CH679891A5 - - Google Patents
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Description
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Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Interferenz-Refraktometer zur integralen Messung des Brechurtgsin-dexes der Luft mit evakuierter Messkammer als Referenz. The invention relates to an interference refractometer for integral measurement of the refractive index of the air with an evacuated measuring chamber as a reference.
In der interferometrischen Längenmesstechnik ist der Interferenzstreifenabstand einer kohärenten Strahlung Massstab der Messung. Dieser Interferenzstreifenabstand ist im Vakuum konstant und entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit zur Frequenz der Strahlung. Die Meter-Definition von 1983 legt die Längeneinheit als Laufzeit einer elektromagnetischen Strahlung im Vakuum fest. Zur Realisierung der Meter-Definition werden einige genau bekannte und hinreichend stabile Strahlungsquellen bezeichnet, mit deren Vakuumwellenlängen die Längeneinheit Meter interferome-trisch dargestellt werden kann. Ein Refraktometer mit einer Vakuummesskammer als Referenz ist eines der wenigen Instrumente, in welchem die Meter-Definition verwirklicht werden kann, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden. In interferometric length measurement technology, the interference fringe spacing of a coherent radiation is the measure of the measurement. This interference fringe distance is constant in a vacuum and corresponds to the ratio of the speed of light to the frequency of the radiation. The 1983 meter definition defines the unit of length as the transit time of electromagnetic radiation in a vacuum. In order to implement the meter definition, some well-known and sufficiently stable radiation sources are designated, with whose vacuum wavelengths the length unit meter can be represented interferometrically. A refractometer with a vacuum measuring chamber as a reference is one of the few instruments in which the meter definition can be implemented if certain requirements are met.
Die Genauigkeit von interferometrischen Längenmessungen wird von sekundären Einflüssen begrenzt, insbesondere der Temperatur und der Messung des Brechungsindexes der Luft. Ermittelt man diesen durch parametrische Messungen, so erreicht man eine relative Genauigkeit von ca. 5 • 10-7, misst man mit einem Refraktometer integral, so ist 5 • 10-8 realisierbar. Allen refraktometrischen Messmethoden und Instrumenten ist gemeinsam, dass sie sich auf die Länge der refraktometrischen Messstrecke beziehen und dass diese im Instrument, in seiner Gebrauchslage, nicht nachgemessen werden kann. Die Kammerlänge wird über eine Sekundärmessung in freier Atmosphäre, die meist nicht direkt auf die Meter-Definition von 1983 rück-führbar ist, bestimmt. Durch das meist nachträgliche Evakuieren der Messkammer wird deren Länge infolge des dadurch auftretenden atmosphärischen Druckes verändert. Diese Längenänderung ist abhängig vom Elastizitätsmodul des verwendeten Materials. The accuracy of interferometric length measurements is limited by secondary influences, in particular the temperature and the measurement of the refractive index of the air. If this is determined by parametric measurements, a relative accuracy of approx. 5 • 10-7 is achieved, if one measures integrally with a refractometer, 5 • 10-8 can be achieved. All refractometric measuring methods and instruments have in common that they refer to the length of the refractometric measuring section and that this cannot be measured in the instrument in its position of use. The chamber length is determined via a secondary measurement in an open atmosphere, which is usually not directly traceable to the 1983 meter definition. Due to the mostly subsequent evacuation of the measuring chamber, its length is changed due to the resulting atmospheric pressure. This change in length depends on the modulus of elasticity of the material used.
Die die Vakuumkammer abschliessenden Glasplatten erfahren durch den atmosphärischen Druck eine Änderung des Brechungsindexes und der Form, der als Fehler in die Messung eingeht, sofern diese Platten Teil der Messstrecke sind. The glass plates closing the vacuum chamber experience a change in the refractive index and the shape due to the atmospheric pressure, which is included in the measurement as an error if these plates are part of the measuring section.
Es ist deshalb wichtig, dass mit dem Refraktometer, durch welches genauigkeitsbegrenzende Einflüsse auf die Längenmessung behoben werden sollen, nicht neue, anderer Art eingeführt werden. It is therefore important that the refractometer, which is used to correct accuracy-limiting influences on the length measurement, does not introduce new, different types.
Es sind Refraktometer bekannt, die ein oder mehrere Paare von Vakuum- und Luftkammern aufweisen. Die dazugehörigen Messsysteme sind wegmessende Interferometer. Refractometers are known which have one or more pairs of vacuum and air chambers. The associated measuring systems are position measuring interferometers.
Diese in der Metrologia 22 (1986), pp. 279-287 von Schellekens et al. veröffentlichten Refraktometer sind jedoch nicht so ausgebildet, dass die Längen der Vakuum- und die der Luftkammer einzeln in ihrer Gebrauchsstellung gemessen werden können. This in Metrologia 22 (1986), pp. 279-287 to Schellekens et al. However, published refractometers are not designed so that the lengths of the vacuum and that of the air chamber can be measured individually in their position of use.
Als wegmessendes Interferometer soll ein Instrument verstanden werden, welches den Messweg dynamisch abfährt und dabei die Interferenzen einer kohärenten Wellenlänge zählt. An interferometer is to be understood as an instrument that dynamically travels the measuring path and counts the interference of a coherent wavelength.
Als entfemungsmessendes Interferometer soll ein Instrument verstanden werden, welches die Distanz zwischen zwei festen Punkten statisch, durch Phasenmessung in zeitlicher Reihenfolge von mindestens zwei kohärenten Wellenlängen bestimmt. A distance-measuring interferometer is to be understood as an instrument which statically determines the distance between two fixed points by phase measurement in chronological order of at least two coherent wavelengths.
Es sind Refraktometer bekannt, die eine Vakuumkammer aufweisen, deren Länge variabel ist, dabei wird diese Längenänderung in der Gebrauchsstellung gemessen. Diese bekannten Refraktometer sind jedoch nicht so ausgebildet, dass die Längenänderung der Vakuumkammer mit der Vakuumwellenlänge Xo gemessen werden. In der chinesischen Patentschrift 86 107 252 wird eine keilförmige Vakuumkammer beschrieben, die in einem Interferometer quer verschoben wird, so dass sich ihre Länge im interferometrischen Strahlengang ändert. Die Querverschiebung wird elektromechanisch gemessen. Refractometers are known which have a vacuum chamber, the length of which is variable, this change in length being measured in the position of use. However, these known refractometers are not designed such that the change in length of the vacuum chamber is measured with the vacuum wavelength Xo. Chinese patent specification 86 107 252 describes a wedge-shaped vacuum chamber which is displaced transversely in an interferometer so that its length changes in the interferometric beam path. The transverse displacement is measured electromechanically.
Im EP 0 277 496 wird die aus einem Faltenbalg bestehende Vakuumkammer axial in ihrer Länge verändert, wobei diese Längenänderung in Luft und nicht im Vakuum gemessen wird. In EP 0 277 496 the length of the vacuum chamber consisting of a bellows is changed axially, this change in length being measured in air and not in vacuum.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer zur integralen Messung des Brechungsindexes der Luft mit evakuierter Messkammer als Referenz zu beschreiben. The invention has for its object to describe a refractometer for integral measurement of the refractive index of the air with an evacuated measuring chamber as a reference.
Das erfindungsgemäss Interferenz-Refraktometer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und/oder die Längenänderung der Vakuumkammer mit einer auf die Meter-Definition von 1983 direkt rückführbaren Frequenz im evakuierten Zustand und in ihrer Gebrauchslage interferometrisch gemessen werden. The interference refractometer according to the invention is characterized in that the length and / or the change in length of the vacuum chamber are measured interferometrically with a frequency that can be traced back directly to the 1983 meter definition in the evacuated state and in its position of use.
Wenn mit einem Interferometer die Kammerlängen der Vakuum- und Luftkammer in Gebrauchsstellung gemessen wird oder deren relative Längenänderung, so kann damit der Brechungsindex der Luft n bestimmt werden. Die Länge der Vakuumkammer ist bei dieser Messung immer die Bezugsgrösse. Wird diese als Referenz direkt mit der Vakuumwellenlänge einer definierten Frequenz, etwa einer zur Realisierung der Meter-Definition von 1983 vorgeschlagenen oder darauf rückführbaren, bestimmt, so wird das Refraktometer zu einem Frequenz-Wellenlängenkonverter und damit zu einem Basisinstrument der Längenmesstechnik. If the chamber lengths of the vacuum and air chamber are measured with an interferometer or their relative length change, the refractive index of the air n can be determined. The length of the vacuum chamber is always the reference value for this measurement. If this is determined directly as a reference with the vacuum wavelength of a defined frequency, for example one proposed or traceable for the realization of the meter definition from 1983, the refractometer becomes a frequency-wavelength converter and thus a basic instrument of length measurement technology.
Entsprechend den beiden unterschiedlichen interferometrischen Messmethoden lassen sich auch zwei Refraktometertypen beschreiben: -das dynamisch-wegmessende und - das statisch-entfernungsmessende Interferenz-Refraktometer. According to the two different interferometric measuring methods, two types of refractometers can be described: - the dynamic-displacement measuring and - the static-distance measuring interference refractometer.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 das Prinzip eines dynamischen Refraktometers zwischen zwei wegmessenden Interferometern, 1 shows the principle of a dynamic refractometer between two path-measuring interferometers,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines dynamischen Refraktometers in Verbindung mit zwei poiari-sationsoptischen Interferometern, 2 shows the basic structure of a dynamic refractometer in connection with two optical-optical interferometers,
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Fig. 3 den Aufbau eines statischen Refraktometers in Verbindung mit einem entfernungsmessen-den heterodynen Interferometer. 3 shows the structure of a static refractometer in conjunction with a distance measuring heterodyne interferometer.
im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung eines dynamischen Refraktometers für die Messung der Längenänderung der Vakuumkammer mittels zweier wegmessender Interferometer mit mehrfach gefaltetem Strahlengang. In the following, an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 shows the schematic representation of a dynamic refractometer for measuring the change in length of the vacuum chamber by means of two path-measuring interferometers with a multiply folded beam path.
Es zeigt die Fig. 1 die Vakuumkammer (1), die von einem elastischen Balg und zwei Glasplatten (2 und 3) begrenzt wird. Die Platte (2) ist gehäusefest und trägt das Planspiegelinterferometer (4), das aus einem Teilerprisma, zwei X/4 Platten, einem Referenzplanspiegel mit Kompensationsplatte, einem Tripel-prisma zur Faltung des Strahlenganges und einem Fotodetektor besteht und zu einem Block mit der Trägerplatte (2) verkittet ist. Der Messspiegel befindet sich auf der Platte (3), die axial beweglich ist. Dieser Spiegel ist auch Messspiegel für das Interferometer (5), welches gleich aufgebaut ist wie (4), nur dass es frei und gehäusefest aufgestellt ist, ohne mit der Platte (3) verkittet zu sein. 1 shows the vacuum chamber (1), which is delimited by an elastic bellows and two glass plates (2 and 3). The plate (2) is fixed to the housing and carries the plane mirror interferometer (4), which consists of a divider prism, two X / 4 plates, a reference plane mirror with compensation plate, a triple prism for folding the beam path and a photo detector and to a block with the carrier plate (2) is cemented. The measuring mirror is located on the plate (3), which is axially movable. This mirror is also a measuring mirror for the interferometer (5), which is constructed in the same way as (4), except that it is set up free and fixed to the housing without being cemented to the plate (3).
Mit dem Interferometer (4) wird die Wegänderung A L, das ist der Verschiebeweg des Messspiegeis auf der Platte (3): With the interferometer (4), the path change A L, that is the displacement of the measuring mirror on the plate (3):
A L = Xo (No + <po) A L = Xo (No + <po)
mit der Vakuumwellenlänge Xo gemessen, worin N0 (Ni) ganze Zahlen von 1/2 Wellenlängen sind und <po (<pi) deren Bruchteile. Die Wellenlänge X in Luft ist dann: measured with the vacuum wavelength Xo, where N0 (Ni) are integers of 1/2 wavelengths and <po (<pi) their fractions. The wavelength X in air is then:
worin n der Brechungsindex ist. Mit dem Interferometer (5) wird die gleiche Wegänderung in Luft gemessen: where n is the refractive index. The same path change in air is measured with the interferometer (5):
AL = IT (N1 * 31) AL = IT (N1 * 31)
damit wird: this will:
Ni * 4 " = No * Ni * 4 "= No *
Eine Voraussetzung für die Messung von Längenänderungen zur Bestimmung des Brechungsindexes sind zwei unabhängige Messsysteme. Two independent measuring systems are a prerequisite for measuring changes in length to determine the refractive index.
Eine Voraussetzung für die Stabilität des Messinstrumentes sind gleich lange Glaswege der interferometrischen Strahlengänge im Mess- und Referenzarm sowie der beiden Interferometer untereinander. A prerequisite for the stability of the measuring instrument is that the glass paths of the interferometric beam paths in the measuring and reference arm and the two interferometers are of equal length.
Aus diesem Grunde ist es zweckmässig, das Refraktometer als Differentialinterferometer aufzubauen. For this reason, it is advisable to set up the refractometer as a differential interferometer.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Fig. 2 die schematische Darstellung eines dynamischen Refraktometers für die Messung der Längenänderung der Vakuumkammer. In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. 2 shows the schematic representation of a dynamic refractometer for measuring the change in length of the vacuum chamber.
Der kohärente Strahl wird durch den Prismenteiler (7) in zwei intensitätsgleiche Strahlen aufgeteilt und parallel versetzt. Die beiden Strahlengänge bilden im Refraktometer zwei unabhängige Interferometer, deren Interferenzen von den beiden Fotodioden (6) detektiert werden. The coherent beam is divided by the prism splitter (7) into two beams of the same intensity and offset in parallel. The two beam paths form two independent interferometers in the refractometer, the interferences of which are detected by the two photodiodes (6).
Die Vakuumzelle (1) wird durch den Balg, die Spiegelplatte (3) und den Differentialteiler (4) gebildet, wobei durch die translatorische Verschiebung der Platte (3) die Länge der Kammer geändert werden kann. Beide Interferometer haben ihre Referenzspiegel an der Seite des Teilers (4), die die Vakuumkammer begrenzt. Der Messstrahlengang des einen Interferometers ist in, der des anderen ausserhalb der Vakuumkammer geführt. Die Interferometer sind wegmessend und messen die Verschiebung der Spiegelplatte (3). Ein Interferometer misst die Verschiebung in Vakuum, das zweite in Luft. Das Verhältnis der beiden Messwerte ergibt den Brechungsindex der Luft. The vacuum cell (1) is formed by the bellows, the mirror plate (3) and the differential divider (4), the length of the chamber being able to be changed by the translational displacement of the plate (3). Both interferometers have their reference mirrors on the side of the divider (4) that delimits the vacuum chamber. The measuring beam path of one interferometer is in, that of the other outside the vacuum chamber. The interferometers measure the distance and measure the displacement of the mirror plate (3). One interferometer measures the displacement in vacuum, the second in air. The ratio of the two measured values gives the refractive index of the air.
im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Fig. 3 die schematische Darstellung eines statischen Refraktometers mit mindestens einem entfernungsmessen-den Interferometer. Die Voraussetzung für ein ent-fernungsmessendes Interferometer sind mindestens zwei kohärente Wellen unterschiedlicher Frequenz, deren Phasendifferenzen in zeitlicher Reihenfolge gemessen werden. a further exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawing. 3 shows the schematic illustration of a static refractometer with at least one distance measuring interferometer. The prerequisite for a distance measuring interferometer are at least two coherent waves of different frequencies, the phase differences of which are measured in chronological order.
Interferometer und Refraktometer sind in der Abbildung getrennt. Die Vakuumkammer (1) des Refraktometer wird von einem planparallelen Rohr, das zweckmässigerweise aus Glaskeramik hergestellt ist, und zwei Planparallelplatten begrenzt, von denen die eine (3) voll und die andere (2) partiell verspiegelt ist. Als Interferometer ist ein wegkompensierter Differentialteiler (4) dargestellt, dem eine Einrichtung (8) vorgeschaltet ist zum Ändern der Frequenzen. Dies kann ein Monochromator, ein Wechsler für Interferenzfilter oder eine drehbare X/2 Platte sein. The interferometer and refractometer are separated in the figure. The vacuum chamber (1) of the refractometer is delimited by a plane-parallel tube, which is expediently made of glass ceramic, and two plane-parallel plates, one of which (3) is fully and the other (2) partially mirrored. A path-compensated differential divider (4) is shown as an interferometer, which is preceded by a device (8) for changing the frequencies. This can be a monochromator, a changer for interference filters or a rotatable X / 2 plate.
Mit dieser Einrichtung sollen folgende Messaufgaben erfüllt werden können: The following measurement tasks should be carried out with this device:
a) Ermittlung des Nullpunktes der Phasenmessung für das Differentialinterferometer. a) Determination of the zero point of the phase measurement for the differential interferometer.
b) Messung der absoluten Länge der Vakuumkammer in Einheiten der Vakuumwellenlänge einer definierten Frequenz. b) Measurement of the absolute length of the vacuum chamber in units of the vacuum wavelength of a defined frequency.
c) Messung der absoluten Länge der die Vakuumkammer umgebenden Luftstrecke in Einheiten der Wellenlänge in Luft für die gleiche Frequenz. c) Measurement of the absolute length of the air gap surrounding the vacuum chamber in units of the wavelength in air for the same frequency.
d) Ständige fortlaufende Messung der Differenz Luftstrecke gegenüber Vakuumstrecke. d) Continuous, continuous measurement of the difference between the air gap and the vacuum gap.
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Mit den Messungen a, b, c werden die Ausgangspositionen der Messung und die Instrumentenkonstanten festgelegt, wobei diese Messungen jederzeit wiederholbar sind, um Langzeitveränderungen feststellen zu können. With measurements a, b, c, the starting positions of the measurement and the instrument constants are determined, whereby these measurements can be repeated at any time in order to be able to determine long-term changes.
Die Messung a setzt voraus, dass das Refraktometer mit seiner Spiegelplatte (3) senkrecht zum Strahlengang des Differentialinterferometers ausgerichtet ist. Das Refraktometer wird sodann so verschoben, dass der interferometrische Strahlen-gang von den vier partiellen Spiegelflächen (a) der Platte (2) reflektiert wird. Die dabei gemessene Phasenlage wird Null gesetzt. Measurement a assumes that the refractometer with its mirror plate (3) is aligned perpendicular to the beam path of the differential interferometer. The refractometer is then moved so that the interferometric beam path is reflected by the four partial mirror surfaces (a) of the plate (2). The measured phase position is set to zero.
Nunmehr kann die Messung b durchgeführt werden, wobei das Refraktometer 50 verschoben oder verdreht wird, dass das mittlere Strahlenpaar des Messarmes vom Spiegel (3) und das des Referenzarmes von den Spiegeln (b) reflektiert wird. In dieser Lage kann die absolute Länge der Vakuumkammer vermessen werden. Damit ist die Instrumentenkonstante des Refraktometers festgelegt. The measurement b can now be carried out, the refractometer 50 being displaced or rotated such that the middle pair of rays of the measuring arm is reflected by the mirror (3) and that of the reference arm by the mirrors (b). The absolute length of the vacuum chamber can be measured in this position. This defines the instrument constant of the refractometer.
Zur Überprüfung des symmetrischen Aufbaues wird das Refraktometer so verschoben oder verdreht, dass das äussere Strahlenpaar des Messarmes vom Spiegel (3) und das des Referenzarmes von den Spiegeln (c) reflektiert wird. In dieser Lage kann die absolute Länge der Luftkammer in Einheiten der Wellenlänge in Luft vermessen werden, zur Kontrolle der Symmetrie beider Kammern, Lo = Ll. To check the symmetrical structure, the refractometer is moved or rotated so that the outer pair of rays of the measuring arm is reflected by the mirror (3) and that of the reference arm by the mirrors (c). In this position, the absolute length of the air chamber can be measured in units of the wavelength in air to check the symmetry of both chambers, Lo = Ll.
Für die Messung d werden alle Strahlen vom Spiegel (3) reflektiert, der Referenzarm durchsetzt die Vakuumkammer, der Messarm die Luftstrecke. For measurement d, all rays are reflected by the mirror (3), the reference arm passes through the vacuum chamber, the measuring arm through the air gap.
Es gilt: The following applies:
L = X (N + /) o 0 0 o L = X (N + /) o 0 0 o
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|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |