JPS58210548A - 干渉屈折計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２種類の気体または２種類Ｇ）液体の屈折率
を比較するため、或いは固体の屈折率の変化を測定する
ために、気体または液体の絶対屈折率を測定するための
装置に係る。

屈折計の主な適用例は、空気中に光軸を有する距離測定
干渉計システムが温度、圧力及び湿度の変化を相殺され
得るように、周囲媒体の絶対屈折率を測定することであ
る。

干渉屈折計の基本原理は一世紀以上前から公知であり、
１８５６年、Ｊａｍｉｎ　　により、更に１８９６年、
ＲｓＬｙｌｅｉｇｈにより研究されている。今日の干渉
屈折計は、試験中の気体を収容する二路囲障から成る同
様の光学システムを今もって使用しており、入力束（ｂ
ｅａｍ　、）からは変位しているが同様に試験囲陣内を
通過する復路束を形成するためにプリズム反射鏡が用い
られる。囲障の外１１１ｉを通る参照束もまたプリズム
により反射される。試験気体の存在下及び不在下の測定
束の光路距離の差は、試験気体が囲障から除去される時
に干渉給を計数することにより決定される。

Ｊａｍｉｎ型装置は１個の干渉記録を提供し、該干渉記
録は干渉縞に対応する交流信号と見做され得、該交流信
号は平均直流し×ルに付加される。直流しくルの大きさ
は、干渉束の配置と相対的寸法、束の一方または両方の
減衰、及び光臨の強度変動に依存する。このような変化
は完全には予測し得ない。

干渉計システムと共に使用される今日の自動可逆型縞計
数回路は、トリガレベルが設定できるように一定平均直
流レベル、または好ましくは０ボルトの一定平均直茄し
はルを有する信号のいずれかを必要とする。変動直流レ
イルを有するＪａｍｉｎ型の干渉計はこの必要性に合致
しない。本発明の目的は、干渉計の光出力から２４ｈの
電気的計数１言号を発生する従来型の可逆型縞計数シス
テムと併用され得る干渉屈折計を提供することであり、
該電気信号は光路差に従い直角位相で正弦波状に変化す
る。光の強度及びコントラストが干渉計中で変化してい
る時でも、各信号は０ボルトの一定平均一流レベルを有
する。

不発明に従うならば、 −を磁輻射の入射束を、直交する２輻射方向に於いて実
質的に等しい強度の成分から成る第１番目及び第２番目
の定間隔の平行な部分束に分割するように配置された束
分割手段と、 −該束分割手段から間隔を置いて配置されており、該第
１番目の部分束をその路に沿って反射させ、該第２番目
の部分束を平行な路に沿って反射させるように配置され
た反射手段と、 −該第１番目の部分束が既知の長さの路を横切るように
該束分割手段と反射手段との間に配置された試験装置と
、 一該２個の部分束の一方に於いて直交する２方向に偏極
された（　ｐｏｌａｒｉｓｅｄ　）　＠射の間に、実質
的に９０度の位相変換を導入するように配置された位相
変換手段と、 一四第１番目及び第２番目の部分束から分割される実質
的に等しい１度（゛）成分を有する優射を、該束分割手
段から受答するように配置された慣極束分割益と、 一該頂°交する２方向の一方に偏極された軸１射を、偏
極束分割外から受容するようにそれぞれ配置された第１
番目及び第２番目の輻射感知手段と、−該鳩２番目の部
分束からのみ派生した輻射を、束分割手段から受容する
ように配置された第３全目（’）輻射感知手段と、 一再３番目のを知手段から発生された信号を、第１番目
及び第２番目の感知手段から抽出するための信号除去手
段、 とを含む干渉屈折計が提供される。

通常、２個の交流出力信号が従来型積計算回路に供給さ
れよう。

好ましくは、束分割手段はＪａｍｉｎ型の束分割プリズ
ムであり、該プリズムは、全反射面と対向する部分反射
面とを有する光学的に透明な材料から成る側面平行な長
方形のブロックによって構成される。束分割器は、入射
束を平行な部分束に分割し、所望の２個の出力束が得ら
れるように反射手段により反射された部分束を分割及び
結合するように配置され得る。反射手段は、好ましくは
焦点に平面鏡を有する焦点形成レンズであり、第１番目
の部分束はレンズの光軸に沿って進行し、一般には鋳に
入射する。

試験装置は、光学的に透明な端部壁を肩する細長形の四
隘を含み得、該囲障は真空ポンプまたは気体もしくは液
体供給源に連結され祷る。変形に於いて、細長形囲障は
第２番目の囲障によって包囲され、第２番目の部分束は
反射前及び反射後に該第２番目の囲障を通って進行し、
該第２番目の囲障も同様に真空ポンプまたは気体もしく
は液体供給源に連結され得る。試験装置はまた、第１番
目の部分束が光学的に透明な固体を２度通過するように
該固体を支持するように配置された支持手段を含み得る
〇 更に本発明に従うならば、屈折率の変化を感知する方法
が提供され、該方法は、 一２個の直交する偏極方向に於いて等しい振幅を有する
電磁輻射の第１番目及び第２番目の部分束を形成し、 一第１番目の部分束が透明媒体を介して、該部分束を反
射する既知の距離の光路を逆方向に横断するように、該
部分束を該透明媒体の該光軸に沿って、横断せしめ、 ｍｍ２番目の部分束に、距離は等しいが該媒体を通らな
い光路を横断せしめ、 一部分束の一方で２個の直交する偏極方向の輻射間に、
９０度の位相差を導入し、 −第２番目の部分束のみの強度に対応する第３番目の出
力信号を派生する第１番目及び第２番目の出力信号を形
成するために、第１番目及び第２番目の部分束から派生
した等しい強度の成分を結合し、 一第１番目及び第２番目の出力−１ｔｆｆ号の各々から
第３番目の出力信号を抽出し、 一該媒体を通る第１番目の部分束の光路の距離を変化さ
せる ことから構成される。

本発明について、添付図面を参照して例示的に以下説明
する。

第１図中、レーザ１２からの千面偏極束は、４５゜でＪ
ａｍｌｎ型東分割プリズム１４化入射し、該プリズムは
、半反射前表面１６と全反射後表面１８とを肴する側面
平行なガラスブロックである。前表面１６は入射束の一
部゛を透過し、該部分は、第１番目の部分束、即ち測定
光ＢＭを形成すべく後表面１８により反射される。前表
面は、第２番目の部分、即ち参照束ＢＲを形成すべく入
射束の他の部分を反射する。測定束と参照束とは平行で
ある。

東分割器に近接して細長形囲障２０、好ましくはガラス
チューブが配設され、該囲障は真空にされ、連結管２２
及び弁２４を介して大気または気体供給源に連結され得
る。囲障は長手方向軸に垂直な第１番目及び第２番目の
端部壁２６．２８を有する。端部壁は光学的に透明で、
平行であり、側面が平行であり、囲障２０よりも著しく
大きい直径を有する。

囲障２０及び端部壁２６は、測定束ＢＭが第１番目の端
部壁２６を経て囲障２０内へ進入するように、他方参照
束ｉｎが第１番目の端部Ｌｖ２６を通過し測定束と平行
に囲障の外側に進行するように、配設される。測定束Ｂ
Ｍは第２番目の端部壁２８を通って囲障から離れ、参照
束ちまた第２番目の端部壁を通過する。

第２番目の端部壁２８に近接して焦点形成レンズ３０が
配置され、レンズの焦点には囲障２０の軸に垂直な平面
鏡３２が配置される。測定束ＢＭはレンズ３０の中心を
通り、鏡３２に対して垂直に入射し、束Ｂ／Ｍとして反
射されて囲障を経て東分割器１８へと路を尖る。

レンズの柚から変位されている参照束ＢＲは、小さい入
射角θで清に入射するようにレンズ３０により屈折され
、レンズの焦点に一致する位置に於いて、反射束Ｂ′Ｒ
は再びレンズを通り、レンズは、入力束ＢＲと平行に囲
障２０の反対側を進行するように該反射束を屈折させる
。レンズ３０と冑３２との間には位相板３４が配綬され
る。反射された参照束Ｂ’Ｒは、第２番目及び第１番目
の端部壁２Ｂ、２６を経て東分割器１４へと進行する。

プリズム１４に於いて、反射された参照束Ｂ′Ｒの一部
は前表面により反射され、偏極子３６を経て第１４目の
光暎吊器３８に至る。束Ｂ／　ｕの残りの部分は前表面
１６により透過され、後表面１８により反射されて偏極
東分割器４０に至る。該分割器は同様に前表面１６によ
る反射後反射された測定束Ｂ′λ１を受容する。偏極東
分割器４０は、第１番目の偏極方向に於いて光を反射し
、同一線上の偏極子４２を経て第２番目の光検出器へと
導き、垂直な偏極方向ζこ於いて束を透過し、同−崎上
の偏極子４６を経て第３番目の光雫吊器４８へと遍く。

第１図より明らかなように偏極部分（り器４０により受
容される２個の束のうち、各束は部分ｗ＋」器１４に於
いて前表面１６により１度反射され、前表面１６を２町
透過しているので、反射及び透過に於ける各強度損失を
Ｒ及びＴとするならば、双方Ｃ）束は同一の因子ＲＴ２
により減衰されたことになる。更に、両束は各端部９２
６．２８を２度、レンズ３０を２度１色過している。従
って、目障２０が、屈折光ｌこより通スＲされた空気と
同一の筒囲温度、圧力及び湿度の空気を収容しているの
であれば、光路の長さは等しい。次に四詭が併気される
なら、創定束ＢＭＯ元路の長さは変化し、干渉縞が現れ
るだろう。禍の数が排気中ζこ計γＨｌｉされ囲障２０
の内側距離か既知であるならば、初期に囲障中に収容さ
れていた空気のＭ折率は容易に計算され得る。

第１図に例示のシステムに於いて、入力及び反射された
（６；ｊ定束ＢＭ、Ｂ’Ｍは重畳される。この共通路シ
ステムは、装置内に於ける傾斜もしくは配列エラー、ま
たは振動に対する無反応という一般的な利点を有し、小
型の囲障２０が使用され得る。

更にレンズ及び千面鋭の使用により生じる利点もある。

束が反射されると波面は２度反転され、即ち２平面中で
反転される。従って、測定束による２度目の囲障２０通
過はｙ０何なる不均質をも相殺する。例えば、囲障２０
が摂動液体を収容しているなら、析動効果は除去される
。光学素子により導入される如何なる傾斜縞の存在も同
様にして除去される。

入力及び反射後の測定束が囲障２０内で空間的に分離さ
れている先行技術システムに於いて、束０）２度目の通
過で傾斜縞効果は倍加され、干渉計中のコントラストは
完全に除去され得た。摂動液体を用いる操作は不可能で
あった。

本発明に従う屈折計に於いて、測定束及び参照束はいず
れも直交する２偏極方向の各々で等しい成分Ｐ及びＳを
含む。従って、偏極東分割器は４個の入力成分、測定束
及び参照束の各々から得られるＰ及びＳ成分を受容する
。

東分割器４０は異なる偏極で成分を分離する。

光検出器４４．４８は、−偏極方向のみでありながら測
定束ＢＭ及び参照束ＢＲから等しい分与を得ている輻射
を受容する。従って、束Ｂｍ（！：ＨＲとの間に光路差
があり縞が形成′されるなら、束は干渉し、該縞のすべ
ての組は、囲障２ｏが同一の結果を得るべく排気される
時に計測され得るが、両信号の平均直流しはルはこの段
階では０ボルトでない。しかし乍ら、２個の信号は位相
板３４の結果直角位相である。

レンズ３０と鏡３２と６）間の位相１ｆｊ３４は、この
偏峙方向の干渉招、が垂直方向の偏極に対して直角位相
となるように、参照束ＢＲの一方の偏極成分に位相１早
延を導く。

本発明に従う干渉計の重要な特徴は、２個の干渉束に加
えられる全変化に反応するが干渉情報を含まない信号が
供給される点である。この信号は第１笹目の光検出器に
より供給される。核光検出益に入射する光は参照束ＢＲ
からのみ派生したもθであり、換言するなら、この信号
は２個の干渉光栄の平均直流レベルに比例する変化のみ
に対して反応し、元検邑４３８から出た直流信号は、光
検出器４４．４８からの信号から除去されることにより
相殺信号として使用され得る。相殺された信号はこの時
Ｏボルトの平均直流しばルに対して直角位相の２個６ノ
父流信号を含む。該信号は従来型の可逆型縞計数システ
ムに供給され得る。該信号のトリガレにルはコントラス
ト変化及び光源強度に対して白駒的に相殺される。こＣ
・ユようｌよシステムは従来Ｊａｍｉｎ型の干渉屈折計
と併用することができなかった。

次に第２図に関して、第１番目（Ｊｔ’に：吊器３８は
増幅器５０を介して２個の差分増幅器５２．５４の各々
の一方の入力に接続される。鷹２軒目及び第３番目の光
欅１Ｂ器４４．４８は、それぞれ１菅「１福器５６，５
８を介して各差分増幅器（Ｊ他方６〕人力ｔ＝、屡続さ
フ′１．る。

上・ホ０よう１こ、光スボ吊器４４．４８の入力は直角
位相であり、第２図中Δ＝９０　　として示さツ９る。

入力Ｉｌ、部分束間の干渉により交流成分見を有すると
望められ得、該成分は平均直流灰分ｙに付加さナムる。

光検出器３８への入力は交流ｒｉｙ：、分を含ます革に
直流或芥上に等しい。差分増幅器５２゜５４は直流成分
を減じ、正弦波状に変化するＬｔ分のみを育する出力信
号を発生踵信号は依然として直角位相である。該信号は
最大振幅と即ちｓｉｎ　Ｘ及びωＳＸの正弦または余弦
信号であると見做され得る。

増幅器５２．５４からの出力信号は、従って、従来型の
縞計数システムに直接接続する場合に好適であるが、好
ましくは第２図中点線内に示される付属ＡＧＣ（自動利
得制御）システムを通過させることにより、更に修正さ
れ得る。ＡＧＣシステムは合計増幅器６４を介して平方
根回路６６に接続された２個の平方器６０．６２を含み
、核回路は２個の比増幅器７０．７２の各々の一方の入
力に信号を供給する。差分増幅器５２．５４からの出力
は、各平方器６０．６２と、更に各比増幅器７０．７２
の他方の入力とに接続される。

平方器６０．６２はａ２ｓｉｎ２Ｋ及び、２ＣＯ５２Ｘ
に対応する信号を供給し、該信号は振幅１の出力信号を
得るべく加算された後平方根を求められる。比増幅器７
０．７２は、差分増幅器５２．５４から直接接続された
信号から交流周波数を形成し、自動縞計数器７４に接続
するために等しく一定な振幅の直角位相信号を供給する
。

付属ＡＧＣ（ロ）路の使用如何に拘らず、従来型縞計数
回路７４Ｉこ供給される直角位相信号は縞の計数を可能
にし、該計数に基づいて囲障内の光路距離の変化が計算
され得、囲障２ｏの長さが既知の場合、該距離の変化は
既知の公式により囲障内に初期に収容されていた空気の
屈折率と関連され得る。

第１図及び第２図に関して、屈折計の使用方法を以下に
記す。弁２４は囲障が大気と均衡し得るように開放して
いる。増幅器５２．５４及び５６の利得は等しくされ、
増幅器５２及び５４の出力は、入力束の偏極方向を回転
することにより、即ちレーザを回転することにより等し
くされる。その結果、測定束及び参照束に於ける直交す
る偏極方向に等しい成分が形成される。次に偏極子３６
は、オシロスコープ上の一方の干渉記録を観察しながら
光検出器３８への入射束７’ｃ減衰するように回転され
、偏極子は、交流信号が０ボルト線について対称になる
まで、即ち平均直流レイルがＯボルトになる才で回転さ
れる。差分増幅器５２．５４或いは圧端幅器が存在する
場合には圧端＠’７５７０゜７２から発生する直角位相
圧力は、ゼロにされた縞計数４７４に接続される。明暗
２０は次に排気され、光路距離が変化すると級が計数さ
れる。初期に間隙２０内に含まれていた気体の屈折率は
、必要ならばマイクロプロセッサ７６により鉱計数から
計算され得る。

差動測定が行われる点に留意されたい。本装置は一定の
条件にセットされ、条件の緩慢な変化に対応する縞計数
が測定される。

大気以外の気体の屈折率はｌｌｉ定され、従って既知の
気体の圧力または既知の圧力の混合気体の成分の濃度の
いずれかが決定され得る。同様にして、液体の屈折率の
変化が監視され得る。

・平面鉗３２により入射波面に施される２度の反転によ
り、システムは囲障２０内の液体と共に作動可能になる
。熱擾乱が存在する場合、安いは液体が光学的に活性で
あるかまた７−１偏極性液である場合、２鹿の反転によ
り測定光の２度目の通過中に効果の相殺が生じる。一般
に儒隋は、装置の目盛りを定めた後に測定のために遇続
サンプルを叩は２０に供給すること６二より、溶液のν
へ度を監視するために使用されよう。

光路差ｌこ微小な変化が望まれる場合、差ｆ′ｔＪ測定
も可能である。第１図に膨水された垂−明障は、第３図
の二重り瞳に膚樽えられよう。中央場状興障７４は第２
番目の囲１雛７６に包囲される。両四障は平吠で透明な
端部壁ｔこより閉止され、該囲障１才それぞれ排気され
得、または、各連結管８２，８４及び升８６．８８を介
して大気もしくは気体供給源に接続される。

二重囲障は、図示されるように、測定束Ｂｙ、が反射前
及び反則後に中央囲障を通り参照束ＢＲか反射前及び反
射後に第２番目の囲障を−・弔るように配置される。ム
躾されるべき混合気体は中央ｉ：１１障７４に供給され
、周囲媒体であり得る既知の参照気体が第２番目の囲障
７６に収容される。縞計数器はゼロにされる。次に、第
２番目の囲障が試験混合気体を収容し、第１番目の；胡
障が＃照気体を収容して計数器が再びゼロになるまで２
個の気体が受袋に交換される。縞計数から、試験気体の
屈折率、従って既知の成分の濃度力Ｓ計算され得る。

屈折率の微小な変化が測定されなければならない時、或
いは２個の気体もしくは２個の液体を比較しなくてはな
ら１よい時、好ましくは二重セルが使用される。

拳−及び二重囲障システムのいずれでも測定が行われる
という事実により、固体の絶対屈折率の浪１１定は可能
でないが、光学的に透明な固体の屈折率変化は、通常囲
障２０により占められる位置に固体を配して縞計数器を
ゼロにすることにより、感知され得る。後続する全統計
数は屈折率の変化に対応するだろう。

本発明に従う干渉屈折計では、高精度及び高感度が達成
され得る。ヘリウム−ネオンレーザと長さ３１．６４ｃ
ｍの囲障とを使用した時、１０　分接得られ、追加の輪
部分により更に精度は向上する。システムの感度は１０
　分の１のオーダであり、約１０　分の２．５に固定さ
れ得る。

共通路干渉計システムを使用すると、配列エラーまたは
不正確に平行なまたは側面平行が不正確な端部壁に対し
て装置が無反応になる。囲障２０は、排除及び交換が容
易なように■−ブロック支持体中に固定され得、高品質
の端部壁は必要ない。

非固定型のレーザが備えられ得る。参照束は共通路シス
テムには存在しないが、測定束と同一の素子中を通り、
従ってその光路距離は測定束と同様に周囲Ｙ黒度に伴っ
て変化し、更に参照束は同一の平面鏡により反射される
。

小さなエラーは、例えば熱膨張率がレンズ３０と平面鏡
３２との間の距離を変化させ得ることから生じ得る。エ
ラーは参照束ＢＲの入射角θ、即ち鏡に於ける測定束さ
参照束との間の角度の余弦関数である。システムが距離
変化に無反応であるようにθは好ましくは約１０　また
は１５　である。１個の見かけの縞を形成するために、
縞間隔の７５〜１００倍の間隔変更が必要である。

本装置の変形使用例に於いて、試験囲障内の流体の密度
は測定され得る。直流信号しばルの減算は測定束及び参
照束が通過する流体内の密度の差を相殺しないが、ＣＯ
３２及び５ｉｎ２信号の和の平方根は両束中の直流成分
に比例し、光検出器３８からの通常直流信号は参照束の
直流成分を供給する。

従って、試験中の流体の密度に比例する測定束中の直流
成分が形成され得、密度が計算され得る。

本発明はレーザ源からの単一の周波数入力を有するもの
として上述されたが、多重周波数または白色光源を使用
して操作することも６丁能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う干渉屈折計の光学素子の概略図
、第２図は、本発明に従う干渉屈折計の電子素子の概略
図、及び第３図は、屈折計で使用される試験セルの第２
番目の具体例の縦断面図及び横断面図である。 １２・・・・・・レーザ、１４・・・・・・プリズム、
２ｏ・・・用囲障、２６．２８．７８．８０・・・・・
・端部壁、３０・・・・・・レンズ、３２・・・・・・
平面鏡、３４・・・・・・位相板、３６，４２．４６・
・・・・・偏棒子、３８，４４゜４８・・・・・・光検
出器光子、５０，５６．５８・・・・・・増幅器、５２
．５４・・・・・・差分増幅器、６０，６２°°°・°
・平方器、７０，７２・・・・・・圧端幅器。 代理人弁理士今　　村　　　元

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電＠、糾射の入射束を、直交する２聴射方向に於いて実
   質的に等しい強度の成分から成る第１番目及び第２番目
   の定間隔の平行な部分束に分割するように配置された未
   分割手段と、 該未分割手段から間隔を置いて配置されており、該第１
   番目の部分束をその路に沿って反射させ、該第２番目の
   部分束を平行な路に沿って反射させるように配置された
   反射手段と、 該第１番目の部分束が既知の長さの路を横切るように該
   未分割手段と反射手段との間に配置された試験装置と、 該２個の部分束の一方に於いて直交する２方向に偏極さ
   れた輻射の間に、実質的に９０度の位相変換を導入する
   ように配置された位相変換手段と、該第１番目及び第２
   番目の部分束から分利される実質的に等しい強度の成分
   を有する輻射を、該分割手段から受容するように配置さ
   れた偏極東分割器と、 該直交する２方向の一方に徊極された輻射を、偏極束分
   割器から受容するようにそれぞれ配置された第１番目及
   び第２番目の輻射感知手段と、該第２番目の部分束から
   Ｃノみ派生した勢射を、東分割手段から受容するように
   配置された第３番目の輻射感知手段と、 第３番目の感知手段から発生された信号を、第１番目及
   び第２番目の感知手段から抽出するための信号除去手段 とを含む干渉屈折計。