Шлирен фотография - Schlieren photography

А Schlieren фотография, показывающая сжатие перед несветовым крылом на скорости 1,2 Маха
Шлирен образ выстрел снаряд, выходящий из ствола.

Шлирен фотография (с немецкого; единственное число: Schliere, что означает «полоса») - это визуальный процесс, который используется для фотографирования потока жидкости различных плотность. Изобретенный Немецкий физик Август Топлер в 1864 г. учиться сверхзвуковой движения, он широко используется в авиационная техника сфотографировать поток воздуха вокруг предметов.

Классическая оптическая система

В классической реализации оптической шлирен-системы используется свет от одного коллимированный источник светит на целевой объект или сзади него. Вариации в показатель преломления вызванный градиенты плотности в жидкости искажают коллимированный световой луч. Это искажение создает пространственное изменение интенсивность света, который можно визуализировать непосредственно с помощью теневой график система.

В классической шлирен-фотографии коллимированный свет фокусируется с помощью собирающего оптического элемента (обычно линзы или изогнутого зеркала), а острие лезвия помещается в точку фокусировки, чтобы блокировать примерно половину света. В потоке с равномерной плотностью это просто сделает фотографию вдвое ярче. Однако в потоке с вариациями плотности искаженный луч фокусируется неидеально, и части, сфокусированные в области, закрытой острием ножа, блокируются. В результате получается набор более светлых и темных пятен, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении нормальный до лезвия ножа. Когда используется острие, систему обычно называют шлирен-система, который измеряет первую производную плотности в направлении острия. Если острие ножа не используется, систему обычно называют теневой график система, который измеряет вторую производную плотности.

Схема классическая шлирен-визуализация используя параболический вогнутое зеркало

Если поток жидкости однороден, изображение будет устойчивым, но любое турбулентность вызовет мерцание, то мерцающий эффект, который можно увидеть на нагретых поверхностях в жаркий день. Для визуализации мгновенных профилей плотности кратковременный вспышка (а не непрерывное освещение).

Фокусирующая шлирен-оптическая система

В середине 20 века Р. А. Бертон разработал альтернативную форму шлирен-фотографии, которую сейчас обычно называют фокусирующий шлирен или же линзово-сеточная шлирен,[1] на основе предложения Юбер Шарден.[2] Фокусирующие шлирен-системы обычно сохраняют характерный острие для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и единственного острия, они используют схему освещения с повторяющимися краями с системой фокусирующего изображения.

Принципиальная схема фокусирующей шлирен-системы

Основная идея заключается в том, что образец освещения отображается на геометрически конгруэнтном шаблоне отсечения (по сути, множестве режущих кромок) с фокусирующей оптикой, в то время как градиенты плотности, лежащие между рисунком освещения и шаблоном отсечения, 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, либо на непрозрачную часть паттерна отсечения. В то время как в классической шлирене искажения по всей траектории луча визуализируются одинаково, при фокусировке шлирена четко отображаются только искажения в поле объекта камеры. Искажения вдали от поля объекта становятся размытыми, поэтому этот метод позволяет выбрать некоторую глубину. Это также имеет то преимущество, что можно использовать широкий спектр освещенных фонов, поскольку коллимация не требуется. Это позволяет создавать проекционные шлирен-системы с фокусировкой, которые намного проще построить и настроить, чем классические шлирен-системы. Требование коллимированного света в классических шлиренах часто является существенным практическим препятствием для построения больших систем из-за необходимости того, чтобы коллимирующая оптика была того же размера, что и поле зрения. В фокусирующих шлирен-системах может использоваться компактная оптика с большим рисунком фоновой засветки, который особенно легко получить с помощью проекционной системы. Для систем с большим уменьшением картина освещения должна быть примерно в два раза больше, чем поле зрения, чтобы обеспечить расфокусировку фоновой картины.[3][4]

Фоновые методы

Ударные волны, создаваемые Т-38 Talon во время полета с использованием аналоговых фоновых шлирен

Фоново-ориентированная шлирен-техника полагается на измерение или визуализацию сдвигов в сфокусированных изображениях. В этих методах фон и шлирен-объект (искажение, которое необходимо визуализировать) находятся в фокусе, и искажение обнаруживается, поскольку оно перемещает часть фонового изображения относительно своего исходного положения. Из-за этого требования к фокусировке они, как правило, используются для крупномасштабных приложений, где и шлирен-объект, и фон находятся далеко (обычно за пределами гиперфокальное расстояние оптической системы). Поскольку эти системы не требуют дополнительной оптики, кроме камеры, их часто проще всего построить, но они обычно не так чувствительны, как другие типы шлирен-систем, причем чувствительность ограничивается разрешением камеры. Техника также требует подходящего фонового изображения. В некоторых случаях экспериментатор может предоставить фон, например, случайный узор из спеклов или резкую линию, но также можно использовать естественные особенности, такие как пейзажи или яркие источники света, такие как солнце и луна.[5]. Фоновые шлифовки чаще всего выполняются с использованием таких программных методов, как корреляция цифрового изображения и оптический поток анализ для выполнения синтетический шлирен, но такого же эффекта можно добиться в штриховая визуализация с аналоговой оптической системой.

Варианты и приложения

Варианты оптического шлирен-метода включают замену острия ножа цветной мишенью, в результате чего радуга шлирен что может помочь в визуализации потока. Различные конфигурации краев, такие как концентрические кольца, также могут обеспечивать чувствительность к переменным направлениям градиента, а также была продемонстрирована программируемая цифровая генерация края с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. В адаптивная оптика пирамидальный датчик волнового фронта представляет собой модифицированную форму шлирена (с двумя перпендикулярными острыми кромками, образованными вершинами преломляющей квадратной пирамиды).

Полные шлирен-оптические системы могут быть построены из компонентов или приобретены как коммерчески доступные инструменты. Подробности теории и работы даны в книге Settles 2001 года.[6] В СССР когда-то был произведен ряд сложных шлирен-систем на основе Максутовский телескоп в принципе, многие из которых до сих пор сохранились в бывшем Советском Союзе и Китае.

Цветное шлирен-изображение теплового шлейфа от горящей свечи, нарушенного ветром справа.

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 одной и той же жидкости, либо изменениями концентрации компонентов в смесях и растворах. Типичным приложением в газовой динамике является исследование ударных волн в баллистике и сверхзвуковых или гиперзвуковых транспортных средствах. Потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением[7] или могут быть визуализированы химические реакции. Таким образом, шлирен-фотография может использоваться во многих инженерных задачах, таких как теплопередача, обнаружение утечек, изучение отрыва пограничного слоя и определение характеристик оптики.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бертон, Ральф А. (1949-11-01). "Модифицированный аппарат Шлирена для больших площадей поля". Журнал Оптического общества Америки. Оптическое общество. 39 (11): 907. Дои:10.1364 / josa.39.000907. ISSN  0030-3941. PMID  15393811.
  2. ^ Шардин, Губерт (1942). "Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften. 20. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. С. 303–439. Дои:10.1007 / bfb0111981. ISBN  978-3-540-77206-4.
  3. ^ Гулдинг, Дж. С. (2006). Исследование крупномасштабных фокусирующих шлирен-систем. (Дипломная работа). Университет Витватерсранда.
  4. ^ Вайнштейн, Л. М. (2010). "Обзор и обновление шлир-линз и сеток и шлир-камер". Специальные темы Европейского физического журнала. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 182 (1): 65–95. Дои:10.1140 / epjst / e2010-01226-y. ISSN  1951-6355.
  5. ^ Камлет, Мэтт (13 апреля 2016). «Исследования в области фотографических ударных волн достигают новых высот с рейсами BOSCO». Веб-сайт НАСА. Получено 2016-05-05.
  6. ^ Сеттлс, Г. С. (2001). Методы шлирена и теневого графа: визуализация явлений в прозрачных средах. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. Дои:10.1007/978-3-642-56640-0. ISBN  978-3-642-63034-7.
  7. ^ Охоцимский Андрей; Ходзава, Мицунори (1998). «Шлиренская визуализация естественной конвекции в бинарных системах газ – жидкость». Химическая инженерия. Elsevier BV. 53 (14): 2547–2573. Дои:10.1016 / с0009-2509 (98) 00092-х. ISSN  0009-2509.

внешняя ссылка