JP2005221257A - Measuring device, probe for measuring device, and measuring method of solute concentration and/or flow rate of liquid in passage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法に関し、特に流路内液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring device, a probe for the measuring device, and a method for measuring the solute concentration or / and flow velocity of the liquid in the flow channel, and in particular, measures the solute concentration or / and flow velocity of the liquid in the flow channel using a thermal lens. The present invention relates to a measuring device, a probe for the measuring device, and a method for measuring a solute concentration or / and a flow velocity of a liquid in a flow path.
流路内液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定する従来の測定装置800(例えば、特許文献1参照)は、図13に示すように、後述する流路付き板状部材810内に形成された流路811中の試料溶液に、励起光とプローブ光(probe light)とを合波器815で合流させて照射する照射部801と、流路付き板状部材810を通過した励起光及びプローブ光を受光する受光部802とから成る。受光部802の位置は、照射部801からのプローブ光を確実に受光することができるように設定されている。照射部801には、ロッドレンズ817と、ロッドレンズ817に接続された光ファイバー816とからなるプローブ850が設けられており、また、受光部802には、プローブ850の対面に載置されたピンホール付きフォトダイオード(Photo Diode)からなる光電変換器821が設けられている。
As shown in FIG. 13, a conventional measuring apparatus 800 (for example, refer to Patent Document 1) that measures the solute concentration or / and flow velocity of the liquid in the flow path using a thermal lens is used. The sample solution in the
流格付き板状部材810は、3層に順に接着された3つの基板から成り、内部に形成される流路811は、試料溶液の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。
The
測定装置800は、励起光用光源812からの励起光を流路付き板状部材810の流路811に照射し、励起光の焦点を流路811中に位置させてそこに熱レンズを形成し、熱レンズを通過したプローブ光用光源813からのプローブ光を選択的に濾波して、光電変換器821によりピンホール透過光として受光し、これを検出信号に変換してコンピューター823により解析する。
The
コンピューター823は、励起光用光源812の電源のオン/オフを変調する変調器814に接続されており、信号強度差の値などから試料溶液の流速や、試料溶液中の溶質の濃度の計算を行う。
しかしながら、測定装置800では、プローブ850と光電変換器821との位置関係を正確に維持する必要があるので、測定位置を変更するのが困難であり、操作性が悪い。
However, in the
また、測定装置800では、プローブ850と光電変換器821との狭い間隔にある流路811内に試料溶液を入れる必要がある。即ち、流路811がプローブ850と光電変換器821との狭い間隔に納まらない場合、例えば深い容器である場合には、プローブ850及び/又は光電変換器821を試料溶液に浸漬する必要がある。しかしながら、光電変換器821は電子機器であるので光電変換器821に防水処理を施すのが困難であるので、流路811が深い試料容器である場合には、試料溶液の流速や試料溶液中の溶質の濃度の測定が困難であり、操作性が悪い。さらには、試料溶液が引火性物質を含有するときは、光電変換器821は電子機器であるので、光電変換器821を含む検出部を試料溶液に浸漬して試料溶液の溶質濃度又は/及び流速を測定することができない。
Further, in the
本発明の第1の目的は、測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法を提供することにある。 The first object of the present invention is to make it possible to easily change the measurement position and improve the operability, the probe for the measurement device, and the solute concentration of the liquid in the flow path and / or It is to provide a method for measuring a flow rate.
本発明の第2の目的は、深い容器内にある液体であっても液体の溶質濃度又は/及び流速を測定することができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide a measuring device capable of measuring the solute concentration or / and flow velocity of a liquid even in a deep container, the probe for the measuring device, and the solute concentration of the liquid in the flow channel. Another object is to provide a method for measuring the flow rate.
本発明の第3の目的は、引火性物質を含有する液体であっても検出部を液体に浸漬して液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定することができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法を提供することにある。 The third object of the present invention is to provide a measuring device capable of measuring the solute concentration or / and the flow velocity of a liquid by using a thermal lens by immersing the detection part in the liquid even if the liquid contains a flammable substance. An object of the present invention is to provide a probe for the measurement device and a method for measuring the solute concentration or / and the flow rate of the liquid in the flow path.
上記第1乃至第3の目的を達成するために、請求項1記載の測定装置は、流路内液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射手段と、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射手段と、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出手段と、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は/及び前記流速を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the first to third objects, the measurement device according to claim 1 is a measurement device that measures the solute concentration or / and flow velocity of the liquid in the flow channel using a thermal lens. Excitation light irradiation means for irradiating a liquid with excitation light to form a thermal lens on the liquid, probe light irradiation means for irradiating the formed thermal lens with probe light, and probe light transmitted through the thermal lens Probe light reflecting means for reflecting in the liquid, detection means for detecting the reflected probe light outside the liquid, and measurement for measuring the solute concentration and / or the flow velocity based on the detected probe light Means.
請求項2記載の測定装置は、請求項1記載の測定装置において、前記プローブ光反射手段は、前記照射された励起光の前記熱レンズによって形成された焦点近傍に配されることを特徴とする。 The measuring apparatus according to claim 2 is the measuring apparatus according to claim 1, wherein the probe light reflecting means is arranged in the vicinity of a focal point formed by the thermal lens of the irradiated excitation light. .
請求項3記載の測定装置は、請求項1又は2記載の測定装置において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を当該プローブ光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする。 The measuring apparatus according to claim 3 is the measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the probe light irradiating means includes a probe light guide for guiding the probe light to the formed thermal lens, and the probe light reflecting means. Is configured to reflect the probe light irradiated from the probe light guide path toward the probe light guide path.
請求項4記載の測定装置は、請求項1又は2記載の測定装置において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記検出手段は、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記反射光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする。 The measurement apparatus according to claim 4 is the measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein the probe light irradiation unit includes a probe light guide path that guides the probe light to the formed thermal lens, and the detection unit includes: A reflected light guide that guides the reflected probe light, and the probe light reflecting means is configured to reflect the probe light emitted from the probe light guide toward the reflected light guide. To do.
請求項5記載の測定装置は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測定装置において、前記反射手段は、前記照射された励起光の反射を抑止する励起光反射抑止手段を備えることを特徴とする。 The measurement apparatus according to claim 5 is the measurement apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the reflection means includes excitation light reflection suppression means for suppressing reflection of the irradiated excitation light. It is characterized by.
請求項6記載の測定装置は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の測定装置において、前記照射された励起光及び前記照射されたプローブ光を前記液体の方向に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする。 A measuring apparatus according to a sixth aspect is the measuring apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the irradiated excitation light and the irradiated probe light are condensed and irradiated in the direction of the liquid. An optical lens is provided.
上記第1乃至第3の目的を達成するために、請求項7記載のプローブは、流路内液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置用プローブであって、前記流路内液体に励起光を導いて該液体に熱レンズを形成する励起光導光路と、前記形成された熱レンズにプローブ光を導くプローブ光導光路と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させる反射手段と、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the first to third objects, the probe according to claim 7 is a probe for a measuring device that measures the solute concentration or / and the flow velocity of the liquid in the flow path using a thermal lens, An excitation light guide that guides excitation light to the liquid in the flow path to form a thermal lens in the liquid, a probe light guide that guides probe light to the formed thermal lens, and probe light that passes through the thermal lens It is characterized by comprising a reflecting means for reflecting the light and a reflected light guide for guiding the reflected probe light.
請求項8記載のプローブは、請求項7記載のプローブにおいて、前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路は、1本の共通する第1の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第1の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする。 The probe according to claim 8 is the probe according to claim 7, wherein the excitation light guide, the probe light guide, and the reflected light guide are formed of a single common first optical fiber, and the reflection unit includes: It comprises a reflection mirror configured to reflect the probe light irradiated from the probe light guide path toward the first optical fiber.
請求項9記載のプローブは、請求項7記載のプローブにおいて、前記励起光導光路及び前記プローブ光導光路は1本の共通する第1の光ファイバーからなり、前記反射光導光路は第2の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第2の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする。 The probe according to claim 9 is the probe according to claim 7, wherein the excitation light guide and the probe light guide are made of a common first optical fiber, and the reflected light guide is made of a second optical fiber, The reflection means includes a reflection mirror configured to reflect the probe light irradiated from the probe light guide path toward the second optical fiber.
請求項10記載のプローブは、請求項7乃至9のいずれか1項に記載のプローブにおいて、さらに、前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路を支持するフェルールと、前記励起光導光路により導かれた励起光及び前記プローブ光導光路により導かれたプローブ光並びに前記反射されたプローブ光を集光するロッドレンズと、前記フェルール及び前記ロッドレンズを固定的に支持する固定支持体とを備えることを特徴とする。 The probe according to claim 10 is the probe according to any one of claims 7 to 9, further comprising a ferrule that supports the excitation light guide, the probe light guide, and the reflected light guide, and the excitation light. A rod lens that collects the excitation light guided by the optical path, the probe light guided by the probe light guide path, and the reflected probe light; and a fixed support that fixedly supports the ferrule and the rod lens. It is characterized by providing.
請求項11記載のプローブは、請求項7乃至9のいずれか1項に記載のプローブにおいて、前記プローブ光導波路は、シングルモードで前記プローブ光を導光することを特徴とする。
The probe according to
上記第1乃至第3の目的を達成するために、請求項12記載の流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法は、流路内液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定する測定方法において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射ステップと、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射ステップと、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出ステップと、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は/及び前記流速を測定する測定ステップとを有することを特徴とする。
In order to achieve the above first to third objects, the method for measuring the solute concentration or / and flow velocity of the liquid in the flow channel according to
請求項1記載の測定装置、請求項7記載の測定装置用プローブ、又は請求項12記載の流路内液体の溶質濃度又は/及び流速の測定方法によれば、流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成し、形成された熱レンズにプローブ光を照射し、熱レンズを透過したプローブ光を液体中で反射させ、反射されたプローブ光を液体の外部で検出し、検出されたプローブ光に基づいて溶質濃度又は/及び前記流速を測定するので、測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができると共に、引火性物質を含有する液体であっても検出部を液体に浸漬して液体の溶質濃度又は/及び流速を熱レンズを用いて測定することができる。さらには、深い容器内にある液体であっても液体の溶質濃度又は/及び流速を測定することができる。
According to the measuring device according to claim 1, the probe for measuring device according to claim 7, or the method for measuring the solute concentration and / or flow velocity of the liquid in the flow channel according to
請求項2記載の測定装置によれば、照射された励起光の焦点近傍において熱レンズを透過したプローブ光を液体中で反射させるので、測定装置の検出感度を向上させることができる。 According to the measurement apparatus of the second aspect, since the probe light that has passed through the thermal lens is reflected in the liquid in the vicinity of the focal point of the irradiated excitation light, the detection sensitivity of the measurement apparatus can be improved.
請求項3記載の測定装置、又は請求項8記載のプローブによれば、照射されたプローブ光を形成された熱レンズに導くプローブ光導光路に向かって、照射されたプローブ光を反射させるので、プローブ光の導光路を照射光と反射光とで共有することができ、測定装置の構成を簡略化することができる。 According to the measuring apparatus according to claim 3 or the probe according to claim 8, since the irradiated probe light is reflected toward the probe light guide path that guides the irradiated probe light to the formed thermal lens, the probe The light guide path can be shared between the irradiation light and the reflected light, and the configuration of the measurement apparatus can be simplified.
請求項4記載の測定装置、又は請求項9記載のプローブによれば、プローブ光導光路から照射されたプローブ光を反射光導光路に向かって反射させるので、プローブ光導光路と反射光導光路とを別々に設けることができ、測定装置内におけるプローブ光導光路や反射光導光路の配置の自由度を向上させることができる。 According to the measurement device according to claim 4 or the probe according to claim 9, since the probe light irradiated from the probe light guide is reflected toward the reflected light guide, the probe light guide and the reflected light guide are separately provided. The degree of freedom of arrangement of the probe light guide path and the reflected light guide path in the measurement apparatus can be improved.
請求項5記載の測定装置によれば、照射された励起光の反射を抑止するので、プローブ光の検出に際してノイズ成分になる励起光の反射光を検出することを確実に防止することができ、測定装置の測定精度を向上させることができる。 According to the measurement device of claim 5, since the reflection of the irradiated excitation light is suppressed, it is possible to reliably prevent the reflected light of the excitation light that becomes a noise component when detecting the probe light, The measurement accuracy of the measuring device can be improved.
請求項6記載の測定装置によれば、照射された励起光及び照射されたプローブ光を液体の方向に集光照射するので、測定装置の検出感度を向上させることができる。 According to the measuring apparatus of the sixth aspect, the irradiated excitation light and the irradiated probe light are condensed and irradiated in the direction of the liquid, so that the detection sensitivity of the measuring apparatus can be improved.
請求項11記載のプローブによれば、シングルモードでプローブ光が導光されるので、測定装置の再現性を向上させて測定精度を向上させることができる。 According to the probe of the eleventh aspect, since the probe light is guided in the single mode, the reproducibility of the measuring apparatus can be improved and the measurement accuracy can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図1において、測定装置1は、コネクタ59aを備える光源モジュール100と、試料溶液内に浸漬されて励起光及びプローブ光を流路20内の試料溶液(不図示)に集光する図2で詳述するレンズ付き光ファイバー(以下「プローブ」という。)50と、信号処理部60とを備える。プローブ50は、光源モジュール100と着脱可能に接続するためのコネクタ59bを備える。流路20は、その内部の試料溶液にプローブ50が浸漬可能なように、その上面が部分的に又は全体的に開口されている。
In FIG. 1, the measuring apparatus 1 has a
光源モジュール100は、励起光を出射する励起光用光源53と、励起光用光源53の電源を変調する変調回路110と、プローブ光を出射するプローブ光用光源51と、励起光用光源53からの励起光とプローブ光用光源51からのプローブ光を合波する合分波器55と、試料溶液を透過したプローブ光を光源51からのプローブ光から分波する合分波器56と、このプローブ光を受光するフォトダイオードなどの光センサから成る検出器54と、プローブ50との脱着を可能にするコネクタ59aと、合分波器56及びプローブ光用光源51間において、プローブ50側から入射する光の損失が30dB以上であるアイソレーター52とを備える。アイソレーター52は、光の偏光作用により光の透過を阻止するものである。
The
合分波器56としては、融着型カプラー、サーキュレーター、タップフィルターを用いたフィルターモジュール等を用いることができる。また、合分波器55としては、エッジフィルター、バンドパスフィルターを用いたフィルターモジュールを用いることができる。
As the multiplexer /
また、光源モジュール100は、励起光用光源53及び合分波器55を接続する光ファイバ106と、コネクタ59a、及び合分波器55を接続する光ファイバ107と、検出器54及び合分波器56を接続する光ファイバ108と、プローブ光用光源51、アイソレーター52、及び合分波器56を接続する光ファイバ109とを備える。このように、光源モジュール100は、光ファイバー106〜109を励起光及び/又はプローブ光を伝送するために用いるので、光源モジュール100を簡潔化、小型化することができる。また、光ファイバー107及び後述する光ファイバー103において、励起光及びプローブ光の光路は同一の経路であるので、励起光及びプローブ光の光軸合わせを不要にすることができる。また、光ファイバー103,107は、シングルモードで励起光を導く。シングル光ファイバーとすることによって光強度の分布が安定し、よって測定装置1は再現性の高い高精度の測定が可能となる。したがって、励起光の焦点の大きさを小さくすることができ、励起光によって形成された熱レンズを小型のレンズにすることができ、もって測定装置1の測定精度を向上させることができる。
The
変調回路110は、l00Hz以上10kHz以下の変調を励起光用光源53に対して行う。これによりプローブ光の検出感度を確実に向上させることができる。
The
好ましくは、光ファイバー108の端部には、励起光の波長以上で且つプローブ光の波長よりも短い波長の光をカットオフするエッジフィルター(不図示)が設けられている。これにより、検出器54に励起光が入射することを確実に防止することができ、もって、測定装置1の検出感度をより向上させることができる。
Preferably, an edge filter (not shown) that cuts off light having a wavelength longer than the wavelength of the excitation light and shorter than the wavelength of the probe light is provided at the end of the
信号処理部60は、検出器54及び変調回路110に接続されたロックインアンプ61と、該ロックインアンプ61に接続されたコンピューター62とを備える。
The
図2は、図1におけるプローブ50の構成を詳細に示す拡大断面図であり、図3は、図2における線III−IIIに沿う断面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing in detail the configuration of the
図2において、プローブ50は、光源モジュール100と接続するためのコネクタ59bと、コネクタ59bを介して光源モジュール100からの励起光及びプローブ光を導くと共に、光源モジュール100へ試料溶液を透過したプローブ光を導く光ファイバー103と、光ファイバー103により導かれた励起光及びプローブ光を集光する集光レンズ40(ロッドレンズ)と、集光レンズからの少なくともプローブ光を反射するミラー41と、集光レンズ40を内嵌するチューブ42(固定支持体)と、チューブ42に内嵌され、且つ集光レンズ40の上面と対面するように光ファイバー103をチューブ42に固定するためのフェルール43と、集光レンズ40及びミラー41の間隔を所定長さで固定する、例えば2本の支柱44と、プローブ50の底面が流路20と対面するように調整可能にプローブ50を保持するための冶具45とを備える。なお、光ファイバー103と集光レンズ40とは、互いに密着させてもよいし、それらの間に隙間が設けられてもよい。また、ミラー41の反射面は、試料溶液の流速が変化しない点で平面であるのが好ましく、効率的にプローブ光を反射させる点で曲面であるのが好ましい。
In FIG. 2, the
集光レンズ40は、中心から外部に向かって屈折率が低下するように屈折率勾配が設けられた屈折率分布型円柱状ロッドレンズから成る。この屈折率分布型ロッドレンズは、顕微鏡用対物レンズと比較すると大きさが非常に小さいので、プローブ50を小型化することができる。また、集光レンズ40が円柱状である、即ち上面及び底面が平面であるので、光ファイバー103の取り付けを含むプローブ50の組み立てを容易にすることができる。さらに、集光レンズ40が円柱状であるので、チューブ42に容易に内嵌させることができ、光軸合わせを容易にすることができる。
The
図3に示すように、支柱44は、流路20の長さ方向、すなわち試料溶液の流れる方向と平行となるように設けられている。これにより、試料溶液の流速を変化させることなく、正確に測定することができる。
As shown in FIG. 3, the
図4は、図2におけるミラー41の拡大断面図である。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the
図4に示すように、ミラー41は、ベースとしてのガラス基板31と、ガラス基板31の上面に形成されたアルミニウム(Al)薄膜32と、Al薄膜32の上面に形成された二酸化ケイ素(SiO2)保護膜33とから成り、励起光及びプローブ光の双方を全て反射する全反射ミラー(フロントサーフェースミラー)を構成する。
As shown in FIG. 4, the
また、上記全反射ミラーに代えて、励起光の波長とプローブ光の波長は異なるので、プローブ光を選択的に反射し、励起光を選択的に透過する反射膜としての光学多層膜(エッジフィルター、バンドパスフィルター等)をガラス基板31上に被覆した後述する選択反射ミラーを用いることは、励起光の戻り量を大きく低減させるので好ましい。なお、このような選択反射ミラーの光学多層膜は、TiO2、ZrO2等の高屈折率酸化物と、SiO2等の低屈折率酸化物の交互積層膜で構成される。
Further, since the wavelength of the excitation light and the wavelength of the probe light are different from the total reflection mirror, an optical multilayer film (edge filter) as a reflection film that selectively reflects the probe light and selectively transmits the excitation light. It is preferable to use a selective reflection mirror, which will be described later, in which a
次に、光源モジュール100からの励起光及びプローブ光の焦点について説明する。
Next, the focus of excitation light and probe light from the
図5は、図2における集光レンズ40からの励起光及びプローブ光の焦点を説明するために用いられる図2の部分拡大図である。なお、図5ではハッチングが省略されている。
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 2 used to explain the focal points of the excitation light and the probe light from the
図5において、一点鎖線は励起光の光路を、実線は励起光がオフであるときのプローブ光の光路を、鎖線は励起光がオンであるときのプローブ光の光路を示しており、ミラー41が無いときのそれぞれの光路における焦点は、A,B,Cで与えられる。 In FIG. 5, the one-dot chain line indicates the optical path of the excitation light, the solid line indicates the optical path of the probe light when the excitation light is off, and the chain line indicates the optical path of the probe light when the excitation light is on. The focal points in the respective optical paths when there is no A are given by A, B, and C.
ミラー41は、焦点Aと焦点Bとの間、又は焦点Aと集光レンズ40のミラー41側の端面との間に配置される。焦点Aと集光レンズ40のミラー41側の端面との間に配置される場合には、励起光の反射光が試料溶液中で焦点を形成することが好ましい。また、焦点Aと焦点Bとの間にミラー41が配置される場合には、ミラー41は焦点Aに近い位置に配置されるのが好ましい。
The
集光照射された励起光の焦点とプローブ光の焦点との間隔が20μm以上200μm以下であることは、測定装置の検出感度を向上させる上で好ましい。 In order to improve the detection sensitivity of the measurement apparatus, the distance between the focal point of the excitation light and the focal point of the probe light that has been focused and irradiated is preferably 20 μm or more and 200 μm or less.
次に、光源モジュール100の構成を説明する。
Next, the configuration of the
図6は、図1における合分波器55の構成を詳細に示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the multiplexer /
図6において、合分波器55は、励起光及び反射光(ミラー41により反射されたプローブ光)の入射側に設けられたロッドレンズ551と、プローブ光の入射側に設けられたロッドレンズ552と、ロッドレンズ551,552間に設けられたロングパスフィルター553とを備え、これらは直列に接続されている。また、合分波器55は、直列に接続されているロッドレンズ551、ロングパスフィルター553、ロッドレンズ552を内嵌するチューブ554を備える。
6, the multiplexer /
ロングパスフィルター553は、ロッドレンズ551の一方の面上に順次蒸着することにより成膜された誘電体多層膜から成り、この誘電体多層膜の上面にロッドレンズ552が接着剤などにより固定されている。なお、ロングパスフィルター553を予めガラス基板上に形成し、このガラス基板をロッドレンズ551,552間に配置させて接着剤などにより固定してもよい。このように、合分波器55は貼り合わせ構造を有するので、コンパクト化することができる。
The
ロングパスフィルター553を構成する誘電体多層膜は、SiO2等から成る低屈折率層(L)と、TiO2,ZrO2,Ta2O5等から成る高屈折率層(H)とから成る1組のLH層が多層に亘って繰り返し積層されたものである。
The dielectric multilayer film constituting the
図7は、図1における合分波器56の構成を詳細に示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the multiplexer /
図7において、合分波器56は、合分波器55と同様の2つの屈折率分布型円柱状ロッドレンズ561,562と、タップフィルター563とを用いて構成されている。ロッドレンズ561は、合分波器55の一端から出射された反射光の入射端面を有し、ロッドレンズ562は、プローブ光用光源51の一端から出射されたプローブ光の入射端面を有する。合分波器56に入射された反射光の一部は、ロッドレンズ561の入射端面と同じ面における入射した場所とは異なる場所から出射する。
In FIG. 7, the multiplexer /
タップフィルター563は、ロッドレンズ561,562の端面間に介在し、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した光学多層膜から成る。光学多層膜は、広範囲の波長域で透過率が約50%である、いわゆるニュートラルフィルターの特性を有しているものである。
The
ロッドレンズ561の入射端面においてロッドレンズ561の光軸中心から一定の距離だけ離れた位置に入射した反射光(液体(試料溶液)から戻ってくるプローブ光)は、ロッドレンズ561内を進み、進んだ反射光のうち、その半分の光量に相当する反射光がタップフィルター563を構成する光学多層膜により反射され、反射された光は、ロッドレンズ561の入射端面における入射位置とは光軸に対して対称的な位置から出射し、フォトディテクター(PD)等の検出器54に導かれ、検出光として該検出器54により検出される。
Reflected light (probe light returning from the liquid (sample solution)) incident on the incident end face of the
プローブ用光源51から出射され、アイソレーター52を介してタップフィルター563のロッドレンズ562の入射端面に入射したプローブ光は、タップフィルター563内を通過することにより約半分の光量となってロッドレンズ561の入射端面から出射する。
The probe light emitted from the
図6の合分波器55と図7の合分波器56は、図1に示すように、光ファイバー111で互いに接続されており、光ファイバー111は、合分波器55から出射した反射光を合分波器56に導くと共に、合分波器56から出射したプローブ光を合分波器55に導く。
As shown in FIG. 1, the multiplexer /
また、合分波器56のロッドレンズ562の入射端面及びアイソレーター52と、アイソレーター52及びプローブ用光源51とは、それぞれ光ファイバー109,109で接続される。
Further, the incident end face of the
なお、図1の光源モジュール100の合分波器56には、上述したように、入射光の約50%の光量が入射側(ロッドレンズ561の入射端面)とは反対の出射側(ロッドレンズ562の入射端面)へ透過し、約50%の光量に相当する入射光が入射側から出射するように構成されたタップフィルター563が用いられているが、光源モジュール100の合分波器56としては、融着型カプラー、サーキュレーター等を用いてもよい。合分波器56にタップフィルター563を用いる場合、又は合分波器56として融着型カプラーを用いる場合には、合分波器56を、プローブ用光源51及びアイソレーター52と直列に接続する。合分波器56としてサーキュレーターを用いる場合には、アイソレーター52を設けなくてよい。
As described above, in the multiplexer /
また、上述した合分波器55の誘電体多層膜は、励起光の波長よりも長波長の光(反射光に含まれる試料溶液を通過したプローブ光)に対する透過率が−3dB以上(100〜50%)であり、励起光の透過率は−30dB以下(0.1%以下)とすることにより、光ファイバー107からの反射光から確実に試料溶液を通過したプローブ光を分波することができる。
Further, the dielectric multilayer film of the multiplexer /
ロッドレンズ551,552,561,562は、中心から外部に向かって屈折率が低下するように屈折率勾配が設けられた屈折率分布型円柱状ロッドレンズである。この屈折率分布型ロッドレンズは、顕微鏡用対物レンズと比較すると大きさが非常に小さいので、合分波器55,56を小型化することができる。また、ロッドレンズ551,552,561,562が円柱状である、即ち上面及び底面が平面であるので、光ファイバー106〜109,111の取り付けや、合分波器55,56の組み立てを容易にすることができる。さらに、ロッドレンズ551,552,561,562が円柱状であるので、光軸合わせを容易にすることができる。
The
以下、測定装置1において実行される測定方法を説明する。 Hereinafter, a measurement method executed in the measurement apparatus 1 will be described.
図8は、図1の測定装置1によって実行される測定処理のフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart of the measurement process executed by the measurement apparatus 1 of FIG.
図8において、まず、ステップS701では、プローブ50が流路20内を流れる試料溶液中に少なくとも部分的に浸漬される。実際の測定時には、プローブ50は、冶具45により移動されながら試料溶液に浸漬され、励起光の焦点が試料溶液中に位置するとき、すなわち目的とする測定位置で冶具45を固定することにより、ミラー41の試料溶液に対する浸漬深さが決定される。なお、試料溶液の液量によってはプローブ50を試料溶液中に投げ込んでもよい。なお、プローブ50は、試料溶液中に投げ込んだ状態、すなわち集光レンズ40及びミラー41間の空間を試料溶液が埋めている状態で測定が最適化されるように設計されている。
In FIG. 8, first, in step S <b> 701, the
続くステップS702では、励起光用光源53からの励起光を合分波器55、プローブ50の集光レンズ40などを介して試料溶液に集光的に照射して、試料溶液中に熱レンズを形成する(励起光照射手段)。場合によっては励起光を変調回路110により変調する。次いで、プローブ光用光源51からのプローブ光を集光レンズ40などを介して試料溶液に照射し(プローブ光照射手段)、試料溶液中に形成された熱レンズを透過させる(ステップS703)。
In subsequent step S702, the sample solution is irradiated with the excitation light from the
そして、ステップS704では、ミラー41が試料溶液中で少なくともプローブ光を集光レンズ40の方向へ反射し(反射手段)、この反射した反射光は、検出器54により検出信号として検出される(ステップS705)(検出手段)。検出された検出信号は、信号処理部60に入力され、信号処理部60は、この検出信号に基づいて、試料溶液の溶質の濃度を測定する場合には(ステップS706でYES)、その計算を行い(ステップS707)、また、試料溶液の流速を測定する場合には(ステップS708でYES)、その計算を行い(ステップS709)(測定手段)、そして、本処理を終了する。
In step S704, the
なお、試料溶液の流速測定や試料溶液中の溶質の濃度測定では、ミラー41による反射光が集光レンズ40を介して再び光ファイバー103に入射するときの焦点位置のずれが検出器54においてプローブ光の光量変化として捉えられ、信号処理部60は、この光量変化に基づいて形成された熱レンズの度数が推定され、この推定された熱レンズの度数に対応して試料溶液の流速や試料溶液中の溶質の濃度が計算される。
In the measurement of the flow rate of the sample solution and the measurement of the concentration of the solute in the sample solution, the deviation of the focal position when the reflected light from the
図8の処理によれば、プローブ50を試料溶液中に浸漬する(ステップS701)ので、流路20が深い容器である場合であっても測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができると共に、引火性物質を含有する試料溶液であっても検出部であるプローブ50を液体に浸漬することができ、ミラー41が試料溶液中で少なくともプローブ光を集光レンズ40の方向へ反射する(ステップS704)ので、流路20内を流れる試料溶液の溶質濃度又は/及び流速を測定することができる。
According to the process of FIG. 8, since the
また、熱レンズが形成される(ステップS703)ので、試料溶液中の溶質の濃度が10-7モル/dm3レベルの低濃度であっても試料溶液の溶質濃度又は/及び流速を測定することができる。このレベルは、従来の吸光光度法の検出限界よりも2桁程度高い検出限界である。 Further, since a thermal lens is formed (step S703), the solute concentration and / or flow rate of the sample solution is measured even if the solute concentration in the sample solution is a low concentration of 10 −7 mol / dm 3 level. Can do. This level is a detection limit that is about two orders of magnitude higher than the detection limit of conventional absorptiometry.
以下、図8におけるステップS707の溶質濃度計算処理及びS709の流速計算処理を具体的に説明する。 Hereinafter, the solute concentration calculation process in step S707 and the flow velocity calculation process in step S709 in FIG. 8 will be specifically described.
まず、図8のステップS701〜S702の処理では、電源がオンであるときに励起光用光源53から出射された励起光は、試料溶液中の溶質に吸収されて、その熱量は試料溶液の溶媒に移動する。熱量を獲得した試料溶液の溶媒には、励起光の焦点における溶質を中心にして直径が2〜数μmの熱レンズが形成されている。
First, in the processing of steps S701 to S702 in FIG. 8, the excitation light emitted from the
ステップS703では、プローブ光用光源13から出射されたプローブ光は、励起光により形成されている熱レンズを通過し、反射ミラー41を介して検出器54により電気的な信号として検出され(ステップS705)、後述する信号強度差ΔIの値及び位相ずれθの値が測定値としてコンピューター62に入力される。
In step S703, the probe light emitted from the probe light source 13 passes through the thermal lens formed by the excitation light, and is detected as an electrical signal by the
図9は、図1における変調回路110の出力と、図8のステップS705で検出された信号の信号強度Iとの関係を示すタイミングチャートである。なお、図9において、変調回路110によるスイッチング周波数fの値は1kHz、デューティー比は50:50であり、試料溶液の流速vの値は2μm/msecである。
FIG. 9 is a timing chart showing the relationship between the output of the
図9に示すように、ステップS705で検出された信号の信号強度Iは、励起光が試料溶液中の溶質に吸収されることにより形成された熱レンズの光屈折力に応じて変化すると共に、変調回路110による励起光用光源53に対するスイッチングの周波数fの値1kHzの逆数である周期1000sec-1(秒-1)に同期して変化する。
As shown in FIG. 9, the signal intensity I of the signal detected in step S705 changes according to the optical refractive power of the thermal lens formed by the excitation light being absorbed by the solute in the sample solution, changes in synchronization with the period of 1,000 sec -1 is the inverse of the value 1kHz switching frequency f (sec -1) with respect to the
測定装置1は、図9における信号強度差ΔIA及び位相ずれθAを測定する。 The measuring apparatus 1 measures the signal intensity difference ΔI A and the phase shift θ A in FIG.
なお、上記信号強度差ΔIとは、最大信号強度I0の値と最小信号強度I1の値との差の絶対値|I0−I1|をいう。 The signal strength difference ΔI refers to the absolute value | I 0 −I 1 | of the difference between the maximum signal strength I 0 and the minimum signal strength I 1 .
また、上記位相ずれθとは、スイッチングオフの位相に対してプローブ光の位相が遅れる程度を示す指標であって、信号強度Iの値が、例えば信号強度差ΔIの値の平均値である信号強度I2となるまでの単位が、例えばラジアンで表される角度をいう。なお、上記位相ずれθを、スイッチングオンの位相をもとに求めてもよいし、スイッチングオン及びスイッチングオフの位相をもとに求めてもよい。 The phase shift θ is an index indicating the degree to which the phase of the probe light is delayed with respect to the switching-off phase, and the signal intensity I is a signal whose average value is, for example, the signal intensity difference ΔI. The unit until the intensity becomes I 2 is an angle expressed in, for example, radians. The phase shift θ may be obtained based on the switching-on phase, or may be obtained based on the switching-on and switching-off phases.
信号強度Iに対応する熱レンズの光屈折力は、励起光用光源53の電源がオンとなると、熱レンズが形成されて徐々に増大する(熱レンズ形成期間A)。やがて、熱レンズの光屈折力は一定となる。実際には、試料溶液は所定の流速で送液されているので、熱レンズは形成と拡散とがバランス状態である定常状態となっている(熱レンズ形成−拡散バランス期間B)。その後、励起光用光源53の電源がオフとなると、試料溶液中の溶質が励起光を吸収して熱量を獲得することがないので、熱レンズは拡散して熱レンズの光屈折力は徐々に減退し、やがて熱レンズは消滅する(熱レンズ拡散期間C)。
The optical refractive power of the thermal lens corresponding to the signal intensity I is gradually increased when the power source of the
ここで、熱レンズの拡散、即ち信号強度Iの減少には次の流速パラメーターが寄与する。 Here, the following flow velocity parameters contribute to the diffusion of the thermal lens, that is, the decrease of the signal intensity I.
この流速パラメーターは、熱レンズが試料溶液の流れに伴って集光レンズ40による励起光の焦点位置から移動する際の試料溶液の流速vに由来する。流速パラメーターは、試料溶液の流速vの値が大きいほど、熱レンズの移動、即ち信号強度Iの値の減少に寄与し、且つ位相ずれθの値も後述するように小さくなる。この流速パラメーターの寄与が大きいほど、熱レンズの拡散の程度が大きく、信号強度I0の値が小さくなる。
This flow velocity parameter is derived from the flow velocity v of the sample solution when the thermal lens moves from the focal position of the excitation light by the
上述したように、流速パラメーターは、信号強度差ΔIにも位相ずれθにも寄与することから、図9の信号強度差ΔIAの値及び位相ずれθAの値の一方から試料溶液の流速vの値を算出することが可能になる。 As described above, since the flow rate parameter contributes to the signal intensity difference ΔI and the phase shift θ, the flow rate v of the sample solution is calculated from one of the signal intensity difference ΔI A and the phase shift θ A in FIG. Can be calculated.
図10は、信号強度差ΔIと試料溶液の流速vとの関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the signal intensity difference ΔI and the flow rate v of the sample solution.
図10に示すように、信号強度差ΔIの値は、試料溶液の流速vの値が増大するにしたがって低下する。なお、このような信号強度差ΔIと試料溶液の流速vとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、測定装置1は、図10の関係に基づいて、検出された信号強度差ΔIから流速vの値を算出することができる。 As shown in FIG. 10, the value of the signal intensity difference ΔI decreases as the value of the flow velocity v of the sample solution increases. It is preferable to store such a relationship between the signal intensity difference ΔI and the sample solution flow velocity v as a calibration curve. Thereby, the measuring apparatus 1 can calculate the value of the flow velocity v from the detected signal intensity difference ΔI based on the relationship of FIG.
なお、上記検量線は、例えば下記式1のように表される。 In addition, the said calibration curve is represented like the following formula 1, for example.
ΔI=m・v+P …(1)
ここで、mは図10における傾きを表す定数であり、Pは所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度cの値に基づいて決定されることが好ましい。
ΔI = m · v + P (1)
Here, m is a constant representing the slope in FIG. 10, P is a predetermined constant, and is preferably determined based on the value of the concentration c of the solute in the sample solution described later.
図11は、位相ずれθと試料溶液の流速vとの関係を示す図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the phase shift θ and the flow velocity v of the sample solution.
図11に示すように、位相ずれθの値は、試料溶液の流速vの値が増大するにしたがって減少する。なお、このような位相ずれθと試料溶液の流速vとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、測定装置1は、図11の関係に基づいて、検出された位相ずれθから流速vの値を算出することができる。 As shown in FIG. 11, the value of the phase shift θ decreases as the value of the sample solution flow velocity v increases. It is preferable to store the relationship between the phase shift θ and the sample solution flow velocity v as a calibration curve. Thereby, the measuring apparatus 1 can calculate the value of the flow velocity v from the detected phase shift θ based on the relationship of FIG.
なお、上記検量線は、例えば下記式2のように表される。 In addition, the said calibration curve is represented like the following formula 2, for example.
θ=m’・v+P’ …(2)
ここで、m’は図11における傾きを表す定数であり、P’は所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度cの値に基づいて決定されることが好ましい。
θ = m ′ · v + P ′ (2)
Here, m ′ is a constant representing the slope in FIG. 11, P ′ is a predetermined constant, and is preferably determined based on the value of the solute concentration c in the sample solution described later.
また、流速パラメーターは、信号強度差ΔIにも位相ずれθにも寄与することから、信号強度差ΔIAの値及び位相ずれθAの値の双方から試料溶液の流速vの値を計算できることになる。 Further, since the flow rate parameter contributes to the signal intensity difference ΔI and the phase shift θ, the value of the flow velocity v of the sample solution can be calculated from both the value of the signal intensity difference ΔI A and the value of the phase shift θ A. Become.
なお、図8の測定処理を繰り返し実行してもよいし、ステップS707及び/又はステップS709の処理を複数の周期に亘って実行してその結果を平均化してもよい。 Note that the measurement process of FIG. 8 may be repeatedly executed, or the process of step S707 and / or step S709 may be executed over a plurality of periods and the results may be averaged.
以下、図1の測定装置1の第1の変形例を説明する。 Hereinafter, a first modification of the measuring apparatus 1 of FIG. 1 will be described.
図1の測定装置1において、ミラー41は、全反射ミラーを構成するとしたが、この第1の変形例では、ミラー41が励起光及びプローブ光のうちプローブ光のみを選択的に反射する選択反射ミラーを構成する。この場合、ミラー41は、ベースと、ベースの上面に形成された誘電体多層膜から成る。誘電体多層膜は、例えばSiO2薄膜/TiO2薄膜/SiO2薄膜/TiO2薄膜/…というように、SiO2薄膜とTiO2薄膜とが交互に成膜されたもの(図示せず)から成る。これにより、励起光及びプローブ光のうちプローブ光のみを選択的に反射することができ、測定装置1の測定精度を向上させることができる。
In the measurement apparatus 1 of FIG. 1, the
また、ミラー41が選択反射ミラーを構成する場合には、ミラー41は、図5における焦点A以遠に配置される。
When the
以下、図1の測定装置1の第2の変形例を説明する。 Hereinafter, the 2nd modification of the measuring apparatus 1 of FIG. 1 is demonstrated.
図1の測定装置1において、ミラー41を集光レンズ40と対面するように設けるとしたが、この第2の変形例では、ミラー41に代えて、予め防溶媒処理、例えば防水処理が施された検出器54を配置する。例えば、検出器54は、密閉容器などの密閉構造体の中に設けることにより、プローブ50と検出器54とを一体化させることが可能である。この場合、光源モジュール100の構成をより単純化することが好ましい。これらにより、測定装置1の構成をより簡略化することができる。
In the measurement apparatus 1 of FIG. 1, the
なお、本実施の形態では、光源モジュール100とプローブ50とは、互いにコネクタ59a,59bにより着脱可能に接続されているが、これに限定されることはなく、例えば、光源モジュール100とプローブ50とを少なくとも1本の光ファイバーを介して直接的に互いに接続されていてもよいし、融着により互いに接続されていてもよい。
In the present embodiment, the
本実施の形態では、変調回路110が用いられているが、それに限定されることはなく、検出感度を向上させることができる励起光変調機構を有するものであれはいかなるものを用いてもよい。
In this embodiment, the
本実施の形態では、集光レンズ40として屈折率分布型のロッドレンズが用いられているが、ドラムレンズなどを用いてもよい。
In the present embodiment, a refractive index distribution type rod lens is used as the
本実施の形態では、合分波器56及びプローブ光用光源51の間にアイソレーター52が設けられているが、合分波器56としてサーキュレーターを用いる場合にはアイソレーター52の設置は不要である。
In the present embodiment, the
以下、本発明の第2の実施の形態を説明する。 The second embodiment of the present invention will be described below.
図12は、本発明の第2の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。 FIG. 12 is a block diagram schematically showing the configuration of the measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
図1の測定装置1が、検出すべき反射光を光ファイバー103,107,108で光源モジュール100内の検出器54に導光するのに対して、本実施の形態に係る測定装置1’は、検出すべき反射光をプローブから直接的に光源モジュール内の検出器に導光する点が図1の測定装置1と異なる。したがって、測定装置1’において、図1の測定装置1の各要素と同じものには同一の符号を付し、それらの説明を省略し、図1の測定装置1と異なる点を説明する。
The measurement apparatus 1 in FIG. 1 guides the reflected light to be detected to the
図12において、測定装置1’は、検出器54とコネクタ59aとを直接的に接続する光ファイバー113が光源モジュール100内に設けられている。また、プローブ50には、光ファイバー113に反射光を導光するために、コネクタ59b及び集光レンズ40間に光ファイバー112が設けられている。これにより、例えば、光ファイバー107,103が光源53,51からの励起光及びプローブ光を導き、且つ光ファイバー112,113がプローブ50のミラー41からの反射光を導くことができ、アイソレーター52、及び合分波器56を設ける必要性をなくすことができる。
In FIG. 12, the measurement apparatus 1 ′ includes an
本発明の実施の形態に係る測定装置1,1’は、マイクロ化学システム、流速測定装置、濃度測定装置に適用することができる。測定対象となる液体としては、マイクロ化学システムにおける流路内を流れる試料溶液、既設の配管内の液体、貯蔵容器(タンク)内の液体、浄化施設水路、井戸、ダムなどの都市型施設内の水や河川、湖などの天然水などがある。また、この測定対象となる液体は引火性物質を含むものであってもよい。さらには、液体中の溶質の濃度が10-7モル/dm3レベルの低濃度であってもよい。また測定装置1,1’が測定処理で行うことには、液体の流速測定及び/又は液体中の溶質の濃度測定がある。 The measuring devices 1 and 1 ′ according to the embodiment of the present invention can be applied to a microchemical system, a flow velocity measuring device, and a concentration measuring device. Liquids to be measured include sample solutions that flow in the channels of microchemical systems, liquids in existing pipes, liquids in storage containers (tanks), purification facility waterways, wells, dams, and other urban facilities. There are natural waters such as water, rivers and lakes. The liquid to be measured may contain a flammable substance. Furthermore, the concentration of the solute in the liquid may be as low as 10 −7 mol / dm 3 level. In addition, what the measurement devices 1 and 1 ′ perform in the measurement process include liquid flow rate measurement and / or solute concentration measurement in the liquid.
1 測定装置
20 流路
40 集光レンズ
41 ミラー
44 支柱
50 プローブ
55,56 合分波器
59a,b コネクタ
103,106〜109,111〜113 光ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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