的解码工具，在放大镜下观看活动的莫尔条纹效果；还可以通过特殊的专业设计，借助解码器，将印刷品的莫尔条纹形成一个图案，其防伪效果更佳。

6 结语

莫尔条纹在机床，仪器上应用广泛，主要用于测量长度，角度，定位，还可实现轨迹控制，变形测试，三维轮廓测试方面，可以降低精密仪器的测量成本，在精密仪器的测量方面一直处于主导地位，因此我们需要深入研究莫尔条纹的细分方法，形成完备的理论体系，以提高光栅检测分辨力和测量精度。

参考文献

[1] 郭培源，付扬.光电检查技术与应用[M].北京航空航天大学出版社.

[2] 张善钟.计量光栅技术[M].机械工业出版社.

[3] 冯法军，耿小丕.莫尔条纹的观察与测量[J].承德石油高等专科学报，2007（9）.

[4] 徐海英，廖长宗，陈慧琴.莫尔条纹应用的饿初探[J].南京工程学院学报，2006（4）.

[5] 张金龙，刘经南.莫尔条纹信号在精密检测与定位中的应用[J].测控技术，2003（2）.