JPH0519950U - 空気の屈折率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価な空気の屈折率測定装置を実現する。 【構成】 周波数安定化レ−ザ光源と、周波数安定化レ
−ザ光源の出射光を２つに分岐するビ−ムスプリッタ
と、ビ−ムスプリッタにより分岐された一方の光を反射
するミラ−と、ミラ−により反射された光及びビ−ムス
プリッタにより分岐された他方の光が入射され、光軸と
垂直な面内では光軸方向での長さの変化が均一である材
料で形成されたスペ−サとスペ−サの光軸に対して垂直
な両端面に配置され光を入射させる窓及び光を反射させ
るミラ−で形成され乾燥空気等が充填された気密部と空
気の屈折率の測定空間が設けられた空気部の２つの空間
を有する基準間隔部と、基準間隔部から反射された光の
光路長変化に伴って気密部と空気部との干渉の強度信号
を測定し電気信号に変換する光検出器と、光検出器から
出力された電気信号を位相信号に変換し位相信号の変化
から空気部内の空気の屈折率の絶対値を演算する演算器
を設けた構成としたもの。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は干渉を利用した空気の屈折率を測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

空気中でのレ−ザ光の干渉を利用した測長において、空気屈折率の変化による 波長の変化を補正することは、その測長精度を向上させる上で重要である。この ようなレ−ザ測長器用波長補正のための空気屈折率測定装置の先行例として、本 願出願人による特願平０２−５７１００号『空気の屈折率測定装置』がある。図 ２はこの既出願の概略構成図であり、本考案を説明する前に、この既出願を概略 説明する。

【０００３】 図２において、周波数安定化レ−ザ光源１の出力光は、ビ−ムスプリッタ２で ２つに分岐され、一方の光は、ビ−ムスプリッタ２を透過し、基準間隔部４の空 気部４ａに入射される。空気部４ａに入射された光は、窓４２を透過して、ミラ −４３で反射され、再び窓４２を透過して、ビ−ムスプリッタ２を介して、光検 出器５に入射する。他方の光は、ビ−ムスプリッタ２、ミラ−３で反射されて、 基準間隔部４の真空部４ｂに入射される。真空部４ｂに入射された光は、窓４２ を透過して、ミラ−４３で反射され、再び窓４２を透過して、ミラ−２およびビ −ムスプリッタ２を介して、光検出器５に入射される。両入射光は、光検出器５ 上で干渉し、干渉信号は光検出器５で電気信号に変換されて、演算器６に送られ る。演算器６では、電気信号を位相信号に変換後、空気の屈折率の絶対値が演算 される。

【０００４】 この上記従来技術に示す空気の屈折率測定装置によれば、基準間隔部４に形成 した真空部４ｂにより、温度や圧力や材料の経年変化などの基準間隔部４の長さ 基準Ｌの変動による影響を補正できるため、高精度な空気の屈折率の絶対値を測 定することができる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、高精度な空気の屈折率の絶対値を測定することができる反面、 基準間隔部の真空部を製作するための製造装置や工程が複雑であるため、高価な 装置となるという課題があった。

【０００６】 本考案は上記従来技術の課題を踏まえて成されたものであり、真空の長さ基準 よりも製作が容易で、同程度の長さ安定性を有する気密長さ基準を用いることに より、安価な空気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。

【０００７】

【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考案の構成は、周波数安定化レ−ザ光源と、 この周波数安定化レ−ザ光源の出射光を２つに分岐するビ−ムスプリッタと、 このビ−ムスプリッタにより分岐された一方の光を反射するミラ−と、 このミラ−により反射された光および前記ビ−ムスプリッタにより分岐された 他方の光が入射され、光軸と垂直な面内では光軸方向での長さの変化が均一であ る材料で形成されたスペ−サとこのスペ−サの光軸に対して垂直な両端面に配置 され光を入射させる窓および光を反射させるミラ−で形成され、乾燥空気などが 充填された気密部と空気の屈折率の測定空間が設けられた空気部の２つの空間を 有する基準間隔部と、 この基準間隔部から反射された光の光路長変化に伴って前記気密部と空気部と の干渉の強度信号を測定し電気信号に変換する光検出器と、 この光検出器から出力された電気信号を位相信号に変換し、位相信号の変化か ら前記空気部内の空気の屈折率の絶対値を演算する演算器と を設けた構成としたことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】

本考案によると、気密長さ基準を用いることにより、その製作を大気中ないし は、パ−ジした雰囲気中で行えるため、真空の長さ基準を製作する場合に比べ、 製造装置や工程が簡単になり、安価な装置にできる。

【０００９】

【実施例】

図１は本考案の空気の屈折率測定装置の一実施例を示す構成図である。なお、 図１において図２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が、 図１装置と図２装置との相違点は、基準間隔部の真空部４ｂの代わりに、乾燥し た空気が約１気圧で充填され、外部に漏れないように密閉された気密部４ｃを設 けた点である。

【００１０】 このような構成において、以下に本考案の空気屈折率測定装置の動作を順次説 明する。 １．初期屈折率の測定 本実施例では、屈折率の変化量しか測定できないため、基準間隔部４の空気部 ４ａの位置における気温，気圧，湿度，ＣＯ₂ 濃度などをもとに、Ｅｄｌｅｎな どによる算出式から屈折率の初期値を求める。

【００１１】 ２．初期位相値の測定 基準間隔部４の空気部４ａの長さ基準をＬ、気密部４ｃ内の屈折率をｎ_ref.0 、空気部４ａの屈折率をｎ_test.0、周波数安定化レ−ザ光源１の波長（真空中換 算）をλとすると、干渉次数Ｍ₀ は、次式によって得られる。 ｎ_test.0＊Ｌ−ｎ_ref.0 ＊Ｌ＝Ｍ₀ λ …(1)

【００１２】 ３．雰囲気が変化した場合の気密部４ｃ内の屈折率変化 空気屈折率ｎはＥｄｌｅｎなどの算出式によると、気温ｔ（℃）、気圧ｐ（mm Hg）に対して、次式で計算できる。 ｎ−１ ＝｛ｐ（ｎ−１）_s ／720.775 ｝ ・｛１＋ｐ（0.817 −0.0133ｔ）・10^-6｝／（１＋0.0036610 ｔ）…(2) ただし、（ｎ−１）_s は気温１５℃、気圧７６０mmHg、湿度０％、ＣＯ₂ 濃度３ ００ppm における屈折率であり、波長λ＝６３３nmでは、 （ｎ−１）_s ＝276.517 ×10^-6 である。

【００１３】 この前記(2) 式に示した関係式によれば、気密部４ｃ内の気温、気圧が変化し ても、等容変化（内部容積が一定であるという条件下での気温、気圧の変化）で あれば、屈折率も一定である。以下に具体例を示す。

【００１４】 例えば、気密部４ｃが直径６mm、長さ１００mmの円柱状であるとする。この内 部が気温１５℃、気圧７６０mmHgの状態から気温２５℃の状態まで等容変化をす る場合を考える。なお、空気をこの範囲の変化において、理想気体とみなす。こ の時、前記(2) 式より、気温１５℃、気圧７６０mmHgにおける屈折率は、 ｎ−１＝276.517 Ｘ10^-6 … となる。

【００１５】 次に、気温１５℃、気圧７６０mmHgの気体が気温２５℃まで等容変化をしたと すると、 Ｐ／Ｔ＝const より、 760/(15+273.15) ＝p´/(25+273.15) ∴ p´＝786.37515mmHg したがって、気温２５℃、気圧786.37515 mmHgにおける屈折率は、前記(2) 式よ り、 ｎ−１＝276.49269 ×10^-6 … となる。ここで、気温１５℃の場合と比較すると、屈折率の差は、 −＝-0.024×10^-6／10℃ となり、気温が１０℃変化した場合の屈折率の変化−９．３×10^-6に比べて、約 １／３８０に低減できるため、屈折率は一定と見做すことができる。

【００１６】 ４．雰囲気が変化した場合の検出 図１の空気部４ａの屈折率が、ｎ_test.0からｎ_test.1までΔｎ変化したとする と、その時の干渉次数Ｍ₁ は、ｎ_ref は一定であることより、 ｎ_test.1−ｎ_test.0＝Δｎ …(3) ｎ_test.1＊Ｌ−ｎ_ref ＊Ｌ＝Ｍ₁ λ …(4) ここで、屈折率がｎ_test.0からｎ_test.1まで変化する間の干渉次数ΔＭを測定で きたとすると、 Ｍ₁ −Ｍ₀ ＝ΔＭ …(5) また、前記(4) 式−(1) 式および、(3) 式，(5) 式より、 （ｎ_test.1−ｎ_test.0）＊Ｌ＝（Ｍ₁ −Ｍ₀ ）λ ∴ Δｎ＊Ｌ＝ΔＭλ …(6) によって、Δｎが求まる。

【００１７】 ５．気密部４ｃの長さが変化した場合 実際には、気密部４ｃを構成する材質の膨脹等で、長さ基準Ｌは変化する。線 膨脹係数α＝０．５×10^-6（石英）のガラス材で作った場合に、前記３項と同じ 変化を考えると、容積の変化は、温度のみによるとして、 Ｖ₂₅／Ｖ₁₅＝（１＋αΔＴ）³ ＝１＋３αΔＴ …(7) より、 Ｖ₁₅＝2827.4334 mm³ Ｖ₂₅＝2827.4475 mm³ 気温２５℃での気圧は、 ＰＶ／Ｔ＝const より、 760 ×2827.4334 ／(15 ＋273.15) ＝Ｐ₂₅×2827.4475 ／(25 ＋273.15) ∴ Ｐ₂₅＝786.3712mmHg 気温２５℃、気圧786.3712mmHgにおける屈折率は、前記(2) 式より、 ｎ＝276.4913×10_-6 … したがって、気温１５℃、気圧７６０mmHgとの差Δｎ´は、 Δｎ´＝−＝−0.0258×10^-6 であり、気温が１０℃変化した場合の屈折率の変化−９．３×10^-6に比べて、約 １／３６０に低減でき、屈折率は一定と見做すことができる。

【００１８】 更に、ここで、長さ基準Ｌが温度変化でΔＬ変化した場合を考えると、 ｎ_test.1＊（Ｌ＋ΔＬ）−ｎ_ref.1 ＊（Ｌ＋ΔＬ）＝Ｍ₁ λ …(8) また、 ｎ_ref.1 ＝ｎ_ref.0 ＋Δｎ´ から、(8) 式は、 （ｎ_test.0＋Δｎ）（Ｌ＋ΔＬ）−（ｎ_ref.0 ＋Δｎ´）（Ｌ＋ΔＬ） ＝（Ｍ₀ ＋ΔＭ）λ …(9) となる。したがって、(9) 式−(1) 式から、 Δｎ・Ｌ−Δｎ´・Ｌ＝ΔＭλ ∴Δｎ＝ΔＭλ／Ｌ＋Δｎ´ ここで、Δｎ´はΔｎの１／３６０であるから、長さ基準Ｌが変化しても、屈折 率変化量Δｎを十分に正確に求めることができることになる。このようにして、 得られた屈折率変化量Δｎに、前記１項で求めた初期値を加えることによって、 屈折率の絶対値を得ることができる。

【００１９】 なお、初期状態を真空にしておくことによって、大気圧まで雰囲気を解放する と、（変化量Δｎ＋１項）は絶対屈折率を示す。また、長さの異なる長さ基準と 真空中での位相測定値を用いることによって、真空から気圧を解放する操作を行 わなくても絶対値をもとめることができる。更に、内部が通常使用する雰囲気と 同程度の気圧なので、気密部の洩れによる内部気圧の変化は、気圧差と時間によ るため、内部が真空のものより少なく、劣化を低減することができる。

【００２０】

【考案の効果】

以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案によれば、気密の長さ基 準を用いることで、その製作を大気中またはパ−ジした雰囲気中で行えるので、 真空の長さ基準を製作する場合に比べて、製造装置や工程が簡単になり、安価な 装置にできる。また、使用雰囲気との気圧差が少ないので、長期使用における内 圧の変化が少なく、劣化を抑制できる。更に、真空の長さ基準に比べて、精度上 ほぼ同等の測定精度を得られるなどの効果を有する空気の屈折率測定装置を実現 できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の空気の屈折率測定装置の一実施例を示
す構成図である。

【図２】従来例である。

【符号の説明】

１ 周波数安定化レ−ザ光源 ２ ビ−ムスプリッタ ３ ミラ− ４ 基準間隔部 ４ａ 空気部 ４ｃ 気密部 ５ 光検出器 ６ 演算器 ４１ スペ−サ ４２ 窓 ４３ ミラ−

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数安定化レ−ザ光源と、 この周波数安定化レ−ザ光源の出射光を２つに分岐する
   ビ−ムスプリッタと、 このビ−ムスプリッタにより分岐された一方の光を反射
   するミラ−と、 このミラ−により反射された光および前記ビ−ムスプリ
   ッタにより分岐された他方の光が入射され、光軸と垂直
   な面内では光軸方向での長さの変化が均一である材料で
   形成されたスペ−サとこのスペ−サの光軸に対して垂直
   な両端面に配置され光を入射させる窓および光を反射さ
   せるミラ−で形成され、乾燥空気などが充填された気密
   部と空気の屈折率の測定空間が設けられた空気部の２つ
   の空間を有する基準間隔部と、 この基準間隔部から反射された光の光路長変化に伴って
   前記気密部と空気部との干渉の強度信号を測定し電気信
   号に変換する光検出器と、 この光検出器から出力された電気信号を位相信号に変換
   し、位相信号の変化から前記空気部内の空気の屈折率の
   絶対値を演算する演算器とを設けた構成としたことを特
   徴とする空気の屈折率測定装置。