你有沒有過這種經(jīng)歷，當(dāng)你看到自己的呼吸時，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，他們確實發(fā)現(xiàn)了一種方法可以實現(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，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查看屏幕。
一個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！
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，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：
