JPS6088353A - 液体屈折率測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明（ｒｉ屈折率′ｆ：測定しようとする液体の中に
直接プローブを浸漬してその屈折率をリアルタイムで測
定する手段を提供するもので主に屈折率整合液の調整及
びそれを使用する分野において利用されることが期待さ
れる。

〔従来技術〕

従来液体屈折率クリ定装置としては、屈折法を用いたも
のが知られていた。これは屈折率の異なる境界での入射
角と屈折角の比を測定するものである。又反射法を用い
るものも知らｎていた。こｎは屈折率の異なる境界での
全反射の起る臨界角を測定して屈折率をめるものである
。いわゆるアツベの屈折計と呼ばれるものである。又他
の反射法として屈折率の異なる境界での反射係数から屈
折率をめる方法も知られていた。

しかしながら、以上の方法では屈折率の測定精度が１０
−〜１０　と低く光通信用ファイバーの製造の如く精密
な屈切率制御を必要とする分野に使えなかった。

又Ｒ１１折率を精密に測定する方法として１１、い゛わ
ゆる干渉法を用いるものが知られていたが、これに被測
だ物をリアルタイムで測定することができなかった。光
ファイバーの製造コントロールを行なう為には、実際の
工程ＶＣ＞いて即座に屈折率の精密な測定が必要でちる
にもかかわらず、従来の干渉法音用いたものはサンプリ
ングが必要でありＩｎ８ｉｔｈのものがなかつｒｃ。

〔発明の目的〕

本発明はかかる従来技術の欠点を改善し、リアルタイム
でＣ夜体の屈折率を精密に測定できる液体屈折率測定装
置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明の構成を第１図に示す。１は光源部である。光源
部１において（は、一つの光源からでたコヒーレント光
を２つに分割し、各々直交する方向に偏光したのち混合
された光（以下１１４光混合波という）を作る。この偏
光混合波ぐま導波部２葡伝播してプローブ部５に入る。

プローブ３に入った偏光混合波は、各偏光毎に分離され
一方の偏光波は試料液体を通過し、他方の偏光波は参照
物体を通過する。これによって両者の偏光波間には位相
差が生じるが、この位相差に液体の屈折率の関数である
。これら位相差の生じた２つの偏光波は再度混合され（
以下これを再混合波という）導波部４を伝播して検出部
５に導びかれ、位相差が検出され液体の屈折率が知れる
。

以上の如く本発明の要点は光源部Ｉにおいて開光混合波
を作りこれをグローブ部３に導ひき分離した後、各々サ
ンプルとリファレンスを通過させ、再度混合して再混合
波として検出部５に導ひき測定するものである。かかる
方法によってサンプルとリファレンスの屈折率の差が実
時間で測定できるのである。

本発明においては全体としてはレーザー干渉計を構成し
ている。しかし被測定液を１吏用状態のままで実時間で
監視するという目的のために特にサンプリング操作を行
なわないことを前提としたので光源と測定場所が離ルて
しまうという問題がある。そこで本発明では干渉させる
２つの光波をまず互いに直交する方向に調光させた後、
混合してあたかも一光線束のような状態にしてから導波
部を通して測定場所へと導く。このようにすると外乱に
よる影響は干渉時にはほぼ相殺除去されるとう■利さが
ある。さらに測定場所にはプローブ部が挿入される。こ
のプローブ２Ｖｒｖｃは光学系が収められている。すな
わち偏光混合波は合々の調光状態に拠ってもとの２つの
偏光波に空間的に分離さされ、見かけ上通常の干渉計の
ごとく一方の偏光波は少なくとも試料の一部を通過し、
他方の偏光波は参照のための媒質中を通過する。次に、
これら２つの偏光波は再び混合させられた後検出部−＼
と導かれる。これは前述と同じ目的で外乱がらの影響を
除去するためである。この工うな光学配置遺でをよ１本
の光ファイバーによって光源部１．プローブ部５及び検
出部５を接続できる。以上に述べたようにグローブ中の
微少な領域のみを干渉計として利用することのできる光
学系によりグローブが浸っているｌ皮体の屈折率を測＞
ｉ　Ｌようとするのが本発明の目的である。

第２図は光源部１の詳細図である。光源６は光干渉を起
すことのできるコヒーレント性ヲ有する元を発するレー
ザーよりする。レーザー光は分割部７により２つの光線
束に分けられる。分割部７としＣはビームスプリッタ−
やプリズムが用いられる。次に一方の光Ｈｘ方向偏波部
８により偏光波となる。Ｘ方向偏光部８ｆ′ｉ例えば偏
光子よりなる。又他方の光線束はＹ方向偏波部９により
直交する偏光波となる。Ｙ方向偏光部９も例えば偏光子
よりなる。これら２つの互いに直交する１１１６光波は
混合部１０において混合され１つの光線束となって導波
部２に導かれる。導波部２はマルチモードファイバ、単
一モードファイバ若しくは偏波面保存ファイバ等の光フ
ァイバーにより構成される。

第３図にプローバ部３の詳細図である。導波部２より導
びかれた混合側光波は分離部１１によりもとの互いに直
交する偏光波に分離される。分離部１１は例えば分割型
検光子よりなる。次に一方の偏光波は試料部１２を通過
する。試料部１２にはグローブ３を試料液体に浸漬する
ことによ！ｌｌ被測定試料が導入される。他方の偏光波
に参照部１３を通過する。参照部１３には例えば屈折率
既知の石英などが用いられる−従って本装置においては
液体の屈折率は参照物体たる石英の屈折率との差試料温
；シは既知である必要があった。しかしながら本発明に
おいては液体の屈折率をその与えられた温度条件下にお
いて参照媒質（例えば石英）の屈折率との差として筒梢
度に測５ｉできるので実用上より便利なことが多い。

さて互いに異なる媒質を通過し７Ｃ偏光波は位相のズレ
を生じた後混合部１４により一本の光線束となり導波部
４を通過して検出部５に導かれる。

そこでレーザ干渉測定が行なわれ屈折率が知れる。

ここでレーザ干渉測定について３つの異なる原理を述べ
ておく。

干渉出力信号と２つの媒質（サンプルとリファレンス）
の屈折率の差の関係は以下の式で示される。

（１１２つのコヒーレント光が同一の周波数をもってい
る場合（ホモダインの場合） ■＝μ、１０（１＋ｅｔｓ（ＫｎａＸｅ−ＫｎｋＸｋ）
）　−・・・・−（１１で表わさｎる。

ここに工は出力１言−号、μは検出器の能率、工ｏは−
−，，，，−−、−４，、、，２π１、λは光の真空中
での波長）、又は媒質の光路丹に占める長さ、ｎは媒質
の屈折率である。ＳとＲ４″ｉそれぞれ試料（−！ｌＩ
゛ンプル）及び参照媒質（リファレンス）に関する数値
であることを意味しＣいる。

式１１１ＶｃおいてもしｎＲＸｏ　ｎｔｌＸｌｌ：　、
、とおくことができれば微妙な屈折率の変化自＝ｒＮ、
　！’ｒＲに↓る出力の変ｆヒは Δｊ：＝≧’ＩｉＫΔａＸθ・・・・・・・・・・・・
（２）と近似できる。工ｉはｎ　ＲＸ　ｓ−ｎ　ＲＸ　
Ｒ−／２と設定した時の出力の大きさである。このよう
にすれば、ＫおよびＸｅを知υへ王を測定することによ
って誦がめられる。

（２）２つのコヒーレント光が異る周波数αｌ、α２を
もっている場合（ヘテロダインの場合）交流成分につい
て考えると、 Ｉ＝＝μＩ　ｏ、知（２ｆｆΔｆｔｒｒｅｘａ　ｎＲｘ
Ｒ）　−−−（３）ここに△α＝１α１−−１である。

式（３〕においては、導波の搗幅部分にまったく依存せ
ずにΔｆ　という周波数をもつ搬送波の位相に注目する
ことによって △（Ｊ　＝　△ｎＸＲ（ただしＸ−＝Ｘ　ｑ＝　Ｘ　Ｒ
）　という位相後ずしとして微少屈折率△ｎ′をとらえ
ることができ式（２）のホモダインのような近似および
初期設定は要しないのでより高精度な測定が可能となる
。

以上２：＋ウリの干渉側だ法を述べたが第３の方法もあ
る。それは略同偏光を利用することである。

今干渉計の２つの光路に互いに直交する偏光波を入れる
と、干渉波は位相差によってその偏光状態が異なる。す
なわちもし位相径が０°　であれば直ｆＨｆＪｔｉ＋光
（１弓光角４５°）、又もし位相差が９０°であれば円
・調光波を与えその中間ではすべて略同偏光と呼ばれる
状態を呈する。従って偏光の１１〜円度と偏光角を測定
すれば上側で述べた屈折率゛、函を決定することができ
る。本発明においては上記６つの原理のいずれもが利用
できる。

〔実施１り」１〕 ２１４図はヘテロダイン法を用いた本発明の実施例１を
示す。光源１５はレーザであってコヒーレットな光を出
す。又光源１５は準コヒーレ／ト光源であっても良い。

コヒーレント光はビームスグリツタ−１６により２つの
光線束に分けられる。

これら２つの光線束は各々ｆＯの周波数をもっていたも
のが、光変調器１７及び１８によって周波数変調されα
１及びα２となる。光髪調器としては””’１．＋ｇ　
Ｏａ／を又はＲａｍａｈＸ−Ｎａｔｈ　Ｏａｕ　が用い
られる２、これらα１及びα２の光束は名々偏光子１９
及び２０によって互いに直交する偏光波すなわちＸ偏光
波及びＹ調光波となる。これら２つの偏光波はミラー２
１及び２２によって方向を変えられ光混合器２３によっ
て一本の光線束すなわち偏光混合波となる。

偏光混合波ｅま凸レンズ２４によって光ファイバー２５
の入射口に集められ光ファイバー２５の中に導かれる。

光ファイバー２５は導波部２の役割と東たし偏光混合波
はプローブ部６に導いている。

光ファイバー２５を伝わった偏光混合波は光ファイバー
２５の出口で発散しマイクロレンズ２６によって平行光
線となる。この平行光線は分割型検光子２７によって互
いｉＣ直交する偏光束の混合２７の構造ｒＪ第５図に示
すようになっており、互いに直交する偏光軸を有する半
円型の検光子２８゜２９を貼り合わせたものでちる。分
割型検光子２７を通過した混合偏光波のうち上半分はＹ
方向に振動する偏光波のみを含み、下半分はＸ方向に振
動する偏光波のみを含む。従って光渾部から発し念混合
聞光波は分割型検光子２７により分離されるのである。

つまり分割型検光子２７は周波数α■　のＸ偏光波と周
波数α２　のＹ偏光波の混合波を分離し元の周波数α、
（７）Ｘ偏光波と周波数へ　のＹ偏光波に分けるもので
ある。

次に分離された周波数αｌのＸ偏光波は石英で作られた
試料保持部５０の凹部５１に導入され１こ試料液体を通
過する。なお試料液体はプローブ６全体を液体中に浸漬
することによジ凹部３４に自動的Ｋｌ入さ才Ｌ７）。

又分離された周波数α２　のＹ偏光波は試料保持部５０
のう°ら石英の肉厚部を通過する。この部分は既値の、
Ｉポ折ｉｎＲを有するから内照部として働くのである。

すなわち周波数α１の光線と周波数α２の光線の全党路
を比較すると、プローブ部内の試料部と参照部において
異なるのみで残Ｖは共通である。しかして周波数α１の
光線の位相遅れはこれが試料部を通過したことによる。

従ってこの位相遅れを検出すれば試料液体の参照部に対
する相対屈折率差Δ１１が知れるのである。

位相遅れ△０とΔｎの関係は△Δ＝２ＸｋΔｎで与えら
ハる。なお△Ｚの検出方法については後に説明する。

さて試料保持部３０を通過した光は前方にあるミラー３
２によって逆方向に反射さｎ往路と全く同一の光路を逆
に伝わっていく。分割型検光子２７（ｉｌ：逆に通過し
た光はマイクロレンズ２６によって再混合され、再混合
波として光ファイバ２５を逆にもどっていく。このよう
に本実施例においては導波部２と導波部４とは共通の光
ファイバー２５によって構成されている。光ファイバー
を逆に通過した再混合波は凸レンズ２４を通、過し′Ｃ
Ｃ性行光線なり、生後、ビームスプリッタ−５５によっ
て分離取り出され、再混合波の偏光方向に対して４５°
　の角度にセットされた検光子３４を通過後検出器３５
へと導か：Ｉｔろ。検出器６５における動作を次に？、
見明する。

互い（でｉｆグする偏光波α１とｑ２　の９陽師波であ
るＦ１混合波は再混合波の面光方向に対して４５°の閲
光角゛辷なすようにセットされた検光子５４を通過する
ことにより各偏光のうち検尼子の偏波方向成分がと９出
され、それらは互いに干渉する。

−＋！−Ｃ異、よる周波数α１とα２　の２光線の一１
Ｔ渉を用いたレーザー干渉）去（ヘテロゲイン方式１に
おいて※４干渉１伎の出力信号の波形（づα］−α２　
という周波数の正弦波でちって位相差成分として△σを
含む、　ｆ、ｔつてζ机と位相差Ｏの参照１３号を位相
検出回路より構成されている検出器６５により比較する
ことにより位相差へＺが知れる。従って△０＝２ｘｋＡ
、ｎの式から、：、ｎが知れも。

〔で、（１の実１怜１１列〕 ・実施例１においてｆ−，１干渉方式とじて−＼テロダ
イン方１（？用いた。しかしながら１：１２の方１去例
えば先に述べたホモダイン方式ちるいげ略同偏光を利用
する方式も考えられる。これらの場合には第４図に示す
実施例１において光変調器１７及び１８が不要となるの
みで他の構成はほとんど共通でちる。

父、會実晦例１においてはビームスプリッタ−１６と検
光子１９及び２０により互いに直交する偏光波を作って
いるが、ビームスプリッタ−１６と検光子１９及び２０
は偏光分離能力のあるビームスプリッタ−で置換するこ
とができる。

・又、ビームスプリッタ−１６及び２３のかわりにウォ
ラストンプリズムその他のプリズムを用いることができ
る。

・又実施例１においては偏光混合波をプローブ部へ導く
ために光ファイバーを用いたが、他の実施例においては
第６図に示すように複数の鏡面を有する町とう性を持っ
た光路を用いることもできる。

・又実施例１においては導波部２と導波部４は兼用され
ていたが、もちろん第７図に示すよう（（別個の構成と
してもよい。この場合には光ファイバによって平行光−
となり、ついで分割型検光子によジ分離さ７′Ｌ各々の
光線が試料保持部の試料液体部と象照部を別々に通過す
る。＠：后にマイクロレンズ５６によって収束され、他
の光ファイバー２５を通って検出部に導かれる。

・又、上記実施例は光の往路方向と復路方向が同一方向
であったが、第８図に示すように直角プリズム３７を用
いて往路と復路を相違方向にとることができる。

９又、実施例１においてグローブ部５に用いられたマイ
クロレンズ２６け、たとえばＳ　Ｉ！１ＬＦｏ　Ｏレン
ズ（登録商標）が用いられる。

・　又、実施例１においてプローブ部３に用いられた偏
光分離素子２７は波面分割型検光子であったが、１１０
の実施例においては偏光分離能力をもつビームスプリッ
ターでちっても良（八。

・又、実施例ＩＶｃ：９いては試料保持部３０は全体と
して参照部をも含んだ一体的構造になっていた、しかし
ながら、他の実施例においては第９図に示すように参照
部３８をカセット式とし、種々の匈照物体を使えるよう
にしても良い。

・　実施例１においては導波部２及び４として偏光面保
存光ファ・ｆバーを用いた。しかしながら他の実施例と
して偏光面が回転してしまう光ファイバーを用いること
もでき、７Ｎｅただしこの場合には、プローブ部におい
て、偏光分離素子の設定角を光ファイバ２５の１所而に
対して可変とし測定時に調整可能と１７でおくことが必
要である。この場合、偏光分離菓子の設定角を固定し逆
に光ファイバ２５を回転調整（７ても良い２、 第１０［ｙｉは空隙を非常に小さくとらなければならな
い場合に用いた参照媒体片６９を示した。これは厚さの
わずかに異なる２つの小片をはり合わせるか又（〆１部
分研磨によつ゛Ｃ製作した。（この場＆一部が液体にお
きかえられている　第１０図４０参照）以夕′ｌ第９図
に示すも７７）と捷ったく同じである。

〔発明の効果〕

以上亦べｔように、本発明によればレーデ−干渉法とい
う高精度の屈折率測定法を利用しつつ、プローブ部全艇
測定液体に浸漬すれば、リアルタイムで屈折率が測定で
きるという従来の屈折計には無い高精度リアルタイム（
即時）型液体屈折附が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にががる；楔体屈折率測定装置のブロッ
ク図、第２図は光源部の詳細図、第３図（１プロ一ブ部
の詳細図である。？Ｉτ４図は本発明の一実施（Ｑｌを
示す図、第５図、第６図。・剪９図及び第１０図は実施
例に用いる部品を表ゎ（７た図、第７図及び第８図は他
の実殉例に用いるプローブ部の具体図である。 １　ヅ・を師部　２・・・導波部 ３・・］ｔ’ｊ　−フｆＸｒ！Ｉ４・・・導波部５・・
・検出部　６・・・光源 ７・・・分割部　８・・・Ｙ方向偏波部９・・Ｙ方向偏
波部　１ｏ・・・混合部１１・・・分随部　１２・・・
試料部 １３・・・参照部　１４・・・混合部 １６・・・ビームスプリンター １９．２０・・・検光子　２３・・・光混合器２５・・
・元ファイバー　２６・・・マイクロレンズ２７・・・
分別型検光子　６０・・・試料保持部３５・・・検出器 以　上 代理人　最　上　務 第８図 第９図 ８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｍ　たがいに直交する方向に偏光したうえで混合した２
   つのコヒーレント光を試料中に浸しであるグローブ部へ
   と導く液体屈折率測定装置において、該グローブは該２
   つの光波を偏光に上って分離し、各々を異なった空間す
   なわち一方は試料中を他方は参照媒質中を伝播させたの
   ち再混合させることができる構造をもち、この再混合波
   をさらに検出部へと導いた時に発生する信号を利用する
   ことを特徴とする液体屈折率測定装置。 （２）偏光混合波が異なる周波数をもつ２つの光波から
   なり検出部では光ヘテロダイン検出の方式を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体屈折率測
   定装置。 （３）偏光混合波をプローブへ導くために光ファイバを
   用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液
   体屈折率測定装置。 （４）瑞光混合波全プローブ部へ導くために複数の鏡面
   を有する町とり性を持った光路を用いたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の液体屈折率測定装置。 （５）　再混合波を検出部へ導くために用いる光ファイ
   バーと、ｉｆｆｆｆ光混合波ローブ部へ導くために用い
   る光ファイバーを兼用したことを特徴とする特許請求の
   範囲第３項記載の液体屈折率測定装置。 （６）　プローブ部において偏光分離素子が波面分別型
   検光子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の液体屈折率測定装置。 （７）　グローブ部において偏光分１碓素子が偏光分離
   能力をもつビームスプリッタであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の液体屈折率測定装置。 （８）グローブ部において空間的に分離された２つの偏
   光波をその光路の先端に反射説又はプリズム体を設けて
   その進行方向を反転させることを特徴とする特〆ＦｃＦ
   ｆ求の範囲第１項記載の液体屈折率６ｊｌｌ定装置。 （９）　グローブ部において光路上にマイクロレンズを
   置いて、光線を平行光線にならしめ、あるいは収束なら
   しめる光学系を有する特許請求の範囲第１項記載の液体
   屈折率測定装置。 Ｑｔｊ　プローブ部において空間的に分離された２つの
   偏光波の光路上に、非共通部分として一方には参照とな
   る物体片をおき、他方に（１試料液浸入のための間隙を
   設け、他は共通な媒質であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の液体屈折率測定装置。 ０υ　混合偏波光が当初円偏光波または合成直線偏光波
   となっている場合、検出部では再混合波の略同偏光度を
   決定してこれから伝播試料媒質の屈折率をめることを特
   許とする！持１／Ｆ請求の範囲第１項記載の液体屈折率
   測定装置。 ０２　ｉｆｔｆｔ合波光波つの周波数の異なる光波より
   合成されておＶ、検出部では光ヘテロゲイン法により差
   周波数の信号が得られるが、この信号波の位相を決定す
   ることにより、伝播試料媒質の屈折率をめることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の液体屈折率測定装置
   。 （１３プローブ部において偏光分離素子はその設定角が
   可変であり測定時に調整可能となっており、最適値条件
   において測定が一丁能となんように調整できることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項１．（シ載の液体屈折率
   測定装置。 （１４プローブ部において偏光分離素子に対して入射す
   る光の偏光角が可変となっており、最適条件において測
   定が可能となるように調整できることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の液体屈折率測定装置。