JP2002168779A - 屈折率変化測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の試料の屈折率の変化を同時に高い精度で
測定できる低価格な屈折率測定装置を提供する。 【解決手段】屈折率変化測定装置１００は、試料セル２
００を保持するための試料セル保持部２２０と、試料セ
ル２００に向けて光ビームを射出する光源部１０２と、
光源部１０２からの光ビームを拡大するためのビームエ
キスパンダー１０４と、試料セル２００で反射された光
ビームに含まれる干渉縞の変化を検出するための光検出
器１０８とを備えている。試料セル２００は、光源部１
０２から来る光ビームが、斜めに入射するように配置さ
れている。試料セル２００は、平板状の試料セル下板と
複数の開口部を有する試料セル側板と平板状の試料セル
上板とを接合して作られた閉鎖型セルであり、試料ある
いは試料生成物を収容する複数の空間部を有している。
拡大された光ビームは試料セル全体に照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体や液体や膜等
の試料の屈折率の変化を光学的に測定する装置、特に光
の干渉を利用して試料の屈折率の変化を測定する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より試料の屈折率を測定する方法と
して様々な試みがなされている。試料としては、気体、
液体、膜、固体などであるが、検出原理としてはアッベ
の屈折計に代表されるプリズムを用いる方法が公知技術
としてあるが、他にも特開平１１−２９５２２０号に開
示されている方法もある。他の検出原理としては干渉法
を用いることも多く行われている。特開平２−１３８３
２号や特開平７−５５７００号などは、液体の屈折率を
干渉により測定する方法を開示している。特に高速クロ
マトグラフィヘ応用される用途であれば、特公平２−１
９８９５号や特開昭５９−２２０６３２号などに開示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】干渉法を用いて試料の
屈折率の変化を測定する屈折率測定装置は、一般に、光
学系が複雑である。また、参照光と試料光の強度を調整
するための構造が複雑である。さらに、屈折率の変化を
高感度に測定するために、可動式ミラーやシャッター等
の部品が必要である。加えて、試料や試料セルの形状、
参照セルの形状等の諸条件によって大きく変わる干渉縞
を解析するために、高価な検出器や解析装置が必要であ
る。その結果、屈折率測定装置は、一般に高価なものと
なっている。

【０００４】さらに、参照光と試料光に分割する素子
と、試料とが、別々の振動系に位置しているため、振動
や温度変化等の外部ノイズの影響を受け易い。

【０００５】本発明の目的は、複数の試料の屈折率の変
化を同時に測定できる、測定精度が高く低価格な屈折率
測定装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、気体や液体や
膜等の試料の屈折率の変化を測定する装置であり、複数
の試料を収容するための複数の空間部を有する試料セル
を保持するための試料セル保持部と、平行な光ビームを
射出するための光源部と、光源部からの光ビームの径を
拡大するための光ビーム拡大部と、拡大された光ビーム
を、試料を通過する試料光ビームと、試料を通過しない
参照光ビームとに分割する光ビーム分割手段と、試料光
ビームと参照光ビームとを結合して干渉を起こさせる光
ビーム結合手段と、試料光ビームと参照光ビームの干渉
を検出するための光検出器とを備えており、試料光ビー
ムは、試料セルの複数の空間部内の複数の試料を通過す
る複数の成分を含み、従って、試料光ビームと参照光ビ
ームの結合された光ビームは、複数の空間部内の複数の
試料による複数の干渉光を含んでおり、光検出器は、試
料光ビームの複数の成分と参照光ビームの干渉により生
じる複数の干渉縞の変化を検出する。

【０００７】一実施形態においては、拡大された光ビー
ムは試料セルに斜めに照射され、試料セルは、互いに接
合された試料セル下板と試料セル上板を含んでおり、複
数の空間部は試料セル下板と試料セル上板の間に位置し
ており、試料セル上板の上面は、光ビーム分割手段と光
ビーム結合手段を構成しており、試料セル上板の上面
は、入射した光ビームの一部を参照光ビームとして光検
出器に向けて反射するとともに残りを試料光ビームとし
て透過し、試料セル下板の上面は、試料セル上板の上面
を透過した試料光ビームを試料セル上板の上面に向けて
反射し、試料セル上板の上面は、試料セル下板の上面で
反射された試料光ビームを光検出器に向けて屈折する。

【０００８】別の実施形態においては、屈折率変化測定
装置は、拡大された光ビームを、試料セルの複数の空間
部に向かう複数の光ビームに分割するとともにそれらを
集光する複数のレンズを有する集光レンズアレイを更に
備えている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１０】［第一の実施の形態］図１に示されるよう
に、本実施形態の屈折率変化測定装置１００は、試料セ
ル２００を保持するための試料セル保持部２２０と、試
料セル２００に向けて光ビームを射出する光源部１０２
と、光源部１０２からの光ビームを拡大するためのビー
ムエキスパンダー１０４と、試料セル２００で反射され
た光ビームを受ける光検出器１０８とを備えている。光
検出器１０８はケーブル１１０を介してコンピュータ等
のデータ処理部１１２に接続されている。

【００１１】光源部１０２は、可干渉性の光を発する光
源を有している。光源は、好ましくはヘリウムネオンレ
ーザーやアルゴンレーザー等の気体レーザーであるが、
位相の揃っている光を発する固体レーザーや半導体レー
ザーや色素レーザー等でもよい。偏光板、グラントムソ
ンプリズム等偏光子を配置するならキセノンランプ、ハ
ロゲンランプを用いても構わない。

【００１２】ビームエキスパンダー１０４は、好ましく
はケプラータイプであるが、ガリレオタイプであっても
よい。ケプラータイプの好ましいビームエキスパンダー
は、それを構成するレンズの間の焦点位置に空間フィル
ターを有している。

【００１３】試料セル２００は、図１に示されるよう
に、光源部１０２から来る光ビームが、斜めに入射する
ように配置されている。

【００１４】光検出器１０８は、好ましくは、ＣＣＤイ
メージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーやＣＣＤラ
インセンサー等の光電変換素子であるが、フォトダイオ
ードであってもよい。屈折率変化測定装置１００は、光
検出器１０８の受光面積を有効に使用するために、試料
セル２００と光検出器１０８の間に、集光レンズを更に
備えていてもよい。

【００１５】試料セル保持部２２０は、エアー吸引や押
し付けなどにより、試料セル２００を確実に固定でき
る。

【００１６】屈折率変化測定装置１００は、図示しない
温度制御部を有していてもよい。試料セル２００の温度
変化を少なくすることで、屈折率変化の測定精度を高め
ることができる。試料セル保持部２２０は、熱伝導率の
高い材料、例えば銅や金や真鍮やアルミ等の金属で作ら
れてるとよい。

【００１７】試料セル２００は、図２と図３に示される
ように、平板状の試料セル下板２０２と複数の(図示の
例では九つの)の開口部を有する試料セル側板２０４と
平板状の試料セル上板２０６とを接合して作られた閉鎖
型セルであり、試料あるいは試料生成物を収容する複数
の(図示の例では九つの)空間部２１０を有している。

【００１８】屈折率変化測定装置１００の測定対象は気
体や液体や膜であり、試料は、測定対象そのものである
気体や液体および膜を言い、試料生成物は、測定対象で
ある膜に対して変化を与える気体や液体を言う。以下で
は、試料あるいは試料生成物の両者を含めて試料相当物
と呼ぶ。

【００１９】試料セル側板２０４と試料セル上板２０６
は一体構造になっていてもよい。あるいは、試料セル側
板２０４と試料セル下板２０２が一体構造になっていて
もよい。

【００２０】試料セル上板２０６は、各空間部２１０に
対してひとつずつ、試料相当物を注入するとともに排出
するための注入排出口２０８を有している。注入排出口
２０８は、測定光が当たらない任意の位置に形成されて
よい。試料セル上板２０６は、試料相当物の注入排出を
容易にするために、また液体の試料相当物の注入時の空
気の混入を防止するために、ひとつの空間部２１０に対
してひとつずつ、試料相当物を注入するための注入口
と、試料相当物を排出するための排出口とを有している
と好ましい。

【００２１】試料セル２００は、また、一つの注入口
と、これと複数の空間部とを連絡する複数の細い溝等の
流路とを有しており、八連ピペット等により一回のピペ
ッテインクで複数の溶液が、一つの注入口から複数の流
路を介して複数の空間部２１０に入れられると更に好ま
しい。溶液導入のためのピペッティング位置を確実にす
るために、試料セル上板２０６の上面に突型のガイドを
有していてもよい。

【００２２】注入排出口２０８は、液体の試料相当物の
蒸発防止のため、また気体の試料相当物への空気の混入
防止のために、シリコン製・ゴム製・プラスティック製
等のキャップやエポキシ・シリコン・ゴム等の接着剤や
シール等によって完全に密閉されるとよい。

【００２３】試料セル上板２０６は、光学的に透明であ
り、例えば石英ガラスやソーダガラス等のガラス、ポリ
エチレンやポリプロピレンやポリスチレン等のプラスチ
ックで作られている。

【００２４】試料セル下板２０２は、光を良好に反射す
る上面を有している。このため、試料セル下板２０２
は、例えば、高い平面度と熱伝導率を有するシリコン板
が好適であるが、金やシリコン等を蒸着等して形成され
た反射コートを有する石英ガラスやソーダガラス等のガ
ラス板やポリエチレンやポリプロピレンやポリスチレン
等のプラスチック板等であってもよい。

【００２５】図１において、光源部１０２から射出され
た光ビームは、ビームエキスパンダー１０４によってビ
ーム径が拡大され、拡大された光ビームは、試料セル保
持部２２０に固定された試料セル２００全体に斜めに照
射される。

【００２６】図４は、試料セル２００のひとつの空間部
２１０に照射された光ビームを示している。図４に示さ
れるように、空間部２１０に向かう光ビームは、試料セ
ル上板２０６の上面で部分的に反射されることにより、
二本の光ビーム、参照光ビームと試料光ビームに分割さ
れる。つまり、試料セル上板２０６の上面は、入射する
光ビームの一部を参照光ビームとして反射し、残りを試
料光ビームとして透過する。

【００２７】試料セル上板２０６の上面で反射された参
照光ビームは、光検出器１０８に方向付けられる。ま
た、試料セル上板２０６の上面を透過した試料光ビーム
は、空間部２１０に存在する気体や液体や膜等の試料を
通過し、試料セル下板２０２の上面で反射され、再び試
料を通過して試料セル上板２０６の上面に戻る。試料セ
ル上板２０６の上面に戻った試料光ビームは、そこで屈
折され、光検出器１０８に方向付けられる。

【００２８】光検出器１０８に方向付けられたこれら二
本の光ビーム、参照光ビームと試料光ビームは、互いに
結合し、干渉を起こす。この干渉により形成される干渉
縞は、空間部２１０に収容された試料の屈折率の変化に
応じて変化する。

【００２９】前述したように、試料セル２００は、光源
部１０２から来る光ビームが斜めに入射するように配置
されている。試料セル２００に対する光ビームの入射角
は、試料セル上板２０６の上面で反射される光ビームと
試料セル下板２０２の上面で反射される光ビームとが干
渉し得る角度に設定される。好ましくは、両光ビームの
強度がほぼ等しくなる角度に設定される。あるいは、所
望の入射角において、両光ビームが干渉縞を形成し得る
ように、より好ましくは両光ビームの強度がほぼ等しく
なるように、試料セル下板２０２の上面の反射率に応じ
て、試料セル上板２０６の上面に増反射コートが施され
てもよい。

【００３０】試料セル２００で反射された光ビームは、
参照光ビームと試料光ビームが結合されたものであり、
試料光ビームは、試料セル２００の複数の空間部２１０
内の複数の試料を通過した複数の成分を含んでいる。従
って、試料セル２００で反射された光ビームは、複数の
空間部２１０による複数の干渉光を含んでいる。

【００３１】試料セル２００からの複数の干渉光を含む
この光ビームは、光検出器１０８を照明し、その結果、
光検出器１０８の受光面には、複数の空間部２１０にお
ける干渉にそれぞれ対応する複数の干渉縞が形成され
る。光検出器１０８に照射された光は電気信号に変換さ
れ、その電気信号は、ケーブル１１０を介して、コンピ
ュータ等のデータ処理部１１２に取り込まれる。データ
処理部１１２では、例えば複数の干渉縞の移動が所定の
演算処理によりそれぞれ独立に求められる。その結果、
複数の空間部２１０に収容された複数の試料の屈折率の
変化を反映した測定データがそれぞれ得られる。

【００３２】以上の説明から分かるように、本実施形態
の屈折率測定装置によれば、複数の試料の屈折率の変化
を同時に測定できる。

【００３３】本実施形態の屈折率測定装置では、光源部
１０２からの光ビームを参照光ビームと試料光ビームに
分割する試料セル上板２０６は、試料光ビームを反射す
る試料セル下板２０２に対して強固に固定されているの
で、振動や試料光ビームが通過する光路の温度変化等の
外部からのノイズによって影響され難い。

【００３４】本実施形態の屈折率測定装置は、可動式ミ
ラーやシャッターなどの部品を必要とせず、また、干渉
縞の解析のために高価な検出器や解析装置を必要としな
い。さらに、参照光ビームと試料光ビームの光強度は、
単に試料セル上板２０６に増反射膜を形成することによ
り調整される。従って、光学系の複雑化や装置の高価格
化が抑えられる。

【００３５】結局、本実施形態によれば、複数の試料の
屈折率の変化を同時に高い精度で測定できる低価格な屈
折率測定装置が提供される。

【００３６】［第二の実施の形態］図５に示されるよう
に、本実施形態の屈折率変化測定装置３００は、試料セ
ル２００を保持するための試料セル保持部２２０と、光
ビームを射出する光源部３０２と、光源部３０２からの
光ビームを拡大するためのビームエキスパンダー３０４
と、光源部３０２からの光ビームを部分的に反射するた
めの参照板３０８と、参照板３０８からの光ビームを集
光するための集光レンズアレイ３１０と、参照板３０８
と試料セル２００からの光ビームを偏向するためのビー
ム分離素子３０６と、ビーム分離素子３０６からの光ビ
ームを受ける光検出器３１２とを備えている。光検出器
３１２はケーブル３１４を介してコンピュータ等のデー
タ処理部３１６に接続されている。屈折率変化測定装置
３００は、図示しない温度制御部を有していてもよい。
試料セル２００の温度変化を少なくすることで、屈折率
変化の測定精度を高くすることができる。

【００３７】光源部３０２とビームエキスパンダー３０
４と光検出器３１２とデータ処理部３１６は、それぞ
れ、第一実施形態における光源部１０２とビームエキス
パンダー１０４と光検出器１０８とデータ処理部１１２
と同様の部材である。

【００３８】参照板３０８は、光源部３０２からの光ビ
ームを部分的に反射することにより、試料セル２００を
通る光ビームすなわち試料光ビームと、試料セル２００
を通らない光ビームすなわち参照光ビームを作り出す。
参照光ビームは、参照板３０８で反射された光の他に、
試料セル２００の試料セル上板２０６の上面すなわち前
側面で反射された光も含んでいる。このため、試料セル
２００の試料セル上板２０６の上面で反射される光が多
い場合には、試料セル２００を通らない光ビームの強度
を抑えるために、参照板３０８に適宜減光膜が設けられ
るとよい。また、試料セル２００の試料セル上板２０６
の上面で反射される光が多く、それだけで十分な強度の
試料セル２００を通らない光ビームが得られる場合に
は、減光膜は省略されてもよい。

【００３９】集光レンズアレイ３１０は、図６に示され
るように、複数の凸レンズ３１８を有しており、参照板
３０８を透過した光ビームを、試料セル２００の複数の
空間部２１０に向かう複数の光ビームに分割するととも
に、それらを集光する。集光レンズアレイ３１０は、第
一実施形態と同様に、省略されてもよい。

【００４０】ビーム分離素子３０６は、参照板３０８と
試料セル２００で反射された光ビームを、光源部３０２
からの光ビームから分離して、光検出器３１２に方向付
ける。ビーム分離素子３０６は、ビームエキスパンダー
３０４を構成するレンズ間に配置されてもよい。

【００４１】図５において、光源部３０２から射出され
た光ビームは、ビームエキスパンダー３０４によってビ
ーム径が拡大され、ビーム分離素子３０６を透過し、参
照板３０８に達する。光ビームは、参照板３０８によ
り、これを透過する光ビームと、これにより反射される
光ビームとに分割される。参照板３０８を透過した光ビ
ームは、集光レンズアレイ３１０の複数の凸レンズ３１
８により、複数の光ビームに分割されるとともに、それ
らは集光されながら、試料セル２００の複数の空間部２
１０にそれぞれ達する。試料セル２００の複数の空間部
２１０に達した複数の光ビームは、それぞれ、試料セル
２００の複数の空間部２１０の中に存在する気体や液体
や膜等の試料を透過し、試料セル２００の試料セル下板
２０２の上面で反射され、集光レンズアレイ３１０の複
数の凸レンズ３１８を通り、参照板３０８を透過する。
この参照板３０８を透過した光ビームすなわち試料光ビ
ームは、参照板３０８で反射された光ビームすなわち参
照光ビームと結合し、干渉を起こす。

【００４２】なお、場合によっては、試料セル２００に
達した光ビームは、試料セル２００の試料セル上板２０
６の上面により、これを透過する光ビームと、これによ
り反射される光ビームとに分割されるが、試料セル上板
２０６を透過した光ビームは、試料セル下板２０２で反
射された後、試料セル上板２０６で反射された光ビーム
と結合される。

【００４３】すなわち、光源部３０２からの光ビーム
は、参照板３０８によって、また試料セル２００の試料
セル上板２０６によって、試料を通過する光ビームすな
わち試料光ビームと、試料を通過しない光ビームすなわ
ち参照光ビームとに分割された後、再びそれらによっ
て、試料光ビームと参照光ビームは結合されて干渉を起
こす。

【００４４】参照板３０８からの結合された光ビーム
は、つまり複数の空間部２１０による複数の干渉光ビー
ムを含む光ビームは、ビーム分離素子３０６によって光
検出器３１２に方向付けられ、光検出器３１２を照明
し、その受光面には、複数の空間部２１０における干渉
にそれぞれ対応する複数の干渉縞が形成される。

【００４５】複数の干渉縞を作り出す複数の試料光ビー
ムが集光レンズアレイ３１０の複数の凸レンズ３１８に
よってそれぞれ集光される結果、光検出器３１２の受光
面には、図７に示されるように、複数のリング状の干渉
縞が形成される。リング状の干渉縞は、試料の屈折率の
変化に応じて、径方向移動する。

【００４６】光検出器３１２に照射された光は電気信号
に変換され、その電気信号は、ケーブル３１４を介し
て、コンピュータ等のデータ処理部３１６に取り込まれ
る。データ処理部３１６では、例えば複数の干渉縞の移
動が所定の演算処理によりそれぞれ独立に求められる。
その結果、例えば、複数の空間部２１０に収容された複
数の試料の屈折率の変化を反映した測定データがそれぞ
れ得られる。

【００４７】このように本実施形態によれば、第一実施
形態と同様に、複数の試料の屈折率の変化を同時に高い
精度で測定できる低価格な屈折率測定装置が提供され
る。

【００４８】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、複数の試料の屈折率の
変化を同時に高い精度で測定できる低価格な屈折率測定
装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態による屈折率変化測
定装置を示している。

【図２】図１に示される試料セルの平面図である。

【図３】図２に示される試料セルのIII−III線に沿う断
面図である。

【図４】図３に示される試料セルのひとつの空間部に照
射された光ビームを示している。

【図５】本発明の第二の実施の形態による屈折率変化測
定装置を示している。

【図６】図５に示される集光レンズアレイの斜視図であ
る。

【図７】図５に示される光検出器の受光面に形成される
複数のリング状の干渉縞を示している。

【符号の説明】

１００ 屈折率変化測定装置 １０２ 光源部 １０４ ビームエキスパンダー １０８ 光検出器 ２００ 試料セル ２０２ 試料セル下板 ２０６ 試料セル上板 ２１０ 空間部 ２２０ 試料セル保持部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 FF02 FF03 GG12 GG33 GG47 HH02 HH03 HH07 HH08 JJ01 2G057 AA01 AA02 AA07 AB04 AB06 AB07 AC01 AC03 BA01 BB01 BB02 BB06 DA03 EA06 GA07 2G059 AA02 BB01 BB04 BB10 DD12 DD16 EE01 EE02 EE05 EE09 EE20 FF08 GG01 GG04 JJ02 JJ11 JJ19 JJ22 KK04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体や液体や膜等の試料の屈折率の変化
   を測定する装置であり、 複数の試料を収容するための複数の空間部を有する試料
   セルを保持するための試料セル保持部と、 平行な光ビームを射出するための光源部と、 光源部からの光ビームの径を拡大するための光ビーム拡
   大部と、 拡大された光ビームを、試料を通過する試料光ビーム
   と、試料を通過しない参照光ビームとに分割する光ビー
   ム分割手段と、 試料光ビームと参照光ビームとを結合して干渉を起こさ
   せる光ビーム結合手段と、 試料光ビームと参照光ビームの干渉を検出するための光
   検出器とを備えており、 試料光ビームは、試料セルの複数の空間部内の複数の試
   料を通過する複数の成分を含み、従って、試料光ビーム
   と参照光ビームの結合された光ビームは、複数の空間部
   内の複数の試料による複数の干渉光を含んでおり、光検
   出器は、試料光ビームの複数の成分と参照光ビームの干
   渉により生じる複数の干渉縞の変化を検出する、屈折率
   変化測定装置。
2. 【請求項２】 拡大された光ビームは試料セルに斜めに
   照射され、試料セルは、互いに接合された試料セル下板
   と試料セル上板を含んでおり、複数の空間部は試料セル
   下板と試料セル上板の間に位置しており、試料セル上板
   の上面は、光ビーム分割手段と光ビーム結合手段を構成
   しており、試料セル上板の上面は、入射した光ビームの
   一部を参照光ビームとして光検出器に向けて反射すると
   ともに残りを試料光ビームとして透過し、試料セル下板
   の上面は、試料セル上板の上面を透過した試料光ビーム
   を試料セル上板の上面に向けて反射し、試料セル上板の
   上面は、試料セル下板の上面で反射された試料光ビーム
   を光検出器に向けて屈折する、請求項１に記載の屈折率
   変化測定装置。
3. 【請求項３】拡大された光ビームを、試料セルの複数の
   空間部に向かう複数の光ビームに分割するとともにそれ
   らを集光する複数のレンズを有する集光レンズアレイを
   更に備えている、請求項１に記載の屈折率変化測定装
   置。