JPS5863837A - 光学的流体分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は流体試料の屈折率を測定するための光学的分析
装置に関する。

液体又は気体の屈折率を測定するための種々の技術がこ
れまでに提案されている。その１つの技術はプリズムを
用い、臨界角を測定する必要がある。またＭｃＧｒａｗ
−Ｈｉ１１社１９５７年刊行のＪｅｎｋｉｎｓ及びＷｈ
　ｉ　ｔ　ｅ著”　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｆ　　
０ｐｔｉｃｓ　”第６版の２５７頁以下に、干渉縞の変
位の決定に基づいた屈折率測定技術が示されている。ま
た他の技術は屈折率の整合を必要とする。それらの技術
は普通測定を行なうために操作する人が手動的及び／又
は視覚的に介在する必要があり、従って低速で、扱いに
くく且つ低分解能である。

最も関連の深い先行技術は米国特許第３４９９７１２号
明細書であって、この文献は透明な試料保持器中に設け
られたセル（あるいは貯蔵器）中に導入された液体試料
の屈折率を測定するための装置を開示している。このセ
ルは、「液体が充填材料と接触するとき、少なくとも数
個の液体−同体界面を与える」透明材料の物体（例えば
球）が充填される。この装置は、セルが液体で満たされ
た時の光の正味の透過量（光の強度）な測定する。

しかしながらその装置は、屈折率の変化に対して高い感
度を有し、所定の屈折率値からのずれに注目及び／又は
修正することを可能にする画期的な回折構造体を用いて
いない。

１９７０年６月刊行のＩ　ＢＭ　　’ｌ”ｅｃｈｎｉｃ
ａｌｌ）ｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖ
ｏｗ、１５．ｐ、１２１は、屈折率を測定すべき媒質中
に浸漬された回折格子を用℃・た回折屈折計を開示して
いる。この装置は、屈折率を計算するのに角度θ及びθ
′従ってＸ及びＸ′の測定を必要とし、また回折光及び
透過光の強度の差を感知及び利用していない。

発明の要約 本発明は、液体であっても気体であっても流体（３） の屈折率を迅速に測定するための単純、効率的且つ非機
械的な装置に係る。この装置は本質的にはホログラフィ
ック屈折計であって、既知の屈折率を持つ周期的構造体
によって回折された光の回折効率の関数として流体試料
の屈折率を決定する。

本発明によれば、既知の屈折率を有する透明部材であっ
てその第１及び第２の部分の間に未知の屈折率を持つ流
体試料を受は入れろためのセルを画定するものを用いた
光学的流体分析装置が与えられる。第１の部分は、セル
に面する内側の表面上に回折格子が形成されている。光
源は、回折格子との入射角がブラッグ条件を満足するよ
うに位置付けられる。第１の検出手段は回折格子によっ
て回折され試料を透過した、光源からの光の強度を感知
し、第２の検出手段は回折格子を透過した光の強度を感
知する。第１及び第２の検出手段が発生した信号に応答
する装置は、試料の屈折率に関する出力を与える。

（４） 良好な実施例の説明 下記の良く知られた式は周期的な正弦波状の構造体の回
折効率ηを定める。

但し第１図に示すように、 λ　−照明光の波長 θ。−構造体に関する光の入射角 ｄ　−正弦波状構造体の連続したノードの間の間隔、即
ち周期 △ｎ−構造体のノードとアンチノードとの間の屈折率（
即ちｎｌとｎ２との間）の差 ｔ　−構造体の厚さ 第２図に示すように、本発明を実施した光学的流体分析
装置は、透明部材１２の正弦波状の表面１１の形に形成
された、順次のノ←・１３間の間隔即ち周期ｄ及び格子
の厚さｔを有する透明回折格子１０から構成される。部
材１２及びそれに結合された他の透明部材１３は既知の
屈折率ｎ１を有する透明構造体の２つの部分を構成する
。部材１２．１６は回折格子１０の正弦波状表面１１に
よって部分的に画定されたセル１４を形成する。また図
示していないが、決定すべき未知の屈折率ｎ２を有する
液体又は気体の物質をセル１４中に導入するための手段
も設けられている。

波長λ及び強度■の光は光源１５、好ましくは通常のヘ
リウム・ネオン・レーザ又はアルゴン・レーザによって
４先られる。光源１５からの光は次式のブラッグ条件を
満足するように入射角θ。

で回折格子１００表面１１Ｖ入射する。

λ＝＝２ｎｄｓｉｎθｏ（２） 回折効率ηは次式で与えられる。

但し■１は回折格子１０によって回折された光の強度、
Ｉｏは回折格子１０を透過した光の強度である。

０次及び１次の回折光の強度■。及び１１を感知するた
めに、フォト・ダイオード等の１対の検出器１６及び１
７を設けられる。これらの検出器は通常の弁別回路１８
に信号を供給し、回路１８はそれらの信号を組み合せて
電圧Ｖを与える。電圧■から△ｎは次式によって決定で
きる。

但し１（は定数である。

説明のために、屈折率の変化△ｎ　＝　０．０２であり
、格子の厚さＬが４μの構造体１２．１３が４８８ｎｍ
の波長λの光により２０°の入射角ρ１゜で照明される
と仮定する。この条件の下で回折効率ηはり、　０７３
　（７，３％）に等しい。

比較対照のため、もし屈折率整合技術を月見・た場合を
想定すると、屈折率差００２の界面から反射される光の
効率ηは次式の通りであって約３桁小さい。

（７） 本発明の実施した装置は、セル１４を充填又はセルを連
続的に流れる液体又は気体の屈折率の測定に用℃・るこ
とかできる。もし部材１３の内壁１９が回折格子１０の
正弦波表面１１に事実上接する程度にセル１４０寸法が
小さいならば、未知又は可変な屈折率を有する物質は毛
細管作用によって構造１２．１３中に導入される。セル
１４の体積は、表面１１の溝が充填されれば良いので非
常に小さくても良い。

ここで述べた分析装置は、流体媒質の状態を表示するた
めに使用する事、又は流体を所定の条件に維持するため
にあるパラメータを調整するためのザーボ・システムと
共に用いる事もできる。例えばこの装置は電解質の電荷
の状態をモニタするために使用する事ができる。完全に
帯電した電解質と完全に放電した電解質との間の屈折率
の差は約△ｎ　＝　０．０２程度である。従って帯電状
態に整（８） 合した屈折率を有する透明構造体１２．１３を設ければ
回折は生じない力釈放電が起きれば光が回折され、帯電
状態を表わす電圧信号が得られる。

完全に放電した状態では、１３％の光が１次回折光にな
る。

光源として通常のレーザ１５を用（・れば非常に正確な
システムが得られる。しかしながら好ましければ、ブラ
ッグ条件を満足するように位置ずけられた発光ダイオー
ド（図示せず）でレーザ１５を置き換えてもよい。とい
うのはコヒーレンスの欠除は単に像のぼけを生じるだけ
であって、効率の重大な損失を生じないからである。ま
た検出器１６．１７は、（部材１２．１３０寸法が許せ
ば）図示したように部材１６の外側表面上に取り付けて
も良い。しかしながらもし好ましければ、検出器１６．
１７は部材１２．１３から分離しても良い。回折格子１
０は、好ましくはフォトレジスト又は同様の材料の表面
レリーフとしてホログラフィ記録し、その後で適当な屈
折率の透明代用品にプレス又は複製する事によって製造
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は光源からの光が回折格子によって透過及び回折
される様子を示す図、 第２図は本発明の実施例の光学的流体分析装置の図であ
る。 １０・・・・回折格子、１１・・・・正弦波状の表面、
１２．１６・・・・透明部材、１４・・・・セル、１５
・・・・光源、１６．１７・・・・検出器。 出　、１　人　インターナジョブフレ・ビジネス・マシ
ーンズ・コーオレーション代理人弁理士　　岡　　１）
　次　　生（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 未知の屈折率を有する流体試料を受は入れるための領域
   を画定し、該領域に面する内側表面上に回折格子の形成
   された、既知の屈折率を有する透明部材と、 回折条件を満足するように上記回折格子に関する入射角
   が位置付けられた光源と、 上記回折格子によって回折された、上記光源からの光の
   強度を感知するだめの第１の検出装置と、上記回折格子
   を透過した、上記光源からの光の強度を感知するための
   第２の検出装置と、上記第１及び第２の検出装置の発生
   した信号に応答して上記試料の屈折率に関係する出力を
   与える装置とを含む 光学的流体分析装置。