Введение
Интерференционная картина
В математике, физике и искусстве, моирные узоры (moiré patterns /UK//'//m//w//ɑː//ɹ//eɪ/ MWARay, /US//m//w//ɑː/'/ɹ//eɪ/ mwarAY, mwaʁe) или моирные полосы – это крупномасштабные интерференционные картины, которые могут возникать при наложении частично непрозрачного штрихового рисунка с прозрачными промежутками на другой подобный рисунок. Для появления интерференционной картины моера два рисунка не должны быть полностью идентичными, а скорее смещенными, повернутыми или иметь незначительно отличающийся шаг. Моирные узоры возникают во многих ситуациях. В полиграфии печатный рисунок точек может искажать изображение. В телевидении и цифровой фотографии узор на объекте съемки может влиять на форму светочувствительных элементов, создавая нежелательные артефакты. Они также иногда создаются намеренно – в микрометрии они используются для усиления эффектов очень малых перемещений. В физике их проявлением является волновое вмешательство, такое как наблюдаемое в эксперименте с двумя щелями и феномен биений в акустике.
Этимология
Термин происходит от moire (moiré в его французской прилагательной форме), типа текстиля, традиционно изготавливаемого из шелка, но в настоящее время также из хлопка или синтетических волокон, с волнистым или "водянистым" узором. Моаре, или "текстиль с эффектом полива", создается путем прессования двух слоев ткани во влажном состоянии. Незначительные неровности в расположении нитей создают характерный рисунок, который сохраняется после высыхания ткани. Во французском языке существительное moire используется с XVII века для обозначения "полированного шелка". Оно заимствовано из английского mohair (упоминается с 1610 года). Во французском языке от этого существительного произошло глагол moirer – "создавать текстиль с эффектом полива путем ткачества или прессования", появившийся к XVIII веку. Прилагательное moiré, образованное от этого глагола, используется как минимум с 1823 года.
Формирование шаблонов
Моире-узоры часто являются артефактом изображений, создаваемых различными методами цифровой обработки изображений и компьютерной графики, например, при сканировании растрового изображения или трассировке лучей шахматной плоскости (последнее является частным случаем алиасинга, вызванного недостаточной дискретизацией тонкого регулярного узора). Эту проблему можно решить при текстурировании с помощью мипмэппинга и анизотропной фильтрации. Рисунок в правом верхнем углу демонстрирует моире-узор. Линии могут изображать волокна ткани моаре или линии, нарисованные на бумаге или на экране компьютера. Нелинейное взаимодействие оптических узоров линий создает реальный и видимый узор, состоящий из примерно параллельных темных и светлых полос – узор моаре, наложенный на линии. Эффект моаре также возникает при наложении прозрачных объектов. Например, невидимая фазовая маска изготавливается из прозрачного полимера с волнообразным профилем толщины. Когда свет проходит через две наложенные маски с похожими фазовыми узорами, на экране, расположенном на некотором расстоянии, возникает широкий узор моаре. Этот фазовый эффект моаре и классический эффект моаре от непрозрачных линий представляют собой два конца непрерывного спектра в оптике, который называется универсальным эффектом моаре. Фазовый эффект моаре является основой для широкополосного интерферометра в рентгеновской и корпускулярной оптике. Он также позволяет выявлять скрытые узоры в невидимых слоях.
Линия морей
Линия моаре – это один из типов интерференционной картины моаре; узор, возникающий при наложении двух прозрачных слоев, содержащих связанные непрозрачные рисунки. Линия моаре возникает, когда наложенные рисунки состоят из прямых или изогнутых линий. При перемещении слоев интерференционная картина моаре преобразуется или движется с большей скоростью. Этот эффект называется оптическим ускорением моаре. Более сложные линейные интерференционные картины моаре создаются, если линии изогнуты или не являются строго параллельными.
Форма морей
Форма моира — это один из типов моирового рисунка, демонстрирующий феномен увеличения моира. Одномерная форма моира является частным упрощенным случаем двумерной формы моира. Одномерные узоры могут возникать при наложении непрозрачного слоя, содержащего крошечные горизонтальные прозрачные линии, на слой, содержащий сложную форму, периодически повторяющуюся вдоль вертикальной оси. Моировые рисунки, выявляющие сложные формы или последовательности символов, встроенные в один из слоев в виде периодически повторяющихся сжатых форм, создаются с помощью формы моира, также называемой полосатым моира. Одним из важнейших свойств формы моира является её способность увеличивать крошечные формы вдоль одной или обеих осей, то есть растягивать их. Распространенным двумерным примером увеличения моира является наблюдение за цепной сеткой ограждения через вторую цепную сетку ограждения идентичной конструкции. Мелкая структура рисунка видна даже на большом расстоянии.
Печать полноцветных изображений
В графических искусствах и при подготовке к печати обычная технология печати полноцветных изображений предполагает наложение растровых экранов. Это регулярные прямоугольные точечные структуры, часто состоящие из четырех экранов, напечатанных в цвете циан, желтом, пурпурном и черном. Возникновение интерференции неизбежно, но при благоприятных условиях она "плотная", то есть пространственная частота интерференции настолько высока, что не воспринимается глазом. В графических искусствах термин "интерференция" означает чрезмерно заметную интерференцию. Часть работы по подготовке к печати заключается в выборе углов растра и частоты полутонов, чтобы минимизировать интерференцию. Восприятие интерференции не всегда предсказуемо. Один и тот же набор экранов может давать хорошие результаты с одними изображениями, но приводить к видимой интерференции с другими.
Телевизионные экраны и фотографии
Узоры муара часто можно увидеть на экранах телевизоров, когда на человеке надета рубашка или куртка с определенным плетением или рисунком, например, куртка в клетку "гусиная лапка". Это происходит из-за разностной (чересстрочной) развертки в телевизорах и некинокамерах, известной как "интерлайн-твитер". Когда человек двигается, узор муара становится хорошо заметным. По этой причине телеведущим и другим профессионалам, регулярно появляющимся на телевидении, рекомендуется избегать одежды, которая может вызвать этот эффект. На фотографиях экрана телевизора, сделанных цифровой камерой, часто проявляются узоры муара. Поскольку как телевизор, так и цифровая камера используют технику сканирования для создания или захвата изображений с горизонтальными линиями развертки, конфликт между этими линиями и вызывает узоры муара. Чтобы избежать этого эффекта, цифровую камеру можно направить под углом 30 градусов к экрану телевизора.
Морская навигация
Эффект муара используется в береговых маяках, называемых "Inogon leading marks" или "Inogon lights", производства Inogon Licens AB, Швеция, для обозначения наиболее безопасного курса движения судов, направляющихся к шлюзам, маринам, портам и т.п., или для указания подводных препятствий (таких как трубопроводы или кабели). Эффект муара создает стрелки, указывающие на воображаемую линию, обозначающую препятствие или линию безопасного прохода; когда судно пересекает эту линию, стрелки на маяке кажутся превращающимися в вертикальные полосы, прежде чем снова стать стрелками, указывающими в противоположном направлении. Пример можно найти в Великобритании на восточном берегу Саутгемптон-Уотер, напротив нефтеперерабатывающего завода Фоули. Подобные маяки с эффектом муара могут использоваться для направления судов к центральной точке надвигающегося моста; когда судно выровнено с центральной линией, становятся видны вертикальные линии. Огни Inogon также устанавливаются в аэропортах, чтобы помочь пилотам на земле держаться центральной линии при рулении к месту стоянки.
Измерение деформации
В обрабатывающей промышленности эти схемы используются для изучения микроскопических деформаций в материалах: деформируя сетку относительно опорной и измеряя интерференционную картину, можно определить уровни и характер напряжений. Этот метод привлекателен тем, что масштаб интерференционной картины значительно больше величины деформации, вызывающей её, что упрощает измерения. Эффект Моаре может быть использован для измерения деформаций: оператору достаточно нанести рисунок на объект и совместить опорный рисунок с деформированным рисунком на деформированном объекте. Аналогичный эффект можно получить, наложив голографическое изображение объекта на сам объект: голограмма служит опорным эталоном, а разница между голограммой и объектом отображает деформации в виде светлых и темных линий.
Обработка изображений
Некоторые компьютерные программы для сканирования изображений предоставляют необязательный фильтр, называемый фильтром "descreen", для удаления артефактов муара, которые в противном случае возникали бы при сканировании печатных растровых изображений для создания цифровых изображений.
Банкноты
Многие банкноты используют склонность цифровых сканеров создавать муаровые узоры, включая в свой дизайн тонкие круговые или волнистые элементы, которые с большой вероятностью проявят муар при сканировании и печати.
Микроскопия
В микроскопии сверхвысокого разрешения узор Муа́ра может использоваться для получения изображений с разрешением выше дифракционного предела, с помощью техники, известной как микроскопия со структурированным освещением. Это применимо к двуслойному графену, гетероструктурам Ван-дер-Ваальса из графена и hBN, а также к наноструктурам висмута и сурьмы. В просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) трансляционные полосы Муа́ра можно наблюдать как параллельные контрастные линии, формирующиеся при фазово-контрастном ПЭМ-изображении в результате интерференции дифракционных плоскостей кристаллической решетки, которые перекрываются и могут иметь различное межплоскостное расстояние и/или ориентацию. Большинство наблюдений контраста Муа́ра, представленных в литературе, получены с использованием фазово-контрастной визуализации высокого разрешения в ПЭМ. Однако, использование аберрационно-скорректированной сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с высокоугольным кольцевым темнопольным детектором (HAADF STEM) позволяет получить более прямую интерпретацию кристаллической структуры в терминах типов атомов и их расположения.
Материаловедение и физика конденсированной материи
В физике конденсированного состояния явление моаре обычно обсуждается в контексте двухмерных материалов. Эффект возникает при несовпадении параметра решетки или угла наклона 2D-слоя относительно параметра решетки или угла наклона подложки, что заставляет некоторых говорить о "моаре-материалах". Существенные изменения в электронных свойствах при скручивании двух атомных слоев и перспективы электронных приложений привели к появлению термина "твистроника" для обозначения этой области исследований. Наглядным примером является скрученный двуслойный графен, который формирует моаре-паттерн и при определенном "магическом угле" проявляет сверхпроводимость и другие важные электронные свойства. В материаловедении известными примерами, демонстрирующими моаре-контраст, являются тонкие пленки или наночастицы типа MX (M = Ti, Nb; X = C, N), наложенные на аустенитную матрицу. Обе фазы, MX и матрица, имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру и куб-на-куб ориентационное соотношение. Однако они характеризуются значительным несоответствием параметров решетки, составляющим примерно от 20 до 24% (в зависимости от химического состава сплава), что и обуславливает эффект моаре.