JPS58195B2 - リング・レ−ザを用いたレ−ザ・ジヤイロ - Google Patents

リング・レ−ザを用いたレ−ザ・ジヤイロ

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JPS58195B2
JPS58195B2 JP8164780A JP8164780A JPS58195B2 JP S58195 B2 JPS58195 B2 JP S58195B2 JP 8164780 A JP8164780 A JP 8164780A JP 8164780 A JP8164780 A JP 8164780A JP S58195 B2 JPS58195 B2 JP S58195B2
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滝沢実
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KOKU UCHU GIJUTSU KENKYU SHOCHO
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KOKU UCHU GIJUTSU KENKYU SHOCHO
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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、運動体の角速度または角変位を測定するた
めに一方向進行波リング・レーザ(Uni−direc
tional Ring La5er;以下URLと称
す)を用いたレーザ・ジャイロに関するものである。
従来、レーザ・ジャイロと称されるものには、通常の双
方向進行波リング・レーザ(Conven−tiona
l Ring La5er;以下CRLと称す)を用い
るリング・レーザと、光源としてレーザ光を用い、光フ
ァイバで閉回路をつくる光干渉計型レーザ・ジャイロが
あった。
この発明ではリング・レーザを用いるものであるので、
従来のリング・レーザを用いたレーザ・ジャイロについ
てはじめに説明する。
第1図は従来のCRLの略構成図である。
この図において、LTはレーザ発振器、Llは時計方向
まわりのレーザ光、L2は反時計方向まわりのレーザ光
、PMは全反射ミラー、TMは一部透過ミラー、PDは
光検出器または光ビート周波数検出器、IAは入力軸、
ωは前記入力軸IAまわりの角速度である。
そして入力軸IAが回転すると各構成部品は相対位置は
変えずに同じく回転する。
CRLは一般によく知られているように光共振器内でレ
ーザ発振器LTから双方向にレーザ光Ll t L2が
進行し、リング・レーザ発振が形成されるため、入力軸
IAの角速度ωが微小な領域では相反する方向に進行す
るレーザ光L1 、 L2の発振周波数が接近するため
、これらは定在波状態におち入り、微小入力があっても
それを感知しない領域がある。
これを第2図の特性図に示す。第2図で、縦軸はビート
周波数Δf、横軸は角速度ωを示す。
このように、従来のCRLを用いるレーザ・ジャイロは
角速度ω=0付近において、不感領域LI(Lock−
in)が生ずる等の問題を有している。
従って不感領域LIの存在はリング・レーザ・ジャイロ
の高精度化の重大な障害となるため、これを解消するた
めの方法が種々試みられてきた。
このうち実用化に成功したものは、米国ハネウェル社の
ディザ一方式と米国スベリ−ランド社のファラデー効果
を利用する方式があげられる。
ディザ一方式は入力軸まわりに安定した機械的振動レイ
トを与え、微小入力時の不感性を解消しているが、機械
的ディザ−(震え)を与える装置が機械的であるため、
信頼性の点で欠点がある。
ファラデー効果方式はリング・レーザの光共振器内の光
路内にファラデーシェルを挿入し、光路に沿って適当な
強さの磁界を与えることによって、その磁界の向きに進
む光波の位相を進ませ、入力ゼロの状態でも相反する方
向に進む光波のそれぞれの発振周波数に大差を与えて(
一定のバイアスを与え)入力ゼロ付近の不感性を解消し
ているが、ファラデーシェルの温度や磁界の制御等に高
精度(バイアスの安定性に影響する)が要求される等の
欠点がある。
光干渉型レーザ・ジャイロは、いわゆる受動形の干渉計
(Passive Interferometer)と
称されるもので、マイケルソン型干渉計と同じ原理に立
脚している。
そのため、このレーザ・ジャイロは感度を上げるために
、きわめて長い閉光路を必要とするなどの欠点がある。
この発明は上記従来のレーザ・ジャイロの欠点を解消す
るためになされたもので、レーザ・ジャイロの不感領域
をなくした高精度のURLを提供するものである。
以下この発明を図面に基づいて説明する。
第3図はこの発明の一実施例を示す略構成図で。
レーザ・ジャイロが1軸の場合を示す。
この図においては、1つのURLと1つの参照用リニア
レーザ(Reference Liner La5er
;以下RLLと称す)と1つの出力読出装置(Read
0utDevice ) ;以下RODと称す)とか
ら構成されている。
第3図において、第1図と同一符号は同一または相当部
分を示し、L3はリニアレーザ光、UDは一方向進行波
装置(Unidirectional Device
) 、 B Sはビームスプリッタ、BFは前記URL
、RLL、RODの固定基板である。
URLは、1個のレーザ発振器LT 、2個の全反射ミ
ラーPM、1個の一部透過ミラーTMで閉回路をつくる
光共振器および一方向進行波装置UDで基本的に構成さ
れている。
RLLは、1個のレーザ発振器LT、全反射ミラーPM
、一部透過ミラーTMで構成され、RODは全反射ミラ
ーPM、ビームスプリッタBS、光検出器PDで構成さ
れている。
次に動作原理について説明する。
URLの閉光路面の中心を通る法線をその感度軸にとる
と、角速度ω=0の場合、URLから発振するレーザ光
L2の振動数は閉光路長(Optical Cavit
y Length)に依存しである一定値をとる。
いま、角速度ωが感度軸まわりに印加されたとすると、
URLの発振レーザ光の振動数は光のドツプラー効果(
見かけ上)によって、角速度ωに比例して変化する。
この変調されたレーザ光L2と、角速度ωを感知しない
RLLからのレーザ光L3をRODを介して同一方向進
行波として統合干渉させれば、これらはヘテロダイン効
果によって干渉じまを生じ、この干渉じまはURLから
のレーザ光L2の振動数とRLLからのレーザ光L3の
振動数の差、つまり、それらのビート周波数に対応する
速さで移動する。
このためこのレーザ・ジャイロは、そのビート周波数を
測定することにより、角速度を測定することができる。
次に、第3図に示されている入力軸IAは、URLの閉
光路面の幾何学的中心を通る法線に一致している。
いま、これを第5図にモデル化して示す。
第5図において、内閉光路の半径をR,S速度をωとし
、レーザ光L2が点Pから反時計方向まわり(角速度ω
はこの反方向とする)に発振し、もとの位置に戻るまで
の時間をtとする。
いま、ω=0のとき、光が1周する時間t0は、ただし
、Cは真空中の光速である。
時計方向まわりに角速度ωが入力されたとき、光が一周
する時間tccwは。
従って、角速度ωがゼロとω=ωのときに、光が一周す
るに要する時間差Δtは、第(1)式、第(2)式より
、 ω=0のときとω=ωのときの光学的一周距離の見かけ
上の差ΔLは次の第(4)式で与えられる。
第(3)式を第(4)式に代入すれば、 たゞし、C≫Rω こゝに、A=πR2:URLの閉光路面が囲む面積、一
方、リング・レーザの発振条件は次の第(6)式で示さ
れる。
ν=C/λ(シ:レーザ発振周波数、λ:波長)より、
第(6)式は次の第(7)式となる。
ここに、m:整数、L:光共振器の閉光路長筒(7)式
より、 従って、第(5)式、第(8)式より ここに、Δνは角速度ωによって生ずる光学的一周距離
の見かけ上の差ΔLによってω=0のときのレーザ発振
周波数νからの周波数変化量を意味する。
それ故、URLのレーザ発振周波数fMは次の第(10
)式で示される。
一方、RLLのレーザ発振周波数fRは一定周波数とし
て次式で与えられる。
測定光と参照光のビート周波数Δfはそれぞれのレーザ
発振周波数fM、fRの差の絶対値として与えられると
考えられるので、第(9)式、第(10)式より、とな
る。
第4図はこの発明の他の実施例を示す略構成図で、レー
ザ・ジャイロは第3図と同様1軸であるが、同一につく
られ、かつ互いに進行光波が反対向きの2つのURLと
1つのRODとから構成されている。
この図で第1図、第3図と同一符号は同一または相当部
分を示す。
次に動作原理について説明する。
角速度ωの印加によってそれぞれの一方向進行波リング
・レーザURLから発振するレーザ光L1 、 L2の
振動数は、角速度ωと同じ方向に進むURLのレーザ光
L1の振動数はω=0のときより減少し、反対に角速度
ωと反対向きに進むURLのレーザ光L2の振動数は増
大するので、これら変調されたレーザ光L2.L1をR
ODにより同一方向進行波として統合干渉させれば、こ
れらのビート周波数に対応する速さで移動する干渉じま
が得られる。
ビート周波数は、角速度ωに比例するため、これを測定
すれば、角速度ωを知ることができる。
第6図は第4図の構成をモデル化して示したもので、レ
ーザ光Llの方向と同じ向きに角速度ωが印加されると
き、レーザ光L1 、 L2が各共振器の閉口周光路長
を一周する時間をそれぞれtcw。
tccwとする。
たゞし、レーザ光L2 、 Llは同時に発光されるも
のとする。
レーザ光L1方向の進行波をもつURLを、URLcw
、レーザ光L2方向の進行波をもつURLを、URLc
cwとすれば、URLcw、 URLccwから発振さ
れるレーザ光L1 、L2の振動数は、それぞれω=0
ときの振動数ν0より第(9)式と同様にΔνだけ変化
する。
従って、これらのビームを同一方向進行波として統合干
渉させたとき、ビート周波数Δfは次式で表わせる。
以上第3図〜第6図の実施例の説明かられかるように、
第3図と第5図の構成と動作を比較すると第1表のよう
になる。
第7図はこの発明のさらに他の実施例を示す略構成図で
、第3図の構成を基本にしてレーザ・ジャイロが2軸の
場合を示す。
この図においては、2つのURLと1つのRLLと1つ
のRODから構成されている。
この図で、IAXはX軸方向の入力軸、IAYはY軸方
向の入力軸、PDXは前記入力軸IAXの光検出器、P
DYは前記入力軸IAYの光検出器で、第3図、第4図
と同一符号は同一または相当部分を示す。
第8図はこの発明のさらに他の実施例を示す略構成図で
、第3図の構成を基本にしてレーザ・ジャイロが3軸の
場合を示す。
この図においては、3つのURLと1つのRLLと1つ
のRODから構成されている。
この図で、IAZはZ軸方向の入力軸、PDZは前記入
力軸IAZの光検出器で、第7図と同一符号は同一また
は相当部分を示す。
第9図、第10図はこの発明のさらに他の実施例を示す
概略構成図で、それぞれ第4図の構成を基本にしてレー
ザ・ジャイロが2軸と3軸の場合を図形的に示したもの
である。
上記第7図〜第10図の実施例の動作は、基本的には第
3図〜第6図の1軸のレーザ・ジャイロと同一のためそ
の説明を省略する。
この発明の実施例によるレーザ・ジャイロの構成要素の
中で、特に重要なものは、一方向進行波装置UDである
これは、リング・レーザの共振器内の光路に沿って挿入
された一方向の進行波には外乱を与えないで通過させ、
その反対方向の進行波は偏向面(レーザ発振器から放射
される光波は面偏光しているとする)の角度を変えて通
過させる。
その結果、共振器内で誘導放射されるレーザ光が外乱を
与えられないで通過する光波成分のみとなり、一方向進
行レーザ光がそのURLのリング・レーザから出力され
る。
以上説明したようにこの発明は、URLを用いてジャイ
ロを構成したので、URLの光共振器内で増幅されるレ
ーザ光は一方向にのみ進行するため、従来の双方向進行
波リング・レーザにみられるような微小入力角速度時の
定在波現象が本質的に発生するおそれがなく、そのため
微小入力角速度時の不感性を除去でき、高精度化を達成
できる。
また、URLとRLLを用いたものは、入力軸に1個の
URLを設ければよいので、構成を簡易にすることがで
きる。
さらに、2個のURLを入力軸に設けたものは、同一構
成のURLを用いることができるので、製造が容易にな
る利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のCRLの略構成図、第2図は第1図のC
RLの特性図、第3図はこの発明の一実施例を示す略構
成図、第4図はこの発明の他の実施例を示す略構成図、
第5図、第6図は第3図、第4図をモデル化して示した
図、第7図〜第10図はそれぞれこの発明のさらに他の
実施例を示す略構成図である。 図中、LTはレーザ発振器、Ll、L2.L3はレーザ
光、UDは一方向進行波装置、PMは全反射ミラー、T
Mは一部透過ミラー、BSはビームスプリッタ、PDは
光検出器、IAは入力軸、ωは角速度である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 被検出体である入力軸とともに回転する一方向進行
    波リング・レーザと、参照用リニア・レーザと、前記両
    レーザの出力のビート周波数を検知する光検出器とから
    なることを特徴とするリング・レーザを用いたレーザ・
    ジャイロ。
JP8164780A 1980-06-17 1980-06-17 リング・レ−ザを用いたレ−ザ・ジヤイロ Expired JPS58195B2 (ja)

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US4597667A (en) * 1982-12-09 1986-07-01 Litton Systems, Inc. Dither controller for ring laser angular rotation sensor
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