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。

光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。

在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。

光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=11.43㎜莫尔条纹的放大倍数K= 573.2。虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量，大大提高了光栅测量装置的分辨率。

在印刷方面，莫尔条纹对于半色调丝网印刷是一个潜在的问题。所谓半色调印刷，就是将连续调原稿通过照像或其他方法分解成大小不同的网点来表现层次的方法。暗调用印刷较大的网点来表现，亮调用印刷较小的网点来表现，同一色的网点之间，特别是多色印刷或四色印刷各色版网点之间会发生干涉形成莫尔条纹。网点之间形成的莫尔条纹是所有层次丝网印刷的共同问题。网点与丝网也能形成另一种形式的莫尔条纹，这种莫尔条纹在丝网上的分布能够产生难以辨认的和原稿明显不同的图案。

莫尔条纹的产生基于以下几方面，双色或多色网点之间的干涉，各色网点与丝网网丝之间的干涉，作为附加因素的承印物体本身特性发生的干涉。

然而，用数学计算来预测和分析莫尔条纹是可能的，而且计算结果也只是理论上的莫尔条纹，实际对丝网印刷造成影响的莫尔条纹则是对印刷结果有危害的可视莫尔条纹，莫尔条纹防护系统给丝印工作者提供了一个简便的视觉控制工具，使用这个工具会在复制工艺的任何步骤上避免莫尔条纹的产生。

莫尔防护工具的用途，由客户提供的分色片，要选择正确的丝网目数，先把丝网目数模拟片放在玻璃工作台上，再依次将分色片放在选定的网目数的区域内，分色片一定要完全对准模拟片的相应位置。采用多色或四色印刷时，每一种分色片都要放在网目模拟器上进行检查。网目数不能变更但分色片可改，由于特殊的技术因素，你可能不能改变网目数（印刷参数和油墨沉积量已设定好），这时，你要修定分色片参数以避免莫尔条纹的产生。网目数和分色片都不能改变，有些场合，丝印工作者既不能改变网目数，也不能更换分色片，这时有两种方法来检查莫尔条纹，一种是改变丝网张力———（调整网目数），另一种是改变绷网角度，莫尔防护系统会指导你改变绷网角度来防止莫尔条纹。将分度仪放在网目模拟片上，转动分度仪直到莫尔条纹产生，在分度仪上倾斜的角度就是能避免莫尔条纹的绷网角度。

综上所述，莫尔条纹在很多方面都用应用，比如一方面可以对光学放大作用加以利用，也会在生产中起阻碍甚至是危害性的。