JP2013088138A - Refraction factor measuring device, concentration measuring device and method thereof - Google Patents

Refraction factor measuring device, concentration measuring device and method thereof Download PDF

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和司 百村
Ryuji Sawada
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refraction factor measuring device which is capable of measuring a refraction factor of a measuring target with high precision while being small-sized.SOLUTION: A refraction factor measuring device 1 is adopted which comprises a light guide rod 10 and a light guide rod 20 which are disposed proximately with a predetermined interval therebetween for reflecting illumination light incident from an incidence end face 11 on an inner surface and guiding the illumination light to a reflection end face 12, a photodetector 27 which detects the intensity of evanescent light incident to the light guide rod 20 by making the illumination light incident to the light guide rod 10, and a CPU 30 which calculates a change in refraction factor of a sample S disposed between the light guide rod 10 and the light guide rod 20 from a change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector 27.

Description

本発明は、屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法に関するものである。   The present invention relates to a refractive index measuring device, a concentration measuring device including the same, and a method thereof.

従来、例えば液体等の測定対象物の屈折率を測定する屈折率測定装置が知られている(例えば、特許文献1から3参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a refractive index measuring device that measures the refractive index of a measurement object such as a liquid is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

特開平11−51863号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-51863 特表2005−533242号公報JP 2005-533242 A 特開2000−146836号公報JP 2000-146836 A

特許文献1に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側から、プリズムと試料との境界面近傍にセンサーを置き、エバネッセント波の強度を測定することで試料の屈折率を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料側からセンサーを近づける構成になっているため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
In the refractive index measuring apparatus disclosed in Patent Document 1, a sensor is placed near the boundary surface between the prism and the sample from the sample side placed on the total reflection prism, and the intensity of the evanescent wave is measured. The refractive index of is measured.
However, this refractive index measuring device has a configuration in which the sensor is brought closer from the sample side placed on the sample stage, so that the device becomes large and a small measuring device cannot be realized.

特許文献2に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側の標準サンプルとの屈折率差を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料の屈折率を測定する構成であるため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
In the refractive index measuring device disclosed in Patent Document 2, the difference in refractive index from the standard sample on the sample side placed on the total reflection prism is measured.
However, since this refractive index measuring device is configured to measure the refractive index of a sample placed on a sample stage, there is a disadvantage that the device becomes large and a small measuring device cannot be realized.

特許文献3に開示されている屈折率測定装置では、既知の物質Aの上にエバネッセント波が伝わる深さ以下の薄膜Bをつけ、反射光強度の変化量から物質C側にもれ出る強度を検出し、物質Bの屈折率を求めている。
しかしながら、この屈折率測定装置は、反射光強度の変化量が小さいため、屈折率測定精度が低いという不都合がある。
In the refractive index measuring device disclosed in Patent Document 3, a thin film B having a depth equal to or less than the depth at which an evanescent wave is transmitted is attached on a known substance A, and the intensity that leaks to the substance C side from the amount of change in reflected light intensity The refractive index of the substance B is obtained by detection.
However, this refractive index measuring device has the disadvantage that the refractive index measurement accuracy is low because the amount of change in reflected light intensity is small.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができる屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of measuring the refractive index of a measurement object with high accuracy while reducing the size of the apparatus, and the concentration measurement provided with the same. An object is to provide an apparatus and a method thereof.

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第1の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第1の導光部材および第2の導光部材と、前記第1の導光部材に照明光を入射させることで、前記第2の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第1の導光部材と前記第2の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
According to a first aspect of the present invention, a first light guide member and a second light guide which are arranged close to each other with a predetermined interval and reflect the illumination light incident from one end surface to the other end surface by internal reflection. A light detector for detecting the intensity of evanescent light entering the second light guide member by causing illumination light to enter the member, the first light guide member, and the light detector A refractive index measuring apparatus comprising: a calculating unit that calculates a change amount of a refractive index of a sample disposed between the first light guide member and the second light guide member from a change amount of the intensity of evanescent light. It is.

本発明の第1の態様によれば、第1の導光部材に入射させた照明光が、第1の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、第1の導光部材と第2の導光部材との間においてエバネッセント場が発生し、該エバネッセント場により第1の導光部材と第2の導光部材との間に配置された試料内にエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、第2の導光部材に入射して、第2の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれ、該端面から射出されて光検出器により検出される。   According to the first aspect of the present invention, the illumination light incident on the first light guide member reflects the inner side surface of the first light guide member and is guided to the end surface. In this case, an evanescent field is generated between the first light guide member and the second light guide member, and the evanescent field is disposed between the first light guide member and the second light guide member by the evanescent field. Evanescent light is generated in the sample. The evanescent light is incident on the second light guide member, is reflected from the inner surface of the second light guide member, is guided to the end surface, is emitted from the end surface, and is detected by the photodetector.

この場合において、エバネッセント光の強度は、第1の導光部材と第2の導光部材との間に配置された試料の屈折率によって変化するため、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができる。   In this case, since the intensity of the evanescent light changes depending on the refractive index of the sample disposed between the first light guide member and the second light guide member, the intensity of the evanescent light detected by the photodetector. The amount of change in the refractive index of the sample can be calculated from the amount of change in.

上記のように、本発明の第1の態様によれば、2つの導光部材、1つの光検出器、および算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料の屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料の屈折率の変化量を測定することができる。   As described above, according to the first aspect of the present invention, the amount of change in the refractive index of the sample can be calculated by the two light guide members, the one photodetector, and the calculation unit, thereby reducing the size of the apparatus. Can be achieved. Further, by calculating the amount of change in the refractive index of the sample using evanescent light, the amount of change in the refractive index of the sample can be measured with higher accuracy than in a conventional Abbe refractometer.

上記態様において、前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出することとしてもよい。

Figure 2013088138
ここで、
E:エバネッセント光の強度
θ:前記第1の導光部材内における照明光の試料への入射角
:前記第1の導光部材および前記第2の導光部材の屈折率
:前記試料の屈折率
λ:照明光の波長
z:前記第1の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω:角振動数
t:時間
A,σ:所定の定数 In the above aspect, the calculation unit may calculate the amount of change in the refractive index of the sample based on the following equation from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector.
Figure 2013088138
here,
E: Intensity of evanescent light θ 1 : Angle of incidence of illumination light on the sample in the first light guide member n 1 : Refractive index of the first light guide member and the second light guide member n 2 : Refractive index of the sample λ 0 : wavelength of illumination light z: distance from the interface between the first light guide member and the sample ω: angular frequency t: time A, σ: predetermined constant

このようにすることで、第1の導光部材内における照明光の試料への入射角θ、第1の導光部材および第2の導光部材の屈折率n、および照明光の波長λが既知の場合に、エバネッセント光の強度Eの変化量を測定することで、試料の屈折率nの変化量を算出することができる。 By doing in this way, incident angle (theta) 1 to the sample of the illumination light in a 1st light guide member, refractive index n1 of a 1st light guide member and a 2nd light guide member, and the wavelength of illumination light When λ 0 is known, the amount of change in the refractive index n 2 of the sample can be calculated by measuring the amount of change in the intensity E of the evanescent light.

上記態様において、前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
このようにすることで、予め設定された試料の屈折率の基準値に、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料の屈折率の変化量を加減算することにより、試料の屈折率を算出することができる。
In the above aspect, the calculation unit may calculate the refractive index of the sample from a preset reference value of the refractive index of the sample and an amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector. Good.
In this way, by adding or subtracting the amount of change in the refractive index of the sample calculated from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector to the reference value of the refractive index of the sample set in advance. The refractive index of the sample can be calculated.

上記態様において、前記第1の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、前記入射角度調節部が、前記第1の導光部材内において全反射を起こすように前記第1の導光部材への照明光の入射角度を調節し、前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
θc=arcsin(n/n
ここで、
θc:前記第1の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
:前記第1の導光部材および前記第2の導光部材の屈折率
:前記試料の屈折率
In the above aspect, an incident angle adjusting unit that adjusts an incident angle of illumination light to the first light guide member is provided, and the incident angle adjusting unit causes total reflection in the first light guide member. It is good also as adjusting the incident angle of the illumination light to a said 1st light guide member, and the said calculation part calculating the refractive index of the said sample based on the following formula | equation.
θc = arcsin (n 2 / n 1 )
here,
θc: Angle of incidence on the sample causing total reflection in the first light guide member n 1 : Refractive index of the first light guide member and the second light guide member n 2 : Refractive index of the sample

このようにすることで、第1の導光部材内において全反射を起こすように第1の導光部材への照明光の入射角を調節し、その際の第1の導光部材内における試料への入射角と第1の導光部材および第2の導光部材の屈折率とから、試料の屈折率を容易に算出することができる。   By doing in this way, the incident angle of the illumination light to the first light guide member is adjusted so as to cause total reflection in the first light guide member, and the sample in the first light guide member at that time The refractive index of the sample can be easily calculated from the angle of incidence on and the refractive indexes of the first light guide member and the second light guide member.

上記態様において、前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射することとしてもよい。
このように構成することで、一端面から入射した照明光を、第1の導光部材の内側面により反射を繰り返して他端面まで導くとともに、他端面により反射して再び一端面まで導くことができる。このようにすることで、第1の導光部材と試料との界面における全反射の回数を増加させることができ、第1の導光部材と第2の導光部材との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
In the above aspect, the other end surface may totally reflect the illumination light incident from the one end surface.
With this configuration, the illumination light incident from one end surface is repeatedly reflected by the inner surface of the first light guide member and guided to the other end surface, and reflected by the other end surface to be guided again to the one end surface. it can. By doing so, the number of total reflections at the interface between the first light guide member and the sample can be increased, and evanescent generated between the first light guide member and the second light guide member. The field strength can be increased. Thereby, the intensity of the evanescent light detected by the photodetector can be increased, and the measurement accuracy of the amount of change in the refractive index of the sample can be improved.

上記態様において、前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、第1の導光部材に入射させる照明光の波長を波長調節部により調節しながら、波長毎の試料の屈折率の変化量を算出することができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
The said aspect WHEREIN: It is good also as providing the wavelength adjustment part which adjusts the wavelength of the illumination light entered into the said one end surface.
With this configuration, it is possible to calculate the amount of change in the refractive index of the sample for each wavelength while adjusting the wavelength of the illumination light incident on the first light guide member by the wavelength adjusting unit. The measurement accuracy of the rate change amount can be improved.

本発明の第2の態様は、上記の屈折率測定装置と、前記第1の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置である。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the above refractive index measurement device, a spectrum measurement unit that measures a wavelength spectrum of illumination light from the first light guide member, a wavelength spectrum measured by the spectrum measurement unit, and A concentration measuring apparatus comprising: an arithmetic unit that calculates the amount of change in the concentration of the sample by multivariate analysis from the amount of change in the refractive index of the sample calculated by the calculation unit.

本発明の第2の態様によれば、屈折率測定装置により試料の屈折率の変化量を算出するとともに、スペクトル測定部により第1の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料の屈折率の変化量から、演算部により試料の濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料の濃度の変化量を演算することで、単純に試料の屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。   According to the second aspect of the present invention, the refractive index change device calculates the amount of change in the refractive index of the sample, and the spectrum measurement unit measures the wavelength spectrum of the illumination light from the first light guide member. it can. From the thus calculated wavelength spectrum and the amount of change in the refractive index of the sample, the amount of change in the concentration of the sample can be calculated by multivariate analysis by the calculation unit. By calculating the amount of change in the concentration of the sample in this way, the measurement accuracy can be improved compared to the case where the concentration is simply calculated from the refractive index of the sample.

本発明の第3の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置された第1の導光部材および第2の導光部材のうち、前記第1の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、前記導光ステップにより前記第2の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第1の導光部材と前記第2の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法である。   According to a third aspect of the present invention, illumination light is applied to one end surface of the first light guide member among the first light guide member and the second light guide member that are arranged close to each other with a predetermined interval. Is guided to the other end surface, a light detection step for detecting the intensity of evanescent light generated in the second light guide member by the light guide step, and an evanescent detected by the light detection step A refractive index measurement method comprising: calculating a change amount of a refractive index of a sample disposed between the first light guide member and the second light guide member from a change amount of light intensity. is there.

本発明の第4の態様は、上記の屈折率測定方法と、前記第1の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the refractive index measurement method, a spectrum measurement step of measuring a wavelength spectrum of illumination light from the first light guide member, a wavelength spectrum measured by the spectrum measurement step, and And a calculation step of calculating a change amount of the concentration of the sample by multivariate analysis from the change amount of the refractive index of the sample calculated by the calculation step.

本発明によれば、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that the refractive index of a measurement object can be measured with high accuracy while downsizing the apparatus.

本発明の第1の実施形態に係る屈折率測定装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a refractive index measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図1の導光ロッドの斜視図である。It is a perspective view of the light guide rod of FIG. 図1の導光ロッドにおける照明光およびエバネッセント光の伝播状態を説明する図である。It is a figure explaining the propagation state of the illumination light and evanescent light in the light guide rod of FIG. 屈折率の測定原理を説明する図である。It is a figure explaining the measurement principle of a refractive index. エバネッセント光の発生原理を説明する図である。It is a figure explaining the generation principle of evanescent light. 具体例における各パラメータおよび測定値の一覧図表である。It is a list chart of each parameter and measured value in a specific example. 本発明の第2の実施形態に係る濃度測定装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the density | concentration measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図7のCPUにより実行される処理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the process performed by CPU of FIG. 第1の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。It is a perspective view of the light guide rod of the density | concentration measuring apparatus which concerns on a 1st modification. 第2の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。It is a perspective view of the light guide rod of the density | concentration measuring apparatus which concerns on a 2nd modification. 第3の変形例に係る屈折率測定装置の要部の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the principal part of the refractive index measuring apparatus which concerns on a 3rd modification.

[第1の実施形態]
以下に、本発明の第1の実施形態に係る屈折率測定装置1について、図1から図6を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る屈折率測定装置1は、図1に示されるように、光源25と、波長調節装置(波長調節部)35と、レンズL1と、ミラー15と、導光ロッド(第1の導光部材)10と、導光ロッド(第2の導光部材)20と、レンズL2と、光検出器27と、CPU(算出部)30と、モニタ31と、制御装置38を備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a refractive index measuring apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
As shown in FIG. 1, the refractive index measuring device 1 according to the present embodiment includes a light source 25, a wavelength adjusting device (wavelength adjusting unit) 35, a lens L 1, a mirror 15, and a light guide rod (a first rod). A light guide member 10, a light guide rod (second light guide member) 20, a lens L 2, a photodetector 27, a CPU (calculation unit) 30, a monitor 31, and a control device 38. .

光源25は、広帯域な波長成分を有する照明光をミラー15に向けて射出するようになっている。光源25の射出光軸上には、後述する波長調節装置35と、波長調節装置35からの照明光を集光するレンズL1と、レンズL1により集光された照明光のうち一部を通過させる絞り16とが配置されている。   The light source 25 emits illumination light having a broadband wavelength component toward the mirror 15. On the emission optical axis of the light source 25, a wavelength adjusting device 35 to be described later, a lens L1 for condensing the illumination light from the wavelength adjusting device 35, and a part of the illumination light collected by the lens L1 are passed. A diaphragm 16 is arranged.

波長調節装置35は、光源25の射出光軸上に配置されたフィルタホイール36と、フィルタホイール36を光源25の射出光軸に沿う回転軸回りに回転させる回転部37とを備えている。フィルタホイール36は、互いに異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタ(図示略)が周方向に搭載されている。   The wavelength adjusting device 35 includes a filter wheel 36 disposed on the emission optical axis of the light source 25, and a rotation unit 37 that rotates the filter wheel 36 about a rotation axis along the emission optical axis of the light source 25. The filter wheel 36 includes a plurality of band pass filters (not shown) that transmit light in different wavelength bands in the circumferential direction.

このような構成を有することで、波長調節装置35は、後述する制御装置38からの指令に基づいて回転部37によりフィルタホイール36を回転させることによって、光源25からの照明光のうち所定の波長帯域の光をミラー15に向けて射出するようになっている。   By having such a configuration, the wavelength adjusting device 35 rotates the filter wheel 36 by the rotating unit 37 based on a command from the control device 38 to be described later, so that a predetermined wavelength of the illumination light from the light source 25 is obtained. The band light is emitted toward the mirror 15.

絞り16は、レンズL1により集光された照明光のうち、導光ロッド10の入射端面11に所定の入射角以下で入射する照明光のみを通過させるようになっている。より具体的には、絞り16は、レンズL1により集光された照明光のうち、導光ロッド10の内側面において全反射する照明光(すなわち、導光ロッド10内において臨界角以上で導光ロッド10の内側面に入射する照明光)のみを、導光ロッド10の入射端面11に入射させるようになっている。   The diaphragm 16 is configured to pass only illumination light incident on the incident end face 11 of the light guide rod 10 at a predetermined incident angle or less out of the illumination light collected by the lens L1. More specifically, the diaphragm 16 is the illumination light that is totally reflected on the inner surface of the light guide rod 10 out of the illumination light collected by the lens L1 (that is, is guided at a critical angle or more in the light guide rod 10). Only the illumination light incident on the inner surface of the rod 10 is incident on the incident end surface 11 of the light guide rod 10.

ミラー15は、絞り16を通過してきた照明光を導光ロッド10の入射端面(一端面)11に向けて反射するようになっている。
導光ロッド10と導光ロッド20とは、図2に示すように、所定の間隔dをあけて近接して並行に配置されている。
The mirror 15 reflects the illumination light that has passed through the diaphragm 16 toward the incident end face (one end face) 11 of the light guide rod 10.
As shown in FIG. 2, the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are arranged close to each other with a predetermined distance d therebetween.

導光ロッド10は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、入射端面11から入射させた照明光を、内側面により内面反射させて入射端面11とは他端側に配置された反射端面(他端面)12まで導くようになっている。反射端面12は、導光ロッド10内を導かれてきた照明光を全反射するようになっている。   The light guide rod 10 is a rod-shaped rod made of, for example, glass or the like, and the illumination light incident from the incident end surface 11 is reflected on the inner surface by the inner surface, and is a reflection disposed on the other end side from the incident end surface 11. It leads to the end face (other end face) 12. The reflection end face 12 totally reflects the illumination light guided through the light guide rod 10.

このような構成を有することで、導光ロッド10は、入射端面11から入射した照明光を、導光ロッド10の内側面により反射を繰り返して反射端面12まで導くとともに、反射端面12により全反射して再び入射端面11まで導くようになっている。   By having such a structure, the light guide rod 10 repeatedly reflects the illumination light incident from the incident end surface 11 by the inner surface of the light guide rod 10 to the reflection end surface 12 and totally reflects by the reflection end surface 12. Then, it is guided again to the incident end face 11.

導光ロッド20は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、後述するように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、内側面により内面反射させて反射端面22まで導くようになっている。反射端面22は、導光ロッド20内を導かれてきたエバネッセント光を全反射するようになっている。なお、エバネッセント光の発生原理については後述する。   The light guide rod 20 is, for example, a rod-shaped rod made of glass or the like. As will be described later, the evanescent light generated by the evanescent field is internally reflected by the inner surface and guided to the reflection end surface 22. . The reflection end face 22 totally reflects the evanescent light guided through the light guide rod 20. The generation principle of evanescent light will be described later.

このような構成を有することで、導光ロッド20は、図3に示すように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、導光ロッド20の内側面により反射を繰り返して反射端面22まで導くとともに、反射端面22により全反射して出射端面21まで導くようになっている。   By having such a configuration, the light guide rod 20 guides the evanescent light generated by the evanescent field to the reflection end surface 22 by repeatedly reflecting the inner surface of the light guide rod 20, as shown in FIG. The light is totally reflected by the reflection end face 22 and led to the emission end face 21.

また、導光ロッド10と導光ロッド20との間には、屈折率の測定対象である試料Sが配置されている。具体的には、例えば試料Sとして生体試料を採用した場合には、導光ロッド10と導光ロッド20とを所定の間隔をあけた状態で、導光ロッド10および導光ロッド20を生体内に挿入し、導光ロッド10の入射端面11および導光ロッド20の出射端面21を生体外に露出させる。   Further, between the light guide rod 10 and the light guide rod 20, a sample S that is a refractive index measurement target is disposed. Specifically, for example, when a biological sample is adopted as the sample S, the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are placed in the living body in a state where the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are spaced apart from each other. And the light incident end surface 11 of the light guide rod 10 and the light output end surface 21 of the light guide rod 20 are exposed outside the living body.

光検出器27は、導光ロッド20の射出光軸上に配置されており、導光ロッド20の出射端面21からのエバネッセント光の強度を検出するようになっている。
また、導光ロッド20と光検出器27との間には、導光ロッド20からのエバネッセント光を集光するレンズL2が設けられている。
The light detector 27 is disposed on the exit optical axis of the light guide rod 20 and detects the intensity of the evanescent light from the exit end face 21 of the light guide rod 20.
In addition, a lens L <b> 2 that collects evanescent light from the light guide rod 20 is provided between the light guide rod 20 and the photodetector 27.

CPU30は、光検出器27により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、導光ロッド10と導光ロッド20との間に配置された試料Sの屈折率の変化量を算出するようになっている。   The CPU 30 calculates the amount of change in the refractive index of the sample S disposed between the light guide rod 10 and the light guide rod 20 from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector 27. ing.

モニタ31は、CPU30より算出された試料Sの屈折率の変化量や、波長調節装置35により選択的に透過される照明光の波長等の情報を表示するようになっている。
制御装置38は、CPU30からの指令に基づいて回転部37を動作させて、波長調節装置35から射出する照明光の波長を制御するようになっている。
The monitor 31 displays information such as the amount of change in the refractive index of the sample S calculated by the CPU 30 and the wavelength of illumination light that is selectively transmitted by the wavelength adjusting device 35.
The control device 38 operates the rotating unit 37 based on a command from the CPU 30 to control the wavelength of illumination light emitted from the wavelength adjusting device 35.

ここで、本実施形態に係る屈折率測定装置1による屈折率の測定原理について以下に説明する。
図4に示すように、屈折率が異なる物質が接している界面では反射が起こる。物質A,物質Bの屈折率をそれぞれn,nとしたとき、n>nのとき、ある角度以上の入射角θcで全反射が起こることが知られている。この全反射角は次式で与えられる。
θc=arcsin(n/n
Here, the measurement principle of the refractive index by the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.
As shown in FIG. 4, reflection occurs at the interface where materials having different refractive indexes are in contact. When the refractive indexes of the substances A and B are n 1 and n 2 , respectively, it is known that total reflection occurs at an incident angle θc of a certain angle or more when n 1 > n 2 . This total reflection angle is given by the following equation.
θc = arcsin (n 2 / n 1 )

入射角θcがこの角度以上であれば、物質Aと物質Bとの界面での反射は全反射であり、反射率は1となる。この状態では物質Aから物質Bへのエネルギーの流れは生じないが、図5に示すように、物質B側にはエバネッセント場といわれる電場Eが発生する。この電場Eは、物質Aと物質Bとの界面からの距離zに対して指数関数的に減衰する。この電場Eは以下の式で与えられる(例えば、光工学ハンドブック p33 朝倉書店 小瀬ら 参照)。   If the incident angle θc is equal to or greater than this angle, the reflection at the interface between the substance A and the substance B is total reflection, and the reflectance is 1. In this state, an energy flow from the substance A to the substance B does not occur, but as shown in FIG. 5, an electric field E called an evanescent field is generated on the substance B side. The electric field E attenuates exponentially with respect to the distance z from the interface between the substance A and the substance B. This electric field E is given by the following equation (see, for example, Optical Engineering Handbook p33 Asakura Shoten Kose et al.).

Figure 2013088138
Figure 2013088138

ここで、上記の式における各文字は以下を表わしている。
E:エバネッセント光の強度
θ:物質A(導光ロッド10)内における照明光の物質B(試料S)への入射角
:物質A(導光ロッド10)および物質C(導光ロッド20)の屈折率
:物質B(試料S)の屈折率
λ:照明光の波長
z:物質A(導光ロッド10)と物質B(試料S)との界面からの距離
ω:角振動数
t:時間
x:測定点の図4のx座標の値
A,σ0:所定の定数
Here, each character in the above expression represents the following.
E: Intensity of evanescent light θ 1 : Angle of incidence of illumination light into substance B (sample S) in substance A (light guide rod 10) n 1 : Substance A (light guide rod 10) and substance C (light guide rod) 20) Refractive index n 2 : Refractive index of the substance B (sample S) λ 0 : Wavelength of illumination light z: Distance from the interface between the substance A (light guide rod 10) and the substance B (sample S) ω: Angle Frequency t: Time x: Value of x coordinate of measurement point in FIG. 4 A, σ 0 : Predetermined constant

上記の式においてexpの項が電場の振幅の減衰を表す項であり、界面での強度を1としたとき、z方向で概ね光の波長程度で1/eに減衰する。
巨視的にはエネルギーの流れはないが、このエバネッセント場中に例えば蛍光物質があれば、その蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。また、エバネッセント場中に屈折率の高い物質Cを置いた場合には、入射角が物質Aと物質Bで決まる全反射角以上、物質Aと物質Cで決まる全反射角以下の条件において、物質C中には再びエネルギーの流れが生じる。
In the above equation, the term exp represents the attenuation of the electric field amplitude, and when the intensity at the interface is 1, it attenuates to 1 / e in the z direction at approximately the wavelength of light.
Macroscopically, there is no flow of energy, but if there is, for example, a fluorescent material in this evanescent field, the fluorescent material is excited to generate fluorescence. In addition, when the substance C having a high refractive index is placed in the evanescent field, the substance has an incident angle not less than the total reflection angle determined by the substances A and B and not more than the total reflection angle determined by the substances A and C. Energy flows again in C.

図5は上記の状態を表したものである。物質Aと物質Bとの界面に対して、微小間隔dだけ離れた位置に物質Bと物質Cとの界面が配置されている。物質C内の矢印は単にエネルギーの流れる方向を示しているものである。   FIG. 5 shows the above state. The interface between the substance B and the substance C is arranged at a position separated from the interface between the substance A and the substance B by a minute distance d. The arrow in the substance C simply indicates the direction of energy flow.

入射光のエネルギー量に対して物質Cに流れ込むエネルギー量の比を透過率Tとすると、透過率Tは、物質A,B,Cの屈折率n,n,nと、物質Aと物質Cとの間隔dと、入射角θの関数となる。すなわち、物資A,物質Cの屈折率n,nと、間隔dと、入射角θが既知であれば、透過率Tはnのみの関数となる。 When the ratio of the amount of energy that flows into the substance C with respect to the amount of energy of incident light is the transmittance T, the transmittance T is determined by the refractive indexes n 1 , n 2 , n 3 of the substances A, B, and C, and the substance A This is a function of the distance d from the substance C and the incident angle θ 1 . That is, if the refractive indexes n 1 and n 3 of the materials A and C, the distance d, and the incident angle θ 1 are known, the transmittance T is a function of only n 2 .

上記の原理を本実施形態に係る屈折率測定装置1に適用すると、屈折率が未知の媒質中(試料S)に屈折率のわかっている導光ロッド10と導光ロッド20を波長以下の所定の間隔dだけ離し、所定の角度で導光ロッド10に光を入射させると、上記の説明のように導光ロッド20に漏れ出す光(エバネッセント光)が出現する。このエバネッセント光の強度の変化量を検出することで、試料Sの屈折率の変化量を知ることができる。なお、本実施形態においてはx軸方向の光強度変化は考慮する必要が無いため、δ=−(2πnx/λ)sinθ+δとしてよく、検出されるエバネッセント光の強度は以下で表すことができる。

Figure 2013088138
ただし、δは所定の定数である。 When the above principle is applied to the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the light guide rod 10 and the light guide rod 20 whose refractive index is known in a medium (sample S) whose refractive index is unknown are set to a predetermined wavelength or less. When the light is incident on the light guide rod 10 at a predetermined angle, the light leaking to the light guide rod 20 (evanescent light) appears as described above. By detecting the amount of change in the intensity of the evanescent light, the amount of change in the refractive index of the sample S can be known. In this embodiment, since it is not necessary to consider the change in the light intensity in the x-axis direction, δ = − (2πn 1 x / λ 0 ) sinθ 1 + δ 0 may be used. The intensity of the detected evanescent light is as follows. Can be represented.
Figure 2013088138
Where δ is a predetermined constant.

また、本実施形態に係る屈折率測定装置1によれば、試料Sの屈折率の変化量を極めて高い感度で検出できる。その理由について以下に説明する。
透過率Tは、屈折率n,n,nと、間隔dと、入射角θの関数となることは既に述べたが、屈折率nの値が既知であり、変動範囲も想定できる場合には、屈折率nの微小な変動によって透過率Tが大きく変動するような各パラメータn,n,d,θを測定条件として設定することにより、屈折率測定の感度を高くすることができる。なお、この場合には、n<n+0.1、d<λとすることが必要である。
Further, according to the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the amount of change in the refractive index of the sample S can be detected with extremely high sensitivity. The reason will be described below.
As described above, the transmittance T is a function of the refractive indexes n 1 , n 2 , n 3 , the distance d, and the incident angle θ 1 , but the value of the refractive index n 2 is known and the fluctuation range is also When it can be assumed, each parameter n 1 , n 3 , d, θ 1 that greatly changes the transmittance T due to a minute change in the refractive index n 2 is set as a measurement condition, thereby measuring the sensitivity of the refractive index measurement. Can be high. In this case, it is necessary to satisfy n 1 <n 2 +0.1 and d <λ.

上記の理由について具体例を挙げて以下に説明する。
数値計算によれば、使用波長1ミクロン、試料Sの屈折率n=1.33322、屈折率の変動幅Δn=0.00001のとき、図6に示すような結果が得られている。なお、n=1.33322は間質液(試料S)の屈折率であり、Δn=0.00001はグルコース濃度6mg/dLの変化に対応する屈折率の変動幅である。
The above reason will be described below with specific examples.
According to the numerical calculation, when the wavelength used is 1 micron, the refractive index n 2 of the sample S = 1.33322, and the variation width of the refractive index Δn 2 = 0.00001, the result shown in FIG. 6 is obtained. Note that n 2 = 1.33332 is the refractive index of the interstitial fluid (sample S), and Δn 2 = 0.00001 is the fluctuation range of the refractive index corresponding to the change in the glucose concentration of 6 mg / dL.

光量変化率ΔT/Tでは、それぞれ0.19%,0.04%であり、高精度な光検出器によって検出可能な値である。エバネッセント光の総光量に関しては、各物質の境界部分の面積や、入射光の強度などを変えることで、変化させることが可能である。
この原理を本発明に適用する場合には、導光ロッド間隔の誤差、入射光束の広がりなどを勘案して、屈折率の絶対値を測定するのではなく、屈折率の変化の程度を測定する装置として利用する。
The light quantity change rate ΔT / T is 0.19% and 0.04%, respectively, and is a value that can be detected by a highly accurate photodetector. The total light amount of the evanescent light can be changed by changing the area of the boundary portion of each substance, the intensity of incident light, and the like.
When this principle is applied to the present invention, the absolute value of the refractive index is not measured but the degree of change in the refractive index is measured in consideration of the error of the light guide rod spacing, the spread of the incident light beam, etc. Use as a device.

市販の汎用屈折率測定器であるアッベ式屈折率計の測定精度が0.0002程度であるので、本実施形態に係る屈折率測定装置1の感度が非常に高いことがわかる。
なお、n=1.38はフッ化マグネシウム(MgF2)の屈折率であり、また具体例として挙げた屈折率1.3〜1.4の光デバイス用低屈折率素材の開発は各所で行われている。
Since the Abbe refractometer, which is a commercially available general-purpose refractive index measuring instrument, has a measurement accuracy of about 0.0002, it can be seen that the sensitivity of the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment is very high.
Note that n 1 = 1.38 is the refractive index of magnesium fluoride (MgF 2), and the development of a low refractive index material for optical devices having a refractive index of 1.3 to 1.4, which is given as a specific example, is carried out in various places. It has been broken.

以上のように、本実施形態に係る屈折率測定装置1によれば、導光ロッド10に入射させた照明光が、導光ロッド10の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、導光ロッド10と導光ロッド20との間においてエバネッセント場が発生し、エバネッセント場により導光ロッド10と導光ロッド20との間に配置された試料Sからエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、導光ロッド20に入射して、導光ロッド20の内側面を反射して端面まで導かれ、光検出器27により検出される。   As described above, according to the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the illumination light incident on the light guide rod 10 reflects the inner side surface of the light guide rod 10 and is guided to the end surface. In this case, an evanescent field is generated between the light guide rod 10 and the light guide rod 20, and evanescent light is generated from the sample S disposed between the light guide rod 10 and the light guide rod 20 by the evanescent field. . The evanescent light is incident on the light guide rod 20, is reflected from the inner surface of the light guide rod 20, is guided to the end surface, and is detected by the photodetector 27.

この場合において、エバネッセント光の強度は、導光ロッド10と導光ロッド20との間に配置された試料Sの屈折率によって変化するため、光検出器27により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、CPU30により試料Sの屈折率の変化量を算出することができる。   In this case, since the intensity of the evanescent light changes depending on the refractive index of the sample S arranged between the light guide rod 10 and the light guide rod 20, the change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector 27 is changed. The amount of change in the refractive index of the sample S can be calculated by the CPU 30 from the amount.

上記のように、本実施形態に係る屈折率測定装置1によれば、2つの導光部材、1つの光検出器27、およびCPU30により試料Sの屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料Sの屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料Sの屈折率の変化量を測定することができる。   As described above, according to the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the amount of change in the refractive index of the sample S can be calculated by the two light guide members, the one photodetector 27, and the CPU 30. The size of the apparatus can be reduced. In addition, by calculating the amount of change in the refractive index of the sample S using evanescent light, the amount of change in the refractive index of the sample S can be measured with higher accuracy than in a conventional Abbe refractometer.

また、導光ロッド10が反射端面12を備えることで、入射端面11から入射した照明光を、導光ロッド10の内側面により反射を繰り返して反射端面12まで導くとともに、反射端面12により反射して再び入射端面11まで導くことができる。このようにすることで、導光ロッド10と試料Sとの界面における全反射の回数を増加させることができ、導光ロッド10と導光ロッド20との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器27により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料Sの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。   Further, since the light guide rod 10 includes the reflection end surface 12, the illumination light incident from the incident end surface 11 is repeatedly reflected by the inner side surface of the light guide rod 10 and guided to the reflection end surface 12, and is reflected by the reflection end surface 12. Thus, the light can be guided to the incident end face 11 again. By doing so, the number of total reflections at the interface between the light guide rod 10 and the sample S can be increased, and the intensity of the evanescent field generated between the light guide rod 10 and the light guide rod 20 can be increased. can do. Thereby, the intensity of the evanescent light detected by the photodetector 27 can be increased, and the measurement accuracy of the amount of change in the refractive index of the sample S can be improved.

また、入射端面11に入射させる照明光の波長を調節する波長調節装置35を備えることで、導光ロッド10に入射させる照明光の波長を波長調節装置35により調節しながら、波長毎の試料Sの屈折率の変化量を算出することができ、試料Sの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。   In addition, by providing the wavelength adjusting device 35 that adjusts the wavelength of the illumination light incident on the incident end face 11, the wavelength adjusting device 35 adjusts the wavelength of the illumination light incident on the light guide rod 10, and the sample S for each wavelength. The change amount of the refractive index of the sample S can be calculated, and the measurement accuracy of the change amount of the refractive index of the sample S can be improved.

なお、本実施形態に係る屈折率測定装置1において、図示しないメモリを設け、CPU30が、前記メモリに予め設定された試料Sの屈折率の基準値と、光検出器27により検出されたエバネッセント光の強度の変化量とから、試料Sの屈折率を算出することとしてもよい。   In the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment, a memory (not shown) is provided, and the CPU 30 sets the reference value of the refractive index of the sample S preset in the memory and the evanescent light detected by the photodetector 27. The refractive index of the sample S may be calculated from the amount of change in intensity.

このようにすることで、予め設定された試料Sの屈折率の基準値に、光検出器27により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料Sの屈折率の変化量を加減算することにより、試料Sの屈折率を算出することができる。   By doing this, the change amount of the refractive index of the sample S calculated from the change amount of the intensity of the evanescent light detected by the photodetector 27 is added to or subtracted from a preset reference value of the refractive index of the sample S. By doing so, the refractive index of the sample S can be calculated.

また、本実施形態に係る屈折率測定装置1において、導光ロッド10への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部(図示略)を備え、該入射角度調節部が、導光ロッド10内において全反射を起こすように導光ロッド10への照明光の入射角度を調節し、CPU30が、以下の式に基づいて試料Sの屈折率を算出することとしてもよい。
θc=arcsin(n/n
ここで、
θc:導光ロッド10内において全反射を起こす試料Sへの入射角
:導光ロッド10および導光ロッド20の屈折率
:試料Sの屈折率
In addition, the refractive index measuring apparatus 1 according to the present embodiment includes an incident angle adjusting unit (not shown) that adjusts the incident angle of the illumination light to the light guide rod 10, and the incident angle adjusting unit is provided with the light guide rod 10. The incident angle of the illumination light to the light guide rod 10 may be adjusted so as to cause total internal reflection, and the CPU 30 may calculate the refractive index of the sample S based on the following equation.
θc = arcsin (n 2 / n 1 )
here,
θc: angle of incidence on sample S causing total reflection in light guide rod 10 n 1 : refractive index of light guide rod 10 and light guide rod 20 n 2 : refractive index of sample S

このようにすることで、入射角度調節部により、導光ロッド10内において全反射を起こすように導光ロッド10への照明光の入射角度を調節し、その際の導光ロッド10内における試料Sへの入射角と導光ロッド10および導光ロッド20の屈折率とから、試料Sの屈折率を容易に算出することができる。   By doing so, the incident angle adjusting unit adjusts the incident angle of the illumination light to the light guide rod 10 so as to cause total reflection in the light guide rod 10, and the sample in the light guide rod 10 at that time The refractive index of the sample S can be easily calculated from the incident angle to S and the refractive indexes of the light guide rod 10 and the light guide rod 20.

[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について、図7および図8を参照して説明する。本実施形態においては、前述の第1の実施形態に係る屈折率測定装置1を、例えば血糖値等を測定する濃度測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の濃度測定装置2について、第1の実施形態に係る屈折率測定装置1と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an example in which the refractive index measurement device 1 according to the first embodiment described above is applied to a concentration measurement device that measures, for example, a blood glucose level will be described. Hereinafter, with respect to the concentration measuring apparatus 2 of the present embodiment, description of points that are common to the refractive index measuring apparatus 1 according to the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described.

本実施形態に係る濃度測定装置2は、図7に示すように、第1の実施形態に係る屈折率測定装置1におけるミラー15(図1参照)に代えて、導光ロッド10からの照明光の一部を透過させるハーフミラー18を備えている。また、本実施形態に係る濃度測定装置2は、第1の実施形態に係る屈折率測定装置1の構成(図1参照)に加えて、ハーフミラー18を透過してきた導光ロッド10からの照明光を集光するレンズL3と、レンズL3により集光された照明光を検出する光検出器(スペクトル測定部)17とを備えている。   As shown in FIG. 7, the concentration measuring apparatus 2 according to the present embodiment replaces the mirror 15 (see FIG. 1) in the refractive index measuring apparatus 1 according to the first embodiment with illumination light from the light guide rod 10. The half mirror 18 which permeate | transmits one part is provided. In addition to the configuration of the refractive index measurement device 1 according to the first embodiment (see FIG. 1), the concentration measurement device 2 according to the present embodiment illuminates from the light guide rod 10 that has passed through the half mirror 18. The lens L3 which condenses light, and the photodetector (spectrum measurement part) 17 which detects the illumination light condensed with the lens L3 are provided.

光検出器17は、波長調節装置35により選択的に透過された照明光の波長毎に、導光ロッド10からの光の強度を検出するようになっている。これにより、光検出器17は、導光ロッド10内を内面反射して入射端面11から射出された光の波長スペクトルを測定するようになっている。   The light detector 17 detects the intensity of light from the light guide rod 10 for each wavelength of illumination light selectively transmitted by the wavelength adjusting device 35. As a result, the photodetector 17 measures the wavelength spectrum of the light emitted from the incident end face 11 after being internally reflected in the light guide rod 10.

ここで、導光ロッド10内における全反射の現象では、全反射光は外側媒質側に少しだけ潜り込んで反射されるので、外側媒質に吸収があるとこの影響を受けて反射光のエネルギーが減少する。したがって、照明光の波長を種々変えることにより、あるいは反射光を分光することにより、外側媒質のスペクトルが得られる。これは減衰全反射法(ATR:attenuated total reflection)と呼ばれるスペクトル測定法である。   Here, in the phenomenon of total reflection in the light guide rod 10, the total reflected light enters the outer medium side a little and is reflected, so that if the outer medium is absorbed, the influence of this influence decreases the energy of the reflected light. To do. Therefore, the spectrum of the outer medium can be obtained by variously changing the wavelength of the illumination light or by spectroscopically analyzing the reflected light. This is a spectral measurement method called attenuated total reflection (ATR).

本実施形態に係る濃度測定装置2において、CPU(算出部、演算部)30は、光検出器17により測定された波長スペクトルと、光検出器27により測定されたエバネッセント光の強度から算出された試料Sの屈折率の変化量とから、試料Sの濃度の変化量を多変量解析により演算するようになっている。   In the concentration measurement apparatus 2 according to the present embodiment, the CPU (calculation unit, calculation unit) 30 is calculated from the wavelength spectrum measured by the photodetector 17 and the intensity of the evanescent light measured by the photodetector 27. From the amount of change in the refractive index of the sample S, the amount of change in the concentration of the sample S is calculated by multivariate analysis.

上記演算における情報処理の流れは図8に示すようになる。本実施形態に係る濃度測定装置2によれば、アルコール類、糖類、脂肪酸、ポリマーなど広範囲な溶質の濃度測定が可能であるが、ここでは血糖値測定を例に説明する。減衰全反射法によるスペクトル測定値と屈折率測定値はPLS法などの回帰分析手法を含む演算処理を経て血糖値として最終的な値を得る。   The flow of information processing in the above calculation is as shown in FIG. According to the concentration measuring apparatus 2 according to the present embodiment, concentration measurement of a wide range of solutes such as alcohols, saccharides, fatty acids, and polymers is possible, but here, blood glucose level measurement will be described as an example. The spectrum measurement value and the refractive index measurement value obtained by the attenuated total reflection method are finally subjected to arithmetic processing including a regression analysis method such as the PLS method to obtain a final value as a blood glucose level.

以上のように、本実施形態に係る濃度測定装置2によれば、前述の実施形態に係る屈折率測定装置1により試料Sの屈折率の変化量を算出するとともに、光検出器17により導光ロッド10からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料Sの屈折率の変化量から、CPU30により試料Sの濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料Sの濃度を演算することで、単純に試料Sの屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。   As described above, according to the concentration measuring device 2 according to the present embodiment, the refractive index measuring device 1 according to the above-described embodiment calculates the amount of change in the refractive index of the sample S and guides it with the photodetector 17. The wavelength spectrum of the illumination light from the rod 10 can be measured. Then, from the thus calculated wavelength spectrum and the change amount of the refractive index of the sample S, the change amount of the concentration of the sample S can be calculated by the CPU 30 by multivariate analysis. By calculating the concentration of the sample S in this way, the measurement accuracy can be improved compared to the case where the concentration is simply calculated from the refractive index of the sample S.

また、本実施形態に係る濃度測定装置2には波長制御装置35以外の可動部が無いため、安定した濃度測定が可能である。
また、導光ロッド10および導光ロッド20の径を細径化しても感度が落ちないため、径の細い導光ロッド10および導光ロッド20を生体内に設置して生体内の物質濃度を測定することが可能である。これにより、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
In addition, since the concentration measuring device 2 according to the present embodiment has no movable part other than the wavelength control device 35, stable concentration measurement is possible.
In addition, since the sensitivity does not decrease even if the diameters of the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are reduced, the light guide rod 10 and the light guide rod 20 having a small diameter are installed in the living body to reduce the substance concentration in the living body. It is possible to measure. Thereby, invasion at the time of blood glucose level measurement can be reduced.

なお、本実施形態に係る濃度測定装置2では、波長スペクトルおよび試料Sの屈折率の変化量から試料Sの濃度の変化量を測定したが、試料Sの屈折率そのものを算出することで、波長スペクトルおよび試料Sの屈折率から試料Sの濃度を測定することもできる。   In the concentration measuring apparatus 2 according to this embodiment, the amount of change in the concentration of the sample S is measured from the wavelength spectrum and the amount of change in the refractive index of the sample S. By calculating the refractive index of the sample S itself, The concentration of the sample S can also be measured from the spectrum and the refractive index of the sample S.

[第1の変形例]
なお、第2の実施形態に係る濃度測定装置2の第1の変形例として、図9に示すように、棒状の導光ロッド10および導光ロッド20に代えて、平板上の導光板10’および導光板20’を採用することとしてもよい。この場合には、平板上の導光板10’と導光板20’とは所定の間隔をあけて対向させて配置する。
[First Modification]
As a first modification of the concentration measuring apparatus 2 according to the second embodiment, as shown in FIG. 9, instead of the rod-shaped light guide rod 10 and the light guide rod 20, a light guide plate 10 ′ on a flat plate is used. Alternatively, the light guide plate 20 ′ may be employed. In this case, the light guide plate 10 ′ and the light guide plate 20 ′ on the flat plate are arranged to face each other with a predetermined interval.

上記の導光板10’と導光板20’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Sの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。   According to the concentration measuring apparatus of this modification having the light guide plate 10 ′ and the light guide plate 20 ′, the detection area of the evanescent light can be increased, and the measurement accuracy of the refractive index and the concentration of the sample S can be improved. Can do.

また、本変形例の濃度測定装置において、平板上の導光板10’と導光板20’の対向面の少なくとも一方に、間質液(試料S)の流通方向に延在する溝(図示略)を設けることとしてもよい。
このようにすることで、平板上の導光板10’と導光板20’との間における間質液(試料S)の閉塞を防止することができ、リアルタイムでの試料Sの屈折率および濃度の測定を確実に行うことができる。
Further, in the concentration measuring apparatus of the present modification, a groove (not shown) extending in the flow direction of the interstitial fluid (sample S) is provided on at least one of the opposing surfaces of the light guide plate 10 ′ and the light guide plate 20 ′ on the flat plate. It is good also as providing.
By doing in this way, obstruction | occlusion of the interstitial liquid (sample S) between light-guide plate 10 'and light-guide plate 20' on a flat plate can be prevented, and the refractive index and density | concentration of sample S in real time can be prevented. Measurement can be performed reliably.

[第2の変形例]
また、第2の実施形態に係る濃度測定装置2の第2の変形例として、図10に示すように、棒状の導光ロッド10および導光ロッド20に代えて、半円柱状の導光ロッド10’’および導光ロッド20’’を採用することとしてもよい。
[Second Modification]
As a second modification of the concentration measuring apparatus 2 according to the second embodiment, a semi-columnar light guide rod is used instead of the rod-like light guide rod 10 and the light guide rod 20 as shown in FIG. 10 ″ and light guide rod 20 ″ may be employed.

半円柱状の導光ロッド10’’と導光ロッド20’’とは所定の間隔をあけて対向させて配置されており、それぞれの対向面には互いに嵌合するように形成された凹凸部を有している。また、図10において、符号13は導光ロッド10’’に照明光が入射する光入射スポットを示しており、符号23は導光ロッド20’’からエバネッセント光が出射する光出射スポットを示している。   The semi-cylindrical light guide rod 10 ″ and the light guide rod 20 ″ are arranged to face each other with a predetermined interval, and the concave and convex portions formed so as to be fitted to each other on the respective facing surfaces. have. In FIG. 10, reference numeral 13 denotes a light incident spot where illumination light enters the light guide rod 10 ″, and reference numeral 23 denotes a light emission spot from which evanescent light is emitted from the light guide rod 20 ″. Yes.

上記の導光ロッド10’’と導光ロッド20’’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、光入射スポット13および光出射スポット23の大きさを確保しつつ、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Sの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。また、導光ロッド10’’および導光ロッド20’’の細径化を図ることができ、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。   According to the concentration measuring apparatus of the present modification having the light guide rod 10 ″ and the light guide rod 20 ″, the detection area of the evanescent light is ensured while ensuring the size of the light incident spot 13 and the light exit spot 23. And the measurement accuracy of the refractive index and concentration of the sample S can be improved. In addition, the diameter of the light guide rod 10 "and the light guide rod 20" can be reduced, and the invasion during blood glucose level measurement can be reduced.

[第3の変形例]
また、第1の実施形態に係る屈折率測定装置1の第3の変形例として、図11に示すように、導光ロッド10と導光ロッド20とを軸線方向にずらして配置するとともに、導光ロッド20の射出光軸上に、導光ロッド20からのエバネッセント光を集光するレンズL4と、レンズL4により集光されたエバネッセント光のみを通過させるピンホール28とを備えることとしてもよい。
[Third Modification]
Further, as a third modification of the refractive index measuring apparatus 1 according to the first embodiment, as shown in FIG. 11, the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are arranged so as to be shifted in the axial direction and guided. A lens L4 that condenses the evanescent light from the light guide rod 20 and a pinhole 28 that allows only the evanescent light collected by the lens L4 to pass through may be provided on the emission optical axis of the optical rod 20.

前述の実施形態に係る濃度測定装置2によれば、導光ロッド10と導光ロッド20とは近接して配置されているため、導光ロッド20からのエバネッセント光と導光ロッド10からの照明光(反射光)とを分離することが難しい。したがって、光検出器27は、導光ロッド20からのエバネッセント光だけでなく、導光ロッド10からの照明光を検出してしまう場合がある。この場合、導光ロッド10からの照明光はノイズであるため、試料Sの屈折率の測定精度を低下させてしまう恐れがある。   According to the concentration measuring apparatus 2 according to the above-described embodiment, since the light guide rod 10 and the light guide rod 20 are disposed close to each other, the evanescent light from the light guide rod 20 and the illumination from the light guide rod 10 are used. It is difficult to separate light (reflected light). Therefore, the photodetector 27 may detect not only the evanescent light from the light guide rod 20 but also the illumination light from the light guide rod 10. In this case, since the illumination light from the light guide rod 10 is noise, the measurement accuracy of the refractive index of the sample S may be reduced.

これに対して、本変形例に係る濃度測定装置によれば、ピンホール28により導光ロッド10からの照明光を遮断して、光検出器27により導光ロッド20からのエバネッセント光のみを検出することができるため、試料Sの屈折率の測定精度を向上することができる。   On the other hand, according to the concentration measuring apparatus according to this modification, the illumination light from the light guide rod 10 is blocked by the pinhole 28 and only the evanescent light from the light guide rod 20 is detected by the photodetector 27. Therefore, the measurement accuracy of the refractive index of the sample S can be improved.

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよい。   As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. . For example, you may apply this invention to embodiment which combined each said embodiment and each modification suitably.

L1,L2,L3,L4 レンズ
S 試料
1 屈折率測定装置
2 濃度測定装置
10 導光ロッド(第1の導光部材)
11 入射端面(一端面)
12 反射端面(他端面)
15 ミラー
16 絞り
17 光検出器(スペクトル測定部)
18 ハーフミラー
20 導光ロッド(第2の導光部材)
21 出射端面
22 反射端面
25 光源
27 光検出器
30 CPU(算出部、演算部)
31 モニタ
35 波長調節装置(波長調節部)
38 制御装置
L1, L2, L3, L4 Lens S Sample 1 Refractive index measuring device 2 Concentration measuring device 10 Light guide rod (first light guide member)
11 Incident end face (one end face)
12 Reflective end face (other end face)
15 Mirror 16 Aperture 17 Photodetector (Spectrum Measurement Unit)
18 Half mirror 20 Light guide rod (second light guide member)
21 emission end surface 22 reflection end surface 25 light source 27 photodetector 30 CPU (calculation unit, calculation unit)
31 Monitor 35 Wavelength tuning device (wavelength tuning unit)
38 Control device

Claims (9)

所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第1の導光部材および第2の導光部材と、
前記第1の導光部材に照明光を入射させることで、前記第2の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第1の導光部材と前記第2の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置。
A first light guide member and a second light guide member, which are arranged close to each other with a predetermined interval and reflect the illumination light incident from one end surface to the other end surface by internal reflection;
A photodetector for detecting the intensity of evanescent light entering the second light guide member by causing illumination light to enter the first light guide member;
Calculation for calculating the amount of change in the refractive index of the sample disposed between the first light guide member and the second light guide member from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector. And a refractive index measuring device.
前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出する請求項1に記載の屈折率測定装置。
Figure 2013088138
ここで、
E:エバネッセント光の強度
θ:前記第1の導光部材内における照明光の試料への入射角
:前記第1の導光部材および前記第2の導光部材の屈折率
:前記試料の屈折率
λ:照明光の波長
z:前記第1の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω:角振動数
t:時間
A,σ:所定の定数
The refractive index measurement apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates the amount of change in the refractive index of the sample based on the following equation from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector.
Figure 2013088138
here,
E: Intensity of evanescent light θ 1 : Angle of incidence of illumination light on the sample in the first light guide member n 1 : Refractive index of the first light guide member and the second light guide member n 2 : Refractive index of the sample λ 0 : wavelength of illumination light z: distance from the interface between the first light guide member and the sample ω: angular frequency t: time A, σ: predetermined constant
前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出する請求項1または請求項2に記載の屈折率測定装置。   The calculation unit calculates the refractive index of the sample from a preset reference value of the refractive index of the sample and an amount of change in the intensity of the evanescent light detected by the photodetector. The refractive index measuring apparatus as described in 2. 前記第1の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、
前記入射角度調節部が、前記第1の導光部材内において全反射を起こすように前記第1の導光部材への照明光の入射角度を調節し、
前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出する請求項1または請求項2に記載の屈折率測定装置。
θc=arcsin(n/n
ここで、
θc:前記第1の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
:前記第1の導光部材および前記第2の導光部材の屈折率
:前記試料の屈折率
An incident angle adjusting unit that adjusts an incident angle of illumination light to the first light guide member;
The incident angle adjusting unit adjusts the incident angle of the illumination light to the first light guide member so as to cause total reflection in the first light guide member;
The refractive index measurement apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a refractive index of the sample based on the following expression.
θc = arcsin (n 2 / n 1 )
here,
θc: Angle of incidence on the sample causing total reflection in the first light guide member n 1 : Refractive index of the first light guide member and the second light guide member n 2 : Refractive index of the sample
前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射する請求項1から請求項4のいずれかに記載の屈折率測定装置。   The refractive index measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the other end surface totally reflects illumination light incident from the one end surface. 前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備える請求項1から請求項5のいずれかに記載の屈折率測定装置。   The refractive index measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a wavelength adjusting unit that adjusts a wavelength of illumination light incident on the one end surface. 請求項6に記載の屈折率測定装置と、
前記第1の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、
前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置。
Refractive index measuring device according to claim 6,
A spectrum measuring unit for measuring a wavelength spectrum of illumination light from the first light guide member;
A concentration measuring apparatus comprising: an arithmetic unit that calculates a change amount of the concentration of the sample by multivariate analysis from the wavelength spectrum measured by the spectrum measuring unit and the change amount of the refractive index of the sample calculated by the calculating unit. .
所定の間隔をあけて近接して配置された第1の導光部材および第2の導光部材のうち、前記第1の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、
前記導光ステップにより前記第2の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第1の導光部材と前記第2の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法。
Of the first light guide member and the second light guide member that are arranged close to each other with a predetermined interval, the light guide is introduced to one end surface of the first light guide member and guided to the other end surface. Light step,
A light detection step of detecting the intensity of evanescent light generated in the second light guide member by the light guide step;
Calculation for calculating the amount of change in the refractive index of the sample disposed between the first light guide member and the second light guide member from the amount of change in the intensity of the evanescent light detected in the light detection step. And a refractive index measurement method.
請求項8に記載の屈折率測定方法と、
前記第1の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法。
Refractive index measurement method according to claim 8,
A spectrum measuring step for measuring a wavelength spectrum of illumination light from the first light guide member;
A concentration measurement method comprising: calculating a change amount of the concentration of the sample by multivariate analysis from the wavelength spectrum measured by the spectrum measurement step and the change amount of the refractive index of the sample calculated by the calculation step. .
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