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Unsichtbares wird sichtbar - Schlierenfotografie

Beim Husten kann das explosionsartige Ausstoßen der Luft eine Geschwindigkeit von bis zu 480 km/h erreichen, Niesen ist mit fast 900 km/h fast doppelt so schnell, und eigentlich nützt es bei diesen Geschwindigkeiten nichts, die Hand vor den Mund zu halten - man ist in jedem Fall zu langsam. Für das Auge sichtbar wird dies durch Schlierenfotografie. Sie ist eine alte Fototechnik, die 1864 vom deutschen Chemiker und Physiker August Toepler entwickelt wurde. Auch heute, rund 150 Jahre später, wird die Schlierenfotografie angewandt, um Unsichtbares sichtbar zu machen. Anwendung findet sie beispielsweise in der Strömungstechnik, in der Ballistik und bei Untersuchungen zur Vermischung von verschiedenen Gasen.

In der Schlierenfotografie sind verschiedene Anordnungen anzutreffen. Allen gemeinsam ist das Prinzip, eine möglichst gut begrenzte Lichtquelle über Optiken auf eine Blende abzubilden, die einen Teil des Bildes der Lichtquelle ausblendet und somit für eine weitere Abbildung nicht zur Verfügung steht. Befindet sich nun eine Schliere (Bereich mit geändertem Brechungsindex) zwischen Lichtquelle und Blende wird ein Teil der Lichtstrahlen mehr oder weniger abgelenkt und gelangt an der Blende vorbei. Dadurch erhält man ein in der Helligkeit verändertes Bild der Schliere.

Der hier abgebildete Aufbau verwendet eine starke Lichtquelle, die mittels einer Kondensoroptik auf einen Spalt abgebildet wird. Die Lichtquelle (Halogenlampe) und der Kondensor sind aus einem alten Diaprojektor. Der Spalt besteht aus zwei Rasierklingen. Dieser Spalt wird mit einem Hohlspiegel (50 cm Brennweite) über einen Umlenkspiegel auf eine weitere Rasierklinge abgebildet, die, mittels einer Schraube justierbar, die Blende (Schlierenkante) bildet. Direkt auf diese Blende folgt ein Objektiv (zirka 300 mm Brennweite), das das Bild der Schliere auf einen Schirm projiziert. Von diesem Schirm wiederum wird das Schlierenbild mit der Digitalkamera abfotografiert. Zu besseren Bildergebnissen gelangt man, wenn Objektiv und Schirm durch Kameraobjektiv und Film beziehungsweise Bildsensor ersetzt werden. Das Bild kann dann direkt und nicht über einen Schirm aufgenommen werden. Dazu ist es aber notwendig, die verschiebbare Schlierenkante möglichst in die Hauptebene des Objektivs zu legen, was nicht mit jeder Kamera möglich ist. Wird über den Schirm fotografiert, so geht Lichtstärke, Brillanz und Schärfe verloren.

Statt eines Hohlspiegels könnten auch Linsensysteme eingesetzt werden, die sich wesentlich einfacher justieren lassen. Der Vorteil von Hohlspiegeln ist, dass sie keine chromatische Aberration haben. Das bedeutet, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge nicht verschieden stark gebrochen wird. Dies gewährleistet eine fehlerfreie Strahlenverteilung im Brennpunkt.

Unter Schlieren versteht man örtlich begrenzte Inhomogenitäten, die durch Änderungen im Brechungsindex unregelmäßige Ablenkungen des Lichtes zur Folge haben. Der Brechungsindex gibt die Änderung von Richtung und Geschwindigkeit einer Lichtwelle bei Wechselwirkung mit Materie im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit in Vakuum an. Bei Gasen stehen Brechungsindex und Dichte in einer linearen Beziehung.
 

Fotografische Anwendungen 05 / 2009

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Husten, mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von knapp 30 Kilometern pro Stunde. Gary Settles/SPL/Agentur Focus

"Husten, mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von knapp 30 Kilometern pro Stunde."
Gary Settles/SPL/Agentur Focus

Einsatz eines Hochdruckreinigers. Die Schlierenfotografie kann kleinste Unterschiede in der optischen Dichte von Gasen sichtbar machen. Gary Settles/SPL/Agentur Focus

"Einsatz eines Hochdruckreinigers. Die Schlierenfotografie kann kleinste Unterschiede in der optischen Dichte von Gasen sichtbar machen."
Gary Settles/SPL/Agentur Focus

Der deutsche Chemiker und Physiker August Toepler entwickelte 1864 die Methode, mit der auch die Dämpfe einer brennenden Kerze zu erkennen sind. Gary Settles/SPL/Agentur Focus

"Der deutsche Chemiker und Physiker August Toepler entwickelte 1864 die Methode, mit der auch die Dämpfe einer brennenden Kerze zu erkennen sind."
Gary Settles/SPL/Agentur Focus

Forscher der Pennsylvania State University visualisierten auch einen dampfender Kessel. Gary Settles/SPL/Agentur Focus

"Forscher der Pennsylvania State University visualisierten auch einen dampfender Kessel."
Gary Settles/SPL/Agentur Focus

Luftverwirbelungen beim Schuss aus einer Pistole. Gary Settles/SPL/Agentur Focus

"Luftverwirbelungen beim Schuss aus einer Pistole."
Gary Settles/SPL/Agentur Focus