(57)【要約】【課題】簡易な構成で被測定物質の屈折率を容易に検出可能な検出システムを提供する。【解決手段】屈折率検出装置１００は、光源１と、センサ用光ファイバＦＢと、光検出器５と、信号処理回路６とを含む。光源１からの光は光ファイバ２およびセンサ素子３を通り、光ファイバ４から出射する。光ファイバ４から出射される光は光検出器５により検出される。光検出器５は、入射した光の強度に応じた強度を有する電気信号を出力する。信号処理回路６はこの電気信号の強度あるいは変化量に基づいて被検出物７の屈折率を求める。信号処理回路６は予め検出光強度と屈折率との関係を記憶しているので、測定した検出光強度から屈折率を求めることができる。【選択図】図１
2008170327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がコアとクラッドとを有する第１および第２の光ファイバ、ならびに前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの間に設けられたセンサ素子を有するセンサ用光ファイバと、
前記センサ用光ファイバの一方端に信号光を入射する光源と、
前記センサ用光ファイバの他方端から出射した前記信号光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果に基づいて、前記センサ素子の表面に接触している被測定物質の屈折率を求める処理装置とを備える、屈折率検出装置。
【請求項２】
前記処理装置が検出可能な屈折率の範囲の上限値は、前記センサ素子の屈折率に基づいて定められる、請求項１に記載の屈折率検出装置。
【請求項３】
前記センサ素子は、コアとクラッドとを有する第３の光ファイバから構成され、
前記第１の光ファイバは、前記第１の光ファイバのコアを伝播する光が前記第３の光ファイバのクラッドを伝播するように構成され、
前記上限値は、前記第３の光ファイバのクラッドの屈折率に基づいて定められる、請求項２に記載の屈折率検出装置。
【請求項４】
前記第１の光ファイバのコアの直径は、前記第３の光ファイバのコアの直径よりも大きい、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項５】
前記第１の光ファイバにおけるコアの屈折率とクラッドの屈折率とは、前記第１の光ファイバの開口数が前記第３の光ファイバの開口数よりも大きくなるように設定される、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項６】
前記第１の光ファイバのコアの屈折率をＮｉｎ＿ｃｏｒｅとし、
前記第１の光ファイバのクラッドの屈折率をＮｉｎ＿ｃｌａｄとし、
前記第３の光ファイバのコアの屈折率をＮｓｅｎ＿ｃｏｒｅとし、
前記第３の光ファイバのクラッドの屈折率をＮｓｅｎ＿ｃｌａｄとすると、
Ａ１＝Ｎｓｅｎ＿ｃｌａｄ−（Ｎｉｎ＿ｃｏｒｅ−Ｎｉｎ＿ｃｌａｄ）×Ｎｉｎ＿ｃｏｒｅ÷Ｎｓｅｎ＿ｃｌａｄとの式により求められる値Ａ１に基づいて、前記処理装置が検出可能な屈折率の範囲の下限値が定められる、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項７】
前記第１および第２の光ファイバの少なくとも一方は、プラスチック光ファイバであり、
前記第３の光ファイバは、石英光ファイバである、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項８】
前記第１の光ファイバのコアの端部と、前記第１の光ファイバのコアの端部と接する前記第３の光ファイバのコアの端部との少なくとも一方は、前記第１の光ファイバのコアからの光を前記第３の光ファイバのクラッドに導く形状を有する、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項９】
前記センサ用光ファイバは、
前記第１の光ファイバと前記第３の光ファイバとの間に設けられ、前記第１の光ファイバのコアと屈折率が異なる光学素子をさらに備える、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項１０】
前記第３の光ファイバのクラッドの直径は、前記第３の光ファイバにおける第１の断面と第２の断面とで、互いに異なる、請求項３に記載の屈折率検出装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の光ファイバと、前記センサ素子とは、同一の材料で形成され、
前記第１の光ファイバのクラッドの直径と、前記第２の光ファイバのクラッドの直径と、前記センサ素子の直径とは互いに等しい、請求項２に記載の屈折率検出装置。
【請求項１２】
前記センサ素子の表面全体は、露出している、請求項２に記載の屈折率検出装置。
【請求項１３】
前記センサ用光ファイバは、
前記センサ素子の表面を覆い、かつ、前記センサ素子の表面に開口部を有するマスク部をさらに備え、
前記マスク部は、前記開口部を除く残余の部分において、前記センサ素子の内部から前記マスク部に達した光を、前記センサ素子の内部に反射させる、請求項２に記載の屈折率検出装置。
【請求項１４】
前記センサ素子は、第１の光ファイバよりも、柔軟性が低い、請求項２に記載の屈折率検出装置。
【請求項１５】
前記処理装置は、前記被測定物質の屈折率から前記被測定物質の性状を特定する、請求項１に記載の屈折率検出装置。
【請求項１６】
信号光を発する光源と、
前記信号光を伝送する光伝送路と、
前記光伝送路からの前記信号光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果に基づいて液体の表面の位置を求める処理装置とを備え、
前記光伝送路は、
第１および第２の光ファイバと、
前記第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に一列に設けられる複数のセンサ素子と、
前記複数のセンサ素子の間に設けられる、少なくとも１つの第３の光ファイバとを含む、液位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバ中を伝播する光の変化に基づき所望の情報を検出する屈折率検出装置と、液位検出装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いたセンサシステムとして、特許第３１８０９５９号明細書（特許文献１）は、光伝送路として配設される本線体（光ファイバ）と、本線体の中途部に融着によって接続されたセンサ素子とを備えるセンサ用光ファイバを開示する。センサ素子は、本線体のコアと径の異なるコアを有する光ファイバである。またセンサ素子の長さは短い。このセンサ用光ファイバにおいては本線体とセンサ素子との界面で光がリークする。
【０００３】
このように構成された光ファイバでは、伝送路（光ファイバのコア部）に閉じ込められた光は損失無く伝播する。伝送路からセンサ素子に入射した光は、センサ素子（光ファイバ）においてクラッド部に拡がりながら伝播する。センサ素子から出射される光のうち入射条件を満たす一部の光が光ファイバのコア部に閉じ込められて損失無く伝播する。
【０００４】
上記した光ファイバの構成自体は一般的なもので、汎用の光ファイバ融着手法あるいはコネクタ等の接続手段を用いている。
【０００５】
特許第３１８０９５９号明細書（特許文献１）では、特に第１図に、温度、歪み、センサ素子への液体の付着等を、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）法によって検出することが開示されている。ここでＯＴＤＲ法とは、光波長以下の大きさを有する粒子の散乱によって生じる光の散乱（レーリー散乱）を利用した方法であり、光パルスを光伝送路に入射させるステップと、光伝送路の途中から入射側に戻る光（レーリー散乱により生じた後方散乱光）を時間分解測定するステップとを含む。
【０００６】
特開２００２−２６７６０７号公報（特許文献２）は、光ファイバの外周にセンサ物質を設けた光ファイバセンサを開示する。センサ物質の屈折率はセンサ素子（光ファイバ）のクラッドと同程度あるいは若干大きく設定される。センサ素子（光ファイバ）のクラッドに導かれた光の放射モードは、その光の一部がセンサ物質に漏れ出るというモードになる。クラッド部から漏れ出た光がセンサ物質に入射すると、センサ物質内の被検出物によりレーリー散乱光が生じる。レーリー散乱光はＯＴＤＲ法により検出される。レーリー散乱光の変化により、被測定物の濃度、種類、屈折率を検出することができる。被測定物の屈折率からは被測定物の酸性度またはアルカリ度を検出することが可能である。
【０００７】
特開２００２−２６７６０７号公報（特許文献２）によれば、センサ物質に含まれる被検出物の屈折率をセンサ素子（光ファイバ）のクラッドの屈折率とほぼ同等か若干大きくして、光ファイバの外部にリークさせた光を被検出物に吸収させることにより被検出物の光吸収スペクトルが測定できるとしている。もし、広い波長範囲にわたり被検出物の光吸収スペクトルを正確に測定することができれば、クラマース＝クローニッヒ（Ｋｒａｍｅｒｓ＝Ｋｒｏｎｉｇ）の関係式から被検出物の屈折率を算出することができる。しかし、このような算出方法を実行するためには白色光源や分光器などの装置と、吸光度を正確に測定することが可能な測定装置と、測定結果から屈折率を計算するための演算装置が必要である。
【０００８】
特開２００２−３５０３３５号公報（特許文献３）は、金属薄膜をコーティングしたセンサ素子（光ファイバ）を用いて、センサ素子の周囲の屈折率を測定する方法を開示する。この測定方法は、金属薄膜の表面のプラズモンを励起する光の波長が周囲の屈折率に応じて変化することを利用して、伝播光の強度変化に基づき屈折率を測定する方法である。
【特許文献１】特許第３１８０９５９号明細書（第３図）
【特許文献２】特開２００２−２６７６０７号公報（５頁［００３２］、図５）
【特許文献３】特開２００２−３５０３３５号公報（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
クラッド中の光伝播を利用した従来の光ファイバ式センサにあっては、レーリー散乱光を測定する。このため測定対象は光波長より小さい粒子を含むものに限られる。また後方散乱光を検出しようとしても後方散乱光の強度が弱いという問題がある。さらに、測定装置であるＯＴＤＲ装置は一般的に複雑な構成を有するとともに高価である。
【００１０】
また、光ファイバを屈折率センサのセンサ素子とするためには光ファイバに金属薄膜をコーティングしなければならない。このため、手間がかかる。さらにセンサ素子の検出性能が金属薄膜の膜厚、膜質、平坦性などに依存するという問題がある。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成で被測定物質の屈折率を容易に検出可能な検出システムを提供することである。
【００１２】
また、この発明のさらに別の目的は、被測定物質の液位等の状態を検出するシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は要約すれば、屈折率検出装置であって、各々がコアとクラッドとを有する第１および第２の光ファイバ、ならびに第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に設けられたセンサ素子を有するセンサ用光ファイバと、センサ用光ファイバの一方端に信号光を入射する光源と、センサ用光ファイバの他方端から出射した信号光の強度を検出する光検出器と、光検出器の検出結果に基づいて、センサ素子の表面に接触している被測定物質の屈折率を求める処理装置とを備える。
【００１４】
本発明の他の局面に従うと、液位検出装置であって、信号光を発する光源と、信号光を伝送する光伝送路と、光伝送路からの信号光の強度を検出する光検出器と、光検出器の検出結果に基づいて液体の表面の位置を求める処理装置とを備える。光伝送路は、第１および第２の光ファイバと、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に一列に設けられる複数のセンサ素子と、複数のセンサ素子の間に設けられる、少なくとも１つの第３の光ファイバとを含む。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、簡単な測定処理で被測定物質の屈折率を容易に検出可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［実施の形態１］
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１による屈折率検出装置を示す図である。屈折率検出装置１００は、光源１と、センサ用光ファイバＦＢと、光検出器５と、信号処理回路６とを含む。センサ用光ファイバＦＢは、光伝送路である光ファイバ２，４と、センサ素子３とを含む。センサ素子３は光ファイバ２と光ファイバ４との間に設けられる光ファイバである。センサ素子３の表面は露出しており、センサ素子３の表面全体、すなわち光ファイバのクラッドの表面全体は容器８に収納される液状の被検出物７に接触される。
【００１８】
光源１からの光は光ファイバ２およびセンサ素子３を通り、光ファイバ４から出射する。光ファイバ４から出射される光は光検出器５により検出される。光検出器５は、入射した光の強度に応じた強度を有する電気信号を出力する。被検出物７の屈折率に応じて光検出器５に入射する光の強度が変化するので光検出器５から出力される信号の強度も変化する。信号処理回路６はこの信号の強度あるいは信号の変化量に基づいて被検出物７の屈折率を求める。
【００１９】
図２は、図１のセンサ用光ファイバＦＢを示す断面図である。光ファイバ２は、コア２Ａとクラッド２Ｂとを有する。光ファイバ４は、コア４Ａとクラッド４Ｂとを有する。光ファイバであるセンサ素子３はコア３Ａとクラッド３Ｂとを有する。光ファイバ２，４およびセンサ素子３は同一の材料（石英）で形成され、クラッド２Ｂ，３Ｂ，４Ｂの直径はいずれも等しい。光ファイバ２とセンサ素子３と光ファイバ４とは融着により容易に接続できる。
【００２０】
図２および図１を参照して、光源１からの光は、コア２Ａに入射する。図２において光Ｌ１，Ｌ２は光源１からコア２Ａに入射した光を示す。光Ｌ１は、コア２Ａに閉じ込められ、かつ、コア３Ａへの入射条件を満たす光である。光Ｌ１はコア３Ａに閉じ込められた状態でセンサ素子３を伝播する。光Ｌ２は、コア２Ａに閉じ込められ、かつ、クラッド３Ｂを伝送する。センサ素子３の全体（コア３Ａおよびクラッド３Ｂ）がコアであり、被検出物７がクラッドである光ファイバを仮想すると、光Ｌ２はこの仮想的な光ファイバのコアを伝播しているといえる。
【００２１】
一般的にクラッドの表面はコアとクラッドとの界面に比べ凹凸が多い。このため被検出物７とクラッド３Ｂとの界面における放射損失、あるいは光の伝送モードがクラッド３Ｂにおけるモードから被検出物７におけるモードに変換されるときのモード変換に起因する界面損失は大きくなる。さらに光Ｌ２のうち、クラッド３Ｂでの伝播条件を満たさない光は被検出物７にリークする損失光Ｌ３となる。
【００２２】
センサ素子３から光ファイバ４に入射した光Ｌ２のうちコア４Ａに対する入射条件を満たす光は、コア４Ａに閉じ込められてほとんど損失無く伝播する。一方、光ファイバ４に入射した光Ｌ２のうち、コア４Ａに対する入射条件を満たさない光はクラッド４Ｂを伝播する。このような光は、通常ではクラッドおよび、クラッド周囲の物質（たとえば光ファイバを保護するための有機被膜）により吸収あるいは散乱されるのでクラッド４Ｂに入射した光はクラッド４Ｂを進むにつれて弱まっていく。つまり、光ファイバ４から出射される光はコア４Ａ内を伝播する光のみである。
【００２３】
次に、本発明のセンサ用光ファイバによる被検出物の屈折率の測定原理を詳細に説明する。図３は、ステップインデックス（ＳＩ）型光ファイバを伝播する光を説明する図である。なおＳＩ型光ファイバとはコア内の屈折率分布が一様である光ファイバのことである。光ファイバ１０はコア１０Ａとクラッド１０Ｂとを含む。光ＬＡはコア１０Ａを伝播する。ここで角度θは、コア１０Ａからクラッド１０Ｂの入射角θiに対する補角、すなわち（９０°−θi）を示す。
【００２４】
光ＬＡがコア１０Ａ内に閉じ込められ、かつ、ほとんど損失無く伝播する場合における光ＬＡの補角を全反射臨界補角θcと定義する。角度θが全反射臨界補角θcより大きい場合には光ＬＡの一部がクラッド１０Ｂに漏れ出す。これに対し、角度θが全反射臨界補角θc以下である場合には、光ＬＡは全反射を繰返しながらコア１０Ａ内に閉じ込められた状態で伝播する。
【００２５】
ここで、コア１０Ａの屈折率をNcoreとし、クラッド１０Ｂの屈折率をNcladとする。光ＬＡがコア１０Ａに閉じ込められて伝播するときの入射角θiの条件は、以下の式（１）および式（２）により示される。なお、Noは光ファイバ１０の外部の媒体の屈折率を示し、θは外部からコア１０Ａに入射した光の入射角を示す。
【００２６】
θ≦θc＝ｃｏｓ-1（Nclad／Ncore）  …（１）
No×ｓｉｎθ＝Ncore×ｓｉｎθi  …（２）
ここで比屈折率差Δを(Ncore−Nclad)／Ncoreと定義する。コアの屈折率とクラッドの屈折率との差が小さい場合、式（１）から以下の式（３）が得られる。なお、以後の説明において上付きの「１／２」は平方根（√）を意味する。
【００２７】
ｓｉｎθc＝（１−ｃｏｓ2θc）1/2＝（Ncore2-Nclad2／Ncore2）1/2≒（２Δ）1/2  …（３）。
【００２８】
式（３）より、θc≒ｓｉｎ-1（２Δ）1/2と表わされる。またθcは一般的に小さいので、θc≒（２Δ）1/2と近似される。
【００２９】
再び図２を参照しながら説明する。コア２Ａおよびクラッド２Ｂの屈折率をそれぞれNin_core，Nin_cladとする。同様に、コア３Ａおよびクラッド３Ｂの屈折率をそれぞれNsen_core，Nsen_cladとする。また、被検出物７の屈折率をNdetとする。
【００３０】
まずクラッド３Ｂに閉じ込められた状態で伝播する光Ｌ２を考える。クラッド３Ｂ内に光Ｌ２を閉じ込めるためには、クラッド３Ｂの屈折率が被検出物７の屈折率よりも高くなければならない。よって、以下の式（４）に示す条件を満たすことが必須となる。
【００３１】
Ndet＜Nsen_clad  …（４）
ここで考察を簡単にするため、光ファイバ３がコア３Ａを含まないものとする。また、クラッド３Ｂおよび被検出物７からなる擬似的なＳＩ型光ファイバを仮定する。この場合、クラッド３Ｂは屈折率Nsen_cladを有する擬似的なコアであり、被検出物７は屈折率Ndetを有する擬似的なクラッドである。
【００３２】
次に、光ファイバ２から光ファイバ３（クラッド３Ｂ）に入射する光の最大入射角θmaxを求める。図４は、光ファイバ３の最大入射角θmaxを説明する図である。角度θは、光ファイバ２のコア２Ａから光ファイバ３に光ＬＡが入射するときの入射角を示す。角度θが最大入射角θmaxよりも大きい場合には、光ファイバ３に入射した光ＬＡは光ファイバ３を伝播できずに光ファイバ３の外に漏れ出る。一方、角度θが最大入射角θmax以下であれば、光ファイバ３に入射した光ＬＡは光ファイバ３の内部を伝播する。
【００３３】
図４に示す角度θについては式（２）からNin_core×ｓｉｎθ＝Nsen_clad×ｓｉｎθcの関係が成立するときにθ＝θmaxとなる。ここで擬似的なＳＩ型光ファイバにおける比屈折率差Δsenを（Nsen_clad−Ndet）／Nsen_cladと定義する。θc≒ｓｉｎ-1（２Δsen）1/2となるので、最大入射角θmaxは、以下の式（５）に従って示される。
【００３４】
θmax≒ｓｉｎ-1｛（Nsen_clad／Nin_core）×（２Δsen）1/2｝＝ｓｉｎ-1｛（Nsen_clad／Nin_core）×（２×（Nsen_clad−Ndet）／Nsen_clad）1/2｝  …（５）
図２に戻り、伝送路であるコア２Ａでの全反射臨界角θinに対してθin＞θmaxとなる場合には、クラッド３Ｂに入射した光は伝播条件を満たすことができないため外部にリークする。これにより伝播損失が生じる。このときの関係は、光ファイバ２における比屈折率差Δinを（Nin_core−Nin_clad）／Nin_coreと定義すると、以下のようになる。
【００３５】
θin＝θc＝ｓｉｎ-1｛（２Δin）1/2｝＞θmax≒ｓｉｎ-1｛（Nsen_clad／Nin_core）×（２Δsen）1/2｝
上記式から以下の式（６）が導かれる。
【００３６】
（２Δin）1/2＞（Nsen_clad／Nin_core）×（２Δsen）1/2  …（６）
さらに、式（６）を被検出物７の屈折率Ndetについて整理すると、屈折率Ndetが以下の式（７）の関係を満たす場合に、クラッド３Ｂにおける放射損失は屈折率Ndetの変化に対して連続的に変化する。
【００３７】
Nsen_clad＞Ndet＞Nsen_clad−（Nin_core−Nin_clad）×Nin_core／Nsen_clad  …（７）
ここで値Ａ１をＡ１＝（Nin_core−Nin_clad）×Nin_core／Nsen_cladとする。通常の石英光ファイバでは、コアの屈折率（典型値１．４７）とクラッドの屈折率（典型値１．４６）との差、すなわちNcore−Ncladは１％程度かそれ以下であるので、値Ａ１は無視することができる。
【００３８】
このことはNdet≒Nsen_cladという条件が、通常の石英光ファイバからなるセンサ素子において大きな一定の放射損失が発生するか否かの境界条件であることを意味する。センサ素子３が通常の石英光ファイバである場合、Ndet＜Nsen_cladのときには光ファイバ２を伝播してきた光は、光ファイバ３のクラッド３Ｂに閉じ込められて損失無く伝播する。一方、Ndet＞Nsen_cladであればクラッド３Ｂに入射した光はクラッド３Ｂから被検出物７に全てリークするため、極めて大きな放射損失が生じる。
【００３９】
センサ素子に通常の石英光ファイバを用いると、Ndet≒Nsen_cladという条件がセンサ素子から大きな放射損失が発生するか否かの境界条件になる。屈折率Ndetが変化した場合Ndet≒Nsen_cladという条件を境にして光検出器５で検出される光の強度は大きな強度から小さな強度にステップ状に変化する。
【００４０】
このため、石英光ファイバ式センサを用いた場合には屈折率Nsen_cladに対して屈折率Ndetが大きいか否かを判定することはできた。
【００４１】
なお、ここでは考察を簡単にするためコアとクラッドとの間で屈折率が階段状に変化するＳＩ型光ファイバについて説明した。ただし、コアの屈折率が連続的に変化するグレーデッドインデックス型光ファイバや、３層以上の屈折率構造や、階段型と連続型を組み合わせた屈折率構造であっても、同様に考えることができる。
【００４２】
上述した値Ａ１はできるだけ大きいことが好ましい。式（７）において、屈折率Ndetが屈折率Nsen_cladに等しい場合には、センサ素子３からある大きさの放射損失が発生する。放射損失の大きさも屈折率Ndetの変化に応じて変化する。値Ａ１をできるだけ大きくすることで、屈折率Ndetに応じて放射損失が変化する屈折率Ndetの範囲を広くすることができる。これにより屈折率の測定可能範囲を拡げることができる。式（７）を参照すれば、値Ａ１を大きくするためには以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかが実現されればよい。
【００４３】
（ａ）光ファイバ２のコア２Ａの屈折率Nin_coreを大きくする
（ｂ）光ファイバ２のクラッド２Ｂの屈折率Nin_cladを小さくする
（ｃ）光ファイバ３のクラッド３Ｂの屈折率Nsen_cladを小さくする
式（７）からは、屈折率Ndetの測定可能範囲の最大値は屈折率Nsen_cladにより定まることが分かる。屈折率Nsen_cladを変化させることによって屈折率Ndetの測定可能範囲の最大値は変化し、そのことに伴って屈折率Ndetの測定可能範囲が変化する。すなわち、屈折率Nsen_cladを被検出物７の屈折率Ndet以上に設定し、かつ、Nsen_clad−（Nin_core−Nin_clad）×Nin_core／Nsen_clad（＝Nsen_clad−Ａ）が被検出物７の屈折率Ndetの最小値とほぼ同等あるいはそれ以下となるよう光ファイバ２，４およびセンサ素子３を構成することで、被検出物７の複素屈折率の変化に応じて光検出器５が検出する光の強度が変化する。これにより光強度変化から被検出物の屈折率を定量的に検出できる。
【００４４】
図５は、図１に示す構成により被検出物の屈折率Ndetに対する検出光強度の変化を測定した結果を示す。センサ用光ファイバには、１２５μｍφの石英光ファイバを用いた。光ファイバ２，４にはコア径５０μｍφのグレーデッドインデックス（ＧＩ）型マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いた。センサ素子３には、長さ１０ｍｍ、コア径２μｍφのＳＩ型シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた。光ファイバ２，４はセンサ素子３に融着されている。光源１にはハロゲン白色光源を用いた。被検出物７にはトルエン・エタノール混合溶液を用いた。トルエンとエタノールとの混合比を変えることで被検出物７の屈折率Ndetを変化させた。
【００４５】
屈折率Ndetが１．４４５より小さい場合、検出光強度は一定値を示している。検出光強度は、屈折率Ndetが１．４４５から１．４６の間でほぼステップ状に減少し、屈折率Ndetが１．４６より大きくなると検出光強度はほぼ一定になる。このステップ部分をよく見ると傾斜を有していて、屈折率と光検出強度の間には一対一の関係が成立する。本発明ではこの傾斜部分を利用する。信号処理回路６は予め検出光強度と屈折率との関係を記憶しているので、測定した検出光強度から屈折率を求めることができる。
【００４６】
ここではレーリー散乱あるいは放射損失による光強度の変化を用いて屈折率を測定している。一本のセンサ素子では屈折率の検出範囲が限られているため被検出物の屈折率の範囲が予め特定できている必要がある。検出範囲の上限は屈折率Nsen_cladに依存し、この値を大きくすれば測定範囲は広くなる。
【００４７】
被検出物の屈折率が不明な場合には屈折率Nsen_cladの異なる複数の光ファイバを用意する。各センサ素子の検出範囲が異なるので、その中には被検出物の屈折率をカバーするものが一つは存在する。こうすれば幅広い範囲の屈折率を容易に検出できる。
【００４８】
一方、検出範囲の下限は値Ａ１に依存するので値Ａ１を小さくすることでも測定範囲を広くすることができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、レーリー散乱などを利用した屈折率測定方法と比べ、光検出器に入射する光の強度を大きくすることができるとともに、光強度の変化量も大きくすることができる。センサ用光ファイバＦＢにおいてセンサ素子３の長さを１０ｍｍに設定し、かつ、図５の測定結果を得るための測定条件と同様の条件で屈折率に対する光強度の変化を測定を行なった場合には、光強度は１０．５ｄＢ変化した。また、センサ素子３の長さを５ｍｍに設定した場合には、光強度は９．５ｄＢ変化した。この結果は、光ファイバ３の長さを５ｍｍ（さらに短くして１ｍｍ）に設定しても、光強度の変化から被検出物の屈折率を検出することができることを示している。
【００５０】
なお光強度の変化量は、被検出物７の複素屈折率により大まかに定まるが、より厳密に光強度の変化量を求める場合には、複素屈折率だけでなく、センサ素子３が被検出物７と接している場合における接触位置と接触面積とを考慮する必要がある。
【００５１】
図１に示すようにセンサ素子３の表面全体を被検出物７に浸せば、被検出物７に対する光ファイバ３の接触位置および接触面積は固定される。信号処理回路６において光検出器５が検出した光強度の変化を被検出物７の屈折率に変換することで、被検出物７の屈折率を正確に検出することができる。
【００５２】
なお、センサ素子３において被検出物７に接する部分の面積を常に一定とするための方法としては、センサ素子３の全体を被検出物７に浸す方法だけでなく、以下のような方法でもよい。
【００５３】
図６を参照して、センサ素子３は、マスク部１３により覆われる。マスク部１３は、開口部Ａを有する。マスク部１３は、たとえば、透明、かつ、クラッド３Ｂより低屈折率の材料、あるいは高反射率の金属などにより構成される。
【００５４】
開口部Ａの位置および面積を規定することで、センサ素子３において被検出物７に接する位置および接触面積を規定することができる。このようなマスク部１３をセンサ素子３の表面に設けることで、被検出物７が少量でも被検出物の屈折率を検出することができる。また、センサ素子３から被検出物７にリークする光の量を少なくすることができる。このため、たとえば、マスク部１３に開口部を複数設けたり、センサ素子３を複数設けたりすることができる。またマスク部１３を設けることでセンサ素子３を保護することができる。
【００５５】
なお図２に示すように、本実施の形態のセンサ用光ファイバにおいては、コア２Ａを伝播した光がクラッド３Ｂに入射しなければならない。このため光ファイバ２のコア径は光ファイバ３のコア径よりも大きく設定される。これによりクラッド３Ｂに光を直接入射させることが可能になる。
【００５６】
コア３Ａに光が入射してもその光がクラッド３Ｂにリークすればよい。このためには光ファイバ２において光ファイバ３に比べて、コア２Ａとクラッド２Ｂの屈折率差を大きくするか、または、光ファイバ２の開口数を光ファイバ３の開口数よりも大きくすればよい。なお、両者を組み合わせればなお好ましい。
【００５７】
一方、光検出器５において検出される光の強度はできるだけ大きいほうがよい。よってクラッド３Ｂに拡がりながら伝播する光ができるだけコア４Ａに入射されるように光ファイバ４が構成されていることが好ましい。このため、光ファイバ４においても、たとえばセンサ素子３よりもコア径を大きくしたり、コアとクラッドとの比屈折率差をセンサ素子３よりも大きくしたり、開口数をセンサ素子３よりも大きくしたりすればよい。さらに、これらを組み合わせればなお好ましい。光ファイバ２，４の開口数はできるだけ大きい方が好ましい。このため、光ファイバ２，４としてはグレーデッドインデックス型光ファイバよりもステップインデックス型光ファイバを用いることが好ましい。
【００５８】
ここで、光ファイバの材料として一般的に用いられる石英ガラスにおいては、屈折率を高める方法としてＧｅ（ゲルマニウム）またはＰ（リン）などの元素を添加する方法があり、屈折率を下げる方法としてＢ（ホウ素）またはＦ（フッ素）などの元素を添加する方法がある。一般的には、光ファイバの最小屈折率は光ファイバの母材である石英ガラスの屈折率により制限される。よって屈折率を高めるほうが容易に実現できる。すなわち、屈折率Nin_coreを高めることが好ましい。これにより開口数を大きくすることができる。このように屈折率Nin_core，Nin_cladを設定してもよい。
【００５９】
なお、図１において光源１はたとえば白色光源である。ただし、本実施の形態において光源の発光波長の範囲を広くする必要はないため、光源１としてたとえば発光ダイオードを用いることもできる。光源１に発光ダイオードを用いた場合には、安価、かつ小型に光源１を構成することができる。
【００６０】
また、センサ素子３の波長依存性は小さくてもよいので、光源１としてレーザダイオードを用いることも可能である。本実施の形態では温度によりレーザダイオードの発振波長が変化しても、その影響は無視できるほど小さい。光源１にレーザダイオードを用いた場合には、安価かつ小型に光源１を構成できる。
【００６１】
また、光源１にレーザダイオードを用いた場合には、光源１から高パワーの光を出力することができる。さらに、光源１における発光面積が小さく、かつ光ビームの出射広がり角が狭いので、光ファイバ２との結合効率を大きくすることができる。この結果、光検出器５に入射する光の強度も十分大きくすることができる。
【００６２】
［実施の形態２］
実施の形態１では、光ファイバ２，４と、光ファイバ２，４と導波モードが異なる（導波する光の電磁界分布が異なる）センサ素子３とは、いずれも石英系材料により形成された光ファイバである。またセンサ素子３の両端はそれぞれ光ファイバ２，４に融着される。ただし、光ファイバ２，４およびセンサ素子３の材料は石英系材料に限られない。図２に示すように、コア２Ａを伝送する光がクラッド３Ｂにリークした後、コア４Ａを伝送するように、光ファイバ２，４およびセンサ素子３が構成されていればよい。実施の形態２では、センサ用光ファイバの少なくとも一部が石英系材料以外の材料により形成される。
【００６３】
たとえば光ファイバ（光ファイバ２，４およびセンサ素子３）には、石英光ファイバだけでなく、プラスチックを材料とするプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いることができる。ＰＯＦには、たとえばコア及びクラッドにプラスチックを用いるファイバや、コアを石英系材料で形成し、クラッドをプラスチック材料で形成した光ファイバ等がある。
【００６４】
一般に、ＰＯＦのコアにはポリメタクリル酸メチル系ポリマ、ＰＯＦのクラッドにはフッ素系ポリマが用いられている。上記のコア材料を用いたコアの屈折率は１．４９であり、石英系ファイバのコアの屈折率と同程度である。ただし上記のクラッド材料を用いたクラッドの屈折率は、石英系ファイバの屈折率よりも小さい（たとえばＮＡが０．５程度であれば屈折率は１．４１程度となる）。このため、センサ素子３がＰＯＦであるセンサは、センサ素子３が石英光ファイバである屈折率検出装置よりも、より低い屈折率を測定することができる。
【００６５】
また、一般的にＰＯＦは石英系ファイバと比べてコア径が大きいため、光源との結合損失を小さくできるという利点もある。このため、図１に示す屈折率検出装置１００において、光検出器５に入射する信号光の強度をより大きくすることができる。これにより、屈折率を精度よく測定することが可能になる。ただしＰＯＦは、耐酸性（および耐アルカリ性）、耐寒熱性、耐湿度、耐油性、耐薬品性等において石英系材料に劣る。このため、センサ素子３がＰＯＦであるセンサ用光ファイバを用いる際には被検出物の性状を考慮することが好ましい。
【００６６】
上述したように、同一（あるいは同種）の材料の光ファイバを光ファイバ２，４およびセンサ素子３に用いた場合には、たとえば融着によりこれらの光ファイバを接続できる。一方、異種の複数の光ファイバを接続する場合には、様々な手法を用いて複数の光ファイバを接続することができる。
【００６７】
たとえば、光ファイバ２および光ファイバ４については、光源１からの光をできるだけ損失なく伝播できることが求められる。このためには光ファイバ２のコア２Ａの径よりもセンサ素子３のクラッド３Ｂの径が大きく、かつ、センサ素子３のクラッド３Ｂの径よりも光ファイバ４のコア４Ａの径が大きいことが好ましい。なお、この場合には光ファイバ２，４およびセンサ素子３の種類は同種であると限られるものではなく、異種であってもよい。
【００６８】
図７は、異種の光ファイバを接続して構成したセンサ用光ファイバの断面図である。光ファイバ２，４はＰＯＦであり、センサ素子３は石英光ファイバである。光ファイバ２のコア２Ａの直径および光ファイバ４のコア４Ａの直径は、いずれもセンサ素子３のコア３Ａの直径より大きい。センサ素子３に石英光ファイバを用いることで被検出物に対するセンサ素子３の耐性を高めることができる。
【００６９】
光ファイバ２とセンサ素子３との接続、および光ファイバ４とセンサ素子３との接続にはコネクタ１４が用いられる。これによりクラッド２Ｂの直径とクラッド３Ｂの直径とが異なる場合、あるいはクラッド３Ｂの直径とクラッド４Ｂの直径とが異なる場合においても光ファイバ２、センサ素子３、および光ファイバ４を接続することができる。
【００７０】
なお、光ファイバ２，４の一方および他方をそれぞれＰＯＦおよび石英光ファイバとしてもよい。さらに、センサ素子３はコアとクラッドとを有する光ファイバに限定される必要はなく、他のものを用いることができる。
【００７１】
図８は、光ファイバと異なる部材をセンサ素子に用いたセンサ用光ファイバの断面図である。図８および図２を参照して、センサ用光ファイバＦＢ１は、センサ素子３に代えてセンサ素子３１を含む点でセンサ用光ファイバＦＢと異なる。センサ素子３１は円柱状に形成され、かつ、コアを有していない。センサ素子３１の屈折率は図２のクラッド３Ｂの屈折率と同様にNsen_cladである。
【００７２】
なお、センサ素子３１には通常の光ファイバのような柔軟さは不要である。このためセンサ素子３１は変形しにくい材質（硬質のプラスチック、あるいは硬質のガラス等）で形成されてもよい。またセンサ素子３１の形状も直線状ではなく曲率をもった形状としてもよい。
【００７３】
このようなセンサ素子３１を製造する際には、通常の光ファイバを製造する際に用いられる方法を用いなくてもよい。よって、たとえば射出法等によりセンサ素子３１を製造できる。これによりセンサ素子３１を容易に製造できるのでセンサ用光ファイバを安価に提供することができる。センサ素子３１を用いると、測定系に振動が生じた場合にも、振動の影響を回避できるため、センサ用光ファイバの取り扱いが容易となる。
【００７４】
［実施の形態３］
実施の形態１，２では、光ファイバ２のコア２Ａを伝播してきた光をセンサ素子３（光ファイバ）のクラッド３Ｂに伝播させるために、光ファイバ間の伝播モードの違いを利用する。これに対し、実施の形態３では、光ファイバ２のコア２Ａを伝播してきた光をセンサ素子３のクラッド３Ｂに導くために散乱や光ファイバ接続部界面での屈折を利用する。散乱あるいは屈折による光の伝播方向の変化により、センサ素子３からみた光ファイバ２での全反射臨界補角を仮想的に大きくすることができる。これにより屈折率の検出範囲を拡げることが可能になる。また出射光量が緩やかに変化する。
【００７５】
図９は、実施の形態３のセンサ用光ファイバの一例を示す断面図である。光ファイバ２のコア２Ａの端部２Ａ１には幾何学的模様が形成されている。端部２Ａ１における形状は、規則的な幾何学的形状でもよいし、擦り傷のような不規則な幾何学的形状でもよい。端部２Ａ１を通った光は、進行方向を変えてセンサ素子３のクラッド３Ｂに導かれる。
【００７６】
図１０は、実施の形態３のセンサ用光ファイバの他の例を示す断面図である。光ファイバ２のコア２Ａは、端部２Ａ２を含む。たとえばエッチング等の手段により端部２Ａ２には曲面が形成される。これにより端部２Ａ１を通った光はクラッド３Ｂに導かれる。
【００７７】
コア３Ａの端部の形状は端部２Ａ１，２Ａ２と同様の形状であってもよい。つまり、コア２Ａの端部と、コア３Ａの端部との少なくとも一方が、端部２Ａ１と同様の形状（あるいは端部２Ａ２と同様の形状）を有していればよい。
【００７８】
なおコア部周辺に孔を有するフォトニック結晶光ファイバをセンサ素子に用いてもよい。この場合、光伝送路とセンサ素子とを融着する際に孔の形状が変化する。これにより光伝送路からの光が拡がりながら進むので、センサ素子（光ファイバ）のクラッドに光を導くことができる。
【００７９】
図１１は、実施の形態３のセンサ用光ファイバのさらに他の例を示す断面図である。コア２Ａとセンサ素子３との間に、コア２Ａと屈折率が異なり、かつ、透明な光学素子１５が設けられる。光学素子１５の屈折率が低く、かつ、光学素子１５の形状がレンズ形あるいは円柱形であることが好ましい。これによりコア２Ａから出た光を拡げながらセンサ素子３に入射させることができる。なお光学素子１５のサイズがコア２Ａの直径よりも大きく、かつ、光学素子１５が被検出物に接している場合には、光学素子１５をセンサ素子として用いることもできる。
【００８０】
図１２は、実施の形態３のセンサ用光ファイバのさらに他の例を示す断面図である。センサ素子３の直径は、少なくとも２つの断面箇所（紙面に垂直な断面Ｃ１，Ｃ２）において異なる。たとえばセンサ素子３の直径が所定値Ｒで一定の場合にセンサ素子３内に光が留まっているとすると、このようにセンサ素子３の直径を変化させることで光がセンサ素子３の外部にリークしやすくなる。
【００８１】
これにより被検出物の屈折率Ndetとセンサ素子３の屈折率Nsen_cladとの差が小さくても外部に光がリークしやすくなるので屈折率Ndetの検出範囲を拡げることが可能になる。また図１２に示す構成によれば汎用的な光ファイバをセンサ素子に用いた屈折率検出装置を実現できる。
【００８２】
なお、上述の説明においてセンサ素子３をセンサ素子３１に置き換えてもよい。
［実施の形態４］
本発明の屈折率検出装置は性状検出装置に用いることもできる。物質により屈折率は異なるため、検出した屈折率に基づいて被検出物の性状を判別できる。これにより、被検出物の種類を予想される複数の種類の中から特定したり、被検出物の組成比・混合比等を特定したりすることができる。
【００８３】
図１３は、本発明の実施の形態４による性状検出装置の構成を示す図である。性状検出装置１００Ａは、信号処理回路６に代えて信号処理回路６Ａを備える点で屈折率検出装置１００と異なる。信号処理回路６Ａは光検出器５からの信号に対して所定の処理を行なって被検出物７の性状を特定する。
【００８４】
センサ用光ファイバＦＢは、実施の形態１から３のいずれのセンサ用光ファイバであってもよい。
【００８５】
式（７）から、検出可能な屈折率Ndetの最大値はセンサ素子３の屈折率Nsen_cladに等しくなる。このためセンサ素子３に石英光ファイバを用いた場合には、被検出物７の屈折率Ndetが１．３〜１．５程度の範囲であれば、その屈折率Ndetを検出することができる。
【００８６】
この範囲の屈折率を有する材料は、光源１に対して透明な材料であり、かつ、一般に液体である。例えば、トルエンの屈折率は１．４９７であり、エタノールの屈折率は１．３６０であり、メタノールの屈折率は１．３２９である。被検出物７が単物質であると予め分かっている場合には、信号処理回路６Ａはこれらの値と、算出した被検出物７の屈折率との対比を行なう。これにより被検出物７の種類を特定できる。
【００８７】
また被検出物７が２種類の混合溶液であると予め分かっている場合には、信号処理回路６Ａによりその混合比を算出できる。このような性状評価としては、上記のように特に単物質あるいは、単物質を混合した溶液でなくともよく、ガソリンのような複雑な混合溶液であってもよい。
【００８８】
たとえば、ガソリンの中でも硫黄等を多く含む重質ガソリンの屈折率は高くなる。また、ハイオクタン価のガソリンの屈折率も高い。よって、被検出物７がガソリンである場合には、性状検出装置１００Ａにより、その被検出物７が重質ガソリンか軽質ガソリンか、あるいはハイオクガソリンかレギュラーガソリンか等の性状評価が可能になる。
【００８９】
さらに、エタノールやメタノールなどのアルコールなどを混合したガソリンを被検出物とした場合には、性状検出装置１００Ａは検出した屈折率からアルコール混合比を算出することができる。屈折率とガソリンの種類との関係、または屈折率とアルコール混合比との関係は信号処理回路６Ａに予め保存されていてもよい。
【００９０】
以上のように実施の形態４によれば、実施の形態１から３のいずれかのセンサ用光ファイバを備えることにより、安価であり、かつ、簡便に被検出物の性状を検出することができる性状検出装置を実現できる。
【００９１】
［実施の形態５］
図１４は、本発明の実施の形態５による液位検出装置の構成を示す図である。液位検出装置１００Ｂは、センサ用光ファイバＦＢに代えてセンサ用光ファイバＦＢ２を含む点で屈折率検出装置１００と異なる。センサ用光ファイバＦＢ２は、一列に設けられる複数のセンサ素子３、および複数のセンサ素子３の間に設けられる複数の光ファイバ２４を含む点でセンサ用光ファイバＦＢと異なる。センサ用光ファイバＦＢ２は、被検出物７（液体）の表面７Ａ（液面）と交わる方向に設置される。
【００９２】
複数のセンサ素子３の各々の屈折率Nsen_cladは被検出物７の屈折率Ndetとの差ができるだけ小さくなるように設定される。これにより、複数のセンサ素子３のうち被検出物７に接するセンサ素子３の個数に応じ、光ファイバ４から出射した光の強度が変化する。なお、各センサ素子３および、各センサ素子３の両側の光ファイバの構成は実施の形態１から３のいずれかのセンサ用光ファイバの構成と同様である。
【００９３】
容器８に対して被検出物７（液体）を入れたり出したりすると、液位が変化するので複数のセンサ素子３のうち被検出物７に接するセンサ素子３の個数も変化する。信号処理回路６は光検出器５から出力される光強度を示す信号を受け、たとえば光強度あるいは光強度の変化量に基づいて被検出物７の液位を求める。
【００９４】
なお、図１４に示す液位検出装置１００Ｂは、１つのセンサ用光ファイバを含む。ただし、液位検出装置は複数のセンサ用光ファイバを含んでいてもよい。複数のセンサ用光ファイバにおいて、センサ素子３は互いに異なる位置に設けられる。これにより被検出物７の液位を検出することができる。
【００９５】
このように実施の形態５によれば、実施の形態１から３のいずれかのセンサ用光ファイバを備えることにより、安価であり、かつ、簡便に液位を検出することができる液位検出装置を実現できる。
【００９６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態１による屈折率検出装置を示す図である。
【図２】図１のセンサ用光ファイバＦＢを示す断面図である。
【図３】ステップインデックス（ＳＩ）型光ファイバを伝播する光を説明する図である。
【図４】光ファイバ３の最大入射角θmaxを説明する図である。
【図５】図１に示す構成により被検出物の屈折率Ndetに対する検出光強度の変化を測定した結果を示す図である。
【図６】センサ素子３において被検出物７に接する部分の面積を一定とするための他の方法の例を示す図である。
【図７】異種の光ファイバを接続して構成したセンサ用光ファイバの断面図である。
【図８】光ファイバと異なる部材をセンサ素子に用いたセンサ用光ファイバの断面図である。
【図９】実施の形態３のセンサ用光ファイバの一例を示す断面図である。
【図１０】実施の形態３のセンサ用光ファイバの他の例を示す断面図である。
【図１１】実施の形態３のセンサ用光ファイバのさらに他の例を示す断面図である。
【図１２】実施の形態３のセンサ用光ファイバのさらに他の例を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４による性状検出装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態５による液位検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１  光源、２，４，１０，２４  光ファイバ、２Ａ，３Ａ，４Ａ，１０Ａ  コア、２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ，１０Ｂ  クラッド、２Ａ１，２Ａ２  端部、３，３１  センサ素子、５  光検出器、６，６Ａ  信号処理回路、７  被検出物、７Ａ  表面、８  容器、１３  マスク部、１４  コネクタ、１５  光学素子、１００  屈折率検出装置、１００Ａ  性状検出装置、１００Ｂ  液位検出装置、Ａ  開口部、Ｃ１，Ｃ２  断面、ＦＢ，ＦＢ１，ＦＢ２  センサ用光ファイバ、Ｌ１，Ｌ２，ＬＡ  光、Ｌ３  損失光。
【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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