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Beschreibung
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Ringinterferometer Die Erfindung betrifft ein Ringinterferometer mit
mindestens einem Modulator nach dem Oberbegriff des Patent an spruchs 1.
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Ringinterferometer und deren Anwendung zur absoluten Bestimmung räumlicher
Drehungen unter Ausnutzung des Sgnac-Effektes sind bekannt - siehe z.B. in der Druckschrift:
"Reviews of Modern Physics" 39, No. 2, (19,7), Seiten 475 - 493, "Sagnac-effect"
von E.J. Post.
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Zur Messung der Drehgeschwindigkeit, auch Winkelgeschwindigkeit genannt,
wird ein Lichtweg benutzt. welcher eine Fläche einfach oder mehrfach umschließt.
D. e Führung des Lichts im Lichtweg erfolgt durch Spiegel u d/oder Lichtleiter Besonders
vorteilhaft ist die Realisierung eines
Lichtweges mit Hilfe von
Lichtleitfasern, da hierdurch eine große Anzahl von Umläufen des Lichts ermöglicht
werden, Derartige Ringinterferometer sind aus der Literatur bekannt - siehe z.B;
V,Vali, R,W Shorthill, M X, Berg: "Eresnel-Fizeau effect in a.rotating optical fiber
ring interferometer", Applied Optics 16, No 10 (1977), Seiten 2605-2607. Bei bekannten
Ausführungen von Ringinterferometern treten Störungen und dadurch bedingte Verfälschungen
der Meßergebnisse aufgrund rückgestreuten und/ oder reflektierten Lichtes auf Während
sich Reflexionen durch konstruktive Maßnahmen reduzieren lassen, ist die Rückstreuung
aus der Lichtleitfaser aufgrund der Rayleigh-Streuung unvermeidlich. Das reflektierte
bzw, rückgestreute Licht am Interferometerausgang ist transmittiertem Licht, dem
Nutzlichtanteil, überlagert, Je nach Phasenlage des reflektierten Lichtes tritt
eine Erhöhung oder eine Erniearigung der aus dem Interferometer austretenden Lichtintensität
auf Da die Phasenlage des rückgestreuten Lichtes statistisch schwankt, ist auch
die aus dem Ringinterferometer austretende Lichtleistung statistischen Schwankungen
unterworfen, Derartige Phasenschwankungen des rückgestreuten Lichtes sind einerseits
auf Schwankungen der Wellenlänge des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes, andererseits
auf Lincho Woglängnßnchwankungen im Lichtweg zurückzuführen.
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Aus der nicht vorveröffentlichen deutschen Patentanmeldung P 30 06
580 ist bekannt, eine Lichtquelle :iit geringer zeitlicher Kohärenz des emittierten
Lichte zu verwenden Durch eine geringe zeitliche Kohärent ist tin großer Anteil
des rückgestreuten Lichtes mit dem transmittierten Licht
nicht mehr
interferenzfähig und kann daher nicht zu Störungen führen; Bei dieser Anordnung
treten jedoch Schwierigkeiten dadurch auf, daß das von der Lichtquelle ausgesanate
Licht räumlich transversal kohärent sein muß, um bei dessen Einkopplung in Lichtleitfasern
einen guten Wirkungsgrad zu erzielen Derartige Lichtquellen, beipielsweise Edge-Emitter-Superlumines
zenzdioden haben jedoc}l eine optische Ausgangsleistung mit einem derart kleinen
Störabstand, d.h einem derart ungünstigen Verhältnis von nutzbarer optischer Ausgangsleistung
zu störender Leitung des optischen Rauschens, daß bei einem Lichtinterfero:zeter
lediglich eine geringe Empfindlichkeit gegenüber zu messenden Winkelgeschwindigkeiten
vorhanden ist Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ringinterferometer mit hoher
Empfindlichkeit für die zu messende Winkelgeschwindigkeit anzugeben, bei dem eine
Lichtquelle mt großer zeitlicher Kohärenz sowie großem Strabstand verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst; Zweckmäßige Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
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Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das ., Ringinterferometer
gegenüber Winkelgeschwindigkeiten eine hohe Empfindlichkeit hat, deren Größe durch
einen lediglich geringeren Störlichtanteil bestimmt wird, (er auf unvollkommene
optische Bauelemente zurückzuführtin ist.
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Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Aufbau des
Ringinterrneters un&npfindlich ist gegenüber mechanischen Erschütterungen Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf
die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen FIG 1 eine schematische
Darstellung eines Ringinterferometers nach dem Stande der Technik FIG. 2 Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Ringinbis 5 terferometers FIG 6 eine grafische Darstellung,
aus der die mit einem erfindungsgemäßen Ringinterferometer erreichbare Steigerung
der Empfindlichkeit hervorgeht.
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FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer vom Stande der Technik
her bekannten Anordnung eines Ringinterferömeters zur Winkelgeschwindigkeitsmessung.
Eine Lichtquelle Q;, beispielsweise ein Laser, sendet über einen Lichtweg a Licht
an einen Strahlenteiler T, der das Licht in zwei Teilstrahlen aufteilt. Jeweils
ein Teilstrahl wird in jeweils ein Ende eines Lichtweges L, beispielsweise einer
Lichtleitfaser, eingekoppelt, die eine Fläche F ein oder mehrfach umschließt. Mit
dieser Anordnung wird errecht, daß die beiden Teilstrahlen die Flädsie F in entgegengesetzten
Richtungen umlaufen. Nach Durchlaufen des Lichtweges L werden die beiden Teilstrahlen
in des Strahlenteiler g zirlnterferenz gebracht und über einen Lichtwegb einem Photodetektor
D zugeleitet. Bei ruhendem Ringinterferometer haben beide Teilstrahlen die gleiche
Laufzeit
durch den Lichtweg L. Dreht sich der Lichtweg L um eine
Achse, die senkrecht stebt auf der Fläche F, mit der Winkelgeschwindigkeit w, so
hat der Teilstrahl, der in brehrichtung durch den Lichtweg L lauft eine größere
Lauf'zeit als der entgegengesetzt umlaufende Teilstrahl. Es enj.-steht eine Phasendiffernez
zwischen den beiden Teil strahlen 2## ist bekannt als Sagnac-Phasendifferenz. F
= nF ist die Windungsfläche des Lichtweges, wobei n die Anzahl der Windungen bedeutet.
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ist die Vakuum-Lichtwellenlänge und cO ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Anhand dieser Formel wird die ';inkelgeschwindigkeit # interferometrisch bestimmt
Einexperimentelle Bestimmung der Winkelgescbwindigkeit #, ohne Berücksichtigung
evtl. störender Reflexionen des Licltec, wird durch die Formel 1 = 1/2 1o (1 + cos
(2##)) ermöglicht, wobei I die von dem Photodetektor D gemessene Lichtintensität
und 10 die maximale, bei # = 0, auftretende Lichtintensität ist Bei bisher bekannten
Anordnungen treten Störungen, in Form eines zusätzlichen Rauschens, der von dem
Photodetektor D gemessenen Lichtintensität I auf. Diese Störungen sind darauf zurückzuführen,
daß von dem Strahlenteiler I bzw, dem Lichtweg L Licht reflektiert bzw. rückgestreut
wird. Dieses reflektierte bzw. rückgestreute Licht interferiert mit transmittiertem
Licht, dem Nutzlichtanteil.
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Dabei schwankt jedoch die Phase zwischen reflektiertem
bzw;
rückgestreutem Licht und transmittiertem Licht aufgrund unvermeidlicher Frequenzschwankungen
des von der Lichtquelle Q ausgesandten Lichtes sowie aufgrund von Weglängenschwankungen,
die im Lichtweg L auftreten, z.B. infolge mechanischer Erschütterungen der Anordnung.
Werden mt derartigen Störungen behaftete Teil strahlen im Strahleonteiler T zur
Interferenz gebracht und dann dem Photodetektor D zugeleitet, so entsteht an dessen
Ausgang ein erhöhtes Rauschen, daß die Meßempfindlichkeit, gegenüber der Winkelgeschwindigkeit
o" begrenzt. Diese Störungen werden durch die Erfindung wesentlich vermindert. Anhand
des in FIG. 2 schematisch dargestellten Ringinterferometers wird die Erfindung im
folgenden näher erläutert.
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In In den Lichtweg L ist ein Phasenmodulator MOD eingefügt, Derartige
Phasenmodulatoren sind beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift Optics Letters,
Vol. 5, Nr. 5, Seiten 1'73 bis 175, "Fiber-optic rotation sensing with low drift"
von R, Ulrich, Der Phasenmodulator MOD wird von eine Ger.erator GEN angesteuert
und bewirkt eine darartige Phasenmodulation des Lichtes, daß störende Reflerior.en
des Lichtes bzw. rückgestreutes Licht relativ zum transmittierten Licht starken
Phasenschwankungen unterworfen sind Auf diese Weise wird verhindert, daß das durch
die Winkelgeschwindigkeit beeinflußte Licht mit dem durch stntistische Störungen
modulierten Licht interferiert und so ein unerwünschtes optisches Rauschen erzeugt.
Wird die Phase des Lichtes lediglich in einem Teilstück des Lichtweges L moduliert,
so wird der Phasenmodulator MOD vorzugsweise 3n einem Ende des Lichtweges L eingefügt
Gemäß FIG. 3 wird in einer weiteren beispitlhaften Anordnung @ ganzen Lichtweg L
eine Phasenmodulation durchgeführt
Der Lichtweg L ist als einwellige
Lichtleitfaser aust;ebildet, Ein Luft- und/oder Körperschallgeber LS, bei pielsweise
ein Lautsprecher, wird von einem Generator GEN angesteuert. Ein derart erzeugter
Schalldruck wirkt auf den gesamten Lichtweg L. Aufgrund der Druckempfindlichkeit
von Lichtleitfasern erfolgt im Lichtweg L eine Phasenmodulation des Lichtes.
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Das beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsbeispie legt es nahe,
für die Phasenmodulation des Lichtes auch andere Anordnungen zu verwenden, als die
beispielhaft beschiebenen Anhand der FIG. 4 wird eine andere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Ringinterferometers beschrieben. Aus einer Vorveröffentlichung,
beispielsweise Optics Letters, 7ol 5, Nr. 5, Seiten 173 bis 175, "Fiber-optic rotation
senzing with low drift" von R. Ulrich, ist ein mit Hilfe von Lichtleitfasern hergestelltes
Ringinterferometer, auch Faserkreisel genannt, bekannt Bei einem derartigen Ringi:;terferometer
wird Licht der Lichtquelle Q, beispielsweise ein He-Ne-Laser, über einen Hilfsstrahlenteiler
HS, ein Polarisationsfilter P sowie ein Mikroskopobjetiv MO in eine einwellige Lichtleitfaser
L1 eingekoppelt. Über einen Strahlenteiler S wird das eingekoppelte Licht in die
beiden Enden eines Lichtweges L, ebenfalls als einwellige Lichatleitfaser ausgebildet,
eingekoppelt. Nach Durchlaufen des s Lichtweges L werden die beiden Teilstrahlen
wieder in dem Strahlenteiler S zusammengefügt, so daß dort die beiden Teilstrahlen
interferieren, Das derart entstaniene Licht gelangt über die Lichtleitfaser L1,
das Mikroskopo)jektiv NO, das Polarisationsfilter P an den Hilfsstrahlenteiler HS,
von wo
ein Teil dem Photodetektor D zugeleitet und dort in ein
elektrisches Signal umgewandelt wird In dem Lichtweg L ist .lein Phasenmodulator
PM eingefügt, der über einen Verstärker V von einem Generator OSZ angesteuert wird
Das elektrische Ausgangs signal des Photodetektors D wird in einem Korrelator KO
mit einem Ausgangssignal des Generators OSZ korreliert. Das derart erhaltene Ausgangs
signal wird über ein Filter TP, beispielsweise ein Tiefpaßfilter, einer Anzeigeeinheit
ANZ zugeführt, von der die gemessene Winkelgeschwindigkeit ableitbar ist, Bei dieser
beschriebenen, bekannten Anordnung wird erfindungsgemäß in den Lichtweg L der Phasenmodulator
MOD eingefügt, der eine zusätzliche Phasenmodulation bewirkt und angesteuert wird
von einem Generator GEN, der unabhängig ist von dem Generator OSZ.
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Gemäß FIG 5 besteht eine weitere Ausführungsform der Erfindung darin,
den Phasenmodulator MOD zu entfernen und statt dessen den Phasenmodulator PM über
den Verstärker V durch den Generator GEN sowie den Generator OSZ anzusteuern, Der
Verstärker V addiert das elektrische Ausgangssignal des Generators GEN sowie dasJenige
des Generators OSZ und steuert mit einem derart gewonnenen Summensignal den Phasenmodulator
PM.
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Int folgenden wird die Arbeitsweise der Anordnungen gemäß den FIG.
4 und 5 näher erläutert.
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Durch eine Phasenmodulation des Lichtes, die vorzugsweise ein Phasenrauschen
bewirkt, wird das Frequnzspektrum der Intensitätsschwankungen, das von dem Photodetektor
D emp-
fangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird,
verbreitert Durch das elektrische Filter TP wird erreicht, daß ein wesentlicher
Anteil des im elektrischen Ausgangssignals des Photodetektors D enthaltenen Rauschspektrums
abgetrennt wird Dadurch bleibt e3n elektrisches NutzXignal, das der zu bestimmenden
Winkelgeschwindigkeit entspricht, nahezu unbeeinflußt, während elektrische Signale,
die von optischen Störungsquellen erzeugt werden, nahezu vol:ständig unterdrückt
werden. Es ist vorteilhaft, die obere Grenzfrequenz f des Filters TP derart zu wählen,
daß fg ehr klein ist gegenüber dem Wert 1/(2 lt #o), wobei #o die Laufzeit angibt,
die das Licht benötigt, um bei ruhendem Ringinterferometer den Lichtweg L zu durchlaufen
In FIG. 6 ist ein Versuchsergebnis dargestellt, daß sich aus einer beispielhaften
Anordnung gemäß FIG. 4 ergibt.
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Auf der Abzisse ist in beliebigen Einheiten der Effektiv wert Geff
der Ausgangs spannung des Generators GEN au.ffigetragen. Die Ordinate zeigt in der
Einheit Grad/Sekunde den Kehrwert 1/E der Empfindlichkeit E des erfindung.gemäßen
Ringinterferometers Die Länge des lichtwegs L ist 200m, was bei einer verwendeten
Lichtleitfaser eine £aufzeit des Lichtes von #o# 1/us ergibt. Die Grenzfreqlenz
fg des Filters TP beträgt fg = 1/(10(2##o)) # 1,6 kHz. Mit diesen Werten errechnet
sich die gestrichelt dargesQellte Gerade, die beliebig verlängerbar ist, Dieses
bedeutet überraschenderweise, daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine unendlich
große Empfindlichkeit für die zu messellde Winkelgeschwindigkeit erreichbar ist.
Die Punkte stellen Meßergebnisse dar, Die ausgezogene Linie stellt eine an die Meßergebnisse
angepaßte Kurve dar Der FIG. 6 ist entnehmbar,
daß die derzeitige
Nachweisgrenze für Winkelgeschwindigkeiten bei ungefähr 0,02 Grad/Sekunde liegt,
während dem Stand der Technik eine Nachweisgrenze entnehmbar ist, die etwa um den
Faktor 10 höher liegt,
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