Un sistema óptico Schlieren simple y económico usando una lente Fresnel

La imagenología de Schlieren es una técnica óptica bastante estándar para visualizar las diferencias de calor, sonido o presión en el aire. Técnicamente, un sistema schlieren es capaz de ver claramente las perturbaciones en el aire debido a pequeñas diferencias en la velocidad de la luz en el aire. La técnica puede ser lo suficientemente sensible como para ver el calor que se eleva de una mano humana a temperatura ambiente.
Los sistemas schlieren de alta calidad suelen utilizar grandes espejos ópticos que son caros y están por encima del presupuesto de la mayoría de las clases de óptica. Aquí presentaré el diseño más simple para un sistema que cualquier estudiante puede construir, alinear y experimentar.
Este sencillo diseño utiliza una lente de Fresnel de plástico. Una lente de Fresnel es una lente plana que se encuentra más comúnmente en los retroproyectores. Las lentes históricas de Fresnel se utilizaban para aplicaciones de recolección de luz en las que la imagen no dependía de la calidad de la lente. La primera lente Fresnel fue diseñada para un faro.
En los últimos años, la óptica de Fresnel ha mejorado, así que era hora de ver si una lente de Fresnel se podía utilizar en un sistema de schlieren. El interés real de una lente de Fresnel es que la lente tiene una gran apertura transparente – esto significa que se pueden probar objetos relativamente grandes en esta área. Las lentes de alta calidad con una apertura transparente de 250 mm son muy caras.
La lente ideal para un sistema de schlieren simple está entre /4 y /8. El número de la lente es simplemente la relación de la longitud focal de la lente dividida por la apertura transparente de la lente. La mayoría de los lentes de Fresnel tienen un número f muy bajo y no son deseables para los sistemas de schlieren. Los fabricantes modernos ofrecen lentes de /4.
Para probar algunas de estas lentes pedí una a un fabricante chino que estaba vendiendo excedentes ópticos en una popular subasta en línea. No he podido encontrar una fuente estadounidense de una óptica similar (si la encuentras, por favor, deja una nota en los comentarios de abajo). Mi precio por un lente de 250 mm de diámetro con una distancia focal de 1.000 mm era sólo de 20 dólares. Esta lente de Fresnel /4 sería perfecta para probarla en un sistema de schlieren simple.
Este diseño en particular se denomina disposición de schlieren de lente de campo único de Toepler y se considera una disposición de schlieren básica para construir. El equipo necesario es: 1 es la fuente de luz, 2 es la lente de Fresnel, 3 es una fuente de calor (el soldador caliente funciona bien), 4 es el filo de un cuchillo, 5 es la cámara y la lente.
Los rayos negros del diagrama anterior representan rayos de la fuente de luz que no interactúan con ninguna fuente de calor y que son bloqueados por el filo de la cuchilla. El rayo rojo representa los rayos de luz que han sido doblados por la fuente de calor y son vistos por la cámara. El filo del cuchillo no tiene que ser un borde afilado – una hoja de papel negro funciona bien y probablemente es más seguro para los estudiantes que lo usen en un cuarto oscuro. El objetivo de la cámara para mi prueba era un objetivo de 300 mm de Canon y estaba enfocado en el objeto caliente. Para las imágenes de este artículo, usé una vela. En esta configuración, el objeto caliente está en el mismo lado del objetivo que la cámara, por lo que el objetivo puede enfocarse fácilmente en el objeto caliente.
La fuente de luz es un simple LED blanco que funciona con una fuente de alimentación de laboratorio de 5 VDC. Para evitar que el LED se apague, utilicé una resistencia de 330 ohmios en serie para limitar la corriente.
Cuanto mayor sea la distancia de interacción de la fuente de calor en el sistema schlieren, mayor será la sensibilidad del sistema. Esta ubicación es un buen compromiso entre la calidad de la imagen y la sensibilidad. El estudiante debe probar por sí mismo la mejor ubicación de la fuente de calor en el sistema. Mover la fuente de calor a diferentes partes del sistema y probar los resultados es una gran manera de familiarizarse con la sensibilidad del sistema.
Estas imágenes fueron tomadas con un objetivo Canon de 300mm a /2.8 la velocidad del obturador fue de 1/3200 de segundo a ISO 1600. La velocidad de obturación rápida es importante para detener el movimiento. La cámara utilizada aquí fue una Canon 5D MK III. Las motas que se ven en las imágenes de arriba se deben a defectos de fabricación de la lente. Esta lente de Fresnel tiene cientos de superficies posicionadas muy finas que componen la lente – algunas de las superficies no están del todo orientadas en la dirección correcta.
Los resultados de la lente de Fresnel son bastante buenos por el precio. Si usted está buscando un sistema de schlieren barato para la enseñanza, o necesita un sistema con una gran apertura clara, este sistema definitivamente funcionará. No pude ver que el calor se elevara de una mano humana. Esto demuestra que el sistema no tiene la sensibilidad para visualizar pequeñas cantidades de calor. Este es un buen sistema para que los estudiantes aprendan la técnica. Los efectos schlieren de una vela, un soldador, un encendedor y el aire de caña fueron todos fáciles de observar y fotografiar con este sistema.
La fórmula de la lente delgada de la óptica se puede utilizar para determinar dónde se enfocará la luz, así como para averiguar si el experimento encajará en el espacio de su laboratorio.
Los sistemas Schlieren son una gran manera de visualizar pequeños cambios en el índice de refracción (n) del aire. El índice de refracción de un material es la relación entre la velocidad de la luz en un material (aire) y la velocidad de la luz en el vacío.
Cuanto mayor sea el valor, más fácil será para un sistema de schlieren detectar la diferencia. El índice de refracción del aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 1,0003 y cambia a 1,0002 cuando la temperatura se incrementa en 100°C. La velocidad de la luz es aproximadamente un 0,01% mayor en el aire caliente en comparación con el aire a temperatura ambiente.
Si un sistema schlieren puede ver el calor de una mano humana, entonces el sistema se considera muy sensible y bien alineado. Los diferentes gases también tendrán un índice de refracción diferente al del aire, gases como el dióxido de carbono y el helio son fáciles de detectar en el aire con un simple sistema de schlieren.
Referencias: Técnicas de Schlieren y Sombra por G.S. Settles.
Sobre el autor: Ted Kinsman es el receptor del premio Schmidt o de las contribuciones sobresalientes al progreso de las biocomunicaciones en 2019. Kinsman ha trabajado como ingeniero óptico, físico e instructor de física antes de unirse al Departamento de Ciencias Fotográficas del RIT. Su trabajo ha aparecido en The Discovery Channel, Crime Scene Investigations (CSI), The X-Files, South Park, The Tyra Banks Show, y las series de The Frozen Planet. Kinsman es actualmente profesor asociado en la escuela de Artes y Ciencias Fotográficas (SPAS) donde enseña Instrumentación Fotográfica, Microscopia Electrónica de Barrido y Alta Velocidad de Imagen. Su libro más reciente es Cannabis: Marihuana bajo el microscopio.
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