JP6804499B2 - 測定システム - Google Patents

Description

本発明は、測定システムに関する。

従来から、下記特許文献１に示されるような、測定対象物の特性（屈折率や濃度など）を検出するための光学装置が知られている。この光学装置は、光透過性媒体で構成される筐体を有している。筐体は、測定光が入射する入射面と、測定面と、測定光が出射する出射面と、を備えており、出射面から出射された光（以下、出射光という）の周波数スペクトルを分析することで、測定面に付着した測定対象物の特性を測定可能となっている。

特開２００１−２４２０７９号公報

ところで、この種の光学装置では、測定対象物の温度に応じて、出射光の波長が変化する。つまり、測定対象物の特性の検出結果に温度依存性があり、このような温度依存性を低減した光学装置が求められている。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、温度依存性を低減した光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学装置は、光源からの測定光を測定部に入射させて、測定対象物の特性を測定する光学装置であって、前記測定部は、前記測定光が入射する入射部と、測定面と、前記測定面を経由した前記測定光が、前記測定部の外部へと出射する出射部と、を備え、前記測定面の表面にはコーティング層が設けられ、前記コーティング層の屈折率は、温度の上昇に伴って増加する。

上記態様によれば、コーティング層の屈折率が温度の上昇に伴って増加するため、測定面で全反射した測定光の位相のずれ量の、測定対象物の温度変化に伴う変動をキャンセルして、測定結果の温度依存性を低減することができる。

ここで、前記コーティング層には、フッ素系材料が含まれていてもよい。
また、前記コーティング層には、負の線膨張係数を有する材質が含まれていてもよい。
また、前記測定部は光ファイバであり、前記測定面は前記光ファイバの外周面であってもよい。

本発明の上記態様によれば、温度依存性を低減した光学装置を提供することができる。

第１実施形態に係る測定システムの概略図である。 第１実施形態に係る光学装置の概略図である。 コーティング層を形成しなかった場合の液体中の出射光の波長スペクトル解析結果である。 コーティング層を形成した場合の液体中の出射光の波長スペクトル解析結果である。 コーティング層を形成しなかった場合の大気中の出射光の波長スペクトル解析結果である。 コーティング層を形成した場合の大気中の出射光の波長スペクトル解析結果である。 第２実施形態に係る光学装置の概略図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態の光学装置を備えた測定システムについて図面に基づいて説明する。
図１に示すように、測定システム１は、光源２と、解析器３と、受光器４と、第１接続ファイバ５と、第２接続ファイバ６と、光学装置１０と、を備えている。
光源２は、第１接続ファイバ５を介して、光学装置１０に接続されている。光学装置１０は、第２接続ファイバ６を介して、受光器４に接続されている。受光器４は、解析器３に接続されている。

図１に示すように、光学装置１０は容器１４内に配置される。また、容器１４内には、測定対象物Ｌが充填される。測定システム１は、容器１４内の測定対象物Ｌの特性を測定するように構成されている。測定対象物Ｌは、気体であってもよいし、液体であってもよい。また、光学装置１０に密接させた固体を測定対象物Ｌとしてもよい。測定システム１により測定可能な測定対象物Ｌの特性としては、屈折率や濃度などが挙げられる。例えば、飲料の糖度測定、バイオエタノールの濃度測定、油脂の屈折率測定などに測定システム１を用いてもよい。なお、濃度は屈折率と相関があるため、測定対象物Ｌの屈折率を測定することで、間接的に測定対象物Ｌの濃度を測定することができる。

光源２は、所定の波長の測定光（レーザ光）を出射できるレーザ光源である。光源２が出射する測定光は、単一の波長を有してもよいし、所定の帯域の波長を有してもよい。所定の帯域の波長を有する測定光を出射する光源２としては、スーパーコンティニウム（SC:Super Continium）光源を用いることができる。測定光が所定の帯域の波長を有する場合、解析器３としては、波長スペクトルを分解して解析する光スペクトラムアナライザを用いることができる。なお、解析器３から光源２への制御信号の入力を可能として、解析器３の制御に基づいた測定光を光源２が出射するように構成してもよい。

図２に示すように、第１接続ファイバ５は、コア５ａ、クラッド５ｂ、および被覆５ｃを有している。第２接続ファイバ６は、コア６ａ、クラッド６ｂ、および被覆６ｃを有している。第１接続ファイバ５および第２接続ファイバ６としては、例えば光通信用の石英シングルモード光ファイバを用いることができる。

光源２が出射した測定光は、第１接続ファイバ５、光学装置１０、および第２接続ファイバ６を経由して、受光器４に入射する。受光器４は、フォトセンサ等の光電変換素子を備えている。受光器４は、第２接続ファイバ６によって導かれた出射光を受光し、出射光に対応した電気信号を出力する。

解析器３は、受光器４が出力した電気信号に基づいて、出射光の波長スペクトルを解析するように構成されている。

図２に示すように、本実施形態の光学装置１０は、光ファイバである測定部１１と、測定部１１の外周面に設けられたコーティング層１２と、を備えている。
測定部１１は、入射部１１ａと、測定面１１ｂと、出射部１１ｃと、を有している。入射部１１ａは、測定部１１のうち、第１接続ファイバ５に融着接続された部分である。出射部１１ｃは、測定部１１のうち、第２接続ファイバ６に融着接続された部分である。測定面１１ｂは、光ファイバである測定部１１の外周面である。

測定部１１は、ガラスなどの透明な材質により形成されている。測定部１１と第１接続ファイバ５のコア５ａとを同材質とした場合、入射部１１ａから測定部１１内に入射する測定光の漏れなどを抑制することができる。測定部１１と第２接続ファイバ６のコア６ａとを同材質とした場合、出射部１１ｃにおける測定光の反射などを抑制することができる。なお、測定部１１、第１接続ファイバ５のコア５ａ、および第２接続ファイバ６のコア６ａの材質は、必ずしも同じでなくてもよい。

測定部１１としては、クラッドを有さないアンクラッドファイバを用いることができる。測定部１１の外径は、第１接続ファイバ５のコア５ａの外径および第２接続ファイバ６のコア６ａの外径よりも大きい。なお、測定部１１の外径は、長手方向で一定であってもよいし、長手方向に沿って漸次変化していてもよい。

そして、本実施形態では、測定面１１ｂにコーティング層１２が設けられている。また、図１に示すように、光学装置１０は測定対象物Ｌ内に配置されて用いられる。このため、コーティング層１２が測定対象物Ｌに接触し、測定面１１ｂと測定対象物Ｌとの間にはコーティング層１２が介在することとなる。コーティング層１２により、測定面１１ｂへの異物の付着が抑制される。
なお、コーティング層１２の詳細については後述する。

本実施形態の測定システム１は、光の全反射時に生じるグースヘンシェンシフトによる位相の変化を利用して、測定対象物Ｌの特性（屈折率など）を測定する。グースヘンシェンシフトとは、異なる屈折率を有する物質同士の境界面で光が全反射する際に、位相遅れが生じる現象をいう。本実施形態では、光源２が出射した測定光が、入射部１１ａから測定部１１に入射すると、測定面１１ｂで測定光が全反射する。その際に、グースヘンシェンシフトによる位相の変化が生じる。また、位相の変化量は、測定対象物Ｌの屈折率に応じて変動する。

そして、出射部１１ｃから出射される出射光は、測定部１１内を異なる経路で伝搬した複数の光の合成波となる。合成波における干渉条件は、測定対象物Ｌの屈折率を反映したものとなるため、合成波（出射光）の波長スペクトルを解析器３で解析することで、測定対象物Ｌの屈折率などを測定することができる。

なお、本実施形態では、測定面１１ｂにコーティング層１２が施されているが、コーティング層１２の厚さは測定波長に比べて十分に小さい（例えば０．１μｍ〜０．３μｍ程度）。このため、測定面１１ｂと測定対象物Ｌとの間にコーティング層１２が介在していても、光の電磁界はコーティング層１２の外側まで広がり、測定面１１ｂで測定光が全反射する際のグースヘンシェンシフトによる位相の変化量は、測定対象物Ｌの屈折率に応じた量となる。したがって、測定面１１ｂにコーティング層１２が施されていても、測定対象物Ｌの屈折率を測定することができる。

（コーティング層）
次に、本実施形態のコーティング層１２について説明する。
先述の通り、測定システム１は、測定面１１ｂにおける光の全反射時に生じるグースヘンシェンシフトによる位相の変化を利用して、測定対象物Ｌの屈折率を測定する。ここで、測定対象物Ｌの温度が変化した場合、測定面１１ｂにおける位相の変化量が変動する。つまり、測定対象物Ｌの屈折率測定結果には、温度依存性が存在する。このため、測定対象物Ｌの温度を検出し、当該温度に基づいて、解析器３による解析結果を補正することが一般的に行われている。

本願発明者らが鋭意検討した結果、コーティング層１２を、その屈折率が温度の上昇に伴って増加する材質により形成することで、上記の温度依存性を低減できることがわかった。コーティング層１２の材質としては、フッ素系材料を含む樹脂を好適に用いることができる。フッ素系材料としては、フルオロカーボンまたはパーフルオロカーボンなどを用いることができる。また、コーティング層１２には、負の線膨張係数を有する材質が含まれていてもよい。

以下、具体的な実験例を用いて、コーティング層１２の効果についてより詳しく説明する。

（実験例）
本実験例では、図１、図２に示すような測定システム１を用いた。測定対象物Ｌとして、水と、水溶性切削油の濃度２０％水溶液（以下、単に切削油水溶液という）と、を用いた。また、測定対象物Ｌの温度は、２８℃および３８℃の２種類とした。光源２としてＳＣ光源を用い、解析器３として光スペクトラムアナライザを用いた。測定部１１（光ファイバ）の外径は１２５μｍとし、長さは５８ｍｍとした。コーティング層１２として、フッ素系材料（４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールおよびテトラフルオロエチレンの共重合体、並びにパーフルオロカーボン）を含む厚さ約０．２μｍの樹脂層を、測定面１１ｂの全体に形成した。

図３および図４のグラフは、解析器３により検出された出射光の波長スペクトルを示している。ただし、図３のグラフは、コーティング層１２を測定面１１ｂに形成していないときの結果であり、図４のグラフは、コーティング層１２を測定面１１ｂに形成したときの結果である。つまり、図３および図４のグラフを比較することで、コーティング層１２の有無による検出結果の違いを確認することができる。

図３に示すように、測定面１１ｂにコーティング層１２が形成されていない場合、測定対象物Ｌの温度に応じて、波形が左右にシフトしている。より詳しくは、測定対象物Ｌが３８℃の場合は、測定対象物Ｌが２８℃の場合に対して、波形が短波長側（左側）にシフトしている。この傾向は、測定対象物Ｌが水の場合も切削油水溶液の場合も同様である。なお、このように波形がシフトするのは、測定対象物Ｌの屈折率が温度によって変化するためであると考えられる。

これに対して、図４では、測定対象物Ｌの温度に応じた波形のシフト量が低減されている。すなわち、コーティング層１２を形成することで、測定結果の温度依存性が低減されることが確認された。

なお、図３および図４では、それぞれの条件で３回ずつ測定したデータのうち、１つを抜粋して記載している。ただし、不図示のデータについても、同様の傾向が得られた。したがって、コーティング層１２を形成することで、測定結果の温度依存性が安定して低減されることがわかった。

次に、コーティング層１２の特性について確認するため、光学装置１０を大気に接触させて、出射光のスペクトル波長を解析した。なお、大気の温度は、１４℃、２８℃、３８℃、および４８℃の間で変化させた。
図５のグラフはコーティング層１２を測定面１１ｂに形成していないときの結果であり、図６のグラフはコーティング層１２を測定面１１ｂに形成したときの結果である。その他の条件は、図３および図４における実験例と同様である。

図５に示すように、測定面１１ｂにコーティング層１２が形成されていない場合、波形は大気の温度によってほとんど変化していない。これは、大気の屈折率が温度に応じてほとんど変化しないためであると考えられる。

これに対して、図６に示すように、測定面１１ｂにコーティング層１２を形成した場合、大気の温度が高いほど波形が長波長側（右側）にシフトしている。
ここで、図３に示したように、水や切削油水溶液では、温度が高いほど波形が短波長側にシフトしていた。これは、一般的な物質では温度の上昇に伴って体積が膨張し、結果として、温度の上昇に伴って屈折率が低下するためである。これに対して、図６のグラフにおいて温度が高いほど波形が長波長側にシフトしているのは、コーティング層１２の屈折率が、温度の上昇に伴って増加するためであると考えられる。

そして、コーティング層１２がこのような特性を有していることで、測定対象物Ｌの温度変化に応じた波形のシフトがキャンセルされ、図４に示すように測定結果の温度依存性を低減できたと考えられる。
また、上記考察に基づくと、コーティング層１２を、温度の上昇に伴って体積が収縮する材質（負の線膨張係数を有する材質）により形成することで、同様の効果が得られると考えられる。負の線膨張係数を有する材質としては、例えばペロブスカイト構造を有するビスマス・ニッケル・鉄酸化物やマンガン窒化物などを用いることができる。

以上説明したように、本実施形態の測定部１１は、測定光が入射する入射部１１ａと、測定面１１ｂと、測定面１１ｂを経由した測定光が測定部１１の外部へと出射する出射部１１ｃとを備えている。そして、測定面１１ｂの表面にはコーティング層１２が設けられ、コーティング層１２の屈折率は温度の上昇に伴って増加する。この構成により、測定面１１ｂで全反射した測定光の位相のずれ量の、測定対象物Ｌの温度変化に伴う変動をキャンセルして、測定結果の温度依存性を低減することができる。

また、測定部１１は光ファイバであり、測定面１１ｂは光ファイバの外周面となっている。このため、例えば容器１４内に測定対象物Ｌを充填し、当該容器１４内に測定部１１（光ファイバ）を配置することで、測定対象物Ｌの特性を容易に測定することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
第１実施形態における測定部は光ファイバであったが、本実施形態における測定部はプリズムである。

図７に示すように、本実施形態の光学装置２０は、測定部としてのプリズム２１を備えている。なお、図７のプリズム２１は三角形状であるが、プリズム２１の形状は適宜変更可能である。

プリズム２１は、入射部２１ａと、測定面２１ｂと、出射部２１ｃとを有している。入射部２１ａは、光源２（図１参照）からの測定光がプリズム２１内に入射する部分である。光源２と入射部２１ａとの間には、図１に示すような第１接続ファイバ５が設けられていてもよい。あるいは、他の手段によって測定光を入射部２１ａに入射させてもよい。

測定面２１ｂには、コーティング層２２が設けられている。コーティング層２２の材質としては、第１実施形態と同様に、温度の上昇に伴って屈折率が増加する材質を用いることができる。コーティング層２２には、フッ素系材料が含まれていてもよい。また、コーティング層２２には、負の線膨張係数を有する材質が含まれていてもよい。

本実施形態の場合、コーティング層２２が設けられた測定面２１ｂに、測定対象物Ｌを付着させる。入射部２１ａから入射した測定光は、測定面２１ｂを経由して、出射部２１ｃからプリズム２１の外部へと出射する。第１実施形態と同様に、出射部２１ｃから出射された光を受光器４により受光し、解析器３により解析することで、測定対象物Ｌの特性を測定することができる。

本実施形態においても、コーティング層２２の屈折率が温度の上昇に伴って増加することで、測定対象物Ｌの温度変化に伴う屈折率変動をキャンセルして、測定面２１ｂでの全反射条件の変化を抑制することができる。したがって、測定結果の温度依存性を低減することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、測定対象物Ｌの屈折率の測定、あるいは屈折率に基づく測定対象物Ｌの濃度の測定について説明した。しかしながら、屈折率や濃度以外の測定に、本発明を応用してもよい。

また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１０、２０…光学装置 １１…測定部（光ファイバ） １２、２２…コーティング層 １１ａ…入射部 １１ｂ…測定面（光ファイバの外周面） １１ｃ…出射部 ２１…測定部（プリズム） ２１ａ…入射部 ２１ｂ…測定面 ２１ｃ…出射部

Claims (3)

1. 測定光を出射する光源と、
   測定部を有する光学装置と、
   前記光学装置から出射された出射光を受光し、前記出射光に対応した電気信号を出力する受光器と、
   前記電気信号に基づいて前記出射光の波長スペクトルを解析する解析器と、を備える測定システムであって、
   前記測定部は、
   前記測定光が入射する入射部と、
   測定面と、
   前記測定面を経由した前記測定光を含む前記出射光を前記受光器へと出射する出射部と、を備え、
   前記測定面の表面にはフッ素系材料を含む厚さ０．１〜０．３μｍのコーティング層が設けられ、
   前記コーティング層は測定対象物に接触し、
   前記コーティング層の屈折率は、温度の上昇に伴って増加し、
   前記出射光には、前記測定面における前記測定光の全反射時に生じるグースヘンシェンシフトにより位相が変化した光と、当該光とは異なる経路で前記測定部内を伝搬した光と、が含まれる、測定システム。
2. 前記コーティング層には、負の線膨張係数を有する材質が含まれている、請求項１に記載の測定システム。
3. 前記測定部は光ファイバであり、
   前記測定面は前記光ファイバの外周面である、請求項１または２に記載の測定システム。

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