JPH0833347B2 - Fluid refractive index measuring device - Google Patents

Fluid refractive index measuring device

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JPH0833347B2
JPH0833347B2 JP1224895A JP22489589A JPH0833347B2 JP H0833347 B2 JPH0833347 B2 JP H0833347B2 JP 1224895 A JP1224895 A JP 1224895A JP 22489589 A JP22489589 A JP 22489589A JP H0833347 B2 JPH0833347 B2 JP H0833347B2
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refractive index
fluid
interferometer
light
change
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義彦 立川
英治 荻田
敏嗣 植田
克哉 池澤
文煥 金
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Yokogawa Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は干渉を利用した流体の屈折率を測定する装置
に関し、特に基準間隔を用いた流体の屈折率を測定する
装置に関するものである。
The present invention relates to an apparatus for measuring the refractive index of a fluid using interference, and more particularly to an apparatus for measuring the refractive index of a fluid using a reference interval.

<従来の技術> 第8図(イ)は一般的な干渉を利用した気体の屈折率
測定装置の原理例を示す構成図である。
<Prior Art> FIG. 8A is a block diagram showing an example of the principle of a gas refractive index measuring apparatus using general interference.

第8図(イ)において、光源10の出力光は干渉計17で
2つに分岐され、これら2つの光は気体の取入れ(取出
し)口25aが設けられた容器25内の基準間隔24に入射さ
れ、基準間隔24の反射面24a、24bで反射され、再び干渉
計17に戻り、演算器23に入射される。演算器23では、基
準間隔24から反射された光の光路長変化に伴う干渉信号
の出力を測定し、干渉信号の変化から気体の屈折率を演
算している。
In FIG. 8 (a), the output light of the light source 10 is split into two by the interferometer 17, and these two lights are incident on the reference interval 24 in the container 25 provided with the gas inlet (outlet) 25a. The reflected light is reflected by the reflecting surfaces 24a and 24b having the reference interval 24, returns to the interferometer 17 again, and enters the calculator 23. The calculator 23 measures the output of the interference signal due to the change in the optical path length of the light reflected from the reference interval 24, and calculates the refractive index of the gas from the change in the interference signal.

ここで、気体の屈折率(n)が変化し、光路長変化が
(ΔnL)変化したとすると、干渉信号の光路長変化出力
(M)とは次の関係が成り立つ。
If the refractive index (n) of the gas changes and the optical path length change (ΔnL) changes, the following relationship holds with the optical path length change output (M) of the interference signal.

ΔnL=M(=Δm・λv/2) なお、L;基準間隔24の反射面の間隔 である。ΔnL = M (= Δm · λv / 2) where L is the distance between the reflecting surfaces at the reference distance 24.

したがって、基準間隔の反射面の間隔(L)をあらか
じめ求めておくことにより、干渉信号の光路長変化出力
(M)から気体の屈折率変化(Δn)が求められる。
Therefore, the refractive index change (Δn) of the gas can be obtained from the optical path length change output (M) of the interference signal by previously obtaining the reference distance (L) between the reflecting surfaces.

しかし上記の構成では、気体の屈折率の変化は求めら
れるが、絶対値は求められない。そのため、第8図
(ロ)で示すように、基準間隔24を真空容器26内に保持
し、被測定気体を導入して、真空から大気圧に開放する
操作を行い、面間の光路長変化を測定することにより、
次式から気体の屈折率の絶対値を求めることができる。
However, in the above configuration, the change in the refractive index of the gas can be obtained, but the absolute value cannot be obtained. Therefore, as shown in FIG. 8 (b), the reference interval 24 is held in the vacuum container 26, the gas to be measured is introduced, and the operation of opening from vacuum to atmospheric pressure is performed to change the optical path length between the surfaces. By measuring
The absolute value of the refractive index of gas can be calculated from the following equation.

n=1+(Δm/L)(λv/2) なお、Δm;真空から大気圧に変化させた時の干渉次数
変化 λv;光源の真空中の波長 である。
n = 1 + (Δm / L) (λv / 2) where Δm is the interference order change when the vacuum is changed to the atmospheric pressure, and λv is the wavelength of the light source in the vacuum.

<発明が解決しようとする課題> しかしながら、上記従来技術に示す気体の屈折率の絶
対値を測定する装置では、基準間隔24を真空容器26内に
保持し、真空から大気圧に開放する操作を連続的に行う
制御装置が必要となるため、装置自体の構成が大掛かり
なものとなるという課題があった。
<Problems to be Solved by the Invention> However, in the device for measuring the absolute value of the refractive index of the gas shown in the above-mentioned conventional technique, the reference interval 24 is held in the vacuum container 26, and the operation of opening from the vacuum to the atmospheric pressure is performed. Since a continuous control device is required, there is a problem that the configuration of the device itself becomes large.

本発明は上記従来技術の課題を踏まえて成されたもの
であり、真空から大気圧への開放操作を必要としない構
成で簡単に流体の屈折率の絶対値を精度良く測定できる
流体の屈折率測定装置を提供することを目的としたもの
である。
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and a refractive index of a fluid that can easily measure the absolute value of the refractive index of the fluid with high accuracy by a configuration that does not require opening operation from vacuum to atmospheric pressure. The purpose is to provide a measuring device.

<課題を解決するための手段> 上記課題を解決するための本発明の構成は、光源と、
この光源の出力光が入力される複数の干渉計と、異なる
反射面の間隔を有する複数の基準間隔と、これらの基準
間隔から反射された光の光路長変化に伴って前記各干渉
計により得られる干渉信号の出力を測定する複数の検出
器とを具備し、前記光源の真空中の波長をλv,第一の基
準間隔の反射面の間隔をL1,測定位相と真空中での初期
位相との差をΔφとしたとき、下記の演算式中の端数Δ
m(ゼロまたは正の整数)がゼロとなるように前記L1の
値を設定することにより流体の屈折率の絶対値nを求
め、次に他の基準間隔を用いた干渉計から得られる干渉
信号を用いてより精密に屈折率の絶対値nを演算により
求めるようにしたことを特徴とするものであり、 記 (n−1)・L=(λv/2)・(Δm+Δφ/2π) また、前記基準間隔として真空に保持され周囲温度等
の雰囲気の変化による基準間隔の伸縮を補正する別の基
準間隔を設けたことを特徴としたものであり、更に、ま
た、前記干渉計により分岐された一方の光を分岐する光
学部品と、光を切り換えるスリット板等とを設け、この
スリット板等の切り換え動作に同期して検出器から出力
された干渉信号の変化から流体の屈折率の絶対値を演算
器にて演算するようにし、干渉計の個数を減少させるこ
とを特徴とするものである。
<Means for Solving the Problems> A structure of the present invention for solving the above problems is a light source,
A plurality of interferometers to which the output light of this light source is input, a plurality of reference intervals having different reflection surface intervals, and the interferometers obtained by changing the optical path length of the light reflected from these reference intervals. And a plurality of detectors for measuring the output of the interference signal, the wavelength in vacuum of the light source λv, the interval of the reflecting surface of the first reference interval L1, the measurement phase and the initial phase in vacuum Where Δφ is the difference between
The absolute value n of the refractive index of the fluid is determined by setting the value of L1 so that m (zero or a positive integer) becomes zero, and then an interference signal obtained from an interferometer using another reference interval. It is characterized in that the absolute value n of the refractive index is calculated more accurately by using the following equation: (n-1) · L = (λv / 2) · (Δm + Δφ / 2π) As the reference interval, another reference interval is provided which is held in a vacuum and corrects expansion and contraction of the reference interval due to a change in atmosphere such as ambient temperature, and is further branched by the interferometer. An optical component that splits one light and a slit plate that switches the light are provided, and the absolute value of the refractive index of the fluid is calculated from the change in the interference signal output from the detector in synchronization with the switching operation of the slit plate. Use the calculator to calculate the interferometer It is characterized in reducing the number.

<作用> このように、複数の異なる反射面の間隔を有する基準
間隔を用いて、流体の屈折率変化に伴う各基準間隔の光
路長変化を同時に測定し、その変化量の違いから流体の
屈折率の絶対値を求めるようにすると、真空から大気圧
への開放の操作が必要なくなるため、構成が簡素化され
ることになり、又、周囲温度等の雰囲気の変化による基
準間隔の伸縮も補正できる構成とすると、測定精度がよ
り高精度となり、更に、光の切り換えを行うスリット板
を設け、流体の屈折率変化に伴う各基準間隔の光路長変
化を時分割で測定し、その変化量の違いから流体の屈折
率の絶対値を求めるようにすると、複数の基準間隔それ
ぞれに専用な干渉計や検出器等が必要なくなるため、安
価で小型の装置とすることができる。
<Operation> As described above, by using the reference intervals having a plurality of different reflecting surface intervals, the change in the optical path length of each reference interval due to the change in the refractive index of the fluid is measured at the same time, and the difference in the change amount causes the refraction of the fluid. If the absolute value of the rate is calculated, the operation to open from vacuum to atmospheric pressure is not required, which simplifies the configuration and also corrects the expansion and contraction of the reference interval due to changes in the atmosphere such as ambient temperature. With this configuration, the measurement accuracy becomes higher, and further, the slit plate for switching the light is provided, and the change in the optical path length at each reference interval due to the change in the refractive index of the fluid is measured in a time-division manner, and the change amount is If the absolute value of the refractive index of the fluid is determined from the difference, it is not necessary to provide a dedicated interferometer or detector for each of the plurality of reference intervals, and thus an inexpensive and compact device can be obtained.

<実施例> 以下、本発明を図面に基づいて説明する。<Examples> Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明に係わる流体の屈折率測定装置の一実
施例の構成図である。なお、第1図において第8図と同
一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a fluid refractive index measuring apparatus according to the present invention. In FIG. 1, the same elements as those in FIG. 8 are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

第1図において、11は光源10の出力光を2つに分岐す
るハーフミラー、14はミラー、17、18は干渉計、30、31
は流体の取入れ(取出し)口25aが設けられた容器25内
に設置された基準間隔であり、反射面の間隔がそれぞれ
L1、L2で保持され、長さはL1<L2としてある。20、21は
基準間隔30、31から反射された光の光路長変化に伴って
干渉計17、18により得られる干渉信号の出力を測定する
検出器、23は検出器20、21から出力された干渉信号の変
化から流体の屈折率の絶対値を演算する演算器である。
In FIG. 1, 11 is a half mirror that splits the output light of the light source 10 into two, 14 is a mirror, 17 and 18 are interferometers, and 30 and 31.
Is the reference interval installed in the container 25 provided with the fluid intake (extraction) port 25a, and the intervals of the reflecting surfaces are
It is held by L 1 and L 2 , and the length is L 1 <L 2. 20 and 21 are detectors that measure the output of the interference signal obtained by the interferometers 17 and 18 with the change of the optical path length of the light reflected from the reference intervals 30 and 31, and 23 is output from the detectors 20 and 21. It is a calculator that calculates the absolute value of the refractive index of the fluid from the change in the interference signal.

このような構成において、光源10の出力光はハーフミ
ラー11で2つに分岐され、一方の光はハーフミラー11を
透過し、干渉計17に入射される。入射された光は干渉計
17にて更に2つに分岐され、基準間隔30の反射面30a、3
0bでそれぞれ反射され、再び干渉計17に戻り、検出器20
に入射される。他方の光はハーフミラー11、ミラー14で
反射され、干渉計18に入射される。入射された光は干渉
計18にて更に2つに分岐され、基準間隔31の反射面31
a、31bでそれぞれ反射され、再び干渉計18に戻り、検出
器21に入射され、検出器20からの信号と共に演算器23に
送られる。
In such a configuration, the output light of the light source 10 is split into two by the half mirror 11, and one light is transmitted through the half mirror 11 and is incident on the interferometer 17. The incident light is an interferometer
It is further divided into two at 17, and the reflecting surfaces 30a, 3 with a reference interval of 30
Each of them is reflected by 0b, returns to the interferometer 17 again, and the detector 20
Is incident on. The other light is reflected by the half mirror 11 and the mirror 14 and is incident on the interferometer 18. The incident light is further split into two by an interferometer 18, and a reflecting surface 31 with a reference interval 31 is provided.
The light is reflected by a and 31b, returns to the interferometer 18 again, enters the detector 21, and is sent to the calculator 23 together with the signal from the detector 20.

ここで、第2図(イ)は周囲の温度や気圧等の変化に
より雰囲気の屈折率が変化した時の基準間隔30、31から
反射された光の光路長変化に伴う干渉信号の出力を示す
図であり、横軸には流体の屈折率の変化量(n−1)、
縦軸には光強度(P)をとり表わしたものである。第2
図(ロ)はその時の位相信号の変化量を示す図であり、
縦軸に位相をとり表わしてある。なお、NVは真空の屈折
率(=1)、naはある任意の流体の屈折率を示し、実線
は基準間隔30の信号、点線は基準間隔31の信号を示すも
のである。又、第2図では真空中での初期位相(θ0i)
を0とした時の例を示してある。
Here, FIG. 2A shows the output of the interference signal due to the change of the optical path length of the light reflected from the reference intervals 30 and 31 when the refractive index of the atmosphere changes due to the change of the ambient temperature and the atmospheric pressure. In the figure, the horizontal axis represents the amount of change in the refractive index of the fluid (n-1),
The vertical axis represents the light intensity (P). Second
Figure (b) is a diagram showing the amount of change in the phase signal at that time,
The vertical axis represents the phase. NV is the refractive index of the vacuum (= 1), na is the refractive index of an arbitrary fluid, the solid line indicates the signal at the reference interval 30, and the dotted line indicates the signal at the reference interval 31. In addition, in Fig. 2, the initial phase in the vacuum (θ0i)
An example is shown when 0 is set to 0.

第2図(イ)に示すように、干渉計17、18から出力さ
れる光路長変化に伴う干渉信号の出力は(1/2)λvの
周期で光強度が変化する。その時の検出器20、21から出
力される位相信号の変化量は第2図(ロ)に示すよう
に、反射面の間隔(L)が異なる基準間隔では、同じ流
体の屈折率の変化に対しての位相信号変化量は異なり、
反射面の間隔が長ければ位相信号変化量は大きくなり、
短ければ変化量は小さくなる。あらかじめ反射面の間隔
(L)をそれぞれ任意の長さに設定しておくことによ
り、反射面の間隔が短い基準間隔30を用いて流体の屈折
率の粗測定を行い、反射面の間隔が長い基準間隔31を用
いて流体の屈折率の精密な測定を行う。その時の関係は
次式で表わされる。
As shown in FIG. 2 (a), the output of the interference signal output from the interferometers 17 and 18 according to the change in the optical path length changes in the light intensity at a cycle of (1/2) λv. As shown in FIG. 2 (b), the amount of change in the phase signal output from the detectors 20 and 21 at that time is different from the change in the refractive index of the same fluid at the reference intervals where the intervals (L) of the reflecting surfaces are different. The amount of phase signal change is different,
The longer the distance between the reflecting surfaces, the greater the amount of change in the phase signal,
If it is short, the amount of change will be small. By setting the distance (L) between the reflecting surfaces to an arbitrary length in advance, the refractive index of the fluid is roughly measured using the reference distance 30 where the distance between the reflecting surfaces is short, and the distance between the reflecting surfaces is long. A reference interval 31 is used to make a precise measurement of the refractive index of the fluid. The relationship at that time is expressed by the following equation.

粗測定; (n−1) =(λv/2L1)(1/2π)・(θ1−θ01) … 精密測定; (n−1) =(λv/2L2)(1/2π)・(2△mπ+θ2−θ02)…
なお、θi;位相(0≦θ≦2π、測定値) λv;光源の真空中の波長 Li;基準間隔の反射面の間隔 Δm;真空から測定雰囲気まで屈折率が変化した
時の干渉信号(位相信号)の波数変化 θ0i;真空中での初期位相 {(2Li・2π/λv)の小数部} である。
Rough measurement; (n-1) = ( λv / 2L 1) (1 / 2π) · (θ1-θ01) ... Precision Measurement; (n-1) = ( λv / 2L 2) (1 / 2π) · (2 △ mπ + θ2-θ02) ...
Note that θi: phase (0 ≦ θ ≦ 2π, measured value) λv: wavelength of the light source in vacuum L i ; reference interval of reflecting surfaces Δm; interference signal when the refractive index changes from vacuum to the measurement atmosphere ( Wave number change of phase signal) θ0i; initial phase in vacuum {fractional part of (2L i · 2π / λv)}.

したがって、あらかじめ基準間隔30の反射面の間隔
(L1)を測定し、真空中での初期位相(θ01)を求めて
おくことにより、式より流体の屈折率nの粗い範囲が
演算される。同様に基準間隔31の反射面の間隔(L2)を
測定し、真空中での初期位相(θ02)を求めておくこと
により、式で求めた値から式の基準間隔31の干渉信
号(位相信号)の端数変化Δmが決定され、式より精
密な流体の屈折率nを演算することができる。なお、第
2図では干渉信号(位相信号)の波数変化Δmが2とな
る場合を示してある。
Therefore, the coarse range of the refractive index n of the fluid is calculated from the equation by measuring the distance (L 1 ) between the reflecting surfaces at the reference distance 30 and obtaining the initial phase (θ01) in vacuum in advance. Similarly, by measuring the distance (L 2 ) between the reflecting surfaces at the reference interval 31 and obtaining the initial phase (θ02) in vacuum, the interference signal (phase The fractional change Δm of the signal) is determined, and the refractive index n of the fluid can be calculated more accurately than the equation. Note that FIG. 2 shows a case where the wave number change Δm of the interference signal (phase signal) is 2.

ここで、上記屈折率nを求め方について、本発明にお
いて実施した例を含めてより具体的に説明する。本願発
明において、前記のように基準間隔30の反射面の間隔を
L1,光源の真空中の波長をλvとし、又測定位相θ1と
真空中での初期位相θ01との差をΔφ1としたとき、基
準間隔L1について位相を測定し、屈折率nを求める。n
を求める式は (n−1)・L1=(λv/2)・(Δm+Δφ1/2π)… となる。ここで、Δmは前記のように真空から測定雰囲
気まで屈折率が変化したときの干渉信号(位相信号)の
波数変化を表すものである。このΔmの値は一般には0
または正の整数であるが、基準間隔L1を小さく設計する
ことによって、Δm=0とすることができる。例えば、
通常の室内環境における空気の屈折率は(n−1)=0.
0003程度である。従って、λvとして780nmのものを用
いたとすると、L1<1.3mmとなるようにL1の値を設計す
れば、式を用いて屈折率nの値を求める際に、Δm=
0として良いことになる。即ち、Δm=0のとき、式
を書き直すと (n−1)・L1=(λv/2)・(Δφ1/2π) … となる。従って、Δm=0になるように基準間隔L1を設
計することによってその基準間隔L1と光源の真空中の波
長λv、測定位相θ1より得られるΔφ1を用いること
により、式より屈折率nを求めることができる。この
式は前述した式に相当するものである。
Here, the method of obtaining the refractive index n will be described more specifically including examples carried out in the present invention. In the present invention, as described above, the distance between the reflecting surfaces with the reference distance of 30 is set.
L1, where the wavelength of the light source in vacuum is λv, and the difference between the measured phase θ1 and the initial phase θ01 in vacuum is Δφ1, the phase is measured for the reference interval L1 to obtain the refractive index n. n
The equation for obtaining is (n−1) · L1 = (λv / 2) · (Δm + Δφ1 / 2π). Here, Δm represents the change in the wave number of the interference signal (phase signal) when the refractive index changes from the vacuum to the measurement atmosphere as described above. The value of this Δm is generally 0.
Alternatively, although it is a positive integer, Δm = 0 can be set by designing the reference interval L1 small. For example,
The refractive index of air in a normal indoor environment is (n-1) = 0.
It is about 0003. Therefore, if a value of 780 nm is used as λv, if the value of L1 is designed so that L1 <1.3 mm, then Δm =
A value of 0 is a good thing. That is, when Δm = 0, the equation is rewritten as (n−1) · L1 = (λv / 2) · (Δφ1 / 2π). Therefore, by designing the reference interval L1 so that Δm = 0, the refractive index n is obtained from the equation by using the reference interval L1 and the wavelength λv in the vacuum of the light source and Δφ1 obtained from the measurement phase θ1. You can This equation corresponds to the above-mentioned equation.

ここで、式により求められる屈折率nの誤差につい
て検討してみる。式の両辺を全微分すると下式の如く
なる。
Here, the error of the refractive index n obtained by the formula will be examined. When the two sides of the equation are fully differentiated, the following equation is obtained.

dn/n={(dλv/λv)+(dΔφ1/Δφ1)-dL1/L1}・(n-1)/n …
前記の室内環境における空気の例で、(dn/n)=10-7
程度の高精度で屈折率を測定したい場合、(n−1)/n
=3×10-4程度なので、波長λv・位相θ1・長さL1の
精度を総合して3.3×10-4が必要となる。しかし、位相
θ1を10-4のオーダーの精度で測定すること、或いはL1
の長さを100nm(1.3mm×10-4)オーダの精度で製作する
ことは、実際上かなり困難である。実現的な値として、
(dλv/λv)=10-7,dΔφ1/Δφ1=10-2、dL1/L1=
10-3(dL1=1μm)を用いると、(dn/n)=3×10-6
となる。従って、式より屈折率の絶対値nを求めるこ
とはできるが、その精度は必要精度に達しないことが考
えられる。
dn / n = {(dλv / λv) + (dΔφ1 / Δφ1) -dL1 / L1} ・ (n-1) / n…
In the above example of air in the indoor environment, (dn / n) = 10 -7
If you want to measure the refractive index with high accuracy, (n-1) / n
Since it is about 3 × 10 −4 , 3.3 × 10 −4 is required to combine the accuracy of the wavelength λv, the phase θ1, and the length L1. However, measuring the phase θ1 with an accuracy of the order of 10 -4 , or L1
It is actually quite difficult to fabricate a length of 100 nm with an accuracy of the order of 100 nm (1.3 mm × 10 -4 ). As a feasible value,
(Dλv / λv) = 10 −7 , dΔφ1 / Δφ1 = 10 −2 , dL1 / L1 =
If 10 −3 (dL1 = 1 μm) is used, (dn / n) = 3 × 10 −6
Becomes Therefore, although the absolute value n of the refractive index can be obtained from the equation, it is considered that the accuracy thereof does not reach the required accuracy.

そこで、測定精度を向上する為に、基準問題L1の他に
L1より大きい基準間隔L2を用いる。このL2に対する式は
下式(この式は前述した式に相当する)となる。
Therefore, in order to improve the measurement accuracy, in addition to the standard problem L1
A reference interval L2 larger than L1 is used. The formula for this L2 is the following formula (this formula corresponds to the formula described above).

(n−1)・L2=(λv/2)・(Δm+Δφ2/2π)… この式においては、Δmが0ではないので、Δmを
知る必要がある。このΔmを知る為に、前記の式にお
いて基準間隔L1を用いて求めた屈折率n1(なお、以後L1
による測定結果を表す為に、nに添字「1」を付けて表
す)を用いる。Δmを求める手順は次の如くなるが、基
準間隔L2により求められる屈折率は、L1を用いた場合と
独立に求められる訳けではなく、L1で得られた屈折率n1
を用いることにより、初めて得られるものである。即
ち、式をΔmについて解くと、下式となる。
(N-1) * L2 = ([lambda] v / 2) * ([Delta] m + [Delta] [phi] 2/2 [pi]) ... In this equation, since [Delta] m is not 0, it is necessary to know [Delta] m. In order to know this Δm, the refractive index n1 obtained by using the reference interval L1 in the above equation (hereinafter, L1
In order to represent the measurement result according to (1), the subscript "1" is added to n). The procedure for obtaining Δm is as follows, but the refractive index obtained by the reference interval L2 cannot be obtained independently from the case where L1 is used, and the refractive index n1 obtained by L1 is used.
Is obtained for the first time by using. That is, when the equation is solved for Δm, the following equation is obtained.

Δm=(n−1)・L2・d/λv−Δφ2/2π … 次に、式で求めた屈折率の値n1を式に代入する。[Delta] m = (n-1) * L2 * d / [lambda] v- [Delta] [phi] 2/2 [pi] Next, the value n1 of the refractive index obtained by the equation is substituted into the equation.

Δm=(n1−1)・L2・2/λv−Δφ2/2π … Δmを計算する際に用いる式の右辺の各値はそれぞ
れ誤差を含んでいるが、Δmは整数でなければならない
ので、その誤差の合計が±0.5未満となるように設計す
ることにより、Δmを一意的に求めることができる。
Δm = (n1-1) · L2 · λ / 2−λv−Δφ2 / 2π ... Each value on the right side of the equation used to calculate Δm includes an error, but Δm must be an integer, so By designing the total error to be less than ± 0.5, Δm can be uniquely obtained.

式の両辺を微分すると、下式になる。 Differentiating both sides of the equation gives the following equation.

dΔm={dn1−(n1−1)dλv/λv}・2L2/λv +2(n1−1)・(dL2/λv)−dΔφ2/2π … 前記した室内環境における空気の例において、dL2=
1μm、dΔφ2/2π=0.01とすると、|dΔm|<0.5とな
る為には、L2<64mmと設計すれば良い。上記のようにし
てΔmが求められると、式により屈折率nを求めるこ
とができる。
dΔm = {dn1− (n1-1) dλv / λv} · 2L2 / λv + 2 (n1-1) · (dL2 / λv) −dΔφ2 / 2π ... In the above example of air in the indoor environment, dL2 =
If 1 μm and dΔφ2 / 2π = 0.01, | dΔm | <0.5 can be set by designing L2 <64 mm. When Δm is obtained as described above, the refractive index n can be obtained by an equation.

ここで、式により求められる屈折率nの誤差につい
て検討する。式の両辺を全微分するとのようにな
る。
Here, the error of the refractive index n obtained by the formula will be examined. It is like to fully differentiate both sides of the equation.

dn/n={dλv/λv+dΔφ2/(Δm+Δφ2)-dL2/L2}・(n-1)/n
… 式において、位相に起因する項の分母にΔmが入っ
ている点と、L2がL1より大きい為に長さの絶対精度が同
じと仮定した場合、相対精度が良くなる点の2点が式
と異なっている。従って、式で求められる屈折率nの
精度は式で求めた屈折率より向上していることにな
る。
dn / n = {dλv / λv + dΔφ2 / (Δm + Δφ2) -dL2 / L2} ・ (n-1) / n
In the equation, there are two points: the point where Δm is included in the denominator of the term caused by the phase and the point where the relative precision improves when L2 is larger than L1 and the absolute precision of the length is the same. Is different from Therefore, the accuracy of the refractive index n obtained by the formula is higher than the refractive index obtained by the formula.

前記した室内環境における空気の例で、L2=64mmとす
ると、(n−1)=2.7×10-4のときΔm=45となる。
式から(dn/n)=6×10-8となり、10-7の目標を達成
することができる。
In the above-mentioned example of air in the indoor environment, when L2 = 64 mm, Δm = 45 when (n−1) = 2.7 × 10 −4 .
From the formula, (dn / n) = 6 × 10 −8 , and the target of 10 −7 can be achieved.

本発明において、より高精度な屈折率値が必要な場合
には、更にL2よりも長い第3の基準間隔を用意して、基
準間隔L2によって求められた屈折率n2を用いることによ
り、同様な手順で屈折率をより高精度で得ることができ
る。
In the present invention, when a more accurate refractive index value is required, a third reference interval longer than L2 is prepared, and the refractive index n2 obtained by the reference interval L2 is used. The refractive index can be obtained with higher accuracy by the procedure.

このように、第1図装置においては、基準間隔を利用
して設計することにより、予め真空中での初期位相を測
定しておけば、測定時に光路長の掃引手段を必要とせ
ず、基準間隔と光の波長を基準として屈折率を高精度で
測定することができる。又、複数の基準間隔を用いるこ
とにより、より屈折率の測定精度を向上させることがで
きる。
As described above, in the apparatus shown in FIG. 1, by designing by using the reference interval, if the initial phase in vacuum is measured in advance, the sweeping means of the optical path length is not required at the time of measurement, and the reference interval is not required. The refractive index can be measured with high accuracy based on the wavelength of light. Further, by using a plurality of reference intervals, it is possible to further improve the measurement accuracy of the refractive index.

第3図は本発明に係わる流体の屈折率測定装置の請求
項2に関する一実施例を示す構成図である。なお、第3
図において第1図と同一要素には同一符号を付して重複
する説明は省略する。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of claim 2 of the fluid refractive index measuring apparatus according to the present invention. The third
In the figure, the same elements as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

第3図は周囲温度等の雰囲気の変化による基準間隔3
0、31の伸縮も補正できるような構成としたものであ
り、12はハーフミラー、19は干渉計、22は検出器、32は
真空に保持された基準間隔である。
Figure 3 shows the reference interval 3 due to changes in the ambient temperature and other atmospheres.
The configuration is such that expansion and contraction of 0 and 31 can also be corrected, 12 is a half mirror, 19 is an interferometer, 22 is a detector, and 32 is a reference interval held in vacuum.

このような構成において、光源10からの出力光はハー
フミラー11、12にて各々2つに分岐され、ハーフミラー
12にて分岐された一方の光はミラー14で反射され、干渉
計19に入射される。入射された光は干渉計19にて更に2
つに分岐され、真空に保持された基準間隔32の反射面で
それぞれ反射され再び干渉計19に戻り、検出器22に入射
され、他の検出器20及び21からの信号と共に演算器23に
入力される。ここで、周囲温度等の雰囲気が変化して基
準間隔30、31が伸縮することによっても、第2図(イ)
及び(ロ)に示す信号の特性が変化し、この結果、測定
精度を悪くすることになる。したがって、周囲温度等の
雰囲気の変化による基準間隔30、31の伸縮量を真空に保
持した基準間隔32の長さ変化を測定し、演算器23にて次
式により補正するようにしたものである。
In such a configuration, the output light from the light source 10 is split into two by the half mirrors 11 and 12, respectively.
One of the lights branched at 12 is reflected by the mirror 14 and is incident on the interferometer 19. The incident light is further 2 at the interferometer 19.
It is branched into two, reflected by the reflecting surface of the reference interval 32 held in vacuum, returns to the interferometer 19 again, enters the detector 22, and is input to the calculator 23 together with the signals from the other detectors 20 and 21. To be done. Here, even if the reference interval 30, 31 expands and contracts due to changes in the atmosphere such as the ambient temperature, FIG.
The characteristics of the signals shown in (b) and (b) change, and as a result, the measurement accuracy deteriorates. Therefore, the expansion / contraction amount of the reference intervals 30, 31 due to the change of the atmosphere such as the ambient temperature is measured by measuring the change in the length of the reference interval 32 which is held in vacuum, and is corrected by the arithmetic unit 23 by the following equation. .

長さLiの補正係数KLは KL=(L3+ΔL3)/L3 =1+Δθ3・λv/4πL3 … なお、Δθ3;基準間隔32の位相変化量 である。The correction coefficient KL of the length Li is K L = (L 3 + ΔL 3 ) / L 3 = 1 + Δθ3 · λv / 4πL 3 ... Δθ3; the phase change amount of the reference interval 32.

第4図から第6図に更に他の実施例を示す。この実施
例においても第1図及び第3図と同一要素には同一符号
を付して重複する説明は省略する。
4 to 6 show still another embodiment. Also in this embodiment, the same elements as those in FIGS. 1 and 3 are designated by the same reference numerals, and the duplicated description will be omitted.

第4図は基準間隔33、34の形状をそれぞれ反斜面が向
き合う対向形としたものであり、又、容器25内の流体の
屈折率に等しくするための連通する孔40、41を形成した
ものである。この実施例では、干渉計17、18により分岐
された一方の光(実線)は、それぞれ反射面33a、34aで
反射されて干渉計17、18に戻るが、他方の光(点線)
は、それぞれ反射面33aと33b、34aと34bの間で数回反射
を繰り返されて干渉計17、18に戻る。したがって、光路
長を第1図及び第3図の基準間隔の光路量に比べて長く
とることができるため、基準間隔の構成を小さくするこ
とができるという特徴がある。
FIG. 4 shows the reference intervals 33 and 34 which are opposed to each other with their anti-slopes facing each other, and which are formed with communicating holes 40 and 41 for equalizing the refractive index of the fluid in the container 25. Is. In this embodiment, one of the lights branched by the interferometers 17 and 18 (solid line) is reflected by the reflecting surfaces 33a and 34a and returns to the interferometers 17 and 18, but the other light (dotted line).
Is repeatedly reflected several times between the reflecting surfaces 33a and 33b and 34a and 34b, and returns to the interferometers 17 and 18. Therefore, since the optical path length can be made longer than the optical path amount of the reference interval shown in FIGS. 1 and 3, there is a feature that the configuration of the reference interval can be reduced.

第5図は基準間隔35、36を透過形としたものであり、
この透過形の基準間隔35、36には真空に保持された部分
42、43が設けられている。なお、12、13はハーフミラ
ー、15、16はミラーである。この実施例では、ハーフミ
ラー12、13によりそれぞれ分岐された一方の光(点線)
は、基準間隔35、36を透過して干渉計17、18に入射し、
又、他方の光(実線)は基準間隔35、36の真空に保持さ
れた部分42、43を透過して干渉計17、18に入射する。同
一長さLiで光路長差が得られるため、周囲温度等の雰囲
気の変化による基準間隔の伸縮の影響を小さくする構成
とすることができる。
In Fig. 5, the reference distances 35 and 36 are transparent.
In this transmission type, the reference distances 35 and 36 are
42 and 43 are provided. In addition, 12 and 13 are half mirrors, and 15 and 16 are mirrors. In this embodiment, one of the lights branched by the half mirrors 12 and 13 (dotted line)
Is transmitted through the reference intervals 35 and 36 and is incident on the interferometers 17 and 18,
On the other hand, the other light (solid line) passes through the portions 42, 43 of the reference distances 35, 36 which are held in vacuum and is incident on the interferometers 17, 18. Since the optical path length difference can be obtained with the same length L i , it is possible to reduce the influence of expansion and contraction of the reference interval due to changes in the atmosphere such as the ambient temperature.

第6図は基準間隔を一体形としたものであり、(イ)
図は装置の構成を示す立体図、(ロ)図は一体形とした
基準間隔の構成図である。図において、14′はミラー、
37、38は一体形とされた基準間隔、44は基準間隔37、38
を連通する孔である。この実施例では、ミラー14′によ
り基準間隔37へ入射される光は、基準間隔38へ入射され
る光に対して90゜で入射されるように形成したものであ
る。このようにすると、干渉計により分岐された2つの
光は同一の構造体で反射されるため、基準間隔間の温度
差による長さL1、L2の変化が小さく、より高精度に測定
することができる。
Fig. 6 shows an integral type of reference interval.
The figure is a three-dimensional view showing the configuration of the apparatus, and FIG. In the figure, 14 'is a mirror,
37, 38 are the standard interval integrated, 44 is the standard interval 37, 38
Is a hole that communicates with. In this embodiment, the light incident on the reference interval 37 by the mirror 14 'is formed so as to be incident at 90 ° with respect to the light incident on the reference interval 38. By doing so, the two lights branched by the interferometer are reflected by the same structure, so the changes in the lengths L 1 and L 2 due to the temperature difference between the reference intervals are small, and more accurate measurement is possible. be able to.

第7図は本発明に係わる流体の屈折率測定装置の請求
項3に関する一実施例を示す構成図である。なお、第7
図において第1図と同一要素には同一符号を付して重複
する説明は省略する。
FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment of claim 3 of the fluid refractive index measuring apparatus according to the present invention. The seventh
In the figure, the same elements as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

第7図において、39は反射面の間隔がL1、L2で保持さ
れている基準間隔、50は干渉計17により分岐された一方
の光を分岐する光学部品、51は光学部品50により分岐さ
れた光を切り換えるスリット板である。
In FIG. 7, 39 is a reference distance in which the distances of the reflecting surfaces are held by L 1 and L 2 , 50 is an optical component for branching one of the lights branched by the interferometer 17, 51 is a branch by the optical component 50. It is a slit plate that switches the emitted light.

このような構成において、光源10の出力光は干渉計17
に入射され、入射された光は干渉計17にて2つに分岐さ
れる。実線で示す一方の光は基準間隔39の反射面39aで
反射され、再び干渉計17に戻る。点線で示す他方の光は
光学部品50で更に2つに分岐され、スリット板51を経て
基準間隔39の反射面39b、又は39cで反射され、再びスリ
ット板51、光学部品50を経て干渉計17に戻る。干渉計17
では基準間隔39の反射面39aと反射面39b、又は39cから
の反射光が合成され、干渉信号として検出器20に入射さ
れ、演算器23に入力される。
In such a configuration, the output light of the light source 10 is the interferometer 17
The incident light is split into two by the interferometer 17. One of the lights indicated by the solid line is reflected by the reflecting surface 39a having the reference interval 39 and returns to the interferometer 17 again. The other light shown by the dotted line is further branched into two by the optical component 50, passes through the slit plate 51, and is reflected by the reflecting surface 39b or 39c having the reference interval 39, and again passes through the slit plate 51 and the optical component 50 and the interferometer 17. Return to. Interferometer 17
Then, the reflected lights from the reflecting surface 39a and the reflecting surface 39b or 39c at the reference interval 39 are combined, incident on the detector 20 as an interference signal, and input to the calculator 23.

しかしながら、上記状態では、2つの干渉信号が混ざ
った状態を示しているため、スリット板51により基準間
隔39の反斜面39b、39cで反射される光の切り換えを行
う。このスリット板51の切り換え動作に同期して演算器
23で基準間隔L1、L2による干渉信号から流体の屈折率の
絶対値を演算する。
However, in the above-mentioned state, since the two interference signals are mixed, the slit plate 51 switches the light reflected by the anti-slopes 39b and 39c at the reference interval 39. The computing unit is synchronized with the switching operation of the slit plate 51.
At 23, the absolute value of the refractive index of the fluid is calculated from the interference signal due to the reference intervals L 1 and L 2 .

通常の動作としては、最初にスリット板51により光
を遮断し、短い基準間隔L1から流体の屈折率の粗い範囲
を求め、次に光を遮断し、長い基準間隔L2から精密な
流体の屈折率を求めるものであり、第1図の構成図の装
置に比べて、複数の基準間隔それぞれに専用な高価な干
渉計とそれに伴う検出器が必要なくなるため、安価で小
型の装置とすることができる。なお、光学部品50は干渉
計17中に構成されていてもよく、装置の構成をより小型
化できることになり、又、スリット板51による光の切り
換え動作は、機械的な方法、又は電気−光学効果を使用
した光スイッチ等を用いた電気的な方法のどちらであっ
てもよい。
As a normal operation, first the light is blocked by the slit plate 51, the rough range of the refractive index of the fluid is obtained from the short reference interval L 1 , then the light is blocked, and the precise reference of the precise fluid is obtained from the long reference interval L 2. Since the refractive index is obtained, an expensive interferometer dedicated to each of the plurality of reference intervals and a detector associated therewith are not required as compared with the device of the configuration diagram of FIG. 1, so the device should be an inexpensive and small device. You can The optical component 50 may be configured in the interferometer 17, which makes it possible to further reduce the size of the device, and the switching operation of the light by the slit plate 51 is performed by a mechanical method or an electro-optical method. Either an electrical method using an optical switch using the effect may be used.

又、前記いずれの構成においても、基準間隔の形状及
び配置は必ずしも上記に示した構成である必要はなく、
反射面の間隔が測定できる構成であればよく、例えば2
つの干渉計の構成や干渉計と基準間隔の構成や容器と基
準間隔の構成が一体であってもよく、干渉計として差動
型の干渉計を用い光路長を長くするようにしてもよい。
又、基準間隔の数は3個以上であってもよく、その場合
は高分解能となり、より高精度に流体の屈折率を求める
ことができる。更に干渉信号の測定手段としては光源に
2周波数光源を使用して、ヘテロダイン干渉により位相
を求めるような方法でもよい。
Further, in any of the above configurations, the shape and arrangement of the reference interval do not necessarily have to be the configurations described above,
Any structure can be used as long as the distance between the reflecting surfaces can be measured, for example, 2
The configuration of one interferometer, the configuration of the interferometer and the reference interval, or the configuration of the container and the reference interval may be integrated, or a differential interferometer may be used as the interferometer to increase the optical path length.
Further, the number of reference intervals may be three or more, in which case the resolution becomes high and the refractive index of the fluid can be obtained with higher accuracy. Further, a method of obtaining a phase by heterodyne interference by using a two-frequency light source as a light source as the interference signal measuring means may be used.

<発明の効果> 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本発明
によれば、複数の異なる反斜面の間隔を有する基準間隔
を用いて、流体の屈折率変化に伴う各基準間隔の光路長
変化を同時に測定し、その変化量の違いから流体の屈折
率の絶対値を求めるようにした構成とすることにより、
真空から大気への気体導入時の制御装置を必要としない
為、装置の構成を簡素化でき、又、周囲温度等の雰囲気
の変化による基準間隔の伸縮も補正できる構成とするこ
とにより、測定精度をより高精度にすることができる。
更に、干渉計により分岐された一方の光を光学部品によ
り更に分岐し、この分岐された光をスリット板を通すこ
とにより、複数の基準間隔それぞれに専用な高価な干渉
計を必要としなくなり、それに伴う検出器も必要なくな
ることになり、安価で小型の流体の屈折率の絶対値を測
定することのできる流体の屈折率測定装置を実現するこ
とができる。
<Effects of the Invention> As described above in detail with reference to the embodiments, according to the present invention, by using the reference intervals having a plurality of different anti-slope intervals, each of the reference intervals associated with the change in the refractive index of the fluid is used. By measuring the change in the optical path length at the same time and determining the absolute value of the refractive index of the fluid from the difference in the amount of change,
Since a control device for introducing gas from vacuum to the atmosphere is not required, the configuration of the device can be simplified and the expansion and contraction of the reference interval due to changes in the atmosphere such as the ambient temperature can be corrected, thereby improving the measurement accuracy. Can be more precise.
Further, one of the lights branched by the interferometer is further branched by an optical component, and the branched light is passed through a slit plate, so that an expensive interferometer dedicated to each of the plurality of reference intervals is not required. The accompanying detector is also unnecessary, and a fluid refractive index measuring device that is inexpensive and small in size and capable of measuring the absolute value of the refractive index of the fluid can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係わる流体の屈折率測定装置の一実施
例を示す構成図、第2図は流体の屈折率の変化に伴う干
渉信号の出力及び位相信号の変化量を示す図、第3図〜
第7図は本発明の他の実施例を示す構成図、第8図は従
来例を示す図である。 10……光源、11、12……ハーフミラー、14……ミラー、
17〜19……干渉計、20〜22……検出器、23……演算器、
25……容器、30、31、39……基準間隔、32……真空に保
持された基準間隔、50……光学部品、51……スリット
板、25a……流体の取入れ(取出し)口、30a、30b、31
a、31b、39a〜39c……反射面、L1〜L3……反射面の間
隔。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fluid refractive index measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the output of an interference signal and the amount of change of a phase signal due to the change of the refractive index of a fluid. Figure 3 ~
FIG. 7 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a view showing a conventional example. 10 …… light source, 11, 12 …… half mirror, 14 …… mirror,
17 to 19 …… Interferometer, 20 to 22 …… Detector, 23 …… Computer,
25 ... Container, 30, 31, 39 ... Reference interval, 32 ... Reference interval maintained in vacuum, 50 ... Optical component, 51 ... Slit plate, 25a ... Fluid intake (outlet) port, 30a , 30b, 31
a, 31b, 39a to 39c …… Reflecting surface, L 1 to L 3 …… Interval between reflecting surfaces.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池澤 克哉 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 金 文煥 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−4257(JP,A) 特開 昭58−160848(JP,A) 特開 昭57−108742(JP,A) 実開 昭57−192463(JP,U) 特公 昭56−6482(JP,B1) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Katsuya Ikezawa 2-932 Nakamachi, Musashino City, Tokyo Inside Yokogawa Electric Co., Ltd. Within Yokogawa Electric Co., Ltd. (56) Reference JP-A-52-4257 (JP, A) JP-A-58-160848 (JP, A) JP-A-57-108742 (JP, A) Practical application Sho-57-192463 (JP, U) Japanese Patent Publication Sho 56-6482 (JP, B1)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光源からの光が入力される複数の干渉計
と、異なる反射面の間隔を有する複数の基準間隔と、こ
れらの基準間隔から反射された光の光路長変化に伴って
前記各干渉計により得られる位相信号を測定する複数の
検出器とを具備し、 前記光源の真空中の波長をλv,基準間隔の反射面の間隔
をL,この間隔Lを用いた第1の干渉計によって得られる
位相信号と真空中での初期位相との差をΔφとしたと
き、下記演算式中の波数Δm(ゼロまたは正の整数)が
ゼロになるように前記間隔Lの値をL1に設定することに
より流体の屈折率の絶対値nを求め、次に基準間隔の反
射面の間隔Lが前記L1より長いL2を用いた第2の干渉計
によって得られる位相信号と前記間隔L1によって得られ
た屈折率nから下記演算式を利用することにより求めら
れるΔmを用いて下記演算式により精密に屈折率の絶対
値nを求めるようにしたことを特徴とする流体の屈折率
測定装置。 記 (n−1)・L=(λv/2)・(Δm+Δφ/2π)
1. A plurality of interferometers to which light from a light source is input, a plurality of reference intervals having different intervals of reflecting surfaces, and each of the above-mentioned each according to a change in optical path length of light reflected from these reference intervals. A first interferometer that uses a plurality of detectors that measure a phase signal obtained by an interferometer, wherein the wavelength of the light source in vacuum is λv, the distance between the reflecting surfaces at the reference distance is L, and the distance L is used. When the difference between the phase signal obtained by and the initial phase in vacuum is Δφ, the value of the interval L is set to L1 so that the wave number Δm (zero or a positive integer) in the following equation becomes zero. Then, the absolute value n of the refractive index of the fluid is obtained, and then the distance L between the reflecting surfaces at the reference distance is obtained from the phase signal obtained by the second interferometer using L2 longer than L1 and the distance L1. Δm obtained by using the following calculation formula from the refractive index n Refractive index measurement device of the fluid, characterized in that as the absolute value n of precisely refractive index by the following calculation formula using. Note (n-1) ・ L = (λv / 2) ・ (Δm + Δφ / 2π)
【請求項2】前記基準間隔として真空に保持され周囲温
度等の雰囲気の変化による基準間隔の伸縮を補正する別
の基準間隔を設けたことを特徴とする請求項1記載の流
体の屈折率測定装置。
2. The refractive index measurement of a fluid according to claim 1, wherein another reference interval is provided as the reference interval for correcting expansion and contraction of the reference interval due to a change in atmosphere such as ambient temperature. apparatus.
【請求項3】前記複数の干渉計のうちの1つを用い、こ
の干渉計により分岐された一方の光を分岐する光学部品
と、光を切り換えるスリット板等とを設け、このスリッ
ト板等の切り換え動作に同期して検出器から出力された
干渉信号の変化から流体の屈折率の絶対値を演算器にて
演算するようにし、干渉計の個数を減少させることを特
徴とする請求項1記載の流体の屈折率測定装置。
3. An optical component that uses one of the plurality of interferometers and splits one of the light beams split by the interferometer, and a slit plate or the like for switching the light, and the slit plate or the like is provided. 2. The number of interferometers is reduced by calculating the absolute value of the refractive index of the fluid by a calculator from the change of the interference signal output from the detector in synchronization with the switching operation. Device for measuring the refractive index of fluids.
JP1224895A 1989-03-30 1989-08-31 Fluid refractive index measuring device Expired - Lifetime JPH0833347B2 (en)

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Cited By (2)

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