JP2001083084A - 光ファイバーによる溶液の屈折率測定法 - Google Patents
光ファイバーによる溶液の屈折率測定法Info
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- JP2001083084A JP2001083084A JP29571299A JP29571299A JP2001083084A JP 2001083084 A JP2001083084 A JP 2001083084A JP 29571299 A JP29571299 A JP 29571299A JP 29571299 A JP29571299 A JP 29571299A JP 2001083084 A JP2001083084 A JP 2001083084A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 溶液の屈折率を測定する目的で光ファイバー
をその溶液中に沈め透過強度を測定し、入射光のプロフ
ァイルと比較することにより、光ファイバーへの臨界入
射角を求める。計算によってこの角度と溶液の屈折率の
関係を求め、屈折率を決定し、液中の汚れ及びその変化
をリアルタイムでモニター可能にする。 【構成】 光ファイバー１を測定溶液４中に沈め、レン
ズ系により広範囲に拡散しされたレーザー光源５からの
入射する光の透過光強度を、レーザーパワーメーター８
を含めた検出系ユニット３によって測定する。
をその溶液中に沈め透過強度を測定し、入射光のプロフ
ァイルと比較することにより、光ファイバーへの臨界入
射角を求める。計算によってこの角度と溶液の屈折率の
関係を求め、屈折率を決定し、液中の汚れ及びその変化
をリアルタイムでモニター可能にする。 【構成】 光ファイバー１を測定溶液４中に沈め、レン
ズ系により広範囲に拡散しされたレーザー光源５からの
入射する光の透過光強度を、レーザーパワーメーター８
を含めた検出系ユニット３によって測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は溶液中でその液体の屈折
率を可能にする測定に関するもので、水質汚染、有機溶
剤などの化学工業分野、飲料水の汚染のモニターなどを
含めた各種水質管理を必要とする計測産業分野などで幅
広く用いられる。
率を可能にする測定に関するもので、水質汚染、有機溶
剤などの化学工業分野、飲料水の汚染のモニターなどを
含めた各種水質管理を必要とする計測産業分野などで幅
広く用いられる。
【０００２】
【従来の技術】従来の屈折率測定方法は、古くから用い
られているアッベの屈折率測定法、プリズム式屈折率測
定法などを用いる方式が知られている。それらは主とし
て測定装置を空気中に設定する方式のものであって、測
定原理、装置の機構、保持など面で液体に沈めてその屈
折率を直接的に測定する方法には適していない。又、光
学系の複雑さ、調整などが難しく装置の光学的精度など
の要求も厳しかった。
られているアッベの屈折率測定法、プリズム式屈折率測
定法などを用いる方式が知られている。それらは主とし
て測定装置を空気中に設定する方式のものであって、測
定原理、装置の機構、保持など面で液体に沈めてその屈
折率を直接的に測定する方法には適していない。又、光
学系の複雑さ、調整などが難しく装置の光学的精度など
の要求も厳しかった。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】海洋あるいは河川
の汚れが最近とくに目立っており、汚染源を断ち環境汚
染に真剣に取り組まなければならない。これらを含めた
水質汚染に対処しモニターするために、簡単で効果的な
汚染の検出、計測方法の開発がのぞまれている。今回の
発明は、対象となる溶液中に測定装置を沈め溶液の屈折
率およびその変化を直接モニターすることにより、水質
汚染を判断することを目的としている。
の汚れが最近とくに目立っており、汚染源を断ち環境汚
染に真剣に取り組まなければならない。これらを含めた
水質汚染に対処しモニターするために、簡単で効果的な
汚染の検出、計測方法の開発がのぞまれている。今回の
発明は、対象となる溶液中に測定装置を沈め溶液の屈折
率およびその変化を直接モニターすることにより、水質
汚染を判断することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するために手段】上記目的を達成するため
に、プラスチック製、ガラス製の光ファイバーを溶液に
沈め、光ファイバーに入射する光の液中で漏れ、光伝達
の損失率を測定することにより屈折率を測定する方法を
発明した。この方法では入射光に角度幅を持たせると、
光伝達の原理よりファイバー周囲の液体の屈折率に応じ
た一定の入射角内の光線しか伝達されず、それ以上の入
射角の光線はファイバーから漏れる原理に基づくもので
ある。
に、プラスチック製、ガラス製の光ファイバーを溶液に
沈め、光ファイバーに入射する光の液中で漏れ、光伝達
の損失率を測定することにより屈折率を測定する方法を
発明した。この方法では入射光に角度幅を持たせると、
光伝達の原理よりファイバー周囲の液体の屈折率に応じ
た一定の入射角内の光線しか伝達されず、それ以上の入
射角の光線はファイバーから漏れる原理に基づくもので
ある。
【０００５】
【作用】上記のような光ファイバーの伝達原理に基づく
光伝達の損失率測定システムにより、透過光強度を計測
し、液中にファイバーを沈めその溶液の屈折率を測定す
ることが可能になった。
光伝達の損失率測定システムにより、透過光強度を計測
し、液中にファイバーを沈めその溶液の屈折率を測定す
ることが可能になった。
【０００６】
【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１は本発明による屈折率装置の機構を示す全体図であ
る。この主な構造は、高強度の拡散光を得るための光源
系ユニット２と、測定溶液４の屈折率の相違によって入
射角が限定される光ファイバー１と、ファイバーの終端
から射出される光強度を計測する検出系ユニット３より
構成される。光源系ユニット３は、例えば高強度Ｈｅ−
Ｎｅなどのレーザー光源５を用い、ビーム拡大レンズ６
によってその径を拡大し、集光レンズ７により光ファイ
バー１への最大入射角を自由に制御できるように変えら
れる。光ファイバー１は測定溶液４を納める容器内を通
し、その端面はこの図で測定例として、空気中にあるよ
うに設定されている。透過光の強度を測定するために、
レーザーパワーメーター８を用いるが、それと同時に、
溶液を除いたときあるいは溶液中のビーム形状を確認す
る際に、ビームプロファイらーなどの計測器が検出系ユ
ニット８におかれる。
１は本発明による屈折率装置の機構を示す全体図であ
る。この主な構造は、高強度の拡散光を得るための光源
系ユニット２と、測定溶液４の屈折率の相違によって入
射角が限定される光ファイバー１と、ファイバーの終端
から射出される光強度を計測する検出系ユニット３より
構成される。光源系ユニット３は、例えば高強度Ｈｅ−
Ｎｅなどのレーザー光源５を用い、ビーム拡大レンズ６
によってその径を拡大し、集光レンズ７により光ファイ
バー１への最大入射角を自由に制御できるように変えら
れる。光ファイバー１は測定溶液４を納める容器内を通
し、その端面はこの図で測定例として、空気中にあるよ
うに設定されている。透過光の強度を測定するために、
レーザーパワーメーター８を用いるが、それと同時に、
溶液を除いたときあるいは溶液中のビーム形状を確認す
る際に、ビームプロファイらーなどの計測器が検出系ユ
ニット８におかれる。
【０００７】上記の装置により測定対象となる液体の屈
折率は、透過光の強度を測定することにより求まるが、
その原理を理論的に解析し説明する。図２において、光
ファイバー１はコアー９とクラッド１０から構成され、
その屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とする。一般の光ファ
イバーではクラッド１０の外側は保護被服がなされてお
り、光源からのレーザー光はあまり拡散されてない低角
度で入射するため、ほとんどの入射光はコアー９とクラ
ッド１０の境界面で全反射されコアー内を伝達する。光
伝達の理論は主として光通信、画像伝達の分野で用いら
れ確立されおり、伝達可能な入射角はよく知られている
光ファイバーの開口径ＮＡにより決定される。今回の発
明では、上記のコアー９の外側を空気（屈折率ｎ０＝
１）とする従来の使用方法とは全く異なった考察によ
り、液体中の屈折率を測定する方法に使用する原理を導
いた。すなわち、光ファイバーの外側の保護被膜を剥が
すことにより、クラッド１０の外側を測定対象とする液
体（屈折率ｎ３）に接すると、発散光源からの入射光は
通常の方法のようにコアー９内部を伝達する光の他に、
入射角が大きくなると、光線Ａ−Ａ‘の様にクラッド１
０と測定溶液４の界面で全反射をする光線が考えられ
る。さらに大きな入射角では図の光線Ｂ−Ｂ’の様にク
ラッド１０から逸脱し、光ファイバーから漏れる光線が
考えらる。これらの現象を特徴付ける臨界入射角は、次
の原理により求められる。
折率は、透過光の強度を測定することにより求まるが、
その原理を理論的に解析し説明する。図２において、光
ファイバー１はコアー９とクラッド１０から構成され、
その屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とする。一般の光ファ
イバーではクラッド１０の外側は保護被服がなされてお
り、光源からのレーザー光はあまり拡散されてない低角
度で入射するため、ほとんどの入射光はコアー９とクラ
ッド１０の境界面で全反射されコアー内を伝達する。光
伝達の理論は主として光通信、画像伝達の分野で用いら
れ確立されおり、伝達可能な入射角はよく知られている
光ファイバーの開口径ＮＡにより決定される。今回の発
明では、上記のコアー９の外側を空気（屈折率ｎ０＝
１）とする従来の使用方法とは全く異なった考察によ
り、液体中の屈折率を測定する方法に使用する原理を導
いた。すなわち、光ファイバーの外側の保護被膜を剥が
すことにより、クラッド１０の外側を測定対象とする液
体（屈折率ｎ３）に接すると、発散光源からの入射光は
通常の方法のようにコアー９内部を伝達する光の他に、
入射角が大きくなると、光線Ａ−Ａ‘の様にクラッド１
０と測定溶液４の界面で全反射をする光線が考えられ
る。さらに大きな入射角では図の光線Ｂ−Ｂ’の様にク
ラッド１０から逸脱し、光ファイバーから漏れる光線が
考えらる。これらの現象を特徴付ける臨界入射角は、次
の原理により求められる。
【０００８】図２（ｂ）において光の屈折の法則を使う
と、光ファイバー端面で空気からコアーに入射する光フ
ァイバーは公式ｎ０ＳＩＮθ０＝ｎ１ＳＩＮθ１ によ
り屈折角θ１が決定される。同様にθ２に関し屈折の公
式を適用し式をまとめる 射の条件に至らず液体層に屈折するとすれば、クラッド
から液体への屈折角θ３ 各段階における全反射の条件はＳＩＮθ ２＞１およびＳ
ＩＮθ３＞１で示される。最終的にクラッドのからの射
出光が、液体面から全反射する時の臨界入射 ら、θｃはクラッドの屈折率ｎ２には依存しないので、
クラッドが存在しないコアーのみのファイバーを使用し
ても、同じ結果が得られる。図１では光の入射端面が空
気中にあるの場合でありｎ０＝１ を代入するが、液体
の場合にはｎ０＝ｎ３を用いて計算する。プラスチック
ファイバーを使用した場合屈折率ｎ１＝１．４９２、ｎ
２＝１．４１９であり、溶液の屈折率と臨界入射角θｃ
の関係を求めると、その結果は図３に示される。溶液の
屈折率（横軸）は、臨界入射角を測定することによりこ
の図から決定される。従って一般な測定方法では、指向
性のあるレーザー光線の入射向きを変化させ、透過光強
度がゼロに変化する時の入射角を求める方法が考えられ
るが、その装置として回転角の読み取り制御機構、およ
びその精度保持が難しい。またレーザーを回転したと
き、細外形な光ファイバーへの入射光のセンターずれ、
位置あわせが困難となる。
と、光ファイバー端面で空気からコアーに入射する光フ
ァイバーは公式ｎ０ＳＩＮθ０＝ｎ１ＳＩＮθ１ によ
り屈折角θ１が決定される。同様にθ２に関し屈折の公
式を適用し式をまとめる 射の条件に至らず液体層に屈折するとすれば、クラッド
から液体への屈折角θ３ 各段階における全反射の条件はＳＩＮθ ２＞１およびＳ
ＩＮθ３＞１で示される。最終的にクラッドのからの射
出光が、液体面から全反射する時の臨界入射 ら、θｃはクラッドの屈折率ｎ２には依存しないので、
クラッドが存在しないコアーのみのファイバーを使用し
ても、同じ結果が得られる。図１では光の入射端面が空
気中にあるの場合でありｎ０＝１ を代入するが、液体
の場合にはｎ０＝ｎ３を用いて計算する。プラスチック
ファイバーを使用した場合屈折率ｎ１＝１．４９２、ｎ
２＝１．４１９であり、溶液の屈折率と臨界入射角θｃ
の関係を求めると、その結果は図３に示される。溶液の
屈折率（横軸）は、臨界入射角を測定することによりこ
の図から決定される。従って一般な測定方法では、指向
性のあるレーザー光線の入射向きを変化させ、透過光強
度がゼロに変化する時の入射角を求める方法が考えられ
るが、その装置として回転角の読み取り制御機構、およ
びその精度保持が難しい。またレーザーを回転したと
き、細外形な光ファイバーへの入射光のセンターずれ、
位置あわせが困難となる。
【０００９】今回の発明ではこれらの機構的困難さを除
き、図１に示す拡散光源により光ファイバーの透過率を
測定し、臨界入射角θＣを決定する方法を工夫した。図
４においてＩ０はレーザー光の入射強度であり、光ファ
イバーへの入射角θ０をできる限り大きな角度θｔに設
定し、空気中でその透過光強度を測定することにより求
められる。（ｎ３が空気であるのであらゆる入射角に対
し漏れは生じない。θ０の最大設定値は集光レンズの性
能限界から、高々４０度前後と考えられる）。Ｉｔは任
意の測定液体中で求めた、光ファイバー透過光の測定強
度である。従って、レーザー光のビームプロファイラー
等の測定装置でＩ０のビーム形状を測定しておけば、液
中での透過強度Ｉｔの測定値との対比により、最大の入
射角θｍすなわち臨界入射角θｃを求めることができ
る。さらに図３を使用し、縦軸のθｃの値に対応する溶
液の屈折率を、決定することができる。θ０の最大設定
値は高々４０度前後とすると、図３で求められる屈折率
の範囲は最低値が１．３５程度となる。入射光も同じ液
体中にある場合を設定しｎ０＝ｎ３とすれば、その測定
可能な屈折率の最低値は１．２５程度になる。 また測
定可能な屈折率の最大値はコアーの屈折率ｎ１と同じで
あり、高屈折率のガラスを選定すれば、改善される。し
かしこの場合、低屈折率の液体の測定に際して９０度近
い入射角を設定せねばならず、測定対象液体の屈折率の
範囲を広げれば、それに応じた設計が必要となる。
き、図１に示す拡散光源により光ファイバーの透過率を
測定し、臨界入射角θＣを決定する方法を工夫した。図
４においてＩ０はレーザー光の入射強度であり、光ファ
イバーへの入射角θ０をできる限り大きな角度θｔに設
定し、空気中でその透過光強度を測定することにより求
められる。（ｎ３が空気であるのであらゆる入射角に対
し漏れは生じない。θ０の最大設定値は集光レンズの性
能限界から、高々４０度前後と考えられる）。Ｉｔは任
意の測定液体中で求めた、光ファイバー透過光の測定強
度である。従って、レーザー光のビームプロファイラー
等の測定装置でＩ０のビーム形状を測定しておけば、液
中での透過強度Ｉｔの測定値との対比により、最大の入
射角θｍすなわち臨界入射角θｃを求めることができ
る。さらに図３を使用し、縦軸のθｃの値に対応する溶
液の屈折率を、決定することができる。θ０の最大設定
値は高々４０度前後とすると、図３で求められる屈折率
の範囲は最低値が１．３５程度となる。入射光も同じ液
体中にある場合を設定しｎ０＝ｎ３とすれば、その測定
可能な屈折率の最低値は１．２５程度になる。 また測
定可能な屈折率の最大値はコアーの屈折率ｎ１と同じで
あり、高屈折率のガラスを選定すれば、改善される。し
かしこの場合、低屈折率の液体の測定に際して９０度近
い入射角を設定せねばならず、測定対象液体の屈折率の
範囲を広げれば、それに応じた設計が必要となる。
【００１０】
【発明の効果】本発明は、上記の通りに構成されている
ので、下記に記載される効果を生む。
ので、下記に記載される効果を生む。
【００１１】従来の屈折率測定の原理を用い、溶液中に
計測器を沈めて測定する方法は、装置の機構（防水性等
を含めて）等の問題から難しく、この種の測定器は市販
されていない。本発明による、光ファイバーを液中に沈
め透過光の強度を測定し屈折率を導出する方法は、機構
が簡単で装置化、実用化が容易である。これにより、液
中の屈折率変化をリアルタイムで詳細にモニターするこ
とが可能であり、地球環境水質汚染の諸問題に際し水質
管理の有効な手段となる。特にある種の有機溶剤は、
水、一般の海水等に比して高屈折率であり、これらの溶
剤の含有検査も容易となる。又、光ファイバーを曲げた
ときの損失を予め考慮に入れれば、暴爆の危険性のある
化学薬品の品質検査用としてファイバーのみをタンク内
に挿入し測定する装置を、作成することができる。この
他、ビルの屋上に設置された貯水タンク内部での汚れ、
飲料水の監視などの目的を含め、非常に有効なモニター
装置として活用することができ、水質監視の広い範囲で
有効に利用される
計測器を沈めて測定する方法は、装置の機構（防水性等
を含めて）等の問題から難しく、この種の測定器は市販
されていない。本発明による、光ファイバーを液中に沈
め透過光の強度を測定し屈折率を導出する方法は、機構
が簡単で装置化、実用化が容易である。これにより、液
中の屈折率変化をリアルタイムで詳細にモニターするこ
とが可能であり、地球環境水質汚染の諸問題に際し水質
管理の有効な手段となる。特にある種の有機溶剤は、
水、一般の海水等に比して高屈折率であり、これらの溶
剤の含有検査も容易となる。又、光ファイバーを曲げた
ときの損失を予め考慮に入れれば、暴爆の危険性のある
化学薬品の品質検査用としてファイバーのみをタンク内
に挿入し測定する装置を、作成することができる。この
他、ビルの屋上に設置された貯水タンク内部での汚れ、
飲料水の監視などの目的を含め、非常に有効なモニター
装置として活用することができ、水質監視の広い範囲で
有効に利用される
【図１】光ファイバーを用いた屈折率測定装置
【図２】屈折の測定原理
【図３】臨界入射角 θｃと溶液の屈折率の関係
【図４】入射光と透過ビームプロファイル
１ 光ファイバー ２ 光源系ユニット ３ 検出系ユニット ４ 測定溶液 ５ レーザー光源 ６ ビーム拡大レンズ ７ 集光レンズ ８ レーザーパワーメーター ９ コアー １０クラッド
Claims (2)
- 【請求項１】 保護外套被覆の一部あるいは全体を剥離
した光ファイバーを液中に沈め、光をこれに照射したと
きの透過光強度を測定することによって、光ファイバー
に対する臨界入射角あるいはその溶液の屈折率を測定す
る方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載された方法で、光ファイ
バーのクラッド部分を除去するか、もともとクラッドが
なくコアーに相当する部分のみから構成されるファイバ
ーを使用し、臨界入射角あるいはその溶液の屈折率を測
定する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29571299A JP2001083084A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 光ファイバーによる溶液の屈折率測定法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29571299A JP2001083084A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 光ファイバーによる溶液の屈折率測定法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001083084A true JP2001083084A (ja) | 2001-03-30 |
Family
ID=17824191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29571299A Pending JP2001083084A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 光ファイバーによる溶液の屈折率測定法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001083084A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105241842A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-01-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于单模-多模-单模光纤锥头(smst)的小型光纤折射率传感器 |
-
1999
- 1999-09-10 JP JP29571299A patent/JP2001083084A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105241842A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-01-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于单模-多模-单模光纤锥头(smst)的小型光纤折射率传感器 |
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