シュリーレン写真
マッハ1.2での後退角のない翼の前面の圧縮を示すシュリーレン写真
砲身から発射された散弾のシュリーレン画像

シュリーレン写真は、流体の流れを撮影する手法です。 1864年にドイツの物理学者アウグスト・テプラーが超音速運動の研究のために発明し、航空工学の分野では物体周囲の空気の流れを撮影するために広く利用されています。

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）を写真に撮ることができます。[ 2 ]

シュリーレン写真撮影法を用いると、対流や音響浮上に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 ]

古典的な光学系

光学シュリーレンシステムの古典的な実装では、単一のコリメート光源からの光が対象物体上または背後から照射されます。流体中の密度勾配によって生じる屈折率の変化により、コリメートされた光線は歪んでしまいます。この歪みによって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によって直接可視化することができます。

単鏡シュリーレンシステムの光学レイアウト

古典的なシュリーレン結像システムには、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 エッジによって遮られます。物体によって偏向された光線は、遮られることなくナイフ エッジを通過する可能性があります。その結果、ナイフ エッジの後ろ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枚鏡シュリーレンシステム（Z配置とも呼ばれる）では、光源は最初の鏡でコリメートされ、コリメートされた光は物体を通過した後、2枚目の鏡で集光されます。これにより、通常、1枚鏡構成よりも高解像度の画像化（物体のより微細な細部の観察）が可能になります。

  • シュリーレンシステムの設計
  • 偏向していない光線のみを示す2枚鏡シュリーレンシステムの光学レイアウト
    偏向していない光線のみを示す2枚鏡シュリーレンシステムの光学レイアウト
  • 2枚の鏡を使っ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。
    2枚の鏡を使っ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、乱流があるとシンチレーション（暑い日に加熱された表面で見られるきらめき）が発生します。瞬間的な密度プロファイルを可視化するには、連続照明ではなく、 短時間のフラッシュ照明を使用する場合があります。

集束シュリーレン光学系

20世紀半ば、R・A・バートンはシュリーレン写真の代替形式を開発しました。これは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ていますが、[ 3 ]これはヒューバート・シャー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、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一般的に保持しますが、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。

集束シュリーレンシステムの基本図

基本的な考え方は、照明パターンを集光光学系を用いて幾何学的に合同なカットオフパターン（本質的には多数のナイフエッジ）上に結像させ、その間の密度勾配を、通常はカメラシステムによって結像するというものです。従来の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たり、不透明部分に入射させたりするため、歪みの位置と方向に応じて明るくなる領域と暗くなる領域を生成します。従来のシュリーレンでは、ビームパス全体の歪みが均等に視覚化されますが、集光型シュリーレンでは、カメラの物体視野内の歪みのみが明確に結像されます。物体視野から離れた歪みはぼやけるため、この手法はある程度の深度選択を可能にします。また、コリメーションが不要なため、さまざまな照明背景を使用できるという利点もあります。これにより、従来のシュリーレンシステムよりもはるかに簡単に構築および調整できる、投影ベースの集光型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では、コリメート光が必須であり、コリメート光学系を視野と同じサイズにする必要があるため、大型システムの構築において実用上の大きな障壁となることが多い。集光型シュリーレンシステムでは、大きな背景照明パターンを持つコンパクトな光学系を使用でき、これは投影システムを用いることで特に容易に実現できる。大きな縮小率を持つシステムでは、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 ]

背景重視のテクニック

背景指向シュリーレン法を用いたT-38タロン飛行中の衝撃波

背景指向シュリーレン法（BOS [ 7 ] [ 8 ] ）は、もともとドイツ航空宇宙センター（DLR）[ 9 ] [ 10 ]で開発された。これは、焦点の合った画像におけるシフトの測定または可視化を利用する。この手法では、背景とシュリーレン物体（可視化する歪み）の両方に焦点が合っていて、歪みは背景画像の一部が元の位置に対して移動することで検出される。この焦点要件のため、シュリーレン物体と背景の両方が離れている（通常は光学系の過焦点距離を超える）大規模な用途で使用される傾向がある。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る。この手法では、適切な背景画像も必要である。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用意することもあるが、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る。[ 11 ]背景指向のシュリーレンは、ほとんどの場合、デジタル画像相関やオプティカルフロー[ 12 ]分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するが、アナログ光学系を用いたストリークイメージングでも同じ効果を実現できる。

バリエーションと応用

光学シュリーレン法のバリエーションとして、ナイフエッジを色付きのターゲットに置き換える方法があります。これにより虹色のシュリーレンが得られ、流れの可視化に役立ちます。同心円状のエッジなど、異なるエッジ構成にすることで、さまざまな勾配方向に対する感度を持たせることもできます。また、デジタルディスプレイと変調器を用いた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、シュリーレン法の改良版です（屈折する四角錐の頂点によって形成される2つの直交するナイフエッジを備えています）。

シュリーレン光学系は、部品を組み合わせて自作することも、市販の機器を購入することもできます。理論と動作の詳細は、Settlesの2001年の著書に記載されています。[ 13 ]ソ連はかつてマクストフ望遠鏡の原理に基づく高度なシュリーレンシステムを数多く製造しており、その多くは旧ソ連と中国に今も残っています。

シュリーレン写真は、媒体自体は透明（したがって、その動きを直接見ることはできない）であるが、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カラーで見えるようになる。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る。気体力学における典型的な応用は、弾道学および超音速または極超音速機の衝撃波の研究である。加熱、物理吸収[ 14 ]または化学反応によって引き起こされる流れを視覚化することができる。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、および光学系の特性評価など、多​​くの工学的問題に使用することができる。

  • 右からの風によって乱された、燃えるろうそくの熱煙のシュリーレン画像
    右からの風によって乱された、燃えるろうそくの熱煙のシュリーレン画像
  • 静止空気中の普通のろうそくから上昇する熱対流の煙を捉えたシュリーレン画像。この写真は層流から乱流への遷移を明確に示している。
    静止空気中の普通のろうそくから上昇する熱対流の煙を捉えたシュリーレン画像。この写真は層流から乱流への遷移を明確に示している。

参照

参考文献

  1. ^ a bハーバード自然科学講義デモンストレーション。
  2. ^ RolfeFollow 2015 .
  3. ^ Burton, Ralph A. (1949-11-01). 「大視野用改良シュリーレン装置」. 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. ^シャルディン、ヒューバート (1942)。 「シュリーレンフェルファーレンとアンヴェンドゥンゲンの死」。Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften。 Vol. 20. ベルリン、ハイデルベルク：シュプリンガー・ベルリン・ハイデルベルク。 pp.  303–439。土井：10.1007/bfb0111981。ISBN 978-3-540-77206-4。{{cite book}}:ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）
  5. ^ Goulding, JS (2006).大規模集束シュリーレンシステムの研究（修士論文）. ウィットウォータースランド大学.
  6. ^ Weinstein, LM (2010). 「レンズシュリーレン法とグリッドシュリーレン法、およびモーションカメラシュリーレン法のレビューとアップデート」.ヨーロッパ物理学ジャーナル特集号. 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. ^ Markus Raffel (2015年3月6日). 「背景指向シュリーレン（BOS）技術」 . Experiments in Fluids . 第56巻第3号. p. 60. doi : 10.1007/s00348-015-1927-5 . ISSN 1432-1114 . 2025年8月20日閲覧。 
  8. ^ Li, Hu; Ma , Zhuangzhuang; Zhu, Haidong (2023). 「グローバルオプティカルフローに基づく背景指向シュリーレン画像変位推定法」. Flow Measurement and Instrumentation . 93. Bibcode : 2023FloMI..9302420L . doi : 10.1016/j.flowmeasinst.2023.102420 .
  9. ^「シュリーレン測定プロセス」、GEA Meier、DLR、1999年。特許。2025年12月1日閲覧。
  10. ^「航空機周辺の空間密度勾配または渦場の検出」、M Raffel他、DLR、2000年。特許。2025年12月1日取得。
  11. ^ Kamlet, Matt (2016年4月13日). 「BOSCO飛行による写真衝撃波研究の新たな高みへ」 NASAウェブサイト. 2016年5月5日閲覧。
  12. ^「空対空背景指向シュリーレン技術」、JT Heineck、NASAエイムズ、2016年。特許。2025年12月1日閲覧。
  13. ^ Settles, GS (2001).シュリーレン法とシャドウグラフ法：透明媒体における現象の可視化. ベルリン、ハイデルベルク：Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7. S2CID  135790075 .
  14. ^ Okhotsimskii, Andrei; Hozawa, Mitsunori (1998). 「二成分ガス–液体系における自然対流のシュリーレン可視化」.化学工学科学. 53 (14). Elsevier BV: 2547– 2573. Bibcode : 1998ChEnS..53.2547O . doi : 10.1016/s0009-2509(98)00092-x . ISSN 0009-2509 . 
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