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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kernspinresonanz-basiertes Gyroskop sowie ein Verfahren zur Drehratenmessung nach den unabhängigen Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Kernspinresonanz-basierte Gyroskope sind vorteilhaft gegenüber Gyroskopen auf Basis von MEMS, da sie eine erhöhte Driftstabilität und eine erhöhte Genauigkeit aufweisen. Allerdings ist der Einsatz solcher Gyroskope begrenzt, da bekannte Gyroskope aus dem Stand der Technik einen sehr großen Aufbau mit sich bringen, damit Standard-Optiken, wie beispielsweise Linsen, Umlenkspiegel, Magnetfeldspulen etc. verwendet werden können. Derart makroskopische Aufbauten eignen sich allerdings nicht für Anwendungen im Automobilbereich oder in der Luftfahrt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein kernspinresonanz-basiertes Gyroskop derart zu miniaturisieren, dass es sich für eine Anwendung im Automobil oder in der Luftfahrt eignet.
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Gelöst wird die vorgenannte Aufgabe durch ein kernspinresonanz-basiertes Gyroskop umfassend eine Dampfzelle mit zwei Glasseiten, vorzugsweise Glasdeckel. Bei den Glasseiten handelt es sich insbesondere um Glaswafer. Die Dampfzelle ist insbesondere mit Alkaliglas, beispielsweise Rb, Cs, K, Edelgas (beispielsweise Xe, He, Ne, Kr) und Puffergas (beispielsweise Ar, N2) befüllt. Es kann sich um eine MEMS-basierte Dampfzelle handeln.
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Ferner umfasst das Gyroskop eine Magnetfeldspule zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes und eine Magnetfeldspule zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes. Insbesondere sind die Magnetfeldspulen um die Dampfzelle herum angeordnet. Die Magnetfeldspulen können in einer Helmholtzanordnung angeordnet sein.
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Ferner umfasst das Gyroskop eine magnetische Abschirmung, wobei die Dampfzelle und die Magnetfeldspulen in der Abschirmung angeordnet sind, und wobei die magnetische Abschirmung eine Ausdehnung von kleiner als 20 mm aufweist. Ferner bevorzugt ist die Ausdehnung kleiner als 15 mm, am meisten bevorzugt kleiner als 10 mm. Insbesondere ist die Abschirmung zylinderförmig ausgebildet. Dabei ist unter der Ausdehnung insbesondere der Durchmesser der Abschirmung gemeint. Die Länge der Abschirmung beträgt höchstens 60 mm, ferner bevorzugt höchstens 50 mm, am meisten bevorzugt höchstens 40 mm.
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Insbesondere sind die Magnetfeldspulen derart angeordnet, dass das statische Magnetfeld in axialer Richtung der Abschirmung ausgerichtet ist, während das magnetische Wechselfeld in radialer Richtung ausgerichtet ist.
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Das kernspinresonanz-basierte Gyroskop dient insbesondere als Backup für radar- und/oder videoassistierte und/oder GPS-Positionierungen im Automobil- und/oder Luftfahrtbereich.
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Die Abschirmung ist vorteilhafterweise mehrlagig ausgebildet. Die Abschirmung umfasst mindestens zwei rohrförmige oder zylinderförmige, ineinander schachtelbare, vorzugsweise geschachtelte, Körper. Ferner kann die Abschirmung mehr als zwei, bspw. drei oder vier Körper, umfassen. Zylinderförmige Körper sind vorzugsweise einseitig geschlossen und somit einseitig offen ausgebildet. Sie weisen vorzugsweise einen Deckel auf, sodass sie an der einen Seite auch geschlossen werden können. Rohrförmige Körper sind vorzugsweise beidseitig offen ausgebildet und weisen vorzugsweise zwei Deckel auf, um diese an beiden Seiten zu schließen. In anderen Worten sind unter den Körpern separate Abschirmungselemente zu verstehen, die ineinander geschachtelt die vorliegende Abschirmung ergeben. Die Körper sind vorzugsweise derart im Vergleich zueinander dimensioniert, dass sie ineinander geschachtelt werden können. Die Abschirmung, insbesondere die einzelnen Körper, sowie die Deckel bestehen insbesondere aus Mu-Metall.
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Ferner umfasst das Gyroskop einen Pumplaser, einen Probelaser und mindestens einen Detektor, wobei das Gyroskop eine Einkoppelfaser zum Einkoppeln von Laserlicht des Pumplasers und eine Auskoppelfaser zum Auskoppeln des Laserlichtes des Pumplasers umfasst. Ferner kann das Gyroskop eine Einkoppelfaser zum Einkoppeln von Laserlicht des Probelasers und eine Auskoppelfaser zum Auskoppeln des Laserlichtes des Pumplasers umfassen, wobei die Abschirmung ferner bevorzugt jeweils eine Öffnung pro Einkoppelfaser und/oder jeweils eine Öffnung pro Auskoppelfaser umfasst. Die Öffnung dient zum Einkoppeln oder Auskoppeln von Laserlicht in den Innenraum der Abschirmung, indem die Einkoppelfasern und Auskoppelfasern durch die Öffnungen in den Innenraum geführt sein können.
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Besteht die Abschirmung aus mehreren Körpern, weist jeder Körper eine derartige Öffnung auf, und die Öffnungen sind im ineinander geschachtelten Zustand auf eine Linie bringbar, sodass sich eine durchgängige Öffnung bis in den Innenraum des kleinsten Körpers ergibt.
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Bei den Einkoppelfasern und/oder Auskoppelfasern handelt es sich insbesondere um Glasfasern. Es kann sich um als Single-Mode-Fasern, Multi-Mode-Fasern oder um polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern handeln.
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Die Öffnungen in der Abschirmung können jeweils radial oder axial angeordnet sein. Insbesondere können die Öffnungen im Deckel der Körper vorgesehen sein. Die Öffnungen weisen jeweils einen Durchmesser auf, der kleiner als 800 µm, insbesondere kleiner als 500 µm, am meisten bevorzugt kleiner als 300 µm, ist.
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Der Pumplaser und der Probelaser befinden sich vorzugsweise jeweils außerhalb der magnetischen Abschirmung. Der Pumplaser dient insbesondere zur Spinpolarisation der in der Dampfzelle befindlichen Alkali-Atome. Dazu ist das Laserlicht des Pumplasers polarisiert. Insbesondere wird das Laserlicht des Pumplasers in der Dampfzelle zur Polarisation des Elektronenspins der Atome des Alkaligases, bspw. des Rb-Elektronenspins eingesetzt, was durch Elektron-Kernspinkopplung zwischen dem Alkaligas und dem Edelgas, bspw. Xenon, zu einer Polarisation des Kernspins der Atome des Edelgases führt.
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Das statische Magnetfeld führt zu einer endlichen Larmorfrequenz in den Edelgasatomen. Das magnetische Wechselfeld, dessen Frequenz der Larmorpräzessionsfrequenz entspricht, führt zu einer kohärenten Präzession aller Kernspins, wobei die kohärente Präzession der Kernspins der Edelgasatome wiederum die Präzession der Elektronenspins der Alkaliatome beeinflusst.
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Das polarisierte Laserlicht des Probelasers dient dazu, die Präzession des Elektronenspins der Alkaliatome aufgrund der kohärenten Präzession der Alkaliatome in ein auslesbares Signal umzuwandeln. Dazu ist das Laserlicht auf die Alkali-Wellenlänge abgestimmt. Aufgrund des Faraday-Effekts, der von der geänderten Alkaliatom-Spinpräzession herrührt, wird die Polarisation des Laserlichts des Probelasers periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Insbesondere ist vor dem mindestens einen Detektor, der insbesondere als Fotodiode ausgebildet ist, ein Polarisationsfilter angeordnet, der zu einer Abschwächung des ausgekoppelten Laserlichts des Probelasers in Abhängigkeit dieser Polarisationsdrehung führt. Somit wird an dem Fotodetektor eine Intensitätsschwankung beobachtet, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist. Eine Rotation des Gyroskops führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zur Drehrate, die somit an dem Fotodetektor gemessen werden kann. Es wird somit das ausgekoppelte Laserlicht des Probelasers in Richtung des Detektors mittels der entsprechenden Auskoppelfaser ausgekoppelt. Auch kann nach Passieren der Dampfzelle das Laserlicht des Probestrahls auf einen polarisierenden Strahlteilerwürfel gelenkt werden, wobei hinter den jeweiligen Ausgängen des Strahlteilerwürfels jeweils ein Fotodetektor die transmittierte beziehungsweise reflektierte Intensität messen kann. Gemäß dem Prinzip der Faraday-Rotation kann die Spinpolarisation in X- und Y-Richtung aus den relativen Intensitäten der transmittierten und reflektierten Laserstrahlung bestimmt werden.
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Insbesondere umfasst das Gyroskop pro Einkoppelfaser und/oder pro Auskoppelfaser eine Ferrule, wobei jede Einkoppelfaser oder jede Auskoppelfaser in einer jeweiligen Ferrule gehalten ist, und wobei jede Ferrule eine GRIN-Linse umfasst, um kollimiertes Laserlicht in die zugehörige Auskoppelfaser zu leiten oder Laserlicht aus der zugehörigen Einkoppelfaser zu kollimieren und auf die Dampfzelle zu leiten. Dabei ist der Durchmesser der GRIN-Linse jeweils derart gewählt, dass sie das Laserlicht des Pumplasers beziehungsweise Probelasers derart weit auffächert, dass möglichst ein Großraum des Hohltalraums der Dampfzelle durchstrahlt wird. Bspw. kann der Durchmesser der GRIN-Linse auf etwa 1,8 mm abgestimmt sein, vorzugsweise bei einem Durchmesser des Innenraums der Dampfzelle von 3,5 mm und einer Höhe des Innenraums von 1 mm.
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Unter dem Begriff „GRIN-Linse“ ist eine Gradientenindexlinse zu verstehen. Diese ist insbesondere zylinderförmig und weist einen in radialer Richtung abnehmenden Brechungsindex auf, der vorzugsweise quadratisch mit dem Abstand zur Mittel abnimmt. GRIN-Linsen sind besonders vorteilhaft, um den Strahl aus einer optischen Faser zu kollimieren beziehungsweise einen kollimierten Strahl in eine Glasfaser einzukoppeln.
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Insbesondere sind die Ferrulen der Einkoppelfasern derart angeordnet, dass das Laserlicht des Pumplasers und das Laserlicht des Probelasers senkrecht zueinander in die Dampfzelle eingekoppelt werden.
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Vorteilhafterweise umfasst das Gyroskop mindestens ein Prisma auf, das auf einer Glasseite der Dampfzelle befestigt ist, wobei das Prisma jeweils zwei Kantenflächen aufweist, und wobei an jeder Kantenfläche eine Ferrule einer Einkoppelfaser befestigt ist. Das Prisma dient somit zum Einkoppeln von Laserlicht des Probelasers und Laserlicht des Pumplasers. Ferner kann das Gyroskop zwei Prismen umfassen, wobei das zweite Prisma auf der anderen Glasseite angeordnet ist und zwei Kantenflächen aufweist, wobei an jeder Kantenfläche eine Ferrule einer Auskoppelfaser befestigt ist. Alternativ kann das transmittierte Laserlicht des Pumplasers und/oder des Probelasers nach Passieren der Dampfzelle mittels Freistrahloptiken aus der Abschirmung herausgeführt werden.
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Bei den Prismen handelt es sich insbesondere jeweils um dreiseitige Prismen. Jeweils ein Prisma ist vorzugsweise auf einer Glasseite, insbesondere einem Glaswafer, der Dampfzelle befestigt. Insbesondere kann das Prisma auf die Glasseite geklebt sein. Die Prismen weisen jeweils zwei Kantenflächen auf, die der Glasseite abgewandt sind, wobei an jede Kantenfläche eine entsprechende Ferrule befestigt ist. Die beiden Kantenflächen können einen Winkel zwischen 20° und 40° einschließen. Insbesondere ist die Ferrule entsprechend geklebt, und zwar ist insbesondere die GRIN-Linse der entsprechenden Ferrule direkt auf die Kantenfläche des entsprechenden Prismas geklebt. Ferner kann dazwischen noch ein optisches Element angeordnet sein, wie beispielsweise eine Verzögerungsplatte.
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Alternativ zu den oben beschriebenen Prismen wäre auch eine jeweilige Halbkugel möglich, die in analoger Weise auf den Glasseiten befestigt sein können. Auch kann die Glasseite an sich eine prismenförmige oder halbkugelförmige Erhebung umfassen, bspw. durch Abformung.
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Das Laserlicht des Pumplasers und das Laserlicht des Probelasers können zunächst linear polarisiert sein. Ferner bevorzugt kann das Gyroskop eine Verzögerungsplatte, vorzugsweise eine Lambda-Viertelplatte, umfassen, wobei die Verzögerungsplatte zwischen der Ferrule der Einkoppelfaser des Pumplasers und der entsprechenden Kantenfläche des Prismas angeordnet ist, um das Laserlicht des Pumplasers in zirkular polarisiertes Laserlicht umzuwandeln, bevor dieses auf die Dampfzelle trifft.
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Ferner bevorzugt kann das Gyroskop einen Heizlaser umfassen, wobei das Gyroskop ebenfalls eine Einkoppelfaser zum Einkoppeln von Laserlicht des Heizlasers umfasst, und wobei die Einkoppelfaser in einer Ferrule gehalten ist, die ebenfalls eine GRIN-Linse umfasst, um Laserlicht des Heizlasers aus der zugehörigen Einkoppelfaser der Ferrule zu kollimieren, um mittels des Laserlichts die Dampfzelle zu heizen. Dabei weist die Abschirmung eine Öffnung zum Einkoppeln des Laserlichts mittels der Einkoppelfaser für den Heizlaser auf. Bei dem Heizlaser handelt es sich insbesondere um einen Infrarotlaser, der für eine konstante Temperierung der Dampfzelle im Bereich zwischen 80°C und 120°C sorgt, sodass das Alkaligas in der Dampfzelle dampfförmig ist und ein konstanter Dampfdruck erhalten bleibt.
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Insbesondere wird das Laserlicht des Heizlasers seitlich auf einen Bereich der Dampfzelle zwischen den Glasseiten geleitet, der vorzugsweise aus Silizium gebildet ist. Insbesondere ist die entsprechende Ferrule, insbesondere die GRIN-Linse, direkt an diesem Siliziumbereich der Dampfzelle befestigt, vorzugsweise geklebt. Der Heizlaserstrahl wird vom Silizium absorbiert und heizt somit die Dampfzelle. Ferner ist es möglich, dass an mehreren, gegebenenfalls sogar allen vier Seiten, der Dampfzelle jeweils eine Ferrule mit entsprechender GRIN-Linse und Einkoppelfaser des Heizlasers positioniert ist, um die Dampfzelle zu heizen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Drehratenmessung, wobei das Verfahren ein oben beschriebenes Gyroskop verwendet. Insbesondere umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer oben beschriebenen Abschirmung, das Einkoppeln von Laserlicht eines Pumplasers und eines Probelasers durch mindestens eine entsprechende Öffnung in der Abschirmung, das Auskoppeln des Laserlichts des Pumplasers und des Probelasers durch eine entsprechende Öffnung in der Abschirmung, das Heizen der Dampfzelle durch das Einkoppeln von Laserlicht eines Heizlasers und die Auswertung des ausgekoppelten Laserlichts des Probelasers zur Bestimmung der Drehrate.
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Insgesamt gelingt es der vorliegenden Erfindung, die Vorteile eines kernspinresonanz-basierten Gyroskops durch eine entsprechende Miniaturisierung für neue Anwendungen nutzbar zu machen. Dabei werden alle benötigten optischen Komponenten auf kleinstem Raum in eine miniaturisierte magnetische Abschirmung integriert. Dadurch werden die folgenden Vorteile erreicht:
- • Durch die Verwendung von Einkoppelfasern und Auskoppelfasern, das heißt einer faserbasierten Lösung, können die Öffnungen in der magnetischen Abschirmung möglichst klein gehalten werden, sodass magnetische Störfelder, die in das Innere der magnetischen Abschirmung eindringen könnten, möglichst gering gehalten werden. Dies erhöht die Präzision und die Sensitivität des Gyroskops.
- • Das Gyroskop ist möglichst klein, und die verbauten Teile somit kostengünstig gehalten.
- • Die weiteren Komponenten, wie beispielsweise die Laser, können außerhalb der Abschirmung zueinander platziert, justiert und fest miteinander verbaut beziehungsweise verklebt werden. Nach einer Justage ist es möglich, alle Teile fest miteinander zu verkleben beziehungsweise zu fixieren, sodass eine entsprechende Nachjustage wegfällt. Es ist somit ein hohes Maß an Einfachheit in der Handhabung gegeben.
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Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
- 1: einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen kernspinresonanz-basierten Gyroskops;
- 2: verschiedene Körper der magnetischen Abschirmung der 1;
- 3: eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Gyroskops;
- 4: eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Gyroskops, und
- 5: eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Gyroskops nach 4.
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen kernspinresonanz-basierten Gyroskops 500. Das Gyroskop 500 umfasst eine Dampfzelle 100 sowie Magnetfeldspulen 111 zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes und eines magnetischen Wechselfeldes. Sowohl die Dampfzelle 100 als auch die Magnetfeldspulen 111 sind innerhalb einer magnetischen Abschirmung 101 angeordnet, die mehrlagig ausgebildet ist. Ferner umfasst das Gyroskop 500 einen Pumplaser 401, einen Probelaser 402 sowie einen Heizlaser 403, deren Laserlicht in die magnetische Abschirmung 101 über entsprechende Öffnungen eingekoppelt wird. Ferner wird das durch die Dampfzelle 100 transmittierte Laserlicht 207 des Probelasers ausgekoppelt und mittels eines Strahlteilerwürfels 501 auf Fotodetektoren 502, 503 geleitet.
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2 zeigt schematisch verschiedene Körper 101a der magnetischen Abschirmung 101, die ineinander geschachtelt die magnetische Abschirmung 101 bilden. Diese sind zylinderförmig mit einem offenen Ende und einem entsprechendem Deckel 101b zum Verschließen des offenen Endes ausgebildet, wobei Öffnungen 101c im Deckel 101b vorgesehen sind.
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3 zeigt eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Gyroskops 500 im Innenraum der Abschirmung 101. Die Dampfzelle 100 weist zwei Glasseiten 110, nämlich Glaswafer, auf. Ferner umfasst die Dampfzelle 100 einen Siliziumbereich 102, insbesondere Siliziumwafer. Eingeschlossen ist ein Innenraum 103 der Dampfzelle 100, der mit atomarem Gas gefüllt ist.
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Auf der oberen Glasseite 110 in 3 ist ein erstes Prisma 301 positioniert. Auf den der Glasseite 110 abgewandten Kantenflächen des ersten Prismas 301 sind zwei Ferrulen 205 befestigt, die als Halterung für jeweils eine GRIN-Linse 200 und eine Einkoppelfaser 210, und zwar eine Einkoppelfaser 201 zum Einkoppeln von Laserlicht 206 des Pumplasers 401 und eine Einkoppelfaser 202 zum Einkoppeln von Laserlicht 207 des Probelasers 402, dient. Dabei kollimiert die GRIN-Linse 200 jeweils das aus der Einkoppelfaser austretende Laserlicht.
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Hinsichtlich des Laserlichts 206 des Pumplasers 401 ist eine Verzögerungsplatte 302 zwischen GRIN-Linse 200 und dem ersten Prisma 301 angeordnet, sodass zirkular polarisiertes Laserlicht erzeugt wird und über das erste Prisma 301 in den Innenraum 103 der Dampfzelle 100 geleitet wird. Analog wird mittels der GRIN-Linse 200 das aus der Einkoppelfaser 202 austretende linear polarisierte Laserlicht 207 des Probelasers 402 kollimiert und über das erste Prisma 301 in den Innenraum 103 geleitet. Das Laserlicht 407 des Probelasers 402 passiert den Innenraum 103 und verlässt diesen über ein zweites Prisma 303. Es wird über eine GRIN-Linse 200 aufgesammelt und in eine Auskoppelfaser 211, und zwar die Auskoppelfaser 204 zum Auskoppeln des Laserlichts 207 des Probelasers 402 geleitet. Das Probelicht 207 durchquert die Dampfzelle in einem 90° Winkel zum Laserlicht 206 des Pumplasers 401 und wird von einer GRIN-Linse 200 einer weiteren Auskoppelfaser 211, und zwar der Auskoppelfaser 204 ausgekoppelt. Über die entsprechende Auskoppelfaser 204 kann das Laserlicht 207 des Probelasers 402 aus der magnetischen Abschirmung 101 einem Fotodetektor zugeführt werden. Beide GRIN-Linsen 200 und die Auskoppelfasern 211 sind in einer Ferrule 205 gefasst und an dem zweiten Prisma 303 angeordnet.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Gyroskops 500, das analog zu dem Gyroskop der 3 ausgebildet ist, bis auf den folgenden Unterschied: Das Laserlicht 208 eines Heizlasers 403 wird auf den Siliziumbereich 102 der Dampfzelle 100 gerichtet. Auf diese Weise wird der Siliziumbereich 102, der das Laserlicht 208 absorbiert, erwärmt, was wiederum die Dampfzelle 100 erwärmt. Das Laserlicht 208 wird über eine Einkoppelfaser 210, und zwar über die Einkoppelfaser 209 für das Laserlicht 208 des Heizlasers 403, die in eine Ferrule 205 gefasst ist, kollimiert.
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5 zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Gyroskops 500 nach der 4, wobei im Detail die Dampfzelle 100 und das erste Prisma 301 zu sehen sind, wobei auf den Kantenflächen des ersten Prismas 301 jeweils eine GRIN-Linse 200 mit entsprechenden Einkoppelfasern 210, hier den Einkoppelfasern 201 und 202 zum Einkoppeln des Laserlichts des Pumplasers 401 beziehungsweise des Probelasers 402, befestigt ist. Ferner ist die Verzögerungsplatte 302 zu sehen, die zwischen dem ersten Prisma 301 und der GRIN-Linse 200 angeordnet ist, die das Laserlicht 206 aus der Einkoppelfaser 201 des Pumplasers 401 kollimiert. Seitlich auf der Oberseite der Dampfzelle 100 ist eine weitere GRIN-Linse 200 mit Einkoppelfaser 210, und zwar der Einkoppelfaser 209, zu sehen, über die das Licht des Heizlasers 403 geführt wird und über den Siliziumbereich 102 die Dampfzelle 100 erwärmt.
