空氣流場、衝擊波、熱對流——這些透明的流體現象在普通相機下完全不可見。Schlieren 紋影技術利用光線折射率差異，將密度梯度轉換為可見對比度，讓流場動態一覽無遺。
什麼是 Schlieren 紋影技術？
Schlieren（德文「條紋」）技術由 August Toepler 於 1864 年發明，至今仍是流體力學實驗室的標準光學診斷工具。原理基於光線通過密度不均勻的流場時，依據折射率梯度發生偏折，在刀刃（Knife Edge）阻擋下形成明暗對比，直接顯示流場密度梯度分布。
- 非侵入性：不在流場插入探針，不干擾流動結構
- 高靈敏度：可檢測到空氣密度差異低至 0.1%
- 全場可視化：一次拍攝取得整個視野的密度梯度信息
- 結合高速攝影：可捕捉毫秒至微秒尺度的瞬態流場
Schlieren 系統三種主要架構
Z 型反射式（最常用）
使用兩片凹面反射鏡，光路呈 Z 字形。視場大（直徑 mm），適合風洞和大型測試段，台灣多數大學燃燒/氣動實驗室採用。
透射式 Schlieren
使用兩片凸透鏡，光路直線型。結構簡單，適合小型實驗室和教學，視場較小（50–150 mm），設置容易，成本較低。
背景紋影（BOS）
Background-Oriented Schlieren，使用隨機點陣背景替代光學元件，成本極低，適合大尺度流場（如飛機引擎尾流）。
Schlieren + 高速攝影機應用場景與規格
| 應用場景 | 流場速度 | 建議幀率 | 視場大小 |
|---|---|---|---|
| 衝擊波傳播 | 馬赫數 1–5（ m/s） | fps（降解析度模式） | 50–200 mm |
| 超音速噴流 | 馬赫盤、激波胞格結構 | fps | mm |
| 燃燒火焰鋒面 | 0.1–1 m/s | fps | 50–200 mm |
| 熱對流可視化 | 0.01–0.1 m/s | fps | mm |
| 爆炸衝擊波 | m/s | fps（降解析度模式） | mm |
| 彈頭飛行 | m/s | fps（降解析度模式） | mm |
PIV vs Schlieren 技術比較
| 比較項目 | PIV 粒子影像測速 | Schlieren 紋影 |
|---|---|---|
| 量測物理量 | 速度場（定量） | 密度梯度（定性/半定量） |
| 流體要求 | 需要撒入示蹤粒子 | 不需要任何添加物 |
| 適用流速 | 0.01 m/s – 300 m/s | 0.01 m/s – 超音速 |
| 可壓縮流 | 困難（粒子跟隨性差） | 最佳（密度梯度明顯） |
| 設備複雜度 | 高（雙脈衝雷射+同步器） | 中（凹面鏡+點光源） |
組合策略：燃燒或超音速流研究中常同時使用 Schlieren（可視化衝擊波結構）和 PIV（量測速度場），兩者互補。東茂提供的 DITECT HAS 系列支援雙相機同步，可同時拍攝 Schlieren 與 PIV。
台灣流體力學研究機構
- 成功大學航太系：超音速風洞（馬赫數 1.5–3.0），Schlieren 系統為標準配備
- 陽明交通大學機械系：燃燒研究室，噴霧燃燒 Schlieren 可視化（廖英皓教授，東茂合作夥伴）
- 清華大學動機系：內燃機噴射與燃燒診斷
- 台灣大學機械系：流體力學實驗、渦流結構研究
- 中科院（NCSIST）：超音速氣動力測試
Schlieren 系統需要哪些空間？
Z 型 Schlieren 以 1,500 mm 焦距凹面鏡為例，總光路長約 4–5 公尺。需要約 2.4–3.6 m 的防震光學桌。測試段本身可以很小（直徑 50–200 mm）。
PIV 和 Schlieren 哪個更適合燃燒研究？
兩者互補。Schlieren 用於可視化密度梯度結構（定性），PIV 用於量測速度場（定量）。燃燒研究中常同時使用兩種技術以獲得最完整的流場信息。
能否用 Schlieren 拍攝燃燒火焰內部？
可以，但火焰發光可能淹沒 Schlieren 信號。常見解法是在相機前加窄帶濾片，只讓 Schlieren 光源波長通過。對於強發光碳氫燃料火焰，OH-PLIF 技術更適合。
東茂有提供 Schlieren 系統整合建議嗎？
有的。東茂工程師熟悉多所大學的 Schlieren 系統配置，可根據您的流速範圍、視場大小和預算，建議最適合的高速攝影機型號。提供 3 天安排 DEMO，在您現有系統上直接測試。
作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。