JPH0949796A - 屈折率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】調整や測定が容易で、かつ小型・軽量化が可能
な屈折率測定装置を提供する。 【解決手段】本発明の屈折率測定装置は、光源３と、光
を導波する導波路７と、該導波路７に光源３からの光を
結合する光結合手段２を備え、光結合手段２により光を
導波路７に結合し該導波路７に光を導波させ、導波路７
よりも屈折率の低いギャップ層１０を介して被測定媒質
１１を近接させ、導波路７を導波した光を被測定媒質１
１中に出射させ、その出射角θを測定することを特徴と
している。ここで、出射光の出射角θは媒質１１の屈折
率ｎm に依存し、導波路７の等価屈折率をＮとすると、
Ｎ＝ｎm sinθ で表されるから、出射光の出射角θを測
ることによって媒質の屈折率ｎm を知ることができる。
また、本発明の屈折率測定装置は導波路を用いているの
で小型・軽量化が可能であり、調整や測定も比較的容易
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体や液体の屈折
率を測定する屈折率測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体や液体の屈折率を測定する方
法の一つとして臨界角測定による方法があり、例えば、
プルフリヒ屈折計を用いる方法、アッベの屈折計を用い
る方法等が良く知られている。ここで従来の屈折率測定
装置の一例として、図１３（ａ），（ｂ）にプルフリヒ
の屈折計を示す。図１３（ａ）に示すように直角プリズ
ムを高屈折率ｎ₀ のガラスで作り、この上面に光の入射
面とプリズムとの接触面の２面を直角に正確に磨いた試
料を載せる。この時、接触面には試料の屈折率より高い
屈折率をもつ微量の液体などを挾んで密着させる。そし
て、収束光を試料とプリズムの境界面すれすれに入射し
たとき、臨界角に相当する出射角に明暗が生じるから、
この出射角ｉを測定すれば、屈折則を用いた次式から試
料の屈折率ｎが求まる。 ｎ＝√(ｎ₀ ²−sin²i) また、液体の屈折率を求めるときには、図１３（ｂ）に
示すようにガラス製の容器をプリズムの上に接合し、こ
の中に液体を満たして上記と同様の測定を行なう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
（ａ），（ｂ）に示した従来例では、収束光をプリズム
と試料に境界面すれすれに入射するように合わせなけれ
ばならない。また、光がプリズムから出射する角度ｉを
測定するのに、プリズムからの出射位置を探さなければ
ならない、などといった調整が大変である。

【０００４】また、アッベの屈折計を用いる方法は、直
角プリズムの斜面を利用して測定する点及び液体の屈折
率測定に便利なように設計されている点を除けば、原理
的には上記プルフリヒ屈折計と同じものであるので、同
様の問題がある。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、調整や測定が容易で、かつ小型・軽量化が可能な
屈折率測定装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、固体や液体の屈折率を測定
する屈折率測定装置であって、光源と、光を導波する導
波路と、該導波路に光源からの光を結合する光結合手段
を備え、前記光結合手段により光を前記導波路に結合し
該導波路に光を導波させ、前記導波路よりも屈折率の低
いギャップ層を介して被測定媒質を近接させ、前記導波
路を導波した光を前記被測定媒質中に出射させ、その出
射角を測定することを特徴としている。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の屈
折率測定装置において、前記ギャップ層の一部を厚くし
たことを特徴としている。

【０００８】請求項３記載の発明は、請求項１及び２記
載の屈折率測定装置において、前記被測定媒質中に出射
した光を検出するフォトディテクタを設け、該フォトデ
ィテクタが前記導波路から光が出射する位置を中心に回
転できることを特徴としている。

【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１及び２記
載の屈折率測定装置において、前記被測定媒質中に出射
した光の出射角を測定するために、複数の光検出部が前
記導波路から光が出射する位置を中心に円弧状に並んだ
アレイ状光検出器を設けたことを特徴としている。

【００１０】請求項５記載の発明は、請求項１及び２記
載の屈折率測定装置において、前記被測定媒質中に出射
した光の出射角を測定するために、複数の光検出部が直
線状に並んだアレイ状光検出器を設けたことを特徴とし
ている。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１，２，
３，４，及び５記載の屈折率測定装置において、前記導
波路の光の出射部に、被測定媒質である液体を入れる容
器を設けたことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施例に基
づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る屈折率測定
装置の説明図である。図１において、この屈折率測定装
置は、レーザ光源３と、該レーザ光源３からの光を平行
光束にするコリメートレンズ４と、導波路デバイス１
と、光結合器２とを備えた構成となっており、レーザ光
源３から出射された光はコリメートレンズ４で平行光と
なった後、光結合器２により導波路デバイス１に入射さ
れる。導波路デバイス１は、基板５上に積層形成された
バッファ層６、導波路層７よりなる光導波路と、該光導
波路に光を結合させる光結合器２を持ち、導波路に光を
結合させる方法として、図１の例ではプリズム結合法を
用いているが、他にグレーティング結合法や端面結合法
などでもよい。プリズム結合器２の部分は、屈折率ｎw
の導波路層７と、ｎwよりも低い屈折率ｎb のバッファ
層６と、ｎw よりも低い屈折率ｎg のギャップ層８と、
ｎw よりも高い屈折率ｎp のプリズム９からなる。この
プリズム結合器２を介して導波路層７に結合した光は導
波路層７を導波する。そして、導波路層７を導波した導
波光は、導波路層７の上にギャップ層１０を介して、導
波路層７の屈折率ｎw よりも高い屈折率ｎm の媒質１１
が存在すると、光は導波路から媒質中に出射する。この
時、出射光の出射角θは媒質１１の屈折率ｎm に依存
し、導波路の等価屈折率をＮとすると、 Ｎ＝ｎm sinθ ・・・(１) で表される。よって、出射角θを測ることによって媒質
の屈折率ｎm を知ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のより具体的な実施例について
説明する。図２は本発明の一実施例を示す屈折率測定装
置の説明図である。図２において図１と同符号を付した
部分は同様の構成部である。図２の実施例は、被測定媒
質でプリズム１１’を作製し、該プリズム１１’を導波
路デバイス１の導波路層７上に圧着した例であり、この
ようにプリズム１１’を導波路に圧着すると、導波路と
プリズム１１’の間の空気層１０’がギャップ層とな
り、導波光はプリズム１１’中へ出射する。そこで、こ
の出射光の出射角θを測定することによって、前記の
(１)式よりプリズム１１’の媒質の屈折率が判る。

【００１４】ここで具体例として、光源３に波長０．７
８８μｍの半導体レーザを用い、基板５上に屈折率１．
４６のＳｉＯ₂ のバッファ層６、その上に屈折率１．
５，膜厚１．６μｍのＳｉＯＮの導波路層７を積層形成
し、その上に空気層１０’をギャップ層として被測定媒
質からなるプリズム１１’を圧着した場合の、出射角θ
とプリズム１１’の屈折率の関係を図３に示す。このよ
うに出射角θを測定することによって、種々の被測定媒
質からなるプリズム１１’の屈折率を知ることができ
る。

【００１５】次に図４は本発明の別の実施例を示す屈折
率測定装置の説明図であり、被測定媒質からなるプリズ
ム１１’と導波路７の間に導波路の屈折率よりも低い屈
折率のマッチング液１０”をギャップ層として含浸した
例である。このように導波路７とプリズム１１’の間に
導波路の屈折率よりも低い屈折率のマッチング液を含浸
させると、マッチング液により導波光の浸み出しを大き
くして結合を強めることができる。このマッチング液と
して例えば屈折率１．４７のグリセリンを用いると、出
射角θとプリズム１１’の屈折率の関係は図３と同じと
なる。

【００１６】尚、本発明の屈折率測定装置（図１，２，
４）は光源から導波路デバイスまでを一体化できるた
め、組み付け時に調整しておけば、測定の際、光軸合わ
せの必要がない。また、導波路を用いているので小型軽
量化が可能である。

【００１７】次に図５は本発明の屈折率測定装置を液体
の屈折率の測定に用いた場合の実施例を示す説明図であ
り、図１と同符号を付した部分は同様の構成部であり基
本的な構成も同じであるが、図５の構成では、導波路デ
バイス１のプリズム結合器２側と光出射側のギャップ層
を、導波路層７上に一定の膜厚に形成した共通のギャッ
プ層８’としており、導波路デバイス１の光出射側を被
測定液体１２の中に入れて屈折率の測定を行なう。

【００１８】図５に示す構成の屈折率測定装置におい
て、具体例として、レーザ光源３の波長を０．７８８μ
ｍとし、基板５の上に屈折率１．２３のＣａＦ₂ のバッ
ファ層６、バッファ層６の上に屈折率１．２５，膜厚
１．６μｍのＣａＦ₂ の導波路層７、導波路層７の上に
屈折率１．２３のＣａＦ₂ のギャップ層８’を用いる。
そして、光出射側の導波路部分を被測定液体１２の中に
入れる。液体１２の屈折率がギャップ層８’の屈折率
１．２３より高い場合、導波光は液体中に出射する。こ
のときの液体の屈折率と出射角θの関係を図６（ａ）に
示す。

【００１９】また別の具体例として、基板５の上に屈折
率１．３６のＭｇＦ₂ のバッファ層６、屈折率１．３
７，膜厚１．６μｍのＭｇＦ₂ の導波路層７、屈折率
１．３６のＭｇＦ₂ のギャップ層８’を用いた場合、液
体の屈折率と出射角θの関係は図６（ｂ）のようにな
る。

【００２０】このように、本発明の屈折率測定装置を液
体の屈折率測定に用いた場合、導波路デバイス１の光出
射側の導波路部分を液体１２の中に入れて出射角θを測
るだけで液体の屈折率を測定できる。

【００２１】次に図７は本発明の請求項２の実施例を示
す屈折率測定装置の導波路デバイスの説明図である。本
実施例は、図７（ａ）のように、導波路デバイス１の導
波路層７上に積層するギャップ層として一部を厚くした
ギャップ層１３を設けるか、あるいは図７（ｂ）のよう
に、導波路デバイス１の導波路層７上に一定の膜厚の第
１ギャップ層１４ａを設け、その第１ギャップ層１４ａ
の一部の上に第２ギャップ層１４ｂを設けたものであ
る。本実施例のギャップ層の厚い部分、あるいは第２ギ
ャップ層の存在する部分では、その上に屈折率の高い媒
質が存在しても導波光のエネルギーは屈折率の高い媒質
に到達できず、導波路から出射できない。よって、本実
施例の導波路デバイスを液体の屈折率測定に用いた場
合、図８のように、被測定液体１２の液面の位置に関係
なくギャップ層１３の薄い部分から光が出射するので、
出射角θを測定するのが容易となる。尚、図８は図７
（ａ）の導波路デバイスを液体の屈折率測定に用いた例
であるが、図７（ｂ）の場合も同様である。

【００２２】次に図９は本発明の請求項３の実施例を示
す屈折率測定装置の説明図であり、（ａ）は被測定媒質
が固体の場合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示し
ている。本実施例は、図９（ａ），（ｂ）に示すよう
に、導波路から被測定媒質に出射した光の出射角θを測
定するために、出射光を検出するフォトディテクタ１６
を設け、導波路から光が出射する位置Ｏを中心にフォト
ディテクタ１６が回転できるように構成したものであ
る。すなわち、Ｏを中心にフォトディテクタ１６を回転
し、フォトディテクタ１６で光が検出されたときの回転
角を見ることによって出射角θを測定できる。また、図
９（ａ）のように、被測定媒質からなるプリズム１５の
光出射面を扇型（Ｏを中心とした円弧）にすると、光が
プリズム１５から空気中に出るとき出射角が変化しな
い。また、図示しないが、フォトディテクタ１６の回転
角を図るのにロータリーエンコーダを用いると、正確か
つ迅速に測定可能である。

【００２３】本実施例において、図７（ａ）あるいは図
７（ｂ）に示した導波路デバイスを用いた場合、図９
（ｂ）のようにギャップ層１３の厚いところと薄いとこ
ろの境界にフォトディテクタ１６の回転中心Ｏを設定す
ることにより、被測定液体１２に入れた時の液面の位置
に依存しないで光がＯから出射するので、容易に出射角
を測定できる。尚、図９の実施例においては、フォトデ
ィテクタ１６の代わりにＯを中心に回転できる機構を備
えた望遠鏡を用いてもよい。

【００２４】次に図１０は本発明の請求項４の実施例を
示す屈折率測定装置の説明図であり、（ａ）は被測定媒
質が固体の場合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示
している。本実施例は、図１０（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、導波路から被測定媒質に出射した光の出射角θを
測定するために、複数の光検出部が導波路から光が出射
する位置Ｏを中心に円弧状に並んだアレイ状光検出器
（フォトディテクタアレイあるいはＣＣＤ等）１７を設
けたものである。すなわち本実施例では、アレイ状光検
出器１７により瞬時に出射角θを求めることができる。
また、図１０（ｂ）に示すように、図９（ｂ）の実施例
と同様にギャップ層１３の厚いところと薄いところの境
界にアレイ状光検出器１７の円弧の中心Ｏを設定するこ
とにより、導波路デバイス１を液体１２に入れた時の液
面の位置に依存しないで光がＯから出射するので、容易
に出射角θを測定できる。

【００２５】次に図１１は本発明の請求項５の実施例を
示す屈折率測定装置の説明図であり、（ａ）は被測定媒
質が固体の場合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示
している。本実施例は図１１（ａ），（ｂ）に示すよう
に、図１０（ａ），（ｂ）と同様のアレイ状光検出器
（フォトディテクタアレイあるいはＣＣＤ等）１８を直
線状にしたものである。このような直線状のアレイ状光
検出器１８は、図１０の円弧状のものに比べて作製が容
易である。

【００２６】ここで図１１（ａ），（ｂ）に示すよう
に、アレイ状光検出器１８の一端側と導波路のなす角度
をαとし、その端部から光の出射位置Ｏまでの距離を
Ｌ、端部からアレイ状光検出器１８による出射光の検出
部までの距離をＳとすると、出射角θは、 θ＝arctan{(Ｌ−Ｓcosα)／Ｓsinα} ・・・(２) で表わされる。すなわち、アレイ状光検出器１８の信号
を(２)式を使って出射角θに変換することができる。

【００２７】次に図１２は本発明の請求項６の実施例を
示す屈折率測定装置の説明図である。本実施例は、本発
明の屈折率測定装置を液体の屈折率測定に用いる場合
に、導波路デバイス１の光の出射部に、被測定媒質であ
る液体１２を入れる容器１９，２０を設けたものであ
り、（ａ）は円弧形状の容器１９を設けた例、（ｂ）は
直線形状の容器２０を設けた例である。本実施例では、
容器１９，２０に被測定液体１２を入れて簡易に液体の
屈折率測定ができ、しかも被測定液体１２の量が少なく
てよいという利点がある。また、容器１９，２０をガラ
ス等の透明な部材で形成することにより、前述のフォト
ディテクタやアレイ状光検出器、望遠鏡等の測定手段を
容器外に設置でき、出射角の測定を容易に行なうことが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の屈折率
測定装置においては、導波路を用いているので小型・軽
量化が可能である。また、光源から導波路デバイスまで
一体化できるので測定の際、光軸の調整がいらないとい
う利点がある。

【００２９】請求項２の屈折率測定装置においては、ギ
ャップ層の一部が厚くなっていて被測定液体の液面の位
置によらず光が導波路から出射する位置が同じなので、
被測定媒質が液体の場合でも、出射角を測定するのが容
易である。

【００３０】請求項３の屈折率測定装置においては、光
が導波路から出射する位置を中心にフォトディテクタを
回転できるので、容易に出射角を測定することができ
る。

【００３１】請求項４の屈折率測定装置においては、複
数の光検出部が光が導波路から出射する位置を中心に円
弧状に並んだアレイ状光検出器（フォトディテクタアレ
イ、ＣＣＤ等）を設けているので、容易に出射角を測定
することができる。

【００３２】請求項５の屈折率測定装置においては、複
数の光検出部が直線状に並んだアレイ状光検出器（フォ
トディテクタアレイ、ＣＣＤ等）を用いているので、容
易に出射角を測定することができ、アレイ状光検出器の
作製も容易である。

【００３３】請求項６の屈折率測定装置においては、導
波路の光の出射部に、被測定媒質である液体を入れる容
器を設けているので、簡易に液体の屈折率測定ができ、
液体の量も少なくて良い。また、容器を透明な部材で形
成することにより、フォトディテクタやアレイ状光検出
器、望遠鏡等の測定手段を容器外に設置でき、出射角の
測定が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る屈折率測定装置の説明図である。

【図２】本発明の一実施例を示す屈折率測定装置の説明
図である。

【図３】図２の屈折率測定装置を用いた場合の、出射角
と被測定媒質からなるプリズムの屈折率の関係の例を示
す図である。

【図４】本発明の別の実施例を示す屈折率測定装置の説
明図である。

【図５】本発明の屈折率測定装置を液体の屈折率の測定
に用いた場合の実施例を示す説明図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は図５の屈折率測定装置を用い
た場合の、液体の屈折率と出射角の関係の例をそれぞれ
示す図である。

【図７】本発明の請求項２の実施例を示す屈折率測定装
置の導波路デバイスの説明図である。

【図８】図７（ａ）の導波路デバイスを液体の屈折率測
定に用いた場合の実施例を示す説明図である。

【図９】本発明の請求項３の実施例を示す屈折率測定装
置の説明図であり、（ａ）は被測定媒質が固体の場合、
（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示す図である。

【図１０】本発明の請求項４の実施例を示す屈折率測定
装置の説明図であり、（ａ）は被測定媒質が固体の場
合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示す図である。

【図１１】本発明の請求項５の実施例を示す屈折率測定
装置の説明図であり、（ａ）は被測定媒質が固体の場
合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示す図である。

【図１２】本発明の請求項６の実施例を示す屈折率測定
装置の説明図であり、（ａ）は液体を入れる容器を円弧
形状とした例、（ｂ）は液体を入れる容器を直線形状と
した例を示す図である。

【図１３】従来の屈折率測定装置の一例を示すプルフリ
ヒ屈折計の説明図であり、（ａ）は被測定媒質が固体の
場合、（ｂ）は被測定媒質が液体の場合を示す図であ
る。

【符号の説明】

１：導波路デバイス ２：光結合器（プリズム結合器） ３：レーザ光源 ４：コリメートレンズ ５：基板 ６：バッファ層 ７：導波路層 ８，８’，１０，１３，１４ａ，１４ｂ：ギャップ層 ９：光結合用のプリズム １０’：空気層（ギャップ層） １０”：マッチング液（ギャップ層） １１：被測定媒質 １１’，１５：被測定媒質からなるプリズム １２：被測定液体 １６：フォトディテクタ １７：円弧状のアレイ状光検出器 １８：直線状のアレイ状光検出器 １９，２０：容器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体や液体の屈折率を測定する屈折率測定
   装置であって、光源と、光を導波する導波路と、該導波
   路に光源からの光を結合する光結合手段を備え、前記光
   結合手段により光を前記導波路に結合し該導波路に光を
   導波させ、前記導波路よりも屈折率の低いギャップ層を
   介して被測定媒質を近接させ、前記導波路を導波した光
   を前記被測定媒質中に出射させ、その出射角を測定する
   ことを特徴とする屈折率測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の屈折率測定装置において、
   前記ギャップ層の一部を厚くしたことを特徴とする屈折
   率測定装置。
3. 【請求項３】請求項１及び２記載の屈折率測定装置にお
   いて、前記被測定媒質中に出射した光を検出するフォト
   ディテクタを設け、該フォトディテクタが前記導波路か
   ら光が出射する位置を中心に回転できることを特徴とす
   る屈折率測定装置。
4. 【請求項４】請求項１及び２記載の屈折率測定装置にお
   いて、前記被測定媒質中に出射した光の出射角を測定す
   るために、複数の光検出部が前記導波路から光が出射す
   る位置を中心に円弧状に並んだアレイ状光検出器を設け
   たことを特徴とする屈折率測定装置。
5. 【請求項５】請求項１及び２記載の屈折率測定装置にお
   いて、前記被測定媒質中に出射した光の出射角を測定す
   るために、複数の光検出部が直線状に並んだアレイ状光
   検出器を設けたことを特徴とする屈折率測定装置。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４，及び５記載の屈折
   率測定装置において、前記導波路の光の出射部に、被測
   定媒質である液体を入れる容器を設けたことを特徴とす
   る屈折率測定装置。