DE2804290A1

DE2804290A1 - Ringlaser-gyroskop

Info

Publication number: DE2804290A1
Application number: DE19782804290
Authority: DE
Inventors: Thomas Joe Hutchings
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1978-02-01
Publication date: 1978-08-03
Also published as: GB1593562A; IL53779A; US4152072A; JPS53134390A; JPS5539917B2; FR2379805B1; DE2804290C2; FR2379805A1; CA1089965A

Description

PATENTANWALTEE A GPfJNECKER

OiPL-ING

H. KINKELDEY

DR-ttJG.

2804290 W. STOCKMAlR

DR-ING-AeE(CAUHX

K. SCHUMANN

CR RER NAT-DlPL-PHYS

g P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR HERMAT- DIPL-CHEM

8 MÜNCHEN

Litton Systems, Inc. maximiuanstrasse*3

360 North Crescent Drive 1. Feb. 1978

Beverly Hills, California 90210 EH 12 34-8 USA

Ringlaser-Gyroskop

Die Erfindung betrifft ein Eingläser-Gyroskop. Sie ist auf ein Gyroskop dieser Art gerichtet, das lichtempfindliche Dioden verwendet, um eine seitliche Verschiebung des Interferensstreifenbildes, das von der optischen Überlagerung der beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen des Ringlasers herrührt, festzustellen.

Bisher "wurden Laser-Gyroskope dadurch abgelesen, daß nan einen kleinen Teil der Lichtenergie in den beiden Strahlen, die in den entgegengesetzten Richtungen laufen und oft als gegensinnig rotierende Strahlen bezeichnet werden, durch einen dielektrisch beschichteten Spiegel im Ringlaserpfad fallen ließ und vereinigte. Als Hinweis auf die allgemeinen Grundlagen und für eine genaue Beschreibung dieses Verfahrens der Vereinigung von Laserstrahlen wird auf das Buch: Laser Applications, herausgegeben von Monte Ross, Academic Press, Ine , Hew York, M".Y., 1971, S. 134-200 und insbesondere auf das Kapitel mit dem Titel "The Laser Gyro", S. 139-14-1 verwiesen. Die Vereinigung geschieht unter Verwen dung eines Prismas,' das die Strahlen mit leicht unterschied lichen Winkeln wiedervereinigt und dadurch ein Interferenz-

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streifenbild auf einer Fläche erzeugt, die die beiden Fotodioden enthält. In einem solchen System muß gede Diode kleiner sein als eine einzelne Linie des Streifenmusters, damit man eine Seitenverschiebung des Musters feststellen kann.

Der Streifenabstand ist gegeben durch die Gleichung: D = A/sin (0/2)

worin D der Abstand zwischen einander benachbarten Maximas des Streifenmusters, λ die Wellenlänge des Strahls und O der Winkel zwischen den beiden Strahlen ist. In einem typischen Beispiel beträgt der Streifenabstand etwa 3 mm und die beiden Dioden haben einen Abstand von etwa einem Yiertel des Streifenabstands, was 25% von 3 mm, d.i. etwa 3/4- iam ist. Wenn der Ringlaser um seine- Eingangsachse gedreht wird, ändern sich die Strahlfrequenzen geringfügig, wobei die eine zunimmt und die andere abnimmt. Die Frequenzänderung verursacht eine Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes. Die Rotationsgesehwindigkeit des Ringlaser-Gyroskops manifestiert sich also während des Betriebs als Seitenverschiebung des Interferenzbildes über die Fotodioden. Der Ausgang der Dioden wird in eine Logikschaltung eingegeben, die sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der Drehung des Gyroskops feststellt. Als ein anderes Funktionsmerkmal eines Ringlaser-Gyroskops ist bekannt, daß die Intensität des Laserstrahles auf optimale Bedingungen eingestellt werden muß und dies geschieht gewöhnlich unter Zuhilfenahme der Länge eines schwingenden Hohlraumes, so daß sie durch ein Servosystem Justiert werden kann, das bestrebt ist, das eingeführte Fehlersignal auf ITuIl zu bringen. Dies erfolgt in der Weise, daß einer der Spiegel in dem Weg des Laserstrahls mit einem piezoelektrischen Element und einem Wechselstromoszillator in Schwingungen versetzt wird. Wenn

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zv/ei weitere Fotodetektoren hinter einem weiteren Spiegel angebracht werden, überwacht jeder Detektor im Prinzip die Strahlintensität eines der beiden entgegengesetzten Strahlen. Die in den Detektoren erzeugten Ausgangssignale werden summiert und in eine Schaltung eingegeben, die die nominelle Hohlraumlänge so einstellt, daß eine maximale Strahlintensität erzielt vdrd. Was eine gündliche Erläuterung einer derartigen Schaltung angeht, wird auf den ITASA Report Fr. CR-132261 mit dem Titel "Design and Development of the AA1300Ad02 Laser Gyro" von T.J.Podgorski und D.M.Thymian, 1973, S.10 und 11 verwiesen. Die Hauptschwierigkeit beim Summieren der beiden Signale besteht in der Anpassung der Verstärkung der beiden Fotodetektoren. IJm sicherzustellen, daß das kombinierte Signal wirklich aus den richtigen Proportionen der beiden Fotodetektoreingänge besteht, muß der Verstärkungsgrad der beiden Detektoren mit Hilfe äußerer Elektronik angepaßt werden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein vereinfachtes, genauer arbeitendes Lesesystem für Einglaser-Gyroskope, das mit einem günstigeren Kauschabstand arbeitet, konstruiert werden könnte, wenn es möglich wäre, einige der bisher zur Erzeugung des Interferenzstreifenbildes benutzten optischen Teile wegzulassen. Der Gedanke einer Weglassung optischer Teile führte zu dem Schluß, daß eine solche Möglichkeit realisiert werden könnte, wenn der Fotodetektorteil des Lesesystems derart angebracht würde, daß er in dem Interferenzstreifenbild liegt, das unmittelbar im Bereich des Schnittpunktes der beiden Strahlen geformt wird, der seinerseits unmittelbar hinter einem teildurchlässigen Spiegel des Einglasers liegt. Der Gedanke war also, die angestrebte Vereinfachung dadurch zu erreichen, daß man das Interferenzstreifenbild im Bereich des Strahlschnittpunktes benutzt, der unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Spiegel liegt. Es war selbstverständlich bekannt,

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daß in diesem Bereich ein Interferenzbild existieren muß, weil die beiden Strahlen, wenn sie von einem teildurchlässigen Spiegel reflektiert werden, aus geometrischen Gründen notwendigerweise einen derartigen Schnittbereich unmittelbar hinter dem Spiegel bilden müssen. Vor der Erfindung war jedoch keine Ausnützung des Interferenzstreifenbildes in diesem Bereich möglich- Vielmehr ließ man in bisherigen Systemen die Strahlen hinter diesem Bereich'weiterlaufen, wo sie divergieren, und dann irarde einer der Strahlen unter Verwendung zusätzlicher optischer Elemente zurückgexiorfen, so daß das Interferenzstreifenbild sozusagen in einem entfernteren Bereich neu erzeugt werden mußte. Es ist einer der grundlegenden Erfindungsgedanken, erkannt zu haben, daß der Wegfall strahlablenkender Prismen oder anderer optischer Elemente möglich gemacht würde, wenn der Fotodetektor unmittelbar in dem Bereich direkt hinter einem teildurchlässigen Spiegel aufgebaut werden könnte, wo aufgrund der Strahlkreuzung ohne zusätzliche reflektierende Elemente das Interferenzstreifenmuster erzeugt wird.

In Weiterführung dieses Gedankens basiert die vorliegende Erfindung auf dem Prinzip, daß der erwünschte Effekt erzielbar ist, wenn die Fotodetektoreinheib, die den Fotodetektor oder Fotodetektoren, gewöhnlich wenigstens eine Fotodiode, umfaßt, so konstruiert wird, daß sie einen Teil eines Laminats bildet.

Das Wort "Laminat", wie es durch diese Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, soll sich auf ein Gebilde aus verhältnismäßig dünnen Schichten, die jeweils mit der benachbarten Schicht in Oberflächenkontakt sind, beziehen, wobei die gegenseitige Lage dieser Schichten mit irgendeinem geeigneten Mittel festgehalten werden kann. Das Laminat in obigem Sinn braucht also nicht unbedingt eine Oberflächenbindung zwischen den Schichten haben. Nach Wunsch

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können auch mechanische Mittel verwendet werden, um die Schichten in Oberflächenkontakt zu halten, wenngleich sich eine Oberflächenbindung der Schichten des Laminates der erfindungsgemäßen Fotodetektoreinheit als am zweckmäßigsten erwiesen hat.

In weiterer Verfolgung der Überlegungen, die zu den die Basis der vorliegenden Erfindung bildenden Grundgedanken führten, wurde gefunden, daß das Fotodetektor-Laminat am wirkungsvollsten oberflächengebunden werden konnte auf einem der teildurchlässigen Spiegel des Einglaser-Gyroskops, wobei ein solcher Spiegel ein üblicher Bestandteil dieser Instrumente ist. Dann kann das kombinierte Laminat aus einem üblichen teildurchlässigen Spiegel mit dem die erfindungsgemäße Potodetektoreinheit darstellenden Laminat als ein einziges Laminat angesehen werden, das dann das angestrebte Resultat seitigt, nämlich die Fotodetektoreinheit genau in dem Beraicli der Strahlkreuzung anzubringen, der unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Spiegel liegt, umso mehr als die gesamte Einrichtung dann ein einsiges Laminat ist, das sowohl das gebräuchliche Spiegellaminat als auch das erfindungsgemäße Fotodetektorlaminat umfaßt.

Weitere Vorteile werden durch die Erfindung erzielt, da ja die Laminatstruktur der Fotodetektoreinheit es ermöglicht, Fotodioden mit großer Oberfläche zu verwenden. Die Ausgangscharakteristik solcher Fotodioden zeigt einen vorteilhafteren Rauschabstand im Vergleich zu bisher verwendeten Fotodioden, die zur Bestimmung der Verschiebung des Interferenzstreif enbildes eine Größe haben mußten, die im Vergleich zur Linienbreite des Streifenmusters klein war. Dies ist das Resultat eines Maskierungsverfahrens, das eine Maske aus dunklen und lichtdurchlässigen Linien benützt, deren Verwendung durch die geschichtete Struktur der Fotodetektοreinheit, die sich leicht auf dem teildurchlässigen Spiegel durch Oberflächenbindung anbringen läßt, wesentlich

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vereinfacht wird. Einzelheiten dieser Konstruktionen sind im Rahmen der Beschreibung der Figuren weiter erläutert.

Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Ringlaser-Gyroskop vorgesehen, dessen Spiegel wenigstens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der aus einer geschichteten Struktur besteht, die eine hochreflektierende Schicht auf einem tragenden Substral umfaßt, wobei im Betrieb ein proportionaler Anteil des Lichtes beider gegensinnig laufender Strahlen durch den teildurchlässi gen Spiegel zu einem Strahlkreuzungsbereich läuft und ein Interferenzstreifenbild aus Linien hoher Intensität und geringer Intensität mit einem praktis ch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien erzeugt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops mittels eines Fotodetektors feststellbar ist, dessen Ausgatgssignal eine Funktion der Seitenverschiebung des Streifenbildes ist, und wobei das Ringlaser-Gyroskop eine Fotodetektoreinheit aufweist, die ein Laminat ist, das einen !Teil der Schichtstruktur des teildurchlässigen Spiegels bildet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die hochreflektierende Schicht auf derjenigen Oberfläche des Substrats angebracht, die von den Strahlen weg gerichtet- ist.

Das Merkmal einer geschichteten Fotodetektoreinheit ist günstig, um eine Anordnung zu schaffen, bei der die Fotodetektoreinheit in dem Strahlkreuzbereich angebracht ist, in dem die Teile der beiden Strahlen, die durch den Spiegel gehen, aufgrund der Kreuzung der Strahlrichtungen sich überlagern.

In dem dargestellten und weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Fotodetektoreinheit eine Maske auf,

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die von lichtabsorbierenden Linien gebildet wird, die \xn lichtdurchlässigen Linien mit einem gleichmäßigen Abstand getrennt sind, der von dem Abstand zwischen den Linien des erwarteten Interferenzbildes verschieden ist, xrobei die Maske in Strahlkreuzungsbereich nächst zweier Fotodioden angebracht ist, von denen jede Licht aus einem von zwei Bildfeldern empfängt, dessen Intensität sich von derjenigen , die die andere Fotodiode empfängt, unterscheidet, sobald die Linien des Interferenzbildes bezüglich den Linien der Maske asymmetrisch liegen, aufgrund der Tatsache, daß die Maske einen Teil des Interferenzbildlichtes ausblendet, wobei die auf eine Fotodiode fallende Lichtintensität eine Funktion des Maßes der Seitenverschiebung des Interferenzmusters von einer Symmetrielage bezüglich der Maske ist. Vorzugsweise werden zwei relativ großflächige Fotodioden benutzt, von denen jede etwa die Hälfte der gesanten verfügbaren Lichtenergie des Interferensbildes, vermindert um die von der Maske absorbierte Lichtenergie, empfängt. Zudem kann in dem Laminat noch eine weitere unmaskierte Fotodiode enthalten sein, die praktisch die gesamte Lichtenergie des Interferenzmusters empfängt und deren Ausgang die Hohlraumlänge des Einglasers steuert. In der Praxis können alle drei Dioden gemeinsam auf einer Schicht des Laminats angebracht sein.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die beiden entgegengesetzt gerichteten Strahlen eines Einglasers zerlegt und die vereinigten kleinen Anteile der Strahlen formen dann unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Spiegel ein Streifenbild, in dem eine Gruppierung lichtempfindlicher Flächen relativ großflächiger Fotodioden angebracht ist. Zwei solche lichtempfindliche Flächen dienen dazu, die Intensität des Interferenzbildes auf den zwei Seiten einer zwischen den beiden Fotodioden durchgelegten Symmetrieebene zu überwachen. Die Ausgangssignale, die in diesen

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lichtempfindliciien Flächen erzeugt werden, dienen dazu, die Drehgeschwindigkeit des Hinglaser-Gyroskops und damit des das Gyroskop tragenden Körpers festzustellen.

Wenigstens eine weitere, dritte lichtempfindliche Diode mittelt die Gesamtintensität des Interferenzbildes über dessen ganze Fläche und erzeugt somit ein Signal, das die Summe der Lichtintensitäten in den beiden Strahlen darstellt. Dieses Signal wird zu einem Standard-Rückführungskreis geleitet, der zur Steuerung der Hohlraumlänge dient.

Gemäß einer besonders geeigneten Anordnung der Fotodetektoren umfaßt die Fotodetektoreinheit drei gegenseitig isolierte großflächige lichtempfindliche Dioden auf einem gemeinsamen Substrat, die unmittelbar hinter einem dielektrisch beschichteten, teildurchlässigen Spiegel des Einglaser-Gyroskops angebracht sind. Ein kleiner Anteil der Laserstrahlen geht durch den Spiegel in der gleichen Weise, wie bei den üblichen Interferenzerzeugungsverfahren. Das im Strahlkreuzungsbereich, wenn die Strahlen teilweise durch den Spiegel gehen, erzeugte Interferenzstreifenbild besteht aus Linien, die für einen gleichseitigen, dreieckigen Ringlaser einen Abstand von etwa 1,9/um (75 microinch) haben« Eine Maske paralleler lichtabsorbierender Linien bedeckt die beiden symmetrisch angeordneten Fotodioden. Die lichtabsorbierenden Linien der Maske haben voneinander einen gleichmäßigen Abstand, der geringfügig verschieden ist von dem gleichmäßigen Abstand zwischen den Linien des zu erwartenden Interferenzbildes. Wenn sich das Interferensbild nach der Seite verschiebt, nehmen diese beiden Dioden die Verschiebung wahr und damit auch die Drehgeschwindigkeit des Gyroskops. Die Ausgangssignale dieser beiden Dioden in der Form von Strömen werden einer Logikschaltung zugeführt, die diese Drehgeschwindigkeit und auch die Drehrichtung des Gyroskops nach üblichen Verfahren bestimmt.

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Die dritte Fotodiode, die sich in geeigneter Weise über die gesamte Interferenzbildfläche erstreckt, dient zur Servosteuerung der Hohlraumlänge. Die Strahlintensität wird periodisch variiert, indem die Hohlraumlänge mittels eines piezoelektrischen Elementes in Schwingungen versetzt wird, wie oben beschrieben. Das in der dritten Diode erzeugte Signal stellt die Summe der Lichtintensitäten der beiden Strahlen dar und wird an einen Rückführungskreis zur Steuerung der Hohlraumlänge angelegt. Diese Schaltung regelt die Länge des Hohlraums so, daß die Laserstrahlintensität ein Maximum wird.

Die Maske und die Fotodioden sind zu einem Laminat vereinigt, das direkt auf der Rückseite des Spiegels angebracht ist, so daß eine einfache geschichtete Struktur gebildet ist.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt also in einem Ringlaser-Gyroskop, dessen Ausgangsfotodetektoreinheit ein geschichtetes Gebilde ist, das drei elektrisch, gegeneinander isolierte Fotodioden auf einem gemeinsamen Substrat umfaßt und unmittelbar hinter einem mehrschichtigen, dielektrisch beschichteten teildurchlässigen Spiegel, der eines der reflektierenden Elemente des Ringlasers darstellt, angebracht ist. Ein kleiner Anteil der auf den Spiegel fallenden Lichtenergie der Strahlen geht durch den Spiegel und fällt auf die Fotodioden. Zwei dieser Dioden sind derart maskiert, daß sie ein Überlagerungssignal erzeugen, das eine Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes, das im Kreuzungsbereich der beiden entgegengesetzt gerichteten Strahlen im Ringlaser entsteht, darstellt. Das resultierende Ausgangssignal dient dazu, die Rotationsgeschwindigkeit des Ringlaser-Körpers

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zu bestimmen. Die dritte Diode summiert die Lichtintensität des Interferenzbildes und erzeugt ein Ausgangssignal, das in einer automatischen Regelung an eine Steuerschaltung für die Hohlraumlänge angelegt wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines mehrschichtigen, dielektrisch beschichteten Spiegels und einer laminierten Fotodetektoreinheit,

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht der Maske, die einen Teil der laminierten IOtodetektoreinheit der 3?ig. 1 bildet, wobei die Zeichenebene parallel zur Ebene des mehrschichtigen dielektrisch beschichteten Spiegels der Fig. 1 liegt,

Fig. 3 die Orientierung der Fotodiodengruppierung auf dem gemeinsamen Substrat, das ebenfalls einen Teil der laminierten Fotodetektoreinheit der Fig. 1 bildet, wobei die Orientierung die gleiche ist wie in Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Interferenzbildes, das im Strahlkreuzungsbereich hinter dem Spiegel der Fig. 1 entsteht, die zeigt, wie die Maske unterschiedlichen Anteilen des Lichtes des Bildes erlaubt, auf die beiden Fotodetektoren zu fallen, wobald das Interferenzbild eine asjnnmetrische Lage bezüglich der Maske hat,

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Fig. 5 eine schematische Darstellung des Laserkörpers der Fotodetektoreinheit und der Schaltung sur Steuerung der Hohlraumlänge und zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit.

1 ist eine Seitenansicht eines geschichteten Gebildes aus einem mehrschichtigen, dielektrischen beschichteten Spiegel und einer Fotodetektoreinheit. Auf der Seite eines transparenten Substrates 12, die den beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen 22 und 24- des Einglasers zugekehrt ist, befindet sich ein mehrschichtiger Antireflexbelag 10, der die Reflexion der Strahlen bei ihrem Eintritt in das Substrat vermindert. Auf der Rückseite des Substrats ist ein hochreflektierender mehrschichtiger dielektrischer Belag 14 angebracht, der einen Großteil der Lichtenergie der Strahlen 22 und 24 in das Substrat 12 und durch den Antireflexbelag 10 zuriickreflektiert, us die Laserfunktion im Betrieb aufrechtzuerhalten.

Da der Belag 14 teildurchlässig ist, kann ein kleiner Anteil der Laserstrahlen 22 und 24 durch den mehrschichtigen, dielektrischen, hochreflektierenden Belag 14 durchgehen. Die Anteile der Lichtenergie in den Strahlen, die also in die Fotodetektoreinheit eindringen, die von dem aus Schichten 16,18,20 und 26 bestehenden Laminat 13 gebildet ist, siehe hierzu Fig. 1, wobei die Schicht 18 eine Maskierungsschicht ist, erreichen die Gruppierung von Fotodioden 32,34 in der Schicht 26 des Laminates 13· Die Schichten 16,20 sind übliche Antireflex-Isolatoren, die polarisiertes Licht in einer Richtung durchlassen, aber in der anderen Richtung sperren. Diese Schichten verhindern daher eine Reflexion von Licht von der Maske und von den Fotodioden zurück in den Ringhohlraum. Die verschiedenen Schichten sind lediglich zur Verdeutlichung ihrer räumlichen An- '

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Ordnung, aber nicht maßstabgerecht gezeichnet. Die Schichten 10,16,18 und 20 sind im typischen Fall 100 nm (100 A⁰) dick und der Spiegelbelag 14 hat in einem typischen Fall eine Dicke von 2000 nm (20 000 A⁰). In Fig. 1 sind die beiden Strahlen schematisch durch ihre Mittellinien mit Doppelpfeilen dargestellt, aber es sind noch Konturlinien 15, 17,19 und 21 dazugefügt, um zu zeigen, daß die tatsächliche Breite der Strahlen im Einklang steht mit der Oberfläche des Laminates 13.

TJm das bisher Beschriebene und Erläuterte zusammenzufassen: Das hierin offenbarte Instrument ist ein Einglaser-Gyroskop, dessen Spiegel wenigstens einen teildurchlässigen Spiegel einschließen, der aus einem geschichteten Gebilde oder Laminat 13 besteht, siehe Fig. 1, das eine hochreflektierende Schicht 14 auf einem Substrat 12 aufweist, wobei während des Betriebs ein Anteil des Lichtes beider entgegengesetzt laufender Strahlen 22 und 24 dux'ch den teildurchlässigen Spiegel in einen Strahlkreuzungsbereich fällt. In diesem Bereich erzeugt dieser Anteil ein Interferenzstreifenbild aus Linien hoher Intensität und nied - . riger Intensität mit einem praktisch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien. Die Drehgeschwindigkeit des Gyroskops ist mit Hilfe eines Fotodetektors feststellbar, dessen Ausgangssignal eine Funktion der Seitenverschiebung des Streifenmusters ist, wobei eines der wichtigsten Merkmale ist, daß die Fotodetektoreinheit, die von dem Laminat 13 dargestellt ist, einen Teil der teildurchlässigsn, geschichteten Spiegelstruktur 23 ist. Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich, ist die hochreflektierende Schicht 14 auf der Oberfläche des Substrats 12 angebracht, die von den Strahlen abgekehrt ist. Demzufolge ist die Fotodetektoreinheit 13 im Strahlkreuzungsbereich angeordnet, in dem sich die Teile der beiden Strahlen 22 und 24, die durch den Spiegel 23 durchgehen, infolge der Kreuzung der Strahlrichtungen überlagern.

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Fig. 2 ist eine Vorderansicht der Masken schicht 18, die getrennt von dem übrigen Laminat 13 gezeigt ist, in Wirklichkeit aber mit dem Spiegellaminat 23, siehe Pig. 1, verbunden ist.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Gruppierung dreier gegenseitig isolierter Fotodioden 32,34- und 36 auf einem gemeinsamen Substrat, das die Schicht 26 darstellt. In Fig.2 enthält die obere Hälfte der Maskierungsschicht 18 parallele dunkle, d.i. lichtabsorbierende Linien 28 und zwischen diesen transparente Zonen, d.i. Linien 29. Die Linien 28 der Maske sind auch in Fig. 1 gezeigt. Die Linien sind parallel zu dem Interferenzstreifenmuster angeordnet, das während des Betriebs durch die Kreuzung der Strahlen 22 und 24- unmittelbar hinter dem Spiegel, d.h. im Strahlkreuzungsbereich entsteht, wo die Fotodetektoreinheit, nämlich das Laminat 13, angebracht ist. Jede dunkle Linie 28 hat otwa die Breite einer dunklen Linie im Interferenzbild und wirkt als lichtabsorbierendes Element, das den Lichtstrahl nicht durchläßt. Die transparenten Linien 29 lassen Licht durchtreten und haben annähernd die gleiche Breite wie die dunklen Linien.

Der in einem Ringlaser mit dreieckigem Körper entwickelte Interferensstreifenabstand beträgt 1,9/um (75 microinch). Jede schwarze Linie und jede helle Linie in dem Interferenzbild am Spiegel ist daher die Hälfte dieses Streifenabstandes. Die Linien 28 und 29 der Maske 18 haben einen gleichbleibenden Abstand voneinander, der etwas von dem gleichmäßigen Abstand zwischen den hellen und dunklen Linien des Streifenbildes verschieden ist,, so daß die Ilaskenlinien 28 und 29 gleiche Mengen von Lichtenergie des Streifenbildes nur dann auf jede Fotodiode 32 und 34· fallen lassen, wenn sich das Streifenbild in

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einer Symmetrie lage bezüglich, der zwischen den beiden Fotodioden 32 und 34 gezogenen Symmetrieebene 25 befindet. Eine seitliche Verschiebung des Interferenzbildes bewirkt dann eine ungleichmäßige Beleuchtung der beiden Fotodioden, wie in Fig. 4 dargestellt und weiter unten beschrieben.

Die untere Hälfte 30 der Maskierungeschieht 18 ist transparent und läßt daher den Lichtstrahl praktisch unbeeinflußt durchfallen. Der maskentragende Teil der Schicht in Fig. 2 bedeckt die Fotodioden 32 und 34- der Gruppierung auf dem Substrat, nämlich der Schicht 26 in Fig. 3» während der transparente Teil 30 der Maskierungsschicht 18, der dem unteren Teil in der Darstellung der Fig. 2 entspricht, die Fotodiode 36 mit dem größeren Flächenbereich bedeckt, um die gesamte Breite des Interferenzstreifenbildes einzufangen.

Fig. 4 ist eine schematische Seitenansicht, die das von den Strahlen 22 und 24- entwickelte Streifenmuster 38 in der Form einer Lichtintensitätscharakteristik veranschaulicht, und zwar unter der Annahme, daß es eine asymmetrische Lage bezüglich der Maskenlinien 28 und 29 hat. Die Wellenlinie 38 stellt somit die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Distanz des Interferenzbildes, das im Bereich hinter dem Spiegel errichtet wird, dar. Die Kurve 40 stellt die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Interferenzbilddistanz 38 dar, nachdem das Licht durch die transparenten Maskenlinien 29 gefallen ist und daher asymmetrisch modifiziert wurde, so daß auf die Fotodioden 32 und 34 unterschiedliche Lichtmengen auftreffen. Wie Fig. 4 zeigt, ist unter der angenommenen Lage des Interferenzbildes, wie dargestellt, die auf die Fotodiode 34 fallende gesamte Lichtmenge größer als die Gesamtlichtmenge, die auf die Fotodiode 32 fällt. Die in diesen beiden

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Fotodioden erzeugten Signale sind repräsentativ für die Intensität des Interferenzbildes 38 in den beiden Bereichen auf der einen und auf der anderen Seite der Symmetrieebene 25.

Wenn der Ringlaser in seiner Ebene rotiert, bewegt sich, das Interferenzbild 38 quer über die Maske, d.i. in Pig. 4 in horizontaler Richtung, und die Lichtintensitäten an den Fotodioden 32 und 34- ändern sich als eine > Punktion des Ausmaßes der Asymmetrie bezüglich der Symmetrieebene 25- Diese Seitenverschiebung des Interferenzstreifenmusters ist charakteristisch für die Rotations— geschwindigkeit des Ringlasers in dessen sensitiver Ebene und verursacht eine Änderung in den AusgangsSignalen der beiden Fotodioden 32 und 34·. Die Fotodioden dienen also dazu, Geschwindigkeit und Richtung der Rotation des Ringlasers in dessen sensitiver Ebene, die bekanntlich die voia Lasc-rstrahlweg eingenommene Ebene ist, festzustellen.

Es ist also deutlich geworden, daß die geschichtete- Fotodetektoreinheit 13 die Maske einschließt, die von den lichtabsorbierenden Linien 28, getrennt durch die lichtdurchlässigen Linien 29 in einem gleichmäßigen Abstand, der von dem zwischen den Linien des erwarteten Interferenzstreifenbildes verschieden ist, gebildet wird. Die Maske als Teil des Laminats ist in dem Strahlkreuzungsbereich und nahe den beiden Fotodioden 32 und 34- angeordnet, die jeweils Licht von einem der Bildfelder empfangen, das in seiner Intensität von dem von der anderen Fotodiode empfangenen Licht unterschiedlich ist, wenn die Linien des Interferenzstreifenbildes bezüglich der Linien der Maske asymmetrisch liegen. Da die Maske einen Teil des Interferenzbildliclites ausblendet, ist die auf eine Fotodiode fallende Lichtintensität eine Funktion des Maßes der seitlichen Verschiebung des Interferenzbildes aus einer Symmetrielage bezüg-

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lieh der Maske. Dadurch, wird es möglich, zwei verhältnismäßig großflächige Fotodioden zu verwenden, von denen jede annähernd die Hälfte der gesamten verfügbaren Lichtenergie des Interferenzbildes, vermindert um die von der Maske absorbierte Lichtintensität, empfängt. Wie Pig.3 zeigt, fällt das Interferenzbild im wesentlichen unbeeinflußt auf die Fotodiode 36. Das Signal, das von dieser Diode erzeugt wird, die sich auf beiden Seiten der Symmetrieebene 25 gleich erstreckt, ist repräsentativ für die Summe der Lichtintensitäten beider Strahlen, die auf diese Diode treffen. Da gleiche Lichtintensitäten beider Seiten des Interferenzbildes gleichzeitig auf die Fotodiode 36 fallen, werden die Strahlintensitäten summiert und das Ausgangssignal ist wirklich repräsentativ für die gesamte Lichtenergie im Interferenzbild. Wenn ein weiterer Spiegel, d.h. nicht der in Fig. 1 gezeigte Spiegel gemäß den Standardverfahren der Steuerung der Hohlraumlänge in Schwin -rangen versetzt wird, wird das Aus gangs sign al der Fotodiode 36 unmittelbar zu einer gebräuchlichen Steuerschaltung für die Hohlraumlänge geschickt, die Justierungen an der nominellen Hohlraumlänge durchführt, um dadurch die Strahlintensitäten zu optimieren.

Wie man sieht, nützt die hierin beschriebene Erfindung die geschichtete Struktur der Fotodetektoreinheit vorteilhaft aus, um zusätzlich eine unmaksierte Fotodiode 36 in dem Laminat vorzusehen, die praktisch die gesamte Lichtenergie des Interferenzbildes empfängt und deren Ausgang die Hohlraumlänge des Ringlasers steuert. Alle drei Dioden sind somit zweckmäßigerweise gemeinsam auf dem Substrat 26 angebracht, das eine der Schichten des Laminats 13 bildet.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ringlaser-Gyroskops und der notwendigen Schaltanordnung, um die Aus-

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gangssignale τοπ der Gruppierung der Fotodioden 32,34 und 36 der Fig. 3 zu verarbeiten. Die gezeigte Anordnung verwendet einen dreieckigen Ringlaserkörper 42 mit drei reflektierenden Flächen, die in Bauteilen 52,53 und 5^ enthalten sind, zusammen mit der erforderlichen elektronischen und Energiesteuerschaltung 62, um die beiden sich gegensinnig fortpflanzenden Laserstrahlen 22 und 24 im Inneren eines gasgefüllten Hohlraums in dem Körper 42 zu halten. Der Bauteil 54- enthält die Kombination des Spiegellaminats und des Fotodetektorlaminats 13 der Fig. 1. Während der Laserkörper 42 um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse gedreht wird, werden die Signale in den Fotodioden 32 und des Bauteils 54 durch Leitungen 44 zu einer Logik- und Datenverdichtungsschaltung 55 von Standardausführungen geschickt, die Geschwindigkeit und Richtung der Rotation feststellt und einen für diese Information repräsentativen Ausgang liefert.

Der Bauteil 52 enthält einen Laserspiegel, dessen reflektierende Oberfläche auf einem Stapel von piezoelektrischen Elementen angebracht ist. Die Regelung der Hohlraumlänge geschieht durch Einstellungen, für die die Fehlersignale verwendet werden, die dadurch erzeugt werden, daß man den Spiegel im Bauteil 52 durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente in Schwingungen versetzt, wie dies in der Technik üblich ist. Wenn der Spiegelbauteil 52 schwingt, ändert sich das Intensitätssignal in der Fotodiode 36 der Fig. 3 und dieses Signal wird über eine Leitung 46 an einen üblichen Regelkreis 58 für die Hohlraumlänge gesendet, der die nominelle Hohlraumlänge einstellt, um auf diese Weise die Strahlintensitäten im Ringlaser auf ein Maximum einzuregeln.

Das dargestellte'und beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt im Vergleich zur bisherigen Technik die Verirendung einer einzigen Gruppierung von Fotodioden in der Schicht 26, die unmittelbar hinter einem Spiegel des

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Ringlasers angebracht ist. Diese Gruppierung erzeugt die Signale, mit Rotationsdaten von den Dioden 32 und 34, die über die Leitungen 44 geschickt werden, und liefert außerdem von der Diode 36 über die Leitung 46 die für den Regelkreis der Hohlraumlänge notwendige Strahlintensitätsinformation. Eine solche Anordnung läßt sich in der Praxis durch die Verwendung einer geschichteten Fotodetektoreinheit verwirklichen und hat den Vorzug, daß ein kostspieliges und voluminöses Präzisionsprisma zum Vereinigen der beiden Strahlen überflüssig wird. Auch ist es nicht mehr notwendig, zwei gesonderte Detektoren und elektronische Ausrüstungen zur Regelung des Stellfaktors, wie sie zu bekannten Regelschaltungen für die Hohlraumlänge gehören, vorzusehen. Ferner verwendet die einzige Gruppierung elektrisch gegenseitig isolierter Fotodioden ein gemeinsames Substrat, das günstigerweise auf einem einzigen Spiegel des Ringlasers durch Oberflächen-« bindung befestigt ist.

In der Ausübung der Erfindung können auch andere Ausbildungen des Lasergyroskops und der zugehörigen Schaltung verwendet werden. So kann beispielsweise eine andere Logikschaltung benutzt werden oder die Konfiguration der Maske und/oder der Fotodioden kann modifiziert werden. Auch kann das Interferenzbild an die Fotodetektoreinheit mit Diode und Maske auch an einer anderen Stelle angelegt werden.

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Claims

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MAXIMILIANSTRASSE 4.3

Patentan s ρ r ü c h e

Y1J Ringlaser-Gyroskop, dessen Spiegel mindestens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der aus einem geschichteten Gebilde besteht, das eine hochreflektierende Schicht auf einem tragenden Substrat aufweist, wobei im Betrieb ein Anteil des Lichtes von jedem der beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen durch den teildurchlässigen Spiegel in einen Strahlkreuzungsbereich fällt und ein Interferenzstreifenbild aus Linien hoher Intensität und geringer Intensität mit einem praktisch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien erzeugt und wobei die Rotationsgeschwindxgkeit des Gyroskops mit Hilfe eines Fotodetektor feststellbar ist, dessen Ausgangs signal eine Funktion der Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes ist, gekennzeichnet durch eine Fotodetektoreinheit (13), die ein Laminat ist, das einen Teil des teildurchlässigen Spiegellaminates bildet.
2. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die hochreflektierende Schicht (14-) auf dem Substrat (12) auf dessen von den Strahlen (22,2A-) abgewendeten Oberfläche angebracht ist.

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3- Ringlaser-Gyroskop nach. Anspruch. 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet , daß die Fotodetektoreinheit (13) im Strahlkreuzungsbereich angeordnet ist, in dem sich die Teile der beiden Strahlen (22,24), die durch den Spiegel fallen, aufgrund der Kreuzung der Strahlrichtungen überlagern.
4. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Fotodetektoreinheit (13) eine Maske (18) enthält, die von lichtabsorbierenden Linien (28), getrennt durch lichtdurchlässige Linien (29) im gleichmäßigen Abstand gebildet ist, der von dem Abstand zwischen den Linien des erwarteten Interferenzbildes verschieden ist, und die innerhalb des Strahlkreuzungsbereiches und nächst zweier Fotodioden (32,34) angeordnet ist, die jeweils Licht von einem zweier leider des Interferenzbildes empfangen, wobei die von der einen Fotodiode empfangene Lichtintensität von der von der anderen Fotodiode empfangenen immer dann verschieden ist, wenn die Linien des Interferenzbildes asymmetrisch zu den Linien der Maske liegen, dadurch daß die Maske einen Teil des Interferenzbildlichtes ausblendet, wobei die auf eine Fotodiode fallende Lichtintensität eine Funktion des Ausmaßes der Seitenverschiebung des Interferenzbildes aus einer Symmetriestellung bezüglich der Maske ist.
5. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch zwei verhältnismäßig großflächige Fotodioden (32,34), von denen jede annähernd die Hälfte der gesamten verfügbaren Lichtenergie des Interferenzbildes, vermindert um die von der Maske absorbierte Lichtenergiemenge, empfängt.
6. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 4 oder 5? gekennzeichnet durch eine weitere, nicht von

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einer Maske abgedeckte Fotodiode (36) in dem Laminat, die praktisch die gesamte Lichtenergie des Interferenzbildes empfängt und deren Ausgang die Hohlraum!ange des Einglasers steuert.
7· Hinglaser-Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß alle drei Fotodioden (32,34,36) gemeinsam auf einer Schicht (26) des Laminats angebracht sind.
8. Ringlaser, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten gegensinnig umlaufender Lichtstrahlen auf einem in sich geschlossenen optischen Pfad, wobei die Frequenzdifferenz zwischen den gegensinnig umlaufenden Strahlen für die Drehbewegung des Ringlasers repräsentativ ist und wobei der in sich geschlossene optische Pfad reflektierende Flächen enthält, um die Lichtstrahlen in der in sich geschlossenen Bahn zu halten,

eine Einrichtung mit teilreflektierender Oberfläche als Teil des optischen Pfades, die einem Teil der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen in dem in sich geschlossenen optischen Pfad erlaubt, durch die teilreflektierende Fläche ohne wesentliche Brechung durchzugehen, eine Anordnung, um durch Vereinigen der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen unter praktisch dem §. eichen Winkel, in dem sie sich an der teilreflektierenden Fläche kreuzen, ein Interferenzbild zu erzeugen, eine Anordnung, zu der eine Gruppierung von wenigstens zwei elektrisch isolierten lichtempfindlichen Flächen gehört, um Ausgangssignale zu liefern, die die Intensität des Interferenzbildes an verschiedenen vorgegebenen Vinkelstellungen wiedergeben,

eine Maske zum teilweisen Abdecken wenigstens zweier der lichtempfindlichen Flächen der Gruppierung und eine Einrichtung zum Bestimmen der Drehbewegung, die

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so angeschlossen ist, daß sie die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Flächen empfängt.
9· Ringlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske parallele lichtabsorbierende Linien aufweist, die parallel zum Interferenzbild verlaufen und in Abständen angeordnet sind, die von dem Interferenzstreifenbild verschieden sind, v/ob ei die in den lichtempfindlichen Flächen erzeugten Signale für die Intensität des Streifenbildes in wenigstens zwei gegeneinander phasenverschobenen Winkelstellungen repräsentativ sind, und wobei die Ausgangssignale dazu ausgenützt werden, durch Überlagerung die Drehbewegung des Hinglasers festzustellen.
10. Einglaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gruppierung elektrisch isolierter lichtempfindlicher Flächen auf einem gemeinsamen Substrat angebracht ist.
11. Ringlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine unabgedeckte lichtempfindliche Fläche in der Gruppierung lichtempfindlicher Flächen vorgesehen ist, die dem Interferenzbild ausgesetzt ist und deren Ausgangssignal für die Summe der Intensitäten der gegensinnig umlaufenden Strahlen repräsentativ ist, wobei dieses Ausgangssignal in einer Steuerschaltung für die Länge des Hohlraums genutzt werden kann.
12. Ringlaser gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten gegensinnig umlaufender Lichtstrahlen auf einem in sich geschlossenen optischen Pfad, wobei die Frequenzdifferenz zwischen den gegensinnig umlaufenden Strahlen eine Dreh-

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bewegung des Einglasers im Trägheitsraum wiedergibt und wobei der in sich, geschlossene optische Pfad reflektierende Flächen enthält, um die Lichtstrahlen in dem geschlossenen Pfad zu halten,

eine Einrichtung mit texlreflektxerender Oberfläche als Teil des optischen Pfades, die einem kleinen Teil der in dem geschlossenen optischen Pfad gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen erlaubt, ohne merkliche Brechung durch die teilreflektierende Fläche durchzugehen, eine Anordnung, um durch Vereinigen der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen unter praktisch dem gleichen Winkel, unter dem sie durch die teilreflektierende Fläche fallen, ein Interferenzbild zu erzeugen, eine Gruppierung elektrisch isolierter lichtempfindlicher Flächen auf einem gemeinsamen Substrat in einer Lage zum Empfang des Lichts des Interferenzbildes, eine Maske zum teilweisen Abdecken zweier dieser lichtempfindlichen Flächen, die parallele lichtabsorbierende Linien hat, welche zum Interferenzbild parallel angeordnet sind und voneinander einen Abstand haben, der von dem Abstand des Interferenzstreifenbildes etwas verschieden ist, um von feeler dieser lichtempfindlichen Flächen ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für die Interferenzbildintensität an zwei gegeneinander um etwa 90° phasenverschobenen Winkellagen repräsentativ ist, eine Einrichtung zum Bestimmen der Drehbewegung des Ringlasers, die derart angeschlossen ist, daß sie die Ausgangssignale der beiden lichtempfindlichen Flächen empfängt, und

ein System zum Optimieren der Länge des in sich geschlossenen optischen Pfades, zu dem eine Einrichtung gehört, um eines der reflektierenden Elemente des optischen Pfades in Schwingungen zu versetzen, ferner eine unmaskierte

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lichtempfindliche Fläche in der Gruppierung lichtempfindlicher Flächen, die derart angeordnet ist, daß sie einen Teil des Interferensbildes empfängt, wodurch ein Signal erzeugt wird, das für die Summe der Intensitäten der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen repräsentativ ist, und einen automatischen Regelkreis, der das Ausgangssignal empfängt und die Länge der optischen Bahn so einregelt, daß die StrahlIntensitäten optimal sind.
13. Ringlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Maske und die lichtempfindlichen Flächen auf der Rückseite der teilreflektierenden Fläche angebracht sind.

14-. Ringlaser-Gyroskop, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten gegensinnig auf einem in sich geschlossenen optischen Pfad umlaufender Lichtstrahlen, wobei die Frequenzdifferenz zwischen diesen gegensinnig umlaufenden Strahlen für die Drehbewegung des Ringlasers repräsentativ ist und wobei der in sich geschlossene optische Pfad reflektierende Flächen enthält, die dazu dienen, die Lichtstrahlen auf diesen geschlossenen Pfad zu zwingen, eine Einrichtung mit teilreflektierender Oberfläche als Teil des optischen Pfades, um einen Teil der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen durch die teilreflektierende Fläche ohne merkliche Brechung durchzulassen, eine Anordnung, um durch Vereinigen der gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen unter praktisch dem gleichen Winkel, unter dem sie sich an der teilreflektierenden Fläche kreuzen, ein Interferenzstreifenbild zu erzeugen, ein erstes lichtempfindliches Element, das auf beabstandete Zonen des Interferenzstreifenbildes anspricht, um ein Ausgangssignal bei einer bestimmten Winkellage für das Interferenzbild zu erzeugen,

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ein zweites lichtempfindliches Element, das auf andere beabstandete Zonen des Interferenzstreifenbildes anspricht, um ein Ausgangssignal bei einer anderen Winkellage zu erzeugen,

eine Einrichtung zum Bestimmen der Drehbewegung, die so angeschlossen ist, daß sie die Ausgangssignale der beiden lichtempfindlichen Elemente empfängt.

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