JP2804073B2 - 物質の屈折率を測定する装置及び方法 - Google Patents
物質の屈折率を測定する装置及び方法Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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- G—PHYSICS
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 本発明は物質の屈折率ｎを測定する方法およびこの方
法を実施する装置に関する。
法を実施する装置に関する。
従来の技術： 物質の屈折率ｎを測定する光学器械は屈折計の名称で
古くから公知である。この古典的光学装置の場合、屈折
率の測定はとくに屈折率既知の測定プリズムを使用して
全反射の臨界角を測定することによつて行われる。
古くから公知である。この古典的光学装置の場合、屈折
率の測定はとくに屈折率既知の測定プリズムを使用して
全反射の臨界角を測定することによつて行われる。
屈折率測定を干渉計法で行ういわゆる干渉屈折計も公
知である。測定値の検出は公知装置の場合肉眼で、また
は高価な電子装置を介しても行われる。
知である。測定値の検出は公知装置の場合肉眼で、また
は高価な電子装置を介しても行われる。
これらのすべての公知装置は高価な個々の光学要素か
らなり、大きい場所を必要とする。光学およびフアイン
メカニツク成分を製造する際の所要最高精度ならびに自
動装置内の電子的評価装置は高い装置価格を前提とす
る。
らなり、大きい場所を必要とする。光学およびフアイン
メカニツク成分を製造する際の所要最高精度ならびに自
動装置内の電子的評価装置は高い装置価格を前提とす
る。
その結果業界には非常に小さい取扱いが簡単で安価な
装置に対する要望が発生した。
装置に対する要望が発生した。
光学器械を微小化する興味ある要望な方法をStewart
E.Millerがすでに1969年に開示している（The Bell Sys
tem Technical Journal Vol.48,1969年No.7,2059/2069
ページ参照）。しかし集積−光素子の構成および使用に
対してなされたその提案は技術的理由から実現されなか
つた。
E.Millerがすでに1969年に開示している（The Bell Sys
tem Technical Journal Vol.48,1969年No.7,2059/2069
ページ参照）。しかし集積−光素子の構成および使用に
対してなされたその提案は技術的理由から実現されなか
つた。
最近数年の材料分野の強力な技術的開発およびマスク
技術によつて集積−光素子の実現に著しい進歩を達成す
ることができた。イオン拡散、イオン注入または有機も
しくは金属−有機層の被覆によつて適当な形成の導波路
を積層しうるガラス、結晶物質または透明プラスチツク
からなる適当な基板材料が開発された。
技術によつて集積−光素子の実現に著しい進歩を達成す
ることができた。イオン拡散、イオン注入または有機も
しくは金属−有機層の被覆によつて適当な形成の導波路
を積層しうるガラス、結晶物質または透明プラスチツク
からなる適当な基板材料が開発された。
続いて伝送系で変調、スイツチングおよびチヤネル間
の結合、分岐等のような目的を引受ける集積−光素子が
開発された。センサとして集積−光素子を使用する物理
的値の測定装置も公知になつた。
の結合、分岐等のような目的を引受ける集積−光素子が
開発された。センサとして集積−光素子を使用する物理
的値の測定装置も公知になつた。
たとえば雑誌“SCHOTT−Information"No.3/1987,29ペ
ージの第３図には集積−光−水素センサが示される。東
独特許第249 772号明細書には干渉計構造として形成さ
れた集積−光−温度センサが記載され、その際２つの干
渉計アームを通る光線の間の位相差の温度に依存する変
化が温度測定に使用される。
ージの第３図には集積−光−水素センサが示される。東
独特許第249 772号明細書には干渉計構造として形成さ
れた集積−光−温度センサが記載され、その際２つの干
渉計アームを通る光線の間の位相差の温度に依存する変
化が温度測定に使用される。
発明が解決しようとする課題： 本発明の課題はとくに簡単に高精度の結果が得られ、
その実施に小さい安価な取扱いの簡単な装置しか必要と
しない、物質の屈折率ｎを測定する方法を得ることであ
る。
その実施に小さい安価な取扱いの簡単な装置しか必要と
しない、物質の屈折率ｎを測定する方法を得ることであ
る。
課題を解決するための手段： この課題は本発明による請求項１の特徴部に記載の手
段を有する方法によつて解決される。
段を有する方法によつて解決される。
作用： この方法はこの場合導波路を通る波は測定区間内すな
わち導波路が測定する物質と光学的に接触している区間
内で一部この物質内も通り、それによつて伝搬速度した
がつて導波路内の有効屈折率も変化するとの認識から出
発する。
わち導波路が測定する物質と光学的に接触している区間
内で一部この物質内も通り、それによつて伝搬速度した
がつて導波路内の有効屈折率も変化するとの認識から出
発する。
有効屈折率のこの変化により導波路を通る光の位相変
化が生じ、これは請求項２にそれば影響されなかつた光
の部分の位相に対する差として測定される。この測定は
とくに干渉計により行われる。
化が生じ、これは請求項２にそれば影響されなかつた光
の部分の位相に対する差として測定される。この測定は
とくに干渉計により行われる。
導波路内の有効屈折率の変化により測定区間を通る偏
光の偏光方向も測定物質の屈折率に応ずる変化を生ず
る。測定のためたとえば偏光方向の変化を再び基に戻す
信号を使用することができる。
光の偏光方向も測定物質の屈折率に応ずる変化を生ず
る。測定のためたとえば偏光方向の変化を再び基に戻す
信号を使用することができる。
請求項３〜６には請求項１又は２の装置を使用するこ
とによる方法が記載される。
とによる方法が記載される。
実施例： 次に本発明を図面により説明する。
図面の実施例では基板としてSCHOTT社がBGG21の名称
で製造しているガラスを使用し、その性質は前記文献す
なわち雑誌“SCHOTT−Information"3/1987の27ページに
記載される。この基板へストリツプ状の導波路が集積さ
れる。その製造のため基盤に公知プレーナー技術により
導波路の範囲だけ空所にしたマスクを製造する。このよ
うに前処理した基板を数時間にわたつて約410℃のCsNO3
/CsClからなる高温の塩溶液へ導入する。その際熱的イ
オン交換が行われ、Cs+イオンが基板へ入り、K+イオン
が基板から外へ移動する。このようにして屈折率nsを有
する基板に表面に対し垂直に測つた屈折率プロフイルが
たとえば第２図に示す形を有する導波路が製造される。
この曲線から屈折率は表面でns＋Δｎの値を有し、この
値は拡散深さによつて与えられる導波路の反対側界面で
再びnsの値まで減少することが明らかである。導波路内
の波長λ０の光のモードに対してこの導波路は光波挙に
対応する一定の屈折率neffを有する。この値はns＜neff
＜ns＋Δｎを充足する。
で製造しているガラスを使用し、その性質は前記文献す
なわち雑誌“SCHOTT−Information"3/1987の27ページに
記載される。この基板へストリツプ状の導波路が集積さ
れる。その製造のため基盤に公知プレーナー技術により
導波路の範囲だけ空所にしたマスクを製造する。このよ
うに前処理した基板を数時間にわたつて約410℃のCsNO3
/CsClからなる高温の塩溶液へ導入する。その際熱的イ
オン交換が行われ、Cs+イオンが基板へ入り、K+イオン
が基板から外へ移動する。このようにして屈折率nsを有
する基板に表面に対し垂直に測つた屈折率プロフイルが
たとえば第２図に示す形を有する導波路が製造される。
この曲線から屈折率は表面でns＋Δｎの値を有し、この
値は拡散深さによつて与えられる導波路の反対側界面で
再びnsの値まで減少することが明らかである。導波路内
の波長λ０の光のモードに対してこの導波路は光波挙に
対応する一定の屈折率neffを有する。この値はns＜neff
＜ns＋Δｎを充足する。
イオン交換は単一モード導波路が発生するように行わ
れる。このような導波路は波長帯域400〜1600nmで0.1dB
/cmより小さい基礎減衰を有する；このような導波路の
拡散深さは約1.5〜10μｍの範囲にある。
れる。このような導波路は波長帯域400〜1600nmで0.1dB
/cmより小さい基礎減衰を有する；このような導波路の
拡散深さは約1.5〜10μｍの範囲にある。
第１図の実施例で１は集積−光素子を表わし、その構
造および作用は第３図に関連して詳説する。光入射側で
素子１へ単一モード光フアイバ３が接着され、これが単
色光源４から出る光を素子１へ導く。光源として図示の
実施例では波長λ０＝633nmが動作するレーザーが使用
される。
造および作用は第３図に関連して詳説する。光入射側で
素子１へ単一モード光フアイバ３が接着され、これが単
色光源４から出る光を素子１へ導く。光源として図示の
実施例では波長λ０＝633nmが動作するレーザーが使用
される。
集積−光素子１へ測定する物質が流れる貫流キユベツ
ト２が支持される。この物質は以下に示すように素子１
の導波路と一部光学的に接触し、その際フアイバ３を介
して入射結合した光の位相変化に作用する。集積−光素
子１の光射出側にもう１つの単一モード光フアイバ11が
接着され、これが測定物質によつて影響を受けた光を検
知器12に導く。もつとも簡単な場合測定物質10によつて
生じた光の位相変化は測定物質10が素子１の導波路と光
学的に接触させられるとただちに始まる強度変化の測定
によつて求められる。
ト２が支持される。この物質は以下に示すように素子１
の導波路と一部光学的に接触し、その際フアイバ３を介
して入射結合した光の位相変化に作用する。集積−光素
子１の光射出側にもう１つの単一モード光フアイバ11が
接着され、これが測定物質によつて影響を受けた光を検
知器12に導く。もつとも簡単な場合測定物質10によつて
生じた光の位相変化は測定物質10が素子１の導波路と光
学的に接触させられるとただちに始まる強度変化の測定
によつて求められる。
第１図の例で検知器12はたとえば信号の中の干渉最大
をカウントするカウントロジツク13に接続する。要素14
に蓄積した較正曲線との比較によつてカウントロジツク
13によつて検出した光の位相変化は屈折率のｎ値に換算
され、デイスプレイ15に表示される。
をカウントするカウントロジツク13に接続する。要素14
に蓄積した較正曲線との比較によつてカウントロジツク
13によつて検出した光の位相変化は屈折率のｎ値に換算
され、デイスプレイ15に表示される。
第３図は第１図に１で示す集積−光素子の斜視図であ
る。接着した単一モード光フアイバ３を介して光源４か
ら光が遅られる導波路が基板５と集積される。この光の
波長は使用した光フアイバと導波路が単一モードである
ように選択される。
る。接着した単一モード光フアイバ３を介して光源４か
ら光が遅られる導波路が基板５と集積される。この光の
波長は使用した光フアイバと導波路が単一モードである
ように選択される。
基板５と集積した導波路はマツハ−ツエンダー干渉計
構造の形を有する。この干渉計は２つのアーム６および
７に分岐し、光射出側で再び合流する。基板５へ屈折率
が基板５のそれ以下である材料からなるカバー層９が被
覆される。この層はたとえばｎ＝1.42のポリフツ化ビニ
リデンからなる。カバー層９は導波路のアーム６を長さ
Ｌの範囲にわたつて被覆しない。測定する物質10たとえ
ば液体は貫流キユベツト２により層９の上にもたらさ
れ、その際測定アーム６内で範囲16にわたつて導波路と
光学的に接触する。フアイバ３を介して送られた光波は
一部測定する物質10内も通る。それによつてアーム６内
の光の伝搬速度したがつてこの光の位相も影響される。
参照アーム７を通る光の位相は層の屈折率が基板５の屈
折率以下なので、ほとんど影響がない。アーム６および
７を介して導かれる２つの部分光は光射出側８で合流し
た後、干渉する。
構造の形を有する。この干渉計は２つのアーム６および
７に分岐し、光射出側で再び合流する。基板５へ屈折率
が基板５のそれ以下である材料からなるカバー層９が被
覆される。この層はたとえばｎ＝1.42のポリフツ化ビニ
リデンからなる。カバー層９は導波路のアーム６を長さ
Ｌの範囲にわたつて被覆しない。測定する物質10たとえ
ば液体は貫流キユベツト２により層９の上にもたらさ
れ、その際測定アーム６内で範囲16にわたつて導波路と
光学的に接触する。フアイバ３を介して送られた光波は
一部測定する物質10内も通る。それによつてアーム６内
の光の伝搬速度したがつてこの光の位相も影響される。
参照アーム７を通る光の位相は層の屈折率が基板５の屈
折率以下なので、ほとんど影響がない。アーム６および
７を介して導かれる２つの部分光は光射出側８で合流し
た後、干渉する。
測定アーム６と測定物質10の光学的接触により導波路
の有効屈折率neffは範囲Ｌにわたつて変化する。測定す
る媒体の屈折率nMと導波路の有効屈折率の間の関係は第
４図に互いに垂直に偏光したTMモードおよびTEモードに
対して示される。この図で縦軸は（neff−ns）・104の
値を示す。第４図の曲線は計算または測定によつて決定
することができる。曲線は検量または較正曲線として要
素14に蓄積される。
の有効屈折率neffは範囲Ｌにわたつて変化する。測定す
る媒体の屈折率nMと導波路の有効屈折率の間の関係は第
４図に互いに垂直に偏光したTMモードおよびTEモードに
対して示される。この図で縦軸は（neff−ns）・104の
値を示す。第４図の曲線は計算または測定によつて決定
することができる。曲線は検量または較正曲線として要
素14に蓄積される。
第４図の曲線から光導波路の有効屈折率neffと測定物
質の屈折率nMの間に一義的関係があることが認められ
る。図示の例で良好に利用しうるnM値の測定範囲は約1.
2〜1.46である。
質の屈折率nMの間に一義的関係があることが認められ
る。図示の例で良好に利用しうるnM値の測定範囲は約1.
2〜1.46である。
測定アーム６の領域内の有効屈折率neffの変化により
このアームを通る光源の接触長さＬに比例する位相のず
れが生ずる。測定アーム６内の光源の位相を参照アーム
７内の位相と比較すれば得られた位相差Δは式： により求める屈折率nMの尺度である。ここにΔneffは集
積−光素子の両方のアーム６および７の有効屈折率の差
である。
このアームを通る光源の接触長さＬに比例する位相のず
れが生ずる。測定アーム６内の光源の位相を参照アーム
７内の位相と比較すれば得られた位相差Δは式： により求める屈折率nMの尺度である。ここにΔneffは集
積−光素子の両方のアーム６および７の有効屈折率の差
である。
位相差Δにより第１および３図の実施例ではアーム
６および７を通る光波の干渉が生ずる。干渉信号は光フ
アイバ11を介して検知器12に送られ、エレクトロニツク
ユニツト13および14を介してnM信号に変換され、デイス
プレイ15に表示される。
６および７を通る光波の干渉が生ずる。干渉信号は光フ
アイバ11を介して検知器12に送られ、エレクトロニツク
ユニツト13および14を介してnM信号に変換され、デイス
プレイ15に表示される。
第３図の実施例で接触範囲の長さは1cmである。集積
−光素子１の２つのアーム６および７の間の横方向距離
は1mmのけたである。これは局部的温度効果が求めら
れ、横方向感度が無視しうるほど小さいので有利であ
る。
−光素子１の２つのアーム６および７の間の横方向距離
は1mmのけたである。これは局部的温度効果が求めら
れ、横方向感度が無視しうるほど小さいので有利であ
る。
第１図による集積−屈折率センサは有効に製糖工業で
砂糖濃度の測定に使用される。石油化学にはこの屈折率
センサが防爆の問題を生じないのでとくに有利に使用さ
れる。
砂糖濃度の測定に使用される。石油化学にはこの屈折率
センサが防爆の問題を生じないのでとくに有利に使用さ
れる。
実施例に関連して基板材料としてガラスが記載され
た。しかし使用範囲に応じて結晶物質たとえばLiNbO3,L
iTaO3,GaAs,InPおよび（または）これらの混合化合物の
ような他の基板材料も考えられる。透明プラスチツクも
基板材料として使用できる。すべての基板材料は作業波
長で減衰が小さい導波路構造の公知法による製造が可能
でなければならない。適当な基板材料の選択は他の観点
とともに屈折率nsがセンサのそれぞれの屈折率測定範囲
より少ししか高くないという要求も考慮して行われる。
た。しかし使用範囲に応じて結晶物質たとえばLiNbO3,L
iTaO3,GaAs,InPおよび（または）これらの混合化合物の
ような他の基板材料も考えられる。透明プラスチツクも
基板材料として使用できる。すべての基板材料は作業波
長で減衰が小さい導波路構造の公知法による製造が可能
でなければならない。適当な基板材料の選択は他の観点
とともに屈折率nsがセンサのそれぞれの屈折率測定範囲
より少ししか高くないという要求も考慮して行われる。
有機化学では測定する物質の屈折率nMは約1.2〜1.5で
ある。この測定範囲に対しても前記例により適当な基板
材料を求めることができる。
ある。この測定範囲に対しても前記例により適当な基板
材料を求めることができる。
測定法および測定装置は使用材料とは無関係に不変化
に留まる。
に留まる。
第１および３図の実施例では集積−光素子１は干渉計
の形に変形される。位相差Δの測定を可能にする他の
実施態様も考えられる。
の形に変形される。位相差Δの測定を可能にする他の
実施態様も考えられる。
他の原理で動作するもう１つの実施例が第５図に示さ
れる。この場合光源の偏光方向の変化が測定に利用され
る。単色光源20から発する光は偏光子21を通過し、光フ
アイバ22を介して集積−光素子23へ送られる。この素子
は光入射側に平行する２つの直線アームに分岐した光導
波路を含む。このアームの１つは第３図の場合と同様測
定物質10が長さＬにわたつて光導波路と直接光学的に接
触するように形成される。この場合光源の偏光面は回転
される。このアームを通る光は光フアイバ24によつて検
光子25を介して検知器26に送られる。素子23の他のアー
ム内で影響を受けなかつた光は光フアイバ27を介して同
様検知器26に達する。この検知器は偏光面の回転を測定
し、要素28を介して偏光面の回転が正確に打消されるま
で検光子25を回転する信号を発する。この信号はデイス
プレイ29に表示される。
れる。この場合光源の偏光方向の変化が測定に利用され
る。単色光源20から発する光は偏光子21を通過し、光フ
アイバ22を介して集積−光素子23へ送られる。この素子
は光入射側に平行する２つの直線アームに分岐した光導
波路を含む。このアームの１つは第３図の場合と同様測
定物質10が長さＬにわたつて光導波路と直接光学的に接
触するように形成される。この場合光源の偏光面は回転
される。このアームを通る光は光フアイバ24によつて検
光子25を介して検知器26に送られる。素子23の他のアー
ム内で影響を受けなかつた光は光フアイバ27を介して同
様検知器26に達する。この検知器は偏光面の回転を測定
し、要素28を介して偏光面の回転が正確に打消されるま
で検光子25を回転する信号を発する。この信号はデイス
プレイ29に表示される。
第１図は本発明の装置のブロツク図、第２図は熱的イオ
ン交換によつて製造した導波路断面の屈折率変化を示す
図、第３図は第１図にセンサとして使用した集積−光素
子の斜視図、第４図は第１図装置により物質の屈折率を
求める際使用する較正曲線、第５図は偏光方向の変化を
測定して屈折率を測定する装置のブロツク図である。 1,23……集積−光素子、２……貫流キユベツト、3,11,2
2,24……光フアイバ、4,20……光源、５……基板、6,7
……アーム、９……カバー層、10……測定物質、12……
検知器、15……デイスプレイ、16……接触区間
ン交換によつて製造した導波路断面の屈折率変化を示す
図、第３図は第１図にセンサとして使用した集積−光素
子の斜視図、第４図は第１図装置により物質の屈折率を
求める際使用する較正曲線、第５図は偏光方向の変化を
測定して屈折率を測定する装置のブロツク図である。 1,23……集積−光素子、２……貫流キユベツト、3,11,2
2,24……光フアイバ、4,20……光源、５……基板、6,7
……アーム、９……カバー層、10……測定物質、12……
検知器、15……デイスプレイ、16……接触区間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イエルク・バウムガルト ドイツ連邦共和国ヴアークホイゼル・ハ イデルベルガー シユトラーセ １ (72)発明者 ヘルムート・エステ ドイツ連邦共和国ドルトムント15・イ ム・オーデムスロー 117 (72)発明者 ハー・ヨツト・グツトマン ドイツ連邦共和国ヴイースバーデン・ヘ ス‐シユトラーセ ２ (72)発明者 カリトス・エフスタチオウ ドイツ連邦共和国リユツセルスハイム・ エンゲルハルト シユトラーセ 15アー (72)発明者 ヘルガ・ゲツツ ドイツ連邦共和国ビンゲン‐ビユデシ ユ・ヴイルヘルム シユトラーセ 33 (72)発明者 ユルゲン・クルーゲ ドイツ連邦共和国ドツセンハイム・コン ラート―アデナウアー 23エイ (56)参考文献 特開 昭62−75231（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−209144（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−28641（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−502726（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／7756（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61
Claims (6)
- 【請求項１】物質の屈折率を測定する装置において、単
色光光源（４）、光入射側で２つのアーム（６、７）に
分岐しかつ光射出側で再び合流する、基板（５）に組み
込まれた２つの単一モード光導波路（６、７）を有し、
および光射出側に光の検知装置（12〜15）を有し、片方
の光導波路（６）中に測定物質（10）が光導波路（６）
と光学的に接触する測定区間を有することを特徴とする
物質の屈折率を測定する装置。 - 【請求項２】基板（５）がガラスである請求項１記載の
装置。 - 【請求項３】請求項１記載の装置を使用する物質の屈折
率を測定する方法において、単色光を基板（５）に組み
込まれた単一モード光導波路（６、７）に送り、片方の
光導波路（６）を測定物質と光学的に接触させ、光導波
路の有効屈折率の変化を介して屈折率を求めることを特
徴とする物質の屈折率を測定する方法。 - 【請求項４】測定区間内で測定物質により影響を受けた
光と測定物質と接触しない他の光導波路を通過した光の
間の位相差を測定に利用する請求項３記載の方法。 - 【請求項５】測定を干渉計により実施する請求項４記載
の方法。 - 【請求項６】光源からくる偏光が測定区間内で受ける偏
光方向の変化を測定に利用する請求項３記載の方法。
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| FR2638847B1 (fr) * | 1988-11-04 | 1990-12-14 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif optique integre pour la mesure d'indice de refraction d'un fluide |
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| SE501108C2 (sv) * | 1993-04-08 | 1994-11-14 | Pharmacia Lkb Biotech | Sätt och anordning för bestämning av brytningsindex |
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| JPH026832A (ja) * | 1988-06-24 | 1990-01-11 | Daikin Ind Ltd | 多孔質ポリテトラフルオロエチレン中空糸及びその製法 |
-
1988
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-
1989
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- 1989-04-22 DE DE89107318T patent/DE58905731D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-04-27 JP JP1106124A patent/JP2804073B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1989-05-02 US US07/346,523 patent/US4950074A/en not_active Expired - Lifetime
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