JPS60201236A - 屈折率測定素子 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は液体の屈折率を測定する屈折針の主要部として
使用される新規な屈折率測定素子に−する。

（発明の背景） 従来、液体の屈折率を測定する屈折計としてはアツベの
屈折計が最も普及している。アツベの屈折計は、測定に
時間がかかり、従って、刻々と屈折率が変化する試料を
測定することはできず、ま−−、−、、＋Ｉ＋＋−に＋
ｌ″１１１−〜ムｌＩ恒１７ＩΔ−１４−−４−７、七
ｌΔオンラインで入力することができない欠点があった
。

（発明の目的〕 従って、本発明は、測定が瞬時にでき、そのため経時的
に連続測定ができ、しかもめた屈折率もしくは屈折率と
一定の関数関係にあるパラメーターを別の処理系にオン
ラインで入力できる屈折計を得るため、その心朦部とも
言うべき屈折率測定素子を提供することを目的とする。

（発明の概要） 屈折率がｎ＋　＋　ｎｔ　（１１＋　＠　ｎｅ　）の物
質の境界面を通る光ビームは境界面で屈折し、入射角を
θ７、出射角をθ、とすると、スネルの法則により式：
ｎ、Ｓ＠θ、　−Ｑ、　關θ２・・・・・・・・・Ｃ式
ｌ）が成立する。

今、既知の物質の屈折率をｎｌ、液体試料の屈折率をｎ
、とし、ｎ、の物質側から入射角θ１（但し、臨界角〉
θ、〉０）で光ビームを試料に入射させたとすると、試
料の屈折率ｎ２　に応じて光ビームは第１図に示すよう
に屈折し、入射角θ。

シＨ轟かス出射負θ−を椿つ、子のかめ−焙界面（Ｋ）
と距離ＣＬ）の間隔を有する平行平面（Ｋ′）への光ビ
ームの到達位ｆｆ１（Ｐ）は屈折しなかった場合の到達
位ｉ１１！（Ｔｈ）とは異なりた位置となり、両者の距
離を（ｄ）とすると、第１図から判るように ｄ＝　ｔｔａｎ（θ２−　θ、　ン　・・・・・・・・
・　ｃ　式　２　）式ｌ及び２から、ｎｌ、θ、及びｔ
が一定であれば、１．冨ｆ（ｄ）で表わされ、ｄを測定
すれば、試料の屈折率ｎ、は直ぐにまることになる。

そこでｄを瞬時に測定でき、そのため経時的に連続測定
ができ、しかもオンラインで別の処理系へ入力できるも
のとしてラインセンサーに着目した。

従って１本発明は液体試料に対して入射角θ。

（但し、臨界角〉θ、〉０）で光ビームを入射する光源
（１）及び液体試料によって屈折された光ビームを受光
し、その受光位置を検出するラインセンサー（２）から
なることを特徴とする屈折率測定素子を提供する。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１） 第２図は本実他側の屈折率測定素子の説明図であり、（
１）は波長λ＝　６３２．８　ｎｍのレーザー光源、（
２）は解ｆｌｌ１度５０本／鋼のラインセンサー、（３
）は屈折率ｎ、＝１．５１のガラスでできた容器で、（
Ｓ）は液体試料である。

光源（１）からの光ビームは容器（３）に入射角４５°
で斜入射させる。容Ｎ（３）の壁の表裏面は平行にしで
あるので、もとの入射方向と平行な方向から光ビームが
試料（８）に入射し、屈折されてラインセンサー（２）
の位＠（Ｐ）に受光される。仮に屈折しなかつたとすれ
ば第２図の点線に沿って進み位置（Ｐａ）で受光される
。

容器（３）の入射面とラインセンサー（２）との間隔ｔ
を３０１１１１とすると１位置（Ｐｏ）と（Ｐ）との距
離ｄは、式１及び２から、 ｄ　Ｗ　３０Ｘｔｍｎ　（４５−５ｉｎ−’−！！！！
−！−）−−・−（式３）（但し、ｎ、は試料の屈折率
） となる。従って、試みに適当なｎＲの値を代入して請求
めると次の第１表の如くなる。

第１表 ここでは、解像度５０本／鰭のラインセンサ（２）を用
いているから、＃！１表から本例の屈折率測定素子忙よ
ればＩＪ５１付近でｌＸｌ０　の精度で屈折率ｎ、をめ
ることができ、この精度はア、べ屈折計やプルフリッヒ
屈折計と比べ、同レベルである。更に精度を上げるには
、距ＭＬを長くするか、ラインセンサの解像度を上げれ
ばよい。

ラインセンサの種類は種々あるが、ここでは受光すると
端子Ａ、Ｂに電流エム、　Ｉｎが発生するものを使用す
る。この電流エム、　Ｉｎをアンプ（図示せず）で増幅
し、その上で演算器（図示せず）により、電圧Ｖ： に変換し、この電圧ｖｔ−ｔｔ圧計（図示せず）に表示
させると、電圧Ｖは受光位置（Ｐ）に応じて変化する。

従って、予め屈折率が知れているいくつかの試料につい
てｎ圧Ｖを測定しておけば、電圧Ｖと屈折率との相関々
係が知れるので、未知の試料について電圧Ｖを測定すれ
ば、前記相関々係から未知の試料の屈折率が算出される
゛ことになる。この算出手段をマイコンにプログラムす
れば瞬時に屈折率が算出されるので、結局本発明によれ
ば屈折率が瞬時に測定されることになる。従って、ガラ
ス容器（３）の底を撤去して試料を上から下に流すこと
もでき、仮に流れる試料の屈折率が刻々と変化しても、
本素子によれば連続的に屈折率を測定できる。

また％電圧Ｖが結局屈折率と一定の関数関係忙あるので
、その電圧Ｖをそのまま屈折率を表わすパラメーターと
して次の処理系にオンラインで流すことができる。

そのほか、電圧Ｖとｄとの相関々係を予め調らぺておき
、この関係と式３からｎ、をめる方程式をマイコンにプ
ログラムしておけば、そのまま試料の屈折率ｎ、を得る
ことができる。

尚、屈折しなかったときの受光位置（Ｐ）の確認は、試
料（８）として、容器（３）の壁と同一の屈折率を有す
る既知の試料を入れるか、それが面倒であれば試料（８
）の代りに空気を入れ、そのときの受光位置（Ｐａ）を
基準点として用いてもよい。この場合には、空気の屈折
率ｎｍが判っておれば、空気への出射角θａが式： ｎｓ―θ、５ｅｎａｓｉｎθｍ−−−−−−’−（式４
）からめられるので、位４１２（Ｐｏ）と（Ｐａ）との
距離（ｄａ）は式： ｄａ　ｗｘ　Ｌ　ｔａｎ　（θ、−θａ）・・・・・・
・・・Ｃ式５）から計算されることから、位置（Ｐｏ　
）と（Ｐ）との距離ｄは、実測された位１！（Ｐ）と（
Ｐａｄ）との距離（ｄりと（式５）から計算された距離
（ｄａ）との和として得られ、この値（ｄ）を式３に代
入すれば、未知の試料（８）の屈折率（ｎ、）を知るこ
とができる。

（実他側２） 第３図は本例の屈折率測定素子の説明図である。

ここでは光源（１）として白色光源を用い、この光源か
らの光を平行光学系（４）で平行光にし、絞り（５）を
通して、断面直径の小さい光ビームとし、この光ビーム
をプリズム（６）全通して試料（８）に入射させる。プ
リズム（６〕は光ビームを試料＋＜Ｓ：）に斜入射させ
るための要素である。

そして屈折されなかりた場合には、光ビームはラインセ
ンサ（２）の位置（Ｐｏ）　Ｋ受光され、試料ＣＢ）が
あって屈折された場合Ｖｃｋ′ｉ位置（Ｐ）に受光され
る。本例の場合、プリズム（６）を撤去すれば、屈折さ
れなかった場合の受光位置（Ｐｏ）が直ちに知れる。

尚、光源（１，）として白色光を用いるので厳密に言え
ば波長によって屈折率が異なるので受光位置（Ｐ）は点
にならずぼやけて円になる０従って・波長ごとの厳密な
屈折率が欲しければ、ラインセンサー（２）の前に波長
選択フィルタ例えば色ガラスフィルタを配設するか、プ
リズム（６）と光源（１）との間に波長選択フィルタ又
は分光器を配設する。しかし、ラインセンサー（２）の
前に波長選択フィルタを配設する方がノイズの除去に有
利である。

（実施例３） 第４図は本例の屈折率測定素子の説明図であり、（１）
はＨｅ−Ｎｅレーザー光源であり、（７）は光源光を導
く単一モード光ファイバーであり、（６）は斜入射のた
めのプリズムである。（８）は液体試料で、（３）は試
料（Ｓ）を入れるためのガラス容器であり、容器の受光
側にはイメージファイバー（８）が配設してあり、これ
により受光位置を動かさずに容器（３）の外に屈折光を
導き、そして拡大光学系（９）に導く。その結果、試料
（８）による屈折光はｄが例えば７倍に拡大されて、ラ
インセンサー（２）上に受光される。従って、本実施例
はより精度が向上する。

試料として水とエタノールとの種々の割合の混合液を作
り、実施例１と同様にしてめた電圧ＶＣ実測値）と、該
混合液についてＣ１ａｕｓｉｕｓ　−’ｈｈ＠＠０口五
の関係式でめた理論的屈折率（これは実験結果と一致す
ることが既に証明されている）との関係を第５図に示す
。第５図に於いて・印は実測電圧Ｖの値を示し、実Ｉｓ
は上記Ｃ１ａｕｓｉｕｓ　−Ｍｏ＠ａｏｔｔｉの関係式
でめたグラフであり、左縦軸は電圧Ｖ、右縦軸は屈折率
ｎ、横軸はエタノールの容量％による濃度を示す。

第５図から電圧Ｖと屈折率ｎとの間に一次関数関係があ
ることが判る。そのため、未知の試料（Ｓ）についてＵ
圧Ｖを測定すればその屈折率ｎが知れる。拡大光学系（
９）の倍率を上げれば、−ｆｆＪ屈折率の精度が向上す
る。

（発明の効果） 以上の通り、本発明によれば、屈折率が瞬時にしかも連
続的に測定でき、その上ラインセンサからの出力が電気
信号であるので別の処理系にオンラインで入力できる。

そのほか、その場（１ｎｓｌｔｕ）で測定できる。可動
部分がない。遠隔操作ができる等の利点ももたらされる
。

従って、本発明の屈折率測定素子は単に屈折計にとどま
らず、屈折率の変化によって試料の例えば温度、濃度、
圧力等の変化を監視するインジケーター、ディテクター
、センサーにも応用され、これらのインジケーターやデ
ィテクターは食品や化学品のオートメーション製造プラ
ントにとって極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な光ビームの屈折の様子を説明する説明
図である。 第２図は本発明の実施例１にかかる屈折率測定素子の説
明図である。 第３図は同じ〈実施例２のそれの説明図である。 第４図は同じ〈実施例３のそれの説明図である。 第５図はエタノールの容量％による濃度変化と電圧Ｖ及
び屈折率ｎとの関係を示すグラフである。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・・・・光源 ２・・・・・・ラインセンサー ３・・・・・・ガラス容器 ４・・・・・・コリメーターレンズ ５・・・・・・絞り ６・・・・・・プリズム ７・・・・・・光ファイバー Ｂ・・・・・・イメージファイバー ９・・・・・・拡大光学系 第１図 第２図 第３図 手続補正書（１！娶ン 昭和５９年７り！２日 １．１９牛の拳し六 昭和５９年−特許願第５７５７５号 判牛との関係　特許出願人 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 （４１１）日本光学ＴＪ林お文会社 ４、代理人 〒１４０東京部品川区西大井１丁目６番３号５、補正の
対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容 （１）明細書第３頁第６行の「ａ　＝ｔ　ｔａｎ（θ、
−θ□）を、ｆ　ｄ　＝　Ｌ　（ｔａｎθ、　−ｔａｎ
θ２）」と訂正する。 （２）同第３頁第８行の「一定」を、「既知」と訂正す
る。 （３）同第４頁第１２行の［入射し、屈折されて」を、
ｒ入射した如くに屈折されてＪと訂正する。 （４）同第４頁最下行のｒ　ｄ　＝　３０　Ｘ　ｔａｎ
（４５−（ｇｉｎ−”巳見Ｌ）〕」と訂正する。 ２ （５）同第５頁の第１表を別紙のとおりに訂正する。 ＩＡ　−Ｉｎ （６）同第６頁第１０行の「ｖ−πＦＫ」を、■＝−戸
二」上が」と訂正する。 ＩＡ＋ＩＢ （７）同第６頁第１３行の「変化する。」の後に、「こ
こで鳩は基準電圧である。」を追加する。 （８）同第７頁第１５行の「受光位置（Ｐ）」を、「受
光位置（ＰＯ）Ｊと訂正する。 （９）同第７頁最下行の「屈折率ｎａＪを、ｒ屈折率ｎ
、Ｊと訂正する。 （Ｉｎ同第８頁第５行の「ｄ　ａ＝＝Ｌｔａｎ　（θ１
−θ、）」を、ｒ　ｄａ＝４（ｔａｎθ１−　ｔａｎθ
、）」と訂正する。 ０１１同第９頁第３行の「そして屈折されなかった場合
」を、「そしてプリズム（６）の屈折率と試料（Ｓ）の
屈折率が同じであるために屈折されなかりた場合」と訂
正する。 ａの同第９頁第４〜５行の「試料（Ｓ）があって屈折さ
れた場合」をｒ試料（Ｓ）の屈折率がプリズム（６）の
屈折率と違うこと忙よって屈折された場合」と訂正する
。 （以上）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液体試料に対して入射角θ、（但し、臨界角〉θ　〉０
   ）で光ビームを入射する光源（１）及び液体試料により
   ′て屈折された光ビームを受光し、その受光位置を検出
   するラインセンサー（２）からなることを特徴とする屈
   折率測定素子。