DE1253468B - Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu einem Reflektor - Google Patents

Description

DEUTSCHES 'MTTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

GOls

DeutscheKl.: 42 c-18

Nummer: 1253 468

Aktenzeichen: N 20562 IX b/42 c

1 253 468 Anmeldetag: 18.September 1961

Auslegetag: 2. November 1967

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu einem Reflektor, mit einer Lichtquelle, einem Polarisationsfilter und einem doppeltbrechenden Kristall zur Erzeugung eines elliptisch polarisierten Lichtstrahls, der durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes am Kristall periodisch moduliert wird, mit einem im reflektierten Lichtstrahl liegenden Phasenschieber und einem diesem Phasenschieber nachgeschalteten Analysator.

Vorrichtungen dieser Art, die auch zur Bestimmung der Entfernung zu einem Reflektor benutzt werden können, wenngleich sie in erster Linie zur Messung der Lichtgeschwindigkeit bestimmt sind, sind an sich bekannt. Eine bekannte Vorrichtung umfaßt eine Lichtquelle, ein Nicoisches Prisma, eine Kerr-Zelle, einen Lichtreflektor und eine weitere relativ zur ersten gekreuzte Kerr-Zelle, ein zweites relativ zum ersten gekreuztes Nicoisches Prisma und einen Analysator.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Ver- ao wendung eines einzigen Kristalls vorgeschlagen, in dem sich durch das anliegende elektrische Wechselfeld eine stehende Welle ausbildet; dieser Kristall besorgt die periodische Modulation und die Phasenschiebung und tritt demgemäß an die Stelle beider Kerr-Zellen bei der vorbekannten Anordnung. Der Ersatz bedeutet eine Einsparung und damit einen Vorteil.

Die Polarisationsverhältnisse sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung andere als bei der vorbekannten, während nämlich bei der erfindungsgemäßen Anordnung elliptisch polarisiertes Licht erzeugt wird, dessen Rotationsrichtung periodisch geändert wird, ergibt sich bei der vorbekannten Versuchsanordnung zwar auch elliptisch polarisiertes Licht, das aber in seiner elliptischen Konfiguration periodisch geändert wird.

Die Messung kann nach einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung zweier Analysatoren im Strahlenweg von durch benachbarte Wellenbäuche gehenden reflektierten Lichtstrahlen und eines diesen Analysatoren nachgeschaltenden vergleichenden Meßgeräts erfolgen.

Die Erzeugung der stehenden Welle am Kristall kann in der Weise geschehen, daß der Kristall in einem als Resonator dienenden Hohlraum untergebracht ist, daß dieser Hohlraum in einem Gehäuse vorgesehen ist, welches im Bereich des Kristalls mit Schlitzen für den Durchgang der Lichtstrahlen versehen ist, und daß der Hohlraum über einen Wellenleiter an ein gepulstes Magnetron angeschlossen ist.

Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu
einem Reflektor

Anmelder:

National Research Development Corporation,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Keith Davy Ffoome,

Robert Howard Bradsell,

Teddington, Middlesex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 22. September 1960 (32 675)

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Die Zeichnung stellt einen Apparat zur Bestimmung der Stellung einer reflektierenden Oberfläche dar und umfaßt einen doppeltbrechenden Kristall 10, z. B. aus Ammoniumdihydrophosphat oder Kaliumdihydrophosphat. Der Kristall 10 ist im Resonanzhohlraum 11 eines Gehäuses 12 untergebracht, welches Schlitze 13,14 besitzt.

Ein Hochspannungs-Impulsgenerator 15 regelt den synchronisierten Pulsbetrieb einer Lichtquelle, wie beispielsweise eine Zenonblitzröhre 16 und eines Pulsmagnetrons 17, wobei die Mikrowellenfrequenz während jedes Impulses durch einen Frequenzmesser gemessen wird. Das Magnetron 17, welches zum Betrieb bei 9 300 MHz ausgelegt sein kann, kann beispielsweise Mikrosekundenimpulse mit einer Leistung von etwa 7 kW bei einer Wiederholungsfrequenz von 50 Hz liefern. Das Magnetron 17 ist mit dem Gehäuse 11 durch einen Wellenleiter 20 verbunden.

Das Licht der Blitzröhre 16 wird durch eine Linse gesammelt und geht durch die öffnung 22 einer Membran 23, um einen engen Strahl 24 zu bilden. Der

709 683/S5

enge Strahl 24 geht dann durch einen Polarisator 25, welcher beispielsweise aus einem Blatt des unter dem Handelsnamen »Polaroid« bekannten Materials bestehen kann.

Der Polarisator 25 ist so angeordnet, daß er das Licht des Strahls 24 in einer zur x- oder y-Achse des Kristalls 10 parallelen Ebene polarisiert, und dieses so polarisierte Licht wird durch den Schlitz 13 so übertragen, daß es durch den Kristall 10 parallel zu dessen z-Achse durchgeht. to

Das Magnetron 17 erzeugt im Hohlraum 11 ein elektrisches Mikrowellen-Wechselfeld, dessen Richtung ebenfalls parallel zur z-Achse des Kristalls 10 liegt, und der Strahl 24 geht durch einen Wellenbauch 26 (d. h. eine Zone maximaler Feldintensität) des elektrischen Mikrowellenfelds hindurch.

Der Kristall 10 ist so gewählt, daß er bei der oben beschriebenen Anordnung einen elliptisch polarisierten Lichtstrahl 27 erzeugt, der durch den Schlitz 14 auf einen entfernten Planspiegel 28 geleitet wird. Die ao elliptische Polarisation des Lichtstrahls 27 erfolgt nach Maßgabe der augenblicklichen Stärke des durch das Magnetron 17 auf den Kristall 10 einwirkenden elektrischen Wechselfelds. DerWechsel dieses elektrischen Felds bewirkt die zyklische Modulation der Polarisa- as tion des Lichtstrahls 27, der sukzessiverweise planpolarisiert, in einer Richtung elliptisch polarisiert, wieder planpolarisiert und dann in der andern Richtung elliptisch polarisiert wird usw. Es ist zu bemerken, daß die Frequenz dieser zyklischen Modulation dieselbe ist wie die Mikrowellenfrequenz während jedes Impulses und daher durch den Frequenzmesser 18 angezeigt wird.

Der Lichtstrahl 27 wird von der reflektierenden Fläche 30 des Spiegels 28 als Lichtstrahl 31 zurückgestrahlt. Der Lichtstrahl 31 geht durch den Schlitz 14 und von hier durch den Kristall 10, parallel zu dessen z-Achse, und tritt durch den Schlitz 13 als Lichtstrahl 32 aus. Beim Durchgang durch den Kristall 10 geht der Lichtstrahl 31 durch einen Wellenbauch 33 des elektrischen Mikrowellenfelds, wobei die Wellenbäuche 26, 33 unmittelbar nebeneinanderliegen. Es ist zu bemerken, daß infolge des Durchgangs durch den Kristall 10 die elliptische Polarisation des Lichts durch das elektrische Wechselfeld entweder vergrößert oder aufgehoben wird.

Der Lichtstrahl 32 wird durch einen Spiegel 34 reflektiert und geht über einen Analysator 35 zu einem Detektor 36, welcher aus einer Photozelle oder aus dem Auge bestehen kann. Der Analysator 35, der ebenfalls ein »Polaroid«-Blatt oder ein Nicoisches Prisma sein kann, ist gegenüber der Polarisationsebene des durch den Polarisator 25 polarisierten Lichts gekreuzt.

Beim Betrieb ist der Kristall 10 in einer bekannten Stellung aufgestellt. Die Entfernung zwischen dem Kristall 10 und der reflektierenden Fläche 30 wird dann durch ein geeignetes Verfahren und mit einer Genauigkeit innerhalb einer Viertelwellenlänge der Modulationsfrequenz (z. B. weniger als 8 mm) bestimmt. Der Spiegel 28 wird nun langsam gegen oder vom Kristall 10 bewegt, wobei das Licht des Sirahls 32 zwischen dem elliptisch polarisierten und dem planpolarisierten Zustand zyklisch schwanken wird und sich diese Schwankung wiederholt, wenn der Spiegel um einen der Halbwellenlänge der Modulation gleichenden Betrag verschoben wird. Das planpolarisierte Licht wird jedoch nicht durch den

Analysator 35 übertragen, so daß der Detektor 36 nur die Komponente des elliptisch polarisierten Lichts empfängt, welche in der Polarisierungsebene des Analysators liegt. Die Intensität dieser Komponente des elliptisch polarisierten Lichts schwankt daher zyklisch mit der Bewegung des Spiegels 28.

Wenn daher der Spiegel 28 bewegt wird, bis die Intensität des den Detektor 36 erreichenden Lichts ein Minimum erreicht, welches scharf begrenzt ist, ist die Stellung des Spiegels 28 genau bekannt, da er um eine ganze Zahl von Halbwellenlängen vom Kristall 10 entfernt ist. Die Größe dieser Wellenlänge läßt sich natürlich durch Division der Lichtgeschwindigkeit durch die vom Frequenzmesser 18 gemessene Modulationsfrequenz berechnen. Wenn daher ein Mikrometer od. dgl. benutzt wird, um die Entfernung zu messen, durch welche der Spiegel 28 bewegt wurde, um dieses Minimum zu erhalten, kann eine genaue Messung der Entfernung zwischen dem Spiegel 28 und dem Kristall 10 vorgenommen werden.

Diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Messung von Entfernungen im Bereich von 10 bis zu 300 m, läßt sich jedoch für Entfernungen außerhalb dieses Bereichs anwenden, wenn geeignete Modulationsfrequenzen gewählt werden.

Wenn beispielsweise zwei oder mehr Modulationsfrequenzen abwechselnd benutzt werden, die voneinander nur um einige wenige Prozent abweichen, muß die ursprüngliche Entfernung des Kristalls 10 vom Spiegel nur ungefähr bekannt sein. Dies ist darauf zurückzuführen, daß nur in sehr wenigen Stellungen der ganze Aufbau der gemessenen Spiegelstellungen (entsprechend jeder Modulationsfrequenz) zur beispielsweise nächsten Stellung für ein Detektorminimum wiederholt wird.

Wenn die SpiegeIsteIlung nicht geändert werden soll, kann die Länge des Strahls 27 vom Kristall 10 zum Spiegel 28 geändert werden, indem in den Weg des Strahls eine Anordnung, z. B. ein Prisma od. dgl., eingeschaltet wird, welches bewegt werden kann, um. die Länge zu ändern. Alternativ kann diese Anordnung auch in den reflektierten Strahl 31 eingeschaltet werden.

Eine alternative Methode zur Bestimmung der Stellung des Spiegels 28 ist durch gestrichelte Linien in der Zeichnung dargestellt. In diesem Verfahren wird ein Teil des vom Spiegel 28 rückgestrahlten Lichts als Strahl 37 reflektiert, welcher zum Strahl 31 parallel liegt und durch einen Wellenbauch 38 des elektrischen Mikrowellenfelds durchgeht, der unmittelbar neben dem Wellenbauch 33 liegt. Der Strahl 37 wird dann durch einen Spiegel 40 und einen Analysator 41 auf einen photoelektrischen Detektor 42 gelenkt.

Da die Richtung des elektrischen Mikrowellenfelds zwischen benachbarten Wellenbäuchen umgekehrt ist, wird die zyklische Schwankung der die Detektoren 36,42 erreichenden Lichtintensität in Gegenphase sein. Das bedeutet, daß bei der Bewegung des Spiegels 28 die Intensität des auf den Detektor 36 auffallenden Lichts steigen wird, wenn die des dem Detektor 42 zugeleiteten Lichts fällt, und umgekehrt.

Wenn daher der Detektor 36 ein photoelektrischer Detektor ist und die Ausgänge von den Detektoren 36,42 einem Differenzialverstärker 43 zugeführt werden, welcher mit einem Anzeiger 44 verbunden ist, wird dieser Anzeiger 44 anzeigen, wenn die Ausgänge im Gleichgewicht sind. Diese Gleichgewichts-

Claims (3)

punkte haben Intervalle von einem Viertel der Modulationswellenlänge, wobei vorzugsweise jedoch nur jeder zweite solche Gleichgewichtspunkt zu Messungen herangezogen wird. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu einem Reflektor, mit einer Lichtquelle, einem Polarisationsfilter und einem doppeltbrechenden Kristall zur Erzeugung eines elliptisch polarisierten Lichtstrahls, der durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes am Kristall periodisch moduliert wird, mit einem im reflektierten Lichtstrahl liegenden Phasenschieber und einem diesem Phasenschieber nachgeschalteten Analysator, gekennzeichnet durch die Verwendung eines einzigen Kristalls (10), in dem sich durch das anliegende elektrische Wechselfeld eine stehende Welle ausbildet, zur periodi- ao sehen Modulation und zur Phasenverschiebung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zweier Analysatoren

(35,41) im Strahlenweg von durch benachbarte Wellenbäuche gehenden reflektierten Lichtstrahlen (31 bzw. 37) und ein diesen Analysatoren nachgeschaltetes vergleichendes Meßgerät (36, 42,43, 44).

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall

(10) in einem als Resonator dienenden Hohlraum

(11) untergebracht ist, daß dieser Hohlraum (11) in einem Gehäuse (12) vorgesehen ist, welches im Bereich des KristalIs(IO) mit Schlitzen (13,14) für den Durchgang der Lichtstrahlen versehen ist, und daß der Hohlraum (11) über einen Wellenleiter (20) an ein gepulstes Magnetron (17) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Annalen der Physik, 5. Folge, Bd. 2 (1929), S. 285 bis 312;

Physikalische Zeitschrift, Bd. 37 (1936), S. 562 bis 565;

Särtryck ur Svensk Landmäteritidskrift, 1954, S. 213 bis 223.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 680/86 10. 67 © Bundesdruckerei Berlin