JPH02500627A - リングレーザ角速度センサおよびその経路長制御器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 リングレーザ角速度センナ用の経路長制御機械化本発明は、リングレーザジャイ ロと呼ばれることもあるリングレーザ角速度センサに関するものでおり、更に詳 しくいえば、そのようなセンサ用の経路長制御の機械化に関するものである。

発明の背景 リングレーザジャイロと呼ばれることもあるリングレーザ角速度センサは当該分 野において良く知られている。リングレーザ角速度センサについての詳しい説明 が米国特許第４．５９７．６６７号の「発明の背景」に記載されている。その米 国特許を参考のためにここに引用した。

要約すれば、それらのセンサは、気体を含んでいる複数のトンネルを有するブロ ックの内部に支持されるりングレーザを含む。レーザビームが互いに逆向きに伝 わる閉ループ光路の形成のために、トンネルの交差部に反射鏡が設けられる。リ ングレーザ角速度センサの実際的な具体例では経路長制御器を通常含む。経路長 制御器の目的は経路長を一定に維持することである。経路長を一定に維持すると 、通常のセンナ出力中の回転誤差が避けられる。経路長制御器の機能は、レーザ ビームの経路長を定めるために反射鏡の並進運動を制御する圧電トランスデユー サに取付けられている１枚の反射鏡：により通常実行される。

経路長を一定に保つだめの１つの技術はレーザビームの一方または両方の強さを 検出し、その強さが最高となるようにリングレーザの経路長を制御する０１９７ ９年５月１日にティー・ジエー・ボドゴルスキ−（Ｔ、Ｊ、Ｐｏｄｇｏｒｓｋｉ ）に認可され、本発明の譲受人へ譲渡された米国特許第３．５８１．２．２７号 、１９８３年５月１７日にハツチングス（Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ）他に認可された 米国特許第４．３８３．７６３号、および１９８１年５月１２日にボー・エイチ ・ジー・リュン（Ｂｏ　Ｈ，Ｇ。

Ｌｊｕｎｇ）他に認可された米国特許第４．２６７．４７８号にとくに記載され ている。参考のためにそれらの全ての特許をここに引用した。

上記特許においては、ビームの強さは上記特許に示されているように直接検出さ れ、または、１９８２年３月２３日にボー・エイチ・ジー・リュン（Ｂ。

Ｈ，ｃ、Ｌｊ　ｕｎｇ）に認可された米国特許第４．３２０．９７４号に示され ているように、二重ビームと呼ばれるものから得ることができる。この米国特許 も参考のためにここに引用した。

先行技術の経路長制御装置においては、レーザ作用を生ずる多角形経路長、すな わち、リングレーザ経路長が希望するモードの波長の整数倍、またはレーザ作用 気体の周波数（スペクトル線）の整数倍であるよう々反射鏡の位置を探す。適切 に設計することによシ、レーザビームが伝わる経路の長さをレーザビームのパワ ーを最大にするような値に経路長制御器が定める０適切に設計されたリングレー ザのノ（ワーは、「軸線」モードまたは「軸線上」モードと一般に呼ばれている 横モードにおいて最大となる。

意図する動作条件を満す多くの長手方向軸線上動作モードがある。不幸なことに 、種々の軸線上モードの間に他の副次的寄生最大値すなわち二次的最大値がある 。それらの寄生最大値は「軸線外れ」モードと呼ばれることがある。軸線外れモ ードにおける対応するレーザパワーは、レーザが軸線上モードで動作している時 のパワーよシ小さい。

レーザセンサの性能が最適であるように先行技術の経路長制御装置は最大パワー すなわち軸線上モードで動作させることを意図している。軸線外れモードにおけ るレーザセンサの動作によシ、センサの回転誤差と動作誤差を生じさせることが ある。不幸なことに、レーザ動作の軸線上モードと軸線外れモードにそれぞれ対 応する絶対最大値と寄生最大値を自身で弁別することができない。先行技術の装 置において真の最大パワーとモード制御を達成するためには、ビームの強さを監 視して経路長制御器を軸線上モードで動作させる付加回路を設けなければならな い０ 発明の詳細な説明 本発明の目的は、真の最大）くワーモードを中心として自動的に動作できるリン グレーザ角速度センサ用の経路長“制御装置を得ることである。

本発明においては、最大経路長と最小経路長の差が、少くとも１つのモードに及 ぶ第１の差値（１波長）から、それよシはるかに小さい定常状態の第２の差値ま で徐々に変化するような、リングレーザの経路長が最小経路長と最大経路長の間 で可変的に震動させられる０経路長が震動させられて経路長の差が小さくされて いる間に、主閉ループ経路長制御器が、平均経路長を、レーザビームのノ（ワー が最大となるような値に制御する０ 図面の簡単な説明 第１図は本発明のレーザ角速度センサおよび経路長制御器の概略ブロック図、第 ２図はレーザビームの強さと閉ループレーザ経路長の関係を示すグラフである。

発明の詳細な説明 第１図は、参照符号１０で全体的に示されている、この分野において周知の三角 形レーザ角速度センサと、本発明の経路長制御装置を示す０簡単に述べれば、レ ーザ角速度センサ１０はレーザブロック１１と、反射ｆｉ１３．１５．１７とで 構成される。反射鏡１３，１５．１７は、周但のように、レーザビームが伝わる 閉ループ光路を形成する。反射鏡１３は、互いに逆向きに伝わるレーザビーム１ ９　、２０がたどる全光路長を制御する経路長制御トランスデユーサ１４の一部 として示されている。

第１図に示されている三角形の経路に加えて任意の閉ループ多角形光路に本発明 を応用できることを当業者は認識すべきである。センサが用いる反射鏡、の数は 選択した形すなわち、外形に依存する。しかし、同じ意図の機械化の実行のため に、反射鏡１３のように、反射鏡の１枚が経路長制御トランスデユーサへ一般に 結合される０ レーザビーム２０の一部を透過させて光検出器２１に入射させるために、反射鏡 １５は部分的に透明であるとして示されている０センサを周知のやり方で読取る ために、反射鏡１）も透過性とすることができる。反射鏡１５を反射鏡１７の代 りに光学的読取り器の一部とすることもできることも当業者は認識すべきである 。

第２図は、典型的なレーザビームの強さと、第１図に示されているリングレーザ センサ１０のようなリングレーザの全光路長との関係を示すグラフである。とく に興味のあることは、値ＩＩ　＋　＋、をそれぞれ有する光の強度の２つの大き い極大値２０１，２０３があることである０それらの極大値は、レーザビームの １波長に等しい値だけ分離されている２つの異なる光路長において起る。典型的 なヘリウム・ネオンレーザの場合には、ビームの波長λ。は約０．６μｍである 。第２図に示されているように、波長λ。の変化にわたって光の強度の小さい極 大値２０５も存在する。

リングレーザ角速度センサの安定度と性能を最適にするために極めて重要なこと は、極大値２０１または２０３あるいは光の強度のその他のそのような大きい極 太値に、またはそれらの極大値の付近にビームの強度を維持しなければならない 点である。光の強度の小さい極大値２０５または２０６のような小さい極大値で 動作するとセ／すの回転誤差を生じさせることがあるから、そのような小さい極 大値の付近で動作しないことが重要である０ 先に述べたように、互いに逆向きに伝わるレーザビームたとえば第１図に示され ているレーザビーム１９　、２０の一方の強度を、第２図に示されている極太値 工、または工、に維持するために先行技術のリングレーザ角速度センサは経路長 制御装置を使用する。

先行技術の経路長制御回路、とくに米国特許第４．１５２．０７１号に示されて いる経路長制御回路は、光の平均強度が大きい極大値であるように、反射＊１３ の位置を維持するように動作する０簡単にいえば、反射鏡の位置の維持は、トラ ンスデユーサ１４を通じて一定振幅の震動信号により反射鏡１３を震動させるこ とにより行われる。また、互いに逆向きに伝わる各レーザビームの強度が変化す る。レーザビームの一方または両方の強度の変化を表す信号を得るために検出回 路が設けられる。その信号は、閉ループ制御回路によシ処理される別の信号とす ることができる。その閉ループ制御回路は、少くとも１つのレーザビームの強度 が最大である条件において反射鏡１３の平均位置を制御する直流定常状態信号を 得るために、ビーム強度検出回路の出力を震動周波数で復調するものである。

先行技術の経路長制御機械化においては、閉ループ制御回路が小さい極大値たと えば極大値２０５を中心として制御することが可能である。先に述べたように、 閉ループ制御回路を極大値工、または工、を中心として動作および制御させるた めにビームの強度を監視する必要がある。閉ループ制御回路が最高強度■、また は工、を中心として動作するように、付加回路がビームの強度値を所定の最低強 度値以上で動作させる。本発明の経路長制御回路はどのような付加回路の必要も 解消し、後で説明するように、強度の極大値工、と工、のいずれかで閉ループ制 御回路を自動的に動作させるものである。

第１図を再び参照して、この図には光検出器２１と、直流増幅器２３と、高域フ ィルタ２５と、交流増幅器２７とを含むビーム強度検出回路が示されている。こ の回路構成は単なる例示である。光検出器２１の出力はレーザビーム２ｏの強度 を表す信号である。光検出器２１の出力は直流増幅器２３により増幅されてから 、高域フィルタ２５を介して交流増幅器２７へ与えられる。交流増幅器２７の出 力は、レーザビーム２０がたどる全閉ループ光路長の関数であるレーザビーム強 度を表す出力信号である０それから、交流増幅器２７の出力は、同期後論器５１ を含む閉ループ制御回路へ与えられる。この閉ループ制御回路は入来信号を発振 器４１の周波数にて復調する。榎調器の出力信号が積分器５３へ与えられる。こ の積分器５３の出力は、後で説明するように、反射鏡１３の平均位置を制御機械 化する信号として機能する出力信号５５である。

閉ループ制御回路によシ処理できる弁別信号を得るために、発振器４１と、可変 利得増幅器４３と、信号発生器４５と、高域フィルタ４６とを含む震動回路によ り決定されるやｐ方で反射鏡１３の位置が連続して震動させられる。

不発明においては、トランスデユーサ１４の入力端子へ与えられる指令信号３１ によシ反射鏡１３の位置が制御される。指令信号３１は２つの信号成分４７と５ ５の和として示されている。積分器５３の出力である信号成分５５は、反射鏡１ ３の平均位置を制＠機械化するために加算回路６０を介して成分信号３１を与え る。信号３１の信号成分４７は反射鏡１３の平均位置を制御するために、後で説 明する新規なやシ方で反射鏡１３を震動させる。

好適な実施例においては、信号発生器４５は振幅が徐々に小さくなる出力信号を 発生する。その信号は可変利得増幅器４３の利得入力として与えられる。

信号発生器４５の特性については後で説明する。

好適な実施例においては、発振器４１は方形吸出力信号を発生する。その方形波 出力信号は可変利得増幅器４３によｐ信号発生器４５からの出力信号に従って増 幅される。したがって、可変利得増幅器４３の出力は、信号発生器４５の出力、 すなわち、利得制御入力信号、に直接関連する振幅を有する方形波信号である。

可変利得増幅器４３の出力に含まれている直流分を無くすように高域フィルタを 通される。

好適な実施例においては、信号発生器４５はセンれた定常状態値に達するまで振 幅が減衰する傾斜状信号である。第１図に示されている信号波形４９は信号成分 ４７を表す。信号波形４９は、周波数が一定で、零平均僅を中心として正の振幅 値と負の振幅値を有する方形波として示されている。

積分器５３の出力が加算回路６０から切離された時の本発明の経路長制御装置の 動作を説明する。信号発生器４５からの傾斜状信号の初期化の初めに、１震動サ イクル中に互いに逆向きに伝わるレーザビーム１９と２０の最長閉ループ経路長 と最短閉ループ経路長を定める第１の位置と第２の位置の間で反射鏡１３を動か す信号４７を震動回路が発生する。

最長閉ループ経路長と最短閉ループ経路長の閉ループ光路長の差は方形波信号４ ７の最大振幅の関数である。信号４７のビーク＝ビーク振幅は、信号発生器４５ の出力信号４６の大きさによシ制御される、可変利得増幅器４３の利得を乗じら れた発振器４１のビーク＝ビーク振幅信号に直接関係づけられる。

信号発生器４５の傾斜状出力信号のために、最長ａ路長と最短経路長の差が信号 ４７により指令されて起動時の第１の差値からより小さい第２ｃｒ差値である定 常状態値まで徐々に変化する。

交流増幅器２７の出力は、前記したように、トランスデユーサ１４によシ制御さ れる反射鏡１３の位置の関数としてレーザビーム２０の強度信号を表す。

一般に、交流増幅器２７の出力は、震動信号４７の大きさにより制御されるビー ムの強度の変化によりひき起されるビーム２０の強度変化に関連するビーク＝ビ ーク振幅を有する交流信号である。

震動によシ経路長が変化するために、前記したように、反射鏡１３の位置の変化 によシひき起される経路長の変化に対応する第１の強度値と第２の強度値の間で ビーム２００強度が変化する０それらの強直置化は、ビーム２０の強度に応答す る光検出器２１によシ検出される。したがって、交流増幅器２７の出力は、反射 ＊１３の変化する位置の結果として変化する光路長によりひき起されるビーム２ ０の強度変化に直接関係するピークコピーク変化を行う振幅を有する交流信号で ある。

同期復調器５１と積分器５３を有する閉ループ回路の目的は、交流増幅器２７の 出力の変化を信号処理し、ビーム強度のピークコピーク変化が最小であるように 、反射鏡１３の平均位置を指示する。同期復調器５１は、発振器４１からの信号 と同相である交流増幅器２７の出力の成分に関連するほぼ直流信号を生ずる。そ の出力は積分器５３により積分される。積分器５３の出力、すなわち、信号５５ は、ビーム２０が伝わる平均経路長を制御するために直流信号をトランスデユー サ１４へ与える０いいかえると、平均経路長は反射ｇ！１３の平均位置に対応す る。

検出回路と閉ループ回路の組合わせによシ、ビーム２０のピークコピーク変化を 最小にする信号３１の直流信号成分を発生するために閉ループ制御装置を構成す る。最小ピークコビーク変化はレーザビーム２０のビークパワー状態を意味する 。

本発明においては、震動回路は、閉ループ回路に１本のレーザビームの強度プロ フィールの大きい極大値を見つけることである。先行技術の経路長制御の機械化 においては、反射鏡１３の震動の振幅は一般に非常に小さく、たとえば、経路長 の震動がλ。／２０となるような振幅であって、定常状態値である。

本発明においては、反射鏡１３の位置は、１つの全波長λ。の経路長変調を生ず るような値と少くとも同じ値だけ最初に震動させられ、はるかに小さい定常状態 値（たとえば、λ０／２０　）まで徐々に減少して最適制御を行う。本発明の実 施においては、とくにいま説明した震動機械化においては、閉ループ回路は大き い極大強度値を中心として自動的に動作する。

第１図および第２図を診照して、信号４７のビーク＝ピーク振幅が、レーザビー ム２０が伝わる全光路長を１波長、λ０、たけ変化させるようなものである状況 について考えることにする。それらの状況においては、信号４７によりひき起さ れる震動は１波長にわたって少くとも１つの総体的な極大値を常に捕える。（い くつかの極太値を捕えること、すなわち、反射鏡１３の反射鏡位置をいくつかの 波長λ。、たけ変化させることは本発明の範囲内でちる。）同期復調器および積 分器５３０組合わせにより、反射鏡１３の平均位置を、強度の大きい極大値が起 る経路長へ向かう向きに動かすような信号５５が発生される。

たとえば、光路長を、強度工、を有する最小全開ループ経路長値λ、と、１１よ り小さい強度値工、を有する最大経路長値λ２との間で最初に変化させる状況に ついて考えることにする。この状況においては、経路長λ２．λ、の平均経路長 は　Ｘである。閉ループ制御回路は、新しい最大経路長震動値λ２と最小経路長 震動値λ、における強度値が等しくなるまで（最小強度差）平均経路長（反射鏡 １３の平均位置）をλ、へ向って左へ動かす。

それと同時に、平均経路長位置が前記したやυ方で変化させられ、最大震動経路 長と最小震動経路長の差が初期値の間ではるかに小さい値へ向って徐々に減少す る。そうすると、平均経路長はλ、へ向って左側へ動く。最後には、震動によジ ひき起される最小経路長が、震動させられた最大経路長も極大強度カーブ２０１ にくるまで、極大強度カーブ２０１に留まり、平均経路長は強度カーブの極大強 度２０１である。

このようにして、第１図に示されている本発明の回路の動作により、低い極大強 度カーブすなわち寄生極大強度カーブ２０５ではなくて、大きい極太強度カーブ ２０１を捕える結果となる０このように、本発明の回路は、軸線上モード動作お よび軸線外れモード動作を識別するために、ビームの強度を監視する回路の必要 を避けるものである０ λ、とλ２の初期値がカーブ２０１と２０３の同一の絶対強度極大値にあるとす ると、どのようなノイズでも平衡を乱すことを当業者は知っているはずである。

そうすると、閉ループ制御回路が、λ、とλ、のうち最高強度を有する１つの位 置に対応するものへ向って反射鏡１３の平均位置を直ちに駆動させられる。そう すると、制御ループは反射鏡１３を極太値に位置させるように駆動する。

反射鏡１３の定常状態震動をできるだけ小さくすることが望ましい。経路長の差 を１／２０λ。だけ変化させる反射鏡１３の定常状態震動は、良い性能を達成す るために機能する定常状態震動でちる。

第１図に、信号線３１２における駆動信号を監視するモードリセット制御器７０ も示されている。温度変化により、駆動信号に応答する反射鏡の運動の限界を、 トランスデユーサ１４へ与えられる駆動信号に超えさせられることがある。した がって、モードリセット制御器は信号線７２上のリセット信号を信号発生器４５ のリセット入力端子７４と積分器５３のリセット入力端子７６へ送る。動作時に は、信号線３１２上の信号が所定の上限または所定の下限を超えると、信号発生 器はそれの最初の起動条件にリセットされて、震動を１モード波長より長くする と同時に、積分器をリセットする０そうすると駆動信号がトランスデユーサの動 作限界内に入れられると同時に、経路長制御器がレーザの軸線上モードすなわち 最大条件に再びズームさせる０ 以上、本発明を好適な実施例について説明したが、本発明の真の要旨および範囲 を逸脱することなしに、種々の変更を行うことができ、かつそれの要素を均等物 で置き変えることができることが当業者は理解されるであろう。また、それの重 要な開示から離れることなしに特定の状況または材料に合わせて多くの変更を行 うことができる。とくに、同期復調器５１と積分器５３を備えた閉ループ回路を 得るために多くの実現の仕方がある。同期復調器５１はアナログ技術またはデジ タル技術で構成でき、とくにアナログ乗算器が所期の機能を果すことができる。

第２図の回路を、傾斜状信号を発生する信号発生器４５と可変利得増幅器を使用 するものとして示したが、必要な全てのものは、第１の初期値から第２の定常状 態値まで徐々に変化する震動信号４７を生ずる回路の組合わせである。信号４７ の初期値は、反射鏡１３をレーザビームの波長の少くとも１つのモードすなわち 僅だけ変化させるために十分でなければならない。定常状態値は、同期復調器５ １と積分器５３等により良い閉ループ制御を行うために、十分に小さく、シかも 震動を行わなければならない。

信号発生器４５の別の例はワンショット回路の組合わせであって、そのワンショ ット回路の出力は低域フィルタを通され、その低域フィルタの出力は利得入力と して可変利得増幅器４３へ与えられる。前記したように、閉ループ経路長の震動 を徐々に変化させる他の可能な組合わせがちる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 排他的権利を請求する本発明の実施例が下記のように定められる。 １．閉ループ経路に沿つて互いに逆向きに伝わる一対のレーザビームを発生する リングレーザ手段と、前記閉ループ経路の長さを、最短経路長と最長経路長の間 で可変震動させて、最長経路長と最短経路長の差が第１の差値から、それより小 さい第２の差値まて徐々に変化するように震動させる震動手段と、前記最短経路 長と前記最長経路長の平均値を、少くとも１つの前記レーザビームの強度の関数 が最大てあるような値となるように制御する経路長制御手段てあつて、前記震動 の結果としての前記関数の値の変化に応答する経路長制御手段と を備えるリングレーザ角速度センサ。 ２．請求の範囲第１項記載のセンサにおいて、前記第１の経路長の差値は前記一 対の互いに逆向きに伝わるレーザビームのいずれか一方の１波長に少くとも等し いセンサ。 ３．請求の範囲第１項記載のセンサにかいて、前記選択された関数は前記レーザ ビームの一方の強度であるセンサ。 ４．一対の互いに逆向きに伝わるレーザビームが閉ループ路に沿つて進むリング レーザ角速度センサ用の経路長制御器において、 前記レーザビームの少くとも一方の強度の選択された関数を表す出力信号を発生 する手段と、第１の制御信号に応答して前記閉ループ経路の経路長を制御する経 路長トランスデューサ手段と、経路の長さを、最短経路長と最長経路長の間で可 変震動させて、最長経路長と最短経路長の差が第１の差値から、それより小さい 第２の差値まて徐々に変化するように可変震動させるために、前記第１の制御信 号の第１の信号成分を発生する第１の手段と、少くとも１つの前記レーザビーム に応答して、前記最短経路長と前記最長経路長の平均値を、少くともユつの前記 レーザビームの強度の選択された関数が極大値であるような値にするために、前 記第１の制御信号の第２の信号成分を発生する第２の手段とを備えるリングレー ザ角速度センサ用の経路長制御器。 ５．請求の範囲第４項記載のセンサにかいて、前記第１の経路長の差値は、互い に逆向きに伝わる前記一対のレーザビームのいずれか一方の１波長に少くとも等 しいセンサ。 ６．請求の範囲第４項記載のセンサにおいて、前記選択された関数は前記レーザ ビームの一方の強度の関数であるセンサ。 ７．請求の範囲第４項記載のセンサにおいて、前記第１の信号成分は、第１の値 から、それより小さい第２の値まで減衰する差を有する第１の振幅極値と第２の 振幅極値を有する一定周波数の信号であるセンサ。 ８．請求の範囲第７項記載のセンサにおいて、前記レーザビームの少くとも１つ に応答して、前記選択された関数の値を表す関数信号を発産する第３の手段と、 前記レーザビームの一方の一部を検出して、その一方レーザビームの強度の変化 を表す強度出力信号を発生する手段とを更に備え、 前記第１の手段は、 第１の振幅と第２の振幅を有する周期信号を発生する手段と、 徐々に変化する振幅信号を発生する信号発生手段と、 前記徐々に変化する信号を受ける利得制御入力端子と、前記周期信号を受ける信 号入力端子を有し、前記周期信号を前記利得制御入力信号に従つて増幅して、前 記第１の信号成分を生ずる可変利得増幅手段と を備えており、 前記第２の手段は、前記強度出力信号を前記一定周波数て同期復調して、前記関 数信号の平均値を表す第２の信号成分を生ずる手段を含んでいるセンサ。 ９．請求の範囲第８項記載のセンサにおいて、前記第１の経路長の差値は、互い に逆向きに伝わる前記一対のレーザビームのいずれか一方の１波長に少くとも等 しいセンサ。 １０．請求の範囲第９項記載のセンサにおいて、前記選択された関数は前記レー ザビームの一方の強度の関数てあるセンサ。