Developments in Optical Measurement technology

Varm luft som stiger fra en varm overflate, for eksempel asfalt, kan ofte forårsake såkalte luftspeilinger hvor man kan få inntrykk av at asfalten forsvinner ut i en innsjø. Vannet er i praksis en refleksjon av himmelen, som er forårsaket av at den varme luften har en annen brytningsindeks enn kald luft. Effekten av hvorledes lys beveger seg gjennom luft ble først beskrevet av vitenskapsmannen Robert Hooke i 1665. I 1864 studerte den tyske forskeren August Toepler optiske linser og fant opp en metode som i dag er kjent som Schlieren (Schliere er tysk for strek). Endringer i brytningsindeks, som for en linse typisk ville være en liten feil eller unøyaktighet, vil sørge for at lys blir avbøyd på sin vei gjennom objektet. Toepler fant på en måte å sørge for at lys som blir avbøyd en vei blir maskert ut, mens lys som blir avbøyd en annen vei blir beholdt. På den måten kunne han si noe om både hvor linsene hans hadde feil, og også noe om hvordan feilen så ut. Schlieren teknikken som Toepler oppfant var til dels kostbar og krevde betydelig ekspertise for praktisk bruk. På sent 1990-tall oppdaget to uavhengige forsknings-grupper, ved Universitetet i Cambridge og det Tyske Luft- og Romfartsinstituttet i Göttingen, en mye enklere og billigere måte å utføre Schlieren målingene på. De oppdaget det samme som Hooke hadde oppdaget i 1665 - variasjoner i brytningsindeks vil gi opphav til en tilsynelatende bevegelse av et bakgrunnsmønster. Ved å fokusere et digitalt kamera på et bakgrunnsmønster kunne de måle den tilsynelatende bevegelsen ved hjelp av programvare for mønstergjenkjenning og dermed regne seg tilbake til endringen av brytningsindeksen. Prosjektet DOMT arbeider med en forbedring av denne digitale Schlieren metoden og anvender forbedringen på forskjellige eksperimenter med praktisk betydning. DOMTs arbeidshypotese er at man kan benytte det faktum at lysbrytning gjennom et medium også er en funksjon av lysets bølgelengde, ikke bare mediets brytningsindeks. Man kan dermed utvikle en ny metode basert på to (eller flere) forskjellige bølgelengder lys. Prosjektet har foreløpig døpt metoden Bi-Kromatisk Synthetic Schlieren (BiCSS) og er i skrivende stund i ferd med å publisere resultater.

Synthetic Schlieren (SS) is a measurement technique that measures changes in a density gradient field using the refraction of light. The technique is a digital version of the original Schlieren technique developed by Toepler and Focault independently in t he late 1800's. This technique was based on an elaborate optical setup featuring a knife edge placed at the focal point of the experiment. The knife edge would serve to mask out light rays that were refracted in one direction, whereas light rays refracted in the other direction would remain. Hence, the resulting image would contain bright and dark patches depending on the refractive index variations. The digital version of Schlieren was first published by a group at Cambridge University (Dalziel et al, 1 998) and subsequently by a group in Göttingen (Meier, 1999), independently. Their version of the Schlieren technique is based on imaging a known background pattern located behind an optically transparent experiment section. Refractive index changes in the experiment will give rise to apparent displacements of the background pattern, and hence, by applying pattern matching principles one may calculate the depth integrated density gradient field. Up until now Synthetic Schlieren has relied on acquiring two subsequent images of the background pattern with a known time spacing and there has been no way of acquiring instantaneous measurements. This may, for example, be highly important when the density gradients in the experiment changes with both motion of t he fluid and temperature variations. Furthermore, for very long time-series, the original Synthetic Schlieren concept will see a significant impact of temporal fluctuations in the surroundings, such as the air in a laboratory. The primary objective of t he present proposal is to develop and publish a technique that enables instantaneous density gradient measurements. Secondarily, the project will generalize the pattern matching principles of Synthetic Schlieren.