《紋影與陰影技術:透明介質中的可視化紋影與陰影技術》回顧了紋影與陰影技術的發(fā)展歷史,闡述了相關的基本概念,從經典的Toepler紋影技術人手,引入典型的系統(tǒng)參數(shù)及其分析方法;介紹了,大視場與聚焦紋影方法,以及彩色紋影、立體紋影和紋影干涉等特種紋影技術;針對陰影技術進行了詳細介紹;介紹了直接、聚焦和特殊陰影成像技術;結合實際應用,介紹了紋影與陰影光學組件、系統(tǒng)構建和成像方法等具體實驗的實施;介紹了紋影與陰影技術在生產生活各個領域內的具體應用;對分光法、柵格刀口方法、圖像測速和定量陰影等定量評價方法進行了介紹;總結并展望了紋影與陰影技術發(fā)展的未來、
《紋影與陰影技術:透明介質中的可視化紋影與陰影技術》可供從事流動顯示及其相關領域研究的科研和教學人員參考、
此處用法語講得最通。microskopie(顯微術)與telescopie(望遠術)來自于法語中“strioscopie”和“ombroscopie”,介于二者之間即是紋影與陰影技術,英語單詞為“schlieren”和“shadowgraph”。這些光學方法屬于近親,產生和發(fā)展都很相似,而且由相同的光學結構組成。介紹顯微鏡和望遠鏡的書籍數(shù)以千計,然而目前卻沒有一本介紹紋影和陰影成像的書,這正是我寫此書的首要理由。
與顯微鏡和望遠鏡不一樣的是,紋影和陰影儀器不能顯示大小與距離的相關信息。然而,它們卻能使我們看見很多不可見的,如空氣、水以及玻璃這些透明介質中的不均勻性。平時,這些透明介質“幽靈”般地扭曲了我們的視線。
許多書都簡要地介紹了這些技術,但是目前最完整、最先進的設備卻鮮為人知。因此,我或許在此應該向JamesJeans先生解釋聲明:書里絕大部分內容是Schardin工作的復述,同時包括該技術在當前最新的發(fā)展情況②。
本書闡述更多的是實用的指導與思維方法,而不是全面徹底的理論敘述(這需要單獨一本書才能完成)。在西方國家,不像望遠鏡和顯微鏡,紋影和陰影系統(tǒng)需要組建,因此很難買到這些系統(tǒng)。盡管組裝該系統(tǒng)并不難,但因缺少實驗經驗,結果往往不理想。因此,第7章介紹了一些實際操作經驗,如挑選組件、組裝以及調試。第8章介紹了怎樣組裝紋影系統(tǒng)。
本書以視覺為主題。僅在流體力學方面,書中就列舉了大量各式各樣的光學圖像,讀者可以從那些光學圖像中清晰地看到各種控制方程的非線性以及多樣化。其中一些研究者獲得的實驗結果(例如Toepler、Mach與Salcher、Sabine、Cranz與Schardin以及Brown與Roshko)引發(fā)了整個研究領域的研究熱情。所以,僅僅從字面上來呈現(xiàn)一個視覺主題是荒謬的,于是我盡最大努力尋找最好的紋影與陰影圖像來輔助解釋。同事們的支持以及我個人的幸運使我有幸獲得了許多經典的圖片,對這些圖片的貢獻者深表謝意。但即使是SirKennethClark也不得不承認,有些他十分欣賞的圖片實在無從獲得。
對于這樣歷史悠久的技術,人們對它仍非常陌生,這使我非常驚訝,也很希望通過這本書更正人們對其原理的誤解。人們常把熱敏成像法和一些超自然的現(xiàn)象,如把Kirlian攝影術以及關于人類靈魂的照片混淆為紋影與陰影技術。德國公眾電視報道了幾次我的紋影技術后,許多德國人都在向我詢問這項“新”技術。甚至還有人問我“Schlieren”這個單詞對應的英文是什么。本書將會消除這些誤解。
因此,我希望這本書既能為初學者提供紋影與陰影技術的基礎知識,又能為專家提供關于這項技術的詳細解決方案。同時也希望能建立不同學科領域之間的聯(lián)系,以及綜述這項技術的重要新進展。本書結尾預測了這項技術的發(fā)展方向。在書中,我嘗試傳遞ErnstMach所提倡的“研究的魅力與詩意”。
因而,可讀性也是本書的一個重要目標。例如,專業(yè)術語的縮寫雖然能夠節(jié)省一些空間,但是書中并不采用,專業(yè)術語不應成為閱讀的阻礙。
Gary,S.Settles,生于1949年,在田納西州東部大煙山地區(qū)的一個農場里長大。Settles對流體力學和光學很感興趣,十幾歲時便開始動手實踐:設計的小型亞聲速和超聲速風洞結構在1967年的國際科學展覽會上獲獎。在美國海軍軍械實驗室及美國國家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的實習經歷增加了Settles的工程與實驗能力。在波音公司,Settles有幸參加了波音747客機以及SST超聲速運輸機的空氣動力學研究工作。
在田納西州大學,Settles獲得了美國鋁業(yè)基金會獎學金,1971年獲得航空航天專業(yè)理學學士學位。在普林斯頓大學,在國家科學基金會實習津貼的支持下,Settles師從SeymourBogdonoff教授,開展了激波/邊界層相互作用關系的相關研究,并在1976年獲得了博士學位。其后三年,Settles在普林斯頓流動研究公司的燃燒實驗部門作為高級研究員,牽頭研究了高效節(jié)能泵相關的國家項目。隨后,Settles成為了普林斯頓大學機械與航空航天工程部門的一名研究人員,并在該部門的氣體動力學實驗室進行研究與管理工作。
1983年,Settles被聘為賓州州立大學機械工程系副教授,并成立了賓州州立大學氣體動力學實驗室。1989年,Settles榮升為正教授。賓州州立大學氣體動力學實驗室在高速粘性與非粘性交互以及光學流場診斷方面做出了突出貢獻。Settles和他的學生在該領域所取得的成果獲得了賓州州立大學工程學會1986年的杰出研究獎以及1992年的首席研究員獎勵。
Settles所研究的具有強烈視覺及藝術特性的光學流動顯示已經在電影、電視紀錄片、博物館展覽、書籍、百科全書和雜志上得以廣泛使用,例如,獲獎電影《尋找解決方案》、哥倫比亞廣播公司科學系列片《宇宙》、美國全國廣播公司的《今日秀》、美國有限公司新聞網的《科學新聞》、德國公共電視臺的系列片《科學意象》、學習頻道系列片《人體探索》以及3-D科幻電影《隱藏的維度》。Settles多次被邀請到美國、歐洲、俄羅斯、中國以及日本講座。
從1992年開始,賓州州立大學氣體動力學實驗室將研究重點從氣體動力學、噴嘴和流動可視化領域轉向了包括表面工程、材料加工、流變學和航空安全等“非傳統(tǒng)”問題,并取得一些發(fā)明成果,如世界上的室內光學流動顯示系統(tǒng)、新的基于人體熱羽流的航空安檢門。
在賓州州立大學,Settles教授培養(yǎng)了14位博士及多名碩士。目前,Settles講授學時為兩學期的可壓縮流動課程。工作之余,Settles喜歡油畫與古典音樂,以此來舒緩壓力。
1657年,Settle/Suttle家族從約克郡(英國英格蘭原郡名)移民到維吉尼亞州。
第1章 歷史背景
1.1 17世紀
1.2 18世紀
1.3 19世紀
1.4 20世紀
第2章 基本概念
2.1 非均勻介質中光的傳播
2.2 紋影的定義
2.3 紋影與陰影方法的區(qū)別
2.4 直接陰影法
2.5 經典透鏡型紋影系統(tǒng)
2.5.1 點光源
2.5.2 擴展光源
2.6 紋影圖像
第3章 Toepler紋影技術
3.1 透鏡型與反射型紋影系統(tǒng)
3.1.1 透鏡系統(tǒng)
3.1.2 反射型系統(tǒng)
3.2 靈敏度
3.2.1 定義與幾何原理
3.2.2 靈敏度舉例
3.2.3 靈敏度的極限
3.2.4 后處理提升靈敏度
3.3 測量范圍
3.3.1 測量范圍的定義
3.3.2 測量范圍的調節(jié)
3.4 靈敏度和范圍的估算
3.5 分辨能力
3.6 衍射效應
3.6.1 測試區(qū)不透明邊緣產生的衍射暈
3.6.2 刀口邊緣的衍射
3.7 放大倍率與景深
3.7.1 成像放大倍率與聚焦透鏡
3.7.2 景深
第4章 大視場與聚焦紋影方法
4.1 大型單/雙反射鏡系統(tǒng)
4.1.1 大型紋影鏡的可用性
4.1.2 大型反射鏡系統(tǒng)實例
4.1.3 賓州州立大學的Im重合紋影系統(tǒng)
4.2 大尺寸光源傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)
4.3 透鏡與柵格技術
4.3.1 簡單背景畸變
4.3.2 背景柵格畸變
4.3.3 大型彩色柵格背景
4.3.4 現(xiàn)代聚焦與大視場紋影系統(tǒng)
4.3.5 賓州州立大學的全尺寸紋影系統(tǒng)
4.4 大視場掃描紋影系統(tǒng)
4.4.1 針對移動對象的掃描紋影系統(tǒng)
4.4.2 基于掃描光源與刀口的紋影技術
4.5 莫爾條紋干涉法
4.6 全息層析紋影
……
第5章 特種紋影技術
第6章 陰影技術
第7章 實際問題
第8章 構建簡單的紋影和陰影系統(tǒng)
第9章 應用
第10章 定量評價
第11章 總結與展望
附錄
彩色圖例