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Fotografía Schlieren

Fotografía Schlieren que muestra la compresión delante de un ala sin flecha a Mach 1.2 . Imagen Schlieren de un proyectil de escopeta saliendo de un cañón. La fotografía Schlier...

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Fotografía Schlieren que muestra la compresión delante de un ala sin flecha a Mach 1.2 .
Imagen Schlieren de un proyectil de escopeta saliendo de un cañón.

La fotografía Schlieren es un proceso para fotografiar inhomogeneidades ópticas en medios transparentes que no son necesariamente visibles para el ojo humano, y se utiliza típicamente para estudiar el flujo de fluidos , como el flujo de aire alrededor de objetos en ingeniería aeronáutica . El sistema de imágenes Schlieren convencional fue desarrollado en 1864 por el físico alemán August Toepler para detectar estrías (rayas) en vidrio óptico.

El proceso funciona mediante la obtención de imágenes de las desviaciones de los rayos de luz refractados por un fluido en movimiento, lo que permite observar cambios normalmente imperceptibles en el índice de refracción del fluido. [ 1 ] Dado que los cambios en el caudal afectan directamente al índice de refracción del fluido, es posible fotografiar dicho caudal (así como otros cambios en la densidad, la temperatura y la presión) observando las variaciones en su índice de refracción. [ 2 ]

Mediante el proceso de fotografía schlieren, también se pueden observar otros cambios de fluidos no observables, como corrientes de convección y ondas estacionarias utilizadas en la levitación acústica . [ 1 ]

Sistema óptico clásico

La implementación clásica de un sistema de schlieren óptico utiliza luz de una única fuente colimada que incide sobre el objeto objetivo o desde detrás de él. Las variaciones en el índice de refracción causadas por los gradientes de densidad en el fluido distorsionan el haz de luz colimado. Esta distorsión crea una variación espacial en la intensidad de la luz, que puede visualizarse directamente con un sistema de sombreado .

Esquema óptico de un sistema schlieren de un solo espejo.

Los sistemas clásicos de imagen schlieren se presentan en dos configuraciones, utilizando uno o dos espejos. En ambos casos, un objeto transparente se ilumina con luz colimada o casi colimada. Los rayos que no se desvían al interactuar con el objeto se dirigen a su punto focal, donde son bloqueados por un borde afilado. Los rayos que sí se desvían al interactuar con el objeto tienen la posibilidad de atravesar el borde afilado sin ser bloqueados. Como resultado, se puede colocar una cámara después del borde afilado de manera que la imagen del objeto muestre variaciones de intensidad debidas a las desviaciones de los rayos. El resultado es un conjunto de zonas más claras y más oscuras que corresponden a gradientes de densidad de fluido positivos y negativos en la dirección normal al borde afilado. Cuando se utiliza un borde afilado, el sistema se denomina generalmente sistema schlieren , que mide la primera derivada de la densidad en la dirección del borde afilado. Si no se utiliza un borde afilado, el sistema se denomina generalmente sistema de sombra , que mide la segunda derivada de la densidad.

En el sistema Schlieren de dos espejos (a veces llamado configuración en Z ), la fuente se colima mediante el primer espejo, la luz colimada atraviesa el objeto y luego se enfoca mediante el segundo espejo. Esto generalmente permite obtener imágenes de mayor resolución (observando detalles más finos del objeto) que con la configuración de un solo espejo.

Si el flujo del fluido es uniforme, la imagen será estable, pero cualquier turbulencia provocará centelleo , el efecto de brillo que se observa en superficies calientes en un día caluroso. Para visualizar perfiles de densidad instantáneos, se puede utilizar un destello de corta duración (en lugar de una iluminación continua).

Sistema óptico Schlieren de enfoque

A mediados del siglo XX, R.  A. Burton desarrolló una forma alternativa de fotografía schlieren, que ahora se suele llamar schlieren de enfoque o schlieren de lente y rejilla , [ 3 ] basada en una sugerencia de Hubert Schardin . [ 4 ] Los sistemas schlieren de enfoque generalmente conservan el característico borde de cuchilla para producir contraste, pero en lugar de usar luz colimada y un solo borde de cuchilla, utilizan un patrón de iluminación de bordes repetidos con un sistema de imágenes de enfoque.

Diagrama básico de un sistema Schlieren de enfoque

La idea básica consiste en proyectar el patrón de iluminación sobre un patrón de corte geométricamente congruente (esencialmente una multiplicidad de bordes afilados) mediante óptica de enfoque, mientras que los gradientes de densidad situados entre el patrón de iluminación y el patrón de corte se capturan, normalmente mediante un sistema de cámara. Al igual que en la técnica schlieren clásica, las distorsiones producen regiones de brillo u oscuridad que corresponden a la posición y dirección de la distorsión, ya que redirigen los rayos hacia o desde la parte opaca del patrón de corte. Mientras que en la técnica schlieren clásica las distorsiones a lo largo de toda la trayectoria del haz se visualizan por igual, en la técnica schlieren de enfoque solo se capturan con claridad las distorsiones dentro del campo de visión de la cámara. Las distorsiones fuera del campo de visión se difuminan, lo que permite cierto grado de selección de profundidad. Además, presenta la ventaja de poder utilizarse una amplia variedad de fondos iluminados, ya que no se requiere colimación. Esto posibilita la construcción de sistemas schlieren de enfoque basados ​​en proyección, que son mucho más fáciles de construir y alinear que los sistemas schlieren clásicos. El requisito de luz colimada en los sistemas schlieren clásicos suele ser una barrera práctica importante para la construcción de sistemas grandes, debido a la necesidad de que la óptica de colimación tenga el mismo tamaño que el campo de visión. Los sistemas schlieren de enfoque pueden utilizar ópticas compactas con un patrón de iluminación de fondo amplio, que resulta particularmente fácil de producir con un sistema de proyección. Para sistemas con una gran reducción de magnificación, el patrón de iluminación debe ser aproximadamente el doble de grande que el campo de visión para permitir el desenfoque del patrón de fondo. [ 5 ] [ 6 ]

Recientemente, se ha producido un resurgimiento de la técnica schlieren de enfoque debido al desarrollo de métodos de autoalineación. Tradicionalmente, la alineación de los métodos schlieren de enfoque los ha hecho prohibitivamente difíciles de usar. [ 7 ] [ 8 ]

Técnicas orientadas al fondo

Ondas de choque producidas por un T-38 Talon durante el vuelo utilizando schlieren orientado al fondo.

La técnica schlieren orientada al fondo ( BOS [ 9 ] [ 10 ] ) se desarrolló inicialmente en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). [ 11 ] [ 12 ] Se basa en la medición o visualización de desplazamientos en imágenes enfocadas. En estas técnicas, tanto el fondo como el objeto schlieren (la distorsión que se visualiza) están enfocados, y la distorsión se detecta porque mueve parte de la imagen de fondo con respecto a su posición original. Debido a este requisito de enfoque, suelen utilizarse para aplicaciones a gran escala donde tanto el objeto schlieren como el fondo están distantes (normalmente más allá de la distancia hiperfocal del sistema óptico). Dado que estos sistemas no requieren óptica adicional aparte de una cámara, suelen ser los más sencillos de construir, pero generalmente no son tan sensibles como otros tipos de sistemas schlieren, y la sensibilidad está limitada por la resolución de la cámara. La técnica también requiere una imagen de fondo adecuada. En algunos casos, el fondo puede ser proporcionado por el experimentador, como un patrón de moteado aleatorio o una línea nítida, pero también se pueden utilizar características naturales como paisajes o fuentes de luz brillantes como el sol y la luna. [ 13 ] El schlieren orientado al fondo se realiza con mayor frecuencia utilizando técnicas de software como la correlación de imágenes digitales y el análisis de flujo óptico [ 14 ] para realizar schlieren sintético , pero es posible lograr el mismo efecto en imágenes de rayas con un sistema óptico analógico.

Los algoritmos de flujo óptico se pueden utilizar para procesar datos BOS ya que proporcionan una alta precisión [ 15 ] [ 16 ] .

Variaciones y aplicaciones

Las variaciones del método de schlieren óptico incluyen la sustitución del filo de cuchilla por un objetivo de color, lo que da como resultado un schlieren arcoíris que puede ayudar a visualizar el flujo. Diferentes configuraciones de borde, como anillos concéntricos, también pueden proporcionar sensibilidad a direcciones de gradiente variables, y se ha demostrado la generación de bordes digitales programables mediante pantallas y moduladores digitales. El sensor de frente de onda de pirámide de óptica adaptativa es una forma modificada de schlieren (que posee dos filos de cuchilla perpendiculares formados por los vértices de una pirámide cuadrada refractante).

Los sistemas ópticos schlieren completos pueden construirse a partir de componentes o adquirirse como instrumentos comerciales. Los detalles sobre la teoría y el funcionamiento se describen en el libro de Settles de 2001. [ 17 ] La URSS produjo en su momento varios sistemas schlieren sofisticados basados ​​en el principio del telescopio Maksutov , muchos de los cuales aún se conservan en la antigua Unión Soviética y China.

La fotografía Schlieren se utiliza para visualizar los flujos de los medios, que son transparentes (por lo tanto, su movimiento no se puede ver directamente), pero forman gradientes de índice de refracción, que se hacen visibles en las imágenes Schlieren como tonos de gris o incluso en color. Los gradientes de índice de refracción pueden ser causados ​​por cambios de temperatura/presión del mismo fluido o por variaciones en la concentración de componentes en mezclas y soluciones. Una aplicación típica en dinámica de gases es el estudio de ondas de choque en balística y vehículos supersónicos o hipersónicos. Se pueden visualizar flujos causados ​​por calentamiento, absorción física [ 18 ] o reacciones químicas. Por lo tanto, la fotografía Schlieren se puede utilizar en muchos problemas de ingeniería, como transferencia de calor, detección de fugas, estudio del desprendimiento de la capa límite y caracterización de óptica.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Demostraciones de conferencias de ciencias naturales de Harvard .
  2. ↑ RolfeFollow 2015 .
  3. ↑ Burton, Ralph A. (1949-11-01). "Un aparato Schlieren modificado para grandes áreas de campo". Journal of the Optical Society of America . 39 (11). The Optical Society: 907. Bibcode : 1949JOSA...39..907B . doi : 10.1364/josa.39.000907 . ISSN 0030-3941 . PMID 15393811 .  
  4. ^ Schardin, Hubert (1942). "Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften . vol. 20. Berlín, Heidelberg: Springer Berlín Heidelberg. págs. 303– 439. doi : 10.1007/bfb0111981 . ISBN   978-3-540-77206-4.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  5. ↑ Goulding, JS (2006). Un estudio de sistemas Schlieren de enfoque a gran escala (Tesis de maestría). Universidad de Witwatersrand.
  6. ↑ Weinstein, LM (2010). "Revisión y actualización de schlieren de lente y rejilla y schlieren de cámara de movimiento". The European Physical Journal Special Topics . 182 (1). Springer Science and Business Media LLC: 65– 95. Bibcode : 2010EPJST.182...65W . doi : 10.1140/epjst/e2010-01226-y . ISSN 1951-6355 . S2CID 120530340 .  
  7. ↑ Weisberger, Joshua M.; Bathel, Brett F. (enero de 2022). "Sistema de schlieren de enfoque autoalineado con rejilla de fuente única/corte" . Experiments in Fluids . 63 (2): 38. doi : 10.1007/s00348-022-03383-w (inactivo el 1 de mayo de 2026).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo desde mayo de 2026 ( enlace )
  8. ↑ Syam, Shrouk; Jassal, Gauresh Raj; Schmidt, Bryan E. (2025-04-02). "Una investigación experimental sobre el efecto de la deposición de energía láser en un chorro sobreexpandido" . Experiments in Fluids . 66 (4): 82. Bibcode : 2025ExFl...66...82S . doi : 10.1007/s00348-025-04008-x .
  9. ↑ Markus Raffel (6 de marzo de 2015). "Técnicas de schlieren orientadas al fondo (BOS)" . Experiments in Fluids . Vol. 56, n.º 3. doi : 10.1007/s00348-015-1927-5 . Consultado el 20 de agosto de 2025 .  
  10. ↑ Li, Hu; Ma, Zhuangzhuang; Zhu, Haidong (2023). "Método de estimación del desplazamiento de imágenes schlieren orientado al fondo basado en el flujo óptico global". Medición e instrumentación de flujo . 93 102420. Bibcode : 2023FloMI..9302420L . doi : 10.1016/j.flowmeasinst.2023.102420 .
  11. ↑ "Proceso de medición Schlieren, GEA Meier, DLR, 1999. Patentes . Consultado: 1 de diciembre de 2025.
  12. ↑ "Detección de gradientes de densidad espacial o campos de vórtices alrededor de aeronaves, M Raffel et al., DLR, 2000. Patentes . Consultado: 1 de diciembre de 2025.
  13. ↑ Kamlet, Matt (13 de abril de 2016). "La investigación fotográfica de ondas de choque alcanza nuevas cotas con los vuelos de BOSCO" . Sitio web de la NASA . Consultado el 5 de mayo de 2016 .
  14. ↑ "Técnica de schlieren orientada al fondo aire-aire, JT Heineck, NASA Ames, 2016. Patentes . Consultado: 1 de diciembre de 2025.
  15. ↑ Jassal, Gauresh Raj; Thielicke, William; Schmidt, Bryan E. (octubre de 2025). "Un algoritmo de flujo óptico con ajuste automático de parámetros para velocimetría de fluidos" . Journal of Open Research Software . 13 (1): 22. doi : 10.5334/jors.584 .
  16. ↑ Schmidt, Bryan E.; Woike, Mark R. (agosto de 2021). "Análisis de flujo óptico basado en ondículas para el procesamiento de imágenes Schlieren orientado al fondo" . AIAA Journal . 59 (8): 3209– 3216. Bibcode : 2021AIAAJ..59.3209S . doi : 10.2514/1.J060218 .
  17. ↑ Settles, GS (2001). Técnicas de Schlieren y sombreado: Visualización de fenómenos en medios transparentes . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7. S2CID 135790075 . 
  18. ↑ Okhotsimskii, Andrei; Hozawa, Mitsunori (1998). "Visualización Schlieren de la convección natural en sistemas binarios gas-líquido". Chemical Engineering Science . 53 (14). Elsevier BV: 2547– 2573. Bibcode : 1998ChEnS..53.2547O . doi : 10.1016/s0009-2509(98)00092-x . ISSN 0009-2509 . 
  • Grady, Denise (28 de octubre de 2008). "La tos misteriosa, captada en vídeo" . The New York Times . pág.  D3 . Consultado el 28 de octubre de 2008 .
  • "Fotografía Schlieren: ¿Cómo funciona?" . ian.org . 22-01-2010 . Consultado el 04-04-2020 .
  • "Imágenes balísticas de alta velocidad: Un blog invitado de Nathan Boor de Aimed Research" . mousegunaddict.blogspot.com . 10 de junio de 2013. Archivado del original el 14 de octubre de 2016. Consultado el 4 de abril de 2020 .
  • Buckner, Benjamin D.; L'Esperance, Drew (2013). "Cámara digital sincrobalística schlieren para fotografía de alta velocidad de balas y trineos cohete". Optical Engineering . 52 (8) 083105. Bibcode : 2013OptEn..52h3105B . doi : 10.1117/1.OE.52.8.083105 . ISSN 0091-3286 . 
  • Archivado en Ghostarchivey la Wayback Machine: "Sistema óptico Schlieren y pruebas aerodinámicas 1958 Shell Oil Co. Película educativa XD13174" . PeriscopeFilm. 3 de abril de 2020 – vía YouTube.
  • "Óptica Schlieren" . Demostraciones de conferencias de ciencias naturales de Harvard . Consultado el 3 de febrero de 2024 .
  • RolfeFollow, Bryan (25-11-2015). "Schlieren Imaging: ¡Cómo ver el flujo de aire!" . Instructables . Recuperado el 03-02-2024 .