JP3330947B2

JP3330947B2 - 全反射型屈折率センサ

Info

Publication number: JP3330947B2
Application number: JP52296594A
Authority: JP
Inventors: 秀一大久保; 靖長澤; 一成納屋
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: US5565978A; WO1994024543A1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、全反射型屈折率センサに関するものであ
り、特には単数乃至複数の光ファイバを使用しそして基
板上にクラッド／コア／クラッドなる導波構造の導波層
を具備するコンパクトで且つ高精度の全反射型屈折率セ
ンサに関する。

背景技術物質の同定、溶液濃度の測定、液体混合物濃度の測
定、特定の物質への汚染物質濃度の測定、溶液中の析出
物乃至沈殿物の発生の監視、液体中での反応状態の監
視、重合反応の程度の監視などを含め、工業上屈折率の
測定を必要とすることが多い。一例を挙げると、石油工
業において目的とする石油製品中への他の成分の混入濃
度を調べるため、例えばオクタンの製造に際して混入す
る可能性のあるブタンの濃度を調べるために屈折率が製
造現場で測定されている。オクタンの屈折率は1.39であ
り、そしてブタンの屈折率はそれより若干低い1.34であ
る。ブタンがオクタン中に混入すると純粋なオクタンの
みの場合に比較して屈折率がその混合率に応じて下がる
ので、屈折率の測定からブタンの混入率を知ることがで
きる。この他にも、飲料食品では原液（シロップ）と水
とのミキシングコントロール、ポリマーの重合工程コン
トロールにプロセス屈折計が使用されている。薬品、香
料、油脂、醸造品、界面活性剤等の分野でも屈折計が用
いられている。

屈折率の測定には幾種かの屈折計が知られている。ア
ッベの屈折計は２個の直角プリズムの向かい合う斜面の
間に測定せんとする液体を挟み、0.1mm程度の液体層を
形成し、臨界角に相当する出射角を測定するものであ
る。しかし、このアッベ屈折計は透過型であるので、濃
着色試料に対しては使用できず、また試料の屈折計への
注入を必要とし、実際の製造現場での連続的な監視目的
の使用に実用的でない。

こうした透過型屈折計に代わる全反射型屈折計とし
て、例えば米国エレクトロマシーン社から潤滑油等を対
象としてSSR−72の型名での屈折濃度計が販売されてい
る。これは、光源からの光を集光レンズを通して平行光
とし、うず巻き状スリットになったスキャナのモータに
よる回転により集光レンズ上を走査し、測定せんとする
流体との接触面を有するバルクプリズムに光を入射し、
反射光を検出部で測定するものである。即ち、臨界角よ
り小さい角度で入射した光は測定溶液中に屈折するが、
臨界角より大きい角度で入射した光はプリズム面で全反
射して検出部の方へ差し向けられる現象を利用したもの
である。

また、ATAGO社からプロセス屈折計PRMシリーズとして
バルクプリズムを利用した屈折計が販売されている。そ
のカタログNo.3621、3670から検出部ブロックダイヤグ
ラムを転載したのが第12図である。ここでは、検出部は
プロセスラインの一部に設置され、配管内を流れる内容
液の屈折率を検出する。タングステンランプ或いはハロ
ゲンランプのような光源30から放出された光はバルクプ
リズム32に入射される。バルクプリズムは台形であり、
光は一側辺で反射されサンプル液と接触する検出面33で
透過するか或いは全反射し、全反射した場合には、反射
光はレンズを通して受光器34を通して電気回路36に出力
される。電気回路には、サーミスタ40、42、湿度センサ
ー44並びに電源回路46が接続され、屈折率出力、温度出
力、各種アラーム出力を出力しうるようになっている。

しかし、上記SSR−72型屈折濃度計は、光源、モータ
−駆動ビームスキャン機構、集光レンズ、バルクプリズ
ム、ディテクタなどを必要とし、装置の小型化ができ
ず、現場での使用に不便であり、また熱容量が大きい。
更には、可動部分があるので装置の操作及びメンテナン
スに配慮を要する。ATAGO社のプロセス屈折計はやはり
ランプ光源及びバルクプリズムを使用し、装置の小型化
をなし得ない。バルクプリズムを使用する場合、熱容量
が大きく、熱的に安定するまでに時間がかかり、測定時
間が長くなる。バルクプリズムでは、光が広がり、検出
が困難となる。光源としてランプ光源を用いる場合に
は、視差が生じ、検出端（境界）がぼけ、測定精度が低
下する。

本発明の目的は、バルクプリズムやランプ光源を必要
としない小型の全反射型高性能屈折率センサを開発する
ことである。

発明の開示本発明者らは、シングルモード光ファイバからの出射
光が約６〜８度で広がる固有の現象に着目し、これを基
板上にクラッド／コア／クラッドなる導波構造の導波層
と組合せて全反射型屈折率センサを作製することを想到
し、試作の結果、良好な動作精農を確認した。複数の入
射角を有する光ファイバを組み合わせることで測定精度
を落とさず屈折率の測定範囲を幅広くとれることをも確
認した。

本発明は、基板上にクラッド／コア／クラッドなる導
波構造の導波層を具備し、該導波層に光を入射する単一
の光ファイバ若しくは入射角を異にするが全体として連
続した入射角範囲を構成する複数の光ファイバと、前記
光ファイバに接続された前記導波層の一端面の光入射面
と、該光ファイバからの広がり角度を有する入射光を全
反射／透過しそして被検体液との接触面を前記導波層の
他の端面に構成する検出面と、該検出面からの反射光を
出力しそして光検出手段と前記導波層の更に他の端面で
接続された光出射面とを備え、前記被検体の屈折率を相
当する検出面からの全反射光の存在により検出すること
を特徴とする全反射型屈折率センサを提供する。

本発明の全反射型屈折率センサは、（１）光入射面か
らの入射光が検出面に直接入射し、該検出面において全
反射／透過し、該検出面からの反射光が出射面に至る１
回反射型構造或いは（２）光入射面からの入射光が検出
面に入射するまでに１回以上全反射された後該検出面に
入射し、該検出面において全反射／透過し、該検出面か
らの反射光がそのまま或いは１回以上全反射された後出
射面に至る複数回反射型構造として具現することがで
き、特に複数回反射型の一例として（３）光入射面と光
出面とが検出面と平行な同一面の光入射／出射面として
構成され、該光入射／出射位置の光入射位置からの入射
光が一側辺で全反射された後検出面に入射し、該検出面
において全反射／透過し、該検出面からの反射光が一側
辺において全反射された後前記光入射／出射面の光出射
位置に至る３回反射型構造を挙げることができる。

更には、（イ）光ファイバからの広がり角度を光ファ
イバの端面形状を加工することにより調整することがで
き、（ロ）導波層レンズを光入射面に隣り合って或いは
導波層内部或いは光出射面近くに設けることができ或い
は（ハ）検出面を凹状加工或いは凸状加工することによ
り屈折率範囲を調整することができる。光検出器として
は、CCD光センサ又はCCD光センサアレイの使用が好まし
い。光検出手段が直線補間法、多次曲線補間法或いはフ
ィッティング法を用いて明暗境界を判別する計測・演算
部を有することが推奨される。

図面の簡単な説明第１図は、本発明の一具体例である、単一の光ファイ
バを使用する１回反射構造の全反射型光センサの主要部
の斜視図である。

第２図は、第１図の単一の光ファイバを使用する１回
反射構造の全反射型光センサ具体例の動作原理を示す説
明図であり、（ａ）は第１図のコアガラス導波層を示し
そして（ｂ）はCCD光センサ出射位置と屈折率の関係を
示すグラフである。

第３図は、本発明に従う３回反射型の全反射型光セン
サの具体例の別のコアガラス導波層の具体例の上面図で
ある。

第４図は、３回反射型のセンサー試作例により1:メタ
ノール、2:メタノール＋エタノール、3:エタノール、4:
エタノール＋イソプロパノール、５イソプロパノールの
屈折率の測定における理論値と実測値とを示すグラフで
ある。

第５図は、複数本の光ファイバを使用する本発明の１
回型反射型センサの場合の模式図であり、（ａ）には、
各光ファイバからの出射光の光軸の交点を導波層の出射
面上の１点においた場合、（ｂ）には、各光ファイバか
らの出射光の光軸の交点を導波層の検出面上の１点にお
いた場合、そして（ｃ）には、光ファイバの広がり角を
広げ一本の光ファイバで前記（ａ）及び（ｂ）と同じ入
射角範囲を持たせたときの模式図を示す。

第６図は、複数の光ファイバを使用する本発明の３回
型反射型センサの具体例の模式図であり、（ａ）は、各
光ファイバからの出射光の光軸の交点を導波層の検出面
上の１点においた場合、（ｂ）は、光ファイバの広がり
角を広げ一本の光ファイバで前記（ａ）と同じ入射角範
囲を持たせたときの模式図を示す。

第７図は、参照波形として空気面の反射光量を測定し
そして試料としてｎ−C₁₃H₂₈をセルに入れて反射光量を
測定した場合の明暗境界位置部分の詳細を示すグラフで
ある。

第８図は、参照光と測定光とに対する交点の求め方を
示す説明図であり、（ａ）は交点近傍の各ピクセルの出
力値を例示し、（ｂ）は直線補間法、（ｃ）は多次曲線
補間法そして（ｄ）はフィッティング法を示す。

第９図は半平面のフレネル回折像の強度分布曲線を示
す。

第10図は、本発明の屈折率センサの使用例を示し、
（ａ）はその取り付けの詳細を示しそして（ｂ）は測定
位置と洗浄位置とを示す。

第11図は、第３図の３回反射型構造のセンサをプロセ
ス連続測定用に金属外筒に埋め込んだプローブを示し、
（ａ）はそのプローブ構造を示し、（ｂ）はそのセンサ
ヘッド前端を示しそして（ｃ）は計測・演算・コントロ
ール部を示す。

第12図は、ATAGO社からプロセス屈折計PRMシリーズと
して販売されているバルクプリズムを利用した屈折計の
カタログNo.3621、3670からの検出部ブロックダイヤグ
ラムである。

発明を実施するための最良の形態全反射型屈折率センサの動作原理は、屈折率の異なる
媒質１（屈折率n₁）から媒質２（屈折率n₂）へとその境
界面に入射した光線はいわゆるスネル（Snell）の法則
に従って屈折するが、sinθ_ｃ＝n₂/n₁で定まる臨界角θ
_ｃ（度）より大きな角度で入射した光は完全に反射され
るという原理に基づくものである。光入射面に接続され
たシングルモード光ファイバからの出射光は固有の広が
り（±Δ）（度）を有しており、その広がりを保ったま
ま導波層を通って被検体と接触する検出面に中心入射角
α度を中心とした或る広がり（α±Δ）（度）を持って
到達する。従って、被検体の臨界角θ_ｃが（α±Δ）の
間にあれば、被検体の臨界角θ_ｃを境にその反射条件が
異なることから、光出射面における光の強度を例えばCC
D光センサのような光検出器で測定して明暗境界位置を
判別することにより被検体の屈折率を測定することが可
能となる。明暗境界とは全反射部分とそうでない透過・
反射部分との境である。中心入射角αを測定しようとす
る被検体の臨界角θ_ｃ乃至その近傍になるよう適当に選
んでやれば、臨界角θ_ｃに相当する臨界屈折率を中心と
する所望の屈折率範囲を計測することができる。基板上
のクラッド／コア／クラッドなる導波構造の導波層と光
ファイバとレーザ光源の組合せにより屈折率センサを非
常に小型の高精度のものとすることができる。短時間で
熱的に安定するので、測定時間が短くてすむ。導波層の
厚さをシングルモードの条件に設定することにより光の
強度をコア内に閉じ込めることができ、反射光を検出し
易くなる。コア層の屈折率を変更したものを作製するこ
とが容易であり、様々の屈折率の被測定物の測定に対応
することができる。光源としてレーザ光を用いることに
より検出端のぼけの大きさを小さくできることに加え、
明暗境界の精密な判別を通して測定精度を向上すること
ができる。また、複数の光ファイバを導波層の入射側に
取付け、それぞれの光ファイバに個別に測定範囲を持た
せ、それを重ねあわせることにより、測定精度の低下な
く測定範囲を広げることができる。

第１図は、本発明に従う全反射型光センサの一具体例
の主要部の斜視図である。全反射型光センサは、基板上
にクラッド／コア／クラッドなる導波構造の導波層を形
成するように基板１上にクラッドガラス２、コアガラス
３及びクラッドガラス４を成膜し、更に接着剤５を介し
て基板６を貼り付けた成膜構造体である。下部基板１及
び上部基板６は代表的にはSi製である。下部基板１上
に、光ファイバで一般に使用されるガラス材料から成る
ガラス部分２、３及び４がCVD、スパッタリング等の慣
用の成膜技術により成膜される。クラッドガラス２及び
４は例えばSiO₂製でありそしてコアガラス３は例えばSi
O₂＋GeO₂製とされる。接着剤としては例えばエポキシ樹
脂が使用されうる。この成膜構造体は、クラッド／コア
／クラッドガラス部分２、３及び４により形成される導
波層に光を入射するための光入射面７と、入射光を反射
／透過しそして被検体との接触面を構成する検出面（図
面の背後の面）８と、反射光を出力する光出射面９とを
備えている。検出面８が被検体と接触せしめられる。光
入射面７は光ファイバ10を挿通した光ファイバアレイ11
と接続される。光ファイバは例えばGaAs−AlGaAsのよう
な半導体レーザ、He−Neレーザのような光源に接続され
る。光出射面９には例えばCCD光センサを用いる光検出
手段（第１図では省略）が接続される。光検出手段に
は、検出した光の明暗境界を一層正確に判別するために
計測・演算部（第１図では省略）を設置することが好ま
しい。この具体例は光ファイバからの入射光が検出面で
反射されて光出射面に到達するから１回反射型屈折率セ
ンサと呼ばれる。

第２図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の全反射型光セン
サの第１図の具体例の動作原理を示す説明図であり、第
２図（ａ）は第１図のコアガラス導波層を示す。シング
ルモード光ファイバ10からの光は光ファイバアレイ11を
通して光入射面７の光入射位置7'に入る。光ファイバか
らの出射光は約６〜８度自然に広がるから、そこから約
６〜８度の広がり±Δを保って導波層を通って被検体Ｍ
と接触する検出面８に中心入射角αを中心とした或る広
がり（α±Δ）を持って到達する。その到達点の中央を
Ｂそして両端をＡ及びＣとして示す。光が検出面から全
反射されたとすると、点Ａ、Ｂ及びＣからの光は光出射
面９にそれぞれ光出射位置9'としての点Ｄ、Ｅ、Ｆにお
いて到達する。CCD光センサアレイのような光検出器12
が点Ｄ〜Ｅ〜Ｆ間の出射光を検出する。出射光の明暗境
界を正確に判別するために信号線13が計測・制御部14に
接続される。これら光検出器12、信号線13及び計測・演
算部14が光検出手段15を構成する。

例えば、このセンサを使用して、例えばオクタンの製
造に関して混入する可能性のあるブタンの濃度を調べる
目的で、ブタン（屈折率:1.34）−オクタン（屈折率:1.
39）混合液のブタン混合限界濃度の測定・監視を行う場
合には、1.320〜1.395の屈折率測定範囲を確保するべ
く、Ａ点の入射角を65度（臨界屈折率:1.320）、Ｂ点の
入射角を69度（臨界屈折率:1.365）そしてＣ点の入射角
を73度（臨界屈折率:1.395）と設定する。クラッド層の
厚さは約20μｍ、コア層の厚さは約８μｍであり、光フ
ァイバからの出射光光路長は39mmである。光源としては
632.8nmのHe−Neレーザが用いられる。光広がり角は８
度でありそして導波層屈折率は1.458である。第２図
（ｂ）はCCD光センサ出射位置と全反射条件を示すグラ
フである。ここでは、屈折率1.365を中心として1.320〜
1.395の範囲の屈折率を検出することができるから、オ
クタン中にブタンの混入が進行し、混合液の屈折率が下
がると、全反射条件が次第にCCD光センサ出射位置のＤ
側へ移動することを示している。例えば、屈折率が1.38
5になったことをＧ点において検出した時点で、ブタン
のそれ以上の混入を防止するべくオクタンの製造プロセ
スを管理する適宜の対策がとられる。

第３図は、第１及び２図の１回反射型屈折率センサの
具体例とは異なり、複数回反射型の一例として３回反射
型の本発明屈折率センサのコアガラス導波層の具体例を
示す。参照番号は第２図と同じ部分には同じ番号を付し
てある。この場合は、光入射面と光出射面とを検出面と
平行な同一の光入射／出射面７、９とすることができ
る。シングルモード光ファイバ10からの光は光ファイバ
アレイ11を通して光入射／出射面７、９の光入射位置7'
に入る。光ファイバからの出射光は約６〜８度自然に広
がるから、そこから約６〜８度の広がりを保って導波層
をほぼ垂直に通って対面する側辺に点P₁、P₂、P₃におい
て到達し、そこから全反射されて被検体Ｍと接触する検
出面８にP₄、P₅、P₆において入射角αを中心とした或る
広がり（α±Δ）を持って到達する。検出面から、光は
全反射されたとすると、隣り合う側辺でP₇、P₈、P₉に達
し、全反射され、光は光入射／出射面７、９にそれぞれ
出射位置9'としての点Ｄ、Ｅ、Ｆにおいて到達する。先
の具体例と同じく、CCD光センサアレイのような光検出
器12が点Ｄ〜Ｅ〜Ｆ間の出射光を検出する。信号線13が
計測・演算部14に接続される。光検出器12、信号線13及
び計測・演算部14が光検出手段15を構成する。

その作製例を示すと、導波層のクラッドとコアは、ク
ラッド層：厚さ20μｍのSiO₂（屈折率:1.458）そしてコ
ア層：厚さ６μｍのSiO₂・GeO₂（屈折率:1.465）として
作成し、これを厚さ1mmのシリコン基板上にCVD法により
成膜した。その上に、熱硬化型のプラスチック接着剤を
塗布して厚さ1mmのシリコン基板を接着し、約125℃にて
加熱することにより硬化させた。これをダイシングマシ
ーンにより切断し、光入射／出射面及び検出面を光学研
磨した。光入射／出射面と検出面との垂直距離は15mmと
した。入射光広がり角＝６度そして中心光入射角＝67.5
度として、被検体と接触しないときの出射位置Ｄ〜Ｅ〜
Ｆ幅は約6mmとなった。測定可能な屈折率範囲は1.32〜
1.38であった。

３回反射型とするメリットして、以下の点が挙げられ
る：（１）光を検出面で折り返す構造なので、１回反射型と
同程度のセンサヘッドの大きさでも、光路長を２倍程度
にできる。それ故に、CCD光センサアレイへの光の出射
幅が広がるので、測定の分解能が向上する。

（２）光が光入射面を垂直に入射しそして光出射面から
垂直に出射する構造なので、入射面と出射面とを同一面
とすることができ、入射光ファイバ及び光ファイバアレ
イとCCD光センサアレイとを検出面とは離して同一側に
設けることができるので、全体としてコンパクトな構造
となり、プロセス連続測定に適合する。入力・出力部と
検出部とを離せることはシステム設計に便宜である。

（３）検出面の温度制御を行う場合、入射光ファイバ及
び光ファイバアレイとCCD光センサアレイとが検出面の
反対側にある３回反射型の方が制御を容易に行える。

この３回反射型センサによる測定結果例を第４図に示
す。光源はGaAs−AlGaASレーザ（波長0.85μｍ）であ
る。被測定物は、メタノール、メタノール＋エタノー
ル、エタノール、エタノール＋イソプロパノール、イソ
プロパノールの５種である。理論値は光路計算より求め
た値でありそして実測値は文献にあるそれぞれの液体の
屈折率とこのセンサで得られた出射光幅とを対応づけた
ものである。グラフからわかるように、理論値（実線）
と実測値（・）とはよく一致している。センサの使用温
度範囲も室温から80℃までと広く、応答性良く測定でき
た。センサの温度は本体側面に固着した熱電対により測
温した。

上記の３回反射型センサでは、光入射面からの入射光
は検出面に入射する前後で１回ずつ全反射されている
が、検出面に入射する前に２回全反射させてから検出面
に入射させ、検出面からの反射光をそのまま出射面に至
らしめるような複数回反射型センサのバリエーションも
可能である。

本発明はシングルモード光ファイバの出射光の広がり
角度を利用するものであるが、広がり角度は、例えば光
ファイバの端面形状を半球レンズ状や先球テーパ状に溶
融加工やエッチングによって加工することにより変更す
ることができるし、また光ファイバ型レンズ／セルフォ
ックレンズ等の導波層レンズを光入射面に隣り合って或
いは導波層内部或いは光出射面近くに設けることによっ
て広い範囲で調節することができる。更に、検出面を凹
状加工することにより屈折率範囲を広げることができる
し、或いは凸状加工することにより屈折率範囲を狭める
こともできる。

測定範囲を広げるには、上記の通り、（１）光ファイバの端面形状を加工し、光ファイバの広
がり角を大きくすること、（２）光ファイバと光入射面との間に、導波層レンズを
入れ光ファイバの広がり角を大きくすること、（３）検出面を凹状加工すること等の手段が考えられる。しかし、（１）、（２）のよう
に光ファイバの出射光の広がり角（±Δ）を大きくする
と、出射光の幅が広がり、検出面の長さ及び光検出手段
の長さも大きくしなければならずセンサが小型でなくな
ってしまう。（３）では、検出面における出射光の幅は
ほぼ従来と同様となり検出面の長さを長くする必要はな
いが、幅広い入射角を有する出射光が従来の入射角の出
射光と同様な出射光の幅で反射してくることから従来の
ものと比較して精度が落ちる欠点がある。

そこで、本発明のまた別の具体例においては、第５図
及び第６図に示すように、検出面に対して異なる入射角
を持つように２〜５本といった複数の光ファイバ、例え
ば３本の光ファイバ10a、10b及び10cを光ファイバアレ
イ11を通して入射面７に取りつけることができる。複数
の光ファイバを導波層の入射側に取付け、それぞれの光
ファイバに個別に測定範囲を持たせ、それを重ねあわせ
ることにより、測定精度の低下なく測定範囲を広げるこ
とができる。例えば、出射光の測定可能範囲の広がりが
各４度の３本の光ファイバを検出面に対して65度、69
度、73度の入射角を持つように設定すると、63度〜75度
までの入射角を設定することができ、この入射角に対応
した範囲の屈折率を測定することができる。測定する際
には、被検体の全反射角（θ_ｃ）に対応した光ファイバ
を選択すればよい。

第５図には、第２図で示したような１回反射型構造の
全反射型屈折率センサにおいて、３本の各４度の広がり
幅をもつ光ファイバの出射光の光軸が検出面８で一点で
交わったとき、または光出射面９上の一点で交わったと
きの模式図をそれぞれ（ａ）及び（ｂ）に示す。参考ま
でに、この３本分の広がりに相当する12度の広がりをも
つ光ファイバを１本使用したときの模式図も併せて
（ｃ）に示す。このように光ファイバを複数本使用する
ことで、広がり角の大きな１本の光ファイバを使用する
場合と比較して出射光の幅を狭くすることができる。特
に、光出射面上の１点で交わったとき出射光の幅を狭く
とることができる。

第５図（ａ）に示したような光軸が出射面上に一点で
交差する３本の入射光ファイバを使用した１回反射型の
屈折率センサの作製例を示す。光ファイバの端面を研磨
し、出射光が６度の広がりを有するように加工した。導
波層は、クラッド層：厚さ20μｍのSiO₂（屈折率:1.45
8）、コア層：厚さ６μｍのSiO₂・GeO₂（屈折率:1.46
5）を厚さ1mmのシリコン基板上にCVDにより成膜したも
のを熱硬化性樹脂で厚さ1mmのシリコン基板に接着硬化
したものからなり、入射光ファイバは３本使用し、光フ
ァイバ10aの入射角を69度、光ファイバ10bの入射角を65
度、光ファイバ10cの入射角を73度で光軸は出射面９上
に一点で交差し、光ファイバ１の出射光光路長は32mmと
した。ここで、出射光の広がりが６度の光ファイバに対
して、光ファイバ１本当たりの入射角の測定幅を４度と
したのは、出射光の広がりの両端部の光のぼやけ等の測
定精度上の問題である。このセンサの屈折率の測定範囲
は、1.299〜1.408であり、また出射面に必要な長さは2.
3mmであった。

これに対して、第５図（ｃ）に示したような１本の光
ファイバを使用する同じ測定範囲の一回反射型の屈折率
センサを作製した。光ファイバの端面を研磨し、出射光
が14度の広がりを有するように加工した。光ファイバ10
の入射角は69度である。他の作製条件は同じとした。出
射面に必要な長さは6.3mmとなった。３本の光ファイバ
を使用する方が出射面に必要な長さが少なくて済むこと
がわかる。

一方、第３図に示したような３回反射型構造の全反射
型屈折率センサにおいても複数本の光ファイバを使用す
ることができる。この場合は、第６図（ａ）に示すよう
に、各光ファイバ10a、10b及び10cの光軸は検出面８上
の一点で交わるようにすることが好ましい。第６図
（ｂ）は12度の広がり幅を持つ１本の光ファイバを使用
した場合の全反射模様例を示すが、この場合光出射位置
9'が非常に広くなり、場合によっては光出射面から外れ
る場合さえある。第６図（ａ）のように光ファイバの光
軸を検出面上の一点で交わるようにすることにより、光
出射位置の範囲を第６図（ｂ）の場合より適度に小さく
することができ、測定精度の低下なく測定範囲を広げる
ことができる。

第６図（ａ）に示したような光軸は検出面上に一点で
交差する３本の入射光ファイバを使用する３回反射型の
センサを作製した。光ファイバの端面を研磨し、出射光
が６度の広がりを有するように加工した。導波層は、ク
ラッド層：厚さ20μｍのSiO₂（屈折率:1.458）、コア
層：厚さ６μｍのSiO₂・GeO₂（屈折率:1.465）を厚さ1m
mのシリコン基板上にCVDにより成膜したものを熱硬化性
樹脂で厚さ1mmのシリコン基板に接着硬化したものから
なり、入射光ファイバは３本使用し、光ファイバ10aの
検出面に対する入射角を69度、光ファイバ10bの入射角
を65度、光ファイバ10cの入射角を73度で光軸は検出面
上に一点で交差し、光ファイバ１の出射光光路長は32mm
である。このセンサの屈折率の測定範囲は、1.299〜1.4
08であり、また検出面に必要な長さは3.3mmである。

これに対して、第６図（ｂ）に示すように、光ファイ
バの端面を研磨し、出射光が14度の広がりを有するよう
に加工した１本の入射光ファイバを使用し、光ファイバ
の入射角を69度として同様に作製した３回反射型の屈折
率センサを作製したところ、検出面に必要な長さは9.5m
mにもなった。やはり、３本の光ファイバを使用する方
が出射面に必要な長さが少なくて済むことがわかる。

ここでも、光ファイバの端面形状を半球レンズ状や先
球テーパ状に溶融加工やエッチングによって加工するこ
とにより変更し、また光ファイバ型レンズ／セルフォッ
クレンズ等の導波層レンズを光入射面に隣り合って或い
は導波層内部或いは光出射面近くに設け、また検出面を
凹凸状加工することにより屈折率範囲を調整することを
妨げるものではない。

以上のように、本発明においては、全反射型屈折率セ
ンサを１本乃至複数本の光ファイバを使用して１回反射
型乃至３回反射型構造として具現することができる。本
発明においては、導波層屈折率、光入射面角度、光入射
面と検出面との相対位置関係、更には光ファイバの数を
変更することで測定対象物に応じて屈折率測定範囲を自
由に設定することができる。

光検出器としては、CCD光センサアレイ又はCCD光セン
サアレイ（１次元CCD光センサアレイ）を配置して光出
力を読み取るのが一般的であるが、光出射面に半透明の
スクリーンを取付け、スクリーンに投影されるレーザ光
を目視により或いはビデオカメラにより監視することも
できる。光出射面にチョッパと受光器を配置して光出力
位置を読み取ることもできる。

ところで、光出力位置を読み取るに当っては、全反射
光の存在及び不存在に対応してその明暗境界を正確に判
定することが必要である。明暗境界とは全反射部分とそ
うでない透過・反射部分との境である。この読み取り精
度が導波型屈折率センサの精度に重要な役割を果たして
いる。明暗境界の判定方法としては、参照光と測定波形
の交点により明暗境界を決定することが推奨される。明
暗境界においては、フレネル（Fresnel）回折現象が現
れ、明暗境界をぼかしてしまう。そこで、明暗境界の決
定方法としてフレネル回折現象により必ず測定波形は参
照光より光量が増加している現象を逆にうまく利用する
のが好都合である。すなわち、参照波形と測定波形で光
量増加部分に最も近い交点位置を明暗境界として読み取
るのが便宜である。第７図は、CCD光センサアレイの出
力波形であり、参照波形として空気面の反射光量を測定
しそして試料としてｎ−C₁₃H₂₈をセルに入れて反射光量
を測定した場合の明暗境界位置部分の詳細を示す。中央
の７〜８μｓ部分は測定波形が参照光よりも光量が増え
ているところであり、これがフレネル回折現象に起因す
るものである。この光量増加部分に最も近い交点位置Ｘ
が明暗境界として読み取られる。交点位置の決定方法と
して、（１）直線補間法、（２）多次曲線補間法及び
（３）フィッティング法を採用することができる。CCD
光センサアレイの場合、多数のCCDピクセルが縦横直線
状に並んでおり、その各々が出射される光の量を電圧値
として出力する。参照光と測定光とに対する交点近傍の
各ピクセルの出力値を例示すれば第８（ａ）図のように
なる。直線補間法の場合には、第８（ｂ）図に示すよう
に、参照光と測定光曲線の交点を挟む両側のピクセル出
力を結ぶ直線の案文点でもって交点を決定する。多次曲
線補間法の場合には、第８（ｃ）図に示すように、交点
の付近数点における測定光曲線の多次（２次以上）の回
帰曲線と参照光曲線との交点でもって交点を決定する。
フィッティング法の場合には、第８（ｄ）図に示すよう
に、参照光と測定光曲線の交点付近の数〜数十点のフィ
ッティンカーブを求め、そのフィッティングカーブの方
程式を構成する定数から明暗境界を求める。このフィッ
ティンカーブとは、半平面のフレネル回折の理論式を臨
界角付近の反射光に適用したものである。第９図は半平
面のフレネル回折像の強度分布曲線を示す。（２）の多
次曲線補間法及び（３）のフィッティング法の適用によ
り（１）の直線補間法より更に精度を高めることができ
る。

実際には、参照光と測定光との交点と明暗境界にはず
れがあるが、これは演算処理により調整することができ
る。計測・演算部14において内部の演算式は、CCDピク
セル毎の屈折率を規定する項、参照光と測定光曲線の交
点を決定する項、及び屈折率の絶対値をシフトするオフ
セット項を含んでおり、参照光と測定光との交点と明暗
境界のずれはオフセット項により補正する。

使用にあたっては、第２及び５図の１回反射型センサ
構造の場合、例えば、第10図（ａ）に示すように、導波
層基板、光ファイバアレイ、CCD光センサアレイを備え
るセッサヘッド部は円筒型の回動自在に設置されたアル
ミニウム函体16内に納められる。温度測定のため、例え
ば小型Ptチップのような温度センサ17が基板に直接接着
される。センサの周りには、被検体受容部を構成するよ
う溝部を例えばシリコン板18をセンサヘッド部及びアル
ミニウム函体にハの字形に封着して形成してある。シリ
コン板で作製することは、良好な伝熱の確保、シリコン
の溌水・溌油性を利用した汚染防止に好都合である。こ
れらは接着剤19により然るべく接着される。測定は、第
10図（ｂ）上方のセンサがほぼ上方を向く測定位置で行
われそして洗浄は第10図（ｂ）下方のセンサを寝かせ、
試料を空けそして洗浄する洗浄位置で行う。

このセンサの基本仕様の一例は次の通りである：屈折率測定範囲:1.330〜1.380、屈折率表示:3.5桁（1.nnn）、屈折率測定精度：±0.003、必要サンプル量:0.2〜1.0ml、データ表示：リアルタイム。

第11図（ａ）は、第３及び６図の３回反射型構造の屈
折率センサをプロセス連続測定用に金属外筒21に埋め込
んだプローブ20を示す。センサヘッド並びに光ファイバ
10及びデジタル信号線13が金属外筒に固定材22により固
定される。接液時の光漏れを防止するために、露出する
光反射面を金薄膜を端面に蒸着するか導波路よりも低屈
折率の材料、例えば接着剤（熱硬化型低屈折率接着
剤）、樹脂（シリコン樹脂等）等により被覆する。第11
図（ｂ）はそのセンサヘッド前端を示す。第11図（ｃ）
は計測コントロール部を示す。約６度の広がり角度を持
つシングルモード用光ファイバは例えばGaAs−AlGaASレ
ーザ（波長:0.85μｍ）のような半導体レーザ光源23に
接続され、そしてデジタル信号線13はインターフェイス
回路24を介してマイクロプロセッサ25に接続される。マ
イクロプロセッサ25が前述した計測・演算部の少なくと
も一部を構成する。マイクロプロセッサ23は半導体レー
ザ光源21に放射指令を送る。最終的に全反射情報が表示
装置26に表示される。このセンサの基本仕様の一例は次
の通りである：屈折率測定範囲:1.32〜1.38、屈折率表示:5.5桁（1.nnnnn）、屈折率測定精度：±0.00005。

産業上の利用可能性シングルモード光ファイバの出射光の広がりを巧く利
用し、検出面に連続的な光入射角が得られ、導波層屈折
率、光入射面角度、光入射面と検出面との相対位置関係
を変更することで測定対象物に応じて測定範囲を自由に
設定することができる。光ファイバのシングルモード伝
搬を利用するためアローワンスがないので高精度計測が
できる。こうして可動部分のない小型のそして高精度の
全反射型屈折率センサが得られ、石油工業、化学工業、
石油化学工業、食品工業等の各種工業の製造現場での屈
折率のオフライン及びオンライン測定に有用である。な
お、全反射型であるため、被検出体に着色があったり、
光透過率の低い場合にも適用できる。

更に、複数の光ファイバを導波層の入射側に取付け、
それぞれの光ファイバに個別に測定範囲を持たせ、それ
を重ねあわせることにより、測定精度の低下がなく測定
範囲を広げることができる。また、各光ファイバからの
出射光の光軸の交点を導波層の出射面上の１点におけ
ば、出射面に必要な長さは光ファイバからの出射光の広
がり角を大きくし光ファイバ１本だけで同じ測定範囲を
カバーした場合より短くできる。同様に３回反射型セン
サの場合、各光ファイバからの出射光の光軸の交点を検
出面上の一点におけば検出面に必要な長さは光ファイバ
１本だけの場合より短くできる。

特に、ATAGO社からプロセス屈折率センサPRMシリーズ
に代表されるような、バルクプリズムを利用した屈折率
センサと比較して、（１）バルクプリズムでは、熱容量が大きく、熱的に安
定するまでに時間がかかり、測定時間が長くなる。一
方、本発明では、センサ自体が極めて小さく、基板にシ
リコンのような熱伝導性の良い材料を用いることで短時
間で熱的に安定するので、測定時間が短くてすむ。これ
は特に、バッチ方式で測定使用とする場合、揮発などに
よる被測定物の性状変化を防止することができるので、
極めて好都合である。

（２）導波層の厚さをシングルモードの条件に設定する
ことにより、光の強度をコア内に閉じ込めることができ
るので、反射光の光を検出しやすくなる。バルクプリズ
ムでは、光が広がり、検出しがたい。

（３）本発明では、コア層の屈折率を変えたものを作製
することが容易であり、被測定物の屈折率の変更に対応
しうる。

（４）光源としてレーザ光を用いることができる。ラン
プ光源では、ランプ自体に大きさにより、レンズで平行
にしたとはいっても視差がどうしても生じ、検出端（境
界）がぼけ、測定精度が低下する。これに対し、本発明
ではレーザ光を用いそしてコア径６μｍ程度のシングル
モード光ファイバーを通した光を光源とすることができ
るので、検出端のぼけの大きさを小さくでき、また明暗
境界の一層正確な判定を通して測定精度を向上すること
ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−270646（ＪＰ，Ａ) 特開平１−282448（ＪＰ，Ａ) 特開平２−114151（ＪＰ，Ａ) 特開平１−197663（ＪＰ，Ａ) 特開平２−236146（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−132139（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−49240（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−11637（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−27044（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−201547（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−144239（ＪＰ，Ａ) 特表昭63−500263（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にクラッド／コア／クラッドなる導
波構造の導波層を具備し、該導波層に光を入射する単一
の光ファイバ若しくは入射角を異にするが全体として連
続した入射角範囲を構成する複数の光ファイバと、前記
光ファイバに接続された前記導波層の一端面の光入射面
と、該光ファイバからの広がり角度を有する入射光を全
反射／透過しそして被検体との接触面を前記導波層の他
の端面に構成する検出面と、該検出面からの反射光を出
力しそして光検出手段と前記導波層の更に他の端面で接
続された光出射面とを備え、前記被検体の屈折率を相当
する検出面からの全反射光の存在により検出することを
特徴とする全反射型屈折率センサ。
【請求項２】光入射面からの入射光が検出面に直接入射
し、該検出面において全反射／透過し、該検出面からの
反射光が直接出射面に至る１回反射型の請求項１の全反
射型屈折率センサ。
【請求項３】導波層レンズを光入射面に隣り合って或い
は導波層内部或いは光出射面近くに更に設けたことを特
徴とする請求項１の全反射型屈折率センサ。
【請求項４】光検出手段が、CCD光センサ又はCCD光セン
サアレイからなることを特徴とする請求項１の全反射型
屈折率センサ。
【請求項５】光ファイバが、シングルモード光ファイバ
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの全反
射型屈折率センサ。