모이레 패턴

Moiré pattern
한 세트가 다른 세트에 대해 5°의 각도로 기울어진 두 세트의 평행선으로 구성된 모아레 패턴
이 이미지에서 하늘을 구성하는 미세한 선들은 텔레비전의 사진들이 모아레 패턴을 보여주는 것과 같은 이유로 어떤 해상도에서 보여질 때 모아레 패턴을 만들어냅니다. 선들은 완전히 수평이 아닙니다.
다리 위에서 앞뒤 피켓 펜스의 거리 차이가 모아레 패턴을 만듭니다.
LCD 화면의 스케일 카메라 캡처에 나타나는 Moiré 패턴

수학, 물리학 및 예술 분야에서 모이레 패턴(영국: /mw ɑːre ɪ/MWAR-ay, 미국: /mw ɑːˈre ɪ/mwar-AY, 프랑스어:[mwa ʁe] 또는 모이레 프린지는 투명한 간격이 있는 부분적으로 불투명한 지배 패턴이 다른 유사한 패턴에 겹쳐질 때 생성될 수 있는 대규모 간섭 패턴입니다. 모아레 간섭 패턴이 나타나려면 두 패턴이 완전히 동일한 것이 아니라 변위되거나 회전되거나 약간 다른 피치를 가져야 합니다.

모이레 패턴은 많은 상황에서 나타납니다. 인쇄 시 점의 인쇄 패턴이 이미지를 방해할 수 있습니다. 텔레비전과 디지털 사진에서, 촬영되는 물체의 패턴은 원치 않는 인공물을 생성하기 위해 광 센서의 모양을 방해할 수 있습니다. 그것들은 때때로 의도적으로 만들어지기도 합니다 – 마이크로미터 단위로 그것들은 매우 작은 움직임의 효과를 증폭시키는 데 사용됩니다.

물리학에서, 그것의 표현은 이중 슬릿 실험에서 볼 있는 것과 음향학에서 비트 현상과 같은 파동 간섭입니다.

어원

이 용어는 전통적으로 비단으로 만들어졌지만 현재는 면이나 합성 섬유로 만들어진 직물의 한 종류인 모이레(moire, 프랑스어 형용사 형태의 moiré)에서 유래하며, 물결 모양이나 "물" 모양을 하고 있습니다. 모아레는 젖은 상태에서 두 겹의 직물을 눌러 만듭니다. 나사산의 유사하지만 불완전한 간격은 직물이 건조된 후에도 남는 특징적인 패턴을 만듭니다.

프랑스어에서 모아레는 "물이 든 비단"을 의미하며 17세기부터 사용되고 있습니다. 그것은 영국 모헤어(1610년 증명)의 대출이었습니다. 프랑스어 용법에서 이 명사는 18세기에 이르러 "직조를 하거나 눌러 물이 든 직물을 만든다"는 동사 모이레르를 탄생시켰습니다. 이 동사에서 형성된 형용사 모이레는 적어도 1823년부터 사용되고 있습니다.

패턴형성

노출층의 위쪽으로의 이동이 느린 라인 모이레
쉐이프 모이레
두 세트의 동심원을 겹쳐서 만든 Moiré 패턴

모아레 패턴은 다양한 디지털 이미징컴퓨터 그래픽 기술에 의해 생성된 이미지의 인공물입니다. 예를 들어, 하프톤 사진을 스캔하거나 체크 평면을 추적하는 광선을 스캔할 때(후자는 미세한 규칙 패턴을 과소 샘플링하여 앨리어싱하는 특수한 경우).[3] 이는 밉맵핑이방성 필터링을 사용하여 텍스처 매핑에서 극복할 수 있습니다.

오른쪽 상단의 그림은 모아레 무늬를 보여줍니다. 선들은 모이레 실크로 된 섬유나 종이나 컴퓨터 화면에 그려진 선들을 나타낼 수 있습니다. 선들의 광학 패턴들의 비선형 상호작용은 선들에 중첩된 대략 평행한 다크 밴드와 라이트 밴드의 실제와 가시적인 패턴인 모이레 패턴을 만듭니다.[4]

중첩된 투명 물체 사이에서도 모이레 효과가 발생합니다.[5] 예를 들어, 보이지 않는 위상 마스크는 물결 모양의 두께 프로파일을 가진 투명한 폴리머로 만들어집니다. 비슷한 위상 패턴의 겹쳐진 두 개의 마스크를 통해 빛이 비칠 때 멀리 떨어진 화면에서 넓은 모아레 패턴이 발생합니다. 이 위상 모이레 효과와 불투명 선에서 나오는 고전적인 모이레 효과는 광학에서 연속 스펙트럼의 양 끝이며, 이를 보편 모이레 효과라고 합니다. 위상 모아레 효과는 X선 및 입자파 응용 분야에서 광대역 간섭계 유형의 기초가 됩니다. 보이지 않는 층에 숨겨진 패턴을 드러내는 방법도 제공합니다.

라인 모이레

라인 모이레(Line moiré)는 모이레 패턴의 한 종류로, 상관된 불투명 패턴을 포함하는 두 개의 투명 층을 중첩할 때 나타나는 패턴입니다. Line moiré는 중첩된 패턴이 직선 또는 곡선으로 구성된 경우입니다. 레이어 패턴을 이동할 때 모이레 패턴이 변형되거나 더 빠른 속도로 이동합니다. 이 효과를 광학적 모이레 속도 증가라고 합니다.

선이 곡선이거나 정확히 평행하지 않은 경우 더 복잡한 선 모이레 패턴이 생성됩니다.

쉐이프 모이레

형상 모이레는 모이레 확대 현상을 보여주는 모이레 패턴의 한 종류입니다.[6][7] 1D 형상 모이레는 2D 형상 모이레의 특별한 단순화된 경우입니다. 수직축을 따라 주기적으로 반복되는 복잡한 형상을 포함하는 층 위에 작은 수평 투명선을 포함하는 불투명층을 중첩할 때 1차원 패턴이 나타날 수 있습니다.

복잡한 모양을 나타내는 모이레 패턴 또는 (주기적으로 반복되는 압축된 모양의 형태로) 레이어 중 하나에 포함된 기호 시퀀스가 모양 모이레(moiré)로 생성되며, 그렇지 않으면 밴드 모이레 패턴이라고 합니다. 모양 모아레의 가장 중요한 특성 중 하나는 한 축 또는 두 축을 따라 작은 모양을 확대할 수 있는 능력, 즉 스트레칭입니다. 모아레 확대의 일반적인 2D 예는 동일한 디자인의 두 번째 체인 링크 펜스를 통해 체인 링크 펜스를 볼 때 발생합니다. 디자인의 미세한 구조는 먼 거리에서도 잘 보입니다.

계산

평행 패턴의 모이레

기하학적 접근

패턴은 도형의 중간 너비에 겹칩니다.
각도 α로 회전한 두 개의 유사한 패턴의 중첩에 의해 얻어진 Moiré

평행선과 등거리선으로 구성된 두 가지 패턴(예: 수직선)을 고려합니다. 제1 패턴의 스텝은 p이고, 제2 패턴의 스텝p + δp이며, 0 < δp < p.

그림의 왼쪽에 패턴의 선을 중첩하면 오른쪽으로 갈 때 선 사이의 이동이 증가합니다. 주어진 수의 선 다음에 패턴들이 반대가 됩니다: 두 번째 패턴의 선들은 첫 번째 패턴의 선들 사이에 있습니다. 우리가 멀리서 보면, 선들이 겹칠 때는 창백한 구역(선들 사이에 흰색이 있음), 선들이 "반대"될 때는 어두운 구역(dark zone)의 느낌이 있습니다.

첫 번째 다크 존의 중간은 시프트가 p/2와 같을 때입니다. 제2 패턴의 n번째 라인은 제1 네트워크의 n번째 라인과 비교하여 n δp만큼 쉬프트됩니다. 따라서 첫 번째 다크 존의 중간은 다음과 같습니다.

그것은
옅은 영역과 어두운 영역의 중간 사이의 거리 d는
두 개의 어두운 영역의 중간 사이의 거리, 즉 두 개의 창백한 영역 사이의 거리는,
이 공식을 통해 다음을 알 수 있습니다.

  • 계단이 클수록 창백한 영역과 어두운 영역 사이의 거리가 커집니다.
  • 불일치 δp가 클수록 어두운 영역과 어두운 영역이 더 가까워집니다. 어두운 영역과 어두운 영역 사이의 간격이 크다는 것은 패턴이 매우 가까운 단계를 가지고 있다는 것을 의미합니다.

모이레의 원리는 베르니에 음계와 비슷합니다.

수학함수 접근법

두 개의 격자(위와 가운데)를 겹쳐서 만든 Moiré 패턴(아래)

모아레 효과의 본질은 두 유사한 패턴의 부정확한 중첩으로 인해 발생하는 뚜렷이 다른 제3 패턴에 대한 (주로 시각적) 인식입니다. 이러한 패턴의 수학적 표현은 사소하게 얻어지지 않으며 다소 자의적으로 보일 수 있습니다. 이 절에서는 중첩이 모이레 패턴을 형성하는 두 평행 패턴의 수학적 예를 제시하고, 이러한 패턴과 모이레 효과가 수학적으로 렌더링될 수 있는 한 가지 방법을 보여줍니다.

이러한 패턴의 가시성은 이러한 패턴이 나타나는 매체 또는 기판에 따라 다르며, 이러한 패턴은 불투명(예를 들어 종이)하거나 투명(예를 들어 플라스틱 필름)할 수 있습니다. 논의를 위해 두 가지 기본 패턴이 각각 흰색 시트의 회색 눈금 잉크로 인쇄되어 있다고 가정합니다. 여기서 "인쇄된" 부분의 불투명도(예: 회색 음영)는 0(흰색)에서 1(검은색) 사이의 값으로 제공되며 1/2은 중성 회색을 나타냅니다. 이 회색 눈금을 사용하여 0보다 작거나 1보다 큰 값은 기본적으로 "인쇄 불가"입니다.

또한 용지의 특정 지점에서 한 패턴을 다른 패턴 위에 인쇄할 때 발생하는 패턴의 불투명도를 그 위치에서 각 패턴의 불투명도의 평균(즉, 산술 평균)으로 표시하기로 결정합니다. (이 선택은 고유한 것이 아닙니다. 결과 함수 값을 [0,1] 범위 내로 유지하는 것을 만족시키는 함수를 결합하는 다른 방법도 사용할 수 있습니다. 산술 평균은 단순성의 장점이 있습니다. 인쇄 과정의 개념에 손상을 최소화할 수 있기를 바랍니다.)

이제 거의 유사하고 동축으로 변하는 회색 스케일 패턴 두 개의 "인쇄" 중첩을 고려하여 한 패턴을 먼저 용지에 인쇄한 다음 다른 패턴을 먼저 인쇄하여 좌표 축을 레지스터에 유지하는 방법을 보여줍니다. 우리는 종이 평면의 고정된 방향(예를 들어 x좌표)을 따라 거리의 양의 불투명도 함수로 각 패턴의 회색 강도를 나타냅니다.

여기서 1이 존재하면 함수가 양수로 확정되고 2로 나누면 함수 값이 1보다 커지는 것을 방지할 수 있습니다.

수량 k는 단위 거리당 강도 사이클의 수로 측정되는 패턴의 회색 강도의 주기적 변화(즉, 공간 주파수)를 나타냅니다. 사인 함수는 π의 인수 변경에 대해 순환적이므로 k δx = 2 π 또는 δx = 2 π/k일 때 강도 주기(파장)당 거리 증가 δx가 얻어집니다.

이제 하나가 다른 하나와 약간 다른 주기적 변화를 갖는 두 가지 패턴을 생각해 보십시오.

그런 k ≈ k.

중첩된 인쇄 이미지를 나타내는 이 두 기능의 평균은 다음과 같이 평가됩니다(여기서 역방향 ID:Prosthaphaeresis 참조).

라는 것을 쉽게 알 수 있는 곳에

그리고.

3 함수 평균 f는 분명히 [0,1] 범위에 있습니다. 주기적 변화 Ak1 k2 평균이고 따라서 k에 가깝기 때문에 모아레 효과는 주기적 변화1 k와 k2 절반 차이(그리고 분명히 주파수가 훨씬 더 낮음)인 정현파 외피 "비트" 함수 cos(Bx)에 의해 뚜렷하게 입증됩니다.

다른 1차원 모아레 효과에는 거의 동일한 음정의 두 개의 순수한 음이 동시에 울릴 때 들리는 고전적인 비트 주파수 톤이 포함됩니다. 이것은 1차원의 모아레 효과의 음향 버전입니다: 원래의 두 음은 여전히 존재하지만, 청취자의 인식은 두 음의 주파수의 평균과 절반의 차이인 두 음의 음정입니다. 시변 신호의 샘플링에서 앨리어싱도 이 모이레 패러다임에 속합니다.

회전패턴

스텝 p가 동일한 두 패턴을 고려하되, 두 번째 패턴은 각도 α만큼 회전합니다. 멀리서 보면 더 어둡고 창백한 선들도 보입니다. 창백한 선들은 마디들의 선들, 즉 두 패턴의 교차점을 지나는 선들에 해당합니다.

만약 우리가 형성된 격자의 세포를 고려한다면, 우리는 그것이 4개변이 d = p/sin α; (우리는 빗변이 d이고 각 α와 반대인 변이 p직각삼각형을 가지고 있음을 알 수 있습니다).

"그물"의 단위 셀; "리그네 클레어"는 "회색 선"을 의미합니다.
각도 변화 효과

옅은 선은 마름모의 작은 대각선에 해당합니다. 대각선은 이웃하는 변들의 이등분선이므로, 우리는 옅은 선이 각 패턴의 선의 수직과 α/2의 각도를 이루는 것을 볼 수 있습니다.

또한 두 개의 창백한 선 사이의 간격은 긴 대각선의 절반인 D입니다. 긴 대각선 2D는 직각 삼각형의 빗변이고 직각의 변은 d(1 + cos α)p입니다. 피타고라스 정리는 다음을 제공합니다.

즉,
따라서

곡선에 미치는 영향

α가 매우 작은 경우(α < π/6) 다음과 같은 작은 각도 근사를 수행할 수 있습니다.

따라서

우리는 α가 작을수록 창백한 선들이 멀리 떨어져 있다는 것을 알 수 있습니다. 두 패턴이 평행할 때(α = 0) 창백한 선들 사이의 간격은 무한대입니다( 창백한 선은 없습니다).

따라서 α를 결정하는 두 가지 방법이 있습니다: 창백한 선의 방향과 간격에 의해서.

각도를 측정하기로 선택한 경우 최종 오차는 측정 오차에 비례합니다. 만약 우리가 간격을 측정하기로 선택한다면, 최종 오차는 간격의 역수에 비례합니다. 따라서 작은 각도의 경우 간격을 측정하는 것이 가장 좋습니다.

시사점 및 적용

풀 컬러 이미지 인쇄

경고: 청각성 간질 발작 위험. 속도가 약간 다른 두 개의 "비트 트랙"이 겹쳐져서 가청음 모아레 패턴을 생성한 결과; 한 트랙의 비트가 공간에서 검은 점이나 선이 존재하는 곳에 해당하고 다른 트랙의 비트가 카메라가 빛을 샘플링하는 공간의 지점에 해당하는 경우, 주파수가 완전히 같지 않고 서로 완벽하게 정렬되어 있기 때문에 비트(또는 샘플)는 어떤 순간에는 가까이 정렬되고 다른 순간에는 멀리 정렬됩니다. 박자가 가까울수록, 그 지점은 더 어두워집니다. 멀리 떨어져 있을수록, 더 가벼워집니다. 결과는 그래픽 모이레 패턴과 동일한 방식으로 주기적입니다. 보기: 단계적.

그래픽 아트프리프레스에서 풀 컬러 이미지를 인쇄하는 일반적인 기술은 하프톤 스크린의 중첩을 포함합니다. 이것들은 일반적인 직사각형 도트 패턴으로, 대개 4개의 도트 패턴이 시안, 옐로우, 마젠타 및 블랙으로 인쇄됩니다. 모종의 모이레 패턴은 불가피하지만 유리한 상황에서는 패턴이 "밀착"합니다. 즉, 모이레의 공간 주파수가 너무 높아서 눈에 띄지 않습니다. 그래픽 아트에서 모이레(moiré)라는 용어는 과도하게 보이는 모이레 패턴을 의미합니다. 프리프레스 아트의 일부는 모아레를 최소화하는 화면 각도와 하프톤 주파수를 선택하는 것으로 구성되어 있습니다. 모이레의 가시성은 완전히 예측할 수 있는 것은 아닙니다. 동일한 화면 세트는 일부 이미지에서는 좋은 결과를 얻을 수 있지만 다른 이미지에서는 볼 수 있습니다.

텔레비전 화면 및 사진

앵무새의 깃털 사진에서 볼 수 있는 강한 모이레(풀사이즈 이미지에서 더 뚜렷함)
샌프란시스코 동물원의 새장 너머로 보이는 모이레 무늬
유니언 스테이션(Union Station, D.C.)에서 본 모이레 패턴입니다.

모아레 무늬는 사람이 하운드투스 재킷과 같은 특정 직조나 패턴의 셔츠나 재킷을 입고 있을 때 텔레비전 화면에서 흔히 볼 수 있습니다. 이것은 인터라인 트위터라고 불리는 텔레비전과 비필름 카메라의 인터레이스 스캐닝 때문입니다. 사람이 움직일 때, 모이레 패턴이 꽤 눈에 띕니다. 이 때문에 TV에 정기적으로 출연하는 뉴스 진행자와 다른 전문가들은 효과를 유발할 수 있는 옷을 피하도록 지시를 받습니다.

디지털 카메라로 찍은 TV 화면 사진은 종종 모아레 패턴을 보여줍니다. TV 화면과 디지털 카메라 모두 스캔 기술을 사용하여 수평 스캔 라인으로 사진을 생성하거나 캡처하기 때문에 서로 상충되는 라인 세트로 인해 모아레 패턴이 발생합니다. 효과를 방지하기 위해 디지털 카메라는 TV 화면에 대해 30도 각도로 조준할 수 있습니다.

해상항해

모이레 효과는 스웨덴 Inogon Licens AB에서 제조한 "Inogon 선행 표시" 또는 "Inogon lights"라고 불리는 해안가 비콘에서 잠금 장치, 마리나, 항구 등으로 향하는 선박의 가장 안전한 이동 경로를 지정하거나 수중 위험(파이프라인이나 케이블 등)을 표시하는 데 사용됩니다. 모이레 효과는 안전한 통행의 위험 또는 선을 표시하는 가상의 선을 가리키는 화살표를 만듭니다. 항해자가 선 위를 지나갈 때, 비콘의 화살표는 역방향을 가리키는 화살표로 다시 바뀌기 전에 수직 띠가 되는 것처럼 보입니다.[8][9][10] 예를 들어, 영국에서는 Southampton Water의 동쪽 해안에서 Fawley 정유공장 맞은편(50°51'21.63N 19'44.77 ″W / 50.8560083°N 1.3291028°W / 50.8560083; -1.3291028)에서 찾아볼 수 있습니다. 유사한 모아레 효과 비콘을 사용하여 매리너스를 마주 오는 다리의 중심점으로 안내할 수 있습니다. 선박이 중심선과 정렬되면 수직선이 보입니다. 공항에는 이노곤 조명이 배치되어 지상의 조종사들이 스탠드에 도킹하는 동안 중앙선을 유지할 수 있도록 도와줍니다.[12]

변형률 측정

변형률 측정 시 모아레 효과 사용: 일축 견인(위) 및 순수 전단(아래)의 경우; 패턴의 선은 처음에는 두 경우 모두 수평입니다.

이러한 패턴은 제조 산업에서 재료의 미세 변형을 연구하는 데 사용됩니다. 기준 그리드에 대해 그리드를 변형하고 모이레 패턴을 측정하면 응력 수준과 패턴을 추론할 수 있습니다. 이 기법은 모이레 패턴의 스케일이 원인이 되는 편향보다 훨씬 커서 측정이 용이하기 때문에 매력적입니다.

모이레 효과는 변형률 측정에 사용될 수 있습니다. 작업자는 물체에 패턴을 그리고 변형된 패턴에 대한 기준 패턴을 변형된 물체에 중첩하기만 하면 됩니다.

물체의 홀로그램 영상을 물체 자체에 중첩시키면 비슷한 효과를 얻을 수 있습니다. 홀로그램이 기준 단계이고 물체와의 차이점은 창백하고 어두운 선으로 나타나는 변형입니다.

영상처리

일부 이미지 스캐너 컴퓨터 프로그램은 디지털 이미지를 생성하기 위해 인쇄된 하프톤 이미지를 스캔할 때 생성되는 모아레 패턴 아티팩트를 제거하기 위해 "descreen" 필터라고 하는 선택적 필터를 제공합니다.[13]

지폐

많은 지폐들은 스캔하고 인쇄할 때 모아레 패턴을 나타낼 가능성이 있는 미세한 원형 또는 물결 모양의 디자인을 포함하여 모아레 패턴을 생성하는 디지털 스캐너의 경향을 이용합니다.[14]

현미경 검사

초해상도 현미경에서 모아레 패턴은 구조 조명 현미경으로 알려진 기술을 사용하여 회절 한계보다 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있습니다.[2]

주사 터널링 현미경 검사에서 표면 원자층이 벌크 결정과 다른 결정 구조를 가진 경우 모이레 무늬가 나타납니다. 이는 예를 들어 결정의 표면 재구성 또는 제2 결정의 얇은 층(예를 들어, 단층,[15][16] 이중층 [17]그래핀, 또는 그래핀과 hBN의 반데르발스 헤테로 구조,[18][19] 또는 비스무트 및 안티몬 나노 구조)이 표면에 있을 때 발생할 수 있습니다.[20]

투과전자현미경(TEM)에서, 병진 모이레 무늬는 위상차 TEM 영상에서 서로 다른 간격 및/또는 방향을 가질 수 있는 회절 결정 격자 평면의 간섭에 의해 형성된 평행한 대비선으로 볼 수 있습니다.[21] 문헌에 보고된 대부분의 모아레 조영 관찰은 TEM에서 고해상도 위상 조영 영상을 사용하여 얻을 수 있습니다. 그러나 탐침 수차 보정 고각 환상 암장 주사 투과 전자 현미경(HAADF-STEM) 영상을 사용하면 원자의 종류와 위치 측면에서 결정 구조를 보다 직접적으로 해석할 수 있습니다.[21][22]

재료과학과 응축물질물리학

이리듐의 (111) 표면에 그래핀을 성장시키면, 그 장파장 높이 변조는 두 개의 불일치 육각 격자의 중첩으로 인해 발생하는 모이레 패턴으로 생각할 수 있습니다.
4°씩 꼬인 두 그래핀 격자의 중첩으로 발생하는 모이레 패턴

응축 물질 물리학에서 모이레 현상은 일반적으로 2차원 물질에 대해 논의됩니다. 효과는 2D 층의 격자 매개변수 또는 각도와 기본 기판의 [15][16]격자 매개변수 또는 각도 또는 2D 재료 이종 구조와 같은 다른 2D 층 사이에 불일치가 있을 때 발생합니다.[19][20] 이 현상은 재료의 전자 구조나 광학적 특성을 설계하는 수단으로 이용되며,[23] 일부는 이를 모이레 재료라고 부릅니다. 두 개의 원자층을 비틀 때 종종 전자 특성의 중요한 변화와 전자 응용의 전망은 이 분야의 트위스트로닉스라는 이름으로 이어졌습니다. 눈에 띄는 예는 뮤레 패턴을 형성하고 특정 마법 각도에서 초전도성 및 기타 중요한 전자 특성을 나타내는 트위스트 바이 레이어 그래핀(twisted bi-layer graphene)입니다.[24]

재료 과학에서, 모아레 콘트라스트를 나타내는 공지된 예는 오스테나이트 매트릭스와 중첩하는 MX-타입(M = Ti, Nb; X = C, N)의 박막 또는 나노입자입니다. MX와 매트릭스 두 상 모두 면심 입방정 결정 구조와 입방정 방향 관계를 가지고 있습니다. 그러나 이들은 약 20~24%(합금의 화학적 조성 기준)의 상당한 격자 부적응을 가지고 있어 모이레 효과를 발생시킵니다.[22]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Wells, John (3 April 2008). Longman Pronunciation Dictionary (3rd ed.). Pearson Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0.
  2. ^ a b Gustafsson, M. G. L. (2000). "Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy". Journal of Microscopy. 198 (2): 82–87. doi:10.1046/j.1365-2818.2000.00710.x. PMID 10810003. S2CID