DE10115292B4

DE10115292B4 - Luftrefraktometer

Info

Publication number: DE10115292B4
Application number: DE10115292A
Authority: DE
Inventors: Jun Ishikawa; Morimasa Ueda; Hiroki Masuda; Yutaka Kuriyama
Original assignee: Mitutoyo Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Mitutoyo Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: US6559951B2; DE10115292A1; US20010043334A1; JP2001281142A; JP3635000B2

Abstract

Luftrefraktometer mit: einem Vakuumbehälter, wobei die Länge des Vakuumbehälters in Längsrichtung variabel ist; einem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich im Inneren des Vakuumbehälters in der Längsrichtung fortpflanzt; einem Vakuum-seitigen Laserinterferometer, das den Vakuum-seitigen Laserstrahl verwendet; einem Gas-seitigen Laserstrahl koaxial zu dem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich im Inneren eines Raumbereichs eines Testgases fortpflanzt; einem Gas-seitigen Laserinterferometer, das den Gas-seitigen Laserstrahl verwendet; einem Antriebsmechanismus zum Antreiben eines beweglichen Endes des Vakuumbehälters entlang der Längsrichtung; einem Vakuum-seitigen Reflektor, der an einer Vakuumseite des beweglichen Endes des Vakuumbehälters zum Reflektieren des Vakuum-seitigen Laserstrahls vorgesehen ist; und einem Gas-seitigen Reflektor, der auf einer Testgasseite des beweglichen Endes zum Reflektieren des Gas-seitigen Laserstrahls vorgesehen ist, wobei eine Bewegung des Vakuum-seitigen Reflektors durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessen wird, eine Bewegung des Gas-seitigen Reflektors durch das Gas-seitige Laserinterferometer gemessen wird, der Brechungsindex des Testgases auf der Grundlage der gemessenen Werte...

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftrefraktometer zum Messen eines Brechungsindex diverser Gase.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Herkömmlicherweise wird ein Refraktometer zum Messen des Brechungsindex von Luft verwendet. Das Refraktometer weist einen Behälter mit einem optischen Weg eines Laserstrahls eines darin ausgebildeten Laserinterferometers auf, wobei der Brechungsindex der Luft aus einer Differenz zwischen einem gemessenen Wert des Laserinterferometers, wenn der Innenraum des Behälters evakuiert ist, und einem gemessenen Wert des Laserinterferometers, wenn Luft in den Behälter eingeführt wird, erhalten wird (”Entwicklung von Luftrefraktometern”, Proseedings des JSPE-Frühjahrtreffen 1994, S. 451, 452).
Da jedoch ein derartiges Refraktometer abwechselnd ein Vakuum und Atmosphärendruck innerhalb eines einzelnen Behälters erzeugt, kann der Behälter und dergleichen aufgrund der Druckänderung zwischen dem Vakuum und dem Atmosphärendruck deformiert werden, so dass die Genauigkeit zur Messung des Brechungsindex aufgrund der Deformation nicht gesteigert werden kann.
Um den oben genannten Nachteil zu beheben, wurde ein weiteres Refraktometer vorgeschlagen, wobei das Refraktometer zwei Laserinterferometer aufweist, d. h. ein einem im Vakuum laufenden Laserstrahl verwendendes Laserinterferometer und ein einen in Luft laufenden Laserstrahl verwendendes Laserinterferometer, so dass der Brechungsindex der Luft aus den gemessenen Werten der Laserinterferometer ermittelt wird (”Entwicklung eines Luftrefraktometers und Beurteilung seiner Leistungsfähigkeit”, 1999, erste internationale Konferenz von EUSPEN, S. 145–148).
Insbesondere verwendet das Refraktometer zwei Laserstrahlen, die aus einem einzelnen Laserstrahl herausgeteilt werden. Ein aus einem metallischen Balg hergestellter Vakuumbehälter ist an einem Teil des optischen Weges des Laserstrahls vorgesehen, wobei der Vakuumbehälter an einem beweglichen Ende ein Fenster aufweist. Einer der Laserstrahlen läuft durch den Innenraum des Vakuumbehälters, wird von dem Fenster reflektiert und trifft auf eines der Laserinterferometer. Der andere Laserstrahl läuft durch den Innenbereich des Vakuumbehälters, durchdringt das Fenster und läuft weiter durch die Luft, um von einen in dieser Richtung angeordneten Reflektor reflektiert zu werden, und trifft auf das andere Laserinterferometer. Die Laserstrahlen sind zueinander parallel und weisen die gleiche Ausbreitungsrichtung auf.
Ein derartig aufgebautes Refraktometer ermittelt den Brechungsindex eines Testgases aus einem Messwert, der durch Messen einer Veränderung des optischen Weges im Vakuum, die durch das Bewegen des beweglichen Endes des Vakuumbehälters verursacht wird, mit einem der Laserinterferometer erhalten wird, und durch Messen einer Bewegung des optischen Weges in Luft mit dem anderen Laserinterferometer.
Da jedoch der optische Weg im Vakuum, als Referenz dienend, und der optische Weg in Luft, als eine zu messende Dimension dienend, parallel zueinander angeordnet sind, genügt das die zwei Laserinterferometer verwendende Refraktometer nicht dem Abbe'schen Prinzip, das eine lineare Anordnung der Referenz und des Werkstückes in der Messrichtung erfordert, wodurch die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Messfehler aufgrund des Abbe'schen Prinzips hervorgerufen wird.
Überblick über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung verwendet den folgenden Aufbau, um ein Luftrefraktometer bereit zu stellen, das den Messfehler durch Erfüllung des Abbe'schen Prinzips verringern kann, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Luftrefraktometer: einen Vakuumbehälter, wobei die Länge des Vakuumbehälters in der Längsrichtung variabel ist; einen Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich innerhalb des Vakuumbehälters in der Längsrichtung fortpflanzt; ein Vakuum-seitiges Laserinterferometer, das den Vakuum-seitigen Laserstrahl verwendet; einen Gas-seitigen Laserstrahl koaxial zu dem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich innerhalb eines Bereichs eines Testgases fortpflanzt; ein Gas-seitiges Laserinterferometer, das den Gas-seitigen Laserstrahl verwendet; einen Antriebsmechanismus zum Antreiben eines beweglichen Endes des Vakuumbehälters entlang der Längsrichtung; einen Vakuumseitigen Reflektor, der Vakuum-seitig an dem beweglichen Ende des Vakuumbehälters vorgesehen ist, um den Vakuum-seitigen Laserstrahl zu reflektieren; und einen Gas-seitigen Reflektor, der auf der Testgasseite des beweglichen Endes vorgesehen ist, um den Gas-seitigen Laserstrahl zu reflektieren, wobei eine Bewegung des Vakuum-seitigen Reflektors durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessen wird, eine Bewegung des Gas-seitigen Reflektors durch das Gas-seitige Laserinterferometer gemessen wird, der Brechungsindex des Testgases auf der Grundlage der gemessenen Werte gemessen wird, wobei der Vakuum-seitige Laserstrahl und der Gas-seitige Laserstrahl aus einem einzelnen Laserstrahl durch Teilung gewonnen werden und jeweils in das Vakuum-seitige Laserinterferometer und das Gas-seitige Laserinterferometer durch Einzel-Moden-Lichtwellenleiter eingeführt werden, wobei die von den entsprechenden Einzel-Moden-Lichtwellenleiter ausgesandten entsprechenden Laserstrahlen optische Messlichtpfade zwischen den entsprechenden Laserinterferometern und den entsprechenden Reflektoren sind, und wobei der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad koaxial angeordnet sind und das bewegliche Ende des Vakuumbehälters einschließen.
Entsprechend der vorhergehenden Anordnung wird von den zwei aus dem einzelnen Laserstrahl herausgeteilten Laserstrahlen der Vakuum-seitige Laserstrahl durch den Einzel-Moden-Lichtwellenleiter in das Vakuum-seitige Laserinterferometer eingeführt, um sich innerhalb des Vakuumbehälters fortzupflanzen, und wird von dem Vakuum-seitigen Reflektor reflektiert, so dass dieser auf das Vakuum-seitige Laserinterferometer fällt. Andererseits wird der Gas-seitige Laserstrahl in das Gas-seitige Laserinterferometer durch den Einzel-Moden-Lichtwellenleiter eingeführt, um sich im Raumbereich des Testgases fortzupflanzen, und wird durch den Gas-seitigen Reflektor reflektiert, um auf das Gas-seitige Laserinterferometer zu treffen. Die Bewegung des optischen Messlichtpfades, die durch das Bewegen des beweglichen Endes des Vakuumbehälters zwischen dem Vakuum-seitigen Laserinterferometer und dem Vakuum-seitigen Reflektor bewirkt wird, wird durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessen. Die Bewegung des optischen Messlichtpfades zwischen dem Gas-seitigen Laserinterferometer und dem Gas-seitigen Reflektor wird durch das Gas-seitige Laserinterferometer gemessen, wodurch der Brechungsindex des Testgases auf der Grundlage der gemessenen Werte erhalten wird.
Da hierbei der optische Messlichtpfad, der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl als Referenz gebildet wird, und der optische Messlichtpfad, der durch den Gas-seitigen Laserstrahl als die zu messende Abmessung gebildet wird, koaxial und das bewegliche Ende des Vakuumbehälters einschließend angeordnet sind, kann das Abbe'sche Prinzip, das eine lineare Anordnung der Referenz und des Werkstückes verlangt, erfüllt werden. Folglich kann der Messfehler beim Messen des Luftbrechungsindex verringert werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
In der vorliegenden Erfindung können der Vakuum-seitige Reflektor und der Gas-seitige Reflektor vorzugsweise auf einer Vakuumseite oder einer Gasseite eines optisch transparenten Körpers, der an dem beweglichen Ende vorgesehen ist, vorgesehen werden, wobei der Vakuum-seitige Reflektor durch einen reflektierenden Film gebildet ist, der an beiden Seiten eine reflektierende Oberfläche mit hoher Reflektivität aufweist.
Da der reflektierende Film auf einer Seite des optische transparenten Körpers ausgebildet ist, können daher die Reflektoren in einfacher Weise an beiden Seiten des beweglichen Endes, d. h. der Vakuumseite und der Gasseite, des Vakuumbehälters gebildet werden.
In der vorliegenden Erfindung kann die Lage des Einzel-Moden-Lichtwellenleiters vorzugsweise so festgelegt sein, dass eine optische Kopplungseffizienz des Vakuum-seitigen Laserstrahls und des Gas-seitigen Laserstrahls, die von den Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesendet werden, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist.
Da die Lage der Einzel-Moden-Lichtwellenleiter so festgelegt ist, dass die optische Kopplungseffizienz jeweils des Vakuum-seitigen Laserstrahls und des Gas-seitigen Laserstrahls, die von den Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesendet werden, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, können daher die entsprechenden Laserstrahlen optisch im Wesentlichen koaxial angeordnet sein. Anders ausgedrückt, der durch den Vakuumseitigen Laserstrahl gebildete optische Messpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messpfad können in genauer Weise auf der gleichen Achse angeordnet sein.
Gemäß dem obigen Aufbau kann eine Lage des Reflektors vorzugsweise so festgelegt sein, dass eine optische Kopplungseffizienz des von einem von den Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesandten Laserstrahls und des einen von dem Reflektor reflektierten Laserstrahls größer oder gleich als ein vorbestimmter Wert ist.
Während der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad in der obigen Anordnung koaxial angeordnet sind, ist die Lage der Reflektoren so festgelegt, dass die Kopplungseffizienz zwischen beispielsweise dem von dem Einzel-Moden-Lichtwellenleiter ausgesandten Vakuum-seitigen Laserstrahl und dem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der von dem Vakuum-seitigen Reflektor reflektiert wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Folglich können die Reflektoren im Wesentlichen orthogonal zu den entsprechenden Laserstrahlen positioniert werden, wodurch somit die Messgenauigkeit verbessert wird.
In der obigen Anordnung kann das Vakuum-seitige Laserinterferometer vorzugsweise eine Frequenz von durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl verursachten Interferenzringen messen, und das Gas-seitige Laserinterferometer kann vorzugsweise eine Frequenz der durch den Gas-seitigen Laserstrahl bewirkten Interferenzringe messen, und, während sich die entsprechenden Reflektoren, die an dem beweglichen Ende angeordnet sind, mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit bewegen, können entsprechende, durch die entsprechenden Laserinterferometer gemessenen Werte vorzugsweise mit einer Frequenzmultipliziereinrichtung, die den gleichen vorbestimmten Multiplikationsfaktor aufweist, vervielfacht werden, wobei einer der vervielfachten gemessenen Werte als ein Referenztakt eines Frequenzzählers gezählt wird, und der andere vervielfachte gemessene Wert als ein Zählertakt des Frequenzzählers gezählt wird, wodurch ein Brechungsindex eines Testgases aus den gemessenen Werten ermittelt wird.
Da der Brechungsindex des Testgases nicht durch die Anzahl der Interferenzringe, die von den entsprechenden Laserinterferometern gemessen werden, ermittelt wird, sondern durch die von den entsprechenden Laserinterferometern gemessene Frequenz der Interferenzringe, kann die Messung mit einer hohen Auflösung durchgeführt werden.
In der vorliegenden Erfindung kann der durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessene Wert vorzugsweise zu einem Antriebskontroller zum Steuern des Antriebsmechanismus rückgekoppelt werden und die gleichförmige Bewegung des Reflektors wird auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der Rückkopplungsinformation und einem vorbestimmten Befehlswert einer Bewegungsgeschwindigkeit gesteuert, wobei der Antriebsmechanismus vorzugsweise umfasst: einen Antriebskörper zur Befestigung des beweglichen Endes daran; eine einzelne Antriebsrolle, die in einer Antriebsrichtung des Antriebskörpers drehbar ist, um den Antriebskörper in Kontakt mit dem Antriebskörper anzutreiben; und einen Führungsmechanismus zum Halten des Antriebskörpers in einer vorbestimmten Stellung mittels eines Fluids.
Da die gleichförmige Bewegung der Reflektoren (bewegliches Ende des Vakuumbehälters) durch Vergleichen der Rückkopplungsinformation des durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessenen Wertes, der an den Antriebskontroller zurückgekoppelt wird, mit dem vorbestimmten Befehlswert der Bewegungsgeschwindigkeit gesteuert ist, kann die gleichförmige Bewegung der Reflektoren mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Da ferner der Antriebskörper in einer vorbestimmten Lage durch den Führungsmechanismus mittels eines Fluids gehalten wird, kann der Antriebskörper in der vorbestimmten Lage ohne mechanische Abweichung gehalten werden. Da ferner der Antriebskörper durch Drehen der einzelnen Antriebsrolle in Kontakt mit dem Antriebskörper angetrieben wird, können die mechanischen Belastungen des Antriebskörpers auf einen einzelnen Bereich des Kontaktbereichs gegenüber der Antriebsrolle beschränkt werden.
In der obigen Anordnung kann das Fluid des Führungsmechanismus vorzugsweise das Testgas sein.
Da das Testgas als das Fluid des Führungsmechanismus verwendet wird, wird die Messgenauigkeit nicht verringert, selbst wenn das Fluid des Führungsmechanismus und das Testgas innerhalb des Raumbereichs für die Fortpflanzung des Gas-seitigen Laserstrahls vermischt werden.
Alternativ kann das Fluid des Führungsmechanismus Luft sein und der Führungsmechanismus umfasst ein Abluftsammelndes Luftlager.
Da die Luft als das Fluid des Führungsmechanismus verwendet wird und der Führungsmechanismus das Abluftsammelnde Luftlager umfasst, werden folglich das Fluid des Führungsmechanismus und das für die Fortpflanzung des Gas-seitigen Laserstrahls vorgesehene Testgas nicht vermischt, wodurch die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das ein Luftrefraktometer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Im Folgenden wird mit Bezug zu der angefügten Zeichnung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Luftrefraktometers gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Das Refraktometer 1 besitzt einen Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa, der sich in einem Vakuumbehälter 11 mit variabler Längsabmessung ausbreitet, ein Vakuum-seitiges Laserinterferometer 20, das den Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa verwendet, einen Gas-seitigen Laserstrahl Pb koaxial zu dem Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa, der sich in einem Raumbereich des Testgases ausbreitet, und ein Gas-seitiges Laserinterferometer 30, das den Gas-seitigen Laserstrahl Pb verwendet. Der Vakuumseitige Laserstrahl Pa und der Gas-seitige Laserstrahl Pb werden durch Teilung aus einem einzelnen Laserstrahl P, der von einer Laserquelle 41 ausgesendet wird, gewonnen.
Der Vakuumbehälter 11 ist aus einem metallischen Balg aufgebaut, wobei die Innenseite evakuiert und eine Außenseite von dem Testgasbereich umgeben ist.
Ein Ende des Vakuumbehälters 11 ist an dem Vakuum-seitigen Laserinterferometer 20 befestigt. Das andere Ende (im Weiteren als bewegliches Ende bezeichnet) des Vakuumbehälters 11 ist entlang einer Längsrichtung des Vakuumbehälters 11 beweglich. Ein optischer transparenter Körper 12 ist an dem beweglichen Ende des Vakuumbehälters 11 angeordnet, wobei der optische transparente Körper 12 einen reflektierenden Film 13 an einer Seite aufweist. Die reflektierende Schicht 13 besitzt an deren beiden Seiten reflektierende Oberflächen mit einer hohen Reflektivität. Insbesondere ist die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Films 13 auf der Vakuumseite ein Vakuum-seitiger Reflektor 13A und die reflektierende Oberfläche auf der Testgasseite ist ein Gas-seitiger Reflektor 13B, wobei die Reflektoren 13A und 13B im Wesentlichen orthogonal zu dem Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa und dem Gas-seitigen Laserstrahl Pb sind.
Der Vakuum-seitige Laserstrahl Pa und der Gas-seitige Laserstrahl Pb sind koaxial angeordnet, um das bewegliche Ende des Vakuumbehälters 11, d. h. den optischen transparenten Körper 12, einzuschließen. Das Vakuum-seitige Laserinterferometer 20 und das Gas-seitige Laserinterferometer 30 schließen ebenfalls den optischen transparenten Körper 12 ein, so dass der Vakuum-seitige Laserstrahl Pa und der Gas-seitige Laserstrahl Pb optische Messlichtpfade zwischen den entsprechenden Laserinterferometern 20, 30 und den Reflektoren 13A, 13B bilden.
Der optische transparente Körper 12 ist entlang des Laserstrahls mittels eines Antriebsmechanismus 50 bewegbar. Der Vakuumbehälter 11 dehnt und kontrahiert sich in Übereinstimmung mit der Bewegung des optischen transparenten Körpers 12.
Der Antriebsmechanismus 50 besitzt einen Antriebskörper 51, an dem der optische transparente Körper befestigt ist, eine einzelne Antriebsrolle 52, die sich in einer Antriebsrichtung des Antriebskörpers 51 bewegt, und dabei mit diesem zum Bewegen des Antriebskörpers 51 mit einer konstanten Geschwindigkeit im Kontakt ist, eine Antriebseinrichtung 53 zum Antreiben der Antriebsrolle und einen Führungsmechanismus 55 zum Halten des Antriebskörpers 51 in einer vorbestimmten Lage mittels eines Fluids. Der Antriebsmechanismus 51 wird mittels eines im Folgenden beschriebenen Antriebskontrollers 54 auf eine konstante Geschwindigkeit gesteuert.
Der von der Laserquelle 41 ausgesandte einzelne Laserstrahl P wird in die zwei Laserstrahlen P1 und P2 mittels eines Strahlteilers 42 aufgeteilt. Die Laserstrahlen P1 und P2 werden entsprechend in das Vakuum-seitige Laserinterferometer 20 und das Gas-seitige Laserinterferometer 30 durch Polarisations-erhaltende Fasern 43 und 44, die als Einzel-Moden-Lichtwellenleiter dienen, eingeführt.
Nachdem der Laserstrahl P1 in dem Innenbereich des Vakuum-seitigen Laserinterferometers 20 mittels der Polarisation-erhaltenden Faser 43 eingeführt ist, wird der Laserstrahl P1 in die zwei Laserstrahlen P3 und Pa mittels eines polarisierenden Strahlteilers 21 aufgeteilt. Der von dem polarisierenden Strahlteiler 21 reflektierte Laserstrahl P3 durchläuft ein Viertelwellenlängen-Plättchen 22, um von einem festen Spiegel 23 reflektiert zu werden, und kehrt zu dem polarisierenden Strahlteiler 21 zurück, nachdem er durch ein Viertelwellenlängen-Plättchen 23 hindurch gegangen ist. Andererseits pflanzt sich der durch den polarisierenden Strahlteiler 21 hindurch getretene Vakuum-seitige Laserstrahl Pa im Innenraum des Vakuumbehälters fort, nachdem dieser ein Viertelwellenlängen-Plättchen 24 durchdrungen hat, um von dem Vakuum-seitigen Reflektor 13A reflektiert zu werden, und kehrt zu dem polarisierenden Strahlteiler 21 nach dem Durchlaufen des Viertelwellenlängen-Plättchens 24 zurück. Da eine optische Weglängendifferenz zwischen dem Laserstrahl P3 und dem Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa erzeugt wird, werden Interferenzringe (nicht gezeigt) auf dem polarisierenden Strahlteiler 21 gebildet.
Der an dem polarisierenden Strahlteiler 21 zusammengeführte Laserstrahl P4 geht durch ein Halbwellenlängen-Plättchen 25 hindurch und wird in zwei Laserstrahlen P5 und P6 aufgeteilt.
Der von dem Strahlteiler 26 reflektierte Laserstrahl P5 wird weiter in zwei Laserstrahlen P7 und P8 mittels eines polarisierenden Strahlteilers 27 aufgeteilt. Die Frequenz der Interferenzringe der beiden Laserstrahlen P7 und P8 wird jeweils von Sensoren 20A und 20B detektiert.
Andererseits wird der durch einen Strahlteiler 26 hindurch gegangene Laserstrahl P6 weiter in zwei Laserstrahlen P9 und P10 mittels eines polarisierenden Strahlteilers 29 aufgeteilt. Die Frequenz der Interferenzringe der zwei Laserstrahlern P9 und P10 wird jeweils durch Sensoren 20C und 20D detektiert.
Nachdem der Laserstrahl P2 ins Innere des Gas-haltigen Laserinterferometers 30 durch die Polarisations-erhaltende Faser 44 eingeführt worden ist, wird andererseits der Laserstrahl P2 mittels eines polarisierenden Strahlteiles 31 in zwei Laserstrahlen P11 und Pb aufgeteilt. Der von dem polarisierenden Strahlteil 31 reflektierte Laserstrahl P11 geht durch das Viertelwellenlängen-Plättchen 32, um von einem festen Reflektor 33 reflektiert zu werden, und kehrt zu dem polarisierenden Strahlteil 31 nach Durchlaufen des Viertelwellenlängen-Plättchen 32 zurück. Andererseits geht der durch den polarisierenden Strahlteil 31 hindurchtretende Laserstrahl Pb durch ein Viertelwellenlängen-Plättchen 34, um sich im Raumbereich des Testgases fortzupflanzen, und um von dem Gas-seitigen Reflektor 13B reflektiert zu werden, und kehrt zu dem polarisierenden Strahlteil 31 nach Durchlaufen des Viertellängenwellen-Plättchens 34 zurück. Da eine optische Weglängendifferenz zwischen dem Laserstrahl P11 und dem Gas-seitigen Laserstrahl Pb erzeugt wird, werden Interferenzringe (nicht gezeigt) an dem polarisierenden Strahlteil 31 gebildet.
Ein an dem polarisierenden Strahlteil 31 vereinigter Laserstrahl P12 durchdringt eine polarisierende Platte 35 und eine Frequenz der Interferenzringe des Laserstrahls P12 wird mittels eines Sensors 30A detektiert.
Die Frequenz der von den Sensoren 20A und 20B des Vakuum-seitigen Laserinterferometers 20 detektierten Interferenzringe wird mit einer Frequenzmultiplizierschaltung 60A, die als Multipliziereinrichtung dient um einen Faktor 1000 auf 10 MHz vervielfacht, das als Referenztakt für einen Frequenzzähler 70 gezählt wird. Andererseits wird die Frequenz der durch den Sensor 30A des Gas-seitigen Laserinterferometers 30 detektierten Interferenzringe mittels der Frequenzmultiplizierschaltung 60B als einer weiteren Multipliziereinrichtung um einen Faktor 1000 vervielfacht, was als ein Zählertakt eines Frequenzzählers 70 gezählt wird.
Das Verhältnis zwischen der Frequenz der Interferenzringe des Vakuum-seitigen Laserinterferometers 20 und der Frequenz der Interferenzringe des Gas-seitigen Laserinterferometers 30 wird als ein Verhältnis eines gemessenen Frequenzwerts fc zum Referenztakt von 10 MHz dargestellt, so dass ein Brechungsindex n des Testgases relativ zum Vakuum dargestellt werden kann als: n = fc/10 MHz.
Der von dem Vakuum-seitigen Laserinterferometer ermittelte gemessene Wert wird an den Antriebskontroller 54 zurückgekoppelt, wobei die gleichförmige Bewegung des optischen transparenten Körpers 12 (d. h. des Antriebskörpers 51) mit einer konstanten Geschwindigkeit gesteuert wird, indem die Rückkopplungsinformation und ein vorbestimmter Befehlswert der Bewegungsgeschwindigkeit verglichen werden.
Um eine Position und Bewegungsrichtung des beweglichen Endes (optischer transparenter Körper 12) des Vakuumbehälters 11 zu detektieren, wird eine von den Sensoren 20A bis 20D des Vakuum-seitigen Laserinterferometers 20 detektierte Frequenz der Interferenzringe verwendet. Insbesondere werden Zwei-Phasen-Sinuskurven mit 90 Grad Phasen verwendet, und, um die Zwei-Phasen-Sinuskurven als ein stabiles Signal zu erhalten, werden Vier-Phasen-Sinuskurven jeweils mit 90 Grad Phasendifferenz detektiert. Stabile Zwei-Phasen-Sinuskurven werden auf der Grundlage der Differenz der vier-phasigen Sinuskurven erhalten, deren Information mit dem vorbestimmten Befehlswert der Bewegungsgeschwindigkeit verglichen wird, um die Bewegung des beweglichen Endes (entsprechende Reflektoren 13A und 13B) auf eine konstante Geschwindigkeit zu steuern.
Im Anschluss wird der Funktionsablauf in der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zunächst wird beim Messen des Brechungsindex des Testgases die Lage der Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 und des optischen transparenten Körpers 12 (entsprechende Reflektoren 13A und 13B) fixiert.
Die Lage der Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 wird so fixiert, dass die optischen Kopplungseffizienzen der Laserstrahlen P1 und P2 (Pa und Pb), die von den entsprechenden Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 ausgesendet werden, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert sind. Insbesondere wird die Lage der Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 so justiert, dass der von der Polarisations-erhaltenden Faser 43 ausgesandte Laserstrahl P1 auf die Polarisations-erhaltende Faser 44 auftrifft und der Laserstrahl P2, der von der Polarisations-erhaltenden Faser 44 ausgesendet wird, auf die Polarisations-erhaltende Faser 43 auftrifft. Folglich können die entsprechenden Laserstrahlen P1 und P2 im Wesentlichen in optisch koaxialer Weise angeordnet werden, wodurch der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa gebildete optische Messlichtpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl Pb gebildete optische Messlichtpfad mit hoher Genauigkeit koaxial positioniert sind.
Nach Festlegung der Lage der Polarisations-erhaltenden Faser 43 und 44 wird die Lage des optisch transparenten Körpers 12 festgelegt. Die Lage des optisch transparenten Körpers 12 wird so festgelegt, dass beispielsweise die optische Kopplungseffizienz des von der Polarisations-erhaltenden Faser 43 ausgesandten Laserstrahls P1 (Pa) und des von dem Vakuum-seitigen Reflektor 13A reflektierten Laserstrahls Pa größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist.
Insbesondere wird die Lage des optisch transparenten Körpers 12 so in fixierter Weise eingestellt, dass der von dem Vakuum-seitigen Reflektor 13A reflektierte Laserstrahl Pa zu der Polarisations-erhaltenden Faser 43 zurückkehrt. Folglich können die Reflektoren 13A und 13B im Wesentlichen senkrecht zu den entsprechenden Laserstrahlen Pa und Pb in fixierter Weise positioniert werden.
Nach dem Festlegen der Lage der Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 und des optisch transparenten Körpers 12 (entsprechende Reflektoren 13A und 13B) kann der Brechungsindex des Testgases gemessen werden.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform können die folgenden Vorteile erhalten werden.
In der vorliegenden Ausführungsform werden bei den zwei Laserstrahlen Pa und Pb, die aus einem einzelnen Laserstrahl P durch Teilung gewonnen werden, der Vakuum-seitige Laserstrahl Pa mittels der Polarisations-erhaltenden Faser 43 in das Vakuum-seitige Laserinterferometer 20 eingeführt, um sich im Inneren des Vakuumbehälters 11 fortzupflanzen, und durch den Reflektor 13A so reflektiert, um auf das Vakuum-seitige Laserinterferometer 20 aufzutreffen. Der Gas-seitige Laserstrahl Pb wird andererseits mittels der Polarisations-erhaltenden Faser 44 in das Gas-seitige Laserinterferometer 30 eingeführt, um sich im Raumbereich des Testgases fortzupflanzen, und dieser wird von dem Gas-seitigen Reflektor 13B so reflektiert, um auf das Gas-seitige Laserinterferometer 30 aufzutreffen. Die Bewegung des optischen Messlichtpfades, die durch Bewegen des beweglichen Endes des Vakuumbehälters 11 bewirkt wird, zwischen dem Vakuum-seitigen Laserinterferometer 20 und dem Vakuum-seitigen Reflektor 13A wird von dem Vakuum-seitigen Laserinterferometer 20 gemessen. Die Bewegung des optischen Messlichtpfades zwischen dem Gas-seitigen Laserinterferometer 30 und dem Gas-seitigen Reflektor 13B wird durch das Gas-seitige Laserinterferometer 30 gemessen, wodurch der Brechungsindex des Testgases auf der Grundlage der gemessenen Werte ermittelt wird.
Da der als die Referenz durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa gebildete optische Messpfad und der als die zu messende Dimension durch den Gas-seitigen Laserstrahl Pb gebildete Messlichtpfad koaxial und das bewegliche Ende des Vakuumbehälters 11 einschließend angeordnet sind, kann das Abbe'sche Prinzip, das eine lineare Anordnung der Referenz und des Werkstückes erfordert, erfüllt werden. Dadurch kann der Messfehler beim Messen des Brechungsindex der Luft verringert werden, wodurch sich die Messgenauigkeit verbessert.
Da der reflektierende Film 13 an einer Seite des optisch transparenten Körpers 12 ausgebildet ist, können die Reflektoren 13A und 13B in einfacher Weise an beiden Seiten des beweglichen Endes, d. h. auf der Vakuumseite und der Gasseite, des Vakuumbehälters 11 gebildet werden.
Da die Lage der Polarisations-erhaltenden Faser 43 und 44 so festgelegt ist, dass die optische Kopplungseffizienz des Vakuum-seitigen Laserstrahls Pa und des Gas-seitigen Laserstrahls Pb, die jeweils von den Polarisations-erhaltenden Fasern 43 und 44 ausgesandt werden, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, können die entsprechenden Laserstrahlen Pa und Pb optisch im Wesentlichen koaxial angeordnet sein. Anders ausgedrückt, der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa gebildete optische Messpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl Pb gebildete optische Messpfad können in genauer Weise auf der gleichen Achse angeordnet sein.
Während der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa gebildete optische Messlichtpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl Pb gebildete optische Messlichtpfad koaxial angeordnet sind, ist die Lage der Reflektoren 13A und 13B (des optischen transparenten Körpers 12) so festgelegt, dass die Kopplungseffizienz zwischen dem Laserstrahl P1 (Vakuum-seitiger Laserstrahl Pa), der von der Polarisations-erhaltenden Faser 43 ausgesandt wird, und dem Vakuum-seitigen Laserstrahl Pa, der von dem Vakuum-seitigen Reflektor 13A reflektiert wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Folglich können die Reflektoren 13A und 13B im Wesentlichen senkrecht zu den entsprechenden Laserstrahlen Pa und Pb fest positioniert werden, wodurch die Messgenauigkeit weiterhin verbessert wird.
Da der Brechungsindex des Testgases nicht durch die Anzahl der durch die entsprechenden Laserinterferometer 20 und 30 gemessenen Interferenzringe gemessen wird, sondern durch die Frequenz der Interferenzringe, die durch die entsprechenden Laserinterferometer 20 und 30 gemessen wird, kann die Messung mit hoher Auflösung ausgeführt werden.
Da die gleichmäßige Bewegung der Reflektoren 13A und 13B (bewegliches Ende des Vakuumbehälters 11) gesteuert wird, indem die Rückkopplungsinformation des durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer 20 gemessenen Wertes, der in dem Antriebskontroller 54 zurückgespeist wird, und der vorbestimmt Befehlswert für die Bewegungsgeschwindigkeit verglichen werden, kann die gleichmäßige Bewegung der Reflektoren 13A und 13B mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Da der Antriebskörper 51 durch den Führungsmechanismus 55 mittels eines Fluids in einer vorbestimmten Lage gehalten wird, kann der Antriebskörper 51 ohne mechanische Verformung in einer vorbestimmten Lage gehalten werden. Da ferner der Antriebskörper 51 durch Drehen der einzelnen Antriebsrolle 52 angetrieben wird, während diese mit dem Antriebskörper 51 in Kontakt ist, kann die mechanische Belastung des Antriebskörpers 51 auf einen einzelnen Bereich in der Kontaktzone zur Antriebsrolle 52 beschränkt werden.
Da das Testgas als das Fluid des Führungsmechanismus 55 verwendet ist, wird die Messgenauigkeit nicht verringert, selbst wenn sich das Fluid des Führungsmechanismus 55 und das Testgas innerhalb des Raumbereichs für die Fortpflanzung des Gas-seitigen Laserstrahls Pb vermischen.
Ferner ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst Modifikationen und Verbesserungen so lange eine erfindungsgemäße Aufgabe erreicht werden kann.
Zum Beispiel, obwohl das Testgas als das Fluid des Führungsmechanismus 55 verwendet ist, ist das Fluid des Führungsmechanismus in der vorliegenden Erfindung nicht auf das Testgas beschränkt, sondern kann Luft sein. Wenn Luft für den Führungsmechanismus verwendet wird, werden das Fluid des Führungsmechanismus und das Testgas in den Raumbereich zur Fortpflanzung des Gas-seitigen Laserstrahls nicht vermischt, indem ein Abluftsammelndes Luftlager für den Führungsmechanismus verwendet wird, wodurch die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird.

Claims

Luftrefraktometer mit: einem Vakuumbehälter, wobei die Länge des Vakuumbehälters in Längsrichtung variabel ist; einem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich im Inneren des Vakuumbehälters in der Längsrichtung fortpflanzt; einem Vakuum-seitigen Laserinterferometer, das den Vakuum-seitigen Laserstrahl verwendet; einem Gas-seitigen Laserstrahl koaxial zu dem Vakuum-seitigen Laserstrahl, der sich im Inneren eines Raumbereichs eines Testgases fortpflanzt; einem Gas-seitigen Laserinterferometer, das den Gas-seitigen Laserstrahl verwendet; einem Antriebsmechanismus zum Antreiben eines beweglichen Endes des Vakuumbehälters entlang der Längsrichtung; einem Vakuum-seitigen Reflektor, der an einer Vakuumseite des beweglichen Endes des Vakuumbehälters zum Reflektieren des Vakuum-seitigen Laserstrahls vorgesehen ist; und einem Gas-seitigen Reflektor, der auf einer Testgasseite des beweglichen Endes zum Reflektieren des Gas-seitigen Laserstrahls vorgesehen ist, wobei eine Bewegung des Vakuum-seitigen Reflektors durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessen wird, eine Bewegung des Gas-seitigen Reflektors durch das Gas-seitige Laserinterferometer gemessen wird, der Brechungsindex des Testgases auf der Grundlage der gemessenen Werte gemessen wird, wobei der Vakuum-seitige Laserstrahl und der Gas-seitige Laserstrahl durch Teilung aus einem einzelnen Laserstrahl gewonnen werden und entsprechend in das Vakuum-seitige Laserinterferometer und das Gas-seitige Laserinterferometer durch Einzel-Moden-Lichtwellenleiter eingeführt werden, wobei die aus den entsprechenden Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesandten Laserstrahlen optische Messlichtpfade zwischen den entsprechenden Laserinterferometern und den entsprechenden Reflektoren sind, und wobei der durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad und der durch den Gas-seitigen Laserstrahl gebildete optische Messlichtpfad koaxial angeordnet sind und das bewegliche Ende des Vakuumbehälters einschließen.
Das Refraktometer nach Anspruch 1, wobei der Vakuum-seitige Reflektor und der Gas-seitige Reflektor an einer Vakuumseite oder einer Gasseite eines an dem beweglichen Ende vorgesehenen optischen transparenten Körpers vorgesehen sind, wobei der Vakuum-seitige Reflektor und der Gas-seitige Reflektor durch einen reflektiven Film gebildet sind, der auf beiden Seiten eine reflektive Oberfläche mit hoher Reflektivität aufweist.
Das Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Lage des Einzel-Moden-Lichtwellenleiters so fixiert ist, dass eine optische Kopplungseffizienz des Vakuum-seitigen Laserstrahls und des Gas-seitigen Laserstrahls, die jeweils von den Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesandt werden, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist.
Das Refraktometer nach Anspruch 3, wobei eine Lage des Reflektors so fixiert ist, dass eine optische Kopplungseffizienz des von beiden Einzel-Moden-Lichtwellenleitern ausgesandten Laserstrahls und des von dem Reflektor reflektierten Laserstrahls größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist.
Das Refraktometer nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Vakuum-seitige Laserinterferometer eine Frequenz von durch den Vakuum-seitigen Laserstrahl hervorgerufenen Interferenzringen und das Gas-seitige Laserinterferometer eine Frequenz von durch den Gas-seitigen Laserstrahl hervorgerufenen Interferenzringen misst, und wobei beim Bewegen der entsprechenden an dem beweglichen Ende angeordneten Reflektoren mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit entsprechende von den entsprechenden Laserinterferometern gemessene Werte von einer Frequenzmultipliziereinrichtung mit dem gleichen vorbestimmten Multiplikationsfaktor vervielfacht werden, wobei einer der vervielfachten gemessenen Werte als ein Referenztakt eines Frequenzzählers gezählt wird, und der andere vervielfachte Wert als ein Zählertakt des Frequenzzählers gezählt wird, wobei ein Brechungsindex eines Testgases aus den gemessenen Werten ermittelt wird.
Das Refraktometer nach Anspruch 5, wobei der gemessene Wert, der durch das Vakuum-seitige Laserinterferometer gemessen wird, zu einem Antriebskontroller zum Steuern des Antriebsmechanismus zurückgekoppelt wird und die gleichförmige Bewegung des Reflektors auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der Rückkoppelinformation und einem vorbestimmten Befehlswert für eine Bewegungsgeschwindigkeit gesteuert ist, wobei der Antriebsmechanismus umfasst: einen Antriebskörper, an dem das bewegliche Ende befestigt ist; eine einzelne Antriebsrolle, die in einer Antriebsrichtung des Antriebskörpers drehbar ist, um den Antriebskörper in Kontakt mit dem Antriebskörper anzutreiben; und einen Führungsmechanismus zum Halten des Antriebskörpers mittels eines Fluids in einer vorbestimmten Lage.
Das Refraktometer nach Anspruch 6, wobei das Fluid des Führungsmechanismus das Testgas ist.
Das Refraktometer nach Anspruch 6, wobei das Fluid des Führungsmechanismus Luft ist und der Führungsmechanismus ein Abluftsammelndes Luftlager umfasst.