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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ringinterferometer.
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Bei gewissen interferometrischen Systemen, beispielsweise
Gyrometern, ermöglicht die Anwendung einer bestimmten
Konfiguration, nämlich einer "mininimal reziproken" Konfiguration,
die exakte Annulierung jeglicher Phasenverschiebung, die
nicht von nichtreziproken Effekten hervorgerufen wird. Diese
nichtreziproken Effekte sind insbesondere der Faraday-Effekt
(ein collinearer magnetisch-optischer Effekt) und der
Sagnac-Effekt, bei dem durch einen relativistischen
Trägheitseffekt die Drehung des Interferometers bezüglich eines
galileischen Koordinatensystems die Laufzeitsymmetrie zerstört.
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Es sind Gyrometer mit minimaler reziproker Konfiguration
bekannt. In besonders einfacher Weise enthält diese
Konfiguration eine Separatorvorrichtung mit drei Monomoden-
Anschlüssen, die zum Einführen des einfallenden Lichts in
die Enden einer Lichtleitfaserschleife notwendig sind, die
den sensiblen Teil des Interferometers bildet.
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Der besondere Eingangs-/Ausgangsabschnitt des Separators
bildet ein unimodales Filter, das die perfekte optische
Reziprozität des Systems gewährleistet. Gemäß einer
Ausführungsform hat der Separator mehrere Funktionen:
Er gewährleistet die Modenfilterung durch Polarisieren des
Lichtes und die Modulation der gegenläufigen Wellen zur
Ermöglichung der Verarbeitung des detektierten Signals.
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Das System enthält ferner eine Lichtquelle und eine
optoelektronische Selektionsvorrichtung. Gemäß einer bevorzugten
Ausführung dieser bekannten Vorrichtung sind die
verschiedenen vorgenannten Elemente in einem einzigen Gehäuse mit
reduzierten Abmessungen untergebracht und über ein
Versorgungskabel und ein Kabel zum Transportieren der von dem
Detektor kommenden Informationen mit einer elektronischen
Steuervorrichtung verbunden.
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Diese elektrischen Kabel sind selbst dann, wenn sie gut
abgeschirmt sind, elektromagnetischen Störungen ausgesetzt,
was die Messungen der detektierten Signale stört.
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Aus dem Dokument US-A-4 153 370 ist ein
mikrointerferometrischer Wandler bekannt, bei dem Verbindung zwischen dem
Fühler und den Detektoren über Lichtleitfasernerfolgt, jedoch
wird in diesem Dokument keine Lösung für die gerichtete
Verbindung zwischen einem interferometrischen Ring und seinem
Detektor empfohlen oder vorgeschlagen.
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Das Ziel der Erfindung ist ein Ringinterferometer mit
ausgelagerter Verarbeitungs und Versorgungszentrale, wobei
dieses Interferometer so kompakt wie möglich ist und
praktisch keine Gefahr läuft, durch elektromagnetische
Störungen gestört zu werden.
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Das Interferometer nach der Erfindung ist ein
Ringinterferometer mit ausgelagerter Verarbeitungs und Versorgungszen
trale, dessen optoelektronischer Detektor im Abstand vom
kompakten Meßkopf angeordnet ist und an diesen über eine
Lichtleitfaser angeschlossen ist und zwischen der
Lichtquelle und dem Meßkopf ein Ableitorgan enthält, das dadurch
gekennzeichnet ißt, daß das Ableitorgan eine gekrümmte
Monomodenfaser aufweist, die örtlich und an der Oberfläche
abgetragen ist, wobei die abgetragene Zone poliert ist, ferner
einen Block aus einem für die angewendeten Wellenlängen
durchlässigen Material mit assymmetrischer Geometrie
aufweist, dessen Brechungsindex größer als der der Faser ist
und an der polierten Fläche der Faser angeklebt ist, wobei
die den optoelektronischen Detektor mit dem Meßkopf
verbindende Lichtleitfaser an einer Fläche des Blocks angeklebt
ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die
Lichtquelle ebenfalls von dem Meßkopf entfernt angeordnet
und mit diesem über eine Lichtleitfaser verbunden. Ein
besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus dem Lesen
der genauen Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele mit
einer Veranschaulichung durch die beigefügte Zeichnung, in
der :
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- Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Ringinterferometers nach dem Stand der Technik ist,
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- Figur 2 eine Schnittansicht eines Lichtableitorgans ist,
das in dem Interferometer von Figur 1 verwendet wird.
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- Figur 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Ringinterferometers nach der Erfindung ist,
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- Fig. 4 eine Schnittansicht eines Lichtableitorgans, das im
Interferometer von Fig. 3 verwendet wird, und
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- Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer
Abwandlung eines erfindungsgemäßen Ringinterferometers ist.
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Ein interferometrisches System vom Ringtyp enthält, wie in
Fig. 1 dargestellt ist, eine Lichtquelle 1, die mit einem
Ring 2 aus Lichtleitfasern über ein Ableitorgan 3 und einen
Separator oder Eingangs/Ausgangs-Anschluß 4 verbunden ist.
Ein Detektor 5 ist ebenfalls mit dem Ableitorgan 3
verbunden
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Das Ableitorgan 3 ermöglicht die Erfassung des von dem den
sensiblen Teil des Interferometers bildenden Ring 2
kommenden Nutzlichtstroms, in dem ein Teil des die
Phasenverschiebungsinformationen enthaltenden Lichtstroms abgegriffen und
zum Detektor 5 gelenkt wird.
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Die Reziprozität des Systems wird erhalten, wenn der auf der
Ausgangsseite des Ableitorgans 3 liegende Abschnitt im
strengen Sinn ein Monomoden-Abschnitt ist (im räumlichen
Sinn und im Sinne der Polarisation), nämlich wenn der
Abschnitt Monomoden-Lichtleitfasern 2 und 7 enthält (die Faser
7 zwischen dem Ableitorgan 3 und dem Separator 4).
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Das Ableitorgan 3 benötigt somit nur zwei
Monomodenanschlüsse für die Verbindung mit der Quelle 1 über die Monomoden-
Lichtleitfaser 8 und die Eingangs/Ausgangs-Verbindung mit
der Faser 7. Die Verbindung 9 zwischen dem Ableitorgan 3 und
dem Detektor 5 kann ebenso gut eine Multimoden-Faser als
auch eine Monomoden-Faser sein.
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Das Ableitorgan 3 (Figur 2) wird beispielsweise mit Hilfe
einer Monomodenfaser 10 verwirklicht, die durch Festkleben
an einem geeigneten Träger 11 gekrümmt gehalten wird. Nach
einem oberflächlichen, lokalen Abtragen dieser Faser und
Polieren der auf diese Weise erhaltenen Fläche 12 wird auf
diese Fläche ein Block 13 aus einem Material geklebt, das
für die angewendeten Wellenlängen durchlässig ist und dessen
Brechungsindex größer als der der Faser ist. Ein Teil des
von der Faser transportierten (vom Ring 2 kommenden)
Nutzlichtstroms kann auf diese Weise nach außen gekoppelt werden.
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Dieser Lichtstrom pflanzt sich in Block 13 fort und gelangt
mach Reflexion und Fokussierung zu einem optoelektronischen
Detektor 14. Die assymetrische Geometrie des Blocks 13
ermöglicht es, den abgegriffenen Teil des Lichtstroms in
Richtung Quelle-Interferometer durch Brechung aus dem
Detektorfeld und aus dem Block (Strahlen R') abzulenken. Die
Multimoden-Natur der Ausbreitung der Lichtwellen zwischen dem
Ableitorgan 3 und dem Detektor 5 stört den Betrieb des
interferometrischen
Systems nicht, das insgesamt reziprok bleibt.
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Die Verbindung zwischen dem Detektor 14 und der entfernten
Detektorsignalverarbeitungs- und Versorgungszentrale 15
erfolgt mit Hilfe eines abgeschirmten elektrischen Kabels,
wobei dieses häufig relativ lange Kabel durch
elektromagnetische Störungen gestört werden kann, wie oben angegeben
wurde.
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Das interferometrische System nach der Erfindung, das in
Figur 3 schematisch dargestellt ist, weist diese Störrisiken
nicht auf. Der Interferometerkopf 16 weist nämlich keinen
optoelektronischen Detektor mehr auf; dieser (17) ist in die
entfernte Verarbeitungszentrale 18 ausgelagert. Die
Verbindung zwischen dem Kopf 16 und dem Detektor 17 erfolgt mittels
einer Lichtleitfaserverbindung 19. Diese Lichtleitfaser 19
kann ebensogut eine Multimoden-Faser wie eine
Monomoden-Faser sein. Vorzugsweise ist sie eine Multimoden-Faser, da sie
in diesem Fall nur einfache und einfach anzuwendende
Verbinder benötigt.
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Die Zentrale 18 enthält im wesentlichen eine
Elektronikvorrichtung 20 zum Verarbeiten der vom Detektor 17 abgegebenen
Signale, eine Vorrichtung 21 zum Erzeugen von Modulations-
und Gegenkopplungssignalen für den Phasenmodulator des Kopfs
16 und eine Versorgung 22 für die Energieversorgung der
Lichtquelle, die Regelung und die Steuerung. Alle diese
Elemente sind bekannt und werden hier nicht genauer
beschrieben. Die Verbindung zwischen den Elementen 21 und 22 und dem
Kopf 16 erfolgt mit Hilfe elektrischer abgeschirmter Kabel
24 bzw. 25. Die Kabel 19, 24, 25, sind mit dem Kopf 16 über
geeignete Verbinder 26 angeschlossen.
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Das Ableitorgan 27 (Figur 4) wird mit Hilfe einer Monomoden-
Lichtleitfaser 28 verwirklicht, die auf einem Träger 29
gekrümmt gehalten ist. Die Faser 28 ist örtlich an der
Oberfläche bei 30 abgetragen und dann poliert. Ein Block 31 aus
einem Material mit einem Brechungsindex, der größer als der
der Faser 28 ist, ist an dieser polierten Fläche angeklebt.
Die Geometrie des Blocks 21 ist derart, daß der Anteil 32
des von der Faser 28 abgegriffenen Nutzlichtflusses
entsprechend einer Fläche dieses Blocks gebrochen wird. In der
dargestellten Ausführungsform hat der Block 31 eine
prismatische Form.
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Eine Multimoden-Lichtleitfaser 33, die mit Hilfe einer fest
am Träger 29 befestigten Befestigungsmuffe 34 gehalten wird,
wird mit der Fläche 35 des Blocks 31 in Kontakt gebracht,
die das gebrochene Nutzstrahlenbündel 32 empfängt. Die Faser
33 hat einen weiten Führungskern, und sie ist an ihrem Ende
poliert und mit dem Block 31 in Kontakt gebracht. Die axiale
Symmetrieachse (36) der Faser 33 verläuft längs der
mittleren Richtung des Strahlenbündels 32, um die Kopplung der
Lichtenergie zu optimieren 8 (unter Vernachlässigung des
Brechungswinkels des Strablenbündels 32 beim Ubergang vom
Block 31 in die Faser 33). Um eine gute optische Kopplung
zwischen dem Block 31 und der Faser 33 zu gewährleisten,
wird vorzugsweise an ihrer Grenzfläche ein durch
Ultraviolettstrahlung polymerisierbarer Klebstoff mit geeignetem
Brechungsindex verwendet.
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Gemäß einer Ausführung werden Lichtleitfasern auf der Basis
von dotiertem Kieselsäureanhydrid verwendet, dessen
mittlerer Brechungsindex n&sub1; den Wert 1,46 hat, wobei der Block 31
einen höheren Brechungsindex n&sub2; von 1,52 hat. Unter diesen
Bedingungen liegt der Streuungswinkel θm des Lichts im Block
31 (bezüglich der polierten Fläche der Faser 28)
entsprechend den Brechungsgesetzen in der Größenordnung von 16º. In
dieser Richtung ist die Brechung sehr gering in der
Größenordnung von 10&supmin;³. Im Gegensatz dazu ist der Brechungswinkel
in der Ebene, die mit der polierten Fläche einen Winkel θm
bildet, in der Größenordnung von 10º bis 20º. Dieser große
Winkel (größer als 15º) steht einer wirksamen Kopplung in
einer Multimoden-Lichtleitfaser mit herkömmlicher
numerischer Öffnung nicht entgegen (wobei die numerische Öffnung
einer Lichtleitfaser definitionsgemäß der Sinus des halben
Aufnahmewinkels des Strahlenbündels ist). In diesem Fall
gilt: sin θm = 0,25.
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Nach dem Prinzip des gerichteten Ableitorgans wird die aus
der Monomoden-Faser 28 durch Brechung entgegengesetzt zur
Nutzrichtung (Strahlen 37) abgelenkte Lichtenergie nicht in
die Multimoden-Faser 33 gekoppelt und verschlechtert das
Signal/Rausch-Verhältnis des Interferometers nicht.
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Der für die interferometrische Messung durch
Phasenverschiebung benutzte Lichtstrom 32, der in die Faser 33 gekoppelt
wird, wird über diese zu dem entfernten Detektor 17 gelenkt.
Die Kopplung zwischen der Faser 33 und dem Detektor 17 wird
in an sich bekannter Weise verwirklicht.
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Das auf diese Weise gebildete Ringinterferometer ist im
wesentlichen aus dem Meßkopf 16, der Steuereinheit 18 und den
Verbindungen 19, 24, 25 zusammengesetzt, wobei der
optoelektronische Detektor (17) in der Steuereinheit so nahe wie
möglich bei den Verstärkungsstufen 20 angeordnet ist, was
die Empfindlichkeit des Systems gegenüber
elektromagnetischen Störungen reduziert. Die elektrischen Verbindungen
zwischen dem Meßkopf und der Steuereinheit sind auf die zur
Lichtquelle gehörigen Verbindungen sowie die
Modulationsund Gegenkopplungsanschlüsse reduziert. Das Nutzsignal der
Messung breitet sich in optischer Form aus, was die
Entkopplung gegenüber elektromagnetischen Strahlungen garantiert
und die Störinterferenzen zwischen den elektrischen
Verbindungen begrenzt. Die Verbindung zwischen dem Kopf 16 und der
Steuereinheit 18 kann natürlich auch mit einem gemischten
Kabel, optisch und elektrisch, realisiert werden.
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Gemäß der Ausführungsform von Fig. 5 ist die Lichtquelle
außerhalb des Meßkopfs verlagert, indem sie über eine
Monomoden-Faser mit dem Meßkopf verbunden wird.
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In der optischen Gyrometertechnik der Trägheitsklasse ist
der strikte Monomodencharakter (in räumlichem Sinne und im
Sinne der Polarisation) ein Kriterium von höchster
Bedeutung.
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Entsprechend dem erforderlichen Genauigkeitsgrad erfordert
die Steuerung des Polarisationszustandes des von der Quelle
kommenden Lichtstroms eine Monomoden-Verbindung mit
Beibehaltung der Polarisation. Aus diesem Grund müssen die an der
Monomoden-Verbindung zwischen der Quelle und dem
Interferometer benutzten Verbinder die einfallende Polarisation
beibehalten, was für bekannte Monomoden-Verbinder der Fall ist.
Dabei ist es natürlich notwendig, auf eine gute Ausrichtung
der Polarisationsachsen der Verbinder (oder der
Spleißstellen, falls zutreffend) zu achten.
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Im System von Fig. 5 ist der Meßkopf 16' über ein
elektrisches Kabel 24' und zwei Lichtleitfasern 19' und 38 mit der
Steuereinheit 18' verbunden. Das Kabel 24' ermöglicht das
Anlegen der Modulation und der Gegenkopplungssignale an den
(nicht dargestellten) Phasenmodulator des Meßkopfs. Die
Multimoden-Faser 19' gewährleistet die optische Verbindung
zwischen dem Interferometer und dem Detektor 17' der Einheit
18'. Die Monomoden-Faser 38 mit Beibehaltung der linearen
Polarisation gewährleistet die optische Verbindung zwischen
der (in der Einheit 18' angeordneten) Quelle 39 und dem
Interferometer 16'. Die Einheit 18' enthält außerdem
Schaltungen 20' zum Verarbeiten des vom Detektor 17' gelieferten
Signals.
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Die Vorrichtung von Figur 5 ist vorteilhaft, weil der
Detektor 17' so nahe wie möglich bei den sein Signal
verarbeitenden Schaltungen 20' angeordnet ist und weil die
richtquelle 39 ebenfalls sehr nahe bei diesen
Versorgungsund Regelvorrichtungen liegt. Bei den meisten Anwendungen
muß eine Temperaturregelung der Lichtquelle sichergestellt
werden, was in der Einheit 18' viel leichter verwirklicht
werden kann, die ausreichend weit vom Meßort entfernt sein
kann und daher leicht gegen Umgebungseinwirkungen geschützt
werden kann, während beim Meßkopf 16' die Gefahr besteht,
daß er großen Temperaturänderungen ausgesetzt wird.