(57)【要約】【課題】  試料に関する複数の物理量を簡便かつ高精度に測定できる光ファイバ式計測方法を提供する。【解決手段】  光源１０と、入射用光ファイバ２０と、外周面が試料Ａに接触された第一導光体３０と、中間用光ファイバ４０と、外周面が試料Ｂに接触された第二導光体５０と、出射用光ファイバ６０と、検出器７０とを用いて測定を行う。入射用光ファイバ２０から第一導光体３０に入射した光は、回折後、全反射しながら第一導光体３０内を伝搬し、干渉光となって中間用光ファイバ４０へ出射される。中間用光ファイバ４０から第二導光体５０に入射した光は、回折後、全反射しながら第二導光体５０内を伝搬し、第一導光体３０における干渉波長とは異なる干渉波長の干渉光となって出射用光ファイバ６０へ出射された後、検出器７０で検出される。これにより、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できる。【選択図】図３
2015203692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を用い、
光源から入射用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第一導光体から中間用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて第一導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測方法。
【請求項２】
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を用い、
光源から入射用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第二導光体から中間用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて第二導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測方法。
【請求項３】
試料Ａと試料Ｂとを熱的に接触させることにより、試料Ａの温度変化に応じて試料Ｂが温度変化するようにし、
物理量ＱＡとして、試料Ａの屈折率を測定し、
物理量ＱＢとして、試料Ｂの温度を測定する請求項１又は２記載の光ファイバ式計測方法。
【請求項４】
試料Ｂを、線膨張係数が５０×１０−６／Ｋ以上の素材で形成した請求項３記載の光ファイバ式計測方法。
【請求項５】
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を備え、
光源から入射用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第一導光体から中間用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて第一導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測装置。
【請求項６】
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を備え
光源から入射用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第二導光体から中間用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて第二導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測方法。
【請求項７】
複数の導光体の中から第一導光体として使用する導光体を選択することにより、第一導光体における干渉波長を切り替えることができるようにした請求項５又は６記載の光ファイバ式計測装置。
【請求項８】
複数の導光体の中から第二導光体として使用する導光体を選択することにより、第二導光体における干渉波長を切り替えることができるようにした請求項５〜７いずれか記載の光ファイバ式計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて試料の特定の物理量を測定する光ファイバ式計測方法と光ファイバ式計測装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率を測定する装置（屈折率計測装置）としては、これまでに種々のものが提案されている。しかし、従来の屈折率計測装置は、必ずしも、屈折率を適切かつ簡便に測定できるものとはなっていなかった。というのも、屈折率の値は、温度によって変化する試料の濃度（密度）に大きく影響される。このため、屈折率の具体的な数値について言及する際には、それを測定したときの試料の温度を明示する必要がある。したがって、屈折率の測定は、試料の温度を管理又は測定しながら行う必要があるところ、これまでに提案された屈折率計測装置は、屈折率の測定と温度の管理等の両方を適切かつ簡便に行うことができるものとは言い難かったからである。
【０００３】
例えば、これまでには、試料を載せるためのステージと、ステージに載せられた試料の屈折率を検知するための屈折率センサと、ステージの温度を制御するための温度制御手段とを備えた屈折率計測装置（以下、「温度制御ステージ型の屈折率計測装置」と表記する。）が提案されている。温度制御ステージ型の屈折率計測装置は、ステージの温度を一定に保って試料を特定の温度に維持することで、屈折率を測定したときの試料の温度を認識することができるものとなっている。しかし、温度制御ステージ型の屈折率計測装置は、試料をサンプリングしてステージへセットしなければ、試料の屈折率を測定することができないという欠点を有していた。このため、例えば、容器に入れられた試料の屈折率を、試料が容器に入ったままの状態で測定するといったことは、温度制御ステージ型の屈折率計測装置では行うことができなかった。
【０００４】
また、これまでには、試料の屈折率を検知するための屈折率センサと、試料の温度を検知するための温度センサとを近傍に配した構造の屈折率計測装置（以下、「温度センサ併設型の屈折率計測装置」と表記する。）も提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。温度センサ併設型の屈折率計測装置では、試料をサンプリングしたり、試料をステージに載せたりしなくても、試料の屈折率と温度を同時に測定することができる。しかし、従来の温度センサ併設型の屈折率計測装置では、屈折率センサによる検知の仕組みと温度センサによる検知の仕組みが異なっていたため、屈折率センサ用の計測システムに加えて、温度センサ用の計測システムを別に設ける必要があった。このため、温度センサ併設型の屈折率計測装置は、センサ部が煩雑な構造となりやすく、センサ部の小型化が困難であるだけでなく、計測システムに係るコストが増大しやすいという欠点を有していた。
【０００５】
さらに、これまでには、光結合部を有する光分光器を用いた屈折率計測装置（以下、「光分光器型の屈折率計測装置」と表記する。）も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。光分光器型の屈折率計測装置は、光結合部を有する光分岐器の光結合特性が試料の屈折率と温度で変化することを利用して、試料の屈折率と温度を測定（厳密には推定）するものとなっており、センサ部を簡素な構造とすることができるものとなっている。しかし、光分光器型の屈折率計測装置では、光分岐器の分岐特性を事前に十分調べておく必要があるだけでなく、それにより測定された分岐比を事前に調べた分岐特性と対比することで、試料の屈折率と温度に関する２つの関係式を導き、これらの関係式を解くことによって、試料の屈折率と温度を求める必要があった。すなわち、光分光器型の屈折率計測装置は、測定を行う前や後に多大な手間を要するという欠点を有していた。加えて、得られる屈折率や温度に誤差が生じやすいという欠点も有していた。
【０００６】
ところで、本発明者は、図１８及び図１９に示すように、光源１０と、その前端が光源１０に接続された入射用光ファイバ２０と、その前端が入射用光ファイバ２０の後端に接続された導光体９０と、その前端が導光体９０の後端に接続された出射用光ファイバ６０と、出射用光ファイバ６０の後端に接続された検出器７０とを備えた光ファイバ式計測装置を既に提案している（特許文献３を参照。）。図１８は、従来の光ファイバ式計測装置を示した構成図である。図１９は、従来の光ファイバ式計測装置におけるセンサ部（導光体９０）の周辺をその中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。屈折率を測定する対象の試料Ａは、図１９に示すように、導光体９０の外周面と接触した状態に配される。この光ファイバ式計測装置は、光源１０から入射用光ファイバ２０を介して導光体９０の前端に入射された光を導光体９０の内部で回折させ、その回折光を導光体９０の内部で全反射させながら伝搬させて干渉させ、その干渉光を出射用光ファイバ６０を介して検出器７０で検出することによって、試料Ａの屈折率を簡便かつ高精度に測定できるものとなっている。しかし、この光ファイバ式計測装置は、試料Ａの温度を検知するための手段を備えたものとなっていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１１７３２５号公報
【特許文献２】特開平０８−２１９９８９号公報
【特許文献３】特開２０１２−２５１９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、試料の屈折率と温度等、試料に関する複数の物理量を同時に簡便かつ高精度に測定できるだけでなく、当該複数の物理量を検知するセンサ部を簡素な構造として小型化でき、計測システムを簡素化することも可能な光ファイバ式計測方法を提供するものである。また、この光ファイバ式計測方法に好適に用いることのできる光ファイバ式計測装置を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題は、
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を用い、
光源から入射用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第一導光体から中間用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて第一導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測方法
を提供することによって解決される。
【００１０】
ここで、「前端」及び「後端」における「前」及び「後」という語は、光源と検出器とを結ぶ光の経路において、光源に近い側を「前」とし、光源に遠い側（検出器に近い側）を「後」として用いている。「前」及び「後」という語を、この意味で用いていることについては、特に断りのない限り、以下においても同様である。
【００１１】
また、「干渉波長」とは、その干渉光の光強度に形成されるピーク又はディップのうち、物理量ＱＡ又は物理量ＱＢの特定に使用するピーク又はディップが形成される波長のことをいう。したがって、「その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて第一導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ」とは、第一導光体における干渉で特定のピーク又はディップ（物理量ＱＡの特定に使用するピーク又はディップ）が形成される波長と、第二導光体における干渉で特定のピーク又はディップ（物理量ＱＢの特定に使用するピーク又はディップ）が形成される波長とが重ならないようにすることを意味している。第一導光体と第二導光体は、第一導光体における干渉波長と第二導光体における干渉波長とが互いの導光体内の光導光特性においてその影響が最小限になるように設計すると好ましい。換言すると、第一導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）、及び、第二導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）ができるだけ高く（又は深く）なるように、第一導光体及び第二導光体を設計すると好ましい。具体的には、第一導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）、及び、第二導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）が、規格化光強度ベースで１０ｄＢ以上となるように、第一導光体及び第二導光体を設計すると好ましい。第一導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）、及び、第二導光体の干渉波長で形成されるピークの高さ（又はディップの深さ）は、規格化光強度ベースで１５ｄＢ以上とするとより好ましく、２０ｄＢ以上とするとさらに好ましい。
【００１２】
さらに、「物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢ」とは、物理量ＱＡと物理量ＱＢとが独立して変化する物理量ではなく、物理量ＱＡが変化すると、その変化に応じて物理量ＱＢも変化し、物理量ＱＢが変化すると、その変化に応じて物理量ＱＡも変化する関係を有することを意味している。具体的には、試料Ａと試料Ｂとを熱的に接触させることにより、試料Ａの温度変化に応じて試料Ｂが温度変化するようにし、物理量ＱＡとして、試料Ａの屈折率を測定するとともに、物理量ＱＢとして、試料Ｂの温度を測定するような場合が例示される。この場合には、試料Ｂの温度が分かれば、試料Ａの温度も分かることになるので、試料Ａの屈折率と温度の双方が分かるようになる。このとき、試料Ｂは、温度変化によって密度が変化しやすい素材、換言すると、線膨張係数（線膨張率）が大きい（例えば、５０×１０−６／Ｋ以上）の素材（通常、固体）で形成すると好ましい。これに対し、試料Ａは、試料Ｂよりも温度変化に対する密度変化が小さい素材であれば、特に限定されず、固体であってもよいが、通常、気体又は液体とされる。
【００１３】
以下、本発明の光ファイバ式計測方法の検知原理について説明する。本発明の光ファイバ式計測方法では、入射用光ファイバから第一導光体の前端に入射した光には、下記［１］〜［７］のような現象が生じる。
［１］  入射用ファイバを伝搬する光は、第一導光体の前端に入射した際に回折してマルチモード光となる。
［２］  上記［１］のマルチモード光（回折光）は、それぞれのモードに応じた経路で第一導光体の内部を前端側から後端側へと伝搬する。
［３］  上記［２］の回折光は、基本モードの光を除いて、第一導光体と試料Ａとの界面で全反射する。
［４］  上記［３］で全反射する際には、グースヘンシェンシフトと呼ばれる現象が生じ、前記界面へ入射する前と反射した後とで回折光の位相が変化する。
［５］  上記［４］のグースヘンシェンシフトによる位相の変化量は、前記界面の外側に配された試料Ａの屈折率によって異なる。
［６］  上記［２］〜［５］を経て第一導光体の後端に達した回折光は、マルチモード干渉して干渉光となる。
［７］  上記［６］の干渉光は、第一導光体の後端に接続された中間用光ファイバへ出射される。
【００１４】
また、中間用光ファイバから第二導光体の前端に入射した光には、下記［８］〜［１４］のような現象が生じる。
［８］  中間用ファイバを伝搬する光は、第二導光体の前端に入射した際に回折してマルチモード光となる。
［９］  上記［８］のマルチモード光（回折光）は、それぞれのモードに応じた経路で第二導光体の内部を前端側から後端側へと伝搬する。
［１０］  上記［９］の回折光は、基本モードの光を除いて、第二導光体と試料Ｂとの界面で全反射する。
［１１］  上記［１０］で全反射する際には、グースヘンシェンシフトと呼ばれる現象が生じ、前記界面へ入射する前と反射した後とで回折光の位相が変化する。
［１２］  上記［１１］のグースヘンシェンシフトによる位相の変化量は、前記界面の外側に配された試料Ｂの屈折率によって異なる。
［１３］  上記［８］〜［１２］を経て第二導光体の後端に達した回折光は、マルチモード干渉して干渉光となる。
［１４］  上記［１３］の干渉光は、第二導光体の後端に接続された出力用光ファイバへ出射された後、検出器へ入力される。
【００１５】
上記［７］の干渉光は、上記［４］のグースヘンシェンシフトによって、試料Ａの屈折率に応じた波長に光強度のピーク又はディップを有するようになる。具体的には、上記［６］のマルチモード干渉において、マルチモード光の位相が揃う波長で光強度のピークが現れ、逆位相となる波長で光強度のディップが現れる。同様に、上記［１４］の干渉光は、上記［１１］のグースヘンシェンシフトによって、試料Ｂの屈折率に応じた波長に光強度のピーク又はディップを有するようになる。このため、検出器に入力される光は、第一導光体及び第二導光体による双方の干渉を経て、試料Ａの屈折率に応じた波長と、試料Ｂの屈折率に応じた波長とに光強度のピーク又はディップを有するようになる。加えて、本発明の光ファイバ式計測方法では、第一導光体における干渉波長と、第二導光体における干渉波長とが異なるようにしているため、検出器で検出された干渉光の光強度におけるいずれのピーク又はディップが試料Ａ，Ｂのいずれに対応するものなのかを識別することができる。したがって、この干渉光における光強度のピーク又はディップが形成される波長を検出器で検出することにより、試料Ａ，Ｂの屈折率（あるいは屈折率と相関関係を有する他の物理量）を特定することができる。
【００１６】
以上の原理によって、本発明の光ファイバ式計測方法では、試料Ａの物理量ＱＡと、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢとを同時かつ高精度で検知することができる。物理量ＱＡとしては、上記の屈折率以外にも、試料Ａの温度、濃度（密度）又は圧力等が例示され、物理量ＱＢとしては、上記の温度以外にも、試料Ｂの屈折率、濃度（密度）又は圧力等が例示される。これらの場合においても、試料Ａと試料Ｂとを物理的に接触させておけば、試料Ｂの物理量ＱＢから試料Ａにおける物理量ＱＢに相当する物理量を知ることが可能である。また、本発明の光ファイバ式計測方法では、センサ部（第一導光体及び第二導光体）を、非常に小さく形成することができる。さらに、本発明の光ファイバ式計測方法では、物理量ＱＡを測定するセンサ部（第一導光体）の仕組み（物理量ＱＡの検知原理）と、物理量ＱＢを測定するセンサ部（第二導光体）の仕組み（物理量ＱＢの検知原理）が同じであるため、計測システム（解析プログラム等）を簡素化することができる。これらの効果は、上記の光ファイバ式計測方法における第一導光体と第二導光体の配置を逆にしても奏される。
【００１７】
また、上記課題は、
光源と、
その前端が光源に接続された入射用光ファイバと、
その前端が入射用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ａに接触された第一導光体と、
その前端が第一導光体の後端に接続された中間用光ファイバと、
その前端が中間用光ファイバの後端に接続されるとともに、その外周面が試料Ｂに接触された第二導光体と、
その前端が第二導光体の後端に接続された出射用光ファイバと、
出射用光ファイバの後端に接続された検出器と、
を備え、
光源から入射用光ファイバを介して第一導光体の前端に入射された光を第一導光体内で回折させ、
その回折光を第一導光体内で全反射させながら伝搬させて干渉させ、
第一導光体内で干渉された干渉光を中間用光ファイバへ出射させ、
第一導光体から中間用光ファイバを介して第二導光体の前端に入射された光を第二導光体内で回折させ、
その回折光を第二導光体内で全反射させながら伝搬させて第一導光体における干渉波長とは異なる干渉波長で干渉させ、
第二導光体内で干渉された干渉光を出射用光ファイバへ出射させ、
出射用光ファイバを伝搬する干渉光を検出器で検出することによって、試料Ａの物理量ＱＡに加えて、物理量ＱＡと相関関係を有する試料Ｂの物理量ＱＢも測定できるようにしたことを特徴とする光ファイバ式計測装置
を提供することによって解決される。
【００１８】
本発明の光ファイバ式計測装置は、上述した本発明の光ファイバ計測方法と同じ原理で物理量ＱＡ，ＱＢを検知するものとなっており、本発明の光ファイバ計測方法において、好適に使用することができるものとなっている。本発明の光ファイバ式計測装置においては、複数の導光体の中から第一導光体として使用する導光体を選択することにより、第一導光体における干渉波長を切り替えることができるようにすると好ましい。また、複数の導光体の中から第二導光体として使用する導光体を選択することにより、第二導光体における干渉波長を切り替えることができるようにすることも好ましい。というのも、第一導光体における干渉光の光強度のピーク又はディップが、第二導光体における干渉光の光強度のピーク又はディップと重なるようなことがあると、検出器で検出された干渉光の光強度におけるいずれのピーク又はディップが試料Ａ，Ｂのいずれに対応するものなのかを識別することが困難になるが、このような場合であっても、第一導光体や第二導光体を交換できるようにすることで、第一導光体における干渉光のピーク又はディップと第二導光体における干渉光の光強度のピーク又はディップとをずらすことが可能になるからである。これらの内容は、上記の光ファイバ式計測装置における第一導光体と第二導光体の配置を逆にした場合にも同様に当てはまる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によって、試料の屈折率と温度等、試料に関する複数の物理量を同時に簡便かつ高精度に測定できるだけでなく、当該複数の物理量を検知するセンサ部を簡素な構造として小型化でき、計測システムを簡素化することも可能な光ファイバ式計測方法を提供することが可能になる。また、この光ファイバ式計測方法に好適に用いることのできる光ファイバ式計測装置を提供することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る光ファイバ式計測装置の好適な実施態様を示した構成図である。
【図２】図１の光ファイバ式計測装置におけるセンサ部（第一導光体及び第二導光体）の周辺を拡大して示した一部破断斜視図である。
【図３】図１の光ファイバ式計測装置におけるセンサ部（第一導光体及び第二導光体）の周辺をその中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。
【図４】図１の光ファイバ式計測装置における、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第一変形例）を示した一部破断斜視図である。
【図５】図１の光ファイバ式計測装置における、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第二変形例）を示した一部破断斜視図である。
【図６】図１の光ファイバ式計測装置における、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第三変形例）を示した一部破断斜視図である。
【図７】図１の光ファイバ式計測装置における、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第四変形例）を示した一部破断斜視図である。
【図８】図１の光ファイバ式計測装置における、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第五変形例）を示した一部破断斜視図である。
【図９】実験１において、検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１０】実験２において、長さが４７．５２ｍｍの導光体を空気中に配した場合に、検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１１】図１０のグラフにおける１５２０〜１６２０ｎｍの波長範囲を拡大して示したグラフである。
【図１２】実験２において、長さが４６．６８ｍｍの導光体を空気中に配した場合に、検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１３】実験３において、長さが４７．５２ｍｍの導光体と、長さが４６．６８ｍｍの導光体とを直列に接続して空気中に配した場合に、検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１４】実験４において、試料Ａが空気である場合に、本発明に係る光ファイバ式計測装置の検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１５】実験５において、試料Ａが空気である場合であって、試料Ｂの温度を３０℃から８０℃まで変化させたときの、本発明に係る光ファイバ式計測装置の検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１６】実験５において、試料Ａが水である場合であって、試料Ｂの温度を３０℃から８０℃まで変化させたときの、本発明に係る光ファイバ式計測装置の検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１７】実験５において、試料Ｂの温度を３０℃で固定し、試料Ａを空気と水とエタノールとで切り替えたときの、本発明に係る光ファイバ式計測装置の検出器に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。
【図１８】従来の光ファイバ式計測装置を示した構成図である。
【図１９】従来の光ファイバ式計測装置におけるセンサ部（第一導光体）の周辺をその中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。
【図２０】実験３で使用した光ファイバ式計測装置におけるセンサ部の周辺をその導光体の中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［光ファイバ式計測方法及び光ファイバ式計測装置の概要］
本発明に係る光ファイバ式計測方法及び光ファイバ式計測装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明に係る光ファイバ式計測装置の好適な実施態様を示した構成図である。図１に示すように、本実施態様の光ファイバ式計測装置は、光源１０と、その前端が光源１０に接続された入射用光ファイバ２０と、その前端が入射用光ファイバ２０の後端に接続された第一導光体３０と、その前端が第一導光体３０の後端に接続された中間用光ファイバ４０と、その前端が中間用光ファイバ４０の後端に接続された第二導光体５０と、その前端が第二導光体５０の後端に接続された出射用光ファイバ６０と、出射用光ファイバの後端に接続された検出器７０と、検出器７０に接続された解析器８０とを備えたものとなっている。
【００２２】
図２は、図１の光ファイバ式計測装置における第一導光体３０及び第二導光体５０の周辺を拡大して示した一部破断斜視図である。図３は、図１の光ファイバ式計測装置における第一導光体４０及び第二導光体３０の周辺をその中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。図２及び図３に示すように、第二導光体５０のコア部５１の外周部には、試料Ｂからなる被覆材５２が設けられており、第二導光体５０のコア部５１の外周面と被覆材５２の内周面（試料Ｂ）とが隙間（空気層）のない状態で接触した状態となっている。
【００２３】
本実施態様の光ファイバ式計測装置は、第一導光体３０及び第二導光体５０で構成されるセンサ部を試料Ａの中に入れ、第一導光体３０の外周面及び被覆材５２の外周面を試料Ａに接触させることで、試料Ａの屈折率（物理量ＱＡ）と、被覆材５２（試料Ｂ）の温度（物理量ＱＢ）とを同時にかつ独立して測定するものとなっている。本実施態様の光ファイバ式計測装置では、第一導光体３０だけでなく、被覆材５２（試料Ｂ）も試料Ａの中に入れられ、試料Ａと被覆材５２（試料Ｂ）とが熱的に接触した状態となるため、試料Ｂの温度は、試料Ａの温度と同一とみなすことができる。すなわち、本実施態様の光ファイバ計測装置は、試料Ａの屈折率と温度を同時に測定することができるものとなっている。
【００２４】
本実施態様の光ファイバ式計測装置における、第一導光体３０での試料Ａの屈折率（物理量ＱＡ）の検知原理、及び、第二導光体５０での被覆材５２（試料Ｂ）の温度（物理量ＱＢ）の検知原理は、上記［１］〜［１４］で述べた通りである。
【００２５】
以下、図１の光ファイバ式計測装置における各部について、詳しく説明する。
【００２６】
［光源］
光源１０は、後述する第一導光体３０や第二導光体５０へ入射させる光を発生するためのものとなっている。本実施態様の光ファイバ式計測装置において、光源１０は、レーザー光を出射するものとなっている。光源１０は、単一の波長のレーザー光を出射するものであってもよいし、特定の波長帯域のレーザー光を出射するものであってもよい。後者の場合には、後述する解析器８０の解析結果を反映させた光源制御信号が光源１０へ入力されるようにし、当該光源制御信号に基づいて光源１０から出射されるレーザー光を制御するようにしてもよい。光源１０から出射させるレーザー光の波長は、特に限定されないが、通常、光ファイバを伝搬させるのに一般的に使用される４００〜１６２０ｎｍ程度とされる。本実施対応の光ファイバ式計測装置において、光源１０には、１５００〜１６２０ｎｍの範囲で波長を変化させることが可能な小型の波長可変光源を用いている。
【００２７】
［入射用光ファイバ］
入射用光ファイバ２０は、光源１０から出射されたレーザー光を第一導光体３０の前端まで伝搬するためのものとなっている。図１に示すように、入射用光ファイバ２０の前端は、光源１０の発光部に接続され、入射用光ファイバ２０の後端は、第一導光体３０の前端面における中心部に接続されている。入射用光ファイバ２０は、図２及び図３に示すように、芯を形成するコア２１と、コア２１の外周部に配されてコア２１よりも屈折率が低く設定されたクラッド２２と、クラッド２２の外周面を覆う被覆（図示省略）とで構成されている。コア２１とクラッド２２は、通常、石英ガラスや透明樹脂等の透過率の高い材料によって形成される。
【００２８】
入射用光ファイバ２０の直径は、光源１０から出射されるレーザー光の波長や、入射用光ファイバ２０の後端に接続される第一導光体３０の径寸法等によっても異なり、特に限定されない。肝心なのは、入射用光ファイバ２０から第一導光体３０の前端へ入射したレーザー光が第一導光体３０の前端部で回折するようにすることである。このため、光源１０から出射される光の波長が、上述した１５００〜１６２０ｎｍ程度である場合であって、入射用光ファイバ２０が石英ガラスを主成分とする光通信用のものである場合には、コア２１の直径は、９μｍ以下とすると好ましい。入射用光ファイバ２０のコア２１の直径は、用いる波長によって異なるが、回折の視点からは、単一モードを維持する範囲内で小さいほど好ましい。本実施態様の光ファイバ式計測装置においては、入射用光ファイバ２０として、コア２１の直径が８．２μｍでクラッド２２の直径が１２５μｍのシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を使用している。入射用光ファイバ２０の長さは、特に限定されず、光ファイバ式計測装置の用途等に応じて適宜決定することができる。
【００２９】
［第一導光体］
第一導光体３０は、その外周部に存在する試料Ａの物理量ＱＡ（本実施態様の光ファイバ式計測装置においては試料Ａの屈折率）を検知するためのセンサ部として機能する部分となっている。図１に示すように、第一導光体３０の前端は、入射用光ファイバ２０の後端に接続され、第一導光体３０の後端は、後述する中間用光ファイバ４０の前端に接続されている。入射用光ファイバ２０を介して光源１０から第一導光体３０の前端に入射したレーザー光は、回折してマルチモード光（経路の異なる複数のモードの光）となり、それぞれのモードに応じた経路で第一導光体３０の内部を前端側から後端側へと伝搬する。このため、第一導光体３０としては、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）のコア部分を好適に使用することができる。第一導光体３０の後端に達したマルチモード光は、マルチモード干渉した干渉光となって中間用光ファイバ４０へと出射され、第二導光体５０及び出射用光ファイバ６０を経て検出器７０へと入射される。
【００３０】
本実施態様の光ファイバ式計測装置において、第一導光体３０は、図２及び図３に示すように、マルチモード光ファイバにおけるコア３１のみによって構成されており、コア３１の外周面が試料Ａに直接接触するようにしている。第一導光体３０は、入射用光ファイバ２０のコア２１やクラッド２２と同様、通常、石英ガラスや透明樹脂等の透過率の高い材料によって形成される。第一導光体３０は、入射用光ファイバ２０のコア２１とは異なる材料で形成してもよいが、同じ材料で形成すると、入射用光ファイバ２０から第一導光体３０へ入射するレーザー光にリークが生じにくくすることができる。入射用光ファイバ２０と第一導光体３０との接続は、各種の装置（例えば放電を利用して材料を融解させる融着型接続器等）を用いて行うことができる。この点は、第一導光体３０と中間用光ファイバ４０との接続、中間用光ファイバ４０と第二導光体５０との接続、及び、第二導光体５０と出射用光ファイバ６０との接続においても同様である。
【００３１】
ところで、本実施態様の光ファイバ式計測装置において、第一導光体３０は、入射用光ファイバ２０及び中間用光ファイバ４０に対して一体化されており、入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０から取り外すことができない状態となっているが、第一導光体３０の両端部近傍（第一導光体３０の両端部近傍の入射用光ファイバ２０又は中間用光ファイバ４０を含む。）にコネクタ手段を設けること等によって、第一導光体３０を入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０から取り外すことができるようにすることも好ましい。この場合には、干渉波長の異なる複数の導光体（交換用導光体）を用意し、第一導光体３０として用いる導光体を複数の交換用導光体の中から選択できるようにすると好ましい。これにより、第一導光体３０として一の交換用導光体を使用した場合に、第一導光体３０における干渉波長と第二導光体５０における干渉波長とが重なったこと等が原因で、解析器８０において、試料Ａの屈折率（物理量ＱＡ）と被覆材５２（試料Ｂ）の温度（物理量ＱＢ）を取得することが困難な事態が生じたようなときであっても、第一導光体３０を他の交換用導光体に交換することにより、第一導光体３０における干渉波長が、後述する第二導光体５０における干渉波長と重ならないようにすることが可能になる。
【００３２】
第一導光体３０として用いる複数の交換用導光体の干渉波長を異ならせるためには、その形状や、その寸法（直径又は長さ等）や、それを形成する材料等において、複数の交換用導光体の間で異ならせるとよい。干渉波長の異なる複数の交換用導光体の中から使用する導光体を選択することができる点については、後述する第二導光体５０においても同様である。第一導光体３０と第二導光体５０は、独立して交換できるようにしてもよいし、それらをまとめて交換できるようにしてもよい。前者の場合には、第一導光体３０における干渉波長と第二導光体５０における干渉波長との組み合わせ数を増大させやすいという利点があり、後者の場合には、前記コネクタ手段を設ける箇所を減らして（例えば、第一導光体３０の前端部近傍と第二導光体５０の後端部近傍のみにコネクタ手段を設けて）第一導光体３０及び第二導光体５０を交換しやすくなるという利点がある。
【００３３】
第一導光体３０の形状は、特に限定されないが、その中心線に対して回転対称性のよい形状であると好ましい。このため、本実施態様の光ファイバ式計測装置において、第一導光体３０は、円柱状としている。しかし、円柱状以外でも、その中心線に対する回転対称性を有する形状であれば、第一導光体３０の形状として好適に採用することができる。第一導光体３０の形状としては、円柱以外の柱体（例えば、四角柱体や六角柱体などの多角柱体や楕円柱体等）のほか、円錐体や多角錐体などの錐体（截頭錐台状を為すものを含む。）等が例示される。例えば、第一導光体３０を楕円柱体状に形成した場合には、第一導光体３０の後端面における中間用光ファイバ４０のコア４１が接続される部分で、マルチモード光における各モードの光の位相が揃う条件が、楕円形状の前記後端面の長軸方向と短軸方向とで異なるようになり、干渉幅が狭まることになるため、干渉光の光強度のピーク又はディップを容易に検出することができるようになる。
【００３４】
第一導光体３０の直径は、第一導光体３０の前端に入射したレーザー光をマルチモード（複数の経路）で伝搬できるのであれば、特に限定されない。しかし、第一導光体３０の直径が小さすぎると、微小な力で第一導光体３０が破断するおそれがある。このため、第一導光体３０（コア３１）の直径は、通常、３０〜１５００μｍとされる。
【００３５】
ただし、第一導光体３０の直径（コア３１の外径）が、入射用光ファイバ２０の直径（被覆を含むクラッド２２の外径）や後述する中間用光ファイバ４０の直径（被覆を含むクラッド４２の外径）と異なると、第一導光体３０に対して入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０に接続する際に、入射用光ファイバ２０の後端を第一導光体３０の前端面における中心部に一致させにくくなるとともに、中間用光ファイバ４０の前端を第一導光体３０の後端面における中心部に一致させにくくなる。このため、第一導光体３０に対する入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０の位置決めを容易に行うことを重視するならば、第一導光体３０（コア３１）の直径は、入射用光ファイバ２１のクラッド２２や中間用光ファイバ４０のクラッド４２の直径に一致させると好ましい。本実施態様の光ファイバ式計測装置においても、第一導光体３０の直径は、入射用光ファイバ２０のクラッド２２や中間用光ファイバ４０のクラッド４２の直径と同じ１２５μｍとしている。上述したように、第一導光体３０として使用する導光体を複数の交換用導光体の中から切り替えることができるようにする場合には、それぞれの交換用導光体の直径に差を設けることもできる。
【００３６】
第一導光体３０の長さ（第一導光体３０の前端と後端とを結ぶ第一導光体３０の中心線に沿った方向の長さ）は、光源１０から出射されるレーザー光の波長や、入射用光ファイバ２０の直径や、試料Ａの種類等によっても異なり、特に限定されない。第一導光体３０を短くしすぎると、干渉波長数が少なくなり、選択の自由度が低くなるおそれがあり、第一導光体３０を長くしすぎると、干渉波長数が多くなり過ぎて後段の第二導光体５０による干渉波長と重なりやすくなるおそれがあるため、第一導光体３０の長さは、これらの条件を考慮して適宜決定される。上述したように、第一導光体３０として使用する導光体を複数の交換用導光体の中から切り替えることができるようにする場合には、それぞれの交換用導光体の長さに差を設けることもできる。
【００３７】
図４〜８に、第一導光体３０の変形例を示す。図４〜８は、入射用光ファイバ、第一導光体及び中間用光ファイバの変形例（第一変形例〜第五変形例）を示した一部破断斜視図である。図４、図５及び図８において、第一導光体３０は、截頭円錐台状となっている。また、図６において、第一導光体３０は、入射用光ファイバ２０や出射用光ファイバ４０よりも直径の大きな円柱体状となっている。さらに、図８において、第一導光体３０は、入射用光ファイバ２０や出射用光ファイバ４０よりも直径の小さな円柱体状となっている。また、図示はしていないが、第一導光体３０は、両端部がテーパー状に形成されて、中央部に径の細いくびれ部分を有する形状等、さらに複雑な形状とすることもできる。このように、第一導光体３０は、その形状や寸法を適宜変更することができる。上述したように、第一導光体３０として使用する導光体を複数の交換用導光体の中から切り替えることができるようにする場合には、それぞれの交換用導光体の形状や寸法に差を設けることもできる。
【００３８】
［中間用光ファイバ］
中間用光ファイバ４０は、第一導光体３０の後端から出射されたレーザー光を第二導光体５０の前端まで伝搬するためのものとなっている。図１に示すように、中間用光ファイバ４０の前端は、第一導光体３０の後端面の中心部に接続され、中間用光ファイバ４０の後端は、第二導光体５０の前端面における中心部に接続されている。中間用光ファイバ４０は、図２及び図３に示すように、芯を形成するコア４１と、コア４１の外周部に配されてコア４１よりも屈折率が低く設定されたクラッド４２と、クラッド４２の外周面を覆う被覆（図示省略）とで構成している。コア４１とクラッド４２は、入射用光ファイバ２０におけるコア２１やクラッド２２と同様、通常、石英ガラスや透明樹脂等の透過率の高い材料によって形成される。
【００３９】
中間用光ファイバ４０は、第一導光体３０に対しては、その干渉光を選択して取り出す機能を有している。また、中間用光ファイバ４０は、第二導光体５０に対しては、第一導光体３０における入射用光ファイバ２０と同様の機能を有する。このため、中間用光ファイバ４０のコア４１の直径を小さくすればするほど、第一導光体３０の干渉光の選択性を高めるとともに、第二導光体５０で強い回折を生じさせることができる。このため、中間用光ファイバ４０の直径は、入射用光ファイバ２０と同程度とすると好ましい。本実施態様の光ファイバ式計測装置においては、中間用光ファイバ４０として、入射用光ファイバ２０に用いたものと同じものを使用している。中間用光ファイバ４０の長さは、特に限定されない。
【００４０】
［第二導光体］
第二導光体５０は、図２及び図３に示すように、芯を形成するコア５１と、コア５１の外周面を覆う被覆材５２（試料Ｂ）とで構成されている。第二導光体５０におけるコア５１は、被覆材５２（試料Ｂ）の物理量ＱＢ（本実施態様の光ファイバ式計測装置においては試料Ｂの温度）を検知するためのセンサ部として機能する部分となっている。上述したように、被覆材５２（試料Ｂ）は、試料Ａと熱的に接触されており、試料Ａの温度と被覆材５２（試料Ｂ）の温度とが一致するようにしているため、被覆材５２（試料Ｂ）の温度は、試料Ａの温度と同一とみなすことができるようになっている。換言すると、第二導光体５０のコア５１は、被覆材５２（試料Ｂ）を介して試料Ａの温度を検知するためのセンサ部として機能する部分となっている。
【００４１】
図１に示すように、第二導光体５０の前端は、中間用光ファイバ４０の後端に接続され、第二導光体５０の後端は、後述する出射用光ファイバ６０の前端に接続される。中間用光ファイバ４０を介して第二導光体５０の前端に入射したレーザー光は、回折してマルチモード光（経路の異なる複数のモードの光）となり、それぞれのモードに応じた経路で第二導光体５０の内部を前端側から後端側へと伝搬する。このため、第二導光体５０のコア５１としては、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）のコア部分を好適に使用することができる。第二導光体５０の後端に達したマルチモード光は、第一導光体３０における干渉波長とは異なる干渉波長でマルチモード干渉した干渉光となって射出用光ファイバ６０へと出射され、射出用光ファイバ６０を介して検出器７０へと入射される。第二導光体５０のコア５１を形成する材料や、コア５１の形状や寸法は、上述した第一導光体３０で述べたものと同様であるため、説明を割愛する。また、第一導光体３０を交換できるようにする等、第一導光体３０について述べた他の構成は、第二導光体５０においても好適に採用することができる。
【００４２】
被覆材５２（試料Ｂ）は、試料Ａの温度を検出するためのものとなっている。このため、被覆材５２（試料Ｂ）は、既に述べた通り、線膨張係数が５０×１０−６／Ｋ以上の素材を好適に使用することができる。これにより、被覆材５２（試料Ｂ）を、温度変化に対する密度変化（屈折率変化）の大きいものとし、被覆材５２（試料Ｂ）で試料Ａの温度変化を敏感に捉えることができるようになる。被覆材５２（試料Ｂ）の線膨張係数は、１００×１０−６／Ｋ以上であると好ましく、１３０×１０−６／Ｋ以上であるとより好ましく、１５０×１０−６／Ｋ以上であるとさらに好ましい。１５０×１０−６／Ｋ以上の線膨張係数を有する材料としては、シリコーンゴム（２６０×１０−６／Ｋ）やクロロプレンゴム（１９０×１０−６／Ｋ）やスチレンブタジエンゴム（１８０×１０−６／Ｋ）やエチレン・プロピレンゴム（１８０×１０−６／Ｋ）やフッ素ゴム（１６０×１０−６／Ｋ）等の合成ゴム又は天然ゴム（１８０×１０−６／Ｋ）等のゴム材料のほか、低密度ポリエチレン（１６０〜１８０×１０−６／Ｋ）やエチレン・酢酸ビニル共重合体（１６０〜２００×１０−６／Ｋ）やポリ塩化ビニリデン（１９０×１０−６／Ｋ）等の合成樹脂材料等が挙げられる。被覆材５２（試料Ｂ）の線膨張係数に特に上限はないが、当該線膨張係数は、通常、３００〜４００×１０−６／Ｋ程度までである。本実施態様の光ファイバ式計測装置において、被覆材５２（試料Ｂ）には、シリコーンゴムを使用している。
【００４３】
［出射用光ファイバ］
出射用光ファイバ６０は、第二導光体５０の後端から出射されたレーザー光を検出器７０まで伝搬するためのものとなっている。図１に示すように、出射用光ファイバ６０の前端は、第二導光体５０の後端面の中心部に接続され、出射用光ファイバ６０の後端は、検出器７０における受光部に接続されている。出射用光ファイバ６０は、図２及び図３に示すように、芯を形成するコア６１と、コア６１の外周部に配されてコア６１よりも屈折率が低く設定されたクラッド６２と、クラッド６２の外周面を覆う被覆（図示省略）とで構成している。コア６１とクラッド６２は、入射用光ファイバ２０におけるコア２１やクラッド２２と同様、通常、石英ガラスや透明樹脂等の透過率の高い材料によって形成される。
【００４４】
出射用光ファイバ６０は、第二導光体５０での干渉光を選択して取り出す機能を有している。このため、出射用光ファイバ６０のコア６１の直径を小さくすればするほど、第二導光体５０の干渉光の選択性を高めることができる。このため、出射用光ファイバ６０の直径は、入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０と同程度とすると好ましい。本実施態様の光ファイバ式計測装置においては、出射用光ファイバ６０として、入射用光ファイバ２０や中間用光ファイバ４０に用いたものと同じものを使用している。
【００４５】
［検出器］
検出器７０は、出射用光ファイバ６０の後端から出射された光を検知するためのものとなっている。検出器７０は、出射用光ファイバ６０の後端から出射された光を受けて、光強度、すなわち透過光量に対応した信号を出力できるものであれば特に限定されないが、通常、フォトセンサ等の光電変換素子を備えたものが使用される。
【００４６】
［解析器］
解析器８０には、検出器７０が出力した前記信号が入力される。解析器８０は、第一導光体３０における干渉に起因して形成される光強度のピーク又はディップから、試料Ａの屈折率を特定するためのピーク又はディップを選択し、第二導光体５０における干渉に起因して形成される光強度のピーク又はディップから、被覆材５２（試料Ｂ）の屈折率（間接的には試料Ｂの温度）を特定するためのピーク又はディップを選択するとともに、選択されたそれぞれのピーク又はディップから試料Ａの屈折率と温度（本実施態様の光ファイバ式計測装置では被覆材５２（試料Ｂ）の温度に一致）を算出するためのものとなっている。解析器８０としては、上記の処理を行う回路が実装された電子基板や、上記の処理を行うソフトがインストールされたコンピュータ等が例示される。
【００４７】
［その他］
本実施態様の光ファイバ式計測装置においては、図１に示すように、光源１０と検出器７０とを結ぶ光の経路において、光源１０、入射用光ファイバ２０、第一導光体３０、中間用光ファイバ４０、第二導光体５０、出射用光ファイバ６０、検出器７０の順で各部が接続された構成を例に挙げて説明したが、第一導光体３０と第二導光体５０の配置が入れ替わった構成（前記光の経路において、光源１０、入射用光ファイバ２０、第二導光体５０、中間用光ファイバ４０、第一導光体３０、出射用光ファイバ６０、検出器７０の順で各部が接続された構成）を採用してもよい。また、中間用光ファイバ４０を十分長くし、ファイバの柔軟性を利用して途中でＵターンさせ、最終的に第一導光体３０と第二導光体５０を近傍に配置するようにすることで、試料Ａと試料Ｂを熱的に接触させる構成にできることも付記しておく。また、第一導光体３０や第二導光体５０以外の導光体を設け、３種類以上の物理量を測定できるようにしてもよい。
【００４８】
［実験］
本発明に係る光ファイバ式計測方法及び光ファイバ式計測装置による効果を調べるために、下記実験１〜５を行った。
【００４９】
［実験１］
・実験１の方法
まず、図１８及び図１９に示す従来の光ファイバ式計測装置を用い、試料Ａを空気とした場合と、水とした場合とのそれぞれにおいて、検出器７０に入射された光の光強度を測定する実験１を行った。実験１では、入射用光ファイバ２０及び出力用光ファイバ６０として、コア径が約９μｍでクラッド径が１２５μｍのシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用い、導光体９０として、直径（コア径）が１２５μｍで長さが１００ｍｍのマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）を用いた。
【００５０】
・実験１の結果
図９は、実験１において、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図９を見ると、試料Ａが空気である場合と水である場合とのいずれにおいても、光強度には、ある特定の波長（導光体９０の後端で干渉する光の位相が揃う波長）で大きなピークＰ１，Ｐ２が現れていることが分かる。また、図９からは、ピークＰ１が形成される波長（９２１ｎｍ付近）と、ピークＰ２が形成される波長（９２６ｎｍ付近）とがシフトしており、試料Ａの屈折率の違いによって、ピークが形成される波長に差が現れることも分かる。以上、実験１の結果から、光強度に大きなピーク（又はディップ）が現れる波長の差によって、試料Ａの屈折率の微小な差を検出することが可能であることが裏付けられた。
【００５１】
［実験２］
・実験２の方法
続いて、導光体の寸法によって、ピークが形成される波長がどのように変化するのかを確かめるために、上記実験１で使用した従来の光ファイバ式計測装置（図１９）における導光体９０を、長さの異なるものに交換し、検出器７０に入射された光の光強度を測定する実験２を行った。実験２は、試料Ａが空気である場合についてのみ実施した。導光体９０としては、長さが４７．５２ｍｍで直径（コア径）が１２５μｍのものと、長さが４６．６８ｍｍで直径（コア径）が１２５μｍのものとの２種類を使用した。入射用光ファイバ２０及び出射用光ファイバ６０は、上記実験１と同じものを使用した。
【００５２】
・実験２の結果
図１０は、実験２において、長さが４７．５２ｍｍの導光体９０を空気中に配した場合に、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図１０を見ると、導光体９０の後端で干渉する光の位相が揃う波長にピークが現れ、位相が逆位相となる波長にディップが現れていることが分かる。図１１は、図１０のグラフにおける１５２０〜１６２０ｎｍの波長範囲を拡大して示したグラフである。図１１を見ると、波長１５８５ｎｍ付近に深いディップＤ１が現れていることが分かる。図１２は、実験２において、長さが４６．６８ｍｍの導光体９０を空気中に配した場合に、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図１２を見ると、図１１の場合とは異なる波長１５５０ｎｍ付近に深いディップＤ２が現れていることが分かる。以上、実験２の結果から、導光体９０の寸法を変化させることにより、導光体９０の干渉波長を変化させることができることが分かった。
【００５３】
［実験３］
・実験３の方法
続いて、上記実験２で用いた２種類の導光体９０を直列に接続した場合において、検出器７０に入射された光の光強度を測定する実験３を行った。実験３は、図１８及び図１９に示す従来の光ファイバ式計測装置のセンサ部を、図２０に示すように、導光体９１と導光体９２とを中間用光ファイバ４０を介して直列に接続したものに交換して行った。図２０は、実験３で使用した光ファイバ式計測装置におけるセンサ部の周辺をその導光体９１，９２の中心線を含む平面で切断して拡大した状態を示した断面図である。導光体９１は、上記実験２で使用した長さが４６．６８ｍｍの導光体９０と同じものを使用し、導光体９２は、上記実験２で使用した長さが４７．５２ｍｍの導光体９０と同じものを使用した。また、入射用光ファイバ２０及び出射用光ファイバ６０も、上記実験２で使用したものと同じものを使用し、中間用光ファイバ４０は、入射用光ファイバ２０及び出射用光ファイバ６０と同じものを使用した。
【００５４】
・実験３の結果
図１３は、実験３において、長さが４７．５２ｍｍの導光体と、長さが４６．６８ｍｍの導光体とを直列に接続して空気中に配した場合に、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図１３を見ると、波長１５５０ｎｍ付近に深いディップＤ２’が現れ、波長１５８５ｎｍ付近に深いディップＤ１’が現れていることが分かる。図１３におけるディップＤ１’が形成される波長は、図１１におけるディップＤ１が形成される波長に略一致し、図１３におけるディップＤ２’が形成される波長は、図１２におけるディップＤ２が形成される波長に略一致している。以上、実験３の結果から、寸法等を変化することにより干渉波長の異なる２つの導光体を直列に接続すれば、それぞれの導光体における干渉波長に対応した明瞭な２つのディップ（又はピーク）を出現させることが可能であることが分かった。また、図１３を見ると、ディップＤ１’，Ｄ２’の深さは、いずれも２０ｄＢ以上となっていることも分かる。これは、導光体９１における干渉波長と導光体９２における干渉波長とが互いの導光体内の導光特性においてその影響が極力小さくになるように、導光体９１と導光体９２を設計していたためである。
【００５５】
［実験４］
・実験４の方法
続いて、本発明に係る光ファイバ式計測装置を用い、検出器７０に入射された光の光強度を測定する実験４を行った。実験４は、図１〜３に示す本発明に係る光ファイバ式計測装置を用いて行った。第一導光体３０は、上記実験３で使用した導光体９１と同じものを用い、第二導光体５０のコア５１は、上記実験３で使用した導光体９２と同じものを用いた。また、入射用光ファイバ２０、中間用光ファイバ４０及び出射用光ファイバ６０も、上記実験３で使用したものと同じものを用いた。第二導光体５０の被覆材５２（試料Ｂ）は、第二導光体５０の外周面にシリコーンゴムの膜を形成することにより設けた。シリコーンゴムの線膨張係数は、２６０×１０−６／Ｋであり、その膜厚は５００μｍ以下であった。被覆材５１（試料Ｂ）の外周面は、試料Ａに直接接触するようにし、被覆材５１（試料Ｂ）の温度が試料Ａの温度と同一であるとみなせる状況とした。実験４は、試料Ａが空気である場合についてのみ行った。
【００５６】
・実験４の結果
図１４は、実験４において、試料Ａが空気である場合に、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図１４を見ると、波長１５５０ｎｍ付近に深いディップＤＡが現れ、波長１５９５ｎｍ付近に深いディップＤＢが現れていることが分かる。図１４におけるディップＤＡが形成される波長は、図１３におけるディップＤ２’が形成される波長に略一致しているものの、図１４におけるディップＤＢが形成される波長は、図１３におけるディップＤ１’が形成される波長からシフトしている。これは、第二導光体５０の外周面に接触する物質（試料Ｂ）が空気（試料Ａ）ではなくシリコーンゴム（被覆材５２）となったためである。以上、実験４の結果から、第二導光体５０のコア５１の外周面に被覆材５２（試料Ｂ）を設けた本発明に係る構成では、第一導光体３０では、試料Ａの屈折率が検出され、第二導光体５０では、被覆材５２（試料Ｂ）の屈折率が検出されることが分かった。被覆材５２（試料Ｂ）を形成するシリコーンゴムは、線膨張係数が大きく、温度変化によって屈折率が大きく変化するため、第二導光体５０に起因するディップＤＢ（又はピーク）のシフトを検出することで、被覆材５２（試料Ｂ）の温度、すなわち試料Ａの温度を検知することができる。また、図１４を見ると、ディップＤＡ，ＤＢの深さは、いずれも２０ｄＢ以上となっていることも分かる。これは、第一導光体３０における干渉波長と第二導光体５０における干渉波長とが互いの導光体内の導光特性においてその影響が極力小さくになるように、第一導光体３０と第二導光体５０を設計していたためである。
【００５７】
［実験５］
・実験５の方法
続いて、本発明に係る光ファイバ式計測装置を用いて、実際に試料Ａの屈折率と温度を測定し得るか確認するための実験５を行った。実験５は、図１〜３に示す光ファイバ式計測装置を用いて行った。実験５で使用した光ファイバ式計測装置における、第一導光体５０及び第二導光体５０、並びに、入射用光ファイバ２０、中間用光ファイバ４０及び出射用光ファイバ６０は、上記実験４で使用したものと同一である。光源１０には、小型の波長可変光源を使用し、その波長分解能を一般的な値の０．００１ｎｍに設定した。実験５は、［ａ］試料Ａが空気である場合であって、試料Ｂの温度を３０℃から８０℃まで変化させた場合と、［ｂ］試料Ａが水（純水）である場合であって、試料Ｂの温度を３０℃から８０℃まで変化させた場合と、［ｃ］試料Ｂの温度を３０℃で固定し、試料Ａを空気と水（純水）とエタノールとで切り替えた場合と、の３通りについて行った。
【００５８】
・実験５の結果
図１５，１６は、実験５において、試料Ｂの温度を３０℃から８０℃まで変化させたときにおける、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフであり、図１５は、試料Ａが空気である場合について、図１６は、試料Ａが水である場合についてそれぞれ示したものである。図１５と図１６を比較すると、試料Ａの屈折率に起因するディップＤＡが形成される波長が、試料Ａが空気である場合（図１５）と、試料Ａが水である場合（図１６）とで変化していることが分かる。また、ディップＤＡが形成される波長は、試料Ｂの温度が変化しても試料Ａの屈折率に変化がなければ、殆ど変化しないことも分かる。さらに、ディップＤＢが形成される波長は、試料Ｂの温度が変化すれば試料Ａの屈折率に変化がなくても、その温度の変化に従って変化していくことも分かる。さらにまた、ディップＤＢが形成される波長は、試料Ａが変化しても試料Ａの温度に変化がなければ、変化しないことも分かる。例えば、試料Ａが空気である場合（図１５）であってその温度が３０℃であるときにディップＤＢが形成される波長と、試料Ａが水である場合（図１６）であってその温度が３０℃であるときにディップＤＢが形成される波長は一致している。
【００５９】
図１７は、実験５において、試料Ｂの温度を３０℃で固定し、試料Ａを空気と水とエタノールとで切り替えたときの、検出器７０に入射された光の波長と光強度との関係を示したグラフである。図１７を見ると、試料Ａの屈折率に起因するディップＤＡが形成される波長が、試料Ａの屈折率の変化を敏感に捉えて大きく変化している一方、被覆材５２（試料Ｂ）の温度に起因するディップＤＢが形成される波長は、試料Ａが切り替わっても全く変化していないことが分かる。以上、実験５の結果から、本発明に係る光ファイバ式計測装置を用いることにより、試料Ａの屈折率と温度を同時にかつ独立して測定できることが分かった。また、例えば、光源１０の波長分解能を０．００１ｎｍに設定した場合では、水とエタノール間において、６．５×１０−６の屈折率分解能が得られるとともに、０．０１℃の温度分解能が得られる等、屈折率及び温度に対して極めて優れた性能を発揮できることも分かった。
【００６０】
［用途］
以上で述べた光ファイバ式計測方法及び光ファイバ式測定方法は、その用途を特に限定されるものではなく、産業分野や医療分野や研究分野等、様々な分野で採用することができる。特に、液体や気体の濃度を測定する用途に好適に採用することができる。なかでも、液体の濃度を測定する用途に好適に採用することができる。具体的には、ジュースやお茶等の飲料の濃度測定、調味液等の濃度測定、海水の塩分濃度測定、バイオエタノールの濃度測定、水溶性切削油の濃度測定、油脂の屈折率測定、洗浄液の濃度測定、血液等の体液に含まれる蛋白質（抗原）検出等が挙げられる。
【符号の説明】
【００６１】
１０    光源
２０    入射用光ファイバ
２１    コア
２２    クラッド
３０    第一導光体
３１    コア
４０    中間用光ファイバ
４１    コア
４２    クラッド
５０    第二導光体
５１    コア
５２    被覆材（試料Ｂ）
６０    出射用光ファイバ
６１    コア
６２    クラッド
７０    検出器
８０    解析器
９０    導光体
９１    導光体
９２    導光体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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