莫尔条纹的原理及应用-设计实验报告
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光学设计实验
莫尔条纹原理及其应用
学生姓名：***
指导教师：***
所在学院：物理学院
所学专业：物理学（公费）
中国·长春
2014年6月
莫尔条纹原理及应用
一、摘要:
目前，以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速，光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级，测量精度已达 0.1um，已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。它的应用非常广泛，几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。
2、实验目的：
1）了解莫尔Biblioteka 纹的原理；2）了解莫尔条纹的应用及光栅传感器的原理；
3）用莫尔条纹测量微小偏角。
3、实验原理
莫尔条纹的形成
两块参数相近的透射光栅以小角度叠加，产生放大的光栅。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相干的视觉效果，当人眼无法分辨两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。如果把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角θ时，透过光栅组可以看到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹。
光栅线性位移传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
线性位移光栅尺主要应用于直线移动导轨机构，可实现微小位移的精确测量、显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。现代的自动控制系统中已广泛地采用光电传感器(如光栅尺)来解决轴的线位移、转速或转角的监测和控制问题。加工用的设备：车床、铣床、镗床、磨床、电火花机、线切割等 ；测量用的仪器：投影机、影像测量仪、工具显微镜等 ；也可对数控机床上刀具运动的误差起补偿作用；光栅尺可实现机床的数显改造,并可检测数控机床刀具和工件的坐标,补偿刀具运动误差。可见，光栅莫尔条纹干涉技术的应用非常广泛，对其进行深入的理论研究和应用研究是很有必要的。
本文详细阐述了莫尔条纹的形成机理，当计量光栅为粗光栅时，莫尔条纹形成机理用遮光阴影原理解释，当计量光栅为细光栅时，则用衍射干涉原理解释，以及相关公式的推导过程。然后系统介绍了莫尔条纹的有关应用以及光栅传感器的原理和应用。说明了微小偏向角的测量原理及方法，到达对莫尔条纹的进一步理解和认识。
关键词：莫尔条纹，光栅传感器，微小偏向角
莫尔现象是发生在两个或多个具有重复性结构的图案重叠区域的现象。在重叠区域会出现明暗相间、清晰可见而在源图案中并不存在的条纹，这些条纹就被称为莫尔条纹（如图1所示）。当然，并不是任意两个图案的重叠都能看到莫尔现象，由多个图案在不同情况下重叠形成的莫尔条纹也并不全都能看到。随着各个图案之间的角度或相对位置发生改变，形成莫尔条纹的形状、大小和位置也会改变。
Keywords: MoireFringe，grating sensor，deviation angle
三、正文
1、问题提出
光栅莫尔条纹技术是一门既古老又现代的测量技术。对莫尔条纹的研究最早可以追溯到十九世纪末期，二十世纪五十年代以后开始应用于实际测量，并逐步对莫尔条纹的形成机理开展了广泛的研究，至今已形成了三种主要的理论：基于阴影成像原理：认为由条纹构成的轨迹可表示莫尔条纹的光强分布；基于衍射干涉原理：认为由条纹构成的新的光强分布可按衍射波之间的干涉结果来描述；基于傅立叶变换原理：认为形成的莫尔条纹是由低于光栅频率项所组成。 这三种理论都可以解释莫尔条纹现象。一般来说，光栅刻线较疏的可用遮光阴影原理来解释，而光栅刻线较密的用衍射干涉原理来解释则更为恰当。莫尔条纹形成机理是所有光栅式测量系统的理论基础深入研究光栅莫尔条纹形成机理，分析讨论它的结构及光强分布规律，这对光电位移传感器的结构设计、改善莫尔条纹光电信号质量等都具有指导意义。
This paper describes in detail the formation mechanismofMoiréfringes, when thegrating iscoarse grating,Moiréfringe formation mechanism explained byshadingshadow principle, when the gratingis finegrating diffractioninterferometry,with theexplanation,the reasoning process and the correlation formula. Thenintroduces theapplicationofgrating sensorprinciple and application ofMoiréfringe.The small deviation anglemeasuring principle andmethod, tofurtherunderstanding ofMoiréfringe.
二、英文摘要
At the present time, grating linear movement sensor based on grating Moiré fringe interferometry technology has developed rapidly.Gratingmovementmeasurement system has reached the nanometer level resolution, measuring accuracy than 0.1um.It is widely used, almost penetrated intothe social sciences invarious fields, such as the machine toolindustry,test measurement,aerospacenavigation,nationaldefense,educationand scientific research in all industry sectors.
莫尔条纹原理及其应用
学生姓名：***
指导教师：***
所在学院：物理学院
所学专业：物理学（公费）
中国·长春
2014年6月
莫尔条纹原理及应用
一、摘要:
目前，以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速，光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级，测量精度已达 0.1um，已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。它的应用非常广泛，几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。
2、实验目的：
1）了解莫尔Biblioteka 纹的原理；2）了解莫尔条纹的应用及光栅传感器的原理；
3）用莫尔条纹测量微小偏角。
3、实验原理
莫尔条纹的形成
两块参数相近的透射光栅以小角度叠加，产生放大的光栅。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相干的视觉效果，当人眼无法分辨两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。如果把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角θ时，透过光栅组可以看到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹。
光栅线性位移传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
线性位移光栅尺主要应用于直线移动导轨机构，可实现微小位移的精确测量、显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。现代的自动控制系统中已广泛地采用光电传感器(如光栅尺)来解决轴的线位移、转速或转角的监测和控制问题。加工用的设备：车床、铣床、镗床、磨床、电火花机、线切割等 ；测量用的仪器：投影机、影像测量仪、工具显微镜等 ；也可对数控机床上刀具运动的误差起补偿作用；光栅尺可实现机床的数显改造,并可检测数控机床刀具和工件的坐标,补偿刀具运动误差。可见，光栅莫尔条纹干涉技术的应用非常广泛，对其进行深入的理论研究和应用研究是很有必要的。
本文详细阐述了莫尔条纹的形成机理，当计量光栅为粗光栅时，莫尔条纹形成机理用遮光阴影原理解释，当计量光栅为细光栅时，则用衍射干涉原理解释，以及相关公式的推导过程。然后系统介绍了莫尔条纹的有关应用以及光栅传感器的原理和应用。说明了微小偏向角的测量原理及方法，到达对莫尔条纹的进一步理解和认识。
关键词：莫尔条纹，光栅传感器，微小偏向角
莫尔现象是发生在两个或多个具有重复性结构的图案重叠区域的现象。在重叠区域会出现明暗相间、清晰可见而在源图案中并不存在的条纹，这些条纹就被称为莫尔条纹（如图1所示）。当然，并不是任意两个图案的重叠都能看到莫尔现象，由多个图案在不同情况下重叠形成的莫尔条纹也并不全都能看到。随着各个图案之间的角度或相对位置发生改变，形成莫尔条纹的形状、大小和位置也会改变。
Keywords: MoireFringe，grating sensor，deviation angle
三、正文
1、问题提出
光栅莫尔条纹技术是一门既古老又现代的测量技术。对莫尔条纹的研究最早可以追溯到十九世纪末期，二十世纪五十年代以后开始应用于实际测量，并逐步对莫尔条纹的形成机理开展了广泛的研究，至今已形成了三种主要的理论：基于阴影成像原理：认为由条纹构成的轨迹可表示莫尔条纹的光强分布；基于衍射干涉原理：认为由条纹构成的新的光强分布可按衍射波之间的干涉结果来描述；基于傅立叶变换原理：认为形成的莫尔条纹是由低于光栅频率项所组成。 这三种理论都可以解释莫尔条纹现象。一般来说，光栅刻线较疏的可用遮光阴影原理来解释，而光栅刻线较密的用衍射干涉原理来解释则更为恰当。莫尔条纹形成机理是所有光栅式测量系统的理论基础深入研究光栅莫尔条纹形成机理，分析讨论它的结构及光强分布规律，这对光电位移传感器的结构设计、改善莫尔条纹光电信号质量等都具有指导意义。
This paper describes in detail the formation mechanismofMoiréfringes, when thegrating iscoarse grating,Moiréfringe formation mechanism explained byshadingshadow principle, when the gratingis finegrating diffractioninterferometry,with theexplanation,the reasoning process and the correlation formula. Thenintroduces theapplicationofgrating sensorprinciple and application ofMoiréfringe.The small deviation anglemeasuring principle andmethod, tofurtherunderstanding ofMoiréfringe.
二、英文摘要
At the present time, grating linear movement sensor based on grating Moiré fringe interferometry technology has developed rapidly.Gratingmovementmeasurement system has reached the nanometer level resolution, measuring accuracy than 0.1um.It is widely used, almost penetrated intothe social sciences invarious fields, such as the machine toolindustry,test measurement,aerospacenavigation,nationaldefense,educationand scientific research in all industry sectors.