(57)【要約】【課題】  コロイド液の屈折率を高精度に測定することが可能な屈折率測定方法及び屈折率測定装置を提供すること。【解決手段】  コロイド液３３の表面に、コロイド液３３より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行な誘電体透明平板３０の下平面を接触させ、誘電体透明平板３０の上平面に、上平面と下平面が平行なダブプリズム３２の下平面をマッチング液３８を介して接触させ、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光をダブプリズム３２の一方の斜面に入射させ、誘電体透明平板３０の下平面とコロイド液３３表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１を求め、入射角度θ１と、誘電体透明平板３０の屈折率ｎｃと、ダブプリズム３２の屈折率ｎｐと、ダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、コロイド液３３の屈折率ｎｓを求めることを特徴とする。【選択図】  図１
2013167477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロイド液の屈折率を測定する屈折率測定方法において、
コロイド液の表面に、コロイド液より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行な誘電体透明平板の下平面を接触させ、前記誘電体透明平板の上平面に、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズムの下平面をマッチング液を介して接触させ、ダブプリズムの法線と入射光の進行方向を含む入射面と直交する方向に光の電界が振動する光をＰ波光と定義し、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズムの一方の斜面に入射させ、
前記誘電体透明平板の下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１を求め、
前記入射角度θ１と、前記誘電体透明平板の屈折率ｎｃと、前記ダブプリズムの屈折率ｎｐと、前記ダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液の屈折率ｎｓを求める、屈折率測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光をダブプリズムの上平面に入射し、前記Ｐ波光の入射角度を変化させるための回転ステージを調整してダブプリズム上平面からの反射光の強度が最小となるときの回転ステージの角度θaを記録し、つぎに前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光をダブプリズムの一方の斜面に入射し、誘電体透明平板とコロイド液との界面からの非散乱の反射光の強度が最小となるように回転ステージを調整し、そのときの回転ステージの角度θｂを記録し、２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズムの屈折率ｎpとダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて、ダブプリズムの一方の斜面における入射角度θ1を求める、屈折率測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記誘電体透明平板は１軸性結晶であり、その光学軸の方向（結晶内を伝搬する正常光線と異常光線の進行方向が一致する方向）が屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波の入射光の電界成分の振動方向と直交するように配置する、屈折率測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
【数１】
2013167477.tif 000023
に基づいて前記コロイド液の屈折率ｎｓを求める、屈折率測定方法。
【請求項５】
コロイド液の屈折率を測定する屈折率測定方法において、
コロイド液の表面に、コロイド液より高い屈折率を有し、かつ、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズムの下平面を接触させ、ダブプリズムの法線と入射光の進行方向を含む入射面と直交する方向に光の電界が振動する光をＰ波光と定義し、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズムの一方の斜面に入射させ、
前記ダブプリズムの下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１を求め、
前記入射角度θ１と、前記ダブプリズムの屈折率ｎｐと、前記ダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液の屈折率ｎｓを求める、屈折率測定方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光をダブプリズムの上平面に入射し、前記Ｐ波光の入射角度を変化させるための回転ステージを調整してダブプリズム上平面からの反射光の強度が最小となるときの回転ステージの角度θaを記録し、つぎに前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光をダブプリズムの一方の斜面に入射し、ダブプリズムとコロイド液との界面からの非散乱の反射光の強度が最小となるように回転ステージを調整し、そのときの回転ステージの角度θｂを記録し、２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズムの屈折率ｎpとダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて、ダブプリズムの一方の斜面における入射角度θ1を求める、屈折率測定方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記ダブプリズムは１軸性結晶であり、その光学軸の方向が入射光の電界成分の振動方向と直交するように配置する、屈折率測定方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれかにおいて、
【数２】
2013167477.tif 000024
に基づいて前記コロイド液の屈折率ｎｓを求める、屈折率測定方法。
【請求項９】
請求項２又は６において、
【数３】
2013167477.tif 000025
に基づいて前記入射角度θ1を求める、屈折率測定方法。
【請求項１０】
コロイド液の屈折率を測定する屈折率測定装置において、
コロイド液の表面に接触し、コロイド液より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行な誘電体透明平板と、
前記誘電体透明平板の上平面にマッチング液を介して接触し、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズムと、
ダブプリズムの法線と入射光の進行方向を含む入射面と直交する方向に光の電界が振動する光をＰ波光と定義し、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズムの斜面に入射させる光照射部と、
前記誘電体透明平板の下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度を検出する光検出部と、
前記誘電体透明平板の下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１と、前記誘電体透明平板の屈折率ｎｃと、前記ダブプリズムの屈折率ｎｐと、前記ダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液の屈折率ｎｓを算出する演算処理を行う演算処理部とを含む、屈折率測定装置。
【請求項１１】
コロイド液の屈折率を測定する屈折率測定装置において、
コロイド液の表面に接触し、コロイド液より高い屈折率を有し、かつ、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズムと、
ダブプリズムの法線と入射光の進行方向を含む入射面と直交する方向に光の電界が振動する光をＰ波光と定義し、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズムの斜面に入射させる光照射部と、
前記ダブプリズムの下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度を検出する光検出部と、
前記ダブプリズムの下平面と前記コロイド液表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１と、前記ダブプリズムの屈折率ｎｐと、前記ダブプリズムと接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液の屈折率ｎｓを算出する演算処理を行う演算処理部とを含む、屈折率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロイド液の屈折率を測定する屈折率測定方法及び屈折率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コロイド液は入射光の大半を散乱するため、コロイド液の精密な屈折率は殆ど知られていない。市販されている屈折率測定装置には、コロイド液の一種である牛乳の屈折率を測定できると記されているものもあるが、小数点以下１、２桁程度の測定精度である。
【０００３】
牛乳の屈折率を測定した一例として、Michelson干渉計とスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を組み合わせた計測システムが知られている（非特許文献１参照）。この計測システムでは、ＳＬＤの出射光はビームスプリッタで分割され、一方の光は参照光ミラーで反射して参照光となり、他方の光は容器に入った牛乳液面に入射する。牛乳液面に入射した光は牛乳液面で反射するか容器の底面に配置したミラーで反射する。参照光ミラーの位置を調整すると、参照光は牛乳液面で反射した光と干渉し、更に参照光ミラーを移動させると、参照光は容器底のミラーで反射した光と干渉する。予め、牛乳の液厚を測定しておけば、参照光ミラーの走査距離を計測することで、牛乳の屈折率を求めることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】白石知久、石田聡、井村俊彦、斎田吉裕、中島吉則、“白色懸濁液の濃度評価に関する研究”、[online]、埼玉県産業技術総合センター研究報告 第６巻（2008）、[平成２３年５月３０日検索]、インターネット<URL:http://www.saitec.pref.saitama.lg.jp/research/h19/soushutsu/sou-r/312a.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記計測システムでは、コロイド液中を伝播するＳＬＤ光を測定するため、測定精度はコロイド液の散乱・吸収特性に大きく左右される。また、牛乳の体積、密度、及び重量を測定して牛乳の液厚を高精度に求める必要があるが、表面張力による体積変化を精密に求めることは困難である。液厚を大きくすれば表面張力の影響を軽減することができるが、機械的移動機構を用いて参照光ミラーを移動させなければならず、測定精度の確保が困難になる。また、牛乳を空気に曝して測定を行うため、空気の移動による牛乳表面の僅かな波立ちが測定精度を低下させる。また、低コヒーレント光干渉による測定では、光源、防振台、干渉計などが必須となりコスト高になる。更に、測定に大量のサンプルを必要とする、といった問題点がある。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コロイド液の屈折率を高精度に測定することが可能な屈折率測定方法及び屈折率測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、コロイド液３３の屈折率を測定する屈折率測定方法において、
コロイド液３３の表面に、コロイド液３３より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行な誘電体透明平板３０の下平面を接触させ、誘電体透明平板３０の上平面に、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズムの下平面をマッチング液３８を介して接触させ、
さらに、ダブプリズムの法線と入射光の進行方向を含む入射面と直交する方向に光の電界が振動する光をＰ波光と定義し、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５０を前記ダブプリズム３２の一方の斜面３５に入射させ、
前記誘電体透明平板３０の下平面と前記コロイド液３３表面との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小になる入射角度θ１を求め、
前記入射角度θ１と、前記誘電体透明平板３０の屈折率ｎｃと、前記ダブプリズム３２の屈折率ｎｐと、前記ダブプリズム３２と接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを求めることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、コロイド液３３の屈折率を高精度に測定することができる。
【０００９】
（２）また本発明において、
前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５０をダブプリズム３２の上平面に入射し、回転ステージ１２を調整してダブプリズム３２の上平面からの反射光５１の強度が最小となるときの回転ステージ１２の角度θaを記録し、
屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５２をダブプリズム３２の一方の斜面３５に入射し、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小となるように回転ステージ１２を調整し、そのときの回転ステージ１２の角度θｂを記録し、
２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズム３２の屈折率ｎpとダブプリズム３２と接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて、ダブプリズム３２の一方の斜面３５における入射角度θ1を求めてもよい。
【００１０】
（３）また本発明において、
前記誘電体透明平板３０として１軸性結晶を用いて、その光学軸の方向（結晶内を伝搬する正常光線と異常光線の進行方向が一致する方向）が、ダブプリズムの斜面３５に入射する屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光の電界成分の振動方向と直交するように配置してもよい。
【００１１】
（４）また本発明において、
【００１２】
【数１】
2013167477.tif 000003
【００１３】
に基づいて前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを求めるようにしてもよい。
【００１４】
（５）本発明は、コロイド液３３の屈折率を測定する屈折率測定方法において、
コロイド液３３の表面に、コロイド液３３より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行なダブプリズム３４の下平面を接触させ、屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５０を前記ダブプリズム３４の一方の斜面３５に入射させ、前記ダブプリズム３４の下平面と前記コロイド液３３の表面との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小になる入射角度θ１を求め、
前記入射角度θ１と、前記ダブプリズム３４の屈折率ｎｐと、前記ダブプリズム３４と接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを求めることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、コロイド液３３の屈折率を高精度に測定することができる。
【００１６】
（６）また本発明において、
前記屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５０をダブプリズム３４の上平面に入射し、回転ステージ１２を調整してダブプリズム３４の上平面からの反射光５１の強度が最小となるときの回転ステージ１２の角度θaを記録し、
屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光５２をダブプリズム３４の一方の斜面３５に入射し、ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小となるように回転ステージ１２を調整し、そのときの回転ステージ１２の角度θｂを記録し、
２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズム３４の屈折率ｎpとダブプリズム３４と接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて、ダブプリズム３２の斜面３５における入射角度θ1を求めてもよい。
【００１７】
（７）また本発明において、
前記ダブプリズム３４として１軸性結晶を用いて、その光学軸の方向が入射光の電界成分の振動方向と直交するように配置してもよい。
【００１８】
（８）また本発明において、
【００１９】
【数２】
2013167477.tif 000004
【００２０】
に基づいて前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを求めるようにしてもよい。
【００２１】
（９）また、本発明において、
【００２２】
【数３】
2013167477.tif 000005
【００２３】
に基づいて前記入射角度θ1を求めてもよい。
【００２４】
（１０）本発明は、コロイド液３３の屈折率を測定する屈折率測定装置において、
コロイド液３３の表面に接触し、コロイド液３３より高い屈折率を有し上平面と下平面が平行な誘電体透明平板３０と、
前記誘電体透明平板３０の上平面にマッチング液３８を介して接触し、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズム３２と、
屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズム３２の一方の斜面３５に入射させる光照射部と、
前記誘電体透明平板３０の下平面と前記コロイド液３３表面との界面からの非散乱の反射光の強度を検出する光検出部と、
前記誘電体透明平板３０の下平面と前記コロイド液３３の表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１と、前記誘電体透明平板３０の屈折率ｎｃと、前記ダブプリズム３２の屈折率ｎｐと、前記ダブプリズム３２と接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを算出する演算処理を行う演算装置４０とを含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、コロイド液３３の屈折率を高精度に測定することができる。
【００２６】
（１１）本発明は、コロイド液３３の屈折率を測定する屈折率測定装置において、
コロイド液３３の表面に接触し、コロイド液３３より高い屈折率を有し、かつ、互いに平行な上平面と下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面をもち、上平面と２つの斜面の交差角度（内角）が、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角が、ともにξであり、内角ξは０°より大きく、９０°より小さいことを特徴とするダブプリズム３４と、
屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光を前記ダブプリズム３４の斜面３５に入射させる光照射部と、
前記ダブプリズム３４の下平面と前記コロイド液３３表面との界面からの非散乱の反射光の強度を検出する光検出部と、
前記ダブプリズム３４の下平面と前記コロイド液３３の表面との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１と、前記ダブプリズム３４の屈折率ｎｐと、前記ダブプリズム３４と接触している気体の屈折率ｎａとに基づいて、前記コロイド液３３の屈折率ｎｓを算出する演算処理を行う演算処理装置４０とを含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、コロイド液３３の屈折率を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態の第１の手法における屈折率測定装置の構成の一例を示す図。
【図２】一軸性結晶からなる誘電体透明平板の配置について説明するための図。
【図３】本実施形態の第２の手法における屈折率測定装置の構成の一例を示す図。
【図４】小型セルとダブプリズムを圧着させる機構の一例を示す図。
【図５】光照射部の構成の他の例を示す図。
【図６】第１の手法における、サンプルの準備から屈折率の測定までの手順について説明するための図。
【図７】第１の手法における、ダブプリズム斜面のＰ波光の入射角度の測定について説明するための図。
【図８】第２の手法における、ダブプリズム斜面のＰ波光の入射角度の測定について説明するための図
【図９】ダブプリズムの外観を示す図。
【図１０】誘電体透明平板の外観を示す図。
【図１１】精製水における光検出信号と入射角度θ1との関係を示す図。
【図１２】中脂肪牛乳における光検出信号と入射角度θ1との関係を示す図。
【図１３】牛乳の屈折率と乳脂肪率との関係を示す測定結果。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３０】
１．測定原理、構成
本実施形態の屈折率測定方法及び屈折率測定装置が採用する測定原理を説明する。
【００３１】
１−１．第１の手法
まず、コロイド液３３の屈折率を測定する第１の手法について説明する。図１は、本実施形態の屈折率測定装置の構成の一例を示す図である。
【００３２】
図１に示す屈折率測定装置は、中心部に光源１０を配置した回転ステージ１２と、光電センサ（フォトディテクタ）からなる光検出器２０と、演算装置４０とを含む。光源１０としては、半導体レーザをはじめ、多波長発振するＡｒイオンレーザやＨｅ−Ｎｅレーザ、広波長帯位置で連続発振する色素レーザやチタンサファイアレーザなどが適している。また、発光ダイオード、ＳＬＤ、Ｘｅランプやハロゲンランプなどで発光したインコヒーレント光を、波長フィルタ或いは分光器で狭帯域スペクトルを選択し、レーザ光の代わりに用いることも可能である。
【００３３】
本実施形態の第１の手法では、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６（容器）の上に、高屈折率の誘電体透明平板３０と、ξと１８０°−ξの内角をもち上平面と下平面が平行なダブプリズム３２を載せ、光源１０（光照射部）からの屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波のレーザ光を、ダブプリズム３２の一方の斜面３５に入射させて、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面に照射し、当該界面からの非散乱の反射光（ダブプリズムの入射面と対向する斜面から出射する反射光）の強度が最小になる入射角度θ１を測定する。
【００３４】
ダブプリズムは、互いに向き合う平行な上平面および下平面と、これらの平面と非平行な２つの平坦な斜面からなる。上平面と２つの斜面の交差角度（内角）は、ともに１８０°−ξであり、下平面と２つの斜面の内角は、ともにξである。内角ξは、０°より大きく、９０°より小さい範囲で、ダブプリズム３２および誘電体透明平板３０の屈折率に応じて定められる。
【００３５】
誘電体透明平板３０の下平面はコロイド液３３の表面に接触し、誘電体透明平板３０の上平面は、マッチング液３８を介してダブプリズム３２の下面に接触している。誘電体透明平板３０の上平面と下平面は平行になるように光学研磨され、その屈折率はコロイド液３３の屈折率よりも大きい。誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの反射光の多くは散乱するため、屈折率の測定に必要な非散乱の反射光の強度が不足する。この現象を軽減するために、誘電体透明平板３０の屈折率をコロイド液３３の屈折率よりもはるかに大きくすることが望ましい。誘電体透明平板３０の屈折率を十分に大きくすれば、コロイド液３３の屈折率の大きさに関わらずその屈折率を測定することができる。
【００３６】
誘電体透明平板３０に適した光学材料は、可視光から赤外光領域においては、三方晶系、ポイントグループ３ｍのＬｉＮｂＯ３結晶及びＬｉＴａＯ３結晶である。ＬｉＮｂＯ３結晶は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光波長（λ＝632.8nm）において、正常屈折率ｎｏ＝2.2868、異常屈折率ｎｅ＝2.203という大きな屈折率を有し、大型で透明性、加工性に優れた単結晶を安価に入手できるという特徴をもつ。青色光や紫外線ではオブティカルダメージを受けやすいという欠点をもつが、酸化マグネシウムＭｇＯを数％ドープした、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いると、ダメージを大幅に軽減できる。ＬｉＴａＯ３結晶は、λ＝632.8nmにおいて、ｎｏ＝2.1774、ｎｅ＝2.1818という大きな屈折率を有し、大型で透明性、加工性に優れた単結晶を安価に入手できるという特徴をもつ。オプティカルダメージは、ＬｉＮｂＯ３結晶よりも小さい。その他、正方晶系、ポイントグループ４２２のＴｅＯ２結晶と、正方晶系、ポイントグループ４／ｍのＰｂＭｏＯ４結晶が誘電体透明平板３０に適している。ＴｅＯ２結晶は、λ＝632.8nmにおいて、ｎｏ＝2.260、ｎｅ＝2.142という大きな屈折率を有し、ＰｂＭｏＯ４結晶は、λ＝632.8nmにおいて、ｎｏ＝2.262、ｎｅ＝2.386という大きな屈折率を有する。どちらも大型で高品質の結晶が実用化されている。更に赤外領域においては、等軸晶系、ポイントグループ４３ｍのＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの結晶も適当である。
【００３７】
ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＴｅＯ２結晶及びＰｂＭｏＯ４結晶は一軸性結晶であるから、複屈折により結晶に入射した光を常光線と異常光線に分離させる。この現象を発現させないため、図２に示すように、１軸性結晶の光学軸の方向（結晶内を伝搬する正常光線と異常光線の進行方向が一致する方向）がＰ波の入射光の電界成分の振動方向と直交するように配置する。一方、ＧａＡｓ結晶、ＧａＰ結晶、ＩｎＰ結晶は、等軸晶系であるから、Ｐ波光の振動方向に関わらず自由に配置することができる。
【００３８】
以下、第１の手法において、入射角度θ１に基づきコロイド液３３の屈折率を求める測定原理について説明する。
【００３９】
誘電体透明平板３０及びコロイド液３３の屈折率を、それぞれ、ｎｃ、ｎｓとして、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度（誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面に入射するＰ波光の入射角度）をθ４とすると、コロイド液３３の屈折率ｎｓは、ブリュースターの法則より、次式のように表される。
【００４０】
【数４】
2013167477.tif 000006
【００４１】
また、ダブプリズム３２の入射面では、次式のスネルの法則が成立する。
【００４２】
【数５】
2013167477.tif 000007
【００４３】
ここで、ｎａは、ダブプリズム３２の入射面と接触している空気（気体）の屈折率であり、ｎｐは、ダブプリズム３２の屈折率である。また、θ１は、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になるときの、ダブプリズム３２の入射面に入射する屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光の入射角度であり、θ２は屈折角度である。ダブプリズム３２と誘電体透明平板３０との間には、ダブプリズム３２の屈折率に近い屈折率を有するマッチング液３８が存在する。マッチング液３８の上平面と下平面が平行であるとすると、この層の屈折率は、コロイド液３３の屈折率に影響を及ぼさないため、以降の説明ではマッチング液３８についての記述を省略する。
【００４４】
ダブプリズム３２と誘電体透明平板３０との界面では、次式のスネルの法則が成立する。
【００４５】
【数６】
2013167477.tif 000008
【００４６】
ここで、θ３は、ダブプリズム３２と誘電体透明平板３０との界面に入射するＰ波光の入射角度である。
【００４７】
また、図１では、ダブプリズム３２の入射面と下平面で構成される内角がξであるから、θ２とθ３の間には、次の関係式が成立する。
【００４８】
【数７】
2013167477.tif 000009
【００４９】
式（１）〜式（４）より、コロイド液３３の屈折率ｎｓは、次式により求めることができる。
【００５０】
【数８】
2013167477.tif 000010
【００５１】
すなわち、ダブプリズム３２の一方の斜面３５に入射する屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光の入射角度を変化させて、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面（コロイド液３３の表面）からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１を測定すれば、式（５）よりコロイド液３３の屈折率ｎｓを求めることができる。
【００５２】
図１の光検出器２０は、コロイド液３３の表面で反射した非散乱反射光を光電変換して、光強度情報（光検出信号）として演算装置４０に出力する。
【００５３】
コロイド液３３の表面の反射点Ｇ（入射光と反射光の交点）では、散乱光が発生するため、受光面積が小さく高感度な光検出器２０を用いることが好ましい。ここで、散乱光が全ての方向に均一に散乱する、非散乱光は広がらずに正反射する、光検出器２０の受光面積は入射光の断面積と一致する、入射光量が大きく光検出器２０の熱雑音は無視される、と仮定すると、検出信号のＳＮ比（ＳＮＲ）は、次式のように表される。
【００５４】
【数９】
2013167477.tif 000011
【００５５】
ここで、αは非散乱光量であり、βは全散乱光量であり、ｄはコロイド液３３の表面の反射点Ｇから光検出器２０までの距離であり、Ｓは光検出器２０の受光面積である。例えば、Ｓ＝０．５ｍｍ２、ｄ＝１５０ｍｍと仮定すると、α／β＝０．０１としても、検出信号のＳＮ比（ＳＮＲ）は、
【００５６】
【数１０】
2013167477.tif 000012
【００５７】
となり、十分なＳＮ比で非散乱光の強度を計測することができる。
【００５８】
図１に示すように、ダブプリズム３２の入射面に入射するＰ波光の入射角度が変化すると、ダブプリズム３２の出射側斜面から出射する非散乱の反射光の反射角度も変化する。そこで、本実施形態では、回転ステージ１２によってＰ波光の入射角度を変化させ、入射角度の変化に応じて、回転機構（図示せず）によって光検出器２０を回転させることで、ダブプリズム３２の出射側斜面から出射する非散乱の反射光（コロイド液３３の表面で反射した非散乱の反射光）が光検出器２０に入射するように構成している。
【００５９】
図１に示す演算装置４０は、演算処理部４２と記憶部４４とを含む。演算処理部４２は、コロイド液３３の表面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１と、誘電体透明平板３０の屈折率ｎｃと、ダブプリズム３２の屈折率ｎｐと、気体の屈折率ｎａとに基づいて、式（５）によりコロイド液３３の屈折率ｎｓを算出する演算処理を行う。また演算処理部４２は、Ｐ波光の入射角度を変化させるたびに検出された反射光の強度情報に基づいて、入射角度θ１を求めるようにしてもよい。
【００６０】
記憶部４４は、種々のデータを一時記憶する機能を有し、例えば、光検出器２０から出力された光強度情報を、Ｐ波光の入射角度と対応付けて記憶してもよい。
【００６１】
１−２．第２の手法
次に、コロイド液３３の屈折率を測定する第２の手法について図３を用いて説明する。
【００６２】
本実施形態の第２の手法では、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６の上に高屈折率の誘電体透明平板３０を載せることに代えて、小型セル３６の上に高屈折率のダブプリズム３４（ξと１８０°−ξの内角をもち上平面と下平面が平行なダブプリズム）を載せる。ダブプリズム３４の上平面と下平面は平行になるように光学研磨され、ダブプリズム３４の下平面はコロイド液３３の表面に接触している。ダブプリズム３２とダブプリズム３４の違いは、屈折率だけである。誘電体透明平板を除いたその他の構成は、図１に示した第１の手法における構成と同様である。そして、光源１０（光照射部）からの屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波のレーザ光を、ダブプリズム３４の斜面３５に入射させて、ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面に照射し、当該界面からの非散乱の反射光（斜面３５と対向する出射側斜面から出射する反射光）の強度が最小になる入射角度θ１を測定する。
【００６３】
ダブプリズム３４の屈折率はコロイド液３３の屈折率よりも大きい。ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面からの反射光の多くは散乱するため、屈折率の測定に必要な非散乱光の強度が不足する。この現象を軽減するために、ダブプリズム３４の屈折率をコロイド液３３の屈折率よりもはるかに大きくすることが望ましい。ダブプリズム３４の屈折率を十分に大きくすれば、コロイド液３３の屈折率の大きさに関わらずその屈折率を測定することができる。ダブプリズム３４の光学材料としては、図１の誘電体透明平板３０と同様の誘電体材料を用いればよい。なお、ダブプリズム３４の光学材料として、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＴｅＯ２結晶及びＰｂＭｏＯ４結晶などの一軸性結晶を用いる場合には、Ｐ波の入射光の電界が振動する方向と、結晶の光学軸が直交するように、ダブプリズム３４を配置する。
【００６４】
以下、第２の手法において、入射角度θ１に基づきコロイド液３３の屈折率を求める測定原理について説明する。
【００６５】
ダブプリズム３４及びコロイド液３３の屈折率を、それぞれ、ｎｐ、ｎｓとして、ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度（ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面に入射するＰ波光の入射角度）をθ5とすると、コロイド液３３の屈折率ｎｓは、ブリュースターの法則より、次式のように表される。
【００６６】
【数１１】
2013167477.tif 000013
【００６７】
また、ダブプリズム３４の入射面では、次式のスネルの法則が成立する。
【００６８】
【数１２】
2013167477.tif 000014
【００６９】
また、図３では、ダブプリズム３４の斜面３５と下平面で構成される内角がξであるから、θ２とθ５の間には、次の関係式が成立する。
【００７０】
【数１３】
2013167477.tif 000015
【００７１】
式（８）〜式（１０）より、コロイド液３３の屈折率ｎｓは、次式により求めることができる。
【００７２】
【数１４】
2013167477.tif 000016
【００７３】
すなわち、ダブプリズム３４の斜面３５に入射する屈折率測定に適したスペクトル幅の狭いＰ波光の入射角度を変化させて、ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面（コロイド液３３の表面）からの非散乱の反射光の強度が最小になる入射角度θ１を測定すれば、式（１１）よりコロイド液３３の屈折率ｎｓを求めることができる。
【００７４】
図４は、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６とその上に載せるダブプリズム３４を圧着させる機構の一例を示す図である。図４に示すように、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６とダブプリズム３４は、台座とブロックの間に配置され、ねじとばねを用いて、小型セル３６及びダブプリズム３４が一体となって保持される。この機構により、小型セル３６とダブプリズム３４を圧着し、ダブプリズム３４の下面とコロイド液３３の表面が完全に接触するようにしている。図１の構成においても同様の機構を用いて、小型セル３６、誘電体透明平板３０及びダブプリズム３２を一体として保持し、小型セル３６と誘電体透明平板３０を圧着して、誘電体透明平板３０の下面とコロイド液３３の表面が完全に接触するようにする。
【００７５】
図５は、光照射部の構成の他の例を示す図である。図１、図３に示す例では、回転ステージ１２の中心部に光源１０を配置して光照射部を構成する場合について説明したが、図５に示すように、光源１０に接続された光ファイバ１４と、光ファイバ１４から出射する光を平行光に変換する光学系１６と、Ｐ波光を透過させる偏光板１８とを、回転ステージ１２に配置して、光照射部を構成してもよい。ここで、光ファイバ１４の出射口は回転ステージ１２の中心Ｏ（回転軸）に固定されている。また、回転ステージ１２の回転運動の力が光ファイバ１４の入出射口に加わらないように、光ファイバ１４の出射口と出射口の間の少なくとも一部は非固定状態となっている。
【００７６】
また、光源１０或いは光ファイバ１４を回転ステージ１２に配置する構成に代えて、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６とダブプリズム３４を圧着させる機構（或いは、コロイド液３３を蓄えた小型セル３６、誘電体透明平板３０及びダブプリズム３４を圧着させる機構）を回転ステージ１２に配置するようにしてもよい。この場合には、コロイド液３３の表面が、回転ステージ１２の中心Ｏを通る直線上に位置するように配置する。このようにすると、光源１０を固定したまま、コロイド液３３を水平回転させてＰ波光の入射角度を変化させることができ、測定系の構築が容易になる。
【００７７】
２．測定方法
本実施形態の第１の手法を例にとり、サンプルの準備から屈折率の測定までの手順について説明する。
【００７８】
まず、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、小型セル３６から溢れる寸前までコロイド液３３を小型セル３６に入れる。次に、図６（Ｃ）に示すように、誘電体透明平板３０の下平面を小型セル３６に密着させ、コロイド液３３を小型セル３６から溢れさせる。なお、誘電体透明平板３０での多重反射干渉を避けるため、誘電体透明平板３０の厚さは入射光のビーム径に比べて十分厚いものとする。次に、図６（Ｄ）に示すように、マッチング液３８を誘電体透明平板３０の上平面に塗布する。次に、図６（Ｅ）に示すように、ダブプリズム３２の下平面を誘電体透明平板３０の上平面に密着させ、図４に示す機構を用いて圧着する（図示省略）。
【００７９】
この状態で、図６（Ｅ）に示すように、回転ステージ１２の中心に設置した半導体レーザ１０からＰ波のレーザ光５０をダブプリズム３２の上平面に入射させ、反射光５１の強度が最小となるように、回転ステージ１２を調整し、そのときの角度θaを記録する。つぎにＰ波のレーザ光５２をダブプリズム３２の斜面３５に入射し、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小となるように回転ステージ１２を調整し、そのときの角度θｂを記録する。
【００８０】
この２回の角度計測より、ダブプリズム３２の斜面３５に入射するレーザ光５２の入射角度θ1を求めることができる。図６（Ｅ）の一部を拡大表示した図７を用いて入射角度θ1の導出過程を述べる。図７の点Ｏは、回転ステージ１２の回転中心であり、半導体レーザ１０の発光部の位置とも一致する。ダブプリズム３２の上下平面および誘電体透明平板３０の上下平面はすべて平行であるから、直線ＨＫは、これら４面に共通の法線である。法線ＨＫは、入射光線５０とダブプリズム３２の上平面との交点Ａを通過するように選ばれる。∠ＯＡＨ＝θpとすると、θpは、ブリュースター角となり、次の式で与えられる。
【００８１】
【数１５】
2013167477.tif 000017
【００８２】
空気の屈折率ｎａは、詳しく求められているから、ダブプリズム３２の屈折率ｎｐを予め精密に測定しておけば、式（１２）より、θpを求めることができる。
【００８３】
つぎに、Ｐ波のレーザ光５２とダブプリズム３２の斜面３５の交点をＯ’とし、交点Ｏ’を通る斜面３５の法線とレーザ光５０との交点をＢとし、さらに法線ＢＯ’と法線ＨＫの交点をＣとする。法線ＢＣと法線ＨＫのなす角度は、∠ＢＣＨ＝ξであるから、
【００８４】
【数１６】
2013167477.tif 000018
【００８５】
【数１７】
2013167477.tif 000019
【００８６】
【数１８】
2013167477.tif 000020
【００８７】
となる。式（１３）〜（１５）より、
【００８８】
【数１９】
2013167477.tif 000021
【００８９】
を得る。
【００９０】
以上を要約すると、Ｐ波のレーザ光５０をダブプリズム３２の上平面に入射し、回転ステージ１２を調整してダブプリズム３２の上平面からの反射光５１の強度が最小となるときの回転ステージ１２の角度θaを記録し、つぎにＰ波のレーザ光５２をダブプリズム３２の斜面３５に入射し、誘電体透明平板３０とコロイド液３３との界面からの反射光５３の強度が最小となるように回転ステージ１２を調整し、そのときの回転ステージ１２の角度θｂを記録し、２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズム３２の屈折率ｎpとダブプリズム３２と接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて式（１６）により、ダブプリズム３２の斜面３５における入射角度θ1を求めることができる。コロイド液３３の屈折率ｎｓを算出する際には、式（１６）を式（５）に代入すればよい。
【００９１】
図６（Ｆ）に示す波長板２１は、反射光強度を測定する光検出器２０の位置合わせに用いる。入射角度がブリュースター角に近づくと、Ｐ波の非散乱反射光の強度はゼロに近づくため、光検出器２０の位置合わせを行うことが困難になる。そこで、Ｐ波の入射光の一部又は大部分を波長板２１でＳ波光に変換して、ピンホール２２と光検出器２０の位置合わせを行い、波長板２１を撤去してＰ波の非散乱反射光の強度を測定する。
【００９２】
図３に示す本実施形態の第２の手法の場合には、図８に示すように、Ｐ波のレーザ光５０をダブプリズム３４の上平面に入射し、回転ステージ１２を調整してダブプリズム３４の上面からの非散乱の反射光５１の強度が最小となるときの回転ステージ１２の角度θaを記録し、つぎにＰ波のレーザ光５２をダブプリズム３４の斜面３５に入射し、ダブプリズム３４とコロイド液３３との界面からの非散乱の反射光５３の強度が最小となるように回転ステージ１２を調整し、そのときの回転ステージ１２の角度θｂを記録し、２つの角度の差θa-θｂと、ダブプリズム３４の屈折率ｎpとダブプリズム３４と接触している気体の屈折率ｎａとを用いて計算したブリュースター角θpを用いて式（１６）により、ダブプリズム３４の斜面３５における入射角度θ1を求めることができる。コロイド液３３の屈折率ｎｓを算出する際には、式（１６）を式（１１）に代入すればよい。
【００９３】
３．測定結果
図１の測定系を用いて、精製水の屈折率と、コロイド液３３の一種である牛乳の屈折率を測定した。
【００９４】
光源１０として、ＩｎＧａＡｌＰ半導体レーザ（波長：670.0nm、出力：3mW）を用いた。半導体レーザを、4/1000°刻みで回転角度を遠隔制御可能な電動式回転ステージ１２の中心に固定し、出射口にはＰ波光を選択する偏光フィルムを貼り付けた。
【００９５】
また、ＢＫ７ガラスを用いてξ＝４５±０．０５°のダブプリズム３２を作成し、ＬｉＴａＯ３（ＬＴ結晶）を用いて誘電体透明平板３０を作成した。ダブプリズム３２の外観を図９に示し、誘電体透明平板３０の外観を図１０に示す。
【００９６】
図９に示すように、ダブプリズムのＡＡ’Ｂ’Ｂ面とＣＣ’Ｄ’Ｄ面が平行であり、ＡＢＤＣ面とＡ’Ｂ’Ｄ’Ｃ’面が平行であり、∠ＡＣＤ＝∠Ａ’Ｃ’Ｄ’＝∠ＢＤＣ＝∠Ｂ’Ｄ’Ｃ’＝４５°±０．０５°であり、∠ＣＡＢ＝∠Ｃ’Ａ’Ｂ’＝∠ＡＢＤ＝∠Ａ’Ｂ’Ｄ’＝１３５°±０．０５°である。また、ＡＡ’Ｃ’Ｃ面、ＢＢ’Ｄ’Ｄ面、ＡＡ’Ｂ’Ｂ面及びＣＣ’Ｄ’Ｄ面の４面は光学研磨されている。
【００９７】
図１０に示すように、誘電体透明平板３０に用いたＬＴ結晶は、結晶の主軸に沿って加工された直方体の形状であり、面の法線がＺ軸（光学軸）と平行な２つの面が光学研磨されている。
【００９８】
ＩｎＧａＡｌＰ半導体レーザのＰ波光をダブプリズムの上平面であるＡＡ’Ｂ’Ｂ面と、ＬＴ結晶（誘電体透明平板）の光学研磨した平面に入射して、ブリュースター角を測定し、それぞれの屈折率を求めた。ダブプリズムの屈折率ｎｐは1.51370であり、ＬＴ結晶の正常屈折率は、ｎc＝2.17236であった。
【００９９】
また、コロイド液３３を入れる小型セル３６は、外径10mm、内径8mm、高さ10mmの円形のガラスセルである。小型セル３６に蓄えられるコロイド液３３は約1mlである。
【０１００】
まず、測定精度をチェックするため、精製水の屈折率を測定した。図１１に、測定温度を１８℃として精製水を測定したときの光検出信号（反射光を光電変換した光検出器の出力信号）と入射角度θ1との関係を示す。光検出信号が最小となる入射角度θ1は、50.380°であり、式（５）より、水の屈折率は1.33050であった。測定結果は、公表値（理科年表、波長670nm、温度１８°において1.33054）とよく一致しており、本実施形態の測定系で水の屈折率を精度よく測定できることを確認した。
【０１０１】
次に、乳脂肪率がそれぞれ０．１％（無脂肪）、１．８％（低脂肪）、２．３％（中脂肪）、３．０％（中脂肪）、３．７％（高脂肪）である５種類の牛乳の屈折率を、１８℃の環境において測定した。
【０１０２】
図１２に、乳脂肪２．３％の中脂肪牛乳を測定したときの光検出信号と入射角度θ1との関係を示す。５種類の牛乳のそれぞれについて測定した光検出信号が最小となる入射角度θ１に基づき求めた屈折率を表１に示す。
【０１０３】
【表１】
2013167477.tif 000022
【０１０４】
図１３は、乳脂肪率と牛乳の屈折率との関係を示す測定結果である。図１３の測定結果は、本実施形態の屈折率測定装置及び屈折率測定方法が、コロイド液３３の一種である牛乳の屈折率を精度よく測定できることを示している。また、本実施形態の手法によれば、コロイド液３３表面からの反射光の強度を測定するため、大きな吸収率をもつコロイド液３３も測定することができる。また、コロイド液３３の蓋の役目をする誘電体透明平板３０（図１参照）或いはダブプリズム３２（図３参照）として屈折率の大きな誘電体材料を用いれば、全てのコロイド液３３の屈折率を測定することができる。
【０１０５】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  光源、１２  回転ステージ、１４  光ファイバ、１６  光学系、１８  偏光板、２０  光検出器、２１  波長板、２２  ピンホール、３０  誘電体透明平板、３２  ダブプリズム、３３  コロイド液、３４  ダブプリズム、３５  斜面、３６  小型セル、３８  マッチング液、４０  演算装置、４２  演算処理部、４４  記憶部
【図１】
2013167477.tif 000026
【図２】
2013167477.tif 000027
【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】
2013167477.tif 000032
【図８】
2013167477.tif 000033
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2013167477.tif 000036
【図１２】
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【図１３】
2013167477.tif 000038