Imagem Schlieren - Schlieren imaging

A imagem Schlieren é um método para visualizar variações de densidade em mídia transparente.

Imagem de Schlieren de um transdutor ultrassônico de foco

O termo "imagem schlieren" é comumente usado como sinônimo de fotografia schlieren , embora este artigo trate particularmente da visualização do campo de pressão produzido por transdutores ultrassônicos , geralmente em água ou mídia que imita tecidos. O método fornece uma imagem de projeção bidimensional (2D) do feixe acústico em tempo real ("vídeo ao vivo"). As propriedades únicas do método permitem a investigação de características específicas do campo acústico (por exemplo, ponto focal em transdutores HIFU ), detecção de irregularidades de perfil de feixe acústico (por exemplo, devido a defeitos no transdutor) e identificação on-line de fenômenos dependentes do tempo (por exemplo, em transdutores phased array ). Alguns pesquisadores dizem que a imagem de Schlieren é equivalente a uma radiografia de raios-X do campo acústico.

Configurar

Configuração do sistema de imagem Schlieren: configuração baseada em lentes lineares

A configuração óptica de um sistema de imagem Schlieren pode compreender as seguintes seções principais: Feixe paralelo, elemento de foco, parada (borda afiada) e uma câmera. O feixe paralelo pode ser obtido por uma fonte de luz semelhante a um ponto (às vezes é usado um laser focado em um orifício) colocada no ponto focal de um elemento óptico colimador (lente ou espelho). O elemento de foco pode ser uma lente ou um espelho. O batente óptico pode ser realizado por uma navalha colocada horizontalmente ou verticalmente no ponto focal do elemento de focagem, cuidadosamente posicionada para bloquear a imagem do ponto de luz em sua borda. A câmera é posicionada atrás do batente e pode ser equipada com uma lente adequada.

Física

Descrição da óptica de raio

Um feixe paralelo é descrito como um grupo de 'raios' retos e paralelos. Os raios atravessam o meio transparente enquanto potencialmente interagem com o campo acústico contido e, finalmente, alcançam o elemento de foco. Observe que o princípio de um elemento de foco é direcionar (isto é, focalizar) raios que são paralelos - em um único ponto no plano focal do elemento. Assim, a população de raios que cruzam o plano focal do elemento focalizador pode ser dividida em dois grupos: aqueles que interagiram com o campo acústico e aqueles que não interagiram. O último grupo não é perturbado pelo campo acústico, então ele permanece paralelo e forma um ponto em uma posição bem definida no plano focal. O batente óptico é posicionado exatamente nesse ponto, de modo a evitar que todos os raios correspondentes se propaguem pelo sistema e para a câmera. Assim, nos livramos da porção de luz que cruzou o campo acústico sem interação. No entanto, também existem raios que interagiram com o campo acústico da seguinte maneira: Se um raio viaja por uma região de densidade não uniforme cujo gradiente espacial tem um componente ortogonal ao raio, esse raio é desviado de sua orientação original, como se estava passando por um prisma . Este raio não é mais paralelo, portanto, não intercepta o ponto focal do elemento de foco e não é bloqueado pela faca. Em algumas circunstâncias, o raio desviado escapa da lâmina da faca e atinge a câmera para criar uma imagem pontual no sensor da câmera, com uma posição e intensidade relacionadas à não homogeneidade experimentada pelo raio. Uma imagem é formada dessa forma, exclusivamente por raios que interagiam com o campo acústico, proporcionando um mapeamento do campo acústico.

Descrição da óptica física

O efeito acústico-óptico acopla o índice óptico de refração do meio com sua densidade e pressão. Assim, variações espaciais e temporais na pressão (por exemplo, devido à radiação de ultrassom) induzem variações correspondentes no índice de refração. O comprimento de onda ótico e o número de onda no meio dependem do índice de refração. A fase adquirida pela onda eletromagnética viajando através do meio está relacionada à integral de linha do número de onda ao longo da linha de propagação.

Para uma radiação eletromagnética de onda plana viajando paralelamente ao eixo Z, os planos XY são variedades isofásicas (regiões de fase constante; a fase não depende das coordenadas (x, y)). No entanto, quando a onda emerge do campo acústico, os planos XY não são mais variedades isofásicas; a informação sobre a pressão acumulada ao longo de cada linha (x, y) reside na fase da radiação emergente, formando uma imagem de fase (fasor) no plano XY. As informações de fase são fornecidas pelo parâmetro Raman-Nath:

com - o coeficiente piezoóptico, o comprimento de onda óptico e o campo de pressão tridimensional. A técnica de schlieren converte as informações de fase em uma imagem de intensidade, detectável por uma câmera ou tela.

Aplicativo

O padrão ouro aceito para medição acústica quantitativa é o hidrofone . No entanto, a varredura do campo acústico com um hidrofone sofre de várias limitações, dando origem a métodos de avaliação suplementares, como a imagem de Schlieren. A importância da técnica de imagem Schlieren é proeminente na pesquisa e desenvolvimento do HIFU. As vantagens da imagem Schlieren incluem:

  • Campo livre: o campo acústico investigado não é distorcido pela sonda de medição.
  • Medições de alta intensidade: o método é compatível com altas intensidades acústicas.
  • Tempo real: o sistema de imagem Schlieren fornece vídeo on-line ao vivo do campo acústico.

Referências

Leitura adicional

links externos