DE2804290C2 - Ringlaser-Gyroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ringlaser-Gyroskop, dessen Spiegel mindestens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der eine Schichtstruktur aufweist, die eine hochreflektierende Schicht auf einem tragenden Substrat umfaßt, wobei im Betrieb ein Anteil des Lichtes von jedem der beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen durch den teildurchlässigen Spiegel in einen Strahlkreuzungsbereich fällt und ein Interferenzstreifenbild aus Linien hoher Intensität und geringer Intensität mit einem praktisch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien erzeugt und wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops mit Hilfe einer Fotodetektoreinheit feststellbar ist, deren Ausgangssignal eine Funktion der Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes ist

Bisher wurden { aser-Gyroskope dadurch abgelesen, daß man einen kleinen Teil der Lichtenergie in den beiden Strahlen, die in den entgegengesetzten Richtungen laufen und oft als gegensinnig rotierende Strahlen bezeichnet werden, durch einen im Ringlaser-Strahlengang angeordneten, dielektrisch beschichteten Spiegel fallen ließ und vereinigte. Als Hinweis auf die allgemeinen Grundlagen und für eine genaue Beschreibung dieses Verfahrens der Vereinigung von Laserstrahlen wird auf das Buch: Laser Applications, herausgegeben von Monte Ross. Academic Press. Inc. New York. N.Y, 1971. S. 134 - 200 und insbesondere auf das Kapitel mit dem Titel »The Laser Gyro«. S. 139—141 verwiesen. Die Vereinigung geschieht unter Verwendung eines Prismas, das die Strahlen mit leicht unterschiedlichen Winkeln wiedervereirigt und dadurch ein Interferenzstreifenbild auf einer Fläche erzeugt, die zwei Fotodioden enthält. In einem solchen System muß jede Diode kleiner sein als eine einzelne Linie des Streifenmusters, damit man eine Seitenverschiebung des Musters feststellen kann.

Der Streifenabstand ist gegeben durch die Gleichung:

D=A/sin (Θ/2)

worin D der Abstand zwischen einander benachbarten Maxima des Streifenmusters, λ die Wellenlänge des Strahls und θ der Winkel zwischen den beiden Strahlen ist. In einem typischen Beispiel beträgt der Streifenabstand etwa 3 mm und die beiden Dioden haben einen Abstand von etwa einem Viertel des Streifenabstands, was etwa V₄ mm ist. Wenn der Ringlaser um seine Eingangsachse gedreht wird, ändern sich die Strahlfrequenzen geringfügig, wobei die eine zunimmt und die andere abnimmt. Die Frequenzänderung verursacht eine Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes. Die Rotalionsgeschwindigkeit des Ringlaser-Gyfoskops manifestiert sich also während des Betriebs als Seitenverschiebung des Interferenzbildes über die Fotodioden. Der Ausgang der Dioden wird in eine Logikschaltung eingegeben, die sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der Drehung des Gyroskops feststellt. Als ein anderes Funktionsmerkmal eines Ringlaser-Gyroskops ist bekannt, daß die

Intensität des Laserstrahles auf optimale Bedingungen eingestellt werden muß und dies geschieht gewöhnlich unter Zuhilfenahme der Länge eines schwingenden Hohlraumes, so daß sie durch ein Servosystem justiert werden kann, das bestrebt ist, das eingeführte Fehlersignal auf Null zu bringen. Dies crfoigi -n dt-.r Weise, daß einer der Spiegel in dem Weg des Laserstrahls mit einem piezoelektrischen Element und einem Wechselstromoszillator in Schwingungen versetzt wird. Wenn zwei weitere Fotodetektoren hinter einem weiteren Spiegel angebracht werden, überwacht jeder Detektor im Prinzip die Strahlintensität eines der beiden entgegengesetzten Strahlen. Die in den Detektoren erzeugten Ausgangssignale werden summiert und in eine Schaltung eingegeben, die die nominelle Hohlraumlänge so einstellt, daß eine maximale Strahlintensität erzielt wird. Was eine gründliche Erläuterung einer derartigen Schaltung angeht, wird auf den NASA Report Nr. CR-132261 mit dem Titel »Design and Development of the AA1300Ad02 Laser Gyro« von T. J. Podgorski und D. M. Thymian, 1973, S. 10 und 11 verwiesen. Die Hauptschwierigkeit beim Summieren der beiden Signale besteht in der Anpassung der Verstärkung der beiden Fotodektoren. Um sicherzustellen, daß das kombinierte Signal wirklich aus den richtigen Proportionen der beiden Fotodetektoreingänge besteht, muß der Verstärkungsgrad der beiden Detektoren mit Hilfe äußerer Elektronik angepaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ringlaser-Gyroskop der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine genaue Ablesung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fotodetektoreinheit aus einer Schichtstruktur besteht und auf der Rückseite des teildurchlässigen Spiegels in dem Strahlkreuzungsbereich, in dem sich die Teile der beiden Strahlen, die durch den Spiegel fallen, aufgrund der Kreuzung der Strahlenrichtungen überlagern, als Teil der Schichtstruktur des teildurchlässigen Spiegels angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein vereinfachtes, genauer arbeitendes Lesesystem für Ringlaser-Gyroskope, das mit einem günstigeren Rauschabstand arbeitet, konstruiert werden könnte, wenn es möglich wäre, einige der birher zur Erzeugung des Interferenzstreifenbildes benutzten optischen Teile wegzulassen. Der Gedanke, optische Teile wegzulassen, führte zu dem Schluß, daß eine solche Möglichkeit realisiert werden kann, wenn die Fotodetektoreinheit des Lesrsystems derart angebracht wird, daß sie in dem Interferenrstreifenbild lieg·, das unmittelbar im Bereich des Schnittpunktes der beiden Strahlen geformt wird, der seinerseits unmittelbar hinter einem teildurchlässigen Spiegel des Ringlaser-Gyroskops liegt. Der Gedanke war also, die angestrebte Vereinfachung dadurch zu erreichen, daß man das Interferenzstreifenbild im Bereich des Strahlschnittpunktes benutzt, der unmittelbar hinter dem teildurchlässiger Spiegel liegt. Es war selbstverständlich bekannt, daß in diesem Bereich ein Interferen/.streifenbild existieren muß, weil die beiden Strahlen, wenn sie von einem teildurchlässigen Spiegel reflektiert werden, aus geometrischen Gründen notwendigerweise einen derartigen Schnittbereich unmittelbar hinter dem Spiegel bilden müssen. Vor der Erfindung war jedoch keine Ausnützung des Interferenzstreifenbildes in diesem Bereich möglich. Vielmehr ließ man in bisherigen Systemen die Strahlen

hinter diesem Bereich weiterlaufen, wo sie divergieren, und dann wurde einer der Strahlen unter Verwendung zusätzlicher optischer Elemente zurückgeworfen, io daß das Interferenzstreifenbild sozusagen in einem entfernteren Bereich neu erzeugt werden mußte. Es ist einur der wesentlichen, der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, erkannt zu haben, daß der Wegfall strahlablenkender Prismen oder anderer optischer Elemente möglich gemacht wird, wenn die Fotodetek-

toreinheit unmittelbar in dem Bereich direkt hinter einem leildurchlässigen Spiegel aufgebaut werden könnte, wo aufgrund der Strahlkreuzung ohne zusätzliche reflektierende Elemente das Interferenzstreifenmuster erzeugt wird.

In Weiterführung dieses Gedankens wurde herausgefunden, daß der erwünschte Effekt erzielbar ist, wenn die Fotodetektoreinheit, die den Fotodetektor oder Fotodetektoren, gewöhnlich wenigstens eine Fotodiode, umfaßt so konstruiert wird, daß sie eine Schichtstruktur bildet

Der Ausdruck »Schichtstrukturt, wie er in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, soll sich auf ein Gebilde aus verhältnismäßig dünnen Schichten beziehen, die jeweils mit der benachbarten

^2d Schicht in Oberflächenkontakt stehen, wobei die gegenseitige Lage dieser Schichten mit irgendeinem geeigneten Mittel festgehalten werden kann. Die Schichtstruktur im obigen Sinn braucht also nicht unbedingt eine Oberflächenbindung zwischen den

Schichten aufweisen. Nach Bedari können auch mechanische Mittel verwendet werden, um die Schichten in Oberflächenkontakt zu halten, wenngleich sich eine Oberflächenbindung der Schichten der Schichtstruktur bei der Fotodetektoreinheit als am zweckmäßigsten erwiesen hat. die bei dem Laser-Gyroskop nach der Erfindung vorgesehen ist.

In weiterer Verfolgung der Überlegungen, die zu den die Basis der Erfindung bildenden Grundgedanken führten, wurde gefunden, daß die aus einer Schick, struk-

tür bestehende Fotodetektoreinheit am wirkungsvollsten auf einem der teildurchlässigen Spiegel des Riiiglaser-Gyroskops oberflächengebunden werden konnte, wobei ein solcher Spiegel ein üblicher Bestandteil dieser Instrumente ist. Dann kann die kombinierte Schichtstruktur aus einem üblichen teil durchlässigen Spiegel mit der aus einer Schichtstruktur bestehenden Fotodetektoreinheit als eine einzige Schichtstruktur angesehen werden, die dann das angestrebte Resultat zeitigt, nämlich die Fotodetektor-

einheit genau in dem Bereich der Strahlkreuzung anzubringen, der unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Spiegel liegt, umso mehr als die gesamte Einrichtung dann eine einzige Schichtstruktur ist. die sowcM die gebräuchliche Spicgel-Schichtstruktur als

auch die aus einer Schichtstruktur bestehende Fotodetektoreinheit umfaTY

Fine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Schicht des teildtirchlässigen Spiegels auf dem Substrat auf dessen von den in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Strahlen abgewendeten. Oberfläche angebracht ist. Wenn die hochreflektierende Schicht des teildurchlässigen Spiegels auf der den beiden Strahlen zugewandten Seite angebracht ist, so werden gegenüber dem Stand der Technik bereits wesentlich verheuerte Ergebnisse erreicht, mit denen eine genauere Ablesung erzielt werden kann. Jedoch lassen sich diese Ergebnisse noch dadurch verbessern, daß die hochreflektierende

Schicht auf der den umlaufenden Strahlen abgewandten Oberfläche des Substrats angebracht wird.

Eine andere, vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoreinheit zwei Fotodioden und eine innerhalb des ' Strahlkreuzungsbereiches vor den Fotodioden angeordnete Maske umfaßt, die von abwechselnd angeordneten lichtabsorbierenden und lichtdurchlässigen Linien gebildet wird, wobei je zwei aufeinanderfolgende lichtabsorbierende oder lichtdurchlässige Linien einen gleichen ^|0 Abstand voneinander haben, der von dem Abstand zwischen den Linien des erwarteten Interferenzbildes verschieden ist, daß die Fotodioden, die jeweils Licht aus verschiedenen Bereichen des Interferenzbildes empfangen, im wesentlichen auf einander gegenüberliegenden ü Seiten einer Ebene liegen, in bezug auf die die Linien der Maske symmetrisch angeordnet sind, so daß das von der einen Fotodiode erzeugte Signal von dem von der anderen Fotodiode erzeugten Signal immer dann verschieden ist, wenn die Linien des Interferenzbildes -'» asymmetrisch zu der Symmetrieebene für die Linien der Maske liegen, wodurch das von einer Fotodiode abgegebene Signal eine Funktion des Ausmaßes der Seitenverschiebung des Interferenzbildes ir. bezug auf die Symmetrieebene ist. 2>

Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird die Möglichkeit, die durch die Schichtstruktur der Fotodetektoreinhcit gegeben ist, ausgenutzt, Fotodioden mit großer Oberfläche zu verwenden. Die Ausgangscharakteristik solcher Fotodioden zeigt einen vorteilhafte- Jo ren Rauschabstand im Vergleich zu bisher verwendeten Fotodioden, die zur Bestimmung der Verschiebung des Interferenzstreifenbildes eine Größe haben mußten, die im Vergleich zur Linienbreite des Interferenzstreifenbildes klein war. Dies ist das Ergebnis der bei dieser Weiterbildung vorgesehenen Maske aus dunklen und lichtdurchlässigen Linien, deren Verwendung durch die Schichtstruktur der Fotodetektoreinheit, die sich leicht auf dem teildurchlässigen Spiegel durch Oberflächenbindung anbringen läßt, wesentlich vereinfacht wird, -»ο Einzelheiten dieser Ausbildung sind im Rahmen der Beschreibung der Figuren näher erläutert.

Die letztgenannte Weiterbildung der Erfindung wird vorzugsweise zusammen mit einer anderen Weiterbildung der Erfindung verwandt, die dadurch gekennzeich- ·*5 net ist. daß die beiden Fotodioden verhältnismäßig großflächig derart ausgebildet sind, daß jede Fotodiode annähernd die Hälfte der gesamten verfügbaren Lichtenergie des Interferenzbildes, vermindert um die von der Maske absorbierte Lichtenergiemenge, empfängt. Die großPs.chige Ausbildung der Fotodioden ermöglicht, daß relativ viel Lichtenergie des Interferenzstreifenbildes auf die Fotodioden fällt, so daß dadurch ein günstiges Signal-Rauschverhältnis erzielt wird, wodurch eine hohe Empfindlichkeit bei dem Ringlaser-Gyroskop erreicht wird.

Eine wiederum andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Schichtstruktur der Fotodetektoreinheit eine weitere, nicht von einer Maske abgedeckte Fotodiode vorgesehen ist, die einen «> Teil der Lichtenergie des Interferenzbildes empfängt und deren Ausgangssignal die Hohlraumlänge des Ringiasers steuert. Diese dritte Fotodiode, die sich in geeigneter Weise über einen Teil der Fläche des Interferenzstreifenbildes erstreckt, dient zur Servo- t" steuerung der Hohlraumlänge. Die Strahlintensität wird periodisch variiert, indem die Hohlraumlänge mittels eines piezoelektrischen Elementes in Schwingungen versetzt wird, wie es bereits beschrieben wurde. Das in der dritten Diode erzeugte Signal stellt die Summe der Lichtintensitäten der beiden Strahlen dar und wird einem Rückführungskreis zur Steuerung der Hohlraumlänge zugeführt. Diese Schaltung regelt die Länge des Hohlraumes so, daß die Laserstrahlintensität ein Maximum wird.

In vorteilhafter Weise führt die letztgenannte Weiterbildung der Erfindung zu einer einfachen Schichtstruktur, welche die Maske und die Fotodioden enthält.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Fotodioden in einer gemeinsamen Schicht der Fotodetektoreinheit angebracht sind. Dies führt dazu, daß die Schichtstruktur, aus welcher die Fotodetektoreinheit besteht, besonders einfach hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ansfiihrungsheisniels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. I eine Seitenansicht eines mehrschichtigen, dielektrisch beschichteten Spiegels und einer Fotodetektoreinheit, die aus einer Schichtstruktur besteht,

F i g. 2 eine schematische Vorderansicht der Maske, die einen Teil der aus einer Schichtstruktur bestehenden Fotodetektoreinheit der Fig. \ bildet, wobei die Zeichenebene parallel zur Ebene des mehrschichtigen dieleki'^ch beschichteten Spiegels der F i g. I liegt,

F i g. 3 die Ausrichtung der Fotodiodengruppierung auf dem gemeinsamen Substrat, das ebenfalls einen Teil der aus einer Schichtstruktur bestehenden Fotodetektoreinheit der Fi g. 1 bildet, wobei die Orientierung die gleiche ist, wie in F i g. 2,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Interferenzstreifenbildes, das im Strahlkreuzungsbereich hinter dem Spiegel der Fig. 1 entsteht, wobei gezeigt ist, wie die Maske unterschiedliche Anteile des Lichtes des Interferenzstreifenbildes auf die beiden Fotodetektoren durchläßt, sobald das Interferenzstreifenbild eine asymmetrische Lage bezüglich der Maske aufweist, und F i g. 5 eine schematische Darstellung des Laserkörpers, der Fotodetektoreinheit und der Schaltung zur Steuerung der Hohlraumlänge und zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines geschichteten Gebildes aus einem mehrschichtigen, dielektrisch beschichteten Spiegel 23 und einer Fotodetektoreinheit 13. Auf der Seite eines transparenten Substrates 12, die den beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen 22 und 24 des Ringlasers zugekehrt ist, befindet sich ein mehrschichtiger Antireflexionsbeiag 10, der die "Reflexion der Strahlen bei ihrem Eintritt in das Substrat 12 vermindert Auf der Rückseite des Substrats 12 ist ein hochreflektierender, mehrschichtiger, dielektrischer Belag 14 angebracht der einen Großteil der Lichtenergie der Strahlen 22 und 24 in das Substrat 12 und durch den Antireflexionsbeiag 10 zurückreflektiert um die Laserfunktion im Betrieb aufrechtzuerhalten.

Da der Belag 14 teildurchlässig ist kann ein kleiner Anteil der Laserstrahlen 22 und 24 durch den mehrschichtigen, dielektrischen, hochreflektierenden Belag 14 hindurchgehen. Die Anteile der Lichtenergie in den Strahlen, die also in die Fotodetektoreinheit 13 eindringen, die aus einer aus den Schichten 16, 18, 20 und 26 bestehenden Schichtstruktur gebildet ist siehe hierzu Fig. i, wobei die Schicht 18 eine Maske ist erreichen die Fotodioden 32, 34 in der Schicht 26 der Schichtstruktur. Die Schichten 16, 20 sind übliche

Antireflexionsschichten, die polarisiertes Licht in einer Richtung hindurchlassen, aber in der anderen Richtung sperren. Diese Schichten verhindern daher eine Reflexion von Licht von der Maske und von den Fotodioden zurück in den Ringhohlraum. Die verschiedenen Schichten sind lediglich zur Verdeutlichung ihrer räumlichen Anordnung, aber nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Schichten 10, 16, 18 und 20 sind im typischen Fall 100 nm dick und der Spiegelbelag 14 hat in einem typischen Fall eine Dicke von 2000 nm. In Fi g. I sind die beiden Strahlen schematise'! durch ihre Mittellinien mit Doppelpfeilen dargestellt, aber es sind noch Konturlinien 15, 17, 19 und 21 hinzugefügt, um zu zeigen, daß die tatsächliche Breite der Strahlen mit der Oberfläche der Schichtstruktur im Einklang steht, die die Fotodetektoreinheit 13 bildet.

Es soll das bisher Beschriebene und Erläuterte zusammengefaßt werden. Das hier offenbarte Instrument ist ein Rin°!3?e^r-O^vrrⁱ?'^t °ⁿ. dessen S^l?¹⁷?! wenigstens einen teildurchlässigen Spiegel 23 einschließen, der aus einer Schichtstruktur besteht, siehe Fig. 1, die eine hochreflektierende Schicht 14 auf einem Substrat 12 aufweist, wobei während des Betriebs ein Anteil des Lichtes beider entgegengesetzt laufender Strahlen 22 und 24 durch den teildurchlässigen Spiegel 23 in einen Strahlkreuzungsbereich fällt. In diesem Bereich erzeugt dieser Anteil ein Interferenzstreifenbild aus Linien hoher Intensität und niedriger Intensität mit einem praktisch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien. Die Drehgeschwindigkeit des Gyros'ops ist mit einer Fotodetektoreinheit 13 feststellbar, deren Ausgangssignal eine Funktion der Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes ist, wobei eines der wichtigsten Merkmale darin besteht, daß die von einer Schichtstruktur dargestellte Fotodetektoreinheit 13, einen Teil des teildurchlässigen, geschichteten Spiegels 23 bildet. Wie weiter aus F i g. 1 ersichtlich, ist die hochreflektierende Schicht 14 auf der Oberfläche des Substrats 12 angebracht, die von den Strahlen abgekehrt ist. Demzufolge ist die Fotodetektoreinheit 13 im Strahlkreuzungsbereich angeordnet, in dem sich die Teile der beiden Strahlen 22 und 24, die durch den Spiegel 23 hindurchgehen, wegen der Kreuzung der Strahlrichtungen überlagern.

F i g. 2 ist eine Vorderansicht der Maskenschicht 18, die getrennt von der übrigen Schichtstruktur, die die Fotodetektoreinheit 13 bildet, gezeigt ist, in Wirklichkeit aber mit der den Spiegel 23 bildenden Schichtstruktur, siehe F i g. 1 verbunden ist.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Gruppierung dreier gegenseitig isolierter Fotodioden 32, 34 und 36 auf einem gemeinsamen Substrat, das die Schicht 26 darstellt In Fig.2 enthält die obere Hälfte der Schicht der Maske 18 parallele dunkle, d. h. lichtabsorbierende Linien 28 und zwischen diesen transparente Zonen, d. h. Linien 29. Die Linien 28 der Maske 18 sind auch in F i g. 1 gezeigt Die Linien sind parallel zu dem Interferenzstreifenbild angeordnet, das während des Betriebs durch die Kreuzung der Strahlen 22 und 24 unmittelbar hinter dem Spiegel, d.h. im Strahlkreuzungsbereich entsteht wo die schichtstrukturförmige Fotodetektoreinheit 13 angebracht ist Jede dunkle Linie 28 hat etwa die Breite einer dunklen Linie im Interferenzbild und wirkt als lichtabsorbierendes Element das den Lichtstrahl nicht hindurchläßt Die transparenten Linien 29 lassen Licht hindurchtreten und haben annähernd die gleiche Breite wie die dunklen Linien.

Der in einem Ring aser mit dreieckförmigen Aufbau entwickelte Inlerferenzstreifenabstand beträgt 1,9 μπι. Jede schwarze Linie und jede helle Linie in dem Interferenzstreifenbild am Spiegel ist daher die Hälfte dieses Streifenabstandes. Die Linien 28 und 29 der Maske 18 haben einen gleichbleibenden Abstand voneinander, der etwas von dem gleichmäßigen Abstand zwischen den hellen und dunklen Linien des Streifenbildes verschieden ist, so daß die Linien 28 und 29 der Maske 18 gleiche Mengen von Lichtenergie des Interferenzstreifenbildes nur dann auf jede Fotodiode 32 und 34 fallen lassen, wenn sich das Interferenzstreifenbild in einer Symmetrielage bezüglich der zwischen den beiden Fotodioden 32 und 34 gezogenen Symmetrieebene 25 befindet. Eine seitliche Verschiebung des Interferenzstreifenbildes bewirkt dann eine ungleichmäßige Beleuchtung der beiden Fotodioden 32, 34, wie in F i g. 4 dargestellt und weiter unten beschrieben.
Die untere Hälfte 30 der die Msske !8 bildenden Schicht ist transparent und läßt daher den Lichtstrahl praktisch unbeeinflußt durchfallen. Der maskentragende Teil der Schicht in F i g. 2 überdeckt die Fotodioden 32 und 3<* der Gruppierung auf dem Substrat, nämlich der Schicht 26 in F i g. 3, während der transparente Feil 30 der Schicht, der dem unteren Teil in der Darstellung der F i g. 2 entspricht, die Fotodiode 36 mit dem größeren Flächenbereich bedeckt, um die gesamte Breite des Interferenzstreifenbildes einzufangen.

F i g. 4 ist eine schematische Seitenansicht, die das von den Strahlen 22 und 24 erzeugte Interferenzstreifenbild in der Form einer Lichtintensitätskurve 38 veranschaulicht, und zwar unter der Annahme, daß es eine asymmetrische Lage bezüglich der Linien 28 und 29 der Maske 18 hat. Die wellenförmige Kurve 38 stellt somit

)"> die Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Abstand des Interferenzsireifenbildes, das im Bereich hinter dem Spiegel 23 errichtet wird, dar. Die Kurve 40 stellt die Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Interferenzbildabstand dar, nachdem das Licht durch die transparenten Linien 29 gefallen ist und daher asymmetrisch modifiziert wurde, so daß auf die Fotodioden 32 und 34 unterschiedliche Lichtmengen auftreffen. Wie F i g. 4 zeigt, ist unter der angenommenen Lage des Interferenzstreifenbildes, wie dargestellt, die auf die Fotodiode

⁴' 34 fallende gesamte Lichtmenge größer als die Gesamtlichtmenge, die auf die Fotodiode 32 fällt. Die in diesen beiden Fotodioden erzeugten Signale sind repräsentativ für die durch die Lichtintensitätskurve 38 dargestellte Intensität des Interferenzstreifenbildes in

~'ⁿ den beiden Bereichen auf der einen und auf der anderen Seite der Symmetrieebene 25.

Wenn sich das Ringlaser-Gyroskop in seiner Ebene dreht, bewegt sich das durch die Lichtintensitätskurve 38 dargestellte Interferenzstreifenbild quer über die Maske 18, d. h. in F i g. 4 in horizontaler Richtung, und die Lichtintensitäten an den Fotodioden 32 und 34 ändern sich als eine Funktion des Ausmaßes der Asymmetrie bezüglich der Symmetrieebene 25. Diese Seitenverschiebung des Interferenzstreifenmusters ist charakteristisch für die Drehgeschwindigkeit des Ringlaser-Gyroskops in dessen empfindlicher Ebene und verursacht eine Änderung in den Ausgangssignalen der beiden Fotodioden 32 und 34. Die Fotodioden 32,34 dienen also dazu, Geschwindigkeiten und Richtung der Drehung des Ringlaser-Gyroskops in dessen empfindlicher Ebene, die bekanntlich die vom Laserstrahl weg eingenommene Ebene ist, festzustellen.
Es ist also deutlich geworden, daß die schichtstniktur-

förmige Fotodetektoreinheit 13 die Maske 18 umfaßt, die von den lichtabsorbierenden Linien 28 gebildet wird, die durch die lichtdurchlässigen Linien 29 in einem gleichmäßigen Abstand getrennt sind, der von dem Abstand zwischen den Linien des erwarteten Interfe- ~> renzstreifenbi'des verschieden ist. Die Maske 18 als Teil der Schichtstruktur ist in dem Strahlkreuzungsbereich und nahe dt.ι beiden Fotodioden 32 und 34 angeordnet, die jeweils Licht von einem der Bildbereiche empfangen, das in seiner Intensität von dem von der anderen ^ln Fotodiode empfangenen Licht unterschiedlich ist, wenn die Linien des Interferenzstreifenbildes bezüglich der Linien der Maske 18 asymmetrisch liegen. Da die Maske 18 einen Teil des Lichtes des Interferenzstreifenbildes ausblendet, ist die auf eine Fotodiode fallende '"' Lichtintensität eine Funktion des Maßes der seitlichen Verschiebung des Interferenzstreifenbildes aus einer Symmetrielage bezüglich der Maske 18. Dadurch wird es möglich, 7wp> verhältnismäßig großflächige Fotodioden 32, 34 zu verwenden, von denen jede annähernd -'" die Hälfte der gesamten verfügbaren Lichtenergie des Interferenzstreifenbildes, vermindert um die von der Maske 18 absorbierte Lichtintensität, empfängt.

Wie F i g. 3 zeigt, fällt das Interferenzstreifenbild im wesentlichen unbeeinflußt auf die Fotodiode 36. Das ^2y Signal, das von dieser Diode 36 erzeugt wird, die sich auf beiden Seiten der Symmetrieebene 25 in gleicher Weise erstreckt, ist repräsentativ für die Summe der Lichtintensitäten beider Strahlen, die auf diese Diode 36 treffen. Da gleiche Lichtintensitäten beider Seiten des ⁱⁿ Interferenzstreifenbildes gleichzeitig auf die Fotodiode 36 fallen, werden die Strahlintensitäten summiert und das Ausgangssignal ist wirklich repräsentativ für die gesamte Lichtenergie im Interferenzstreifenbild. Wenn ein weiterer Spiegel, d.h. nicht der in Fig. 1 gezeigte ^Jo Spiegel gemäß dem üblichen Verfahren zur Steuerung der Hohlraumlänge in Schwingungen versetzt wird, wird das Ausgangssignal der Fotodiode 36 unmittelbar einer gebräuchlichen Steuerschaltung für die Hohlraumlänge zugeführt, die Justierungen an de. nominellen Hohlraumlänge durchführt, um dadurch die Strahlintenlitäten zu optimieren.

Wie man sieht, wird die Schichtstruktur der Fotodetektoreinheit 13 vorteilhaft ausgenutzt, um lusätzlich eine unmaskierte Fotodiode 36 in der Schichtstruktur vorzusehen, die praktisch die gesamte Lichtenergie des Interferenzstreifenbildes empfängt und deren Ausgang die Hohlraumlänge des Ringlasers steuert. Alle drei Dioden 32, 34, 36 sind somit zweckmäßigerweise gemeinsam auf dem Substrat 26 »ngebracht. das eine der Schichten der schichtstruktur-

förmigen Fotodetektoreinheit 13 bildet.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ringlaser-Gyroskops und der notwendigen Schaltungsanordnung, um die Ausgangssignale von der Gruppierung der Fotodioden 32, 34 und 36 der F i g. 3 zu verarbeiten. Die gezeigte Anordnung verwendet einen dreieckförmigen Ringlaserkörper 42 mit drei reflektierenden Flächen, die in Bauteilen 52, 53 und 54 enthalten sind, sowie die erforderliche, elektronische Schaltung und Energiesteuerschaltung 62, um die beiden sich gegensinnig fortpflanzenden Laserstrahlen 22 und 24 im Inneren eines gasgefüllten Hohlraums in dem Ringlaserkorper 42 zu halten. Der Bauteil 54 enthält die Kombination aus dem Spiegel 23 in Schichtstruktur und der Fotodetektoreinheil 13 in Schichtstruktur der Fig. 1. Während der Ringlaserkörper 42 um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse gedreht wird, werden die Signale in den Fotodioden 32 und 34 des Bauteils 54 durch Leitungen 44 zu einer Logik- und Datenverarbeitungsschaltung 56 üblicher Bauweise geschickt, die Geschwindigkeit und Richtung der Drehung feststellt und einen für diese Information repräsentatives Ausgangssignal liefert.

Der Bauteil 52 enthält einen Laserspiegel, dessen reflektierende Oberfläche auf einem Satz von piezoelektrischen Elementen angebracht ist. Die Regelung der Hohlraumlänge geschieht durch Einstellungen, für die die Fehlersignale verwendet werden, die dadurch erzen.?· werden, daß man den Spiegel im Bauteil 52 durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente in Schwingungen versetzt, wie dies auf diesem Gebiet der Technik üblich ist. Wenn der Spiegelbauteil 52 schwingt, ändert sich das Intensitätssignal der Fotodiode 36 der F i g. 3 und dieses Signal wird über eine Leitung 46 an einen üblichen Regelkreis 58 für die Hohlraumlänge gegeben, der die nominelle Hohlraumlänge einstellt, um auf diese Weise die Strahlintensitäten im Ringlaser auf ein Maximum einzuregeln.

Das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt im Vergleich zur bisherigen Technik die Verwendung einer einzigen Gruppierung von Fotodioden in der Schicht 26, die unmittelbar hinter einem Spiegel 23 des Ringlasers angebracht ist. Diese Gruppierung erzeugt die Signale mit Rotationsdaten von den Dioden 32 und 34, die über die Leitungen 44 überführt werden, und liefert außerdem von der Diode 36 über die Leitung 46 die für den Regelkreis der Hohlraumlänge notwendige Strahlintensitätsinformation.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Ringlaser-Gyroskop, dessen Spiegel mindestens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der eine Schichtstruktur aufweist, die eins hochreflektierende Schicht auf einem tragenden Substrat umfaßt, wobei im Betrieb ein Anteil des Lichtes von jedem der beiden entgegengesetzt laufenden Strahlen durch den teildurchlässigen Spiegel in einen Strahlkreuzungsbereich fällt und ein Interferenz- jo streifenbüd aus Linien hoher Intensität und geringer Intensität mit einem praktisch gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Linien erzeugt und wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops mit Hilfe einer Fotodetektoreinheit feststellbar ist, deren Ausgangssignal eine Funktion der Seitenverschiebung des Interferenzstreifenbildes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoreinheit (13) aus einer Schichtstruktur besteht und auf der Rückseite des teildurchlässigen Spiegels in dem Strahlkreuzungsbereich, in dem sich die Teile der beiden Strahlen (22,24), die durch den Spiegel fallen, aufgrund der Kreuzung der Strahlenrichtungen Oberlagern, als Teil der Schichtstruktur des teildurchlässigen Spiegels (23) angeordnet ist

2. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hocnreflektierende Schicht (14) des teildurchlässigen Spiegels (23) auf dem Substrat (12) auf dessen von den in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Strahlen (22, 24) jo abgewendPten Oberfläche angebracht ist.

3. Ringlaser-Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoreinheit (.3) zwei Fotodioden (32, 34) und eine innerhalb des Strahl! -euzungsbereichs vor den Fotodioden (32, 34) angeordnete Maske (18) umfaßt, die von abwechselnd angeordneten lichtabsorbierenden (28) und lichtdurchlässigen Linien (29) gebildet wird, wobei je zwei aufeinanderfolgende lichtabsorbierende (28) oder lichtdurchlässige Linien (29) einen gleicher Abstand voneinander haben, der von dem Abstand zwischen den Linien des erwarteten Interferenzbildes verschieden ist. daß die Fotodioden (32,34). die jeweils Licht aus verschiedenen Bereichen des Interferenzbildes empfangen, im wesentlichen auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Ebene (2S) liegen, in bezug auf die die Linien der Maske (18) symmetrisch angeordnet sind.

so daß das von der einen Fotodiode erzeugte Signal Von dem von der anderen Fotodiode erzeugten Signal immer dann verschieden ist, wenn die Linien des Interferenzbildes asymmetrisch zu der Symmetrieebene (25) für die Linien der Maske (18) liegen, wodurch das von einer Fotodiode abgegebene Signal eine Funktion des Ausmaßes der Seitenver-Schiebung des Interferenzbildes in bezug auf die Symmetrieebene (25) ist.

4. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fotodioden (32, 34) verhältnismäßig großflächig derart ausgebildet sind. daß jede Fotodiode (32,34) annähernd die Hälfte der gesamten verfügbaren Lichtenergie des Interferenzbildes, vermindert um die von der Maske (18) absorbierte Lichtenergiemenge, empfängt.

5. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schichtstruktur der Fotodetektoreinheit (13) eine weitere, nicht von einer Maske (18) abgedeckte Fotodiode (36) vorgesehen ist, die einen Teil der Lichtenergie des Interferenzbildes empfängt und deren Ausgangssignal die Hohlraumlänge des Ringlasers steuert

6. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Fotodioden (32,34,36) in einer gemeinsamen Schicht (28) der Fotodetektoreinheit (13) angebracht sind.