Шлирен-фотография — это процесс фотографирования потока жидкости . Изобретенный немецким физиком Августом Тёплером в 1864 году для изучения сверхзвукового движения, он широко используется в авиационной технике для фотографирования потока воздуха вокруг объектов.
Процесс работает, позволяя обычно ненаблюдаемым изменениям в показателе преломления жидкости быть видимыми, [1] и достигается путем наблюдения отклонений, которые происходят, когда свет преломляется движущейся жидкостью. Поскольку изменения скорости потока напрямую влияют на показатель преломления жидкости, можно, следовательно, сфотографировать скорость потока жидкости (а также другие изменения плотности, температуры и давления), наблюдая изменения ее показателя преломления. [2]
Используя процесс шлирен-фотографии, можно также увидеть другие ненаблюдаемые изменения в жидкости, такие как конвекционные потоки и стоячие волны, используемые в акустической левитации . [1]
Классическая реализация оптической шлирен- системы использует свет от одного коллимированного источника, освещающего целевой объект или из-за него. Изменения показателя преломления, вызванные градиентами плотности в жидкости, искажают коллимированный световой луч. Это искажение создает пространственное изменение интенсивности света , которое можно визуализировать напрямую с помощью системы теневого графика .
Классические системы шлирен -визуализации существуют в двух конфигурациях, использующих одно или два зеркала. В каждом случае прозрачный объект освещается коллимированным или почти коллимированным светом. Лучи, которые не отклоняются объектом, попадают в фокусную точку, где они блокируются лезвием ножа. Лучи, которые отклоняются объектом, имеют шанс пройти лезвие ножа, не блокируясь. В результате можно поместить камеру после лезвия ножа так, что изображение объекта будет демонстрировать изменения интенсивности из-за отклонения лучей. Результатом является набор более светлых и более темных пятен, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении, нормальном к лезвию ножа. Когда используется лезвие ножа, система обычно называется шлирен-системой , которая измеряет первую производную плотности в направлении лезвия ножа. Если лезвие ножа не используется, система обычно называется системой теневого графика , которая измеряет вторую производную плотности.
В двухзеркальной шлирен-системе (иногда называемой Z-конфигурацией ) источник коллимируется первым зеркалом, коллимированный свет проходит через объект и затем фокусируется вторым зеркалом. Это обычно позволяет получать изображения с более высоким разрешением (видеть более мелкие детали объекта), чем это возможно при использовании конфигурации с одним зеркалом.
Если поток жидкости равномерен, изображение будет устойчивым, но любая турбулентность вызовет мерцание , мерцающий эффект, который можно увидеть над нагретыми поверхностями в жаркий день. Для визуализации мгновенных профилей плотности можно использовать кратковременную вспышку (вместо непрерывного освещения).
В середине 20-го века Р. А. Бертон разработал альтернативную форму шлирен-фотографии, которая теперь обычно называется фокусирующим шлиреном или линзово-сетчатым шлиреном [3] , основанную на предложении Хьюберта Шардена . [4] Фокусирующие шлирен-системы обычно сохраняют характерный край ножа для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и одного края ножа они используют схему освещения повторяющихся краев с фокусирующей системой формирования изображения.
Основная идея заключается в том, что рисунок освещения отображается на геометрически конгруэнтном рисунке отсечки (по сути, на множестве кромок ножа) с помощью фокусирующей оптики, в то время как градиенты плотности, лежащие между рисунком освещения и рисунком отсечки, отображаются, как правило, с помощью системы камеры. Как и в классическом шлирене, искажения создают области осветления или затемнения, соответствующие положению и направлению искажения, поскольку они перенаправляют лучи либо от непрозрачной части рисунка отсечки, либо на нее. В то время как в классическом шлирене искажения по всему пути луча визуализируются одинаково, в фокусирующем шлирене четко отображаются только искажения в поле объекта камеры. Искажения вдали от поля объекта становятся размытыми, поэтому этот метод позволяет в некоторой степени выбирать глубину. Он также имеет то преимущество, что можно использовать широкий спектр освещенных фонов, поскольку коллимация не требуется. Это позволяет создавать проекционные фокусирующие шлирен-системы, которые гораздо проще построить и выровнять, чем классические шлирен-системы. Требование коллимированного света в классическом шлирене часто является существенным практическим барьером для построения больших систем из-за необходимости того, чтобы коллимирующая оптика была того же размера, что и поле зрения. Фокусирующие шлирен-системы могут использовать компактную оптику с большим рисунком фоновой подсветки, который особенно легко получить с помощью проекционной системы. Для систем с большим уменьшением рисунок подсветки должен быть примерно в два раза больше поля зрения, чтобы обеспечить расфокусировку фоновой подсветки. [5] [6]
.jpg/1280px-Shockwave_pattern_around_a_T-38C_observed_with_Background-Oriented_Schlieren_photography_(1).jpg)
Фоново-ориентированная шлирен-техника ( BOS [7] ) основана на измерении или визуализации сдвигов в сфокусированных изображениях. В этих методах фон и шлирен-объект (искажение, которое нужно визуализировать) находятся в фокусе, и искажение обнаруживается, поскольку оно перемещает часть фонового изображения относительно его исходного положения. Из-за этого требования к фокусировке они, как правило, используются для крупномасштабных приложений, где и шлирен-объект, и фон находятся на большом расстоянии (обычно за пределами гиперфокального расстояния оптической системы). Поскольку эти системы не требуют дополнительной оптики, кроме камеры, они часто являются самыми простыми в конструкции, но они обычно не так чувствительны, как другие типы шлирен-систем, а чувствительность ограничена разрешением камеры. Метод также требует подходящего фонового изображения. В некоторых случаях фон может быть предоставлен экспериментатором, например, случайный узор пятен или резкая линия, но также могут использоваться естественные особенности, такие как ландшафты или яркие источники света, такие как солнце и луна. [8] Фоново-ориентированный шлирен чаще всего выполняется с использованием программных методов, таких как цифровая корреляция изображений и анализ оптического потока для выполнения синтетического шлирена , но можно достичь того же эффекта при штриховой визуализации с помощью аналоговой оптической системы.
Вариации метода оптического шлирена включают замену лезвия ножа цветной мишенью, что приводит к радужному шлирену , который может помочь в визуализации потока. Различные конфигурации кромок, такие как концентрические кольца, также могут давать чувствительность к переменным направлениям градиента, а программируемая цифровая генерация кромок была продемонстрирована также с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. Датчик волнового фронта пирамиды адаптивной оптики является модифицированной формой шлирена (имеющей два перпендикулярных лезвия ножа, образованных вершинами преломляющей квадратной пирамиды).
Полные оптические системы шлирен могут быть построены из компонентов или куплены как коммерчески доступные инструменты. Подробности теории и работы приведены в книге Settles' 2001. [9] СССР когда-то производил ряд сложных систем шлирен, основанных на принципе телескопа Максутова , многие из которых до сих пор сохранились в бывшем Советском Союзе и Китае. [ необходима цитата ]
Шлирен-фотография используется для визуализации потоков сред, которые сами по себе прозрачны (следовательно, их движение нельзя увидеть напрямую), но образуют градиенты показателя преломления, которые становятся видимыми на шлирен-изображениях либо в виде оттенков серого, либо даже в цвете. Градиенты показателя преломления могут быть вызваны либо изменениями температуры/давления той же жидкости, либо изменениями концентрации компонентов в смесях и растворах. Типичным применением в газовой динамике является изучение ударных волн в баллистике и сверхзвуковых или гиперзвуковых транспортных средствах. Можно визуализировать потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением [10] или химическими реакциями. Таким образом, шлирен-фотография может использоваться во многих инженерных задачах, таких как передача тепла, обнаружение утечек, изучение отслоения пограничного слоя и характеристика оптики.
