莫尔条纹的形成原理及特点四
莫尔条纹概念
莫尔条纹是光学中的一种现象，它是一种由两个相交的图案产生的特殊纹理。
当两个图案完全相同时，它们会互相干涉，产生明暗交替的线条，这就是莫尔条纹。
这个现象在很多领域都有应用，例如在编码、光学仪器、生物显微镜和电子显示技术等领域。
莫尔条纹的产生是由于光的干涉现象。
当两束光波相遇时，它们会相互干涉，产生明暗交替的现象。
同样地，当两个相交的图案相遇时，它们也会产生干涉现象，形成莫尔条纹。
莫尔条纹的特性是具有高度的方向性和周期性。
由于莫尔条纹是由两个相交的图案产生的，因此它们的方向与图案的相交角度有关。
同时，莫尔条纹的周期取决于两个图案的间距和相交角度。
因此，通过测量莫尔条纹的周期和角度，可以推算出产生它们的图案的参数。
在编码领域，莫尔条纹被用于制作二维条码。
在这种条码中，黑白色块按照特定的规律排列，形成莫尔条纹。
通过读取这些条纹，可以识别出编码的信息。
在生物显微镜领域，莫尔条纹被用于提高显微镜的分辨率和清晰度。
通过将待观察的样品与一个已知的图案进行组合，可以产生莫尔条纹。
这些条纹可以帮助研究人员更好地观察和识别样品的特征。
总之，莫尔条纹是一种有趣的光学现象，它在很多领域都有广泛的应用。
通过了解莫尔条纹的原理和特性，我们可以更好地利用它来解决实际问题。
莫尔条纹
莫尔条纹机电科学与工程系电子信息工程莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。
所谓莫尔条纹，是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹。
数控方面的莫尔条纹是由光栅固定在机床活动部件上，读数头装在机床固定部件上，并且两者相互平行放置，在光源的照射下形成明暗相见的条纹。
莫尔条纹具有如下特点：变化规律，两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。
由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步；放大作用，在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系（θ的单位为rad，W的单位为mm），由于倾角很小，sinθ很小，则W=ω /θ，若ω＝0．01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍；均化误差作用，由若干光栅条纹共用形成莫尔条纹，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。
莫尔条纹现象是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致，通常解决方法用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号挡住，其副作用就是降低成像分辨率。
因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。
因为D70的CCD前面使用效果比较弱的低通滤镜，所以在提高成像分辨率也造成了莫尔条纹出现几率的增大，此现象也广泛出现于其他DSLR上。
根据莫尔条纹的形成原理制成了光栅尺位移传感器，其工作原理是，当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。
在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。
相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。
莫尔条纹的原理应用
莫尔条纹的原理应用什么是莫尔条纹？莫尔条纹是指在两个相互影响的物体表面接触时，形成的一种由亮暗条纹交替组成的图案。
莫尔条纹的出现是由于光的干涉现象引起的。
当两个光线经过不同路径传播并再次相遇时，它们会发生干涉，从而在接触表面上形成亮暗交替的条纹。
莫尔条纹的形成原理莫尔条纹的形成原理可以通过以下步骤来解释：1.光线入射：当光线照射到两个接触表面上时，它们会被反射回来。
2.光线传播：反射回来的光线会在两个接触表面之间传播。
在传播过程中，由于两个表面之间存在微小的差距或凸起，光线会经历不同的路径长度。
3.光线干涉：当两束光线再次相遇时，它们会发生干涉现象。
如果两束光线相位相同，会形成亮条纹，如果相位相反，则会形成暗条纹。
4.条纹模式：通过干涉现象，亮暗条纹交替出现，形成莫尔条纹的特殊图案。
莫尔条纹在实际应用中的作用莫尔条纹不仅仅是一种有趣的物理现象，它在实际应用中也有着广泛的作用。
下面列举了一些莫尔条纹在不同领域中的应用：材料表面检测•莫尔条纹在材料表面检测中起到了重要的作用。
通过观察莫尔条纹的形态和分布情况，可以判断表面是否光滑均匀。
•在电子显微镜中，可以利用莫尔条纹来观察材料的晶体结构和缺陷。
光学测量•莫尔条纹也被广泛应用于光学测量领域。
例如，在光学干涉计中，可以利用莫尔条纹来测量物体的表面形貌。
•在光学薄膜测量中，莫尔条纹可以用来确定薄膜的厚度和折射率等参数。
光学图像处理•莫尔条纹在图像处理中也有着重要的应用。
通过分析莫尔条纹的特征，可以提取图像中的边缘和纹理等信息，用于图像的分割和识别。
生物医学•在生物医学领域，莫尔条纹被应用于显微镜观察中的细胞结构研究，以及光学显微成像中的皮肤表面分析等。
小结莫尔条纹是由光的干涉现象引起的亮暗交替的条纹图案。
它在实际应用中有广泛的作用，包括材料表面检测、光学测量、光学图像处理和生物医学等多个领域。
通过研究莫尔条纹的原理和应用，我们可以更好地理解光的干涉现象，并将其应用于实际生活和科学研究中。
莫尔条纹防伪印刷原理
莫尔条纹防伪印刷原理几个世纪以前，法国丝绸工人曾发现一种奇怪的现象——两块叠合在一起的薄绸子在光线的照耀下会产生绚丽的花纹，他们把这种自然现象称之为“莫尔”现象。
在日常生活中，我们也能经常看到这种现象，只是不为人注意罢了。
在两层纱窗重叠时，会出现“莫尔”现象，两层帐子重叠时、转动撑开的纸伞时也会出现“莫尔”现象。
但是，利用莫尔现象于机械工业却是本世纪五十年代的事。
而莫尔现象的应用对机械工业带来的深远影响是发现者们所意想不到的。
然而，这种莫尔现象用于印刷品的防伪却是近几年的事情。
1.莫尔条纹原理机械工业运用莫尔现象是以当代的机加工技术为基础，人为创造这种莫尔现象并加以利用。
现代加工技术可以在金属或玻璃表面刻划出宽度相等、间隔相同的高精度线纹。
仅在一毫米的间隔内刻出50-200条线纹，而刻线精度可以达到在一米长度上仅有±3-5微米的刻线误差。
这种具有精密刻线的尺叫做光栅。
用透明玻璃做的光栅叫透射光栅，用不锈钢做的光栅叫反射光栅，在直线尺上刻得光栅称为方光栅，在圆柱面上刻得光栅尺称作圆光栅。
就透射直线光栅而言，如果将两块刻线宽度相等、节距相同的光栅，使其刻线平面平行且靠近，并留出微小的距离，再使两块光栅的线纹间呈现一个微小的夹角，在平行光束照射下，就会在线纹的垂直方向看到明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。
图1为两块光栅重叠、交角示意图。
图1 两光栅交角示意图由图可以看出：莫尔条纹的产生是由于光的衍射和干涉的总效果，它可用遮光现象去解释（见图2）。
由于两块光栅的栅距相等（或近乎于相等），并且线纹宽度等于线纹间距，线纹间又有微小的夹角，那么两块光栅的线纹必然在空间相交。
如果，将两块叠合的光栅置于光源和观察者之间，那么两块光栅的两个线纹交点之间，就有光线从线纹间隔中通过。
因为线纹的间隔很小，所以透射出的光线发生衍射现象，光线被扩散开来，并和数束从交点之间漏过来的光线形成光带。
而两块光栅线纹完全错开的部位，也就是一块光栅的线纹正好处于另一块光栅线纹间隔中心时，光线恰好被完全遮住，光线不能通过而形成暗带。
光栅产生莫尔条纹的原理
光栅产生莫尔条纹的原理
光栅产生莫尔条纹的原理可能是由于两个空间频率相近的周期性光栅图形叠加，通过遮光效应、衍射效应和干涉效应等多种原理形成的。
1. 遮光效应：当两个光栅相互重叠时，由于它们的线条间隙不同，会产生明暗相间的条纹，即莫尔条纹。
这种条纹是由于光栅线条的遮光和透光作用相互叠加造成的。
2. 衍射效应：光通过光栅时会发生衍射，两个光栅的衍射波相互叠加，形成莫尔条纹。
这种效应在光栅间距较小时尤为明显。
3. 干涉效应：当两个光栅的线条非常细小且接近时，它们的衍射波会相互干涉，形成明暗相间的莫尔条纹。
这种效应通常需要光源具有较好的相干性。
莫尔条纹的特点是它们对光栅的位移非常敏感。
当光栅相对移动时，莫尔条纹也会相应地移动，这种现象被广泛应用于精密测量技术中，如光栅尺位移传感器。
通过计算莫尔条纹的变化，可以精确地测量出物体的位移和速度。
莫尔条纹形成原理及其特点
莫尔条纹形成原理及其特点
莫尔条纹是两个线或物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。
它是光栅位移精密测量的基础，由两个空间频率相近的周期性光栅图形叠加形成。
当偏振光通过晶体时，会发生双折射现象，导致光线振动面发生旋转。
如果晶体中存在多个方向的结晶，则各个方向对偏振光的旋转角度不同，因此形成的干涉条纹也就呈现出不同的颜色和宽度。
莫尔条纹的特点有：
1. 颜色变化：莫尔条纹的颜色和亮度随晶体中不同方向的结晶特性而变化。
2. 条纹宽度：莫尔条纹的宽度通常与晶体的厚度有关，可以反映出晶体中的厚度变化。
3. 形状：莫尔条纹的形状通常呈现为交错的带状图案，在不同角度下呈现出不同的形态和方向。
此外，莫尔条纹在材料学和地质学等领域中有着重要的应用价值，例如确定晶体结构、检测物质缺陷、判别矿物种类以及评估材料性质等。
以上内容仅供参考，如需更专业的解释，建议咨询物理学家或查阅物理书籍。
形成莫尔条纹的光学原理莫尔条纹通常
二、莫尔条纹莫尔条纹是光栅式传感器工作的基础。
(一)形成莫尔条纹的光学原理莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，对于栅距较大的振幅光栅，可以忽略光的衍射。
图7-25 为两光栅以很近的距离重叠的情况。
在a-a线上，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过透光部分形成亮带；在b-b线上，两光栅透光部分分别另一光栅的不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带，这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。
长光栅莫尔条纹的周期为式中 W1——标尺光栅(也称主光栅)1的光栅常数；W2——指示光栅2的光栅常数；θ——两光栅栅线的夹角。
莫尔条纹有如下重要特性：1．运动对应关系莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。
在图7－25中，当主光栅向右运动一个栅距W1时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；如果主光栅1向左运动，莫尔条纹则向上移动。
光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定光栅的位移量和位移的方向。
2．位移放大作用由于两光栅的夹角θ很小，若它们的光栅常数相等，设为W，从式(7-19)可得到如下近似关系(7-20)明显看出，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为1/θ。
所以尽管栅距很小，难以观察到，但莫尔条纹却清晰可见。
这非常有利于布置接收莫尔条纹信号的光电器件。
3．误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响，个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。
对于栅距很小（例如W<0．005mm）的光栅，特别是有的相位光栅处处透光，这时莫尔条纹的形成必须用光的衍射理论加以解释。
根据物理光学理论，平行光束透过光栅后，将发生衍射现象，如图7-26所示。
设光栅G1产生了0，±1，±2，…等n级衍射光，光栅G1的衍射光束到达光栅G2时将进一步被衍射，G1的n 级衍射光，其中每一级的衍射光束对光栅G2来说都是一组入射光束，并由光栅G2又衍射成n级衍射光(因为两光栅的W相同，又是单色光)，所以从光栅副出射的衍射光束的数目为个。
光栅传感器的构成三、莫尔条纹的形成原理及特点四
量提高分辨力。
例如100线光栅的W=0.01mm，若n=4，则分辨率 可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲 提高了n倍，因此也称之为n倍频。
直接细分
又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4
防护罩内为直线光栅
五、细分技术
当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来 进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高 测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加 刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，
经过信号调节环节E对va信lu号at进ion行o细n分ly.. ted wit细h A分s就po是s在e.莫Sl尔ide条s纹fo变r 化.N一E周T 3期.5时C，li不en只t 输Pr出ofile 5.2
院
五、细分技术
电 气
六、辨向技术
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程
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一、光栅的类型和结构
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一 种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控
机床等闭环系统E的va线lu位at移ion和o角n位ly.移的自动检测 ted wi以th及A精sp密os测e量.S方lid面es，f测or量.N精E度T可3.达5几C微lie米nt。P只rofile 5.2
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长光栅 测量线位移的光栅为矩形并随被 测长度增加而加长
光栅
圆光栅 测量角位移的光栅为圆形
2、光栅的外形及结构
尺身
尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
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辨向电路
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中 减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
表5-1莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系
标尺光栅相对指示光栅的转 角方向 标尺光栅移动 方向 向左 莫尔条纹移动方向 向上 向下 向下 向上
顺时针方向
向右 向左 逆时针方向 向右
2）光学放大作用 由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ 较小时，可使θ<<1，则B>>W。
如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝ 10 ＝0.00029 rad，则：B=0.01/0.00029≈3.44mm， 放大344倍。
放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任 意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。
3）均化误差作用
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，
对光栅的刻线误差有平均作用。
四、莫尔条纹测量位移
光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一 个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可 得出光栅的位移量。
由于光栅的遮光作用，透过光 栅的光强随莫尔条纹的移动而变化， 变化规律接近于一直流信号和一交 流信号的叠加。固定在指示光栅一 侧的光电转换元件的输出，可以用 光栅位移量X的正弦函数表示，如 图5-5-3所示。只要测量波形变化 的周期数N（等于莫尔条纹移动数） 就可知道光栅的位移量X，其数学 图5-5-3 表达式为
图5-5-1光栅传感器的组成
三、莫尔条纹的形成原理及特点
1、莫尔条纹的形成原理
当两块光栅互相靠近且 沿刻线方向保持有一个夹角 θ时，两块光栅的暗条与亮 条重合的地方，使光线透不 过去，形成一条暗带 ；而亮 条与亮条重合的地方，部分 光线得以通过，形成一条亮 带 。这种亮带与暗带形成的 条纹称为莫尔条纹。
反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
可移动电缆
扫描头（与移动部件固定）
光栅尺
长光栅
圆光栅
3、栅距
黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均 匀地刻上许多明暗相间，宽度相同的透光线，称为栅线。 设栅线宽为a，线间缝宽为b，a+b=W称为光栅节距(栅距)。
通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可 由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。
1、光栅的类型
通常是由在表面上按一定间 透射式光栅 隔制成透光和不透光的条纹 的玻璃构成 在金属光洁的表面上按一定 反射式光栅 间隔制成全反射和漫反射的 条纹。 长光栅 光栅 圆光栅 测量角位移的光栅为圆形 测量线位移的光栅为矩形并随被 测长度增加而加长
光栅
2、光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
光电元件输出与光栅位移的关系
X=N· W
在实际装置中常将光源、计量光栅、光电 转换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅 读数头）；将具有细分辨向的差补器、计数器 和由步进电机、打印机或绘图机等组成的受控 装置装在一个箱内，常称为数字显示器。
光源 计量 光栅 光电 转换 前置 放大 细分 辨向 计数 受控 装置
个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内 将产生4个计数脉冲，实现了四细分。如图5-5-4所 示。
优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路 简单，可用于静态和动态测量系统。
缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
图5-5-4
四细分
图5-5-5 光栅传感器电流型输出信号 (a)正弦信号;(b)整形后的信号;(c)5倍频处理后的信号
六、辨向技术
如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中， 无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相 同的正弦信号，无法分辨位移的方向。
如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲
数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲 数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正 确的测量结果。
在相距的位置上设置两个光电元件1和2， 以得到两个相位互差90°的正弦信号。
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
二、光栅传感器的构成
对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移 动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角 位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。
光栅传感器结构为：
光栅传感器由光源、透镜、 光栅副（主光栅和指示光 栅）和光电接收元件组成。 如图5-5-1所示。
图5-5-2 莫尔条纹
B
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W /2 sin B 2
所以，
B
W /2 sin
当θ很小时，
sin
2
2
2
则有 B
W
（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
3、莫尔条纹的特点
1）莫尔条纹的移动方向与光栅夹角有对应关系 当主光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿着 夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动
传感器
数字显示器
3自由度光栅数显表
安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具
被加工工件 光栅扫描头 防护罩内为直线光栅
五、细分技术
当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来 进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高 测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加 刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上， 经过信号调节环节对信号进行细分.
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第五讲
光栅传感器
一、光栅的种类和结构
二、光栅传感器的构成 三、莫尔条纹的形成原理及特点 四、莫尔条纹测量位移 五、细分技术
六、辨向技术
一、光栅的类型和结构
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一 种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控 机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测 以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只 要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、 振动、变形等，均可测量。
细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出
一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当 量提高分辨力。 例如100线光栅的W=0.01mm，若n=4，则分辨率 可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲 提高了n倍，因此也称之为n倍频。四细分可用4