ハイスピードカメラセッティング事例：レーザー誘起蛍光法を利用した液膜厚さの非定常計測

セッティング事例

レーザー誘起蛍光法 (Laser-Induced Fluorescence, LIF) とは

レーザー誘起蛍光法 (LIF) は、高輝度かつ単色性に優れたレーザー光を光源として用い、測定対象となる特定の原子や分子を選択的に励起し、その後に放出される蛍光を分光的に観測する非接触計測技術です。
LIFは、流体力学や燃焼・プラズマ研究の分野において、高速で時間的に変動する流れ場や燃焼場を解析するために広く用いられています。

今回は、九州大学大学院航空宇宙工学部門井上智博先生にご協力いただき、レーザー誘起蛍光法 (LIF)のセッティング事例を解説していきます。

セッティング事例

セッティング時の写真

撮影された動画

アクリル管の内壁を流れる水膜の厚さを非定常的に計測するために、波長532nmのCWレーザーを面状に照射して、蛍光剤ローダミンBを混入した水膜からの蛍光(波長約570nm)をロングパスフィルターを介して、カメラで選択的に撮影しました。
まず気流を流さない場合（左）に、水膜の厚さを与える理論解を正として各ピクセルの蛍光輝度と膜厚の関係を校正します。
次に気流を流すと水膜が波立ち始め、水膜の厚さが非定常的に変化します。波の山で厚く、谷で薄くなる膜厚を非定常的に計測します（中央）。
さらに気流を速くすると、振幅の大きな波が間欠的に発生する様子が分かります（右）。
レーザー誘起蛍光の輝度を利用した本手法は、およそ厚さ100μm以下の薄い液膜の厚さを非定常的に計測する際に有効です。

使用機材

ハイスピードカメラ：FASTCAM Mini AX100　→　製品詳細を見る
レンズ：Fマウント 105mm f/2.8　→　取り扱いレンズ一覧を見る
照明：CWレーザー (波長532nm、出力3W)　→　取り扱い照明一覧を見る
照明固定用アーム：治具アーム（大）カメラ固定ネジ付　→　取り扱い照明一覧を見る
三脚：中型三脚　→　取り扱い三脚一覧を見る
その他：ロングパスフィルター(550nm以上を透過)

撮影条件

撮影速度：1,000fps
露光時間：1/10,000s
撮影領域：縦30mm×横40mm程度
空間解像度：0.033mm/pixel

論文情報

Yoshiaki Kamada, Zhenying Wang, Chihiro Inoue, “Dynamics of gas–liquid annular flow: from wall-film instability to fragmentation”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 1023, A43 (2025).
https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10869