DE2122920A1

DE2122920A1 - Drehempfindhcher Polarisationswandler

Info

Publication number: DE2122920A1
Application number: DE19712122920
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-01
Filing date: 1971-05-10
Publication date: 1971-12-16
Also published as: US3692385A; DE2122920C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen drehempfindlichen Polarisationswandler, der in Führungs- und Navigationsgeräten Anwendung findet.

Die Führungs- und Navigationsgeräte haben eine hohe Stufe der Vollkommenheit erreicht. Das trifft in noch höherem Masse fUr die Wasser- Luft- und Raumfahrzeuge zu, in denen Führungs- und Nävigationsgeräte eine lebenswichtige Rolle spielen. Die auffallenden Fortschritte dieser Trägerfahrzeuge in Leistung, Geschwindigkeit und Fassungsvermögen, erfordern daher eine weitere Verbesserung der mitgeführten inertialen Einrichtungen.

Venn ein technisches Instrument einen gewissen Stand der Vollkommenheit erreicht hat, werden weitere Verbesserungen in erhöhtem Masse schwieriger, insbesondere, wenn die erwünschten Verbesserungen im Widerspruch mit den Naturgesetzen und den physikalischen Eigenschaften stehen, die den Grundelementen des Systems eigen sind. Das bedeutenste Bauelement in einem Führungs- und Navigationsgerät ist der Drehfühler, der Winkelabweichungen im inertialen Raum mißt·

Der klassische Drehfühler, der mehr als ein halbes Jahrhundert im Gebrauch ist und der im Laufe der Jahre zu einer hohen Vollkommenheit entwickelt wurde, ist der Schwungradkreisel. Seine Wirkung beruht auf den Newton¹sehen Gesetzen.

Die Verwendung des rasch rotierenden Schwungrades schließt jedoch von vornherein bestimmte Lösungen und erwünschte Charaktereigenschaften aus. Es ist augenscheinlich, daß mit dem Schwing» radkreisel kein Navigationsgerät ohne bewegliche Teile gebaut werden kann· Da das Schwungrad immer ein gewisses Gewicht haben

. muß, ist es nicht so einfach, einen Kreisel zu bauen, der unter der Einwirkung großer Beschleunigungen von mehr als lOOg, wie sie bei gewissen Anwendungen vorkommen, arbeiten kann. Ein Gerät, das mit herkömmlichen Kreiseln ausgerüstet ist, wird immer

" auf Stoß und Vibration anfällig sein. Zusätzlich können sich

1 09851 /1008

2122S20-

andere Schwierigkeiten, wie Eigenschwingungen und Nutationen durch die vorhandene Masse einstellen, die besondere Dämpfungsmaßnahmen erforderlich machen.

Darüber hinaus ist ein geräuschloser Kreisel, wie er z.B. in Unterseebooten erwünscht ist, schwer mit dem schnei 1 drehenden Schwungradkreisel zu verwirklichen. Besonders ungeeignet ist der Massenkreisel als Drehfühler in einem sogenannten "Strapdown System". Hierbei ist der Kreisel unmittelbar auf das Trägerfahrzeug montiert und so dem vollen Ausmaß der Winkelbe— wegungen des Fahrzeuges ausgesetzt. Das Ergebnis sind große Drehmomente, die schwierige Probleme für die Erzeugung und Kompensationsmomente mit sich bringen, und die Ursache für große Fehler sind. Da die vergrößerten Fehler im Integrationsrechner mit der Zeit multipliziert werden, kann ein mit dem herkömmlichen Massenkreisel ausgerüstetes System niemals gleich gute Ergebnisse liefern wie eine kardangelagerte Kreiselplattform.

Es gibt Drehfühler« die auf ein vom Massenkreisel sehr verschiedenes Grundprinzip aufgebaut sind, nämlich auf die Lichtgeschwindigkeit. Diese Drehfühler erfordern keine beweglichen Teile und sind nicht den Newton'sehen Massengesetzen unterworfen. Licht ist gewichtslos. Wenn ein derartiger Drehfühler genau und zuverlässig genug gebaut werden kann, sind viele der mit dem Massenkreisel verbundenen Schwierigkeiten von vornherein vermieden und Navigationsprobleme, die komplex oder unlösbar erscheinen, wie ein "Strapdown System" ohne bewegliche Teile, ausführbar.

Das Prinzip des Drehfühlers, der Licht verwendet, gründet sich auf die klassischen Versuche von Michelson, Saginac und andere. Im Michelson-Gale Interferometer wird das Licht von einer Lichtquelle durch einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlspalter) in zwei Komponenten aufgespalten. Mit Hilfe von Spiegeln werden die zwei Lichtkomponenten gezwungen, sich in entgegengesetzter Richtung um einen geschlossenen optischen Kreis fortzupflanzen und werden von dem gleichen Strahlenspalter wiedervereinigt und überlagert. Wenn das ganze System mit einer Winkelgeschwindigkeit

109851/1008

■ . ■ 2122220'

um eine Achse senkrecht zur Lichtkreisebene gedreht wird, erfolgt eine Verschiebung von Überlagerungsstreifen. Die Verschiebung wird durch den Unterschied in der Reisezeit der in entgegengesetzter Richtung zirkulierenden Lichtkomponenten verursacht .

Im letzten Jahrzehnt wurde eine Modifikation des ursprünglichen optischen Orehfühlers entwickelt, der Ring-Laser. Der Ring-Laser benutzt die Resonanzeigenschaften eines Resonanzraumes zur Messung des Wegunterschiedes der beiden in entgegengesetzter Richtung kreisenden Lichtkomponenten. Die Laser-Entladungsröhre ist hierbei in den optischen Kreis, um den das Licht durch die Spiegel und dem Strahlteiler geleitet wird, eingesetzt. Da die Länge des Resonanzraumes in einem Laser ein ganzzahliges Vielfaches der ausgestrahlten Wellenlänge sein muß, werden die Wellenlängen der in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Lichtwellen verlängert oder verküret, wenn das System um die Normale auf die Ringcbene gedreht wird. Der Unterschied in der Wellenlänge ist mit einem Frequenzunterschied der Lichtschwingungen verbunden. Dieser Unterschied wird durch Überlagerung der beiden in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Lichtkomponenten am Strahlteiler gemessen. Die Schwingungszahl der entstehenden Schwebung ist proportional zu der Winkelgeschwindigkeit, der das System ausgesetzt ist*

Obgleich das Michelson-Gale Interferometer seit 1925 bekannt ist, wurde es niemals in Führungs- und Navigationsgeräten angewandt. Der Grund sind seine großen Abmessungen, die mit Rücksicht auf die erforderliche Genauigkeit nötig sind. Darüber hinaus sind Interferometer außerordentlich empfindliche, auf äußere Störungen anfällige Geräte. Winzige -Bewegungen der Spiegel, die durch Stoß, Vibration und Temperaturänderungen verursach*, sein können, haben eine Verschiebung der Überlagerungsstreifen und damit grosse Fehler zur Folge.

Die Abmessungen des Ring-Lasers können kleiner gehalten werden, als cie des Interferometers. Der Ring-Laser ist jedoch mit an-

109851/1008

9 '■ 9 O O 9 Γ"¹ ^ ' ίΐ ε. C Z. U

-Wideren Schwierigkeiten behaftet, wie "lock-in",das durch die Kopplung der beiden im gleichen Resonanzraum stattfindenden Laserschwingungen hervorgerufen wird, Null-Verschiebungen durch den Erreger-Gleichstrom und andere.

Der Hauptgegenstand der gegenwärtigen Erfindung besteht in der Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Michelson-GaIe Ring Systems durch die Verwendung von Polarisations-Form-Umwandlung an Stelle der Verschiebung von Überlagerungsstreifen. Die Umwandlung der Polarisationsform von Licht kann um mehrere Größenordnungen genauer bestimmt werden, als die Änderung in der Helligkeit von Überlagerungsstreifen.

Demgemäß ist es einer der Gegenstände der Erfindung einen drehempfindlichen Polarisations-Wandler zu beschreiben, der die Umwandlung der Polarisationsform dazu benutzt, die Drehgeschwindig· keit im inertialen Raum zu bestimmen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein passendes doppelbrechendes Spaltungs- und Wiedervereinigungselement für das polarisierte Licht des Ring-Systems*

Ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht in der Verbesserung der Genauigkeit der Polarisationsumwandlungs-Detektoranordnung, durch die das optische Störgeräusch verkleinert wird, wodurch eine höhere Verstärkung des Signals und damit größere Genauigkeit ermöglicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein drehempfindliclier Polarisations-Wandler, bestehend aus einem optischen Kreis, um welchen zwei linear polarisierte, in senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingende Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung geleitet werden. In dem optischen Kreis ist eine das Licht aufspaltende und wiedervereinigende Einrichtung verwendet, die den Zweck hat, die zwei senkrecht

1 09851 /1008

2 "■ 9 9- 9 - 5 -

zueinander schwingenden Komponenten zu erzeugen und wieder zu vereinigen. Drehung im inertialen Raum ruft eine Umwandlung der Polarisationsform des wiedervereinigten Lichtes hervor, die analysiert wird, um das Ausmaß der Drehung zu bestimmen.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des gesamten Systems, einschließlich des drehempfindlichen Polarisations-Wandlers, der die Erfindung verkörpert.

Fig· 2 ist ein Schema des drehempfindlichen Polarisations-Wandlers, wobei ein Wollaston Prisma als lichtaufspaltendes und wiedervereinigendes Element benutzt wird.

Fig. 3 zeigt ein Polarisationsprisma, das in. der Erfindung angewandt wird.

Fig. k ist die Kennlinie des Reflektionsvermögens des Polarisators der Fig. 3·

Fig. 5 und 6 illustrieren den Polarisator mit seiner optischen Achse parallel zur Licht-Eintrittsfläche und parallel zur Scheitellinie des Prismas und die dazugehörige Kennlinie des Reflektionsvermögens.

Fig. 7 zeigt die Anwendung eines Störgeräusch reduzierenden Prismas in einem abgeänderten Polarisations-Wandler-System.

Fig. 8 und 9 zeigen Vektor-Diagramme, die die Wirkumg des Störgeräusch reduzierenden Prismas auf das elliptisch polarisierte Licht illustrieren.

109851 /1008

Fig. 10 zeigt eine zusätzlich veränderte Form des Polarisations-Wandler-Systems, das ein anderes, das Stör» geräusch reduzierendes Prisma verwendet.

Fig. 11 ist ein Strahlen-Diagramm des Prismas der Fig« 3*

Fig. 12 ist ein Strahlen-Diagramm, des das Störgeräusch reduzierenden Prismas, wie es in der Fig. IO benutzt wird.

Das vollständige drehempfindliche Polarisations-Wandler-System, das die Fig. 1 zeigt, besteht aus dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler 1, der Detektoranordnung 2 und der Anzeige-Anordnung 3·

Die Umwandlung der Polarisationsform ist eine Funktion der Drehgeschwindigkeit Ui im incrtialen Raum. Die Detektoranordnung 2 mißt die Umwandlung der Polarisationsform, die durch den Polarisations-Wandler 1 erzeugt wird. Die Anzeige-Anordnung 3 schafft das elektrische Signal, das proportional der Drehgeschwindigkeit ist, der das ganze System ausgesetzt ist und das in ein Rechengerät eingeführt werden kann.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des drehempfindlichen Polarisations-Wandler-Systems ist die Vertrautheit mit einigen der grundsätzlichen Definitionen auf dem Gebiet der Doppelbrechung Voraussetzung. Dasselbe trifft für die doppelbrechenden Materialien zu.

Die meisten der Elemente im Polarisationswandler 1 und in der Detektoranordnung 2 sind lineare Polarisatoren und Wellenplatten. Diese Elemente bestehen hauptsächlich aus doppelbrechenden einachsigen Materialien. Der Brechungsindex und damit die Geschwindigkeit der Lichtfortpflanzung durch das doppelbrechende Material hängt Vo_n der relativen Richtung des einfallenden Strahles zum Material und der Polarisation ab.

109851/1008

c - 7 -

In einem einachsigen Kristall gibt es nur eine einzige Richtung, in der sich das Licht aller Polarisationsformen mit der gleichen Geschwindigkeit fortpflanzt. Diese Richtung wird "optische Achse" genannt*

Wenn sich das Licht in einem einachsigen Kristall senkrecht zur optischen Achse fortpflanzt, hängt der Brechungskoeffizient von der relativen Lage der Polarisationsebene zur optischen Achse ab. Venn der elektrische Vektor des Lichtstrahles in einer Ebene schwingt, die normal zur optischen Achse liegt« wird der* Strahl ordentlicher (0 Strahl) genannt und der Brechungskoeffizient ist n_o, das ist der gleiche Brechungskoeffizient wie der in Richtung der optischen Achse. Ein Strahl der in einer Ebene parallel zur optischen Achse schwingt, wird als außerordentlicher Strahl (E Strahl) bezeichnet und hat den Brechungskoeffizient n„.

Ein doppelbrechender Kristall wie Quarz, in dem sich der O Strahl schneller fortpflanzt als der E Strahl, wird positiv doppelbrechend genannt. In einem positiven Kristall ist n„ größer als n_Q.

Die Doppelbrechung is,t negativ, wenn n_Q größer ist als n„, wie z.B. beim Kalkspat. In diesem Falle pflanzt sich der 0 Strahl langsamer fort als der E Strahl.

Eine dünne Platte aus einachsigem Material, die parallel zur optischen Achse geschliffen ist, wird Wellenplatte oder Retarder genannt. Licht,das normal in eine solche Platte einfällt, und das unpolarisiert oder linear polarisiert ist und in einer Ebene schwingt, die nicht parallel oder senkrecht zur optischen Achse liegt, wird in die beiden Komponenten, den 0 Strahl und den E Strahl, aufgespalten· Da die Komponenten sieh mit verschiedener Geschwindigkeit in der Platte fortpflanzen, werden die beiden Hauptachsen der Platte auch oft die langsame und die ,schnelle Achse genannt.

Als eine Folge des Geschwindigkeitsunterschiedes, der eine

109851/1008

— ο —

Verzögerung des einen Strahles relativ zu dem anderen verursacht, entsteht ein Unterschied in der Phasenbeziehung der beiden Strahlen. Die Größe der Phasenverschiebung hängt von der Doppelbrechung des Materials und der Dicke der Platte ab.

Falls der Phasenwinkel U dar durch den Retarder hervorgerufen wird, 90 oder eine Viertelwellenlänge groß ist, wird zirkulär polarisiertes Licht auftauchen, wenn linear polarisiertes Licht, das in einer Ebene mit einem Azimuthwinkel von 4> zu der optischen Achse schwingt, einfiel. Bei zirkulär polarisiertem Licht beschreibt die Spitze des Lichtvektors einen Kreis. Umgekehrt, einfallendes zirkulär polarisiertes Licht wird durch eine Viertelwellen-Platte in linear polarisiertes Licht umgewandelt.

Wenn die Dicke der Platte so groß ist, daß der relative Phasenwinkel l8o oder eine halbe Wellenlänge beträgt, wird die Platte eine Halbwellen-Platte genannt. Der auftauchende Strahl wird wieder linear polarisiert sein, aber seine Polarisationsebene ist um den doppelten Azimuthwinkel gegen die optische Achse der Platte gedreht. Einfallendes zirkulär polarisierendes Licht wird durch die Halbwellen-Platte in zirkulär polarisiertes Licht von umgekehrtem Drehsinn umgewandelt.

In dem Falle, in welchem die Platte weder eine Viertel noch eine Halbwellen-Platte ist, wird elliptisch polarisiertes Licht auftauchen, wenn linear polarisiertes Licht einfällt. Die Spitze des Lichtvektors beschreibt eine Ellipse, der Azimutwinkel der Hauptachse der Ellipse und die Elliptizität hängen von der Größe der Phasenverschiebung und von dem Azimutwinkel des linear polarisierten Einfallstrahles ab.

Der Detektor.

Nach dieser allgemeinen Einführung kann die Wirkung des drehempfind Jichen Polarisations-Wandier-S>η terns beschrieben werden.

1 0 9851 /1006

2122320

Das Licht, das von der Lichtquelle k in Fig. 1 ausgestrahlt wird, wird durch den Polarisator 5 linear polarisiert und schwingt in einer Azimutebene, die gegen die Papierebene um ^5 geneigt ist. Die Polarisationsebene des Polarisators 5 ist durch den doppelköpfigen Pfeil und die Schwingungsebene des Lichtvektors durch kurze Striche angedeutet. Der linear polarisierte Lichtstrahl pflanzt sich von da durch den Strahlteiler 6 zu dem Polarisations-Wandler 1 fort. Ein Teil des vom Wandler 1 zurückkommenden Lichtes wird durch den Strahlteiler 6, dem Spiegel 7 zu dem Modulator 8 und dem Analysator 9 abgelenkt und fällt auf den Photosensor 10.

Wenn die Wellenverzögerung durch den Wandler 1 null ist wie in dem Falle, in dem keine Winkelgeschwindigkeit UJ existiert, bleibt die Polarisationsform des einfallenden Lichtes unverändert. Linear polarisiertes Licht, wie es ursprünglich durch den Polarisator 5 polarisiert worden war, kommt am Modulator 8 an.

Es wird hier angenommen, daß der Modulator 8 aus einer Pockel-Zelle oder einem ADP (ammonium dihydrogen phosphate) Kristall besteht. Die Größe der Wellenverschiebung durch einen ADP Kristall verändert sich direkt proportional mit der angelegten Spannung. In diesem Falle liegt eine Wechselstromspannung, die vom Generator 25 erzeugt wird an dem ADP Kristall. Die Wechselspannung ist so groß, daß der Kristall bei dem maximalen Wert der Augenblicksspannung zu einer Viertelwellen-Platte wird.

Die optischen Achsen des ADP Kristalls, deren Lagen von dem Vorzeichen der angelegten Spannung abhängen, sind wieder durch doppelköpfige Pfeile angedeutet. Je nach dem Vorzeichen des augenblicklichen Spannungswertes, liegt die optische Achse entweder parallel oder senkrecht zur Polarisationsebene des ankommenden Lichtes. Dadurch kann der ADP Kristall niemals das linear polarisierte Licht verändern.

Infolge des Winkels von ^5 zwischen der Durchgangsachse des Analysators 9 und der Polarisationsebene des Lichtstrahles, wird nur die UM lite des einfallenden Lichtes durch den Analyse-

!09851/1008

-10- 0-"0O⁰T'

tor 10 durchgelassen.

Wenn der Wandler 1 eine Wellenverschiebung von 90 verursacht, d.h. wenn der Wandler 1 ein Viertelwellen-Wandler ist, wird las einfallende linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Lieht umgewandelt, das dann in den Modulator 8 einfällt. Da sich die Phasenverschiebung, die durch den Modulator 8 hervorgerufen wird, periodisch um - 90 verändert, wird das einfallende zirkulär polarisierte Licht periodisch in linear polarisiertes Licht umgewandelt, das in einer Ebene schwingt, die um einen Winkel von 45 zu der jeweiligen Hauptachse des Modulators 8 verdreht liegt. Die Ebene des linear polarisierten Lichtes, das den Modulator 8 verläßt, fällt infolgedessen entweder in die Durchgangsachse oder in die Sperrachse des Polarisators 9» je nach dem Vorzeichen des Augenblickwertes der am Modulator liegenden Wechselspannung. Als eine Folge davon wird die Intensität des Lichtes am Phtosensor 10 in der Periode der angelegten Wechselspannung zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert schwanken und einen überlagerten Wechsel-Photostrom von derselben Frequenz hervorrufen.

Der Wechsel-Photostrom wird im Wechselstromverstärker 11 verstärkt, im Gleichrichter 12 phasenempfindlich gleichgerichtet und im Gleichetroininstrument 13 angezeigt oder in einen Rechner

* eingeführt

Wenn die Wellenverschiebung des Wandlers 1 weniger als 9Q beträgt, dann wird elliptisch polarisiertes Licht auftauchen. Der Modulator 8 kann nur die zirkulär polarisierte Komponente dieses Lichtes in linear polarisiertes Licht umwandeln, das wieder in die Ebene des größten oder kleinsten Durchganges des Analysators 9 fällt.

Die Wechselstromkomponente des Photostroms, der in dem Photosensor 10 erzeugt wird, entspricht daher nur der zirkulär polarisierten Lichtkomponente. Das Instrument 13 wird daher nur anzeigen, wieviel zirkulär polarisiertes Licht im Wandler 1

erzeug t wi rtl .

1 D9851/1008 ORIGINAL INSPECTED

Wenn aus irgendeinem Grunde die Ebene der ursprünglich linear polarisierten Lichtkomponente nicht genau mit den Hauptachsen des Modulators 8 und des Analysators 9 übereinstimmt, wird mehr als die Hälfte des Lichtes durch den Analysator 9 gehen, wenn die angelegte Spannung am Modulator 8 durch O geht· Dieser Unterschied in der mittleren Lichthelligkeit wird dann periodisch durch den Modulator 8 in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt, von dem die Hälfte durch den Analysator 9 passiert. Als eine Folge davon wird die Lichtintensität am Sensor 10 ebenfalls schwanken aber diesmal mit der doppelten Frequenz der angelegten Wechselspannung. Der Grund für die doppelte Frequenz ist die Tatsache, daß immer die Hälfte des zirkulär polarisierten Lichtes durch den Analysator passiert, unabhängig vom Drehsinn, d.h. unabhängig davon, ob die Augenb 1 ickspannuiig am Modulator 8 positiv oder negativ ist.

Durch die phasenempfindliche Gleichrichtung wird aber der Photostrom doppelter Frequenz automatisch ausgelöscht. Ungenaue Justierung des linear polarisierten Lichtes im Azimut oder der optischen Achsen des Modulators 8 oder des Analysators 9 wird daher keinen Fehler im Meßergebnis zur Folge haben.

Die Detektoranordnung 2 wie sie in der Fig. i gezeigt wird, verkörpert nur ein allgemeines Beispiel. Viele verschiedene Modifikationen und Abänderungen sind möglich und werden in der Polarimetrie, Photoelastizitie, Saccharimetrie und in anderen Gebieten gebraucht. Insbesondere Grundelemente wie die Lichtquelle, der Modulator, der Polarisator und der Analysator können itn Typ und in der Anordnung verschieden sein.

Im Prinzip kann jede Art Lichtquelle, wie eine Bogenlampe, Glühlicht oder irgendeine Art Laser gebraucht werden. Dasselbe gilt für den Photosensor, der eine Photoröhre oder ein Solid-State Sensor sein kann. Der Polarisator 5 und der Analysator 9 können eie Art Nicol-Prisma oder eine Polarisations-Folie sein.Schließlich kann der ADP Modulator 8 durch irgendeinen anderen Typ, wie z.B. eke Kerr-Zelle oder einen rotierenden mechanischen Modulator

10 9 8E1/1008

- 12 - 212292C

ersetzt werden.

Es besteht kein Grund, hier diese verschiedenen Abwandlungen des Detektor-Systems im einzelnen zu beschreiben, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind.

Es ist jedoch wesentlich, ihre Funktionen in Verbindung mit dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler zu verstehen. Das ist besonders wichtig mit Rücksicht auf die Verbesserungen zur Vergrößerung der Genauigkeit, die später besprochen werden.

Der drehempfindliche Polarisatiorts-Wandler«

Wie bereits erwähnt, beruht der Wandler 1 in Fig. 1 auf dem Prinzip des Ring-Interferometers. Er verwendet jedoch Polarisationsform-Umwandlung an Stelle der Überlagerungsstreifen-Verschiebung für die Bestimmung des Unterschiedes in der Reisezeit der beiden gegensinnig zirkulierenden Lichtkomponenten.

Im Gegensatz zu der Überlagerungsmethode erfordert die Umwandlung der Polarisationsform einfallendes polarisiertes Licht. Das linear polarisierte Licht in Fig. 1 wird durch den Polarisator 5 erzeugt und schwingt in einer Ebene, die 45 gegen die Papierebene geneigt ist· Durch das aufspaltende und wiedervereinigende Element Ik₁ das aus einem abgeänderten Polarisator besteht, der die beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten liefert, wird der in den Wandler 1 einfallende Lichtstrahl in den 0 Strahl und den E Strahl aufgespalten.Der 0 Strahl reist im Uhrzeigersinn um den optischen Kreis, der aus den umlenkenden Spiegeln 15» l6 und 17 besteht und der E Strahl reist in der umgekehrten Richtung. Beide Strahlen werden durch dasselbe Element lk, das sie ursprünglich geteilt hat, wiedervereinigt■

Um jedoch mit dem gleichen Element I^ die beiden sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Lichtkomponenten,die in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingen,wieder zu

109851 /1008

2122320

einigen, «nüssen die Schwingungsebenen beider Komponenten um im Azimut gedreht werden. Andernfalls wird der Polarisator lA den zweiten Lichtdurchgang blockieren.

Diese Drehung der Schwingungsebenen wird durch die Halbwellen-Platte l8 , deren optische Achse um 45 gegen die Schwingungsebenen der beiden Komponeten verdreht Liegt, bewerkstelligt. Auf diese Weise wird der 0 Strahl in die Ebene des E Strahls und umgekehrt der E Strahl in die des 0 Strahls gedreht, wie in der Fig. 1 durch die kurzen Striche angedeutet wird.

Der Austausch der Schwingungsebenen der beiden in entgegengesetzter Richtung sich fortpflanzenden Strahlen könnte ebenso gut mit einer anderen Methode als mit Hilfe einer Wellenplatte erreicht werden. Das ist wohl bekannt und braucht daher nicht weiter diskutiert zu werden.

Zur gleichen Zeit sorgt die Halbwellen-Platte i8 für die Parallelität der Einfallsebenen der beiden Komponenten in bezug auf die Spiegel 15, l6, 17 des optischen Kreises. Auf diese Weise wird jede Phasenverschiebung durch Reflexion zwischen den Schwingungen beider Lichtkomponenten vermieden.

Der 0 Strahl und der E Strahl bewegen sich auf demselben identischen Weg in entgegengesetzter Richtung um den Lichtkreis und werden wiedervereinigt zu Licht von derselben Polarisationsform, wie es ursprünglich einfiel, wenn das System nicht einer Drehbewegung im inertialen Raum ausgesetzt ist. Wenn linear polarisiertes Licht, das in einer Azimutebene von ^5 zur optischen Achse des Polarisators lk schwingt, einfällt, wird linear polarisiertes Licht, das in der gleichen Ebene schwingt, wieder auftauchen.

Wenn dagegen die allgemein in der Optik üb Liehe Abmachung, nach der der Beobachter immer gegen die Lichtstrahlrichtung blickt, angewandt wird, hat sich der Azimutwinkel des auftauchenden Lichtes um 90° geändert. Diese Änderung des Azimuts ist am auffälligsten, wenn linear polarisiertes Licht, das in einer senkrechten

10 9 8 5 1/10 0 8

2-;22£20

Ebene schwingt, in den Wandler 1 einfällt. Dann wird linear polarisiertes Licht, das in einer horizontalen Ebene schwingt, wieder auftauchen. Diese Verschiebung von 90 im Azimut wird durch die Halbwellen—Platte l8 hervorgerufen.

Einfallendes zirkulär polarisiertes Licht dagegen wird unverändert wiedei* auftauchen, wenn es entgegen der Lichtstrahlrichtung beobachtet wird. Einfallendes rechtssinniges zirkulär polarisiertes Licht wird als rechtssinnig polarisiertes Licht auftauchen usw. Das bedeutet aber, wenn der Beobachter in der gleichen Richtung auf die Einfallfläche des Polarisators 1Λ blickt, ist der Drehsinn des auftauchenden Lichtvektors umgekehrt«

Das das Licht aufspaltende und wiedervereinigende Element.

Allgemein kanss festgestellt werden, daß der Wandler 1, wie jede normale Wellenplatte, das einfallende Licht in zwei senkrecht zueinander schwingende Lichtkomponenten aufspaltet, um sie dann beim Austritt wieder zu vereinigen.

Um jedoch die Wiedervereinigung in einer optischen Schaltung, wie beim Wandler 1, sicherzustellen, müssen bestimmte zusätzliche Bedingungen erfüllt werden. Die Komponenten, die eine gewisse physikalische Ausdehnung besitzen, müssen sich auf dem gleichen, identischen Weg mit Rücksicht auf jeden einzelnen Strahlenteil fortpflanzen. Sie müssen in jedem Strahlenteil kohärent zueinander sein, anderenfalls werden sie sich nicht wiedervereinigen, sondern unabhängig voneinander weiterbestehen.

Diese Bedingung ist ganz besonders kritisch, wenn nicht kohärent Licht, wie von einer Glühlampe als Lichtquelle, benutzt wird. In diesem Falle ist die Kohärenzlänge sehr klein und die Kohärenz quer zum Strahl gering. Die beiden Komponenten müssen daher für die Wiedervereinigung ohne zu viel Querverschiebung oder Unter-

109851/1008

• -.·■■ 2122S20

schied in der Weglänge überlagert werden.

Wie bereits erwähnt wurde, kann als aufspaltendes und wiedervereinigendes Element jeder lineare Polarisator benutzt werden, der die beiden senkrecht zueinander stehenden Komponenten, den 0 Strahl und den E Strahl, hervorbringt. Keiner der bekannten herkömmlichen Polarisatoren kann jedoch in dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler angewandt werden, ohne dabei gewisse Grundregeln zu beachten.

Oft benutzte Polarisatoren, die beide Strahl-Komponenten hervorbringen, sind der Wollaston- und der Rochon-Polarisator. In dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler der Fig. 2 ist der Wollaston-Polarisator 19 angewandt.

Der Wollaston Polarisator besteht aus zwei Kalkspat-Keilen, die durch eine Schicht von Kanadabalsam verbunden sind. Die optischen Achsen der beiden Kalkspat-Keile liegen senkrecht zueinander, wie es in der Fig. 2 durch die Linien und Punkte angedeutet ist. In dem ersten Keil a, wird der einfallende Strahl in die beiden Komponenten 0 und E aufgeteilt. Wegen der verschiedenen Brechungskoeffizienten, die die beiden Strahlen im zweiten Kalkspat-Keil b vorfinden, werden sie'mit verschiedenen Winkeln abgelenkt und tauchen daher aus dem Polarisator in verschiedenen Richtungen auf« Dadurch können der auftauchende 0 Strahl und der E Strahl durch die Spiegel 20, 21, 22, 23 und 2k so abgelenkt werden, damit sie sich um den optischen Kreis in entgegengesetzter Richtung fortpflanzen .

In dem optischen Kreis befindet sich außerdem die Halbwellen-Platte l8, deren Zweck bereits beschrieben wurde.

Der Wollaston Polarisator 19 bewirkt jedoch nicht nur die Trennung der beiden Lichtkomponenten, sondern ist gleichzeitig eine keilförmige Wellenplatte, deren Phasenverschiebung sich mit einer seitlichen Bewegung des Lichtstrahles ändert. Diese Wirkung wird durch den Richtungsunterschied von 90° zwischen den optischen Achsen der beiden keilförmigen Teile hervorgerufen. Der Teilstrahl 1 , der auf der linken Seite des Wollaston Po-

109851/1008

-1 O

larisators 19 einfällt, hat eine längere Strecke in dem Keil a zurückzulegen als in dem Keil b. Infolgedessen wird seine auftauchende 0 Komponente gegenüber der E Komponente verzögert sein. Das Umgekehrte passiert mit dem Teilstrahl I^, der auf der rechten Seite des Wollaston Polarisators einfällt. Dieser Strahl hat eine längere Strecke in dem Keil b zurückzulegen. Als Folge davon wird seine Komponente O vor der E₀ Komponente den Polarisator verlassen. Nur in der Mitte des Wollaston Polarisators, wo der Teilstrahl einen gleich-langen Weg in jedem der beiden Teile zurückzulegen hat, werden die auftauchenden und E Komponenten in Phase bleiben.

Der Unterschied in der Phase kann vergrößert werden, wenn die Strahlen, nachdem sie um den optischen Kreis gewandert sind, ein zweites Mal den Wollaston Polarisator passieren. Das Ergebnis ist, daß der wiedervereinigte auftauchende Lichtstrahl nicht mehr über den ganzen Strahlenquerschnitt gleichförmig polarisiert ist. Er besteht aus schmalen Streifen verschiedener Polarisationsformen, der das Detektorsystem 2 nicht analysieren kann.

Diese Ungleichmäßigkeit des wiederauflauchenden Lichtstrahles kann verhindert werden, wenn die Einfallpunkte von jedem Strahk lenteil des gesamten Strahlenquerschnitts in Übereinstimmung mit den Auftauchpunkten der zurückkehrenden Strahlteile gebracht werden. Dann wird der Phasenunterschied in jedem Strahlenteil, der beim ersten Durchgang verursacht worden war, beim zweiten wieder rückgängig gemacht. Diese Aufhebung wird durch die Halbwellen-Platte 18 bewirkt, die die Ebenen des E Strahles sowohl wie die des O Strahles je um 90 dreht· Durch diese Drehung wird die Wirkung des ersten Durchganges durch den zweiten aufgehoben, wenn der Teilstrahl an dem gleichen Punkt auftaucht, an dem er ursprünglich einfiel.

Die Übereinstimmung der Einfallpunkte mit den Auftauchpunkten kann durch die Anwendung einer ungeraden Zahl von Spiegeln.im optischen Kreis erreicht werden, wie die Fig. 2 zeigt, in der '

1 09851 / 1008

2122S20

5 Spiegel vorhanden sind.

Venn eine gerade Anzahl von Spiegeln im optischen Kreis vorhanden ist, ist diese Übereinstimmung in allen Punkten des
Lichtstrahles nicht möglich, weil der zurückkehrende Strahl gegenüber dem einfallenden Strahl seitenvertauscht ist.

Aber es bleibt schwierig, die Spiegel zu justieren. Die Doppelbrechung von Kalkspat ist groß und minimale Querverschiebungen des zurückkehrenden Strahles zum Einfallstrahl, in der Größenordnung von 1/10 mm, ergeben bereits Phasenverschiebungen von mehreren Wellenlängen. Diese Empfindlichkeit auf ideine Verschiebungen der Spiegel ergibt eine große Anfälligkeit des Systems auf Störungen, wie Schock und Vibration.

Aus diesen Gründen wird ein auf Reflexion beruhender Polarisator, der besonders für diese spezielle Anwendung abgeändert wurde, in dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler der
Fig. 1 verwandt. Der abgeänderte Polarisator verändert nicht die Phasenverschiebung zwischen den Komponenten bei einer
Querverschiebung des Lichtstrahles, wie das bei einem Wolla— ston Polarisator der Fall ist.

Dar abgeänderte Polarisator besteht aus zwei Kalkspatprismen a und b, Fig. 3» deren optische Achsen parallel zur Einfallfläche liegen. Die beiden Prismen sind durch einen kleinen
Luftspalt von etwa 1/2 mm Stärke getrennt. Die Trennung der beiden Lichtkomponenten entsteht durch Totalreflexion an
Stelle von Strahlenbrechung. Der Grenzwinkel der Totalreflexion für den 0 Strahl ist kleiner als für den E Strahl.
Die Größe des Scheitelwinkels @ des Prismas a, Fig. 3» ist so gewählt, daß er größer ist als der Grenzwinkel für totale Reflexion α ^ für den ordentlichen Strahl 0, aber kleiner
als der Grenzwinkel für den außerordentlichen Strahl E.

Der Grund für den Unterschied der Grenzwinkel für totale Reflexxon liegt in dem Unterschied zwischen den Brechungakoef-

fizienten n_n und n„. Für Kalkspat, der die Brechungskoeffill &

109851/1008

_ _1β . 2",22S2C

zienten n„ = 1,6^8 und n„ = 1,406 hat, ergibt sich ein Grenzwinkel für Totalreflexion für den O Strahl von :

= arc sin = 37 5'

Der Grenzwinkel für den E Strahl ist dagegen größer, weil n_ kleiner als n„ ist. Er ergibt sich zu :

r. = arc sin -^- = k2° l8'

* ⁿE

Wenn der Scheitelwinkel zwischen diesen beiden Grenzwinkeln liegt, wird der ordentliche Strahl 0 reflektiert, während der außerox-dentliche Strahl E durchgelassen wird, wie es in der Fig. 3 angedeutet ist. Normalerweise wird der Scheitelwinkel (^ = 39 ^O· gewählt.

In dem Gegenstand der Erfindung sind beide Komponenten erforderlich. Aus diesem Grunde ist die Austrittsfläche für den 0 Strahl senkrecht zur Strahlenrichtung geschliffen. Dadurch wird das Prisma a zn einem gleichschenkligen Prisma, im Gegensatz zum Prisma h.

In dem modifizierten Polarisator sind zwei Richtungen für die optische Achse möglich* Die optische Achse kann entweder horizontal oder vertikal liegen. Die vertikale Lage der optischen Achse, wie sie in der Fig. 3 durch Linien angedeutet ist, ist in der Anwendung für den drehempfindlichen Polarisations-Wandler, wegen des höheren Wirkumgsgrades, vorzuziehen. Der Wirkungsgrad ist von besonderer Bedeutung in den Anwendungen, in denen eine noch weiter modifizierte Form des Polarisators für die Erhöhung der Empfindlichkeit des Systems angewandt wird, wie das später beschrieben wird.

Das Grundprinzip des modifizierten Polarisators läßt sich am besten mit Hilfe der Kennlinien für da» Reflexionsvermögen erklären.

109851/1008

2 Ί 2 2 S 2 O

Das Reflexionsvermögen für den E Strahl und den 0 Strahl ist in der Fig. *i als eine Funktion des Einfallwinkels aufgezeichnet. Für die Kennlinien der Fig. k ist die Richtung der optischen Achse als vertikal, wie in Fig. 3 angedeutet, angenommen. Das Reflexionsvermögen R ist der Prozentanteil der Lichtintensität, die von der inneren Fläche des Prismas a reflektiert wird. Die Kurven, sind mit Hilfe der Fresnel Gleichungen für die Reflexion berechnet worden«

Die Kurve für den E Strahl ist mit Ej. markiert. Die beiden · .Striche deuten an, daß der E Strahl parallel zur Einfallebene schwingt. Die Kurve für den 0 Strahl ist mit 0 markiert, weil der Lichtvektor des 0 Strahles senkrecht zu der Einfallebene schwingt, wie das aus Fig. 3 in der die Schwingungsebenen des E Strahls und des 0 Strahls durch kurze Striche oder Punkte angedeutet sind, ersichtlich ist.

Die Kurve für das Reflexionsvermögen des E Strahls fängt mit ungefähr R = k % Reflexion an. Bei dem Polarisations- oder Browster-Winkel Λ? = 3k° wird kein Licht des E,, Strahls reflektiert. Bei Winkeln größer als φ wird der reflektierte Anteil des U Strahls wieder größer, zunächst nur wenig, aber in der Nähe des'Grenzwinkels für totale Reflexion Φ^- = ^2° l8« steigt der reflektierte Anteil steil auf 100 S an.

Die Kurve für das Reflexionsvermögen des 0 Strahls sieht etwas anders aus* Sie fängt mit einem höheren Wert von R = 6 % bei ^p =0 an und steigt mit wachsendem Φ ständig an. In der Nähe des Grenzwinkels für Totalreflexion = 37° 5' steigt sie dann steil auf R = 100 N.

Wie die Fig. k zeigt, wird der E₁, Strahl bei dem Einfallwinkel /p -i (£) = 39° mit etwa 3 S zusammen mit 100 % des Oj Strahles reflektiert· Aber das gesamte durchgehende Licht schwingt bei diesem Einfallwinkel in der E Ebene·

Der Wirkungsgrad des Polarisators kann weiter durch Vergrösserung des Scheitelwinkels (j£ vergrößert werden, d.h.

109851/1008

212222Ü

indem ·* (&> näher an den Grenzwinkel Q\ = 37⁰ 5' gebracht wird. *Ö

Eine andere Methode zur Verbesserung des Wirkungsgrades besteht in der Verwendung von Material von größerer Doppelbrechung als Kalkspat. Natriumnitrat (Na N0„) ist ein derartiges Material. Es besitzt die Brechungskoeffizienten n_ a 1,585^ und n„ β 1»3369· Das ergibt einen Grenzwinkel für die Totalreflexion von ^ , = 48° 25' und Λ> - = 39° 12'. Wenn

J (*r _o J CO

ein Scheitelwinkel von Q^ = 40 gewählt wird, dann kann das reflektierte Licht des Ej₍ Strahls auf weniger als 0,3 % verkleinert werden. Der Wirkungsgrad des Polarisators kann daher mit Na NO _ auf mehr als 99»7 % gesteigert werden.

Eine andere abgeänderte Form des Polarisators, wobei die optische Achse parallel zur Scheitellinie und parallel zur Endfläche des Prismas a läuft, wie sie in der Fig. 5 gezeigt wird, kann ebenfalls in dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler 1 Anwendung finden.

Die Ursache für dio hohen Reflexionsverluste von 27 % in dieser Polarisator Ausführung ist leicht mit Hilfe der Kennlinie für das Reflexionsvermögen der Fig. 6 erkennbar. In dem Polarisator, in dem die optische Achse eine Richtung hat, wie es in der Fig. 5 gezeigt wird, schwingt der durchgehende E Strahl normal zur Einfallebene. Das ist der Grund für die höheren Verluste.

Die technischen Daten für verschiedene Polarisator Ausführungen sind in der Tabelle I zusammengestellt.

1Π9851 / 1008

Tabelle I

Ausführung Fig. 3 Fig. 5 Fig. 12 Fig.

Fig. 3

Fig.

Material	Kalkspat	Kalkspat	Kalkspat	Sodiumnitrat	Sodiumnitrat	Sodiumnitrat
Scheitelwinkel <	eS> 38°	39° 40'	38°	40°	45°	40°

Brechungs» n_Q 1,658 koeffizient

1,658 1,658 1,5&4

1,584

„ .=1,545 1,3396 1,3396

1,584

η '=1,423

^c> Grenzwinkel _f

⁰ für Total- b, 37 5'

⁰⁰ reflexion * ^C0

37 5' 37 5'

39° 12' 39° 12'

39° 12'

42° 18' 4o°2O' 48° 25' 48° 25' 44° 38·

Reflexions=
vermögen

_6#()3

2^22220

Zusammenfassend kann gesagt werden: In der Diskussion über die Anwendung des Wollaston Polarisators in dem optischen Kreis wurde die Bedeutung der Gleichförmigkeit der Polarisationsform über den Querschnitt des Lichtstrahles hervorgehoben. Gewisse Hegeln müssen beachtet werden, um die Gleichförmigkeit der Polarisation bei der Anwendung eines tfollaston Prismas sicherzustellen. Trotzdem bleibt es schwer, den mit einem Wollaston ausgerüsteten drehempfindlichen Polarisations-Wandler zu justieren, das System ist anfällig auf äußere Störungen.

* Das trifft nicht zu, wenn der modifizierte, reflektierende Polarisator verwandt wird, wie aus der Fig. 3 und der Fig. ersichtlich ist. In diesem Falle bleibt die Phasenbeziehung zwischen dem O Strahl und dem E Strahl unverändert, wenn sich der Lichtstrahl seitlich bewegt. Die optische Weglänge des O Strahles ebenso wie diejenige des £ Strahles bleibt konstant und ist unabhängig von dem Einfallspunkt.

Das gilt für den ü Strahl, weil der Querschnitt des Prismas ein gleichschenkliges Dreieck darstellt. Der auftauchende O Strahl steht senkrecht auf der Ausgangsfläche, wenn der einfallende E Strahl normal zur Einfallfläche des Polarisators steht. Dasselbe gilt für den E Strahl, weil das Prisma ψ b dafür sorgt, daß die Ausfallflache für don E Strahl parallel zur Einfallfläche für den Strahl E am Prisma a liegt. Für die Teilung und Wiedervereinigung der sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Strahlenkomponenten könnte das Prisma a allein ohne das Prisma b verwandt werden. Dann würden jedoch ähnliche Einschränkungen bestehen wie mit dem Wollaston Polarisator. Die zurückkehrenden Teilstrahlen müßten durch das Prisma an bestimmten Punkten mit Rücksicht auf ihren ursprünglichen Einfallspunkt durch das Prisma laufen, um die Gleichförmigkeit der Polarisation zu erhalten. Das führt wieder zu einer schwierigen Justierung.

Schließlich kann noch erwähnt werden, daß der Winkel für die

109851/1008

2122C20

• « 23 -

Totalreflexion in dem abgeänderten Polarisator auch 45 anstelle von dO° gewählt werden kann, wenn der Polarisator aus Natriumnitrat besteht. Dann taucht der 0 Strahl senkrecht zu dem einfallenden Strahl E auf und der optische Kreis kann rechtwinklig sein» Das mit einem Scheitelwinkel von ögö = k5 ausgerüstete Prisma hat natürlich einen größeren Reflexionsfaktor R als das Prisma mit <2D * kO°, wie die Tabelle I zeigt.

Wirkung der Drehung»

Bis zu diesem Punkte wurde angenommen, daß keine Drehung im inertialen Raum auf den drehempfindlichen Polarisations-Wandler einwirkt. In diesem Falle bleiben die beiden in entgegengesetzter Richtung um den optischen Kreis reisenden Lichtkoeponenten unverändert und keine Umwan ellung der Polarisationsform findet statt. Die Phasenverschiebung des Polarisations-Wandlers 1 in Fig. 1 bleibt null.

Die Lage ändert sich dagegen, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Achse, die normal auf der Ebene des optischen Kreises steht, stattfindet. Dann werden gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie zwei Beobachter, die in entgegengesetzter Richtung um einen geschlossenen Weg, der sich im inertialen Raum dreht, eine kleine Vergrößerung oder Verkleinerung der Uhrzeit wahrnehmen. Der Zeitunterschied Δ t ist abhängig von der Lichtgeschwindigkeit c, der Drehgeschwindigkeit CO im inertialen Raum und der Fläche A , die vom Lichtweg eingeschlossen wird.

ι) λ jty\ , χ, 4 j_Ä 4 A

Obgleich die beiden Beobachter auf genau demselben Weg reisen, haben sie den Eindruck als hätten sie verschiedene Entfernungen zurückgelegt, die augenscheinlich um den Betrag 2l ρ verschieden sind«

109851 /1008

" ^2k " 2122220

2) Δ b - CAf -

r c

Dieser Wegunterschied verursacht eine Phasenverschiebung

zwischen den sich in entgegengesetzter Richtung fortbewegenden Lichtkomponenten E und O von der Große:

₃₎ & cf-. if ΔΙ, » i£ . JL - cc

^X Λ c'

wobei /Λ die Wellenrichtung des Lichtes bedeutet.

Die Betrachtung zeigt, daß sich der Polarisations-Wandler 1 wie eine herkömmliche Wellenplatte benimmt. Das einfallende Licht wird in zwei Komponenten aufgespalten. Obgleich beide Komponenten dieselbe physikalische Weglänge mit der Lichtgeschwindigkeit durchschreiten, wirkt sich die Änderung der Uhrzeit genau so aus, als ob sie mit verschiedenen Geschwindigkeiten gereist wären. Eine ähnliche Situation besteht in einer herkömmlichen Wellenplatte, in der die beiden Komponenten denselben geometrischen Abstand, aber mit verschiedener Geschwindigkeit durchschreiten und dadurch mit einer relativen Phasenverschiebung wieder auftauchen.

Die Phasenverschiebung des Polarisations-Wandlers 1 ist jedoch keine Konstante, sondern eine Funktion der Drehgeschwindigkeit LQ , der das System ausgesetzt ist. Die Situation ist ähnlich wie bei einer Pockel Zelle, nur daß deren Phasenverschiebung eine Funktion der angelegten Spannung ist.

Wenn, wie in der Fig. 1, linear polarisiertes Licht, das einen Azimutwinkel von k3° gegenüber der optischen Achse des Polarisators hat, einfällt, wird das Licht, falls eine Drehgeschwindigkeit OJ besteht, in elliptisch polarisiertes Licht mit demselben Azimut umgewandelt, wobei sich die kleine Achse der Ellipse proportional mit dem sinus OJ vergrössert. Wenn der sin dj = 1 wird, taucht nur zirkulär po-

109851/1008

212292G

larisiertes Licht auf. Eine weitere Vergrößerung von CO verursacht wieder elliptisch polarisiertes Licht, aber mit einem Azimutwinkel, der um 90 verschieden ist.

Der Drehsinn des auftauchenden zirkulär polarisierten Lichtes hängt von dem Drehsinn der Winkelgeschwindigkeit ab. Ein positives UJ verursacht rechtssinnig zirkulär polarisiertes Licht, ein negatives UJ , zirkulär polarisiertes Licht, das linkssinnig rotiert.

Die Ellipse des hervorgebrachten elliptisch polarisierten Lichtes bleibt jedoch im allgemeinen Fall sehr schlank, so daß ohne einen meßbaren Fehler zu begehen, angenommen werden kann, daß die kleine Achse der Ellipse proportional mit (aJ wächst«

In dem Falle, in dem das in den Wandler einfallende Licht zirkular polarisiert ist, wird eine Umwandlung in linear polarisiertes Licht durch die Drehgeschwindigkeit stattfinden. Es passiert hier genau das gleiche wie bei den herkömmlichen Wellenplatten. Weitere Ex'läuterungen können daher erspart bleiben.

Auflösungsvermögen.

Das Grundproblem bei dem drehempfindlichen Polarisations-Wandler besteht in der Messung von sehr kleinen Geschwindigkeiten. Der Schwungrad-Kreisel,der in den letzten Jahrzehnten zu einer hohen Empfindlichkeit entwickelt wurde, ist heute im Stande, Winkelgeschwindigkeiten von weniger als . 1/100 pro Stunde zu messen. Um konkurrenzfähig zu sein, soll te daher der drehempfindliche Polarisations-Wandler ähnliche Genauigkeiten aufweisen.

Bevor es gezeigt werden kann, wie die Meßgenauigkeit des drehempfindlichen Polarisations-Wandlers erhöht werden kann, soll zuerst die kleinste Drehgeschwindigkeit ermittelt werden

109851/1008

2'i2282Ü

die das System der Fig. 1 fähig ist, zu messen. Die Erfahrung zeigt, daß mit dem herkömmlichen Analysator wie ihn die Fig. : enthält, ein Phasenunterschied Δ <I kleiner als 1/10 Bogensekunden festgestellt werden kann. Wenn die Fläche A, die von dem optischen Kreis des Wandlers 1 umschlossen wird 1/10 qm groß ist und die Wellenlänge Λ. des Lichtes 5000 A angenommen wird, dann ergibt sich gemäß Gleichung 3 für die kleinste meßbare Winkelgeschwindigkeit

j ,/

(jQ — ._ · — = 6 pro Stunde

*7ξ A

Ein drehempfindlicher Wandler dieser Größe würde also im Stande sein, die Hälfte der Erddrehungsgeechwindigkeit in 50 geographischer Breite zu bestimmen. Der Wandler ist demgemäß noch mehr als zwei Größenordnungen unempfindlicher, als ein guter Schwungrad-Kreisel.

Bei der Messung achwacher Signale mit einem Photodetektor spielt das Störgeräusch eine große Rolle. In dem beschriebenen Gerat besteht das Signal aus periodischen Helligkeitsschwankungen am Photosensor 10, die durch die zirkulär polarisierte Lichtkomponente erzeugt werden. Dabei wird das Störgeräusch sowohl in dem optischen Teil des Systems als auch in dem Photodetektor selbst und den Verstärkern erzeugt.

Eine Hauptquelle des Störgeräusches ist das Hintergrundlicht, das durch statistische Schwankungen in seiner Helligkeit die Empfindlichkeit begrenzt. In der beschriebenen Anordnung muß daher die linear polarisierte Lichtkomponente, die bemerkenswert groß im Verhältnis zur zirkulär polarisierten Lichtkomponente ist, als die überwiegende Ursache für das Störgeräusch aufgefaßt werden.

In dem oben angeführten Beispiel, in dem der Phasenwinkel Λ S von 1/10 Bogensekunden gemessen wird, ist das Verhältnis der kleinen zur großen Achse der Ellipse, die die Spitze des Lichtvektors beschreibt, 1/2 x 1O~ . Das ergibt ein Verhältnis der Intensität der periodisch schwankenden

109851/1008

zirkular polarisierten Lichtkomponente ΛI zu der Hinter-

A T — 1*»

grundhelligkeit I von = l/k χ 10 . Dieses Ver-

Al ^av Γ«*
hältnis ' ist sogar noch ungünstiger, weil in jedem praktisch ausgeführten Gerät zusätzlich ein gewisser Betrag von unpolarisiertem Licht, das durch Mängel im Polarisator, durch Staub und Polarisation an den Oberflächen hervorgerufen wird, vorhanden ist.

Wenn wir annehmen, daß das erzeugte Störgeräusch N mit der Wurzel des Hintergrundlichtes wächst, so daß die Formel N=K yl gilt, wobei K eine Konstante bedeutet, dann ist es klar, daß das Signal nur bis zu einem gewissen Punkt durch Erhöhung der Intensität der Lichtquelle vergrößert werden kann, um maximale Anspruchempfindlichkeit zu erreichen.

Das Verhältnis -? kann augenscheinlich auf zwei Arten

vergrößert werden. Entweder durch Vergrößerung des ursprünglichen zirkular polarisierten Lichtsignals Δ 1 oder durch Verkleinerung des Hintergrundlichtes I .

Die erste Methode erfordert einen größeren und wirksameren Polarisations-Wandler. Die zweite Methode benötigt eine Verkleinerung des Hintergrundlichtes 1 , ohne daß dabei gleich-

flV

zeitig das ursprüngliche Signal 4 I verkleinert wird. Falls es gelingt, nur das Hintergrundlicht zu verkleinern, dann kann die Helligkeit dor Lichtquelle und damit das Signal A I weiter erhöht werden. Für die Verkleinerung des Hintergrundlichtes ist offenbar ein Filter nötig, da» das linear polarisierte Licht herabsetzt, dem zirkular polarisierten Licht jedoch erlaubt, ungehindert hindurchzugehen. Ein solches Filter ist in der Tat ausführbar, wenn der modifizierte Polarisator der Fig. 5 in einer Weise gebraucht wird, wie sie die Fig. 7 zeigt.

Die optische Schaltung der Fig. 7 ähnelt weitgehend derjenigen der Fig. 1. Nur der Polarisator 5, der Strahlteiler 6 und der Spiegel 7 in Fig. 1 sind in der Fig. 7 durch einen zweiten

109851/1008

- 28 - 212232Ü

zusätzlichen modifizierten Polarisator 26 ersetzt, wie er bereits in der Fig. 5 dargestellt ist. Die Lichtquelle 4, der Modulator 8, der Analysator 9 sind dagegen sowohl in Ihrer Funktion, als auch in der Anordnung, in der Fig. 1 und in der Fig. 7 identisch. Dasselbe trifft für das Anzeigesystem 3 und den Wechselstrom Generator 25 zu.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Polarisations-Wandler 1 in der Fig. 7 als eine Verbindung zwischen einer herkömmlichen Wellenplatte r vor einem Spiegel m gezeigt. Wie bereits erklärt wurde, ist diese Kombination in ihrer Funktion absolut identisch mit derjenigen des Polarisations-Wandlers 1 in der Fig. 1, ausgenommen natürlich, daß eine einfache Wellenplatte nicht drehempfindlich ist. Für diese speziellen Erläuterungen ist jedoch die Drehempfindlichkeit nicht von besonderer Bedeutung. In diesem Falle können wir daher annehmen, daß die Wellenplatte r eine kleine konstante Phasenverschiebung verursacht.

Die optische Achse der Wellenplatte r in Fig. 7 ist wieder um einen Winkel von 45 gegen die Schwingungsebene des einfallenden linear polarisierten Lichtes geneigt, wie das auch in der Fig. 1 der Fall war. Die Schwingungsebene des einfallenden linear polarisierten Lichtes ist wieder durch kurze Striche angedeutet. Die Ebene der E Strahlschwingungen in der Wellenplatte r der Fig. 7» die durch den doppelköpfigen Pfeil angedeutet ist, ist identisch mit der E Strahl-Ebene des Polarisators l'i der Fig. 1. In beiden Figuren ist das übereinstimmende xy Koordinaten-System angedeutet. Die ganze Anordnung der Fig. 7» im Vergleich mit der Fig. 1, ist um einen Winkel von 45 um die Lichtstrahlachse zwischen der Lichtquelle k und dem Wandler 1, gedreht, dargestellt.

Der zusätzliche Polarisator 26 hat drei Aufgaben : Erstens das Licht, das von der Lichtquelle k ausgestrahlt wird, zu polarisieren, zweitens den Strahlteiler 6 der Fig.l zu,ersetzen und das vom Wandler 1 zurückkehrende Licht in den

1 09851 /1008

2122320

Photosensor 10 abzulenken und drittens in der abgelenkten Lichtkomponente den linear polarisierten Anteil herabzusetzen, aber gleichzeitig den vollen Betrag des zirkulär polarisierten Lichtes durchzulassen.

Was die erste Funktion des Polarisators 26 anbetrifft, so arbeitet er in der herkömmlichen Weise, indem er das von der Lichtquelle 4 einfallende Licht polarisiert. Nur der von der Lichtquelle kommende linear polarisierte Lichtanteil, der senkrecht zur Papierebene schwingt, wird durchgelassen. Der senkrecht dazu in der y Ebene schwingende Lichtanteil wird dagegen durch die obere Austrittsfläche des Polarisators 26, wie es in der Fig. 7 gezeigt ist, abgelenkt und entfernt.

Um die zweite und dritte Aufgabe des Polarisators 26 zu verstehen, müssen wir die Charakteristik für das Reflektionsvermögen der Fig. 6 heranziehen. Wenn wir zunächst wieder annehmen, daß die Phasenverschiebung durch die Wellenplatte 1 null ist, dann verläßt das zurückkehrende Licht die Wellenplatte unverändert und linear polarisiertes Licht von der gleichen Form, wie es ursprünglich einfiel, wird wieder auftauchen. Dieses linear polarisierte Licht wird durch den Polarisator wieder gradlinig und ungehindert in der entgegengesetzten Richtung hindurchgehen. Wie jedoch aus der Kennlinie E s f(&\ (Fig. 6) ersichtlich ist, passiert nicht alles außerordentlich polarisiertes Licht. Bei dem Einfallswinkel = 38° werden 27% dieses Lichtes abgelenkt.

Wenn der Polarisations-Wandler 1 eine kleine Phasenverschiebung hervorbringt, wird elliptisch polarisiertes Licht, wie es durch die Ellipse in der Fig. 7 angedeutet ist, daraus auftauchen. Wir haben uns nun zu vergegenwärtigen, daß das elliptisch polarisierte Licht aus zwei, in senkrecht zueinander liegenden Ebenen schwingenden, linear polarisierten Komponenten, die um 90 oder eine Viertelwellenlänge phasenverschoben sind und die verschiedene Amplituden haben, zusammengesetzt ist. Die maximale Amplitude der linearen Licht-

10985 1/1008

i ^ *: c ά L

komponente, die in der χ Ebene schwingt, stellt die große Achse der Ellipse dar. Die Größe dieser Hauptachse a bleibt praktisch die gleiche wie die Amplitude des linear polarisierten Lichtes, das ursprünglich in den Wandler 1 einfiel.

Die maximale Amplitude der linear polarisierten Lichtkomponente, die in der y Ebene schwingt, stellt die kleine Achse b der Ellipse dar, wie das in der Fig. 7 unter 27 angedeutet ist. Diese Komponente wird in dem Wandler 1 durch die Winkelgeschwindigkeit UJ erzeugt. Wie im vorhergehenden Beispiel, wird wieder der größte Anteil des linear polarisierten Lichtes, der in der χ Ebene schwingt, ungehindert den Polarisator 26 passieren. Nur 27 % werden abgelenkt.

Was die linear polarisierte Lichtkomponente mit der Amplitude b, die in der y Ebene schwingt, anbetrifft, so werden aber alle 100 % des Lichtes in den Analysator abgelenkt, wie die Kennlinie O * f (ψ) in Fig. 6, offenbart.

Infolgedessen enthält das elliptisch polarisierte Licht, das durch den Polarisator 26 in den Analysator abgelenkt wird, weniger von dem linear polarisierten Licht, das in der χ Ebene schwingt, aber all das Licht, das in der y Ebene schwingt. Die Spitze des Lichtvektors beschreibt eine Ellipse, deren große Achse verkleinert ist, wie das in der Fig. 7 unter 28 und noch einmal in der Fig. 8, in der beide Ellipsen 27 und 28 zusammen dargestellt sind, ersichtlich ist. Die Hauptachse A in der Ellipse ist um einen Faktor yR verkleinert und das Verhältnis '■ ■ hat sich um einen Faktor verbessert. ^aV

Anstatt mit dem gleichen Signal und vermindertem Hintergrundlicht I zu arbeiten, ist es auch möglich, die ursprüngliehe Hintergrundhelligkeit durch Vergrößerung der Helligkeit der Lichtquelle und auf diese Art die Intensität des Signals Δ I proportional zu erhöhen, bis das ursprüngliche Signal

A j

zum Störgeräuschverhältnis ' wieder hergestellt ist β Auf diese Art haben wir einen optischen Verstärkungsfaktor

10 9 8 51/10 0 8 ORiGINAL INSPECTED

- 31 - 2-I22P20

von —— erreicht.
H

Hier herrscht jedoch eine ähnliche Lage vor, wie im ursprünglichen optischen Kreis. Es muß sichergestellt werden, daß sich die beiden Komponenten wieder richtig zu elliptisch polarisiertem Licht vereinigen. Die Lage ist hier sogar etwas verwickelter als bei der Anwendung des Polarisators im optischen Kreis. Dort mußten der abgelenkte 0 Strahl und der durchgehende E Strahl, nachdem sie um den Kreis gereist waren, wieder vereinigt werden. Hier müssen sich der O¹ Strahl und der abgelenkte Teil des E¹ des E' Strahls des Polarisators

rv

2b vereinigen. Bei der Anwendung im optischen Kreis wird der im Polarisator I^ Fig. 1 abgelenkte E Strahlteil zweckmäßig entfernt, weil er sich in der falschen Richtung um den optischen Kreis fortpflanzen würde.

Die erste Bedingung für die Wiedervereinigung des 0' und des E¹ Strahls in dem Prisma 26a, ist Parallelismus zwischen den beiden auftauchenden Lichtkomponenten. Parallelismus in der Fortpflanzungsrichtung der beiden Komponenten b^^teht jedoch nur, wenn beide denselben Brechungskoeffizienten vor und nach der inneren Reflexion vorfinden, wie es z.B. bei einen; isotropen Material, wie'Glas, der Fall ist.

Wenn wir die Polarisatoren der Fig. 3 und der Fig. 5 ansehen, dann müssen wir feststellen, daß diese Bedingung nur für die Ausführungsform der Fig. 5 zutrifft, in der die optische Achse parallel zu der Scheitellinie des Prismas liegt. Da der Brechungskoeffizient n_Q des ordentlichen Strahles unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung in einem doppelbrechenden Medium ist, werden der Einfalls- und der Reflexionswinkel immer gleich sein.

Der Ürechungskoeffizient n., des außerordentlichen Strahles E

Ei

ist nur unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung, wenn die Richtungsänderung in eine Ebene fällt, die senkrecht zur optischen Achse liegt. Das trifft in der Ausführungsform der Fig. 5, die in der optischen Schaltung der Fig. 7 angewandt

109851/1008 ORIGINAL 4NSPECTEp

212232Ü

wird, zu. Aus diesem Grunde ist in dem Prisma 26a der Fig. 7 der Ablenkungswinkel für den E Strahl dem Einfallswinkel gleich und der E Strahl pflanzt sich auf einem identischen Weg mit dem O Strahl durch das Prisma fort.

Obgleich jedoch die geometrische Weglänge X, für beide Strahlen die gleiche ist, ist ihre optische Weglänge um den Be-

trag j£. (n_Q - n„) verschieden. Das verursacht eine Phasenverschiebung zwischen dem 0 Strahl und dem E_n Strahl von mehreren WellenLängen. Zur Kompensation dieser Phasenverschiebung wird die Wellenplatte 3O benutzt, deren optische ψ Achse 90 gegen die optische Achse des Prismas 26a gedreht ist, wie in Fig. 7 angedeutet. Die Platte 30 kann aus dem gleichen doppelbrechenden Material hergestellt sein, wie der Polarisator 26» Wenn die Platte 30 aus demselben doppelbrechenden Material besteht, muß die Dicke, bis auf einen kleinen Unterschied, gleich der Weglänge vom Prisma 26a sein, um volle Kompensation zu erreichen.

Der Unterschied in der Dicke der Platte 30 zur Weglänge wird durch die Phasenverschiebung, die die totale Reflexion erzeugt, bedingt. Gemäß den Fresnel Gleichungen wird der total reflektierte 0 Strahl um einen Winkel verzögert, der sich mit dem Einfallswinkel Φ bis zu einem Maximalwert (J 3 1Ö0 k bei φ = 90° vergrößert und der mit (J =0 bei dem Grenzwinkel φ für totale Reflexion anfängt. Die Vergrößerung folgt einer Kennlinie, die der Charakteristik

J₀ * C ( Λ ) in der Fig. k für den Polarisator 3 ähnlich is t.

Da die Phasenverschiebung bei Einfallswinkeln, die kleiner als der Grenzwinkel für die totale Reflexion sind, null ist, wird der E Strahl nicht verschoben. Das Ergebnis ist eine Phasenverschiebung zwischen dem E Strahl und dem 0 Strahl beim Austritt aus dem Prisma.

Die Kompensation dieser relativen Phasenverschiebung hat jedoch nicht sehr genau zu sein. Wenn ein Phasenwinkel von 30 übrigbJeibt, entsteht eine Situation, wie sie die Fig. 9

109851/1008

2122320

zeigt. Die kleine Achse b der Ellipse wird auf b«cos C verkleinert und eine Komponente b.sin (J « die in der gleichen Phase mit der anderen Komponenten schwingt, erscheint Diese Komponente zusammen mit dem O Strahl verursacht einen Azimutwinkel oL

Wenn der verbleibende Phasenverschiebungswinkel größer wird, z.B. 90°, dann sind beide Komponenten in Phase und setzen sich zu reinem linear polarisiertem Licht zusammen. Der Azimutwinkel dieses kombinierten linear polarisierten Lichtes vergrößert sich mit der Amplitude b. Größere Phasenverschiebungs-winkel, wie z.B. Winkel von O - l80 , führen wieder zu elliptisch polarisiertem Licht, jedoch von umgekehrtem Drehsinn, usw. Die maximal zulässige Phasenverschiebung ist durch die Kohärenzlänge des Lichtes bestimmt.

Der Verstärkungsfaktor, der mit dem Polarisator der Fig. 5 erreicht werden kann, bleibt jedoch klein, selbst, wenn ein Material von größerer Doppelbrechung als Kalkspat gebraucht wird. Mit Kalkspat ist das erreichbare Reflexionsvermögen R = 27 %· Das ergibt einen Verstärkungsfaktor R von nur 3»7·

Der Verstärkungsfaktor kann jedoch mit zwei Methoden leicht auf jeden gewünschten Wert gebracht werden.

Der erste Weg besteht darin, einen zusätzlichen partiellen Polarisator 31 in den Lichtpfad einzuschalten. Die Durchgangsachse dieses zusätzlichen Polarisators 31 muß parallel zur b Achse der Ellipse liegen. Dann wird alles Licht, das in der y Ebene schwingt, durchgelassen. Das Licht, das jedoch in der χ Ebene schwingt, wird weiter vermindert. Wenn die Amplitude des in der χ Ebene schwingenden Strahles um einen Faktor f verkleinert wird, dann ergibt sich für die Gesamtverldeinerung der Amplitude ein Betrag von ψ f R , was eine Verkleinerung der Lichtintensität um den Faktor f χ R bedeutet.

Der Polarisator muß natürlich die vorher besprochenen Eigenschaften für die Erhaltung der Gleichförmigkeit der Polarisa-

109851/1008

2-.2282G

- 3k -

tion besitzen« Es gibt viele Polarisatoren mit diesen Eigenschaften wie z.B. die Folien Polarisatoren.

Der zweite Weg besteht in der Verkleinerung des Faktors für das Reflexionsvermögen R im Polarisator 26. Das kann durch Änderung der Richtung der optischen Achse bewerkstelligt werden. Die Ausführungsform der Fig. 3, die sich sehr gut für die optische Kreis-Anwendung eignet, kann jedoch hier nicht angewandt werden, weil sich der 0 Strahl und der E_ Strahl nicht wiedervereinigen. Die beiden Strahlen verlassen das Prisma in verschiedenen Richtungen.

Das wird in Einzelheiten in der Fig. 11, die das Prisma der Fig. 3 in einem größeren Maßstab zeigt, illustriert. Die Richtung der optischen Achse wird in der Fig. 11 wieder durch Linien angedeutet. Zusätzlich werden die verschiedenen Brechungskoeffizienten gezeigt.

Der Brechungskoeffizient n_n des 0 Strahls ist in einem doppelbrechenden Medium unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung. Wenn der Brechungskoeffizient n_o von irgendeinem Punkt im Kristall als ein Vektor in verschiedenen Richtungen eingetragen wird, dann liegen die Spitzen der verschiedenen Vektoren n„ auf einer Kugel. In der Fig. 11 ist der Schnitt durch diese Kugel, der einen Kreis mit dem Radius n_o um den Mittelpunkt C darstellt, eingezeichnet.

Wenn die Endpunkte des Koeffizienten n„ in verschiedenen Richtungen von dem Mittelpunkt C aus eingetragen worden, dann bilden sie ein Rotationsellipsoid. Entlang der optischen Achse pflanzt sich der E Strahl mit der gleichen Geschwindigkeit fort, wie der 0 Strahl und der Brechungskoeffizient für beide Strahlen ist der gleiche, nämlich n_Q. Senkrecht zur optischen Achse ist der Brechungskoeffizient n„ in einem negativen Kristall, wie Kalkspat oder Sodiumnitrat, kleiner als n„. Der Querschnitt des Ellipsoids, der in die Papierebene dor Fig. 11 fällt, ist eine Ellipse, deren große Achse in die optische Achse fällt. Der Kreis mit dem Radius n.. berührt die

2122220

Ellipse an der Außenseite» Ein Kreis, der mit dem Radius n„· geschlagen wird, berührt dagegen die Ellipse an der Innenseite.

Um die Abweichung des E_n Strahls, die durch den Unterschied

der Brechungskoeffizienten vor und nach der Reflexion erzeugt wird, zu finden, wird eine einfache in der Optik oft gebrauchte Methode für die Ermittlung des Strahlenganges beim Übergang durch eine Grenzfläche, die zwei optische Medien von verschiedenen Brechungskoeffizienten trennt, angewandt. In Fig. 11 ist das Lot auf die reflektierende Fläche vom Schnittpunkt P des 0 Strahls mit dem Kreis n„ gezeichnet. Dieses Lot schneidet die Ellipse im Punkt Q. Die Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt C und dem Punkt Q gibt dann die Richtung des reflektierten Strahls E ,an,.der am Punkt M austritt. Die Entfernung vom Mittelpunkt C zum Querschnitt Q stellt den neuen Brechungskoeffizienten n„, dar, den der E Strahl nach der

c, * κ

Reflexion vorfindet. In diesem Falle ist der Index n_£, nur etwas kleiner als n„, wie die Fig. 11 zeigt.

Wenn der E„ Strahl von dem Prisma in die Luft übertritt, er-

leidet er eine zusätzliche Brechung. Die Richtung des E₁

Strahls in der Luft kann mit derselben Methode gefunden werden. Von Schnittpunkt Q wird die normale (gestrichelte Linie) zur Austrittsfläche des E_n Strahls gezogen, die den gestrichelten Kreis η = 1 für Luft im Punkte N schneidet. Die Verbindungslinie von C nach N ist dann die Richtung des E_ Strahls

in der Luft. Der E Stz-ahl selbst in der Luft wird durch eine

IV

Parallele zu C-N gefunden, die durch den Punkt M gezogen wird.

Hierbei haben wir uns allerdings zu vergegenwärtigen, daß wir es mit einem doppelbrechenden Material zu tun haben. Tatsächlich taucht der E Strahl nicht genau im Punkt M auf, sondern etwas seitlich verschoben. ü_as i_st ^_n der Fig. 11 nicht angedeutet. Die Abweichung beträgt etwa 10 .

Der Grund für diese Parallelverschiebung des E_n Strahls wird später genauer gezeigt. Hier ist eine genauere Untersuchung

109851/1008

-36- 212222Ü

überflüssig. Bei der Anwendung im optischen Kreis muß der E_R Strahl sowieso beseitigt werden, weil er sich in der falschen Richtung fortpflanzt und die Konstruktion der Fig. 11 beweist zur Genüge, daß der Polarisator der Fig. 3 für die Störgeräuschverminderung nicht geeignet ist. Der 0 Strahl und der E_n Strahl können sich infolge des Rrchtungsunterschxedes niemais wiedervereinigen.

Die Richtung des durchgehenden, nicht reflektierten E Strahls, nachdem er das Prisma verläßt, kann durch eine ähnliche Konstruktion gefunden werden. Ein Lot wird auf die reflektierende Fläche vom Schnittpunkt S des Strahls I mit dem Kreis n„ gefällt. Dieses Lot schneidet den Zirkel η = 1 für den Brechungskoeffizienten der Luft im Punkt T. Die Verbindungslinie von C nach T ist die Richtung des austretenden E Strahls.

Die Konstruktion der Fig. 11 deutet bereits den Weg an, wie die Divergenz zwischen dem E_n Strahl und dem 0 Strahl vermieden werden kann. Die optische Achse muß in eine Richtung gelegt werden, in der der Brechungskoeffizient, den der E_n

Strahl vor und nach der Reflexion antrifft, der gleiche ist.

Diese Richtung der optischen Achse ist in der Fig. 12 illustriert. Das Prisma der Fig. 12 ist identisch mit demjenigen der Fig. 11, ausgenommen jedoch, daß die optische Achse parallel zur reflektierenden Fläche, anstatt parallel zur Einfallsfläche liegt. Dadurch kommt die kleine Achse der Indexellipse für den E Strahl senkrecht zu der reflektierenden Fläche zu liegen und die Punkte P und Q in der Fig. 11 fallen zusammen. Infolge der Symmetrie der Ellipse findet der E Strahl immer den gleichen Brechungskoeffizienten n_,. nach der

inneren Reflexion vor. Dadurch wird der Einfalls- und der Reflexionswinkel immer gleich sein, unabhängig davon, mit welchem Winkel der Strahl E in das Prisma einfällt, wie aus der Fig.12 hervorgeht.

Es ist natürlich ebenfalls möglich, die optische Achse senkrecht zur reflektierenden Fläche zu legen, um Gleichheit zwi-

109851/1008

2:22320

sehen dem Einfalls- und dem Reflexionswinkel für den E Strahl zu erhalten. In der senkrechten Stellung der großen Achse der Indexellipse zur reflektierenden Fläche wird jedoch der Brechung sko effizient η , des E_R Strahls größer sein, als in der parallelen Lage. Das bedingt ein größeres lieflexionsvermögen R. Die Anordnung der Fig. 12 ist daher vorzuziehen.

In der Fig. 12 fällt jedoch der Strahl E nicht mehr wie vorher senkrecht zur optischen Achse in den Kristall ein. Als Folge davon ereignet sich Doppelbrechung. Der 0 Strahl läuft gerade durch, der E Strahl jedoch wird abgelenkt, denn unter dieser Bedingung gehorcht der E Strahl nicht mehr dem normalen sinus-Gesetz für die Strahlenbrechung.

Der Grund für die Abbiegung des E Strahls an der Oberfläche des einachsigen Kristalls durch die Doppelbrechung läßt sich leicht mit Hilfe des Prinzips von Huygens für sekundäre Wellen erklären. In einem einachsigen Kristall werden zwei Wellenfronten gebildet, die ordentliche und die außerordentliche Wellenfront. Die Wellenfront ist die Oberfläche einer Welle, die eine punktförmige Lichtquelle von einfarbigem Licht umgibt. Der Abstand der Wellenfront von der punktförmigen Lichtquelle, zu einem bestimmten Zeitpunkt, wird durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt, die sich umgekehrt proportional mit dem Brechungskoeffizienten verkleinert.

Da der Brechungskoeffizient n_Q des ordentlichen Strahls in einem doppelbrechenden Medium unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung ist, ist die Wellenfront des ordentlichen Strahls eine Kugel.

■Der Brechungskoeffizient n„ des außerordentlichen Strahls

ti

ändert sich jedoch mit der Fortpflanzungsrichtung, wie bereits erklärt wurde. Infolgedessen ist die Wellenfront wieder ein . Rotationsellipsoid. Die Wellenfront für den O Strahl wird durch die Rotation eines Kreises um die optische Achse erhalten, wobei der Radius des Kreises l/n,, ist. Die Wellenfront des E

109851/1008

O ■"< O O r η f £· · c. έ. ο <l U

Strahls wird durch die Rotation einer Ellipse mit den Halbachsen l/n_ und l/n,, erhalten, wobei die Rotation um die optische Achse l/n~ erfolgt. Diese Kreise der Ellipsen sind in der Fig. 12 um die Mittelpunkte Z und Z gezeigt. In Kalkspat und Sodiutnnitrat berührt das Ellipsoid für die Wellenfront des außerordentlichen Strahls die eingeschlossene Kugel des ordentlichen Strahls an den beiden Punkten an denen die optische Achse durch die Oberfläche geht.

Die Ablenkung des außerordentlichen Strahls im Kristall wird augenscheinlich durch die Huygens Konstruktion. Wir nehmen an, daß der Punkt Z. an der Oberfläche des Kristalls der Fig. 12 das Zentrum der Wellenfront, die spherisch für den 0 Strahl aber elliptisch für den E Strahl ist, wird eine Wellenfront A-B, die parallel zur Oberfläche des Kristalls einfällt, in zwei Wellenfronten aufgeteilt, in die Wellenfront 0 - 0 für den 0 Strahl und in die Wellenfront E. E_n für den E Strahl. Die Wellenfront 0. - O_n tangiert die Kugel, die Wellenfront E. - E_n gangiert das Ellipsoid. Beide Wellenfronten schreiten immer parallel zur Oberfläche fort, jedoch mit verschiedenen Geschwindigkeiten.

Wenn das Zentrum Z der Wellenfront mit dem Tangierungspunkt der Wellenfront 0_A - O und mit dem der Wellenfront E_A - E_Q verbunden wird, dann ergibt sich die Richtung für den E Strahl. Wie aus der Fig. 12 ersichtlich, ist der E Strahl gegenüber dem O Strahl abgelenkt. Was tatsächlich vorgeht, kann wie folgt beschrieben werden. Die Wellenfront des E Strahls bewegt sich in einer senkrechten Richtung zur Oberfläche des Kristalls fort, aber jeder begrenzte Teil davon wird ständig nach einer Seite verschoben. Als eine Folge davon, taucht der E Strahl im Punkt Z₀ anstatt im Punkt C auf.

Die Fortpflanzungsrichtung des E Strahls in der Luft wird natürlich von der Doppelbrechung nicht beeinflußt. Diese Richtung kann daher auf dieselbe Weise wie in Fig. 11 erklärt werden. Der austretende Strahl ist durch die Doppel-brechung nur

109851/1008

parallel vorschoben aber unbeeinflußt in seiner Richtung.

Nach der Reflexion weicht der E Strahl weiterhin von dem 0 Strahl ab, wie das durch die elliptische Wellenfront um das Zentrum Z_n in Fig. 12 gezeigt ist. Die Richtung des E_D Strahls wird wieder auf die gleiche Weise wie vorher gefunden, indem Z mit dem Tangiorungspunkt dor Wellenfront von E,, verbunden wird, üiese k'ellenfront liegt wieder senkrecht zum 0 Strahl. Das Ergebnis der Divergenz zwischen den beiden Strahlen ist eine Trennung zwischen ihren Austrittspunkten. Beim Austritt in die Luft wird der E Strahl wieder in eine Richtung, die paraLlel zum O Strahl liegt, zurückgebogen.

Die Konstruktion der Fig. 12 zeigt, daß Parallelismus zwischen dem auftauchenden 0 Strahl und dem E Strahl erreicht werden kann, wenn die optische Achse parallel zur reflektieren den Fläche gelegt wird, in diesem Fall tauchen jedoch die beiden Strahlen an zwei Punkten auf, die um eine gewisse Entfernung voneinander getrennt sind. Der Trennungsunterschied kann wieder zu groß sein, um eine Wiedervereinigung der beiden Strahlen möglich zu machen.

Glücklicherweise kann die Parallelverschiebung leicht mit Hilfe einer zusätzlichen Platte aus doppelbrechendem Material, deren optische Achse einen Winkel zur Strahleneintrittsfläche einnimmt, oder durch ein zweites Prisma 29» wie es in der Fig. 10 dargestellt ist, kompensiert werden. Das zweite Prisma 29 ist in seiner Gestalt, seinem Material und seiner Größe mit dem Prisma 26a identisch. Es ist in eine Lage gebracht, in der die Parallelverschiebung des E Strahls in der umgekehrten Richtung zu der vom Prisma 26a erfolgt. Dadurch tauchen der E_R Strahl und der 0 Strahl von dem Prisma 29 gemeinsam wieder am gleichen Punkt auf, und können sich so zu elliptisch polari. siertent Licht wiedervereinigen. Es kann wie vorher, dasselbe Detektorsystem, das aus der Pockel Zelle 8, dem Analysator 9 und dem Photosensor 10 besteht, angewandt werden. Außer, daß das zweite Prisma 29 die Wiedervereinigung der beiden Licht-

109851/1008 ORIGINAL INSPECTED

komponenten bewerkstelligt, verursacht es gleichzeitig eine zusätzliche Verminderung des Hintergrundlichtes.

Die beiden in Serie liegenden Prismen 26 und 29 verursachen aber wieder eine Phasenverschiebung, die durch die Retarderplatte 30 kompensiert werden kann. Es mag noch erwähnt werden, daß die große Achse der Ellipse 27 in der Fig. 10 um . gegenüber derjenigen der Fig. 7 gedreht ist. Das ist durch die Verschiedenheit der Richtung der optischen Achse im Polarisator 26 in Fig. 10 gegenüber Fig. 7 verursacht, die eine Drehung der Schwingungsebene des ursprünglich einfallenden, k linear polarisierten Lichtes um den Winkel von 90 bedingt.

Wie die Tabelle I zeigt, hat das Prisma der Fig. 12, wenn es aus Sodiumnitrat hergestellt wird, ein Reflexionsvermögen von R = 1,99% = 1/50. Die beiden hintereinander geschalteten Prismen in der Schaltung der Fig. 10 vermindern daher das Hintergrundlicht um -_■—2 = . Diese Verkleinerung kann auf jeden gewünschten Wert gebracht werden, wenn ein partieller Folien-Polarisator, wie er in der Fig. 7 gezeigt ist, zusätzlich eingesetzt wird, oder einfach ein Teil des parallelen, getrennten Strahls E_n, zwischen dem Prisma 26a und dem Prisma 29, biokkiert wird. Wenn die maximal mögliche intensität der Lichtquelle eingestellt ist, kann die Hintergrundhelligkeit am Photosensor derart verkleinert werden, daß der optimale Wert für F das Signal zum Störgeräuschverhältnis vorhanden ist. Die optimale Einstellung ist dann erreicht, wenn der maximale Vektor des Hintergrundlichtes nicht größer als der maximal mögliche Wert des Signalvektors ist, den die größtmögliche Winkelgeschwindigkeit erzeugen kann.

Mit dem einfachen drehempfindlichen Wandlersystem der Fig. 1,· dessen optischer Kreis eine Fläche von 1/10 qm einschließt, könnte eine kleinste Drehgeschwindigkeit von 6 pro Stunde gemessen werden. Durch die Einschaltung des das Störgeräusch reduzierenden Prismas, kann die Empfindlichkeit um mehrere Grössenordnungen heraufgesetzt werden. Infolgedessen ist das offenbarte Prin-zip des drehempfindlichen Polarisations-Wandler

109851/10 0 8 ORIGINAL INSPECTED

-4i- 2122820

Systems sehr gut imstande, einen genügend kleinen Winkelgeschwindigkeitswert zu messen, so daß es sehr wohl in Genauigkein wie in Größe und Einfachheit mit dem Schwungrad-Kreisel konkurrieren kann.

109851/1008

Claims

Patentansprüche.

Ein drehempfindliches System bestehend aus einer Lichtquelle,
Mitteln zum Polarisieren des besagten Lichtes,

einer Spaltungs- und Wiedervereinigungs-Vorrichtung

für die Aufspaltung eines Strahles von polarisiertem Licht, von der besagten Lichtquelle in zwei or- ψ thogonale (rechtwinklige) linear polarisierte Kom

ponenten, bestehend aus einem ordentlichen und einem außerordentlichen Strahl und für Wiedervereinigung der besagten Komponenten,

und einer Mehrzahl von Spiegeln, die derart

angeordnet sind, daß sie identisch geschlossene Pfade für die besagten Komponenten des Lichtes in entgegengesetzten Richtungen hervorbringen,

die besagte Vorrichtung ist in den besagten Pfaden angeordnet

und Mittel zur Analysierung der Polarisations-

form-Umwandlung des besagten Lichtes, nachdem es durch den besagten Kreis gegangen ist und von der besagten Spaltungs- und Wiedervereinigungs-Vorrichtung ausstrahlt.

2« Die in Anspruch 1 angegebene Kombination ein

schließend Mittel in den besagten Pfaden zum Andern

10 9 8 51/10 0 8

^HS 212292U

der Polarisations-Ebenen der austretenden orthogonalen Komponenten um 90° zwecks Wiederveroxnxgung.

3· Die in Anspruch 2 angegebene Kombination, wobei

die besagten zuletzt erwähnten Mittel aus einer Wellenplatte, wie einer Halbwellenplatte, bestehen.

k. Die in Anspruch 1 angegebene Kombination,

worin die besagte aufspaltende und wiedervereinigende Vorrichtung, die zwei orthogonalen Komponenten durch Reflexion hervorbringt und die zwei doppelbrechende einachsige Prismen enthält, die durch einen Spalt, der mit einem Medium kleinerer optischer Dichte, vorzugsweise Luft, gefüllt ist, wobei mindestens das erste Prisma gleichschenklig ist und von dem der ordentliche Strahl mit demselben Winkel auftaucht, mit dem er darin einfiel.

5. Die in Anspruch k angegebene Kombination, worin die optische Achse der beiden besagten Prismen senkrecht zu dem einfallenden Licht von der Lichtquelle und senkrecht zur Scheitellinie liegen.

6. Die in Anspruch k angegebene Kombination, worin die besagten Prismen Oberflächen haben, aus denen der ordentliche und der außerordentliche Strahl mit gleichen Winkeln austreten.

7· Die in Anspruch 1 angegebene Kombination, worin die besagte aufspaltende und wiedervereinigende Vorrichtung von jener Gruppe gewählt ist, die ein Wol— laston oder ftochon Polarisator und ein einziges doppelbrechendes Prisma einschließt, das die beiden orthogonal, linear polarisierten Komponenten durch Reflexion trennt.

109851/1008

8. Die in Anspruch 7 angegebene Kombination, worin die besagte Mehrzahl der Spiegel eine ungerade Zahl von Reflexionen umfaßt.

9· Ute in Anspruch 1 angegebene Kombination, einschließend eine zweite Vorrichtung außerhalb des geschlossenen Pfades und in dem Pfad des polarisierten Strahls, zum Durchlassen des Lichtes von der besagten Quelle zur aufspaltenden und wiedervereinigenden Vorrichtung und zum Ausfiltern des Hauptteiles der Lichtkomponente, die von der Spaltungs- und Wiedervereinigungs-Vorrichtung zurückkehrt, die in der gleichen Polarisationsrichtung liegt wie das linear polarisierte Licht, das die besagte Spaltungs- und Wiederverexnigungs—Vorrichtung passiert und die alle anderen Lichtkomponenten, die von der Spaltungs- und Wiedervereinigungs-Vorrichtung zurückkehren, durchläßt.

10. Die in Anspruch 9 angegebene Kombination, wobei die zuletzt erwähnte Vorrichtung ein Element enthält, in dem die optische Achse so gelegt ist, daß die beiden Lichtkomponenten parallel auftauchen.

11. Die in Anspruch 10 angegebene Kombination, einschließend ein zusätzliches Filter Prisma oder partieller Polarisator in dem Pfad des Lichtes, das von der besagten zuletzt erwähnten Vorrichtung ausgestrahlt wird, um das Hintergrundlicht weiter zu vermindern*

j2. Die in Anspruch 1 angegebene Kombination, wobei die besagten Mittel zum Polarisieren des besagten Lichtes und die besagte zweite Vorrichtung aus zwei doppelbrechenden einachsigen Prismen besteht, die durch einen Spalt getrennt sind, der mit einem Medium

109851/1008

2122S2G

kleinerer optischer Dichte, vorzugsweise Luft, ausgefüllt ist,

wenigstens das Prisma, das das Licht von der

Spaltungs— und Wiedervereinigungs- Vorrichtung empfängt, gleichschenklig ist, von dem der ordentliche Strahl mit dem gleichen Winkel auftaucht, in dem er darin einfiel.

13· Die in Anspruch 10 angegebene Kombination, wo-,

rin das besagte Prisma der besagten zweiten Vorrichtung seine optische Achse anders zu liegen hat als parallel zu der Oberfläche, die das Licht von der Oberfläche empfängt und anders als rechtwinklig zur Scheitel linie.

1*1. Die in Anspruch 13 angegebene Kombination, worin die optische Achse des besagten anderen Prismas, der besagten zweiten Vorrichtung parallel zur Oberfläche, die das Licht von der Lichtquelle empfängt und parallel zur Scheitellinie liegt.

15. Die in Anspruch I^ angegebene Kombination,

einschließend einer zusätzlichen polarisierenden Vorrichtung in dem pfad des Lichtes, das von der zweiten Vorrichtung zu den analysierenden Mitteln ausgestrahlt wird, um weiter einen Teil der einen Lichtkomponente herauszufiltern.

Ib. Die in Anspruch 13 angegebene Kombination, worin die optische Achse des besagten anderen Prismas von der besagten zweiten Vorrichtung, parallel zur innerlich reflektierenden Oberfläche an Luftspalt und senkrecht zur Scheitellinie liegt.

10 9851/1008

H8

2122520

17· Die in Anspruch l6 angegebene Kombination,

einschließend eine andere Vorrichtung in dem Pfad des Lichtes, das zu den analysierenden Mitteln von der zweiten Vorrichtung passiert, zwecks Kompensation der Parallel trennung, die durch die besagte zweite Vor- . richtung hervorgerufen wird.

l8. Die in Anspruch 13 angegebene Kombination, wo

bei die optische Achse des besagten anderen Prismas senkrecht zu der innerlich reflektierenden Oberfläche am Luftspalt und senkrecht zur Scheitellinie liegt.

^ 19· Die in Anspruch l8 angegebene Kombination,

einschließend eine andere Vorrichtung in dem Pfad des Lichtes, das zu den analysierenden Mitteln von der zweiten Vorrichtung aus passiert, zum Zwecke der Kompensation für die Paralleltrennung, die durch die besagte zweite Vorrichtung verursacht wurde.

20. Zum Gebrauch in einem drehempfindlichen System,

die Kombination enthaltend, eine aufspaltende und wiedervereinigende

Vorrichtung zum Aufspalten eines Strahles von polarisiertem Licht in zwei orthogonal linear-polarisierte

w Komponenten, die aus einem ordentlichen Strahl und einem außerordentlichen Strahl bestehen, und zum Wiedervereinigen der besagten Komponenten,

und eine Mehrzahl von SpiegeLn, die derart

aufgestellt sind, daß sie identische geschlossene Pfade für die besagten Komponenten des Lichtes in umgekehrter Richtung erzeugen,

die besagte Vorrichtung ist in den besagten

103851/1008

^1/9 2122S2Ü

Pfaden aufgestellt.

21. Die in Anspruch 20 angegebene Kombination« einschließend Mittel in den besagten Pfaden zur Änderung der Polarisationsebenen der austretenden orthogonalen Komponenten um 90 für die Wiedervereinigung.

22. Die in Anspruch 20 angegebene Kombination, worin die besagte aufspaltende und wiedervereinigende Vorrichtung die beiden orthogonalen Komponenten durch Reflexion erzeugt und zwei doppelbrechende einachsige Prismen enthält, die durch einen Spalt getrennt sind, der mit einem Medium von kleinerer optischer Dichte, vorzugsweise Luft, gefüllt ist, wobei wenigstens das erste Prisma gleichschenklig ist und von dem der ordentliche Strahl mit dem gleichen Winkel austritt, wie er darinnen einfiel.

23« Die in Anspruch 22 angegebene Kombination, worin die optischen Achsen der besagten zwei Prismen rechtwinklig zum einfallenden Licht von der Lichtquelle und senkrecht zur Scheitellinie sind.

2^. Eine aufspaltende und wiedervereinigende Vorrichtung für den Gebrauch mit einem optischen geschlossenen Kreis, der zwei doppelbrechende einachsige Prismen enthält, die durch einen Spalt getrennt sind, der mit einem Medium kleinerer optischer Dichte vorzugsweise Luft, gefüllt ist, wobei zum mindestens das erste Prisma gleichschenklig ist und von der der ordentliche Strahl mit dim gleichen Winkel auftaucht, mit dem er einfiel.

109851/1008

so

2-.22C2Q

25· Die in Anspruch 2^ angegebene Kombination, wo

rin die optischen Achsen von den besagten zwei Prismen senkrecht zu dem einfallenden Licht von der Lichtquelle und senkrecht zu der Scheitellinie liegen.

26. Die Kombination umfassend,

eine Lichtquelle, einen Wandler zum Empfang des Lichtes

und um es in modifizierter Beschaffenheit zurückzugeben,

und eine Vorrichtung zwischen der besagten

Lichtquelle und dem besagten Wandler zum Weitergeben des Lichtes von der besagten Quelle zu dem besagten Wandler und zum Filtern des Hauptariteils derjenigen Komponenten des Lichtes, das von dem Wandler zurückkehrt, welches in derselben Pdarisationsrichtung liegt, wie das Licht, das den Wandler passiert und all die anderen Komponenten des Lichtes, die von dem Wandler zurückkehren, passieren läßt.

27· Die in Anspruch 26 angegebene Kombination, wo

rin die zuletzt erwähnte Vorrichtung ein Element ent-

M hält, worin die optische Achse derart gelegt ist, daß

die beiden Lichtkomponenten parallel auftauchen.

28. Die in Anspruch 26 angegebene Kombination, einschließend ein zusätzliches Filterprisma oder partiellen Polarisator im Pfad des Lichtes, das von der zuletzt erwähnten Vorrichtung ausgestrahlt wird, um weiter das Hintergrundlicht zu reduzieren.

29. Die in Anspruch 26 angegebene Kombination, worin die besagten Mittel zum Polarisieren des besagten Lichtes und die besagte zweite Vorrichtung zwei doppel-

109851/1008

51 21222ΡΓ·-

brechende einachsige Prismen enthält, die durch einen Spalt, dor mit einem Medium kleinerer optischer Dichte, vorzugsweise Luft, gefüllt ist, getrennt sind,

wenigstens das Prisma, welches das Licht von

der aufspaltenden und wiedervereinigenden Vorrichtung empfängt, gleichschenklig ist, von dem der ordentliche Strahl mit dem gleichen Winkel auftaucht, mit dem er darin einfiel.

30. Die in Anspruch 29 angegebene Kombination, worin das besagte erste Prisma in der besagten zweiten Vorrichtung seine optische Achse anders als parallel zu der Überfläche des empfangenden Lichtes von der Lichtquelle und anders als senkrecht zur Scheitellinie hat.

31. Die in Anspruch 30 angegebene Kombination, worin die optische Achse des besagten anderen Prismas der besagten zweiten Vorrichtung parallel zu der Oberfläche, die Licht von der Quelle empfängt und parallel zur Scheitellinie ist.

32. Die in Anspruch 31 angegebene Kombination, einschließend eine zusätzliche Polarisations-Vorrichtung in dem Pfad des Lichtes, das von der zweiten Vorrichtung gegen die analysierenden >üttel ausstrahlt, für weitere Ausfilterung von einem Teil der Komponente des Lichtes.

33· Die in Anspruch 30 angegebene Kombination, in

der die Achse des besagten anderen Prismas von der besagten zweiten Einrichtung parallel zu der innerlich reflektierenden Oberfläche am Luftspalt und senkrecht zur Scheitellinie ist.

109851 /1008 ORIGINAL INSPECTED

2122Q2Q

3^. Die in Anspruch 33 angegebene Kombination,

einschließend eine andere Vorrichtung in dem Pfad des Lichtes, das zu den analysierenden Mitteln von der zweiten Vorrichtung zur Kompensation der Paralleltrennung, die durch die zweite Vorrichtung verursacht wird, passiert.

35· Die in Anspruch "}0 angegebene Kombination in

der die optische Achse des besagten anderen Prismas von der besagten zweiten Einrichtung senkrecht zu der innerlich reflektierenden Oberfläche an dem Luftspalt und senkrecht zur Scheitellinie liegt.

36. Die in Anspruch 33 angegebene Kombination,

einschließend eine andere Vorrichtung in dem Pfad des Lichtes, das zu den analysierenden Mitteln von der zweiten Vorrichtung zur Kompensation von Paralleltrennung, verusacht von der besagten zweiten Vorrichtung, passiert.

37· üie Methode zur Bestimmung von Drehung im

inertialen Raum, die umfaßt

Aufspaltung eines Strahls von Licht in zwei

h orthogonale Komponenten, die aus einem ordentlichen

und einem außerordentlichen strahl bestehen

Leitung des besagten ordentlichen Strahles

und des besagten außerordentlichen Strahles auf identischen entgegengesetzt laufenden geschlossenen Pfaden, wobei jede Drehung im inertialen Raum durch eine Phasenverschiebung der beiden polarisierten Kom ponenten augenscheinlich wird,

Wiedervereinigung des besagten ordentlichen

109851/1008
ORIGINAL INSPECTED

^S3

Strahls und des besagten außerordentlichen Strahls
nach dem Durchgang durch die besagten geschlossenen
Pfade,

und Analysieren der Polarisationsform-

Uiawandlung

der besagten wiedervereinigten Strahlen.

38. Die Methode, die in Anspruch 37 angegeben ist,

einschließend den Schritt zur Aufspaltung des besagten wiedervereinigten Lichtstrahls und der Herausfilterung des Hauptteils einer der Lichtkomponenten, während es
gleichzeitig dem Licht in der senkrechten Polarisationsebene erlaubt ist, zu passieren.

109851/1008