La fotografía Schlieren es un proceso para fotografiar el flujo de fluidos . Inventado 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 objetos.
El proceso funciona permitiendo que se vean cambios normalmente no observables 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 el caudal impactan directamente el índice de refracción de un fluido, se puede fotografiar el caudal 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 óptico schlieren utiliza luz de una única fuente colimada que brilla sobre o detrás de un objeto objetivo. 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 se puede visualizar directamente con un sistema de gráficos de sombras .
Los sistemas de imágenes Schlieren clásicos aparecen en dos configuraciones, utilizando uno o dos espejos. En cada caso se ilumina un objeto transparente con luz colimada o casi colimada. Los rayos que no son desviados por el objeto se dirigen a su punto focal, donde son bloqueados por el filo de un cuchillo. Los rayos que son desviados por el objeto tienen la posibilidad de pasar el filo del cuchillo sin ser bloqueados. Como resultado, se puede colocar una cámara después del filo de la navaja de modo que la imagen del objeto muestre variaciones de intensidad debido a las desviaciones de los rayos. El resultado es un conjunto de parches más claros y más oscuros que corresponden a gradientes de densidad de fluido positivos y negativos en la dirección normal al filo del cuchillo. Cuando se utiliza un filo de cuchillo, el sistema generalmente se denomina sistema Schlieren , que mide la primera derivada de la densidad en la dirección del filo de un cuchillo. Si no se utiliza un filo de cuchillo, el sistema generalmente se denomina 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 de mayor resolución (ver detalles más finos en el objeto) de lo que es posible usando la configuración de un solo espejo.
Si el flujo de fluido es uniforme, la imagen será estable, pero cualquier turbulencia provocará centelleo , el efecto brillante que se puede observar sobre superficies calientes en un día caluroso. Para visualizar perfiles de densidad instantáneos, se puede utilizar un flash de corta duración (en lugar de iluminación continua).
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 cuadrícula , [3] basándose en una sugerencia de Hubert Schardin . [4] Los sistemas de enfoque schlieren generalmente conservan el filo característico para producir contraste, pero en lugar de usar luz colimada y un solo filo, 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 visualiza en un patrón de corte geométricamente congruente (esencialmente una multiplicidad de filos de cuchillo) con óptica de enfoque, mientras que los gradientes de densidad que se encuentran entre el patrón de iluminación y el patrón de corte se visualizan, típicamente mediante un sistema de cámara. Como 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 lejos de la parte opaca del patrón de corte. Mientras que en el schlieren clásico las distorsiones en toda la trayectoria del haz se visualizan de la misma manera, en el schlieren de enfoque sólo se visualizan claramente las distorsiones en el campo objetivo de la cámara. Las distorsiones alejadas 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 proyecciones, que son mucho más fáciles de construir y alinear que los sistemas Schlieren clásicos. El requisito de luz colimada en los schlieren clásicos es a menudo una barrera práctica sustancial para construir sistemas grandes debido a la necesidad de que la óptica colimadora tenga el mismo tamaño que el campo de visión. Los sistemas de enfoque Schlieren pueden utilizar ópticas compactas con un gran patrón de iluminación de fondo, lo que es especialmente fácil de realizar con un sistema de proyección. Para sistemas con gran demagnificación, el patrón de iluminación debe ser aproximadamente dos veces mayor que el 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 medir o visualizar cambios en imágenes enfocadas. En estas técnicas, el fondo y el objeto schlieren (la distorsión a visualizar) están ambos 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, 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 ópticas adicionales además de una cámara, suelen ser los más sencillos de construir, pero normalmente 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 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. [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 schlieren sintético , pero es posible lograr el mismo efecto en imágenes de rayas con un sistema óptico analógico.
Las variaciones del método óptico schlieren incluyen la sustitución del filo de la navaja por un objetivo de color, lo que da como resultado un schlieren de arcoíris que puede ayudar a visualizar el flujo. Diferentes configuraciones de bordes, como anillos concéntricos, también pueden dar 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 cuchillo perpendiculares formados por los vértices de una pirámide cuadrada refractiva).
Se pueden construir sistemas ópticos Schlieren completos a partir de componentes o comprarlos como instrumentos disponibles comercialmente. Los detalles de la teoría y el funcionamiento se dan en el libro de Settles de 2001. [9] La URSS alguna vez produjo una serie de sofisticados sistemas Schlieren basados en el principio del telescopio Maksutov , muchos de los cuales aún sobreviven en la antigua Unión Soviética y China. [ cita necesaria ]
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 vuelven visibles en las imágenes Schlieren como tonos de gris o incluso en color. Los gradientes de índice de refracción pueden ser causados ya sea por cambios de temperatura/presión de un mismo fluido o por 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 los flujos causados por calentamiento, absorción física [10] o reacciones químicas. Por tanto, la fotografía Schlieren se puede utilizar en muchos problemas de ingeniería, como la transferencia de calor, la detección de fugas, el estudio del desprendimiento de la capa límite y la caracterización de la óptica.
