CN86103140A - 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

激光角速率传感器的读出设备

本发明涉及环形激光角速率传感器的读出设备。

在J·基利帕特里克（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。光束通过一个棱镜，此棱镜以稍稍不同的角度合成光束，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。通常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的光束和条纹间隔之间的角度。在现有技术中，棱镜使两束光之间有一个量级为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说明在一个环形激光角速率传感器中，由每束激光的一部分之合成所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。

反射镜和读出棱镜12固定在台座10上，它包括用于透光的基片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，用于反射与光束15方向相反入射在此表面上的大部分光束16。同样，反射镜14也以众所周知的方式在与光束16的相反方向上反射大部分光束15，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。选择反射镜18的位置，使其反射光束16通过反射镜14透射的那部分光。为了选择在反射镜18处入射和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。入射光束和反射光束之间的角度在此称作“光束角”。

从反射镜18被反射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。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，与光束16反方向射回到台座10上的光束减至最小，以避免锁定，而光束角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中所示是在基片200上具有矩形光敏面的包括第一个光电探测器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入的周期性的重复周期“X”的透明区20和非透明区22组成。使掩模图案充分复盖光电探测器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，在掩模区域中所有空间强度变化都仅仅由基片110的表面116上输出光束之间的干涉产生，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。也假定探测器201对透过掩模下半部（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，在此假定了，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。为了得到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（假定光束集中在检测器中分面上），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光敏面上有干涉条纹图案时入射在它上面的光的积分强度。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222′表示，菱形光敏区用数字220′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222′和光敏区220″。

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的双光电探测器传感器25以及具有预定输出的附加周期掩模图案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和反射镜或读出反射器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整体的反射镜或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 (6)

1、用于具有反向传输激光束15、16的激光角速率传感器的读出设备，此设备显示出频率变化取决于转动速率的方向，该读出设备包括：

用于使每束激光的一部分光学合成，形成具有很多条纹的干涉条纹图案的装置110；

第一个光敏装置201，具有一个周期性光敏区20、22图案以提供表示入射在它上面的干涉条纹图案强度的输出信号；

第二个光敏装置221，具有一个与所述第一个光敏装置完全一样的周期光敏区图案20、22，以提供表示入射在它上面的干涉条纹图案强度的输出信号；

相对干涉条纹图案适当安放上述第一个和第二个光敏装置201，221，使之存在一个与所述周期图案的周期性方向平行的图轴265，而且此轴与所述条纹成一选定的角度θ，以及存在一个与该图轴相垂直的参考轴266，而且它至少穿过上述每个光敏装置的一个光敏区。

2、权项1的读出设备，其中每个上述的第一和第二个光敏装置，都包含一个具有平行的遮掩区22和未遮掩区20的光敏面。

3、用于具有反向传输激光束15、16的激光角速率传感器的读出设备，此设备显示出频率变化取决于转动速率和方向，该读出设备包括：

用于使每束激光的一部分光学合成，产生具有很多条纹的干涉条纹图案的装置110;

第一和第二个光敏装置201，221都具有一个光敏面，用于接收上述的条纹图案和提供表示入射在光敏面上的干涉条纹图案任意部分强度的输出信号;

采用一个周期遮掩上述第一和第二个光敏装置的部分光敏面的装置22，在掩模图案中存在一个与周期图案的周期性方向平行的图轴265，而且该周期掩模图案放入上述第一、第二个光敏装置和上述干涉条纹图案之间;

相对干涉条纹图案适当安放上述的第一个和第二个光敏装置，使之存在一个与上述图轴相垂直的参考轴，而且它穿过第一和第二个光敏装置，上述图轴与干涉条纹成一选定的角度θ。

4、权项3的设备，其中所述的周期掩模图案具有很多平行的不透明线22。

5、权项3的设备，其中上述周期图案的周期实质上等于所述干涉条纹图案的周期。

6、权项5的设备，其中所述的周期图案具有很多平行的不透明线22，其宽度实际上等于所述周期图案的半周期。

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