(57)【要約】【課題】コロイド分散系などの不均一系物質の種々の特性、特に動的特性を簡易かつ正確に評価する。【解決手段】第１の単一波長光及び第２の単一波長光を所定の不均一系物質中に入射させるとともに、前記不均一系物質中で交差させて、前記第１の単一周波数及び前記第２の単一波長光の差周波数で縞が移動する移動干渉縞を形成する。次いで、前記移動干渉縞に対して第３の波長光を入射させて散乱させ、得られた散乱光を検出することにより、前記不均一系物質の特性を評価する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の単一波長光及び第２の単一波長光を所定の不均一系物質中に入射させるとともに、前記不均一系物質中で交差させて、前記不均一系物質中に、前記第１の単一波長光及び前記第２の単一波長光の差周波数で縞が移動する移動干渉縞を形成する工程と、
前記移動干渉縞に対して第３の波長光を入射させて散乱させ、得られた散乱光を検出することにより、前記不均一系物質の特性を評価する工程と、
を具えることを特徴とする、不均一系物質の特性評価方法。
【請求項２】
前記移動干渉縞における縞の移動速度を可変にすることを特徴とする、請求項１に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項３】
前記第１の単一波長光及び前記第２の単一波長光の少なくとも一方の周波数を可変にすることにより、前記移動干渉縞における前記縞の移動速度を可変にすることを特徴とする、請求項２に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項４】
前記第３の波長光の光路を、少なくとも前記移動干渉縞に入射させる直前に、前記第１の波長光の光路及び前記第２の波長光の光路の少なくとも一方と重畳させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項５】
局部発振光を準備し、前記散乱光と重畳させることにより、ビート信号を得、このビート信号から前記不均一系物質の特性を評価することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項６】
前記ビート信号は観測信号としてロックイン検出することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項７】
前記ロックイン検出において、前記第１の波長光、前記第２の波長光、及び前記第３の波長光の少なくとも一つを参照信号として用いることを特徴とする、請求項６に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項８】
前記第１の波長光及び前記第２の波長光は、同一の光源から発せられ、ビームスプリッタで分離して形成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項９】
前記第１の波長光の偏光面と前記第２の波長光の偏光面とは、互いに平行であることを特徴とする、請求項８に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１０】
前記第３の波長光は、前記第１の波長光及び前記第２の波長光の少なくとも一方の光源から発せられ、ビームスプリッタで分離して形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１１】
前記第３の波長光の偏光面は、前記第１の波長光及び前記第２の波長光の偏光面と直交することを特徴とする、請求項１０に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１２】
前記第１の波長光、前記第２の波長光、及び前記第３の波長光は、同一の光源から発することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１３】
前記局部発振光は、前記第１の波長光、前記第２の波長光、及び前記第３の波長光の少なくとも一つから分離して形成することを特徴とする、請求項５〜１２のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１４】
前記不均一系物質はコロイド分散系であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価方法。
【請求項１５】
所定の不均一系物質中に入射させるとともに、前記不均一系物質中で交差させて、前記不均一系物質中に、移動干渉縞を形成するための第１の単一波長光及び第２の単一波長光を出射する第１の光源及び第２の光源と、
前記移動干渉縞に対して入射させて散乱させることにより、散乱光を得るための第３の波長光を出射する第３の光源と、
前記散乱光を検出するための検出器と、
を具えることを特徴とする、不均一系物質の特性評価装置。
【請求項１６】
前記第１の単一波長光及び前記第２の単一波長光の少なくとも一方の周波数を可変にし、前記移動干渉縞における前記縞の移動速度を可変にするための音響光学素子を具えることを特徴とする、請求項１５に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項１７】
前記散乱光と重畳させることにより、ビート信号を得、このビート信号から前記不均一系物質の特性を評価するための局部発振光を出射するための局部発振光光源を具えることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項１８】
前記ビート信号はロックイン検出するためのロックインアンプを具えることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項１９】
前記第１の光源及び前記第２の光源は、同一の光源からなり、前記第１の波長光及び前記第２の波長光を分離形成するための第１のビームスプリッタを具えることを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項２０】
前記第３の光源は、前記第１の光源及び前記第２の光源の少なくとも一方の光源からなり、前記第３の波長光を前記第１の波長光及び前記第２の波長光の少なくとも一方から分離形成するための第２のビームビームスプリッタを具えることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項２１】
前記第１の光源、前記第２の光源、及び前記第３の光源は、同一の光源からなることを特徴とする、請求項２０に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項２２】
前記局部発振光光源は、前記第１の光源、前記第２の光源、及び前記第３の光源の少なくとも一つと共用し、前記局部発振光を、前記第１の波長光、前記第２の波長光、及び前記第３の波長光の少なくとも一つから分離して形成するための波長板を具えることを特徴とする、請求項１７〜２１のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【請求項２３】
前記不均一系物質はコロイド分散系であることを特徴とする、請求項１５〜２２のいずれか一に記載の不均一系物質の特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コロイド分散系などの不均一系物質の特性、特に動的特性を評価するために好適に用いることのできる、不均一系物質の特性評価方法、及び不均一系物質の特性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、さまざまな産業分野で不均一な複合材料が用いられ、その多くは光を強く散乱するため、通常の光散乱法で前記複合材料の特性を評価することは困難である。例えば、コロイド分散系は、インク、顔料、化粧品、食品などのさまざまな分野で利用されており、新規商品の開発や製品の出荷前検査などにおいて、光散乱技術は非接触測定法として不可欠の測定法である。
【０００３】
前記光散乱技術は、所定の光を前記コロイド分散系に入射させ、その散乱光を得ると、前記散乱光には、前記コロイド分散系の粒径や、分散状態、拡散時間などのコロイド情報が重畳され、これらのコロイド情報は前記散乱光の偏光状態、周波数シフト量、及び散乱角度などの物理量の変化として現れるようになる。したがって、前記散乱光の前記物理量を計測することにより、前記コロイド分散系の前述したような特性を評価できるようになる。
【０００４】
このような光散乱技術は、コロイド分散系などの不均一物質の特性、特に拡散係数などの動的特性を簡易かつ正確に評価することができるので、学術面及び産業面などの多方面で実用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば前記コロイド分散系の濃度が増大するようになると、前記コロイド分散系に入射した光は複数回の反射を受けるようになり、散乱回数が増大するにつれて、得られた散乱光には前記コロイド分散系のコロイド情報が重畳されて記録されるようになる。したがって、前記コロイド情報を正確に読み取ることができないという問題があった。
【０００６】
このような多重散乱光と目的とする単一散乱光とを分離して、前記単一散乱光のみを取出すことも考えられるが、前記単一散乱光及び前記多重散乱光は渾然一体的に存在しているため、従来の技術においてはこれらを効率的に分離することができないでいた。
【０００７】
また、前記単一散乱光及び前記多重散乱光を電気的な信号処理において分別し、前記多重散乱光に起因した電気信号のみをノイズとして取り除くことも試みられている。しかしながら、このような電気的信号処理においては、前記単一散乱光及び前記多重散乱光を電気的に識別する手段を付加しなけらばならず、従来の技術においてはほとんど不可能であった。
【０００８】
さらに、波長の異なる２本のレーザを使用し、２色のレーザ光が不均一系物質から散乱される際において、前記２色のレーザ光による単一散乱光同士が相関し、前記２色のレーザ光による多重散乱光同士は相関しないという事実を用いて、前記相関関係に基づいて前記単一散乱光を選別し、前記不均一計物質の特性を評価することが試みられている。しかしながら、このような方法では、前記不均一系物質の並進拡散定数以外の特性を評価することは困難である。
【０００９】
本発明は、コロイド分散系などの不均一系物質の種々の特性、特に動的特性を簡易かつ正確に評価することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
第１の単一波長光及び第２の単一波長光を所定の不均一系物質中に入射させるとともに、前記不均一系物質中で交差させて、前記不均一系物質中に、前記第１の単一波長光及び前記第２の単一波長光の差周波数で縞が移動する移動干渉縞を形成する工程と、
前記移動干渉縞に対して第３の波長光を入射させて散乱させ、得られた散乱光を検出することにより、前記不均一系物質の特性を評価する工程と、
を具えることを特徴とする、不均一系物質の特性評価方法に関する。
【００１１】
本発明によれば、第１の波長光及び第２の波長光を、特性を評価すべき所定の不均一系物質中に入射させるとともに交差させることによって、干渉縞を形成する。そして、前記干渉縞に対して第３の波長光をプローブ光として入射させ、ブラッグ反射させることによって散乱光を得るようにしている。
【００１２】
前記干渉縞においては、前記第１の波長光及び前記第２の波長光の差周波数に応じた速度で縞が移動し、移動干渉縞を構成するようになる。一方、前記不均一系物質を構成する粒子、例えばコロイド分散系のコロイド粒子は、干渉縞内の誘電率とその周囲の誘電率とが異なるので、静電エネルギーを低減させるべく、前記干渉縞の縞に沿って分布するようになる。結果として、前記コロイド粒子も前記縞の移動に伴って移動するようになる。
【００１３】
前記散乱光は、例えばコロイド粒子などが随伴した移動干渉縞で散乱されて形成されるものであるため、前記不均一系物質の情報、例えばコロイド分散系の粒径や、分散状態、拡散時間などのコロイド情報が重畳される。前記コロイド情報は、前記散乱光の物理量の変化に現れるので、前記散乱光の前記物理量を計測することにより、前記コロイド分散系などの前記不均一系物質の並進回転拡散定数、熱拡散定数、音波の音速及び吸収、表面波のダイナミクスなどの動的特性を簡易かつ正確に評価することができるようになる。
【００１４】
なお、前記散乱光は、前述した移動干渉縞から散乱されるものであり、前記移動干渉縞の移動周波数で決定される単一の周波数シフトを受けるものである。したがって、前記不均一系物質から複数の散乱光が生成された場合においても、特定の周波数成分の散乱光のみを検出すれば、上述したような諸情報が記録された目的とする散乱光を簡易に選別することができる。かかる点からも、前記不均一系物質の特性を簡易かつを容易に行うことができるようになる。
【００１５】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記第１の単一波長光及び前記第２の単一波長光の少なくとも一方の周波数を、音響光学素子などを用いることによって変化させ、前記移動干渉縞における縞の移動速度を可変にする。前記移動干渉縞からの散乱光は、前記移動干渉縞の移動周波数によって一義的に決定されるものであるため、前記移動干渉縞の前記縞の移動速度を可変にすることによって、前記移動干渉縞から、不均一系物質の、目的とする情報が重畳された複数の散乱光を得ることができるようになる。
【００１６】
したがって、前記縞の移動速度を連続的に変化させることにより、複数の散乱光を連続的に得ることができ、スペクトルを形成できるようになる。例えば、不均一系物質から所定の複素スペクトルを得ることができれば、この複素スペクトルに対して非線形最小二乗フィッティングなどを施すことにより、前記不均一系物質の目的とする拡散定数などの動的特性を評価できるようになる。
【００１７】
また、本発明の他の好ましい態様においては、所定の局部発振光を用い、前記散乱光と重畳させることによってビート信号を得る。このビート信号はロックインアンプなどを用いることによってロックイン検出できるので、前記散乱光の検出、したがって、前記不均一系物質の動的特性などをより簡易かつ正確に評価できるようになる。
【００１８】
なお、上述したロックイン検出においては、前記第１の単一波長光、前記第２の単一波長光、及び前記第３の単一波長光の少なくとも一つを参照信号として用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の不均一系物質の特性評価装置の一例を示す構成図である。図１に示す装置は、レーザ光源１を有し、レーザ光源１から発せられたレーザ光の一光路に沿って、１／２波長板２、ビームスプリッタ３、１／２波長板４、ビームスプリッタ５、音響光学素子６及び７、及びビームスプリッタ１０が設けられている。また、ビームスプリッタ３から分岐した光路に沿っては、音響光学素子８及び１／２波長板１３が設けられている。また、前記光路上にはコロイド分散系などの不均一系物質が充填されたセル９が配置され、その後方においては、偏光子１１及び１５、並びにフォトダイオード１２及び１６が設けられている。
【００２０】
レーザ光源１から発せられたレーザ光は１／２波長板２に至り、その偏光面が４５度の角度をなすように調整される。次いで、前記レーザ光はビームスプリッタ３に至り、垂直偏光及び水平偏光の２つの光に分離される。前記垂直偏光は第２の単一波長光Ｅ２として音響光学素子８を通過した後、ミラー２１で下方に反射され、１／２波長板１３を通過し、ミラー２５で反射された後、セル９内に導入される。
【００２１】
前記水平偏光は１／２波長板４を通過し、偏光面が４５度回転した後、ビームスプリッタ５に至り、再度垂直偏光及び水平偏光の２つの光の分離される。前記垂直偏光は第１の単一波長光Ｅ１として、音響光学素子７を通過した後、ミラー２４で下方に反射され、セル９内に導入される。前記水平偏光はプローブ光として機能する第３の単一波長光Ｅ３として、音響光学素子６を通過した後、ミラー２３で反射され、ビームスプリッタ１０で第１の単一波長光Ｅ１と重畳され同一の光路を経てセル９内に導入される。
【００２２】
上述した工程において、第１の単一波長光Ｅ１、第２の単一波長光Ｅ２及び第３の単一波長光Ｅ３は、それぞれ音響光学素子６、７及び８内を通過させた後、セル９に導入している。したがって、音響光学素子６〜８にそれぞれ適当な電圧を印加して駆動させるようにすれば、同一のレーザ光源１から得た第１の単一波長光Ｅ１、第２の単一波長光Ｅ２及び第３の単一波長光Ｅ３の周波数をそれぞれ変化させることができる。
【００２３】
本例においては、音響光学素子による変調によって、第１の単一波長光Ｅ１、第２の単一波長光Ｅ２及び第３の単一波長光Ｅ３が、それぞれω１、ω２及びωｐの周波数を有するように変調されたものとする。
【００２４】
第１の単一波長光Ｅ１及び第２の単一波長光Ｅ２は、セル９内に充填された不均一系物質中で交差させる。すると、前記不均一系物質中では干渉縞が形成されるようになるが、その縞は第１の単一波長光Ｅ１及び第２の単一波長光Ｅ２の差周波数ω２−ω１で移動し、移動干渉縞を構成するようになる。このとき、前記不均一系物質を構成する粒子、例えばコロイド分散系のコロイド粒子は、干渉縞内の誘電率とその周囲の誘電率とが異なることにより、静電エネルギーを低減させるべく、前記干渉縞の縞に沿って分布するようになる。結果として、前記コロイド粒子も前記縞の移動に伴って移動するようになる。
【００２５】
一方、第３の単一波長光Ｅ３はプローブ光として、前記移動干渉縞に入射させブラッグ反射させることによって散乱させて、所定の散乱光ＥＲを得る。第３の単一波長光Ｅ３は、ビームスプリッタ１０で第１の単一波長光Ｅ１と重畳させ、光路を一致させているので、散乱光ＥＲは偏光子１１を経た後、フォトダイオード１２内に導入される。第３の単一波長光Ｅ３は周波数ωｐを有するので、散乱光ＥＲは、ω２−ω１＋ωｐの周波数シフトを受けることになる。
【００２６】
また、第２の単一波長光Ｅ２を１／２波長板１３を通過させることにより、波長光Ｅ２に対して偏光面が直交した、水平偏光としての局部発振光ＥＬが形成される。この局部発振光ＥＬはセル９内の不均一系物質内を通過した後、偏光子１１を経て、フォトダイオード１２内に導入される。
【００２７】
フォトダイオード１２内には、ω２−ω１＋ωｐの周波数シフトを受けた散乱光ＥＲ及びω２の周波数を有する局部発振光ＥＬが導入されるので、フォトダイオード１２内では、ωｐ−ω１の固定周波数のビート信号を観測することになる。このビート信号は観測信号としてロックインアンプ１４内に導入される。
【００２８】
一方、第１の単一波長光Ｅ１及び第３の単一波長光Ｅ３はセル９内を通過した後、偏光子１５を経てフォトダイオード１６に導入される。このときに生成されたビート信号は参照信号としてロックインアンプ１４内に導入される。ロックインアンプ１４では、前記参照信号に基づき前記観測信号をロックイン検出する。
【００２９】
散乱光ＥＲは、例えばコロイド粒子などが随伴した移動干渉縞で散乱されて形成されるものであるため、前記不均一系物質の情報、例えばコロイド分散系の粒径や、分散状態、拡散時間などのコロイド情報が重畳される。前記コロイド情報は、散乱光ＥＲの物理量の変化に現れるので、散乱光ＥＲを含む前記ビート信号を観測信号として検出し、得られたデータを解析することにより、前記コロイド分散系などの前記不均一系物質の動的特性を簡易かつ正確に評価することができるようになる。
【００３０】
なお、ビート信号はωｐ−ω１の固定周波数を有するため、動的特性の解析に当っては、この固定周波数を有する信号のみを検出して解析すれば良い。したがって、前記不均一系物質の特性をより簡易かつを容易に行うことができるようになる。
【００３１】
音響光学素子８の変調度合いを可変とすれば、第２の単一波長光Ｅ２の周波数ω２を可変とすることができ、この結果、前記移動干渉縞の縞の移動速度を可変にすることができる。前記移動干渉縞からの散乱光、すなわちビート信号は、前記移動干渉縞の移動周波数によって一義的に決定されるものであるため、前記移動干渉縞の前記縞の移動速度を可変にすることによって、前記移動干渉縞からは縞の移動速度それぞれに応じて散乱光、すなわちビート信号が得られるようになる。
【００３２】
したがって、音響光学素子８により、第２の単一波長光Ｅ２の周波数ω２を連続的に変化させれば、上述したようなロックイン検出を行うことにより、散乱光を含むビート信号出力のスペクトルを得ることができ、このスペクトルを基に前記不均一系物質の特性評価を行うことができるようになる。
【００３３】
なお、音響光学素子８の変調度合い制御は、シンセサイザ１７を介して行う。シンセサイザ１７は、ロックインアンプ１４及び計算機１８と接続されており、得られたビート出力信号と同期させて変調度合いを制御するように構成されている。
【００３４】
図２は、粒径０．１μｍのコロイド粒子が濃度０．１％で分散したコロイド分散系に対して、第１の単一波長光Ｅ１及び第２の単一波長光Ｅ２を角度１７０度で交差させて得たビート信号出力の、第２の単一波長光Ｅ２の周波数ω２を変化させて得た複素スペクトルである。このような複素スペクトルに対して非線形最小二乗フィッティングを施すことにより、スペクトルの半値半幅（今の場合８０７Ｈｚ）を求めることができ、コロイド粒子の拡散係数が得られる。
【００３５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３６】
例えば、上記具体例では、第１の単一波長光Ｅ１、第２の単一波長光Ｅ２及び第３の単一波長光Ｅ３を単一のレーザ光源からビームスプリッタにより分離して形成しているが、各波長光毎にレーザ光源を設けることもできる。また、２つの波長光のみを同一のレーザ光源から出射させるようにすることもできる。
【００３７】
さらに、局部発振光ＥＬについても、第２の単一波長光Ｅ２から分離して形成しているが、別途独立な光源を用いることもできる。また、音響光学素子８の代わりに音響光学素子７の変調度合いを可変とすることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コロイド分散系などの不均一系物質の種々の特性、特に動的特性を簡易かつ正確に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の不均一系物質の特性評価装置の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の方法によって得た、ビート信号出力の複素スペクトルの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  レーザ光源
２、４、１３  １／２波長板
３、５、１０  ビームスプリッタ
６、７、８  音響光学素子
９  セル
１１、１５  偏光子
１２、１６  フォトダイオード
１４  ロックインアンプ
１７  シンセサイザ
１８  計算機
【図１】
2004347337.tif 000003
【図２】
2004347337.tif 000004