シュリーレン写真

シュリーレン写真は、流体の流れを撮影する手法です。ドイツの物理学者アウグスト・テプラーが1864 年に超音速運動の研究のために発明したこの方法は、物体の周りの空気の流れを撮影するために航空工学で広く使用されています。

このプロセスは、移動する流体によって屈折する光線の偏向を画像化することで機能し、通常は観察できない流体の屈折率の変化を観察することができます。^[1]流量の変化は流体の屈折率に直接影響を与えるため、屈折率の変化を観察することで流体の流量（および密度、温度、圧力のその他の変化）を撮影することができます。^[2]

シュリーレン写真撮影法を用いると、対流や音響浮上で使用される定在波など、他の観察できない流体の変化も観察することができる。^[1]

光学シュリーレンシステムの従来の実装では、単一の平行光源からの光が対象物体に照射されるか、または対象物体の背後から照射されます。流体の密度勾配によって生じる屈折率の変化により、平行光線が歪んでしまいます。この歪みにより光の強度に空間的な変化が生じ、シャドウグラフシステムで直接視覚化できます。

古典的なシュリーレン画像化システムには、1 枚または 2 枚のミラーを使用する 2 つの構成があります。いずれの場合も、透明な物体が平行光またはほぼ平行な光で照らされます。物体によって偏向されなかった光線は焦点に進み、そこでナイフ エッジによってブロックされます。物体によって偏向された光線は、ブロックされずにナイフ エッジを通過する可能性があります。その結果、ナイフ エッジの後にカメラを配置して、物体の画像が光線の偏向による強度の変化を示すようにすることができます。結果は、ナイフ エッジに垂直な方向の正と負の流体密度勾配に対応する明るいパッチと暗いパッチのセットになります。ナイフ エッジが使用される場合、このシステムは一般にシュリーレン システムと呼ばれ、ナイフ エッジの方向の密度の 1 次導関数を測定します。ナイフ エッジを使用しない場合、このシステムは一般にシャドウグラフシステムと呼ばれ、密度の 2 次導関数を測定します。

2 枚のミラーを使用したシュリーレン システム ( Z 構成と呼ばれることもあります) では、光源は最初のミラーによって平行光にされ、平行光は対象物を横切ってから 2 つ目のミラーによって焦点が合わせられます。これにより、通常、単一のミラーを使用した構成よりも高解像度の画像化 (対象物のより細かい詳細の表示) が可能になります。

• シュリーレンシステムの設計
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  偏向していない光線のみを表示する2枚の鏡を備えたシュリーレンシステムの光学レイアウト
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  2枚のミラーを備えたシュリーレンシステムの光学レイアウト。カメラの検出器に映し出された偏向光線を示す。

流体の流れが均一であれば、画像は安定しますが、乱流があると、暑い日に加熱された表面で見られるようなきらめき効果であるシンチレーションが発生します。瞬間的な密度プロファイルを視覚化するには、連続照明ではなく、 短時間のフラッシュを使用できます。

20世紀半ば、R・A・バートンが、現在ではフォーカシングシュリーレンまたはレンズアンドグリッドシュリーレンと呼ばれる、シュリーレン写真の代替形式を開発しました。^{[3]これは、}ヒューバート・シャルディンの提案に基づいています。 ^[4]フォーカシングシュリーレンシステムは、通常、コントラストを生み出すために特徴的なナイフエッジを保持しますが、平行光と単一のナイフエッジを使用する代わりに、フォーカシングイメージングシステムを使用して、エッジが繰り返される照明パターンを使用します。

基本的な考え方は、照明パターンが集束光学系によって幾何学的に一致するカットオフパターン（本質的には多数のナイフエッジ）上に結像され、照明パターンとカットオフパターンの間にある密度勾配が、通常はカメラシステムによって結像されるというものです。古典的なシュリーレンと同様に、歪みは、光線をカットオフパターンの不透明部分から遠ざけるか、またはカットオフパターンの不透明部分に向け直すため、歪みの位置と方向に応じて明るくなる領域または暗くなる領域を生成します。古典的なシュリーレンでは、ビームパス全体の歪みが均等に視覚化されますが、集束シュリーレンでは、カメラの物体フィールド内の歪みのみが明確に結像されます。物体フィールドから離れた歪みはぼやけるため、この技術ではある程度の深度選択が可能です。また、コリメーションが不要なため、さまざまな照明付き背景を使用できるという利点もあります。これにより、古典的なシュリーレンシステムよりも構築と調整がはるかに簡単な投影ベースの集束シュリーレンシステムを構築できます。古典的なシュリーレンにおける平行光の要件は、視野と同じ大きさの平行光学系を必要とするため、大型システムを構築する上で大きな実際上の障壁となることが多い。焦点合わせシュリーレンシステムでは、大きな背景照明パターンを備えたコンパクトな光学系を使用でき、これは投影システムで特に簡単に作成できる。大きな縮小率のシステムでは、背景パターンの焦点をぼかすために、照明パターンは視野の約2倍の大きさにする必要がある。^{[5] [6]}

背景指向シュリーレン法（BOS ^[7]）は、焦点の合った画像の変化を測定または視覚化することに頼っています。これらの手法では、背景とシュリーレン対象物（視覚化される歪み）の両方に焦点が合っており、背景画像の一部が元の位置に対して移動することで歪みが検出されます。この焦点要件のため、これらのシステムは、シュリーレン対象物と背景の両方が離れている（通常、光学系の過焦点距離を超える）大規模なアプリケーションに使用される傾向があります。これらのシステムは、カメラ以外の追加の光学系を必要としないため、構築が最も簡単な場合が多いですが、通常、他のタイプのシュリーレンシステムほど感度が高くなく、感度はカメラの解像度によって制限されます。この手法では、適切な背景画像も必要です。場合によっては、ランダムなスペックルパターンやシャープな線などの背景を実験者が提供することもできますが、風景などの自然発生的な特徴や、太陽や月などの明るい光源も使用できます。^{[8]背景指向シュリーレンは、ほとんどの場合、}デジタル画像相関や光学フロー解析などのソフトウェア技術を使用して合成シュリーレンを実行しますが、アナログ光学システムを使用したスト​​リークイメージングでも同じ効果を実現できます。

光学シュリーレン法のバリエーションには、ナイフエッジを色付きのターゲットに置き換えるものがあり、その結果、流れを視覚化するのに役立つ虹色のシュリーレンが得られます。同心円などのさまざまなエッジ構成も、さまざまな勾配方向に対する感度を与えることができ、デジタルディスプレイと変調器を使用してプログラム可能なデジタルエッジ生成も実証されています。適応光学 ピラミッド波面センサーは、シュリーレンの改良型です (屈折する四角錐の頂点によって形成される 2 つの垂直なナイフエッジがあります)。

完全なシュリーレン光学システムは、部品から組み立てることも、市販の機器を購入することもできます。理論と操作の詳細は、Settles の 2001 年の著書に記載されています。^{[9]ソ連はかつて}マクストフ望遠鏡の原理に基づいた高度なシュリーレン システムを多数製造しており、その多くは旧ソ連と中国に今も残っています。^[要出典]

シュリーレン写真は、媒体の流れを視覚化するために使用されます。媒体自体は透明ですが（したがって、その動きを直接見ることはできません）、屈折率の勾配を形成し、シュリーレン画像ではグレーの濃淡または色で表示されます。屈折率の勾配は、同じ流体の温度/圧力の変化、または混合物や溶液内の成分の濃度の変化によって引き起こされる可能性があります。気体力学の一般的な用途は、弾道学や超音速または極超音速機の衝撃波の研究です。加熱、物理的吸収^[10]、または化学反応によって引き起こされる流れを視覚化できます。したがって、シュリーレン写真は、熱伝達、漏れ検出、境界層剥離の研究、光学系の特性評価など、多​​くのエンジニアリングの問題に使用できます。

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  右からの風によって乱された、燃えるろうそくの熱気流のシュリーレン画像
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  静止した空気中の普通のろうそくから上昇する熱対流の煙を示すシュリーレン画像。この写真は層流から乱流への移行を明確に示しています。

• レーザーシュリーレン偏向測定
• マッハ・ツェンダー干渉計
• モアレ偏向測定
• シュリーレン
• シュリーレン画像
• シャドウグラフ

ウィキメディア・コモンズには、シュリーレン写真に関連するメディアがあります。

• Grady, Denise (2008-10-28)。「フィルムに捉えられた謎の咳」。ニューヨークタイムズ。p. D3。2008-10-28閲覧。
• 「シュリーレン写真術 – 仕組みは？」ian.org 2010年1月22日2020年4月4日閲覧。
• 「高速弾道画像: Aimed Research の Nathan Boor 氏によるゲストブログ」。mousegunaddict.blogspot.com 。2013年 6 月 10 日。2020 年 4 月 4 日閲覧。
• Buckner, Benjamin D.; L'Esperance, Drew (2013). 「弾丸とロケットそりの高速撮影のためのデジタルシンクロ弾道シュリーレンカメラ」.光学工学. 52 (8): 083105. Bibcode :2013OptEn..52h3105B. doi :10.1117/1.OE.52.8.083105. ISSN  0091-3286.
• Ghostarchive と Wayback Machine にアーカイブされています: 「シュリーレン光学システムと空力テスト 1958 シェル石油会社教育フィルム XD13174」。PeriscopeFilm。2020-04-03 – YouTube 経由。
• 「シュリーレン光学」。ハーバード自然科学講義デモンストレーション。2024年2月3日閲覧。
• RolfeFollow, Bryan (2015-11-25). 「シュリーレンイメージング: 空気の流れを見る方法!」Instructables . 2024-02-03に取得。