摘 要：根據(jù)莫爾效應(yīng)的形成特點進行分析，詳解了莫爾效應(yīng)的形成。指出光柵是莫爾效應(yīng)的主要應(yīng)用，介紹了光柵的制作方法，莫爾條紋的應(yīng)用原理、特征及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：莫爾 光柵 位移

中圖分類號：TS853 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0078-02

1 莫爾效應(yīng)簡介

莫爾效應(yīng)（moiré effect）是當(dāng)注視一組線或點與另一組線或點的疊層時的一種視覺效果，這兩組點或線在相對大小，角落或間距上不同。莫爾效應(yīng)是幾個世紀(jì)以前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)給的奇怪的現(xiàn)象—兩塊疊合在一起的薄綢子在光線的照射下會產(chǎn)生絢麗的花紋。在日常生活中，莫爾效應(yīng)可以在通過平常的紗窗看另一個紗窗或背景時被觀察到。莫爾條紋的產(chǎn)生實際是是光的衍射和干涉的總效果。

莫爾條紋演示（如圖1）。

2 莫爾條紋產(chǎn)生的前提，是光柵。

光柵是在一塊長條型（圓形）光學(xué)玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等、間隔相同的高精度線紋，僅在1 mm的間隔內(nèi)刻出50～200條線紋，而刻線精度可以達(dá)到在一米長度上僅有±3～5 um的刻線誤差，這種具有精密刻線的尺叫做光柵。光柵是可以形成透光與不透光相間排列的光電器件。光柵分為長光柵和圓光柵兩種。

莫爾條紋的形成。

當(dāng)指示光柵（主光柵，是測量的基準(zhǔn)）和主光柵（移動）的刻線相交一個微小的夾角θ時，光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此錯開處形成亮帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上，產(chǎn)生出亮暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”（如圖2）。

起初的時候，莫爾現(xiàn)象只是應(yīng)用在裝飾方面，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，莫爾現(xiàn)象作為一種精確的檢測手段，逐漸應(yīng)用于光電測量技術(shù)中，同時莫爾現(xiàn)象的應(yīng)用給機械共享帶來深遠(yuǎn)的影響，如印刷，防偽等方面。

3 莫爾條紋的組成方式有如下幾種

（1）相交疊合的兩直光柵。

（2）平行疊合的兩直光柵。

（3）兩相交圓光柵。

（4）一圓形光柵和一直光柵。

4 莫爾效應(yīng)應(yīng)用原理

（1）長光柵莫爾條紋：相鄰兩亮線（或暗線）間的間距，用W表示，則W如圖3。

長光柵莫爾條紋又分為如下三種形式。

①橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角θ很小，條紋近似與柵線的方向垂直。

②縱向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ=0，且兩光柵柵距不等時產(chǎn)生的莫爾條紋。

③光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ=0，且兩光柵柵距相等時產(chǎn)生的莫爾條紋。

（2）長光柵莫爾條紋的特征。

①位移放大作用。

相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角θ的關(guān)系為：

莫爾條紋間距放大了光柵間距，令k為放大系數(shù)，則：

結(jié)論如下。

θ越小，k越大，B越大。

②運動對應(yīng)關(guān)系。

光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔。

光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改變運動方向。

當(dāng)移動的刻線數(shù)i和角度θ一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正比，即：

③誤差的平均效應(yīng)。

光電元件對光柵的柵距誤差具有平均消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

（2）圓光柵的莫爾條紋。

計量圓光柵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和長光柵的結(jié)構(gòu)類似，一般由黑白光柵副和光學(xué)系統(tǒng)、接收系統(tǒng)所組成。根據(jù)光柵柵線形狀的不同，圓光柵分為：圓形、直線形、徑向輻射光柵、切向光柵.由于各類圓光柵本身結(jié)構(gòu)上的差別，使它們各自的莫爾條紋的形狀也各不相同。

圓光柵莫爾條紋具有的基本特性。

①莫爾條紋橫向性與縱向性。

②條紋寬度非定值空間角位移與條紋平移量關(guān)系非線性。

圓光柵莫爾效應(yīng)的優(yōu)點。

①信號強，信噪比高。

②可以進行高倍細(xì)分。

③不受高壓和溫度影響。

④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高。

⑤測角方便，可測大角度，也可測小角度。

5 莫爾現(xiàn)象的應(yīng)用

5.1 光柵傳感器

工作原理。

利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量的測量：將2快疊放在一起的光柵的相對移動或轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的與之同步的移動或轉(zhuǎn)動的莫爾條紋信號，光柵的相對移動使透射光強度呈周期性變化，光電元件把這種光強信號變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?，并對信號進行處理，由電信號的變化即可獲得光柵的相對移動量。

特點如下。

數(shù)字式傳感器：能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器抗干擾能力強，穩(wěn)定性強；易于微機接口，便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量。大大提高了測量的精度。

由于光柵傳感器測量精度高、動態(tài)測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化，因而在機械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

光柵傳感器通常作為測量元件應(yīng)用于機床定位、長度和角度的計量儀器中，并用于測量速度、加速度、振動等。

5.2 三維形貌測量

在工業(yè)中，為了加快產(chǎn)品制造和確保產(chǎn)品質(zhì)量，就要正確測量其三維形貌。各種三維形貌測量設(shè)備包括智能機器人、自動導(dǎo)引車輛障礙物檢測、模具尺寸測量、沖壓面板幾何檢查、應(yīng)力/應(yīng)變和振動的精確測量。此外，在線自動檢測與識別的問題可以轉(zhuǎn)換為物體的三維形貌檢測，例如：主體板油漆缺陷和凹痕檢查。

莫爾紋法可以分為面內(nèi)和影像（離面）云紋法兩類。云紋技術(shù)的關(guān)鍵是兩面光柵（主光柵和參考光柵）生成等高條紋被CCD相機接收。由于CCD相機并不需要接收光柵本身，從而實現(xiàn)更高的分辨率。然而，如果參考光柵是由計算機生成的，如邏輯云紋法，相機必須接收主光柵。云紋技術(shù)相對于機構(gòu)光技術(shù)，高的分辨率意味著實施的復(fù)雜性和高功率光源的需要。（1）克服環(huán)境擾動。（2）提高圖像采集速度。（3）利用相移的方法來分析條紋圖案（快拍和多圖像莫爾系統(tǒng)已被開發(fā)）。使用多相機或圖像分割法可以同時得到兩個或兩個以上不同的相移莫爾條紋。參考書目20提供了一些特別強調(diào)對噪聲和系統(tǒng)誤差函數(shù)來運的高速莫爾輪廓法。相移云紋法的典型測量范圍從 1 mm～0.5 m，具有1/10～1/100的分辨率。

5.3 防偽技術(shù)

莫爾條紋用于防偽印刷品有很好的防偽效果，已經(jīng)被一些印刷企業(yè)采用，用UV油墨在所需防偽部件印刷莫爾條數(shù)標(biāo)識，借助刻有線紋的解碼器（做成書簽的形式）可以清晰地看到莫爾條紋，從而使印刷品具備防偽功能。

現(xiàn)代莫爾條紋防偽印刷技術(shù)，可以通過多次印刷在印品上形成固定的莫爾條紋效果，即在防偽部位印刷一組條紋，用UV上光膜覆蓋，再在其上印刷與前一組相同并形成一定夾角的線紋，這樣不但可以形成莫爾條紋，還可以使放大鏡觀測到莫爾條紋，從而達(dá)到防偽的目的，也可以在印品上一次印刷，借助相匹配的解碼工具，在放大鏡下觀看活動的莫爾條紋效果；還可以通過特殊的專業(yè)設(shè)計，借助解碼器，將印刷品的莫爾條紋形成一個圖案，其防偽效果更佳。

6 結(jié)語

莫爾條紋在機床，儀器上應(yīng)用廣泛，主要用于測量長度，角度，定位，還可實現(xiàn)軌跡控制，變形測試，三維輪廓測試方面，可以降低精密儀器的測量成本，在精密儀器的測量方面一直處于主導(dǎo)地位，因此我們需要深入研究莫爾條紋的細(xì)分方法，形成完備的理論體系，以提高光柵檢測分辨力和測量精度。

參考文獻

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