光学仿真之摩尔纹
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编者按：
有一位粉丝朋友在后台多次询问摩尔纹模拟，今天终于有时间整理发出来。我们团队的高工用Ansys Speos模拟了LCD屏的摩尔纹效应，整理了如下这篇小文章，和大家分享，如有不恰当之处，也欢迎指出，我们也在不断学习成长。
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01
什么是摩尔纹
Moire pattern
摩尔纹（Moire pattern）是一种光学现象，通常是由于两个具有规则、周期性结构的图案重叠或干涉产生的视觉效果。这些图案通常具有平行的线条、点阵或周期性的纹理。当两个图案重叠时，它们的周期性结构之间会发生干涉，形成新的视觉效果。在摩尔纹中，通常会出现一些明暗相间、交叉的条纹或斑点。这是由于两个图案之间的干涉效应导致了光的增强或抵消。具体的效果取决于图案之间的相位差、周期和角度。这种现象在各个领域都有出现，包括纺织品、摄影、电子显示器、印刷和光学测量等。
摩尔纹在日常生活拍照中可能会对图像产生一些影响，这取决于拍摄条件、摄影设备以及被拍摄对象的特性。以下是一些与摩尔纹相关的影响和应用：
衣物纹理：当拍摄具有细腻纹理的衣物时，摩尔纹可能会在图像中出现。这种纹理干涉可能会导致衣物看起来有一些奇怪的条纹或斑点。为了避免这种情况，摄影师可以选择合适的拍摄角度、光线条件和镜头设置，以减少或消除摩尔纹的出现。
网状结构：某些物体，如栅格、篮球场地板或金属网格，具有规则的网状结构。当拍摄这些物体时，摩尔纹可能会出现，使得图像中出现奇怪的交叉线条或斑点。这种情况下，摄影师可以尝试调整拍摄角度或使用适当的滤镜，以减少或消除摩尔纹的干扰。
图2 拍摄格栅出现的摩尔纹
背景干扰：当拍摄人物或物体 位于具有周期性纹理或网格的背景之前时，摩尔纹可能会对图像产生干扰。这种情况下，摄影师可以尝试改变相机和主体的相对位置，以避免产生明显的摩尔纹效应。
艺术表现：有时，摄影师可以故意利用摩尔纹的视觉效果来增强图像的艺术表现力。摩尔纹可以为图像添加纹理、增加视觉层次感或创造一种独特的视觉效果。这在摄影艺术和实验性摄影中经常被应用。
图3 艺术创作的摩尔纹动画
尤其地，莫尔条纹在现代电子屏幕设计、制造和检测中具有非常普遍的应用和影响：
显示技术：在电子屏幕的制造和测试中，莫尔条纹可以用作质量控制的工具。通过观察屏幕上的莫尔条纹，可以检测和纠正图像偏移、像素排列错误或其他制造缺陷。
防护膜：莫尔条纹可以用于电子屏幕上的防护膜。这些膜通常具有特殊的纹理和结构，可以减少指纹、污渍和反射，提高屏幕的可视性和可读性。
视觉效果：有时，在电子屏幕上故意创建莫尔条纹可以产生独特的视觉效果。这些效果可以用于增强图像的深度感、纹理感或艺术表现力。在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用中，莫尔条纹可以被用于模拟真实世界中的纹理和光影效果。
屏幕排列：在多屏幕设置中，莫尔条纹可以用来帮助对齐和调整屏幕之间的位置和角度。通过观察莫尔条纹的形状和变化，可以精确地调整屏幕的位置和对齐，以获得无缝的显示效果。
图4 利用莫尔条纹原理，通过移动网格实现动态图案
尽管莫尔条纹可以在某些情况下提供一些有用的应用，但在一般情况下，它们通常被认为是一种视觉干扰。在电子屏幕上，出现意外的莫尔条纹可能会导致图像失真、可读性降低或用户体验不佳。因此，制造商和设计师通常会采取措施来减少或消除莫尔条纹的出现，以提供更清晰、无干扰的图像显示。
02
LCD显示屏摩尔纹模拟
Simulation
以下我们利用Ansys旗下的光学仿真软件Speos for Creo(以下简称Speos)，初探了LCD显示屏中RGB矩阵和格栅的相对角度对摩尔纹形状的影响。简化后的LCD显示屏可视为3层结构，由下往上分别为：
光源层：通过建立一个平面，设置从平面往上均匀发射红色、蓝色、绿色光线模拟LCD背光板。
第一层格栅：先建立一个平面，利用Speos的3D texture和Boolean operation，切割平面，形成规律排列的格栅模型，模拟LCD中的液晶层，每个液晶单元可处于ON/OFF状态, 对光线进行过滤，从而形成第一层“格栅”。
第二层格栅：再建立一个平面，以相似的方法形成规律排列的格栅模型，并和第一层格栅有一定的角度，模拟LCD中的有规律排列的触摸层等格栅形状。
图5 简化后LCD的堆叠结构
图6 利用Speos建立的LCD 模型
接下来设置Light source、Sensor、Simulation type, 点击Regenerate,即可开始运行计算。
以下分别为R、G、B三种单色光源的仿真结果：
R单色光源效果
G单色光源效果
B单色光源效果
图7 R、G、B单色光源效果
通过Speos软件的 Photometric Calc模块，我们将R、G、B单色光进行组合，并通过Virtual Lighting Control模块调节单色光比例，进行颜色调节从而合成特定颜色。
图8 Photometric Calc模块
图9 Virtual Light Controller
以下分别为逆时针旋转第二层格栅0°~ 90°后的R单色光源动图、合成色光源动图，以及逆时针旋转第二层格栅30°出现的摩尔纹效果：
图10.1R单色光源动图
图10.2合成色光源动图
图11 逆时针旋转第二层格栅30°出现的摩尔纹效果
03
结论
Conclusion
我们利用Speos for Creo，通过建立简化后的LCD堆叠结构，设定相应的Light source、sensor以及其它相关参数，可以通过调节双格栅的相对角度预测单色光源下摩尔纹存在情况以及相应的摩尔纹形状。在此基础上，可通过调节R,G,B三个光源的比例，实现预测不同组合光颜色条件下的摩尔纹效果。
- END -
