Obrazowanie smugowe

Obrazowanie smugowe to formalna polska nazwa techniki, którą specjaliści często nazywają fotografią szlirenową. Niemieckie słowo schlieren oznacza po prostu smugi. Technika ta pozwala na obserwację zjawisk zachodzących w rozrzedzonych lub przezroczystych mediach — głównie gazach lub cieczach. Spektakularne zdjęcia szlirenowe ujawniają rozchodzenie się fal uderzeniowych wywoływanych przez pociski, czy ruch powietrza wywołany ciepłem rąk.

Dla zrozumienia zasady działania obrazowania smugowego kluczowe jest zrozumienie, jak działają układy skupiające — zbudowane w oparciu o soczewki wypukłe lub zwierciadła wklęsłe. Każde urządzenie skupiające światło ma przynajmniej jedno miejsce, w którym promienie świetlne biegnące przez układ przecinają się. Miejsce takie nazywamy ogniskiem.

Z punktu widzenia matematyki ognisko jest punktem — nie posiada żadnej rozciągłości. W idealnym wypadku wszystkie promienie świetlne, będące nieskończenie cienkimi liniami przecinają się w jednym i tym samym nieskończenie małym punkcie. Jak nietrudno się domyślić w rzeczywistości rzecz nie wygląda tak prosto. Prawdziwe elementy optyczne, wykonane z metalu, czy szkła, nigdy nie są całkowicie gładkie, a ich krzywizny odbiegają od matematycznych idealizacji. W efekcie ognisko jest raczej obszarem w przestrzeni, aniżeli punktem. Różne promienie świetlne przecinają się w różnych miejscach ogniska, zachowując jedynie ogólne zasady gemoetrii układu.

Drugą istotną własnością ogniska jest to, że obiekt umieszczony dokłądnie w ognisku ukłądu nie wytwarza obrazu. Łatwo to wykorzystać do znalezienia ogniska, na przykład wklęsłego zwierciadła. Wystarczy obserwować odbicie obiektu w zwierciadle w trakcie przesuwania obiektu wzdłuż osi zwierciadła. Obraz w zwierciadle powiększa się w miarę zbliżania się do ogniska, a kiedy położenie obiektu dokładnie pokrywa się z ogniskiem — obraz ucieka do nieskończoności i znika.

Obrazowanie smugowe wykorzystuje te fakty do ujawniania zjawisk niewidocznych gołym okiem. Najważniejszym elementem urządzenia do obserwacji szlirenowych jest ostrze, umieszczone dokładnie w ognisku układu skupiającego. Ponieważ ostrze jest dokładnie w ognisku, jego obraz nie pojawia się nigdzie w układzie, a więc nie zaburza obserwacji. Z drugiej strony rzeczywiste fizyczne ognisko układu optycznego ma pewną skończoną rozciągłość. Dlatego da się tak umieścić ostrze, aby nie blokowało wszystkich promieni świetlnych. W praktyce ostrze takie wpływa jedynie na jasność obrazu. Im bardziej wsunięte w ognisko, tym ciemniejszy jest obraz widziany przez układ optyczny.

Ale skąd biorą sie smugi widoczne w obrazowaniu szlirenowym? One są i zawsze były częścią obrazu, ale były zbyt słabe, aby ludzkie oko mogło je rozróżnić. Pochodza one od małych zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka, które działają jak mikrosoczewki, odginając bieg promieni świetlnych przechodzących przez pole obserwacji. Ponieważ odgięcia te są mikroskopijne, bez dodatkowych urzadzeń optycznych nie da się ich oglądać.

Istotną własnością układu skupiającego jest to, że wszystkie promienie, nawet jeśli pochodzą z bardzo rozległego pola obserwacji, przecinają się, lub przynajmniej przechodza blisko siebie w ognisku. To, co jest mikroskopijnym odchyleniem biegu promienia w dużej odległości od ogniska, staje się dużą zmianą, gdy promienie skupiają się mniej więcej w jednym punkcie. Jeśli na dodatek postawimy w ognisku przesłonę w postaci ostrza, część odchylonych promieni zostanie wycięta. W ten sposób gwałtownie podniesiony zostaje kontrast pola widzenia. W efekcie oko ludzkie zaczyna dostrzegać obszary ciemniejszych i jaśniejszych pasm, któresą fluktuacjami gęstości ośrodka.

Zaawansowane techniki obrazowania smugowego wykorzystują kolejne sprytne rozwiązania. Zamiast cąłkowicie nieprzezroczystej przesłony można umieściś w ognisku przesłonę częściowo przejrzystą, ale pokolorowaną. Smugi nabiorą wtedy barw, co zwiększy ich kontrast i ułatwi obserwację. Innym trikiem stosowanym często przez badaczy jest obserwowanie obiektów na tle obrazu interferencyjnego, tzw. mory. Mora może jeszcze bardziej zwiększyć rozdzielczość obrazu i pozwolić na rozróżnienie bardzo małych fluktuacji. Najważniejsze jednak, że techniki smugowe nie musza wykorzystywać żadnych elementów elektronicznych, ani systemów kmputerowej obróbki obrazu. Są całkowicie analogowe, a najprostsze układy do fotografii szlirenowej można wykonać z powszechnie dostępnych materiałów.