莫爾條紋測試技術(shù)

莫爾條紋測試技術(shù)1目錄莫爾條紋技術(shù)簡介莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)莫爾測試技術(shù)應(yīng)用2令人驚奇的條紋動(dòng)畫4/12/20243莫爾條紋技術(shù)簡介引言：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。4/12/20244莫爾條紋技術(shù)簡介引言：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年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測手段，根據(jù)條紋形態(tài)來評價(jià)光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開創(chuàng)了莫爾測試技術(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4/12/20245莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測試技術(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，以獲取各種被測量的信息。4/12/20246長光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫長光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放中……圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動(dòng)畫光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放中……環(huán)形莫爾條紋播放動(dòng)畫播放中……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)畫莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測試技術(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。在不同場合，可以有多種解釋方式。①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。4/12/202413莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理N=0N=1N=-1N=0N=1a)節(jié)距不同b)柵線方向不同兩粗線光柵重疊形成莫爾條紋的原理0N′=43214/12/202414莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理X莫爾條紋的幾何關(guān)系P1P2WYa)YθABDCEb)實(shí)際應(yīng)用中，兩柵的節(jié)距往往相同，即P1=P2=P。

光學(xué)放大作用。例如，θ=0.004弧度時(shí)（即14′），W=250P，節(jié)距放大倍率達(dá)250倍。4/12/202415莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角

=1.8

，則：分辨力

=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）莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=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“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)②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，它對入射光波的作用僅僅是對其相位進(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)暗弱的次級條紋，這些現(xiàn)象必須應(yīng)用衍射原理才能解釋。在莫爾測量技術(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。4/12/202417莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)②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)雙光柵的衍射級如圖示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。如圖示G1f′(-1,0)(-1,1)(0,0)(0,1)(1,0)衍射光的干涉G24/12/202418莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)②衍射原理2）衍射光的干涉由一級組(0，1)和(1，0)兩光束相干所形成的光強(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。4/12/202419莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)莫爾形貌（等高線）測試是莫爾技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。表面輪廓的莫爾測定法是通過一塊基準(zhǔn)光柵來檢測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測量方法。4/12/202420莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)分類：實(shí)體光柵照射法（簡稱照射型）是將試件光柵和基準(zhǔn)光柵合一，測量時(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。4/12/202421莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)①照射型莫爾法YLdXlOBCD(x’,y’)FE(x,y)hPααββ照射型莫爾法幾何原理圖K所得莫爾條紋為試件離光柵高度h的等高線族，但相鄰條紋間高差不等。4/12/202422莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)①照射型莫爾法由于視線斜對光柵而莫爾條紋在光柵平面形成，這就造成對試件表面各點(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)對坐標(biāo)的視差進(jìn)行修正。由圖示因此獲得莫爾條紋圖后，應(yīng)根據(jù)該式進(jìn)行坐標(biāo)修正YLdXlOBCD(x’,y’)FE(x,y)hPααββ照射型莫爾法幾何原理圖K4/12/202423莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)②投影型莫爾法照射型莫爾法雖然具有測定裝置簡單、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。L1G1C1L2G2C2SobG1G2L1L2dalh2h1B′C′A2A1BCD投影莫爾法光學(xué)系統(tǒng)與原理圖示由于ΔA1BC∽ΔA1L1L2和ΔBCL2∽ΔB′C′L2，故BC：L1L2=h1：（h1+l）,BC=Pl/a于是4/12/202424莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)②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：該方法有下列特點(diǎn)：采用小面積基準(zhǔn)光柵(通常象手掌那樣大即可)，透鏡可以調(diào)換倍率；同其它方法相比，可以測較大的三維物體；對微小物體，采用縮小投影方法，這樣就不受光柵衍射現(xiàn)象的影響；投影的莫爾圖形可在物體上直接觀察；能取出變形光柵。4/12/202425莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)③莫爾條紋級次與凹凸判斷實(shí)際測量時(shí)條紋的絕對級數(shù)不易確定，只能定出條紋的相對級數(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次的方法來確定莫爾條紋的級次。4/12/202426莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)④幾何可測深度實(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幾何可測深度αP要增加幾何可測深度：可以壓縮光源橫向線寬；加大柵距；增加光源至參考柵的距離加大柵線遮光部分寬度與節(jié)距之比4/12/202427莫爾測試技術(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，在長度計(jì)量、角度計(jì)量、運(yùn)動(dòng)比較、物體等高線測試、應(yīng)變測試、速度測試以及光學(xué)量的測試（如焦距、像差測試等）等方面獲得廣泛應(yīng)用。下面介紹一種利用莫爾條紋技術(shù)測量光學(xué)系統(tǒng)焦距例子。莫爾偏折技術(shù)的原理是，把相隔一定距離的兩塊光柵放在單色平行光路中，柵距取為自成像距離。由于光柵自成像效應(yīng)，第一塊光柵將成像于第二塊光柵上面，由兩光柵的疊合產(chǎn)生莫爾條紋。如果在第一塊光柵前或后放一相位物體，由于相位物體的作用，使光線方向發(fā)生變化，其結(jié)果是第一塊光柵自成像