2024年4月14日发(作者：隐旺)

纹影法又称施利伦（schlieren）方法，是一种经典的光学显示技术。其基

本原理是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度原理，将流场

中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、

压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。把具

有高时间分辨本领的告诉相机与纹影法结合起来，便成为高速纹影法。该方法在

轰爆与冲击波物理实验中，用于显示流场、冲击波阵面及在透明介质中的传播、

观察高压力下自由表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性以及高

压下火花放电等弱冲击波的发展等，是一种有着广泛用途的光学测试技术。

纹影系统按照光线通过被测流场区的形状，分为平行光纹影系统和锥形光纹

影系统两大类，但二者成像原理相同。锥形光纹影系统的结构简单，其灵敏度比

平行光纹影系统更高，但是这种纹影系统由于是同一条光线反复经过被测区，会

导致被观察区的图像失真。而平行光纹影系统能够真实地反映被观察区密度的变

化，在实验中得到了更为广泛的应用。平行光纹影系统分为透射式和反射式两种，

透射式的光学成像质量好，但对视场要求比较大，要加工大口径的纹影透镜又比

较困难，反射式的光学成像虽然带有轴外光线成像造成的彗差和像散两类象，但

是只要在光路上采用“Z”形布置和在仪器使用时将光刀刀口面调整到系统的子

午焦平面和径向焦平面上，就可以减少两类象差，从而得到满意的结果。透射式

纹影系统、反射式纹影系统组成如下图：

图1：透射式纹影系统组成图

图2：反射式纹影系统组成图

纹影仪是实现纹影法的基本仪器，常被用于配合相机或高速相机观察透明介

质因各种因素引起的分布、传播过程以及扰动强度等。如研究激光与物质作用、

分层流、多项流、传热与传至、激波、超声波流、燃烧、火焰、爆炸、高压放电、

等离子体、内弹道及某些化学反应等学科的流场密度变化科学研究。其常见样式

图片（均来自武汉中创联达科技有限公司）如下：

使用纹影仪观察燃油喷雾在整个燃烧室内发展变化的应用举例：

传统的纹影成像系统结构简单，灵敏度高且成像质量较好，但非常不方便

移动，光学安装的过程又比较复杂，而为了保证系统的准直，即使是专业人员也

需要花费大量的时间。现在Spectabit公司推出的便携式纹影系统成功的解决了

这个问题，用户通过简单的控制就可以调节视场和工作距离，并且不需要具备非

常专业的光学知识!

便携式投影纹影系统

主要部件：数字投影仪、运行SchlierenView™的电脑、sTube™光学系统。

技术规格：

参数 关键数据

角视场

视场（FOV）

工作距离

屏幕距离

屏幕尺寸

图像传感器

19° 高 x 11° 宽

60” 高x 34”宽

15’

30’

10’高x 5’-8”宽

备注

标准85mm镜头

取决于工作距离

= 3 x 垂直视场

= 2 x 工作距离

= 2 x 视场

具备24帧高清视频功能的数码单色相机（1920 x 1080 像

素）

照度

线条图案

仪器尺寸

商用液晶投影仪

用户变量方向（推荐45）

22”长x 3”宽x 3”高 (sTube™)

o

*

某些技术规范可更改或可定制。

Spectabit的便携式投影纹影系统是基于我们的数字聚焦纹影专利技术（美

国专利9232，117 B2）。它采用数字纹影仪将线条图案投影到物体后面的屏幕上。

屏幕将光线反射到sTubeTM光学系统，此光学系统中，光线在到达相机传感器之

前先通过截至滤波器。相机聚焦在纹影目标上（例如热气的流动），而不是屏幕

或者截至滤波器上，截至滤波器阻挡大约一半的光线。包含先进的图像处理算法

的SchlierenViewTM软件可以消除背景噪声和增强反差，从而得到均匀强度的背

景。

与大多数纹影系统相比，这种创新的系统布局具有巨大的实用优势。这些组

件重量轻，可自对准，聚焦纹影网格使用现成的数字投影仪投影，使其成为现场

真正便携式和大规模纹影成像的少数现实选择之一。两个光学组件，sTubeTM和

数字投影仪可以安装在简单的三脚架上。唯一需要的其他设备是用于控制系统的

笔记本电脑的支架。甚至投影屏幕也是可选的。在许多情况下，即使是5英尺高

的纹影视野，平坦，相当明亮的墙壁也足够了。只有在高背景光或极长工作距离

（通常超过15英尺）的情况下才需要屏幕。

超音速子弹和冲击波 散弹枪子弹在飞行时的纹影条纹图像

●

您需要什么样的纹影系统？(请咨询武汉中创联达科技有限公司，网址：

)

一般来说，选择纹影系统时最重要的问题通常是：

*我们想要观察的区域有多大？

*我们希望看到的速度有多快？

*我们可以在我们想要观察的区域后面放置显示系统吗？

*预期的运营商知识渊博，经验丰富吗？

*测量需要有多灵敏？

1.尺寸

尺寸问题是在应用中实用的纹影系统类型的主要决定因素。由于所需的大镜

子的成本和安装复杂性，建立直径大于1英尺（约30cm）的经典系统是很少实

际的。在许多情况下，直径超过6英寸（~15厘米）的系统可能比它的价值更麻

烦，但对于几英寸（10厘米以下）的非常小的区域，它们通常是最好的解决方

案。

使用我们的专利数字聚焦纹影技术，使用现成的数字显示系统，可轻松容纳

中等大小的纹影观察区域，直径约3英尺（约1米）。

直径大于3英尺（1米）的大面积纹影系统通常必须是投影聚焦系统，其将

图案投射到逆向反射屏幕（传统的投影仪屏幕或逆向反射面板）上。虽然有效观

看区域约占总屏幕尺寸的50-75％，但它们可以按照最大的实际投影屏幕进行放

大。Spectabit提供两种主要类型的投影系统，一种模拟投影系统，体积更大，

需要更灵敏的对准，以及更便宜但通常稍微不那么敏感的数字投影系统。

对于大型户外探测器应用，例如观察飞行中的飞机，唯一现实的选择通常是

面向背景的纹影（BOS）系统，包括我们的日面边缘纹影技术。这些相对于经典

和聚焦纹影系统通常具有低灵敏度，除非背景具有特别高的对比度（如日面边缘

纹影），但它们可用于可视化强烈的纹影特征，例如冲击波。BOS通常需要存在

某种纹理背景。

2.速度

测量的速度要求影响着相机的类型和照明系统的类型。为了捕获诸如枪械放

电之类的高速事件，相机曝光必须短，以防止画面模糊并且照明必须相应地明亮。

在BOS和投影聚焦纹影中，对于小于毫秒范围的曝光，可能难以获得所需的光照

水平，尽管由于太阳的亮度，日面边缘纹影可以用于微秒曝光。还应该考虑是否

需要多帧（视频）或单拍图像。在前一种情况下，视频速率对于确定所需的系统

设计非常重要。传统“视频速率”范围内的帧速率，低于每秒100帧左右，所有

上述技术都相当简单。帧速率可能会排除某些类型，具体取决于曝光时间。一般

来说，如果曝光要求超过几毫秒，帧率低于每秒100帧，系统就不必特别定制化。

尽管如此，我们在高速成像应用方面有着丰富的经验，我们可以为各种更专业的

应用提供实用的解决方案，例如亚微秒曝光或每秒1000帧的要求。

要确定系统的快门速度需要多快，主要因素是（A）移动物体所需的图像分

辨率和（B）该物体的绝对速度。物体可能是飞机，子弹，排气羽流或气流。被

成像的流可能比创建它的对象移动得更快，因此请牢记这一点。以实际单位拍摄

图像分辨率，例如，您可能需要分辨0.1毫米（1E-4米）。要获得此数字，您可

以获取视野的大小并除以其上的像素数。然后取出物体的速度，比如说100米/

秒并将绝对分辨率除以它，所以0.1毫米/ 100米/秒= 1E-6秒，或微秒。您可

以使用较长的快门，但图像会模糊。事实上，为了获得好的图像，最好把快门调

短几倍，这样才能拍出清晰的照片。

同样重要的是要考虑需要多少帧来查看正在分析的过程。在某些应用程序中，

可能只需要一个快照，而在其他应用程序中，可能需要查看整个图像序列，例如

在1毫秒的过程中拍摄的10个1微秒帧。在后一种情况下所需的光源和相机往

往相当昂贵。如果过程相当可重复，则可以使用的替代方法是运行多个实验，在

不同的时间延迟下拍摄单独的1微秒快照。我们有标准的模拟和数字聚焦设计，

可以支持微秒快照，但由于需要极高的光效率，高速视频（每秒超过几百帧）通

常需要具有高效背光的数字系统（纹影系统本身仍然相对实惠，但相机可能非常

昂贵）。对于大约一微秒以下的快门速度，需要更专业的定制设计，尽管我们已

经构建并测试了基于脉冲激光的系统，其曝光时间低至20纳秒。

3.光纤接入

在尺寸和速度之后，必须考虑观察到对纹影场的光学通路。有三种主要选项，

背光，投影和自然背景（BOS）系统。背光系统（包括经典和背光聚焦纹影系统，

以及具有特殊照明的一些高速BOS系统）需要能够在纹影目标区域后面放置某种

光学装置（例如镜子或屏幕）。这可能与平板电视一样薄，但有些应用会不接受

这种情况。投影系统在这方面更加灵活，因为它们只需要一个平坦的表面，这使

得它们对风洞和冰箱等围护结构具有更好的优势。如果应用不接受安装投影屏幕，

将现有的BOS背景按原样成像是一种可能的解决方案。

4.易于操作

需要考虑的重点是预期运营商的专业知识。传统的纹影系统是迄今为止最难

使用的，因为它们需要非常精确的对准，即使是经验丰富的光学技术人员也可能

发现它们难以设置和维护。BOS系统位于秤的另一端，因为它们只需要操作相机，

而投影聚焦纹影系统在初始聚焦和对准步骤之后也很大程度上是傻瓜相机。然而，

BOS系统的敏感性往往比聚焦纹影或经典纹影要差得多，这是它们的主要缺点。

背光纹影系统往往比投影系统稍微难以操作，因为背光网格和相机系统之间的对

齐必须保持，

5.灵敏度

纹影仪灵敏度难以以易于理解的方式量化，尽管人们通常可以根据应用查看

需求。可视化冲击波，例如来自爆炸和超音速运动，通常相当容易，几乎任何纹

影技术都可以将它们可视化。一般来说，热对流是比较困难的目标，除非温差非

常大，而且通常在大多数热对流应用中都会使用聚焦或经典纹影系统。气体种类

对比，例如泄漏检测或排气可视化，也往往需要更高的灵敏度，尽管这在很大程

度上取决于所涉及的气体类型和浓度。最具挑战性的应用包括湍流可视化（如边

界层观测）和声学现象，声音可视化，这些通常需要高度敏感度的纹影系统。

2024年4月14日发(作者：隐旺)

纹影法又称施利伦（schlieren）方法，是一种经典的光学显示技术。其基

本原理是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度原理，将流场

中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、

压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。把具

有高时间分辨本领的告诉相机与纹影法结合起来，便成为高速纹影法。该方法在

轰爆与冲击波物理实验中，用于显示流场、冲击波阵面及在透明介质中的传播、

观察高压力下自由表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性以及高

压下火花放电等弱冲击波的发展等，是一种有着广泛用途的光学测试技术。

纹影系统按照光线通过被测流场区的形状，分为平行光纹影系统和锥形光纹

影系统两大类，但二者成像原理相同。锥形光纹影系统的结构简单，其灵敏度比

平行光纹影系统更高，但是这种纹影系统由于是同一条光线反复经过被测区，会

导致被观察区的图像失真。而平行光纹影系统能够真实地反映被观察区密度的变

化，在实验中得到了更为广泛的应用。平行光纹影系统分为透射式和反射式两种，

透射式的光学成像质量好，但对视场要求比较大，要加工大口径的纹影透镜又比

较困难，反射式的光学成像虽然带有轴外光线成像造成的彗差和像散两类象，但

是只要在光路上采用“Z”形布置和在仪器使用时将光刀刀口面调整到系统的子

午焦平面和径向焦平面上，就可以减少两类象差，从而得到满意的结果。透射式

纹影系统、反射式纹影系统组成如下图：

图1：透射式纹影系统组成图

图2：反射式纹影系统组成图

纹影仪是实现纹影法的基本仪器，常被用于配合相机或高速相机观察透明介

质因各种因素引起的分布、传播过程以及扰动强度等。如研究激光与物质作用、

分层流、多项流、传热与传至、激波、超声波流、燃烧、火焰、爆炸、高压放电、

等离子体、内弹道及某些化学反应等学科的流场密度变化科学研究。其常见样式

图片（均来自武汉中创联达科技有限公司）如下：

使用纹影仪观察燃油喷雾在整个燃烧室内发展变化的应用举例：

传统的纹影成像系统结构简单，灵敏度高且成像质量较好，但非常不方便

移动，光学安装的过程又比较复杂，而为了保证系统的准直，即使是专业人员也

需要花费大量的时间。现在Spectabit公司推出的便携式纹影系统成功的解决了

这个问题，用户通过简单的控制就可以调节视场和工作距离，并且不需要具备非

常专业的光学知识!

便携式投影纹影系统

主要部件：数字投影仪、运行SchlierenView™的电脑、sTube™光学系统。

技术规格：

参数 关键数据

角视场

视场（FOV）

工作距离

屏幕距离

屏幕尺寸

图像传感器

19° 高 x 11° 宽

60” 高x 34”宽

15’

30’

10’高x 5’-8”宽

备注

标准85mm镜头

取决于工作距离

= 3 x 垂直视场

= 2 x 工作距离

= 2 x 视场

具备24帧高清视频功能的数码单色相机（1920 x 1080 像

素）

照度

线条图案

仪器尺寸

商用液晶投影仪

用户变量方向（推荐45）

22”长x 3”宽x 3”高 (sTube™)

o

*

某些技术规范可更改或可定制。

Spectabit的便携式投影纹影系统是基于我们的数字聚焦纹影专利技术（美

国专利9232，117 B2）。它采用数字纹影仪将线条图案投影到物体后面的屏幕上。

屏幕将光线反射到sTubeTM光学系统，此光学系统中，光线在到达相机传感器之

前先通过截至滤波器。相机聚焦在纹影目标上（例如热气的流动），而不是屏幕

或者截至滤波器上，截至滤波器阻挡大约一半的光线。包含先进的图像处理算法

的SchlierenViewTM软件可以消除背景噪声和增强反差，从而得到均匀强度的背

景。

与大多数纹影系统相比，这种创新的系统布局具有巨大的实用优势。这些组

件重量轻，可自对准，聚焦纹影网格使用现成的数字投影仪投影，使其成为现场

真正便携式和大规模纹影成像的少数现实选择之一。两个光学组件，sTubeTM和

数字投影仪可以安装在简单的三脚架上。唯一需要的其他设备是用于控制系统的

笔记本电脑的支架。甚至投影屏幕也是可选的。在许多情况下，即使是5英尺高

的纹影视野，平坦，相当明亮的墙壁也足够了。只有在高背景光或极长工作距离

（通常超过15英尺）的情况下才需要屏幕。

超音速子弹和冲击波 散弹枪子弹在飞行时的纹影条纹图像

●

您需要什么样的纹影系统？(请咨询武汉中创联达科技有限公司，网址：

)

一般来说，选择纹影系统时最重要的问题通常是：

*我们想要观察的区域有多大？

*我们希望看到的速度有多快？

*我们可以在我们想要观察的区域后面放置显示系统吗？

*预期的运营商知识渊博，经验丰富吗？

*测量需要有多灵敏？

1.尺寸

尺寸问题是在应用中实用的纹影系统类型的主要决定因素。由于所需的大镜

子的成本和安装复杂性，建立直径大于1英尺（约30cm）的经典系统是很少实

际的。在许多情况下，直径超过6英寸（~15厘米）的系统可能比它的价值更麻

烦，但对于几英寸（10厘米以下）的非常小的区域，它们通常是最好的解决方

案。

使用我们的专利数字聚焦纹影技术，使用现成的数字显示系统，可轻松容纳

中等大小的纹影观察区域，直径约3英尺（约1米）。

直径大于3英尺（1米）的大面积纹影系统通常必须是投影聚焦系统，其将

图案投射到逆向反射屏幕（传统的投影仪屏幕或逆向反射面板）上。虽然有效观

看区域约占总屏幕尺寸的50-75％，但它们可以按照最大的实际投影屏幕进行放

大。Spectabit提供两种主要类型的投影系统，一种模拟投影系统，体积更大，

需要更灵敏的对准，以及更便宜但通常稍微不那么敏感的数字投影系统。

对于大型户外探测器应用，例如观察飞行中的飞机，唯一现实的选择通常是

面向背景的纹影（BOS）系统，包括我们的日面边缘纹影技术。这些相对于经典

和聚焦纹影系统通常具有低灵敏度，除非背景具有特别高的对比度（如日面边缘

纹影），但它们可用于可视化强烈的纹影特征，例如冲击波。BOS通常需要存在

某种纹理背景。

2.速度

测量的速度要求影响着相机的类型和照明系统的类型。为了捕获诸如枪械放

电之类的高速事件，相机曝光必须短，以防止画面模糊并且照明必须相应地明亮。

在BOS和投影聚焦纹影中，对于小于毫秒范围的曝光，可能难以获得所需的光照

水平，尽管由于太阳的亮度，日面边缘纹影可以用于微秒曝光。还应该考虑是否

需要多帧（视频）或单拍图像。在前一种情况下，视频速率对于确定所需的系统

设计非常重要。传统“视频速率”范围内的帧速率，低于每秒100帧左右，所有

上述技术都相当简单。帧速率可能会排除某些类型，具体取决于曝光时间。一般

来说，如果曝光要求超过几毫秒，帧率低于每秒100帧，系统就不必特别定制化。

尽管如此，我们在高速成像应用方面有着丰富的经验，我们可以为各种更专业的

应用提供实用的解决方案，例如亚微秒曝光或每秒1000帧的要求。

要确定系统的快门速度需要多快，主要因素是（A）移动物体所需的图像分

辨率和（B）该物体的绝对速度。物体可能是飞机，子弹，排气羽流或气流。被

成像的流可能比创建它的对象移动得更快，因此请牢记这一点。以实际单位拍摄

图像分辨率，例如，您可能需要分辨0.1毫米（1E-4米）。要获得此数字，您可

以获取视野的大小并除以其上的像素数。然后取出物体的速度，比如说100米/

秒并将绝对分辨率除以它，所以0.1毫米/ 100米/秒= 1E-6秒，或微秒。您可

以使用较长的快门，但图像会模糊。事实上，为了获得好的图像，最好把快门调

短几倍，这样才能拍出清晰的照片。

同样重要的是要考虑需要多少帧来查看正在分析的过程。在某些应用程序中，

可能只需要一个快照，而在其他应用程序中，可能需要查看整个图像序列，例如

在1毫秒的过程中拍摄的10个1微秒帧。在后一种情况下所需的光源和相机往

往相当昂贵。如果过程相当可重复，则可以使用的替代方法是运行多个实验，在

不同的时间延迟下拍摄单独的1微秒快照。我们有标准的模拟和数字聚焦设计，

可以支持微秒快照，但由于需要极高的光效率，高速视频（每秒超过几百帧）通

常需要具有高效背光的数字系统（纹影系统本身仍然相对实惠，但相机可能非常

昂贵）。对于大约一微秒以下的快门速度，需要更专业的定制设计，尽管我们已

经构建并测试了基于脉冲激光的系统，其曝光时间低至20纳秒。

3.光纤接入

在尺寸和速度之后，必须考虑观察到对纹影场的光学通路。有三种主要选项，

背光，投影和自然背景（BOS）系统。背光系统（包括经典和背光聚焦纹影系统，

以及具有特殊照明的一些高速BOS系统）需要能够在纹影目标区域后面放置某种

光学装置（例如镜子或屏幕）。这可能与平板电视一样薄，但有些应用会不接受

这种情况。投影系统在这方面更加灵活，因为它们只需要一个平坦的表面，这使

得它们对风洞和冰箱等围护结构具有更好的优势。如果应用不接受安装投影屏幕，

将现有的BOS背景按原样成像是一种可能的解决方案。

4.易于操作

需要考虑的重点是预期运营商的专业知识。传统的纹影系统是迄今为止最难

使用的，因为它们需要非常精确的对准，即使是经验丰富的光学技术人员也可能

发现它们难以设置和维护。BOS系统位于秤的另一端，因为它们只需要操作相机，

而投影聚焦纹影系统在初始聚焦和对准步骤之后也很大程度上是傻瓜相机。然而，

BOS系统的敏感性往往比聚焦纹影或经典纹影要差得多，这是它们的主要缺点。

背光纹影系统往往比投影系统稍微难以操作，因为背光网格和相机系统之间的对

齐必须保持，

5.灵敏度

纹影仪灵敏度难以以易于理解的方式量化，尽管人们通常可以根据应用查看

需求。可视化冲击波，例如来自爆炸和超音速运动，通常相当容易，几乎任何纹

影技术都可以将它们可视化。一般来说，热对流是比较困难的目标，除非温差非

常大，而且通常在大多数热对流应用中都会使用聚焦或经典纹影系统。气体种类

对比，例如泄漏检测或排气可视化，也往往需要更高的灵敏度，尽管这在很大程

度上取决于所涉及的气体类型和浓度。最具挑战性的应用包括湍流可视化（如边

界层观测）和声学现象，声音可视化，这些通常需要高度敏感度的纹影系统。