JP6915867B2 - 光学特性測定装置 - Google Patents
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Description
試料の表面に光を照射する光源と、
前記表面から所定の距離だけ内側に該表面に最も近い節が位置する、該表面に垂直な音響定在波を前記試料中に形成する定在波形成器と、
前記光入射表面に対して前記光源と同じ側に配置された、前記試料の表面から出射された光を検出する検出器と
を備えたものである。
先願の装置は、試料内に音響定在波が形成されると試料内に密度が高い部分と低い部分(つまり「粗密」)が生じる現象を利用している。
上記「試料の表面から所定の距離だけ内側に節が位置する、前記光入射に垂直な音響定在波」は、試料の表面に垂直な方向に沿って腹と節が順に並ぶ定在波をいう。
先願の装置では、定在波形成器により試料セルに収容された液体試料の内部に、その表面(液面)から所定の距離だけ内側に節が位置する、該液面に垂直な音響定在波を形成する。これにより、液体試料の内部では、液体試料中の成分が節近傍に凝集して該節近傍の密度が増加し、その部分(以下、節部分)の屈折率が、腹部分を含むその他の部分よりも高くなる。前記音響定在波は、液面から所定の距離だけ内側に該液面に最も近い節(液面から1番目の節)が位置するものであることから、液体試料の内部では、1番目の節部分と、該1番目の節部分と液面によって挟まれた部分との間で屈折率差が生じ、この屈折率差による見かけ上の反射面が形成される。このように、液体試料の内部に音響定在波が形成されている状態で光源からの光を液面に照射すると、その光の一部は液面で反射され、一部は液面から液体試料の内部に進入した後、上記した見かけ上の反射面で反射されて液面から出射し、検出器により検出される。つまり、液面から出射される光には、液面における反射光と、液体試料内部の見かけ上の反射面による反射光が含まれることになる。見かけ上の反射面による反射光は液体試料の内部を前記所定の距離の倍の距離だけ通過(往復)した光であり、試料の光学特性を反映したものとなる。
a) 試料セルと、
b) 前記試料セルに収容された液体試料の液面から所定の距離だけ内側に、該液面に最も近い節が位置する、該液面に垂直な音響定在波を該液体試料の内部に形成する定在波形成器と、
c) 所定の音響インピーダンスを有する材料からなり、その内部に前記液体試料が流入し、上端が前記液面よりも上方に、下端が前記節よりも下方に位置するように配置される筒状体と、
d) 前記筒状体の内部の液面に測定光を照射する光源と、
e) 前記液面から出射される光を検出する検出器と
を備えることを特徴とする。
A(λ)=−log10[I(λ)/((1−α(λ))×I0(λ))]
筒状体23の効果を確認するために、試料20(純水)を収容した試料セル21の底面に載置した超音波振動子41の超音波発生面の中心位置の上部に素材が異なる筒状体23(いずれも内径5mm)を配置し、液面及び仮想反射面をOCT(光干渉断層計)により観察した。使用した筒状体23の材料は金属(アルミニウム、銅、真鍮)及び軟質材(ビニール、アメゴム、シリコーン)である。アメゴムは天然ゴムの一種である。図8にアルミニウムからなる筒状体23を用いたときの様子、図9にビニールからなる筒状体23を用いたときの様子を示す。
次に、筒状体23を二重管構造にした場合の効果を検証する実験も行った。この実験では、シリコンチューブ(内径4mm、外径6mm、長さ20mm)とビニールチューブ(内径4mm、外径6mm、長さ20mm)の外側に、それぞれアクリル製のカバー(内径6mm、外径15mm、長さ20mm)を取り付けた二重管構造の筒状体23を用いて上記同様の実験を行った。また、比較のために、シリコンチューブ、ビニールチューブ、及び銅チューブ(シリコンチューブ及びビニールチューブの形状は上記同様。銅チューブは内径4mm、外径5mm、長さ20mm。カバーなし)を筒状体23として用いた実験も行った。なお、上述の実験1とは使用した超音波振動子の種類が異なるため、印加電圧の大きさが上記実験と異なっている。
まず、超音波振動子に4Vの電圧を印加した場合には、銅チューブ以外の筒状体23の全てについて液面が安定する効果が確認された。そこで、印加する電圧を15Vまで高めたところ、シリコンチューブ及びビニールチューブについては液面の揺れが見られた一方、それぞれにカバーを取り付けた筒状体23を用いた構成では液面の揺れが見られなかった。これは、シリコンチューブやビニールチューブといった軟質材からなるチューブのみを用いた場合、超音波の強度が大きくするとその直筒形状に撓み等が生じて音圧波面の伝搬の鉛直方向の指向性が低下するのに対し、それらチューブの直筒形状を維持するための補助部材を用いると、強度の大きい超音波を付与した場合でも音圧波面の伝搬の鉛直方向の指向性を維持できるためであると考えられる。この実験では筒状体23を二重管構造としたが、補助部材(上記実験におけるアクリル製のカバー)の形状は必ずしも筒状である必要はなく、シリコンチューブ等の外周面を螺旋状に周回するばね形状の部材や、チューブの外周の長手方向に取り付けられる支持部材等を用いることによっても同様の効果が期待できる。
本実施例の筒状体23を用いる効果を検証するために別の実験も行った。この実験では、本実施例の光学特性測定装置として、各辺が25mmである立方体状のアクリル製の試料セル21内に、ゴムチューブの外側にアクリル製のカバーを配した二重管構造の筒状体23(外径15mm、内径7mm、高さ20mm)を配置した(実施例)。また、比較例として直径32mm、高さ15mmのポリプロプレンからなるポーション容器を試料セル121(筒状体なし)として用いた(比較例)。実施例の試料セル21を図11に、比較例の試料セル121を図12にそれぞれ示す。また、実施例の試料セル21と比較例の試料セル121のそれぞれの底面に同一の超音波振動子41(141)を載置した。この実験では、実施例の試料セル21と比較例の試料セル121にそれぞれ着色した水を収容し、液面に対して53度の入射角で中心波長565nmの光を照射し、その反射光強度を測定した。装置の全体構成を図13に示す。なお、上述の実験1及び2とは使用した超音波振動子の種類が異なるため、印加電圧の大きさが上記実験と異なる。
20…液体試料(試料)
20A…対照試料
21、121…試料セル
23…筒状体
30…光源
41、141…超音波振動子
42…駆動部
421…交流電源
422…周波数調整部
423…振幅調整部
424…操作部
50…検出器
70…データ処理部
71…データ収集部
72…データ解析部
73…データベース
74…吸光度算出部
81…入力部
82…モニタ
83…ハーフミラー
90…光学特性測定装置
90a…本体部
90b…蓋部
91…蓋部本体
92…光源
93…検出器
94…反射部材
95…筒状体
Claims (10)
- a) 試料セルと、
b) 前記試料セルに収容された液体試料の液面から所定の距離だけ内側に、該液面に最も近い節が位置する、該液面に垂直な音響定在波を該液体試料の内部に形成する定在波形成器と、
c) 所定の音響インピーダンスを有する材料からなり、その内部に前記液体試料が流入し、上端が前記液面よりも上方に、下端が前記節よりも下方に位置するように配置される筒状体と、
d) 前記筒状体の内部の液面に測定光を照射する光源と、
e) 前記液面から出射される光を検出する検出器と
を備えることを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1に記載の光学特性測定装置において、
前記筒状体の外周に、該筒状体の形状を維持するための補助部材が取り付けられている
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1又は2に記載の光学特性測定装置において、さらに、
f) 前記光源からの光が前記液体試料に照射されたときの前記検出器の検出結果に基づき、該液体試料の光学特性を求める光学特性算出器
を備え、
前記光学特性算出器が、前記定在波形成器により前記液体試料の内部に音響定在波が形成されているときの前記検出器の検出結果に基づき、該液体試料の光学特性を求める
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項3に記載の光学特性測定装置において、さらに、
g) 前記音響定在波形成器により前記液体試料の内部に前記音響定在波が形成されている第1状態と前記液体試料の内部に前記音響定在波が形成されていない第2状態に切り替える切替器と
を備え、
前記光学特性算出器が、前記第1状態にあるときの前記検出器の検出結果と、前記第2状態にあるときの前記検出器の検出結果とから、前記液体試料の光学特性を求める
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項3に記載の光学特性測定装置において、さらに、
h) 前記定在波形成器により対照試料の内部に前記音響定在波が形成されている状態で該対照試料に前記光源からの光が照射されたときの前記検出器の検出結果である対照試料検出結果を記憶する記憶部を備え、
前記光学特性算出器が、前記定在波形成器により前記液体試料の内部に音響定在波が形成されている状態で前記液体試料の表面に光を照射したときの前記検出器の検出結果と、前記対照試料検出結果とから、前記液体試料の光学特性を求める
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1から5のいずれかに記載の光学特性測定装置において、さらに、
i) 前記定在波形成器が形成する前記音響定在波の波長を変更する波長変更器
を備えることを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1から6のいずれかに記載の光学特性測定装置において、
前記定在波形成器が、音波振動子と、該音波振動子が発する音波振動の周波数及び/又は振幅を変更する音波振動変更部とを備える
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項5に記載の光学特性測定装置において、
前記液体試料が既知物質と未知物質からなる複合試料であり、前記対照試料が前記既知物質である
ことを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1から8のいずれかに記載の光学特性測定装置において、
前記光源が、所定の波長範囲の光を出射する多波長光源であり、
前記検出器が、波長毎の光の強度を測定する分光光度計であることを特徴とする光学特性測定装置。 - 請求項1から9のいずれかに記載の光学特性測定装置において、
前記検出器が、光干渉断層計であることを特徴とする光学特性測定装置。
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