以下、この発明に係る対象物の物理量測� ��方法及び対象物の物理量制御方法の各実施� ��を、図1~図14を参照して詳細に説明する。な お、図面の説明において、同一部位、同一箇 所には同一符号を付して重複する説明を省略 する。

 図1~図3を参照しながら、この発明に係る� ��定方法及び制御方法の一実施例について説� ��する。なお、図1は、この発明に係る対象物 の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方 法の一実施例を実現する概略構成を示す平面 図である。図2は、図1に示された素子(光導波 路が素子内に配置された構成)の断面図であ� �、領域(a)は、流路と光導波路が異なる構成� �示し、領域(b)は流路が光導波路を兼ねた構� �を示す。また、図3は、BOCDA方式の光センシ� �グ装置の構成を示す模式図である。

 図1において、測定/制御対象となる素子1� ��、ガラス製の基板2中に数十~数百μm径の流� �3がループ状に(二次元的に)形成された微細� �造物である。素子1は、その流路3の一端側か ら流入した対象物としての流動体が他端側か ら流出させるとともに、流路3中にて所定の� �学プロセスが行われるよう、例えば加熱/冷� ��手段(物理量調整手段50に含まれる)などを備 えたマイクロ化学チップである。

 また、基板2中に二次元的に形成された光 導波路4の一端は、接続用の光ファイバ5aを介 して測定器本体5と光学的に接続される一方� �光導波路4の他端は、測定用の光ファイバ5b� �介して測定器本体5と光学的に接続されてい� ��。これら接続用の光ファイバ5a、5bは、基板 2の外に配置されており、それぞれの一端が� �定器本体5に接続されることで、光導波路4が 、BOCDA方式(連続光波の相関制御法によるブリ ルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布 型センシング技術)のセンサヘッドとして機� �するようになっている。

 光導波路4は、例えば図2中の領域(a)に示� �れたように、基板2中に埋設された光ファイ� ��であってもよく、また、基板2自体に直接形 成されてもよい。光導波路4は、図2中の領域( b)に示されたように、流路3自体が光導波路4� �して機能してもよい。また、光導波路4は、� ��2中の領域(a)に示されたように、流路3の下� �に沿うように形成されてもよく、また、流� �3に沿って該流路3の上方又は側方に形成され てもよい。さらに、流路3は、基板2の表面に� ��成されてもよい。この場合、光導波路4は、 流路3の下方又は側方に形成されるか、ある� �は、流路3自体が光導波路4として機能するこ とができる。

 BOCDA方式の光センシング装置は、図3に示� ��れたように構成されている。すなわち、測� ��器本体5は、光源としてのレーザダイオード (LD)6を備えるとともに、プローブ光の生成系� ��、ポンプ光生成系と、測定系から構成され� ��。プローブ光生成系は、3dBカプラ7と、偏波 コントローラ8と、マイクロ波発生器により� �御される位相変調器(LNmod.)9と、アイソレー� �90そ備える。ポンプ光生成系は、3dBカプラ7� �、偏波コントローラ10と、強度変調器(IM)11と 、遅延線12と、光ファイバアンプ(EDFA)13と、� �イソレータ130と、サーキュレータ14を備える 。測定系は、サーキュレータ14と、光フィル� ��15と、フォトダイオード16と、ロックインア ンプ(LIA)17と、コンピュータ18を備える。

 まず、LD6から出力された光は、3dBカップラ7 で2光波成分に分岐される。一方の光は、偏� �コントローラ(PC)8を介して、位相変調器(LNmod .)9で約11GHz周波数がシフトされる。この周波� ��シフトされた光が、プローブ光P ₂ として、アイソレータ90、接続用光ファイバ5 aを順に伝搬し、光導波路4の一端側に入射す� ��。他方の光は、偏波コントローラ10、強度� �調器(IM)11、遅延線12を介して、光ファイバア ンプ(EDFA)13で増幅される。この増幅光が、ポ� ��プ光P ₁ として、アイソレータ130、接続用光ファイバ 5bを順に伝搬し、光導波路4の他端側に入射す る。このように、ポンプ光とプローブ光は光 導波路4中を対向伝搬し、誘導ブリルアン散� �(SBS)が発生する。このとき、プローブ光P ₂ は、ストークス光のゲインスペクトル(BGS)に� ��応したゲインだけ増幅される。増幅された� ��ローブ光は、サーキュレータ14を介して光� �ィルタ15に導かれる。光フィルタ15により不� ��光成分が除去された後、プローブ光P ₂ は、フォトダイオード(PD)16、ロックインアン プ(LIA)17などにより、BGSが検出される。制御� �18(コンピュータ)は、このBGSの検出結果に基� ��いて、素子1中における対象物の物理量を測 定する。さらに、制御部18は、対象物の物理� ��を調整するよう、物理量調整手段50を制御� �る(この発明に係る対象物の物理量制御方法) 。

 上述のBOCDA方式において、ポンプ光P ₁ 及びプローブ光P ₂ の周波数は、LD6の注入電流を正弦波状に変化 させることで変調される。このため、光導波 路4の長手方向にポンプ光P ₁ 及びプローブ光P ₂ の周波数差が一定となる相関の高い位置(相� �ピーク)と低い位置が生成され、相関ピーク� ��みで大きなSBSが発生する。

 この結果、特定位置でのストークス光のBGS� ��報を得ることができ、ポンプ光P ₁ 、プローブ光P ₂ の周波数変調パターンを順次変化させること により、流路3中の流動体(対象物)の温度、屈 折率、圧力、流速、光吸収損失などの物理量 が、高精度かつ短時間に測定可能になる。

 また、上述のBOCDA方式では、ポンプ光P ₁ 及びプローブ光P ₂ の周波数変調パターンを調整することで、長 手方向の空間分解能、測定範囲、測定時間な どを自由に調整することができる。すなわち 、被測定物における物理量の時間的変化や分 布を的確に捉えるためには、対象物における 分布変化の位置の面での細かさや広がり、変 化の速度と、光導波路4による長手方向の空� �分解能、測定範囲、測定時間とが対応して� �ることが重要である。

 一例を挙げると、典型的な光ファイバ中の� ��速度2.0×10 ⁸ m/秒、BGS線幅50MHzにおいて、既存のレーザダ� �オード(LD)で実現可能な周波数変調の振幅2GHz 、変調周波数100MHzとすると、長手方向の空間 分解能(dz)は約1cmが可能になる。

 また、BOCDA方式では連続光を使用するた� �、パルス法に比べてOSNR(光信号と雑音との強 度比)が良く、光信号の積算、平均化の必要� �ない。そのため高速な測定が可能であり、� �定点1箇所あたり57Hzでの測定が確認されてい る。

 このように得られた対象物の物理量に関� ��る測定データは、測定器本体5に内蔵された 、パーソナルコンピュータなどで構成される 制御部18に送られ蓄積される。制御部18は、� �の測定データに基づいて、例えば、素子1が� ��える加熱/冷却手段(物理量調整手段50に含ま れる)を調整することで化学プロセスの制御� �行うこともできる。

 以下、より具体的な測定方法及び制御方� ��について説明する。

 (温度の測定)
  温度測定では、図1、図2中の領域(a)及び図 3に示されたように、素子1の流路3に沿って設 けられた光導波路4の一端側からプローブ光P ₂ が入射され、他端側からポンプ光P ₁ が入射される。光導波路4中をポンプ光P ₁ とプローブ光P ₂ が対向伝搬すると、相関ピークでBGSが検出さ れ、この測定データが制御部18に送られる。B GSの中心周波数とスペクトル形状は温度によ� ��て変化し、中心周波数、スペクトル形状と� ��度との対応は、予め制御部18のメモリに蓄� �されている。よって、BGSの中心周波数又は� �ペクトル形状を測定することで、流路3中を� ��動する被測定物の所望箇所の温度又は流路3 の長手方向に沿った温度分布を測定すること ができる。なお、温度の制御は、得られた測 定データに基づいて、制御部18が直接、物理� ��調整手段50に含まれる加熱/冷却手段を制御� ��ることにより行われる。

 (屈折率の測定)
  屈折率測定では、図1、図2中の領域(b)及び 図3に示されたように、素子1の流路3自体が光 導波路4に設定される。この光導波路4の一端� ��からプローブ光P ₂ が入射され、他端側からポンプ光P ₁ が入射される。この場合も相関ピークでBGSが 検出され、その測定データが制御部18に送ら� ��る。この場合、流路3の屈折率制御は、制御 部18の指示に従って物理量調整手段50が流路3� ��温度を調整することにより、間接的に調整� ��能である。また、流路3内の流動体の屈折率 制御では、該流動体に加わる圧力や流速の調 整(この場合、物理量調整手段50は、流路3へ� �試薬等の流動体注入量や排出量を調整する)� ��よっても間接的に屈折率制御は可能である� ��

 なお、BGSの中心周波数υ _B は、以下の式(1)で表される。
  ただし、nは光導波路4の屈折率、v _a は光導波路4の音速、λは真空中での光波長で ある。屈折率nに比例してBGSの中心周波数υ _B が変化する。中心周波数と屈折率との対応は 、予め制御部18のメモリに蓄積されている。� ��れにより、BGSの中心周波数υ _B を測定することで、流路3中の対象物(流動体) の屈折率の変化が測定できる。

 例えば、対象物がガラスの場合、音速5960m/s 、屈折率1.44とし、光波長1.55μmにおけるBGSの� ��心周波数は11.07GHzである。屈折率変化によ� �中心周波数の変化は、屈折率10 ^-4 当たり769kHzとなる。

 一方、対象物(流動体)が水の場合、音速1500m /s、屈折率1.321とし、光波長1.55μmにおけるBGS� ��中心周波数は2.56GHzである。屈折率変化によ る中心周波数の変化は、屈折率10 ^-4 当たり194kHzとなる。

 (圧力の測定)
  圧力測定では、図1、図2の領域(a)及び図3� �示されたように、素子1の流路3に沿って設け られた光導波路4の一端側からプローブ光P ₂ が入射され、他端側からポンプ光P ₁ が入射させる。この場合もBGSが相関ピークで 検出され、その測定データが制御部18に送ら� ��る。

 BGSの中心周波数は、光導波路4の長手方向 の歪に比例してシフトする。中心周波数と歪 み、圧力との対応は、予め制御部18のメモリ� ��蓄積されている。よって、流路3に沿って光 導波路4を形成することで、流路3中の対象物( 流動体)の圧力を歪として測定することがで� �る。この場合、流動体の圧力制御は、制御� �18が、測定データに基づいてに物理量調整手 段50を制御することにより行われる。すなわ� ��、制御部18の指示に従って、物理量調整手� �50が流路3に注入される試薬等の流動体の注� �量や排出量を調整することで、流動体の圧� �を間接的に調整することが可能になる。

 なお、この圧力測定の場合、図4に示され たように、光導波路4が流路3に対し、繰り返� ��直交する方向に交差するよう形成されるの� ��好ましい。圧力は流路3の径方向に対しセン シティブだからである。

 (流速の測定)
  この流速測定では、図1、図2の領域(b)及び 図3に示されたように、流路3内の流動体(対象 物)自体が光導波路4として設定される。光導� ��路となる流路3の一端側からプローブ光P ₂ が入射され、他端側からポンプ光P ₁ が入射される。これによりBGSが相関ピークで 検出され、その測定データが制御部18に送ら� ��る。なお、流動体の流速制御も、制御部18� �、測定データに基づいて物理量調整手段50を 制御することにより行われる。すなわち、制 御部18の指示に従って物理量調整手段50が流� �3に注入される試薬等の流動体の注入量や排� ��量を調整するすることで、流動体の流速を� ��接的に調整することで可能になる。

 流路3内を流動体が流れている場合、BGSの中 心周波数υ _B は、ドップラー効果により流速に比例して変 化する。BGSの中心周波数υ _B は、流速ゼロのとき、以下の式(2)で表される 。
  ここで、v _a はポンプ光の進行方向が正の値をとる。また 、流速をv _s (ポンプ光の進行方向が正の値)とすると、中� ��周波数υ _B は、以下の式(3)で表される。
  ここで、中心周波数υ _B と被測定物(流体)の流速との対応は予め制御� ��18に蓄積されている。よって、前記したよ� �に流体の中心周波数υ _B を測定することで、流路3中の流体の流速を� �定することができる。

 例えば、流路3中を水(被測定物)が流れてい� ��場合、音速1500m/s、屈折率1.321とすると、光� ��長1.55μmにおけるBGSの中心周波数υ _B は流速ゼロの場合2.56GHzで、流速による中心� �波数υ _B の変化は、流速10cm/s当たり170kHzになる。

 (吸収損失の測定)
  吸収損失測定では、図1、図2の領域(a)及び 図3に示されたように、流路3に沿って設けら� ��た光導波路4が利用される。なお、図2の領� �(b)に示されたように、流路3自体が光導波路4 として利用されてもよい。また、図5の領域(a )及び(b)に示されたように、基板2の上面に、� ��象物が充填される複数のセル(凹部)20が所定 の配列パターンで形成され、それぞれのセル 20に近接するように形成された光導波路4が利 用されてもよい。それぞれのセル20内に充填� ��れた対象物自体が光導波路4の一部を構成し てもよい。

 光導波路4の各所で発生するブリルアンゲイ ンは、ポンプ光P ₁ とプローブ光P ₂ のパワーに比例する。ポンプ光P ₁ とプローブ光P ₂ の相互作用によるパワーの増減を無視すれば 、各所で発生するブリルアンゲインは一定で ある。光導波路4上で発生する吸収損失は場� �により異なり、分布的にこのブリルアンゲ� �ンを測定することで、吸収損失分布を測定� �ることができる。なお、流路3の吸収損失制� ��は、得られた測定データに基づいて、制御� ��18が流路3の反応状態を推定し、流路3の反応 状態が所望の反応状態になるよう調整するこ とにより、間接的に行われる。すなわち、制 御部18の指示に従って物理量調整手段50が加� �、冷却、試薬等の流動体の注入量や排出量(� ��動体自体の圧力、流速制御)などを調整する ことにより、流路3の反応状態が意図的に変� �され、結果的に、流路3の吸収損失が間接的� ��制御される。

 それぞれのセル20が測定点である場合(図5の 領域(a)及び領域(b)参照)、図6に示されたよう� ��、測定点間のゲインを相関値として比較す� ��ことにより、測定点で受けた吸収損失を制� ��部18にて算出することができる。詳しくは� �図6において、ポンプ光のパワーがP ₁ 、これと対向伝搬するプローブ光のパワーが P ₂ とし、図のように吸収損失α、βが光導波路� �分布していると仮定する。この場合、単位� �当たりのブリルアンゲインは光導波路のど� �でも、δgとなる。この場合、プローブ光P ₂ とともに測定されるブリルアンゲインは、最 もプローブ光源に近い(サーキュレータ14から 最も遠い)光導波路の箇所で発生したブリル� �ンゲインがαβδgと測定され、次に近い箇所� ��発生したブリルアンゲインがαδgと測定さ� �、最も遠い(サーキュレータ14に最も近い)箇� ��で発生したブリルアンゲインがδgと測定さ� ��る。これらを基準値と比較することにより� ��光導波路4の任意の各所の吸収損失α、βが� �められる。

 なお、上述の温度、屈折率、圧力の各測� ��において、流路3に代えて複数のセル20が適� ��されてもよい。

 (複数の素子の場合)
  次に、上述のような構造を有する複数の� �子について対象物の物理量測定が行われる� �合、図7に示されたように、それぞれの素子1 の光導波路4を、接続用の光ファイバ5cにより 光学的に結合することで1本の光導波路が構� �される(素子群を構成)。その両端を接続用の 光ファイバ5a、5bを介して測定器本体5に光学� ��に接続すれば、素子群を構成する素子1それ ぞれにおける光導波路4において、各種測定� �一括して行うことができる。

 なお、上述の例において、基板2、流路3� �光導波路4の形状、形態などは図示の形状等� ��限定されず、用途、被測定物の特性、測定� ��的などに応じて任意に選択可能であること� ��言うまでもない。

 (光導波路を別部材とする場合)
  図8~図14には、上述の光導波路4を素子1と� �異なる取付用部材(光導波路チップ30a~30c)に� �成し、該光導波路チップ30a~30cのいずれかを� ��子1に取り付ける例が示されている。

 まず、光導波路4が一次元的に配置された 光導波路チップ30aの構造について図8及び図9� ��参照しながら説明する。図8は、素子1とは� �に一次元的に配置された光導波路4を含む光� ��波路チップ30aの構造を示す平面図(領域(a))� �び側面図(領域(b))である。また、図9は、図8� ��領域(a)中のI-I線に沿った光導波路チップ30a� ��断面図であって、該光導波路チップ30aと素� ��1の結合状態を示す断面図である。

 この光導波路チップ30aは、図8の領域(a)及 び領域(b)に示されたように、四角形状のガラ ス基板33上と、クラッド層31と、該クラッド� �31とともに一次元的に形成された光導波路4� �、該クラッド層31の上面にカバー部材として 形成されたクラッド層32を備える。なお、光� ��波路4の両端4a、4bは、クラッド層31の端面に 位置し、それぞれ拡径処理されている。これ により、端部4a、4bに接続用の光ファイバ5a、 5bが結合され、測定器本体5(図3参照)に光学的 に接続される。この場合、光導波路4がBOCDA方 式のセンサヘッドとして機能する。このよう に構成された光導波路チップ30aが、光導波路 4を備えない通常のマイクロ化学チップやICチ ップなどの素子1に任意に取り付けて使用さ� �る(図9参照)。

 次に、光導波路4が二次元的に配置された 光導波路チップ30bの構造について図10及び図1 1を参照しながら説明する。図10は、素子1と� �別に二次元的に配置された光導波路4を含む� ��導波路チップ30bの構造を示す平面図(領域(a) )及び側面図(領域(b))である。また、図11は、� ��10の領域(a)中のII-II線に沿った光導波路チッ プ30bの断面図であって、該光導波路チップ30b と素子1の結合状態を示す断面図である。

 この光導波路チップ30bも、図10の領域(a)� �び領域(b)に示されたように、四角形状のガ� �ス基板33上と、クラッド層31と、該クラッド� ��31とともに二次元的に形成された光導波路4� ��、該クラッド層31の上面にカバー部材とし� �形成されたクラッド層32を備える。なお、光 導波路4の両端4a、4bは、クラッド層31の端面� �位置し、それぞれ拡径処理されている。こ� �により、端部4a、4bに接続用の光ファイバ5a� �5bが結合され、測定器本体5(図3参照)に光学� �に接続される。この場合、光導波路4がBOCDA� �式のセンサヘッドとして機能する。このよ� �に構成された光導波路チップ30bが、光導波� �4を備えない通常のマイクロ化学チップやIC� �ップなどの素子1に任意に取り付けて使用さ� ��る(図11参照)。

 一方、光導波路チップ30bは、図12の領域(a )に示されたような、接続用の光導波路チッ� �30b'と連結することにより(図12の領域(b)参照) 、図7に示された複数素子それぞれにおける� �象物の物理量を測定することも可能である� �なお、3枚以上の光導波路チップが連結され� ��場合には、図10に示された、二次元的に光� �波路4が配置された光導波路チップ30bと、図1 2(a)に示された連結用の光導波路チップ30b’� �交互に配設すればよい。ここで、図12は、図 10に示された光導波路チップ30bに結合される� ��合用の光導波路チップ30b'の平面図(領域(a))� ��び結合状態を示す平面図(領域(b))である。

 さらに、光導波路4が三次元的に配置され た光導波路チップ30cの構造について図13及び� ��14を参照しながら説明する。図13は、素子1� �は別に三次元的に配置された光導波路4、4’ を含む光導波路チップ30cの構造を示す平面図 (領域(a))及び側面図(領域(b)及び領域(c))であ� �。また、図14は、図13の領域(a)中のIII-III線に 沿った光導波路チップ30cの断面図であって、 該光導波路チップ30cと素子1の結合状態を示� �断面図である。

 具体的に、図13に示された光導波路チッ� �30cは、複数の光導波路チップ30b(図10参照)同� ��を多段状に重ねることにより得られる。上� ��の光導波路チップにおける光導波路4、4’� �方向を適宜選択することで、例えば図13に示 すような、碁盤目状の光導波路4、4’が実現� ��れる。図13に示された光導波路チップ30cに� �れば、上下の光導波路4,4によって測定点が� �り多点になるので、より高精度な測定が可� �になるなどの効果がある。

 このような光導波路チップ30cにおいても� ��チップ形状や光導波路形態は、測定対象と� ��ての素子1や流路3の形状、対象物の特性又� �測定目的などに応じて適宜に選択可能であ� �ことは言うまでもない。

 なお、図9、図11、及び図14において、素� �1は、例えば上述のマイクロ化学チップであ� ��て、ガラス製基板の上面に数十~数百μm径の 流路3がループ状に2次元配置されている。素� ��1と光導波路チップ30(30a~30c)は、流路3が形成 された素子面とクラッド層32とが接するよう� ��互いに重ね合わされた状態で、流路3上に光 導波路4が位置するように位置調整される。� �置合わせは、素子1上に形成された位置合わ� ��マーカー(図示せず)と、光導波路チップ30(30 a~30c)に形成された位置合わせマーカー34を合� ��せるようにしてもよい。

 以上の本発明の説明から、本発明を様々� ��変形しうることは明らかである。そのよう� ��変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱す� ��ものとは認めることはできず、すべての当� ��者にとって自明である改良は、以下の請求� ��範囲に含まれるものである。