JPH0131715B2

JPH0131715B2 -

Info

Publication number: JPH0131715B2
Application number: JP58125253A
Authority: JP
Inventors: Izumi Kataoka
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1983-07-08
Publication date: 1989-06-27
Also published as: JPS6016481A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は複数の反射鏡で順次反射されて環状
光路を形成して、二つのレーザビームを反対方向
に回転進行させ、これら二つのレーザビームの周
波数差を検出して入力角速度を検出するリングレ
ーザジヤイロに関する。

＜従来技術＞この種のリングレーザジヤイロにおいて、レー
ザビームを環状光路にそつてとじ込めるためには
３個以上の反射鏡が必要である。これらの反射鏡
の反射が完全であれば対向する進行波は互に独立
に存在できる。しかし現実には注意深く作られた
反射鏡においても微小な散乱源があり、これによ
り散乱された光が互に混入することによりロツク
インと呼ばれる現象が起こり、二つのレーザビー
ムの発振周波数が同一になることは知られてい
る。従つてリングレーザジヤイロの分解能向上の
努力はこのロツクイン現象を克服することにあつ
た。そのため多くの提案がこの面からなされた
が、現在実用レベルに達している方法はリングレ
ーザジヤイロの全体を機械的に揺動させる方法で
ある。これに対し、近年考え方のまつたく異なる
ロツクイン防止法が以下の原理に基づいて提案さ
れた（例えば特開昭57−208187、58−66383）。

上記のようにリングレーザジヤイロの分解能に
限界を与えている反射鏡からの散乱波は見方を変
えると、基本進行波（双方向の発振波）に対し、
位相変調を受けた搬送波と側波とからなると考え
ることができ、またこの搬送波と側波はベツセル
関数の和により表わすことができることが知られ
ている。

前記従来の提案は搬送波を表わすベツセル関数
の根になるように変調指数（反射鏡の運動の大き
さ）を選び、この項を０またはそれに近くするよ
うにし、また側波に対しては発振周波数（搬送波
周波数）から十分離れた周波数帯へ移すような周
波数で反射鏡を振動させるという原理に基づいて
いる。これを達成する具体的方法として、今まで
提案されたものは大きく分けて３個の反射鏡を同
期させて振動させて３個の反射鏡からの散乱波を
０または０に近づけようとするもの、２個の反射
鏡を動かし形状あるいは動かす方向を適当に選ん
で３個の反射鏡からの散乱波を０または０に近づ
けようとするもの及び形状、運動方向を特別な方
向に選ばず、２個の反射鏡あるいは１個の反射鏡
からの散乱波を０または０に近づけ、他はできる
だけ小さくする、もしくは３個の反射鏡からの散
乱波を減少させるという方法に分類できる。

これらはいずれも３個または２個の反射鏡を同
期させて動かさなければならないという欠点を持
つ。

＜発明の概要＞この発明の目的は一つの反射鏡を振動させるこ
とによつてロツクイン現象を抑圧することができ
るリングレーザジヤイロを提供することにある。

この発明によれば、複数の反射鏡は一つの平面
鏡と、複数の凹面鏡とから構成され、または光路
長よりも十分長い曲率半径をもつた凹面鏡ですべ
てが構成され、平面鏡を用いる場合は平面鏡を、
凹面鏡のみで構成する場合は何れか一つの凹面鏡
を、環状光路と垂直な軸のまわりに振動的に傾斜
させる振動手段が設けられる。振動の振幅は、反
射鏡からの後方散乱放射の成分のうち搬送波がほ
ぼゼロになるように選定され、かつ振動周波数は
ロツクイン周波数より十分大と選定される。更に
前記搬送波をゼロに制御するためレーザビームか
らロツクインレートの大きさに対応する信号を取
出し、その取出した信号でこの信号が小さくなる
ように振動振幅を制御する。また振動周波数とそ
の振幅との積がロツクインレートよりも十分大に
なるようにこれら周波数及び振幅が選定される。

＜実施例＞第１図はこの発明によるリングレーザジヤイロ
の一例を示し、結晶化ガラスブロツク１１内にほ
ぼ正三角形の各辺を構成する通路１２，１３，１
４が形成され、これら通路１２，１３，１４によ
り一つの連続した放電空間が構成される。通路１
２，１３，１４の各交差点位置に反射鏡１５，１
６，１７が配される。通路１２，１４の各中間位
置に陽極１８，１９が設けられ、通路１３の中間
部に陰極２１が設けられる。前記放電空間内にヘ
リウム、ネオンなどのレーザ媒質が封入され、陽
極１８，１９と陰極２１との間にレーザ放電が行
われて、レーザビームが反射鏡１５，１６，１７
と順次反射されて時計方向に回転進行する環状光
路と、反射鏡１５，１７，１６で順次反射され、
反時計方向に回転進行する環状光路とをそれぞれ
構成してレーザ発振が生じる。この環状光路２２
の中心を垂直に通る軸２３のまわりの角速度が入
力されると、前記逆方向に回転進行する二つのレ
ーザビームの発振周波数に差が生じる。例えば一
つの反射鏡の一部から前記二つのレーザビームの
一部を取出し、これら取出されたレーザビームを
プリズム又は反射鏡により互に干渉させ、その干
渉稿の移動速度及びその方向によつて入力角速度
の大きさ及びその方向が測定される。

従来においてレーザビームの発振波長λを一定
に制御するために、一つの反射鏡１６は圧電形駆
動器２４の可動部に取付けられる。圧電形駆動器
２４は制御回路２５により交流で駆動され、反射
鏡１６は環状光路２２の法線方向、つまり入力軸
２３に対し半径方向に振動する。この振動により
レーザ媒質のドツプラーセンタに発振波長が来る
ように制御され、かつその点を中心に百分の１〜
２波長程度の幅で光路２２の長さが変動する。

この実施例によれば、一つの反射鏡１７は平面
鏡とし、他の反射鏡１５，１６は凹面鏡とし、平
面鏡１７を入力軸２３のまわりに振動的に角度変
化させる振動手段２６が設けられる。振動手段２
６は例えば圧電形駆動器２４とほゞ同様に構成す
ることができ、その可動部に平面鏡１７が取付け
られ、圧電素子２７が可動部の外周面と固定部の
内周面との間に介在される。圧電素子２７は制御
部２８よりの交流信号により駆動され、平面鏡１
７の反射点を通る光路に垂直な軸のまわりに振動
的に回動する。即ち例えば第２図に示すように反
射鏡１５，１６，１７が実線で示す状態から反射
鏡１７のみが点線１７′として示すように角度θ₁
だけ回動して戻ることが繰返される。この場合、
反射鏡からの後方散乱放射の成分のうち搬送波が
ゼロとなるように平面鏡１７の角度振動の最大角
度を選定し、また後方散乱放射成分のうち側波成
分の振動数の発振中心周波数からのずれがロツク
イン周波数より十分大きくなるように平面鏡１７
の振動周波数を選定する。このようにしてすべて
の反射鏡からの後方散乱放射を減らすことができ
る。以下このことを詳細に説明する。なお第２図
においてAC、CD、CAはそれぞれ反射鏡１５，
１６，１７の反射面を示し、AC、CDは曲面であ
るが、曲率が数ｍと大きなものが一般に用いられ
るため、図では直線で表わした。

各反射鏡の面上には複数の散乱源があり、光ビ
ームの径内にも同様に複数の散乱源が含まれるが
各散乱源からの散乱波は合成の結果特定の一つの
散乱源からの散乱波として記述できる。従つて第
２図に示すように三角形の頂点ａ，ｂ，ｃに散乱
源が存在するように考えて予盾は起こらない。平
面鏡１７の回動により光路ａ，ｂ，ｃが光路a′，
b′，c′に反射鏡上を移動した場合に、進行波があ
る位相φ₀で散乱を受けていたものがどう変化す
るかを知り、その変化量から搬送波を０にするた
めの条件を選ぶ。

いま△abcが△a′b′c′に移つた場合、反時計方
向のレーザビームが点ｂで受けた散乱波がどう変
化するかを考える。点ａ，ｃでも正三角形の場合
ほゞ同様なことが起こる。△abcが△a′b′c′に移
つた場合、光線c′b′の中心上にはもはや散乱源は
ないが、光線c′b′が中心であるレーザビーム内に
は点ｂが存在しているとする。従つて光線c′b′か
ら見れば散乱源がbb′だけずれたわけで点b′に点
ｂと同じ位相角で到達し続ける波頭は散乱を受け
るためには更にb′e′だけ余分に進行しなければな
らない。この距離を△ｘとすると、 △ｘ＝b′e′＝bb′sinθ₁ (1) で表わされる。またbb′＝0₁bsinθ₁、0₁b＝bc／
2cos30゜、こゝでbcは光路２２の一辺の長さであ
るのでこれをbc＝Ｌとおくと、bb′＝Lsinθ₁／
2cos30゜であるので求める△ｘは △ｘ＝Lsinθ₁tan30゜／２ (2) となる。従つてこの間△ｘの位相変化φ₁は φ₁＝（Lsinθ₁tan30゜）×2π／λ (3) となる。こゝでλはレーザの発振波長である。こ
れより任意の瞬間における散乱波の位相φ（ｔ）
は φ（ｔ）＝φ₁sinΩt (4) で表わされる。こゝでΩは平面鏡１７の角度振動
の周期である。従つて散乱波Ψは(5)式で表わされ
る。

Ψ＝Esin（ωt＋φ（ｔ）） (5) Ｅは光の振幅、ωは発振角周波数である。(4)式
を(5)式に代入すると、 Ψ＝Esin（ωt＋φ₁sinΩt） (6) となる。この(6)式は角周波数Ωを持つ変調波によ
り、角周波数ωを持つ搬送周波数を位相変調した
式と同じである。従つてベツセル関数Jn（φ₁）で
展開した時の(6)式は Ψ＝Ｅ｛J₀（φ₁）sinωt＋J₁（φ₁）〔sin（ω＋Ω
）ｔ―sin（ω―Ω）ｔ〕＋J₂（φ₂）〔sin（ω＋Ω
）ｔ―sin（ω―Ω）ｔ〕＋〓〓〕｝ (7) となる。J₀（φ₁）は第１種０次のベツセル関数で
φ₁は変調指数である。良く知られているようにJ₀
（φ₁）はφ₁＝2.405、5.520、8.654……等の値を根
に持つ（この時J₀（φ₁）が０になる）。従つてφ₁を
これらの値の何れかになるようにθ₁、つまり平面
鏡１７の振動振幅を選べば搬送波J₀（φ₁）sinωtを
０にすることができる。この時のθ₁を求めて見る
と(3)式より θ₁＝arc sin（λφ₁／2πLtan30゜） (8) である。λ＝6328Å（He―Ne可視発振の場合）、
Ｌ＝10cm程度の場合を考えると、 φ₁＝2.405の場合 θ₁＝2.4×10^-4 Ｄｅｇ⌒′＝0.87ｓｅｃ⌒ φ₁＝5.520の場合 θ₁＝5.5×10^-4 Ｄｅｇ⌒′＝1.98ｓｅｃ⌒ φ₁＝8.654の場合 θ₁＝8.7×10^-4 Ｄｅｇ⌒′＝3.13ｓｅｃ⌒ 等となる。次にこの角度変化に対する光路長の変
化を見積る。求める変化長を△Ｓとすると、 △Ｓ＝ac―a′c′＝Ｌ―a′c′ (9) またa′c′＝BC′＝B0₁cos30゜ (10) BO₁＝Be／cos（30゜―θ₁） (11) Be＝Ce／tanθ₁ (12) O₁Ccos30゜＝（Ce＋eO₁）cos30゜＝Ｌ／２（13） eC₁＝Be tan（30゜―θ₁）（14）これら(9)〜（13）式から △Ｓ＝Ｌ〔１―sin30゜／cos（30゜―θ₁）｛tanθ₁
＋
tan（30゜―θ₁）｝が求まる。従つてＬ＝10cmに対し、θ₁＝0.87
ｓｅｃ⌒の場合は△Ｓ０となる。同様にθ₁＝
3.13secの場合△Ｓ＝１×10^-2Å程度となり、こ
の値は波長6328Åに対し無視できる。

反射鏡１５，１６は凹面鏡であるから、そのこ
とに基づく補正を必要とするが、θ₁が数秒程度の
場合、△Ｓ、△ｘに対する補正量Ｒ（１―
cosθ₁）／cos30゜及びＲ（１―cosθ₁）cos30゜は（Ｒ
＝300cm程度の場合）、△Ｓ、△ｘに対し更に小さ
く無視できる。従つてθ₁を0.87ｓｅｃ⌒、1.98
ｓｅｃ⌒、3.13ｓｅｃ⌒等に角度振動させることによ
つて、光路長に有意な影響を与えることなく、J₀
（φ₁）sinωt、即ち搬送波を０または０に近くす
ることができる。

次に側波の周波数をロツクイン周波数より十分
離すことについて説明する。１辺10cm程度の正三
角形のリングレーザの場合、スケールフアクター
ＫはＫ0.5カウント／ｓｅｃ⌒程度である。また
一般に入手できる注意深く製作された反射鏡によ
り作られたリングレーザのロツクイン周波数は１
度／秒より小さく、従つて0.5×3600＝1800（ヘル
ツ）よりも大きい周波数で振動させればよい。こ
の値は通常圧電形駆動器で十分振動させられる程
度の値である。このような周波数で平面鏡１７を
振動させることにより、側波周波数のレーザビー
ム発振中心周波数からのずれがロツクイン周波数
より十分大きくなる。

次に上記θ₁の制御について述べる。あらかじめ
上記θ₁の値になるような基準に対し、θ₁の変化を
検出し、θ₁が基準値にとゞまるように制御する方
法もあるが、リングレーザが本来持つているロツ
クインレートに対応した信号を最も小さくする
か、その信号が０になるように制御することによ
り、θ₁をφ₁がJ₀（φ₁）の根またはその近傍になる
値にすることができる。即ち上記のような最大角
度φ₁、角周波数Ωで平面鏡１７を振動させると、
Ｂ＝θ₁ΩsinΩtなるバイアスがレーザ発振出力に
入ることになり、θ₁Ωがロツクインレートよりも
大きい場合、レーザ光は第３図に示すような変調
を受ける。第３図において包絡線の高さｈはウイ
ンキング現象の大きさを表わし、ロツクインレー
トの大きさに対応していることが知られている。
またこのウインキング現象の周期は第３図乃至第
４図に示すように平面鏡１７の角振動の周期と対
応しており、この角振動周期の成分を検波して
波器を通すことにより独立な信号として得ること
ができ、この信号の大小を用いてこの信号が最も
小さくなるようにθ₁を制御することによりこのθ₁
をJ₀（φ₁）の根もしくはその近傍に持つて行くこ
とができる。

例えば第１図において反射鏡１５から反時計方
向のレーザビームの一部を取出し、その取出した
ビームを受光素子３１で電気信号に変換し、その
電気信号を回路３２で増幅検波し、その検波出力
から波器３３で第３図の包絡線成分、つまりロ
ツクインレートの大きさと対応した信号を取出
す。この出力を制御回路２８へ供給して発振器３
４の出力の振幅を制御して圧電形駆動器２６の駆
動信号の大きさが変化され、平面鏡１７の振動振
幅θ₁が制御され、この結果波器３３の出力が小
さくなるようにされる。なお第１図において発振
器３５の出力は制御回路２５へ供給され、この発
振出力に応じて圧電形駆動器２４が駆動される。

また２モード動作のリングレーザに大きさΩ_D
なる揺動が入つた場合のランダム誤差の大きさ
RWは、 RW＝K^1/2ΩL／（2πΩD）^1/2 （15）で表わされることが知られている。こゝでＫはス
ケールフアクター、Ω_Lはロツクインレートであ
る。この発明では一つの反射鏡１７を角度振動さ
せることにより光路を第２図に示したように点Ｃ
の回りに角度振動させるものであるから、θ₁Ωが
前記Ω_Dに等しくなり、従つて（15）式からθ₁Ωを
Ω_Lより十分大きく取ることによりランダム誤差
RWを小さくすることができる。前述したように
J₀（φ₁）が根を持つようにすればよいが、実用上
の加工、工作精度からJ₀（φ₁）を完全に０にする
ことは困難であり、この場合、前記θ₁Ω＞＞Ω_Dな
る条件により残つているロツクインレートの影響
を小さくすることができる。

通常Ω_Dは100度／秒程度の値になつているがこ
の発明ではθ₁を前記３秒程度に選んだ場合、Ωは
120KHzとなる。これは実現可能な周波数である
が、上述のようにロツクインレートは著しく小さ
くなつているので振動周波数をこの値より小さく
することができる。

上述においては反射鏡の数を３としたが４以上
として正多角形の各頂点にそれらを配してもよ
い。また用いる反射鏡のすべてを凹面鏡とし、各
凹面鏡の曲率半径を光路２２の長さよりも十分長
くし、その一つの凹面鏡を駆動器２６で駆動して
もよい。

＜効果＞従来の方式では３枚または２枚の反射鏡を同期
させて振動させることが必要であつたのに対し、
この発明では１枚の反射鏡を角度振動させるだけ
ですべての反射鏡からの散乱波を原理的に０にす
ることができる。また従来リングレーザジヤイロ
の全体を機械的に揺動させるボデイデイザの代り
にこの発明を利用し、上記散乱波を小さくする効
果と並用することにより現実的な工作精度等から
出てくる残留ロツクインの現象を更に減少させる
ことができる。またロツクインレートの大きさに
対応した信号を最少にするように制御することに
より振幅θ₁が自動的に制御され、他に基準値を必
要としない効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるリングレーザジヤイロ
の一例を示すブロツク図、第２図は平面鏡の振動
による光路の振動を示す図、第３図はレーザビー
ムの強度の時間変化を示す図、第４図は平面鏡の
角速度の時間変化を示す図である。１１：結晶化ガラスブロツク、１２〜１４：通
路、１５，１６：凹面鏡、１７：平面鏡、１８，
１９：陽極、２１：陰極、２２：光路、２３：入
力軸、２６：振動手段としての圧電形駆動器、２
８：制御回路、３３：ロツクインレート成分取出
し用波器、３４：発振器。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の反射鏡により順次反射されて環状光路
を形成して二つのレーザビームが互に反対方向に
回転進行し、その二つのレーザビームの周波数差
を検出して入力角速度を検出するリングレーザジ
ヤイロにおいて、上記複数の反射鏡は一つの平面
鏡と複数の凹面鏡とにより構成され、または上記
光路の長さよりも十分長い曲率半径をもつ凹面鏡
によりすべての反射鏡が構成され、平面鏡をもつ
構成の場合にはその平面鏡を、すべて凹面鏡によ
り構成される場合はいずれか一つの凹面鏡を、上
記環状光路と垂直な軸のまわりに振動的に角度変
化させる振動手段が設けられ、上記反射鏡からの
後方散乱放射の成分のうち搬送波がほゞゼロにな
るように上記振動の振幅が選定され、上記振動の
周波数はロツクイン周波数より十分大に選定され
ていることを特徴とするリングレーザジヤイロ。２上記レーザビームからロツクインレートの大
きさに対応する信号を取出す手段と、その取出さ
れた信号により、この信号が小さくなるように上
記振動の振幅を制御する手段とを具備する特許請
求の範囲第１項記載のリングレーザジヤイロ。３上記振動の周波数と振幅との積がロツクイン
レートよりも十分大きな値になるように上記振動
周波数及び振幅が選定されている特許請求の範囲
第１項又は第２項記載のリングレーザジヤイロ。