シュリーレン法とは

透明体の中に屈折率のわずかに異なる部分があるとき、光線の進行方向の変化を利用してその部分が明確に見えるようにする光学的手法です。
媒質中を伝播する超音波や衝撃波の進行状況や、炎による気流の上昇、光学レンズの欠陥などを観察することができます。

密度構造を評価するには最適な可視化手法ですが、流れを定量的に評価・計測するというところではトレーサーを用いるPIV計測が適しています。
対してトレーサー粒子の追随性が確保できない高速現象の可視化評価では、シュリーレンは極めて有効になります。

溶接シールドガスの可視化事例

透明な気体、液体及び固体中の不均質状態が密度勾配として、通過光が曲げられます。
このわずかな屈折率の変化を、平行度の高い光により大きな明暗の差に変えて観測する手法です。

観測空間を通過して屈折した光を集束させ、ナイフエッジ部で主光束をカットし、
被写体で屈折・散乱した光のみを透過させて像を作ります。
そのため、ナイフエッジを用いないシャドウグラフ(2次微分)は密度勾配の変化を表すのに対し、
シュリーレン(1次微分)は密度勾配そのものを撮影できます。
流体の可視化手法としては、PIVなどと異なりマーカーとなる粒子などを散布せずに可視化できますので、
追随性を考慮しないで済む方式となります。

シュリーレン法-凹面鏡2面対向方式

シュリーレン法-レンズ式

点光源の光を光学系により平行光束とし、観測空間を通過させた後に再び光束を集束させます。
その焦点を結ぶ箇所をナイフエッジで遮ります。

観測空間に屈折率のムラがあると光が歪み焦点がずれますので、ナイフエッジで遮られたムラは影として画像に表示されます。
これにより被測定物の密度分布が明暗のコントラストとして観測できます。

ナイフエッジを用いない場合は光学配置が簡易なシャドウグラフの撮影となりますが、可視化の感度ではシュリーレンが圧倒的に優れています。