DE4010256A1

DE4010256A1 - Positionsmessgeber fuer laserkreisel

Info

Publication number: DE4010256A1
Application number: DE19904010256
Authority: DE
Inventors: Salaberry Bernard Lucien Ch De
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1990-10-04
Also published as: FR2645263B1; FR2645263A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Positionsmeßgeber zur genauen Messung der Position des optischen Blocks eines Laserkreisels, der mechanisch aktiviert wird in bezug auf eine festen Referenzwert. Dieser Meßgeber besitzt im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Techniken den Vorteil, eine sehr einfache und wirtschaftliche Entwicklung von hoher Präzision darzustellen. Diese Erfindung ist anwendbar auf alle Laserkreisel, dreieckig oder quadratisch, ein- oder mehrachsig.

Laserkreisel umfassen im allgemeinen:

- einen optischen Block aus isolierendem Material mit geringem Ausdehnungs koeffizienten, in dem eine optische Strecke realisiert ist, die meistens dreieckig oder quadratisch ist und durch drei oder vier Spiegel begrenzt wird, wobei das Ganze einen optischen Resonator bildet;
- ein verstärkendes Medium, das in dem optischen Resonator zwei Lichtwellen erzeugt, die gegenläufig umlaufen, wobei die Interferenzen zwischen diesen beiden Wellen die Messung der Rotation des Laserkreisels um eine Achse erlauben, die senkrecht zur Ebene der optischen Strecke liegt;
- eine Überlagerungsvorrichtung der Lichtwellen zum Erzeugen von Interferenz streifen auf einem Satz von photoelektrischen Zellen, wobei der Durchlauf der genannten Streifen die Rotation des Laserkreisels darstellt und von den photoelektrischen Zellen in verwendbare elektrische Signale umgewandelt wird;
- Mittel für einen mechanischen Antrieb, die es gestatten, den optischen Block in bezug auf eine Auflage oder ein Gehäuse zum Schwingen zu bringen, das selbst auf einem beweglichen Teil befestigt ist, dessen Winkelgeschwindig keit man messen will, wobei die erzeugte Schwingung das Ziel hat, die bekannten Lock-in Effekte zwischen den beiden Lichtwellen zu vermeiden;
- Nachführmittel von der Länge des Resonators, die so angeordnet sind, daß die Resonanzfrequenz des optischen Resonators der entspricht, für die die Verstärkung des verstärkenden Lichtmediums maximal ist;
- ein Gehäuse.

Das verstärkende Medium besteht im allgemeinen aus einer elektrischen Entladung in einem Helium-Neon-Gasgemisch. Diese Entladung erzeugt ein Plasma, das selbst leuchtet und ein in etwa gleichmäßiges Licht um den optischen Block aussendet.

Die mechanische Schwingungsbewegung des optischen Blocks erzeugt eine Störung in der Messung der Winkelgeschwindigkeit des Laserkreisel; um eine hohe Genauigkeit zu erhalten, ist es daher notwendig, diese Störung zu kompensieren. Dazu gibt es schon verschiedene Filterverfahren. Eines dieser Verfahren besteht darin, von der Ausgangsinformation des Laserkreisels ein Signal abzuziehen, das proportional ist zur Winkelstellung des optischen Blocks in bezug auf sein Gehäuse.

Dafür benötigt man einen Positionsmeßgeber, der genau, empfindlich und zeitsta bil ist.

Es wurden Meßgeber mit Dehnungsmeßeinrichtungen oder piezoelektrischen Keramiken verwendet, aber sie weisen nicht die heutzutage geforderten Stabilitäts kennwerte auf.

Elektromagnetische Geschwindigkeitsmeßgeber wurden mit Erfolg verwendet, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie ein magnetisches Streufeld erzeugen und in der Temperatur kompensiert werden müssen. Ihr Herstellungspreis ist ziemlich hoch aufgrund des Preises der Magneten und der Sorgfalt, die bei der Herstellung der Spule erforderlich ist, wenn die Leistungen über der Temperatur stabil sein sollen.

Die vorliegende Erfindung bringt eine Lösung, die nur ganz einfache Mittel einsetzt und deren Genauigkeit nur von der Ausführung einer mechanischen Maske abhängt. Diese Lösung hat außerdem den Vorteil sehr wirtschaftlich zu sein.

Sie ist auf der Tatsache begründet, daß das Plasma des Lasers eine diffuse Lichtquelle ist, die eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke auf die Oberfläche der photoelektrischen Zellen geben kann, wie man sie üblicherweise verwendet, um das Ablesesystem der genannten Laserkreisel zu bilden. Indem eine auf den optischen Block angepaßte Maske vor den auf dem Gehäuse des Laserkreisels befestigten photoelektrischen Zellen angeordnet wird, kann man Veränderungen der Ausgangssignale der genannten Zellen erhalten, die abhängig sind von der Verschiebung des optischen Blocks in bezug auf das Gehäuse.

Die Erfindung betrifft einen optischen Positionsmeßgeber für Laserkreisel des obengenannten Typs, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Maske aufweist, die fest verbunden ist mit dem optischen Block und, daß er mindestens eine photoelektrische Zelle aufweist, vorzugsweise eine doppelte, die mit dem Gehäuse fest verbunden ist und die im Hinblick diese Maske so angeordnet ist, daß die genannte Maske für die genannte photoelektrische Zelle teilweise das Licht, das vom Plasma des Lasers ausgesandt und vom optischen Block zerstreut wird, abschirmt.

Ausführungen der Erfindung werden im folgenden mit Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Laserkreisel, an dem die Erfindung angewendet wird.

Fig. 2 eine Seitenansicht des optischen Blocks eines Laserkreisels, bestückt mit einem Positionsmeßgeber nach der Erfindung.

Fig. 3 eine Draufsicht auf den optischen Block des Laserkreisels eines Ausführungsbeispiels des optischen Positionsmeßgebers nach der Erfindung.

Fig. 4 eine Draufsicht auf den optischen Block des Laserkreisels einer ersten Variante des optischen Positionsmeßgebers der Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht durch den optischen Block des Laserkreisels einer zweiten Variante des optischen Positionsmeßgebers der Fig. 3 und

Fig. 6 eine Darstellung des Prinzips der digitalen Verarbeitung, die mit dem Geber nach der Erfindung gekoppelt werden kann.

Wie schon vorher erwähnt und so wie es Fig. 1 zeigt, umfaßt ein Laserkreisel im besonderen:

- einen optischen Block 1, aus einem isolierenden und heliumdichten Material, im allgemeinen eine glasartige Keramik des Typs "Zerodur", in das Kanäle 2 gebohrt sind, die auf den Aussparungen 13, 14 und 15 enden und abgeschlossen sind durch Spiegel 3, von denen mindestens einer beweglich ist und die mit den genannten Kanälen 2 eine optische Strecke bilden, im Falle von Fig. 1 ist dies eine dreieckige, die aber jede andere Form haben kann, wobei ein und derselbe optische Block mehrere optische Strecken enthalten kann. Solch eine optische Strecke bildet einen optischen Resonator.
- Spiegel 3, von denen mindestens einer in einer Richtung senkrecht zu seiner Ebene beweglich ist. Diese Spiegel bestehen im allgemeinen aus einem polierten Substrat, auf das ein Stapel von multi-dielektrischen Schichten aufgebracht ist, um den reflektierenden Teil des Spiegels zu bilden.
- ein Auskoppelsystem für die Informationen, das sich auf einem der Spiegel 3 befindet und mindestens ein Überlagerungsprisma 6 und eine Anzahl von photoelek trischen Zellen 7 umfaßt; wobei der genannte Spiegel teildurchlässig ist, d.h. er kann einen Teil des Lichts durchlassen.
- eine oder zwei Kathoden 4, die auf dem optischen Block 1 angebracht sind.
- eine oder zwei Anoden 5, die ebenfalls auf dem optischen Block 1 angebracht sind.

Diese Kathoden und Anoden bilden die Elektroden des Laserkreisels und sind mit den Kanälen 2 durch Anschlußkanäle 7 verbunden.

Der optische Block 1 ist mit einem Gasgemisch gefüllt, im allgemeinen auf der Basis von Helium und Neon. Ein elektrischer Strom, der zwischen den Elektroden fließt, regt dieses Gasgemisch an und erzeugt ein Plasma in den Anschluß kanälen 7 und den Kanälen 2 und in den zwei Aussparungen 13 und 14; dieses Plasma leuchtet selbst und durch Verstärken des Lichts wird der Lasereffekt erzeugt, nämlich zwei Lichtwellen, die gegenläufig im optischen Resonator umlaufen.

Dieser optische Block ist mittels eines Aktivierungsrades schwingend um eine Achse 8 montiert. Dieses Rad besteht z.B. aus einem äußeren Kranz 9, einer zentralen Nabe 10 und aus elastischen Speichen 11, auf die piezoelektrische Keramiken 12 aufgeklebt sind.

Fig. 2 zeigt als Seitenansicht das Prinzip des Sensors nach der Erfindung.

Dieser umfaßt:

- eine photoelektrische Zelle 16, vorzugsweise eine doppelte oder eventuell zwei getrennte Zellen; diese Zelle ist formschlüssig auf einem festen Teil 40 angeordnet und steht einer der Flächen 18 des optischen Blocks gegenüber und zwar vorzugsweise gegenüber einer der Hauptflächen, die senkrecht sind zur Achse des genannten optischen Blocks und zwar so, daß sie Licht empfängt, das vom Plasma des optischen Blocks ausgeht.
- eine Maske 17, die entweder aufgeklebt oder als Niederschlagsschicht erzeugt oder durch irgendwelche anderen Mittel auf der Fläche 18 des optischen Blocks befestigt ist, vor der sich die Zelle oder Zellen 16 befinden, so daß das Licht, das vom optischen Block ausgeht und auf die Zelle oder Zellen fällt, teilweise abgeschirmt wird.

In der weiteren Beschreibung wird zur Vereinfachung nur noch eine doppelte Zelle in Betracht gezogen, es ist jedoch klar, daß der Meßgeber mit zwei getrennten Zellen oder sogar mit einer einfachen Zelle funktionieren kann, sofern man nicht eine zu große Genauigkeit erwartet.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführung der Erfindung.

Die doppelte Zelle 16 hat zwei empfindliche, etwa rechteckige und vorzugsweise identische Oberflächen 19 und 20, die durch einen so schmal als möglich aus gebildeten Zwischenraum 21 getrennt sind. Sie ist vorzugsweise gegenüber einer der Ecken des optischen Blocks, an der sich eine der Aussparungen 13 oder 14 befindet, durch die das Plasma durchgeht, so angeordnet, daß der Zwischenraum 21 senkrecht ist zum Spiegel 3 und daß, wenn man ihn durch eine gedachte Linie 22 verlängert, diese nahe an der Achse 8 des Laserkreisels vorbeiläuft oder sie trifft. Die empfindlichen Oberflächen 19 und 20 liegen etwa parallel zur Seite 18.

Die Maske 17 hat eine rechteckige Form, deren größere Seite etwa parallel ist zum Zwischenraum 21. Ihre Länge ist vorzugsweise größer als die der empfindli chen Flächen 19 und 20. Ihre Breite ist etwa identisch mit der einer empfindli chen Fläche 19 oder 20. Wenn der Laserkreisel nicht aktiviert ist, dann ist die Maske so angeordnet, daß sie etwa die Hälfte jeder empfindlichen Fläche abdeckt.

Wenn der Laserkreisel aktiviert ist, erzeugt die Aktivierungsbewegung eine abwechselnde Verschiebung der Maske vor den empfindlichen Flächen 19 und 20, eine Verschiebung, die nahezu senkrecht ist zum Zwischenraum 21, so daß das Licht, das von der einen Fläche empfangen wird abnimmt, während das von der anderen empfangene Licht zunimmt und umgekehrt.

Das System ist umso linearer, desto näher die empfindlichen Flächen an der Maske liegen.

Eine leistungsfähigere Variante wird in Fig. 4 dargestellt und besteht darin, daß die Maske 17 durch die Maske 23 ersetzt wird, die aus einem großen Blatt lichtundurchlässigen Materials gebildet wird, das eine rechteckige Öffnung 24 aufweist, das in Form und Position der undurchsichtigen Maske 17 von Fig. 3. entspricht. Die Funktionsweise dieser Variante ist umgekehrt in bezug auf die Funktionsweise der vorherigen Variante.

Das Blatt aus lichtundurchlässigem Material kann natürlich ersetzt werden durch eine Niederschlagsschicht aus undurchsichtigem Material direkt auf dem optischen Block, diese Schicht kann durch zahlreiche Verfahrensweisen aufgebracht werden.

Eine dritte Version, die in Fig. 5 vorgestellt wird, gestattet es, das Verhält nis zwischen den Lichtveränderungen und dem Gesamtlicht, das von den Zellen empfangen wird, zu erhöhen. Sie besteht darin, eine Maske 25 zu verwenden, die ebenfalls aus einem lichtundurchlässigem Blatt oder durch eine Niederschlags schicht gebildet wird, jedoch mit einer Öffnung 26 in Form eines dünnen Spalts versehen ist, der in Beziehung zum Zwischenraum 21 geneigt ist. Die Gesamtlänge der Öffnung 26 ist vorzugsweise niedriger als die der empfindlichen Flächen. Sie ist so geneigt, daß ihr eines Ende 27 sich z.B. immer gegenüber einer der empfindlichen Flächen 19 befindet und, daß ihr anderes Ende 29 sich immergegen über der anderen empfindlichen Fläche 20 befindet.

In Ruhestellung ist der Spalt nahezu zentriert und steht ebenfalls jeder der empfindlichen Flächen 19 und 20 gegenüber.

Wenn der Laserkreisel aktiviert ist, wird das Licht, das von den empfindlichen Flächen empfangen wird, die von dem Spalt beleuchtet werden, verstärkt oder abgeschwächt in bezug auf den mittleren Wert des empfangenen Lichts und zwar etwas stärker als oben beschrieben.

Das System ist umso leistungsstärker, umso geringer der Winkel ist, der von dem Spalt 26 mit dem Zwischenraum 21 gebildet wird. Der Grenzwert hängt ab vom Gesamtausschlag des optischen Blocks, der die beiden Enden 27 und 28 des genannten Spalts gegenüber jeder empfindlichen Fläche beibehalten muß.

In Falle, daß die Linearität sich als ungenügend erweisen sollte aufgrund einer unregelmäßigen Beleuchtung des Spalts 26 durch das Plasma, kann dies behoben werden, indem dem genannten Spalt eine korrigierende Krümmung gegeben wird. Dies kann noch einfacher behoben werden, durch eine rechnerische Verarbeitung der Ausgangsinformationen.

Fig. 6 zeigt das rechnerische Verarbeitungsprinzip, das mit jeder beliebigen Variante des optischen Positionsmeßgebers der Erfindung gekoppelt werden kann.

Man findet dort einen Multiplex- oder zwei Wege-D/A Wandler 29, der die Signale empfängt, die von den empfindlichen Flächen 19 und 20 ausgehen. Dieser Wandler 29 liefert auf seinem Ausgang 32 die digitalisierten Informationen an einen Prozessor 33, der die Summe und die Differenz der Lichtstärken berechnet, die von den beiden Zellen empfangen werden. Er bringt dann anschließend die Differenz der Intensitäten mit Hilfe der Summe der genannten Intensitäten auf einen Pegel, der die Position des Laserkreisels darstellt. Die daraus resultierende Information wird auf den Ausgang 34 gesendet oder für andere Berechnungen verwandt.

Claims

1. Optischer Positionsmeßgeber für Laserkreisel enthaltend:

- einen optischen Block (1), der mindestens einen optischen Resonator hat, in dessen Innerem mittels eines verstärkenden Mediums zwei gegenläufige Laserwellen erzeugt werden,
- mindestens einem beweglichen Spiegel mit piezoelektrischem Motor,
- eine Überlagerungsvorrichtung der Lichtwellen,
- mechanische Antriebsmittel,
- ein äußeres Gehäuse.

dadurch gekennzeichnet, daß er eine Maske aufweist, die fest verbunden ist mit dem optischen Block und daß er mindestens eine photoelektrische Zelle, vorzugs weise eine doppelte aufweist, die formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden und gegenüber dieser Maske gegenüberliegend angeordnet ist, und daß die genannte Maske für die genannte photoelektrische Zelle Licht abschirmt, das vom Plasma des Lasers ausgeht und im optischen Block verteilt ist.

2. Optischer Positionsmeßgeber für Laserkreisel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrische Zelle (16) zwei empfindliche Flächen hat, (19 und 20), vorzugsweise rechteckige, die Rand an Rand an ihrer längsten Seite plaziert sind und durch einen schmalen Zwischenraum (21) getrennt sind und, daß die Maske (17) die Form eines Rechtecks hat, dessen größte Länge parallel ist zum Zwischenraum (21) und dessen kleinste Länge nahezu gleich ist der kleinsten Länge einer der empfindlichen Flächen (19, 20), wobei die größte Länge vorzugsweise größer ist als die größte Länge der genannten empfindlichen Flächen.

3. Optischer Positionsmeßgeber für Laserkreisel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Maske (23) aufweist, die großflächig die Oberfläche der photoelektrischen Zellen bedeckt und mit einer rechteckigen Öffnung (24) versehen ist, deren größte Länge parallel liegt zum Zwischenraum (21) und deren kleinste Länge nahezu gleich ist der kleinsten Länge einer der empfindlichen Flächen (19, 20), wobei die größte Länge der Öffnung vorzugsweise größer ist als die größte Länge der genannten empfindlichen Flächen.

4. Optischer Positionsmeßgeber für Laserkreisel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Maske (25) aufweist, die aus lichtundurch lässigem Material ausgeführt ist, vorzugsweise als Niederschlagschicht, wobei die genannte Maske mit einer Öffnung (26) in Form eines schmalen Spalts versehen ist, der in bezug auf den Zwischenraum (21) geneigt ist, wobei die Gesamtlänge der Öffnung (26) vorzugsweise geringer ist als die der empfindlichen Flächen, wobei der genannte Spalt so geneigt ist, daß eines seiner Enden (27) sich z.B. immer gegenüber der einen empfindlichen Fläche (19) befindet und daß das andere Ende (28) sich immer gegenüber der anderen empfindlichen Fläche (20) befindet.

5. Optischer Positionsmeßgeber für Laserkreisel gemäß einem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine rechnerische Verarbeitung die Differenz der Lichtstärken, die von den photoelektrischen Zellen empfangen werden, mittels der Summe der genannten Lichtstärken normiert wird.