DE2058418A1

DE2058418A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Schnitt eines Strahlungsbuendels

Info

Publication number: DE2058418A1
Application number: DE19702058418
Authority: DE
Inventors: Rene Dandliker; Lang Hendrik De
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1970-11-27
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL6918301A; FR2074966A5; SE369970B; DE2058418B2; CA924895A; JPS5124261B1; GB1335197A; CH532795A; BE759837A; DE2058418C3

Description

"Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Schnitt eines Strahlungsbündels".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Schnitt eines elektromagnetischen Strahlungsbündels.

Bei einer bekannten Vorrichtung der obenerwähnten Art, die in "Applied Optics", 7, 2315 - 2317 beschrieben ist, wird die Interferenz von Lichtstrahlen benutzt. Der über die erste Seitenfläche in ein Kösters-Prisma eintretende Lichtstrahl wird an dem T#ilspiegel im Prisma in zwei Komponenten aufgespaltet,

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die beide über eine zweite Seitenfläche aus dem Prisma heraustreten. Die Teilstrahlen werden an zwei Flächen eines sogenannten Porro-Prismas reflektiert, treten wieder über die zweite Seitenfläche in das Kösters-Prisma ein, vereinigen sich im Prisma und treten über eine dritte Seitenfläche aus dem Prisma heraus. Die Teilstrahlen weisen beim Heraustreten einen Weglängenunterschied auf, der dem Einfallswinkel des Strahles auf die erste Seitenfläche und dem Abstand der Symmetrieachse des Porro-Prismas von der Fläche des Teilspiegels im Kösters-Prisma proportional ist. Dieser Abatand und somit die Lage im Strahl kann genau aus dem Weglängenunterschied ermittelt werden.

Die bekannte Vorrichtung hat einige grundsätzliche Nachteile. Erstens kann die Phase im Interferenzmuster nur gemessen werden, wann die Abmessungen des Detektionssystems quer zu der Richtung des austretenden Strahles der gleichen Grössenordnung wie die Periode des Interferenzmusters sind.

Zweitens ist es zur Bestimmung der Phase erforderlich, dass Intensitätssignale miteinander verglochen werden. Diese Signale sind namentlich bei grossen Abständen von der Strahlungsquelle Schwankungen ausgesetzt die infolge von Inhomogenitäten des durchlaufenen Mediums auftreten. Durch diese Schwankungen wird die Bestimmung der Phase erschwert.

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Drittens ist nicht angegeben, mit welchen Mitteln die Detektion der Phase stattfindet.

Die Erfindung bezweckt, die der bekannten Vorrichtung anhaftenden Nachteile zu vermeiden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbündel von mindestens zwei virtuellen oder reellen örtlich getrennten kohärenten Strahlungsquellen erzeugt wird, die zueinander senkrecht polarisiert sind und einen zeitab- ^ hängigen komplexen Amplitudeunterschied aufweisen, wobei an der Stelle des Gegenstandes ein polarisationsempfindliches Detektionssystem angebracht ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Polarisationszustand eines Lichtstrahls durch Schwankungen im Medium nicht oder nahezu nicht beeinflusst wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungs- %

form einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 ein Detail der Vorrichtung nach Fig.

Figuren 3» h und 5 mathematische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 6 einen Teil der Vorrichtung, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist,

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2 O 5 8 A 1 8

Fig. 7 eine zweite Ausfuhrungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 9 Einzelheiten der Vorrichtung nach

Fig. 7,

Fig. 9 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 10 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 11 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 7»

Fig. 12 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 7>

Fig. 13 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 14 eine mathematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 13,

Fig. 15 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 16 eine mathematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 15,

und Figuren 17 und 18 weitere Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 tritt linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich

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mit einer Winkelgeschwindigkeit Cl dreht, aus der Lichtquelle 1 aus. Die Lichtquelle 1 kann z.B. aus der Reihenschaltung einer linear polarisiertes Licht emittierenden Lichtquelle, einer X-/4-Platte und drei elektro-optischer Kristalle aufgebaut sein, wie in Fig. 2 der älteren niederländischen Patentanmeldung Nr. 6713762 (PHN. 2787) angegeben ist. Das aus der Punktquelle 1 austretende Licht fällt auf eine Savart-Platte ä 2 und dann auf die enge Oeffnung 3 Am Detektionssystem

Die Savart-Platte 2 besteht aus der Reihenschaltung zweier doppelbrechender einachsiger plattenförmiger Kristalle 5 und 6, deren Hauptschnitte zueinander senkrecht sind, wobei der Winkel zwischen der optischen Achse und der Kristalloberfläche bei den beiden Kristallen gleich ist. Aus dem Gebilde der beiden Kristalle treten infolge der Doppelbrechung in den Kristallen zwei linear polarisierte Teilbündel aus, die zueinander senkrecht polarisiert sind. Diese Teilbündel rühren annahmeweise von zwei Punktquellen 7 und 8 her, die zu der durch die Lichtquelle 1 gehende Ebene symmetrisch sind, welche Ebene zu der Oberfläche der Savart-Platte 2 senkrecht ist und mit den Projektionen der optischen Achsen der Kristalle 5 und 6 auf der Oberfläche der Savart-Platte einen Winkel von 45° einschliesst. In Fig. 2 sind die Linien OA und OB zu

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diesen Projektionen parallel. Mit dem Pfeil P₁ ist die Polarxsatxonsrichtung des aus der virtuellen Quelle austretenden Lichtes angedeutet, während mit dem Pfeil P₂ die Polarisationsrichtung des aus der virtuellen Quelle 7 austretenden Lichtes angedeutet ist.

In jedem Punkt der Ebene, zu der die virtuellen Lichtquellen spiegelsymmetrisch angeordnet sind. z.B. im Punkt 12 (Fig. 1), ist der Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel gleich Null. In allen übrigen Punkten, z.B. den Punkten der Ebene durch den Punkt quer zu der Achse CD, die die Lichtquelle 1 und den Punkt 12 enthält, gibt es einen von Null abweichenden Weglängenunterschied zwischen den Teilbündel. Für kleine Werte von &■ (Fig. 1) ist der Weglängenunterschied /\ dem Winkel &\ proportional, oder aber: & = C ζ/\ (siehe Fran9on, "Optical Interferometry", S.

Der Polarisationszustand der beiden Teilbündel im Punkt 3 lässt sich leicht an Hand der Poincare-Kugel veranschaulichen, die alle möglichen PoIarisationszustände repräsentiert (vgl. auch "Principles of Optics" von Born und Wolf, S. 30 und 31)·

Ein Polarisatxonszustand P ist durch eine Ellipse in der xy-Ebene (Fig. 3) gekennzeichnet, deren lange Achse L einen Winkel γ mit der x-Achse einschliesst,

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während die Diagonale D des umschriebenen Rechtecks einen Winkel ^/^mit L einschliesst. Das Achsenverhältnis der Ellipse wird durch tg f/^' gegeben.

Auf der Poincar^-Kugel (Fig. 4) wird der Punkt P durch die Winkel 2 /und 2 ^gekennzeichnet. Es besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem Polarisationszustand und dem zugehörigen Punkt auf der Kugel.

Der Winkel ^= 0° (linear polarisiertes Licht, siehe Fig. 3) entspricht Punkten auf dem Aequator der Kugel, d.h., dass der Aequator alle linearen Zustände repräsentiert.

Der Winkel i/'= +, 45° (zirkulär polarisierttes Licht) entspricht den Polen (A₁ und A„) der Kugel.

Auf der Kugel stellen die Enden P. und P des Durchmessers P₁Pp ^¹¹ der Aequatorebene die Polarisationsrichtungen der beiden Teilbündel dar. Die Rotation der Polariaationsebene der Lichtquelle 1 mit einer Winkelgeschwindigkeit Xi äussert sich auf der Kugel in Form einer Drehung um eine Achse in der Aequatorebene mit einer Winkelgeschwindigkeit 2 Ά .

Infolge des Weglängenunterschiedes zwischen den Teilbündeln im Punkt 3 erfolgt aber die Drehbewegung der Polarisationsebenen an den beiden Teilbündeln nicht längs des Aequators, sondern längs eines grossen Kreises in einer Ebene, die über einen Winkel

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2 T in bezug auf die Aequatorebene gekippt ist (Fig. 5)· Der Winkel 2 Y"ist dem Weglängenunterschied proportional. Die Lage der gekippten Rotationsebene und somit der Abstand des Punktes 3 von der Achse CD wird durch Detektion des Lichtes mit Hilfe eines polarisationsempfindliche Detektoren enthaltenden Detektionssystems k erhalten. Fig. 6 zeigt ein derartiges Detektionssystem. Das durch die Oeffnung 3 eintretende Licht fällt über den isotropen Teilspiegel 20 teilweise auf eine

/{, /4-Platte 21 und teilweise auf ein polarisationsempfindliches Teilprisma 26. Die Einfallsebene des auf den Teilspiegel im Polarisationstrennprisma 26 auffallenden Lichtbündels schliesst mit der Polarisationsrichtung jeder der virtuellen Lichtquellen 7 und einen Winkel von ^5° ein.

Die /t/^-Platte 21 wandelt links- bzw. rechtsdrehend zirkulär polarisierte Komponenten der vom Prisma 20 durchgelassenen Teilbündel in zueinander senkrecht polarisierte Bündel um, die auf das Polarisationstrennprisma 22 auffallen. Aus diesem Prisma treten zwei Bündel aus, die in den Detektoren 23 und 2k elektrische Signale erzeugen, die dem Differenzverstärker 25 zugeführt werden. Es lässt sich nachweisen, dass der Differenzverstärker ein Ausgangssignal liefert, das mit sin2 ^"sin2 lit proportional ist.

Die linear polarisierten Komponenten der

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2 O 5 8 4 1 8

Teilbündel, die auf das Polarisationstrennprisma 26 auffallen, werden im Prisma 26 voneinander getrennt und den Detektoren 27 und 28 zugeführt. Die in den Detektoren 27 und 28 erzeugten elektrischen Signale werden dem Differenzverstärker 29 zugeführt. Es lässt sich nachweisen, dass der Differenzverstärker 29 ein Ausgangssignal liefert, das mit cos2V sin2 Q- t proportional ist.

Aus den Signalen sin2~ψ~ sin2 λΙt und cos2 "W* sin2 jfi t kann 2liT auf einfache Weise ermittelt werden, wodurch, bis auf ein ganzes Vielfaches einer Halbwellenlänge des aus der Lichtquelle 1 austretenden Lichtes, auch die Lage des Punktes 3 in bezug auf die Achse CD bestimmt werden kann.

In der Vorrichtung nach Fig. 7 tritt ein kollimiertes linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Cl dreht, aus einer (nicht näher dargestellten Lichtquelle und fällt auf das Wollaston-Prisma 30 auf. Der Einfachheit halber sind nur drei Lichtstrahlen des kollimierten Bündels dargestellt. Die aus dem Wollaston-Prisma austretenden linear polarisierten Teilbündel, deren Polarisationsebenen zueinander senkrecht sind, fallen auf die enge Oeffnung 31 im Detektionssystem 32, das mit dem Detektionssystem h in der Vorrichtung nach Fig. 1 identisch ist.

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Das Wollaston-Prisma besteht aus zwei kongruenten Prismen 33 und 3k einachsiger doppelbrechender Kristalle, die zu einer planparallelen Platte zusamraengeki11et sind. Das senkrecht auf eine der parallelen grossen Flächen des Wollaston-Prismas einfallende Bündel mit einer flachen Wellenfront wird im Prisma 30 in zwei Teilbündel mit flachen Wellenfronten aufgespaltet. Die Polarisationsrichtungen P₁ und p„ dieser Teilbündel sind zueinander senkrecht.

Die flachen Wellenfronten der Teilbündel sind zu der zu dem einfallenden kollimierten Lichtbündel parallelen Ebene symmetrisch, die das Wollaston-Prisma an der Stelle schneidet, an der die Teilprismen 33 und 3^ eine gleiche Dicke aufweisen. In Fig. 7 bezeichnet EF die Schnittlinie der erwähnten Ebene mit der Zeichnungsebene. Der Winkel zwischen den Richtungen der Teilbündel ist mit 2 β bezeichnet.

In jedem Punkt der Symmetrieebene, somit auch im Punkt 35 der Linie EF, ist der Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln gleich null. In Punkten ausserhalb der Symmetrieebene, z.B. in der engen Oeffnung 31 des Detektionssytems 32, besteht zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln ein WegLängenunterschied. Dieser Weglängenunterschied Δ ist dem Abstand ο (siehe auch Fig. 8) des betreffenden Punktes

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von der Linie EF proportional. Für kleine Werte von /4 ist Δ = Z ö /2 . Die Grosse von vi? und somit die Grosse von Λ wird durch den Spitzenwinkel Ύ der Teilprismen und durch die Wahl des doppelbrechenden Materials der Teilprismen bestimmt.

Auf der Pοincare-Kugel kann der Weglängenunterschied wieder durch eine Kippbewegung der Ebene der Drehbewegung der Polarisationsebenen um die Achse "

P₁P dargestellt werden (siehe Fig. 5)· Die Lage der Rotationsebene wird auf gleiche Weise wie in der Vorrichtung nach Fig. 1 detektiert. Das Detektionssystem 32 entspr cht daher dem Detektionssystem h.

Die Kippbewegung über einen Winkel 2 "V" der Rotationsebene ist mit O gerade proportional, weil der Weglängenunterschied Δ sowohl mit 2 Tp" als auch mit ο proportional ist.

Der Abstand zwischen dem Wollaston-Prisma ^

3O und der Ebene durch die Oeffnung 31, senkrecht zu der Achse EF kann nicht grosser ale derjenige Abstand (l in Fig. 7) werden, über den die flachen Wellenfronten der beiden Teilbündel noch miteinander zusammenarbeiten. Dieser Abstand 1 ist der Länge a der planparallelen Platte 30 proportional und mit /ß umgekehrt proportional, und zwar: (siehe Fig. 7) ^{1 =} i/T-

In der Vorrichtung nach Fig. 1 kann der Ab-

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2058A1 8 ^PHN ^hh63

stand des Detektionssystems von der Savart-Platte beliebig gross sein. Der durch eine Querverschiebung O herbeigeführte Weglängenunterschied & ist aber dem Abstand von den virtuellen Quellen umgekehrt proportional .

In der Vorrichtung nach Fig. 7 ist der Abstand des Detektionssystems von dem Wollaston-Prisma beschränkt. Der durch eine Querverschiebung q herbeigeführte Weglängenunterschied ^\ ist aber von diesem Abstand unabhängig.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 kann die Savart-Platte durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden Eigenschaften nach Fig. 9 ersetzt werden. Aus der Lichtquelle 40 tritt linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Q. dreht. Dieses Licht fällt auf das Polarisationstrennprisma 41 und wird an der Trennfläche 46 der Teilprismen, die aus verspiegelten Schichten abwechselnd hoher und niedriger Brechungszahl besteht, in zwei linear polarisierte Teilbündel 47 und 48 aufgespaltet, die zu der Trennfläche 46 symmetrisch verlaufen und deren Polarisationsrichtungen P₁ und p_ zueinander senkrecht sind. Die Teilbündel 47 und 48 werden an den Spiegeln 43 und 42 reflektiert, die zu der Trennfläche 46 symmetrisch angeordnet sind.

Mit Hilfe der Spiegel 43 und 42 werden die

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2 O 5 8 A18 ^PHN

Teilbündel 47 und 48 in einer zu der Trennfläche und zu der Symmetrieachse GH parallelen Richtung reflektiert, welche Symmetrieachse die Schnittlinie der Zeichnungsebene mit der Fläche 46 ist. Die parallelen Teilbündel rühren annahmeweise von zwei virtuellen Lichtquellen 44 und 45 her, die zu der Achse GH symmetrisch sind und den virtuellen Lichtquellen 7 und 8 in der Vorrichtung nach Fig. 1 ähnlich sind.

Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist dem gegenseitigen Abstand b der virtuellen Lichtquellen 44 und 45 proportional. Durch Verschiebung des Spiegels 43 bzw. 42 in Richtung des Teilstrahles 47 bzw. 48 kann diese Empfindlichkeit eingestellt werden.

Eine gedrängte Bauart des Spiegelsystems nach Fig. 9 kann dadurch erhalten werden, dass ein modifiziertes Kösters-Prisma benutzt wird. In der Vor- _M richtung nach Fig. 10 tritt aus der Lichtquelle 50 linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit X* dreht. Dieses Licht tritt über eine Seitenfläche in das modifizierte Kösters-Prisma 51 ein. Das Kösters-Prisma besteht aus zwei identischen Prismen 52 und 53 mit Winkeln von 90°, 6o° und 30°, die zu einem gleichseitigen Prisma 51 vereinigt sind. Die Trennfläche 54 der beiden Prismen ist - im Gegensatz zu der Trennfläche in einem üblichen Kösters-Prisma - als eine Polari-

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sationstrennflache ausgebildet. Das auf diese Fläche auffallende Bündel wird in zwei Teilbündel aufgespaltet, diezw der Trennfläche symmetrisch verlaufen und die zueinander senkrecht polarisiert sind. Diese Teilbündel werden an Seitenflächen des Prismas total reflektiert und treten über die quer zur Trennfläche liegende Seitenfläche symmetrisch zu der Trennfläche 5^ aus dem Prisma heraus.

Die Teilbündel rühren annahmeweise von zwei virtuellen Lichtquellen 55 und 56 her, die zu der Trennfläche 5^ und zu der Schnittlinie G¹H¹ dieser Ebene mit der Zeichnungsebene symmetrisch sind. Der Abstand b zwischen den virtuellen Lichtquellen 55 und 56 wird durch die Lage der Lichtquelle 50 in bezug auf das Kösters-Prisma bestimmt.

In der Vorrichtung nach Fig. 7 kann das

Wollaston-Prisma 30 durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden Eigenschaften ersetzt werden, wie es in Fig. 11 schematisch dargestellt ist. Ein kollimiertes linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Xi dreht, tritt aus einer (nicht näher dargestellten) Lichtquelle aus und fällt auf ein Polarisations trenriprxsma 60. Der Einfachheit halber sind nur drei Teilstrahlen des kollimierten Lichtbündels dargestellt. An der Trennfläche 61 der Teilprismen wird das Bündel in

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zwei linear polarisierte Teilbündel 64 und 65 aufgespaltet, die zu der Trennflache symmetrisch verlaufen und deren Polarisationsrichtungen P₁ und p„ zueinander senkrecht sind. Die Teilbündel werden an den Spiegeln 62 und 63 reflektiert, die zu der Trennfläche 61 symmetrisch angeordnet sind.

Die Winkellage jedes der Spiegel wird derart

gewählt, dass die an den Spiegeln 62 und 63 reflek- λ

tierten kollimierten Teilbündel, deren Polarisationsrichtungen P₁ und ρ zueinander senkrecht sind, je einen Winkel β mit der Symmetrieachse E¹F¹ einschliessen. Die^e Situation entspricht der Situation, die sich in dar Vorrichtung nach den Figuren 7 und 8 ergibt.

Das Spiegelsystem nach Fig. 11 kann dadurch gedrängt ausgebildet werden, dass ein modifiziertes Kösters-Prisma benutzt wird. In der Vorrichtung nach Fig. 12 tritt ein kollimiertes linear polarisiertes ™

Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit X2 dreht, über eine Seitenfläche in das modifizierte Kösters-Prisma 70 ein. Der Einfallswinkel auf die Seitenfläche ist gleich β . Die Trennfläche 71 der beiden Teilprismen 72 und 73 ist als eine Polarisationstrennfläche ausgebildet. :)as auf die Trennfläche auffallende kollimierte Bündel wird in zwei kollimierte Teilbündel aufgespaltet, die

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PHN hhGj

zu der Trennfläche symmetrisch verlaufen und zueinander senkrecht polarisiert sind. Nach vollständiger Reflexion an Seitenflächen des Kösters-Prismas 70 treten sie symmetrisch übor die quer zur Trennfläche stehende Seitenfläche aus dem Prisma heraus. Der Austrittswinkel der austretenden Bündel ist gleich dem Einfallswinkel ft> des einfallenden Bündels. Der Winkel zwischen den austretenden koll imierten Teilbündeln ist gleich 2 /J> . Diese Situation ist der sich in der Vorrichtung nach Fig. 11 ergebenden Situation analog. Die Symmetrieachse C¹D' kann ja mit der Achse E¹F¹ in Fig. 11 verglichen werden. _v

In den Spiegelsystemen nach den Figuren 10 und 12 kann die Trennfläche 5k bzw. 71 im Kösters-Prisma 51 bzw. 70 als ein isotroper Strahlenteiler ausgebildet werden. In diesem Falle müssen die aus dem Prisma heraustretenden Teilbündel in je einem linearen Polarisator angebracht werden. In Fig. 10 sind mit gestrichelten Linien die Polarisatoren 57 und 58 ange*- deutet, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht sind. Die Polarisatoren nehmen in bezug auf die Achse G¹H¹ eine symmetrische Lage ein, die die ganze Breite des betreffenden Teilbündels beansprucht. Dies trifft auch für die linearen Polarisatoren 7^ und 75 in Fig. 12 zu.

Die Polarisationsrichtung der Polarisatoren 57 bzw. 58 und 7h bzw. 75 muss zu der EinfaJ1sflache

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PHN

des betreffenden Teilbündels auf die Seitenfläche, an der dieses Teilbündel total reflektiert wird, parallel bzw. senkrecht sein, damit die Anisotropie der Totalreflexion keinen störenden Einfluss ausübt.

Soll die Lage eines Gegenstandes in einer Ebene in bezug auf zwei verschiedene Richtungen bestimmt werden, so müssen zwei der Vorrichtungen einer der obenbeschriebenen Arten auf/ge eigne to Weise kombiniert werden. Beispielsweise sind in der Vorrichtung nach Fig. 13 zwei Vorrichtungen der an Hand der F±g. 1 beschriebenen Art kombiniert.

In der Vorrichtung nach Fig. 13 tritt Linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Cl dreht, ims der Lichtquelle 80 aus und fäLLt auf die Savart-Platte 81 auf. Ueber den TeiLspiegel 82 fal Leu die aus der

Savarfc-Platte austretenden linear polarisierten TeiL- ^

bündel, die annalimeweise von den beiden virtuellen Punktquellen 86 und 87 herrühren, auf die enge Oeffnung 8h im Detektionssystem 83·

Linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winke Lgescliwindigkei t Cl dreht, tritt aus der Lichtquelle 85 aus und fällt auf die Savar t-Plat te 88. Die Ebene der Savar fc-Pla-t te 88 steht quer zu der der Savart-Platte 81. Ueber den

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20 5 8/, 18 "^11N "^il6;!

TeiLspiegel 82 fallen die aus der Savarb-Platte 88 austretenden linear polarisierten Teilbüride L, die annahmeweise von zwei virtuellen Punktquellen herrühren, gleichfalls auf die enge üeffnung 8^. Die Verbindungslinie zwischen den Letztgenannten virtuelLen Punktquellen ist zu der Verbindungslinie zwischen den Puriktquellen 86 und 87 senkrecht, ist zu der Savart-PLatte 88 parallel und ist aLso zu der Zeichnungsebene senkrecht, in der Figur sind die virtuell on PunktqueLLen mit 89 bezeichnet.

Auf der Poincare-KugeL (siehe Fig. 1^) wird der Polarisat ionszus tand tier· vier TeLLbündeL durch Punkte auf zwei grossen Kreison dargosteLlt, von denen einer über einen Winkel 2 V" in bezug auf die Aequatorebene und der andere über einen Winke L 2 ^" in bezug auf diese Ebene gekippt ist. Der· Weglängeriunterschied zwischen zusammengehörigen TeHbüride Ln Ls t mit 2 y bzw. 2 "ψ proportional.

Das De tekt ionssystem 83 ist gröss teilte i Ls dem nach Fig. 6 analog. Jeder der Differenzverstärker 29 und 25 (Fig. 6) liefert nun zwei Signalen. Im Differenzverstärker 29 wird ein Signal erzeugt, das mit (cos2 y sin2 Ci t + cos2 ψ sin2 Xl t) proportional ist; im Differenzverstärker 25 wird ein Signal erzeugt,

das mit (sin2 V sin2 fL b + sin2 Y sin2 fL t) pro- »x x y y

portional ist.

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Jedes dieser Signale wird einem Paar selektiver Verstärker zugeführt, die auf die Frequenzen

2 ζϊ bzw. 2 .Ω abgestimmt sind. Aus den in den vier χ y

selektiven Verstärkern erzeugten Signalen lässt sich die Lage des Gegenstandes in den Koordinatenrichtungen χ und y ableiten*

Es ist einleuchtend, dass die Informationen

in bezug auf die beiden Koordinatenrichtungen auch da- ™ durch voneinander getrennt werden können, dass für die beiden Quellen 8O und 85 verschiedene Strahlungsfrequenzen gewählt werden. Die zu detektierenden Lichtsignale müssen dann mittels Farbfilter voneinander getrennt werden. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass dann das Detektionssystem, wenigstens die Lichtdetektoren desselben, doppelt ausgeführt werden müsr sen.

In der Vorrichtung nach Fig. 15 tritt linear M polarisiertes Licht aus der Lichtquelle 90 und fällt auf die Savart-Platte 93· Die Polarisationsebene des auf die Platte auffallenden Lichtes schliesst mit den durch die Savart-Platte bestimmten Polarisationsrichtungen P₁ und ρ der aus der Platte austretenden Teilbündel einen Winkel von ^5° ein (siehe Fig. 2). Diese Teilbündel rühren annahmeweise von den virtuellen Punktquellen 9I und 92 her. Die aus der Savart-Platte 93 austretenden zueinander senkrecht polarisierten

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PHN

Teilbündel durchlaufen den elektrooptischen Modulator

Die Modulatorplatte 9k ist derart orientiert, dass die Polarisationsrxchtungen P₁ und ρ mit den Hauptachsen der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden in der Platte 9k auftretenden Doppelbrechung zusammenfallen. Aus der Wechselspannungsquelle 95 wird eine Spannung U=U sin _flt derart an die Elektroden angelegt, dass die Feldstärke zu der Achse des durch die Savart-Platte 93 und den Kristall 9k gebildeten Systems parallel ist. Diese Spannung moduliert periodisch die zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel, die demzufolge periodisch einen Phasenunterschied γ = ψ sin X2t aufweisen.

Auf der Poincare-Kugel (Fig. 16) wird durch den Punkt P auf dem Aequator die Polarisationsebene der Strahlungsquelle 90 dargestellt. Die Enden P₁ und P des Durchmessers P₁Pp ⁱⁿ der Aequatorebene stellen die Polarisationsrxchtungen der aus der Savart-Platte austretenden Teilbündel dar. Der Phasenunterschied zwischen den Teilbündeln führt eine Drehung

des Punktes P um die Achse P„P„ herbei. Ein von Null ο 12

verschiedener Phasenunterschied, der ausserhalb der durch CD gehenden und zu der Zeichnungsebene senkrechten Ebene auftritt, führt eine Drehung des Punktes P um die Achse P₁P₂, z.B. zu dem Punkt P„, herbei

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(siehe Fig. 5)· Der elektrooptisch^ Modulator 9k, der z.B. ein KDP- oder ein KDDP-Kristall sein kann, erteilt dem Punkt P„ eine zusätzliche harmonische Bewegung: 2 <4> = 2 Ψ sinjftt.

Die modulierten Teilbündel werden wieder, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, mit dem Defcek-

tionssystem detektiert. Die Ausgangssignale des Diffe- ä

renzverstärkers 25 bzw. 29 sind nun mit s±n{zf' + Z^ sinilt) bzw. cos(2 ψ + 2 γ sln&t) proportional. Diese Signale können auf die in der älteren niederländischen Patentanmeldung 671635I (PIIN 2904) beschriebene Weise verarbeitet werden. Aus dieser Verarbeitung wird der Winkel 2 ψ und somit die Lage des Gegenstandes ermittelt.

Es ist einleuchtend, dass auf gleiche Weise wie zwei Vorrichtungen nach Fig. 1 zu der Vorrichtung nach Fig. 13 kombiniert werden, auch zwei Vorrichtungen nach Fig. 15 kombiniert werden können.

Fig. 17 zeigt einen Kurzwellensender, der die gleichen Eigenschaften wie das optische System nach Fig. 1 aufweist. Der Sender enthält einen Oszillator 100 mit einer Kreisfrequenz Uf , einen Niederfrequenzoszillator 101 mit einer Kreisfrequenz Γί, zwei Amplitudenmodulatoren 103 und λθΗ und zwei linear polarisierte Antennen I07 und 108, die zueinander senkrecht polarisierte Wellen aussenden.

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2 O 5 8 A 1 8 ^PHN ^hh6'³

Die Hochfrequenzschwingungen ^J aus dem Oszillator 100 werden den Modulatoren 103 und ~\0k zugeführt. Die Ni eder fr equenz schwingungen-£1 aus dem Oszillator 101 werden unmittelbar dem Amplitudenmodulator 104 und über ein Phasenverschiebungsglied 102, das eine Phasenverschiebung von 90° herbeiführt, dem Amplitudenmodulator 103 zugeführt. Das Ausgangssignal des Modulators 103 ist mit sin L\J tcos Xl t proportional, während das Ausgangssignal des Modulators ~\0Η mit sin & tsinllt proportional ist. Nach Verstärkung im Verstärker 105 bzw. 106 werden diese Signale über die Antennen 107 und 108 in zueinander senkrecht polarisierten Richtungen emittiert.

Die Antennen sind den virtuellen Quellen in den obenbeschriebenen optischen Systemen ähnlich. Denn die zueinander senkrecht polarisierten Signale werden in den beiden Fällen mit denselben mathematischen Formeln ausgedrückt.

Der Abstand b zwischen den Antennen 107 und 108 bestimmt die Empfindlichkeit des Systems. Die Symmetrieebene in einem Abstand — von jeder der Antennen quer zu ihrer VerbindungsLinie ist mit der Symmetrieebene in der Vorrichtung nach Fig. 1 vergleichbar, deren Schnittlinie mit der Zeiehnungsebene durch CD gebildet wird. Eine Verschiebung aus der Symmetrieebene veranlasst, wie in den optischen Vor-

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2 O 5 8 A 1 8 ^ΡΗΝ

riclitungen, einen Phasenunterschied 2 ψ zwischen den von den Antennen 107 und 108 herrührenden detektierten Signalen.

Das in Fig. 18 schematisch dargestellte Detektionssystem enthält im wesentlichen passive Elemente. Das Fehlen aktiver Mikrowellenelemente im Detektionssystem ist günstig im Zusammenhang mit der Be- _Λ

weglichkeit des Gegenstandes, dessen Lage bestimmt werden soll.

In dem ausserhalb der Symmetrieebene liegenden Punkt 110 istpie Empfangsantenne 120 angeordnet. Die zueinander senkrecht polarisierten Komponenten COs_-Xl tsin(^ t + ψ) und sin/I t sin ( U/1 -γ) werden voneinander getrennt und dem "magischen T" 111 zugeführt. Die Ausgangssignale des "magischen T" sind mit cosJf2tsin( U/ t+ ψ ) + s±nilts±n(uJt -~ψ) bzw. mit

cos.fi tsin( Wt+ff )-sini2tsin( <*J t- ~ψ) proportional. Diese ^ Signale sind linear polarisierten Wellen analog, deren Polarisationsebene sich um +45° bzw. -^5° in bezug auf die Polarisationsebene der linear polarisierten Komponenten der auf die Antenne 120 einfallenden Wellen verschoben hat. Die Leistung der Ausgangssignale wird in der Diode 113 bzw_e 114 detektiert. Die von den Dioden herrührenden Signale werden dem Differenzverstärker 117 Zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist mit cos2 "0Λ3Ϊη2-Π t proportional.

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- Zk -

2 O 5 8 A 1 8 pun 4463

Auch werden dfe zueinander senkrecht polarisierten Komponenten nach einer Phasenverschiebung einer der Komponenten über 90° im Phasenverschiebungsglied 119 dem "magischen T" 112 zugeführt. Die Ausgangssignale des "magischen T" 112 sind mit cosiltcos(6o»t+ ψ) + sin At sin ( UJt- fr) bzw. mit cos.fi. tcos(U/ t+ψ)-sin/ltsin(UJt-ψ ) proportional. Diese Signale sind links- bzw. rechtsdrehend zirkulär polarisierten Komponenten der auf die Antenne 120 einfallenden Wellen analog. Die Leistung der Ausgangssignale wird in der Diode 115 bzw. 116 detektiert. Die von den Dioden 115 und 116 herrührenden Signale werden dem Differenzverstärker 118 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist mit sin2^sin2Üt proportional. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 117 und 118 haben die gleiche Form wie die bei den optischen Systemen auftretenden Ausgangssignale. Auf die oben bereits beschriebene Weise lässt sich daher der Winkel 2 \j/ und somit die Lage der Antenne 120 bestimmen.

Ein der optischen Vorrichtung nach Fig. 15 analoger Kurzwellensender wird erhalten, wenn statt der Amplitudenmodulatoren 103 und 104 zwei Phasenmodulatoren verwendet werden. Aus demselben Niederfrequenzoszillator müssen dann die Signale gegenphasig den Modulatoren zugeführt werden. Die zueinander senkrecht polarisierten Signale, die von den Antennen 107 und

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ausgesandt werden, haben dann die Form cos(tt^t+y sinftt) und COs(Wt- γ sinjßt). Das Detektxonssystem nach Fig. 18 bleibt ungeandert. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 117 bzw. 118 sind nun mit y+2 Wsinflt) bzw. sin(2 ψ +2 tfsinft t) propor-

COS^ ψ +

tional.

Es ist einleuchtend, dass auf gleiche Weise

wie zwei optische Vorrichtungen nach Fig. 1 zu der optischen Vorrichtung nach Fig. 13 kombiniert werden, auch zwei Vorrichtungen nach Fig. 17 derart kombiniert werden können, dass eine Lagenbestimmung in verschiedenen Richtungen erhalten werden kann. Auch in diesem Falle können die Cnformationen in bezug auf diese Richtungen voneinander getrennt werden, und zwar entweder durch die Wahl verschiedener ModuLationsfrequenzen oder durch die Wahl verschiedener Trägerfrequenzen und FiLtern im Detektionssystem. %

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Claims

Patentansprüche:

fy^_y Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Schnitt eines elektromagnetischen S tr ah lung s bund els , dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbünde L von mindestens zwei virtuellen oder reellen örtlich getrennten kohärenten Strahlungsque L len erzeugt wird, die zueinander senk-*· recht polarisiert sind und einen zeitabhängigen kompLexen Amplitudenunterschxed aufweisen, wobei an der Stelle des Gegenstandes ein poLariaationsempfindLiches Detektxonssystem angebracht ist.

2» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen kohärenten StrahlungsquelLen virtuelle Bilder einer einzigen Strahlungsquelle sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen Bilder mit Hilfe einer Savart-Platte erhalten werden.

h. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen Bilder mit Hilfe eines WoLlaston-Prismas erhalten werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen Bilder mit Hilfe eines Teilspiegels, zweier SpiegeL und zweier Elemente erhalten werden, die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel durchlassen.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5 j dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen jedem der Spiegel und dem durch Vereinigung des Teilspiegels und der beiden Elemente gebildeten polarisieren- dm Trennspiegel derartig ist, dass die von«den Spiegeln reflektierten Bündel zueinander parallel sind.

7. Vorrichtung nacli Anspruch 5» dadurch gekenn- g zeichnet, dass der Winkel zwischen jedem der reflektierenden Spiegel und dem durch Vereinigung des Teilspiegels und der beiden Elemente erhaltenen polarisierenden Trennspiegel derartig ist, dass die von den Spiegeln reflektierten Bündel in bezug aufeinander konvergieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Teilspiegel und die beiden Spiegel einen Teil eines Kösters-Prismas bilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge- * kennzeichnet, dass der Teilspiegel und die beiden Elemente zu einem polarisierenden Trennspiegel vereinigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elemente, die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel durchlassen, in dem Strahlengang dem Kösters-Prisma nachgeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle

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linear polarisierte Strahlung aussendet, deren Polarisationsebene sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle linear polarisierte Strahlung aussendet und dass im Strahlengang ein elektrooptischer Modulator angeordnet ist, an den eine derartige elektrische Spannung angelegt ist, dass die zueinander senkrecht polarisierten Strahlungskomponenten periodisch einen Phasenunterschied erhalten.

13· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reellen Quellen zwei Sender sind, die von einem gemeinsamen Oszillator angetrieben und von zwei kohärenten Modulatoren moduliert werden.

1h. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reellen Quellen zwei Sender sind, die von zwei miteinander gekoppelten Oszillatoren angetrieben und von zwei kohärenten Modulatoren moduliert werden.

15· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbündel von zwei Paaren kohärenter Strahlungsquellen erzeugt wird, wobei die Quellen jedes Paares zueinander senkrecht polarisiert sind, welche Paare-derart auge—

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ordnet sind, dass die Verbindungslinie zwischen den Quellen eines Paares einen Winkel mit der Verbindungslinie zwischen den Quellen des anderen Paares einschliesst.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 90° beträgt. 17· Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die das eine Paar kohären- A ter Sfcrahlungsquellen bildende SfcrahlurigsquelLen die gleiche Frequenz wie die das andere Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle aufweist, und dass die Modulationsfrequenz der beiden Strahlungsquellen verschieden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder |6, dadurch gekennzeichnet, dass die das eine Paar kohärenter StrahLungsquellen bildende Strahlungsquelle eine andere Frequenz als die das andere Paar kohärenter StrahLungs-

queHen bildende Strahlungsquelle aufweist, und dass ^

die Modulationsfrequenz der beiden StrahlungsqueLlen einander gleich sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprücho, dadurch gekennzeichnet, dass das polariiuit Ioiujompfind Liehe Detektionssystem mindestens ο Ln Paar Detektoren enthält, voxi woLchem Paar dor eine Detektor eine zirkulär polarisierte Komponente dor Strahlung und dor andere Detektor eine linear polarisierte Korn-

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2 0 5 8 A Ί 8 ^PHN ^hh63

ponente auffängt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die zirkulär polarisierte Komponente wie auch die linear polarisierte Komponente von zwei Detektoren aufgefangen werden, derart, dass jedes Detektorenpaar zueinander senkrecht poLarisierte TeListrahlen der zirkulär polarisierten bzw. der linear polarisierten Komponente auffängt, während das Ausgangssignal jedes Detektorenpaares einem Dif f erenzvers tärkerzugeführt wird.

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