“Schlieren”这个词是德语，大致翻译为“条纹”。什么是条纹摄影？为什么您想在项目中使用它？这个有趣的术语是从哪里来的？
想象一下在炎热的天气里你可以看到的热光。根据理想气体定律，我们知道热空气的密度比冷空气的密度小。由于密度差异，它的折射率稍低。通过密度梯度的光线面对折射率梯度，因此被弯曲，因此闪烁。
热闪光：空气的折射率遍布各处。图片： “澳大利亚昆士兰州过马路的牲畜”，作者：[AlphaLemur]德国镜头制造商早在19世纪的某个时候（甚至更早）就开始谈论“Schelieren”。想象一下早期镜片制造商的处境：您花费了无数的时间费力地打磨玻璃毛坯，直到其达到完美的曲率。把它洗干净，把它放在光线下，你会看到像差——也许是空间像差，也许是色差。 “Schliere”是你可能会说的最没有色彩的词，但“Schliere”才是罪魁祸首。镜片制造商开始开发技术来检测他们称之为纹影的隐形缺陷，这有什么奇怪的吗？
当我们今天谈论纹影图像时，我们通常不是在谈论检查玻璃毛坯。大多数时候，我们谈论的是一系列流体可视化技术。这个命名法归功于德国物理学家奥古斯特·托普勒 (August Toepler)，他在19世纪中叶应用这些光学技术来可视化流体流动。现在有一整套纹影成像技术，但其核心都依赖于一个简单的事实：在空气等流体中，折射率随密度而变化。
托普勒的开创性设置是我们现在在黑客中常见的设置。它基于望远镜镜的傅科刀刃测试。在福柯的测试中，点光源照射在凹面镜上，并将刀片放置在光线聚焦到一点的地方。传感器或傅科眼位于刀刃后面，因此从针孔返回的光被中断。这具有放大镜片中任何缺陷的效果，因为偏离完美返回路径的光线将被刀刃阻挡并错过眼睛。
[托普勒]的单镜布局既快速又简单。托普勒的摄影设置以同样的方式工作，除了用摄影相机替换眼睛，以及使用已知良好的镜子。空气中的任何密度变化都会折射返回的光线，并导致纹影照片特有的明暗图案。这是我们之前介绍过的“经典”纹影游戏，但这并不是唯一的游戏。
有趣的纹影技巧
一点颜色可以对任何类型的可视化产生很大的影响。 （图片： “彩色纹影图像”，作者：[Settles1]）例如，一个可以带来很大审美差异的小调整是用滤色镜代替刀刃。然后折射光线呈现滤光片的颜色。事实上，通过几个滤色镜，您可以对密度变化进行颜色编码：穿过高密度区域的光线可以通过两侧不同的滤色镜进行转向，而未弯曲的光线可以通过第三个滤色镜。它不仅非常漂亮，而且人眼更容易识别颜色的变化而不是价值的变化。或者，来自点光源的光可以穿过棱镜。来自棱镜的频率的线性扩展与滤色器线具有类似的效果：失真得到颜色编码。
更大的调整是使用两个凸面镜，即双镜或 Z 路径纹影。这有两个主要优点：第一，镜子之间的平行光线意味着测试区域可以位于玻璃后面，有助于将敏感光学器件保持在高速风洞之外。 （这是 NASA 曾经使用的技术。）平行光线还可以确保任何物体的阴影和流体流动都不会出现问题；在经典的 schriien 中使光源偏离中心可能会导致阴影伪影。当然，你要为这些优势付出代价：从字面上看，你必须购买两块镜子，而从象征意义上来说，对齐则要困难两倍。不过，同样的颜色技巧也同样有效，并且在美国宇航局经常使用。
Z 形折叠允许测试区域中出现平行光线。
无论是在 Z 路径还是经典版本中，绝对没有理由不能用镜头代替镜子，而且人们在这两种情况下都必须取得良好的效果。事实上，罗伯特·胡克的第一个实验涉及使用会聚透镜来可视化蜡烛上方的空气流动，这在光学上相当于托普勒的经典单镜装置。一般来说，首选镜子的原因与您在星空派对上从未看到 8 英寸折射望远镜的原因相同：大镜子比大镜头更容易制造。
使用 NASA 的 AirBOS 技术捕获飞行中的 T-34。图片来源：美国宇航局。
如果你想想象一些不适合在镜子前出现的东西怎么办？实际上有几种选择。一种是面向背景的 schriien， 我们已经在这里介绍过。在已知背景的情况下，可以使用数字信号处理技术提取与其的偏差。我们展示了它与智能手机和打印页面的配合使用，但您可以使用任何非均匀背景。 NASA 利用地面：通过俯视，机载背景导向纹影 (AirBOS)可以提供飞行中飞机周围的冲击波和涡流的流动可视化。
在我们口袋里都有超级计算机之前的日子里，大规模的流可视化仍然是可能的；它只需要一个光学技巧。需要一对匹配的网格：一个在灯之前，创建光和暗的投影，第二个在镜头之前。因密度变化而偏转的光线将进入相机网格。 1997 年，Gary S. Styles 使用此方法对 HVAC 气流进行可视化，效果良好
找不到大镜子？尝试一个网格。
这让我们看到了与航空航天无关的另一种应用。风洞照片非常酷，但说实话：我们大多数人都没有研究超音速无人机或火箭喷嘴。当然，气流不一定要超音速才能产生密度变化；气流也可以是超音速的。亚音速风洞也可以配备纹影光学器件。
您以前从未见过的暖通空调。想象一下那些是 ABS 烟雾吗？ （图片来自Styles，1997 年。）
或者您可能更关心组件周围的气流？要识别电路板上的热点，红外摄影要容易得多。另一方面，如果您的热点是由于冷却不足而不是组件故障引起的？纹影图像可以帮助您可视化电路板周围的空气流动，从而优化冷却路径。
对于面向背景的版本来说，这可能是最简单的：您只需将背景粘贴在项目外壳的一侧即可开始工作。我认为，如果你们中的任何人开始在项目中使用纹影成像，这可能是激发您这样做的杀手级应用程序。
我们使用空气的另一个地方？在创客空间里。我还没有看到有人使用纹影摄影来调整 3D 打印机上的冷却管道，但你当然可以。 （ 例如，它已被用来查看焊接中的保护气体。）就此而言，根据您打印的内容，正确排出烟雾是一个主要的健康问题。考虑到温差，甚至化学成分可能会改变空气密度，这些烟雾很容易出现。
请记住，成像的关键不是温度差，而是密度差。声波是密度波，能这样成像吗？是的！超声波悬浮装置中的驻波是一个受欢迎的目标。频闪效应可用于非驻波，但请记住，声压级是频率的倒数，因此如果您喜欢耳膜，可听频率可能不实用。
纹影摄影并不局限于空气。液体和固体的密度变化也是一个问题。想要了解不同密度或温度的多种溶液如何混合？纹影成像可以满足您的需求。观察水箱中的对流？或者，如果您碰巧正在制作镜片，您可以直接回到基础知识并使用此处讨论的纹影技术之一来帮助您使镜片变得完美。
我写这些技术的真正原因不是我希望黑客们能够将它们应用到各种应用程序中：这是一个收集我可以塞进本文的所有流可视化漂亮图片的借口。因此，如果您读到本文并认为“我没有实际理由使用这种技术，但它看起来确实很酷”——那就太好了！我们在同一条船上。我们来制作一些漂亮的图片吧。它仍然算作黑客攻击。
原文： https://hackaday.com/2025/05/08/flow-visualization-with-schlieren-photography/