Schlierenoptica

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
(Doorverwezen vanaf Schlieren (optica))
Ga naar: navigatie, zoeken
Schlierenbeeld van de warmtepluim van een brandende kaars, verstoord door een zwakke luchtstroom van rechts. Foto: Gary S. Settles, Pennsynvania State University
Schlierenfoto van een soldeerbout.
Schlierenfoto van een vliegtuigmodel in een windtunnel bij mach = 1,3.
Eidophor: de eerste generatie van videoprojectoren

Schlieren zijn voor het menselijk oog onzichtbare optische inhomogeniteiten in transparante materialen. Deze inhomogeniteiten zijn plaatselijke verschillen in brekingsindex, en daardoor in de optische weglengte. Hierdoor ontstaan faseverschillen, waardoor de lichtbundel iets afgebogen wordt. Deze afbuiging veroorzaakt een schaduweffect, dat waargenomen kan worden. Schlierenfysica is ontstaan vanuit de behoefte aan lenzen van zeer hoge kwaliteit, die vrij zijn van deze inhomogeniteiten.

Een bekend voorbeeld zijn de schaduwbeelden die ontstaan als licht door opstijgende warme lucht heen op een wand schijnt. Dit illustreert tevens dat de inhomogeniteiten zelf onzichtbaar zijn, alleen de gevolgen zijn zichtbaar.

Het woord schlieren is het meervoud van het Duitse Schliere, dat onder andere sliert of veeg betekent.

Geschiedenis[bewerken]

Schlieren zijn voor het eerst waargenomen door Robert Hooke[1] in 1665. Hij gebruikte een grote convexe (bolle) lens en twee kaarsen. De ene kaars diende als lichtbron, en de andere als warmtebron om de schlieren op te wekken.

Het conventionele schlierensysteem is vooral te danken aan de Duitse fysicus August Toepler. Zijn oorspronkelijke systeem[2] was ontworpen om schlieren te detecteren in glas voor het maken van lenzen. In het conventionele schlierensysteem[3] wordt een puntbron gebruikt om het testgedeelte te verlichten waar de schlieren ontstaan. Van dit licht wordt met een convergerende lens (ook wel een schlierenlens genoemd) een beeld gevormd. De plaats van dit beeld wordt bepaald door de formule voor een dunne lens:

\frac{1}{f} = \frac{1}{v} + \frac{1}{b}

waarin f = de brandpuntsafstand, v = voorwerpsafstand en b = beeldafstand van de lens. Vlakbij de puntbron wordt een mes in de bundel geplaatst om een deel van het licht tegen te houden. De belichting van het beeld wordt hierdoor gelijkmatig verzwakt. Met een tweede lens wordt het testgedeelte op het scherm afgebeeld.

Stromingen visualiseren met schlieren[bewerken]

Stromingsvisualisatie met schlieren is gebaseerd op de afbuiging van het licht door een gradiënt in de brekingsindex.[4] Deze gradiënt hangt direct samen met de stroomdichtheidsgradiënt. Het afgebogen licht wordt op het scherm vergeleken met het niet-afgebogen licht. Het niet-afgebogen licht wordt gedeeltelijk tegengehouden met een mes. Het licht dat naar het mes toe of er vanaf is gebogen, geeft een schaduwpatroon afhankelijk van of het al of niet tegengehouden was. Dit schaduwpatroon is een weergaven in lichtintensiteiten van de verdunningen (gebieden met lagere dichtheid) en verdichtingen (gebieden met hogere dichtheid), die de stroming karakteriseren.

Schlierenfotografie[bewerken]

Schlierenbeelden kunnen ook worden gefotografeerd. Een belangrijke toepassing hiervan is in de stromingstechniek, zoals in windtunnelonderzoek, schokgolfonderzoek, procestechniek (mengprocessen van gassen of vloeistoffen), warmtewisselaars, maar ook in de ballistiek.

Een soortgelijk procedé werd gebruikt bij de Eidophor, de voorloper van de videoprojector. Hierbij bestond de inhomogene laag uit een oliefilm die door een elektronenbundel werd bestraald, waardoor de dichtheid plaatselijk veranderde.

Zie ook[bewerken]

Referenties[bewerken]

  1. Hooke, R., Of a New Property in the Air, Micrographia, Observation LVIII, 217-219, London (1665).
  2. Toepler, A., Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode, Maximillan Cohen und Sohn, Bonn (1864).
  3. Rienitz, J., Schlieren Experiments 300 years ago, Nature[London] 254, 293-295 (27 maart 1975).
  4. Settles, G. S., Schlieren and shadowgraph techniques: Visualizing phenomena in transparent media, Berlin:Springer-Verlag, 2001.

Externe links[bewerken]