JPS633255B2 - - Google Patents
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- JPS633255B2 JPS633255B2 JP57155300A JP15530082A JPS633255B2 JP S633255 B2 JPS633255 B2 JP S633255B2 JP 57155300 A JP57155300 A JP 57155300A JP 15530082 A JP15530082 A JP 15530082A JP S633255 B2 JPS633255 B2 JP S633255B2
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
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- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
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- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
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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
- G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
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- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
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。
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−Hill社1957年刊行のJenkins
及びWhite著“Fundamentals of Optics”第３
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、従つて低速
で、扱いにくく且つ低分解能である。
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−Hill社1957年刊行のJenkins
及びWhite著“Fundamentals of Optics”第３
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、従つて低速
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
号明細書であつて、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−固体界面
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）を測定する。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。
号明細書であつて、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−固体界面
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）を測定する。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IBM Technical Disclosure
Bulletin、Vol.13.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いた回折屈折計
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′従つて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。
Bulletin、Vol.13.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いた回折屈折計
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′従つて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、液体であつても気体であつても流体
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
ホログラフイツク屈折計であつて、既知の屈折率
を持つ周期的構造体によつ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。
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
ホログラフイツク屈折計であつて、既知の屈折率
を持つ周期的構造体によつ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
材であつてその第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け入れるためのセルを
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ツ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つ
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。
材であつてその第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け入れるためのセルを
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ツ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つ
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。
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。
造体の回折効率ηを定める。
η＝sin2〔π（△ｎ）ｔ／2λcosθ0〕(1)
但し第１図に示すように、
λ＝照明光の波長
θ0＝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n1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、順次のノード間の間隔即
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，
１３は回折格子１０の正弦波状表面１１によつて
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。
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n1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、順次のノード間の間隔即
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，
１３は回折格子１０の正弦波状表面１１によつて
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Ｉ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・
レーザによつて与えられる。光源１５からの光は
次式のブラツグ条件を満足するように入射角θ0で
回折格子１０の表面１１に入射する。
通常のヘリウム・ネオン・レーザ又はアルゴン・
レーザによつて与えられる。光源１５からの光は
次式のブラツグ条件を満足するように入射角θ0で
回折格子１０の表面１１に入射する。
λ＝2nd sinθ0 (2)
回折効率ηは次式で与えられる。
η＝I1／Ｉ＝I1／I1＋I0 (3)
但しI1は回折格子１０によつて回折された光の
強度、I0は回折格子１０を透過した光の強度であ
る。
強度、I0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I0及びI1を感知す
るために、フオト・ダイオード等の１対の検出器
１６及び１７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Ｖ
から△ｎは次式によつて決定できる。
るために、フオト・ダイオード等の１対の検出器
１６及び１７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Ｖ
から△ｎは次式によつて決定できる。
Ｖ（△ｎ）＝kη＝ksin2〔π（△ｎ）ｔ／2λcosθ0
〕(4) 但しｋは定数である。
〕(4) 但しｋ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ｔが4μの構造体１２，１３が
488nｍの波長λの光により20゜の入射角θ0で照明
されると仮定する。この条件の下で回折効率ηは
0.073（7.3％）に等しい。
り、格子の厚さｔが4μの構造体１２，１３が
488nｍの波長λの光により20゜の入射角θ0で照明
されると仮定する。この条件の下で回折効率ηは
0.073（7.3％）に等しい。
比較対照のため、もし屈折率整合技術を用いた
場合を想定すると、屈折率差0.02の界面から反射
される光の効率ηは次式の通りであつて約３桁小
さい。
場合を想定すると、屈折率差0.02の界面から反射
される光の効率ηは次式の通りであつて約３桁小
さい。
η＝〔n1−n2／n1＋n2〕2＝4.4×10-5 (5)
本発明の実施した装置は、セル１４を充填又は
セルに連続的に流れる液体又は気体の屈折率の測
定に用いることができる。もし部材１３の内壁１
９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１４の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つ
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。
セルに連続的に流れる液体又は気体の屈折率の測
定に用いることができる。もし部材１３の内壁１
９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１４の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つ
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
のサーボ・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。従つて帯電状態を整合
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が、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、7.3％の光が１次回折光
になる。
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
のサーボ・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。従つて帯電状態を整合
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が、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、7.3％の光が１次回折光
になる。
光源として通常のレーザ１５を用いれば非常に
正確なシステムが得られる。しかしながら好まし
ければ、ブラツ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つて、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１２，１３の寸法が許せば）
図示したように部材１３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１０は、好ましくはフオトレジスト
又は同様の材料の表面レリーフとしてホログラフ
イ記録し、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つて製造される。
正確なシステムが得られる。しかしながら好まし
ければ、ブラツ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つて、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１２，１３の寸法が許せば）
図示したように部材１３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１０は、好ましくはフオトレジスト
又は同様の材料の表面レリーフとしてホログラフ
イ記録し、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つて製造される。
第１図は光源からの光が回折格子によつて透過
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、
１２，１３……透明部材、１４……セル、１５…
…光源、１６，１７……検出器。
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、
１２，１３……透明部材、１４……セル、１５…
…光源、１６，１７……検出器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 未知の屈折率を有する流体試料を受け入れる
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、 上記回折格子によつて回折された、上記光源か
らの光の強度を感知するための第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。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US307269 | 1981-09-30 | ||
| US06/307,269 US4436420A (en) | 1981-09-30 | 1981-09-30 | Optical fluid analyzing apparatus and method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5863837A JPS5863837A (ja) | 1983-04-15 |
| JPS633255B2 true JPS633255B2 (ja) | 1988-01-22 |
Family
ID=23188978
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57155300A Granted JPS5863837A (ja) | 1981-09-30 | 1982-09-08 | 光学的流体分析装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4436420A (ja) |
| EP (1) | EP0075653B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5863837A (ja) |
| DE (1) | DE3273423D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0462142U (ja) * | 1990-10-03 | 1992-05-28 |
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| US5167149A (en) * | 1990-08-28 | 1992-12-01 | Schlumberger Technology Corporation | Apparatus and method for detecting the presence of gas in a borehole flow stream |
| US5422714A (en) * | 1993-06-07 | 1995-06-06 | Corning Incorporated | Device for comparing the refractive indices of an optical immersion liquid and a reference glass |
| US5502560A (en) * | 1994-07-22 | 1996-03-26 | University Of Washington | Analytical sensor using grating light reflection spectroscopy |
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-
1981
- 1981-09-30 US US06/307,269 patent/US4436420A/en not_active Expired - Fee Related
-
1982
- 1982-06-08 EP EP82105017A patent/EP0075653B1/en not_active Expired
- 1982-06-08 DE DE8282105017T patent/DE3273423D1/de not_active Expired
- 1982-09-08 JP JP57155300A patent/JPS5863837A/ja active Granted
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0462142U (ja) * | 1990-10-03 | 1992-05-28 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0075653A1 (en) | 1983-04-06 |
| EP0075653B1 (en) | 1986-09-24 |
| US4436420A (en) | 1984-03-13 |
| DE3273423D1 (en) | 1986-10-30 |
| JPS5863837A (ja) | 1983-04-15 |
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