DE69002457T2

DE69002457T2 - Verfahren zur herstellung der ausleseeinrichtung für einen ringlaserkreisel.

Info

Publication number: DE69002457T2
Application number: DE90903125T
Authority: DE
Inventors: Werner Egli; Robert Pajak
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2010-02-07
Also published as: DE69002457D1; EP0465471A1; WO1990012288A1; CA2046619A1; EP0465471B1; US5000571A; JPH04504305A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Herstellung einer Auslesevorrichtung für einen Ringlaserkreisel gemäß dem Gattungsbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Ringlaserkreisel sind wohlbekannt und sind insbesondere in der US-A-3 373 650 und der US-A-3 390 606 beschrieben. Ringlaserkreisel dieser Art verwenden gewöhnlich einen Block aus Material, der dimensionsmäßig stabil sowohl in thermischer als auch in mechanischer Hinsicht ist. Der Block umfaßt gewöhnlich mehrere miteinander verbundene Gas enthaltende Tunnel bzw. Durchführungen, die eine geschlossene Wegstrecke in der Form eines Dreiecks, eines Rechtecks oder irgeneiner anderen polygonalen Wegstrecke bilden. An jeder Schnittstelle eines Paares miteinander verbundener Tunnel ist ein Spiegel an dem Block angeordnet. Diese Anordnung von Spiegeln und miteinander verbundener Tunnel bildet eine optische geschlossene Wegstrecke. Ferner ist wenigstens eine Anode und eine Kathode jeweils an dem Block angeordnet und steht in Verbindung mit dem Gas. Jede dieser Komponenten einschließlich der Spiegel, Anode und Kathode muß an dem Block abgedichtet sein, um eine gasdichte Abdichtung vorzugeben. Der Block ist gewöhnlich mit einem Lasergas, wie beispielsweise einer Mischung aus Helium und Neon gefüllt. Ein hinreichend großes elektrisches Potential wird zwischen der Anode und Kathode angelegt um einen Entladestrom dazwischen hervorzurufen, der in der Erzeugung eines Paares von gegenläufigen Laserstrahlen innerhalb des Blockes resultiert.
Um eine nützliche Information von einem Ringlaserkreisel des zuvor beschriebenen Typs zu erhalten, wird einem kleinen Prozentsatz von jedem der gegenläufigen Laserstrahlen der Durchtritt durch einen der Spiegel gestattet, wobei dieser als Ausgangsspiegel bekannt ist. Die durch den Ausgangsspiegel verlaufenden Lichtstrahlen werden üblicherweise durch ein Prisma geführt, das die Strahlen unter geringfügig unterschiedlichen Winkeln kombiniert und hierdurch ein Auslese-Interferenz- Beugungsmuster bildet. Wenn der Kreisel um seine Eingangsachse gedreht wird, so ändern sich die Frequenzen der gegenläufigen Strahlen geringfügig, wobei im Verhältnis zu der Drehgeschwindigkeit des Kreisels die eine erhöht und die andere vermindert wird. Die Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen der Strahlen führt zu einer Schwebungsfrequenz, die durch eine Bewegungsgeschwindigkeit des Beugungsmusters über den Fotodetektoren angezeigt wird, was wohl bekannt ist.
Das resultierende Interferenz-Beugungsmuster, das aus dem Prisma austritt, wird üblicherweise zum Auftreffen auf ein Paar von Fotodetektoren ausgerichtet. Allgemein erfordert im Stand der Technik der Ringlaserkreisel die Auslesevorrichtung die Trennung dem Paares von Fotodetektoren um ein Viertel des Beugungsabstandes des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters. Durch die Trennung der Fotodetektoren mit dem vorgenannten Abstand befinden sich die Ausgangssignale der Fotodetektoren in Phasenquadratur auf Grund eines sich bewegenden Interterenz- Beugungsmusters, wie dies wohlbekannt ist.
Bei der US-A-4 152 072 wird das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster eines Laserkreisels auf eine Maske projiziert, bevor es auf ein Paar von Fotodetektoren auftrifft. Die Maske besteht bei dem zuvor erwähnten Patent aus parallelen Bereichen oder Streifen, die abwechselnd lichtundurchlässig und lichtdurchlässig sind und die parallel zu den Streifen des Aulese- Interferenz-Beugungsmusters sind. Die Maskenstreifen dort sind in geringfügig unterschiedlichen Abständen gegenüber dem auftreffenden Auslese-Interferenz-Beugungsmuster angeordnet. Wenn sich das Beugungsmuster über die Maske bewegt, so bilden die Fotodetektoren Ausgangssignale, die in Bezug aufeinander außer Phase sind und das Schwebungssignal anzeigen.
Danach werden die Streifen, die über jeden Fotodetektor verlaufen, gezählt, um den Drehwinkel anzuzeigen und das Paar von sich außer Phase befindlichen Fotodetektorsignalen wird benutzt, um die Drehrichtung festzustellen.
Alternativ gibt die US-A-4 676 643 ein anderes Masken- Auslesesystem zum Erzielen eines Paares von sich außer Phase befindlichen Fotodetektorsignalen vor. Dort besteht die Maske aus parallelen abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen mit der gleichen Wiederholung wie das Auslese- Interferenz-Beugungsmuster. Die Maske ist vor einem Paar von Fotodetektoren angeordnet. Die Maske ist relativ zu dem Auslese- Interferenz-Beugungsmuster so ausgerichtet, daß ein vorbestimmter Winkel zwischen den Streifen der Maske und den Beugungsstreifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters vorliegt. Wie dort gelehrt, wird auf Grund des Auslese- Interferenz-Beugungsmusters, das durch die "geschwenkte" Maske verläuft, ein Lichtfleck auf der Fotodetektorseite der Maske erzeugt. Der sich ergebende Lichtfleck zeigt eine Moiré- Beugungsmustercharakteristik. Danach sprechen Fotodetektoren, die um ein Viertel der Moiré-Beugungsmuster-Periodizität beabstandet sind, auf das Moiré-Interferenz-Beugungsmuster an. Die Fotodetektoren liefern sodann Ausgangssignale, die in Bezug aufeinander außer Phase sind und das Schwebungssignal anzeigen. Die Moiré-Beugungsstreifen, die an jedem Fotodetektor vorbeilaufen, werden gezählt, um den Drehwinkel anzuzeigen und das Paar von sich außer Phase befindlichen Fotodetektorsignalen wird benutzt, um die Richtung der Drehung in der üblichen Weise festzustellen.
Allgemein ist der Abstand der parallelen Streifen der Maske in beiden US-Patenten in Bezug auf den Beugungsabstand des Auslese- Interferenz-Beugungsmusters gewählt.
Auf Grund von Veränderungen in der Winkelausrichtung der Ausgangsspiegel zwischen "identischen" Kreiseln ergibt sich eine große Veränderung in der Ausrichtung und der Ortsfrequenz zwischen ihren entsprechenden Beugungsmustern. Da die Maskenherstellung von dem Beugungsabstand abhängt, erfordern demzufolge identische Kreisel eine individuelle Maskenherstellung.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kreisel-Auslesemaske herzustellen, die an das Auslese- Interferenz-Beugungsmuster des Kreisels angepaßt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Verfahrensansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können den abhängigen Ansprüchen entnommen weraen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Kreisel-Auslesemaske aus der tatsächlichen Auslesung selbst während des Kreiselbetriebs hergestellt. Der Kreisel wird so betrieben, daß ein stationäres Beugungsmuster erzeugt wird. Ein fotografisches Bild des stationären Beugungsmusters wird aufgenommen und das sich ergebende fotografische Bild bzw. eine Ableitung desselben wird selbst als die Maske benutzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Ringlaserkreisel-Auslesesystems für die Erzeugung eines Interferenz-Beugungsmusters.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer Auslesevorrichtung- Beugungsmaske gemäß der US-A-4 152 072.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Auslesevorrichtung- Beugungsmaske gemäß der US-A-4 676 643.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 veranschaulicht ein optisches Auslesesystem entsprechend der US-A-4 677 641 für die Erzeugung eines Interferenz-Beugungsmusters, das sich aus der Kombination eines Teiles eines jeden der Laserstrahlen in einem Ringlaser-Winkelgeschwindigkeitssensor ergibt. Fig. 1 zeigt nur eine der reflektierenden Oberflächen, die teilweise die optische geschlossene Wegstrecke eines Ringlaserkreisels definiert. Der Sensorblock 10 ist von der Art, wie er in der US-A-3 390 606 dargestellt und beschrieben ist.
Mit dem Block 10 ist ein Spiegel/Ausleseprisma 12 befetigt, das ein Substrat 110 für die Übertragung von Licht umfaßt. Das Substrat 110 umfaßt eine erste Haupt-Oberfläche 111, die geeignet poliert und optisch beschichtet ist, um einen teildurchlässigen Spiegel 14 vorzugeben, der innerhalb des Blockes 10 einen Hauptanteil der gegenläufigen Laserstrahlen 15 und 16, die auf ihn auftreffen, reflektiert. Der Winkel zwischen den Strahlen 15 und 16 hängt von der gewählten optischen geschlossenen Wegstrecke ab, d.h. dreieckförmig (60º), rechteckförmig (90º), usw.
Das Substrat 110 umfaßt ferner eine zweite Oberfläche 115, die geeignet poliert und optisch beschichtet ist, um einen Spiegel 18 vorzugeben. Der Spiegel 18 ist positionsmäßig so angeordnet, daß er in das Prisma 12 den Teil des Strahles 16 zurückreflektiert, der durch das Prisma 12 und den Spiegel übertragen wurde. Das Substrat 110 ist so aufgebaut, daß sich die Oberfläche 115 unter einem ausgewählten Winkel in Bezug auf die Oberfläche 111 befindet, um den Winkel zwischen den auftreffenden und reflektierten Strahlen an der Oberfläche des Spiegels 18 vorzugeben. Der Winkel zwischen den auftreffenden und reflektierten Strahlen wird hier als "Strahlwinkel" bezeichnet.
Der von dem Spiegel 18 reflektierte Strahl wird von dem Spiegel 14 reflektiert, so daß er innerhalb aes Prismas 12 unter einem geringen Winkel, bezogen auf den Teil des Strahles 15, der durch den Spiegel 14 hindurchtritt, verläuft. Dieser geringe Winkel entspricht im wesentlichen dem zuvor erwähnten "Strahlwinkel". Der Teil des durch den Spiegel 14 übertragenen Strahles 15 und der doppelt reflektierte Teil des Strahles 16 treffen auf der durchlässigen Oberfläche 116 auf, um das Auslese-Interferenz- Beuaungsmuster des Kreisels auf der Oberfläche zu bilden.
Ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist ein Doppel-Fotodetektorsensor 25, der mit der Oberfläche 116 verbunden ist, um auf das hindurchtretende Interferenz-Beugungsmuster anzusprechen. Die Anordnung der beiden Fotodetektoren in Bezug auf das auftreffende Auslese-Interferenz-Beugungsmuster wird weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben.
Der Sensor 25 ist allgemein mit der Oberfläche 116 befestigt. Alternativ kann der Sensor 25 räumlich von der Oberfläche 116 entfernt sein, aber immer noch auf das auftreffende Interferenz- Beugungsmuster ansprechen, das durch die Oberfläche 116 übertragen wird.
Die vorliegende Erfindung wird auf Kreisel-Auslesesysteme angewendet, bei denen eine Maske zwischen der Ausleseprisma- Oberfläche 116 - der Oberfläche, an der das Auslese-Interferenz- Beugungsmuster vorliegt - und einem Sensor 25 angeordnet ist, ähnlich demjenigen Auslesesystem, wie bei der zuvor erwähnten US-A-4 676 643. Bei der US-A-4 676 643 und bei der vorliegenden Erfindung sind die zwei Fotodetektoren so angeordnet, daß sie gleichzeitig auf Teile der gleichen räumlichen Beugungsstreifen ansprechen, d.h. auf die gleichen Licht- und Dunkel-Intensitätsbänder. Alternativ können die zwei Fotodetektoren räumlich voneinander getrennt sein, so dar sie auf unterschiedliche Teile des gleichen Beugungsstreifens oder unterschiedliche Beugungsstreifen ansprechen.
Fig. 2 veranschaulicht eine Maske, wie sie in der US-A-4 152 072 beschrieben ist und bei der die beiden Fotodetektoren (nicht dargestellt) räumlich getrennt sind und auf unterschiedliche Beugungsstreifen ansprechen.
Fig. 3 veranschaulicht eine Maske, wie sie in der US-A-4 676 643 beschrieben ist, bei der die Fotodetektoren so angeordnet sind, daß sie gleichzeitig auf Teile der gleichen räumlichen Beugungsstreifen ansprechen, d.h. auf das gleiche Licht- und Dunkel- Intensitätsband.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 kann ein einziges Maskenmuster 120 zwischen der Ausleseprisma-Oberfläche 116 und dem Doppel-Fotodetektorsensor 25 als ein Mittel angeordnet sein, um die örtlichen Teile der Licht- und Dunkelstreifen des Auslese- Interferenz-Beugungsmusters auszuwählen, das jeder Detektor abtastet.
Bei der folgenden Betrachtung wird das Masken- und Doppel-Fotodetektor-Sensorsystem der US-A-4 676 643 vorausgesetzt. Dort wird die Richtung eines sich bewegenden Auslese-Interferenz- Beugungsmusters durch die Überwachung eines Paares von Fotoderektorsignalen festgestellt, die sich in Bezug aufeinander außer Phase befinden. Die Fotodetektorsignale werden außer Phase in Bezug aufeinander durch die Verwendung einer Maske gebracht, die parallele lichtundurchlässige und lichtdurchlässig Streifen besitzt, die in Bezug auf die auftreffenden Beugungsstreifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters geschwenkt sind.
Durch Verwendung dieser Technik wird ein Moiré-Beugungsmuster auf der gegenüberliegenden Seite der Maske erzeugt, auf das die Fotodetektoren ansprechen. Danach befinden sich die zwei Fotodetektorsignale außer Phase und zeigen das auftreffende Moiré- Beugungsmuster an. Danach können die Fotodetektorsignale verwendet werden, um die Richtung der Kreiseldrehung festzustellen.
Ein Beispiel einer geschwenkten Beugungsmaske ist in Fig. 3 dargestellt und in der zuvor erwähnten US-A-4 676 643 dargestellt und beschrieben. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ist eine Maske 300 so angeordnet, daß mehrere abwechselnd lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Streifen 301 und 303 unter einem ausgewählten Winkel in Bezug auf die Beugungsstreifen eines auftreffenden Interferenz-Beugungsmusters 310 geschwenkt sind. Fotodetektoren 321 und 323 sind hinter der Maske 300 angeordnet und räumlich um ein Viertel des Moiré-Beugungsabstandes "D" voneinander getrennt.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 wird bei der vorliegenden Erfindung der Kreisel so betrieben, daß ein stationäres Auslese- Beugungsmuster erzeugt wird, d.h. ein solches. welches sich nicht bewegt. Eine Abbildungseinrichtung, hier z.B. ein lichtempfindlicher Film, wird strategisch in der Position angeordnet, die die Maske besitzen soll. Demzufolge trifft das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster, welches durch die Oberfläche 116 übertragen wird, auf dem lichtempfindlichen Film auf und hinterläßt ein fotografisches Bild auf dem lichtempfindlichen Film in der Form von abwechselnden lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen des Interferenz-Beugungsmusters. Der lichtempfindliche Film selbst kann sodann als Maske 120 in Fig. 1 oder als Maske 300 in Fig. 3 verwendet werden.
Angewendet auf das Prinzip der US-A-4 676 643, das bereits erläutert wurde, kann die durch den fotografischen Film vorgegebene Maske 120 sodann so positioniert werden, daß die Maskenstreifen um einen vorgewählten Winkel in Bezug auf die Beugungsstreifen des auftreffenden Auslese-Interferenz-
TEXT FEHLT zu verhindern. Anschließend kann der Sensor selbst gedreht werden, um den geeigneten Schwenkwinkel zwischen den Maskenstreifen, d. h. den Empfindlichkeitsstreifen des Fotodetektors vorzugeben und um die beabsichtigte Phase der Fotodetektor- Ausgangssignale zu erzielen.
Bei all diesen fotografischen Abbildungsschemen ist das Ergebnis eine Maske, die an das individuelle Beugungsstreifenmuster in Größe und Ausrichtung perfekt angepaßt ist. Zusätzliche Modifikationen dieser Schemen können die automatische Kontrast - und Intensitätssteuerung des Bildes umfassen, um die Lichtundurchlässigkeit der Maske zwischen 0% und 100% zwischen transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen zu steuern mit einer mittleren Lichtundurchlässigkeit von 50%.
Es sei für den Fachmann vermerkt, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wie sie auf das Ausleseschema der US-A- 4 676 643 angewendet werden, ebenfalls auf das Ausleseschema der US-A-4 152 072 in der zuvor beschriebenen Weise angewendet werden können. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dort anwendbar, wo es erwünscht ist, eine Maske zu erhalten, die ein virtuelles Bild oder ein proportionales Bild eines Kreisel- Auslese-Interferenz-Beugungsmusters enthält.
Ferner sei vermerkt, daß die vorliegende Erfindung auf irgendeinen Ringresonator anwendbar ist, der den bekannten Ringlaserkreiseln ähnlich ist und daß andere Modifikationen anwendbar sind, ohne daß von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung in der beanspruchten Form abgewichen wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Auslesevorrichtung für einen Ringlaserkreisel, wobei ein Paar von gegenläufigen Laserstrahlen entlang einer geschlossenen Wegstrecke wandert und wobei der Kreisel eine Ausleseeinrichtung zur Bildung eines Auslese-Interferenz-Beugungsmusters umfaßt, das an einer Austrittsfläche der Ausleseeinrichtung austritt und wobei das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster aus einem Teil eines jeden der gegenläufigen Laserstrahlen abgeleitet wird und wobei es wenigstens ein Paar von Photodetektoren gibt, die auf das Interferenz-Beugungsmuster ansprechen, gekennzeichnet durch die Erzeugung eines photographischen Bildes aus dem tatsächlichen Auslese-Interferenz-Beugungsmuster während des Kreiselbetriebs und dadurch erfolgende Erzeugung abwechselnder lichtundurchlässiger und transparenter Streifenbereiche mit im wesentlichen dem gleichen räumlichen Profil wie das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster; und Anordnung des photographischen Bildes zwischen der Austrittsfläche und den Photodetektoren, so daß Teile des Auslese- Interferenz-Beugungsmusters hindurchtreten und auf die Photodetektoren auftreffen; und

Ausrichten des photographischen Bildes, so daß sich Streifenbereiche unter einem ausgewählten Winkel, bezogen auf die Beugungsstreifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photographische Bild ein lichtempfindlicher Film ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das photographische Bild ein photographisches Negativ ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Winkel ein spitzer Winkel ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des:

Betriebs des Ringlaserkreisels in einer solchen Weise, daß das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster stationär ist und im wesentlichen keine Bewegung erfährt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Photodetektoren so positioniert ist, daß es gleichzeitig auf Teile der gleichen räumlichen Streifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters anspricht.

7. Vertahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Photodetektoren räumlich getrennt und so positioniert ist, daß es auf unterschiedliche räumliche Streifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters anspricht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Auslesevorrichtung für einen Ringlaserkreisel, wobei ein Paar von gegenläufigen Laserstrahlen entlang einer geschlossenen Wegstrecke wandert und wobei der Kreisel eine Ausleseeinrichtung zur Bildung eines Auslese-Interferenz-Beugungsmusters umfaßt, das an einer Austrittsfläche der Ausleseeinrichtung austritt und wobei das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster aus einem Teil eines jeden der gegenläufigen Laserstrahlen abgeleitet wird und wobei es einen Photosensor gibt, der eine lichtempfindliche Oberfläche aufweist, um ein Paar von Photodetektoren vorzugeben, die auf das Interferenz-Beugungsmuster ansprechen, gekennzeichnet durch:

Positionierung des lichtempfindlichen Sensors in einer Position, in der er das Auslese-Interferenz-Beugungsmuster empfängt;

Gestattung der zerstörenden Veränderung der Lichtempfindlichkeit der lichtempfindlichen Oberfläche entsprechend der Intensität des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters;

Modifizierung der lichtempfindlichen Oberfläche, um eine weitere Veränderung der lichtempfindlichen Oberfläche auf Grund von irgendeinem auftretenden Licht zu verhindern;

Positionierung des Sensors so, daß er auf das Auslese- Interferenz-Beugungsmuster anspricht; und

Orientierung des Photosensors so, daß das Paar von Photodetektoren Ausgangssignale besitzt, die außer Phase in Bezug zueinander auf Grund eines auf sie auftreffenden, sich bewegenden Beugungsmusters sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Photodetektoren so positioniert ist, daß es gleichzeitig auf Teile der gleichen räumlichen Streifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters anspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Photodetektoren räumlich getrennt und so positioniert ist, daß es auf unterschiedliche räumliche Streifen des Auslese-Interferenz-Beugungsmusters anspricht.