JPH1038801A - 全反射型屈折率センサ - Google Patents
全反射型屈折率センサInfo
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- JPH1038801A JPH1038801A JP8208841A JP20884196A JPH1038801A JP H1038801 A JPH1038801 A JP H1038801A JP 8208841 A JP8208841 A JP 8208841A JP 20884196 A JP20884196 A JP 20884196A JP H1038801 A JPH1038801 A JP H1038801A
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- 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
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- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温の液体の屈折率測定に好適で小型且つ高
精度な屈折率測定の可能な全反射型屈折率センサを提供
することにある。 【解決手段】 導波層の出射面９と光検出器１６との間
を光ファイバアレイ１２で連結した。光検出器１６によ
り被検体Ｍと導波層との接触面８からの全反射光を検出
する。光ファイバアレイ１２の光ファイバ１２ａは、全
反射臨界角に基づいて測定される屈折率の精度ΔｎがΔ
ｎ≦５×１０-4となるように光ファイバ径及びその配置
を設定するのが好ましい。
精度な屈折率測定の可能な全反射型屈折率センサを提供
することにある。 【解決手段】 導波層の出射面９と光検出器１６との間
を光ファイバアレイ１２で連結した。光検出器１６によ
り被検体Ｍと導波層との接触面８からの全反射光を検出
する。光ファイバアレイ１２の光ファイバ１２ａは、全
反射臨界角に基づいて測定される屈折率の精度ΔｎがΔ
ｎ≦５×１０-4となるように光ファイバ径及びその配置
を設定するのが好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、種々の液体の屈折
率を測定する全反射型屈折率センサに関する。より詳細
には高温の液体の屈折率の測定に好適な全反射型屈折率
センサに関する。
率を測定する全反射型屈折率センサに関する。より詳細
には高温の液体の屈折率の測定に好適な全反射型屈折率
センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】物質の同定、溶液濃度の測定、混合液の
混合度の測定、不純物濃度の測定、溶液中の析出物及び
沈殿物の発生の監視、液体中での反応状態の監視、重合
の監視等において、屈折率の測定が利用されている。石
油工業の製造現場では目的とする石油製品中へ混入する
他の成分の濃度を、屈折率を測定することにより調べて
いる。例えば、オクタンを製造する際に、ブタンが混入
しやすく、ブタンが混入したオクタンの屈折率は、純粋
なオクタンの屈折率（１．３９）に比べてブタンの混入
率に応じて低下する。それゆえ、生成したオクタンの屈
折率を測定することでブタンの混入率がわかる。この
他、かかる原理を利用した屈折率計は、飲料食品、薬
品、香料、醸造品、界面活性剤等を扱う分野においても
利用されている。
混合度の測定、不純物濃度の測定、溶液中の析出物及び
沈殿物の発生の監視、液体中での反応状態の監視、重合
の監視等において、屈折率の測定が利用されている。石
油工業の製造現場では目的とする石油製品中へ混入する
他の成分の濃度を、屈折率を測定することにより調べて
いる。例えば、オクタンを製造する際に、ブタンが混入
しやすく、ブタンが混入したオクタンの屈折率は、純粋
なオクタンの屈折率（１．３９）に比べてブタンの混入
率に応じて低下する。それゆえ、生成したオクタンの屈
折率を測定することでブタンの混入率がわかる。この
他、かかる原理を利用した屈折率計は、飲料食品、薬
品、香料、醸造品、界面活性剤等を扱う分野においても
利用されている。
【０００３】屈折率の測定には種々のタイプの屈折率計
が知られている。例えば、アッベの屈折率計は２個の直
角プリズムの対向する斜面の間に試料を挟み、０．１ｍ
ｍ程度の液体試料層を形成し、かかる試料層に光を照射
したときの臨界角に相当する出射角を測定する。アッベ
の屈折率計は透過型なので例えば、原油等のような濃着
色試料に対して使用できず、試料の注入を必要とするこ
とから製造現場での連続的な監視には適さない。透過型
屈折率計のかかる欠点を解消する屈折率計として反射型
屈折率計が知られている。例えば、特開平２−１１４１
５１号は、光線束を試料の全反射に対する限界角度を含
むような角度領域下で測定面に照射し、測定面からの反
射光を光の強度変化として受信器で測定する反射型屈折
率計を開示している。この他にも例えば潤滑油等を対象
とする米国エレクトロマシーン社の屈折濃度計（ＳＳＲ
−７２型）やバルクプリズムを利用したＡＴＡＧＯ社の
プロセス屈折率計（ＰＲＭシリーズ）がある。しかしな
がら、これらの屈折率計は、バルクプリズムやランプ光
源等を用いるため装置が大型化する、測定に長時間を要
する、測定精度が十分でない等の問題があった。
が知られている。例えば、アッベの屈折率計は２個の直
角プリズムの対向する斜面の間に試料を挟み、０．１ｍ
ｍ程度の液体試料層を形成し、かかる試料層に光を照射
したときの臨界角に相当する出射角を測定する。アッベ
の屈折率計は透過型なので例えば、原油等のような濃着
色試料に対して使用できず、試料の注入を必要とするこ
とから製造現場での連続的な監視には適さない。透過型
屈折率計のかかる欠点を解消する屈折率計として反射型
屈折率計が知られている。例えば、特開平２−１１４１
５１号は、光線束を試料の全反射に対する限界角度を含
むような角度領域下で測定面に照射し、測定面からの反
射光を光の強度変化として受信器で測定する反射型屈折
率計を開示している。この他にも例えば潤滑油等を対象
とする米国エレクトロマシーン社の屈折濃度計（ＳＳＲ
−７２型）やバルクプリズムを利用したＡＴＡＧＯ社の
プロセス屈折率計（ＰＲＭシリーズ）がある。しかしな
がら、これらの屈折率計は、バルクプリズムやランプ光
源等を用いるため装置が大型化する、測定に長時間を要
する、測定精度が十分でない等の問題があった。
【０００４】出願人は、国際公開番号ＷＯ９４／２４５
４３号公報においてバルクプリズムやランプ光源を使用
しない全反射型屈折率センサを開示している。このセン
サは、基板上に導波層を具備し、この導波層に光を入射
させる光ファイバと接続された光入射面と、被検体と接
触する検出面と、該検出面からの反射光を出力する光出
射面とを備え、光出射面に接続されたＣＣＤセンサのよ
うな光検出手段を有する。光ファイバから出射される光
は固有の広がり角を有するので、被検体の検出面には中
心入射角を中心とした光束として達する。被検体の全反
射臨界角が中心入射角の広がりの範囲内にあると、この
臨界角を境に検出面での反射条件が異なるために光出射
面での光強度もその位置により変化する。この光強度の
変化は、ＣＣＤセンサによって全反射部分と透過・反射
部分との境である明暗境界として検出される。従って、
この明暗境界位置と屈折率との対応関係を予め求めてお
き、測定光と参照光との比を取ることにより被検体から
の全反射光による明暗境界位置を求め、被検体の屈折率
を容易且つ正確に求めることができる。また、この全反
射型屈折率センサは、基板に熱伝導性の良いＳｉを用い
ていることから、１℃あたりの屈折率変化が概ね０．０
００５という液体の屈折率の温度依存性が十分に補償さ
れる。それゆえ、被検体にセンサを接触させた後直ちに
屈折率を測定することができる。
４３号公報においてバルクプリズムやランプ光源を使用
しない全反射型屈折率センサを開示している。このセン
サは、基板上に導波層を具備し、この導波層に光を入射
させる光ファイバと接続された光入射面と、被検体と接
触する検出面と、該検出面からの反射光を出力する光出
射面とを備え、光出射面に接続されたＣＣＤセンサのよ
うな光検出手段を有する。光ファイバから出射される光
は固有の広がり角を有するので、被検体の検出面には中
心入射角を中心とした光束として達する。被検体の全反
射臨界角が中心入射角の広がりの範囲内にあると、この
臨界角を境に検出面での反射条件が異なるために光出射
面での光強度もその位置により変化する。この光強度の
変化は、ＣＣＤセンサによって全反射部分と透過・反射
部分との境である明暗境界として検出される。従って、
この明暗境界位置と屈折率との対応関係を予め求めてお
き、測定光と参照光との比を取ることにより被検体から
の全反射光による明暗境界位置を求め、被検体の屈折率
を容易且つ正確に求めることができる。また、この全反
射型屈折率センサは、基板に熱伝導性の良いＳｉを用い
ていることから、１℃あたりの屈折率変化が概ね０．０
００５という液体の屈折率の温度依存性が十分に補償さ
れる。それゆえ、被検体にセンサを接触させた後直ちに
屈折率を測定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、液体の屈折
率は、一般に、２０℃の温度条件で測定される。しかし
ながら、原油はこの温度では固化してしまうので、原油
を５０℃以上の温度に保持しながら屈折率を測定しなけ
ればならない。前記全反射型屈折率センサでは、光出射
面に光検出器を直接接続しているために、光検出器は被
検体（試料）とほぼ同じ温度になってしまう。一方、光
検出器として用いるＣＣＤは、約−２０〜５０℃の動作
温度範囲にあるため、原油のように５０℃以上の高温で
液体の屈折率を測定することができない。従って、前記
全反射型屈折率センサは試料の物理的な制約を受ける。
率は、一般に、２０℃の温度条件で測定される。しかし
ながら、原油はこの温度では固化してしまうので、原油
を５０℃以上の温度に保持しながら屈折率を測定しなけ
ればならない。前記全反射型屈折率センサでは、光出射
面に光検出器を直接接続しているために、光検出器は被
検体（試料）とほぼ同じ温度になってしまう。一方、光
検出器として用いるＣＣＤは、約−２０〜５０℃の動作
温度範囲にあるため、原油のように５０℃以上の高温で
液体の屈折率を測定することができない。従って、前記
全反射型屈折率センサは試料の物理的な制約を受ける。
【０００６】また、ＣＣＤセンサの出力値は温度依存性
を有するために、明暗境界位置を測定光と参照光との比
で求める方法では、測定光と参照光の測定時の温度のば
らつきの影響を受けやすく、測定結果の再現性が悪いと
いった問題があった。
を有するために、明暗境界位置を測定光と参照光との比
で求める方法では、測定光と参照光の測定時の温度のば
らつきの影響を受けやすく、測定結果の再現性が悪いと
いった問題があった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、高温の液体の屈
折率測定に好適で小型且つ高精度な屈折率センサを提供
することにある。
折率測定に好適で小型且つ高精度な屈折率センサを提供
することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従えば、屈折率
が測定される被検体との接触面を有し、該接触面に光を
入射する光入射路及び該接触面からの反射光を出射する
出射路が形成された導波層と、該導波層に接続されて該
入射路に光を供給する光供給手段と、該出射路を通じて
該導波層から出射した上記反射光を検出するための光検
出手段と、該導波層の出射路と該光検出手段との間に接
続された光伝送手段とを有し、該被検体の屈折率を該光
検出手段から観測される全反射臨界角に基づいて求める
ことを特徴とする全反射型屈折率センサが得られる。
が測定される被検体との接触面を有し、該接触面に光を
入射する光入射路及び該接触面からの反射光を出射する
出射路が形成された導波層と、該導波層に接続されて該
入射路に光を供給する光供給手段と、該出射路を通じて
該導波層から出射した上記反射光を検出するための光検
出手段と、該導波層の出射路と該光検出手段との間に接
続された光伝送手段とを有し、該被検体の屈折率を該光
検出手段から観測される全反射臨界角に基づいて求める
ことを特徴とする全反射型屈折率センサが得られる。
【０００９】本発明に従う全反射型屈折率センサでは、
導波層の出射面と光検出器との間を光伝送手段で連結し
た。このため、原油のような高温の試料の屈折率を測定
する場合にもＣＣＤセンサ等の光検出手段に試料の熱が
伝わり難く、光検出手段の動作温度を維持できる。一方
でセンサの導波層を熱伝導性の高い物質で構成すれば試
料温度の変化による屈折率測定を補償することができ
る。上記光伝送手段は、熱伝導率の低いプラスチック等
で形成された光ファイバを用いるのが好ましい。光ファ
イバは、全反射臨界角に基づいて測定される屈折率の精
度ΔｎがΔｎ≦５×１０-4となるように光ファイバ径及
びその配置を設定するのが好ましい。
導波層の出射面と光検出器との間を光伝送手段で連結し
た。このため、原油のような高温の試料の屈折率を測定
する場合にもＣＣＤセンサ等の光検出手段に試料の熱が
伝わり難く、光検出手段の動作温度を維持できる。一方
でセンサの導波層を熱伝導性の高い物質で構成すれば試
料温度の変化による屈折率測定を補償することができ
る。上記光伝送手段は、熱伝導率の低いプラスチック等
で形成された光ファイバを用いるのが好ましい。光ファ
イバは、全反射臨界角に基づいて測定される屈折率の精
度ΔｎがΔｎ≦５×１０-4となるように光ファイバ径及
びその配置を設定するのが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態及び実施例を
図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の全反射
型屈折率センサの一具体例の主要部の斜視図である。全
反射型屈折率センサは、基板１と基板６との間にクラッ
ド２／コア３／クラッド４からなる導波構造を有する。
かかる構造は、基板１上にクラッドガラス、コアガラス
及びクラッドガラスを順次積層し、更に接着剤５を介し
て基板６を貼り付けることによって形成される。下部基
板１及び上部基板６は、例えば、Ｓｉ基板や金属基板に
することができる。コア３及びクラッド２，４の材料と
しては、光ファイバ用の材料として一般に使用されてい
る材料が使用でき、例えば、コア／クラッド材料をＳｉ
Ｏ2 ／ＳｉＯ2 ＋ＧｅＯ2 ，ＳｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ＋Ｔｉ
Ｏ2 ，ＳｉＯ2 ＋ＳｉＦ4 ／ＳｉＯ2 等にすることがで
きる。クラッド２，４及びコア３は、ＣＶＤ、スパッタ
リング等の慣用の成膜技術で下部基板１上に堆積するこ
とができる。接着剤５としては、例えば、エポキシ樹脂
が使用される。
図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の全反射
型屈折率センサの一具体例の主要部の斜視図である。全
反射型屈折率センサは、基板１と基板６との間にクラッ
ド２／コア３／クラッド４からなる導波構造を有する。
かかる構造は、基板１上にクラッドガラス、コアガラス
及びクラッドガラスを順次積層し、更に接着剤５を介し
て基板６を貼り付けることによって形成される。下部基
板１及び上部基板６は、例えば、Ｓｉ基板や金属基板に
することができる。コア３及びクラッド２，４の材料と
しては、光ファイバ用の材料として一般に使用されてい
る材料が使用でき、例えば、コア／クラッド材料をＳｉ
Ｏ2 ／ＳｉＯ2 ＋ＧｅＯ2 ，ＳｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ＋Ｔｉ
Ｏ2 ，ＳｉＯ2 ＋ＳｉＦ4 ／ＳｉＯ2 等にすることがで
きる。クラッド２，４及びコア３は、ＣＶＤ、スパッタ
リング等の慣用の成膜技術で下部基板１上に堆積するこ
とができる。接着剤５としては、例えば、エポキシ樹脂
が使用される。
【００１１】全反射型光センサの構造は上記積層構造に
限定されず、導波層の代わりにクラッド／コア／クラッ
ドなる導波構造を、コアを０．５ｍｍ〜１ｍｍ厚の導波
ガラスで形成し、そのコアをクラッドとなる材料で挟み
込むように接着し、更に必要に応じて基板で挟み込んだ
構造体を用いても構わない。コアとなる導波ガラスに
は、石英ガラスや光学ガラス等のガラス、サファイア、
ジルコニアやダイヤモンド等の光学結晶、クラッドの材
料には、コアとなる導波ガラスより屈折率の低い石英ガ
ラスや光学ガラス当のガラス、サファイア、ジルコニア
やダイヤモンド等の光学結晶、基板には熱伝導性のよい
Ｓｉや金属等が用いられる。クラッドとコアとの接着剤
には、例えば、光学用エポキシ樹脂等が使用され、基板
とクラッドとの接着剤には、例えば、エポキシ樹脂等が
使用される。
限定されず、導波層の代わりにクラッド／コア／クラッ
ドなる導波構造を、コアを０．５ｍｍ〜１ｍｍ厚の導波
ガラスで形成し、そのコアをクラッドとなる材料で挟み
込むように接着し、更に必要に応じて基板で挟み込んだ
構造体を用いても構わない。コアとなる導波ガラスに
は、石英ガラスや光学ガラス等のガラス、サファイア、
ジルコニアやダイヤモンド等の光学結晶、クラッドの材
料には、コアとなる導波ガラスより屈折率の低い石英ガ
ラスや光学ガラス当のガラス、サファイア、ジルコニア
やダイヤモンド等の光学結晶、基板には熱伝導性のよい
Ｓｉや金属等が用いられる。クラッドとコアとの接着剤
には、例えば、光学用エポキシ樹脂等が使用され、基板
とクラッドとの接着剤には、例えば、エポキシ樹脂等が
使用される。
【００１２】この積層体は、クラッド２／コア３／クラ
ッド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、入射光を反射または透過しそして被検液Ｍ
との接触面を構成する検出面８と、反射光を出力する光
出射面９とを備えている。光入射面７はシングルモード
光ファイバ１０が埋設された光ファイバアレイ結合部１
１と接続されている。光出射面９は複数のシングルモー
ド光ファイバまたはマルチモード光ファイバからなる光
ファイバアレイ１２が埋設された光ファイバアレイ結合
部１３と接続されている。光ファイバ１０は、例えば、
ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓのような半導体レーザ、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源
（図示しない）に接続される。光ファイバアレイ結合部
１３から延在する光ファイバアレイ１２は光検出手段と
してのＣＣＤセンサ（図２参照）に接続される。
ッド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、入射光を反射または透過しそして被検液Ｍ
との接触面を構成する検出面８と、反射光を出力する光
出射面９とを備えている。光入射面７はシングルモード
光ファイバ１０が埋設された光ファイバアレイ結合部１
１と接続されている。光出射面９は複数のシングルモー
ド光ファイバまたはマルチモード光ファイバからなる光
ファイバアレイ１２が埋設された光ファイバアレイ結合
部１３と接続されている。光ファイバ１０は、例えば、
ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓのような半導体レーザ、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源
（図示しない）に接続される。光ファイバアレイ結合部
１３から延在する光ファイバアレイ１２は光検出手段と
してのＣＣＤセンサ（図２参照）に接続される。
【００１３】次に、図２により、図１のセンサの検出系
及び動作原理を説明する図である。図２は図１の導波層
のコア３を含むセンサの断面構造を示す。光ファイバ１
０は導波層の光入射面７の光入射位置７’に接続されて
おり、光源からの光は、光入射位置７’で光ファイバ１
０の端部から導波層内に±Δの広がり角、通常約６〜８
度の角度で出射され、そこから広がり角±Δを保ったま
ま導波層（入射路）を通って被検液Ｍと接触する検出面
８に中心入射角αを中心とした広がり角（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。点Ａでは（α−Δ）、点Ｃでは（α＋
Δ）の入射角となる。光が検出面８と被検液Ｍとの界面
から反射されたとすると、点Ａ、Ｂ及びＣからの反射光
はそれぞれ光出射面９の光出射位置９’の点Ｄ、Ｅ、Ｆ
に到達する。点Ｄ〜Ｅ〜Ｆ間に達した光は光ファイバ結
合部１３が延在する光ファイバアレイ１２を通じて光検
出器１６を構成するＣＣＤセンサ１４に達する。ＣＣＤ
センサ１４にはＤからＦの方向にリニアに複数のピクセ
ルを配置したリニアアレイ型のＣＣＤセンサ（例えば、
ＤからＦの方向に２０４８ビット（２０４８ｂｉｔ）の
ピクセルを有する（１４μｍ／ピクセル））を使用する
ことができる。出射光の明暗境界を正確に判別するため
ＣＣＤセンサ１４は出力を光検出器１６の演算部１５に
送る。
及び動作原理を説明する図である。図２は図１の導波層
のコア３を含むセンサの断面構造を示す。光ファイバ１
０は導波層の光入射面７の光入射位置７’に接続されて
おり、光源からの光は、光入射位置７’で光ファイバ１
０の端部から導波層内に±Δの広がり角、通常約６〜８
度の角度で出射され、そこから広がり角±Δを保ったま
ま導波層（入射路）を通って被検液Ｍと接触する検出面
８に中心入射角αを中心とした広がり角（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。点Ａでは（α−Δ）、点Ｃでは（α＋
Δ）の入射角となる。光が検出面８と被検液Ｍとの界面
から反射されたとすると、点Ａ、Ｂ及びＣからの反射光
はそれぞれ光出射面９の光出射位置９’の点Ｄ、Ｅ、Ｆ
に到達する。点Ｄ〜Ｅ〜Ｆ間に達した光は光ファイバ結
合部１３が延在する光ファイバアレイ１２を通じて光検
出器１６を構成するＣＣＤセンサ１４に達する。ＣＣＤ
センサ１４にはＤからＦの方向にリニアに複数のピクセ
ルを配置したリニアアレイ型のＣＣＤセンサ（例えば、
ＤからＦの方向に２０４８ビット（２０４８ｂｉｔ）の
ピクセルを有する（１４μｍ／ピクセル））を使用する
ことができる。出射光の明暗境界を正確に判別するため
ＣＣＤセンサ１４は出力を光検出器１６の演算部１５に
送る。
【００１４】図２に示したように、光ファイバ１０から
の入射光は広がり角α±Δを有しており、それに対応す
る反射光を光ファイバアレイ１２を介してＣＣＤセンサ
１４で検出しているために、被検液Ｍからの全反射が生
じる反射角をＣＣＤセンサで明暗境界として検出するこ
とができる。予め屈折率が異なるいくつかの被検液を用
いてその明暗境界を測定することにより、被検液の屈折
率と全反射臨界角を示すＣＣＤセンサ１４のピクセル位
置との関係を求めておくことができる。かかるＣＣＤセ
ンサによる屈折率の測定原理は、国際公開番号ＷＯ９４
／２４５４３号公報に詳しく説明されている。
の入射光は広がり角α±Δを有しており、それに対応す
る反射光を光ファイバアレイ１２を介してＣＣＤセンサ
１４で検出しているために、被検液Ｍからの全反射が生
じる反射角をＣＣＤセンサで明暗境界として検出するこ
とができる。予め屈折率が異なるいくつかの被検液を用
いてその明暗境界を測定することにより、被検液の屈折
率と全反射臨界角を示すＣＣＤセンサ１４のピクセル位
置との関係を求めておくことができる。かかるＣＣＤセ
ンサによる屈折率の測定原理は、国際公開番号ＷＯ９４
／２４５４３号公報に詳しく説明されている。
【００１５】また、明暗境界の判定方法も、本出願人の
国際公開番号ＷＯ９４／２４５４３号公報に詳細に記載
されており、それを参照することができる。この公報に
おいては、参照光の波形と測定した光の波形との交点に
より決定する方法が推奨されている。明暗境界の領域
は、フレネルの回折現象によってぼやけてしまうが、明
領域は、参照光の光量よりも強い光量を示すことが知ら
れている。従って、明暗境界の領域は、参照光の波形と
測定光の光量増加に最も近傍の位置、すなわち、交点の
位置が対応することになる。
国際公開番号ＷＯ９４／２４５４３号公報に詳細に記載
されており、それを参照することができる。この公報に
おいては、参照光の波形と測定した光の波形との交点に
より決定する方法が推奨されている。明暗境界の領域
は、フレネルの回折現象によってぼやけてしまうが、明
領域は、参照光の光量よりも強い光量を示すことが知ら
れている。従って、明暗境界の領域は、参照光の波形と
測定光の光量増加に最も近傍の位置、すなわち、交点の
位置が対応することになる。
【００１６】本発明では、導波層の光出射面９にＣＣＤ
センサ等の光検出手段を直接接続させるのではなく、光
伝送手段、例えば、光ファイバアレイ１２の光ファイバ
を介して導波層と光検出手段を連結している。従って、
屈折率センサ全体の検出精度Δｎ0 は、ＣＣＤの検出精
度のみならず、用いる光ファイバの径や光ファイバの導
波層に対する配置に影響される。
センサ等の光検出手段を直接接続させるのではなく、光
伝送手段、例えば、光ファイバアレイ１２の光ファイバ
を介して導波層と光検出手段を連結している。従って、
屈折率センサ全体の検出精度Δｎ0 は、ＣＣＤの検出精
度のみならず、用いる光ファイバの径や光ファイバの導
波層に対する配置に影響される。
【００１７】特に、光ファイバアレイ１２は、計測され
る屈折率測定精度に高精度が要求されるとき、下記の式
で定義される屈折率の検出精度Δｎ1 が５×１０-4以下
となるように光ファイバの径を選択することが好まし
い。
る屈折率測定精度に高精度が要求されるとき、下記の式
で定義される屈折率の検出精度Δｎ1 が５×１０-4以下
となるように光ファイバの径を選択することが好まし
い。
【００１８】
【数１】Δｎ1 ＝ｎ0 (sin(θ−tan-1((ｘ2 ＋a−x1 /
2)/Ｌ))−sin(θ−tan-1((ｘ2＋a＋x1/2)/Ｌ)))
2)/Ｌ))−sin(θ−tan-1((ｘ2＋a＋x1/2)/Ｌ)))
【００１９】ここで、導波層の屈折率をｎ0 、光軸の入
射角をθ、センサ内での光軸の光路長をＬ、出射光の広
がり角をΔθ、隣接する光ファイバのコアの中心間距離
をａ、光ファイバ径をｘ1 、入射光が光出射面９に垂直
に入射する位置から出射光が最も広がった位置までの距
離をｘ2 ＝Ｌ・tan(Δθ／２)としている。上記式は、
光出射面９上に光ファイバ径ｘ1 の光ファイバをコアの
中心距離をａとして配列した光ファイバアレイを用いた
場合、光出射面９の光出射位置の最も低入射角（低出射
角）側の端から、距離ａ離れた点で検出可能な屈折率の
精度を示している。
射角をθ、センサ内での光軸の光路長をＬ、出射光の広
がり角をΔθ、隣接する光ファイバのコアの中心間距離
をａ、光ファイバ径をｘ1 、入射光が光出射面９に垂直
に入射する位置から出射光が最も広がった位置までの距
離をｘ2 ＝Ｌ・tan(Δθ／２)としている。上記式は、
光出射面９上に光ファイバ径ｘ1 の光ファイバをコアの
中心距離をａとして配列した光ファイバアレイを用いた
場合、光出射面９の光出射位置の最も低入射角（低出射
角）側の端から、距離ａ離れた点で検出可能な屈折率の
精度を示している。
【００２０】接続する光ファイバのコア間距離を小さく
して、一層高精度アレイを構成することができる。その
ためには、空気をクラッドとするタイプの光ファイバを
用いることが好ましい。なお、光ファイバの径が上記Δ
ｎ1 の範囲を外れても例えば、ガソリン、灯油、軽油等
の油種判別や波長分散を利用した組成計として応用する
ことも可能であり広範な用途に適用できる。
して、一層高精度アレイを構成することができる。その
ためには、空気をクラッドとするタイプの光ファイバを
用いることが好ましい。なお、光ファイバの径が上記Δ
ｎ1 の範囲を外れても例えば、ガソリン、灯油、軽油等
の油種判別や波長分散を利用した組成計として応用する
ことも可能であり広範な用途に適用できる。
【００２１】以下に、本発明の全反射型屈折率センサの
具体的な仕様を実施例１及び２に示す。
具体的な仕様を実施例１及び２に示す。
【００２２】〔実施例１〕図２に示した１回反射型の全
反射型屈折率センサを、以下に示すような材料及び寸法
にて作製した。下部基板１として厚さ１ｍｍのシリコン
基板を用いた導波層においてクラッド層２，４は厚さ２
０μｍのＳｉＯ2 （屈折率：１．４５８）とし、コア層
３は厚さ６μｍのＳｉＯ2 ・ＧｅＯ2 （屈折率：１．４
６５）とした。これらの層はＳｉＯ2 にＧｅＯ2 を種々
の量でドーピングすることによって化学的気相成長法
（ＣＶＤ法）により成膜した。上部基板６として厚さ１
ｍｍのシリコンを用い、導波層と熱硬化性樹脂で互いに
接着させた。この全反射型屈折率センサに入射光を供給
する光ファイバアレイ１２の光ファイバ１２ａとしてシ
ングルモード型ファイバを用い、その端面を研磨して出
射光が６゜の広がりを持つように研磨し加工した。光フ
ァイバ１０からの出射光（中心光として）が検出面８に
対して８０゜の入射角となり、導波路内の出射路の光路
長Ｌが３０ｍｍになるように構成した。
反射型屈折率センサを、以下に示すような材料及び寸法
にて作製した。下部基板１として厚さ１ｍｍのシリコン
基板を用いた導波層においてクラッド層２，４は厚さ２
０μｍのＳｉＯ2 （屈折率：１．４５８）とし、コア層
３は厚さ６μｍのＳｉＯ2 ・ＧｅＯ2 （屈折率：１．４
６５）とした。これらの層はＳｉＯ2 にＧｅＯ2 を種々
の量でドーピングすることによって化学的気相成長法
（ＣＶＤ法）により成膜した。上部基板６として厚さ１
ｍｍのシリコンを用い、導波層と熱硬化性樹脂で互いに
接着させた。この全反射型屈折率センサに入射光を供給
する光ファイバアレイ１２の光ファイバ１２ａとしてシ
ングルモード型ファイバを用い、その端面を研磨して出
射光が６゜の広がりを持つように研磨し加工した。光フ
ァイバ１０からの出射光（中心光として）が検出面８に
対して８０゜の入射角となり、導波路内の出射路の光路
長Ｌが３０ｍｍになるように構成した。
【００２３】光ファイバアレイ１２として単繊維径１８
μｍの光ファイバをバンドル本数３２０００本を束ねた
ものを用いた（株式会社住田光学ガラス製イメージガイ
ド）。この光ファイバアレイ１２の有効端面積は３×３
ｍｍ、開口角度７０゜であり、光ファイバのコア材質に
は多成分ガラスが用いられている。この種の光ファイバ
アレイは耐熱性に優れ、１５０℃まで使用できる。この
光ファイバアレイを用いると前記式に従って屈折率の検
出精度Δｎ1 は２×１０-4となる。光ファイバアレイ１
２の他端側には１次元のＣＣＤアレイセンサ１４を接続
した。出射面９からＣＣＤセンサ１４までの距離、すな
わち、光ファイバの光路長を１００ｍｍとした。
μｍの光ファイバをバンドル本数３２０００本を束ねた
ものを用いた（株式会社住田光学ガラス製イメージガイ
ド）。この光ファイバアレイ１２の有効端面積は３×３
ｍｍ、開口角度７０゜であり、光ファイバのコア材質に
は多成分ガラスが用いられている。この種の光ファイバ
アレイは耐熱性に優れ、１５０℃まで使用できる。この
光ファイバアレイを用いると前記式に従って屈折率の検
出精度Δｎ1 は２×１０-4となる。光ファイバアレイ１
２の他端側には１次元のＣＣＤアレイセンサ１４を接続
した。出射面９からＣＣＤセンサ１４までの距離、すな
わち、光ファイバの光路長を１００ｍｍとした。
【００２４】被検体に３号軽油を用い、５０．０℃の温
度で屈折率を繰り返し５回測定した。屈折率を測定する
毎に参照光を測定し直した。測定の結果、屈折率１．４
３４４±０．０００２となり、高精度で再現性よく測定
することができた。
度で屈折率を繰り返し５回測定した。屈折率を測定する
毎に参照光を測定し直した。測定の結果、屈折率１．４
３４４±０．０００２となり、高精度で再現性よく測定
することができた。
【００２５】〔実施例２〕図２に示した１回反射型の全
反射型屈折率センサを、以下のように作製した。導波層
内の出射路の光路長Ｌが１５０ｍｍになるように構成し
た以外は、実施例１と同様にして導波層を作製した。
反射型屈折率センサを、以下のように作製した。導波層
内の出射路の光路長Ｌが１５０ｍｍになるように構成し
た以外は、実施例１と同様にして導波層を作製した。
【００２６】光出射面９には光ファイバルミナスシート
（旭化成工業株式会社製）を光ファイバアレイ１２とし
て接続した。この光ファイバシートは単繊維径１２５μ
ｍの光ファイバ（商品名ルミナス）をシート幅３０ｍｍ
となるように並列に配列し接着剤で仮止めしたものであ
る。この光ファイバシートによる前記式に従う屈折率の
検出精度Δｎ1 は３×１０-4であった。出射面９からＣ
ＣＤセンサ１４までの距離、すなわち光ファイバシート
の光路長は、１０００ｍｍとした。
（旭化成工業株式会社製）を光ファイバアレイ１２とし
て接続した。この光ファイバシートは単繊維径１２５μ
ｍの光ファイバ（商品名ルミナス）をシート幅３０ｍｍ
となるように並列に配列し接着剤で仮止めしたものであ
る。この光ファイバシートによる前記式に従う屈折率の
検出精度Δｎ1 は３×１０-4であった。出射面９からＣ
ＣＤセンサ１４までの距離、すなわち光ファイバシート
の光路長は、１０００ｍｍとした。
【００２７】被検体に３号軽油を用い、５０．０℃の温
度で屈折率を繰り返し５回測定した。屈折率を測定する
毎に参照光を測定し直した。測定の結果、屈折率１．４
３４４±０．０００２となり、再現性よく測定すること
ができた。
度で屈折率を繰り返し５回測定した。屈折率を測定する
毎に参照光を測定し直した。測定の結果、屈折率１．４
３４４±０．０００２となり、再現性よく測定すること
ができた。
【００２８】前記実施例１及び２において、１次元ＣＣ
Ｄアレイセンサを配する代わりにオプティカルエンコー
ダを使用したり、あるいは屈折率が表示された目盛等を
光ファイバアレイの出射側に配して明暗を直接目視する
ことによっても屈折率を読み取ることができる。光ファ
イバアレイ１２の出射側の光ファイバ間隔を広げること
により、各光ファイバからの出射光の明暗境界が明瞭に
なる。また、上記目盛等に屈折率に対応して被検体の種
類、例えば油種を表示することにより定性的な分析が容
易にできるようになる。上記実施例のようにセンサを構
成することにより、測定部が小型で高精度の防爆型の全
反射型屈折率センサを提供することができる。
Ｄアレイセンサを配する代わりにオプティカルエンコー
ダを使用したり、あるいは屈折率が表示された目盛等を
光ファイバアレイの出射側に配して明暗を直接目視する
ことによっても屈折率を読み取ることができる。光ファ
イバアレイ１２の出射側の光ファイバ間隔を広げること
により、各光ファイバからの出射光の明暗境界が明瞭に
なる。また、上記目盛等に屈折率に対応して被検体の種
類、例えば油種を表示することにより定性的な分析が容
易にできるようになる。上記実施例のようにセンサを構
成することにより、測定部が小型で高精度の防爆型の全
反射型屈折率センサを提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】本発明の全反射型屈折率センサによれ
ば、光検出器と導波層とを光伝送手段を介して接続した
ためにＣＣＤのような光検出器の動作温度限界にかかわ
らず、高温の試料の屈折率を測定できる。さらに測定光
と参照光との比で求める方法でも再現性よく明暗境界位
置を求めることができる。また、光検出器を原油等の試
料が接触するセンサ本体部から隔離することができるた
め、光検出器や駆動回路の防爆設計が容易となる。
ば、光検出器と導波層とを光伝送手段を介して接続した
ためにＣＣＤのような光検出器の動作温度限界にかかわ
らず、高温の試料の屈折率を測定できる。さらに測定光
と参照光との比で求める方法でも再現性よく明暗境界位
置を求めることができる。また、光検出器を原油等の試
料が接触するセンサ本体部から隔離することができるた
め、光検出器や駆動回路の防爆設計が容易となる。
【図１】本発明に係る全反射型屈折率センサの一具体例
の主要部の斜視図である。
の主要部の斜視図である。
【図２】図１に示したセンサのコア層を含むセンサの断
面図であり、センサの検出系及び動作原理を説明する図
である。
面図であり、センサの検出系及び動作原理を説明する図
である。
１ 下部基板 ２，４ クラッド ３ コア ５ 接着層 ６ 上部基板 ７ 光入射面 ８ 検出面 ９ 光出射面 １０，１２ａ 光ファイバ １１，１３ 光ファイバアレイ結合部 １２ 光ファイバアレイ １４ ＣＣＤセンサ １５ 演算部 １６ 光検出器
Claims (4)
- 【請求項１】 屈折率が測定される被検体との接触面を
有し、該接触面に光を入射する光入射路及び該接触面か
らの反射光を出射する出射路が形成された導波層と、 該導波層に接続されて該入射路に光を供給する光供給手
段と、 該出射路を通じて該導波層から出射した上記反射光を検
出するための光検出手段と、 該導波層の出射路と該光検出手段との間に接続された光
伝送手段とを有し、 該被検体の屈折率を該光検出手段から観測される全反射
臨界角に基づいて求めることを特徴とする全反射型屈折
率センサ。 - 【請求項２】 上記光伝送手段が光ファイバであり、上
記全反射臨界角に基づいて測定される屈折率の精度Δｎ
がΔｎ≦５×１０-4となるように光ファイバの径及び光
ファイバの配置が設定されていることを特徴とする請求
項１記載の全反射型屈折率センサ。 - 【請求項３】 上記光伝送手段は、空気をクラッド層と
して用いる光ファイバであることを特徴とする請求項１
または２記載の全反射型屈折率センサ。 - 【請求項４】 上記光検出手段が、ＣＣＤセンサである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の
全反射型屈折率センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8208841A JPH1038801A (ja) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | 全反射型屈折率センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8208841A JPH1038801A (ja) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | 全反射型屈折率センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1038801A true JPH1038801A (ja) | 1998-02-13 |
Family
ID=16562996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8208841A Pending JPH1038801A (ja) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | 全反射型屈折率センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1038801A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011185671A (ja) * | 2010-03-05 | 2011-09-22 | Osaka Gas Co Ltd | 界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システム |
| JP2014025824A (ja) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | Tatsuno Corp | 油種判別装置 |
| US9103704B2 (en) | 2013-07-25 | 2015-08-11 | General Electric Company | Holding device to hold a reflector and an electromagnetic guiding device |
| US9632071B2 (en) | 2013-07-25 | 2017-04-25 | General Electric Company | Systems and methods for analyzing a multiphase fluid |
-
1996
- 1996-07-19 JP JP8208841A patent/JPH1038801A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011185671A (ja) * | 2010-03-05 | 2011-09-22 | Osaka Gas Co Ltd | 界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システム |
| JP2014025824A (ja) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | Tatsuno Corp | 油種判別装置 |
| US9103704B2 (en) | 2013-07-25 | 2015-08-11 | General Electric Company | Holding device to hold a reflector and an electromagnetic guiding device |
| US9632071B2 (en) | 2013-07-25 | 2017-04-25 | General Electric Company | Systems and methods for analyzing a multiphase fluid |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
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|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040203 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
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|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
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|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040608 |