التصوير الفوتوغرافي بتقنية شليرين

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
صورة فوتوغرافية بتقنية شليرين تُظهر الانضغاط أمام جناح غير مائل عند سرعة ماخ 1.2
صورة شليرين لقذيفة خرطوشة تخرج من ماسورة

التصوير بتقنية شليرين هو عملية تصوير عدم التجانس البصري في الأوساط الشفافة التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، ويُستخدم عادةً لدراسة تدفق السوائل ، مثل تدفق الهواء حول الأجسام في هندسة الطيران . وقد طُوّر نظام التصوير التقليدي بتقنية شليرين عام 1864 على يد الفيزيائي الألماني أوغست توبلر للكشف عن خطوط شليرين (الخطوط، الشرائط) في الزجاج البصري.

تعتمد هذه العملية على تصوير انحرافات أشعة الضوء المنكسرة بفعل سائل متحرك، مما يسمح برؤية التغيرات غير المرئية عادةً في معامل انكسار السائل . [ 1 ] ولأن التغيرات في معدل التدفق تؤثر بشكل مباشر على معامل انكسار السائل، فإنه يمكن بالتالي تصوير معدل تدفق السائل (وكذلك التغيرات الأخرى في الكثافة ودرجة الحرارة والضغط) من خلال رصد التغيرات في معامل انكساره. [ 2 ]

باستخدام عملية التصوير الفوتوغرافي بتقنية شليرين، يمكن أيضًا رؤية تغيرات أخرى غير مرئية في السوائل، مثل تيارات الحمل الحراري ، والموجات المستقرة المستخدمة في الرفع الصوتي . [ 1 ]

النظام البصري الكلاسيكي

تعتمد التقنية التقليدية لنظام شليرين البصري على استخدام ضوء من مصدر واحد متوازي ، يُسلط على جسم مستهدف أو من خلفه. وتؤدي الاختلافات في معامل الانكسار، الناتجة عن تدرجات الكثافة في السائل، إلى تشويه حزمة الضوء المتوازية. ويُحدث هذا التشويه تباينًا مكانيًا في شدة الضوء ، يمكن تصويره مباشرةً باستخدام نظام تصوير الظلال .

التصميم البصري لنظام شليرين أحادي المرآة

تظهر أنظمة التصوير الكلاسيكية بتقنية شليرين في تكوينين، أحدهما بمرآة واحدة والآخر بمرآتين. في كلتا الحالتين، يُضاء جسم شفاف بضوء متوازٍ أو شبه متوازٍ. تتجه الأشعة التي لا تنحرف بفعل الجسم نحو بؤرتها، حيث تُحجب بواسطة حافة حادة. أما الأشعة التي تنحرف بفعل الجسم، فلديها فرصة للمرور عبر الحافة دون أن تُحجب. ونتيجة لذلك، يمكن وضع كاميرا بعد الحافة بحيث تُظهر صورة الجسم تباينات في شدة الضوء بسبب انحرافات الأشعة. والنتيجة هي مجموعة من البقع الفاتحة والداكنة التي تُقابل تدرجات كثافة السائل الموجبة والسالبة في الاتجاه العمودي على الحافة. ​​عند استخدام الحافة الحادة، يُشار إلى النظام عمومًا بنظام شليرين ، الذي يقيس المشتق الأول للكثافة في اتجاه الحافة. ​​أما في حال عدم استخدام الحافة الحادة، فيُشار إلى النظام عمومًا بنظام التصوير الظلي ، الذي يقيس المشتق الثاني للكثافة.

في نظام شليرين ذي المرآتين (يُسمى أحيانًا التكوين Z )، يتم تجميع مصدر الضوء بواسطة المرآة الأولى، ثم يمر الضوء المُجمّع عبر الجسم، ليتم تركيزه لاحقًا بواسطة المرآة الثانية. وهذا يسمح عمومًا بتصوير عالي الدقة (رؤية تفاصيل أدق في الجسم) مقارنةً بالتصوير باستخدام مرآة واحدة.

إذا كان تدفق السائل منتظمًا، ستكون الصورة ثابتة، لكن أي اضطراب سيؤدي إلى التلألؤ ، وهو التأثير اللامع الذي يمكن رؤيته على الأسطح الساخنة في يوم حار. ولتصوير توزيعات الكثافة اللحظية، يمكن استخدام ومضة قصيرة المدة (بدلاً من الإضاءة المستمرة).

نظام بصري للتركيز بتقنية شليرين

في منتصف القرن العشرين،  طوّر ر. أ. بيرتون شكلاً بديلاً من التصوير بتقنية شليرين، والذي يُعرف الآن عادةً باسم شليرين التركيز أو شليرين العدسة والشبكة ، [ 3 ] بناءً على اقتراح من هوبرت شاردان . [ 4 ] تحافظ أنظمة شليرين التركيز عمومًا على الحافة الحادة المميزة لإنتاج التباين، ولكن بدلاً من استخدام ضوء متوازي وحافة حادة واحدة، فإنها تستخدم نمط إضاءة من الحواف المتكررة مع نظام تصوير تركيزي.

رسم تخطيطي أساسي لنظام شليرين للتركيز

تعتمد الفكرة الأساسية على تصوير نمط الإضاءة على نمط قطع متطابق هندسيًا (عبارة عن مجموعة من حواف حادة) باستخدام بصريات تركيز، بينما تُصوَّر تدرجات الكثافة الواقعة بين نمط الإضاءة ونمط القطع، عادةً بواسطة نظام كاميرا. وكما هو الحال في تقنية شليرين التقليدية، تُنتج التشوهات مناطق سطوع أو تعتيم تتوافق مع موضع التشوه واتجاهه، لأنها تُعيد توجيه الأشعة إما بعيدًا عن الجزء المعتم من نمط القطع أو نحوه. في حين أن التشوهات في تقنية شليرين التقليدية تُصوَّر بالتساوي على طول مسار الشعاع، فإن التشوهات في تقنية شليرين المركزة تُصوَّر بوضوح فقط في مجال رؤية الكاميرا. أما التشوهات البعيدة عن مجال رؤية الكاميرا فتصبح ضبابية، لذا تسمح هذه التقنية بدرجة معينة من تحديد العمق. كما تتميز هذه التقنية بإمكانية استخدام مجموعة واسعة من الخلفيات المضيئة، نظرًا لعدم الحاجة إلى التجميع. وهذا يسمح بإنشاء أنظمة شليرين مركزة قائمة على الإسقاط، وهي أسهل بكثير في البناء والمحاذاة من أنظمة شليرين التقليدية. يُعدّ شرط استخدام الضوء المتوازي في تقنية شليرين الكلاسيكية عائقًا عمليًا كبيرًا أمام بناء أنظمة كبيرة، نظرًا لضرورة أن يكون حجم العدسة الموازية مساويًا لحجم مجال الرؤية. ويمكن لأنظمة شليرين البؤرية استخدام عدسات صغيرة الحجم ذات نمط إضاءة خلفية واسع، وهو ما يسهل تحقيقه باستخدام نظام الإسقاط. أما في الأنظمة ذات التصغير الكبير، فيجب أن يكون نمط الإضاءة أكبر بمرتين تقريبًا من مجال الرؤية للسماح بعدم تركيز نمط الإضاءة الخلفية. [ 5 ] [ 6 ]

شهدت تقنية التصوير بالشليرين البؤري عودةً ملحوظةً في الآونة الأخيرة بفضل تطوير أساليب المحاذاة الذاتية. فقد كانت محاذاة هذه الأساليب، في السابق، عائقاً كبيراً أمام استخدامها. [ 7 ] [ 8 ]

تقنيات موجهة نحو الخلفية

الموجات الصدمية الناتجة عن طائرة تي-38 تالون أثناء الطيران باستخدام تقنية شليرين الموجهة للخلفية

طُوّرت تقنية شليرين الموجهة نحو الخلفية ( BOS [ 9 ] [ 10 ] ) في البداية في المركز الألماني لأبحاث الفضاء (DLR) [ 11 ] [ 12 ] . تعتمد هذه التقنية على قياس أو تصوير التحولات في الصور المركزة. في هذه التقنيات، تكون كل من الخلفية وجسم شليرين (التشوه المراد تصويره) في بؤرة التركيز، ويتم الكشف عن التشوه من خلال تحريك جزء من صورة الخلفية بالنسبة إلى موضعها الأصلي. نظرًا لشرط التركيز هذا، تُستخدم هذه التقنية عادةً في التطبيقات واسعة النطاق حيث يكون كل من جسم شليرين والخلفية بعيدين (عادةً ما يتجاوزان مسافة التركيز الفائق للنظام البصري). ولأن هذه الأنظمة لا تتطلب أي بصريات إضافية باستثناء الكاميرا، فهي غالبًا ما تكون الأبسط في التصميم، ولكنها عادةً ما تكون أقل حساسية من أنواع أنظمة شليرين الأخرى، حيث تكون الحساسية محدودة بدقة الكاميرا. تتطلب هذه التقنية أيضًا صورة خلفية مناسبة. في بعض الحالات، قد يُوفّر المُجرِّب الخلفية، مثل نمط بقع عشوائي أو خط حاد، ولكن يمكن أيضًا استخدام معالم طبيعية كالمناظر الطبيعية أو مصادر الضوء الساطعة كالشمس والقمر. [ 13 ] غالبًا ما تُجرى تقنية شليرين الموجهة نحو الخلفية باستخدام تقنيات برمجية مثل ارتباط الصور الرقمية وتحليل التدفق البصري [ 14 ] لإنشاء شليرين اصطناعي ، ولكن من الممكن تحقيق التأثير نفسه في تصوير الخطوط باستخدام نظام بصري تناظري.

يمكن استخدام خوارزميات التدفق البصري لمعالجة بيانات BOS لأنها توفر دقة عالية [ 15 ] [ 16 ] .

الاختلافات والتطبيقات

تشمل التعديلات على طريقة شليرين البصرية استبدال الحافة الحادة بهدف ملون، مما ينتج عنه شليرين قوس قزح يُساعد في تصوير التدفق. كما تُتيح تكوينات الحواف المختلفة، مثل الحلقات متحدة المركز، حساسيةً لاتجاهات التدرج المتغيرة، وقد تم إثبات توليد الحواف الرقمية القابلة للبرمجة باستخدام شاشات العرض الرقمية والمعدِّلات. يُعد مستشعر جبهة الموجة الهرمي ذو البصريات التكيفية شكلاً مُعدَّلاً من شليرين (يحتوي على حافتين حادتين متعامدتين تتكونان من رؤوس هرم مربع كاسر للضوء).

يمكن بناء أنظمة شليرين البصرية الكاملة من مكوناتها، أو شراؤها كأجهزة متوفرة تجاريًا. ترد تفاصيل النظرية والتشغيل في كتاب سيتلز الصادر عام 2001. [ 17 ] أنتج الاتحاد السوفيتي في السابق عددًا من أنظمة شليرين المتطورة القائمة على مبدأ تلسكوب ماكسوتوف ، ولا يزال العديد منها موجودًا في الاتحاد السوفيتي السابق والصين.

تُستخدم تقنية التصوير الشليري لتصوير تدفقات الأوساط الشفافة (وبالتالي، لا يمكن رؤية حركتها مباشرةً)، والتي تُشكّل تدرجات في معامل الانكسار، تظهر في صور الشليري إما كظلال رمادية أو حتى ملونة. وتنتج هذه التدرجات إما عن تغيرات في درجة حرارة/ضغط السائل نفسه، أو عن تغيرات في تركيز مكونات المخاليط والمحاليل. ومن التطبيقات الشائعة في ديناميكا الغازات دراسة الموجات الصدمية في المقذوفات والمركبات الأسرع من الصوت أو فرط الصوتية. كما يُمكن تصوير التدفقات الناتجة عن التسخين، أو الامتصاص الفيزيائي [ 18 ] ، أو التفاعلات الكيميائية. وبالتالي، يُمكن استخدام تقنية التصوير الشليري في العديد من المسائل الهندسية، مثل انتقال الحرارة، والكشف عن التسرب، ودراسة انفصال الطبقة الحدية، وتوصيف البصريات.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 عروض توضيحية لمحاضرات العلوم الطبيعية بجامعة هارفارد .
  2. ↑ رولف فولو 2015 .
  3. ↑ بيرتون، رالف أ. (1949-11-01). "جهاز شليرين مُعدَّل لمساحات واسعة من المجال". مجلة الجمعية البصرية الأمريكية . 39 (11). الجمعية البصرية: 907. رمز Bibcode : 1949JOSA...39..907B . doi : 10.1364/josa.39.000907 . ISSN 0030-3941 . PMID 15393811 .  
  4. ^ شاردين ، هوبرت (1942). "Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften . المجلد. 20. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. ص 303 – 439. دوى : 10.1007 / bfb0111981 . رقم ISBN   978-3-540-77206-4.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  5. ↑ غولدينغ، جيه إس (2006). دراسة لأنظمة شليرين التركيزية واسعة النطاق (رسالة ماجستير). جامعة ويتواترسراند.
  6. ↑ وينشتاين، إل إم (2010). "مراجعة وتحديث لتقنية شليرين بالعدسة والشبكة وتقنية شليرين بكاميرا الحركة". المجلة الأوروبية للفيزياء - مواضيع خاصة . 182 (1). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م: 65-95 . رمز Bibcode : 2010EPJST.182...65W . doi : 10.1140/epjst/e2010-01226-y . ISSN 1951-6355 . S2CID 120530340 .  
  7. ↑ وايزبرغر، جوشوا م.؛ باثيل، بريت ف. (يناير 2022). "نظام شليرين للتركيز ذاتي المحاذاة بمصدر واحد/شبكة قطع" . تجارب في السوائل . 63 (2): 38. doi : 10.1007/s00348-022-03383-w (غير نشط في 1 مايو 2026).{{cite journal}}: صيانة CS1: رقم التعريف الرقمي غير نشط اعتبارًا من مايو 2026 ( رابط )
  8. ↑ سيام، شروك؛ جاسال، غوريش راج؛ شميدت، برايان إي. (2025-04-02). "دراسة تجريبية حول تأثير ترسيب طاقة الليزر في نفاثة متمددة بشكل مفرط" . تجارب في الموائع . 66 (4): 82. Bibcode : 2025ExFl...66...82S . doi : 10.1007/s00348-025-04008-x .
  9. ↑ ماركوس رافيل (2015-03-06). "تقنيات شليرين الموجهة نحو الخلفية (BOS)" . تجارب في السوائل . المجلد 56، العدد 3. doi : 10.1007/s00348-015-1927-5 . تاريخ الاسترجاع: 2025-08-20 .  
  10. ↑ لي، هو؛ ما، تشوانغتشوانغ؛ تشو، هايدونغ (2023). "طريقة تقدير إزاحة صورة شليرين الموجهة نحو الخلفية بناءً على التدفق البصري العالمي". قياس التدفق والأجهزة . 93 102420. Bibcode : 2023FloMI..9302420L . doi : 10.1016/j.flowmeasinst.2023.102420 .
  11. ↑ "عملية قياس شليرين، جي إي إيه ماير، دي إل آر، 1999. براءات اختراع . تم الاطلاع عليه: 1 ديسمبر 2025.
  12. ↑ "الكشف عن تدرجات الكثافة المكانية أو حقول الدوامات حول الطائرات، إم رافيل وآخرون، مركز الفضاء الألماني، 2000. براءات الاختراع . تم الاسترجاع: 1 ديسمبر 2025.
  13. ↑ كامليت، مات (13 أبريل 2016). "أبحاث الموجات الصدمية الفوتوغرافية تصل إلى آفاق جديدة مع رحلات بوسكو" . موقع ناسا الإلكتروني . تاريخ الاسترجاع: 5 مايو 2016 .
  14. ↑ "تقنية شليرين الموجهة للخلفية من جو إلى جو، جيه تي هاينك، ناسا أميس، 2016. براءات الاختراع . تم الاسترجاع: 1 ديسمبر 2025.
  15. ↑ جاسال، جوريش راج؛ ثيليكي، ويليام؛ شميدت، برايان إي. (أكتوبر 2025). "خوارزمية التدفق البصري مع ضبط تلقائي للمعلمات لقياس سرعة السوائل" . مجلة برمجيات البحث المفتوح . 13 (1): 22. doi : 10.5334/jors.584 .
  16. ↑ شميدت، برايان إي؛ وويك، مارك ر. (أغسطس 2021). "تحليل التدفق البصري القائم على الموجات الصغيرة لمعالجة صور شليرين الموجهة نحو الخلفية" . مجلة AIAA . 59 (8): 3209-3216 . Bibcode : 2021AIAAJ..59.3209S . doi : 10.2514/1.J060218 .
  17. ↑ سيتلز، جي إس (2001). تقنيات شليرين والتصوير الظلي: تصوير الظواهر في الوسائط الشفافة . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. doi : 10.1007/978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7. S2CID 135790075 . 
  18. ↑ أوخوتسيمسكي، أندريه؛ هوزاوا، ميتسونوري (1998). "تصوير الحمل الحراري الطبيعي في الأنظمة الثنائية الغازية السائلة باستخدام تقنية شليرين". مجلة علوم الهندسة الكيميائية . 53 (14). دار النشر إلسيفير: 2547-2573 . رمز Bibcode : 1998ChEnS..53.2547O . doi : 10.1016/s0009-2509(98)00092-x . ISSN 0009-2509 .