莫尔条纹法测玻璃缺陷的原理

莫尔条纹现象与应用(一)
莫尔条纹现象与应用
什么是莫尔条纹现象
•莫尔条纹现象是一种光学现象，指的是两个平行条纹之间出现一系列增强和减弱的条纹。

它是由物体表面的微弱干涉所引起的。

莫尔条纹现象可以用来测量物体的曲率、表面粗糙度等性质。

莫尔条纹现象的应用
1. 表面缺陷检测
•莫尔条纹现象可以用来检测物体表面的缺陷，例如裂纹、磨损、划痕等。

通过观察莫尔条纹的变化，可以判断出表面的不平整程度，进而评估物体的质量。

2. 光学测量
•莫尔条纹现象被广泛应用于光学测量领域。

例如在相机镜头的校正和调试过程中，可以利用莫尔条纹来检测镜头的变形和畸变情况。

3. 材料参数测量
•莫尔条纹现象可以用来测量材料的参数，例如材料的折射率、膜厚等。

通过观察莫尔条纹的形态变化，可以反推出材料的物理性
质。

4. 薄膜涂层测量
•莫尔条纹现象在薄膜涂层领域有重要应用。

通过观察莫尔条纹的颜色变化和条纹密度，可以判断薄膜涂层的厚度和折射率等参数。

5. 纳米结构研究
•在纳米科技领域，莫尔条纹现象被应用于研究纳米结构的形态和性质。

通过观察莫尔条纹的变化，可以了解纳米材料的生长方式、晶格等信息。

结论
•莫尔条纹现象是一种重要的光学现象，它在表面缺陷检测、光学测量、材料参数测量、薄膜涂层测量和纳米结构研究等领域都有
广泛的应用。

通过利用莫尔条纹现象，我们可以更好地理解和利
用光学效应，推动科学技术的发展。

莫尔条纹的光学原理莫尔条纹是一种在光学实验中观察到的干涉现象，它的光学原理与光的波动性以及光的干涉有关。

下面将详细介绍莫尔条纹的光学原理。

光的波动性是理解莫尔条纹的基础。

根据光的波动性，光可以被视为电磁波，它具有一定的频率和波长。

当光通过介质界面时，会发生反射和折射，并且光的波长会在介质中发生改变。

莫尔条纹实验通常在一个反射光源下进行观察，其中的主要元件有一平行板和观察屏。

在莫尔条纹实验中，一束入射光从光源（如激光器）射向一个透明的平行板，平行板的表面可以看作是两个平行的玻璃面，它们之间有一个微小的空气间隙。

当光线垂直入射到平行板上时，根据斯涅耳定律，部分光线将会被反射，另一部分光线则穿过平行板继续向前传播，同时发生折射。

光线在平行板内部传播时，由于光的波长会在介质中发生改变，因此不同路径上的光会有不同的光程。

光程差是产生莫尔条纹的重要因素。

当两束光线经过平行板传播后，在观察屏上会形成明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。

因为光程差的存在，两束光线在观察屏上会产生相位差。

当相位差为整数倍的波长时，两束光线会相干叠加形成明条纹；而当相位差为半波长时，两束光线会相消干涉形成暗条纹。

这种明暗相间的条纹就是莫尔条纹。

具体来说，对于从平行板上的两个不同点出射的光线，光程差可以表示为：ΔL = 2n*dsinθ，其中n是平行板的折射率，d是平行板的厚度，θ是入射角。

当光程差满足ΔL = mλ时，其中m是任意整数，λ是光的波长，两束光线在观察屏上会叠加相干增强形成明条纹；而当光程差满足ΔL = (m+0.5)λ时，两束光线在观察屏上会叠加相消干涉形成暗条纹。

莫尔条纹实验的观察屏上会出现一系列的明暗相间的直线条纹。

这是由于平行板内不同位置处的光程差不同，所以不同位置处会有不同的相位差，从而在观察屏上形成明暗相间的条纹。

莫尔条纹是一种非常重要的干涉现象，它不仅被广泛应用于实验室的光学实验中，还在一些实际应用中得到利用，例如在显微镜、望远镜、天文学观测中都有应用。

中国矿业大学科研创新论文玻璃缺陷在线检测系统设计姓名：连清学号：03101257专业：测控技术与仪器导师：刘万里摘要传统的玻璃质量检测主要采用人工检测的方法。

人工检测不仅工作量大，而且易受检测人员主观因素的影响，容易对玻璃表面缺陷造成漏检，尤其是变形较小、畸变不大的夹杂缺陷漏检，极大降低了玻璃的表面质量，从而不能够保证检测的效率与精度u。

目前，玻璃缺陷检测系统主要是利用激光检测和摩尔干涉原理的方法。

激光检测易受到外界干扰，影响检测精度。

摩尔干涉原理由于光栅内的莫尔条纹比较细，为保证莫尔条纹有很强的对比度便于计算机进行分析处理，就必须要求光栅有很高的明暗对比度，通过复杂计算机图形处理技术对干涉图形进行处理，占用大量的检测时间，检测周期非常缓慢而在实际检验中并无实用效果。

近年来，迅速发展的以图像处理技术为基础的机器视觉技术恰恰可以解决这一问题。

机器视觉主要是采用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。

本文介绍的玻璃表面缺陷检测系统采用机器视觉技术，完成对玻璃缺陷的提取、识别，为玻璃分级打标提供信息，满足玻璃表面缺陷检测的要求。

关键字：玻璃表面检测；图像处理；系统设计目录1、玻璃缺陷在线检测系统设计课题的提出 (4)1.1课题研究的背景 (4)1.2课题研究的意义及目的 (5)2、国内外玻璃缺陷在线检测系统的研究现状 (5)3、测量系统的简要介绍 (7)3.1检测系统的基本结构 (7)3.2检测系统原理 (8)3.3玻璃表面缺陷图像的处理（简介） (9)4、系统设计中重要的检测参数和部分要求 (9)5、课题研究的步骤及各阶段完成目标 (10)相关文献 (11)1、玻璃缺陷在线检测系统设计课题的提出1.1课题研究的背景玻璃在生产过程中，会产生各种各样的缺陷，比如:气泡、条纹和结石。

这些缺陷都会影响玻璃的外观质量，降低玻璃的透光性、机械强度和热稳定性，造成大量的废品和次品。

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。

光栅莫尔条纹原理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。

从技术角度上讲，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，这种光学现象就是莫尔条纹。

实验原理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。

莫尔条纹的宽度B为：B=P/sinθ其中P为光栅距。

光栅刻痕重合部分形成条纹暗带，非重合部分光线透过则形成条纹亮带。

光栅莫尔条纹的两个主要特征是(1)判向作用：当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动，由此可以确定光栅移动的方向。

(2)位移放大作用：当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距D时，莫尔条纹移动一个条纹间距B，当两个等距光栅之间的夹角θ较小时，指示光栅移动一个光栅距D，莫尔条纹就移动KD的距离。

K=B/D≈1/θ。

B=D/2sinθ/2≈d/θ，这样就可以把肉眼看不见的栅距位移变成清晰可见的条纹位移，实现高灵敏的位移测量。

实验仪器光栅组、移动平台实验步骤1、安装好主光栅与指示光栅，使两光栅保持平行，光栅间间隙要尽量小，微调主光栅角度，使莫尔条纹清晰可见。

2、旋动移动平台螺旋测微仪，向前或向后，观察莫尔条纹上下移动与指示光栅位移方向的关系。

3、人工微位移测量：当指示光栅位移一个光栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹距。

调节位移平台，仔细记数条纹移动数目，根据实验二十测得的光栅距，与位移条纹数相乘，此即为指示光栅的位移距离，实验时可与螺旋测微仪的转动刻度相对照。

（事实上光栅莫尔条纹记数所测得的位移精度远高于螺旋测微仪的精度）。

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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。

基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究喻宾扬，王召巴，金永（中北大学信息通信学院太原030051）摘要：本文分析了莫尔条纹的形成原理，并对基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测方法进行了研究设计，同时根据设计的实验装置，通过CCD摄像机进行了实际图像采集及其分析，为基于莫尔条纹的玻璃缺陷的在线检测研究提供了实验基础。

最后本文还对莫尔条纹的应用进行了一定的展望。

关键词：光栅莫尔条纹玻璃缺陷CCD摄像机Abstract: The paper analyzes the principle of moiré fringe, and researches the glass defect detection methods which based on moiréfringe. The author used a CCD camera to acquire image, then analyses the image. It makes an experimental foundation for on-line detect of defects based on glass moiréfringes. This paper also provides certain prospect for moiré fringe applications. Keywords：grating moiré fringes defects of glass CCD camera 1 引言随着玻璃业的不断发展，需求量的不断增加，对其产品的质量要求也是越来越高，此时玻璃质量检测起到了非常重要的作用。

一、实验目的1. 了解莫尔条纹的产生原理；2. 掌握莫尔条纹的观察方法；3. 学习利用莫尔条纹进行精密测量。

二、实验原理莫尔条纹是两条或两个物体之间以恒定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，这种光学现象中的花纹就是莫尔条纹。

莫尔条纹的形成原理：当两个光栅（或物体）相互重叠时，由于光栅间距的不匹配，光栅线之间产生干涉，形成明暗相间的条纹。

当光栅间距变化时，干涉条纹也会发生变化。

三、实验仪器与材料1. 光栅尺；2. 平行光管；3. 分光计；4. 光电传感器；5. 实验台；6. 记录纸；7. 计算器。

四、实验步骤1. 将光栅尺固定在实验台上，确保光栅尺与平行光管的光轴垂直；2. 调节平行光管，使光线垂直照射到光栅尺上；3. 使用分光计测量光栅尺的光栅间距，记录数据；4. 调节光栅尺，使光栅间距发生变化；5. 观察光栅尺上的莫尔条纹，记录条纹间距和形状；6. 利用光电传感器测量光栅尺的位移，记录数据；7. 分析莫尔条纹的间距与光栅尺位移之间的关系，得出结论。

五、实验数据与结果1. 光栅尺的光栅间距：d1 = 0.5mm，d2 = 1.0mm；2. 莫尔条纹间距：Δx1 = 0.2mm，Δx2 = 0.4mm；3. 光栅尺的位移：x1 = 0.1mm，x2 = 0.2mm。

六、分析与讨论1. 莫尔条纹的间距与光栅间距的关系：根据实验数据，莫尔条纹的间距与光栅间距成正比。

即Δx ∝ d，其中Δx为莫尔条纹间距，d为光栅间距。

2. 莫尔条纹的形状与光栅间距的关系：当光栅间距较小时，莫尔条纹间距较大，条纹形状较为粗犷；当光栅间距较大时，莫尔条纹间距较小，条纹形状较为细密。

3. 莫尔条纹的间距与光栅尺位移的关系：根据实验数据，莫尔条纹的间距与光栅尺位移成正比。

即Δx ∝ x，其中Δx为莫尔条纹间距，x为光栅尺位移。

七、结论1. 莫尔条纹的产生原理：莫尔条纹是由两个光栅（或物体）相互重叠，光栅间距不匹配，产生干涉而形成的；2. 莫尔条纹的观察方法：通过调节光栅间距和观察光栅尺上的条纹，可以观察到莫尔条纹；3. 莫尔条纹的测量方法：利用光电传感器测量光栅尺的位移，可以得出莫尔条纹的间距，从而实现精密测量。