JP2000019110A - 屈折率測定装置 - Google Patents
屈折率測定装置Info
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
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Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 構成部品数が少なく、低コストで作製でき、
測定精度が高い屈折率測定装置を提供する。 【解決手段】 屈折率測定装置において、光線の入出射
面の双方又は片方が球面形状をなすプリズムを用いる。
この半球状プリズム２の平面部にサンプル４を載せ、光
源１より放射された光線を半球状プリズムの球面部より
入射する。平面部で反射した光線は、反対側の球面部よ
り出射するが、出射面が球面となっているため、このレ
ンズ作用によって別のレンズ等の光学部品を用いること
なしに結像し、臨界屈折角を境界とする明暗境界像３を
つくる。半球状プリズムの結像位置に配したＣＣＤ、フ
ォトダイオードアレイ等で明暗境界の検出を電気的に行
ない、臨界屈折角を求めれば、プリズムの屈折率ｎ1 は
既知であるため、サンプルの屈折率ｎ2 を求めることが
できる。別の態様においては、入射角を一定として反射
率を計測することにより、サンプルの屈折率を求める。
測定精度が高い屈折率測定装置を提供する。 【解決手段】 屈折率測定装置において、光線の入出射
面の双方又は片方が球面形状をなすプリズムを用いる。
この半球状プリズム２の平面部にサンプル４を載せ、光
源１より放射された光線を半球状プリズムの球面部より
入射する。平面部で反射した光線は、反対側の球面部よ
り出射するが、出射面が球面となっているため、このレ
ンズ作用によって別のレンズ等の光学部品を用いること
なしに結像し、臨界屈折角を境界とする明暗境界像３を
つくる。半球状プリズムの結像位置に配したＣＣＤ、フ
ォトダイオードアレイ等で明暗境界の検出を電気的に行
ない、臨界屈折角を求めれば、プリズムの屈折率ｎ1 は
既知であるため、サンプルの屈折率ｎ2 を求めることが
できる。別の態様においては、入射角を一定として反射
率を計測することにより、サンプルの屈折率を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体、液体等の流
体の濃度測定の際に利用されたり、又は固体の物性値と
して計測される、物質の光学的屈折率を測定する装置に
関する。
体の濃度測定の際に利用されたり、又は固体の物性値と
して計測される、物質の光学的屈折率を測定する装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、屈折率は、主として三角柱も
しくは多角柱形状を持つプリズムとそれに付随するレン
ズを用いた光学系とにより構成される装置によって測定
されている。屈折率測定装置が利用する光学的原理は、
以下の２つに大別される。一つは、被測定物をプリズム
の一面に付着させ、プリズムと被測定物により生じた界
面の臨界屈折角を、プリズムの別の面もしくは被測定物
側より入射する様々な入射角の光線により測定するもの
であり、もう一つは、主としてプリズムの別の面から一
定の入射角で入射した光線が界面で反射する時、屈折率
に応じて反射率が変化することを利用したものである。
双方とも、その実現において精度を向上させ、取扱いを
容易にするため、種々の応用工夫を施した装置が考案さ
れている。
しくは多角柱形状を持つプリズムとそれに付随するレン
ズを用いた光学系とにより構成される装置によって測定
されている。屈折率測定装置が利用する光学的原理は、
以下の２つに大別される。一つは、被測定物をプリズム
の一面に付着させ、プリズムと被測定物により生じた界
面の臨界屈折角を、プリズムの別の面もしくは被測定物
側より入射する様々な入射角の光線により測定するもの
であり、もう一つは、主としてプリズムの別の面から一
定の入射角で入射した光線が界面で反射する時、屈折率
に応じて反射率が変化することを利用したものである。
双方とも、その実現において精度を向上させ、取扱いを
容易にするため、種々の応用工夫を施した装置が考案さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】屈折率を臨界屈折角に
より測定する場合及び反射率変化として測定する場合の
いずれにおいても、プリズム及びその周辺光学部品の角
度及び位置精度は、測定精度に直接影響するため極めて
重要であるが、多数の部品を高精度に組み付けることは
困難であり、高価なものとなる。また、三角柱もしくは
多角柱構造を持つプリズムは、プラスチックを射出成形
加工して製造する場合には歪を発生し易く、高精度に仕
上げるのは難しい。
より測定する場合及び反射率変化として測定する場合の
いずれにおいても、プリズム及びその周辺光学部品の角
度及び位置精度は、測定精度に直接影響するため極めて
重要であるが、多数の部品を高精度に組み付けることは
困難であり、高価なものとなる。また、三角柱もしくは
多角柱構造を持つプリズムは、プラスチックを射出成形
加工して製造する場合には歪を発生し易く、高精度に仕
上げるのは難しい。
【０００４】従って、本発明の目的は、構成部品数が少
なく、部品価格、組付にかかるコストを低減できると共
に、測定精度が高く、かつ射出成形によっても良好に加
工できる形状の部品で構成される屈折率測定装置を提供
することにある。
なく、部品価格、組付にかかるコストを低減できると共
に、測定精度が高く、かつ射出成形によっても良好に加
工できる形状の部品で構成される屈折率測定装置を提供
することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明によれば、プリズムを用いた屈折率測定装置
において、光線の入出射面の双方もしくは片方が球面形
状をなすプリズムを用いることを特徴とする屈折率測定
装置が提供される。より具体的な好適な態様において
は、上記プリズムは、図１に示すような真球を中心を通
る平面で切断した半球状であり、球より切削研摩したも
のでも、プラスティックを射出成形したものでもよく、
光線が通過又は反射する部位以外の形状は自由に変える
ことができる。
に、本発明によれば、プリズムを用いた屈折率測定装置
において、光線の入出射面の双方もしくは片方が球面形
状をなすプリズムを用いることを特徴とする屈折率測定
装置が提供される。より具体的な好適な態様において
は、上記プリズムは、図１に示すような真球を中心を通
る平面で切断した半球状であり、球より切削研摩したも
のでも、プラスティックを射出成形したものでもよく、
光線が通過又は反射する部位以外の形状は自由に変える
ことができる。
【０００６】また、本発明の一形態として、前記プリズ
ムの結像位置にＣＣＤ（電荷結合素子）もしくはフォト
ダイオードアレイを配したことを特徴とする屈折率測定
装置が提供される。ここで、ＣＣＤもしくはフォトダイ
オードは、前記プリズムの結像位置における直線上もし
くは平面上の明暗を電気信号に変えうる他のセンサに代
替できることは言うまでもない。
ムの結像位置にＣＣＤ（電荷結合素子）もしくはフォト
ダイオードアレイを配したことを特徴とする屈折率測定
装置が提供される。ここで、ＣＣＤもしくはフォトダイ
オードは、前記プリズムの結像位置における直線上もし
くは平面上の明暗を電気信号に変えうる他のセンサに代
替できることは言うまでもない。
【０００７】一方、本発明の別の形態として、前記プリ
ズムの結像位置に発光素子及び受光素子の少なくとも一
方を配したことを特徴とする屈折率測定装置が提供され
る。ここでいう発光素子とは、単独のＬＥＤ（発光ダイ
オード）のようにほぼ一点で発光する素子でも、電球に
フィルタをつけ単色光を発光可能としたものでもよい。
また、受光素子としては、フォトダイオード、フォトト
ランジスタ、光電管のような単独の光センサを使用す
る。本形態においては、一組の受光、発光素子だけでは
なく、複数の素子を配する形態で実施することもでき
る。
ズムの結像位置に発光素子及び受光素子の少なくとも一
方を配したことを特徴とする屈折率測定装置が提供され
る。ここでいう発光素子とは、単独のＬＥＤ（発光ダイ
オード）のようにほぼ一点で発光する素子でも、電球に
フィルタをつけ単色光を発光可能としたものでもよい。
また、受光素子としては、フォトダイオード、フォトト
ランジスタ、光電管のような単独の光センサを使用す
る。本形態においては、一組の受光、発光素子だけでは
なく、複数の素子を配する形態で実施することもでき
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明による屈折率測定装置は、
以下のように使用する。すなわち、図１に示すように、
半球状プリズム２の平面部にサンプル４を載せ、光源１
より放射された光線を半球状プリズム２の球面部より入
射する。平面部で反射した光線は、反対側の球面部より
出射する。好ましくは、より明瞭な明暗境界像ができる
ように、半球状プリズム２の平面部に、中心部のサンプ
ル４の載置、滴下等のための部分以外の部分を被覆する
マスク、好ましくは黒色のマスク５を印刷、塗布等適宜
の方法により施す。図２に示すように、平面部に入射す
る光線は、その入射角α1 、出射角α2 、プリズムの屈
折率ｎ1 、サンプルの屈折率ｎ2 によって異なる反射率
を示す。ｐ偏光の反射率をγp 、ｓ偏光の反射率をγ
s 、無偏光の反射率をγとすると、それぞれ下記式
（１）、（２）及び（３）で表わされる。
以下のように使用する。すなわち、図１に示すように、
半球状プリズム２の平面部にサンプル４を載せ、光源１
より放射された光線を半球状プリズム２の球面部より入
射する。平面部で反射した光線は、反対側の球面部より
出射する。好ましくは、より明瞭な明暗境界像ができる
ように、半球状プリズム２の平面部に、中心部のサンプ
ル４の載置、滴下等のための部分以外の部分を被覆する
マスク、好ましくは黒色のマスク５を印刷、塗布等適宜
の方法により施す。図２に示すように、平面部に入射す
る光線は、その入射角α1 、出射角α2 、プリズムの屈
折率ｎ1 、サンプルの屈折率ｎ2 によって異なる反射率
を示す。ｐ偏光の反射率をγp 、ｓ偏光の反射率をγ
s 、無偏光の反射率をγとすると、それぞれ下記式
（１）、（２）及び（３）で表わされる。
【化１】
【０００９】また、プリズム及びサンプルの屈折率ｎ1
及びｎ2 と入射角α1 、出射角α2との間には下記式
（４）の関係がある。
及びｎ2 と入射角α1 、出射角α2との間には下記式
（４）の関係がある。
【化２】
【００１０】入射角α1 を０より次第に大きくしていく
と、反射率は高くなり、下記式（５）を満たす角度αc
以上では全てが反射するようになる。
と、反射率は高くなり、下記式（５）を満たす角度αc
以上では全てが反射するようになる。
【化３】 この角度αc を臨界屈折角という。半球状プリズム２か
ら出射する光線は、出射面が球面となっているため、こ
のレンズ作用によって別のレンズ等の光学部品を用いる
ことなしに結像し、図１に示すようにこの臨界屈折角を
境界とする明暗境界像３をつくる。この像を観測し、境
界の位置、従って臨界屈折角αc を求めれば、プリズム
の屈折率ｎ1 は既知であるため、サンプルの屈折率ｎ2
を求めることができる。
ら出射する光線は、出射面が球面となっているため、こ
のレンズ作用によって別のレンズ等の光学部品を用いる
ことなしに結像し、図１に示すようにこの臨界屈折角を
境界とする明暗境界像３をつくる。この像を観測し、境
界の位置、従って臨界屈折角αc を求めれば、プリズム
の屈折率ｎ1 は既知であるため、サンプルの屈折率ｎ2
を求めることができる。
【００１１】本発明の形態のうち、半球状プリズムの結
像位置にＣＣＤもしくはフォトダイオードアレイを配し
たものは、この明暗境界の検出を電気的に行なうもので
あり、ＣＣＤ出力が急激に低下し始める位置をもって境
界を見つけ、サンプルの屈折率を求める。また、本発明
の形態のうち、半球状プリズムの結像位置に発光素子及
び受光素子の少なくとも一方を配したものは、入射角α
1 を一定として前記式（３）による反射率を計測するこ
とにより、サンプルの屈折率を求めるものであり、入射
面、出射面が球状であることによるレンズ作用で、一定
入射角以外の光線が受光素子に入ることを防止し、精度
の高い測定ができる。
像位置にＣＣＤもしくはフォトダイオードアレイを配し
たものは、この明暗境界の検出を電気的に行なうもので
あり、ＣＣＤ出力が急激に低下し始める位置をもって境
界を見つけ、サンプルの屈折率を求める。また、本発明
の形態のうち、半球状プリズムの結像位置に発光素子及
び受光素子の少なくとも一方を配したものは、入射角α
1 を一定として前記式（３）による反射率を計測するこ
とにより、サンプルの屈折率を求めるものであり、入射
面、出射面が球状であることによるレンズ作用で、一定
入射角以外の光線が受光素子に入ることを防止し、精度
の高い測定ができる。
【００１２】
【実施例】以下、添付図面に示す実施例を説明しつつ、
本発明をより詳細に説明する。図３は、本発明を臨界屈
折角測定による屈折率測定装置に応用した場合の部品配
置の一実施例を図示したものである。図３において、符
号１ａは光源であり、２は半球状のプリズム、６ａはＣ
ＣＤである。光源１ａとしては、屈折率測定に使用する
測定波長の単色光源が望ましく、また、半球状プリズム
２の平面部において、被測定物との界面で臨界屈折角と
なる入射角を含む広い範囲の入射角の光線を含む必要が
ある。このため、光源１ａは、大きな発光面を持つよう
に構成するか、散乱板により面積を広げることが望まし
い。光源１ａの位置は、広い範囲の入射角で半球状プリ
ズム２の平面部に入射できれば特定する必要はない。Ｃ
ＣＤ６ａは、測定範囲の中央付近の出射光が受光面中央
に垂直に入射し、かつ臨界屈折角前後で生じる明暗境界
が結像する位置に配置する。具体的には、プリズム２と
同一の半径をもつ球状レンズの焦点距離を求め、この距
離の２倍だけ半球状プリズム２の球面中心から離れた位
置となる。半球状プリズム２の平面部にサンプルを載置
した状態では、ＣＣＤ面には、他の光学部品を使用する
ことなく、臨界屈折角により生じる明暗境界像が結像す
るため、ＣＣＤ出力をＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ等により境
界位置を求めれば、容易に臨界屈折角αc を求めること
ができる。従って、前記式（５）によりサンプルの未知
の屈折率ｎ2 を求めることができる。本実施例は、比較
的高精度の屈折率計及び液体／気体濃度計に応用でき
る。
本発明をより詳細に説明する。図３は、本発明を臨界屈
折角測定による屈折率測定装置に応用した場合の部品配
置の一実施例を図示したものである。図３において、符
号１ａは光源であり、２は半球状のプリズム、６ａはＣ
ＣＤである。光源１ａとしては、屈折率測定に使用する
測定波長の単色光源が望ましく、また、半球状プリズム
２の平面部において、被測定物との界面で臨界屈折角と
なる入射角を含む広い範囲の入射角の光線を含む必要が
ある。このため、光源１ａは、大きな発光面を持つよう
に構成するか、散乱板により面積を広げることが望まし
い。光源１ａの位置は、広い範囲の入射角で半球状プリ
ズム２の平面部に入射できれば特定する必要はない。Ｃ
ＣＤ６ａは、測定範囲の中央付近の出射光が受光面中央
に垂直に入射し、かつ臨界屈折角前後で生じる明暗境界
が結像する位置に配置する。具体的には、プリズム２と
同一の半径をもつ球状レンズの焦点距離を求め、この距
離の２倍だけ半球状プリズム２の球面中心から離れた位
置となる。半球状プリズム２の平面部にサンプルを載置
した状態では、ＣＣＤ面には、他の光学部品を使用する
ことなく、臨界屈折角により生じる明暗境界像が結像す
るため、ＣＣＤ出力をＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ等により境
界位置を求めれば、容易に臨界屈折角αc を求めること
ができる。従って、前記式（５）によりサンプルの未知
の屈折率ｎ2 を求めることができる。本実施例は、比較
的高精度の屈折率計及び液体／気体濃度計に応用でき
る。
【００１３】図４は、本発明を反射率測定による屈折率
測定に応用した場合の部品配置の一実施例を示してい
る。図４において、符号１ｂは光源であり、２は半球状
のプリズム、６ｂは受光素子である。光源１ｂとしては
単色の点光源が好適であり、具体的にはレンズなしのＬ
ＥＤを利用できる。受光素子６ｂとしては、フォトダイ
オード、フォトトランジスタ等が利用できる。光源１ｂ
と受光素子６ｂとは、半球状プリズム２の平面に対して
同一の入出射角をなし、半球状プリズム２の球が完全球
と仮定した時の焦点距離の２倍だけそれぞれ球中心点か
ら隔たった球中心を通り平面部に垂直な平面（半球状プ
リズム２の垂直断面を含む平面）上の２点に位置する。
この場合、光源１ｂの大きさが充分小さければ、半球状
プリズム２の平面部に入射する光線は、球面部の作用に
よりほぼ平行光束となり、単一の入射角となる。このた
め、先に述べたように、受光素子６ｂに入射する光量
は、半球状プリズム２の平面に滴下した溶液もしくは半
球状プリズム２の平面に接する気体の屈折率とプリズム
の屈折率とで定まる反射率によって変化するため、この
反射率を計測すれば、α1 ＝α2 ＝一定であるから、前
記式（１）〜（３）により、サンプルの未知の屈折率ｎ
2 を求めることができる。さらに、液体、気体の屈折率
とそれに含まれる物質濃度の関係を予め求めておけば、
反射率より物質濃度を求めることができる。
測定に応用した場合の部品配置の一実施例を示してい
る。図４において、符号１ｂは光源であり、２は半球状
のプリズム、６ｂは受光素子である。光源１ｂとしては
単色の点光源が好適であり、具体的にはレンズなしのＬ
ＥＤを利用できる。受光素子６ｂとしては、フォトダイ
オード、フォトトランジスタ等が利用できる。光源１ｂ
と受光素子６ｂとは、半球状プリズム２の平面に対して
同一の入出射角をなし、半球状プリズム２の球が完全球
と仮定した時の焦点距離の２倍だけそれぞれ球中心点か
ら隔たった球中心を通り平面部に垂直な平面（半球状プ
リズム２の垂直断面を含む平面）上の２点に位置する。
この場合、光源１ｂの大きさが充分小さければ、半球状
プリズム２の平面部に入射する光線は、球面部の作用に
よりほぼ平行光束となり、単一の入射角となる。このた
め、先に述べたように、受光素子６ｂに入射する光量
は、半球状プリズム２の平面に滴下した溶液もしくは半
球状プリズム２の平面に接する気体の屈折率とプリズム
の屈折率とで定まる反射率によって変化するため、この
反射率を計測すれば、α1 ＝α2 ＝一定であるから、前
記式（１）〜（３）により、サンプルの未知の屈折率ｎ
2 を求めることができる。さらに、液体、気体の屈折率
とそれに含まれる物質濃度の関係を予め求めておけば、
反射率より物質濃度を求めることができる。
【００１４】
【発明の効果】以上のように、本発明の屈折率測定装置
によれば、半球状プリズム自身がレンズを兼ねているた
め、結像のために他の部品を必要としない。この為、部
品数を削減し、部品価格や組付にかかるコストを低減で
きると共に、測定精度を向上することができる。また、
本発明に用いるプリズムは半球状構造であり、真球から
切削する場合、射出成形する場合のいずれでも作製が容
易で、安定な形状である。
によれば、半球状プリズム自身がレンズを兼ねているた
め、結像のために他の部品を必要としない。この為、部
品数を削減し、部品価格や組付にかかるコストを低減で
きると共に、測定精度を向上することができる。また、
本発明に用いるプリズムは半球状構造であり、真球から
切削する場合、射出成形する場合のいずれでも作製が容
易で、安定な形状である。
【図１】本発明の屈折率測定装置の基本概念を示す概略
斜視図である。
斜視図である。
【図２】プリズムとサンプルの境界面における入出射角
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図３】本発明を臨界屈折角測定による屈折率測定に応
用した装置の部品配置の一実施例を示す概略構成図であ
る。
用した装置の部品配置の一実施例を示す概略構成図であ
る。
【図４】本発明を反射率測定による屈折率測定に応用し
た装置の部品配置の一実施例を示す概略構成図である。
た装置の部品配置の一実施例を示す概略構成図である。
１，１ａ，１ｂ 光源 ２ 半球状プリズム ３ 明暗境界像 ４ サンプル ５ マスク ６ａ ＣＣＤ ６ｂ 受光素子
Claims (3)
- 【請求項１】 プリズムを用いた屈折率測定装置におい
て、光線の入出射面の双方もしくは片方が球面形状をな
すプリズムを用いることを特徴とする屈折率測定装置。 - 【請求項２】 前記プリズムの結像位置にＣＣＤもしく
はフォトダイオードアレイを配したことを特徴とする請
求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 前記プリズムの結像位置に発光素子及び
受光素子の少なくとも一方を配したことを特徴とする請
求項１に記載の装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10196496A JP2000019110A (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 屈折率測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10196496A JP2000019110A (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 屈折率測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000019110A true JP2000019110A (ja) | 2000-01-21 |
Family
ID=16358745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10196496A Pending JP2000019110A (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 屈折率測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000019110A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7492447B2 (en) | 2002-10-30 | 2009-02-17 | Atago Co., Ltd. | Refractometer |
| JP2011196911A (ja) * | 2010-03-23 | 2011-10-06 | Mitsubishi Chemical Engineering Corp | 液体の濃度測定装置 |
| CN103698299A (zh) * | 2013-11-26 | 2014-04-02 | 清华大学 | 物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法 |
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