JP6801893B2

JP6801893B2 - 屈折率測定装置及び屈折率測定方法

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Publication number: JP6801893B2
Application number: JP2018537152A
Authority: JP
Inventors: 盛秀肥後; 勝満塩
Original assignee: Kagoshima University NUC
Current assignee: Kagoshima University NUC
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: JPWO2018043194A1; WO2018043194A1

Description

本発明は、屈折率測定装置及び屈折率測定方法に関する。

表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象とは、金属表面に存在する自由電子と光が相互作用を起こし、金属と接触している媒体の屈折率に応じて光の一部が吸収される現象である。このＳＰＲ現象を利用して、石英ガラス棒（光ファイバのコア）の側面に数十ｎｍの厚さの金属薄膜を形成し、光ファイバの一端から入射し他端から出射した光の強度を測定することで、金属薄膜と接触している試料の屈折率を測定する（例えば、特許文献１乃至４参照）。

特許文献１乃至４に開示された屈折率測定装置によれば、駆動機構を用いて入射角度を変化させて反射強度の変化を観測することなく、光ファイバのコアに入射され出射された光の強度を測定するだけで、試料の屈折率を測定することができる。

特許第３９９１０７２号公報特許第５０１３４２９号公報特開２００７−１４７５８５号公報特開２００５−４９１８２号公報

しかしながら、金属薄膜が形成された光ファイバのコアに光を入射して屈折率を測定する光ファイバ型の測定装置では、光源における光強度の揺らぎや、光ファイバの側面からの光の漏れによる屈折率の測定精度の低下が懸念される。

また、このような屈折率測定装置では、一般に、金属薄膜として用いられる金属の種類や光の波長によって、測定可能な屈折率の範囲に制限がある。

さらに、試料が移動したり屈折率が変化する位置が変動したりするような場合には、屈折率を測定するのに加え、それらの位置情報を検出したいという要求もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、試料の屈折率の測定精度を向上するとともに測定範囲を広げることができるうえ、試料等の位置情報を検出することができる屈折率測定装置及び屈折率測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る屈折率測定装置は、
偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含む光を出射する投光部と、
前記投光部からの光を一端から入射し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜が一部に形成された側面で全反射させた後、他端から出射する細長柱状の導波路部と、
前記導波路部から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を抽出する偏光フィルタ部と、
前記偏光フィルタ部で抽出される光の直線偏光成分の偏光方向を選択する選択部と、
前記偏光フィルタ部で抽出された光の直線偏光成分の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部で検出された光強度に基づいて、試料の屈折率を測定する測定部と、
を備え、
前記導波路部には、
入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面が形成されている。

この場合、前記導波路部は、
前記複数の側面として、金属薄膜が形成された第１の側面と、金属薄膜が形成されていない第２の側面を有しており、
前記測定部は、
前記第１の側面に対応するＰ偏光を前記選択部で選択したときに前記光強度検出部で検出された第１の光強度と、前記第２の側面に対応するＰ偏光を前記選択部で選択したときに前記光強度検出部で検出された第２の光強度とに基づいて、試料の屈折率を測定する、
こととしてもよい。

前記導波路部の前記複数の側面それぞれに形成された金属薄膜は、
側面毎に金属の種類又は膜厚が異なり、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定する、
こととしてもよい。

前記導波路部では、
前記金属薄膜が形成された長手方向に関する位置が側面毎に異なり、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定するとともに、試料の位置情報を検出する、
こととしてもよい。

前記導波路部では、
面積がそれぞれ異なる複数の金属薄膜が、長手方向に沿って形成されており、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定するとともに、試料の位置情報を検出する、
こととしてもよい。

また、本発明の第２の観点に係る屈折率測定方法は、
細長柱状で、入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面が設けられている導波路部材の一端から、偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含む投光部からの光を入射して、前記複数の側面で全反射させた後、前記導波路部材の他端から出射し、
前記導波路部から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を選択的に抽出しつつ、選択的に抽出された光の直線偏光成分の強度を検出し、
検出された光強度に基づいて、試料の屈折率を測定する。

本発明によれば、１本の導波路部だけで、表面プラズモン共鳴現象の発生に関連する状態がそれぞれ異なる側面で反射した光に基づく複数の測定結果を選択的に得ることができる。複数の測定結果には、側面の状態によって、外乱成分だけのものを含めたり、測定可能な屈折率の範囲が異なるものを含めたり、試料等の位置情報を検出可能な情報を含めたりすることができる。したがって、複数の側面各々での測定結果を組み合わせれば、試料の屈折率の測定精度を向上するとともに測定範囲を広げることができるうえ、試料等の位置情報を検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る屈折率測定装置の全体構成を示す模式図である。導波路部材の斜視図である。屈折率の測定の動作の流れを示すフローチャートである。金属薄膜が形成された側面に対するＰ偏光の向きを示す図である。導波路部材の側面で光が反射する様子を示す図である。Ｐ偏光を測定する場合の偏光板の向きを示す図である。金属薄膜が形成された側面に対するＳ偏光の向きを示す図である。導波路部材の側面で光が反射する様子を示す図である。Ｓ偏光の光強度の受光結果を測定する場合の偏光板の向きを示す図である。Ｐ偏光の規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。Ｓ偏光の規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。図６ＡのＰ偏光の規格化透過光強度を図６ＢのＳ偏光の規格化透過光強度で除算した規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る屈折率測定装置の導波路部の構成を示す斜視図である。金属（金）薄膜が形成された側面に対するＰ偏光の向きを示す図である。金属（金）薄膜が形成された側面で光が反射する様子を示す図である。金属（金）薄膜が形成された側面に対するＰ偏光を測定する場合の偏光板の向きを示す図である。金属（アルミニウム）薄膜が形成された側面に対するＰ偏光の向きを示す図である。金属（アルミニウム）薄膜が形成された側面で光が反射する様子を示す図である。金属（アルミニウム）薄膜が形成された側面に対するＰ偏光を測定する場合の偏光板の向きを示す図である。金薄膜で反射したＰ偏光の規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。アルミニウム薄膜で反射したＰ偏光の規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３に係る屈折率測定装置の導波路部の構成を示す斜視図である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その１）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その２）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その３）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その４）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態での測定結果（光強度の応答）を示すグラフである。本発明の実施の形態４に係る屈折率測定装置の導波路部の構成を示す斜視図である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その１）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その２）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その３）である。屈折率測定装置で測定可能な４つの状態を示す図（その４）である。本発明の実施の形態２に係る屈折率測定装置において同種で膜厚が異なる金属（銀）薄膜を用いた場合の規格化透過光強度と試料の屈折率との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３に係る屈折率測定装置において濃度０〜３０％のエタノール水溶液をパイプラインに流したときの応答の変化を示すグラフである。エタノール水溶液の濃度が２０％から３０％に変化したときの応答の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る屈折率測定装置１は、電源２と、投光部としての発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）３と、導波路部材４と、レンズ５と、偏光フィルタ部としての偏光板６と、選択部７と、光強度検出部としての受光部８と、受光回路９と、測定部１０とを備える。

電源２は、ＬＥＤ３に電流を供給する直流安定化電源である。ＬＥＤ３は、電源２から供給された電流により光を出射する。この光は、表面プラズモン共鳴現象を発生させることが可能な波長帯域の光であり、偏光方向が異なる直線偏光成分を含んでいる。

導波路部材４は、光軸ＡＸの方向（ｙ軸方向）に細長い柱状の導光部材である。ＬＥＤ３は、導波路部材４の光軸ＡＸ上に配置されている。導波路部材４は、ＬＥＤ３からの光を一端（−ｙ側の端部）から入射する。入射した光は、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜４Ｂが一部に形成された側面で全反射しながら導波路部材４内を＋ｙ方向に進む。最終的には、導波路部材４は、＋ｙ側の他端から光を出射する。

レンズ５は、屈折光学系であり、導波路部材４の光軸ＡＸ上に配置されている。レンズ５は、導波路部材４から出射された光を集光して、偏光板６に入射させる。偏光板６は、導波路部材４の光軸ＡＸ上に配置されており、導波路部材４から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を抽出する。選択部７は、駆動機構を用いて偏光板６を光軸ＡＸ回りで回転駆動することにより、偏光板６で抽出される光の直線偏光成分の偏光方向を選択する。選択部７は手動で操作されるものであってもよいし、自動で操作されるものであってもよい。

受光部８は、導波路部材４の光軸ＡＸ上に配置されている。受光部８は、偏光板６を通過した光を受光し、偏光板６で抽出された光の直線偏光成分の光強度を検出する。受光部８は、この光強度に対応する電流を発生させる。受光部８で発生した電流は、コンデンサ９Ａ及び抵抗９Ｂより成る受光回路９により電圧に変換されて測定部１０に入力される。

パイプライン１１は、導波路部材４の周囲に配置されている。パイプライン１１には、試料１２を含む液体（溶媒）が流れている。屈折率測定装置１は、この液体に含まれる試料１２の屈折率を測定する。測定部１０は、受光部８で検出された光強度に対応する電圧値に基づいて、金属薄膜４Ｂに接触した試料１２の屈折率を測定する。

導波路部材４についてより詳細に説明する。図２に示すように、導波路部材４は、光軸ＡＸの方向（ｙ軸方向）に延びる細長い矩形柱状のガラス棒４Ａを中心に構成されている。ガラス棒４Ａの屈折率は高いのが望ましいが、例えば１．４５８である。ガラス棒４Ａの＋ｚ側の側面が、側面４Ａａ（第１の側面）であり、＋ｘ側の側面が、側面４Ａｂ（第２の側面）である。側面４Ａａには、真空蒸着法等を用いて、金属薄膜４Ｂが形成されている。

このように、本実施の形態では、側面４Ａａでは、金属薄膜４Ｂが形成されており、側面４Ａｂでは、金属薄膜４Ｂが形成されていない。すなわち、導波路部材４は、周方向で、表面プラズモン共鳴現象の発生状態が異なるように形成されている。言い換えると、導波路部材４には、入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面４Ａａ，４Ａｂが設けられている。

本実施の形態に係る屈折率の測定の動作の流れについて説明する。図３に示すように、まず、屈折率測定装置１は、偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含むＬＥＤ３からの光を、導波路部材４の一端に入射し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜４Ｂが一部に形成された側面で全反射させた後、導波路部材４の他端から出射する（ステップＳ１）。続いて、屈折率測定装置１は、選択部７により偏光板６を駆動して、導波路部材４から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を選択的に抽出しつつ、偏光板６で抽出された光の直線偏光成分の強度を検出する（ステップＳ２）。さらに、屈折率測定装置１は、受光部８で検出された光強度に基づいて、試料１２の屈折率を測定する（ステップＳ３）。

ステップＳ２における直線偏光成分の選択について説明する。図４Ａに示すように、導波路部材４に入射した光のうち、金属薄膜４Ｂが形成された側面４Ａａの光の入射面に平行な直線偏光成分は、その側面４Ａａに対してＰ偏光となる。図４Ｂに示すように、Ｐ偏光は、特定の入射角度で金属薄膜４Ｂに入射すると、表面プラズモン共鳴が発生し、反射光の強度が低下し、最終的に導波路部材４の他端から出射される光強度が低下する。この直線偏光成分の光を受光部８で受光するには、図４Ｃに示すように選択部７が偏光板６の向きをｚ軸方向とすればよい。

また、図５Ａに示すように、導波路部材４に入射した光のうち、金属薄膜４Ｂが形成された側面４Ａａの入射面に直交する直線偏光成分は、その側面４Ａａに対してＳ偏光となる。Ｓ偏光は、特定の入射角度で金属薄膜４Ｂに入射しても、表面プラズモン共鳴現象が発生せず、反射光の強度が低下しない。したがって、導波路部材４の他端から出射されるＳ偏光は、表面プラズモン共鳴現象では低下しない。図５Ｂに示すように、Ｓ偏光は、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂでも全反射しつつ、ガラス棒４Ａ内を＋ｙ方向に進んで、導波路部材４の他端から出射される。この成分の光を受光部８で受光するには、図５Ｃに示すように選択部７が偏光板６の向きをｘ軸方向とすればよい。

図６Ａには、Ｐ偏光の規格化透過光強度と屈折率との関係が示されている。図６Ａに示すように、Ｐ偏光の光強度は、試料１２の屈折率に対して感度が大きく、大幅に変化する。ここでは、Ｐ偏光の光強度（規格化透過光強度）の応答曲線は、屈折率約１．３８０に最小値を有する曲線となった。

また、図６ＢにはＳ偏光の規格化透過光強度と屈折率との関係が示されている。図６Ｂに示すように、Ｓ偏光の光強度は、試料１２の屈折率が大きくなるにつれて次第に低下している。光強度の低下は、ガラス棒４Ａと試料１２との屈折率差に起因する光の漏れが原因であり、試料１２の屈折率が大きくなるにつれて、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂ等からの光の漏れが大きくなっていることを示している。この光の漏れは、試料１２の屈折率の検出精度の低下の要因の１つとなる。

そこで、測定部１０は、ガラス棒４Ａの側面４Ａａの入射面に平行な直線偏光成分（Ｐ偏光）を選択部７で選択したときに受光部８で検出された光強度（図６Ａ参照）と、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂの入射面に直交する直線偏光成分（Ｓ偏光）を選択部７で選択したときに受光部８で検出された光強度（図６Ｂ参照）とに基づいて、試料１２の屈折率を測定する。より具体的には、測定部１０は、Ｐ偏光の規格化透過光強度を、Ｓ偏光の規格化透過光強度で除算し、その除算結果に基づいて、試料１２の屈折率を求める。図７には、このような除算により求められた規格化透過光強度の屈折率特性が示されている。

上述のように、本実施の形態に係る細長状の導波路部材４を用いた屈折率測定装置１は、金属薄膜４Ｂが形成された平板状の側面４Ａａと、金属薄膜４Ｂが形成されていない側面４Ａｂとを有している。そして、測定部１０は、金属薄膜４Ｂが形成された側面４ＡａのＰ偏光の光強度からＳ偏光の光強度を除算して、透過光強度を補正して、試料１２の屈折率を測定する。これにより、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂ等からの光の漏れの影響や、ＬＥＤ３から出射される光強度の揺らぎの影響を低減して、試料１２の屈折率をより正確に測定することができる。

なお、導波路部材４について、ガラス棒４Ａとしては、例えば一辺が５ｍｍの正方形の断面を有するものを用いることができる。また、ガラス棒４Ａの長さを１５０ｍｍとし、金属薄膜４Ｂを金とし、その長さを１００ｍｍとすることができる。また、金属（金）薄膜４Ｂの厚さは、例えば４５ｎｍとすることができる。金属（金）薄膜４Ｂの厚さは、金属の種類に応じて適切な厚みとされる。さらに、ＬＥＤ３としては、実測波長が６５４ｎｍの赤色発光ダイオードを用いることができる。

また、パイプライン１１に流す溶液としては、エチレングレコールのメタノール溶液を用いることができる。この場合、試料１２はエチレングリコールのメタノール溶液となる。エチレングリコールのメタノール溶液の屈折率と濃度とは相関関係があるため、エチレングリコールのメタノール溶液の屈折率がわかれば、溶液中のエチレングリコール濃度を求めることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

本実施の形態では、屈折率測定装置１の構成は、図８に示すように、導波路部材４に代えて、導波路部材１４を備えている点が、上記実施の形態１と異なる。具体的には、導波路部材１４では、複数の側面４Ａａ，４Ａｂそれぞれに金属薄膜が形成されている。さらに、側面４Ａａに形成される金属薄膜と、側面４Ａｂに形成される金属薄膜とでは、金属の種類がそれぞれ異なっている。

図８に示すように、導波路部材１４では、ガラス棒４Ａの側面４Ａａに金属（金）薄膜４Ｂが形成されており、ガラス棒の側面４Ａｂに金属（アルミニウム）薄膜４Ｃが形成されている。

図９Ａに示すように、導波路部材１４に入射した光のうち、金属（金）薄膜４Ｂが形成された側面４Ａａの光の入射面に平行な直線偏光成分は、その側面４Ａａに対してＰ偏光となる。図９Ｂに示すように、このＰ偏光は、特定の入射角度で金属（金）薄膜４Ｂに入射すると、表面プラズモン共鳴が発生し、反射光の強度が低下する。この成分の光を受光部８で受光するには、図９Ｃに示すように、選択部７が偏光板６の向きをｚ軸方向とすればよい。

また、図１０Ａに示すように、導波路部材１４に入射した光のうち、金属（アルミニウム）薄膜４Ｃが形成された側面４Ａｂの光の入射面に平行な直線偏光成分は、その側面４Ａｂに対してＰ偏光となる。図１０Ｂに示すように、Ｐ偏光は、特定の入射角度で金属（アルミニウム）薄膜４Ｃに入射すると、表面プラズモン共鳴が発生し、反射光の強度が低下する。この成分の光を受光部８で受光するには、図１０Ｃに示すように、選択部７が偏光板６の向きをｘ軸方向とすればよい。

図１１Ａには、金属（金）薄膜４Ｂに対するＰ偏光の規格化透過光強度と屈折率との関係が示されている。図１１Ａに示すように、金属（金）薄膜４Ｂに対するＰ偏光の光強度は、試料１２の屈折率で大幅に変化する。また、図１１Ｂには、金属（アルミニウム）薄膜４Ｃに対するＰ偏光の規格化透過光強度と屈折率との関係が示されている。図１１Ｂに示すように、金属（アルミニウム）薄膜４Ｃに対するＰ偏光の光強度は、試料１２の屈折率が大きくなるにつれて次第に低下しており、極端に低下する部分は存在しない。

図１１Ａと図１１Ｂとを比較するとわかるように、金属（金）薄膜４Ｂに対するＰ偏光は、狭い範囲で屈折率に対する感度が高い。これに対して、金属（アルミニウム）薄膜４Ｃに対するＰ偏光では、試料１２の屈折率に対する感度が金属（金）薄膜４Ｂのそれに対して低いものの、屈折率の広い範囲で、光強度が変化している。

そこで、測定部１０は、金属（アルミニウム）薄膜４Ｃに対するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料１２の屈折率の範囲を絞り、さらに、金属（金）薄膜４Ｂに対するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料１２の屈折率を詳細に測定する。このようにすれば、試料１２の屈折率を広い測定範囲で、より正確に測定することが可能となる。

本実施の形態では、側面４Ａａに形成される金属薄膜４Ｂと、側面４Ａｂに形成される金属薄膜４Ｃとで、金属の種類（金／アルミニウム）を異なるものとした。しかしながら、側面４Ａａに形成される金属薄膜と、側面４Ａｂに形成される金属薄膜とを、同じ種類の金属とし、その膜厚を異なるようにしてもよい。

膜厚を変更する例として、２ｍｍ角のガラス棒４Ａの側面４Ａａに３０ｎｍの膜厚で１０ｃｍの長さの銀薄膜層（金属（金）薄膜４Ｂの代わりに設けられる金属薄膜）を形成するとともに、側面４Ａｂに７０ｎｍの膜厚で１０ｃｍの長さの銀薄膜層（金属（アルミニウム）薄膜４Ｃの代わりに設けられる金属薄膜）を形成した。そして、受光部（フォトダイオード）８前に設置した偏光板６で偏光を選択し、応答面を選択した。

この場合、７０ｎｍの銀薄膜に対するＰ偏光の受光結果では、図１７に示すような曲線が得られ、屈折率１．３７４に最小値を有する結果が得られた。一方、Ｓ偏光、すなわち３０ｎｍの銀薄膜に対するＰ偏光では、図１７に示すような曲線が得られ、屈折率１．３９５に最小値を有する結果が得られた。このように、同種の金属でも膜厚を変えることで応答を変えることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

本実施の形態では、図１２に示すように、屈折率測定装置１の構成は、導波路部材４に代えて、導波路部材２４を備えている点が、上記実施の形態１と異なる。具体的には、導波路部材２４は、導波路部材４と同様に、複数の側面を有している。さらに、導波路部材２４は、金属薄膜が形成された長手方向に関する位置が側面毎に異なっている。

図１２に示すように、導波路部材２４では、ガラス棒４Ａの側面４Ａａの長手方向中心よりも−ｙ側の部分に金属薄膜４Ｂ１が形成されており、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂにおける長手方向中心よりも＋ｙ側の部分には金属薄膜４Ｃ１が形成されている。すなわち、導波路部材２４では、金属薄膜４Ｂ１，４Ｃ１が、隣り合う２つの側面に位置をずらして真空蒸着により形成される。測定部１０は、金属薄膜４Ｂ１に対するＰ偏光の光強度と、金属薄膜４Ｃ１に対するＰ偏光の光強度との測定を行う。このようにすれば、各測定結果の組み合わせで、試料１２の屈折率に加え、試料１２の位置情報を測定することができる。

導波路部材２４は、試料１２を含む溶液（溶媒）で満たされているものとする。例えば、図１３Ａに示すように、金属薄膜４Ｂ１，４Ｃ１上に試料１２がなく、溶媒だけ存在する状態を、状態Ａとする。また、金属薄膜４Ｂ１の上に試料１２が存在し、金属薄膜４Ｃ１の上には溶媒だけ存在する状態を、状態Ｂとする。また、金属薄膜４Ｂ１の上には溶媒だけ存在し、金属薄膜４Ｃ１の上には試料１２が存在する状態を、状態Ｃとする。さらに、金属薄膜４Ｂ１，４Ｃ１の上に試料１２が存在し、導波路部材２４を覆った状態を、状態Ｄとする。

図１４には、状態Ａ乃至Ｄでの金属薄膜４Ｂ１に対するＰ偏光の光強度の応答と、金属薄膜４Ｃ１に対するＰ偏光の光強度の応答とが示されている。図１４に示すように、状態Ａでは、金属薄膜４Ｂ１も、金属薄膜４Ｃ１についても応答（光強度の低下）がない。また、状態Ｂでは、金属薄膜４Ｂ１について応答が現れ、金属薄膜４Ｃ１については応答がない。また、状態Ｃでは、金属薄膜４Ｂ１では応答がなく、金属薄膜４Ｃ１について応答が現れる。また、状態Ｄは、金属薄膜４Ｂ１及び金属薄膜４Ｃ１の両方に応答が現れる。

したがって、測定部１０は、このような金属薄膜４Ｂ１に対するＰ偏光の光強度の応答測と、金属薄膜４Ｃ１に対するＰ偏光の光強度の応答とに基づいて、状態Ａ〜Ｄのうち、いずれの状態であるかを判定することにより、試料１２の屈折率に加え、試料１２の位置情報も検出することができる。

ここで、パイプライン１１内に固定した２ｍｍ角のガラス棒４Ａの側面４Ａａ，４Ａｂに、３ｃｍの長さで厚さ４５ｎｍの金属（金）薄膜４Ｂ１，４Ｃ１を形成した。金属（金）薄膜４Ｂ１と金属（金）薄膜４Ｃ１との間は３ｃｍとした。そして、このガラス棒４Ａを用いて、受光部８の前に設置した偏光板６で偏光を選択しつつ、試料１２として０〜３０％のエタノール水溶液を金属（金）薄膜４Ｂ１側からパイプライン１１に流したときの応答の変化を測定した。

図１８では、この応答の変化が示されている。図１８には、Ｐ偏光（金属（金）薄膜４Ｂ１に対するＰ偏光）の受光結果と、Ｓ偏光（金属（金）薄膜４Ｃ１に対するＰ偏光）の受光結果とが示されている。図１８に示すように、Ｐ偏光及びＳ偏光ともに、エタノール水溶液の濃度が上がれば上がるほど、規格化透過光強度が低下している。

図１９では、２０％から３０％にエタノール溶液の濃度を変えた時間Ｔ（図１８参照）における応答の変化を拡大して示している。図１９に示すように、エタノールの濃度が２０％から３０％へ変化する間に、状態Ａ（図１３Ａ，図１４）から、状態Ｂ（図１３Ｂ，図１４）に遷移し、さらに状態Ｄ（図１３Ｄ，図１４）に遷移していることが示されている。

なお、本実施の形態では、２つの側面４Ａａ，４Ａｂに形成する金属薄膜の金属を同じ種類（金）としたが、本発明はこれには限られず、側面毎に異なる金属を用いるようにしてもよい。また、側面毎に、金属薄膜の膜厚や長さを変えるようにしてもよい。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。

本実施の形態では、図１５に示すように、屈折率測定装置１の構成は、導波路部材４に代えて、導波路部材３４を備えている点が、上記実施の形態１と異なる。具体的には、導波路部材３４では、面積がそれぞれ異なる複数の金属薄膜が、長手方向に沿って形成されている。

屈折率が同一である試料１２に対する屈折率測定装置１の応答の変化量（規格化透過光強度の変化量）は、蒸着している金属の面積に比例すると考えられる。そこで、本実施の形態では、図１５に示すように、ガラス棒４Ａの側面４Ａａの長手方向に、複数の金属薄膜４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３を設け、金属薄膜４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３の蒸着面積に、１：２：４（面積比が２の乗数となる）というように差を付け、測定部１０で、応答（光強度）の変化量の比を取ることで試料１２の位置情報を検出する。なお、本実施の形態では、ガラス棒４Ａの側面４Ａｂの長手方向にも金属薄膜４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３が設けられている。金属薄膜４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３は、同じ面積で、蒸着により形成されている。金属薄膜４Ｂ１と金属薄膜４Ｃ１との面積比は４：２であり、金属薄膜４Ｂ２と金属薄膜４Ｃ２との面積比は８：２であり、金属薄膜４Ｂ３と金属薄膜４Ｃ３との面積比は１６：２である。

ここで、図１６Ａに示すように、金属薄膜４Ｂ１，４Ｃ１の周囲にのみ試料１２が存在している状態を、状態Ａとする。また、図１６Ｂに示すように、金属薄膜４Ｂ１，４Ｃ１の周囲及び金属薄膜４Ｂ２，４Ｃ２の周囲に試料１２が存在している状態を、状態Ｂとする。また、図１６Ｃに示すように、金属薄膜４Ｂ２，４Ｃ２の周囲及び金属薄膜４Ｂ３，４Ｃ３の周囲に試料１２が存在している状態を、状態Ｃとする。また、図１６Ｄに示すように、金属薄膜４Ｂ３，４Ｃ３の周囲にのみ試料１２が存在している状態を、状態Ｄとする。

状態Ａの場合、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比は、４：２（＝２：１）となる。また、状態Ｂの場合、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比は、１２：４（＝３：１）となる。また、状態Ｃの場合、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比は、２４：４（＝６：１）となる。さらに、状態Ｄの場合、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比は、１６：２（＝８：１）となる。

このように、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比は、試料１２の存在する位置によって一意に決まる。このため、測定部１０は、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度と、側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度との変化量の比に基づいて、試料１２の位置情報を検出することができる。

また、測定部１０は、側面４Ａａに対するＰ偏光の光強度の変化量又は側面４Ａｂに対するＰ偏光の光強度の変化量を金属薄膜の面積で除算することで試料１２の屈折率を検出することができる。従って、屈折率測定装置１を用いて、パイプライン１１内の溶液の反応の追跡が可能となる。また、屈折率が温度でも変化することを利用して反応層中の異常反応（温度変化）の監視を行うことができる他、屈折率測定装置１を様々な用途に利用することができる。

本実施の形態では、金属薄膜の面積を長手方向で変更したが、本発明はこれには限られない。例えば、金属薄膜の種類、膜厚等を長手方向で変更するようにしてもよい。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、１本の導波路部材４だけで、表面プラズモン共鳴現象の発生に関連する状態がそれぞれ異なる側面４Ａａ，４Ａｂで反射した光に基づく複数の測定結果を選択的に得ることができる。複数の測定結果には、側面４Ａａ，４Ａｂの状態によって、外乱成分だけのものを含めたり、測定可能な屈折率の範囲が異なるものを含めたり、試料１２等の位置情報を検出可能な情報を含めたりすることができる。したがって、複数の側面４Ａａ，４Ａｂ各々での測定結果を組み合わせれば、試料１２の屈折率の測定精度を向上するとともに測定範囲を広げることができるうえ、試料１２等の位置情報を検出することができる。

なお、上記実施の形態では、導波路部材４の周方向で表面プラズモン共鳴現象の発生に関連する側面４Ａａ，４Ａｂの状態が異なる場合について説明したが、本発明はこれには限られない。導波路部材４の周方向には表面プラズモン共鳴現象の発生に関連する側面の状態が均一であり、導波路部材４の長手方向にＰ偏光に対する応答が異なる金属薄膜が形成された導波路部材を採用するようにしてもよい。

上記実施の形態では、金属薄膜の金属を、金又は銀あるいはアルミニウムとしたが、本発明はこれには限られない。金属薄膜の金属として銅を用いてもよい。ここで、金属は、その用途に応じて適切に用いられる必要がある。例えば、銅は、腐食しやすく、硫化銅を作りやすいので、硫化銅を作りやすい環境で用いるのは適切ではない。また、銀は、塩化銀をつくりやすいので、塩化銀を作りやすい環境で用いるのは適切ではない。アルミニウムは表面に薄いアルミナを形成しているが、酸やアルカリと反応して腐食するので、酸性やアルカリ性の環境で用いるのは適切ではない。金は化合物を作りにくいので、反応しやすい環境で用いる場合においても最適である。

また、金属薄膜は、異なる金属から成る薄膜を積層したものであってもよい。

また、上記実施の形態では、ＬＥＤ３として、例えば、赤色の発光ダイオードを用いた。しかしながら、表面プラズモン共鳴現象が発生するのであれば、より短波長又は長波長の光を発生させるＬＥＤを用いるようにしてもよい。

ここで、金属薄膜と光の波長との関係についてまとめる。このような関係が、金属薄膜の種類、光の波長を選択するうえで重要な要素となる。
（１）金の場合
・赤色、赤外線発光ダイオードを用いた場合、広い膜厚の範囲で良好な応答が得られる。
・波長による最小値屈折率の変化が非常に大きい。この変化は、膜厚が厚い方が顕著になる。
・短波長の光では、表面プラズモン共鳴現象は得られにくい。
（２）銀の場合
・金と比較して、応答が大きい。
・波長による最小値屈折率の変化が小さい。
・緑色ＬＥＤでも応答（表面プラズモン共鳴現象）が見られた。
（３）アルミニウムの場合
・金、銀と比較して、広い屈折率範囲でなだらかに透過光強度が変化する。すなわち透過光強度の感度が小さい。
・光強度の落ち込みと最小値の屈折率は、波長、膜厚が変わってもそれほど変化しない。
・短波長の光でも良好な応答を示す。

また、ＬＥＤ３の光を、長波長から短波長まで広い波長帯域を含む光としてもよい。金属の種類によって感度のある屈折率は異なってくるので、本発明のように、導波路部材４の複数の側面各々に、異なる金属の薄膜を形成し、様々な波長の光を入射可能としておけば、測定可能な屈折率の範囲を大幅に広げることが可能となる。

多角形状のガラス棒は極めて製作し易く、使い捨ても可能である。このため、本発明は、測定精度を向上したり測定範囲を広げたりするのを容易にするだけでなく、コンタミネーションを防止するうえで好適である。

また、金属薄膜の上に直鎖の高分子から成るスペーサを設け、さらにその上にフッ素樹脂膜を選択膜として成膜するようにしてもよい。フッ素樹脂膜は分子サイズの穴が存在しており、揮発性物質を透過させる。例えば、日本酒等に含まれるアルコールを試料１２とする場合、フッ素樹脂膜は、糖分や有機酸などを通さず、アルコール成分だけを金属薄膜上に通す。したがって、スペーサ、フッ素樹脂膜を設けることにより、アルコール濃度を正確に計測することができる。

試料１２は、一般的には溶液（溶媒）中に含まれる成分となる。例えば、清酒、ワイン等の酒のアルコールなどを試料１２とすることができる。また、エンジンオイル内に含まれるガソリンを試料１２とすることも可能である。

また、偏光板６の代わりに偏光ビームスプリッタを配置して、偏光ビームスプリッタで分割された光を別々の受光部８で受光してそれぞれの光強度を検出するようにしてもよい。このようにすれば、側面が異なる２つの光強度を同時に検出することが可能となる。また、偏光板６を回転させるなどの選択部７における駆動機構も不要となる。

また、上記各実施の形態では、ガラス棒４Ａの断面を矩形（正方形）としたが、これには限られない。ガラス棒４Ａの断面形状は、長方形、菱形、台形であってもよい。また、ガラス棒４Ａの断面形状は、３角形でもよいし、５角形以上の多角形であってもよい。法線方向が異なる少なくとも２つの平板状の側面があればよいのであって、その他の側面は曲面であってもよい。

なお、側面同士の法線方向が直交していない側面同士では、一方の光強度の測定結果に他方の光強度の測定結果の成分が混入する。この場合、測定部１０は、両側面の成す角度での混入成分を算出し、一方の光強度の測定結果から算出した混入成分を差し引いて、差し引いた値を、真の光強度として算出するようにすればよい。

また、金属薄膜が形成された側面に対向する側面に金属薄膜を形成するようにしてもよい。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

なお、本願については、２０１６年８月２９日に出願された日本国特許出願２０１６−１６６５４４号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１６−１６６５４４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明によれば、試料の屈折率の測定に利用することができる。例えば、焼酎の製造工程（蒸留、熟成、瓶詰め等）において、アルコール度数を測定する度数計に本発明を適用することができる。

１屈折率測定装置、２電源、３発光ダイオード（ＬＥＤ）、４導波路部材、４Ａガラス棒、４Ａａ，４Ａｂ側面、４Ｂ，４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３金属（金）薄膜、４Ｃ金属（アルミニウム）薄膜、４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３金属（金）薄膜、５レンズ、６偏光板、７選択部、８受光部、９受光回路、９Ａコンデンサ、９Ｂ抵抗、１０測定部、１１パイプライン、１２試料（測定対象）、１４，２４，３４導波路部材

Claims

偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含む光を出射する投光部と、
前記投光部からの光を一端から入射し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜が一部に形成された側面で全反射させた後、他端から出射する細長柱状の導波路部と、
前記導波路部から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を抽出する偏光フィルタ部と、
前記偏光フィルタ部で抽出される光の直線偏光成分の偏光方向を選択する選択部と、
前記偏光フィルタ部で抽出された光の直線偏光成分の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部で検出された光強度に基づいて、試料の屈折率を測定する測定部と、
を備え、
前記導波路部には、
入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面が形成されており、
前記導波路部の前記複数の側面それぞれに形成された金属薄膜は、
側面毎に金属の種類又は膜厚が異なり、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定する、
屈折率測定装置。
偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含む光を出射する投光部と、
前記投光部からの光を一端から入射し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜が一部に形成された側面で全反射させた後、他端から出射する細長柱状の導波路部と、
前記導波路部から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を抽出する偏光フィルタ部と、
前記偏光フィルタ部で抽出される光の直線偏光成分の偏光方向を選択する選択部と、
前記偏光フィルタ部で抽出された光の直線偏光成分の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部で検出された光強度に基づいて、試料の屈折率を測定する測定部と、
を備え、
前記導波路部には、
入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面が形成されており、
前記導波路部では、
前記金属薄膜が形成された長手方向に関する位置が側面毎に異なり、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定するとともに、試料の位置情報を検出する、
屈折率測定装置。
偏光方向が異なる複数の直線偏光成分を含む光を出射する投光部と、
前記投光部からの光を一端から入射し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる金属薄膜が一部に形成された側面で全反射させた後、他端から出射する細長柱状の導波路部と、
前記導波路部から出射された光における特定の方向の直線偏光成分を抽出する偏光フィルタ部と、
前記偏光フィルタ部で抽出される光の直線偏光成分の偏光方向を選択する選択部と、
前記偏光フィルタ部で抽出された光の直線偏光成分の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部で検出された光強度に基づいて、試料の屈折率を測定する測定部と、
を備え、
前記導波路部には、
入射した光に含まれる複数の直線偏光成分のいずれかがＰ偏光となり、Ｐ偏光に対する応答がそれぞれ異なる平面状の複数の側面が形成されており、
前記導波路部では、
面積がそれぞれ異なる複数の金属薄膜が、長手方向に沿って形成されており、
前記測定部は、
複数の側面各々に対応するＰ偏光の光強度の測定結果に基づいて、試料の屈折率を測定するとともに、試料の位置情報を検出する、
屈折率測定装置。