DE2800869C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Ausgangssysteme für Ringlaser- Drehgeschwindigkeitsmesser mit den Merkmalen des Oberbegrif­ fes des Patentanspruches.

Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit optischen Ausgangs­ systemen dieser Konstruktion sind aus der deutschen Auslege­ schrift 22 09 397 bekannt. Die Anregung von vier Wellen zu jeweils zwei Paaren von in entgegengesetzter Richtung zuein­ ander im in sich geschlossenen Ausbreitungsweg umlaufenden Wellen mit entgegengesetztem Polarisationssinn der Wellen ei­ nes Wellenpaares hat den Vorteil, daß einerseits die "lock-in"- Erscheinung bei der Messung geringer Drehgeschwindigkeiten durch eine bewußte Frequenzaufspaltung der in entgegengesetz­ tem Umlaufsinn sich ausbreitenden Wellen vermieden wird, an­ dererseits aber Drifterscheinungen innerhalb des Ringlasers, welche das Meßergebnis verfälschen, kompensiert werden können.

Das optische Ausgangssystem der bekannten Ringlaser-Dreh­ geschwindigkeitsmesser besitzt als Einrichtung zur Strahlauf­ spaltung zwei gesonderte Strahlaufspalterplatten und insgesamt vier Polarisatoren, welche jeweils im Strahlengang der auf die Strahlaufspalter hingeführten Wellenstrahlung angeordnet sind. Aufgrund dieser Ausbildung ergeben sich ein komplizierter Auf­ bau des Systems und erhöhte Verluste an in der Auswertung nutz­ barer Wellenenergie.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein opti­ sches Ausgangssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches so auszugestalten, daß die Anzahl der einzel­ nen optischen Bauteile vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches gelöst.

Aus der Veröffentlichung "Sperry Engineering Review", Band 19, 1966, Nr. 1, Seite 10, ist es zwar bekannt, in einem opti­ schen Ausgangssystem für Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmes­ ser den teildurchlässigen Reflektor und die Einrichtungen zur Strahlaufspaltung zusammen mit einem Prismenkörper als starre Baueinheit auszubilden und die Einrichtungen zur Strahlauf­ spaltung in Gestalt eines einzigen Strahlaufspalters vorzuse­ hen, welchem auf der vom teildurchlässigen Reflektor des in sich geschlossenen Wellenübertragungsweges abliegenden Seite ein Dachprisma gegenüber liegt, doch ist ein in dieser Weise aufgebautes optisches Ausgangssystem bekannter Art nicht für Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser vorgesehen, bei dem in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg Wellen mit vier verschiedenen Frequenzen angeregt werden und das Aus­ gangssystem Polarisatoren enthalten muß.

Es zeigt sich, daß bei dem hier angegebenen optischen Aus­ gangssystem die Wellenstrahlung in den beiden den Strahlauf­ spalter verlassenden Wellenausbreitungswegen jeweils sämtli­ che vier angeregten Frequenzen enthalten, was zu einer bemer­ kenswerten Verminderung der Anzahl benötigter Polarisatoren der Polarisatormittel führt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine in Blocksymbolen gezeichnete Skizze eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers mit einem optischen Ausgangssystem,

Fig. 2 ein Diagramm eines optischen Ausgangssy­ stems, bei dem zur Veranschaulichung die verschiede­ nen optischen Baueinheiten voneinander getrennt ge­ zeigt sind,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein optisches Ausgangssy­ stem, bei welchem sämtliche Einheiten mechanisch zu einer starren Konstruktion vereinigt sind,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungs­ form des optischen Ausgangssystems und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine nochmals andere Aus­ führungsform des optischen Ausgangssystems.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ringlaser- Drehgeschwindigkeitsmessers, welcher mit einem opti­ schen Ausgangssystem der hier vorgeschlagenen Art mit Vorteil ausgerüstet werden kann. Der Ringlaser­ raum 5 enthält einen in sich geschlossenen Übertra­ gungsweg, längs welchem sich die vier vom Laser ange­ regten elektromagnetischen Wellen ausbreiten können. Der in sich geschlossene Übertragungsweg enthält das Lasermedium 10, Spiegel 12 und 13, eine Polarisations­ dispersionseigenschaft besitzende Baueinheit 16 mit ei­ nem Kristallrotator 17 und einem Faradayrotator 18, einen weiteren Spiegel 15 und einen Ausgangsspiegel 22. Aufgrund der durch den Kristallrotator 17 und den Faradayrotator 18 eingeführten Frequenzvorspannung oder Aufspaltung ergeben sich vier elektromagnetische Wellen mit den Frequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄, welche sich innerhalb des geschlossenen Übertragungsweges aus­ breiten. Die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₄ zirku­ lieren im Uhrzeigersinn und bilden innerhalb des Ringlaserraumes 5 einen Wellenstrahl, während die Wellen mit den Frequenzen f₂ und f₃ im Gegenuhrzei­ gersinn umlaufen und einen zweiten Wellenstrahl bil­ den. Sämtliche vier Wellen besitzen eine zirkulare Pola­ risation, wobei die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ eine zirkulare Polarisation des einen Richtungssinnes und die Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ eine zirku­ lare Polarisation des entgegengesetzten Richtungssin­ nes aufweisen. Die Lage der Frequenzen in der Verstär­ kungsgradkurve des Lasermediums 10 ist aus dem Dia­ gramm nach Fig. 2 erkennbar.

Als Ausgangssignal des Systems wird eine digitale Zahl oder ein anderes Signal gewünscht, welches von einem vorbestimmten Zeitpunkt an die Gesamtdrehung wiedergibt, welche der Ringlaserraum 5 erfahren hat oder es wird als Ausgangssignal eine Digitalzahl oder ein anderes Signal gewünscht, welches die Drehge­ schwindigkeit des Laserringraumes 5 angibt. Die Dreh­ geschwindigkeit errechnet sich nach folgender Formel:

worin Ω die Drehgeschwindigkeit um die Rotationsfüh­ lerachse des Ringlasers, L die Gesamtlänge des Über­ tragungsweges, A die wirksame Fläche des von dem Übertragungsweg umschlossenen Bereiches und λ die Wellenlänge der sich im Ringlaserraum 5 ausbreitenden Wellen bedeuten. Die Größe der Drehung erhält man durch Integration obiger Gleichung über die Zeit hin­ weg.

Um das Signal zu bilden, welches die Größe oder den Winkel der Drehung angibt, ist es zunächst notwendig, Signale abzuleiten, welche den Unterschied f₄-f₃ der Frequenzen der im Ringlaserraum umlaufenden Wellen des einen Richtungssinnes der Polarisation und welche dem Unterschied f₂-f₁ der Frequenzen der im Ringla­ serraum umlaufenden Wellen des anderen Richtungs­ sinnes der zirkularen Polarisation entsprechen. Es ist Aufgabe des optischen Ausgangssystems 30, die Wellen­ strahlen der Frequenzen f₁ und f₂ für eine Detektordio­ de und der Frequenzen f₃ und f₄ für die zweite Detektor­ diode zu kombinieren, ohne daß Anteile der jeweils an­ deren Wellen auf die eine bzw. die andere Diode treffen. Die Ausgangs-Signalverarbeitungsschaltung 32 wandelt die den Frequenzunterschieden der rechtssinnig und der linkssinnig zirkular polarisierten Wellen entsprechen­ den Signale in eine Digitalzahl um, welche in Überein­ stimmung mit obiger Gleichung die Größe oder den Winkel der Drehung angibt. Die Ausgangs-Signalverar­ beitungsschaltung 32 nimmt auch Einfluß auf die Ampli­ tuden der von den beiden Detektordioden abgeleiteten Signale und erzeugt daraus ein Analogsignal zur Betäti­ gung eines piezoelektrischen Wandlers 20 zur Aufrecht­ erhaltung der jeweils richtigen Gesamtlänge des ge­ schlossenen Übertragungsweges des Ringlaserraumes 5, so daß der für die beiden Wellenpaare gültige Ver­ stärkungsgewinn im wesentlichen gleich ist.

Innerhalb der Darstellung nach Fig. 2 ist schematisch ein optisches Ausgangssystem gezeigt. Ein Ausgangs­ spiegel 22 bildet einen der Reflektoren, welche einen geschlossenen Übertragungsweg innerhalb des Ringla­ serraumes 5 bestimmen. Der Ausgangsspiegel 22 ist zum größten Teil reflektierend und wirft etwa 99% oder mehr der Energie der beiden eintreffenden Wellenstrah­ len zurück. Ein geringer Teil jedes Ausgangswellen­ strahls jedoch wird von dem Ausgangsspiegel 22 durch­ gelassen und tritt von der Rückseite des Spiegels in Richtung auf weitere Spiegel 40 und 41 hin aus.

Für die nachfolgenden Untersuchungen sei der Fall angenommen, daß der Durchgang einer zirkular polari­ sierten Welle durch den Ausgangsspiegel 22 die Polari­ sation dieser Welle nicht wesentlich beeinflußt. Der durchgelassene Wellenstrahl im Gegenuhrzeigersinn umlaufender Wellen, welcher mit CCW bezeichnet ist, enthält beispielsweise die Frequenzen f₂ und f₃ mit links­ sinniger (LCP) und rechtssinniger (RCP) zirkularer Po­ larisation. Wie in den kleinen Diagrammbildern inner­ halb von Fig. 2 gezeigt ist, ist der Polarisationssinn je­ der Welle in aufeinanderfolgenden Zweigen des ge­ schlossenen Umlaufweges des Ringlaserraumes wegen des bekannten Wechsels des Polarisationssinnes nach Reflexion jeweils entgegengesetzt. Der Wellenstrahl im Uhrzeigersinn umlaufender Wellen, welcher mit CW be­ zeichnet ist, enthält demgemäß Wellen mit den Fre­ quenzen f₁ und f₄ von rechtssinniger bzw. linkssinniger zirkularer Polarisation. Der im Uhrzeigersinn umlaufen­ de Wellenstrahl wird von dem Spiegel 40 auf eine be­ stimmte Stelle des Strahlaufspalters 42 hingelenkt. Der Wellenstrahl der im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen wird in entsprechender Weise von dem Spiegel 41 auf dieselbe Stelle des Strahlaufspalters 42 hin reflek­ tiert. Jeder der auf den Strahlaufspalter 42 hingelenkten Wellenstrahlen erzeugt sowohl durchgelassene als auch reflektierte Komponenten annähernd gleicher Größe. Der Strahlaufspalter 42 ist winkelmäßig so ausgerichtet, daß er auf einer Linie Wellenstrahlen vereinigt, welche von dem Strahlaufspalter 42 bzw. seiner Oberfläche durchgelassen bzw. reflektiert worden sind. Die kombi­ nierten Wellenstrahlen, welche von dem Strahlaufspal­ ter 42 durchgelassen bzw. reflektiert worden sind, ent­ halten jeweils Wellen sämtlicher vier Frequenzen. Der durchgelassene Anteil des Wellenstrahls im Uhrzeiger­ sinn umlaufender Wellen und der reflektierte Anteil des Wellenstrahls im Gegenuhrzeigersinn umlaufender Wellen verlaufen längs desselben Weges zu der Viertel­ wellenplatte 53 hin. In entsprechender Weise breitet sich der durchgelassene Anteil des Wellenstrahls im Ge­ genuhrzeigersinn umlaufender Wellen und der reflek­ tierte Anteil des Wellenstrahls im Uhrzeigersinn umlau­ fender Wellen zusammen längs desselben Weges zu der Viertelwellenplatte 43 hin aus. Zwischen dem Strahlauf­ spalter 42 und den Viertelwellenplatten 43 und 53 sind also die Wellenpaare mit rechtssinniger und linkssinni­ ger zirkularer Polarisation kombiniert und breiten sich zusammen in derselben Richtung längs desselben We­ ges aus. Vor der Viertelwellenplatte 53 existieren also beispielsweise die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ mit linkssinniger zirkularer Polarisation und die Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ mit rechtssinniger zirkula­ rer Polarisation. Dieselben Frequenzen sind auch zwi­ schen dem Strahlaufspalter 42 und der Viertelwellen­ platte 53 bei jeweils entgegengesetztem Sinn der zirku­ laren Polarisation festzustellen.

Die Viertelwellenplatten 43 und 53 sind so ausgerich­ tet, daß beispielsweise eine linkssinnige zirkulare Polari­ sation in eine vertikale Polarisation und eine rechtssin­ nige zirkulare Polarisation in eine horizontale lineare Polarisation umgeformt werden. Die Polarisatoren 44 und 54 lassen jeweils nur lineare Polarisation durch. Die Polarisationsrichtungen sind dabei so gewählt, daß sie aufeinander senkrecht stehen, so daß beispielsweise der Polarisator 44 nur eine horizontale lineare Polarisation durchläßt, während der Polarisator 54 nur eine vertikale lineare Polarisation durchlassen kann. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich, daß die Wellenstrahlen, die zwi­ schen dem Polarisator 54 und der Detektordiode 55 verlaufen, nur die Frequenzen f₁ und f₂ bei linearer ver­ tikaler Polarisation enthalten, während die Wellenstrah­ len zwischen dem Polarisator 44 und der Detektordiode 45 nur die Frequenzen f₃ und f₄ bei horizontaler linearer Polarisation enthalten. Aus vorstehendem ergibt sich ohne weiteres, daß jede Detektordiode nur von Wellen mit zwei verschiedenen Frequenzen getroffen wird, während die Wellen mit den beiden anderen Frequen­ zen vollständig eliminiert sind.

Ein wesentlicher Vorteil des hier vorgeschlagenen Sy­ stems besteht darin, daß sowohl der durchgelassene wie auch der reflektierte Wellenstrahlanteil der den Strahl­ aufspalter verlassenden Wellenstrahlen zur Bildung der nutzbaren Ausgangswellenstrahlen verwendet werden. Bei bisher bekannten optischen Ausgangssystemen wurde nur einer der beiden Ausgangswellenstrahlen des Strahlaufspalters ausgenützt. Ein Verlust einer Hälfte der Ausgangsleistung wird also bei dem hier vorge­ schlagenen Ausgangssystem vermieden. Nachdem ge­ genüber bisher verwendeten Systemen nur die Hälfte der Leistung von dem Ringlaserraum abgeleitet werden muß, wird der Verstärkungsgrad verringert, welcher von dem Laserverstärker und dem Lasermedium bereit­ gestellt werden muß.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des hier vorge­ schlagenen optischen Ausgangssystems, bei welchem sämtliche optischen Bauteile mechanisch als kompakte und starre Einheit miteinander verbunden sind. Bei die­ ser Ausführungsform ist ein Spiegel-Trägerkörper 104, welcher aus klarem, durchlässigem Glas bestehen kann, auf einer ebenen Oberfläche mit einer Anzahl dielektri­ scher Schichten 102 belegt, so daß ein zum größten Teil reflektierender Spiegel gebildet ist. Dieser Spiegel bil­ det eines der Reflektormittel, welche den in sich ge­ schlossenen Umlaufweg des Ringlaserraumes 5 bestim­ men. Die Anzahl und der Aufbau der dielektrischen Schichten 102 ist so gewählt, daß ein kleiner Anteil der eintreffenden Wellenstrahlen in den Spiegel-Trägerkör­ per 104 hinein durchgelassen wird. Charakteristischer­ weise handelt es sich um 0,5% der Energie der auftref­ fenden Wellenstrahlen, welche in den Spiegel-Träger­ körper 104 hinein abgegeben werden.

Der Strahlaufspalter 106, welcher ebenfalls aus di­ elektrischem Werkstoff besteht, befindet sich auf der gegenüberliegenden Fläche des Spiegel-Trägerkörpers 104, welche zu den dielektrischen Schichten 102 parallel verläuft. In der Schicht des Strahlaufspalters 106 sind Öffnungen vorgesehen, so daß bestimmte Wellenstrah­ len durch diese Öffnungen durchtreten können, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Praktisch wird der Strahlauf­ spalter 106 in der Weise gebildet, daß dielektrisches Material auf einer Fläche einer Viertelwellenplatte 108 abgelagert und darauf ein Ringbereich abgeätzt wird, wofür beispielsweise eine Ionenstrahlätztechnik zum Einsatz kommt, um die gewünschten Durchbrüche her­ zustellen. Durch Ausbildung der Öffnungen des Strahl­ aufspalters 106 in Gestalt eines Ringes wird erreicht, daß der aus der Viertelwellenplatte 108 und dem Strahl­ aufspalter 106 gebildete Verband gedreht werden kann, um die richtige Wechselwirkung zwischen der Viertel­ wellenplatte 108 und dem Wellenstrahl zu erreichen, welcher auf sie trifft, so daß beispielsweise Wellenstrah­ len linkssinniger Polarisation vollständig in eine lineare vertikale Polarisation umgesetzt werden, während Wel­ lenstrahlen rechtssinniger zirkularer Polarisation voll­ ständig in eine lineare horizontale Polarisation gebracht werden.

An die Oberfläche der Viertelwellenplatte 106 grenzt die Unterseite eines Retroprismas 110 an. Das Retro­ prisma 110 besteht aus in hohem Maße durchlässigem Glas. Gegenüber der in Berührung mit der Viertelwel­ lenplatte 108 stehenden Oberfläche des Retroprismas 110 liegen zwei weitere Prismenflächen des Retropris­ mas 110, welche in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise einen Winkel zueinander einschließen. Die zuletzt ge­ nannten Prismenflächen sich mit reflektierenden Belä­ gen 112 und 114 versehen, welche entweder die Gestalt einer Anzahl dielektrischer Schichten oder eines Metall­ belages haben können.

An eine vierte Fläche des Retroprismas 110, welche in Fig. 3 auf der linken Seite liegend dargestellt ist, befin­ den sich Polarisatoren 116 und 118. An die jeweils ande­ ren Seiten der Polarisatoren 116 und 118 sind Detektor­ dioden 120 und 122 angesetzt, so daß diese Dioden die von den Polarisatoren durchgelassenen, linear polari­ sierten Wellen empfangen. Wie zuvor erwähnt, sind die Polarisatoren 116 und 118 zueinander senkrecht orien­ tiert. Eine Diodenhalterung 124 dient zur Befestigung der Detektordioden 120 und 122 und der jeweils zuge­ hörigen Polarisatoren 116 und 118 an der linken Ober­ fläche des Retroprismas 110. Die Einrichtung nach Fig. 3 wirkt in ähnlicher Weise wie die schematisch in Fig. 2 gezeigte Anordnung und nimmt eine Kombina­ tion der im Ringlaserraum vorhandenen Wellen glei­ chen zirkularen Polarisationssinnes vor, während Wel­ len des jeweils anderen zirkularen Polarisationssinnes zurückgewiesen werden und die kombinierten Wellen zu der betreffenden Detektordiode weitergegeben wer­ den, ohne daß ein großer Verlust der Signalleistung auf­ tritt.

Die Wirkungsweise des Systems nach Fig. 3 sei an­ hand der Tabelle I beschrieben, welche jeweils Ausdrü­ cke entsprechend dem Polarisationszustand der ver­ schiedenen Wellen an bestimmten Punkten des Systems enthält. Ein hochgestelltes Symbol L bedeutet, daß es sich um eine linkssinnige zirkulare Polarisation handelt, während ein hochgestelltes Symbol R anzeigt, daß eine rechtssinnige zirkulare Polarisation vorliegt. Ein hoch­ gestelltes Symbol V zeigt eine vertikale lineare Polarisa­ tion an, und ein hochgestelltes H zeigt eine horizontale lineare Polarisation an. Die tiefgestellten Symbole oder Basiswerte benennen jeweils die Frequenz der betref­ fenden Welle. Die Viertelwellenplatte 108 ist so orien­ tiert, daß die rechtssinnige zirkulare Polarisation und die linkssinnige zirkulare Polarisation in eine horizontale bzw. eine vertikale lineare Polarisation umgewandelt werden, d. h., der Azimutwinkel der großen Achse be­ trägt 45°. Außerdem ist festzustellen, daß die horizon­ tale und die vertikale lineare Polarisation in eine rechts­ sinnige bzw. eine linkssinnige zirkulare Polarisation um­ gewandelt werden, wenn die betreffende Welle in der einen oder anderen Richtung die Viertelwellenplatte 108 durchläuft. Man erkennt, daß sämtliche Wellenstrahlen, die unterhalb der Viertelwellenplatte 108 auftreten, zir­ kular polarisierte Wellen aufweisen, während diejeni­ gen Wellenstrahlen, die oberhalb der Viertelwellenplat­ te 108 verlaufen, linear polarisiert sind. Nachdem die horizontale und vertikale lineare Polarisation die nor­ malen Schwingungsformen für die Reflexion an Flächen sind, welche Normale aufweisen, die in der Einfallsebe­ ne liegen, tritt bei der Reflexion an irgendeiner der Flä­ chen der Viertelwellenplatte 108 keine ein Überspre­ chen verursachende Depolarisation auf.

Der Durchlauf eines charakteristischen Wellenstrahls durch die Einheit kann im einzelnen verfolgt werden. An dem Punkt A, welcher innerhalb des Ringlaserraumes 5 gelegen ist, enthält der im Gegenuhrzeigersinn zirkulie­ rende Wellenstrahl Wellen mit den Frequenzen f₂ und f₃, welche linkssinnig bzw. rechtssinnig zirkular polarisiert sind. Geringe Anteile dieser Wellenstrahlen werden von den dielektrischen Schichten 102 in den Spiegel-Träger­ körper 104 hinein durchgelassen. Die Polarisationen der in den Trägerkörper 104 eingelassenen Wellenstrahlen bleiben aufgrund des geringen Einfallswinkels relativ zu der Normalen zu den dielektrischen Schichten 102 im wesentlichen erhalten.

Der Ringlaserraum 5 ist beispielsweise so ausgebildet, daß der Winkel zwischen den auftreffenden Wellen­ strahlen 30° oder weniger beträgt. Durch Aufrechter­ haltung eines solchen kleinen Einfallswinkels mit Bezug auf die dielektrischen Schichten 102 wird die zirkulare Polarisation in besonders hohem Maße beibehalten. Für größere Einfallswinkel nimmt die elliptische Polarisa­ tion der Wellenstrahlen, welche von der Rückseite der dielektrischen Schicht 102 ausgehen, stark zu. Nimmt die elliptische Gestalt der Polarisation zu, so wird die Signalleistung, welche an jeder Detektordiode verfüg­ bar ist, verringert, da die Polarisatoren entweder so orientiert werden müssen, daß die unerwünschten Si­ gnalkomponenten vollständig unterdrückt werden oder daß die Maximalamplitude des gewünschten Signals durchgelassen wird. Da die Wellenstrahlen bei ellipti­ scher Polarisation nicht mehr leistungsmäßig aufeinan­ der senkrecht stehen, können die Polarisatoren nicht so eingestellt werden, daß sie einerseits die Maximalampli­ tude des gewünschten Signals durchlassen und anderer­ seits sämtliche unerwünschten Signalkomponenten aus­ schalten. Im zuerst angesprochenen Fall tritt ein Über­ sprechen zwischen den erwünschten Ausgangssignalen auf, während im letzteren Fall eine Verringerung der Signalamplitude auftritt.

Am Punkt B innerhalb des Spiegel-Trägerkörpers 104 sind die im Gegenuhrzeigersinn zirkulierenden Kompo­ nenten der vier Wellen vorhanden, welche sich inner­ halb des Ringlaserraumes ausbreiten. Diese vier Kom­ ponenten haben die Frequenzen f₂ und f₃ und besitzen eine linkssinnige bzw. eine rechtssinnige zirkulare Pola­ risation. Sind die Wellen durch den Durchbruch des Strahlaufspalters 106 und durch die Viertelwellenplatte 108 gelangt, so werden die Wellen in solche vertikaler bzw. horizontaler linearer Polarisation umgewandelt. Nach Reflexion an den reflektierenden Belägen 114 und 112 an den oberen Prismenflächen des Retroprismas 110 bleiben die jeweiligen Polarisationsrichtungen auf­ rechterhalten, jedoch wird der Wellenstrahl in seitlicher Richtung um eine bestimmte Strecke versetzt, so daß er auf der Oberfläche des Strahlaufspalters 106 an dersel­ ben Stelle auftrifft, auf welche auch der mit I bezeichne­ te Wellenstrahl trifft, welcher Komponenten des Wel­ lenstrahls der im Uhrzeigersinn zirkulierenden Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₄ und mit rechtssinniger bzw. linkssinniger zirkularer Polarisation enthält. Die durchgelassenen und die reflektierten Wellenstrah­ lungsanteile werden aus den genannten Wellenstrahlen gebildet, so daß sowohl die reflektierten als auch die durchgelassenen Wellenstrahlen von dem gemeinsamen Einfallspunkt auf dem Strahlaufspalter 106 Wellen sämtlicher vier Frequenzen enthalten. Der Wellenstrahl J weist Wellen der Frequenzen f₁ und f₂ mit jeweils horizontaler linearer Polarisation und Wellen der Fre­ quenzen f₃ und f₄ mit jeweils vertikaler linearer Polari­ sation auf, wobei das letztgenannte Wellenpaar durch die Viertelwellenplatte 108 von einer zirkularen in eine lineare Polarisation umgewandelt worden ist. In ent­ sprechender Weise enthält der Wellenstrahl D Wellen der Frequenzen f₁ und f₂ mit linkssinniger zirkularer Polarisation und Wellen der Frequenzen f₃ und f₄ mit rechtssinniger zirkularer Polarisation. Der Sinn der Po­ larisation wird bei Reflexion an der Rückseite der di­ elektrischen Schicht 102 umgedreht. Der Wellenstrahl E tritt durch den Durchbruch des Strahlaufspalters 106 hindurch und wird wieder in eine lineare Polarisation umgewandelt, so daß der Wellenstrahl F entsteht, wel­ cher Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ sowie mit horizontaler linearer Polarisation und Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ mit vertikaler Polarisation enthält. Die Wellenstrahlen F und J werden durch den reflektie­ renden Belag 112 zu den Polarisatoren 116 und 118 hin reflektiert. Der Polarisator 116 ist so orientiert, daß er nur eine horizontale lineare Polarisation durchläßt, während der Polarisator 118 so ausgerichtet ist, daß durch ihn nur eine vertikale Polarisation hindurchgelan­ gen kann. Auf diese Weise werden Wellen mit den Fre­ quenzen f₁ und f₂ zu dem Detektor 120 hin ausgekop­ pelt, während Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ zu dem Detektor 122 ausgekoppelt werden.

Innerhalb des Detektors erfolgt eine Heterodynüber­ lagerung zwischen den auf den betreffenden Detektor treffenden Wellen, so daß ein Ausgangssignal entspre­ chend einer Sinusschwingung entsteht, welche mit einer Niederfrequenz oder einer Gleichspannungskompo­ nente überlagert ist. Die Frequenz jeder Sinusschwin­ gung ist der Differenz der Frequenzen der beiden auf den betreffenden Detektor fallenden Wellen gleich, während die Größe der jeweiligen Gleichspannungs­ komponente entsprechend dem Mittelwert der Ampli­ tude des Ausgangssignals proportional zur Summe der Intensitäten der beiden einfallenden Wellen ist. Durch weitere Verarbeitung des Ausgangssignals vermittels der Ausgangs-Signalverarbeitungsschaltung 32 erhält man ein digitales Signal, welches die Größe oder den Winkel der Drehung anzeigt und ein analoges Signal zur Betätigung des piezoelektrischen Wandlers 20 zur Auf­ rechterhaltung der geeigneten Länge des geschlossenen Übertragungsweges innerhalb des Ringlaserraumes 5.

Man erkennt, daß das in Fig. 3 gezeigte System eine widerstandsfähige und kompakte, mechanische, einheit­ liche Einrichtung darstellt. Bei bisher bekannten Syste­ men mußte jedes optische Bauteil gesondert an einer ihm zugeordneten Halterung befestigt werden, die wie­ derum an einer darunterliegenden Tragkonstruktion zu befestigen war. Nach dem vorliegenden Vorschlag ist das gesamte optische Ausgangssystem in einer einzigen, starren Einheit zusammengefaßt, wodurch sich ein be­ trächtlicher Raumgewinn erzielen läßt. Dieser Vorteil ist in vielen Anwendungsfällen von großer Wichtigkeit, bei denen der von einem Bauteil eingenommene Raum sowie auch das Gesamtgewicht möglichst gering gehal­ ten werden müssen.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Ausfüh­ rungsform des optischen Ausgangssystems der hier vor­ geschlagenen Art gezeigt, welches ebenfalls eine kom­ pakte und mechanisch widerstandsfähige Einheit dar­ stellt. Die Ausführungsform nach Fig. 4 arbeitet genau­ so wie diejenige nach Fig. 3, doch sind die Lagen des Strahlaufspalters und der Viertelwellenplatte ver­ tauscht, und es wird eine andere Form eines Prismas 130 verwendet, so daß sich ein anderer Verlauf der Wellen­ strahlen ergibt. Die Polarisatoren 116 und 118 und die Detektordioden 120 und 122 sind außerdem auf dersel­ ben Oberfläche des Retroprismas 130 angeordnet, wel­ che auch auf einem Teil den reflektierenden Belag 134 trägt.

Die Wirkungsweise des Gerätes nach Fig. 4 läßt sich durch die Ausdrücke von Tabelle II beschreiben, welche die Frequenzen und die Polarisationszustände der ver­ schiedenen in der Einrichtung vorhandenen Wellen an­ gibt. In dieser Tabelle bezeichnen die Vorzeichen + und - zum Polarisationssinn eine lineare Polarisation, wel­ che einen bestimmten positiven oder negativen Winkel zur Horizontalen einnimmt, beispielsweise 30° bis 45°.

Ein Durchgang der Wellen durch mehrlagige dielek­ trische Schichten kann zu einer Änderung des Polarisa­ tionszustandes führen, so daß zirkular polarisierte Wel­ len in einen elliptischen Polarisationszustand überge­ hen. Diese Erscheinung beruht auf einer unterschiedli­ chen Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen, deren Hauptschwingungsebene des elektrischen Feldes in der Ebene des Einfalls (p-Polarisation) gelegen ist, im Vergleich zu Wellen, deren Hauptschwingungsebene senkrecht zu dieser Ebene (s-Polarisation) gelegen ist. Das Verhältnis der Durchlässigkeit für die beiden Pola­ risationsrichtungen hängt von dem Einfallswinkel ab und kann beispielsweise 1,2 bis 5 betragen. Hieraus er­ gibt sich eine entsprechende elliptische Form der Polari­ sation der durchgelassenen Wellen, so daß schließlich Wellen mit elliptischer Polarisation, nicht mit linearer Polarisation, weitergegeben werden. Die Polarisatoren könnten daher nicht unerwünschte Wellen von den bei­ den Dioden fernhalten. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind jedoch weitere Viertelwellenplatten 136 und 138 vorgesehen, welche bewirken, daß die Polarisatio­ nen der unerwünschten Wellen in jedem Fall linear ge­ macht werden, wobei die Polarisatoren so ausgerichtet sind, daß sie die unerwünschte Polarisation sperren. Auf diese Weise wird ein Übersprechen vollständig ver­ mieden. Falls weiterhin eine Änderung der Polarisation nach Reflexion an der Rückseite der spiegelnden Schicht 102 auftritt, so wird dies gleichzeitig durch die­ selbe Viertelwellenplatte 138 kompensiert. Wie zuvor erwähnt, ergibt sich das Bestreben einer Beseitigung des Übersprechens aus der Überlegung, daß ein rauschsi­ gnalfreies Ausgangssignal des Ringlaser-Drehge­ schwindigkeitsmessers erzielt werden soll. Durch das vorliegende Ausgangssystem wird ein Übersprechen auch dann vermieden, wenn die dielektrischen Schich­ ten 102 des Spiegels unterschiedliche s- und p-Durchläs­ sigkeiten besitzen, wobei nur eine geringe Verminde­ rung der Signalleistung in Kauf zu nehmen ist. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 ist die Vier­ telwellenplatte auf einen Winkel von 0°, nicht von 45°, ausgerichtet. In diesem Fall werden die elliptisch polari­ sierten Wellen, welche von den spiegelnden Schichten 102 ausgehen, von der Viertelwellenplatte sogleich in lineare Polarisationen umgewandelt, welche in zwei im wesentlichen nicht zueinander orthogonalen Ebenen liegen. Wenn daher die Wellen nicht auf weitere depola­ risierend wirkende Bauteile treffen, so kann ein Über­ sprechen durch Verwendung der Polarisatoren 116 und 118 beseitigt werden, ohne daß zusätzliche Viertelwel­ lenplatten eingesetzt werden.

Das in Fig. 5 im Schnitt gezeigte optische Ausgangs­ system gemäß einer anderen Ausführungsform bildet ebenfalls eine mechanisch widerstandsfähige, starre und kompakte Einheit. Die jeweiligen Polarisationszustände der verschiedenen Wellenstrahlen sind in der nachfol­ genden Tabelle III aufgeführt. Die Gestalt des Prismas stimmt mit derjenigen des Gerätes nach Fig. 4 überein. Nahe dem Strahlaufspalter 106 ist jedoch keine Viertelwellenplatte vorgesehen. Vielmehr liegen, wie zuvor bereits angedeutet, einzelne Viertelwellenplatten 136 und 138 nahe den Polarisatoren 116 und 118. Diese Konstruktion ergibt den Vorteil, daß die Viertelwellenplatte für jede Detektordiode individuell einjustiert werden kann. Dies ist in Fällen zweckmäßig, in denen ein bestimmtes Maß an Depolarisation auftritt, welche eine elliptische Polarisation der Wellen aufgrund unterschiedlicher Phasenfehler oder einer unterschiedlichen Reflexion oder Durchlässigkeit an den oder durch die verschiedenen reflektierenden Beläge und dielektrischen Schichten oder aufgrund einer nichtidealen Viertelwellenplatte verursacht. Im übrigen könnte eine Viertelwellenplatte nahe dem Strahlaufspalter 106 des Systems nach Fig. 5 angeordnet werden oder es könnten einzelne Viertelwellenplatten jeweils vor den Polarisatoren 116 und 118 der Ausführungsform nach Fig. 4 vorgesehen sein. Die diesbezügliche Merkmale der Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 lassen sich also vertauschen. Doppelte Viertelwellenplatten haben den Vorteil, daß nahezu sämtliche Aberration aufgrund einer Depolarisation der einzelnen Wellenstrahlen beseitigt werden kann.

Ferner sei noch deutlich gemacht, daß der hier verwendete Ausdruck "Drehgeschwindigkeitsmesser" auch Einrichtungen umfaßt, die ausgangsseitig schließlich eine Anzeige eines Drehwinkels liefern.

Es folgen die obenerwähnten Tabellen I, II und III:
A:(f₂ ^L f₃ ^R ) _ccw (f₁ ^L f₄ ^R ) _cw B:f₂ ^L f₃ ^R C:f₂ ^V f₃ ^H D:f₂ ^L f₃ ^R f₁ ^L f₄ ^R E:f₂ ^R f₃ ^L f₁ ^R f₄ ^L F:f₂ ^H f₃ ^V f₁ ^H f₄ ^V G:f₃ ^V f₄ ^V H:(f₁ ^R f₄ ^L ) _cw (f₂ ^R f₃ ^L ) _ccw I:f₁ ^R f₄ ^L J:f₁ ^H f₄ ^V f₂ ^H f₃ ^V K:f₁ ^H f₂ ^H A:(f₂ ^L f₃ ^R ) _ccw (f₁ ^L f₄ ^R ) _cw B:f₂ ^L f₃ ^R C:f₂-f₃+ D:f₁ ^R f₂ ^R f₃ ^L f₄ ^L E:f₁ ^L f₂ ^L f₃ ^R f₄ ^R F:f₁-f₂-f₃+f₄+ G:f₃+f₄+ H:(f₁ ^R f₄ ^L ) _cw (f₂ ^R f₃ ^L ) _ccw I:f₁ ^R f₄ ^L J:f₁+f₂+f₃-f₄- K:f₁+f₂+ A:(f₂ ^L f₃ ^R ) _ccw (f₁ ^L f₄ ^R ) _cw B:f₂ ^L f₃ ^R C:f₂ ^L f₃ ^R D:f₁ ^L f₄ ^R f₂ ^L f₃ ^R E:f₁ ^R f₄ ^L f₂ ^R f₃ ^L F:f₁ ^R f₄ ^L f₂ ^R f₃ ^L G:f₃ ^H f₄ ^H H:(f₁ ^R f₄ ^L ) _cw (f₂ ^R f₃ ^L ) _ccw I:f₁ ^R f₄ ^L J:f₁ ^R f₄ ^L f₂ ^R f₃ ^L K:f₁ ^V f₂ ^V

Claims (2)

1. Optisches Ausgangssystem für Ringlaser-Drehgeschwindigkeits­ messer, welche ein Lasermedium (10), eine ein Polarisations­ dispersionsverhalten aufweisende Einheit (16) zur Anregung kontinuierlicher Wellen mit mindestens vier verschiedenen Frequenzen und eine Anzahl von Reflektoren (12, 13, 15, 22) enthalten, welche für die genannten Wellen einen in sich geschlossenen Übertragungsweg bilden, wobei mindestens einer dieser Reflektoren für die eintreffenden Wellen teil­ durchlässig ist, mit

• a) einer Einrichtung (42) zur Strahlaufspaltung, auf welche die von dem teildurchlässigen Reflektor (22) durchgelassene Wellenstrahlung hinlenkbar ist und welche die Wellenstrahlung teilweise durchläßt und teilweise reflektiert,
• b) einer der Einrichtung (42) zur Strahlaufspaltung zugeordnete Einrichtung (43, 53) zur Umwandlung einer zirkularen Polarisation in eine lineare Polarisation,
• c) in dem Strahlengang der Wellen mit linearer Polari­ sation angeordneten Polarisatormitteln (44, 54),
• d) Detektoreinrichtungen (45, 55), welche die durch die Polarisatormittel (44, 54) geleiteten Wellen empfangen und
• e) weiteren Reflektormitteln (40, 41) zur Führung der den teildurchlässigen Reflektor (22) auf voneinander abweichenden Wegen ver­ lassenden Wellenstrahlung derart, daß diese Wellen­ strahlung unter jeweils gleichem Einfallswinkel auf einander gegenüberliegende Punkte der Einrichtung (42) zur Strahlenaufspaltung trifft,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) die Einrichtung (42) zur Strahlaufspaltung ein einziger Strahlaufspalter ist,
• g) daß vom teildurchlässigen Reflektor (22) ausgehende Wellenausbreitungswege über die weiteren Reflektormittel (40, 41) zu einer bestimmten Stelle des einzigen Strahl­ aufspalters (42) von dessen einander gegenüberliegenden Seiten her verlaufen, und
• h) die Polarisatormittel (44, 54) in den beiden von dem Strahlaufspalter (42) ausgehenden Wellenausbreitungs­ wegen angeordnet sind, auf denen sich zu den Polarisa­ tormitteln hin Wellen sämtlicher vier Frequenzen aus­ breiten.