DE1804262C - Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge - Google Patents
Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und WasserfahrzeugeInfo
- Publication number
- DE1804262C DE1804262C DE1804262C DE 1804262 C DE1804262 C DE 1804262C DE 1804262 C DE1804262 C DE 1804262C
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- mirror
- laser
- cylinder
- speed meter
- quartz
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und
Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten.
Es sind schon Anordnungen zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten bekanntgeworden, und
zwar durch Messung der Phasendifferenz zwischen einem mit und einem entgegen der Rotation umlaufenden
Lichtstrahl. Diese Anordnungen erfordern einen viel zu großen Platzbedarf, um wirtschaftlich
überhaupt verwertet werden zu können.
Eine andere bekannte Anordnung zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten beruht auf dem Verfahren
zur Messung der Frequenzverschiebung zwischen einem mit und einem entgegen der Rotation
umlaufenden Lichtstrahl in einem optischen Resonanzkasten. Diese Anordnung bereitet Schwierigkeiten
bei der Messung kleiner Drehgeschwindigkeiten durch Kopplung beider Frequenzen unterhalb
einer relativ hohen Schwelle.
Weitere Anordnungen sind bekanntgeworden, bei denen die Empfindlichkeit eines Sagnac-Interferometers
durch mehrfachen Umlauf mittels Lucite-Röhren bzw. durch Lichtleitfasern erzielt wird. Diese
Anordnungen weisen gegenüber den vorgenannten Anordnungen wesentliche Vorteile auf, besitzen
jedoch für die Zwecke der Luft- und Raumfahrt zur Zeit noch zu h.->he Absorptionsverluste.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung zur Messung kleiner
Winkelgeschwindigkeiten zu Navigationszwecken bei Luft-, Raum- und Wasserfahrzeugen zu schaffen,
welche absolut unabhängig von der Gravitation und weitgehend wärmeunempfindlich ist. Diese Aufgabe
wird dadurch gelöst, daß um eine lagemäßig einstellbare kohärente Lichtquelle in einem bestimmten
Abstand ein Zylinder- oder Toroidspiegel angeordnet ist, und vor dem Auslaßfenster zum Interferometer
je ein Prisma zur Auslenkung beider Lichtstrahlen nach vorbestimmtem Umlauf und je ein schwenkbarer
Hohlspiegel gelagert ist. Durch diese Anordnung und diese Maßnahmen ist ein Instrument
geschaffen, bei dem der mehrfache Lichtumlauf durch vielfache Reflexion erzeugt wird, wobei jedoch der
Reflexionswinkel des einfallenden Strahls α = 45 +λ
ist, die umlaufende Fläche also bei jedem Umlauf um den vorzugebenden Winkel γ gedreht wird und
nach einer bestimmten Umlaufzahl k nur der A-fach
umgelaufeneStrahlindasInterferomcteraustretenkann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Zylinderoder Toroidspiegel auf einer Quarzkreisscheibe aufgebracht
ist und diese Scheibe vakuumdicht so /wischen zwei Scheiben aus Material mit kleinstem
thermischem Ausdehnungskoeffizienten oder Quar/-scheibcn
angeordnet ist. daß ein evakuierbarer Hohlraum gebildet wird. Durch diese Maßnahmen wird
einmal die natürliche Streuung des zur Verwendung kommenden kohärenten Lichtbündels kompensiert
und zum anderen eine Anordnung geschaffen, die weitestgehend wärmeunempfindlich ist.
In einer speziellen Ausfuhrungsform wird vorgeschlagen, daß als kohärente Lichtquelle ein Laser
in einer Quarzscheibe von bestimmter Stärke eingebettet ist, welche mittels eines Feintriebes drehbar
gelagert ist. Auch diese Maßnahmen dienen der Wärmeunempfindlichkeit des Gerätes sowie der Bin*
«teilung und Variierung des Einfallwinkels des Laser-
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
wird vorgeschlagen, daß gegenüber der Austritts-
öffnung des Lasers ein vakuumdjehter Raum im
Träger des Zylinder- oder Toroidspiegels gebildet
ist, der das Prisma bzw. die Prismen und den bzw.
die schwenkbaren teildurchlässigen Spiegel aufnimmt.
Diese Maßnahme erlaubt eine platzsparende und
gedrungene Bauweise des Instrumentes.
Ferner wird vorgeschlagen, daß zur Auslenkung
ίο des Strahles nach bestimmten Umlauf an definierter
Stelle des Zylinder- oder Toroidspiegels eine Facette oder ein Auslenkspiegei angeordnet ist und außerdem
der Hohlspiegel so ausgebildet und angeordnet ist, daß der austretende divergierende Laserstrahl bei /
fokussiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben, wobei immer nur einer
der beiden umlaufenden Lichtstrahlen berücksichtigt ist. Es zeigt
F i g. I eine schematische Darstellung im Schnitt, entlang der Linie I-I gemäß Fig. 2,
F i g. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt, entlang der Linie H-II gemäß Fig. 1,
F i g. 3 einf schematische Darstellung eines
F i g. 3 einf schematische Darstellung eines
Strahlenverlaufs in einem Zylinderspiegel.
In einem Zylinderspiegel mit einem bestimmten Radius wird ein Lichtstrahl, der unter einem Winkel
n gleich 45' einfallt, gemäß den Reflexionsgesetzen so reflektiert, daß die Strecken α zwischen
den einzelnen Reflexionspunkten gleich sind. Ebenfalls sind gleich die Dreiecke, die aus zwei Reflexionspunkten {AB, BC, CD, DA) und dem Mittelpunkt Λί
des Kreises, der sich aus dem Zylinderquerschnitt ergibt, gebildet werden. Der reflektierte Strahl eines
Umlaufs mündet also genau beim Strahleingangspunkt A. Wird nun der Ek'aHwinkel η um einen
Betrag Λ größer als 45" gewählt, so ändert sich die
Lage der Reflexionspunkte in B', C" usw. Der Zentriwinkel jedes Dreiecks AMB', B'MC usw. beträgt
hierbei 90°-2Λ. Auch in diesem Falle sind alle
Winkel u gleich und damit auch alle Dreiecke. Im ersten Umlauf erreicht der Strahl A\ und es bleibt
eine Restdreiecksfläche AMA' übrig. Der Zentriwinkel dieses Dreiecks aber beträgt 8 Λ und ist
bestimmbar durch die Genauigkeit der Einstellung des Winkels «. Nun ergibt sich nach /c-fachem Umlauf
aber ein Winkel im Dreieck AMA' von
/i y = ΜΛ (I)
Die vom Strahl umlaufene Fläche F ist
/1 ■ a
■»
■»
da
und
- R cos n
(cos 11 - sin «J <« I .
das Interferometer, wo es mit einem entsprechenden
fahren* ergibt sich dann
mu' · R sin 1/
<\iiiii' R sin ti
Tür zwei entgegengesetzt umlaufende Lichtstrahlen
oder, Uu
-y = R · cos u ,
2 in R1 cos u · sin «
ι ζ - „
ι ζ - „
lic
4 πι R2 cos a · sin u
η (4)
Rir zwei' entgegengesetzt umlaufende Lichtstrahlen,
wobei
= Winkelgeschwindigkeit,
= Wellenlänge des Laserlichts,
= Lichtgeschwindigkeit,
= Anzahl der Reflexionen = 4 k.
Nun läßt sich der Winkel ;- auch bestimmen nach dem Verfahren der Kompensation der natürlichen
Strahldivergenz eines Laserstrahls. Ein Laserstrahl hat die natürliche Divergenz f, die bei etwa 0,057
liegt. Diese Divergenz würde ganz allgemein zur fortlaufenden Strahlaufweitung führen, wenn statt
Λ der Wert Λ' = ή ± ^ in Gleichung (I) eingesetzt
würde.
Es ergibt sich dann:
= k-γ ±ik-
(5)
Circh Kompensationslinsen könnte der Versuch
unternommen werden, diese Divergenz von der Größe 4 kf zu beseitigen.
Nach der Erfindung wird hierzu der Zylinderspiegel 10 selbst ausgenutzt. Sorgt nan durch Linsen
oder durch Ausbildung des Zylinderspiegels 10 als Toroidspiegel dafür, dab das Licht vcm Punkt /
divergiert — wobei der Divergenzwinkel t sei — so
wird der divergierende Lichtstrahl a' die Fläche B'" B" beleuchten. Ist / genau der Schnittpunkt der
Winkelhalbierenden des Winkels AMB' mit der Seitenlänge a' des Dreiecks AB1M, so sind alle Dreiecke
B'C'M, B'" C" M und B" C" M deckungsgleich und um den Winkel Λ' ^ Λ zueinander verdTeh..
Entsprechend den Reflexionsgesetzen bleibt dieses Verhältnis bei beliebigem k erhalten, d. h., die endgültige
Divergenz nach fc-Umläufen ist die ursprüngliche.
Bei sehr kleinem Winkel Λ kann man außerdem annehmen, daß alle im obigen Sinne definierten
Punkte /', F" und C" bei f zusammenfallen.
Eine Divergenz in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 3 IUOt sich wie folgt eliminieren.
Bezeichnet man den Schnittpunkt der Sirecke / /' mit dem Radius R = MB' mit S4 so erhält man den
Radius r dsr Toroidspiegel fläche aus der Bedingung, daß alle von f ausgehende Strahlen nach /' reflektiert werden, wie folgt:
da der Winkel bet B' deflnitionsgemüQ « = 45- + λ.
und der Winkel bei
ist der Winkel bei S =
/ = 45 -S,
/ = 45 -S,
Für jede Abweichung r' < t gilt nun das gleiche,
es bleibt daher, wählt man r als den Toroidradius gemäß Gleichung (6), jede Abweichung unverändert.
Insbesondere bleiben jegliche Lichtwege -konstant, da keine Längendivergenz mit der Anzahl k der Umläufe
auftritt. Die einzige Phasendifferenz, die aus dem Weglängenunterschied
der Strecken / B" ;> % ^ / B"'
entsteht, bleibt also auch nach k Umläufen erhalten und kann vor dem Interferometer beispielsweise
durch geeignete Glaskeile kompensiert werden. Voraussetzung hierfür ist eine möglichst genaue Spiegelflächenherstellung.
Reflexionsverluste können bei dem heutigen Stand der Technik so klein gehalten werden, daß eine große
Umlaufzahl k erreicht werden kann. Nachfolgend ist nun eine Anordnung gocnäß F i g. 2, 3 beschrieben,
ίο bei der die Streuverluste bei k-facher Umlenkung
des Lichtstrahls durch die fokussierenden Eigenschaften des Toroidspiegels besonders klein gehalten
werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel befindet sich die ver-
spiegelte Toroidfläche 10 auf einem scheibenförmigen Quarzring 11, der zwischen zwei Quarz- oder Invarscheiben
12, 13 vakuumdicht angeordnet ist. Die Laseranordnung 20 ist ebenfalls in einer Quarzscheibe
30 eingebettet, und zwar dergestalt, daß sie mittels eines Feintriebes 40 gegebenenfalls samt der
Quarzscheibe 30 verschwenkbar gelagert ist. Es kann sich beispielsweise um einen sogenannten Gaslaser
handeln, an dessen beiden Enden durchlässige Spiegel 41, 42 angeordnet sind. Dem Laserausgang 43
gegenüber befindet sich ein Strahlteiler, bestehend aus einem teildurchlässigen Spiegel 44 und einem
undurchlässigen Spiegel 45, sowie ein vakuumdichter Raum 14, der in den Vakuumraum 15 zwischen der
Quarzscheibe 30 und der Toroidfläche 10 des Quarzringes 11 übergeht. In diesem Raum 14 sind zwei
schwenkbar gelagerte Spiegel 50 — vorzugsweise Hohlspiegel - angeordnet, die die austretenden
Laserstrahlen zum Umlauf auf die Toroidspiegelfläche 10 umlenken. In einem bestimmten Abstand
von den Hohlspiegeln 50 sind Prismen 51 angeordnet, die je einer Facette 53 in dem Toroidspiegel 10 zugeordnet
sind und die fc-fach umlaufenen Laserstrahlen auf ein Interferometer 60 ablenken. Der
Vakuumraum 14 wird an seinem Ausgang zum Interferometer 60 durch eine planparallele Platte 54 abgeschlossen.
Die Facetten 53 in der Toroidspiegelfliiehe
10 sind kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reflexionspunkte. jedoch größer
als der Strahlqucrschnitt Diese Facetten sind an den
Punkl-n angeordnet, die die letzten Reflexionspunkte
der 1 aserstrahlen vor dem Austritt sind
Das erfindungsgemäb- Gerät wird zur optischen
Drehgeschwindigkeitsmessung fur Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge wie folgt angeordnet: Drei der
Toroidspiegel werden im Fahrzeug wie bekannt in drei zueinander senkrechten Ebenen (bzw. Achsen)
angeordnet. Die durch Drehung um diese Achsen entstehende Phasenverschiebung in den drei Inter«
ferometern wird durch geeignete Empfänger (Foto-
<>$ vervielfacher o. ii.) abgenommen, verstärkt und integriert. Die Drehwinkel werden als Zeitfunktion dem
Navigationsrechner zugeführt, der aus diesen Werten sowie aus den auch hierbei notwendigen anderen
gmcssungcn den Kahrzeujtort berechnet. Hierbei
d die Toroidspicgelanordnung wie eine Träghcitsitrorm benutzt.
Claims (7)
1. Lichtoptischcr Drchgcsehwindigkcitsmcsscr
für Luft-. Raum- und Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten durch Interferenz eines mit und eines gegen die Drehrichtung
umlaufenden Lichtstrahles einer kohärenten Licht- to quelle, dadurch gekennzeichnet, da 1.1
um eine lagcmäßig einstellbare kohärente Lichtquelle (20) in einem bestimmten Abstund ein
Zylinder- oder 1*oroids|piegel (10) angeordnet ist und vor dem Auslaßfenster (54) zum Interferomcter (60) je ein Prisma (51) zur Auslenkung
beider Lichtstrahlen nach vorbestimmtem Umlauf und je ein schwenkbarer Hohlspiegel (50)
gelagert ist.
2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß als kohärente Lichtquelle (20) ein Laser verwendet wird.
3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, da 13
der Zylinder- oder Toroidspiegcl (10) auf einer Quarzkreisscheibe(II) aufgebracht ist und diese
Scheibe (II) vakuum^ t so zwischen zwei Schei ben aus Material mit kleinst' thermischem Ausdehnungskoeffizienten
oder Quarzscheiben (12.13; angeordnet ist. daß ein evakuierbarer Hohlraum
(15) gebildet wird.
4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dci
Laser (20) in einer Quarzscheibe (30) von bestimmter Stärke eingebettet ist und mittels eine«
Kcinlriebcs (40) drehbar gelagert ist.
5. Drchgcschwindiglceitsmcsscr nach den Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß
gegenüber der Austriltsöffnung (43) des Lasers (20 ein vakuumdichter Raum (14) im Träger (II) de«
Zylinder- oder Toroidspiegels (10) gebildet ist. dci die Prismen (51) und die schwenkbaren Spiegel
(50) aufnimmt.
6. Drchgcschwindigkeitsmcsser nach einem odei
mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung der Strahlen nach
bestimmtem Umlauf an definierter Stelle de« Zylinder- oder Toroidspiegels (10) je eine l'aceltt
(53) oder ein entsprechender Auslenkspiegel angeordnet ist.
7. Drchgcschwindigkcitsmesser nach einem odei mehreren der vorangegangenen Ansprüche I bis 6
dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlspiegel (50
so ausgebildet und angeordnet sind, daß der austretende
divergierende Laserstrahl in einem Punkt / (55) fokussiert wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60207586T2 (de) | Verfahren und vorrichtung zum polieren der oberfläche eines werkstückes | |
DE3131335C2 (de) | Vorrichtung zur Fernbestimmung eines Stellungsparameters eines Körpers im Raum | |
DE102010004824B4 (de) | V-Block Messvorrichtung zur Bestimmung optischer Materialkonstanten und Verfahren zur Bestimmung optischer Materialkonstanten mittels einer V-Block-Messvorrichtung | |
DE4434822C1 (de) | Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Abständen zu reflektierenden Grenzflächen oder Abstandsdifferenzen dazwischen, insbesondere zur Bestimmung der Dicke von Meßobjekten aus transparentem Material | |
DE69924282T2 (de) | Messen der lichten weite zwischen den flächen einer va flüssigkristallplatte mit einem geneigten winkel | |
DE1804262C (de) | Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge | |
DE3737426C2 (de) | Interferometer | |
DE2410897A1 (de) | Vorrichtung zum kompensieren von optischen beobachtungsinstrumenten, insbesondere von nivellierinstrumenten | |
DE2813483C2 (de) | ||
DE1804262A1 (de) | Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser fuer Luft-,Raum- und Wasserfahrzeuge | |
DE1108066B (de) | Mit dem Objektiv einer photographischen Kamera verbundene Suchereinrichtung | |
DE3808779A1 (de) | Laserinterferometrie-messvorrichtung | |
DE102019118825A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines halbfertigen Prismas | |
DE69207686T2 (de) | Geometrie-Messung der Beschichtungen von optischen Fasern | |
DE617674C (de) | Vorrichtung zum Messen von Laengen mittels Interferenzerscheinungen unter Anwendung weissen Lichtes | |
DE1295239B (de) | Spannungsoptische Messeinrichtung | |
DE3740614C1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur beruehrungsfreien Messung mechanischer Spannungen an schnell bewegten Objekten mit kristalliner Struktur | |
DE19714602A1 (de) | Interferentielle Winkelmeßeinrichtung | |
EP0071007B1 (de) | Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser | |
DE2024787C3 (de) | Nivellierinstrument mit selbsttätig horizontierender Ziellinie | |
DE4329102C2 (de) | Vorrichtung zum Messen der Dichteänderung von Gasen | |
DE2735655C2 (de) | Koinzidenzentfernungsmesser mit zur Meßbasis geneigten optischen Achsen | |
DE1172059B (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften von Oberflaechenschichten lichtdurchlaessiger Werkstoffe | |
DE906779C (de) | Vorrichtung zur Kontrolle der Einstellung der Schaerfe in optischen Apparaten, beispielsweise in Tonfilmapparaten | |
AT152087B (de) | Photographische Kamera mit einem Basisentfernungsmesser. |