JPH0255743B2 - - Google Patents
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- JPH0255743B2 JPH0255743B2 JP60036273A JP3627385A JPH0255743B2 JP H0255743 B2 JPH0255743 B2 JP H0255743B2 JP 60036273 A JP60036273 A JP 60036273A JP 3627385 A JP3627385 A JP 3627385A JP H0255743 B2 JPH0255743 B2 JP H0255743B2
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Classifications
-
- 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
- G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
- G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres
Landscapes
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、屈折率測定プローブにかかるもので
あり、特に、爆発の危険性や有毒性のあるLNG
タンクなどの各種プロセスにおける溶液などの屈
折率ひいては、濃度、密度の測定に好適な本質防
爆タイプの屈折率測定プローブに関するものであ
る。 〔従来の技術〕 従来の屈折率測定プローブとしては、例えば第
２図ないし第４図に示すものがある。まず、第２
図に示すものは、特開昭59−15841号公報に開示
されているもので、光フアイバー１０の一端を測
定対象の媒質１２内に投入し、この光フアイバー
１０の他端から適宜の光源１４によつて光パルス
を入射させるようにしたものである。光フアイバ
ー１０の媒質１２と接する端面からのフレネル反
射光量は、光TDR１６によつて測定され、これ
から媒質１２の屈折率が測定される。すなわち反
射光量EAは、光フアイバー１０のコア屈折率を
nq、媒質の屈折率をｎとすると、 EA（nq−ｎ／nq＋ｎ）2 ………(1) で表わされる。 次に、第３図に示すものは「計装」（vol.27、
No.８、1984、P39ないし41）に開示されているも
ので、プリズム１８の底面が媒質１２に接するよ
うにし、プリズム１８と媒質１２との境界面にお
ける臨界角の変化による光量変化を測定するもの
である。この方法では、プリズム１８の屈折率を
npとすると、反射光量EBは、 となる。 次に、第４図に示すものは、「Japanese
Journal of Applied Physics」（Vol.21、No.10、
October 1982、P1509ないし1512）に開示されて
いるもので、光フアイバー２０において、センシ
ング部のクラツド２２の少なくとも一部を除去
し、この部分に曲率を設けて測定感度を上げるよ
うにしたものである。第４図中ａは、クラツド２
２が一部除去されている例であり、同図中ｂは、
クラツド２２がない場合の例である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、以上のような従来の手段には、以下
に述べるような問題点がある。まず、第２図の方
法では、フレネル反射による反射光の光量を測定
するため、信号強度が小さく、Ｓ／Ｎ比も十分で
はない。そこで、Ｓ／Ｎ比を向上させるため、光
源１４よりパルス光を入射させる必要がある。従
つて、光TDRによる反射光パターンの測定も、
かかるパルス光に対応させる必要があり、信号処
理が複雑となつたり、装置が高価となるという不
都合がある。 次に、第３図の方法は、第４図に示す方法にお
いて、クラツド２２及び曲率がない場合の特性に
類似するものである。しかし、この方法は、入射
光束の拡がり角を制限できるため、感度は第４図
に示す方法よりも大きいと考えられる。この方法
では、前述したように、反射光量EBは
あり、特に、爆発の危険性や有毒性のあるLNG
タンクなどの各種プロセスにおける溶液などの屈
折率ひいては、濃度、密度の測定に好適な本質防
爆タイプの屈折率測定プローブに関するものであ
る。 〔従来の技術〕 従来の屈折率測定プローブとしては、例えば第
２図ないし第４図に示すものがある。まず、第２
図に示すものは、特開昭59−15841号公報に開示
されているもので、光フアイバー１０の一端を測
定対象の媒質１２内に投入し、この光フアイバー
１０の他端から適宜の光源１４によつて光パルス
を入射させるようにしたものである。光フアイバ
ー１０の媒質１２と接する端面からのフレネル反
射光量は、光TDR１６によつて測定され、これ
から媒質１２の屈折率が測定される。すなわち反
射光量EAは、光フアイバー１０のコア屈折率を
nq、媒質の屈折率をｎとすると、 EA（nq−ｎ／nq＋ｎ）2 ………(1) で表わされる。 次に、第３図に示すものは「計装」（vol.27、
No.８、1984、P39ないし41）に開示されているも
ので、プリズム１８の底面が媒質１２に接するよ
うにし、プリズム１８と媒質１２との境界面にお
ける臨界角の変化による光量変化を測定するもの
である。この方法では、プリズム１８の屈折率を
npとすると、反射光量EBは、 となる。 次に、第４図に示すものは、「Japanese
Journal of Applied Physics」（Vol.21、No.10、
October 1982、P1509ないし1512）に開示されて
いるもので、光フアイバー２０において、センシ
ング部のクラツド２２の少なくとも一部を除去
し、この部分に曲率を設けて測定感度を上げるよ
うにしたものである。第４図中ａは、クラツド２
２が一部除去されている例であり、同図中ｂは、
クラツド２２がない場合の例である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、以上のような従来の手段には、以下
に述べるような問題点がある。まず、第２図の方
法では、フレネル反射による反射光の光量を測定
するため、信号強度が小さく、Ｓ／Ｎ比も十分で
はない。そこで、Ｓ／Ｎ比を向上させるため、光
源１４よりパルス光を入射させる必要がある。従
つて、光TDRによる反射光パターンの測定も、
かかるパルス光に対応させる必要があり、信号処
理が複雑となつたり、装置が高価となるという不
都合がある。 次に、第３図の方法は、第４図に示す方法にお
いて、クラツド２２及び曲率がない場合の特性に
類似するものである。しかし、この方法は、入射
光束の拡がり角を制限できるため、感度は第４図
に示す方法よりも大きいと考えられる。この方法
では、前述したように、反射光量EBは
本発明は、測定媒質内に浸される導波路に対
し、８字状に連続する２つの円弧状を設けたセン
シング部を有することを特徴とするものである。 〔作 用〕 本発明によれば、８字状のセンシング部を設け
たことにより、屈折率の変化に対する透過光の透
過率の変化にカツトオフ特性が見いだされるよう
になるとともに、光量の変化の程度も大幅に増大
する。 〔実施例〕 以下、本発明にかかる屈折率測定プローブを添
付図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。 第１図には、本発明の一実施例が示されてい
る。まず第１図ａについて説明する。この図にお
いて測定プローブ（以下単に「プローブ」とい
う）２４は、通光性を有する例えば透明石英ガラ
スが使用されており、線径ａの誘電体光導波路を
曲折させた構成となつている。プローブ２４は、
光の入射端２４及び出力端２６を端部に各々有す
る直線部２８と、これらの直直線部２８に接続さ
れる８字状の曲率を有するセンシング部３０とを
有している。このセンシング部３０は等しい曲率
半径Ｒを有する２つの円弧部３２，３４が滑かに
連続した形状となつている。直線部２８、円弧部
３２，３４は、線径が有限であることによるズレ
の範囲内で互いに平行平面内にあるように形成さ
れている。なお、直線部２８とセンシング部３０
との連絡は、第１図ａに示すように円弧部３４の
接線となるようにしてもよく、あるいは同図ｂに
示すように、連絡部分３６の曲率（ａ／ρ）が円
弧部３４の曲率（ａ／Ｒ）を超えないように滑ら
かに連絡するようにしてもよい。このような連絡
の差異によつて格別の特性の差が生ずるわけでは
ない。また直線部２８の長さは任意でよくセンシ
ング部３０が完全に測定媒質に投入されている限
り、特性に対する影響はない。入射端２４及び出
力端２６には光フアイバ３８が各々接続されてい
る。光フアイバ３８は、センシング部３０より遠
方で光の入射や透過光を受光するためのもので、
必要があれば適宜の長さのものが設けられる。直
線部２８と光フアイバ３８とが接続される入射端
２４、出力端２６には必要に応じて保護ガイド２
４Ａ，２６Ａが設けられる。 次に本発明の作用について説明する。測定時に
は、センシング部３０は、測定媒質内に完全に没
入される。そして、入射端２４から光フアイバ３
８によつて一定の光量の光を入射する。測定媒質
の屈折率は、出力端２６から光フアイバ３８によ
つて導出される透過光量を測定することにより行
なわれる。この透過光量は、測定媒質の屈折率変
化に対して敏感に変化する。なお、所定の屈折率
を有する標準媒質によつてキヤリブレーシヨンを
行うことにより、測定媒質の屈折率の絶対値が測
定される。 詳述すると、第５図に示すように、直線部２８
をセンシング部３０の屈折率n0、測定媒質の屈折
率ｎに対して次式で表わされる臨界角θc以上の入
射角θで進行してきた光のモードは、曲率のある θc＝sin-1（ｎ／n0） ………(4) センシング部３０に入射したときに、幾加学的関
係から境界に対する入射角θsに小さくなる。この
モードの光が曲率部を通過するためには、 sinθs〓（ｎ／n0） ………(5) の関係を満足する必要がある。 ところで、θsは、センシング部３０の曲率
（ａ／Ｒ）及び第５図に示すｈ（ｏｈａ）に関
する曲率部入射位置パラメータξ＝（ｈ／ａ）の
(6)式に示すような関数であり、 sinθs＝１＋（ａ／Ｒ）ξ／１＋ａ／Ｒ）sinθ……
…(6) これに基づく透過光モードと漏光モードの関係
が第６図に示されている。この図は、横軸に入射
位置パラメータξ、縦軸に光の入射角θをとつた
ものである。 図中、曲線LAはsinθs＝ｎ／n0の場合に相当し ξB≡（ｎ／n0）α／α−１ １／sinθ−１／α−１
………(7) で表わされる。ここで、αは曲率パラメータであ
り、α＝１＋ａ／Ｒで表わされる。 透過光モードは、(5)、(6)式から ξ〓ξB ………(8) で表わされ、第６図において、ハンチングを施し
た部分で示される。その他の部分が漏光モードで
ある。この図からわかるように、入射角θが大き
くまた入射位置パラメータξが大きいほど光は媒
質の方へ漏れることなく曲率部を透過する。第５
図に示すもののうち、光T1，T2は透過光モード
の例であり、光L1，L2は漏光モードの例である。
第７図には、８字形状のセンシング部３０におけ
る透過光Ｔと漏光Ｌの例が示されている。第６図
から曲率部を透過した直後の光量分布は、第５図
の曲率部の外側面SAに沿つて大きく、内側面SB
に沿つては透過光は存在しないような分布とな
る。これをプローブの断面の光量分布として示し
たものが第８図ａである。なお、第５図では半円
形であるが、完全に１周した直後の透過光分布も
全く同じである。従つて、第８図ａは、第７図に
おいて円弧部３４の出射端すなわちＡ−Ａ線に沿
つた断面における透過光の分布を示すもので、ハ
ツチング部分が透過光の領域である。図中、破線
は、媒質の屈折率ｎが変化した場合に透過光領域
である。 次に、第７図において、円弧部３２は、円弧部
３４に連続しているので、円弧部３４の出射光の
モードパターンは、同時に逆方向の曲率をもつた
円弧部３２の入射光のパターンになる。この場合
入射光のパターンは、円弧部３２に対して入射位
置パラメータξ＝ｈ／ａが小さな入射モードに対
応することとなるため、円弧部３２においては漏
光モードとなる。これらの関係を定量的に示すと
第１０図の如くなる。結果的に、８字状のセンシ
ング部３０では、透過モードでは入射角θが大き
く、かつ、入射位置パラメータξが1/2、つまり
導波路の中央部に集中したードの光だけが通過す
ることとなる。円弧部３２を通過した直後の透過
光の分布パターンすなわち円弧部３２の出射端で
あるＡ−Ａ線に沿つた断面におけるパターンは第
８図ｂに示す如くとなり、破線で示すように屈折
率変化による割合が大きくなる。すなわち、８字
状のセンシング部３０において、測定媒質の屈折
率変化による相対的な光量変化は大きくなり、感
度は向上することになる。更に、導光路に８字状
に曲率を形成した場合、一定の測定対象に対し、
曲率パラメータαを変化させ第１０図の最小透過
入射角θn＝sin-1（2α／α＋１ ｎ／n0）が臨界値θn
＝ π／２を越えると、第８図ｃに示す分布となる。
この時実質的に透過光量が零になるカツトオフ特
性を示すようになる。そして、この曲率近傍で感
度は最大になる。これに対し、例えば第４図に示
す従来のものでは、仮にその曲率を無限に大きく
したとしても必ず残留添過光が存在し、カツトオ
フ特性を示すことはない。従つて、特に低屈折率
の媒質に対する感度が低下することとなる。この
ような曲率無限大（α＝∞）の単一曲率の場合の
透過特性の例が第９図に示されている。曲線LC
は、 ξB＝（ｎ／n0）１／sinθ ………(9) の関係を満たすものであり、同図のハツチング部
分がある屈折率ｎに対する永久残留光の部分とな
る。 第１０図には、８字状のセンシング部３０の透
過特性が示されている。この図のうち、曲線LD
は、 ξB＝（ｎ／n0）α／α−１ １／sinθ−１／α−１…
……(10) で表わされる円弧部３４における境界件を示すも
のであり、曲線LEは、 ξB′＝１−ξB ………(11) で表わされる円弧部３２の境界条件を示すもので
ある。この図のうち、ハツチング部分すなわちξ
〓ξB、ξ〓ξB′の部分が透過光モードとなる領域
であり、その他の部分すなわちξ＜ξB又はξ＜
ξB′の部分が漏光モードとなる領域である。 次に、上記実施例における特性例と測定例を、
第１１図を参照しながら説明する。まず第１１図
ａには、本実施例における測定プローブ２４の特
性が示されている。図の縦軸は、光の透過率Tt
であり、媒質が空気の場合の透過光量Eairを、各
媒質における透過光量Ｅで割つたものとして定義
されている。また、図の横軸は、屈折率比（ｎ／
n0）であり、各媒質の屈折率ｎを、測定プローブ
２４の光導波路の屈折率（n0＝1.456）で割つた
ものである。測定媒質として、純水、水−アルコ
ール水溶液、イソプロピルアルコールを使用し、
光源としてHe−Neレーザを使用し、測定プロー
ブ２４の材料として屈折率n0＝1.456、プローブ
径ａ＝3.5φの石英ガラスを使用している。 各曲率に対して透過率Ttは、カツトオフ特性
を示しているが、製作上の精度残存歪により、理
論的に予想されるものよりカツトオフ特性は多少
鈍化していると言える。各々の屈折率を有する測
定媒質の屈折率ｎに対する最適な曲率αは、カツ
トオフ条件θn＝π／２から α＝１／２（ｎ／n0）−１………(12) で与えられる。例えば、第１１図ａに示されてい
る水（ｎ＝1.3337）からエタノール（ｎ＝
1.3633）にかけての領域での平均屈折率＝
1.3485の媒質に対し、石英ガラスの測定プローブ
２４を使用した場合、最適の曲率αは、1.173す
なわちＲ／ａ＝5.78となる。 第１１図ｂには、プロピルアルコールを基準と
した時の相対透過光量の変化が示されている。横
軸には媒質の屈折率ｎ、縦軸には、各媒質の透過
光量Ｅを、イソプロピルアルコールの透過光量
E0に対し（Ｅ−E0）／E0の相対光量変化として
各々とつたものである。また、第１１図ａと同様
にしてαをパラメータとして示されている。この
図から、最適の曲率はα＝1.17（実線のカーブ）
となり、前述した値とほぼ一致する。本実施例に
よる測定プローブによれば、Ｓ／Ｎ比の点からみ
ると、10-5程度のオーダーまでの屈折率変化を検
出することが可能である。 なお、第１２図ａ，ｂには、第４図に示すよう
な円弧部を設けたプローブによる透過率特性と感
度特性が第１１図ａ，ｂに対応させて各々示され
ている。まず、第１１図ａと第１２図ａとを比較
すると、透過率Ttはカツトオフ特性を示さず、
単調に屈折率比（ｎ／n0）＝１に向かつて減少し
ているのみであり、上記実施例と顕著に相違す
る。次に、同図ｂを比較すると、相対光量変化す
なわち感度は、曲率による差は小さく（この場合
理論的には、感度は曲率パラメータαが大きいほ
ど大きくなるが、α〓n0＝1.456を越えると一定
になることが示される。）、また、絶対値的にも変
化量が小さく、上記実施例の10分の１程でしかな
く、この点でも本実施例の方が優れていると認め
られる。 本実施例によれば、次のような効果がある。 測定媒質の屈折率に対応して、最大感度を有
する導波路の屈折率、半径及び曲率半径を備え
た屈折率測定プローブを得ることができ、この
プローブによる屈折率測定分解能は、10-5オー
ダー程度と高く高感度であり、また、曲率を変
更することによつて高屈折率（例えばｎn0）
の領域から低屈折率（例えばｎ1.1ないし
1.2）の領域までかかる分解能による屈折率ひ
いては濃度の測定が可能となる。 特性は、曲率パラメータαで決まり、導波路
径ａを小さくすれば、プローブの小型化も可能
となる。また、直線部２８の長さを自由に選択
でさるとともに、光フアイバー３８を利用すれ
ば離れた地点に対する測定も十分に行うことが
できる。 構造も単純であり、複雑な計測機器を必要と
せず、廉価である。 光を利用するので、爆発性、有毒性のある媒
質に対しても適用でき、また、光フアイバ３８
を用いてリモート化を図ることにより一層安全
性の向上を図ることができる。 導波路にはコアがなく、LNGのような低温
媒質に対しても適用可能である。 〔発明の効果〕 本発明によれば、測定媒質の屈折率に対応し
て、最大感度を有する導波路の屈折率、半径及び
曲率半径を備えた屈折率測定プローブを得ること
ができ、従つて、本発明による屈折率測定プロー
ブによれば、簡易な構成であるにもかかわらず、
極めて高感度で、良好に媒質の屈折率を測定する
ことができるという効果がある。
し、８字状に連続する２つの円弧状を設けたセン
シング部を有することを特徴とするものである。 〔作 用〕 本発明によれば、８字状のセンシング部を設け
たことにより、屈折率の変化に対する透過光の透
過率の変化にカツトオフ特性が見いだされるよう
になるとともに、光量の変化の程度も大幅に増大
する。 〔実施例〕 以下、本発明にかかる屈折率測定プローブを添
付図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。 第１図には、本発明の一実施例が示されてい
る。まず第１図ａについて説明する。この図にお
いて測定プローブ（以下単に「プローブ」とい
う）２４は、通光性を有する例えば透明石英ガラ
スが使用されており、線径ａの誘電体光導波路を
曲折させた構成となつている。プローブ２４は、
光の入射端２４及び出力端２６を端部に各々有す
る直線部２８と、これらの直直線部２８に接続さ
れる８字状の曲率を有するセンシング部３０とを
有している。このセンシング部３０は等しい曲率
半径Ｒを有する２つの円弧部３２，３４が滑かに
連続した形状となつている。直線部２８、円弧部
３２，３４は、線径が有限であることによるズレ
の範囲内で互いに平行平面内にあるように形成さ
れている。なお、直線部２８とセンシング部３０
との連絡は、第１図ａに示すように円弧部３４の
接線となるようにしてもよく、あるいは同図ｂに
示すように、連絡部分３６の曲率（ａ／ρ）が円
弧部３４の曲率（ａ／Ｒ）を超えないように滑ら
かに連絡するようにしてもよい。このような連絡
の差異によつて格別の特性の差が生ずるわけでは
ない。また直線部２８の長さは任意でよくセンシ
ング部３０が完全に測定媒質に投入されている限
り、特性に対する影響はない。入射端２４及び出
力端２６には光フアイバ３８が各々接続されてい
る。光フアイバ３８は、センシング部３０より遠
方で光の入射や透過光を受光するためのもので、
必要があれば適宜の長さのものが設けられる。直
線部２８と光フアイバ３８とが接続される入射端
２４、出力端２６には必要に応じて保護ガイド２
４Ａ，２６Ａが設けられる。 次に本発明の作用について説明する。測定時に
は、センシング部３０は、測定媒質内に完全に没
入される。そして、入射端２４から光フアイバ３
８によつて一定の光量の光を入射する。測定媒質
の屈折率は、出力端２６から光フアイバ３８によ
つて導出される透過光量を測定することにより行
なわれる。この透過光量は、測定媒質の屈折率変
化に対して敏感に変化する。なお、所定の屈折率
を有する標準媒質によつてキヤリブレーシヨンを
行うことにより、測定媒質の屈折率の絶対値が測
定される。 詳述すると、第５図に示すように、直線部２８
をセンシング部３０の屈折率n0、測定媒質の屈折
率ｎに対して次式で表わされる臨界角θc以上の入
射角θで進行してきた光のモードは、曲率のある θc＝sin-1（ｎ／n0） ………(4) センシング部３０に入射したときに、幾加学的関
係から境界に対する入射角θsに小さくなる。この
モードの光が曲率部を通過するためには、 sinθs〓（ｎ／n0） ………(5) の関係を満足する必要がある。 ところで、θsは、センシング部３０の曲率
（ａ／Ｒ）及び第５図に示すｈ（ｏｈａ）に関
する曲率部入射位置パラメータξ＝（ｈ／ａ）の
(6)式に示すような関数であり、 sinθs＝１＋（ａ／Ｒ）ξ／１＋ａ／Ｒ）sinθ……
…(6) これに基づく透過光モードと漏光モードの関係
が第６図に示されている。この図は、横軸に入射
位置パラメータξ、縦軸に光の入射角θをとつた
ものである。 図中、曲線LAはsinθs＝ｎ／n0の場合に相当し ξB≡（ｎ／n0）α／α−１ １／sinθ−１／α−１
………(7) で表わされる。ここで、αは曲率パラメータであ
り、α＝１＋ａ／Ｒで表わされる。 透過光モードは、(5)、(6)式から ξ〓ξB ………(8) で表わされ、第６図において、ハンチングを施し
た部分で示される。その他の部分が漏光モードで
ある。この図からわかるように、入射角θが大き
くまた入射位置パラメータξが大きいほど光は媒
質の方へ漏れることなく曲率部を透過する。第５
図に示すもののうち、光T1，T2は透過光モード
の例であり、光L1，L2は漏光モードの例である。
第７図には、８字形状のセンシング部３０におけ
る透過光Ｔと漏光Ｌの例が示されている。第６図
から曲率部を透過した直後の光量分布は、第５図
の曲率部の外側面SAに沿つて大きく、内側面SB
に沿つては透過光は存在しないような分布とな
る。これをプローブの断面の光量分布として示し
たものが第８図ａである。なお、第５図では半円
形であるが、完全に１周した直後の透過光分布も
全く同じである。従つて、第８図ａは、第７図に
おいて円弧部３４の出射端すなわちＡ−Ａ線に沿
つた断面における透過光の分布を示すもので、ハ
ツチング部分が透過光の領域である。図中、破線
は、媒質の屈折率ｎが変化した場合に透過光領域
である。 次に、第７図において、円弧部３２は、円弧部
３４に連続しているので、円弧部３４の出射光の
モードパターンは、同時に逆方向の曲率をもつた
円弧部３２の入射光のパターンになる。この場合
入射光のパターンは、円弧部３２に対して入射位
置パラメータξ＝ｈ／ａが小さな入射モードに対
応することとなるため、円弧部３２においては漏
光モードとなる。これらの関係を定量的に示すと
第１０図の如くなる。結果的に、８字状のセンシ
ング部３０では、透過モードでは入射角θが大き
く、かつ、入射位置パラメータξが1/2、つまり
導波路の中央部に集中したードの光だけが通過す
ることとなる。円弧部３２を通過した直後の透過
光の分布パターンすなわち円弧部３２の出射端で
あるＡ−Ａ線に沿つた断面におけるパターンは第
８図ｂに示す如くとなり、破線で示すように屈折
率変化による割合が大きくなる。すなわち、８字
状のセンシング部３０において、測定媒質の屈折
率変化による相対的な光量変化は大きくなり、感
度は向上することになる。更に、導光路に８字状
に曲率を形成した場合、一定の測定対象に対し、
曲率パラメータαを変化させ第１０図の最小透過
入射角θn＝sin-1（2α／α＋１ ｎ／n0）が臨界値θn
＝ π／２を越えると、第８図ｃに示す分布となる。
この時実質的に透過光量が零になるカツトオフ特
性を示すようになる。そして、この曲率近傍で感
度は最大になる。これに対し、例えば第４図に示
す従来のものでは、仮にその曲率を無限に大きく
したとしても必ず残留添過光が存在し、カツトオ
フ特性を示すことはない。従つて、特に低屈折率
の媒質に対する感度が低下することとなる。この
ような曲率無限大（α＝∞）の単一曲率の場合の
透過特性の例が第９図に示されている。曲線LC
は、 ξB＝（ｎ／n0）１／sinθ ………(9) の関係を満たすものであり、同図のハツチング部
分がある屈折率ｎに対する永久残留光の部分とな
る。 第１０図には、８字状のセンシング部３０の透
過特性が示されている。この図のうち、曲線LD
は、 ξB＝（ｎ／n0）α／α−１ １／sinθ−１／α−１…
……(10) で表わされる円弧部３４における境界件を示すも
のであり、曲線LEは、 ξB′＝１−ξB ………(11) で表わされる円弧部３２の境界条件を示すもので
ある。この図のうち、ハツチング部分すなわちξ
〓ξB、ξ〓ξB′の部分が透過光モードとなる領域
であり、その他の部分すなわちξ＜ξB又はξ＜
ξB′の部分が漏光モードとなる領域である。 次に、上記実施例における特性例と測定例を、
第１１図を参照しながら説明する。まず第１１図
ａには、本実施例における測定プローブ２４の特
性が示されている。図の縦軸は、光の透過率Tt
であり、媒質が空気の場合の透過光量Eairを、各
媒質における透過光量Ｅで割つたものとして定義
されている。また、図の横軸は、屈折率比（ｎ／
n0）であり、各媒質の屈折率ｎを、測定プローブ
２４の光導波路の屈折率（n0＝1.456）で割つた
ものである。測定媒質として、純水、水−アルコ
ール水溶液、イソプロピルアルコールを使用し、
光源としてHe−Neレーザを使用し、測定プロー
ブ２４の材料として屈折率n0＝1.456、プローブ
径ａ＝3.5φの石英ガラスを使用している。 各曲率に対して透過率Ttは、カツトオフ特性
を示しているが、製作上の精度残存歪により、理
論的に予想されるものよりカツトオフ特性は多少
鈍化していると言える。各々の屈折率を有する測
定媒質の屈折率ｎに対する最適な曲率αは、カツ
トオフ条件θn＝π／２から α＝１／２（ｎ／n0）−１………(12) で与えられる。例えば、第１１図ａに示されてい
る水（ｎ＝1.3337）からエタノール（ｎ＝
1.3633）にかけての領域での平均屈折率＝
1.3485の媒質に対し、石英ガラスの測定プローブ
２４を使用した場合、最適の曲率αは、1.173す
なわちＲ／ａ＝5.78となる。 第１１図ｂには、プロピルアルコールを基準と
した時の相対透過光量の変化が示されている。横
軸には媒質の屈折率ｎ、縦軸には、各媒質の透過
光量Ｅを、イソプロピルアルコールの透過光量
E0に対し（Ｅ−E0）／E0の相対光量変化として
各々とつたものである。また、第１１図ａと同様
にしてαをパラメータとして示されている。この
図から、最適の曲率はα＝1.17（実線のカーブ）
となり、前述した値とほぼ一致する。本実施例に
よる測定プローブによれば、Ｓ／Ｎ比の点からみ
ると、10-5程度のオーダーまでの屈折率変化を検
出することが可能である。 なお、第１２図ａ，ｂには、第４図に示すよう
な円弧部を設けたプローブによる透過率特性と感
度特性が第１１図ａ，ｂに対応させて各々示され
ている。まず、第１１図ａと第１２図ａとを比較
すると、透過率Ttはカツトオフ特性を示さず、
単調に屈折率比（ｎ／n0）＝１に向かつて減少し
ているのみであり、上記実施例と顕著に相違す
る。次に、同図ｂを比較すると、相対光量変化す
なわち感度は、曲率による差は小さく（この場合
理論的には、感度は曲率パラメータαが大きいほ
ど大きくなるが、α〓n0＝1.456を越えると一定
になることが示される。）、また、絶対値的にも変
化量が小さく、上記実施例の10分の１程でしかな
く、この点でも本実施例の方が優れていると認め
られる。 本実施例によれば、次のような効果がある。 測定媒質の屈折率に対応して、最大感度を有
する導波路の屈折率、半径及び曲率半径を備え
た屈折率測定プローブを得ることができ、この
プローブによる屈折率測定分解能は、10-5オー
ダー程度と高く高感度であり、また、曲率を変
更することによつて高屈折率（例えばｎn0）
の領域から低屈折率（例えばｎ1.1ないし
1.2）の領域までかかる分解能による屈折率ひ
いては濃度の測定が可能となる。 特性は、曲率パラメータαで決まり、導波路
径ａを小さくすれば、プローブの小型化も可能
となる。また、直線部２８の長さを自由に選択
でさるとともに、光フアイバー３８を利用すれ
ば離れた地点に対する測定も十分に行うことが
できる。 構造も単純であり、複雑な計測機器を必要と
せず、廉価である。 光を利用するので、爆発性、有毒性のある媒
質に対しても適用でき、また、光フアイバ３８
を用いてリモート化を図ることにより一層安全
性の向上を図ることができる。 導波路にはコアがなく、LNGのような低温
媒質に対しても適用可能である。 〔発明の効果〕 本発明によれば、測定媒質の屈折率に対応し
て、最大感度を有する導波路の屈折率、半径及び
曲率半径を備えた屈折率測定プローブを得ること
ができ、従つて、本発明による屈折率測定プロー
ブによれば、簡易な構成であるにもかかわらず、
極めて高感度で、良好に媒質の屈折率を測定する
ことができるという効果がある。
第１図は本発明にかかる屈折率測定プローブを
示す平面図、第２図ないし第４図は従来の測定装
置の例を示す説明図、第５図は本実施例における
作業原理を説明する説明図、第６図は単一曲率部
の光のモードの関係を示す線図、第７図は本実施
例における光の進行例を示す説明図、第８図は光
の分布状態を示す説明図、第９図は曲率が無限大
であつて単一曲率を有するプローブのモード関係
を示す線図、第１０図は本実施例におけるモード
関係を示す線図、第１１図は本実施例の透過率特
性及び感度特性例を示す線図、第１２図は第４図
に示す従来例の透過率特性及び感度特性例を示す
線図である。 ２４……測定プローブ、３０……センシング
部、３２，３４……円弧部、ａ……線径、Ｒ……
曲率半径、Ｌ，L1，L2……漏光、Ｔ，T1，T2…
…透過光。
示す平面図、第２図ないし第４図は従来の測定装
置の例を示す説明図、第５図は本実施例における
作業原理を説明する説明図、第６図は単一曲率部
の光のモードの関係を示す線図、第７図は本実施
例における光の進行例を示す説明図、第８図は光
の分布状態を示す説明図、第９図は曲率が無限大
であつて単一曲率を有するプローブのモード関係
を示す線図、第１０図は本実施例におけるモード
関係を示す線図、第１１図は本実施例の透過率特
性及び感度特性例を示す線図、第１２図は第４図
に示す従来例の透過率特性及び感度特性例を示す
線図である。 ２４……測定プローブ、３０……センシング
部、３２，３４……円弧部、ａ……線径、Ｒ……
曲率半径、Ｌ，L1，L2……漏光、Ｔ，T1，T2…
…透過光。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 導波路が接する測定媒質の屈折率を、該導波
路に導入された光の透過量によつて測定する屈折
率測定プローブにおいて、 前記導波路は、８字状に連続して曲折された二
つの円弧部を有し、 該円弧部の曲率半径Ｒが、導波路径をａ、導波
路屈折率をn0、測定媒質の平均屈折率をとした
とき、 １＋ａ／Ｒ＝１／｛２（／n0）−１｝ で定まる屈折率測定プローブ。 ２ 水からエタノールにかけての平均屈折率＝
1.3485の媒質に対し、石英ガラス（導波路屈折率
n0＝1.456）の測定プローブを使用したとき、前
記円弧部の曲率半径Ｒと導波路径ａとの比Ｒ／ａ
を、Ｒ／ａ＝5.78とした特許請求の範囲第１項記
載の屈折率測定プローブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3627385A JPS61196139A (ja) | 1985-02-27 | 1985-02-27 | 屈折率測定プロ−ブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3627385A JPS61196139A (ja) | 1985-02-27 | 1985-02-27 | 屈折率測定プロ−ブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61196139A JPS61196139A (ja) | 1986-08-30 |
| JPH0255743B2 true JPH0255743B2 (ja) | 1990-11-28 |
Family
ID=12465159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3627385A Granted JPS61196139A (ja) | 1985-02-27 | 1985-02-27 | 屈折率測定プロ−ブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61196139A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150008990A1 (en) * | 2013-07-03 | 2015-01-08 | City University Of Hong Kong | Waveguides |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5419794A (en) * | 1977-07-01 | 1979-02-14 | Battelle Memorial Institute | Generator for photosignal correstponding to refractive index of fluid |
| JPS5673335A (en) * | 1979-10-03 | 1981-06-18 | Battelle Memorial Institute | Optical signal generator responding to refractive index |
-
1985
- 1985-02-27 JP JP3627385A patent/JPS61196139A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5419794A (en) * | 1977-07-01 | 1979-02-14 | Battelle Memorial Institute | Generator for photosignal correstponding to refractive index of fluid |
| JPS5673335A (en) * | 1979-10-03 | 1981-06-18 | Battelle Memorial Institute | Optical signal generator responding to refractive index |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61196139A (ja) | 1986-08-30 |
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