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JPH0342622B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0342622B2
JPH0342622B2 JP58197093A JP19709383A JPH0342622B2 JP H0342622 B2 JPH0342622 B2 JP H0342622B2 JP 58197093 A JP58197093 A JP 58197093A JP 19709383 A JP19709383 A JP 19709383A JP H0342622 B2 JPH0342622 B2 JP H0342622B2
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JP
Japan
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wave
refractive index
polarized
measuring device
section
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JP58197093A
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Publication date
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Priority to GB08424408A priority patent/GB2148497B/en
Priority to US06/660,923 priority patent/US4640615A/en
Publication of JPS6088353A publication Critical patent/JPS6088353A/ja
Publication of JPH0342622B2 publication Critical patent/JPH0342622B2/ja
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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
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained

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  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は屈折率を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〕
従来液体屈折率測定装置としては、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れていた。これ
は屈折率の異なる境界での全反射の起る臨界角を
測定して屈折率を求めるものである。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
折率を求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10-2〜10-3と低く光通信用フアイバーの製造
の如く精密な屈切率制御を必要とする分野に使え
なかつた。
又屈折率を精密に測定する方法として、いわゆ
る干渉法を用いるものが知られていたが、これは
被測定物をリアルタイムで測定することができな
かつた。光フアイバーの製造コントロールを高な
う為には、実際の工程において即座に屈折率の精
密な測定が必要であるにもかかわらず、従来の干
渉法を用いたものはサンプリングが必要であり
InSithのものがなかつた。
〔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
ルタイムで液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（以下偏光混合波と
いう）を作る。この偏光混合波は導波部２を伝播
してプローブ部３に入る。プローブ部３に入つた
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。これによつて両者の偏光波間には位相
差が生じるが、この位相差は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１において偏
光混合波を作りこれをプローブ部３に導びき分離
した後、各々サンプルとリフアレンスを通過さ
せ、再度混合して再混合波として検出部５に導び
き測定するものである。かかる方法によつてサン
プルとリフア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。しかし被測定液を使用状態のま
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れ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偏光させた後、混合して
あたかも一光源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
う有利さがある。さらに測定場所にはプローブ部
が挿入される。このプローブ部には光学系が収め
られている。すなわち偏光混合波は各々の偏光状
態に拠つてもとの２つの偏光波に空間的に分離さ
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へと
導かれる。これは前述と同じ目的で外乱からの影
響を除去するためである。このような光学配置で
は１本の光フアイバーによつて光源部１、プロー
ブ部３及び検出部５を接続できる。以上に述べた
ようにプ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プローブが
浸つている液体の屈折率を測定しようとするのが
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を有する
光を発するレーザーよりなる。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
としてはビームスプリツターやプリズムが用いら
れる。次に一方の光はＸ方向偏波部８により偏光
波となる。Ｘ方向偏光部８は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偏光波
は混合部１０において混合され１つの光線束とな
つて導波部２に導かれる。導波部２はマルチモー
ドフアイバ、単一モードフアイバ若しくは偏波面
保存フアイバ等の光フアイバーにより構成され
る。
第３図はプローバ部３の詳細図である。導波部
２より導びかれた混合偏光波は分離部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
はプローブ３を試料液体に浸漬することにより被
測定試料が導入される。他方の偏光波は参照部１
３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。従つて本装置において
は液体の屈折率は参照物体たる石英の屈折率との
差として与えられる。本来屈折率の測定において
は試料温度は既知である必要があつた。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高精度に測定できるので実
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た偏光波は位相
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（サンプルとリフア
レンス）の屈折率の差の関係は以下の式で示され
る。
(1) ２つのコヒーレント光が同一の周波数をもつ
ている場合（ホモダインの場合） Ｉ＝μ・Io｛１＋cos(KnsXs-KnkXk)｝
……(1) で表わされる。
ここにＩは出力信号、μは検出器の能率、Ioは
光の合計平均パワーＫは用いる光の波数（Ｋ＝
2π／λ λは光の真空中での波長）、Ｘは媒質の
光路長に占める長さ、ｎは媒質の屈折率である。
ＳとＲはそれぞれ試料（サンプル）及び参照媒質
（リフアレンス）に関する数値であることを意味
している。
式(1)においてもしnRxo−nRxR＝π／２とおくこ とができれば微妙な屈折率の変化△ｎ＝ns−nR
による出力の変化は △ＩIiK△nXs ……(2) と近似できる。IiはnRXs−nRXR＝π／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Xsを知り△Ｉを測定することによ
つて△ｎが求められる。
(2) ２つのコヒーレント光が異る周波数α1，α2も
つている場合（ヘテロダインの場合） 交流成分について考えると、 Ｉ＝μIocos（2π△tnsxs−nRxR） ……(3) ここに△α＝｜α1−α2｜である。
式(3)においては、cos波の振幅部分にまつたく
依存せずに△という周波数をもつ搬送波の位相
に注目することによつて △φ＝△nXR（ただしＸ＝Xs＝XR）という位
相変化として微少屈折率△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通りの干渉測定法を述べたが第３の方法
もある。それは隋円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つてその光源状態
が異なる。すなわちもし位相差が0゜であれば直線
偏光（偏光角45゜）、又もし位相差が90゜であれば
円偏光波を与えその中間ではすべて隋円偏光と呼
ばれる状態を呈する。従つて偏光の隋円度と偏光
角を測定すれば上例で述べた屈折率差を決定する
ことができる。本発明においては上記３つの原理
のいずれもが利用できる。
〔実施例 １〕 第４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は光レーザであつてコヒー
レントな光を出す。又光源１５は準コヒーレント
光源であつても良い。コヒーレント光はビームス
プリツター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0の周波数をもつ
ていたものが、光変調器１７及び１８によつて周
波数変調されα1及びα2となる。光変調器としては
Bragg Call又はRaman−Nath Callが用いられ
る。これらα1及びα2の光束は各々偏光子１９及び
２０によつて互いに直交する偏光波すなわちＸ偏
光波及びＹ偏光波となる。これら２つの偏光波は
ミラー２１及び２２によつて方向を変えられ光混
合器２３によつて一本の光線束すなわち偏光混合
波となる。
偏光混合波は凸レンズ２４によつて光フアイバ
ー２５の入射口に集められ光フアイバー２５の中
に導かれる。光フアイバー２５は導波部２の役割
を果たし偏光混合波はプローブ部３に導いてい
る。
光フアイバー２５を伝わつた偏光混合波は光フ
アイバー２５の出口で発散しマイクロレンズ２６
によつて平行光線となる。この平行光線は分割型
検光子２７によつて互いに直交する偏光束の混合
波が偏光波ごとに分離される。この分割型検光子
２７の構造は第５図に示すようになつており、互
いに直交する偏光軸を有する半円型の検光子２
８，２９を貼り合わせたものである。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。従つて光源部から
発した混合偏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α1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α1のＸ偏光波と周波数α2のＹ偏光波に分けるも
のである。
次に分離された周波数α1のＸ偏光波は石英で作
られた試料保持部３０の凹部３１に導入された試
料液体を通過する。なお試料液体はプローブ３全
体を液体中に浸漬することにより凹部３１に自動
的に導入される。
又分離された周波数α2のＹ偏光波は試料保持部
３０のうち石英の肉厚部を通過する。この部分は
既値の屈折率nRを有するから参照部として働く
のである。すなわち周波数α1の光線と周波数α2の
光線の全光路を比較すると、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りは共通であ
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。従つてこの位相遅
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△ｎが知れるのである。
位相遅れ△φと△ｎの関係は△φ＝2xk△ｎで
与えられる。なお△φ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３２によつて逆方向に反射され往路と全く
同一の光路を逆を伝わつていく。分割型検光子２
７を逆に通過した光はマイクロレンズ２６によつ
て再混合され、再混合波として光フアイバ２５を
逆にもどつていく。このように本実施例において
は導波部２と導波部４とは共通の光フアイバー２
５によつて構成されている。光フアイバーを逆に
通過した再混合波は凸レンズ２４を通過して平行
光線となつた後、ビームスプリツター３３によつ
て分離取り出され、再混合波の偏光方向に対して
45゜の角度にセツトされた検光子３４を通過後検
出器３５へと導かれる。検出器３５における動作
を次に説明する。
互いに直交する偏光波α1，α2の混合波である再
混合波は再混合波の偏光方向に対して45゜の偏光
角をなすようにセツトされた検光子３４を通過す
ることにより各偏光のうち検光子の偏波方向成分
がとり出され、それらは互いに干渉する。
さて異なる周波数α1とα2の２光線の干渉を用い
たレーザー干渉法（ヘテロダイン方式）において
は干渉波の出力信号の波形はα1−α2という周波数
の正弦波であつて位相差成分として△φを含む。
従つてこれと位相差０の参照信号を位相検出回路
より構成されている検出器３５により比較するこ
とにより位相差△φが知れる。従つて△φ＝2xk
△ｎの式から△ｎが知れる。
〔他の実施例〕
・ 実施例１においては干渉方式としてヘテロダ
イン方式を用いた。しかしながら他の方法例え
ば先に述べたホモダイン方式あるいは隋円偏光
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
ど共通である。又、実施例１においてはビーム
スプリツター１６と検光子１９及び２０により
互いに直交する偏光波を作つているが、ビーム
スプリツター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ツターで置換する
ことができる。
・ 又、ビームスプリツター１６及び２３のかわ
りにウオ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アイバーを用いたが、他の
実施例においては第６図に示すように複数の鏡
面を有する可とう性を持つ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
に別個の構成としてもよい。この場合には光フ
アイバ２５を通つてきた偏光混合波はマイクロ
レンズ２６によつて平行光線となり、ついで分
割型検光子により分離され各々の光線が試料保
持部の試料液体部と参照部を別々に通過する。
最后にマイクロレンズ３６によつて収束され、
他の光フアイバー２５を通つて検出部に導かれ
る。
・ 又、上記実施例は光の往路方向と復路方向が
同一方向であつたが、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逆方向に
とることができる。
・ 又、実施例１においてプローブ部３に用いら
れたマイクロレンズ２６は、たとえば
SELFOC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
つたが、他の実施例においては偏光分離能力を
もつビームスプリツターであつても良い。
・ 又、実施例１においては試料保持部３０は全
体として参照部をも含んだ一体的構造になつて
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をカセツト式と
し、種々の参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
光面保存光フアイバーを用いた。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
アイバーを用いることもできる。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
設定角を光フアイバ２５の断面に対して可変と
し測定時に調整可能としておくことが必要であ
る。この場合、偏光分離素子の設定角を固定し
逆に光フアイバ２５を回転調整しても良い。
第１０図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３９を示し
た。これは厚さのわずかに異なる２つの小片を
はり合わせるか又は部分研磨によつて製作し
た。（この場合一部が液体がおきかえられてい
る。第１０図４０参照）以外第９図に示すもの
とまつたく同じである。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によればレーザー干
渉法という高精度の屈折率測定法を利用しつつ、
プローブ部を被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）型液体屈折計
が得られた。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明にかかる液体屈折率測定装置の
ブロツク図、第２図は光源部の詳細図、第３図は
プローブ部の詳細図である。第４図は本発明の一
実施例を示す図、第５図，第６図，第９図及び第
１０図は実施例に用いる部品を表わした図、第７
図及び第８図は他の実施例に用いるプローブ部の
具体図である。 １…光源部、２…導波部、３…プローブ部、４
…導波部、５…検出部、６…光源、７…分割部、
８…Ｘ方向偏波部、９…Ｙ方向偏波部、１０…混
合部、１１…分離部、１２…試料部、１３…参照
部、１４…混合部、１６…ビームスプリツター、
１９，２０…検光子、２３…光混合器、２５…光
フアイバー、２６…マイクロレンズ、２７…分割
型検光子、３０…試料保持部、３５…検出器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ たがいに直交する方向に偏光した２つのコヒ
    ーレント光の偏光混合波を発生する光源部と、前
    記光源部から導かれた偏光混合波を各偏光波に分
    離した後、各々を異なつた空間すなわち一方は液
    体試料中を他方は参照媒質中を伝播させたのち再
    混合させるプローブ部と前記プローブ部からの再
    混合波を信号検出する検出部とからなる液体屈折
    率測定装置。 ２ 前記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 前記偏光混合波をプローブ部へ導くために光
    フア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 前記偏光混合波を前記プローブ部へ導くため
    に複数の鏡面を有する可とう性を持つた光路を用
    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 前記再混合波を前記検出部へ導くために用い
    る光フアイバと、前記偏光混合波をプローブ部へ
    導くために用いる光フアイバ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 前記プローブ部において前記偏光混合波を各
    偏光波に分離する偏光分離素子が波面分割型検光
    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 前記プローブ部において前記偏光混合波を各
    偏光波に分離する偏光分離素子が偏光分離能力を
    もつビームスプリツ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 前記プローブ部において前記空間的に分離さ
    れた２つの偏光波をその光路の先端に反射鏡又は
    プリズム体を設けてその進行方向を反転させるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体
    屈折率測定装置。 ９ 前記プ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
    いは集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。 １０ 前記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、他方には試料液
    侵入のための隙間を設け、他は共通は媒質である
    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。 １１ 前記偏光混合波が当初円偏光波または合成
    直線偏光波となつている場合、検出部では再混合
    波の楕円偏光度を決定してこれから前記液体試料
    の屈折率を求め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。 １２ 前記偏光混合波が２つの周波数の異なる光
    波より合成されており、検出部では光ヘテロダイ
    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、前記液体試料
    の屈折率を求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 前記プローブ部において前記偏光混合波を
    各偏光波に分離する偏光分離素子はその設定角が
    可変でありかつ測定時に調整可能となつており、
    最適値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。 １４ 前記プローブ部において前記偏光混合波を
    各偏光波に分離する偏光分離素子に対して入射す
    る光の偏光角が可変となつており、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。
JP58197093A 1983-10-20 1983-10-20 液体屈折率測定装置 Granted JPS6088353A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58197093A JPS6088353A (ja) 1983-10-20 1983-10-20 液体屈折率測定装置
GB08424408A GB2148497B (en) 1983-10-20 1984-09-27 Liquid refractometer
US06/660,923 US4640615A (en) 1983-10-20 1984-10-15 Liquid refractometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58197093A JPS6088353A (ja) 1983-10-20 1983-10-20 液体屈折率測定装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6088353A JPS6088353A (ja) 1985-05-18
JPH0342622B2 true JPH0342622B2 (ja) 1991-06-27

Family

ID=16368606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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GB2148497B (en) 1986-11-26
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