你有沒有過這種經(jīng)歷，當(dāng)你看到自己的呼吸時(shí)，說明天氣非常的寒冷。

這在冬天特別的明顯，你呼出的氣像是形成一層霧一樣。

可為什么其他溫暖的季節(jié)卻看不到它們呢？

我們有沒有辦法在照片中捕捉到那種呼吸？

你怎么能看到和拍攝一些看不見的東西，比如氣流？

長期以來，這一直引起研究流體流動的科學(xué)家們的興趣。

幸運(yùn)的是，他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一種方法可以實(shí)現(xiàn)拍攝。

什么是紋影成像？

紋影成像是一種利用流體中折射率的變化，來可視化人眼不可見的流體流動的技術(shù)。

該技術(shù)廣泛用于捕獲氣流圖像。

我們現(xiàn)在可以觀看、拍攝照片或拍攝慢動作視頻，了解空氣的流動和行為方式。

紋影成像可用于捕捉從我們身體升起的熱量、從爆裂的氣球中逸出的氦氣或來自子彈的沖擊波。

通過紋影成像，我們甚至可以看到從我們手中升起的熱量

紋影成像背后的原理

紋影成像的工作原理可以通過折射率的概念來解釋。

光速的變化取決于它通過的介質(zhì)。

光在不同密度的介質(zhì)之間移動時(shí)會發(fā)生折射或彎曲。

這種彎曲的程度就是介質(zhì)的折射率。

它是光在真空中的速度與光在介質(zhì)中的速度之比。

折射是鉛筆在部分浸沒時(shí)看起來像彎曲的原因

我們通常說空氣的折射率在 1.0003 左右，但這個(gè)值會根據(jù)空氣的溫度、壓力和成分等因素而變化。

例如，熱空氣的折射率低于冷空氣的折射率。

這就是為什么我們可能會在炎熱的天氣里看到海市蜃樓。

當(dāng)光通過非均勻介質(zhì)時(shí)，它會發(fā)生折射，這意味著它會稍微彎曲到不同的路徑。

介質(zhì)中折射率的這些變化通常被稱為“紋影”，紋影成像讓我們看到了這種變化。

使用這個(gè)工具，我們可以捕捉并更好地理解物體與其周圍空氣的相互作用。

紋影成像的應(yīng)用

通過紋影成像，我們可以在呼氣時(shí)看到自己的呼吸。

我們可以觀察到蠟燭火焰如何與空氣相互作用。

我們可以看到丁烷從打火機(jī)中傾瀉而出，以及當(dāng)我們點(diǎn)燃它時(shí)它周圍的空氣究竟發(fā)生了什么。

紋影成像用于捕捉口罩如何控制我們呼出的空氣，從而幫助控制近年來席卷全球的流行病的蔓延。

看到你的呼吸看起來很酷，但這不是紋影成像的主要應(yīng)用。

紋影成像有助于科學(xué)家更好地了解氣流。

該技術(shù)的主要應(yīng)用之一在于航空領(lǐng)域。

該方法對于幫助我們了解空氣在移動飛機(jī)周圍的行為非常有益。

它可用于捕捉超音速流動中產(chǎn)生的沖擊波的視覺效果。

NASA使用紋影成像技術(shù)來捕捉其超音速飛機(jī)的沖擊波。

這些數(shù)據(jù)將對此類飛機(jī)的未來設(shè)計(jì)開發(fā)大有幫助。

紋影圖像顯示了飛行中兩架超音速飛機(jī)的沖擊波相互作用，由 NASA 捕獲

紋影成像設(shè)置

紋影成像最簡單的設(shè)置有燈、鏡子和相機(jī)或屏幕。

紋影成像設(shè)置

一方面，我們有一個(gè)近似點(diǎn)光源的窄光源。

光線擴(kuò)散開來，照亮我們想要觀察氣流的物體。

然后光被凹面球面鏡或拋物面鏡反射。

反射的光線聚焦到鏡子的焦點(diǎn)上，我們在那里放置了一個(gè)相機(jī)。

如果我們要查看圖像而不是拍照，我們可以在那里放置一個(gè)查看屏幕。

一個(gè)薄而鋒利的刀刃放置在相機(jī)的前面，將反射光的一半切斷。

邊緣阻擋了一些折射光，從而產(chǎn)生具有良好對比度的圖像。

這種刀刃的存在是紋影設(shè)置的一個(gè)決定性特征，這使其與稱為陰影成像的類似技術(shù)區(qū)分開來。

或者，我們可以使用雙色調(diào)濾色器代替邊緣，從而為我們提供顏色漸變的圖像。

從點(diǎn)燃的蠟燭中升起的氣體的彩色紋影圖像

空氣中的不均勻性——密度變化——意味著一些光被折射，而另一些則沒有。

這轉(zhuǎn)化為圖片中的對比度差異，給我們一個(gè)視覺效果。

這種設(shè)置稱為經(jīng)典紋影成像。

也可以使用帶有兩個(gè)鏡子的配置以獲得更好的分辨率。

鏡頭也經(jīng)常被用來代替鏡子。

設(shè)置非常簡單，你甚至可以嘗試在家里自己構(gòu)建一個(gè)！

紋影成像的變化

紋影成像的另一種設(shè)置稱為聚焦紋影系統(tǒng)。

它將點(diǎn)光源換成光源陣列。圖像是在截止網(wǎng)格的幫助下形成的。

這些特性也賦予了它鏡頭和網(wǎng)格紋影成像的名稱。

聚焦紋影設(shè)置

面向背景的紋影成像是另一種用于更大規(guī)模觀察的變體。

當(dāng)我們不能在物體后面放一面鏡子時(shí)，這些就派上用場了，就像我們在上面看到的美國宇航局對超音速飛機(jī)的測試一樣。

在紋影成像的幫助下，我們現(xiàn)在可以看到不可見的東西。

科學(xué)家可以使用這種技術(shù)更好地了解流體流動，我們可以用它來看看蠟燭火焰看起來有多酷，

或者更好地了解口罩如何保護(hù)我們免受致命病毒的侵害！

參考資料：