シュリーレン光学系とは、透明な媒体中の微小な屈折率の変化を可視化するための光学的手法です。
この手法は、流体力学や熱工学などの分野で、衝撃波や気流、温度分布などを観察するのに有用です。
シュリーレン光学系の原理は、平行光束を透明な媒体に通過させた後、再び集束させてナイフエッジで遮ることで、媒体中の屈折率の変化による光線の偏向をスクリーン上に明暗のコントラストとして現すことです。このコントラストは媒体中の密度勾配に比例します。密度が一様な部分ではナイフエッジが光を一様に遮るため明るさも一様になりますが、密度勾配があるとその部分で光が屈折し、ナイフエッジを越える光量が変わって明暗が現れます。明るくなるか暗くなるかは勾配の向きで決まり、勾配の大きさが明暗の強さに対応します。
シュリーレン光学系は、一般的に点光源（またはスリット）、光を平行にするレンズまたは凹面鏡、測定部（透明な媒体）、光を集束させる凹面鏡またはレンズ、ナイフエッジ、スクリーンで構成されます。点光源から出た光をレンズや凹面鏡で平行光束にし、そのまま測定部を通過させます。測定部では屈折率が異なる部分があれば光線が偏向します。偏向した光線を凹面鏡で再び集束させてナイフエッジで遮ります。ナイフエッジでは偏向した程度に応じて通過する光量が変わります。通過した光量が少ないほど暗く表示されます。最後にスクリーン上に像を投影します。
シュリーレン光学系の応用例としては、以下のようなものがあります。
- 超音速流れや衝撃波の可視化
- 炎や爆発現象の可視化
- 溶接や溶射時のシールドガスや溶融物質の可視化
- 水素やキャビテーション気泡など透明物質の可視化
- 光ファイバーやレーザー発振器内部など固体中の屈折率分布や欠陥の可視化
シュリーレン法は非常に感度が高く、マーカー粒子を必要としないため、高速現象や微細構造を捕らえることができます。しかし、シュリーレン法では定量的な密度分布や速度場を得ることは難しいです。その場合、PIV（粒子像速度計測）法や干渉計測法など他の手法と併用する必要があります。
