DE3421453A1 - Anordnung zur zitterbewegungskompensation bei ringlaserkreiseln - Google Patents
Anordnung zur zitterbewegungskompensation bei ringlaserkreiselnInfo
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Description
·-·*··' ··-" - 342H53
Anordnung zur Zitterbewegungskompensation bei Ringlaserkreiseln
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Gattung.
Ringlaserkreisel sind bekannt (US-PS 33 73 650). Dabei werden zwei Strahlen
monochromatischen Lichts bzw. Laserstrahlen in einem Hohlraum mittels Spiegeln entlang einer geschlossenen optischen Bahn um eine Drehachse in einander
entgegengesetzten Richtungen sich fortpflanzen gelassen. Ein Drehen des Ringlaserkreisels
um die Drehachse bewirkt eine Veränderung der effektiven Bahnlänge für jeden Laserstrahl, so daß sie mit unterschiedlichen Frequenzen oszillieren,
weil die Oszillationsfrequenz eines Laserstrahls von der zugehörigen Bahnlänge abhängt. Die beiden Laserstrahlen werden kombiniert, um ein Interferenzbild
hervorzubringen, aus welchem man die Drehung des Ringlaserkreisels um die Drehachse ermitteln kann.
Bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten ist die Frequenzdifferenz zwischen den beiden
Laserstrahlen gering und besteht die Tendenz, daß sie gemeinsam in Resonanz schwingen und mit nur einer Frequenz oszillieren, was als "Lock-In" bezeichnet
wird, so daß niedrige Drehgeschwindigkeiten nicht erfaßt werden können. Es ist bekannt, diesem Problem dadurch entgegenzuwirken und das "Lockin"
der beiden Laserstrahlen dadurch zu vermeiden, daß man den Ringlaserkreisel bzw. dessen Block, in welchem sich die beiden Laserstrahlen fortpflanzen,
oszilliert, also in Zitterbewegungen versetzt, und zwar um die erwähnte Drehachse
(US-PS 33 73 650, 34 67 472 und 38 79 103).
Dieses führt jedoch zu einem neuen Problem, nämlich der Einführung einer Zitterbewegungskomponente
in das Kreiselausgangssignal. Bei vielen Ringlaserkreiseln wird sie mit Hilfe von Retroreflektorprismen eliminiert, die am Kreiselgehäuse
oder Tragarmen angebracht sind, welche sich von der Mitte des Blocks zu einer Ecke desselben erstrecken. Diese Anordnungen sind gegenüber Temperaturänderungen
und mechanichen Verwindungen beim Kreiselgehäuse bzw. bei
den Tragarmen empfindlich, welche Fehler im Kreiselausgangssignal verursa-
chen. Um die Auswirkungen der Zitterbewegungen auf das mit den beiden sich
in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzenden Laserstrahlen erzeugte Interferenzbild zu kompensieren, ist es ferner bekannt, transparente, laserstrahldurchlässige
Keile zu verwenden (US-PS 33 73 650).
Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere die geschilderten Nachteile zu vermeiden
und eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welche weniger temperaturempfindlich und weniger empfindlich
gegenüber mechanischen Verwindungen ist.
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den restlichen Patentansprüchen gekennzeichnet.
Während bei konventionellen Ringlaserkreiseln das Zitterbewegungskompensationselement
am Kreiselgehäuse in der Nähe einer Ecke des in Zitterbewegungen versetzbaren Blocks angebracht ist und in der Ebene der geschlossenen optischen
Bahn liegt, entlang welcher sich die beiden Laserstrahlen im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzen, ist bei der erfindungsemäßen Anordnung
ein pasives optisches System vorgesehen, welches neben dem Block angeordnet ist, und zwar in einem Abstand von der Zitterbewegungsachse, welcher
höchstens gleich dem geringsten Abstand der geschlossenen optischen Bahn von der Zitterbewegungsachse ist. Durch diese große Nähe zur Zitterbewegungsachse
sind Fehler des Kreiselausgangssignals aufgrund von Temperaturwechseln und mechanischen Einflüssen ausgeschlossen, zumindest aber auf ein Mindestmaß reduziert.
Das passive optische System kann von einem oder mehreren Retroreflektorprismas oder Paaren einander gegenüberliegender, laserstrahldurchlässiger
Keile gebildet sein, wobei ein Keil bezüglich des Kreiselgehäuses und der andere Keil bezüglich des in Zitterbewegungen versetzbaren Blocks stationär
angeordnet ist. Zur Zitterbewegungskompensation kann ein Ringlaserkreisel-Laserstrahl
oder können beide Ringlaserkreisel-Laserstrahlen durch das passive optische System hindurchgeleitet werden. Besonders vorteilhaft ist es, zwei
Retroreflektorprismas für den einen bzw. für den anderen Laserstrahl vorzusehen,
oder zwei Keilpaare für einen Laserstrahl, welche beiderseits der Zitterbewegungsachse
angeordnet sind.
Nachstehend sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung anhand
)5 von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt schematisch:
Fig. 1 eine Draufsicht eines bekannten Ringlaserkreisels mit Anordnung
zur Zitterbewegungskompensation;
Fig. 2 das im Ringlaserkreisel gemäß Fig. 1 erzeugte Interferenzstrei
fenbild;
Fig. 3 eine Draufsicht der Photodetektormaske des Ringlaserkreisels
nach Fig. 1;
Fig. 4 eine Draufsicht des Photodetektors des Ringlaserskreisels gemäß
Fig. 1;
Fig. 5 die Ansicht entsprechend derjenigen gemäß Fig. 1 eines Ring-
!0 laserkreisels mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Zitter
bewegungskompensation;
Fig. 6 die Ansicht von links der in Fig. 5 oberen Ecke des Ringlaser
kreisel-Blocks;
Fig. 7 die Ansicht entsprechend derjenigen nach Fig. 1 eines Ringlaser
kreisels mit einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung zur Zitterbewegungskompensation;
Fig. 8 die Ansicht entsprechend derjenigen gemäß Fig. 1 eines Ring
laserkreisels mit einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung
zur Zitterbewegungskompensation;
Fig. 9 die Ansicht entsprechend derjenigen nach Fig. 1 eines Ringlaser-
kreiseis mit einer noch anderen erfindungsgemäßen Anordnung
zur Zitterbewegungskompensation;
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-s-
Fig. 10 eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 9;
Fig. 11 die Ansicht entsprechend derjenigen nach Fig. 1 eines Ringlaserkreisels
mit einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung zur Zitterbewegungskompensation;
Fig. 12 ein Schaubild zur Veranschaulichung einiger Parameter für die
Berechnung des Keilwinkels der Keile, welche das passive optische System zur Zitterbewegungskompensation bilden; und
Fig. 13 eine Seitenansicht eines Keilpaares mit äußeren Spiegelflächen.
- ίο -
Der bekannte Ringlaserkreisel gemäß Fig. 1 weist einen in Zitterbewegungen
'5 versetzbaren, dreieckigen Block 21 mit einem eine geschlossene optische Bahn
30 bildenden, dreieckigen Hohlraum, drei Spiegel 22, 22* und 22" an den Ecken
des Blocks 21, ein Oszillationslager 23, eine Befestigungsnabe 24, ein Zitterbewegungskompensationselement
in Form eines Retroreflektorprismas 25, einen Tragarm 26 für dasselbe, einen Photodetektor 27, eine Keilplatte 28, eine Photodetektormaske
29 und ein Kreiselgehäuse 32 auf. Entlang der geschlossenen optischen Bahn 30, welche sich um die zum Block 21 im wesentlichen senkrechte
Zitterbewegungsachse 31 herum erstreckt, pflanzen sich zwei Laserstrahlen in einander entgegengesetzten Richtungen fort.
Der Block 21 ist mittels des Oszillationslagers 23 und der Befestigungsnabe 24
am Kreiselgehäuse 32 schwingbar angebracht, welches seinerseits mit demjenigen Objekt starr verbunden wird, dessen Bewegung überwacht werden soll, beispielsweise
einem Flugzeug. Das Oszillationslager 23 ermöglicht es, den Block 21 um die Zitterbewegungsachse 31 mittels eines Antriebs 66 bezüglich der Befesti-
■0 gungsnabe 24 zu oszillieren, um das gegenseitige "Lock-In" der beiden Laserstrahlen
zu vermindern bzw. auszuschließen. Wenn diese Zitterbewegungen nicht kompensiert werden, bewirken sie ein großes Signal am Photodetektor 27, welches
die Auswertung des Kreiselausgangssignals während der jeweiligen Zitter- . bewegungsperiode erschwert. Durch Reflexion eines der beiden Laserstrahlen
Ϊ5 am Retroreflektorprisma 25 wird dieses Zitterbewegungssignal kompensiert und
aus dem Kreiselausgangssignal größtenteils eliminiert.
Die Drehfrequenz WT des Blocks 21 besteht aus der Summe der Drehfrequenz
W des Kreiselgehäuses 32 und der Zitterbewegungsfrequenz W .. Nimmt man an,
daß die Drehfrequenz W~ für die Drehung des Blocks 21 im Uhrzeigersinn positiv
ist, dann erfährt der sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 im Uhrzeigersinn fortpflanzende Laserstrahl eine Frequenzverschiebung - W^, der
sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzende Laserstrahl dagegen eine Frequenzverschiebung + W~. Gemäß
Fig. 1 tritt der erstgenannte Laserstrahl durch den Spiegel 22 und die Keilplatte
28 hindurch, um auf die Photodetektormaske 29 aufzutreffen, während der zweitgenannte Laserstrahl zunächst ebenfalls den Spiegel 22 und die Keilplatte
- li -
28 passiert, anschließend aber vom Retroreflektorprisma 25 reflektiert wird,
um von der Keilplatte 28 zurückgeworfen zu werden und auf die Photodetektormaske
29 aufzutreffen, wo er sich mit dem erstgenannten Laserstrahl kombiniert, um ein Interferenzstreifenbild zu erzeugen. Dessen Bewegung hängt nur
von der Drehfrequenz W des Kreiselgehäuses 32 ab, weil die Reflexion des sich entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden Laserstrahls am Retroreflektorprisma
25 aufgrund der Relativbewegung desselben und des Blocks 21 eine Frequenzverschiebung 2 W , bewirkt und dieser Laserstrahl bei Betrachtung im
Bezugsrahmen des Blocks 21 mit einer Nettofrequenzverschiebung W - W .
behaftet ist.
Fig. 2 veranschaulicht das Interferenzstreifenbild, welches sich bei der Kombinationzweier
annähernd paralleler, ebener Lichtwellen ergibt. Das Interferenzstreifenbild steht still, wenn der Ringlaserkreisel keine Drehung erfährt. Wird
er dagegen gedreht, dann bewegt sich der beleuchtete Teil des Interferenzstreifenbildes
in Richtung der Pfeile 33 und 34 gemäß Fig. 2. Die vor dem als Doppelanodenphotodiode
ausgebildeten Photodetektor 27 gemäß Fig. 4 angeordnete Photodetektormaske 29 gemäß Fig. 3 bewirkt, daß bei der Interferenzstreifenbildbewegung
jede Hälfte der Doppelanodenphotodiode periodisch maximaler und dann minimaler Beleuchtung ausgesetzt wird und jeweils ein entsprechendes
elektrisches Kreiselausgangssignal liefert.
Die Bewegung des Interferenzstreifenbildes läßt sich auf einfachere Weise ohne
die Photodetektormaske 29 dadurch erfassen, daß man den Photodetektor 27 anders anordnet, nämlich gegenüber der Stellung nach Fig. 4 um 90 gedreht,
und das Interferenzstreifenbild gegenüber demjenigen nach Fig. 2 verbreitert, so daß der Streifenabstand mit dem Abstand der beiden Segmente der Photodiodenanode
des Photodetektors 27 vergleichbar ist. Da das Interferenzstreifenbild direkt auf den Photodetektor 27 fällt, ist das eine Photodiodenanodensegment
dann hell, wenn das andere dunkel ist, wobei dieser Beleuchtungszustand sich bei der Bewegung des Interferenzstreifenbildes periodisch umkehrt.
Der Photodetektor 27 ist am Kreiselgehäuse 32 starr befestigt und stellt einen
optischen Sensor zur Erfassung und Analyse des Interferenzstreifenbildes dar.
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- 12 -
Die größten Schwierigkeiten bei der Verwendung des Retroreflektorprismas 25
•5 zum Kompensieren der Auswirkungen der Zitterbewegungen des Blocks 21 auf
das Kreiselausgangssignal beruhen auf den Stabilitätsanforderungen an den Tragarm
26, an welchem das Retroreilektorprisma 25 starr befestigt ist, und welcher
selbst mit dem Kreiselgehäuse 32 starr verbunden ist. Das Krciselausgangssignal ist äußerst empfindlich gegenüber jeglicher Bewegung des Retroreflektorprismas
25. Solche Bewegungen können beispielsweise durch Temperaturänderungen und mechanische Vibrationen bewirkt werden. Deswegen stellt der Tragarm
26 eine kritische und teure Komponente dar. Zwar hat man bei einigen gegenwärtigen
Konstruktionen den Tragarm 26 vermieden und das Retroreflektorprisma
25 unmittelbar am Kreiselgehäuse 32 angebracht, jedoch werden die Schwierigkeiten dadurch nicht geringer, sondern vielmehr nur auf die Ausbildung
des Kreiselgehäuses 32 verlagert.
Das Ausmaß der durch die Reflexion eines Laserstrahls an einem am Kreiselgehäuse
32 angebrachten oder bezüglich desselben stationären passiven optischen
Ό Element, wie beispielsweise dem Retroreflektorprisma 25, vermittelten Zitter-
bewegungskompensation ist zur Amplitude der Relativbewegung des passiven
optischen Elements bezüglich des Blocks 21 in Richtung des auf das passive optische Element auftreffenden Laserstrahls proportional, wobei diese Amplitude
ihrerseits zum senkrechten Abstand zwischen dem auftreffenden Laserstrahl oder einer Verlängerung desselben und der Zitterbewegungsachse 31 des
Blocks 21 proportinal ist, was bedeutet, daß das passive optische Element die
Zitterbewegungen des Blocks 21 in jeder Position auf dem sich zwischen den beiden Spiegeln 22 und 22' erstreckenden Segment der geschlossenen optischen
Bahn 30 oder dessen Verlängerung genau so stark kompensieren würde, wie das Retroreflektorprisma 25 in der Position gemäß Fig. 1. Das passive optische Element
könnte also auch an der Stelle geringsten Abstandes zwischen der geschlossenen optischen Bahn 30 und der Befestigungsnabe 24 angeordnet werden,
was den Vorteil vermitteln würde, daß die Länge des dann erforderlichen Tragarmes
weniger als die Hälfte derjenigen des Tragarms 26 gemäß Fig. 1 ausma-
'5 chen würde, wie sich mit Hilfe der Geometrie des gleichseitigen Dreiecks ohne
weiteres errechnen läßt.
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Der Ringlaserkreisel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig.
im wesentlichen nur dadurch, daß das Zitterbewegungskompensationselement bzw. passive optische Element in Form eines Retroreflektorprismas 35 sehr
dicht an der besagten Stelle geringsten Abstands zwischen der geschlossenen optischen Bahn 30 und der Befestigungsnabe 24 angeordnet ist, und zwar starr
an einem mit dem Kreiselgehäuse 32 (Fig. 1) starr verbundenen Tragarm 36, und daß am Block 21 ein als Reflektorprisma ausgebildetes, reflektierendes optisches
Element 37 starr befestigt ist, welches den sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden Laserstrahl
zum Retroreflektorpprisma 35 und nach Rückkehr von demselben über den Spiegel 22 zur Photodetektormaske 29 lenkt, ferner die Funktion der Keilplatte
28 des Ringlaserkreisels gemäß Fig. 1 übernehmen kann, wie dargestellt.
Gemäß Fig. 6 lenkt das reflektierende optische Element 37 den sich entgegen
dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden Laserstrahl von der Ebene 38 der geschlossenen
optischen Bahn 30 im Block 21 zu einer zweiten Ebene 39, welche sich im Abstand vom Block 21 parallel zur Ebene 38 der geschlossenen optischen Bahn
30 ersteckt und in welcher das Retroreflektorprisma 35 angeordnet ist, so daß es den auftreffenden Laserstrahl auch wieder in der zweiten Ebene 39 zum reflektierenden
optischen Element 37 zurückwirft, welches den zurückgeworfenen Laserstrahl zurück zur ersten Ebene 38 im Spiegel 22 lenkt, der ihn auf die
Photodetektormaske 29 auftreffen läßt.
Der Ringlaserkreisel gemäß Fig. 5 bewirkt genau dieselbe vollständige Zitterbewegungskompensation,
wie der bekannte Ringlaserkreisel nach Fig. 1, allerdings unter Verwendung des sehr viel kürzeren Tragarms 36, dessen mechanisehe
und thermische Empfindlichkeit entsprechend geringer ist.
Eine weitere Halbierung der erforderlichen Tragarmlänge ist dadurch möglich,
daß man zur Kompensation der Zitterbewegungen des Blocks 21 beide Laserstrahlen,
welche sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzen, jeweils einerReflexion
unterwirft. Dieses ist beim Ringlaserkreisel gemäß Fig. 7 der Fall, welcher einen
Strahlenkombinator 40, einen Spiegel 41, zwei Zitterbewegungskompensations-
elemente bzw. passive optische Elemente in Form je eines Retroreflektorprismas
42 bzw. 43, einen Tragarm 44 für dieselben und zwei jeweils als Reflektorprisma
ausgebildete.reflektierende optische Elemente 45 sowie 46 aufweist,
welche hinsichtlich Gestalt und Anordnung jeweils dem reflektierenden optischen Element 37 des Ringlaserkreisels gemäß Fig. 5 entsprechen, um den sich
entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn fortpflanzenden Laserstrahl von der Ebene 38 der geschlossenen
optischen Bahn 30 zur zweiten Ebene 39 (Fig. 6) außerhalb des Blocks zu lenken, in welcher der Strahlenkombinator 40, der Spiegel 41, die beiden
Retroreflektorprismas 42 sowie 43 und der Photodetektor 27 mit der vorgeschalteten
Photodetektormaske 29 angeordnet sind. Die Reflexion des sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden,
durch das eine reflektierende optische Element 45 zum einen Retroreflektorprisma
42 gelenkten Laserstrahls an demselben und die Reflexion des sich entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 im Uhrzeigersinn fortpflanzenden,
durch das andere reflektierende optische Element 46 zum anderen Retroreflektorprisma 43 gelenkten Laserstrahls an demselben bewirken jeweils
eine kompensierende Frequenzverschiebung - W. im jeweiligen Laserstrahl bei Betrachtung im Bezugsrahmen des Blocks 21, so daß die beiden Laserstrahlen
nunmehr jeweils mit einer Nettofrequenzverschiebung behaftet sind, welche lediglich
zur Drehfrequenz W des Kreiselgehäuses 32 (Fig. 1) proportional ist. Die beiden von den beiden Retroreflektorprismas 42 und 43 zurückgeworfenen
Laserstrahlen treffen jeweils auf den am Block 21 starr befestigten Strahlenkombinator
40 bzw. Spiegel 41 auf, um von dort direkt bzw. durch den Strahlenkombinator 40 hindurch zur Photodetektormaske 29 zu gelangen und dort das
Interferenzstreifenbild gemäß Fig. 2 bilden. Der Strahlenkombinator 40 weist eine zu 50 % reflektierende und zu 50 % durchlässige Oberfläche auf, so daß
er den vom einen Retroreflektorprisma 42 kommenden Laserstrahl zu 50 % zur
Photodetektor maske 29 reflektiert und den vom Spiegel 41 kommenden Laserstrahl zu 50 % zur Photodetektormaske 29 durchläßt. Im übrigen entspricht der
Ringlaserkreisel nach Fig. 7 demjenigen gemäß Fig. 5.
Zwar sind beim Ringlaserkreisel gemäß Fig. 7 zwei Retroreflektorprismas 42
und 43 sowie ein Doppeltragarm 44 erforderlich, jedoch ist die Tragarmlänge
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geringer als ein Viertel der Länge des Tragarms 26 des Ringlaserkreisels nach
Fig. 1, so daß die mechanische und thermische Stabilität noch größer als beim Ringlaserkreisel gemäß Fig. 5 ist.
Beim Ringlaserkreisel nach Fig. 8 erfährt der sich entlang der geschlossenen
optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzende Laserstrahl zwei Reflexionen, und zwar an einem auf einem Tragarm 47 mit einer Länge geringer
als ein Viertel derjenigen des Tragarms 26 des Ringlaserkreisels gemäß Fig. 1 starr angebrachten Zitterbewegungskompensationselement bzw. passiven
optischen Element, das von einem Retroreflektorprisma 48 gebildet ist, dem
ein auf dem Block 21 starr befestigtes, ebenfalls als Retroreflektorprisma ausgebildetes,
reflektierendes optisches Element 49 nachgeschaltet ist. Im übrigen entspricht der Ringlaserkreisel nach Fig. 8 demjenigen gemäß Fig. 5. Der sich
entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzende
Laserstrahl wird durch das reflektierende optische Element 37 zum Retroreflektorprisma 48 und von demselben zum nachgeschalteten reflektierenden
optischen Element 49 gelenkt, um von dort über das Retroreflektorprisma 48, das erste reflektierende optische Element 37 und den Spiegel 22 zur Photodetektormaske
29 zu gelangen. Der Ringlaserkreisel gemäß Fig. 8 verdeutlicht, wie mittels mehrfacher Reflexionen eines der beiden Ringlaserkreisel-Laserstrahlen
im dargestellten Fall des sich entlang der geschlossenen optischen Bahn ■ 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden Laserstrahls, die erforderliche
Tragarmlänge vermindert werden kann.
Der Ringlaserkreisel gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von denjenigen nach Fig.
und 8 im wesentlichen dadurch, daß zur Kompensation der Zitterbewegungen des Blocks 21 zwei einander gegenüberliegende, laserstrahldurchlässige Keile
50 und 51 vorgesehen sind, denen ein als Retroreflektorpisma ausgebildetes reflektierendes
optisches Element 53 nachgeschaltet ist. Die beiden Keile 50 und
51 sowie das reflektierende optische Element 53 sind in der zweiten, sich außerhalb
des Blocks 21 parallel zur Ebene 38 der geschlossenen optischen Bahn 30 erstreckenden Ebene 39 (Fig. 6) angeordnet, wobei das reflektierende optische
Element 53 und der demselben benachbarte Keil 51 auf dem Block 21 starr befestigt sind, während der andere Keil 50 an einer Scheibe 52 starr befestigt
ist, welche ihrerseits an der Befestigungsnabe 24 starr befestigt ist. Der sich
entlang der geschlossenen optischen Bahn 30 entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzende
Laserstrahl wird durch das reflektierende optische Element 37 zu den beiden .Keilen 50 und 51 sowie zum nachgeschalteten reflektierenden optischen
Element 53 und bei der Rückkehr von dort über den Spiegel 22 zum Photodetektor 27 gelenkt. Der Laserstrahl wird beim Durchgang durch die Keile
50 und 51 verlangsamt, und zwar sowohl auf dem Weg zum nachgeschalteten reflektierenden optischen Element 53 als auch auf dem Weg von demselben weg.
Wenn der Block 21 mittels des Oszillationslagers 23 in Zitterbewegungen um die Befestigungsnabe 24 bzw. die Zitterbewegungsachse 31 versetzt wird, findet
eine wechselweise Verlängerung und Verkürzung der Bahnlänge des Laserstrahls durch die Keile 50 sowie 51 hindurch statt, so daß sich eine variable Verzögerung
des Laserstrahls ergibt. Durch entsprechende Wahl der Keilwinkel läßt sich die Laserstrahlverzögerung so einstellen, daß die durch die Zitterbewegungen
des Blocks 21 hervorgerufenen Laserstrahlveränderungen kompensiert werden.
Der Ringlaserkreisel gemäß Fig. 9 kann in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden.
Beispielsweise können gemäß Fig. 10 zwei Keilpaare 54 und 55 vorgesehen
werden, so daß der für jeden Keil erforderliche Keilwinkel kleiner wird. Auch kann der Ringlaserkreisel so ausgebildet werden, wie in Fig. 11 dargestellt, wobei
das kostspielige reflektierende optische Element 53 gemäß Fig. 9 wegfällt.
Beim Ringlaserkreisel gemäß Fig. 11 werden die beiden sich entlang der geschlossenen
optischen Bahn 30 in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzenden Laserstrahlen yon zwei jeweils als Spiegel oder Strahlteiler ausgebildeten
reflektierenden optischen Elementen 56 und 57 zu der zweiten, sich außerhalb des Blocks 21 parallel zur Ebene 38 der geschlossenen optischen Bahn
30 erstreckenden Ebene 39 (Fig. 6) gelenkt, in welcher zwei einander gegenüberliegende,
laserstrahldurchlässige Keile 58 sowie 59, ein Strahlenkombinator 60 und der Photodetektor 27 angeordnet sind. Ein Laserstrahl passiert zur Kompensation
der Zitterbewegungen des Blocks 21 die beiden Keile 58 sowie 59, um im Strahlenkombinator 60 mit dem anderen Laserstrahl kombiniert zu werden, von
welchem die kombinierten Laserstrahlenzum Photodetektor 27 gelangen. Die reflektierenden
optischen Element 56 und 57, der äußere Keil 59 und der Strahlenkombinator
60 sind am Block 21 starr befestigt, der innere Keil 58 dagegen
an der Scheibe 52 im Bezugsrahmen des Kreiselgehäuses 32 (Fig. 1).
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Ein Vorteil der Ringlaserkreisel nach Fig. 9, 10 und 11 besteht darin, daß die
Empfindlichkeit der Anordnung zur Kompensation der Zitterbewegungen des Blocks 21 bzw. der Auswirkungen derselben auf das Kreiselausgangssignal gegenüber
mechanischen Vibrationen und Verwindungen stark verringert ist. Ein Laserstrahlkippen
kann nur infolge eines Kippens des Keils 50 bzw. 58 bzw. der an der Scheibe 52 angebrachten Keile der Keilpaare 5k und 55 geschehen, weil alle
anderen Komponenten der Anordnung am Block 21 starr befestigt sind. Allerdings können sich die besagten Keile nur sehr geringfügig bewegen, weil sie
nahe bei der mittleren Bezugs- bzw. Befestigungsnabe 24 des Ringlaserkreisels
angeordnet sind. Hinzu kommt, daß die Laserstrahlkippempfindlichkeit bei einem durchgelassenen Laserstrahl sehr viel geringer als bei einem reflektierten Laserstrahl
ist, da im letztgenannten Fall jedes Kippen der reflektierenden Oberfläche ein doppelt so großes Laserstrahlkippen bewirkt.
Die Keile 51 und 59 gemäß Fig. 9 bzw. 11 wirken jeweils mit dem Keil 50 bzw.
58 zusammen, um die Auswirkungen der Zitterbewegungen des Blocks 21 auf das Kreiselausgangssignal zu kompensieren. Die zusammenwirkenden Keile 50 und 51
bzw. 58 und 59 sind kongruent und ihre Gestalt ist durch den Keilwinkel <*<
gemäß Fig. 12 vollständig definiert, welcher sich folgendermaßen berechnen läßt, wobei eine rechtwinklige Keilform angenommen wird.
Lichfder Wellenlänge Λ erfährt beim Durchgang durch ein Medium der Dicke D
und mit einem Brechungsindex η eine Verzögerung D . (n-l)/c, wobei der Parameter
c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum darstellt. Während eines Zitterbewegungszyklus
mit der Amplitude θ ändert sich die Dicke d des jeweiligen
Keilpaares 50, 51, bzw. 58, 59 bei einem Abstand R desselben von der Zitterbewegungsachse
31, welcher bei den Ringlaserkreiseln gemäß Fig. 9 und 11 dem Radius der Scheibe 52 entspricht, entsprechend der Gleichung
d = R . θ · tgOC · Wenn die Zitterbewegungen je Bogensekunde eine Anzahl y
von Impulsen bewirken, dann muß die Veränderung der Dicke d das Licht um eine Anzahl y von Lichtwellenperioden verzögern, damit eine Kompensation erfolgt,
so daß mit der Lichtwellenperiodendauer T = \ /c im Vakuum und der durch die
Keildicke D bewirkten Lichtverzögerung t gilt:
t/T = y = ϋ.(η-1)/Λ ...(D
Daraus ergibt sich:
= (y ·λ )/(R -& · (η-D) -M)
Bei einer Zitterbewegungsamplitude θ von 100 Bogensekunden oder 5 . 10
Radiant, einer durch die Zitterbewegungen hervorgerufenen Anzahl y von W
D oder 100/2,12 Impulsen je Bogensekunde, einer Wellenlänge Λ von 6,3 · 10 cm
und einem Abstand R von 3,0 cm ergibt sich aus der Gleichung (2) für ein einzelnes
Keilpaar, welches nur einmal von einem Laserstrahl durchquert wird, die folgende Keilwinkelgleichung:
tgft = 2/(n-l) ...(3)
Gemäß Fig. 9 kann jedoch ein Keilpaar auch zweimal von demselben Laserstrahl
durchquert werden, ebenso wie es gemäß Fig. 10 möglich ist, denselben Laserstrahl durch zwei Keilpaare jeweils einmal hindurchtreten zu lassen. Darüberhinaus
können auch in die Bahnen beider Laserstrahlen des Ringlaserkreisels Keile eingesetzt werden.
Gemäß Fig. 13 sind zwei Keile 61 und 62 mit je einer äußeren Spiegelfläche
63 bzw. 64 versehen, welche bewirken, daß der einfallende Laserstrahl 65 die
Keile 61 und 62 mehrfach durchquert, bevor er wieder austritt. Sowohl bei dieser
Variante als auch bei den zuvor genannten verringert sich der erforderliche Keilwinkel p( entsprechend der folgenden Gleichung:
tg«, = (y-λ )/(M . R . β . (η-D) ..M)
wobei der Parameter M die Anzahl der Laserstrahldurchgänge durch ein Keilpaar
mittels innerer Reflexion gemäß Fig. 13 bzw. durch mehrere Keilpaare bedeutet. Aus der Gleichung (4) ergibt sich mit den oben angegebenen Werten für
die Zitterbewegungsamplitude θ , die Impulsanzahl y je Bogensekunde, die Wellenlänge λ und den Abstand R wiederum:
tg OC = 2/(M(n-D) ...(5)
342U53
In der nachstehenden Tabelle sind einige nach der Gleichung (5) für verschie-05
dene Parameter M und einen Brechungsindex η von 1,5 sowie 1,8 berechnete
Keilwinkel X angegeben.
M | 1 | 2 | 3 | 45 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 24 | 10 | 11 | 12 | 13 | η |
Ot (°) | 76 | 63 | 53 | 32 BBl |
39 | 34 | 30 | 27 | 16 J |
22 | 20 | 18 | 17 | 1,5 | |
68 | 51 IHI |
40 | 27 BBl |
23 | 20 J |
17 | SMMMM | 13 IMMMMC* |
12 BBBB |
11 | 1,8 | ||||
ι &0>
- Leerseite -
Claims (17)
1. Anordnung zur Kompensation der Auswirkungen der Zitterbewegungen des
Blocks von Ringlaserkreiseln auf das Kreiselausgangssignal, in welchem sich zwei ein Interferenzbild erzeugende Laserstrahlen in einer Ebene entlang einer
geschlossenen optischen Bahn in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen und welcher in einem Kreiselgehäuse beweglich abgestützt sowie
in Zitterbewegungen um eine zur Ebene der geschlossenen optischen Bahn senkrechte Achse versetzbar ist, an dem ein optischer Sensor zur Erfassung
und Analyse des Interferenzbildes angebracht ist, gekennzeichnet durch
a) ein passives optisches System (35; 42, 43; 48; 50, 51; 54, 55-, 58, 59; 61,
62), welches in einer zur Ebene (38) der geschlossenen optischen Bahn
(30) parallelen, zweiten Ebene (39) angeordnet und wenigstens teilweise
mit dem Kreiselgehäuse (32) starr verbunden istj
b) ein erstes Umlenksystem (37; 45, 46; 56, 57) zur Umlenkung mindestens
eines der beiden Laserstrahlen zum passiven optischen System (35; 42, 43; 48; 50, 51; 54, 55; 58, 59; 61, 62) und
b) ein zweites Umlenksystem (37; 40, 41; 60) zur Umlenkung des bzw. der
vom passiven optischen System (35; 42, 43; 48; 50, 51; 54, 55; 58, 59;
61, 62) kommenden Laserstrahlen zum optischen Sensor (27).
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das passive optische System (35; 42, 43; 48; 50, 51; 54, 55; 58, 59; 61,
62) in einem Abstand von der Zitterbewegungsachse (31) angeordnet ist, welcher höchstens gleich dem geringsten Abstand der geschlossenen optischen
Bahn (30) von der Zitterbewegungsachse (31) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das passive optische System (35; 48) von einem Retroreflektorprisma
für einen der beiden Laserstrahlen gebildet ist, welches mit dem Kreiselgehäuse
(32) starr verbunden ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das passive optische System (42, 43) von zwei Retroreflektorprismas
!0 für den einen bzw. den anderen Laserstrahl gebildet ist, welche mit dem
Kreiselgehäuse (32) starr verbunden sind.
5. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, '
das das passive optische System (50, 51; 54, 55', 58, 59; 61, 62) von mindestens
einem Paar einander gegenüberliegender, laserstrahldurchlässiger Keile für einen der beiden Laserstrahlen gebildet ist, welche jeweils mit dem Kreiselgehäuse
(32) bzw. dem Block (21) starr verbunden sind.
JO
6. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das passive optische System von mindestens je einem Paar einander gegenüberliegender,
laserstrahldurchlässiger Keile für den einen bzw. den anderen Laserstrahl gebildet ist, welche jeweils mit dem Kreiselgehäuse (32)
bzw. dem Block (21) starr verbunden sind.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keile jeweils auf der Außenseite eine Spiegelfläche (63; 64) aufweisen,
so daß der zugehörige Laserstrahl die Keile mehrfach durchquert.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Sensor (27) in der Ebene (38) der geschlossenen optischen
Bahn (30) angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Umlenksysteme (37) von einem am Block (21) starr befestigten,
einen der beiden Laserstrahlen von der Ebene (38) der geschlossenen optischen Bahn (30) zur zweiten Ebene (39) und den vom passiven optischen
System (35; 48; 50, 51; 54, 55) kommenden Laserstrahl von der zweiten Ebene
(39) zur Ebene (38) der geschlossenen optischen Bahn (30) reflektierenden
optischen Element gebildet sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Retroreflektorprisma am Kreiselgehäuse (32) in einem Abstand von
der Zitterbewegungsachse (31) befestigt ist, welcher dem geringsten Abstand der geschlossenen optischen Bahn (30) von der Zitterbewegungsachse (31)
etwa entspricht.
11. Anordnung nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Retroreflektorprisma am Kreiselgehäuse (32) in einem Abstand von
der Zitterbewegungsachse (31) befestigt ist, welcher dem halben geringsten Abstand der geschlossenen optischen Bahn (30) von der Zitterbewegungsachse
etwa entspricht, wobei am Block (21) ein weiteres, den vom Retroreflektorprisma
kommenden Laserstrahl zu demselben zurück reflektierendes optisches Element (49) starr befestigt ist, so daß der Laserstrahl zweimal durch
das Retr.oreflektorprisma hindurchtritt.
12. Anordnung nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 5,
.0 dadurch gekennzeichnet ,
daß am Block (21) ein weiteres, den von dem Keilpaar bzw. den Keilpaaren
kommenden Laserstrahl zu demselben bzw. denselben zurück reflektierendes optisches Element (53) starr befestigt ist, so daß der Laserstrahl zweimal
durch das bzw. jedes Keilpaar hindurchtritt.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der optische Sensor (27) in der zweiten Ebene (39) angeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet ,
daß der optische Sensor (27) in der zweiten Ebene (39) angeordnet ist.
!0
14. Anordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Umlenksystem (45, 46; 56, 57) aus zwei die beiden Laserstrahlen
von der Ebene (38) der geschlossenen optischen Bahn (30) zur zweiten Ebene (39) reflektierenden optischen Elementen besteht, welche am Block
(21) starr befestigt sind.
15. Anordnung nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet ,
daß die beiden Retroreflektorprismas am Kreiselgehäuse (32) beiderseits
daß die beiden Retroreflektorprismas am Kreiselgehäuse (32) beiderseits
JO der Zitterbewegungsachse (31) in einem Abstand von derselben befestigt
sind, welcher dem halben geringsten Abstand der geschlossenen optischen
Bahn (30) von der Zitterbewegungsachse (31) etwa entspricht, wobei das zweite Umlenksystem (40, 41) aus einem am Block (21) starr befestigten Strahlenkombinator
und einem am Block (21) starr befestigten Spiegel besteht, wel-
J5 eher den vom einen Retroreflektorprisma kommenden Laserstrahl zum Strah-
lenkombinator reflektiert, der diesen Laserstrahl und den vom anderen Retroreflektorprisma
kommenden Laserstrahl zum optischen Sensor (27) durchläßt bzw. reflektiert.
16. Anordnung nach Anspruch IV in Verbindung mit Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Umlenksystem aus einem Strahlenkombinator (60) besteht,
welcher .am Block (21) starr befestigt ist und den von dem Keilpaar bzw. den
Keilpaaren kommenden Laserstrahl und den von einem reflektierenden optischen Element des ersten Umlenksystems (56, 57) kommenden Laserstrahl
zum optischen Sensor (27) durchläßt bzw. reflektiert.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die reflektierenden optischen Elemente des ersten Umlenksystems (56,
57) als Strahlteiler ausgebildet sind, welche in der geschlossenen optischen Bahn (30) angeordnet sind.
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