Schlieren Fotografie

A Schlieren Foto mit der Komprimierung vor einem ungebundenen Flügel bei Mach 1.2
Schlierenbild von a Schussschale Projektil, das ein Fass verlässt

Schlieren Fotografie ist ein Prozess zum Fotografieren Fluid fließen. Erfunden von der Deutsch Physiker August Toepler im Jahr 1864 zu studieren Überschall- Bewegung, es wird weit verbreitet in Luftfahrttechnik um das zu fotografieren Luftstrom um Objekte.

Klassisches optisches System

Die klassische Implementierung einer optischen Schlieren System verwendet Licht von einem einzigen kollimiert Quelle, die an oder von hinten ein Zielobjekt anstrebt. Variationen in Brechungsindex verursacht durch Dichtegradienten In der Flüssigkeit verzerren der kollimierte Lichtstrahl. Diese Verzerrung erzeugt eine räumliche Variation in der Intensität des Lichts, das direkt mit a visualisiert werden kann Schattenbild System.

Optisches Layout eines Single-Mirror-Schliere-Systems.

Klassisch Schlieren Bildgebungssysteme werden in zwei Konfigurationen angezeigt, wobei entweder ein oder zwei Spiegel verwendet werden. In jedem Fall wird ein transparentes Objekt mit beleuchtet kollimiert oder fast kollimiertes Licht. Strahlen, die vom Objekt nicht abgelenkt werden, gehen zu ihrem Brennpunkt, wo sie durch eine Messerkante blockiert werden. Strahlen, die vom Objekt abgelenkt werden, haben die Chance, die Messerkante zu übergeben, ohne blockiert zu werden. Infolgedessen kann man eine Kamera nach der Messerkante platzieren, sodass das Bild des Objekts aufweist Intensität Variationen aufgrund der Ablenkungen der Strahlen. Das Ergebnis ist eine Reihe von leichteren und dunkleren Flecken, die positive und negative Flüssigkeitsdichtegradienten in Richtung entsprechen normal zur Messerkante. Wenn eine Messerkante verwendet wird, wird das System im Allgemeinen als als bezeichnet Schlierensystem, was das erste Abgang der Dichte in Richtung der Messerkante misst. Wenn keine Messerkante verwendet wird, wird das System im Allgemeinen als als bezeichnet Schattenbild System, was die zweite Ableitung der Dichte misst.

Im Zwei-Mirror-Schlieren-System (manchmal als genannt Z-Konfiguration), Die Quelle wird durch den ersten Spiegel kollimiert, das kollimierte Licht durchquert das Objekt und wird dann vom zweiten Spiegel fokussiert. Dies ermöglicht im Allgemeinen eine Bildgebung mit höherer Auflösung (siehe feinere Details im Objekt) als mit der Single-Mirror-Konfiguration möglich.

  • Schlieren -Systemdesigns
  • Optical layout of a two-mirror schlieren system, showing only the undeviated rays.

    Optisches Layout eines Zwei-Mirror-Schlieren-Systems, das nur die unableiteten Strahlen zeigt.

  • Optical layout of a two-mirror schlieren system, showing the deviated rays imaged at the camera's detector.

    Optisches Layout eines Zwei-Mirror-Schlieren-Systems, das die abgeleiteten Strahlen am Detektor der Kamera zeigt.

Wenn der Flüssigkeitsfluss gleichmäßig ist, ist das Bild konstant, aber alle Turbulenz wird verursachen Szintillation, das schimmernd Effekt, der an einem heißen Tag über erhitzte Oberflächen zu sehen ist. So visualisiere sofortige Dichteprofile, eine kurze Dauer Blitz (eher als kontinuierliche Beleuchtung) können verwendet werden.

Fokussierung des optischen Systems fokussieren

Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte R. A. Burton eine alternative Form der Schlierenfotografie, die normalerweise normalerweise genannt wird Fokussierung von Schlieren oder Objektiv und Gitter Schliere,[1] basierend auf einem Vorschlag von Hubert Schardin.[2] Fokussierende Schlierensysteme behalten im Allgemeinen die charakteristische Messerkante bei, um Kontrast zu erzeugen. Anstatt kollimiertes Licht und eine einzelne Messerkante zu verwenden, verwenden sie ein Beleuchtungsmuster von wiederholten Kanten mit einem Fokussierungs -Bildgebungssystem.

Basisdiagramm eines Fokussierungs -Schlieren -Systems

Die Grundidee ist, dass das Beleuchtungsmuster auf ein geometrisch kongruentes Grenzmuster (im Wesentlichen eine Vielzahl von Messerkanten) mit Fokussieroptik abgebildet wird, während Dichtegradienten, die zwischen dem Beleuchtungsmuster und dem Grenzmuster liegen, typischerweise durch ein Kamerasystem abgebildet werden. Wie im klassischen Schlieren erzeugen die Verzerrungen Regionen zum Aufhellen oder Verdunkeln, die der Position und Richtung der Verzerrung entsprechen, da sie Strahlen entweder von oder auf den undurchsichtigen Teil des Grenzmusters wegleiten. Während im klassischen Schlieren werden Verzerrungen über den gesamten Strahlpfad gleichermaßen visualisiert. Wenn Sie Schlieren fokussieren, werden nur Verzerrungen im Objektfeld der Kamera eindeutig abgebildet. Verzerrungen vom Objektfeld werden verschwommen, sodass diese Technik einen gewissen Grad der Tiefenauswahl ermöglicht. Es hat auch den Vorteil, dass eine Vielzahl von beleuchteten Hintergründen verwendet werden kann, da keine Kollimation erforderlich ist. Dies ermöglicht die Konstruktion von projektionsbasierten Fokussierungssystemen, die viel einfacher zu erstellen und auszurichten als klassische Schlierensysteme. Das Erfordernis eines kollimierten Lichts im klassischen Schlieren ist häufig eine wesentliche praktische Barriere für den Bau großer Systeme, da die Kollimierungsoptik so groß ist wie das Sichtfeld. Fokussierung von Schlierensystemen kann kompakte Optik mit einem großen Hintergrundbeleuchtungsmuster verwenden, das besonders einfach mit einem Projektionssystem produziert zu werden. Für Systeme mit großer Demagnifikation muss das Beleuchtungsmuster etwa doppelt so viel wie das Sichtfeld sein, um die Defokussion des Hintergrundmusters zu ermöglichen.[3][4]

Hintergrundorientierte Techniken

Schockwellen, die von a produziert werden T-38 Talon Während des Fluges mit analogem Hintergrund-orientiertem Schlieren

Hintergrundorientierte Schlieren-Technik stützt sich auf das Messen oder Visualisieren von Verschiebungen in fokussierten Bildern. In diesen Techniken sind der Hintergrund und das Schlieren -Objekt (die zu sichende Verzerrung) sowohl im Fokus als auch die Verzerrung festgestellt, da es einen Teil des Hintergrundbildes relativ zu seiner ursprünglichen Position bewegt. Aufgrund dieser Fokusanforderung werden sie tendenziell für groß angelegte Anwendungen verwendet, bei denen sowohl das Schlieren-Objekt als auch der Hintergrund weit entfernt sind (typischerweise jenseits der Hyperfokalabstand des optischen Systems). Da diese Systeme neben einer Kamera keine zusätzliche Optik erfordern, sind sie häufig am einfachsten zu konstruieren, aber sie sind normalerweise nicht so empfindlich wie andere Arten von Schlierensystemen, wobei die Empfindlichkeit durch die Kameraauflösung begrenzt ist. Die Technik erfordert auch ein geeignetes Hintergrundbild. In einigen Fällen kann der Hintergrund vom Experimentator wie einem zufälligen Speckle -Muster oder einer scharfen Linie bereitgestellt werden, aber natürlich vorkommende Merkmale wie Landschaften oder helle Lichtquellen wie Sonne und Mond können auch verwendet werden.[5] Hintergrundorientierter Schlieren wird am häufigsten mit Softwaretechniken wie gezeigt, z. Digitale Bildkorrelation und optischer Fluss Analyse zur Durchführung synthetischer Schlieren, aber es ist möglich, den gleichen Effekt in zu erzielen Streifenbildgebung mit einem analogen optischen System.

Variationen und Anwendungen

Farbschlauen Bild der Wärmewolke von einer brennenden Kerze, die durch eine Kinderbrise von rechts gestört wird
Schlierenbild, das die thermische Konvektionsfahne zeigt, die aus einer gewöhnlichen Kerze in stillem Luft steigt. Dieses Foto zeigt deutlich das Übergang von laminar zu turbulentem Fluss.

Zu den Variationen der optischen Schliere-Methode gehört der Austausch der Messerkante durch ein farbiges Ziel, was dazu führt Regenbogen Schliere Dies kann zur Visualisierung des Flusses beitragen. Verschiedene Kantenkonfigurationen wie konzentrische Ringe können auch eine Empfindlichkeit gegenüber variablen Gradientenrichtungen liefern, und die programmierbare digitale Kantengenerierung wurde auch unter Verwendung digitaler Anzeigen und Modulatoren demonstriert. Das Adaptive Optik Pyramidenwellenfrontsensor ist eine modifizierte Form von Schlieren (mit zwei senkrechten Messerkanten, die von den Eckpunkten einer refraktierenden quadratischen Pyramide gebildet werden).

Komplette Schlieren optische Systeme können aus Komponenten erstellt oder als im Handel erhältliche Instrumente gekauft werden. Details von Theorie und Operation finden Sie im Buch von Settles aus dem Jahr 2001.[6] Die UdSSR produzierte einmal eine Reihe hoch entwickelter Schliere -Systeme basierend auf dem Maksutov Teleskop Prinzip, von denen viele noch in der ehemaligen Sowjetunion und China überleben.

Die Schlierenfotografie wird verwendet, um die Medienströme zu visualisieren, die selbst transparent sind (daher ist ihre Bewegung nicht direkt zu erkennen), sondern bilden Brechungsindexgradienten, die in Schlierenbildern entweder als Graustufen oder sogar in Farbe sichtbar werden. Brechungsindexgradienten können entweder durch Temperatur/Druckveränderungen derselben Flüssigkeit oder durch die Variationen der Konzentration von Komponenten in Gemischen und Lösungen verursacht werden. Eine typische Anwendung in der Gasdynamik ist die Untersuchung von Schockwellen in Ballistik und Überschall- oder Hyperschallfahrzeugen. Ströme durch Erhitzen, physische Absorption[7] oder chemische Reaktionen können sichtbar gemacht werden. Somit kann Schlierenfotografie in vielen technischen Problemen wie Wärmeübertragung, Leckerkennung, Untersuchung der Ablösung der Grenzschicht und der Charakterisierung der Optik verwendet werden.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Burton, Ralph A. (1949-11-01). "Ein modifizierter Schlieren -Apparat für große Feldbereiche". Zeitschrift der Optical Society of America. Die optische Gesellschaft. 39 (11): 907. doi:10.1364/josa.39.000907. ISSN 0030-3941. PMID 15393811.
  2. ^ Schardin, Hubert (1942). "Die Schliereverfahre und Ihre anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschachteln. Vol. 20. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. S. 303–439. doi:10.1007/bfb0111981. ISBN 978-3-540-77206-4.
  3. ^ Goulding, J. S. (2006). Eine Studie über groß angelegte Fokussierung von Schlierensystemen (Masters Thesis). Universität von Witwatersrand.
  4. ^ Weinstein, L. M. (2010). "Überprüfung und Aktualisierung von Objektiv und Grid Schliere und Motion Camera Schliere". Das European Physical Journal Special Themen. Springer Science and Business Media LLC. 182 (1): 65–95. doi:10.1140/epjst/e2010-01226-y. ISSN 1951-6355.
  5. ^ Kamlet, Matt (2016-04-13). "Fotografische Schockwellenforschung erreicht neue Höhen mit Bosco -Flügen". NASA -Website. Abgerufen 2016-05-05.
  6. ^ Settles, G. S. (2001). Schlieren- und ShadowGraph -Techniken: Visualisierung von Phänomenen in transparenten Medien. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi:10.1007/978-3-642-56640-0. ISBN 978-3-642-63034-7.
  7. ^ Okhotsimskii, Andrei; Hozawa, Mitsunori (1998). "Schlieren -Visualisierung der natürlichen Konvektion in binären Gas -Flüssigkeits -Systemen". Chemische Ingenieurwissenschaft. Elsevier bv. 53 (14): 2547–2573. doi:10.1016/s0009-2509 (98) 00092-x. ISSN 0009-2509.

Externe Links