特許 5798639 原子線ジャイロスコープ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5798639

(24)【登録日】2015年8月28日

(45)【発行日】2015年10月21日

(54)【発明の名称】原子線ジャイロスコープ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/62 20060101AFI20151001BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20151001BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/62

   G01N21/27 Z

【請求項の数】20

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-552000(P2013-552000)

(86)(22)【出願日】2012年1月16日

(65)【公表番号】特表2014-525027(P2014-525027A)

(43)【公表日】2014年9月25日

(86)【国際出願番号】US2012021432

(87)【国際公開番号】WO2012106094

(87)【国際公開日】20120809

【審査請求日】2013年9月12日

(31)【優先権主張番号】13/017,660

(32)【優先日】2011年1月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591002810

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン ガイダンス アンド エレクトロニクス カンパニー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(72)【発明者】

【氏名】ブラトウィッツ，マイケル ディー．

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０００７３４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第４１５７４９５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２６６７８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００４６２１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３０９６６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５７−０２９９０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／６０ − １９／６２

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − ２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子線ジャイロスコープシステムであって、前記ジャイロスコープシステムは、
受感軸に直交する検出領域の長さに沿って、アルカリ金属原子を含む原子線を生成するように構成された原子線システムと、
検出レーザおよび光検出器を備える検出システムであって、前記検出レーザが、前記検出領域を照射する光学検出ビームを生成して、前記アルカリ金属原子を励起するように構成され、前記光検出器が、前記原子線中の前記アルカリ金属原子による前記光学検出ビームの光吸収を測定し、前記測定された光吸収に関連する強度信号を生成するように構成された検出システムと、
前記原子線ジャイロスコープシステムの前記受感軸を中心とした回転を、前記原子線中の前記アルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する前記強度信号の大きさに基づいて計算するように構成されたジャイロスコープセンサと、
を備える、ジャイロスコープシステム。

【請求項2】

前記原子線源が、前記検出レーザの波長を安定化するように構成されたドップラーフリー吸光分光光度計を備える、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項3】

前記ドップラーフリー吸光分光光度計が、
前記アルカリ金属原子を通って第１の光学プローブビームを生成するように構成された第１のプローブレーザと、
前記第１の光学プローブビームに対して同一直線上を反対方向に伝搬する光学ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザと、
前記アルカリ金属原子を通って第２の光学プローブビームを生成するように構成された第２のプローブレーザであって、前記第２の光学プローブビームが、前記第１の光学プローブビームに対して離間して平行であり、前記第１の光学プローブビームおよび前記第２の光学プローブビームが、同じ方向に伝搬する、第２のプローブレーザと、
前記第１の光学プローブビームおよび前記第２の光学プローブビームおよび前記光学ポンプビームの強度を測定するように構成された複数の光検出器であって、前記検出レーザの波長が、前記ドップラーフリー吸光分光光度計により、前記複数の光検出器により測定される前記第１の光学プローブビームおよび前記第２の光学プローブビームの強度における差分に基づいて安定化される、光検出器と、
を備える、請求項２に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項4】

前記原子線の公称軸から増加する磁場勾配を生成するように構成された磁場生成器をさらに備え、前記光学検出ビームが、前記光学検出ビームに対し非ゼロの軸方向の速度を有する前記原子線中の前記アルカリ金属原子による前記光学検出ビームの光子吸収確率を調整するように円偏光される、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項5】

前記検出レーザが、前記光学検出ビームに対する軸方向の速度がゼロである前記原子線中の前記アルカリ金属原子による光子の吸収確率ピークに対応して第２の波長から所定の量だけずらされる第１の波長で、前記光学検出ビームを生成するように調整される、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項6】

前記所定の量が、絶対値が最大である傾きを有する前記吸収確率ピークの一部分に対応する、請求項５に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項7】

前記強度信号の大きさと基準信号の大きさとの間の差分に基づく大きさを有するエラー信号を生成するように構成されたエラー信号生成器をさらに備え、前記エラー信号が、前記検出レーザを動的に調整して、前記吸収確率ピークから、前記所定の量に対応する吸収に前記光学検出ビームを維持するために実装される、請求項５に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項8】

前記ジャイロスコープセンサが、前記エラー信号の大きさに基づいて、前記受感軸を中心とした前記原子線ジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成された請求項７に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項9】

前記検出システムが、前記受感軸を中心とした前記原子線ジャイロスコープシステムの回転の検出から、前記原子線ジャイロスコープシステムの線形加速度を検出して除去するように構成された加速度計を備える、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項10】

前記原子線源が、第１の検出領域の長さに沿って第１の原子線を生成するように構成された第１の原子線源と、第２の検出領域の長さに沿って第２の原子線を生成するように構成された第２の原子線源とを備え、前記第１の原子線と前記第２の原子線とは、前記受感軸に直交し、互いに反対方向に伝搬する、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項11】

前記検出システムが、前記第１の原子線に関連する第１の検出システムであり、第１の光学検出ビームを生成する第１の検出レーザと、第１の強度信号を生成する第１の光検出器とを備え、前記システムが、第２の検出レーザと第２の光検出器とを備える第２の検出システムをさらに備え、前記第２の検出レーザが、前記第２の検出領域を照射して、前記第２の原子線の前記アルカリ金属原子を励起する第２の光学検出ビームを生成するように構成され、前記第２の光検出器が、前記第２の原子線中の前記アルカリ金属原子による前記第２の光学検出ビームの光吸収を測定し、前記測定された光吸収に関連する第２の強度信号を生成するように構成され、前記検出システムが、前記第１の強度信号および前記第２の強度信号の大きさに基づいて、前記原子線ジャイロスコープの線形加速度と、前記受感軸を中心とした前記原子線ジャイロスコープシステムの回転とを計算するように構成されている、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項12】

前記原子線源が、アルカリ金属蒸気ビームセル、２次元磁気光学トラップ、および３次元磁気光学トラップのうちの１つとして構成されている、請求項１に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項13】

受感軸を中心とした回転角を計算するための方法であって、前記方法は、
前記受感軸に直交する検出領域の長さに沿ってアルカリ金属原子を含む原子線を生成するステップと、
光学検出ビームを生成するステップであって、前記光学検出ビームは、前記光学検出ビームに対しゼロの軸方向の速度を有する前記原子線中の前記アルカリ金属原子による光子の吸収確率ピークに対応して第２の波長から所定の量だけずらされる第１の波長を有する、ステップと、
前記アルカリ金属原子を励起するために、前記検出領域を前記光学検出ビームにより照射するステップと、
前記原子線中の前記アルカリ金属原子による前記光学検出ビームの光吸収を測定するステップと、
前記測定される前記光学検出ビームの吸収に関連する強度信号を生成するステップと、
前記原子線中の前記アルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する前記強度信号の大きさに基づいて、前記受感軸を中心とした前記回転角を計算するステップと、
を備える、方法。

【請求項14】

前記原子線の公称軸から増加する磁場勾配を生成するステップと、
前記第２の光学プローブビームに対し非ゼロの軸方向の速度を有する前記原子線中の前記アルカリ金属原子による前記第２の光学検出ビームの光子吸収確率を調整するために、前記光学検出ビームを円偏光するステップと、
をさらに備える、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記原子線に沿って軸方向の線形加速度が与えるジャイロスコープ感度スケールを緩和するために、前記原子線の速度を制御するステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記原子線が第１の原子線であり、前記検出領域が第１の検出領域であり、前記光学検出ビームが第１の光学検出ビームであり、前記強度信号が第１の強度信号であり、前記方法は、
第２の検出領域の長さに沿って第２の原子線を生成するステップであって、前記第１の原子線と前記第２の原子線とは、前記受感軸に直交し、互いに反対方向に伝搬する、ステップと、
前記第１の波長を有する第２の光学検出ビームを生成するステップと、
前記第２の原子線の前記アルカリ金属原子を励起するために、前記第２の検出領域を前記第２の光学検出ビームを用いて照射するステップと、
前記第２の原子線中の前記アルカリ金属原子による前記第２の光学検出ビームの光吸収を測定するステップと、
前記測定される前記第２の光学検出ビームの吸収に関連する第２の強度信号を生成するステップと、
前記第１の強度信号および前記第２の強度信号に基づいて、線形加速度および前記受感軸を中心とした回転を計算するステップと、
をさらに備える、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

ドップラーフリー吸光分光光度計に基づいて、前記光学検出ビームの波長を、絶対値が最大である傾きを有する前記吸収確率ピークの一部分に対応する前記第１の波長に調整するステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

原子線ジャイロスコープシステムであって、前記ジャイロスコープシステムは、
第１の検出領域の長さに沿って第１の原子線を、第２の検出領域の長さに沿って第２の原子線を、それぞれ生成するように構成された原子線システムであって、前記第１の原子線および前記第２の原子線は、受感軸に直交し、互いに反対方向に伝搬する、原子線システムと、
第１の検出レーザ、第２の検出レーザ、第１の光検出器、および第２の光検出器を備える検出システムであって、前記第１の検出レーザが、アルカリ金属原子を励起するために、前記第１の検出領域を照射する第１の光学検出ビームを生成するように構成され、前記第２の検出レーザが、前記アルカリ金属原子を励起するために、前記第２の検出領域を照射する第２の光学検出ビームを生成するように構成され、第１の光検出器が、前記第１の検出領域を出る前記第１の光学検出ビームの強度を測定し、前記測定された強度に関連する第１の強度信号を生成するように構成され、第２の光検出器が、前記第２の検出領域を出る前記第２の光学検出ビームの強度を測定し、前記測定された強度に関連する第２の強度信号を生成するように構成されている、検出システムと、
前記受感軸を中心とした前記原子線ジャイロスコープシステムの回転および線形加速度を、前記原子線中の前記アルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する前記第１の強度信号および前記第２の強度信号の大きさに基づいて計算するように構成されたジャイロスコープセンサと、
を備える、ジャイロスコープシステム。

【請求項19】

前記第１の原子線および前記第２の原子線の公称軸から増加する磁場勾配を生成するように構成された磁場生成器であって、前記第１の光学検出ビームおよび前記第２の光学検出ビームが、前記第１の光学検出ビームおよび前記第２の光学検出ビームに対し非ゼロの軸方向の速度を有する前記第１の原子線および前記第２の原子線中の前記アルカリ金属原子による前記第１の光学検出ビームおよび前記第２の光学検出ビームの光子吸収確率を調整するように円偏光される、磁場生成器、をさらに備える、請求項１８に記載のジャイロスコープシステム。

【請求項20】

前記検出システムが、前記受感軸を中心とした前記原子線ジャイロスコープシステムの回転の検出から、前記原子線ジャイロスコープシステムの線形加速度を検出して除去するように構成された加速度計を備える、請求項１８に記載のジャイロスコープシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１月３１日出願の米国特許出願第１３／０１７，６６０号の出願の利益を主張し、同出願は、参照によりその全体を本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、概して、ジャイロスコープシステムに関し、具体的には、原子線ジャイロスコープに関する。

【背景技術】

【0003】

ジャイロスコープは、航空機および宇宙船の両方、またはいずれか一方のための航行システムおよび誘導システムの両方、またはいずれか一方などの種々のアプリケーションに実装され得る。ジャイロスコープの一種には、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープがあり、核磁気モーメントを有する１つまたは２つの同位体のラーモア歳差運動周波数または位相のシフトに基づいて、受感軸の周りの慣性角速度または角度を感知する原理に基づいて動作する。例として、ＮＭＲジャイロセルは、１つまたは２つ以上のルビジウムなどのアルカリ金属蒸気を、１つまたは２つの磁気回転同位体と共に含有し、この１つまたは２つの磁気回転同位体は、磁場に応答して歳差運動させられる。結果として、１つまたは２つの磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数および位相情報は、抽出されて、抽出されたラーモア歳差運動周波数および位相情報に基づいて、受感軸の周りの回転周波数が計算され得る。

【0004】

別の種類のジャイロスコープに、慣性センサとして使用され得る干渉計がある。例として、干渉計は、サニャック効果を用いて回転を検出する有限領域を囲繞する物質波伝播ビーム経路を含むことができる。物質波伝播ビーム経路は、２つのビームに分割された後に原子導波路により２つの反対に回転する経路の周囲に誘導される原子の単一のビームとして構成され得る。次いで、ビームは、干渉法のために再結合されて、回転速度を測定することができる。このように、干渉計は、航空機または宇宙船のためなど、航空電子機器で使用するための回転速度センサとして、同様に使用され得る。

【発明の概要】

【0005】

本発明の１つの実施形態は、原子線ジャイロスコープシステムを含む。本システムは、受感軸に直交する検出領域の長さに沿って、アルカリ金属原子を含む原子線を生成するように構成された原子線システムを含む。また、本システムは、検出レーザと光検出器とを備える検出システムも備える。検出レーザは、検出領域を照射する光学検出ビームを生成して、アルカリ金属原子を励起するように構成され得る。光検出器は、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームの光吸収を測定し、測定された光吸収に関連する強度信号を生成するように構成され得る。システムは、原子線ジャイロスコープシステムの受感軸を中心とした回転を、原子線中のアルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する強度信号の大きさに基づいて計算するように構成されたジャイロスコープセンサをさらに含む。

【0006】

本発明の別の実施形態は、受感軸の周りの回転角を計算するための方法を含む。本方法は、受感軸に直交する検出領域の長さに沿って、アルカリ金属原子を含む原子線を生成するステップと、光学検出ビームに対する軸方向の速度が実質的にゼロである原子線中のアルカリ金属原子による光子の吸収確率ピークに対応して第２の波長から所定の量だけずらされる第１の波長を有する光学検出ビームを生成するステップとを備える。また、本方法は、アルカリ金属原子を励起するために光学検出ビームを介して検出領域を照射するステップと、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームの光吸収を測定するステップとも備える。また、本方法は、測定される光学検出ビームの吸収に関連する強度信号を生成するステップと、原子線中のアルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する強度信号の大きさに基づいて、受感軸を中心とした回転角を計算するステップとも備える。

【0007】

本発明の別の実施形態は、原子線ジャイロスコープシステムを含む。本システムは、第１の検出領域の長さに沿って第１の原子線を生成し、第２の検出領域の長さに沿って第２の原子線を生成するように構成された原子線システムを備える。第１の原子線と第２の原子線とは、受感軸に直交し、互いに反対方向に伝搬するアルカリ金属原子を含む。また、本システムは、検出システムも備え、検出システムは、第１の検出レーザと、第２の検出レーザと、第１の光検出器と、第２の光検出器とを備える。第１の検出レーザは、第１の検出領域を照射する第１の光学検出ビームを生成して、アルカリ金属原子を励起するように構成され得る。第２の検出レーザは、第２の検出領域を照射する第２の光学検出ビームを生成して、アルカリ金属原子を励起するように構成され得る。第１の光検出器は、第１の検出領域を出る第１の光学検出ビームの強度を測定し、測定された強度に関連する第１の強度信号を生成するように構成され得る。第２の光検出器は、第２の検出領域を出る第２の光学検出ビームの強度を測定し、測定された強度に関連する第２の強度信号を生成するように構成され得る。また、本システムは、原子線ジャイロスコープシステムの受感軸を中心とした回転および線形加速度を、原子線中のアルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する第１および第２の強度信号の大きさに基づいて計算するように構成されたジャイロスコープセンサも備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステムを示す例である。

【図2】本発明の一態様によるドップラーフリー吸光分光光度計システムを示す例である。

【図3】本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステムを示す別の例である。

【図4】本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステムを示すさらに別の例である。

【図5】本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステムを示すさらなる別の例である。

【図6】本発明の一態様による三軸ジャイロスコープシステムを示す例である。

【図7】本発明の一態様による受感軸の周りの回転角を計算する方法を示す例である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明は、概して、ジャイロスコープシステムに関し、具体的には、原子線ジャイロスコープに関する。原子線ジャイロスコープシステムは、アルカリ金属原子を含む１つまたは２つの原子線を生成する原子線源を含むことができ、原子線源からアルカリ金属原子が、原子線ジャイロスコープシステムの受感軸に対して直交する方向に放出される。例として、原子線源は、アルカリ金属蒸気ビームセルとして、または、２次元または３次元磁気光学トラップとして構成され得る。また、原子線ジャイロスコープシステムは、少なくとも１つの検出レーザと、光検出器とを含む検出システムを備えてもよい。例として、検出レーザは、検出ビームを生成することができ、検出ビームが、円偏光され、原子線ジャイロスコープ受感軸および原子線の両方に直交する方向に伝搬する。磁場生成器は、原子線の公称軸から増加する磁場勾配を生成するように構成され得て、磁場勾配および円偏光された検出ビームが、ゼーマン効果に起因して検出ビームに対し非ゼロ速度を有するアルカリ金属原子による検出ビームの光子吸収確率を実質的に調整できるようにする。したがって、受感軸の周囲におけるジャイロスコープの回転により生じる原子線のドップラーシフト量は、光検出器により検出され得て、このように、ジャイロスコープシステムの回転が計算されるようにする。

【0010】

図１は、本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステム１０の略図の例を示す。例として、原子線ジャイロスコープシステム１０は、航空機および宇宙船の両方、またはいずれか一方を含む、航行または任意の様々な航空電子機器アプリケーションに実装され得る。原子線ジャイロスコープシステム１０は、吸収された光子のエネルギーと、アルカリ金属原子の角速度に起因するアルカリ金属原子のエネルギーとの間のドップラーシフトから生じ、測定された、原子線中のアルカリ金属原子の光学エネルギー吸収の変化に基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転角θ_Ｇを計算するように構成されている。

【0011】

原子線ジャイロスコープシステム１０は、原子線システム１２を含む。原子線システム１２は、平行アルカリ金属原子を含む原子線を生成するように構成された原子線源１４を含む。例として、アルカリ金属原子は、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ）であり得る。例えば、原子線源１４は、平行光（図示せず）の構成に基づいて２次元ＭＯＴもしくは３次元ＭＯＴなどの磁気光学トラップ（ＭＯＴ）として、または、アルカリ金属蒸気ビームセルとして構成され得る。

【0012】

例えば、原子線システム１２は、検出領域１６も備える。検出領域１６は、囲繞されたケーシングとして構成され得、ケーシングを通って原子線が向けられる。例えば、検出領域１６は、原子線が、原子線ジャイロスコープシステム１０の受感軸に対して直交して向けられるように配置され得る。したがって、原子線は、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転に応答して、検出領域１６に対する角速度を受ける。したがって、検出領域１６の大きさは、原子線の速度およびビーム光束に基づいて最適化される十分な長さおよび幅を有するように配置され得て、原子線を、検出領域１６の基端部における原子線源１４から、検出領域１６の遠位端部に位置する検出システム１８を通り過ぎて向けることができるようにする。

【0013】

検出システム１８は、少なくとも１つの検出レーザ２０と、対応する少なくとも１つの光検出器２２とを含む。例として、検出レーザ２０は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢｓ）または垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）などの任意の様々な種類のレーザとして構成され得る。このように、検出レーザ２０は、検出領域１６を光学検出ビームＯ_ＤＥＴで照射するよう構成されて、光学検出ビームＯ_ＤＥＴが、原子線および受感軸の両方に対して直交に配置されて、原子線のアルカリ金属原子を励起するようにする。結果として、光検出器２２は、図１の例にＯ_ＤＥＴ′として示される、検出領域１６を出る光学検出ビームの強度を測定するように構成され得て、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームの光子の吸収を判定する。図１の例では、光検出器２２は、検出領域１６を出る光学検出ビームＯ_ＤＥＴ′の強度に対応する強度信号ＩＮＴを生成するように構成されている。

【0014】

例として、検出レーザ２０は、受感軸の周りの原子線ジャイロスコープシステム１０の回転を検出するために最適化される特定の波長で光学検出ビームＯ_ＤＥＴを生成するように特に調整され得る。原子線システム１２は、ドップラーフリー吸光分光光度計２４を含むとして図１の例に示されている。ドップラーフリー吸光分光光度計２４は、検出レーザ２０を特定の安定な波長に調整するために実装されるレーザおよび光検出器の配列として構成され得る。図１の例では、ドップラーフリー吸光分光光度計２４は、信号ＴＵＮＥを検出レーザ２０に提供するとして示される。しかしながら、検出レーザ２０は、ドップラーフリー吸光分光光度計２４のレーザから光学的に分割されるとして構成されて、ドップラーフリー吸光分光光度計２４の光学ビームおよび光学検出ビームＯ_ＤＥＴが同じ光源から生成され得ることが理解されるべきである。

【0015】

図２は、本発明の一態様によるドップラーフリー吸光分光光度計システム５０の例を示す。ドップラーフリー吸光分光光度計システム５０は、図１の例におけるドップラーフリー吸光分光光度計システム２６に対応し得る。したがって、以下の図２の例の説明において、図１の例を参照する。

【0016】

ドップラーフリー吸光分光光度計システム５０は、原子リザーバ５２を含み、これは、平行になっていないアルカリ金属原子５４の集団を含む囲繞された領域として図２の例に示されている。例として、アルカリ金属原子５４は、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ）のうちの１つであり得る。このように、原子リザーバ５２は、図１の例における原子線源１４の一部分に対応し得る。例えば、原子リザーバ５２は、平行光により照射されていないＭＯＴの一部分に対応し得、また、アルカリ金属蒸気ビームセルのリザーバチャンバに対応し得る。したがって、アルカリ金属原子５４は、実質的にすべての方向にランダムに移動し得、このように、いまだ原子線ジャイロスコープシステム１０の原子線として方向づけられていない。

【0017】

また、ドップラーフリー吸光分光光度計システム５０は、ドップラーフリー吸光分光光度計５６も備える。ドップラーフリー吸光分光光度計５６は、第１のプローブレーザ５８と、第２のプローブレーザ６０と、ポンプレーザ６２とを含むとして示されている。第１のプローブレーザ５８は、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１を生成するように構成され、第２のプローブレーザ６０は、第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ２を生成するように構成され、ポンプレーザ６２は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰを生成するように構成されている。一式の光学系６４は、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１と、第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ２と、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰとを方向づけて、原子リザーバ５２を通すように構成されている。また、ドップラーフリー吸光分光光度計システム５０は、第１のプローブビーム光検出器６６と、第２のプローブビーム光検出器６８と、ポンプビーム光検出器７０とも備える。第１のプローブビーム光検出器６６は、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１の強度を監視するように構成され、第２のプローブビーム光検出器６８は、第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ２の強度を監視するように構成され、ポンプビーム光検出器７０は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰの強度を監視するように構成されている。

【0018】

図２の例では、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰに対して実質的に同一直線上を反対方向に伝搬するとして示されている。さらに、第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ２は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰに対して実質的に平行、かつ反対向きであり、原子リザーバ５２内の光学ポンプビームＯ_ＰＭＰから離間しているとして示されている。第１および第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１およびＯ_ＰＲＢ２は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰの強度の大きさ未満またはほぼ等しい強度の大きさを有し得る。例えば、第１および第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１およびＯ_ＰＲＢ２は、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰの強度の約１０％の強度を有し得る。図２の例では、第１および第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１およびＯ_ＰＲＢ２は、それぞれ、ビームＯ_{ＰＲＢ１′}およびＯ_{ＰＲＢ２′}として原子リザーバ５２から出て、第１および第２のプローブビーム光検出器６６および６８に提供される。同様に、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰは、ビームＯ_ＰＭＰ′として原子リザーバ５２から出て、ポンプビーム光検出器７０に提供される。

【0019】

このように、ドップラーフリー吸光分光光度計５６は、図１の例における検出レーザ２０を特定の安定な波長に調整するように構成されている。例として、原子リザーバ５２を出る第１および第２の光学プローブビームＯ_{ＰＲＢ１′}およびＯ_{ＰＲＢ２′}の両方とも、アルカリ金属原子５４に関連するドップラー幅で広がった吸収信号を提供し得る。しかしながら、第１の光学プローブビームＯ_{ＰＲＢ１′}はまた、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰに対して実質的に同一直線上を反対方向に伝搬することに基づいて、ドップラー幅で広がった吸収信号内で非線形飽和吸収分光信号を提供する。具体的には、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１よりも高い光強度を有する光学ポンプビームＯ_ＰＭＰに基づいて、光学ポンプビームＯ_ＰＭＰは、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１から光子を吸収可能な原子状態から、比較的多数のアルカリ金属原子５４を励起する。したがって、アルカリ金属原子５４が第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１の光子を吸収する波長では、第１の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１の光子の吸収は、第２の光学プローブビームＯ_ＰＲＢ２の光子の吸収に比べて低減する。

【0020】

結果として、プローブビーム光検出器６６および６８により測定される、原子リザーバ５２を出る第１および第２の光学プローブビームＯ_{ＰＲＢ１′}およびＯ_{ＰＲＢ２′}の強度の差は、アルカリ金属原子５４のドップラー幅効果を実質的に排除し得る。したがって、ドップラーフリー吸光分光光度計５６は、光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１およびＯ_ＰＲＢ２ならびに光学ポンプビームＯ_ＰＭＰに対して軸方向の速度が実質的にゼロであるアルカリ金属原子５４の吸収スペクトルのピークに関連するアルカリ金属原子５４の基本線幅周波数を検出できる。上述のように、アルカリ金属原子５４と、原子線中のアルカリ金属原子とを含むアルカリ金属原子の吸収スペクトルに関連するすべては、それぞれ、光学プローブビームＯ_ＰＲＢ１およびＯ_ＰＲＢ２ならびに光学ポンプビームＯ_ＰＭＰと、光学検出ビームＯ_ＤＥＴとを含むポンプ光に対する軸方向の速度が実質的にゼロであるアルカリ金属原子の吸収スペクトルに対するものである。

【0021】

したがって、アルカリ金属原子５４の基本線幅周波数は、実質的に温度に依存せず、時間とともにドリフトしないことから、検出レーザ２０は、ドップラーフリー吸光分光光度計５６により決定される波長に実質的にロックされ得る。例として、第１および第２のプローブレーザ５８および６０と、ポンプレーザ６２と、検出レーザ２０とは、すべて、同じ光源に関連し得る。このように、検出レーザ２０は、ドップラーフリー吸光分光光度計５６の動作に基づいて、第１および第２のプローブレーザ５８および６０ならびにポンプレーザ６２がロックされる同じ実質的に安定な波長に実質的にロックされ得る。例えば、検出レーザ２０は、吸収ピーク（すなわち、基本線幅周波数）それ自体に実質的にロックされ得る、または、ドップラーフリー吸光分光光度計５６の動作に基づいて、吸収ピークから所定の量だけ実質的にずらされる周波数にロックされ得る。例えば、第１および第２のプローブレーザ５８および６０、ポンプレーザ６２、および検出レーザ２０の波長は、すべて、軸方向の速度がゼロであるアルカリ金属原子５４の吸収スペクトル上における傾きの絶対値が最大である点に対応する波長に実質的にロックされ得る。

【0022】

図１の例に戻って参照すると、原子線ジャイロスコープシステム１０は、検出領域１６において磁場勾配Ｂ_Ｇを生成するように構成された磁場生成器２６も備える。磁場勾配Ｂ_Ｇは、原子線の軸に対して、軸から離れるにつれて増加する磁場強度を有し得る。このように、磁場勾配Ｂ_Ｇは、光学検出ビームＯ_ＤＥＴの特性と相まって、原子線の吸収パラメータを実質的に調整するように実装され得る。例として、光学検出ビームＯ_ＤＥＴは、検出レーザ２０から生成される、または偏光子（図示せず）の使用に基づくなどして、円偏光され得る。円偏光の向き（例えば、右回りまたは左回り）は、磁場勾配Ｂ_Ｇに対して選択されて、光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子と、原子線のアルカリ金属原子との間の相対エネルギーにおけるゼーマンシフトを利用することができる。したがって、磁場勾配Ｂ_Ｇおよび光学検出ビームＯ_ＤＥＴの円偏光は、ゼーマン効果に起因する原子線の公称経路からのアルカリ金属原子の軸外位置に応じて、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の吸収を実質的により多く、またはより少なくすることができる。結果として、強度信号ＩＮＴの大きさは、光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子に対するアルカリ金属原子のゼーマンシフトおよびドップラーシフトに基づいて、光学検出ビームＯ_ＤＥＴに対するアルカリ金属原子の軸方向の速度、ひいては軸方向の位置に対応する、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の相対的な吸収を示し得る。したがって、上述したように、アルカリ金属原子のゼーマンシフトおよびドップラーシフトは、軸方向の速度が実質的にゼロであるアルカリ金属原子の光学吸収スペクトル上の位置に調整された波長を有する光学検出ビームＯ_ＤＥＴと併用されて、アルカリ金属原子の原子線の公称ビーム経路からの非常にわずかなずれが、確実に、強度信号ＩＮＴの大きさを著しく変化させるようにする。

【0023】

また、原子線ジャイロスコープシステム１０は、ジャイロスコープセンサ２８をさらに備える。ジャイロスコープセンサ２８は、強度信号ＩＮＴの大きさに基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転の角速度と、ひいては原子線ジャイロスコープシステム１０の回転角θ_Ｇとを判定するように構成されたジャイロスコーププロセッサ３０を含む。例として、ジャイロスコーププロセッサ３０は、強度信号ＩＮＴの大きさと、光学検出ビームＯ_ＤＥＴに対する原子線のアルカリ金属原子の軸方向の位置、ひいては原子線の公称ビーム経路との間の相関を同定するようにプログラムされ得る。したがって、アルカリ金属原子が、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転に応答して、検出領域１６中において原子線の公称ビーム経路から外れるため、ジャイロスコーププロセッサ３０は、原子線の公称ビーム経路からのアルカリ金属原子の相対的な軸方向の位置に対応する強度信号ＩＮＴの変化に基づいて、ビーム経路中のアルカリ金属原子の角速度を判定し得る。その結果、ジャイロスコーププロセッサ３０は、判定された原子線中のアルカリ金属原子の角速度を、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転角θ_Ｇに変換し得る。

【0024】

図３は、本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステム１００の別の例を示す。原子線ジャイロスコープシステム１００は、図１の例における原子線ジャイロスコープ１０の一部分（例えば、原子線システム１２および検出システム１８）に対応し得る。したがって、以下の図３の例の説明において、図１の例における原子線ジャイロスコープシステム１０を参照する。

【0025】

原子線ジャイロスコープシステム１００は、原子線源１０２と検出領域１０４とを含む。原子線源１０２は、２次元ＭＯＴもしくは３次元ＭＯＴ、またはアルカリ金属蒸気ビームセルとして構成され得る。このように、原子線源１０２は、１０８の直交座標系で示される＋Ｚ軸方向に沿って、検出領域１０４内のビーム経路内に原子線１０６を生成する。このように、Ｘ軸（すなわち、図３の例における受感軸）の周りにおいて原子線ジャイロスコープシステム１００が実質的に回転していないときに、原子線１０６は、＋Ｙ軸方向にも−Ｙ軸方向にも実質的に速度成分がない状態で、Ｚ軸に沿って向けられる。原子線ジャイロスコープシステム１００、ひいては図１の例における原子線システム１０は、原子線１０６上の重力などの外力の効果を実質的に考慮に入れるように調整され得ることが理解されるべきである。加えて、受感軸は、ほぼ原子線源１０２の位置またはその近傍で、原子線ジャイロスコープシステム１００の位置を横断して、受感軸を中心とした両方向の回転に応答する原子線１０６中のアルカリ金属原子の角速度に、実質的に等しく影響を与え得ることもさらに理解されるべきである。

【0026】

また、原子線ジャイロスコープシステム１００は、検出レーザ１１０と光検出器１１２とも備える。検出レーザ１１０は、実質的に＋Ｙ方向に、ひいては１１４で示される原子線１０６の公称ビーム経路と、原子線ジャイロスコープシステム１００の受感軸との両方に直交して向けられる光学検出ビームＯ_ＤＥＴを生成するように構成されている。光学検出ビームＯ_ＤＥＴは、円偏光され得て、また、絶対値が最大であるピークの傾きなど、原子線１０６のアルカリ金属原子の光学吸収スペクトルのピークからずらされる波長に調整され得る。光検出器１１２は、検出領域１０４を出る光学検出ビームＯ_ＤＥＴ′の強度を測定するように構成されている。このように、光検出器１１２は、検出領域１０４を出る光学検出ビームＯ_ＤＥＴ′の強度に基づく大きさを有する強度信号ＩＮＴを生成し得る。したがって、強度信号ＩＮＴの大きさは、原子線１０６のアルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の吸収量に対応する。

【0027】

光検出器１１２による、検出領域１０４を出る光学検出ビームＯ_ＤＥＴ′の強度の測定は、原子線１０６のアルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の吸収を測定する一例にすぎないことが理解されるべきである。別の例として、図１の例における原子線ジャイロスコープシステム１０、ひいては図３の例における原子線ジャイロスコープシステム１００は、原子線１０６のアルカリ金属原子からの発光を測定する蛍光検出を実装し得る。例として、代わりに、原子線ジャイロスコープシステム１００は、少なくとも光検出器１１２を光学検出ビームＯ_ＤＥＴの経路の外に含むように構成されて、光検出器１１２が、光学検出ビームＯ_ＤＥＴにより励起された後、アルカリ金属原子から放射された光子を測定するように構成されるようにする。アルカリ金属原子から放出された光子が、アルカリ金属により吸収される光子に実質的に等しいことから、原子線ジャイロスコープシステム１００の蛍光検出構成における光検出器１１２は、同様に、原子線１０６のアルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の吸収を測定するように構成され得る。

【0028】

さらに、図３の例に示したように、磁場勾配Ｂ_Ｇを検出領域１０４に適用する。例として、磁場勾配Ｂ_Ｇは、図１の例における磁場生成器２６により生成され得る。磁場勾配Ｂ_Ｇは、原子線１０６の公称ビーム経路１１４に沿った強度がほぼゼロであり、公称ビーム経路１１４の軸から＋Ｙ軸方向または−Ｙ軸方向に離れるにつれて強度が増加するとして示される。また、磁場勾配Ｂ_Ｇは、＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向にも同様に増加可能であることが理解されるべきである。結果として、原子線１０６のアルカリ金属原子が、原子線１０６の公称ビーム経路１１４の軸から外れて離れるため、ゼーマン効果に基づいて、電子スピンが与える局所磁場と、磁場勾配Ｂ_Ｇの強度との間の相互作用に起因して、アルカリ金属原子のポテンシャルエネルギーは変化する。したがって、公称ビーム経路１１４の軸から外れて離れるアルカリ金属原子のポテンシャルエネルギーの変化は、公称ビーム経路１１４に対するアルカリ金属原子の軸方向の位置に基づいて、アルカリ金属原子による光学検出ビームＯ_ＤＥＴの光子の吸収に変化を結果として生じ得る。例えば、光学検出ビームＯ_ＤＥＴは、ある方向（例えば、右回りまたは左回り）に円偏光され得て、強度信号ＩＮＴの大きさにより示されるように、公称ビーム経路１１４に対する−Ｙ軸におけるアルカリ金属原子の光子吸収確率を実質的に増加し、また、公称ビーム経路１１４に対する＋Ｙ軸におけるアルカリ金属原子の光子吸収確率を実質的に減少する。磁場勾配Ｂ_Ｇは、光学検出ビームＯ_ＤＥＴの円偏光の向きに適切なように、正または負の勾配のいずれかであり得ることが理解されるべきである。

【0029】

さらに、上述のように、光学検出レーザ１１０は、絶対値が最大である公称ビーム経路１１４に沿ったアルカリ金属原子の吸収スペクトルの傾きに対応する波長で光学検出ビームＯ_ＤＥＴを生成するように調整され得る。例として、光学検出ビームＯ_ＤＥＴは、光学検出ビームＯ_ＤＥＴに対するアルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに基づいて、強度信号ＩＮＴの大きさにより示されるように、公称ビーム経路１１４に対する−Ｙ軸におけるアルカリ金属原子による光子吸収確率を実質的に増加し、また、公称ビーム経路１１４に対する＋Ｙ軸におけるアルカリ金属原子の光子吸収確率を実質的に減少する波長を有し得る。したがって、上述の磁場勾配Ｂ_Ｇに基づいてゼーマンシフト効果と組み合わせると、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１００の回転などに基づく、公称ビーム経路に対するアルカリ金属原子の位置の非常に小さなずれは、強度信号ＩＮＴの大きさに無視できないほど変化させ得る。この結果、図１の例におけるジャイロスコーププロセッサ３０は、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１００の回転角θ_Ｇを正確に計算し得る。

【0030】

図１の例に戻って参照すると、原子線システム１２および検出システム１８は、図３の例における原子線システム１００と実質的に同様に構成されて、原子線源１４が単一の原子線を生成し得る。このように、原子線ジャイロスコープシステム１０は、原子線の公称ビーム経路に対するアルカリ金属原子の運動に基づいて、受感軸の周りの回転角θ_Ｇを計算するように構成され得る。しかしながら、このような原子線の公称ビーム経路に対するアルカリ金属原子の運動は、原子線ジャイロスコープシステム１０の線形加速からも与えられる。このように、ジャイロスコーププロセッサ３０は、単に光学検出ビームＯ_ＤＥＴに対するアルカリ金属原子の軸方向の速度に基づくのでは、原子線ジャイロスコープシステム１０の回転と線形加速との間を区別することができない。

【0031】

図１の例では、ジャイロスコープセンサ２８は、原子線ジャイロスコープシステム１０の線形加速度の検出および計算の両方、またはいずれか一方を行うように構成された加速度計３２を含む。加速度計３２は、線形加速度情報をジャイロスコーププロセッサ３０に提供し得て、ジャイロスコーププロセッサ３０が、原子線ジャイロスコープシステム１０の線形加速度を、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転角θ_Ｇの計算から実質的に相殺できるようにする。したがって、ジャイロスコーププロセッサ３０は、強度信号ＩＮＴの大きさと、加速度計３２により測定される原子線ジャイロスコープ１０の線形加速度とに基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１０の回転角θ_Ｇを計算し得る。

【0032】

上述の図１および図３の例では、それぞれの原子線ジャイロスコープシステム１０および１００は、依然として、原子線１０６の伝搬方向（すなわち、Ｚ軸）に平行な線形加速度の効果の影響を受ける。具体的には、原子線１０６の向きに平行な線形加速度は、ジャイロスコープセンサ２８に対する原子線１０６の速度、ひいては受感軸を中心とした所定の回転速度において、原子線１０６の原子の線形な速度および変位を変化させ得る。結果として、原子線１０６の向きに沿って加速度に対するジャイロスコープスケールファクタ感度が生じ得る。このように、加速度計３２は、＋Ｚ軸や−Ｚ軸などの原子線１０６の方向における加速度を測定するように構成された加速度計を含み得る。この結果、測定された＋Ｚ軸または−Ｚ軸における加速度は、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１００の回転の計算から取り除かれる。

【0033】

代替的に、ジャイロスコープスケールファクタ感度は、原子線源１４などで原子線１０６の速度を制御することにより実質的に緩和され得る。例として、２つの反対向きに伝搬する適切に調節され円偏光された光学ビームは、原子線１０６の伝搬方向に対して平行に向けることができる。これらの２つの光学ビームの調整は、所望の原子線速度がこれらの光学ビームの極小吸収となるようにされ得る。このように、この速度よりも速くまたは遅く移動するあらゆる原子は、これらの２つの光学ビームの極小吸収に対応する速度に一致するまで、それらの速度を実質的に変える押す力を受ける。このことは、原子線ジャイロスコープシステム１０の回転速度の測定に使用された効果に似た、ドップラーシフト効果に起因して生じる。具体的には、対照速度よりも遅いまたは速い原子線１０６の原子は、２つの速度制御光学ビームに対してドップラーシフトされて、検出ビームから光子を吸収する確率を増加または減少させることができる。２つの光のビームの適切な調整は、これらの吸収確率における変化が原子の速度を変える合力を与え、対照速度により厳密に一致するようにすることを確保し得る。このように、対照速度は、原子線１０６の伝搬方向に平行な線形加速度に対する原子線速度感度を本質的に除去し得る。

【0034】

図４は、本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステム１５０のさらに別の例を示す。原子線ジャイロスコープシステム１５０は、二方向性原子線源１５２と、第１の検出領域１５４と、第２の検出領域１５６とを含む。例として、二方向性原子線源１５２は、２次元ＭＯＴとして構成され得る、または、２つの別々の３次元ＭＯＴもしくはアルカリ金属蒸気ビームセルとして構成され得る。したがって、二方向性原子線源１５２は、１６２の直交座標系で示されるように、−Ｚ軸方向に沿って第１の検出領域１５４内のビーム経路内に第１の原子線１５８を生成し、また、＋Ｚ軸方向に沿って第２の検出領域１５６内のビーム経路内に第２の原子線１６０を生成する。第１および第２の原子線１５８および１６０は、このように、互いに反対方向に向けられる。したがって、Ｘ軸（すなわち、図４の例における受感軸）の周りにおいて原子線ジャイロスコープシステム１５０が実質的に回転していないときに、第１および第２の原子線１５８および１６０は、＋Ｙ軸方向にも−Ｙ軸方向にも実質的に速度成分がない状態で、それぞれ−Ｚ軸および＋Ｚ軸に沿って向けられる。

【0035】

また、原子線ジャイロスコープシステム１５０は、第１の検出レーザ１６４と、第２の検出レーザ１６６と、第１の光検出器１６８と、第２の光検出器１７０とも備える。第１の検出レーザ１６４は、第１の検出領域１５４において第１の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１を生成するように構成され、また、第２の検出レーザ１６６は、第２の検出領域１５４において第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ２を生成するように構成されている。第１および第２の検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２のそれぞれは、実質的に＋Ｙ方向に、ひいては第１および第２の原子線１５８および１６０の公称ビーム経路と、原子線ジャイロスコープシステム１５０の受感軸とに直交して向けられる。第１および第２の検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２は、同じ方向に向けられる必要はないが、反対方向に向けられ得ることが理解されるべきである。図３の例に関して上述したのと同様に、磁場勾配Ｂ_Ｇは、第１および第２の検出領域１５４および１５６に適用され得て、また、第１および第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２は、それぞれ円偏光され得る。さらに、第１および第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２は、絶対値が最大であるピークの傾きなど、原子線１５８および１６０のアルカリ金属原子の光学吸収スペクトルのピークからずらされる波長に調整され得る。

【0036】

第１および第２の光検出器１６８および１７０はそれぞれ、それぞれの検出領域１５４および１５６を出るそれぞれの第１および第２の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ１′}およびＯ_{ＤＥＴ２′}の強度を測定するように構成されている。このように、第１の光検出器１６８は、第１の検出領域１５４を出る第１の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ１′}の強度に基づく大きさを有する強度信号ＩＮＴ＿１を生成し得て、また、第２の光検出器１７０は、第２の検出領域１５６を出る第２の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ２′}の強度に基づく大きさを有する強度信号ＩＮＴ＿２を生成し得る。したがって、強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の大きさは、それぞれの原子線１５８および１６０のアルカリ金属原子による第１および第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２の光子の吸収量に対応する。図４の例では、第１および第２の強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２はそれぞれ、ジャイロスコープセンサ１７２に提供される。

【0037】

原子線ジャイロスコープシステム１５０の構成に基づいて、第１および第２の強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２のそれぞれは、互いに対して別々に独立に、それぞれの第１および第２の原子線１５８および１６０におけるアルカリ金属原子の運動と関連づけられ得る。結果として、ジャイロスコープセンサ１７２は、第１および第２の強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の大きさの間の差分に基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１５０の回転と、原子線ジャイロスコープシステム１５０の線形加速度との両方を判定するように構成され得る。例として、受感軸（すなわち、二方向性原子線源１５２の中央に位置する）を中心とした時計回りの回転は、第１の原子線１５８中のアルカリ金属原子の軸方向の速度を−Ｙ方向にし、また、第２の原子線１６０中のアルカリ金属原子の軸方向の速度を＋Ｙ方向にし得る。受感軸を中心とした反時計回りの回転は、第１の原子線１５８中のアルカリ金属原子の軸方向の速度を＋Ｙ方向にし、また、第２の原子線１６０中のアルカリ金属原子の軸方向の速度を−Ｙ方向にし得る。しかしながら、原子線ジャイロスコープシステム１５０の＋Ｙ方向の線形加速度は、第１および第２の原子線１５８および１６０の両方のアルカリ金属原子の軸方向の速度を−Ｙ方向にし、また、−Ｙ方向の線形加速度は、＋Ｙ方向にし得る。

【0038】

したがって、図１の例におけるジャイロスコーププロセッサ３０は、第１および第２の強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の相対的な大きさに基づいて、受感軸を中心とした線形加速度と回転との両方を判定するように構成され得る。具体的には、ジャイロスコーププロセッサ３０は、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム１５０の回転角θ_Ｇの計算から、Ｙ軸における線形加速度を取り除くように構成され得る。したがって、加速度計は、Ｙ軸における線形加速度の測定に関して、図４の例におけるジャイロスコープセンサ１７２から省略し得る。しかしながら、Ｚ軸における線形加速度は、原子線１５８および１６０のうちの一方における速度を増加させ、また、原子線１５８および１６０のうちの他方における速度を実質的に等しく減少させ得て、原子線ジャイロスコープシステム１５０がジャイロスコープスケールファクタ感度に依存し得るようにする。したがって、図３の例に関して上述したのと同様に、原子線ジャイロスコープシステム１５０は、加速度計を含み得て、または、原子線１５８および１６０の速度制御を実装し得て、Ｚ軸における線形加速度が与えるジャイロスコープスケールファクタ感度を実質的に緩和する。

【0039】

さらに、図３および図４の例における原子線ジャイロスコープシステム１００および１５０が、各検出領域に対して一組の光学検出ビームと光検出器との組を含むと同時に、原子線ジャイロスコープシステム１００および１５０は、冗長化のため、または、異なる受感軸を中心とした回転の計算のためなど、さらなる複数組の光学検出ビームと光検出器との組を含み得ることが理解されるべきである。例えば、図３および図４の例では、それぞれの検出領域の各々は、Ｙ軸を中心としたそれぞれの原子線ジャイロスコープシステム１００および１５０の回転をさらに計算するなど、＋Ｘ方向または−Ｘ方向におけるアルカリ金属原子を励起するように構成された一組の光学検出ビームおよび光検出器の組を含み得る。

【0040】

図５は、本発明の一態様による原子線ジャイロスコープシステム２００のさらなる別の例を示す。原子線ジャイロスコープシステム２００は、二方向性原子線源２０２と、第１の検出領域２０４と、第２の検出領域２０６とを含む。例として、二方向性原子線源２０２は、２次元ＭＯＴとして構成され得る、または、２つの別々の３次元ＭＯＴもしくはアルカリ金属蒸気ビームセルとして構成され得る。したがって、二方向性原子線源２０２は、図４の例において１６２の直交座標系を参照して上述したのと同様に、−Ｚ軸方向に沿って第１の検出領域２０４内のビーム経路内に第１の原子線２０８を生成し、また、＋Ｚ軸方向に沿って第２の検出領域２０６内のビーム経路内に第２の原子線２１０を生成する。このように、第１および第２の原子線２０８および２１０は、図４の例に関して上述したのと同様に、互いに反対方向に向けられる。

【0041】

また、原子線ジャイロスコープシステム２００は、第１の検出レーザ２１４と、第２の検出レーザ２１６と、第１の光検出器２１８と、第２の光検出器２２０とも備える。図４の例に関して上述したのと同様に、第１の検出レーザ２１４は、第１の検出領域２０４において第１の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１を生成するように構成され、また、第２の検出レーザ２１６は、第２の検出領域２０４において第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ２を生成するように構成されている。このように、それぞれの検出領域２０４および２０６を出るそれぞれの第１および第２の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ１′}およびＯ_{ＤＥＴ２′}の強度は、第１および第２の光検出器２１８および２２０を介して測定され得る。このように、第１の光検出器２１８は、第１の検出領域２０４を出る第１の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ１′}の強度に基づく大きさを有する強度信号ＩＮＴ＿１を生成し得て、また、第２の光検出器１７０は、第２の検出領域２０６を出る第２の光学検出ビームＯ_{ＤＥＴ２′}の強度に基づく大きさを有する強度信号ＩＮＴ＿２を生成し得る。したがって、強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の大きさは、それぞれの原子線２０８および２１０のアルカリ金属原子による第１および第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２の光子の吸収量に対応する。

【0042】

上述のように、第１および第２の光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２は、吸収スペクトル上における傾きの絶対値が最大である点に対応する波長に調整され得る。このように、アルカリ原子の速度が、光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２に対して＋軸方向または−軸方向において増加するために、吸収スペクトルに沿った線形性を欠くのに基づいて、原子線２０８および２１０による光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２の光子の吸収は、動作範囲が限定され得る。したがって、原子線ジャイロスコープシステム２００は、基準信号ＩＮＴ＿ＲＥＦに対する強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の大きさを監視するように構成された第１のエラー生成器２２２と第２のエラー生成器２２４とを含む。例として、基準信号ＩＮＴ＿ＲＥＦは、吸収スペクトル上における傾きの絶対値が最大である点の吸収強度に対応する大きさを有し得る。このように、第１および第２のエラー生成器２２２および２２４は、光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２に対する＋軸方向または−軸方向の速度の増加から与えられるなど、基準信号ＩＮＴ＿ＲＥＦと強度信号ＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２との間の差分に対応するそれぞれのエラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２を生成し得る。このように、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２の大きさは、基準信号ＩＮＴ＿ＲＥＦに対するＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の強度変化によって引き起こされる吸収スペクトルに沿った周波数オフセットとともに線形に変化し得る。

【0043】

エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２は、それぞれの第１および第２の検出レーザ２１４および２１６の各々に提供されて、第１および第２の検出レーザ２１４および２１６を動的に調整する。具体的には、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２は、吸収スペクトルに沿った周波数オフセットとともに線形に変化する大きさを有するため、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２は、それぞれの第１および第２の検出レーザ２１４および２１６を吸収スペクトル上における傾きの絶対値が最大である点に対応する周波数に調整し得る。したがって、原子線２０８および２１０による光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２の光子の吸収は、吸収スペクトル上における傾きの絶対値が最大である点に実質的に固定される光学検出ビームＯ_ＤＥＴ１およびＯ_ＤＥＴ２の周波数に基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム２００の回転の最中であっても、実質的に最大の動作範囲を有し得る。第１および第２の検出レーザ２１４および２１６の調整は、実質的に固定周波数を有する検出レーザ２１４および２１６の例では、それぞれの音響光学変調器などの周波数シフト装置に提供されるエラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２に基づき得ることが理解されるべきである。

【0044】

さらに、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２は、ジャイロスコープセンサ２２６にも提供され、これは、図１の例におけるジャイロスコープセンサ３０に対応し得る。このように、ジャイロスコープセンサ２２６は、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２の大きさに基づいて、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム２００の回転を測定し得る。上述のように、エラー信号ＥＲＲ＿１およびＥＲＲ＿２の大きさは、基準信号ＩＮＴ＿ＲＥＦに対するＩＮＴ＿１およびＩＮＴ＿２の強度変化によって引き起こされる吸収スペクトルに沿った周波数オフセットとともに線形に変化し得る。結果として、感度および線形性を実質的に最大化した状態で、受感軸を中心とした原子線ジャイロスコープシステム２００の回転の測定が実行され得る。したがって、原子線ジャイロスコープシステム２００は、受感軸を中心とした回転を高精度で測定し得る。受感軸を中心とした回転を計算するために、第１および第２のエラー生成器２２２および２２４を含むことは、原子線ジャイロスコープシステム２００などの２つの原子線システムに限定されるものではなく、図３の例における原子線ジャイロスコープシステム１００などの単一の原子線ジャイロスコープシステムもまた含み得ることが理解されるべきである。

【0045】

図６は、本発明の一態様による三軸ジャイロスコープシステム２５０の例を示す。例として、三軸ジャイロスコープシステム２５０は、航空機および／または宇宙船ようの種々のナビゲーション制御システム、またはヨー、ピッチおよびロール回転運動情報をモニタリングするデバイスに実装され得る。

【0046】

三軸ジャイロスコープシステム２５０は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２と、Ｙ軸ジャイロスコープシステム２５４と、Ｚ軸ジャイロスコープシステム２５６とを含む。例として、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２とＹ軸ジャイロスコープシステム２５４とＺ軸ジャイロスコープシステム２５６とは、それぞれ、図１の例における原子線ジャイロスコープシステム１０に実質的に類似するように構成され得る。図６の例において、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２はＸ軸の周りに受感軸を有し得、Ｙ軸ジャイロスコープシステム２５４はＹ軸の周りに受感軸を有し得、Ｚ軸ジャイロスコープシステム２５６はＺ軸の周りに受感軸を有し得る。原子線ジャイロスコープシステム２５２、２５４、および２５６のそれぞれの回転軸は、デカルト座標系２５８によって図６の例に示される。このように、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２とＹ軸ジャイロスコープシステム２５４とＺ軸ジャイロスコープシステム２５６とは、それぞれ、吸収された光子のエネルギーと、アルカリ金属原子の角速度に起因するアルカリ金属原子のエネルギーとの間のドップラーシフトから生じ、測定された、原子線中のアルカリ金属原子の光学エネルギー吸収の変化に基づいて、それぞれの受感軸を中心とした回転角を計算するように構成され得る。従って、三軸ジャイロスコープシステム２５０は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２と、Ｙ軸ジャイロスコープシステム２５４と、Ｚ軸ジャイロスコープシステム２５６によって示される３つすべての受感軸を中心とした回転角を測定し得る。

【0047】

図６の例において、Ｘ軸ジャイロスコープシステム２５２と、Ｙ軸ジャイロスコープシステム２５４と、Ｚ軸ジャイロスコープシステム２５６とはそれぞれ、信号を出力するように示され、これらの信号は、運動センサ２６０に対するそれぞれの回転角θ_Ｇ＿Ｘ、θ_Ｇ＿Ｙおよびθ_Ｇ＿Ｚを含む。このように、運動センサ２６０は、三軸ジャイロスコープシステム２５０を含む関連する車両またはデバイスの合計三軸回転運動を判定するように構成され得る。したがって、三軸ジャイロスコープシステム２５０を含む関連する車両またはデバイスのヨー、ピッチおよびロールが判定され得る。したがって、運動センサ２６０は、三軸ジャイロスコープシステム２５０を含む関連する車両またはデバイスの三軸回転運動を表示、出力、または報告を行うか、あるいはこれらの組み合わせを行うように構成され得る。

【0048】

上記された前述の構造的特徴および機能的特徴に関連して、本発明の様々な態様による方法論は、図７を参照することによりよく認識される。説明の簡略化のために、図７の方法論は逐次的に実行するように示され、記載されているが、本発明によれば、一部の態様が本明細書に示され記載されるものとは別の順序で、またはその他の態様と同時に、またはこれらの組み合わせでおこるため、本発明が示される順序に限定されないことが理解され、認識されるべきである。さらに、示される特徴のすべてが、本発明の態様による方法論を実装するように必要とされ得るわけではない。

【0049】

図７は、受感軸を中心とした回転角を計算する方法３００の例を示す。３０２において、アルカリ金属原子を含む原子線は、受感軸に直交する検出領域の長さに沿って生成される。アルカリ金属原子は、ルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）であり得る。原子線は、２次元ＭＯＴもしくは３次元ＭＯＴ、またはアルカリ金属蒸気ビームセルなどの様々な異なる種類の原子線源により生成され得る。３０４において、光学検出ビームが生成され、これは、光学検出ビームに対する軸方向の速度が実質的にゼロである原子線中のアルカリ金属原子による光子の吸収確率ピークに対応して第２の波長から所定の量だけずらされる第１の波長を有する。光学検出ビームは、ドップラーフリー吸光分光光度計に基づく波長にロックされる検出レーザから生成され得る。検出レーザは、ドップラーフリー吸光分光光度計から光学的に分割され得る。

【0050】

３０６において、検出領域は、光学検出ビームを用いて照射されて、アルカリ金属原子を励起する。光学検出ビームは、受感軸および原子線の公称ビーム経路の両方に対して直交の向きに、検出領域を通過し得る。３０８において、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームの光吸収を測定される。光吸収は、検出領域を出る光学検出ビームの強度の測定に基づいて、または、アルカリ金属原子から放出される光子の蛍光を測定することにより、測定され得る。光吸収は、公称ビーム経路からずれるアルカリ金属原子に対する光学検出ビームの光子のドップラーシフトに基づくだけでなく、磁場勾配および光学検出ビームの円偏光が引き起こすゼーマンシフトにも基づき得る。

【0051】

３１０において、測定される光学検出ビームの吸収に関連する強度信号が生成される。強度信号は、検出領域を出る光学検出ビームの強度に関連する大きさを有することができ、このように、原子線中のアルカリ金属原子による光学検出ビームの光子の吸収を示す。強度信号は、反対方向に向けられる２つの原子線のための、２つの別々の光学検出ビームからの１つまたは２つの強度信号であり得る。このように、２つの強度信号は、実装されて、原子線ジャイロスコープシステムの線形加速度を判定し、取り除くことができる。３１２において、原子線中のアルカリ金属原子のエネルギーのドップラーシフトに起因する強度信号の大きさに基づいて、受感軸を中心とした回転角が計算される。ドップラーシフトは、受感軸を中心としたジャイロスコープシステムの回転が引き起こす、光学検出ビームに対するアルカリ金属原子の軸方向の速度が得られ得る。

【0052】

本発明の例を説明してきた。当然ながら、本発明を記載する目的のために、構成要素または方法論の考え得るすべての組み合わせを記載することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれるすべてのこのような代替物、修正物および変化形を含むことを意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】