Теневая визуализация

Теневая визуализация, она же Schlieren photography — способ получения изображений плотностных неоднородностей в потоках воздуха или другого газа, в частности, конвекционных перемещений. Простейшим  примером этого явления можно назвать известные всем нам искажения над горящим костром (горелкой, капотом автомобиля и т. п.): если посмотреть на отбрасываемую ими тень, то она окажется как раз частным случаем такой теневой визуализации. Эффект известен уже почти 150 лет как, и активно использовался для наблюдения потоков воздуха в самых разных инженерных областях, от аэродинамики до исследований теплопотерь.

Суть эффекта в двух словах такова. Если светить на удалённое длиннофокусное сферическое зеркало точечным источником света почти перпендикулярно его поверхности, то отражённые лучи, попадая в зону неоднородности, изменят свою траекторию (из-за слегка отличающегося у неоднородности индекса преломления относительно равномерного участка), в результате чего пролетят на некотором расстоянии от фокусного пятна. Если теперь в этом фокусном пятне разместить бритвенное лезвие или иной предмет с ровным и острым краем перпендикулярно потоку лучей, то часть лучей им задержится, а часть пройдёт мимо и попадёт в приёмник (фотокамеру) или на экран. В результате на экране будет наблюдаться картина неоднородностей. Изображающая взаиморасположение компонентов оптической системы картинка не моя — украдено из гуглокартинок.

Главной загвоздкой здесь является хорошее зеркало. Крупные лаборатории могут позволить себе брать зеркала от телескопов, в человеческий рост и больше, что даёт возможность снимать поразительные по красоте снимки — выстрелы из оружия, потоки газа из труб, чихающих людей, и так далее. В моём распоряжении оказалось не самое крупное, но довольно качественное сферическое зеркало диаметром ~25 сантиметров, с фокусом на расстоянии около 3-3.5 метров.

Источники света можно брать самые разные. Лучше всего подходит лазерный диод видимого диапазона (например, красный из DVD): сочетая высокую яркость и точечность, они позволят снимать резкие изображения с короткой выдержкой. Хороший вариант — обычный любой светодиод (или фонарик на светодиоде), заклееный непрозрачной плёнкой или бумагой, с проделанной миниатюрной дыркой (ф<1 мм). Я использовал последний вариант для съёмки видео, поскольку он предоставлял более чем достаточную яркость на матрице камеры.

Основная сложность — позиционировать друг относительно друга камеру, источник света и зеркало. Точность позиционирования составляет доли миллиметра, и простое шатание паркета может её нарушить. Рекомендую брать пару тяжёлых камней или бетонных блоков, и закреплять части оптической системы относительно них.

В простейшей версии можно забить на лезвие и просто поместить камеру в фокус, чтобы её диафрагма работала как ограничитель для отклонившихся лучей. Это не даёт такой поразительной чувствительности, как вариант с лезвием (с ним можно лицезреть тепло от руки и даже просто случайные перемещения воздуха по комнате), но даёт достаточную для уверенной регистрации эффекта.

На снимках и видео представлены мелкая газовая горелка, зажигалка, стаканчик с кипятком и охлаждённый жидким азотом воздух из термоса, а также небольшая чашечка с этим самым азотом..

YouTube Трейлер

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Метки отсутствуют.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.