슐리렌 사진술
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1. 개요
슐리렌 사진술은 투명한 매질 내의 밀도 구배로 인한 굴절률 변화를 시각화하는 광학 기술이다. 주로 평행광선을 사용하여 물체를 통과시킨 후, 굴절된 빛의 세기 변화를 감지하여 이미지화한다. 슐리렌 시스템은 칼날을 사용하여 밀도의 1차 미분을 측정하고, 섀도그래프 시스템은 칼날 없이 밀도의 2차 미분을 측정한다. 두 거울을 사용하는 슐리렌 시스템은 더 높은 해상도를 제공하며, 난류와 같은 요인으로 인해 이미지의 반짝임이 발생할 수 있다. 변형된 기술로는 레인보우 슐리렌, 집속 슐리렌, 배경 지향 슐리렌(BOS) 등이 있으며, 가스 역학, 열 전달, 누출 감지 등 다양한 분야에 응용된다.
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| 슐리렌 사진술 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 광학 이미징 기술 |
| 발명가 | 아우구스트 툽플러 |
| 발명 연도 | 1864년 |
| 관련 항목 | 사진술 유체 역학 광학 간섭계 |
| 상세 정보 | |
| 원리 | 굴절률의 변화 감지 빛의 편향 측정 |
| 응용 분야 | 항공 공학 의학 산업 공정 보안 과학 교육 |
| 장점 | 비침습적 측정 가능 실시간 시각화 가능 |
| 단점 | 높은 감도 요구 |
| 역사 | |
| 개발 | 1864년 아우구스트 툽플러가 개발 |
| 초기 목적 | 광학 렌즈의 결함 검출 |
| 작동 원리 | |
| 기본 개념 | 굴절률 변화에 따른 빛의 편향 |
| 핵심 요소 | 광원 렌즈 또는 거울 (콜리메이팅) 나이프 에지 또는 슬릿 이미징 시스템 |
| 과정 | 광원에서 나온 빛이 평행하게 정렬됨 빛이 검사 영역을 통과하면서 굴절됨 굴절된 빛이 나이프 에지 또는 슬릿에 의해 걸러짐 이미징 시스템을 통해 굴절 패턴이 시각화됨 |
| 응용 분야 | |
| 항공 공학 | 항공기 주변의 공기 흐름 시각화 |
| 의학 | 호흡 패턴 연구 |
| 산업 공정 | 열 흐름 및 혼합 공정 모니터링 |
| 보안 | 숨겨진 물체 감지 |
| 과학 교육 | 물리적 현상 시각화 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 비침습적 측정 가능 실시간 시각화 가능 다양한 환경에서 사용 가능 |
| 단점 | 높은 감도 요구 광학적 정렬 필요 배경 잡음 영향 |
| 변형 | |
| 종류 | 컬러 슐리렌 배경 지향 슐리렌 (BOS) 디지털 슐리렌 |
| 같이 보기 | |
| 관련 기술 | 그림자 사진 간섭계 유동 가시화 |
2. 슐리렌 사진술의 원리
고전적인 슐리렌 사진술 시스템은 단일 평행광선 광원에서 나온 빛을 목표 물체에 비추거나 그 뒤에서 비추는 방식으로 구현된다. 유체 내의 밀도 구배로 인해 발생한 굴절률 변화는 평행광선 광선을 왜곡시킨다. 이러한 왜곡은 빛의 세기에 공간적 변화를 생성하며, 이는 섀도그래프 시스템으로 직접 시각화할 수 있다.
고전적인 슐리렌 이미징 시스템은 하나 또는 두 개의 거울을 사용하는 두 가지 구성으로 나타난다. 각 경우, 투명한 물체는 평행광선 또는 거의 평행광선으로 조명된다. 물체에 의해 굴절되지 않은 광선은 초점으로 이동하며, 여기서 칼날에 의해 차단된다. 물체에 의해 굴절된 광선은 차단되지 않고 칼날을 통과할 수 있다. 결과적으로, 칼날 뒤에 카메라를 배치하여 물체의 이미지가 광선의 굴절로 인한 세기 변화를 나타내도록 할 수 있다. 그 결과는 칼날 방향에 수직인 방향으로 유체의 양수 및 음수 밀도 구배에 해당하는 밝고 어두운 패치의 집합이다. 칼날을 사용하는 경우, 시스템은 일반적으로 칼날 방향으로 밀도의 1차 미분을 측정하는 ''슐리렌 시스템''이라고 한다. 칼날을 사용하지 않는 경우, 시스템은 일반적으로 밀도의 2차 미분을 측정하는 ''섀도그래프 시스템''이라고 한다.
두 거울 슐리렌 시스템(때로는 ''Z-구성''이라고 함)에서 광원은 첫 번째 거울에 의해 평행광선이 되고, 평행광선은 물체를 통과한 다음 두 번째 거울에 의해 초점을 맞춘다. 이것은 일반적으로 단일 거울 구성을 사용하는 것보다 더 높은 해상도 이미징(물체의 더 미세한 세부 사항을 관찰)을 가능하게 한다.
유체 흐름이 균일하면 이미지는 안정적이지만, 모든 난류는 반짝임을 유발하며, 이는 뜨거운 날에 가열된 표면에서 볼 수 있는 아지랑이 효과이다. 순간 밀도 프로파일을 시각화하기 위해, 지속적인 조명 대신 짧은 지속 시간의 플래시를 사용할 수 있다.
2. 1. 고전적인 슐리렌 시스템
고전적인 슐리렌 사진술 시스템은 단일 평행광선 광원에서 나온 빛을 목표 물체에 비추거나 그 뒤에서 비추는 방식으로 구현된다. 유체 내의 밀도 구배로 인해 발생한 굴절률 변화는 평행광선 광선을 왜곡시킨다. 이러한 왜곡은 빛의 세기에 공간적 변화를 생성하며, 이는 섀도그래프 시스템으로 직접 시각화할 수 있다.
고전적인 슐리렌 이미징 시스템은 하나 또는 두 개의 거울을 사용하는 두 가지 구성으로 나타난다. 각 경우, 투명한 물체는 평행광선 또는 거의 평행광선으로 조명된다. 물체에 의해 굴절되지 않은 광선은 초점으로 이동하며, 여기서 칼날에 의해 차단된다. 물체에 의해 굴절된 광선은 차단되지 않고 칼날을 통과할 수 있다. 결과적으로, 칼날 뒤에 카메라를 배치하여 물체의 이미지가 광선의 굴절로 인한 세기 변화를 나타내도록 할 수 있다. 그 결과는 칼날 방향에 수직인 방향으로 유체의 양수 및 음수 밀도 구배에 해당하는 밝고 어두운 패치의 집합이다. 칼날을 사용하는 경우, 시스템은 일반적으로 칼날 방향으로 밀도의 1차 미분을 측정하는 ''슐리렌 시스템''이라고 한다. 칼날을 사용하지 않는 경우, 시스템은 일반적으로 밀도의 2차 미분을 측정하는 ''섀도그래프 시스템''이라고 한다.
두 거울 슐리렌 시스템(때로는 ''Z-구성''이라고 함)에서 광원은 첫 번째 거울에 의해 평행광선이 되고, 평행광선은 물체를 통과한 다음 두 번째 거울에 의해 초점을 맞춘다. 이것은 일반적으로 단일 거울 구성을 사용하는 것보다 더 높은 해상도 이미징(물체의 더 미세한 세부 사항을 관찰)을 가능하게 한다.
유체 흐름이 균일하면 이미지는 안정적이지만, 모든 난류는 반짝임을 유발하며, 이는 뜨거운 날에 가열된 표면에서 볼 수 있는 아지랑이 효과이다. 순간 밀도 프로파일을 시각화하기 위해, 지속적인 조명 대신 짧은 지속 시간의 플래시를 사용할 수 있다.
점광원의 빛을 콜리메이터(볼록 렌즈나 오목 거울)로 평행광선으로 만들어 대상 물체를 통과시키고, 다시 콜리메이터를 통과시키면 한 점에 집광되지만, 대상 물체에 굴절률의 불균일이 있으면 광선의 파면이 왜곡되므로 초점이 어긋난다. 그래서 초점 위치에 나이프 엣지를 놓으면, 어긋난 빛이 차단되므로, 굴절률의 불균일을 명암으로 관찰할 수 있다.
비행 중인 항공기를 관측할 때는 태양을 광원으로 사용하지만 촬영은 태양면 통과 시에 한정되어 있었다. 2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터에 의해 필터를 이용하여 여러 번의 촬영을 가능하게 한 『배경 지향 슈리렌(BOS)법』이 개발되었다[10]。
2. 2. 집속 슐리렌 시스템 (Focusing schlieren system)
20세기 중반, R. A. 버튼은 후베르트 샤르딘의 제안에 따라 슐리렌 사진술의 대안적 형태를 개발했는데, 이는 현재 일반적으로 ''집속 슐리렌'' 또는 ''렌즈-및-격자 슐리렌''이라고 불린다.[1] 집속 슐리렌 시스템은 대비를 생성하기 위해 특징적인 나이프 엣지를 유지하지만, 평행광과 단일 나이프 엣지를 사용하는 대신, 집속 이미징 시스템을 갖춘 반복적인 엣지 조명 패턴을 사용한다.
집속 슐리렌은 조명 패턴이 집속 광학계를 사용하여 기하학적으로 일치하는 컷오프 패턴(본질적으로 여러 개의 나이프 엣지)에 이미지화되는 반면, 조명 패턴과 컷오프 패턴 사이에 있는 밀도 기울기는 일반적으로 카메라 시스템에 의해 이미지화된다는 것이 기본 원리이다. 고전적인 슐리렌과 마찬가지로, 왜곡은 왜곡의 위치와 방향에 따라 밝아지거나 어두워지는 영역을 생성하는데, 이는 컷오프 패턴의 불투명한 부분에서 광선을 멀어지게 하거나 그 위에 닿게 하기 때문이다. 고전적인 슐리렌에서는 전체 빔 경로에 걸쳐 왜곡이 동일하게 시각화되는 반면, 집속 슐리렌에서는 카메라의 피사계 심도 내의 왜곡만 명확하게 이미지화된다. 피사계 심도에서 벗어난 왜곡은 흐릿해지므로 이 기술은 어느 정도의 깊이 선택을 허용한다. 또한 평행광이 필요하지 않기 때문에 다양한 조명 배경을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 투영 기반 집속 슐리렌 시스템을 구축할 수 있는데, 이는 고전적인 슐리렌 시스템보다 구축하고 정렬하기가 훨씬 쉽다. 고전적인 슐리렌에서 평행광의 요구 사항은 조명 광학 장치의 크기가 시야와 동일해야 하기 때문에 대형 시스템을 구축하는 데 실질적인 상당한 장벽이 되는 경우가 많다. 집속 슐리렌 시스템은 큰 배경 조명 패턴을 갖춘 소형 광학 장치를 사용할 수 있으며, 이는 투영 시스템으로 특히 쉽게 생성할 수 있다. 감쇠율이 큰 시스템의 경우, 배경 패턴의 초점을 벗어나게 하려면 조명 패턴이 시야보다 약 두 배 더 커야 한다.[3][4]
점광원의 빛을 콜리메이터(볼록 렌즈나 오목 거울)로 평행광선으로 만들어 대상 물체를 통과시키고, 다시 콜리메이터를 통과시키면 한 점에 집광되지만, 대상 물체에 굴절률의 불균일이 있으면 광선의 파면이 왜곡되므로 초점이 어긋난다. 그래서 초점 위치에 나이프 엣지를 놓으면, 어긋난 빛이 차단되므로, 굴절률의 불균일을 명암으로 관찰할 수 있다.
2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터에 의해 필터를 이용하여 여러 번의 촬영을 가능하게 한 『배경 지향 슈리렌(BOS)법』이 개발되었다[10]。
2. 3. 배경 지향 슐리렌 기법 (Background-oriented schlieren, BOS)
배경 지향 슐리렌 기법(Background-oriented schlieren, BOS)은 초점이 맞춰진 이미지의 이동을 측정하여 시각화하는 기법이다.[5] 이 기법에서는 배경과 슐리렌 객체(시각화할 왜곡)가 모두 초점이 맞춰져 있으며, 슐리렌 객체에 의한 배경 이미지의 이동을 통해 굴절률 변화를 감지한다. 이러한 초점 요구 사항 때문에 슐리렌 객체와 배경이 모두 멀리 떨어져 있는 대규모 응용 분야에 주로 사용된다.이러한 시스템은 카메라 외에 추가 광학 장치가 필요하지 않아 구성이 간단하지만, 다른 유형의 슐리렌 시스템만큼 민감하지 않으며 감도는 카메라 해상도에 의해 제한된다. 또한, 적절한 배경 이미지가 필요하다. 임의의 얼룩 패턴이나 날카로운 선과 같은 배경을 실험자가 제공할 수도 있지만, 풍경이나 태양, 달과 같은 밝은 광원을 포함한 자연 발생 특징을 사용할 수도 있다.[6]
배경 지향 슐리렌은 디지털 이미지 상관 및 광학 흐름 분석과 같은 소프트웨어 기법을 사용하여 합성 슐리렌을 수행하는 경우가 많다. 아날로그 광학 시스템을 사용한 스트릭 이미징에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
비행 중인 항공기를 관측할 때 태양을 광원으로 사용하지만, 촬영은 태양면 통과 시에 한정되어 있었다. 2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터는 필터를 이용하여 여러 번의 촬영을 가능하게 한 배경 지향 슐리렌(BOS)법을 개발하였다.[10]
3. 슐리렌 사진술의 변형 및 응용
광학 슐리렌 방법의 변형에는 칼날을 색상 표적으로 대체하는 것이 포함되며, 이는 흐름을 시각화하는 데 도움이 될 수 있는 ''레인보우 슐리렌''을 생성한다.[7] 동심원과 같은 다른 가장자리 구성은 다양한 기울기 방향에 대한 감도를 제공할 수 있으며, 디지털 디스플레이 및 변조기를 사용하여 프로그래밍 가능한 디지털 가장자리 생성도 시연되었다. 적응 광학 피라미드 파면 센서는 슐리렌의 수정된 형태이다(굴절 사각 피라미드의 꼭지점으로 형성된 두 개의 수직 칼날을 가짐).
완전한 슐리렌 광학 시스템은 구성 요소로 구축하거나 상업적으로 사용 가능한 기기로 구매할 수 있다. 이론 및 작동에 대한 세부 사항은 Settles의 2001년 저서에 나와 있다.[7] 소련은 한때 막수토프 망원경 원리를 기반으로 한 정교한 슐리렌 시스템을 다수 생산했으며, 그 중 상당수가 구 소련과 중국에서 여전히 사용되고 있다.
슐리렌 사진술은 투명한 매체의 흐름을 시각화하는 데 사용된다(따라서, 그 움직임은 직접적으로 볼 수 없지만), 굴절률 기울기를 형성하며, 이는 슐리렌 이미지에서 회색 음영 또는 심지어 색상으로 나타납니다. 굴절률 기울기는 동일한 유체의 온도/압력 변화 또는 혼합물 및 용액의 성분 농도 변화에 의해 발생할 수 있다. 가스 역학의 일반적인 응용 분야는 탄도 및 초음속 또는 극초음속 차량에서 충격파 연구이다. 가열, 물리적 흡수[8] 또는 화학 반응에 의해 발생하는 흐름을 시각화할 수 있다. 따라서 슐리렌 사진술은 열 전달, 누출 감지, 경계층 박리 연구 및 광학 특성 분석과 같은 많은 엔지니어링 문제에 사용할 수 있다.
점광원의 빛을 콜리메이터(볼록 렌즈나 오목 거울)로 평행광선으로 만들어 대상 물체를 통과시키고, 다시 콜리메이터를 통과시키면 한 점에 집광되지만, 대상 물체에 굴절률의 불균일이 있으면 광선의 파면이 왜곡되므로 초점이 어긋난다. 그래서 초점 위치에 나이프 엣지를 놓으면, 어긋난 빛이 차단되므로, 굴절률의 불균일을 명암으로 관찰할 수 있다.
비행 중인 항공기를 관측할 때는 태양을 광원으로 사용하지만 촬영은 태양면 통과 시에 한정되어 있었다. 2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터에 의해 필터를 이용하여 여러 번의 촬영을 가능하게 한 『배경 지향 슈리렌(BOS)법』이 개발되었다[10]。
3. 1. 레인보우 슐리렌
레인보우 슐리렌은 칼날 대신 색상 표적을 사용하여 흐름을 시각화하는 광학 슐리렌 방법의 변형이다.[7] 이는 흐름을 시각화하는 데 도움이 될 수 있다. 동심원과 같은 다른 가장자리 구성은 다양한 기울기 방향에 대한 감도를 제공할 수 있으며, 디지털 디스플레이 및 변조기를 사용한 프로그래밍 가능한 디지털 가장자리 생성도 시연되었다. 적응 광학 피라미드 파면 센서는 슐리렌의 수정된 형태이다.[7]3. 2. 기타 변형
광학 슐리렌 방법의 변형에는 칼날을 색상 표적으로 대체하는 것이 포함되며, 이는 흐름을 시각화하는 데 도움이 될 수 있는 ''레인보우 슐리렌''을 생성한다.[7] 동심원과 같은 다른 가장자리 구성은 다양한 기울기 방향에 대한 감도를 제공할 수 있으며, 디지털 디스플레이 및 변조기를 사용하여 프로그래밍 가능한 디지털 가장자리 생성도 시연되었다.[7] 적응 광학 피라미드 파면 센서는 슐리렌의 수정된 형태이다(굴절 사각 피라미드의 꼭지점으로 형성된 두 개의 수직 칼날을 가짐).[7]3. 3. 응용 분야
슐리렌 사진술은 투명한 매체 내에서 굴절률 변화를 시각화하여 흐름을 관찰하는 데 사용된다.[7] 굴절률 기울기는 동일 유체의 온도/압력 변화, 혼합물 및 용액의 성분 농도 변화에 의해 발생할 수 있다. 가스 역학 분야에서는 탄도학 및 초음속/극초음속 차량의 충격파 연구에 주로 활용된다. 가열, 물리적 흡수[8], 화학 반응에 의한 흐름도 시각화할 수 있다.이러한 원리를 바탕으로 슐리렌 사진술은 열 전달, 누출 감지, 경계층 박리 연구, 광학 특성 분석 등 다양한 공학 문제에 응용된다.[7]
미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터는 2015년 배경 지향 슐리렌(BOS)법을 개발하여 비행 중인 항공기의 충격파를 관측하는 기술을 발전시켰다.[10]
4. 슐리렌 사진술의 역사와 발전
슐리렌 사진술은 점광원의 빛을 콜리메이터(볼록 렌즈나 오목 거울)로 평행광선으로 만들어 대상 물체를 통과시키고, 다시 콜리메이터를 통과시켜 한 점에 집광하는 원리를 이용한다. 대상 물체에 굴절률 불균일이 있으면 광선 파면이 왜곡되어 초점이 어긋나는데, 이때 초점 위치에 나이프 엣지를 놓으면 어긋난 빛이 차단되어 굴절률의 불균일을 명암으로 관찰할 수 있다.
비행 중인 항공기를 관측할 때는 태양을 광원으로 사용했지만, 촬영은 태양면 통과 시에 한정되어 있었다. 2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터는 필터를 이용하여 여러 번 촬영을 가능하게 한 배경 지향 슐리렌(BOS)법을 개발했다.[10]
5. 한국의 슐리렌 사진술 연구
참조
[1]
논문
A Modified Schlieren Apparatus for Large Areas of Field
The Optical Society
1949-11-01
[2]
서적
Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften
Springer Berlin Heidelberg
[3]
학위논문
A Study of Large-Scale Focusing Schlieren Systems
http://wiredspace.wi[...]
University of Witwatersrand
[4]
논문
Review and update of lens and grid schlieren and motion camera schlieren
Springer Science and Business Media LLC
[5]
논문
Background oriented schlieren image displacement estimation method based on global optical flow
2023
[6]
웹사이트
Photographic Shockwave Research Reaches New Heights with BOSCO Flights
https://www.nasa.gov[...]
2016-04-13
[7]
서적
Schlieren and shadowgraph techniques: Visualizing phenomena in transparent media
Springer Berlin Heidelberg
[8]
논문
Schlieren visualization of natural convection in binary gas–liquid systems
Elsevier BV
[9]
서적
大人 も 知らない？続 ふしぎ 現象 事典
マイクロマガジン社
2023
[10]
웹사이트
Ground-Based Schlieren Technique Looks to the Sun and Moon
https://www.nasa.gov[...]
NASA
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