La fotografía de Schlieren es un proceso para fotografiar el flujo de fluidos . Inventada por el físico alemán August Toepler en 1864 para estudiar el movimiento supersónico , se utiliza ampliamente en ingeniería aeronáutica para fotografiar el flujo de aire alrededor de los objetos.
El proceso funciona permitiendo ver cambios normalmente inobservables en el índice de refracción de un fluido [1] y se logra observando las desviaciones que ocurren cuando la luz es refractada por un fluido en movimiento. Debido a que los cambios en la velocidad de flujo afectan directamente el índice de refracción de un fluido, uno puede fotografiar la velocidad de flujo de un fluido (así como otros cambios en la densidad, temperatura y presión) observando los cambios en su índice de refracción [2] .
Utilizando el proceso de fotografía Schlieren, también se pueden ver otros cambios de fluidos no observables, como las corrientes de convección y las ondas estacionarias utilizadas en la levitación acústica . [1]
La implementación clásica de un sistema Schlieren óptico utiliza luz de una única fuente colimada que incide sobre un objeto objetivo o detrás de él. Las variaciones en el índice de refracción causadas por 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 gráfico de sombras .
Los sistemas clásicos de obtención de imágenes de Schlieren se presentan en dos configuraciones, utilizando uno o dos espejos. En cada caso, un objeto transparente se ilumina con luz colimada o casi colimada. Los rayos que no son desviados por el objeto avanzan hacia su punto focal, donde son bloqueados por un borde de cuchillo. Los rayos que son desviados por el objeto tienen la posibilidad de pasar por el borde de cuchillo sin ser bloqueados. Como resultado, se puede colocar una cámara después del borde de cuchillo de modo que la imagen del objeto presente variaciones de intensidad debido a las desviaciones de los rayos. El resultado es un conjunto de parches más claros y más oscuros correspondientes a gradientes de densidad de fluido positivos y negativos en la dirección normal al borde de cuchillo. Cuando se utiliza un borde de cuchillo, el sistema generalmente se conoce como sistema Schlieren , que mide la primera derivada de la densidad en la dirección del borde de cuchillo. Si no se utiliza un borde de cuchillo, el sistema generalmente se conoce como sistema de gráfico de sombras , que mide la segunda derivada de la densidad.
En el sistema Schlieren de dos espejos (a veces llamado configuración Z ), la fuente es colimada por el primer espejo, la luz colimada atraviesa el objeto y luego es enfocada por el segundo espejo. Esto generalmente permite obtener imágenes con mayor resolución (ver detalles más finos en el objeto) de lo que es posible 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 puede ver sobre superficies calientes en un día caluroso. Para visualizar perfiles de densidad instantáneos, se puede utilizar un flash de corta duración (en lugar de una iluminación continua).
A mediados del siglo XX, R. A. Burton desarrolló una forma alternativa de fotografía schlieren, que ahora suele llamarse schlieren de enfoque o schlieren de lente y cuadrícula , [3] basándose en una sugerencia de Hubert Schardin . [4] Los sistemas de schlieren de enfoque generalmente conservan el filo característico del cuchillo para producir contraste, pero en lugar de utilizar luz colimada y un solo filo del cuchillo, utilizan un patrón de iluminación de bordes repetidos con un sistema de imágenes de enfoque.
La idea básica es que el patrón de iluminación se proyecta sobre un patrón de corte geométricamente congruente (esencialmente una multiplicidad de bordes de cuchilla) con ópticas de enfoque, mientras que los gradientes de densidad que se encuentran entre el patrón de iluminación y el patrón de corte se proyectan, típicamente mediante un sistema de cámara. Al igual que en el schlieren clásico, las distorsiones producen regiones de brillo u oscurecimiento correspondientes a la posición y dirección de la distorsión, porque redirigen los rayos hacia o desde la parte opaca del patrón de corte. Mientras que en el schlieren clásico, las distorsiones a lo largo de toda la trayectoria del haz se visualizan por igual, en el schlieren de enfoque, solo se proyectan claramente las distorsiones en el campo del objeto de la cámara. Las distorsiones que se alejan del campo del objeto se vuelven borrosas, por lo que esta técnica permite cierto grado de selección de profundidad. También tiene la ventaja de que se puede utilizar una amplia variedad de fondos iluminados, ya que no se requiere colimación. Esto permite 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 el schlieren clásico es a menudo una barrera práctica importante para la construcción de sistemas grandes debido a la necesidad de que la óptica colimadora sea del mismo tamaño que el campo de visión. Los sistemas schlieren de enfoque pueden utilizar ópticas compactas con un patrón de iluminación de fondo grande, que es particularmente fácil de producir con un sistema de proyección. Para sistemas con gran desmagnificación, el patrón de iluminación debe ser aproximadamente el doble del tamaño del campo de visión para permitir el desenfoque del patrón de fondo. [5] [6]
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La técnica de schlieren orientada al fondo ( BOS [7] ) se basa en la medición o visualización de cambios en imágenes enfocadas. En estas técnicas, el fondo y el objeto schlieren (la distorsión que se va a visualizar) están ambos enfocados y la distorsión se detecta porque mueve parte de la imagen de fondo en relación con su posición original. Debido a este requisito de enfoque, tienden a usarse 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, a menudo son los más simples de construir, pero por lo general 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 experimentador puede proporcionar el fondo, como un patrón de motas aleatorio o una línea nítida, pero también se pueden utilizar características naturales como paisajes o fuentes de luz brillante como el sol y la luna. [8] 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 para realizar un schlieren sintético , pero es posible lograr el mismo efecto en imágenes de rayas con un sistema óptico analógico.
Las variaciones del método Schlieren óptico incluyen la sustitución del borde de la cuchilla por un objetivo de color, lo que da como resultado un Schlieren de arco iris que puede ayudar a visualizar el flujo. Diferentes configuraciones de bordes, como anillos concéntricos, también pueden brindar sensibilidad a direcciones de gradiente variables, y también se ha demostrado la generación de bordes digitales programables utilizando pantallas y moduladores digitales. El sensor de frente de onda piramidal de óptica adaptativa es una forma modificada de Schlieren (que tiene dos bordes de cuchilla perpendiculares formados por los vértices de una pirámide cuadrada refractante).
Los sistemas ópticos Schlieren completos se pueden construir a partir de componentes o se pueden comprar como instrumentos disponibles comercialmente. Los detalles de la teoría y el funcionamiento se dan en el libro de Settles de 2001. [9] La URSS produjo una serie de sofisticados sistemas Schlieren basados en el principio del telescopio Maksutov , muchos de los cuales todavía sobreviven en la ex Unión Soviética y China. [ cita requerida ]
La fotografía de 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 de 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 las variaciones de 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 [10] o reacciones químicas. Por lo tanto, la fotografía de Schlieren se puede utilizar en muchos problemas de ingeniería, como transferencia de calor, detección de fugas, estudio de desprendimiento de capa límite y caracterización de óptica.
