空気や他の透明な媒体の屈折率の小さな変化を見ることができる光学技術。
何がわかるか
空気中の不均一性による屈折は、単一ミラー シュリーレン光学セットアップにより可視化されます。 屈折は、凹面鏡のすぐ前にある空気の密度、温度、または圧力の変化によって引き起こされます。 ビデオカメラとモニターを使えば、ろうそくの炎から上昇する暖かい対流や、氷水の入ったグラスから沈む冷たい空気などを見ることができます。
空気以外の気体の流れも可視化することができます。
私たちのセットアップのビデオでは、超音波定在波の圧力対極を明るい帯として示しています
また、オブジェクトの周りの光の回折を実証することもできます。 ほとんどの照明を落とし、周囲の照明がほとんどないようにすると、鏡の前に置かれたオブジェクトは (驚くことではありませんが) 暗く見えますが、薄く明るい光の輪郭で囲まれています。
仕組み
長い焦点距離の鏡を使って、点光源を薄いワイヤー (またはかみそりの刃) に集光します。 光源の真後ろに設置されたカメラは、鏡のすぐ前にある「テストエリア」のオブジェクトを撮影します。 テストエリアの空気の屈折率に変化があると、点光源の像がわずかに偏向する。 これがいわゆるシュリーレン効果です。
屈折率の変化が大きいと、点光源像の偏向が大きくなり、ライト ブロックのエッジを通過する光が多くなるためです。 基本的には、密度の変化が屈折率（n – 1）の変化となります（nは屈折率）。 空気やその他の気体の場合、屈折率と気体密度 ρ の間には、次式で与えられる単純な線形関係があります
n – 1 = kρ
ここで k はグラッドストーン-デールの係数として知られており、可視スペクトル全体ではほぼ一定しています。 空気に対する値は約2.3×10-4m3/kgです。 光軸に垂直な密度勾配、たとえば dρ/dx による点光像の角度偏向δの式は、
δ = kL dρ/dx
ここで L は光軸方向の乱れの長さである。
気体の密度の大きな変化は屈折率の小さな変化にしか対応しないため、シュリーレン システムには、わずか数秒の角度の偏向を検出できるほどの感度が必要です。 この微小な屈折を検出するためには、数百センチメートルの焦点距離の球面鏡が必要であり、その形状は高い公差が要求される。
さらなる研究のために、G. S. Settles による Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) は、この分野の第一人者が書いた素晴らしい本です。
セットアップ
球面鏡、光源、ライト ブロック、およびビデオカメラを含むセットアップは、少なくとも 7 メートル、幅 2 メートルのスペースで慎重に位置合わせすることが必要です。
機材
(a)通常使用する点光源は、400 ミクロンの Melles Griot ピンホールの後ろに置かれた、電池式の小型白色 LED 懐中電灯で、均一照明のためにその間にベルムが挿入されています。
(b)私たちが最もよく使うライトブロックは、x-y 調整可能な光学ポストに取り付けられた剃刀で、光学レールに取り付けられ、ミラーの方向で縦方向にも横方向にも動かすことができるような向きに取り付けられています。
(c)球面鏡は、Edmund Scientific 社製の直径 12.5 インチ (31.8 cm)、焦点距離 123 インチ (312 cm)、F10 の保護アルミニウム鏡です (ミラーマウントは故 Costas Papaliolios 氏から寄贈されたものです)。
(d) 現在使用しているビデオカメラは Blackmagic Pocket Cinema Camera で、Canon TV-16 25-100 mm F1.8 ズームレンズを取り付けるように改造しています。 朝日タクマー300mm F6.3レンズとZhongyi Lens Turbo 2スピードブースターは、タイトなショットのために使用することもできます。 レンズは特製のマウントで光学レールに取り付けます。
(e)アライメント手順をスピードアップするために、ズームレンズのCマウントスレッドにHeNeレーザーをマウントするアダプターが作られました (もちろんビデオカメラは取り外す必要があります)。
(f) 望遠鏡鏡の最も便利なサポートは、通常キャベンディッシュ実験に使われる頑丈な角度鉄スタンドです。 Spindler & Hoyer 光学系レール (三脚マウント上) も頑丈でよく、完全に調整可能です。
調整
(1) 点光源、剃刀、ズームレンズ/レーザーがマウントされている光学系レールを水平にします。 望遠鏡のミラーをカミソリ刃から2焦点分の距離に置き、ミラースタンドを水平調整ネジで固定し、レーザー光が望遠鏡のミラーに真ん中で当たるように光学系レールの高さを調整します
(2) レーザー光がピンホールに戻るようにミラー/ミラーホルダーを回転させる。 ミラーを微調整し（水平・垂直調整ネジを使用）、ピンホールに正確にビームを当てます。
(3)レンズを絞り込みます(通常F22)。 この時、レンズアイリスによる六角形のケラレが発生します。
(4)ライトブロックを持ち上げ、そのマウントを光学系レール上で前後にスライドさせて、ブレード上の点光源に粗い焦点を合わせます。 カミソリの刃を下げて、その刃が点光源イメージをぎりぎりまでカットするようにします。 レンズを開放にして、カミソリの刃の高さを微調整します。
最も劇的な効果は、光路を乱すオブジェクトがミラーのすぐ前にあるときに見られます。 鏡に触れないように注意しましょう。
最も劇的な効果が得られるのは、光路を乱す物体が鏡のすぐ前にあるときです。 手のひらから出た熱は上に昇り、氷水で冷やされた空気はどんどん沈んでいきます。 熱したハンダごてが燃えているように見える。
セットアップは少し大変ですが、このデモは、驚くほど美しい幾何学的および物理的光学的効果により、非常にやりがいのあるものです。