DE2058418C3

DE2058418C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender elektromagnetischer Strahlungsbündel

Info

Publication number: DE2058418C3
Application number: DE2058418A
Authority: DE
Inventors: Rene Zug Dandliker (Schweiz); Hendrik De Eindhoven Lang (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1970-11-27
Publication date: 1979-05-17
Also published as: DE2058418A1; FR2074966A5; SE369970B; GB1335197A; CH532795A; JPS5124261B1; CA924895A; DE2058418B2; BE759837A; NL6918301A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender elektromagnetischer Strahlungsbündel, bei der die Strahlungsbündel von virtuellen oder reellen örtlich getrennten kohärenten Strahlungsquellen erzeugt werden, die zueinander senkrecht polarisiert sind und wobei am Gegenstand ein polarisationsempfindliches Detektionssystem angebracht ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung der obenerwähnten Art, die in »Applied Optics«, Nov. 1968, S. 2315-2317, beschrieben ist, wird die Interferenz von Lichtstrahlen benutzt Der über die erste Seitenfläche in ein Kösters-Prisma eintretende Lichtstrahl wird an dem Teilspiegel im Prisma in zwei Komponenten aufgespaltet, 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 Abstand 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, wenn 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 verglichen werden. Diese Signale sind namentlich bei großen Abständen von der Strahlungsquelle Schwankungen ausgesetzt, die infolge von Inhomogenitäten des durchlaufenden Mediums auftreten. Durch diese Schwankungen wird die Bestimmung der Phase erschwert.

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

Aus der US-PS 33 53 182 ist ein Kurzwellensystem im Zentimeter- oder Dezimetergebiet bekannt, bei dem für einen Landeanflug die Beziehungen zwischen links- und rechtsdrehende'r elliptischer Polarisation mit Zirkularpolarisation ausgenutzt werden. Eine Übertragung dieser Beziehungen auf das optische Gebiet ist zwar theoretisch möglich, bedingt jedoch größere praktische Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Vereinfachung der Phasen-Amplitudenbeziehungen eine genauere Detektion zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Strahlungsquellen einen zeitabhängigen Amplituden- und Phasenunterschied aufweisen und einen gegenseitigen Abstand haben, der klein ist im Vergleich zu dem Abstand der Strahlungsquellen von dem Detektionssystem.

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

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Detail der Vorrichtung nach F i g. 1, Fig.3, 4 und 5 mathematische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach

F i g. 6 einen Teil der Vorrichtung, die in F i g. 1 schematisch dargestellt ist,

F i g. 7 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 8 Einzelheiten der Vorrichtung nach F i g. 7, F i g. 9 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach ίο Fig. 1,

F i g. 10 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung nach F ig. 1,

F i g. 11 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 7,

π Fig. 12 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung nach F i g. 7,

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

F i g. 14 eine mathematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 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 2^r) und

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

In der Vorrichtung nach F i g. 1 tritt linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht, aus der Lichtquelle 1 aus. Die Lichtquelle 1 kann z. B. aus der Reihenschaltung einer linear polarisiertes Licht emittierenden Lichtquelle, einer λ/4-Platte und drei elektrooptischer Kristalle aufgebaut sein. Das aus der Punktquelle i austretende Γ) Licht fällt auf eine Savart-Platte 2 und dann auf die enge öffnung 3 im Detektionssystem 4.

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 4^r> 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 ■-,o der optischen Achsen der Kristalle 5 und 6 auf der Oberfläche der Savart-Platte einen Winkel von 45° einschließt. In F i g. 2 sind die Linien OA und OB zu diesen Projektionen parallel. Mit dem Pfeil p\ ist die Polarisationsrichtung des aus der virtuellen Quelle 8 γ-, austretenden Lichtes angedeutet, während mit dem Pfeil pi 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. to im Punkt 12 (Fig.l), ist der Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln gleich Null. In allen übrigen Punkten, z. B. den Punkten der Eben« durch den Punkt 12 quer zu der Achse CD, die die Lichtquelle 1 und den Punkt 12 enthält, gibt es einen von Null abweichenden Weglängenunterschied zwischen den Teilbündeln. Für kleine Werte von λ (Fig. 1) ist der Weglängenunterschied Δ dem Winkel « proportional, oder aber: 4 = C₁₁ (siehe

F r a η ς ο η, »Optical Interferometry«, S. 140).

Der Polarisationszustand der beiden Teilbündel im Punkt 3 läßt sich leicht an Hand der Poincare-Kugel veranschaulichen, die alle möglichen Polarisationszustände repräsentiert (vgl. auch »Principles of Optics« > von B ο r η uiid W ο I f, S. 30 und 31).

Em Polarisationszustand Pist durch eine Ellipse in der xy-Ebene (F i g. 3) gekennzeichnet, deren lange Achse L einen Winkel ψ mit der jr-Achse einschließt, während die Diagonale D des umschriebenen Rechtecks einen in Winkel ft mit L einschließt Das Achsenverhältnis der Ellipse wird durch tg ft gegeben.

Auf der Poincar6-Kugel (Fig.4) wird der Punkt P durch die Winkel 2 φ und 2 ft gekennzeichnet Es besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem Polarisationszustand und dem zugehörigen Punkt auf der Kugel.

Der Winkel 0 = 0° (linear polarisiertes Licht, siehe F i g. 3) entspricht Punkten auf dem Äquator der Kugel, d. h„ daß der Äquator alle linearen Zustände rcpräsentiert

Der Winkel #=±45° (zirkulär polarisiertes Licht) entspricht den Polen (A\ und M₂) der Kugel.

Auf der Kugel stellen die Enden P\ und P2 des Durchmessers PiP₂ in der Äquatorebene die Polarisationsrichtungen der beiden Teilbündel dar. Die Rotation der Polarisationsebene der Lichtquelle I mit einer Winkelgeschwindigkeit fi äußert sich auf der Kugel in Form einer Drehung um eine Achse in der Äquatorebene mit einer Winkelgeschwindigkeit 2 Ω.

Infolge des Weglängenunterschiedes zwischen den Teilbündeln im Punkt 3 erfolgt aber die Drehbewegung der Polarisationsebenen an den beiden Teilbündeln nicht längs des Äquators, sondern längs eines großen Kreises in einer Ebene, die über einen Winkel 2 φ in bezug auf die Äquatorebene gekippt ist (F i g. 5). Der Winkel 2 φ 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 4 erhalten. Fig.6 zeigt ein derartiges Detektionssystem. Das durch die öffnung 3 eintretende Licht fällt über den isotropen Teilspiegel 20 teilweise auf 4 eine λ/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 8 einen Winkel von 45° ein.

Die λ/4-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 24 elektrische Signale erzeugen, die dem Differenzverstärker 25 zugeführt werden. Es läßt sich nachweisen, daß der Differenzverstärker ein Ausgangssignal liefert, das mit t>o

sin 2 φ sin 2 Qf

proportional ist

Die linear polarisierten Komponenten der Teilbünde!, 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

cos 2 ψ sin 2 Qt

proportional ist. Aus den Signalen

sin 2 ψ sin 2 ßr und cos 2 ψ · sin2ßr

kann 21/> 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 F i g. 7 tritt ein kollimiertes linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω 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 Öffnung 31 im Detektionssystem 32, das mit dem Detektionssystem 4 in der Vorrichtung nach F i g. 1 identisch ist

Das Wollaston-Prisma besteht aus zwei kongruenten Prismen 33 und 34 einachsiger doppelbrechender Kristalle, die zu einer planparallelen Platte 30 zusammengekittet 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 Welienfronten aufgespaltet Die Polarisationsrichtungen p\ und p-_t dieser Reilbündel sind zueinander senkrecht

Die flachen Wellenfronten der Teilbündel sind zu dei zu dem einfallenden kollimierten Lichtbündel parallelen Ebene symmetrisch, die das Wollaston-Prisma an der Stelle schneidet, an der die Teilprismen 33 und 34 eine gleiche Dicke aufweisen. In Fig.7 bezeichnet EFdie 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 öffnung 31 des Detektionssystems 32, besteht zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln ein Weglängenunterschied. Dieser Weglängenunterschied Δ ist dem Abstand δ (siehe auch F i g. 8) des betreffenden Punktes von der Linie EF proportional Für kleine Werte von β ist Δ=2 δ β. Die Größe von β und somit die Größe vor Δ wird durch den Spitzenwinkel γ der Teilprismen unc durch die Wahl des doppelbrechenden Materials dei Teilprismen bestimmt

Auf der Poincare-Kugel kann der Weglängenunterschied wieder durch eine Kippbewegung der Ebene dei Drehbewegung der Polarisationsebenen um die Achse PiP₂ dargsstellt werden (siehe Fig.5). Die Lage dei Rotationsebene wird auf gleiche Weise wie in dei Vorrichtung nach F i g. 1 detektiert Das Detektionssystem 32 entspricht daher dem Detektionssystem 4.

Die Kippbewegung über einen Winkel 2 φ dei Rotationsebene ist δ direkt proportional, weil dei Weglängenunterschied Δ sowohl 2 φ als auch i proportional ist

Der Abstand zwischen dein Wollaston-Prisma 30 und der Ebene durch die Öffnung 31, senkrecht zu der Achse EFkann nicht größer als derjenige Abstand (Iin F i g. 7) werden, über den die flachen Wellenfronten der beiden Teilbündel noch miteinander zusammenarbeiten. Dieser Abstand / ist der Länge a der planparallelen Platte 30 proportional und β umgekehrt proportional, und zwar (siehe Fig.7):

'-ir

In der Vorrichtung nach F i g. 1 kann der Abstand des Detektionssystems von der Savart-Platte beliebig groß sein. Der durch eine Querverschiebung ö herbeigeführte Weglängenunterschied Δ ist aber dem Abstand von den virtuellen Quellen umgekehrt proportional.

In der Vorrichtung nach F i g. 7 ist der Abstand des Detektionrsystems von dem WoIIaston-Prisma beschränkt Der durch eine Querverschiebung <5 herbeigeführte Weglängenunterschied Δ ist aber von diesem Abstand unabhängig.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 kann die Savart-Platte durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden Eigenschaften nach F i g. 9 ersetzt werden. Aus der Lichtquelle 40 tritt linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω 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 p\ und pi 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 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 F i g. 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 Vorrichtung nach Fig. 10 tritt aus der Lichtquelle 50 linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω 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°, 60° 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 Polarisationstrennfläche ausgebildet Das auf diese Fläche auffallende Bündel wird in zwei Teilbündel aufgespalten, die zu 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 54 aus dem Prisma heraus.

Die Teilbündel rühren annahmeweise von zwei virtuellen Lichtquellen 55 und 56 her, die zu der Trennfläche 54 und zu der Schnittlinie G'H' dieser Ebene mit der Zeichnungsebene symmetrisch sind. Der Abstand b zwischen den virtuellen Lichtquellen 55 und

ίο 56 wird durch die Lage der Lichtquelle 50 in bezug auf das Kösters-Prisma bestimmt.

In der Vorrichtung nach F i g. 7 kann das Wollaston-Prisma 30 durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden Eigenschaften ersetzt werden, wie es in F i g. 11

Ii schematisch dargestellt ist. Ein kollimiertes linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht, tritt aus einer (nicht näher dargestellten) Lichtquelle aus und fällt auf ein Polarisationstrennprisma 60. Der Einfachheit halber sind nur drei Teilstrahlen des kollimierten Lichtbündels dargestellt An der Trennfläche 61 der Teilprismen wird das Bündel in zwei linear polarisierte Teilbündel 64 und 65 aufgespalten, die zu der Trennfläche symmetrisch verlaufen und deren Polarisationsrichtungen p\ und pi 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 reflektierten

jo kollimierten Teilbündel, deren Polarisationsrichtungen Pi und pi zueinander senkrecht sind, je einen Winkel β mit der Symmetrieachse E'F' einschließen. Diese Situation entspricht der Situation, die sich in der Vorrichtung nach den F i g. 7 und 8 ergibt.

3> 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 Ω dreht, über eine Seitenfläche in das modifizierte Kösters-Prisma 70 ein. Der Einfallswinkel auf die Seitenfläche ist gleich ß. Die Trennfläche 71 der beiden Teilprismen 72 und 73 ist als eine Polarisationstrennfläche ausgebildet Das auf die Trennfläche auffallende kollimierte Bündel wird in zwei kollimierte Teilbündel aufgespalten, die zu der Trennfläche symmetrisch verlaufen und zueinander senkrecht polarisiert sind. Nach vollständiger Reflexion an Seitenflächen des Kösters-Prismas 70 treten sie symmetrisch über die quer zur Trennfläche stehende Seitenfläche aus dem Prisma heraus. Der Austrittswinkel der austretenden Bündel ist gleich dem Einfallswinkel β des einfallenden Bündels. Der Winkel zwischen den austretenden kollimierten Teilbündeln ist gleich 2 ß.

Diese Situation ist der sich in der Vorrichtung nach Fig. 11 ergebenden Situation analog. Die Symmetrieachse CD' kann ja mit der Achse E'F' in Fig. 11 verglichen werden.
In den Spiegelsystemen nach den F i g. 10 und 12 kann

to die Trennfläche 54 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

b5 Linien die Polarisatoren 57 und 58 angedeutet, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht sind. Die Polarisatoren nehmen in bezug auf die Achse G'H'eine symmetrische Lage ein, die die ganze Breite des

betreffenden Teilbündels beansprucht. Dies trifft auch für die linearen Polarisatoren 74 und 75 in F i g. 12 zu.

Die Polarisationsrichtung der Polarisatoren 57 bzw. 58 und 74 bzw. 75 muß zu der Einfallsfläche 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 ι ο werden, so müssen zwei der Vorrichtungen der oben beschriebenen Art auf geeignete Weise kombiniert werden. Beispielsweise sind in der Vorrichtung nach Fig. 13 zwei Vorrichtungen der an Hand der Fig. 1 beschriebenen Art kombiniert.

In der Vorrichtung nach Fig. 13 tritt linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Q_y dreht, aus der Lichtquelle 80 aus und fällt auf die Savart-Platte 81 auf. Über den Teilspiegel 82 fallen die aus der Savart-Platte austretenden linear polarisierten Teilbündel, die annahmeweise von den beiden virtuellen Punktquellen 86 und 87 herrühren, auf die enge Öffnung 84 im Detektionssystem 83.

Linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene 2^r> sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Q_x dreht, tritt aus der Lichtquelle 85 aus und fällt auf die Savart-Platte 88. Die Ebene der Savart-Platte 88 steht quer zu der der Savart-Platte 81. Über den Teilspiegel 82 fallen die aus der Savart-Platte 88 austretenden linear polarisierten Teilbündel, die annahmeweise von zwei virtuellen Punktquellen herrühren, gleichfalls auf die enge Öffnung 84. Die Verbindungslinie zwischen den letztgenannten virtuellen Punktquellen ist zu der Verbindungslinie zwischen den Punktquellen 86 und 87 senkrecht ist zu v, der Savart-Platte 88 parallel und ist also zu der Zeichnungsebene senkrecht In der Figur sind die virtuellen Punktquellen mit 89 bezeichnet

Auf der Poincar6-Kugel (siehe F i g. 14) wird der Polarisationszustand der vier Teilbündel durch Punkte auf zwei großen Kreisen dargestellt von denen einer über einen Winkel 2 ψ» in bezug auf die Äquatorebene und der andere über einen Winkel 2 % in bezug auf diese Ebene gekippt ist Der Weglängenunterschied zwischen zusammengehörigen Teilbündeln ist mit 2 ψ, bzw. 2 ip_y proportional.

Das Detektionssystem 83 ist größtenteils dem nach F i g. 6 analog. Jeder der Differenzverstärker 29 und 25 (F i g. 6) liefert nun zwei Signale. Im Differenzverstärker 29 wird ein Signal erzeugt das dem Ausdruck

(cos 2 φ, sin 2 Q_xt + cos 2 ψ, sin 2 Q_yt)

proportional ist, im Differenzverstärker 25 wird ein Signal erzeugt das dem Ausdruck

(s\n2ip_xsm2Q_xt+sin2'tp_yan2Q_yt)

proportional ist

Jedes dieser Signale wird einem Paar selektiver Verstärker zugeführt, die auf die Frequenzen 2 Q_x bzw. 2 Qy abgestimmt sind. Aus den in den vier 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 dadurch voneinander getrennt werden können, daß für die beiden Quellen 80 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 müssen.

In der Vorrichtung nach Fig. 15 tritt linear 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 p, und pi der aus der Platte austretenden Teilbündel einen Winkel von 45° ein (siehe F i g. 2). Diese Teilbündel rühren annahmeweise von den virtuellen Punktquellen 91 und 92 her. Die aus der Savart-Platte 93 austretenden zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel durchlaufen den elektrooptischen Modulator 94.

Die Modulatorplatte 94 ist derart orientiert, daß die Polarisationsrichtungen p\ und pi mit den Hauptachsen der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden in der Platte 94 auftretenden Doppelbrechung zusammenfallen. Aus der Wechseispannungsquelle 95 wird eine Spannung U— Uo sin fit derart an die Elektroden angelegt, daß die Feldstärke zu der Achse des durch die Savart-Platte 93 und den Kristall 94 gebildeten Systems parallel ist. Diese Spannung moduliert periodisch die zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel, die demzufolge periodisch einen Phasenunterschied φ=φ₀ sin Ω t aufweisen.

Auf der Poincare-K.ugel (Fig. 16) wird durch den Punkt Po auf dem Äquator die Polarisationsebene der Strahlungsquelle 90 dargestellt. Die Enden P\ und P2 des Durchmessers P\ Pt in der Äquatorebene stellen die Polarisationsrichtungen der aus der Savart-Platte austretenden Teilbündel dar. Der Phasenunterschied zwischen den Teilbündeln führt eine Drehung des Punktes Po um die Achse Pi Pi herbei. Ein von Null verschiedener Phasenunterschied, der außerhalb der durch CD gehenden und zu der Zeichnungsebene senkrechten Ebene auftritt, führt eine Drehung des Punktes Po um die Achse P\ P2, z. B. zu dem Punkt P₃, herbei (siehe F i g. 5). Der elektrooptische Modulator 94, der z. B. ein KDP- oder "ein KDDP-Kristall sein kann, erteilt dem Punkt P₃ eine zusätzliche harmonische Bewegung:

2<p=2g>osinßt

Die modulierten Teilbündel werden wieder, wie in F i g. 6 schematisch dargestellt ist mit dem Detektionssystem detektiert. Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 25 bzw. 29 sind nun mit

sin (2 ψ+2 φο sin Q fjbzw. cos (2 ψ+2 g>o sin Q t)

proportional. Diese Signale können nun weiterverarbeitet 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 F i g. 13 kombiniert werden, auch zwei Vorrichtungen nach F i g. 15 kombiniert werden können.

Fig. 17 zeigt einen Kurzwellensender, der die gleichen Eigenschaften wie das optische System nach F i g. 1 aufweist Der Sender enthält einen Oszillator 100 mit einer Kreisfrequenz ω, einen Niederfrequenzoszillator 101 mit einer Kreisfrequenz Q, zwei Amplitudenmodulatoren 103 und 104 und zwei linear polarisierte Antennen 107 und 108, die zueinander senkrecht polarisierte Wellen aussenden.

Die Hochfrequenzschwingungen ω aus dem Oszillator 100 werden den Modulatoren 103 und 104 zugeführt

Die Niederfrequenzschwingungen Ω 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 ω ι cos ßf

proportional, während das Ausgangssignal des Modulators 104 mit

sin eof sin ßi

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 oben beschriebenen optischen Systemen ähnlich. Denn die zueinander senkrecht polarisierten Signale werden in den beiden Fäller, 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 F i g. 1 vergleichbar, deren Schnittlinie mit der Zeichnungsebene durch CD gebildet wird. Eine Verschiebung aus der Symmetrieebene veranlaßt, wie in den optischen Vorrichtungen, einen Phasenunterschied 2 φ 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 Beweglichkeit des Gegenstandes, dessen Lage bestimmt werden soll.

In dem außerhalb der Symmetrieebene liegenden Punkt 110 ist die Empfangsantenne 120 angeordnet. Die zueinander senkrecht polarisierten Komponenten

cosßfsin(a)f-t-ip) und sin Ωf sin (ωf-ψ)

werden voneinander getrennt und dem »magischen T« 111 zugeführt Die Ausgangssignale des »magischen T« sind mit

cosßfsin(tof+ip) + sinßfsin((af—φ)

bzw. mit

cos ßf sin (eof+ψ) — sinßtsin(ct)f—φ)

proportional. Diese Signale sind linear polarisierten Wellen analog, deren Polarisationsebene sich um +45° bzw. —45° 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. 114 detek'jert Die von den Dioden herrührenden Signale werden dem Differenzverstärker 117 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist mit

cos 2 ψ sin 2 ßf

proportional.

Auch werden die 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

bzw. mit

cosßicos({u/+ip)-sinßisin(a)f-i/>)

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

^2> sin 2 ψ sin 2 ßf

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 ψ und somit die Lage der Antenne 120 bestimmen.

Ein der optischen Vorrichtung nach F i g. 15 analoger Kurzwellensender wird erhalten, wenn statt der

r> 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

M) 107 und 108 ausgesandt werden, haben dann die Form

cos (tor+ψο sin Qf,) und cos(a)f— cposinßfjl

Das Detektionssystem nach Fig. 18 bleibt ungeändert. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 117 •r> bzw. 118 sind nun mit

cos(2i/>-t-2<p₀sinflrJ bzw. sin(2ip + 2g>osinßf,)

proportional.
Es ist einleuchtend, daß auf gleiche Weise wie zwei

ν.) optische Vorrichtungen nach F i g. I zu der optischen Vorrichtungen 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 Informationen in bezug auf diese Richtungen voneinander getrennt werden, und zwar entweder durch die Wahl verschiedener Modulationsfrequenzen oder durch die Wahl verschiedener Trägerfrequenzen und Filter im Detektionssystem.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender elektromagnetischer Strahlungsbündel, bei der die Strahlungsbündel von virtuellen oder reellen örtlich getrennten kohärenten Strahlungsquellen erzeugt werden, die zueinander senkrecht polarisiert sind und wobei am Gegenstand ein polarisationsempfindliches Detektionssystem angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (7, 8; 44,45; 55,56; 86,87,89; 90,91,92; 107,108) einen zeitabhängigen Amplituden- und Phasenunterschied aufweisen, und einen gegenseitigen Abstand haben, der klein ist im Vergleich zu dem Abstand der Strahlungsquellen von dem Detektionssystem (4; 32; 83;110).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen kohärenten Strahlungsquellen (7,8; 44,45; 55,56; 86,87,89; 91,92) virtuelle Bilder einer einzigen Strahlungsquelle (1; 40; 50; 80, 85; 90) sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen Bilder (7, 8) mit Hilfe einer Savart-Platte (2) erhalten werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen Bilder mit Hilfe eines Wollaston-Prismas (30) erhalten werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 1» zeichnet, daß die virtuellen Bilder (44,45; 55,56) mit Hilfe eines Teilspiegels (46; 54; 61; 71), zweier Spiegel (43,42; 62,63) und zweier Elemente (46; 61; 57, 58; 74, 75) erhalten werden, die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel durchlassen. r,

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jedem der Spiegel (42, 43) und dem durch Vereinigung des Teilspiegels (46) und der beiden Elemente gebildeten polarisierenden Trennspiegel derartig ist, daß die von den Spiegeln reflektierten Bündel zueinander parallel sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jedem der reflektierenden Spiegel (62, 63) und dem durch r> Vereinigung des Teilspiegels und der beiden Elemente erhaltenen polarisierenden Trennspiegel (61) 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 (51; 70) bilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilspiegel und die beiden v> Elemente zu einem polarisierenden Trennspiegel (46; 61) vereinigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elemente (57,58; 74, 75), die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel bo durchlassen, in dem Strahlengang dem Kösters-Prisma (51; 70) nachgeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1; 40; 50) linear polarisierte Strahlung aussendet, μ deren Polarisationsebene sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (90) linear polarisierte Strahlung aussendet und daß im Strahlengang ein elektrooptischer Modulator (94) 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 Seader (107,108) sind, die von einem gemeinsamen Oszillator (100; 101) gespeist und von zwei kohärenten Modulatoren (103, 104) moduliert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden reellen Quellen zwei Sender (107, 108) sind, die von zwei miteinander gekoppelten Oszillatoren (100,101) gespeist und von zwei kohärenten Modulatoren (103, 104) moduliert werden.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel von zwei Paaren kohärenter Strahlungsquellen (86, 87, 89) erzeugt wird, wobei die Quellen jedes Paares zueinander senkrecht polarisiert sind, welche Paare derart angeordnet 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 kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (80) die gleiche Frequenz wie die das andere Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (85) aufweist und daß die Modulationsfrequenz der beiden Strahlungsquellen verschieden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die das eine Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (80) eine andere Frequenz als die das andere Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (85) aufweist und daß die Modulationsfrequenz der beiden Strahlungsquellen einander gleich sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsempfindliche Detektionssystem (4; 32; 83; 110) mindetens ein Paar Detektoren (23, 27; 113, 115) enthält, von welchem Paar der eine Detektor (27,113) eine zirkulär polarisierte Komponente der Strahlung und der andere Detektor (23; 115) eine linear polarisierte Komponente 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 (23, 24, 27, 28; 113, 114, 115, 116) zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen der zirkulär polarisierten bzw. der linear polarisierten Komponente auffängt, während das Ausgangssignal jedes Detektorenpaares einem Differenzverstärker (25, 29; 117, 118) zugeführt wird.