La formación de imágenes Schlieren es un método para visualizar variaciones de densidad en medios transparentes. [1]
El término "imágenes de Schlieren" se usa comúnmente como sinónimo de fotografía de Schlieren , aunque este artículo trata particularmente la visualización del campo de presión producido por los transductores ultrasónicos , generalmente en agua o en medios que imitan el tejido. El método proporciona una imagen de proyección bidimensional (2D) del haz acústico en tiempo real ("video en vivo"). Las propiedades únicas del método permiten la investigación de características específicas del campo acústico (por ejemplo, el punto focal en los transductores HIFU ), la detección de irregularidades en el perfil del haz acústico (por ejemplo, debido a defectos en el transductor) y la identificación en línea de fenómenos dependientes del tiempo. [2] (por ejemplo, en transductores de matriz en fase ). Algunos investigadores [¿Quién? ]dicen que la formación de imágenes de Schlieren es equivalente a unaradiografía de rayos Xdel campo acústico. [ cita requerida ]
Configuración
La configuración óptica de un sistema de imágenes Schlieren puede comprender las siguientes secciones principales: [ cita requerida ] Haz paralelo, elemento de enfoque, parada (borde afilado) y una cámara. El rayo paralelo se puede lograr mediante una fuente de luz puntual (a veces se usa un láser enfocado en un orificio de alfiler) colocada en el punto focal de un elemento óptico colimador (lente o espejo). El elemento de enfoque puede ser una lente o un espejo. El tope óptico se puede realizar mediante una maquinilla de afeitar colocada horizontal o verticalmente en el punto focal del elemento de enfoque, cuidadosamente colocada para bloquear la imagen del punto de luz en su borde. La cámara está colocada detrás del tope y puede estar equipada con una lente adecuada. [ cita requerida ]
Física
Descripción de la óptica de rayos
Un haz paralelo se describe como un grupo de "rayos" rectos y paralelos. [ cita requerida ] Los rayos atraviesan el medio transparente mientras interactúan potencialmente con el campo acústico contenido, y finalmente alcanzan el elemento de enfoque. [ cita requerida ] Tenga en cuenta que el principio de un elemento de enfoque es dirigir (es decir, enfocar) rayos que son paralelos - en un solo punto en el plano focal del elemento. Así, la población de rayos que cruzan el plano focal del elemento focalizador se puede dividir en dos grupos: los que interactuaron con el campo acústico y los que no. Este último grupo no es perturbado por el campo acústico, por lo que permanece paralelo y forma un punto en una posición bien definida en el plano focal. El tope óptico se coloca exactamente en ese punto, para evitar que todos los rayos correspondientes se propaguen más a través del sistema y hacia la cámara. [ cita requerida ] Así nos deshacemos de la porción de luz que cruzó el campo acústico sin interacción. Sin embargo, también hay rayos que interactuaron con el campo acústico de la siguiente manera: Si un rayo viaja a través de una región de densidad no uniforme cuyo gradiente espacial tiene un componente ortogonal al rayo, ese rayo se desvía de su orientación original, como si pasaba por un prisma . Este rayo ya no es paralelo, por lo que no se cruza con el punto focal del elemento de enfoque y no está bloqueado por el cuchillo. En algunas circunstancias, el rayo desviado escapa de la hoja del cuchillo y llega a la cámara para crear una imagen puntual en la cámara-sensor, con una posición e intensidad relacionada con la falta de homogeneidad experimentada por el rayo. De esta forma se forma una imagen, exclusivamente por rayos que interactúan con el campo acústico, proporcionando un mapeo del campo acústico. [ cita requerida ]
Descripción de la óptica física
El efecto acústico-óptico acopla el índice de refracción óptica del medio con su densidad y presión. Por tanto, las variaciones espaciales y temporales de la presión (por ejemplo, debido a la radiación ultrasónica) inducen variaciones correspondientes en el índice de refracción. La longitud de onda óptica y el número de onda en el medio dependen del índice de refracción. La fase adquirida por la onda electromagnética que viaja a través del medio está relacionada con la integral de línea del número de onda a lo largo de la línea de propagación. [ cita requerida ]
Para una radiación electromagnética de onda plana que viaja paralela al eje Z, los planos XY son múltiples isofásicos (regiones de fase constante; la fase no depende de las coordenadas (x, y)). Sin embargo, cuando la onda emerge del campo acústico, los planos XY ya no son colectores isofásicos; la información sobre la presión acumulada a lo largo de cada línea (x, y) reside en la fase de la radiación emergente, formando una imagen de fase (fasor) en el plano XY. La información de fase viene dada por el parámetro Raman-Nath: [3]
con - el coeficiente piezoóptico, la longitud de onda óptica y el campo de presión tridimensional. [4] La técnica schlieren convierte la información de fase en una imagen de intensidad, detectable por una cámara o una pantalla.
Solicitud
El estándar de oro aceptado para la medición acústica cuantitativa es el hidrófono . Sin embargo, la exploración del campo acústico con un hidrófono adolece de varias limitaciones, lo que da lugar a métodos de evaluación complementarios como la formación de imágenes de Schlieren. La importancia de la técnica de imagen schlieren es prominente en la investigación y el desarrollo de HIFU. [5] Las ventajas de las imágenes de Schlieren incluyen:
- Campo libre: la sonda de medición no distorsiona el campo acústico investigado.
- Mediciones de alta intensidad: el método es compatible con altas intensidades acústicas.
- Tiempo real: el sistema de imágenes de Schlieren proporciona vídeo en directo y en línea del campo acústico.
Referencias
- ^ Korpel, A .; Mehrl, D .; Lin, HH (1987). "Schlieren Imaging of Sound Fields". Simposio de Ultrasonidos IEEE 1987 . págs. 515–518. doi : 10.1109 / ULTSYM.1987.199011 . S2CID 122562535 .
- ^ Brown, Spencer A .; Greenbaum, Lior; Shtukmaster, Stella; Sadok, Yehuda; Ben-Ezra, Shmuel; Kushkuley, Leonid (julio de 2009). "Caracterización de ultrasonido enfocado no térmico para la disrupción selectiva no invasiva de células grasas (lisis): evaluación técnica y preclínica". Cirugía plástica y reconstructiva . 124 (1): 92–101. doi : 10.1097 / PRS.0b013e31819c59c7 . PMID 19346998 . S2CID 205965366 .
- ^ Raman, CV; Nagendra Nathe, NS (octubre de 1935). "La difracción de la luz por ondas sonoras de alta frecuencia: Parte I.". Actas de la Academia India de Ciencias, Sección A . 2 (4): 406–412. doi : 10.1007 / BF03035840 . S2CID 198141323 .
- ^ Cook, BD; Cavanagh, E .; Dardy, HD (julio de 1980). "Un procedimiento numérico para calcular el efecto acústico-óptico integrado". Transacciones IEEE en Sonics y Ultrasonics . 27 (4): 202-207. doi : 10.1109 / T-SU.1980.31173 . S2CID 9320796 .
- ^ Charlebois, Thomas F .; Pelton, Roger C. (junio de 1995). "Imágenes cuantitativas de Schlieren 2D y 3D para mediciones de intensidad y potencia acústica" (PDF) . Electrónica médica : 66–73.
Otras lecturas
- Hargather, Michael John; Settles, Gary S. (9 de julio de 2009). "Imágenes schlieren orientadas al fondo natural". Experimentos en fluidos . 48 (1): 59–68. doi : 10.1007 / s00348-009-0709-3 . S2CID 53590637 .
- Atcheson, Bradley; Heidrich, Wolfgang; Ihrke, Ivo (5 de octubre de 2008). "Una evaluación de algoritmos de flujo óptico para imágenes de schlieren orientadas al fondo". Experimentos en fluidos . 46 (3): 467–476. doi : 10.1007 / s00348-008-0572-7 . S2CID 17713504 .
- Skeen, Scott A .; Manin, Julien; Pickett, Lyle M. (2015). "Simultáneo formaldehído PLIF y schlieren de alta velocidad para visualización de ignición en llamas de pulverización de alta presión" . Actas del Combustion Institute . 35 (3): 3167–3174. doi : 10.1016 / j.proci.2014.06.040 .
- Willert, Christian E .; Mitchell, Daniel M .; Soria, Julio (5 de abril de 2012). "Una evaluación de diodos emisores de luz de alta potencia para imágenes de schlieren de alta velocidad de fotogramas". Experimentos en fluidos . 53 (2): 413–421. Código bibliográfico : 2012ExFl ... 53..413W . doi : 10.1007 / s00348-012-1297-1 . S2CID 120726611 .
enlaces externos
- Una presentación de imágenes schlieren en YouTube
- Caracterización del campo acústico con el sistema Schlieren: una breve presentación