CN1026155C - 激光角速率传感器的读出设备 - Google Patents

Abstract

两个电绝缘的光电探测器接收一个环形激光角速率传感器的干涉图案输出240。使两个光电探测器201，221具有光敏区20的周期图案。适当安放光电探测器，使周期图案与干涉条纹成一选定的方位角θ，以至当存在转动时，产生一对彼此异相的输出信号。

Description

本发明涉及环形激光角速率传感器的读出设备。

在J.基利帕物里克（J.Killpatrick）获得的美国专利3，373，650和T.波德戈尔斯基（T.Podgorski）获得的美国专利3，390，606中描述了环形激光角速率传感器的例子，上述二专利都被转让给本发明的受让人。这种传感器包括一对反向传输的激光束，光束沿着具有一些反射镜的光学闭合回路传播。为得到有用的信息，让一小部分反向传输的激光束透过其中一个反射镜，该光束通过一个棱镜，此棱镜使有很小角度差的光束结合起来，因而在一个具有两个光电探测器（例如光敏二极管）的表面上产生干涉条纹图案，每个光电探测器都远小于一个单独的干涉条纹。通过使这二个光电探测器相距四分之一个条纹间隔，以便提供具有90度相位差的读出输出信号。当环形激光器绕其输入轴转动时，反向传输的光束频率稍有改变，一个光束的频率增加了，另一个光束的频率减少了。光束频率差产生一个拍频，此拍频由通过光电探测器的条纹图案的运动速率显示出来，光电探测器的输出被送入一个逻辑电路，以记录通过光电探测器的条纹数。通过每一个探测器的条纹数都直接与传感器的实际角转动有关。将两个探测器的输出信号相比较，确定出传感器的转动方向。

读出设备的棱镜确定了直接形成干涉条纹图案和条纹间隔的光带之间的角度。在现有技术中，棱镜使光束之间有一个量级为25弧秒的角度，这样只产生一个条纹。使用两个光敏面积都小于一个条纹间隔的光电探测器，而且两个光电探测器的间距近似为一个条纹间隔的四分之一。为精确达到此种安排，必须使产生条纹图案的两束光之间的角度保持严格的公差。

本发明使用两个光电探测器监控一个环形激光角速率传感器的干涉条纹图案的强度。每个光电探测器都部分地形成一些光敏区和非光敏区的单一周期图案。光电探测器光敏区的周期图案具有一个图 轴，此轴与图案的周期性方向平行，并且与条纹成一预先确定的角度。选择图轴条纹之间的角度，以便当传感器转动时，产生出彼此异相的光电探测器强度输出信号。本发明的读出设备允许光束之间的角度具有较大的公差，因此大大降低了光学系统的成本。

图1说明用于产生一个干涉条纹图案的环形激光器的读出系统。

图2是本发明的双光电探测器读出设备的图示。

图3a和3b是在有转动的情况下，光电探测器输出信号图形。

图4是一个周期性掩模图案的例子。

图5是另一个周期性掩模图案的例子。

图1说明一个环形激光角速率传感器中的，使每束激光的一部分合成以产生的干涉条纹图案的光学系统。图1仅示出其中一个反射表面，此表面是环形激光角速率传感器的光学闭合回路的一部分。传感器台座10就是在美国专利3，390，606（我们以此专利作参考）中所描述的那种类型。

反射镜/读出棱镜12固定在台座10上，它包括透光的基片110，基片110具有一个适当抛光和光学镀膜的第一个表面111，以提供一个部分透射的反射镜14，用于反射与光带15方向相反入射在此表面上的光束16主部。同样，反射镜14也以众所周知的方式在与光束16的相反方向上反射光束15主部，致使在台座10内提供反向传播的激光束。光束15和16之间的角度取决于所选择的光学闭合回路，即，三角形（60度），矩形（90度）等等。

基片110还包括一个适当抛光和光学镀膜的第二表面115，此表面提供了一个反射镜面18。将反射镜18定位，以便反射光束16通过反射镜14透射的那部分光。为了选择在反射镜18表面入射和被反射光束之间的角度，设计基片110，使表面115与表面111成一个选定的角度。入射光束和被反射光束之间的角度在此称作“光束角”。

从反射镜18反射出来的光束再次由反射镜14反射，致使此反射光与通过反射镜14透射的一部分光束15成一小角度传播。这个角度实质上等于前述的“光束角”。光束15通过反射镜14的透射部分以及光束16两次反射的部分到达透射表面116，在此表面上形成干涉条纹图案。

在反射镜18的表面处入射光束和被反射光束之间的“光束角”实质上确定了在基片110的表面116上的干涉图案。随此角度增加，表面116上的干涉条纹图案的条纹间隔逐渐减小。在现有的技术中，入射光束和反射光束之间的光束角在25弧秒的量级，所以条纹间隔比较大。在本发明中，最理想的是具有这样一个光束角，即，使由反射镜18反射，以光束16的反方向直接射回到台座10上的光束减至最小，以避免关在台座内，而且光束角要足够大以至产生较多的可辨别的干涉条纹。当光束角在1到60弧分数量级时可满足上述标准。20到40弧分这一选择正如下面将要描述的一样，在比光束探测器小的空间中提供了合理数量的干涉条纹。

图1中还示出与表面116相连接的双光电探测器传感器25，用来接收透过它的干涉条纹图案。虽然在这个优选的实施例中，传感器25牢牢地固定在表面116上，但是在空间上可以使传感器25与表面116分开，而仍然接收透射通过表面116的干涉条纹图案。

在本发明中，把一个掩模图案放在传感器25的双光电探测器的前面，用于选择每个探测器所取样的条纹图案的空间部分。为测量条纹运动的方向（亦即转动方向），使掩模图案相对于条纹图案有一定倾斜。使用此技术，得到两个探测器信号之间的相位差，然后用它来确定转动方向。

图2中所示是包括基片200上具有矩形光敏面的第一个光电探测器201的双光电探测器传感器25。图中也给出具有类似于光电探测器201的矩形光敏面的第二个光电探测器221。光电探测器201和221彼此电绝缘，并具有实质上相等的光敏面。如图2所示，两个光敏面彼此对称邻接。

这两个光电探测器被一个单一周期的掩模图案所掩盖、掩模图案由具有名义上等于条纹周期或间隔λ的重复周期“X”的透明区220和非透明区22组成。使掩模图案充分覆盖光电探测器201和221，其结果每个探测器都具有同样周期的光敏区20的图案。

与周期掩模图案相关的是与图案的周期性方向平行的图轴265。在本发明中，规定周期掩模图案的图轴与干涉条纹图案成一选定的角度。此外，把 光电探测器201和221放在适当位置，使得存在一个与图轴相垂直的参考轴266，并且此轴穿过每个光电探测器的光敏区。建立参考轴的目的是为了在几何上确定探测器和图案相对干涉条纹的方位。

图2中还示出与图轴成角度θ的干涉条纹图案的强度-位移曲线。此曲线说明了基片110的表面116上，强度（Ⅰ）随位移的变化。图2中形象地表示了入射在周期掩模图象上的条纹图案的最大强度、最小强度和半最大强度部分，这些部分分别用双实线、单实线和虚线表示。

为简单起见，在此假设，在掩模区域中的所有空间强度变化都仅仅由基片110的表面116上输出的光束之间干涉产生的，即，假定每个独立光束在掩模范围内都具有均匀强度分布。例如，在最大强度轮廓线（双实线）上的所有点都具有相等的强度，在最小强度轮廓线（单实线）上的所有点都具有相等的强度，以此类推。还要假定探测器201对透对掩模下半部（在检测器中分面211以下）透明区的所有光强都取样。同样探测器221对透过掩模上半部透明区的所有光强都取样。

通过本发明，当存在由传感器转动而产生的条纹图案运动时，两个光电探测器的输出信号应当存在90度相位差。为达此目的，角度θ应当是：

θ＝tan^-1〔 (X)/(2L) 〕

式中，L是两个光电探测器的全宽度。

图3表示在传感器转动时有90度相位差的光电探测器输出信号。读者应当看到，当在探测器221上的总积分功率实际上在半最大点时，在探测器201的总积分功率实质上达到最大。图3a和3b表示存在转动时，光电探测器输出信号作为时间的函数，它们分别相应于条纹向右边和左边运动的情况。对条纹向右边运动的情况，探测器201的输出比探测器221的输出滞后90度（用-90度相位差表示）。对条纹向左边运动的情况，探测器201的输出超前探测器221的输出90度（用+90度相位差表示）。于是条纹运动的方向与转动的方向相关联。

如上所述，为简单起见在此假定，在掩模范围内光束强度分布是均匀的。原则上，这个技术可以推广来得到±180度范围的相位差。得到90度相位差（或任意其它所要求的相位差）的角度取决于强度分布。例如，在很多实际情况中，光束截面具有高斯分布，而掩模尺寸和探测器的尺寸比光斑尺寸大。在这些情况下，当条纹图案的能量集中在检测器中分面附近时（假定光束中心在检测器中分面上），为得到90度相位差，一般来说，角度θ必须大于

tan^-1〔 (X)/(2L) 〕

应当认识到，光电探测器201和221具有的输出信号是表示其暴露在干涉条纹图案时入射在它光敏区域上光的积分强度。这样的输出信号和连接方式并未在图1中示出，没有周期掩模时，光电探测器201和221的输出信号实质上相同。然而当被遮掩的黑线20和22位于适当位置时，则两个光敏区得到正如上面所说的彼此异相的输出信号。

图4和5说明了周期掩模图案的另外的实例，它们可与光电探测器201′和221′一起使用以达到如上面所阐述的预期作用。图4中，三角形不透明区域用数字224′，204′表示，菱形光敏区用数字226′，206′表示。同样，在图5中是另一种对光电探测器201″和221″具有类似正弦形周期掩模图案的结构，其中包括不透明区224″，204″和光敏区226″，206″。

像图2一样，图4和5的周期掩模图案都放在光电探测器光敏面和干涉条纹图案之间。如前所述，图轴应当与条纹成一选定的角度，以得到异相的光电探测器输出信号。

图5的图案下面是图5的光电探测器201″和221″的强度-距离曲线240。此曲线可由周期性阴影区241构成的周期掩模图案得到，这种结构可代替具有不透明和透明区的周期掩模周期。同以前一样，这个周期图案的图轴应有一选定角度，以便得到所要求的异相光电探测器输出信号。

根据本发明，使光电探测器的输出信号随干涉条纹图案周期运动作周期变化的任何周期性掩模图案都在本发明范围之内。

精通本技术领域的人们应当承认，一对彼此异相的信号足以满足连续环形激光器角速率传感器的读出电子设备，用众所周知的方法确定角转动、 角速率和方向。

精通本技术领域的人们应当承认，包括光电探测器201和221，并带有预定输出的周期掩模图案的双光电探测器传感器25，可以用各种各样的技术制造。图2所述仅为一例，即每个光电探测器的光敏面用一种材料遮掩，仅允许未遮盖的或选定的光敏区接收入射光。另外，作为例子，最后得到的光敏区对每个光电探测器的光敏面可具有矩形图案。此外，另一种可采用的方法包括一个半导体，此半导体具有很多在其内部相互连接的光敏区。

所以，一个双光电探测器传感器25和反射镜/读出反射器12可具有多种组合方式，以低成本提供预期的作用。换句话说，双光电探测器传感器25可以是一个集成电路，此电路可以光学粘接（或类似方法）到表面116上以得到预期信号。另一方面，表面116可以光学镀膜，在表面116上形成掩模，然后把双传感器光学粘接在掩模上。

本发明所陈述的组合显示了一个一体化的反射镜/读出反射器以及双光电探测器系统，它易于调整而且允许在制作过程中具有较大的灵活性和公差，这些元件的组合对环形激光角速率传感器来说成本低廉而且便于设计。

也应该注意到虽然在图1中所述的结构显示出通常与三角形激光器有关的光束角，但是本发明的原理适用于具有多于三个边（包括四个边、五个边、依此类推）的激光器的环形激光角速率传感器。

所以，在结合较佳实施例公开本发明的同时，应当了解，可能有其它的实施例属于后面权利要求书中所规定的本发明的范围之内。

Claims (21)

1、一种读出设备，响应顺时针和反时针相互反向旋转的光束，所述光束之间有一个与环形激光束陀螺的旋转速率有关的频率差，所述读出设备包括：

从所述环形激光陀螺的环内分离出部分光束的装置；

位移分离出的反向旋转光束，以便叠加分离出的部分光束，从而形成一个第一光源束的装置，该光斑束含有条纹运动，条纹运动的特点是在所述第一光斑内有一系列高强度和低强度光的交替区域；

一个具有一系列且平行的透明和不透明交替带的单掩模；

所述掩模设置成与所述第一光斑束垂直，并引导所述第一光斑束的条纹运动穿过该单掩膜；

所述单掩膜的透明和不透明交替区系列排成一行，以形成一个具有条纹运动的第二光斑束，所述条纹运动的特点是在第二光斑束内的一系列高强度和低强度光的交替区域相对所述第一光斑束内的条纹运动进行横向运动；

接收所述第二光斑束并检测所述第二光斑束内的条纹运动的装置，所述第二光斑束的特点是一系列高强度和低强度光的交替区域相对所述第一光斑束的条纹运动进行横向运动。

2、根据权利要求1的读出设备，其中用于从环形激光陀螺的环内分离一部分光束的装置还包括：

一个与所述环形激光陀螺本体耦合的透射基片，

在所述基片的第一表面上形成的部分透射装置，所述第一表面设置成能接收部分透射装置上的第一光斑处的顺时针和反时针相互反向旋转的光束，并能将每束光通过所述部分透射装置的那部分光经过所述基片传送到用于位移被分离出的相互反向旋转光束的装置处。

3、根据权利要求1的读出设备，其中所述用于位移被分离出的相互反向旋转光束，从而叠加并形成第一光斑的装置还包括：

一个棱镜装置，它有一个接收来自分离装置的被分离出的相互反向旋转光束的接收表面，所述分离装置用于分离环形激光陀螺环内的一部分光束，所述棱镜装置还有一个发射表面，

所述棱镜装置有一个内反射表面，该表面设置成能够在内部反射所述被分离出的相互反向旋转光束中的第一光束，并且将所述被分离的第一光束与留下的第二被分离反向旋转光束合成。

所述内反射表面有用于产生内反射、光束位移和叠加的装置，以便形成所述第一光斑束并引导所述第一光斑束穿过所述发射表面，

所述掩膜放置在所述发射表面和所述接收装置之间。

4、根据权利要求1的读出设备，其中用于从环形激光陀螺环内分离出一部分光束的装置还包括：

一个与环形激光陀螺本体耦合的透射基片，

一个在所述基片的第一表面上形成的部分透射反射装置，所述第一表面设置成能够接收所述部分透射反射装置上的第一光斑处的顺时针和反时针光束，并将每束光通过所述部分透射反射装置的部分，经所述基片传送给用于位移被分离的反向旋转光束的装置，

位移反向旋转光束的装置包括在所述基片的第二表面上形成的反射装置，所述第二表面设置成能够向第一表面上的所述光斑内反射被分离的反向旋转光束的第一光束，并能将所述被分离的第一光束与透过的第二被分离的反向旋转光束合成，从而产生光束位移和叠加，以形成所述第一光斑束，并引导所述第一光斑束穿过所述基片上的第三透射表面部分。

5、根据权利要求4的读出设备，其中所述掩膜放置在第三可透射表面部分和所述接收装置之间。

6、根据权利要求5的读出设备，其中所述接收装置包括：

第一和第二光敏装置，其中每个都有一个响应照射在其上的第二光斑束的至少一部分的光敏区。

7、一种激光角速率传感器的读出设备，所述传感器包括相互反向传输的激光束，该反向传输激光束能显示依赖于旋转速率和方向的频率变化，所述读出设备包括：

光学地合成每束光的一部分，以产生干涉条纹图案的装置，

第一和第二光敏装置，每个光敏装置都有一个光敏区，用于接收照射在其上的至少一部分干涉条纹图案，

一个具有透明和不透明区域的周期掩膜图案的单掩膜，其中有一个图轴平行于所述周期掩膜图案的周期性方向，周期掩膜图案放置在第一和第二光敏装置与干涉条纹图案之间，以便使干涉条纹穿过所述掩膜并投射在第一和第二光敏装置上，

所述周期掩膜图案相对于干涉条纹图案设置成所述图轴相对所述条纹有一个选定的角度，以便使照射在第一和第二光敏装置上的干涉条纹图案的那些部分的积分功率有响应干涉条纹图案的条纹运动的足够区别，从而能分辨条纹运动的方向。

8、一种激光角速率传感器的读出设备，所述传感器包括相互反向传输激光束，这种光束含有依赖于旋转速率和方向的频率变化，所述读出设备包括：

光学地合成每束光的一部分以产生一个干涉条纹图案的装置。

第一和第二光敏装置，每个光敏装置都有一个光敏区，响应至少一部分照射在其上的干涉条纹图案，并且分别提供第一和第二输出信号，它们代表了所述干涉条纹图案的任何部分的光强度，

一个单掩膜，它有一个透明和不透明区域的周期掩膜图案，其中有一平行于周期掩膜图案周期性方向的图轴，周期掩膜图案设置在第一和第二光敏装置与干涉条纹图案之间，以便使干涉条纹图案穿过掩膜并照射在第一和第二光敏装置上，

所述周期掩膜图案相对干涉条纹图案设置成所述图轴相对于所述条纹有一个选定的角度，以便使响应干涉条纹图案的条纹运动的第一和第二输出信号彼此异相。

9、根据权利要求8的读出设备，其中所述周期掩膜图案有许多平行的透明和不透明线。

10、根据权利要求8的读出设备，其中所述周期掩膜图案有一个周期，它基本等于干涉条纹图案的周期。

11、根据权利要求8的读出设备，其中所述周期掩膜图案是许多平行的透明和不透明带，所述带的宽度基本上等于周期图案和周期的一半。

12、根据权利要求8的读出设备，其中合成光束的装置包括：

一个与环形激光陀螺本体耦合的透射基片，

一个在所述基片的第一表面上形成的部分透射反射装置，所述第一表面设置成能接收部分透射反射装置上的第一光斑处的顺时针和反时针光束，并能将通过部分透射反射装置的每束光的一部分，经过所述基片传送到所述基片的第二表面，

一个在所述基片的第二表面上形成的反射装置，所述第二表面设置成能将被分离的相互反向旋转光束的第一光束内反射到第一表面的所述光斑处，并能使被分离的第一光束与透过的第二被分离光束合成，从而产生一个光束位移和叠加，以形成第一光斑束并引导第一光斑束穿过一个在所述基片上的第三透射表面部分。

13、一个包含有反向传输激光束的激光角速率传感器所用的读出设备，其中的反向传输激光束含有依赖于旋转速率和方向的频率变化，所述读出设备包括：

光学地合成每束光的一部分，以形成第一干涉条纹图案的装置，

一个有一系列透明和不透明交替区域的单掩膜，

所述单掩膜设置成与第一干涉条纹图案垂直，并能引导第一干涉条纹图案穿过掩膜，具有透明和不透明交替区域的单掩膜系列相对第一干涉条纹有一选定的角度，以便形成相应的第二干涉条纹图案，该图案是由第一干涉条纹图案穿过掩膜后得到，

所述角度的选定是使得所述第二干涉条纹图案具有高光强度和低光强度的交替区域，这些交替区域相对第一干涉条纹图案的条纹运动方向横向运动。

用于接收第二干涉条纹图案并检测高强度与低强度光的交替区域的运动的装置。

14、根据权利要求13的读出设备，其中所述接收光束的装置包括：

第一和第二光敏装置，每个光敏装置都有一个响应至少一部分第二干涉条纹图案的光敏区，第一和第二光敏装置分别提供代表干涉条纹图案任何部分的光强度的第一和第二输出信号、所述角度的选定是使得第一和第二输出信号相互异相。

15、根据权利要求14的读出设备，其中选定的角度能使第一和第二输出信号基本上具有90°相位差。

16、根据权利要求13的读出设备，其中所述掩膜是一个具有许多平行的透明和不透明带的周期掩膜图案。

17、根据权利要求13的读出设备，其中所述周期掩膜的周期基本上等于第一干涉条纹图案的周期。

18、根据权利要求13的读出设备，其中所述掩膜是一个具有许多平行的透明和不透明带的周期图案，所述带的宽度基本上等于所述周期图案的周期的一半。

19、一个激光角速率传感器的读出设备。所述传感器包含相互反向传输的激光束，这些激光束显示了依赖于旋转速率和方向的频率变化，所述读出设备包括：

光学地合成每束光的一部分以形成一个干涉条纹图案的装置，

具有周期图案光敏区的第一光敏装置，用于提供一个代表干涉条纹图案任何部分的光强度的第一输出信号，所述周期图案的图轴平行于周期图案的周期性方向，

具有基本等同于第一周期图案的周期图案光敏区的第二光敏装置，用于提供一个代表所述干涉条纹图案任何部分的光强度的第二输出信号，

所述第一和第二光敏装置相对所述干涉条纹设置成所述图轴相对所述条纹图案有一选定的角度，以便使响应干涉条纹图案的运动条纹的第一和第二输出信号相互异相。

20、根据权利要求19的读出设备，其中第一和第二光敏装置各自有一个平行的光敏和非光敏区交替的光敏区域。

21、一种激光角速率传感器的读出设备，所述传感器包含有相互反向传输激光束，这些光束显示了依赖于旋转速率和方向的频率变化，所述读出设备包括：

光学合成每个光束的一部分，以产生一个干涉条纹图案的装置，

具有响应至少一部分干涉条纹图案的光敏区的光敏装置，该光敏装置分别提供代表干涉条纹图案第一和第二部分光强度的第一和第二输出信号，

一个具有透明和不透明区域的周期掩膜图案的单掩膜，其中有一个平行于周期掩膜图案的周期性方向的图轴，所述周期掩膜图案放置在第一和第二光敏装置与干涉条纹图案之间，以便使干涉条纹图案穿过该掩膜，照射在第一和第二光敏装置上的装置。

所述周期掩膜图案相对所述干涉条纹图案设置成所述图轴相对条纹有一选定的角度，使以便响应干涉条纹图形的条纹运动的第一和第二输出信号相互异相。

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