(57)【要約】【課題】  光ファイバー先端に液体の被測定物を微量付着させて、被測定物の表面張力、粘性、密度に限らず種々の物性、その変化を測定することが可能な計測方法と装置。【解決手段】  光源１と、マイケルソン干渉計と、そのマイケルソン干渉計の信号アーム中に配置された光ファイバー２０と、マイケルソン干渉計による干渉信号を検出する干渉信号検出手段１５、１６、１７と、検出された干渉信号から光ファイバーの先端に付着した液体試料Ｓの表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求める干渉信号解析手段１８とを備えてなる被測定物Ｓの物性を測定する計測装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光干渉計の信号アームの光路中に配置された光ファイバーの先端に液体試料を付着させ、その液体試料の表面から反射された信号光と参照光を干渉させて得られた干渉信号から、液体試料の表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求めることにより、液体試料の物性を測定することを特徴とする光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項２】
液体試料の表面の振動が液体の表面の熱励起による熱振動であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項３】
液体試料の表面の振動又は変形が外部から加えた力に基づくものであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項４】
外部から加えた力が、信号アームの光路途中から信号アームの光路中に導入した励起光に基づくものであることを特徴とする請求項３記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項５】
外部から加えた力が、磁場、電場又は重力による力であることを特徴とする請求項３記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項６】
光干渉計の干渉信号を差動検出により求めることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法。
【請求項７】
光源と、光干渉計と、その光干渉計の信号アーム中に配置された光ファイバーと、光干渉計による干渉信号を検出する干渉信号検出手段と、検出された干渉信号から光ファイバーの先端に付着した液体試料の表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求める干渉信号解析手段とを備えてなることを特徴とする光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置。
【請求項８】
信号アームの光路途中に前記液体試料を励起する光を導入する光導入手段が配置されていることを特徴とする請求項７記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置。
【請求項９】
少なくとも、光源から光干渉計の参照アーム先端の参照鏡に至る光路と、光源から光干渉計の信号アーム中の光ファイバーに至る光路とが光ファイバーにより接続されてなることを特徴とする請求項７又は８記載の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法及び計測装置に関し、特に、微少量の液体試料でリプロンを利用した表面張力、粘性、密度等の物性が測定可能な計測方法及び計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体表面のリプロン（ripplon ）と呼ばれる熱振動は、液体の表面に熱励起によって生じる振幅が数Åのさざ波である。液体の持つ表面張力と密度によってリプロンの分散関係（振動数と波長の関係）が決まり、粘性は振幅やコヒーレンス（波の位相が揃ったまま伝搬する距離、一度生じた波がどのくらいの時間で消滅するか）に影響を与える。そのため、リプロンを調べることにより、液体の表面張力、密度、粘性が求まる（非特許文献１）。
【０００３】
液体表面に熱励起に起源を持つ波が作られる可能性があることは非特許文献２で最初に予想され、非特許文献３で実験的に観察された。現在では、リプロンを進行回折格子として利用した光散乱法により観測されている。リプロンによる回折光は伝搬方向のみでなく振動数も変化し、リプロンの分散関係を求めるとができる。
【０００４】
この光散乱法には、液体表面にレーザー光を照射して反射光を分析する方法（非特許文献４、５）と、屈折光を分析する方法（非特許文献６）とがある。反射光を分析する方法は、感度が高いけれど、重力の向きや測定環境の振動に影響されやすいという欠点がある。また、屈折光を分析する方法は、感度は低下するが、測定環境の振動に影響され難くなる。
【０００５】
これに対して、マイケルソン干渉計を用いる方法は高感度であるが、リプロンの観測には用いられない。マイケルソン干渉計は、液体表面上の一点の変位を計測するのみなので、リプロンの空間伝搬に関する情報を取得できない。このため、分散関係を求めるとができない。
【非特許文献１】「表面科学」Vol.21,No.10,pp.623-629,2000
【非特許文献２】Ann.Physik 25,225(1908)
【非特許文献３】Ann.Physik 41,609(1913)
【非特許文献４】Phys.Rev.Lett.19,64(1967)
【非特許文献５】Rev.Sci.Instrum.55(1984)716
【非特許文献６】Rev.Sci.Instrum.62(1991)1192
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなさたものであり、その目的は、光ファイバー先端に液体の被測定物を微量付着させて、被測定物の表面張力、粘性、密度に限らず種々の物性、その変化を測定することが可能な計測方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法は、マイケルソン干渉計等の光干渉計の信号アームの光路中に配置された光ファイバーの先端に液体試料を付着させ、その液体試料の表面から反射された信号光と参照光を干渉させて得られた干渉信号から、液体試料の表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求めることにより、液体試料の物性を測定することを特徴とする方法である。
【０００８】
ここで、液体試料には、ゲル状の試料、ゴム状の試料も含むものである。
【０００９】
この場合、液体試料の表面の振動は液体の表面の熱励起による熱振動であってもよい。
【００１０】
また、液体試料の表面の振動又は変形が外部から加えた力に基づくものであってもよい。
【００１１】
その場合の外部から加えた力は、信号アームの光路途中から信号アームの光路中に導入した励起光に基づくものであってもよく、あるいは、磁場、電場又は重力による力であってもよい。
【００１２】
また、光干渉計の干渉信号はは差動検出により求めることが望ましい。
【００１３】
本発明の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置は、光源と、光干渉計と、その光干渉計の信号アーム中に配置された光ファイバーと、光干渉計による干渉信号を検出する干渉信号検出手段と、検出された干渉信号から光ファイバーの先端に付着した液体試料の表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求める干渉信号解析手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
その場合に、信号アームの光路途中に液体試料を励起する光を導入する光導入手段を配置するようにしてもよい。
【００１５】
また、少なくとも、光源から光干渉計の参照アーム先端の参照鏡に至る光路と、光源から光干渉計の信号アーム中の光ファイバーに至る光路とが光ファイバーにより接続されてなるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法及び計測装置によると、マイケルソン干渉計等の光干渉計の信号アームの光路中に配置された光ファイバーの先端に液体試料を付着させ、その液体試料の表面から反射された信号光と参照光を干渉させて得られた干渉信号から、液体試料の表面の振動状態とその振幅、又は、変形量を求めることにより、液体試料の物性を測定するので、少量の試料でその物性を測定することができる。また、液体試料は分子間力で強く光ファイバー先端に付着するので、計測環境の振動や重力に影響されず、いかなる場所でも安定に測定が可能である。また、切断した光ファイバー先端へ液体試料を付着させるだけなので、価格も安く簡単に測定可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測方法及び計測装置の基本原理は、光ファイバー先端に液体試料の液滴を付着させ、マイケルソン干渉計を用いてその液滴表面の変位、振動を直接観測することにより、液体試料の表面張力、粘性、密度、分光特性、磁気電気的特性等の物性及びその変化を測定することを可能とするものである。
【００１８】
まず、光ファイバー先端に付着させた液体試料のリプロンのリプロンスペクトルを求める実施例から説明する。図１はそのための計測装置の概略図である。この装置において、光源１からの単波長光は、アイソレータ２、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）３、ファラデー旋光器４、２分の１波長板５を順に経て、マイケルソン干渉計の無偏光ビームスプリッター（ＮＰＢＳ）６に達し、参照アームに入力する反射光成分と信号アームへの透過光成分とに２分される。ＮＰＢＳ６で反射された参照光は参照鏡８に入射して反転して再びＮＰＢＳ６に戻る。この参照鏡８の裏面には圧電素子のＰＺＴ（piezoelectric transducer）９が配置され、それへの印加電圧を調節することで、参照アームの長さが調節できるようになっている。ＮＰＢＳ６を透過した光は２分の１波長板１０を経てその偏光面が調整され、レンズ１１で集光されて、偏光面保存光ファイバーからなる光ファイバー２０の後端２１からその中に入射し、その先端２２に達する。光ファイバー２０の先端２２は例えば軸に垂直な平面にカットされていて液体試料Ｓに親和的になっており、液体試料Ｓが表面張力により略半球状に付着している。光ファイバー２０の先端２２から液体試料Ｓ中に達した光はその表面で反射されて光ファイバー２０中を戻り、レンズ１１、２分の１波長板１０を経て再びＮＰＢＳ６に戻る。なお、光ファイバー２０の後端２１は、不要な干渉を防ぐために軸に対して斜めにカットされている。
【００１９】
ＮＰＢＳ６を２分の１波長板５側へ透過した信号光とＮＰＢＳ６で反射した信号光との間には１８０°の位相差があり、２分の１波長板５側へ戻る信号光と参照光は、２分の１波長板５とファラデー旋光器４を逆に進行してＰＢＳ３で今度は反射されて光検出器１５に入射し、第１の干渉信号が得られる。ＮＰＢＳ６で反射した信号光と参照光は、別の光検出器１６に入射して第２の干渉信号が得られる。第１の干渉信号と第２の干渉信号は相互に位相が反転した信号となっており、差動検出器１７で両信号の差動検出をすることにより、信号強度を２倍にすると共に、光源１からの光の振幅雑音を相殺している。差動検出器１７の出力は、図示しないアナログ・デジタル変換器を経て、コンピュータ１８に取り込み、そこでフーリエ変換をして、スペクトラムを求める。
【００２０】
このような構成において、具体的に求めたリプロンスペクトルを図２と図３に示す。測定条件は、光源１として波長７８０ｎｍ、出力２６ｍＷの安定化ダイオードレーザを用い、ＰＺＴ９への印加電圧は１秒の時間定数の負帰還によりゆっくりと制御され、マイケルソン干渉計は常に最大感度の状態にされた。光ファイバー２０は、直径が８０μｍ（図２）及び１２５μｍ（図３）のものであり、長さは１５０ｍｍであった。アナログ・デジタル変換器は１６ｂｉｔ  ２Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓであった。また、１回の計測時間は２秒であった。図２と図３のスペクトラムの強度は、マイケルソン干渉計の１フリンジが１／２波長であること、計測している信号（リプロン）はランダムなノイズであるので、解像バンド幅のルートに比例することを用いて、ｐｍ／√Ｈｚ単位で表してある。光ファイバー２０の先端２２に付着させる液体試料Ｓとして、エタノール（Ｅｔｈａｎｏｌ）、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）、水（Ｗａｔｅｒ）を用い、温度は室温（１８℃）であった。光ファイバー２０の先端２２から十分な量の反射光を得るためには、液体を均一に付着させる必要がある。エタノール、メタノールでは、特別な注意を払わなくても均一に付着した。水を付着させる前に、光ファイバー２０を純水中で超音波洗浄し、汚れを取り除いた。このようにしないと、光ファイバー２０が水を部分的にはじくため、液滴表面が歪み、反射光がほとんどなくなる。また、光ファイバー先端２２からの液体試料Ｓの蒸発を防ぐため、密閉容器中で測定した。光ファイバー端面２２を重力に対して、垂直及び水平で測定したが、検知できるような違いはなかった。
【００２１】
それぞれのグラフの第１ピーク値は、液体試料Ｓの略半球状の表面にできる光ファイバー２０の直径程度の波長の定在波（半球の表面の弧の長さはその直径の約１．５倍であり、観測されるリプロンの振動はその弧上で１．５×波長のものである。）によるものである。
【００２２】
リプロンにおいて、その液体の密度をρ、粘性をη、表面張力をσとし、リプロンの周波数をｆ、波長をλ、減衰係数をΓとすると、以下の関係にあることが知られている。
【００２３】
η＝Γρλ2 ／（８π2 ）                                      ・・・（１）
σ＝ρｆ2 λ3 ／（２π）                                      ・・・（２）
ここで、Γは図２、図３の定在波のピークの半値幅に比例する値であり、ｆはその周波数、λは光ファイバー２０の直径としてよく、液体試料Ｓの密度ρが分かれば、その粘性η、表面張力σを求めることができる。
【００２４】
図２、図３の結果を用いて実際に求めたエタノール、メタノール、水の粘性ηと表面張力σは実際の値と非常に良い一致をみており、本発明により、極めて微量（１０-7ｃｍ3 ）の液体で計測が可能であり、かつ、分子間力で液体が強く光ファイバーに付着しているため、計測環境の振動にほとんど影響されない計測が可能であることが分かる。
【００２５】
図１は、熱振動によって液体試料Ｓの表面に生じるリプロンの周波数と振幅を測定することにより、液体試料Ｓの表面張力、粘性、密度の中の２つの物性を求めるものであったが、熱振動によらず外部からの強制振動によってもこれらの物性を求めることができる。その場合の計測装置の概略を図４に示す。この装置は、図１の装置に対して、ＮＰＢＳ６と２分の１波長板１０の間の信号アーム中に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２７を挿入して、測定光光路外から周期電源２６により一定周期でパルス発振する励起用レーザ２５から出た繰り返しレーザ光をＰＢＳ２７で反射させて測定光と合成させ、その合成光を２分の１波長板１０とレンズ１１を経て光ファイバー２０の後端２１から導入し、励起用レーザ２５からの繰り返しレーザ光の熱や光の圧力により強制的に光ファイバー２０の先端２２に付着されている液体試料Ｓの表面を振動させるようにしたものである。
【００２６】
なお、励起用レーザ２５からのレーザ光は、周期的なパルス発振でなくてもよい。例えば疑似ランダム系列によって発振強度を変調してもよい。
【００２７】
この場合に、この液体試料Ｓの表面の振幅や位相、さらに、励起光を遮断した後の液体表面の振動の様子を計測することにより、液体試料Ｓの持つ表面張力、粘性、密度等を測定することができる。
【００２８】
さらには、図４の励起用レーザ２５として、レーザ光の波長を連続的に変えることのできる波長可変レーザを用いて液体試料Ｓを照射するようにすると、液体試料Ｓの吸収率に応じて液体試料Ｓが変形するので、この変形を差動検出器１７からの出力信号により検出することにより、液体試料Ｓの分光吸収率を計測することができる。従来の光音響分光法（photo-acoustic spectroscopy ）では、試料にレーザー光を照射し、試料がレーザー光を吸収することで急激に熱膨張し、生じた弾性波をマイクロフォンやマイケルソン干渉計で検出していたが、本発明のこの方法によると、微少量の液体の表面振動を検出するので、弾性エネルギーの損失が少なく、高感度計測が可能となる。
【００２９】
ところで、以上の本発明の計測装置は、液体試料Ｓを付着させる部分のみに光ファイバーを用いていたが、全ての光路を光ファイバー化して振動や熱等の測定環境の影響を受けないように構成することができる。その例を図５と図６に示す。
【００３０】
図５は、図１、図４のような差動検出を行わない構成であり、レーザからなる光源１からの単波長光は、光ファイバー３１によりアイソレータ２へ接続され、アイソレータ２を通った光は光ファイバー３３を経て光ファイバーカプラ３４に接続される。光ファイバーカプラ３４は、２本の並列した光ファイバー同士のコアを融合させたような構成からなり、４つのポートの中１つのポートから入力された光を対向する２つのポートへ均等に別けて出力し、反対に対向する２つのポートから入力された光をそれらに対向する２つのポートへ均等に別けて出力するものであり、光ファイバー３３を経て光ファイバーカプラ３４に入力した光は対向する光ファイバー３５と３７に均等に分割される。光ファイバー３５は参照アームを構成していて、その出力端に反射コート３６が施されており、光ファイバー３５に入力した参照光は反射コート３６で反射されて光ファイバー３５を反対に経て再び光ファイバーカプラ３４に戻る。一方、光ファイバー３７は信号アームを構成していて、そのその出力端は、図１、図４と同様に例えば軸に垂直な平面にカットされていて、液体試料Ｓに親和的になっており、液体試料Ｓが表面張力により略半球状に付着している。光ファイバー３７から液体試料Ｓ中に達した光はその表面で反射されて光ファイバー３７を反対に経て再び光ファイバーカプラ３４に戻る。光ファイバーカプラ３４に戻った信号光と参照光は、光ファイバーカプラ３４のさらに別のポートを構成する光ファイバー３８に入り、その出力端に接続された光検出器１６に入射して干渉信号を出力する。したがって、図１、図４と同様にして、リプロンスペクトルを求めることができる。
【００３１】
図６は、図１、図４と同様の差動検出を行う構成であり、レーザからなる光源１からの単波長光は、光ファイバー３１によりアイソレータ２へ接続され、アイソレータ２を通った光は光ファイバー３９を経て方向性結合器３２に接続される。方向性結合器３２は、図１、図４の場合と同様に、ＰＢＳ３とファラデー旋光器４と２分の１波長板５とでなるものでもよいが、より固体化、一体化するには、光導波路型あるいは光ファイバー型の方向性結合器を用いることが好ましい。方向性結合器３２を経た光は、図５と同様に、光ファイバー３３を経て光ファイバーカプラ３４に接続され、その光ファイバーカプラ３４で対向する光ファイバー３５と３７に均等に分割される。参照アームの光ファイバー３５に入力した参照光はその出力端の反射コート３６で反射されて光ファイバー３５を反対に経て再び光ファイバーカプラ３４に戻る。一方、信号アームの光ファイバー３７から液体試料Ｓ中に達した光はその表面で反射されて光ファイバー３７を反対に経て再び光ファイバーカプラ３４に戻る。光ファイバーカプラ３４に戻った信号光と参照光は、光ファイバーカプラ３４の対向する２つのポートを構成する光ファイバー３３と３８に均等に分けられ、光ファイバー３８を経た信号光と参照光はその出力端に接続された光検出器１６に入射して第２の干渉信号を出力する。また、光ファイバー３３を経た信号光と参照光は方向性結合器３２を経て別のポートを構成する光ファイバー４０に入り、その出力端に接続された光検出器１５に入射して第１の干渉信号を出力する。第１の干渉信号と第２の干渉信号は相互に位相が反転した信号となっており、差動検出器１７で両信号の差動検出をすることにより、信号強度を２倍にすると共に、光源１からの光の振幅雑音を相殺している。差動検出器１７の出力は、図示しないアナログ・デジタル変換器を経て、コンピュータ１８に取り込まれ、そこでフーリエ変換されてスペクトラムが求められる。
【００３２】
なお、図５、図６の構成においても、光ファイバー３７の途中から励起レーザ光を測定光と合成するようにして、光ファイバー３７の先端に付着した液体試料Ｓの表面を強制的に振動させるようにして、その表面張力、粘性、密度等を測定したり、液体試料Ｓの分光吸収率を測定するようにすることができる。
【００３３】
ところで、図１、図４〜図６のような構成において、光ファイバー２０、３７の先端に付着させた液体試料Ｓに酵素や抗体等を加える前後の物性を測定して、あるいは、その反対に光ファイバー２０、３７の先端に酵素や抗体等を付着させてから未知の溶液に浸すことにより、様々な分子やタンパク質、抗原のみを選択的に検出することができる。
【００３４】
さらに、光ファイバー２０、３７の先端に付着させた液体試料Ｓに磁場、電場あるいは重力を加えた場合の変形を測定することにより、液体試料Ｓの磁気的特性、電気的特性あるいは密度を測定することもできる。
【００３５】
さらに、リプロンスペクトルの微細な変化を検出することで、化学反応の有無や液体試料に作用した力等を検出することができる。
【００３６】
また、光ファイバー先端を特殊な形状に加工することで、様々な測定が可能になる。光ファイバー先端に凹みや穴を開ければ、垂直に切断しただけでは十分に付着しない試料を付着させることができる。また、光ファイバー先端を斜めに切断すれば、ファイバー端面からの不要な反射を抑えてさらなる高精度計測が可能になる。
【００３７】
さらに、光ファイバー先端を特殊な状態に加工することで、様々な測定が可能になる。例えば、光ファイバー先端を親水性に加工すれば、水性の物質のみを選択的に付着させることができる。同様に親油性に加工すれば、油性の物質のみ選択的に付着させることができる。
【００３８】
また、従来の分光器は、研磨した石英ガラスセルへ試料を入れていたが、本発明においては、切断した光ファイバー先端へ試料を付着させるだけなので、価格も安く簡単である。また、光ファイバーの先端が汚れたり劣化したら、その先端を切断して新しい面を出すだけでよいので、経済的である。
【００３９】
なお、本発明において用いる光干渉計としては、マイケルソン干渉計に限定されず、信号光光路と参照光光路を分離合成する光干渉計であれば、他のタイプの干渉計も用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に基づく光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置の１実施例の概略図である。
【図２】図１の計測装置を用いて具体的に求めたリプロンスペクトルの１例を示す図である。
【図３】図１の計測装置を用いて具体的に求めたリプロンスペクトルの別の例を示す図である。
【図４】本発明に基づく光ファイバー先端に被測定物を付着させて被測定物の物性を測定する計測装置の別の実施例の概略図である。
【図５】全ての光路を光ファイバー化した１つの実施例の概略図である。
【図６】全ての光路を光ファイバー化した別の実施例の概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ…液体試料
１…光源
２…アイソレータ
３…偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
４…ファラデー旋光器
５…２分の１波長板
６…無偏光ビームスプリッター（ＮＰＢＳ）
８…参照鏡
９…ＰＺＴ
１０…２分の１波長板
１１…レンズ
１５…光検出器
１６…光検出器
１７…差動検出器
１８…コンピュータ
２０…光ファイバー
２１…光ファイバーの後端
２２…光ファイバーの先端
２５…励起用レーザ
２６…周期電源
２７…偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
３１、３３、３５、３７、３８、３９、４０…光ファイバー
３２…方向性結合器
３４…光ファイバーカプラ
３６…反射コート
【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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