DE3611980C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Gyrosystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Laser-Gyro- bzw. Kreiselsysteme, basierend auf dem Sagnac- Effekt, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. In Fig. 2 ist die Funktionsweise eines Sagnac-Interferometers dargestellt. Ein Teil des von einer Lichtquelle A emittierten Lichtbündels tritt durch C durch und läuft entlang des aus C, D₃, D₂ und D₁ bestehenden optischen Strahlengangs im Uhrzeigersinn; der Rest des von der Lichtquelle A emittierten Lichtbündels wird an C reflektiert und läuft entlang des aus C, D₁ D₂ und D₃ bestehenden optischen Strahlengangs im Gegenuhrzeigersinn. Wenn sich das Laser-Gyrosystem im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn mit der Winkelgeschwindigkeit ω dreht, kann eine optische Phasendifferenz zwischen diesen beiden Strahlengängen entsprechend der Winkelgeschwindigkeit der Drehung auftreten. Die Phasendifferenz wird zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit ausgenutzt.

Eine Draufsicht auf ein bekanntes Laser-Gyrosystem in der Ausbildung als Ringlasersystem ist in Fig. 1 gezeigt. Vier Gasröhren 11 bis 14 sind unter Bildung eines Quadrats mit Seitenabmessungen von einem Meter angeordnet. Der optische Strahlengang wird durch die Gasröhren 11 bis 14, ebene Spiegel 16 und 17, einen gekrümmten Spiegel 18 und einen Ausgangsspiegel 19 gebildet. Ferner sind ein Kopplungsspiegel 20 und ein Detektor 22 vorgesehen. Dieses in herkömmlicher Weise aufgebaute Gyrosystem hat ein großes Bauvolumen und ist zur Steuerung der Bewegung einer Hochgeschwindigkeitsmaschine ungeeignet.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein anderes Beispiel eines Laser-Gyrosystems, bei dem eine optische Faser 23 und ein Laseroszillator 24 verwendet werden. Die optische Faser 23 ist zur Verbesserung der Meßwirkung mit zwei oder mehr Windungen um eine Trommel gewickelt. Je größer die Anzahl der Windungen ist, um so höher ist die Meßempfindlichkeit. Die Trommel, auf die die optische Faser in zwei oder mehr Windungen gewickelt ist, dient also der Bildung eines Gyrosystems.

Ein solches gattungsgemäßes Laser-Gyrosystem ist aus der DE-OS 28 04 103 bekannt. Zur eindeutigen Festlegung des Lichtweges wird ein zur Spule gewickelter Einmode-Wellenleiter verwendet. Auf die Ein- und Austrittsflächen des Wellenleiters wird über Polarisationsfilter linear polarisiertes Licht durch ein Linsensystem 25 einfallen gelassen. Der Aufbau dieses Gyrosystems ist daher kompliziert und die optischen Komponenten sind teuer.

Bei einem Ringlaser gemäß US-PS 37 25 809 läuft das Laserlicht in einem laserfarbstoffdotierten dielektrischen Film um, während bei wiederum einem anderen Beispiel eines Gyrosystems gemäß EP 00 88 824 A1 ein dielektrischer Ringkörper verwendet wird. Auch diese beiden Systeme zeichnen sich durch aufwendige und teure optische Komponenten aus.

Ein weiteres optisches Gyrosystem der in Fig. 3 beschriebenen Art, bei dem eine zu einer Spule gewickelte optische Faser zur Lichtführung verwendet wird, ist aus der DE-OS 29 49 327 bekannt. Auf Seite 31 dieser Offenlegungsschrift wird erwähnt, daß die Lichtfaserspule in bestimmten Fällen durch einen Glasblock mit reflektierenden Oberflächen oder eine Serie von Spiegeln ersetzt werden können. Für die genauere Ausbildung eines solchen Glasblocks wird jedoch kein weiterer Hinweis gegeben. Im weiteren wird dort nur auf die Verwendung der Lichtleiterspule eingegangen, deren Nachteile bereits im Zusammenhang mit der DE-OS 28 04 103 angesprochen worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leichtes und kompaktbauendes Laser-Gyrosystem zur Verfügung zu stellen, das aus einfachen und preisgünstigen optischen Komponenten aufgebaut sein kann.

Das Laser-Gyrosystem der eingangs genannten Art zeichnet sich zur Lösung dieser Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aus.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines quadratischen Laser-Gyrosystems herkömmlicher Ausführung,

Fig. 2 das Funktionsprinzip eines Sagnac-Interferometers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Faser-Gyrosystems,

Fig. 4 eine perspektivische schematische Ansicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laser- Gyrosystems,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den optischen Strahlengang in der Hauptgyrostruktur,

Fig. 6 die Beziehung zwischen dem Einfallwinkel und dem optischen Strahlengang, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Einfall- und Reflexionswinkel des Lichtbündels.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laser-Gyrosystems.

Eine Hauptgyrostruktur 1 besteht aus einem Zylinderkörper aus transparentem Quarz, und eine Reflexionsschicht 1 a aus aufgedampftem Aluminium ist auf der Außenseite des Zylinderkörpers derart vorgesehen, daß sie das Licht wirksam reflektiert.

An der Hauptgyrostruktur 1 ist eine Lichteintrittsfläche 1 b für das die Struktur 1 im Uhrzeigersinn durchlaufende Licht vorgesehen; diese Fläche 1 b kann auch als Lichtaustrittsfläche für im Gegenuhrzeigersinn umlaufendes Licht verwendet werden. Eine andere Eintrittsfläche 1 c für im Gegenuhrzeigersinn umlaufendes Licht ist vorgesehen, die auch als Austrittsfläche für im Uhrzeigersinn umlaufende Lichtstrahlen verwendet werden kann.

Ein Strahlaufteiler 2 ist in der Ebene angeordnet, die in gleichem Abstand von den Ebenen 1 b und 1 c der Hauptgyrostruktur verläuft. Das von einer Laserstrahlquelle 3 emittierte Licht fällt auf die Hauptgyrostruktur 1.

Ein Lichtbündel fällt auf die Lichteintrittsfläche 1 b zum Umlauf in Uhrzeigerrichtung und tritt aus der Fläche 1 c nach dem Umlauf in Uhrzeigerrichtung bei mehreren Reflexionen am Reflektor 1 a aus. Dieses Lichtbündel kann in einem Detektor 4 gemessen werden, der das in Uhrzeigerrichtung umlaufende Licht aufnimmt.

Ein anderes Lichtbündel fällt auf die Lichteintrittsfläche 1 c zum Umlauf im Gegenuhrzeigersinn und tritt nach Durchlaufen im Gegenuhrzeigersinn und mehreren Reflexionen am Reflektor 1 a aus der Fläche 1 b aus. Dieses Licht kann im Detektor 5 gemessen werden, der im Gegenuhrzeigersinn umlaufendes Licht auffängt.

In den Detektoren 4 und 5 gemessene Daten werden von einer Einrichtung 6 verglichen, um die am Gyrosystem wirksame Beschleunigung zu berechnen.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der optischen Bahn innerhalb der Hauptgyrostruktur.

Das entlang der Kreisbahn im Uhrzeigersinn in Fig. 5 umlaufende Licht folgt der Bahn a-2 (reflektiert) - 1 b-M₃- M₄ . . . M₁₁-1 c.

Das entlang der Kreisbahn in Gegenuhrzeigerrichtung umlaufende Licht folgt in der Darstellung in Fig. 5 der Route a-2 (transmittiert) - M₁₁ . . . M₃-1 b.

Wenn das Gyrosystem in einem ruhenden System angeordnet ist, so kann keine optische Phasendifferenz in der Hauptgyrostruktur 1 zwischen den entlang den Kreisbahnen in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung umlaufenden Lichtstrahlen auftreten.

Wenn die Hauptgyrostruktur 1 innerhalb eines umlaufenden Systems angeordnet ist, dessen Achse mit der Zylinderachse der Hauptgyrostruktur 1 zusammenfällt, so entstehen aufgrund des Sagnac-Effekts optische Phasendifferenzen in der Hauptgyrostruktur 1.

Die Phasendifferenz im optischen Strahlengang des Laserstrahlbündels kann zur Messung der Winkelgeschwindigkeit der Drehung im sich drehenden System verwendet werden.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel des Gyrosystems, bei dem sich der Einfallwinkel in Abhängigkeit von dem Ort des Lichtstrahls ändern kann.

An den Umfang des Zylinders an den Eintritts- und Austrittspunkten angelegte Tangenten haben Winkel von α und γ bezüglich der Einfallrichtung und Winkel von β und w bezüglich der Bestrahlungsrichtung. Wenn der Tangentialwinkel graduell vom Winkel α zum Winkel γ geändert wird (Doppelpfeil c-d), läuft der Lichtstrahl am Eintrittspunkt entlang einer differentiellen optischen Bahn mit einer bestimmten Anzahl von Reflexionen und Umläufen durch eine gewisse Anzahl von Mehrfachzyklen.

Die Eigenschaften der entlang verschiedenen optischen Bahnen laufenden Lichtstrahlen werden nachfolgend zusammengefaßt.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel des Strahlengangs bei einem Einfallwinkel von 48°.

Der unter 43° (90-47°) bezüglich der Tangentiallinie einer Scheibe mit einem Radius von 100 mm in einem ruhenden System einfallende Lichtstrahl wird 178mal (=N-2) reflektiert und läuft 43mal um (=M). Der Lichtstrahl kehrt danach zu einem Ort zurück der ±0,05 mm oder weniger von der Eintrittsstelle entfernt ist. Der Rücklaufpunkt ist 1/1000 des Radius oder weniger weit vom Einfallpunkt entfernt.

Der Lichtstrahl kann innerhalb des Gyrosystems eine Wegstrecke von angenähert 24550 mm durchlaufen.

Wenn der Einfallswinkel in geeigneter Weise eingestellt wird, kann die Anzahl von Reflexionen oder die Anzahl von Mehrfachzyklen innerhalb einer Scheibe erhöht werden.

Dadurch wird ein hochempfindliches Laser-Gyrosystem realisiert.

Wenn der Laserstrahl auf die zur Zentralachse des Zylinders senkrechte Ebene in einer leichten Neigung auftrifft, so kann der Lichtstrahl einer schraubenlinienförmigen Bahn entlang der Kreisbahn am Umfang der Hauptgyrostruktur 1 folgen. Auf diese Weise erscheint der Lichtstrahl an einem Austrittspunkt, der in Höhenrichtung gegenüber dem Eintrittspunkt versetzt ist.

Hierin liegt der Grund dafür, daß die optische Achse des Detektors gegenüber derjenigen des Laserstrahls in Fig. 4 geneigt ist.

Wie oben beschrieben, hat das erfindungsgemäße Laser-Gyrosystem ein optisches System, das einfach, stabil und mit geringem Gewicht ausgebildet sein kann. Es kann eine ebenso hohe Empfindlichkeit wie das optische Faser-Gyrosystem haben.

Das erfindungsgemäße Laser-Gyrosystem kann z. B. zur Steuerung der Geschwindigkeit der Räder eines Fahrzeugs oder einer Roboterarmbewegung verwendet werden.

Claims (1)

1. Laser-Gyrosystem mit einer Hauptgyrostruktur (1), mit zwei an der Hauptgyrostruktur (1) angeordneten Strahlein- und -austrittsflächen (1 b, 1 c), zwischen denen ein Strahlteiler (2) angeordnet ist, mit einem Laseroszillator (3), der ein Lichtbündel emittiert, das vom Strahlteiler (2) in zwei Laserstrahlbündel geteilt wird, die die Hauptgyrostruktur (1) gegensinnig durchlaufen, und mit einer Detektoranordnung (4, 5) zur Bestimmung der optischen Phasendifferenz zwischen den beiden Laserstrahlbündeln, die gegensinnig die Hauptgyrostruktur (1) durchlaufen haben, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptgyrostruktur (1) ein optisch transparenter Zylinder vorgesehen ist, daß die Strahlein- und -austrittsflächen (1 b, 1 c) an dem Mantel des Zylinders ausgebildet sind und daß auf der restlichen Mantelfläche des Zylinders ein Reflektor (1 a) derart aufgebracht ist, daß die beiden Laserstrahlbündel beim gegensinnigen Durchlaufen der Hauptgyrostruktur (1) mehrfach am Reflektor (1 a) reflektiert werden.