シュリーレン イメージングは、屈折率の変化を利用して気流を観察および撮影する技術です。
実際に自分の息が見えると、天気が非常に寒いことがわかりますが、通常の日に、自分の息は周囲の空気と同じように目に見えません。その息を写真に収める方法はありますか?
空気をどうやって撮る？ (写真提供:TippaPatt/Shutterstock)
気流のような目に見えないものをどのように見て写真に収めることができますか?これは、長い間、流体の流れを研究している科学者の関心を集めてきたものです。幸いなことに、まさにそれを行う方法が実際に発見されました.
シュリーレン イメージングとは
シュリーレン イメージングは、液体の屈折率の変化を利用して、人間の目には見えない液体の流れを視覚化する技術です。
この手法は、気流の画像をキャプチャするために広く使用されています。空気の流れや挙動をスローモーションで見たり、写真を撮ったり、ビデオを撮ったりすることができるようになりました。シュリーレン イメージングを使用して、私たちの体から上昇する熱、破裂した風船から逃げるヘリウム、または弾丸からの衝撃波をキャプチャすることができます。
シュリーレン イメージングを使用すると、手から熱が上がっているのがわかります。 (写真提供:ゲイリー セトルズ/ウィキメディア コモンズ)
シュリーレン イメージングの背後にある原則
シュリーレン イメージングがどのように機能するかは、屈折率の概念によって説明できます。光の速さは、通過する媒質によって変化します。光は、異なる密度の媒質の間を移動するときに屈折または曲げられます。この曲がり具合が媒質の屈折率です。これは、真空中の光速と媒質中の光速の比です。
屈折は、鉛筆が部分的に水没したときに曲がって見える理由です。 (写真提供:Billion Photos/Shutterstock)
通常、空気の屈折率は1.0003程度と言われていますが、この値は温度や圧力、空気の組成などによって異なります。たとえば、熱気の屈折率は冷気の屈折率よりも小さくなります。これが、暑い日に路上で蜃気楼が見られる理由です。光が不均一な媒体を通過するとき、屈折が発生します。つまり、光はわずかに曲がって別の経路になります。
このような媒質中の屈折率の変化は一般に「シュリーレン」と呼ばれており、シュリーレンイメージングによってその変化を見ることができます。このツールを使用すると、物体とその周囲の空気との相互作用を捉えて、よりよく理解することができます。
シュリーレン イメージングの応用
シュリーレンイメージングでは、息を吐くときに息を見ることができます。ろうそくの炎が空気とどのように相互作用するかを観察できます。ライターからブタンが噴出している様子や、ライターに火をつけたときに周囲の空気がどうなるかを正確に見ることができます。
シュリーレン イメージングを使用してキャプチャされた呼気。 (写真提供:ウィキメディア・コモンズ)
ですから、私たちは空気を見ることができます。いくつかの重要なアプリケーションがありますが、特に興味深いアプリケーションについては、以下のビデオをご覧ください。
シュリーレン イメージングは、私たちが吐き出す空気を制御する際にマスクがどのように機能するかを捉えるために使用され、近年世界を襲っているパンデミックの拡大を制御するのに役立ちます.
自分の呼吸を見るのはクールに思えますが、シュリーレン イメージングの主要なアプリケーションではありません。シュリーレン イメージングは、科学者が気流をよりよく理解するのに役立ちます。この技術の主な用途の 1 つは、航空学にあります。この方法は、移動中の航空機の周囲で空気がどのように振る舞うかを理解するのに非常に役立ちます。
超音速の流れで生成される衝撃波の視覚化に使用できます。 NASA はシュリーレン イメージングを使用して、超音速航空機からの衝撃波を捉えました。このデータは、そのような航空機の将来の設計の開発に大いに役立ちます。
NASA が撮影した、飛行中の 2 機の超音速航空機からの衝撃波の相互作用を示すシュリーレン画像。 (写真提供:flickr)
シュリーレン イメージングのセットアップ
シュリーレン イメージングの最も単純なセットアップには、ライト、ミラー、カメラまたはスクリーンがあります。
シュリーレン イメージングのセットアップ。 (写真提供:EricABCAT/Wikimedia commons)
一方の端には、点光源に近い狭い光源があります。光は広がり、気流を観察したい物体を照らします。次に、光は凹面の球面鏡または放物面鏡によって反射されます。反射した光線は、カメラを配置したミラーの焦点に集束します。写真を撮るのではなく画像を表示する場合は、代わりに表示画面をそこに配置できます。
カメラの前に薄く鋭い刃物を置き、反射光の半分をカットします。エッジが屈折光の一部を遮り、コントラストの良い画像が得られます。このナイフ エッジの存在は、シュリーレン セットアップの決定的な特徴であり、シャドウグラフ イメージングと呼ばれる同様の手法とは異なります。
別の方法として、エッジの代わりにデュアルトーン カラー フィルターを使用して、カラー グラデーションの画像を作成することもできます。
火のともったろうそくから立ち上るガスの色付きのシュリーレン画像。 (写真提供:Settles1/Wikimedia commons)
空気中の不均一性 (密度の変化) は、屈折する光と屈折しない光があることを意味します。これは画像のコントラストの違いに変換され、視覚的にわかります。
このセットアップは、古典的なシュリーレン イメージングと呼ばれます。解像度を向上させるために、ミラーを 2 つ使用する構成も使用できます。鏡の代わりにレンズもよく使われます。
セットアップはとても簡単なので、自宅で自分で組み立てることもできます。こちらのビデオでその方法を説明しています!
シュリーレン イメージングのバリエーション
シュリーレン イメージングの別のセットアップは、集束シュリーレン システムと呼ばれます。点光源を光源の配列と交換します。画像は、カットオフ グリッドを使用して形成されます。これらの特性から、レンズとグリッドのシュリーレン イメージングという名前も付けられています。
フォーカシング シュリーレン セットアップ。 (写真提供:Tarchon/Wikimedia commons)
背景指向のシュリーレン イメージングは、大規模な観察に使用される別のバリエーションです。これらは、上で見た NASA の超音速航空機のテストの場合のように、物体の後ろに鏡を正確に置くことができない場合に役立ちます。
シュリーレン画像の助けを借りて、目に見えないものを見ることができるようになりました。科学者はこの手法を使用して流体の流れをよりよく理解することができます。また、ろうそくの炎がどのようにクールに見えるかを確認したり、マスクが致命的なウイルスから私たちを保護する方法をよりよく理解するために使用できます!
