DE2115886C3 - Elektrooptische Modulationsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Anordnung ist u.a. aus Fig. 1 der r> deutschen OS-PS 18 11 732 bekannt. In der Vorrichtung nach dieser Patentanmeldung zum Detektieren der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels wird an einem elektrooptischen Kristall, der zwischen zwei λ/4-Platten in dem Lichtweg 4ο angeordnet ist, eine Modulationsspannung angelegt. Das aus dem elektrooptischen Modulator austretende Strahlungsbündel wird von einem Teilspeigel in zwei Teilbündel aufgespaltet jedes dieser Teilbündel durchläuft einen Polarisator und fällt auf einen strahlungs- empfindlichen Detektor. An den Ausgängen der beiden strahlungsempfindlichen Detektoren treten elektrische Signale auf.

In der deutschen OS-PS 19 39 005 ist beschrieben worden, wie diese Vorrichtung zur Bestimmung einer relativen Verschiebung eines Gegenstandes verwendet werden kann.

In den beiden Vorrichtung wird an den elektrooptischen Kristall eine harmonische Spannung angelegt. Dadurch treten an den Ausgängen der strahlungsempfindlichen Detektoren Signale mit einem großen Frequenzspektrum auf. Bevor sie weiter verarbeitet werden können, müssen diese Signale zunächst in einem schmalen um die Modulationsfrequenz herum liegenden Band gefildert werden. Dt;rch das Filtern wird die t>o Information nicht nur einer gewissen Zeitverzögerung, sondern auch einer gewissen Verzerrung unterworfen. Außerdem wird durch die beschränkte Bandbreite des Filters der Winkelgeschwindigkeit der Polarisationsebene, die noch genau detektiert werden kann, eine obere Grenze gesetzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Lage der Polarisationsebene eines Lichtbündels ohne Verlust an Information und Zeit auch im Falle von raschen Änderungen dieser Lage mit der Zeit genau bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch d:e im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst

Dadurch kann die in den elektrischen Signalen vorhandene Information aus diesen Signalen wiedergewonnen werden, ohne daß dabei in einem schmalen um die Modulationsfrequenz herum liegenden Band gefiltert zu werden braucht

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläuten. Es zeigt

F i g. 1 eine mit einem elektrooptischen Modulator versehene Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels,

F i g. 2 den Verlauf einiger Komponenten der aus der Vorrichtung nach F i g. 1 bei Verwendung einer harmonischen Modulationsspannung erhaltenen Signale als Funktion der Modulationstiefe;

Fig.3 eine Rechteckspannung und die mit Hilfe dieser Rechteckspannung in der Vorrichtung nach F i g. 1 erhaltenen Signale als Funktion der Zeit und

F i g. 4 den Verlauf einiger Komponenten der Signale nach F i g. 3 als Funktion der Modulationstiefe.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 durchläuft die von einer Quelle 1 herrührende und von einer Linse 2 in ein paralleles Bündel umgewandelte linear polarisierte Strahlung die Reihenschaltung von nacheinander einer λ/4-Platte 4 einem KDP-Kristall 5 und einer λ/4-Platte 6. Die Hauptrichtungen 7 und 9 der λ/4-Platten 4 bzw. 6 sind zueinander parallel; die Hauptrichtung 8 des Kristalls 5 schließt mit der der Platten 4 und 6 einen Winkel von 45° ein. Das Strahlungsbündel wird dann vom Teilspiegel 20 in zwei Teilbündel aufgespaltet Diese Teilbündel fallen auf die Polarisatoren 21 bzw. 22, deren Polarisationsrichtungen 23 bzw. 24 miteinander einen Winkel von 45° einschließen. Die aus den Polarisatoren 22 und 21 austretende Bündel werden von den Detektoren 33 bzw. 34 in elektrische Signale umgewandelt

Nach der deutschen OS-PS 18 11 732 wird an den Kristall 5 eine Wechselspannung V= Vo cos ω/ angelegt. Die von den Detektoren gelieferten Signale haben dann die Form

S, = A + Bsin(kz + b coswt), (la) S₂ = A + Bcos(kz + ftcosa.i), (Ib)

wobei kz die Lage der Polarisationsebene der von der Quelle 1 emittierten Strahlung darstellt, b die Modulationstiefe der sinusförmigen Modulation ist und A und B eine Konstante darstellen. Die Funktionen, die die Signale Si und Sj darstellen, können in einer Reihe entwickelt werden:

S₁ = A + B sin kz { J₀(b) + 2J₂(b)cos 2.·.ί +

+ Bcosfcz { 2J₁(O)COs tut + 2./,(fr)cos3<.-i +...}

S₂ = A + B cos kz ! J₀(b) + 2J₂(Zj) cos 2...I + 2 J₄(Zj) cos 4-,r +...; fci! 2J₁(Zj) cos ..t + 2J₃(Zj)cos3<·,ί +...}.

dabei stellt JJb) die 3esselsche Funktion der Ordnung η dar.

Aus den obenstehenden Reihen geht hervor, daß das Frequenzspektrum der beiden Signale sehr ausgedehnt ist Für die weitere Verarbeitung sind lediglich die Terme mit J\(b) von Bedeutung. Aus F i g. 2, :n der die ersten fünf Besselschen Funktionen als Funktion der Modulationstiefe b dargestellt sind, ergibt sich, daß für eine geringe Modulationstiefe Ja(b) größer als 2 J,(b) ist, während 2Ji(b) klein ist Für Jo(b) = 0 (das ist für b = 2,4) ist jedoch 2/iß/etwa gleich 2J₂(b) Es kann kein Wert angegeben werden, für den J\(b) derart groß ist, daß die übrigen Besselschen Funktionen vernachlässigt werden können. Um den Einfluß der Besselschen Funktionen JJb), J₂(b) usw. zu beseitigen, müssen die Signale Si und S₂ in einem Band mit einer mittleren Frequenz ω gefiltert werden.

Durch diese Filterung wird die Information aber verzerrt Ferner tritt in der Information eine gewisse Zeitverzögerung auf. Außerdem wird durch die beschränkte Bandbreite des Filters der Winkelgeschwindigkeit der Polarisationsebene, die noch genau detektiert werden kann, eine obere Grenze gesetzt Die

zeitliche Abtastung von kz muß jedenfalls kleiner alsyto sein. Wenn eine große Genauigkeit verlangt wird, muß -fij(kz) weiter unterhalb der Grenze-=-« bleiben. Wie

beschrieben in der DE-OS 18 11732 können zur weiteren Verarbeitung der Signale S\ und S₂ diese Signale multipliziert werden mit einer Synchronisationsspannung, d. h. einer Spannung proportional zu der Modulationsspannung (V = Vo cos a>t) Bei Verwendung einer harmonischen Modulationsspannung ergibt sich weiter als Nachteil, daß die Modulation der Polarisationsebene und damit die Modulation der Signale Sa und Sb nicht völlig mit der Modulationsspannung in Phase ist und auch keine konstante Phasenverschiebung in bezug auf die Modulationsspannung aufweist, es sei denn, daß mit großen Leistungen moduliert wird.

Bei Modulation mit einer Rechteckspannung statt mit einer harmonischen Spannung und Wahl einer geeigneten Amplitude der Rechteckspannung treten die obenerwähnten Nachteile nicht auf.

Wenn eine Rechteckspannung nach Fig.3a an den Kristall 5 der F i g. 1 angelegt wird, erscheinen an den Ausgingen der Detektoren 33 und 34 die Signale:

5₁ = A + B sin \kz + b f(t)\,

5₂ = A + B cos \kz + b /(!)(,

wobei

fit) = +1 für nT < t <

D-

fit) = -1 für/n + γλτ < t < in + I)T,

wobein = 0,1,2... ist.

Die Wiederholungsfrequenz der Rechteckspannung kann gleich

2 π

'■' ⁼ T

gesetzt werden.

Die Funktionen, die die Signale S\ und 52 darstellen, können wieder in einer Reihe entwickelt werden:

5₁ = A + BKo(b)s'mkz + Bcos kz{ K₁ (b) sin <»t + K₃{b)sin 3wt + K₅(b)sin 5. -f + ...

5₂ = A + BKo(b)coskz - Bsinkz j K,(6)sin o>t + K₃(b)sin 3<·>ί + K₅(^)sin 5<>,t + ...}

wobei

In den Signalen Si und S₂ treten nun keine Terme mit cos ηωί auf, während Terme mit sin rxot nur für ungerade η auftreten. Außerdem gibt es für jeden Wert von b ein konstantes Verhältnis zwischen den Termen mit sin πω L

In F i g. 4 sind K₀, K₁ und Kj über b aufgetragen. Dabei ist

K₀ [b) = cos b

= — sin Zj .

Für einen Wert von b kleiner als "J ist der Faktor

K\(b) mindestens 10% größer als der Faktor 2J\(b) aus der F i κ. 2.

Für b = 4

K₀ = 0
und

K₁ = —.

Für diesen Wert der Modulationsstufe braucht nicht in einem schmalen Band gefiltert werden. Dies hat den

großen Vorteil, daß der Größe von -jy (kz) keine

Grenze gesetzt wird.

In F i g. 3 sind sin kz, f(t) und die Signale S\ und 52 als Funktion der Zeit dargestellt. Die Umhüllende von S\ und 52 stellt die Information dar und kann mit Hilfe eines einfachen Synchrondetektors genau wiedergewonnen werden, ohne daß dabei eine Zeitverzöeerune auftritt.

Die Phase der rechteckförmigen Modulationsspannung kann mit einfachen Mitteln mit einer Synchronisationsspannung in Phase gehalten werden, wobei mit geringeren Leistungen als im Falle einer harnionischen Modulationsspannung gearbeitet werden kann.

Statt eines einzigen elektrooptischen Kristalls können in der beschriebenen Vorrichtung auch mehrere Teilkristalle hintereinander angeordnet werden. Dadurch kann die Spannung an jedem Teilkristall um einen Faktor gleich der Anzahl von Teilkristallen herabgesetzt werden.

Die Verbesserung einer elektrooptischen Modula tionsvorrichtung ist hier an Hand einer Vorrichtung zu Bestimmung der Lage einer Polarisationsebene be schrieben worden. Naturgemäß kann diese Verbesse rung auch bei anderen Vorrichtungen verwende werden, die einen elektrooptischen Modulator enthaltet und in denen Signale der Form (la) und (Ib) auftreten Dabei kann z. B. an eine Vorrichtung zur Bestimmun einer gegenseitigen Verschiebung zweier Gegenstand gedacht werden.

Hierzu 3 Bkitt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Modulation der Lage der Polarisationsebene eines als Informationsträger in einem optischen Meßsystem dienenden linear polarisierten Lichtbündels, mit drei hintereinander im Strahlengang angeordneten, wenigstens einem elektrooptischen Kristall umfassenden doppelbrechenden Elementen, und mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung des elektrooptischen Kristalls mit einer Modulationsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatiorisspannung eine Rechteckwelle ist, deren Amplitude derart gewählt ist, daß die Polarisationsebene des Lichtbündels durch die eine Halbwelle um 90° in die eine Richtung und durch die andere Halbwelle um 90° in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels, die mit einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 versehen ist

3. Vorrichtung zur Bestimmung einer gegenseitigen Verschiebung eines Gegenstandes und eines zweiten Gegenstandes, die mit einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 versehen ist

J(I