你有没有过这种经历，当你看到自己的呼吸时，说明天气非常的寒冷。

这在冬天特别的明显，你呼出的气像是形成一层雾一样。

可为什么其他温暖的季节却看不到它们呢？

我们有没有办法在照片中捕捉到那种呼吸？

你怎么能看到和拍摄一些看不见的东西，比如气流？

长期以来，这一直引起研究流体流动的科学家们的兴趣。

幸运的是，他们确实发现了一种方法可以实现拍摄。

什么是纹影成像？

纹影成像是一种利用流体中折射率的变化，来可视化人眼不可见的流体流动的技术。

该技术广泛用于捕获气流图像。

我们现在可以观看、拍摄照片或拍摄慢动作视频，了解空气的流动和行为方式。

纹影成像可用于捕捉从我们身体升起的热量、从爆裂的气球中逸出的氦气或来自子弹的冲击波。

通过纹影成像，我们甚至可以看到从我们手中升起的热量

纹影成像背后的原理

纹影成像的工作原理可以通过折射率的概念来解释。

光速的变化取决于它通过的介质。

光在不同密度的介质之间移动时会发生折射或弯曲。

这种弯曲的程度就是介质的折射率。

它是光在真空中的速度与光在介质中的速度之比。

折射是铅笔在部分浸没时看起来像弯曲的原因

我们通常说空气的折射率在 1.0003 左右，但这个值会根据空气的温度、压力和成分等因素而变化。

例如，热空气的折射率低于冷空气的折射率。

这就是为什么我们可能会在炎热的天气里看到海市蜃楼。

当光通过非均匀介质时，它会发生折射，这意味着它会稍微弯曲到不同的路径。

介质中折射率的这些变化通常被称为“纹影”，纹影成像让我们看到了这种变化。

使用这个工具，我们可以捕捉并更好地理解物体与其周围空气的相互作用。

纹影成像的应用

通过纹影成像，我们可以在呼气时看到自己的呼吸。

我们可以观察到蜡烛火焰如何与空气相互作用。

我们可以看到丁烷从打火机中倾泻而出，以及当我们点燃它时它周围的空气究竟发生了什么。

纹影成像用于捕捉口罩如何控制我们呼出的空气，从而帮助控制近年来席卷全球的流行病的蔓延。

看到你的呼吸看起来很酷，但这不是纹影成像的主要应用。

纹影成像有助于科学家更好地了解气流。

该技术的主要应用之一在于航空领域。

该方法对于帮助我们了解空气在移动飞机周围的行为非常有益。

它可用于捕捉超音速流动中产生的冲击波的视觉效果。

NASA使用纹影成像技术来捕捉其超音速飞机的冲击波。

这些数据将对此类飞机的未来设计开发大有帮助。

纹影图像显示了飞行中两架超音速飞机的冲击波相互作用，由 NASA 捕获

纹影成像设置

纹影成像最简单的设置有灯、镜子和相机或屏幕。

纹影成像设置

一方面，我们有一个近似点光源的窄光源。

光线扩散开来，照亮我们想要观察气流的物体。

然后光被凹面球面镜或抛物面镜反射。

反射的光线聚焦到镜子的焦点上，我们在那里放置了一个相机。

如果我们要查看图像而不是拍照，我们可以在那里放置一个查看屏幕。

一个薄而锋利的刀刃放置在相机的前面，将反射光的一半切断。

边缘阻挡了一些折射光，从而产生具有良好对比度的图像。

这种刀刃的存在是纹影设置的一个决定性特征，这使其与称为阴影成像的类似技术区分开来。

或者，我们可以使用双色调滤色器代替边缘，从而为我们提供颜色渐变的图像。

从点燃的蜡烛中升起的气体的彩色纹影图像

空气中的不均匀性——密度变化——意味着一些光被折射，而另一些则没有。

这转化为图片中的对比度差异，给我们一个视觉效果。

这种设置称为经典纹影成像。

也可以使用带有两个镜子的配置以获得更好的分辨率。

镜头也经常被用来代替镜子。

设置非常简单，你甚至可以尝试在家里自己构建一个！

纹影成像的变化

纹影成像的另一种设置称为聚焦纹影系统。

它将点光源换成光源阵列。图像是在截止网格的帮助下形成的。

这些特性也赋予了它镜头和网格纹影成像的名称。

聚焦纹影设置

面向背景的纹影成像是另一种用于更大规模观察的变体。

当我们不能在物体后面放一面镜子时，这些就派上用场了，就像我们在上面看到的美国宇航局对超音速飞机的测试一样。

在纹影成像的帮助下，我们现在可以看到不可见的东西。

科学家可以使用这种技术更好地了解流体流动，我们可以用它来看看蜡烛火焰看起来有多酷，

或者更好地了解口罩如何保护我们免受致命病毒的侵害！

参考资料：

1. 纹影和皮影技术之书
2. 哥伦比亚大学
3. 麻省理工学院