莫爾條紋測(cè)試技術(shù)

1、莫爾條紋測(cè)試技術(shù)莫爾條紋測(cè)試技術(shù)1目 錄莫爾條紋技術(shù)簡(jiǎn)介莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)莫爾測(cè)試技術(shù)應(yīng)用22022-3-233令人驚奇的條紋動(dòng)畫令人驚奇的條紋動(dòng)畫2022-3-234莫爾條紋技術(shù)簡(jiǎn)介莫爾條紋技術(shù)簡(jiǎn)介引言：莫爾（Moire）一詞在法文中的原意是表示水波紋或波狀花紋。當(dāng)薄的兩層絲綢重疊在一起并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則形成一種漂動(dòng)的水波型花樣，當(dāng)時(shí)就將這種有趣的花樣叫做莫爾條紋。2022-3-235莫爾條紋技術(shù)簡(jiǎn)介莫爾條紋技術(shù)簡(jiǎn)介引言：一般來說，任何兩組（或多組）有一定排列規(guī)律的幾何線族的疊合，均能產(chǎn)生按新規(guī)律分布的莫爾條紋圖案。1874年英國(guó)物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測(cè)

2、手段，根據(jù)條紋形態(tài)來評(píng)價(jià)光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開創(chuàng)了莫爾測(cè)試技術(shù)。隨著光刻技術(shù)和光電子技術(shù)水平的提高，莫爾技術(shù)獲得較快發(fā)展，在位移測(cè)試、數(shù)字控制、伺服跟蹤、運(yùn)動(dòng)比較等方面有廣泛的應(yīng)用。光柵尺位移傳感器2022-3-236莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測(cè)試技術(shù)中，通常利用兩塊光柵（稱做光柵付）或光柵的兩個(gè)像的重疊產(chǎn)生莫爾條紋，以獲取各種被測(cè)量的信息。長(zhǎng)光柵莫爾條紋長(zhǎng)光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫播放中播放中圓弧莫爾條紋圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫播放中播放中環(huán)形莫爾

3、條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫播放中播放中單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫2022-3-2313莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測(cè)試技術(shù)中，通常利用兩塊光柵（稱做光柵付）或光柵的兩個(gè)像的重疊產(chǎn)生莫爾條紋，以獲取各種被測(cè)量的信息。莫爾條紋的形成，實(shí)質(zhì)是光通過光柵時(shí)光的衍射和干涉的結(jié)果。在不同場(chǎng)合，可以有多種解釋方式。幾何光學(xué)原理如果所用的光源為非相干光源，光柵為節(jié)距較大的黑白光柵，光柵付柵線面之間間隙較小時(shí)，通常可以按照光是直線傳播的幾何光學(xué)原理，利用光柵柵線之間的遮光效應(yīng)來解釋莫爾條紋的形成，并推導(dǎo)出光柵付結(jié)構(gòu)參數(shù)與莫爾條紋幾何圖形的關(guān)系。2022-3

4、-2314莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)幾何光學(xué)原理N=0 N=1N= -1 N=0 N=1a) 節(jié)距不同b) 柵線方向不同0N= 43212022-3-2315莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)幾何光學(xué)原理X莫爾條紋的幾何關(guān)系P1P2 WYa)YABD CEb)cos221222121PPPPPPW實(shí)際應(yīng)用中，兩柵的實(shí)際應(yīng)用中，兩柵的節(jié)距往往相同，即節(jié)距往往相同，即P P1 1= =P P2 2= =P P。 )2/sin(2)cos1 (2PPWPW光學(xué)放大作用。例如，光學(xué)放大作用。例如，=0.004=0.004弧度時(shí)（即弧度時(shí)（即1414），），W W=250=250P P，節(jié)距，節(jié)距放

5、大倍率達(dá)放大倍率達(dá)250250倍。倍。 莫爾條紋光學(xué)放大作用舉莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用

6、小面積的光電池“觀察觀察”莫爾條紋莫爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。2022-3-2317莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)衍射原理 單純利用幾何光學(xué)原理，不可能說明許多在莫爾測(cè)量技術(shù)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。例如:在使用相位光柵時(shí)，這種光柵處處透光，它對(duì)入射光波的作用僅僅是對(duì)其相位進(jìn)行調(diào)制，然而，利用相位光柵亦能產(chǎn)生莫爾條紋，這就不可能用柵線的遮光作用予以說明。當(dāng)使用細(xì)節(jié)距光柵時(shí)，在普通照明條件下就很容易觀察到彩色衍射條紋。兩塊細(xì)節(jié)距光柵疊合形成的莫爾條紋中，往往會(huì)出現(xiàn)暗弱的次級(jí)條紋，這些現(xiàn)象必須應(yīng)用衍射原理才能解釋。在莫爾測(cè)量技術(shù)中用到的光柵自成像現(xiàn)象也是無法用幾何光學(xué)原理解釋的。2022-3-2318莫

7、爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)衍射原理1）光柵副的衍射G1G210-1(-1,0)(0,-1)(0,0)(1,-1)(0,1)(1,0)(1,1)(1,2)雙光柵的衍射級(jí)2）衍射光的干涉光柵付衍射光有多個(gè)方向，每個(gè)方向又有多個(gè)光束，它們之間相互干涉形成的條紋很復(fù)雜，行成不了清晰的莫爾條紋，可以在光柵付后面加透鏡L，在透鏡的焦點(diǎn)處用一光闌只讓一個(gè)方向的衍射光通過，濾掉其它方向的光束，以提高莫爾條紋的質(zhì)量。G1f(-1,0)(-1,1)(0,0)(0,1)(1,0)衍射光的干涉G22022-3-2319莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)衍射原理2）衍射光的干涉由一級(jí)組(0，1)和(1，0)兩光束相干

8、所形成的光強(qiáng)分布按余弦規(guī)律變化，其條紋方向和寬度與用幾何光學(xué)原理分析的結(jié)果相同。但是在考慮同一組中各衍射光束干涉相加的一般情況下，莫爾條紋的光強(qiáng)分布不再是簡(jiǎn)單的余弦函數(shù)。通常，在其基本周期的最大值和最小值之間出現(xiàn)次最大值和次最小值。即在其主條紋之間出現(xiàn)次條紋、伴線。 2022-3-2320莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)莫爾形貌（等高線）測(cè)試是莫爾技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。表面輪廓的莫爾測(cè)定法是通過一塊基準(zhǔn)光柵來檢測(cè)輪廓面上的影柵或像柵，并依據(jù)莫爾圖案分布規(guī)律推算出輪廓形狀的全場(chǎng)測(cè)量方法。2022-3-2321莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)分類：實(shí)體光柵照射法（簡(jiǎn)稱照射型）是將試件光柵和基準(zhǔn)光柵合一，測(cè)

9、量時(shí)觀察者（或攝像機(jī)）透過光柵觀察其空間陰影；實(shí)體光柵投影法（簡(jiǎn)稱投影型）是將空間變形像柵成像在基準(zhǔn)光柵面上，以產(chǎn)生莫爾輪廓條紋。除了照射型和投影型兩種基本型外，又派生出所謂光柵全息型、光柵衍射型和全景莫爾型等。這些方法在原理和光路布局上并無實(shí)質(zhì)性變化，但擴(kuò)大了莫爾法的性能和適用范圍。2022-3-2322莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)照射型莫爾法YLdXlO B C D(x,y)FE(x,y)h P照射型莫爾法幾何原理圖 KNPPmnODOBBD)()tan(tan hBDNPdNPllNPdNPlDFlOBNPNPhtantan所得莫爾條紋為試件離光柵所得莫爾條紋為試件離光柵高度高度h的等高線

10、族，但相鄰條的等高線族，但相鄰條紋間高差不等。紋間高差不等。 2022-3-2323莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)照射型莫爾法由于視線斜對(duì)光柵而莫爾條紋在光柵平面形成，這就造成對(duì)試件表面各點(diǎn)坐標(biāo)的透視差。相機(jī)所攝莫爾條紋在D點(diǎn)，坐標(biāo)為（x，y），而實(shí)際上此條紋應(yīng)代表試件表面上E點(diǎn)的高度，E點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）。因此，應(yīng)對(duì)坐標(biāo)的視差進(jìn)行修正。 由圖示因此lxdhxx) () (ydlhyyxdlhxx獲得莫爾條獲得莫爾條紋圖后，應(yīng)紋圖后，應(yīng)根據(jù)該式進(jìn)根據(jù)該式進(jìn)行坐標(biāo)修正行坐標(biāo)修正 YLdXlO B C D(x,y)FE(x,y)h P照射型莫爾法幾何原理圖 K2022-3-2324莫爾形貌（等高線）測(cè)

11、試技術(shù)投影型莫爾法照射型莫爾法雖然具有測(cè)定裝置簡(jiǎn)單、使用方便、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但要求光柵面積較大、而且必須緊靠著被測(cè)面，這是該方法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)。于是發(fā)展了一種投影型的方法。L1G1 C1L2G2 C2SobG1G2L1L2dalh2h1BCA2A1BCD投影莫爾法光學(xué)系統(tǒng)與原理圖示由于由于A1BC A1L1L2和和BCL2 BCL2，故，故 BC：L1L2 = h1：（：（h1+l）, BC=Pl/a于是于是aPldPlalh1PflfdflPlh)()(12022-3-2325莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)投影型莫爾法一般情況下，從基準(zhǔn)面到莫爾條紋的深度可推廣：NPflfdNPfllhN)()

12、(2022-3-2326莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)莫爾條紋級(jí)次與凹凸判斷實(shí)際測(cè)量時(shí)條紋的絕對(duì)級(jí)數(shù)不易確定，只能定出條紋的相對(duì)級(jí)數(shù)。判定凹凸的方法是:當(dāng)使光柵離開物體時(shí)，如果條紋向內(nèi)收縮，表明該處表面是凸的，反之是凹的；照射型中還可通過移動(dòng)光源來確定凹凸問題，如果光源同接受器之間的距離d增加，條紋向外擴(kuò)張，且條紋數(shù)增加，則是凸的。也可采用彩色光柵的方法來判斷凹與凸。物體表面的凹凸一旦確定，就可用確定干涉條紋級(jí)次的方法來確定莫爾條紋的級(jí)次。2022-3-2327莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)幾何可測(cè)深度實(shí)際光源總有一定寬度。設(shè)光源橫向?qū)挾葹閎，由于光源線寬的影響，光柵透光區(qū)擴(kuò)大而陰影區(qū)縮小，陰影區(qū)（圖中斜線部分為陰影區(qū)）與透光區(qū)之間則為半影，這使影柵沒有明確的亮暗界限，甚至不能分辨。blHmaxG幾何可測(cè)深度PPbPlHmax2022-3-2328莫爾測(cè)試技術(shù)應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，莫爾技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展