(57)【要約】      （修正有）【課題】測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法を提供する。【解決手段】測定装置１は、光源モジュール１００と、流路２０内の試料溶液中に浸漬されて励起光及びプローブ光を試料溶液に集光照射するプローブ５０とを備える。プローブ５０は、励起光及びプローブ光を導く光ファイバー１０３と、導かれた励起光及びプローブ光をを集光レンズ４０と、集光レンズ４０の底面と対面するように平行に配置されたミラー４１とを備える。試料溶液に集光照射された励起光は試料溶液中に熱レンズ形成し、該熱レンズを透過したプローブ光はミラー４１により反射され、検出器５４はこの反射したプローブ光を検出する。【選択図】図１
2005221257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射手段と、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射手段と、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出手段と、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は／及び前記流速を測定する測定手段とを備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記プローブ光反射手段は、前記照射された励起光の前記熱レンズによって形成された焦点近傍に配されることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を当該プローブ光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
【請求項４】
前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記検出手段は、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記反射光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
【請求項５】
前記反射手段は、前記照射された励起光の反射を抑止する励起光反射抑止手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記照射された励起光及び前記照射されたプローブ光を前記液体の方向に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置用プローブであって、前記流路内液体に励起光を導いて該液体に熱レンズを形成する励起光導光路と、前記形成された熱レンズにプローブ光を導くプローブ光導光路と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させる反射手段と、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路とを備えることを特徴とするプローブ。
【請求項８】
前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路は、１本の共通する第１の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第１の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする請求項７記載のプローブ。
【請求項９】
前記励起光導光路及び前記プローブ光導光路は１本の共通する第１の光ファイバーからなり、前記反射光導光路は第２の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第２の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする請求項７記載のプローブ。
【請求項１０】
さらに、前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路を支持するフェルールと、前記励起光導光路により導かれた励起光及び前記プローブ光導光路により導かれたプローブ光並びに前記反射されたプローブ光を集光するロッドレンズと、前記フェルール及び前記ロッドレンズを固定的に支持する固定支持体とを備えることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１１】
前記プローブ光導波路は、シングルモードで前記プローブ光を導光することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１２】
流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定方法において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射ステップと、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射ステップと、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出ステップと、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は／及び前記流速を測定する測定ステップとを有することを特徴とする流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法に関し、特に流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する従来の測定装置８００（例えば、特許文献１参照）は、図１３に示すように、後述する流路付き板状部材８１０内に形成された流路８１１中の試料溶液に、励起光とプローブ光（probe light）とを合波器８１５で合流させて照射する照射部８０１と、流路付き板状部材８１０を通過した励起光及びプローブ光を受光する受光部８０２とから成る。受光部８０２の位置は、照射部８０１からのプローブ光を確実に受光することができるように設定されている。照射部８０１には、ロッドレンズ８１７と、ロッドレンズ８１７に接続された光ファイバー８１６とからなるプローブ８５０が設けられており、また、受光部８０２には、プローブ８５０の対面に載置されたピンホール付きフォトダイオード（Photo Diode）からなる光電変換器８２１が設けられている。
【０００３】
流格付き板状部材８１０は、３層に順に接着された３つの基板から成り、内部に形成される流路８１１は、試料溶液の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。
【０００４】
測定装置８００は、励起光用光源８１２からの励起光を流路付き板状部材８１０の流路８１１に照射し、励起光の焦点を流路８１１中に位置させてそこに熱レンズを形成し、熱レンズを通過したプローブ光用光源８１３からのプローブ光を選択的に濾波して、光電変換器８２１によりピンホール透過光として受光し、これを検出信号に変換してコンピューター８２３により解析する。
【０００５】
コンピューター８２３は、励起光用光源８１２の電源のオン／オフを変調する変調器８１４に接続されており、信号強度差の値などから試料溶液の流速や、試料溶液中の溶質の濃度の計算を行う。
【特許文献１】特開２０００−３５６６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、測定装置８００では、プローブ８５０と光電変換器８２１との位置関係を正確に維持する必要があるので、測定位置を変更するのが困難であり、操作性が悪い。
【０００７】
また、測定装置８００では、プローブ８５０と光電変換器８２１との狭い間隔にある流路８１１内に試料溶液を入れる必要がある。即ち、流路８１１がプローブ８５０と光電変換器８２１との狭い間隔に納まらない場合、例えば深い容器である場合には、プローブ８５０及び／又は光電変換器８２１を試料溶液に浸漬する必要がある。しかしながら、光電変換器８２１は電子機器であるので光電変換器８２１に防水処理を施すのが困難であるので、流路８１１が深い試料容器である場合には、試料溶液の流速や試料溶液中の溶質の濃度の測定が困難であり、操作性が悪い。さらには、試料溶液が引火性物質を含有するときは、光電変換器８２１は電子機器であるので、光電変換器８２１を含む検出部を試料溶液に浸漬して試料溶液の溶質濃度又は／及び流速を測定することができない。
【０００８】
本発明の第１の目的は、測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、深い容器内にある液体であっても液体の溶質濃度又は／及び流速を測定することができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第３の目的は、引火性物質を含有する液体であっても検出部を液体に浸漬して液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定することができる測定装置及び該測定装置用プローブ、並びに流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記第１乃至第３の目的を達成するために、請求項１記載の測定装置は、流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射手段と、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射手段と、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出手段と、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は／及び前記流速を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の測定装置は、請求項１記載の測定装置において、前記プローブ光反射手段は、前記照射された励起光の前記熱レンズによって形成された焦点近傍に配されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の測定装置は、請求項１又は２記載の測定装置において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を当該プローブ光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の測定装置は、請求項１又は２記載の測定装置において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を前記形成された熱レンズに導くプローブ光導光路を備え、前記検出手段は、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路を備え、前記プローブ光反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記反射光導光路に向かって反射させるように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の測定装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定装置において、前記反射手段は、前記照射された励起光の反射を抑止する励起光反射抑止手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置において、前記照射された励起光及び前記照射されたプローブ光を前記液体の方向に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする。
【００１７】
上記第１乃至第３の目的を達成するために、請求項７記載のプローブは、流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定装置用プローブであって、前記流路内液体に励起光を導いて該液体に熱レンズを形成する励起光導光路と、前記形成された熱レンズにプローブ光を導くプローブ光導光路と、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させる反射手段と、前記反射されたプローブ光を導く反射光導光路とを備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載のプローブは、請求項７記載のプローブにおいて、前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路は、１本の共通する第１の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第１の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする。
【００１９】
請求項９記載のプローブは、請求項７記載のプローブにおいて、前記励起光導光路及び前記プローブ光導光路は１本の共通する第１の光ファイバーからなり、前記反射光導光路は第２の光ファイバーからなり、前記反射手段は、前記プローブ光導光路から照射されたプローブ光を前記第２の光ファイバーに向かって反射させるように構成された反射ミラーからなることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０記載のプローブは、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のプローブにおいて、さらに、前記励起光導光路、前記プローブ光導光路、及び前記反射光導光路を支持するフェルールと、前記励起光導光路により導かれた励起光及び前記プローブ光導光路により導かれたプローブ光並びに前記反射されたプローブ光を集光するロッドレンズと、前記フェルール及び前記ロッドレンズを固定的に支持する固定支持体とを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１記載のプローブは、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のプローブにおいて、前記プローブ光導波路は、シングルモードで前記プローブ光を導光することを特徴とする。
【００２２】
上記第１乃至第３の目的を達成するために、請求項１２記載の流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法は、流路内液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定する測定方法において、前記流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成する励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズにプローブ光を照射するプローブ光照射ステップと、前記熱レンズを透過したプローブ光を前記液体中で反射させるプローブ光反射ステップと、前記反射されたプローブ光を前記液体の外部で検出する検出ステップと、前記検出されたプローブ光に基づいて前記溶質濃度又は／及び前記流速を測定する測定ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１記載の測定装置、請求項７記載の測定装置用プローブ、又は請求項１２記載の流路内液体の溶質濃度又は／及び流速の測定方法によれば、流路内液体に励起光を照射して該液体に熱レンズを形成し、形成された熱レンズにプローブ光を照射し、熱レンズを透過したプローブ光を液体中で反射させ、反射されたプローブ光を液体の外部で検出し、検出されたプローブ光に基づいて溶質濃度又は／及び前記流速を測定するので、測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができると共に、引火性物質を含有する液体であっても検出部を液体に浸漬して液体の溶質濃度又は／及び流速を熱レンズを用いて測定することができる。さらには、深い容器内にある液体であっても液体の溶質濃度又は／及び流速を測定することができる。
【００２４】
請求項２記載の測定装置によれば、照射された励起光の焦点近傍において熱レンズを透過したプローブ光を液体中で反射させるので、測定装置の検出感度を向上させることができる。
【００２５】
請求項３記載の測定装置、又は請求項８記載のプローブによれば、照射されたプローブ光を形成された熱レンズに導くプローブ光導光路に向かって、照射されたプローブ光を反射させるので、プローブ光の導光路を照射光と反射光とで共有することができ、測定装置の構成を簡略化することができる。
【００２６】
請求項４記載の測定装置、又は請求項９記載のプローブによれば、プローブ光導光路から照射されたプローブ光を反射光導光路に向かって反射させるので、プローブ光導光路と反射光導光路とを別々に設けることができ、測定装置内におけるプローブ光導光路や反射光導光路の配置の自由度を向上させることができる。
【００２７】
請求項５記載の測定装置によれば、照射された励起光の反射を抑止するので、プローブ光の検出に際してノイズ成分になる励起光の反射光を検出することを確実に防止することができ、測定装置の測定精度を向上させることができる。
【００２８】
請求項６記載の測定装置によれば、照射された励起光及び照射されたプローブ光を液体の方向に集光照射するので、測定装置の検出感度を向上させることができる。
【００２９】
請求項１１記載のプローブによれば、シングルモードでプローブ光が導光されるので、測定装置の再現性を向上させて測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【００３２】
図１において、測定装置１は、コネクタ５９ａを備える光源モジュール１００と、試料溶液内に浸漬されて励起光及びプローブ光を流路２０内の試料溶液（不図示）に集光する図２で詳述するレンズ付き光ファイバー（以下「プローブ」という。）５０と、信号処理部６０とを備える。プローブ５０は、光源モジュール１００と着脱可能に接続するためのコネクタ５９ｂを備える。流路２０は、その内部の試料溶液にプローブ５０が浸漬可能なように、その上面が部分的に又は全体的に開口されている。
【００３３】
光源モジュール１００は、励起光を出射する励起光用光源５３と、励起光用光源５３の電源を変調する変調回路１１０と、プローブ光を出射するプローブ光用光源５１と、励起光用光源５３からの励起光とプローブ光用光源５１からのプローブ光を合波する合分波器５５と、試料溶液を透過したプローブ光を光源５１からのプローブ光から分波する合分波器５６と、このプローブ光を受光するフォトダイオードなどの光センサから成る検出器５４と、プローブ５０との脱着を可能にするコネクタ５９ａと、合分波器５６及びプローブ光用光源５１間において、プローブ５０側から入射する光の損失が３０ｄＢ以上であるアイソレーター５２とを備える。アイソレーター５２は、光の偏光作用により光の透過を阻止するものである。
【００３４】
合分波器５６としては、融着型カプラー、サーキュレーター、タップフィルターを用いたフィルターモジュール等を用いることができる。また、合分波器５５としては、エッジフィルター、バンドパスフィルターを用いたフィルターモジュールを用いることができる。
【００３５】
また、光源モジュール１００は、励起光用光源５３及び合分波器５５を接続する光ファイバ１０６と、コネクタ５９ａ、及び合分波器５５を接続する光ファイバ１０７と、検出器５４及び合分波器５６を接続する光ファイバ１０８と、プローブ光用光源５１、アイソレーター５２、及び合分波器５６を接続する光ファイバ１０９とを備える。このように、光源モジュール１００は、光ファイバー１０６〜１０９を励起光及び／又はプローブ光を伝送するために用いるので、光源モジュール１００を簡潔化、小型化することができる。また、光ファイバー１０７及び後述する光ファイバー１０３において、励起光及びプローブ光の光路は同一の経路であるので、励起光及びプローブ光の光軸合わせを不要にすることができる。また、光ファイバー１０３，１０７は、シングルモードで励起光を導く。シングル光ファイバーとすることによって光強度の分布が安定し、よって測定装置１は再現性の高い高精度の測定が可能となる。したがって、励起光の焦点の大きさを小さくすることができ、励起光によって形成された熱レンズを小型のレンズにすることができ、もって測定装置１の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
変調回路１１０は、ｌ００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の変調を励起光用光源５３に対して行う。これによりプローブ光の検出感度を確実に向上させることができる。
【００３７】
好ましくは、光ファイバー１０８の端部には、励起光の波長以上で且つプローブ光の波長よりも短い波長の光をカットオフするエッジフィルター（不図示）が設けられている。これにより、検出器５４に励起光が入射することを確実に防止することができ、もって、測定装置１の検出感度をより向上させることができる。
【００３８】
信号処理部６０は、検出器５４及び変調回路１１０に接続されたロックインアンプ６１と、該ロックインアンプ６１に接続されたコンピューター６２とを備える。
【００３９】
図２は、図１におけるプローブ５０の構成を詳細に示す拡大断面図であり、図３は、図２における線III−IIIに沿う断面図である。
【００４０】
図２において、プローブ５０は、光源モジュール１００と接続するためのコネクタ５９ｂと、コネクタ５９ｂを介して光源モジュール１００からの励起光及びプローブ光を導くと共に、光源モジュール１００へ試料溶液を透過したプローブ光を導く光ファイバー１０３と、光ファイバー１０３により導かれた励起光及びプローブ光を集光する集光レンズ４０（ロッドレンズ）と、集光レンズからの少なくともプローブ光を反射するミラー４１と、集光レンズ４０を内嵌するチューブ４２（固定支持体）と、チューブ４２に内嵌され、且つ集光レンズ４０の上面と対面するように光ファイバー１０３をチューブ４２に固定するためのフェルール４３と、集光レンズ４０及びミラー４１の間隔を所定長さで固定する、例えば２本の支柱４４と、プローブ５０の底面が流路２０と対面するように調整可能にプローブ５０を保持するための冶具４５とを備える。なお、光ファイバー１０３と集光レンズ４０とは、互いに密着させてもよいし、それらの間に隙間が設けられてもよい。また、ミラー４１の反射面は、試料溶液の流速が変化しない点で平面であるのが好ましく、効率的にプローブ光を反射させる点で曲面であるのが好ましい。
【００４１】
集光レンズ４０は、中心から外部に向かって屈折率が低下するように屈折率勾配が設けられた屈折率分布型円柱状ロッドレンズから成る。この屈折率分布型ロッドレンズは、顕微鏡用対物レンズと比較すると大きさが非常に小さいので、プローブ５０を小型化することができる。また、集光レンズ４０が円柱状である、即ち上面及び底面が平面であるので、光ファイバー１０３の取り付けを含むプローブ５０の組み立てを容易にすることができる。さらに、集光レンズ４０が円柱状であるので、チューブ４２に容易に内嵌させることができ、光軸合わせを容易にすることができる。
【００４２】
図３に示すように、支柱４４は、流路２０の長さ方向、すなわち試料溶液の流れる方向と平行となるように設けられている。これにより、試料溶液の流速を変化させることなく、正確に測定することができる。
【００４３】
図４は、図２におけるミラー４１の拡大断面図である。
【００４４】
図４に示すように、ミラー４１は、ベースとしてのガラス基板３１と、ガラス基板３１の上面に形成されたアルミニウム（Ａｌ）薄膜３２と、Ａｌ薄膜３２の上面に形成された二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）保護膜３３とから成り、励起光及びプローブ光の双方を全て反射する全反射ミラー（フロントサーフェースミラー）を構成する。
【００４５】
また、上記全反射ミラーに代えて、励起光の波長とプローブ光の波長は異なるので、プローブ光を選択的に反射し、励起光を選択的に透過する反射膜としての光学多層膜（エッジフィルター、バンドパスフィルター等）をガラス基板３１上に被覆した後述する選択反射ミラーを用いることは、励起光の戻り量を大きく低減させるので好ましい。なお、このような選択反射ミラーの光学多層膜は、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2等の高屈折率酸化物と、ＳｉＯ2等の低屈折率酸化物の交互積層膜で構成される。
【００４６】
次に、光源モジュール１００からの励起光及びプローブ光の焦点について説明する。
【００４７】
図５は、図２における集光レンズ４０からの励起光及びプローブ光の焦点を説明するために用いられる図２の部分拡大図である。なお、図５ではハッチングが省略されている。
【００４８】
図５において、一点鎖線は励起光の光路を、実線は励起光がオフであるときのプローブ光の光路を、鎖線は励起光がオンであるときのプローブ光の光路を示しており、ミラー４１が無いときのそれぞれの光路における焦点は、Ａ，Ｂ，Ｃで与えられる。
【００４９】
ミラー４１は、焦点Ａと焦点Ｂとの間、又は焦点Ａと集光レンズ４０のミラー４１側の端面との間に配置される。焦点Ａと集光レンズ４０のミラー４１側の端面との間に配置される場合には、励起光の反射光が試料溶液中で焦点を形成することが好ましい。また、焦点Ａと焦点Ｂとの間にミラー４１が配置される場合には、ミラー４１は焦点Ａに近い位置に配置されるのが好ましい。
【００５０】
集光照射された励起光の焦点とプローブ光の焦点との間隔が２０μｍ以上２００μｍ以下であることは、測定装置の検出感度を向上させる上で好ましい。
【００５１】
次に、光源モジュール１００の構成を説明する。
【００５２】
図６は、図１における合分波器５５の構成を詳細に示す断面図である。
【００５３】
図６において、合分波器５５は、励起光及び反射光（ミラー４１により反射されたプローブ光）の入射側に設けられたロッドレンズ５５１と、プローブ光の入射側に設けられたロッドレンズ５５２と、ロッドレンズ５５１，５５２間に設けられたロングパスフィルター５５３とを備え、これらは直列に接続されている。また、合分波器５５は、直列に接続されているロッドレンズ５５１、ロングパスフィルター５５３、ロッドレンズ５５２を内嵌するチューブ５５４を備える。
【００５４】
ロングパスフィルター５５３は、ロッドレンズ５５１の一方の面上に順次蒸着することにより成膜された誘電体多層膜から成り、この誘電体多層膜の上面にロッドレンズ５５２が接着剤などにより固定されている。なお、ロングパスフィルター５５３を予めガラス基板上に形成し、このガラス基板をロッドレンズ５５１，５５２間に配置させて接着剤などにより固定してもよい。このように、合分波器５５は貼り合わせ構造を有するので、コンパクト化することができる。
【００５５】
ロングパスフィルター５５３を構成する誘電体多層膜は、ＳｉＯ2等から成る低屈折率層（Ｌ）と、ＴｉＯ2，ＺｒＯ2，Ｔａ2Ｏ5等から成る高屈折率層（Ｈ）とから成る１組のＬＨ層が多層に亘って繰り返し積層されたものである。
【００５６】
図７は、図１における合分波器５６の構成を詳細に示す断面図である。
【００５７】
図７において、合分波器５６は、合分波器５５と同様の２つの屈折率分布型円柱状ロッドレンズ５６１，５６２と、タップフィルター５６３とを用いて構成されている。ロッドレンズ５６１は、合分波器５５の一端から出射された反射光の入射端面を有し、ロッドレンズ５６２は、プローブ光用光源５１の一端から出射されたプローブ光の入射端面を有する。合分波器５６に入射された反射光の一部は、ロッドレンズ５６１の入射端面と同じ面における入射した場所とは異なる場所から出射する。
【００５８】
タップフィルター５６３は、ロッドレンズ５６１，５６２の端面間に介在し、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した光学多層膜から成る。光学多層膜は、広範囲の波長域で透過率が約５０％である、いわゆるニュートラルフィルターの特性を有しているものである。
【００５９】
ロッドレンズ５６１の入射端面においてロッドレンズ５６１の光軸中心から一定の距離だけ離れた位置に入射した反射光（液体（試料溶液）から戻ってくるプローブ光）は、ロッドレンズ５６１内を進み、進んだ反射光のうち、その半分の光量に相当する反射光がタップフィルター５６３を構成する光学多層膜により反射され、反射された光は、ロッドレンズ５６１の入射端面における入射位置とは光軸に対して対称的な位置から出射し、フォトディテクター（ＰＤ）等の検出器５４に導かれ、検出光として該検出器５４により検出される。
【００６０】
プローブ用光源５１から出射され、アイソレーター５２を介してタップフィルター５６３のロッドレンズ５６２の入射端面に入射したプローブ光は、タップフィルター５６３内を通過することにより約半分の光量となってロッドレンズ５６１の入射端面から出射する。
【００６１】
図６の合分波器５５と図７の合分波器５６は、図１に示すように、光ファイバー１１１で互いに接続されており、光ファイバー１１１は、合分波器５５から出射した反射光を合分波器５６に導くと共に、合分波器５６から出射したプローブ光を合分波器５５に導く。
【００６２】
また、合分波器５６のロッドレンズ５６２の入射端面及びアイソレーター５２と、アイソレーター５２及びプローブ用光源５１とは、それぞれ光ファイバー１０９，１０９で接続される。
【００６３】
なお、図１の光源モジュール１００の合分波器５６には、上述したように、入射光の約５０％の光量が入射側（ロッドレンズ５６１の入射端面）とは反対の出射側（ロッドレンズ５６２の入射端面）へ透過し、約５０％の光量に相当する入射光が入射側から出射するように構成されたタップフィルター５６３が用いられているが、光源モジュール１００の合分波器５６としては、融着型カプラー、サーキュレーター等を用いてもよい。合分波器５６にタップフィルター５６３を用いる場合、又は合分波器５６として融着型カプラーを用いる場合には、合分波器５６を、プローブ用光源５１及びアイソレーター５２と直列に接続する。合分波器５６としてサーキュレーターを用いる場合には、アイソレーター５２を設けなくてよい。
【００６４】
また、上述した合分波器５５の誘電体多層膜は、励起光の波長よりも長波長の光（反射光に含まれる試料溶液を通過したプローブ光）に対する透過率が−３ｄＢ以上（１００〜５０％）であり、励起光の透過率は−３０ｄＢ以下（０．１％以下）とすることにより、光ファイバー１０７からの反射光から確実に試料溶液を通過したプローブ光を分波することができる。
【００６５】
ロッドレンズ５５１，５５２，５６１，５６２は、中心から外部に向かって屈折率が低下するように屈折率勾配が設けられた屈折率分布型円柱状ロッドレンズである。この屈折率分布型ロッドレンズは、顕微鏡用対物レンズと比較すると大きさが非常に小さいので、合分波器５５，５６を小型化することができる。また、ロッドレンズ５５１，５５２，５６１，５６２が円柱状である、即ち上面及び底面が平面であるので、光ファイバー１０６〜１０９，１１１の取り付けや、合分波器５５，５６の組み立てを容易にすることができる。さらに、ロッドレンズ５５１，５５２，５６１，５６２が円柱状であるので、光軸合わせを容易にすることができる。
【００６６】
以下、測定装置１において実行される測定方法を説明する。
【００６７】
図８は、図１の測定装置１によって実行される測定処理のフローチャートである。
【００６８】
図８において、まず、ステップＳ７０１では、プローブ５０が流路２０内を流れる試料溶液中に少なくとも部分的に浸漬される。実際の測定時には、プローブ５０は、冶具４５により移動されながら試料溶液に浸漬され、励起光の焦点が試料溶液中に位置するとき、すなわち目的とする測定位置で冶具４５を固定することにより、ミラー４１の試料溶液に対する浸漬深さが決定される。なお、試料溶液の液量によってはプローブ５０を試料溶液中に投げ込んでもよい。なお、プローブ５０は、試料溶液中に投げ込んだ状態、すなわち集光レンズ４０及びミラー４１間の空間を試料溶液が埋めている状態で測定が最適化されるように設計されている。
【００６９】
続くステップＳ７０２では、励起光用光源５３からの励起光を合分波器５５、プローブ５０の集光レンズ４０などを介して試料溶液に集光的に照射して、試料溶液中に熱レンズを形成する（励起光照射手段）。場合によっては励起光を変調回路１１０により変調する。次いで、プローブ光用光源５１からのプローブ光を集光レンズ４０などを介して試料溶液に照射し（プローブ光照射手段）、試料溶液中に形成された熱レンズを透過させる（ステップＳ７０３）。
【００７０】
そして、ステップＳ７０４では、ミラー４１が試料溶液中で少なくともプローブ光を集光レンズ４０の方向へ反射し（反射手段）、この反射した反射光は、検出器５４により検出信号として検出される（ステップＳ７０５）（検出手段）。検出された検出信号は、信号処理部６０に入力され、信号処理部６０は、この検出信号に基づいて、試料溶液の溶質の濃度を測定する場合には（ステップＳ７０６でＹＥＳ）、その計算を行い（ステップＳ７０７）、また、試料溶液の流速を測定する場合には（ステップＳ７０８でＹＥＳ）、その計算を行い（ステップＳ７０９）（測定手段）、そして、本処理を終了する。
【００７１】
なお、試料溶液の流速測定や試料溶液中の溶質の濃度測定では、ミラー４１による反射光が集光レンズ４０を介して再び光ファイバー１０３に入射するときの焦点位置のずれが検出器５４においてプローブ光の光量変化として捉えられ、信号処理部６０は、この光量変化に基づいて形成された熱レンズの度数が推定され、この推定された熱レンズの度数に対応して試料溶液の流速や試料溶液中の溶質の濃度が計算される。
【００７２】
図８の処理によれば、プローブ５０を試料溶液中に浸漬する（ステップＳ７０１）ので、流路２０が深い容器である場合であっても測定位置を容易に変更することを可能にして、操作性を向上させることができると共に、引火性物質を含有する試料溶液であっても検出部であるプローブ５０を液体に浸漬することができ、ミラー４１が試料溶液中で少なくともプローブ光を集光レンズ４０の方向へ反射する（ステップＳ７０４）ので、流路２０内を流れる試料溶液の溶質濃度又は／及び流速を測定することができる。
【００７３】
また、熱レンズが形成される（ステップＳ７０３）ので、試料溶液中の溶質の濃度が１０-7モル／ｄｍ3レベルの低濃度であっても試料溶液の溶質濃度又は／及び流速を測定することができる。このレベルは、従来の吸光光度法の検出限界よりも２桁程度高い検出限界である。
【００７４】
以下、図８におけるステップＳ７０７の溶質濃度計算処理及びＳ７０９の流速計算処理を具体的に説明する。
【００７５】
まず、図８のステップＳ７０１〜Ｓ７０２の処理では、電源がオンであるときに励起光用光源５３から出射された励起光は、試料溶液中の溶質に吸収されて、その熱量は試料溶液の溶媒に移動する。熱量を獲得した試料溶液の溶媒には、励起光の焦点における溶質を中心にして直径が２〜数μｍの熱レンズが形成されている。
【００７６】
ステップＳ７０３では、プローブ光用光源１３から出射されたプローブ光は、励起光により形成されている熱レンズを通過し、反射ミラー４１を介して検出器５４により電気的な信号として検出され（ステップＳ７０５）、後述する信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値が測定値としてコンピューター６２に入力される。
【００７７】
図９は、図１における変調回路１１０の出力と、図８のステップＳ７０５で検出された信号の信号強度Ｉとの関係を示すタイミングチャートである。なお、図９において、変調回路１１０によるスイッチング周波数ｆの値は１ｋＨｚ、デューティー比は５０：５０であり、試料溶液の流速ｖの値は２μｍ／ｍｓｅｃである。
【００７８】
図９に示すように、ステップＳ７０５で検出された信号の信号強度Ｉは、励起光が試料溶液中の溶質に吸収されることにより形成された熱レンズの光屈折力に応じて変化すると共に、変調回路１１０による励起光用光源５３に対するスイッチングの周波数ｆの値１ｋＨｚの逆数である周期１０００ｓｅｃ-1（秒-1）に同期して変化する。
【００７９】
測定装置１は、図９における信号強度差ΔＩA及び位相ずれθAを測定する。
【００８０】
なお、上記信号強度差ΔＩとは、最大信号強度Ｉ0の値と最小信号強度Ｉ1の値との差の絶対値｜Ｉ0−Ｉ1｜をいう。
【００８１】
また、上記位相ずれθとは、スイッチングオフの位相に対してプローブ光の位相が遅れる程度を示す指標であって、信号強度Ｉの値が、例えば信号強度差ΔＩの値の平均値である信号強度Ｉ2となるまでの単位が、例えばラジアンで表される角度をいう。なお、上記位相ずれθを、スイッチングオンの位相をもとに求めてもよいし、スイッチングオン及びスイッチングオフの位相をもとに求めてもよい。
【００８２】
信号強度Ｉに対応する熱レンズの光屈折力は、励起光用光源５３の電源がオンとなると、熱レンズが形成されて徐々に増大する（熱レンズ形成期間Ａ）。やがて、熱レンズの光屈折力は一定となる。実際には、試料溶液は所定の流速で送液されているので、熱レンズは形成と拡散とがバランス状態である定常状態となっている（熱レンズ形成−拡散バランス期間Ｂ）。その後、励起光用光源５３の電源がオフとなると、試料溶液中の溶質が励起光を吸収して熱量を獲得することがないので、熱レンズは拡散して熱レンズの光屈折力は徐々に減退し、やがて熱レンズは消滅する（熱レンズ拡散期間Ｃ）。
【００８３】
ここで、熱レンズの拡散、即ち信号強度Ｉの減少には次の流速パラメーターが寄与する。
【００８４】
この流速パラメーターは、熱レンズが試料溶液の流れに伴って集光レンズ４０による励起光の焦点位置から移動する際の試料溶液の流速ｖに由来する。流速パラメーターは、試料溶液の流速ｖの値が大きいほど、熱レンズの移動、即ち信号強度Ｉの値の減少に寄与し、且つ位相ずれθの値も後述するように小さくなる。この流速パラメーターの寄与が大きいほど、熱レンズの拡散の程度が大きく、信号強度Ｉ0の値が小さくなる。
【００８５】
上述したように、流速パラメーターは、信号強度差ΔＩにも位相ずれθにも寄与することから、図９の信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値の一方から試料溶液の流速ｖの値を算出することが可能になる。
【００８６】
図１０は、信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【００８７】
図１０に示すように、信号強度差ΔＩの値は、試料溶液の流速ｖの値が増大するにしたがって低下する。なお、このような信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、測定装置１は、図１０の関係に基づいて、検出された信号強度差ΔＩから流速ｖの値を算出することができる。
【００８８】
なお、上記検量線は、例えば下記式１のように表される。
【００８９】
ΔＩ＝ｍ・ｖ＋Ｐ                      …（１）
ここで、ｍは図１０における傾きを表す定数であり、Ｐは所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度ｃの値に基づいて決定されることが好ましい。
【００９０】
図１１は、位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【００９１】
図１１に示すように、位相ずれθの値は、試料溶液の流速ｖの値が増大するにしたがって減少する。なお、このような位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、測定装置１は、図１１の関係に基づいて、検出された位相ずれθから流速ｖの値を算出することができる。
【００９２】
なお、上記検量線は、例えば下記式２のように表される。
【００９３】
θ＝ｍ’・ｖ＋Ｐ’                    …（２）
ここで、ｍ’は図１１における傾きを表す定数であり、Ｐ’は所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度ｃの値に基づいて決定されることが好ましい。
【００９４】
また、流速パラメーターは、信号強度差ΔＩにも位相ずれθにも寄与することから、信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値の双方から試料溶液の流速ｖの値を計算できることになる。
【００９５】
なお、図８の測定処理を繰り返し実行してもよいし、ステップＳ７０７及び／又はステップＳ７０９の処理を複数の周期に亘って実行してその結果を平均化してもよい。
【００９６】
以下、図１の測定装置１の第１の変形例を説明する。
【００９７】
図１の測定装置１において、ミラー４１は、全反射ミラーを構成するとしたが、この第１の変形例では、ミラー４１が励起光及びプローブ光のうちプローブ光のみを選択的に反射する選択反射ミラーを構成する。この場合、ミラー４１は、ベースと、ベースの上面に形成された誘電体多層膜から成る。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ2薄膜／ＴｉＯ2薄膜／ＳｉＯ2薄膜／ＴｉＯ2薄膜／…というように、ＳｉＯ2薄膜とＴｉＯ2薄膜とが交互に成膜されたもの（図示せず）から成る。これにより、励起光及びプローブ光のうちプローブ光のみを選択的に反射することができ、測定装置１の測定精度を向上させることができる。
【００９８】
また、ミラー４１が選択反射ミラーを構成する場合には、ミラー４１は、図５における焦点Ａ以遠に配置される。
【００９９】
以下、図１の測定装置１の第２の変形例を説明する。
【０１００】
図１の測定装置１において、ミラー４１を集光レンズ４０と対面するように設けるとしたが、この第２の変形例では、ミラー４１に代えて、予め防溶媒処理、例えば防水処理が施された検出器５４を配置する。例えば、検出器５４は、密閉容器などの密閉構造体の中に設けることにより、プローブ５０と検出器５４とを一体化させることが可能である。この場合、光源モジュール１００の構成をより単純化することが好ましい。これらにより、測定装置１の構成をより簡略化することができる。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、光源モジュール１００とプローブ５０とは、互いにコネクタ５９ａ，５９ｂにより着脱可能に接続されているが、これに限定されることはなく、例えば、光源モジュール１００とプローブ５０とを少なくとも１本の光ファイバーを介して直接的に互いに接続されていてもよいし、融着により互いに接続されていてもよい。
【０１０２】
本実施の形態では、変調回路１１０が用いられているが、それに限定されることはなく、検出感度を向上させることができる励起光変調機構を有するものであれはいかなるものを用いてもよい。
【０１０３】
本実施の形態では、集光レンズ４０として屈折率分布型のロッドレンズが用いられているが、ドラムレンズなどを用いてもよい。
【０１０４】
本実施の形態では、合分波器５６及びプローブ光用光源５１の間にアイソレーター５２が設けられているが、合分波器５６としてサーキュレーターを用いる場合にはアイソレーター５２の設置は不要である。
【０１０５】
以下、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【０１０６】
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【０１０７】
図１の測定装置１が、検出すべき反射光を光ファイバー１０３，１０７，１０８で光源モジュール１００内の検出器５４に導光するのに対して、本実施の形態に係る測定装置１’は、検出すべき反射光をプローブから直接的に光源モジュール内の検出器に導光する点が図１の測定装置１と異なる。したがって、測定装置１’において、図１の測定装置１の各要素と同じものには同一の符号を付し、それらの説明を省略し、図１の測定装置１と異なる点を説明する。
【０１０８】
図１２において、測定装置１’は、検出器５４とコネクタ５９ａとを直接的に接続する光ファイバー１１３が光源モジュール１００内に設けられている。また、プローブ５０には、光ファイバー１１３に反射光を導光するために、コネクタ５９ｂ及び集光レンズ４０間に光ファイバー１１２が設けられている。これにより、例えば、光ファイバー１０７，１０３が光源５３，５１からの励起光及びプローブ光を導き、且つ光ファイバー１１２，１１３がプローブ５０のミラー４１からの反射光を導くことができ、アイソレーター５２、及び合分波器５６を設ける必要性をなくすことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の実施の形態に係る測定装置１，１’は、マイクロ化学システム、流速測定装置、濃度測定装置に適用することができる。測定対象となる液体としては、マイクロ化学システムにおける流路内を流れる試料溶液、既設の配管内の液体、貯蔵容器（タンク）内の液体、浄化施設水路、井戸、ダムなどの都市型施設内の水や河川、湖などの天然水などがある。また、この測定対象となる液体は引火性物質を含むものであってもよい。さらには、液体中の溶質の濃度が１０-7モル／ｄｍ3レベルの低濃度であってもよい。また測定装置１，１’が測定処理で行うことには、液体の流速測定及び／又は液体中の溶質の濃度測定がある。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１におけるプローブ５０の構成を詳細に示す拡大断面図である。
【図３】図２における線III−IIIに沿う断面図である。
【図４】図２におけるミラー４１の拡大断面図である。
【図５】図２における集光レンズ４０からの励起光及びプローブ光の焦点を説明するために用いられる図２の部分拡大図である。
【図６】図１における合分波器５５の構成を詳細に示す断面図である。
【図７】図１における合分波器５６の構成を詳細に示す断面図である。
【図８】図１の測定装置１によって実行される測定処理のフローチャートである。
【図９】図１における変調回路１１０の出力と、図７のステップＳ７０５で検出された信号の信号強度Ｉとの関係を示すタイミングチャートである。
【図１０】信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【図１１】位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図１３】従来の測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１  測定装置
２０  流路
４０  集光レンズ
４１  ミラー
４４  支柱
５０  プローブ
５５，５６  合分波器
５９ａ，ｂ  コネクタ
１０３，１０６〜１０９，１１１〜１１３  光ファイバー
【図１】
2005221257.tif 000003
【図２】
2005221257.tif 000004
【図３】
2005221257.tif 000005
【図４】
2005221257.tif 000006
【図５】
2005221257.tif 000007
【図６】
2005221257.tif 000008
【図７】
2005221257.tif 000009
【図８】
2005221257.tif 000010
【図９】
2005221257.tif 000011
【図１０】
2005221257.tif 000012
【図１１】
2005221257.tif 000013
【図１２】
2005221257.tif 000014
【図１３】
2005221257.tif 000015