JPH0482067B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔利用分野〕 本発明はリングレーザ角速度センサの読出しに
関するものである。

〔従来技術〕

リングレーザ角速度センサの例が、本願出願人
が所有する米国特許第3373650号および第3390606
号の各明細書に記載されている。それらのセンサ
は、複数の反射鏡を含む閉ループ光路に沿つて進
む一対の互いに逆向きに伝わるレーザビームを含
む。有用な情報を得るために、互いに逆向きに伝
わるレーザビームの低い割合の部分が１枚の反射
鏡を透過することを許される。光ビームはプリズ
ムを通される。それらのプリズムは光ビームを僅
かに異なる角度で組合わせることにより、フオト
ダイオードのような光検出器を２個含んでいる表
面上に光のしまパターンを形成する。各光検出器
は個々のしまよりはるかに小さい。読出された出
力信号の位相が直角であるように、光検出器は通
常はしまの間隔の４分の１だけ通常隔てられる。
リングレーザがそれの入力軸線を中心として回転
させられると、互いに逆向きに伝わるビームの周
波数がわずかに変化する。すなわち、一方のビー
ムの周波数が高くなり、他方のビームの周波数が
低くなる。ビーム周波数が異なることによりうな
り周波数が発生される。光検出器を横切るしまの
数をかぞえるために、光検出器の出力が論理回路
へ与えられる。各光検出器を通るしまの数はセン
サの各角度回転に直接関連する。２つの光検出器
の出力信号を比較してセンサの回転の向きを確か
める。

読出し装置のプリズム光学系は、干渉じまパタ
ーンを直接形成するビームの間の角度と、しまの
間隔を決定する。先行技術においては、プリズム
の光学系によりビームの間の角度は25弧秒
（arcsecond）台となり、１本だけのしまを発生
する。しまの間隔の幅より狭い感光面積を有する
２個の光検出器が使用される。それら２個の光検
出器はしまの間隔の約４分の１の幅だけ隔てられ
る。この構成を正確に達成するためには、しまパ
ターンを発生するビームの間の角度を小さな誤差
で保たなければならない。

〔発明の概要〕

リングレーザ角速度センサの干渉じまパターン
のインテンシテイすなわち強度をモニタするため
に２個の光検出器が配置される。各光検出器は、
複数の感光領域と非感光領域の１つの周期的パタ
ーンを部分的に形成する。光検出器の感光領域の
周期的なパターンは、パターンの周期性の方向に
平行なパターン軸線を有する。そのパターン軸線
は光のしまに対して所定の角度を成す。パターン
の軸線としまの間の角度は、センサの回転が存在
する時に、位相が互いに異なる光検出器強度出力
信号を発生するように選択される。本発明の読出
し装置により、パターンの軸線としまの間の角度
の誤差を大きくとることができ、それにより、誤
差が小さい時の光学装置の価格より極めて安価な
光学装置を使用できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。

第１図は、リングレーザ角速度センサ中の各レ
ーザビームの一部を組合わせることにより干渉じ
まパターンを発生する光学装置を示す。第１図
は、リングレーザ角速度センサの閉ループ光路を
部分的に定める反射面の１つのみを示す。センサ
ブロツクは米国特許第3390606号明細書に記載さ
れている種類のものである。

センサブロツク１０には反射鏡／読出しプリズ
ム１２が固定される。この反射鏡／読出しプリズ
ム１２は光を伝えるための基板１１０を含む。基
板１１０は第１の主表面１１１を含む。この第１
の主表面１１１は、それに入射するビーム１６の
大部分をビーム１５とは逆の向きに反射させるた
めの半透明鏡１４を構成するために、適切に研摩
されて、光学的に被覆される。同様に、ブロツク
１０の内部を互いに逆向きに伝わるレーザビーム
を得るように、反射鏡１４はビーム１５の大部分
をビーム１６の進む向きとは逆の向きに周知のや
り方で反射する。ビーム１５と１６の間の角度
は、選択した閉ループ光路、すなわち、三角形
（60度）、長方形（90度）、等に依存する。

基板１１０は、反射鏡の表面１８を得るために
適切に研磨および光学的に被覆された第２の表面
１１５含む。ビーム１６のうち半透明鏡１４を通
じて送られてきた部分を反射するように、反射鏡
１８は適切に設けられる。反射鏡１８の表面に入
射し、かつその表面から反射されるビームの角度
を選択するために、第２の表面１１５が第１の表
面１１１に対して選択された角度となるように、
基板１１０は構成される。入射ビームと反射ビー
ムの間の角度のことを「ビーム角度」と呼ぶこと
にする。

また、反射鏡１８から反射されたビームは、ビ
ーム１５のうちの半透明鏡１４を透過した部分に
対して小さい角度を成して進むように、半透明鏡
１４により反射される。その小さい角度は前記
「ビーム角度」にほぼ等しい。ビーム１５のうち
の半透明鏡１４を透過した部分と、ビーム１６の
二重に反射された部分は、透過面１１６上に干渉
じまパターンを形成するようにその透過面１１６
に到達する。

反射鏡１８の表面に入射したビームとその表面
から反射されたビームの間の「ビーム角度」は、
基板１１０の表面１１６における干渉じまパター
ンをほぼ決定する。ビーム角度が大きくなると、
表面１１６における干渉じまパターンのしまの間
隔が狭くなる。先行技術においては、入射ビーム
と反射ビームの間のビーム間隔は25弧秒のオーダ
ーであり、それによりしまの間隔が比較的広くな
る。本発明においては、ロツクインを避け、見分
けることができる複数の干渉じまを発生させるた
めに十分大きくするために、反射鏡１８から反射
されたビームをブロツク１０へビーム１６の向き
とは逆の向きに進むことを最少にするビーム角度
を有するこが望ましい。ビーム角度が１〜60弧分
（arc minute）のオーダーである時にその基準は
満される。20〜40弧分を選択することにより、光
検出器に対して比較的狭いスペース内に妥当な数
の干渉じまが得られる。これについては後で説明
する。

第１図には、第２の表面１１６を透過する干渉
じまパターンに応答するために、その第２の表面
１１６に結合される二重光検出器センサ２５も示
されている。ここで説明している実施例において
は、センサ２５は第２の表面１１６に固着されて
いるが、センサ２５は表面１１６から空間的に引
き離しておくことができ、しかも、表面１１６を
通じて送られる干渉じまパターンにいぜんとして
応答する。

本発明においては、各光検出器が標本化するし
まパターンの空間部分を選択する手段として、１
つのマスクパターンがセンサ２５の２個の光検出
器の前に置かれる。しまの動く向きを測定するた
めに、したがつて回転の向きを測定するために、
干渉じまパターンに対してマスクは傾斜させられ
る。この技術を用いることにより、２個の検出器
信号の位相差が得られ、それから回転の向きを決
定するためにその位相差が利用される。

第２図には、基板２００上に、たとえば長方形
感光領域を有する第１の光検出器２０１を含む二
重光検出器センサ２５が示されている。また、第
２図には、光検出器２０１の長方形感光領域に類
似する長方形感光領域を有する第２の光検出器２
２１も示されている。それらの光検出器２０１と
２２１は互いに電気的に分離され、ほぼ等しい感
光面積を有することが示されている。第２図に示
されているように、感光領域は互いに対称的に隣
接する。

それら２個の光検出器は、しまの周期すなわち
間隔λに公称上等しい周期的な繰返えし周期
「ｘ」を有する透明な領域２０および非透明な領
域２２より成る１つの周期的なマスクパターンに
より覆われる。そのマスクパターンは光検出器２
０１，２２１を十分に覆うためのものであつて、
それにより各光検出器は同じ周期的なパターンの
感光領域２０を有することになる。

周期的なマスクパターンには、パターンの周期
性の方向に平行なパターン軸線２６５が組合わさ
れる。本発明においては、周期的なマスクパター
ンのパターン軸線は、干渉じまパターンに対して
ある選択された角度にする。更に、パターンの軸
線の垂直で、各光検出器の感光領域を通る基準軸
線２６６が存在するように、光検出器２０１，２
２１が位置させられる。基準軸線は、光検出器の
向きとパターンを、干渉じまに対して幾何学的に
定めるために設定される。

第２図には、パターンの軸線に対して角度θ
で、干渉じまパターンの強度対変位の輪郭も示さ
れている。その輪郭は基板１０の表面１１６上に
おける強度（）対変位を示す。第２図には、周
期的なマスクパターンに入射した干渉じまパター
ンの最高輝度部分と、最低輝度部分と、半最高輝
度部分が例示的に示されている。それらの部分は
二重実線、（単一）実線および破線でそれぞれ示
されている。

簡単にするために、マスクの領域における全て
の空間的な輝度変化は、基板１１０の表面１１６
における出力ビームの間の干渉のみに基づくもの
であると仮定する、すなわち、個々の各ビームが
マスクの全面にわたつて一様な輝度分布を有する
ものと仮定する。たとえば、最高輝度輪郭（二重
実線）上の全ての点の輝度は等しく、最低輝度輪
郭（実線）上の全ての点の輝度の輪郭は等しい、
等である。また、光検出器２０１は、マスクの下
半分（検出器のスプリツト２１１の下側）の透明
な領域を通つて送られる全ての光の輝度を標本化
するとも仮定する。同様に、光検出器２２１は、
マスクの上半分の透明な領域を通つて送られる全
ての光輝度を標本化する。

本発明により、センサの回転により引き起され
るパターンの運動が存在する時に、２個の光検出
器出力信号の位相を直角にしようとするものであ
る。これを行うためには角度θは θ＝tan^-1（ｘ／2L） (1) でなければならない。ここに、Ｌは２個の光検出
器の全幅である。

第３図は、センサの回転が存在する時の光検出
器の直角位相出力信号を示すものである。光検出
器２０１で積分される全パワーはほぼ最大にさ
れ、検出器２２１において積分される全パワーは
ほぼ最大の半分であることに注意すべきである。
回転が存在する時の時間の関数として、光検出器
の出力信号が第３Ａ図および第３Ｂ図に示されて
いる。第３Ａ図はしまが右へ動く場合を示し、第
３Ｂ図はしまが左へ動く場合を示す。しまが右へ
動く場合には、光検出器２０１の出力は光検出器
２２１の出力より90度だけ遅れる（−90度の位相
差で示されている）。しまが左へ動く場合には、
光検出器２０１の出力は光検出器２２１の出力よ
り90度だけ進む（＋90度の位相差で示されてい
る）。したがつて、しまが動く向きは回転の向き
に関連する。

先に説明したように、簡単にするために、マス
クの拡がり全体にわたつてビームの輝度の輪郭が
一様であると仮定した。原理的には、この技術は
プラスマイナス180度の位相差範囲を達成するた
めに一般化できる。90度の位相差（または他の希
望する任意の位相差）は輝度分布に依存する。た
とえば、多くの実際的な場合には（ガウスビーム
輪郭を含む）、マスクの寸法と光検出器の寸法は
ビームのスポツトの寸法と比較して大きい。それ
らの場合には、しまパターンのエネルギーが光検
出器のスプリツト近くに集中されると（ビームが
光検出器のスプリツト上にビームが中心を置くと
仮定する）、位相差を90度にするためには角度θ
は一般に tan^-1（ｘ／2L） より大きくなければならない。

光検出器２０１，２２１の出力信号は、それの
干渉じまパターンにさらされる感光領域に入射す
る光の積分された強さを表す出力信号を発生する
ことを認めるべきである。それらの出力信号と接
続手段は第１図には示されていない。周期的なマ
スクパターンがない時は、光検出器２０１，２２
１の出力信号がほぼ等しい。しかし、マスクされ
た黒い線２０と２２が適切な位置にあると、２つ
の感光領域は、前記したように互いに位相が異な
る出力信号を生ずる。

第４図および第５図は、前記した目的の関数を
得るために光検出器２０１，２２１に使用できる
周期的なマスクパターンの別の例を示す。第４図
において、三角状にマスクされた不透明な領域が
参照番号２２２で示され、菱形の感光領域が参照
番号２２０′で示されている。同様に、第５図に
は不透明な領域２２２″と感光領域２２０″を含む
光検出器２０１，２２１の多少正弦波状の周期的
なマスクパターンを有する別の構成が示されてい
る。

第２図と同様に、第４図および第５図の周期的
なマスクパターンは光検出器の感光領域と干渉じ
まパターンの間に配置される。前と同様に、位相
外れの光検出器出力信号を得るために、パターン
の軸線は干渉じまに対して選択された角度をなさ
ねばならない。

第５図のパターンの下側に、第２図の光検出器
２０１，２２１を表す輝度対距離の輪郭２４０が
示されている。この輪郭は、不透明な領域と透明
な領域の周期的なマスクパターンの代りとして、
陰をつけられた部分２４１の周期的なパターンよ
り成る周期的なマスクパターンにより得ることが
できる。前と同様に、周期的なパターンのパター
ン軸線は、希望の位相外れ光検出器出力信号を得
るために、周期的パターンのパターン軸線は選択
された角度でなければならない。

本発明に従つて、光検出器の出力信号を、干渉
じまの周期的な動きの関数として周期的に変化さ
せる任意の周期的なマスクパターンは本発明の範
囲内にある。

互いに位相が異なる一対の信号は、リングレー
ザ角速度センサの読取り装置の電子装置が角度回
転速度と角度回転の向きを周知のやり方で決定す
るために十分である。

光検出器２０１，２２１と、意図する出力を有
する周期的なマスクパターンとを有する二重光検
出器センサ２５は、各種の技術で製造できること
を当業者は認識すべきである。第２図に示されて
いる例は、各光検出器の感光部が、マスクされて
いないすなわち選択された感光領域のみが入射光
に応答するようにさせる材料でマスクされている
例である。あるいは、得られる感光領域は各光検
出器のための感光部のたとえば曲りくねつたパタ
ーンとすることができる。更に、別の実施例は、
半導体中で相互に接続される複数の感光領域を含
む半導体で構成できる。

したがつて、意図する機能を低コストで得るこ
とができる二重光検出器センサ２５および反射
鏡／読出し反射器との多くの組合わせがある。す
なわち、二重光検出器センサ２５は、意図する信
号を得るために表面１１６へ接着などにより光学
的に接着できる集積回路で構成できる。一方、表
面１１６にマスクを設けるために表面１１６を光
学的に被覆でき、それからそのマスクの上に二重
センサを光学的に接着できる。

以上説明した組合わせは、容易に整列させるこ
とができ、かつ大きな許容誤差で、かつ大きな融
通性をもつて製作できる一体の反射鏡／読出し反
射器および二重光検出器装置についてのものであ
る。それらの要素を組合わせることにより、リン
グレーザ角速度センサを低価格で軽量のものを製
作できる。

第１図に示す線図は、三角形レーザに通常関連
するビーム角を示すものであるが、本発明の原理
は４つの辺、５つの辺などを含めて、３つの辺よ
り多いリングレーザ角速度センサにも応用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉じまパターンを発生するリングレ
ーザ読出し装置の線図、第２図は本発明の二重光
検出器読出しの線図、第３Ａ図および第３Ｂ図は
回転が存在する時の光検出器の出力信号のグラ
フ、第４図は周期的マスクパターンの一例の正面
図、第５図は周期的マスクパターンの別の例の正
面図である。 １０……センサブロツク、１２……反射鏡／読
出しプリズム、１４……半透明鏡、１８……反射
鏡、２０……透明な領域、２２……不透明な領
域、２５……二重光検出器センサ、１１０，２０
０……基板、２０１，２２１……光検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相互に逆向きに伝播して回転の速度と向きに
   依存した周波数変化を示すレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において： 前記ビームそれぞれの一部を光学的に組合わせ
   て干渉じまパターンを形成する手段と； 周期的パターンの感光領域を有し、前記干渉じ
   まパターンの入射した部分の光の強さを表す第１
   の出力信号を生じる第１の感光手段と； この第１の感光手段の周期的パターンとほぼ同
   等の周期的パターンの感光領域を有し、前記干渉
   じまパターンの入射した部分の光の強さを表す第
   ２の出力信号を生じる第２の感光手段とを備え； 前記周期的パターンの周期性の方向に平行な線
   であるパターン軸線が前記干渉じまパターンに対
   して次のように選択された角度をとる状態に、す
   なわち前記干渉じまパターンの移動する縞に応じ
   て前記第１および第２の出力信号の間に位相ずれ
   が生じるように選択された角度をとる状態に、前
   記第１および第２の感光手段が前記干渉じまパタ
   ーンに対して配置されている ことを特徴とするレーザ角速度センサの読出し装
   置。 ２ 相互に逆向きに伝播して回転の速度と向きに
   依存した周波数変化を示すレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において： 前記ビームそれぞれの一部を光学的に組合わせ
   て干渉じまパターンを形成する手段と； 入射する前記干渉じまパターンに応答する感光
   領域を有し、その入射する干渉じまパターンの第
   １および第２の部分それぞれの光の強さを表す第
   １および第２の出力信号を生じる第１および第２
   の感光手段と； 透明領域と不透明領域との周期的なマスクパタ
   ーンを有する単一のマスクであつて、前記周期的
   なマスクパターンを通して前記干渉じまパターン
   が前記第１および第２の感光手段に入射するよう
   に、前記第１および第２の感光手段に対して配置
   された単一のマスクとを備え； 前記マスクパターンの周期性の方向に平行な線
   であるパターン軸線が前記干渉じまに対して次の
   ように選択された角度をとる状態に、すなわち前
   記干渉じまパターンの移動する縞に応じて前記第
   １および第２の出力信号の間に位相ずれが生じる
   ように選択された角度をとる状態に、前記周期的
   なマスクパターンが前記干渉じまパターンに対し
   て配置されている ことを特徴とする速度センサの読出し装置。 ３ 時計回りおよび逆時計回りに相互に逆向きに
   伝播して回転速度に関連した周波数差を有するビ
   ームに応答するレーザ角速度センサの読出し装置
   において： 前記角速度センサの閉ループ光路からビームの
   一部を抜き出す手段と； 相互に逆向きに伝播するビームから抜き出され
   たビームを変位させてそれらのビームの一部を重
   ね合わせ、強い光の領域と弱い光の領域とが交番
   するアレイにより特徴づけられる縞の動きを有す
   るような第１の点状ビームを形成する手段と； 交互に透明および不透明でともに平行な細長い
   領域のアレイを有する単一のマスクとを備え； 前記マスクは、前記第１の点状ビームに関して
   それにほぼ垂直にかつその前記縞の動きを通過さ
   せるように配置され； 前記第１の点状ビームのしまの動きを横切る、
   強い光の領域と弱い光の領域とが交番するアレイ
   により特徴づけられるモアレ縞を持つ第２の点状
   ビームを形成するように、前記マスクの前記交互
   に透明および不透明に細長い領域のアレイは整列
   されており； さらに、前記第２の点状ビームを受け、前記第
   ２の点状ビームにおける強い光の領域と弱い光の
   領域とが交番するアレイにより特徴づけられるモ
   アレ縞を検出する手段を備える ことを特徴とするレーザ角速度センサの読出し装
   置。 ４ 相互に逆向きに伝播して回転の速度と向きに
   依存した周波数変化を示すレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において： 前記ビームそれぞれの一部を光学的に組合わせ
   て干渉じまパターンを形成する手段と； 入射する前記干渉じまパターンの少なくとも一
   部に応答する感光領域をそれぞれ有する第１およ
   び第２の感光手段と； 透明領域と不透明領域との周期的なマスクパタ
   ーンを有する単一のマスクであつて、前記周期的
   なマスクパターンを通して前記干渉じまパターン
   が前記第１および第２の感光手段に入射するよう
   に前記第１および第２の感光手段に対して配置さ
   れた単一のマスクとを備え； 前記マスクパターンの周期性の方向に平行な線
   であるパターン軸線が前記干渉じまに対して次の
   ように選択された角度をとる状態に、すなわち、
   前記縞の動きの向きに識別するために、前記干渉
   じまパターンの、前記第１および第２の感光手段
   に入射した部分の積分したパワーに、前記干渉じ
   まパターンの縞の動きに応じて十分な相違が生じ
   るように選択された角度をとる状態に、前記マス
   クパターンが前記干渉じまに対して配置されてい
   る ことを特徴とするレーザ角速度センサの読出し装
   置。 ５ 相互に逆向きに伝播して回転の速度と向きに
   依存した周波数変化を示すレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において： 前記ビームそれぞれの一部を光学的に組合わせ
   て干渉じまパターンを形成する手段と； 前記干渉じまパターンの入射する少なくとも一
   部に応答する感光領域を有し、その入射する干渉
   じまパターンの光の強さを表す第１および第２の
   出力信号を生じる第１および第２の感光手段と； 透明領域と不透明領域との周期的なマスクパタ
   ーンを有する単一のマスクであつて、前記周期的
   なマスクパターン通して前記干渉じまパターンが
   前記第１および第２の感光手段に入射するように
   前記第１および第２の感光手段に対して配置され
   た単一のマスクとを備え； 前記第１および第２の感光手段の配置は、前記
   干渉じまパターンに対する、前記周期的パターン
   の周期性の方向に平行な線であるパターン軸線の
   なす角度が、前記干渉じまパターンの移動する縞
   に応じて前記第１および第２の出力信号の間に位
   相ずれが生じるように、選択されているものであ
   る ことを特徴とするレーザ角速度センサの読出し装
   置。 ６ 相互に逆向きに伝播して回転の速度と向きに
   依存した周波数変化を示すレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において： 前記ビームそれぞれの一部を光学的に組合わせ
   て第１の干渉じまパターンを形成する手段と； 交互に透明および不透明なアレイを有する単一
   のマスクであつて、前記第１の干渉じまにほぼ垂
   直にかつその第１の干渉じまを通過させるように
   配置され、通過したその第１の干渉じまパターン
   から第２の干渉じまパターンが形成されるように
   選択された角度をもつて、前記交互に透明および
   不透明なアレイが前記第１の干渉じまパターンに
   対して整列されている単一のマスクとを備え； 前記選択された角度は、前記第１の干渉じまパ
   ターンの縞の動きの方向を横切つて動く、交番す
   る強い光の領域と弱い光の領域を、第２の干渉じ
   まパターンに持たせるようなものであり； さらに、前記第２の干渉じまパターンを受け、
   前記第２の干渉じまパターンの交番する強い光の
   領域と弱い光の領域の動きを検出する手段を備え
   る ことを特徴とする速度センサの読出し装置。