DE3901592A1 - Interference refractometer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Interferenz-Refraktometer zur integralen Messung des Brechungsindexes 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 evacuated Measuring chamber for 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 interferometrisch 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 distance is a coherent radiation scale the measurement. This interference fringe distance is in a vacuum constant and corresponds to the ratio of the speed of light to the frequency of the radiation. The meter definition from 1983 defines the unit of length as the term of one electromagnetic radiation in a vacuum. For realization The meter definition will be some well known and Designated sufficiently stable radiation sources, with their Vacuum wavelengths the unit of length meters interferometrically can be represented. A refractometer with a vacuum measuring chamber for reference is one of the few instruments in which the meter definition can be realized 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 rückführbar 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 as a result of the atmospheric pressure that arises as a result. 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. Experience the glass plates closing the vacuum chamber a change in the refractive index due to the atmospheric pressure and the shape that is considered an error in the measurement is received, provided that 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 with the refractometer, through which influences accuracy-limiting influences on the length measurement should be fixed, not new, different types be introduced.
Es sind Refraktometer bekannt, die ein oder mehrere Paare von Vakuum- und Luftkammern aufweisen. Die dazugehörigen Meßsysteme sind wegmessende Interferometer.Refractometers are known that have one or more pairs of vacuum and air chambers. The related ones Measuring systems are path-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 from Schellekens et al. are published refractometers, however not designed so that the lengths of the vacuum and those of the air chamber measured individually in their position of use can be.
Als wegmessendes Interferometer soll ein Instrument verstanden werden, welches den Meßweg dynamisch abfährt und dabei die Interferenzen einer kohärenten Wellenlänge zählt.An instrument is to be understood as a path-measuring interferometer which dynamically travels the measuring path and the interference of a coherent wavelength counts.
Als entfernungsmessendes 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.An instrument is said to be a distance-measuring interferometer be understood, which is the distance between two fixed Static points, by phase measurement in chronological order determined by 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 λ₀ 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 so that the change in length of the vacuum chamber is measured with the vacuum wavelength λ ₀. Chinese patent 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 02 77 496 wird die aus einem Faltenbalg bestehende Vakuumkammer axial in ihrer Länge verändert, wobei diese Längenänderung in Luft und nicht im Vakuum gemessen wird.EP 02 77 496 describes the bellows Vacuum chamber changed axially in length, this Length change is 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 a refractometer for the integral measurement of the refractive index of the air with to describe evacuated measuring chamber as reference.
Das erfindungsgemäße 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 thereby characterized in that the length and / or the change in length the vacuum chamber with a on the meter definition of 1983 directly traceable frequency in the evacuated state and be measured interferometrically in their 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 in the position of use are measured or their relative length change is measured with an interferometer, the refractive index of the air n can thus be determined. The length of the vacuum chamber is always the reference value for this measurement. If this is directly determined 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:Corresponding to the two different interferometric ones Measurement methods can also be two types of refractometers describe:
- - das dynamisch-wegmessende und- the dynamic path measuring and
- - das statisch-entfernungsmessende Interferenz-Refraktometer.- the static distance measuring interference refractometer.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt Abb. 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. It shows Fig . 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 Abb. 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 λ/4- Platten, einem Referenzplanspiegel mit Kompensationsplatte, einem Tripelprisma 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.It shows the fig . 1 the vacuum chamber ( 1 ), which is limited 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 λ / 4 plates, a reference plane mirror with compensation plate, a triple prism for folding the beam path and a photodetector 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 Δ L, das ist der Verschiebeweg des Meßspiegels auf der Platte (3):With the interferometer ( 4 ), the path change Δ L , that is the displacement path of the measuring mirror on the plate ( 3 ):
Δ L = λ₀ (N₀ + ϕ₀) Δ L = λ ₀ (N ₀ + ϕ ₀)
mit der Vakuumwellenlänge λ₀ gemessen, worin N₀ (N₁) ganze Zahlen von 1/2 Wellenlängen sind und ϕ₀ (ϕ₁) deren Bruchteile. Die Wellenlänge λ in Luft ist dann:measured with the vacuum wavelength λ ₀, where N ₀ (N ₁) are integers of 1/2 wavelengths and ϕ ₀ ( ϕ ₁) their fractions. The wavelength λ 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 ):
damit wird:this will:
Eine Voraussetzung für die Messung von Längenänderungen zur Bestimmung des Brechungsindexes sind zwei unabhängige Meßsysteme.A prerequisite for measuring changes in length there are two independent ones for determining the refractive index Measuring systems.
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 are equally long glass paths of the interferometric Beam paths in the measuring and reference arm as well as the two Interferometer with each other.
Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, das Refraktometer als Differentialinterferometer aufzubauen.For this reason, it is advisable to use the refractometer as To build differential interferometer.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Abb. 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. It shows the fig . 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 im 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 splitter (4), can be changed by the translational displacement of the plate (3) the length of the chamber. 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 a 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 Abb. 3 die schematische Darstellung eines statischen Refraktometers mit mindestens einem entfernungsmessenden Interferometer. Die Voraussetzung für ein entfernungsmessendes 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. It shows the fig . 3 shows the schematic representation of a static refractometer with at least one distance measuring interferometer. The prerequisite for a distance measuring interferometer is 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 Refraktometers 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 λ/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 λ / 2 plate.
Mit dieser Einrichtung sollen folgende Meßaufgaben erfüllt werden können:The following measurement tasks are to be carried out with this device can be:
- 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 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 surrounding the vacuum chamber Air distance 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 air gap difference opposite vacuum path.
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 the measurements a, b, c, the starting positions of the Measurement and the instrument constants set, where these measurements can be repeated at any time to make long-term changes to be able to determine.
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 Strahlengang 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 so 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.Measurement b can now be carried out, the refractometer being shifted 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, L₀= L L.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, L ₀ = L L.
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:
Durch die direkte interferometrische Messung der Länge oder der Längenänderung der Vakuumkammer des Refraktometers in seiner Gebrauchslage können systematische Fehler ausgeschlossen werden, die entstehen, wenn die Kammerlänge vor der Montage vermessen und danach evakuiert wird. Diese vorgängige Längenmessung der Vakuumkammer in freier Atmosphäre setzt die Ermittlung des Brechungsindexes der Luft (n) voraus, wie er erst im nachhinein gemessen werden soll, so daß die Referenzlänge für die Messung von n mit einem Fehler von n behaftet ist. The direct interferometric measurement of the length or the change in length of the vacuum chamber of the refractometer in its position of use can rule out systematic errors that occur if the chamber length is measured before assembly and then evacuated. This previous length measurement of the vacuum chamber in a free atmosphere requires the determination of the refractive index of the air (n) , as it should only be measured afterwards, so that the reference length for the measurement of n is associated with an error of n .
Mit der erfindungsgemäßen Methode können die beschriebenen Fehler eliminiert und die Meßunsicherheit wesentlich verbessert werden.With the method according to the invention, the described Errors eliminated and measurement uncertainty significantly improved will.
Claims (5)
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DE19893901592 DE3901592A1 (en) | 1989-01-20 | 1989-01-20 | Interference refractometer |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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- 1989-01-20 DE DE19893901592 patent/DE3901592A1/en not_active Withdrawn
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1990
- 1990-01-16 CH CH12390A patent/CH679891A5/de not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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CH679891A5 (en) | 1992-04-30 |
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