CN86103143A - 激光角速率传感器的读出设备 - Google Patents

Abstract

彼此电绝缘的光电探测器201、221接收一个环形激光角速率传感器干涉条纹图案的一些相同条纹。光电探测器有一个光敏区周期图案。各探测器的光敏区彼此错位，以便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.基利帕特里克（J.Kiupatrick）获得的美国专利3，373，650和T.波德尔斯基（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。这样的传感器包括一对反向传输的激光器，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小了。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度显示出来。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测一个环形激光角速率传感器的一个干涉图案输出的一些相同条纹的强度。每个光电探测器都包括由一些光敏区和非光敏区形成的一个周期图案。两个探测器的光敏区的周期图案彼此错位周期图案周期的一部分，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3是一个周期性掩模图案的例子。

图4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就是在美国专利3，390，606（这里引入作为参考）中所描述的那种类型。

反射镜或读出棱镜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主表面111，以提供一个部份透射的反射镜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，以便在台座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透射过反射镜14的那部份光。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111，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，希望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的光束减至最小，以避免锁定，而光束角足够大以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那样，在比光电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，但是在空间上也可以使传感器25与表面116分开，而仍然接收透射过表面116的干涉条纹图案。

图2所示是一个双光电探测器传感器，它包括在基片200上有矩形光敏面的第一光电探测器201，和具有类似于光电探测器201的矩形光敏面的第二光电探测器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。光电探测器201和221置位于表面116，以便接收干涉条纹图案的一些相同干涉条纹。设计光电探测器，使其有一个光敏和非光敏区的周期图案。这可以通过用具有透明与不透明区的一个周期掩膜图案掩盖光电探测器201来实现。这种图案是重复性的，在光电探测器201的光敏面上有一固定的位移周期。作为例子，图2显示了平行的暗带204和透明带206，这样光电探测器只接收照射在透明带206下面的光敏区的光。

如图2所示，有一个“图轴”与周期图案相关，该轴定义为平行于图案周期方向。图2中显示了图轴平行于轴“d”，垂直于条纹。

以类似的方式，光电探测器221有一个基本上与光电探测器201相同的周期性掩膜图案。被掩盖的光电探测器221有平行的暗带224和透明带226，以便只接收照射在透明带226下面的光敏区上的光。每个光电探测器的周期图案的图轴是彼此平行的。

在图2中，在双光电探测器的图示的上面和下面是一个干涉条纹图案标定强度（I）作为光敏区201和221横向空间位置（d）的函数的一个图示。如图1和2所示，双光电探测器传感器25相对在表面22上产生的干涉条纹的设置，使得每个光电探测器的图案的图轴对于干涉条纹图案的干涉条纹的角度是相同的。在图1所示的实施例中，干涉条纹垂直于图案的图轴。尤其是，光电探测器201和221上的平行掩盖带平行于干涉条纹。而且，光电探测器应基本上处在光束产生的图案之内。

在理解本发明时，应了解在任何空间位置“d”，出现在光电探测器201和221的光敏区的干涉条纹图案强度是一律相等的。这是因为由激光束点产生的干涉图案对处在一个线条里並平行于条纹的所有点有一致的强度。还应了解，干涉条纹图案是沿平行于周期图案的图轴、探测器的横向运动，作为传感器旋转的函数。

在一个较佳实施例中，光电探测器201的周期掩膜图案相对光电探测器221的周期掩膜图案，沿平行于图案对称轴的方向错位四分之一个条纹间距。在图2所示的例子中，掩盖的暗线部分204和224相距一个条纹间距，光敏区和暗线的宽度实质上等于半个条纹间距。暗线204相对暗线224也大致错位四分之一个条纹间距。

光电探测器201和221有一个输出信号，代表照射在暴露给干涉条纹图案的光敏区的光的积分强度。在图1中没有显示这种输出信号和连接装置。在没有暗线204和224的情况，光电探测器201和224的输出信号将基本相等，因为它们将接收干涉条纹图案的相同条纹。然而，在空间有了掩盖暗线204和224后，则两个光敏面的输出信号异相。

光电探测器201接收如强度图案240所示的干涉条纹图案的几个条纹的一部分。强度图240的阴影线部分代表照射在光敏区206上的条纹部分。强度图250的阴影线部分代表照射在光电探测器221的光敏区226上的同样条纹的那部分。由于暗线204和224错位四分之一个条纹间距，光敏区201和221的输出强度信号彼此异相，并且基本为90度相移。

图3和图4说明了周期掩膜图案的另外实例，它们仍可与光电探测器201和221一起使用以达到上述的预定目的。图3中，三角形的掩盖不透明区域用数字204′和224′表示，萎形光敏区用数字206′和226′表示。同样，在图4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204″和224″，及光敏区206″和226″。

象图2一样，图3和图4的周期掩膜图案都放在光电探测器光敏面和干涉条纹图案之间。电探测器201和221的掩膜图案彼此错位周期图案的部分位移周期。掩膜图案较好的是错位该周期图案的四分之一周期，而该周期等于条纹间距较好。

图4的图案下面是图4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面241构成的周期掩膜图案得到，这种结构可代替具有不透明和透明区的周期掩膜图案。同前面一样，两个光电探测器的被遮盖区的周期图案应当彼此错位，以获得预定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的周期运动作周期变化的任何周期性掩膜图案都在本发明范围之内。

本技术领域的技术人员应当承认，一对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以众所周知的方法确定角转动、角速率和方向。

本技术领域的技术人员应当承认，包括光电探测器201和221，並附带掩膜，且具有预定输出的双光电探测器传感器25可以用各种技术制造出来。图2所示仅为一例，即每个光电探测器的光敏面用一种材料掩盖，仅允许未遮盖或选定的光敏区接收入射光。作为一个替换的例子，产生的光敏区对每个光电探测器的光敏面可以是S形图案。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，以低成本达到预期的作用。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上形成掩膜，然后把双传感器光学粘接在掩膜上。

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，成本低廉且便于设计。

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）的环形激光器角速率传感器。

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也属于下面权利要求书中所定义的本发明的范围。

Claims (7)

1、用于具有反向传输激光束的激光角速率传感器的读出设备，此设备显示取决于转动速率和方向的频率变化，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；

第一光敏装置，具有一个周期性光敏区图案，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；

第二光敏装置，具有一个与所述第一光敏装置基本相同的周期性光敏区图案，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；

所述第一和第二光敏装置被适当安置，以便至少接收所述干涉条纹图案的两个相同条纹，所述第一和第二光敏装置的光敏区的周期图案各有一图轴，平行于图案周期性方向，所述图轴相对所述干涉条纹成一选定的角度，所述两个图案，沿平行于图轴的方向错位预先选定的周期图案周期的一部分。

2、权利要求1的读出设备，其中所述第一和第二光敏装置各包括一个具有平行的遮掩区和未遮掩区的光敏面。

3、用于具有反向传输激光束的激光角速率传感器的读出设备，此设备显示出取决于转动速率和方向的频率变化，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;

第一和第二光敏装置，各有一个光敏面，用于接收上述的条纹图案並提供表面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;所述第一和第二光敏装置被适当设置，以接收干涉条纹图案的至少两个相同条纹部分;

采用第一和第二周期掩模图案，分别掩盖所述第一和第二光敏装置的部分光敏面，所述第一和第二掩模图案基本相同;

所述第一和第二周期掩模图案设置在第一和第二光敏装置与干涉条纹图案之间。

4、根据权利要求3的设备，其中每个周期掩模图案有一个平行于图案周期性方向的图轴，所述图轴彼此平行，並相对干涉条纹图案基本成相同角度，所述第一掩模图案相对第二掩模图案沿平行于图轴的方向错位第一周期掩模图案的一部分周期。

5、权利要求3的设备，其中所述周期掩模图案是一些平行于所述干涉条纹图案的平行不透明线。

6、权利要求3的设备，其中所述周期图案有一个周期，它实质上等于所述干涉条纹图案的周期。

7、权利要求6的设备，其中所述周期图案是一些平行的不透明线，基本等于周期图案周期的一半。

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