DE2058418B2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender elektromagnetischer Strahlungsbündel - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender elektromagnetischer StrahlungsbündelInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels
zweier sich schneidender elektromagnetischer Strahlungsbündel, bei der die Strahlungsbündel von virtuellen
oder reellen örtlich getrennten kohärenien Strahlungsquellen erzeugt werden, die zueinander senkrecht
polarisiert sind und wobei am Gegenstand ein polarisationsempfindliches Detektionssystem angebracht
ist
Bei einer bekannten Vorrichtung der obenerwähnten Art, die in »Applied Optics«, Nov. 1968, S. 2315-2317,
beschrieben ist, wird die Interferenz von Lichtstrahlen benutzt. Der über die erste Seitenfläche in ein
Kösters-Prisma eintretende Lichtstrahl wird an dem Teilspiegel im Prisma in zwei Komponenten aufgespaltet,
die beide über eine zweite Seitenfläche aus dem Prisma heraustreten. Die Teilstrahlen werden an zwei
Flächen eines sogenannten Porro-Prismas reflektiert, treten wieder über die zweite Seitenfläche in das
Kösters-Prisma ein, vereinigen sich im Prisma und treten über eine dritte Seitenfläche aus dem Prisma
heraus. Die Teilstrahlen weisen beim Heraustreten einen Weglängenunterschied auf, der dem Einfallswinkel
des Strahles auf die erste Seitenfläche und dem Abstand der Symmetrieachse des Porro-Prismas von
der Fläche des Teilspiegels im Kösters-Prisma propjrtional ist. Dieser Abstand und somit die Lage im Strahl
kann genau aus dem Weglängenunterschied ermittelt werden.
Die bekannte Vorrichtung hat einige grundsätzliche Nachteile. Erstens kann die Phase im interferenzmuster
nur gemessen werden, wenn die Abmessungen des Detektionssystems quer zu der Richtung des austretenden
Strahles der gleichen Größenordnung wie die Periode des Interferenzmusters sind.
Zweitens ist es zur Bestimmung der Phase erforderlich, daß Intensitätssignale miteinander verglichen
werden. Diese Signale sind namentlich bei großen Abständen vo.i der Strahlungsquelle Schwankungen
ausgesetzt, die infolge von Inhomogenitäten des durchlaufenden Mediums auftreten. Durch diese
Schwankungen wird die Bestimmung der Phase erschwert.
Drittens ist nicht angegeben, mit welchen Mitteln die Detektion der Phase stattfindet.
Aus der US-PS 33 53 182 ist ein Kurzwellensystem im Zentimeter- oder Dezimetergebiet bekannt, bei dem für
einen Landeanflug die Beziehungen zwischen links- und rechtsdrehender elliptischer Polarisation mit Zirkularpolarisation
ausgenutzt werden. Eine Übertragung dieser Beziehungen auf das optische Gebiet ist zwar
theoretisch möglich, bedingt jedoch größere praktische Schwierigkeiten.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei Vereinfachung der Phasen-Amplitudenbeziehungen eine genauere Detektion
zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Strahlungsquellen einen zeitabhängigen Amplituden-
und Phasenunterschied aufweisen und einen gegenseitigen Abstand haben, der klein ist im Vergleich zu dem
Abstand der Strahlungsquellen von dem Detektionssystem.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,
F i g. 2 ein Detail der Vorrichtung nach F i g. 1, F i g. 3, 4 und 5 mathematische Darstellungen zur
Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,
F i g. 6 einen Teil der Vorrichtung, die in F i g. 1 ί schematisch dargestellt ist,
F i g. 7 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,
F i g. 8 Einzelheiten der Vorrichtung nach F i g. 7,
F i g. 9 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach if Fig. 1,
Fig. 10 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung
nach Fig. 1,
F i g. 11 eine erste Abwandlung der Vorrichtung nach
Fig.7,
Fig. 12 eine zweite Abwandlung der Vorrichtung nach F i g. 7,
Fig. 13 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung
nach der Erfindung,
Fig. 14 eine mathematische Darstellung zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 13,
Fig. 15 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung
nach der Erfindung,
Fig. 16 eine mathematische Darstellung zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 15 und
Fig. 17 und 18 weitere Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung.
In der Vorrichtung nach F i g. 1 tritt linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer
jo Winkelgeschwindigkeit Ω dreht, aus der Lichtquelle 1
aus. Die Lichtquelle 1 kann z. B. aus der Reihenschaltung einer linear polarisiertes Licht emittierenden Lichtquelle,
einer λ/4-Platte und drei elektrooptisch^ Kristalle
aufgebaut sein. Das aus der Punktquelle 1 austretende J5 Licht fällt auf eine Savart-Platte 2 und dann auf die enge
Öffnung 3 im Detektionssystem 4.
Die Savart-Platte 2 besteht aus der Reihenschaltung zweier doppelbrechender einachsiger plattenförmiger
Kristalle 5 und 6, deren Hauptschnitte zueinander senkrecht sind, wobei der Winkel zwischen der
optischen Achse und der Kristalloberfläche bei den beiden Kristallen gleich ist. Aus dem Gebilde der beiden
Kristalle treten infolge der Doppelbrechung in den Kristallen zwei linear polarisierte Teilbündel aus, die
zueinander senkrecht polarisiert sind. Diese Teilbündel rühren annahmeweise von zwei Punktquellen 7 und 8
her, die zu der durch die Lichtquelle 1 gehende Ebene symmetrisch sind, welche Ebene zu der Oberfläche der
Savart-Platte 2 senkrecht ist und mit den Projektionen so der optischen Achsen der Kristalle 5 und 6 auf der
Oberfläche der Savart-Platte einen Winkel von 45° einschließt. In F i g. 2 sind die Linien OA und OB zu
diesen Projektionen parallel. Mit dem Pfeil p\ ist die Polarisationsrichtung des aus der virtuellen Quelle 8
austretenden Lichtes angedeutet, während mit dem Pfeil P2 die Polarisationsrichtung des aus der virtuellen Quelle
7 austretenden Lichtes angedeutet ist.
In jedem Punkt der Ebene, zu der die virtuellen Lichtquellen spiegelsymmetrisch angeordnet sind, z. B.
w) im Punkt 12 (Fig. 1), ist der Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht polarisierten
Teilbündeln gleich Null. In allen übrigen Punkten, z. B. den Punkten der Ebene durch den Punkt 12 quer zu der
Aclise CD, die die Lichtquelle 1 und den Punkt 12
b5 enthält, gibt es einen von Null abweichenden Weglängenunterschied
zwischen den Teilbündeln. Für kleine Werte von « (Fig. 1) ist der Weglängenunterschied Δ
dem Winkel α proportional, oder aber: A = Q1 (siehe
F r a η ς ο η, »Optical Interferometry«, S. 140).
Der Polarisationszustand der beiden Teilbündel im Punkt 3 läßt sich leicht an Hand der Poincare-Kugel
veranschaulichen, die alle möglichen Polarisationszustände repräsentiert (vgl. auch »Principles of Optics« ■;
von B ο r η und W ο 1 f, S. 30 und 31).
Ein Polarisationszustand Pist durch eine Ellipse in der
xy-Ebene (F i g. 3) gekennzeichnet, deren lange Achse L
einen Winkel φ mit der x-Achse einschließt, während die
Diagonale D des umschriebenen Rechtecks einen in
Winkel ϋ· mit L einschließt. Das Achsenverhältnis der
Ellipse wird durch tg # gegeben.
Auf der Poincare-Kugel (Fig.4) wird der Punkt P
durch die Winkel 2 φ und 2 # gekennzeichnet. Es besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem ι j
Polarisationszustand und dem zugehörigen Punkt auf der Kugel.
Der Winkel # = 0° (linear polarisiertes Licht, siehe
F i g. 3) entspricht Punkten auf dem Äquator der Kugel, d. h., daß der Äquator alle linearen Zustände repräsen- >o
tiert.
Der Winkel #=±45° (zirkulär polarisiertes Licht)
entspricht den Polen (A\ und Λ2) der Kugel.
Auf der Kugel stellen die Enden P\ und Pi des
Durchmessers P\P2 in der Äquatorebene die Polarisationsrichtungen
der beiden Teilbündel dar. Die Rotation der Polarisationsebene der Lichtquelle 1 mit einer
Winkelgeschwindigkeit Ω äußert sich auf der Kugel in Form einer Drehung um eine Achse in der Äquatorebene
mit einer Winkelgeschwindigkeit 2 Ω. jo
Infolge des Weglängenunterschiedes zwischen den Teilbündeln im Punkt 3 erfolgt aber die Drehbewegung
der Polarisationsebenen an den beiden Teilbündeln nicht längs des Äquators, sondern längs eines großen
Kreises in einer Ebene, die über einen Winkel 2 ψ in )·> bezug auf die Äquatorebene gekippt ist (F i g. 5). Der
Winkel 2 ψ ist dem Weglängenunterschied proportional.
Die Lage der gekippten Rotationsebene und somit der Abstand des Punktes 3 von der Achse CD wird w
durch Detektion des Lichtes mit Hilfe eines polarisationsempfindliche Detektoren enthaltenden Detektionssystems
4 erhalten. F i g. 6 zeigt ein derartiges Detektionssystem. Das durch die öffnung 3 eintretende
Licht fällt über den isotropen Teilspiegel 20 teilweise auf 4 >
eine λ/4-Platte 21 und teilweise auf ein polarisationsempfindliches
Teilprisma 26. Die Einfallsebene des auf den Teilspiegel im Polarisationstrennprisma 26 auffallenden
Lichtbündels schließt mit der Polarisationsrichtung jeder der virtuellen Lichtquellen 7 und 8 einen
Winkel von 45° ein.
Die λ/4-Platte 21 wandelt links- bzw. rechtsdrehend zirkulär polarisierte Komponenten der vom Prisma 20
durchgelassenen Teilbündel in zueinander senkrecht polarisierte Bündel um, die auf das Polarisationstrenn- v>
prisma 22 auffallen. Aus diesem Prisma treten zwei Bündel aus, die in den Detektoren 23 und 24 elektrische
Signale erzeugen, die dem Differenzverstärker 25 zugeführt werden. Es läßt sich nachweisen, daß der
Differenzverstärker ein Ausgangssignal liefert, das mit wi
sin 2 ψ sin 2 Qt
proportional ist.
Die linear polarisierten Komponenten der Teilbündel, die auf das Polarisationstrennprisma 26 auffallen, bi
werden im Prisma 26 voneinander getrennt und den Detektoren 27 und 28 zugeführt. Die in den Detektoren
27 und 28 erzeugten elektrischen Signale werden dem Differenzverstärker 29 zugeführt. Es läßt sich nachweisen,
daß der Differenzverstärker 29 ein Ausgangssignal liefert, das mit
cos 2 φ sin 2 Ω/
proportional ist.
Aus den Signalen
Aus den Signalen
sin 2 ψ sin 2 Ωί und cos 2 ψ · sin 2 Ωί
kann 2 ψ auf einfache Weise ermittelt werden, wodurch, bis auf ein ganzes Vielfaches einer Halbwellenlänge des
aus der Lichtquelle 1 austretenden Lichtes, auch die Lage des Punktes 3 in bezug auf die Achse CD bestimmt
werden kann.
In der Vorrichtung nach F i g. 7 tritt ein kollimiertes
linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht,
aus einer (nicht näher dargestellten) Lichtquelle und fällt auf das Wollaston-Prisma 30 auf. Der Einfachheit halber
sind nur drei Lichtstrahlen des kollimierten Bündels dargestellt. Die aus dem Wollaston-Prisma austretenden
linear polarisierten Teilbündel, deren Polarisationsebenen zueinander senkrecht sind, fallen auf die enge
öffnung 31 im Detektionssystem 32, das mit dem Detektionssystem 4 in der Vorrichtung nach F i g. 1
idt ntisch ist.
Das Wollaston-Prisma besteht aus zwei kongruenten Prismen 33 und 34 einachsiger doppelbrechender
Kristalle, die zu einer planparallelen Platte 30 zusammengekittet sind. Das senkrecht auf eine der
parallelen großen Flächen des Wollaston-Prismas einfallende Bündel mit einer flachen Wellenfront wird
im Prisma 30 in zwei Teilbündel mit flachen Wellenfronten aufgespaltet. Die Polarisationsrichtungen p\ und p-,
dieser Reilbündel sind zueinander senkrecht.
Die flachen Wellenfronten der Teilbündel sind zu der zu dem einfallenden kollimierten Lichtbündel parallelen
Ebene symmetrisch, die das Wollaston-Prisma an der Stelle schneidet, an der die Teilprismen 33 und 34 eine
gleiche Dicke aufweisen. In Fig.7 bezeichnet U-Fdie
Schnittlinie der erwähnten Ebene mit der Zeichnungsebene. Der Winkel zwischen den Richtungen der
Teilbündel ist mit 2 ]3 bezeichnet.
In jedem Punkt der Symmetrieebene, somit auch im Punkt 35 der Linie EF, ist der Weglängenunterschied
zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln gleich Null. In Punkten außerhalb der
Symmetrieebene, z. B. in der engen Öffnung 31 des Detektionssystems 32, besteht zwischen den zueinander
senkrecht polarisierten Teilbündeln ein Weglängenunterschied. Dieser Weglängenunterschied Δ ist dem
Abstand 6 (siehe auch F i g. 8) des betreffenden Punktes von der Linie EF proportional. Für kleine Werte von /5
ist Δ = 2 δ β. Die Größe von β und somit die Größe vor
Δ wird durch den Spitzenwinkel γ der Teilprismen unc durch die Wahl des doppelbrechenden Materials dei
Teilprismen bestimmt.
Auf der Poincarfe-Kugel kann der Weglängenunterschied
wieder durch eine Kippbewegung der Ebene dei Drehbewegung der Polarisationsebenen um die Achse
PiP2 dargestellt werden (siehe Fig.5). Die Lage dei
Rotationsebene wird auf gleiche Weise wie in dei Vorrichtung nach F i g. 1 detektiert. Das Detektionssy
stern 32 entspricht daher dem Detektionssystem 4.
Die Kippbewegung über einen Winkel 2 ψ dei Rotationsebene ist ό direkt proportional, weil dei
Weglängenunterschied Δ sowohl 2 ψ als auch ί
proportional ist.
Der Abstand zwischen dem Wollaston-Prisma 30 und der Ebene durch die Öffnung 31, senkrecht zu der Achse
fFkann nicht größer als derjenige Abstand (Iin Fig. 7)
werden, über den die flachen Wellenfronten der beiden Teilbündel noch miteinander zusammenarbeiten. Dieser r,
Abstand / ist der Länge a der planparallelen Platte 30 proportional und β umgekehrt proportional, und zwar
(siehe F i g. 7):
In der Vorrichtung nach F i g. 1 kann der Abstand des Detektionssystems von der Savart-Platte beliebig groß
sein. Der durch eine Querverschiebung ö herbeigeführte Weglängenunterschied Δ ist aber dem Abstand von den
virtuellen Quellen umgekehrt proportional.
In der Vorrichtung nach Fig. 7 ist der Abstand des Detektionssystems von dem Wollaston-Prisma beschränkt.
Der durch eine Querverschiebung ö herbeigeführte Weglängenunterschied Δ ist aber von diesem
Abstand unabhängig.
In der Vorrichtung nach F i g. 1 kann die Savart-Platte durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden Eigenschaften
nach F i g. 9 ersetzt werden. Aus der Lichtquel- _>■-, Ie 40 tritt linear polarisiertes Licht aus, dessen
Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht. Dieses Licht fällt auf das Polarisationstrennprisma
41 und wird an der Trennfläche 46 der Teilprismen, die aus verspiegelten Schichten abwech- jo
selnd hoher und niedriger Brechungszahl besteht, in zwei linear polarisierte Teilbündel 47 und 48 aufgespaltet,
die zu der Trennfläche 46 symmetrisch verlaufen und deren Polarisationsrichtungen p\ und pi zueinander
senkrecht sind. Die Teilbündel 47 und 48 werden an den Spiegeln 43 und 42 reflektiert, die zu der Trennfläche 46
symmetrisch angeordnet sind.
Mit Hilfe der Spiegel 43 und 42 werden die Teilbündel 47 und 48 in einer zu der Trennfläche und zu der
Symmetrieachse GH parallelen Richtung reflektiert, welche Symmetrieachse die Schnittlinie der Zeichnungsebene
mit der Fläche 46 ist. Die parallelen Teilbündel rühren annahmeweise von zwei virtuellen
Lichtquellen 44 und 45 her, die zu der Achse GH symmetrisch sind und den virtuellen Lichtquellen 7 und
8 in der Vorrichtung nach F i g. 1 ähnlich sind.
Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist dem gegenseitigen Abstand b der virtuellen Lichtquellen 44 und 45
proportional. Durch Verschiebung des Spiegels 43 bzw. 42 in Richtung des Teilstrahles 47 bzw. 48 kann diese
Empfindlichkeit eingestellt werden.
Eine gedrängte Bauart des Spiegelsystems nach Fig.9 kann dadurch erhalten werden, daß ein
modifiziertes Kösters-Prisma benutzt wird. In der Vorrichtung nach Fig. 10 tritt aus der Lichtquelle 50
linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit fl dreht. Dieses
Licht tritt über eine Seitenfläche in das modifizierte Kösters-Prisma 51 ein. Das Kösters-Prisma besteht aus
zwei identischen Prismen 52 und 53 mit Winkeln von t>o
90°, 60° und 30°, die zu einem gleichseitigen Prisma 51 vereinigt sind. Die Trennfläche 54 der beiden Prismen ist
— im Gegensatz zu der Trennfläche in einem üblichen
Kösters-Prisma — als eine Polarisationstrennfläche ausgebildet. Das auf diese Fläche auffallende Bündel t>5
wird in zwei TeilbUndel aufgespalten, die zu der Trennfläche symmetrisch verlaufen und die zueinander
senkrecht polarisiert sind. Diese TeilbUndel werden an Seitenflächen des Prismas total reflektiert und treten
über die quer zur Trennfläche liegende Seitenfläche symmetrisch zu der Trennfläche 54 aus dem Prisma
heraus.
Die Teilbündel rühren annahmeweise von zwei virtuellen Lichtquellen 55 und 56 her, die zu der
Trennfläche 54 und zu der Schnittlinie G'H' dieser Ebene mit der Zeichnungsebene symmetrisch sind. Der
Abstand b zwischen den virtuellen Lichtquellen 55 und 56 wird durch die Lage der Lichtquelle 50 in bezug auf
das Kösters-Prisma bestimmt.
In der Vorrichtung nach F i g. 7 kann das Wollaston-Prisma 30 durch ein Spiegelsystem mit polarisierenden
Eigenschaften ersetzt werden, wie es in F i g. 11
schematisch dargestellt ist. Ein kollimiertes linear polarisiertes Lichtbündel, dessen Polarisationsebene
sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht, tritt aus einer (nicht näher dargestellten) Lichtquelle aus und fällt
auf ein Polarisationstrennprisma 60. Der Einfachheit halber sind nur drei Teilstrahlen des kollimierten
Lichtbündels dargestellt. An der Trennfläche 61 der Teilprismen wird das Bündel in zwei linear polarisierte
Teilbündel 64 und 65 aufgespalten, die zu der Trennfläche symmetrisch verlaufen und deren Polarisationsrichtungen
p\ und p2 zueinander senkrecht sind. Die
Teilbündel werden an den Spiegeln 62 und 63 reflektiert, die zu der Trennfläche 61 symmetrisch angeordnet sind.
Die Winkellage jedes der Spiegel wird derart gewählt, daß die an den Spiegeln 62 und 63 reflektierten
kollimierten Teilbündel, deren Polarisationsrichtungen p\ und pi zueinander senkrecht sind, je einen Winkel β
mit der Symmetrieachse E'F' einschließen. Diese Situation entspricht der Situation, die sich in der
Vorrichtung nach den F i g. 7 und 8 ergibt.
Das Spiegelsystem nach F i g. 11 kann dadurch gedrängt ausgebildet werden, daß ein modifiziertes
Kösters-Prisma benutzt wird. In der Vorrichtung nach Fig. 12 tritt ein kollimiertes linear polarisiertes
Lichtbündel, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω dreht, über eine Seitenfläche
in das modifizierte Kösters-Prisma 70 ein. Der Einfallswinkel auf die Seitenfläche ist gleich ß. Die
Trennfläche 71 der beiden Teilprismen 72 und 73 ist als eine Polarisationstrennfläche ausgebildet. Das auf die
Trennfläche auffallende kollimierte Bündel wird in zwei kollimierte Teilbündel aufgespalten, die zu der Trennfläche
symmetrisch verlaufen und zueinander senkrecht polarisiert sind. Nach vollständiger Reflexion an
Seitenflächen des Kösters-Prismas 70 treten sie symmetrisch über die quer zur Trennfläche stehende
Seitenfläche aus dem Prisma heraus. Der Austrittswinkel der austretenden Bündel ist gleich dem Einfallswinkel
β des einfallenden Bündels. Der Winkel zwischen den austretenden kollimierten Teilbündeln ist gleich 2 ß.
Diese Situation ist der sich in der Vorrichtung nach F i g. 11 ergebenden Situation analog. Die Symmetrieachse
CD' kann ja mit der Achse E'F' in F i g. 11 verglichen werden.
In den Spiegelsystemen nach den F i g. 10 und 12 kann
die Trennfläche 54 bzw. 71 im Kösters-Prisma 51 bzw. 70 als ein isotroper Strahlenteiler ausgebildet werden. In
diesem Falle müssen die aus dem Prisma heraustretenden Teilbündel in je einem linearen Polarisator
angebracht werden. In Fig. 10 sind mit gestrichelten
Linien die Polarisatoren 57 und 58 angedeutet, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht sind. Die
Polarisatoren nehmen in bezug auf die Achse G'W'eine
symmetrische Lage ein, die die ganze Breite des
ίο
betreffenden Teilbündels beansprucht. Dies trifft auch für die linearen Polarisatoren 74 und 75 in F i g. 12 zu.
Die Polarisationsrichtung der Polarisatoren 57 bzw. 58 und 74 bzw. 75 muß zu der Einfallsfläche des
betreffenden Teilbündels auf die Seitenfläche, an der dieses Teilbündel total reflektiert wird, parallel bzw.
senkrecht sein, damit die Anisotropie der Totalreflexion keinen störenden Einfluß ausübt.
Soll die Lage eines Gegenstandes in einer Ebene in bezug auf zwei verschiedene Richtungen bestimmt ι ο
werden, so müssen zwei der Vorrichtungen der oben beschriebenen Art auf geeignete Weise kombiniert
werden. Beispielsweise sind in der Vorrichtung nach Fig. 13 zwei Vorrichtungen der an Hand der Fig. 1
beschriebenen Art kombiniert. ι ί
In der Vorrichtung nach Fig. 13 tritt linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit
einer Winkelgeschwindigkeit Qy dreht, aus der Lichtquelle
80 aus und fällt auf die Savart-Platte 81 auf. Über den Teilspiegel 82 fallen die aus der Savart-Platte >o
austretenden linear polarisierten Teilbündel, die annahmeweise von den beiden virtuellen Punktquellen 86 und
87 herrühren, auf die enge Öffnung 84 im Detektionssystem 83.
Linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Qx dreht, tritt aus
der Lichtquelle 85 aus und fällt auf die Savart-Platte 88. Die Ebene der Savart-Platte 88 steht quer zu der der
Savart-Platte 81. Über den Teilspiegel 82 fallen die aus der Savart-Platte 88 austretenden linear polarisierten so
Teilbündel, die annahmeweise von zwei virtuellen Punktquellen herrühren, gleichfalls auf die enge Öffnung
84. Die Verbindungslinie zwischen den letztgenannten virtuellen Punktquellen ist zu der Verbindungslinie
zwischen den Punktquellen 86 und 87 senkrecht, ist zu der Savart-Platte 88 parallel und ist also zu der
Zeichnungsebene senkrecht. In der Figur sind die virtuellen Punktquellen mit 89 bezeichnet.
Auf der Poincare-Kugel (siehe Fig. 14) wird der Polarisationszustand der vier Teilbündel durch Punkte
auf zwei großen Kreisen dargestellt, von denen einer über einen Winkel 2 ψ* in bezug auf die Äquatorebene
und der andere über einen Winkel 2 % in bezug auf diese Ebene gekippt ist. Der Weglängenunterschied
zwischen zusammengehörigen Teilbündeln ist mit 2 ψ, 4r,
bzw. 2 % proportional.
Das Detektionssystem 83 ist größtenteils dem nach F i g. 6 analog. Jeder der Differenzverstärker 29 und 25
(F i g. 6) liefert nun zwei Signale. Im Differenzverstärker 29 wird ein Signal erzeugt, das dem Ausdruck ->o
(cos 2 ψ, sin 2 Qxt+ cos 2 i^sin 2 Qyt)
proportional ist; im Differenzverstärker 25 wird ein Signal erzeugt, das dem Ausdruck
(sin 2 ψ, sin 2 Ωχί+ sin 2 ipy sin 2 Qyt)
proportional ist.
Jedes dieser Signale wird einem Paar selektiver Verstärker zugeführt, die auf die Frequenzen 2 Qx bzw.
2 Qy abgestimmt sind. Aus den in den vier selektiven
Verstärkern erzeugten Signalen läßt sich die Lage des Gegenstandes in den Koordinatenrichtungen χ und y
ableiten.
Es ist einleuchtend, daß die Informationen in bezug auf die beiden Koordinatenrichtungen auch dadurch
voneinander getrennt werden können, daß für die beiden Quellen 80 und 85 verschiedene Strahlungsfrequenzen
gewählt werden. Die zu detektierenden Lichtsignale müssen dann mittels Farbfilter voneinander
getrennt werden. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß dann das Detektionssysiem, wenigstens die Lichtdetektoren
desselben, doppelt ausgeführt werden müssen.
In der Vorrichtung nach Fig. 15 tritt linear polarisiertes Licht aus der Lichtquelle 90 und fällt auf die
Savart-Platte 93. Die Polarisationsebene des auf die Platte auffallenden Lichtes schließt mit den durch die
Savart-Platte bestimmten Polarisationsrichtungen p\ und pi der aus der Platte austretenden Teilbündel einen
Winkel von 45° ein (siehe Fig.2). Diese Teilbündel rühren annahmeweise von den virtuellen Punktquellen
91 und 92 her. Die aus der Savart-Platte 93 austretenden zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel durchlaufen
den elektrooptischen Modulator 94.
Die Modulatorplatte 94 ist derart orientiert, daß die Polarisationsrichtungen p\ und /J2 mit den Hauptachsen
der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden in der Platte 94 auftretenden Doppelbrechung
zusammenfallen. Aus der Wechselspannungsquelle 95 wird eine Spannung U— Uo sin Qt derart an die
Elektroden angelegt, daß die Feldstärke zu der Achse des durch die Savart-Platte 93 und den Kristall 94
gebildeten Systems parallel ist. Diese Spannung moduliert periodisch die zueinander senkrecht polarisierten
Teilbündel, die demzufolge periodisch einen Phasenunterschied φ = ψο sin Qtaufweisen.
Auf der Poincare-Kugel (Fig. 16) wird durch den Punkt Po auf dem Äquator die Polarisationsebene der
Strahlungsquelle 90 dargestellt. Die Enden P\ und Pi des
Durchmessers P\Pi in der Äquatorebene stellen die
Polarisationsrichtungen der aus der Savart-Platte austretenden Teilbündel dar. Der Phasenunterschied
zwischen den Teilbündeln führt eine Drehung des Punktes Po um die Achse P] P2 herbei. Ein von Null
verschiedener Phasenunterschied, der außerhalb der durch CD gehenden und zu der Zeichnungsebene
senkrechten Ebene auftritt, führt eine Drehung des Punktes Po um die Achse FiP2, z. B. zu dem Punkt P3,
herbei (siehe F i g. 5). Der elektrooptische Modulator 94, der z. B. ein KDP- oder ein KDDP-Kristall sein kann,
erteilt dem Punkt P3 eine zusätzliche harmonische
Bewegung:
2 φ = 2ςΡοδίηΩί.
Die modulierten Teilbündel werden wieder, wie in F i g. 6 schematisch dargestellt ist, mit dem Detektionssystem
detektiert. Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 25 bzw. 29 sind nun mit
sin (2 φ + 2 φ0 sin Q t)bzw. cos (2 ψ + 2 φ0 sin Q t)
proportional. Diese Signale können nun weiterverarbeitet werden. Aus dieser Verarbeitung wird der Winkel
2 φ und somit die Lage des Gegenstandes ermittelt.
Es ist einleuchtend, daß auf gleiche Weise wie zwei Vorrichtungen nach F i g. 1 zu der Vorrichtung nach
Fig. 13 kombiniert werden, auch zwei Vorrichtungen nach Fig. 15 kombiniert werden können.
Fig. 17 zeigt einen Kurzwellensender, der die gleichen Eigenschaften wie das optische System nach
F i g. 1 aufweist. Der Sender enthält einen Oszillator 100 mit einer Kreisfrequenz ω, einen Niederfrequenzoszillator
101 mit einer Kreisfrequenz Q, zwei Amplitudenmodulatoren 103 und 104 und zwei linear polarisierte
Antennen 107 und 108, die zueinander senkrecht polarisierte Wellen aussenden.
Die Hochfrequenzschwingungen ω aus dem Oszillator 100 werden den Modulatoren 103 und 104 zugeführt.
Il
Die Niederfrequenzschwingungen Ω aus dem Oszillator 101 werden unmittelbar dem Amplitudenmodulator 104
und über ein Phasenverschiebungsglied 102, das eine Phasenverschiebung von 90° herbeiführt, dem Amplitudenmodulator
103 zugeführt. Das Ausgangssignal des Modulators 103 ist mit
sinwicosiif
proportional, während das Ausgangssignai des Modulators 104 mit
sincü/sinßf
proportional ist. Nach Verstärkung im Verstärker 105 bzw. 106 werden diese Signale über die Antennen 107
und 108 in zueinander senkrecht polarisierten Richtungen emittiert.
Die Antennen sind den virtuellen Quellen in den oben beschriebenen optischen Systemen ähnlich. Denn die
zueinander senkrecht polarisierten Signale werden in den beiden Fällen mit denselben mathematischen
Formeln ausgedrückt.
Der Abstand b zwischen den Antennen 107 und 108
bestimmt die Empfindlichkeit des Systems. Die Symmetrieebene in einem Abstand =, von jeder der Antennen
quer zu ihrer Verbindungslinie ist mit der Symmeti ieebene
in der Vorrichtung nach F i g. 1 vergleichba-, deren Schnittlinie mit der Zeichnungsebene durch CD
gebildet wird. Eine Verschiebung aus der Symmetrieebene veranlaßt, wie in den optischen Vorrichtungen,
einen Phasenunterschied 2 φ zwischen den von den Antennen 107 und 108 herrührenden detektierten
Signalen.
Das in Fig. 18 schematisch dargestellte Detektionssystem
enthält im wesentlichen passive Elemente. Das Fehlen aktiver Mikrowellenelemente im Detektionssystem
ist günstig im Zusammenhang mit der Beweglichkeit des Gegenstandes, dessen Lage bestimmt werden
soll.
In dem außerhalb der Symmetrieebene liegenden Punkt 110 ist die Empfangsantenne 120 angeordnet. Die
zueinander senkrecht polarisierten Komponenten
cos Ωtsin (ωf+ψ) und sinfifsin(cuf—ψ)
werden voneinander getrennt und dem »magischen T« 111 zugeführt. Die Ausgangssignale des »magischen T«
sind mit
cosflfsin(o>i-l-ip)-l-sinßfsin(ö)f—ψ)
bzw. mit
bzw. mit
cos Ωί sin (ωί+ψ) —sin Ωί sin (ωί—ψ)
proportional. Diese Signale sind linear polarisierten Wellen analog, deren Polarisationsebene sich um +45°
bzw. —45° in bezug auf die Polarisationsebene der linear polarisierten Komponenten der auf die Antenne
120 einfallenden Wellen verschoben hat. Die Leistung der Ausgangssignale wird in der Diode 113 bzw. 114
detektiert. Die von den Dioden herrührenden Signale werden dem Differenzverstärker 117 zugeführt. Das
Ausgangssignal dieses Verstärkers ist mit
cos 2 ψ sin 2 Ωί
) proportional.
Auch werden die zueinander senkrecht polarisierten
Komponenten nach einer Phasenverschiebung einer der Komponenten über 90° im Phasenverschiebungsglied
119 dem »magischen T« 112 zugeführt. Die Ausgangs-ο
signale des »magischen T« 112 sind mit
cos Ω f cos (ω r+ψ) + s'n £i' s'n (ω' ~ Ψ)
bzw. mit
cos Ωr cos (ωΖ+ ψ) — 5ίηΩί5ΐη(ύ)ί— ψ)
proportional. Diese Signale sind links- bzw. rechtsdrehend zirkulär polarisierten Komponenten der auf die
Antenne 120 einfallenden Wellen analog. Die Leistung der Ausgangssignale wird in der Diode 115 bzw. 116
detektiert. Die von den Dioden 115 und 116 herrührenden Signale werden dem Differenzverstärker
118 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist mit
proportional. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 117 und 118 haben die gleiche Form wie die bei
den optischen Systemen auftretenden Ausgangssignale.
in Auf die oben bereits beschriebene Weise läßt sich daher
der Winkel 2 ψ und somit die Lage der Antenne 120 bestimmen.
Ein der optischen Vorrichtung nach Fig. 15 analoger
Kurzwellensender wird erhalten, wenn statt der
ji Amplitudenmodulatoren 103 und 104 zwei Phasenmodulatoren
verwendet werden. Aus demselben Niederfrequenzoszillator müssen dann die Signale gegenphasig
den Modulatoren zugeführt werden. Die zueinander senkrecht polarisierten Signale, die von den Antennen
107 und 108 ausgesandt werden, haben dann die Form
««(ωί+ί^ίηΩί^ und cos(tüi—φοΒίηΩί,).
Das Detektionssystem nach Fig. 18 bleibt ungeändert.
Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 117 ■π bzw. 118 sind nun mit
cos (2 ψ +2 φο sin Ω i,) bzw. 5ίη(2ψ + 2φΟ5ίηΩί/)
proportional.
Es ist einleuchtend, daß auf gleiche Weise wie zwei
Es ist einleuchtend, daß auf gleiche Weise wie zwei
in optische Vorrichtungen nach F i g. 1 zu der optischen
Vorrichtungen nach Fig. 13 kombiniert werden, auch zwei Vorrichtungen nach Fig. 17 derart kombiniert
werden können, daß eine Lagenbestimmung in verschiedenen Richtungen erhalten werden kann. Auch in
■>r> diesem Falle können die Informationen in bezug auf
diese Richtungen voneinander getrennt werden, und zwar entweder durch die Wahl verschiedener Modulationsfrequenzen
oder durch die Wahl verschiedener Trägerfrequenzen und Filter im Detektionssystem.
Hierzu () HWiU Zeichnungen
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes mittels zweier sich schneidender
elektromagnetischer Strahlungsbündel, bei der die Strahlungsbündel von virtuellen oder reellen örtlich
getrennten kohärenten Strahlungsquellen erzeugt werden, die zueinander senkrecht polarisiert sind
und wobei am Gegenstand ein polarisationsempfind- ι ο liches Detektionssystem angebracht ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (7, 8; 44,45; 55,56; 86,87,89; 90,91,92; 107,108) einen
zeitabhängigen Amplituden- und Phasenunterschied aufweisen, und einen gegenseitigen Abstand haben,
der klein ist im Vergleich zu dem Abstand der Strahlungsquellen von dem Detektionssystem (4; 32;
83; 110).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen kohärenten Strahlungsquellen
(7,8; 44,45; 55,56; 86,87,89; 91,92) virtuelle
Bilder einer einzigen Strahlungsquelle (1; 40; 50; 80, 85; 90) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen Bilder (7, 8) mit Hilfe
einer Savart-Platte (2) erhalten werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen Bilder mit Hilfe eines
Wollaston-Prismas (30) erhalten werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuellen Bilder (44,45; 55,56) mit
Hilfe eines Teilspiegels (46; 54; 61; 71), zweier Spiegel (43,42; 62,63) und zweier Elemente (46; 61;
57, 58; 74, 75) erhalten werden, die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel durchlassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jedem der
Spiegel (42, 43) und dem durch Vereinigung des Teilspiegels (46) und der beiden Elemente gebildeten
polarisierenden Trennspiegel derartig ist, daß die to von den Spiegeln reflektierten Bündel zueinander
parallel sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jedem der
reflektierenden Spiegel (62, 63) und dem durch c> Vereinigung des Teilspiegels und der beiden
Elemente erhaltenen polarisierenden Trennspiegel (61) derartig ist, daß die von den Spiegeln
reflektierten Bündel in bezug aufeinander konvergieren. ■>()
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilspiegel und die beiden Spiegel einen Teil eines Kösters-Prismas (51; 70) bilden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilspiegel und die beiden w
Elemente zu einem polarisierenden Trennspiegel (46; 61) vereinigt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elemente (57,58; 74,
75), die zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel ω)
durchlassen, in dem Strahlengang dem Kösters-Prisma (51; 70) nachgeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
(1; 40; 50) linear polarisierte Strahlung aussendet, far>
deren Polarisationsebene sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
(90) linear polarisierte Strahlung aussendet und daß im Strahlengang ein elektrooptischer Modulator
(94) angeordnet ist, an den eine derartige elektrische Spannung angelegt ist, daß die zueinander senkrecht
polarisierten Strahlungskomponenten periodisch einen Phasenunterschied erhalten.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden reellen Quellen zwei
Sender (107,108) sind, die von einem gemeinsamen Oszillator (100; 101) gespeist und von zwei
kohärenten Modulatoren (103, 104) moduliert werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden reellen Quellen zwei
Sender (107, 108) sind, die von zwei miteinander gekoppelten Oszillatoren (100,101) gespeist und von
zwei kohärenten Modulatoren (103, 104) moduliert werden.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel
von zwei Paaren kohärenter Strahlungsquellen (86, 87, 89) erzeugt wird, wobei die
Quellen jedes Paares zueinander senkrecht polarisiert sind, welche Paare derart angeordnet sind, daß
die Verbindungslinie zwischen den Quellen eines Paares einen Winkel mit der Verbindungslinie
zwischen den Quellen des anderen Paares einschließt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 90° beträgt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die das eine Paar
kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (80) die gleiche Frequenz wie die das andere
Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (85) aufweist und daß die Modulationsfrequenz der beiden Strahlungsquellen verschieden
ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die das eine Paar
kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (80) eine andere Frequenz als die das andere
Paar kohärenter Strahlungsquellen bildende Strahlungsquelle (85) aufweist und daß die Modulationsfrequenz der beiden Strahlungsquellen einander
gleich sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsempfindliche
Detektionssystem (4; 32; 83; 110) mindetens ein Paar Detektoren (23, 27; 113,
115) enthält, von welchem Paar der eine Detektor (27, 113) eine zirkulär polarisierte Komponente der
Strahlung und der andere Detektor (23; 115) eine linear polarisierte Komponente auffängt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zirkulär polarisierte
Komponente wie auch die linear polarisierte Komponente von zwei Detektoren aufgefangen
werden, derart, daß jedes Detektorenpaar (23, 24, 27, 28; 113, 114, 115, 116) zueinander senkrecht
polarisierte Teilstrahlen der zirkulär polarisierten bzw. der linear polarisierten Komponente auffängt,
während das Ausgangssignal jedes Detektorenpaares einem Differenzverstärker (25, 29; 117, 118)
zugeführt wird.
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