Die
Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.The
The invention relates to an optical spectrometer according to the preamble
of claim 1
Es
sind derzeit eine Vielzahl optischer Aufnehmer bekannt, durch die
verschiedene physikalische Größen erfasst
werden können.
Derartige optische Aufnehmer sind sehr kostengünstig in der Herstellung und
liefern Lichtwellensignale, die der erfassten physikalischen Größe proportional
sind. Zur Auswertung und Anzeige derartiger optischer Signale werden
optische Spektrometer eingesetzt, durch die die Lichtwellensignale
in weiterzuverarbeitende elektrische Signale umgewandelt werden.It
At present, a variety of optical pickups are known by the
recorded different physical quantities
can be.
Such optical pickups are very inexpensive to manufacture and
provide lightwave signals proportional to the detected physical quantity
are. For the evaluation and display of such optical signals
optical spectrometer used by the lightwave signals
be converted into weiterzuverarbeitende electrical signals.
So
sind aus einer am 29.06.2005 beim Deutschen Patent- und Markenamt
unter dem Aktenzeichen 10 2005 030 751.5 eingereichten Patentanmeldung
ein optischer Dehnungsmessstreifen aus Lichtwellenleitern mit sogenannten
Bragg-Gittern bekannt, deren Wellenlängenänderungen proportional der
Längsdehnung
des Lichtwellenleiterabschnitts mit den Bragg-Gittern ist. Werden
derartige Bragg-Gitterabschnitte
auf Verformungskörpern
appliziert, so sind damit Dehnungen, Kräfte oder auch Temperaturen
erfassbar. Dabei werden die von den Bragg-Gittern reflektierten
Lichtstrahlen meist über Lichtleitfasern
einem optischen Spektrometer zugeführt, das die reflektierten
Lichtstrahlen mittels eines hochauflösenden schmalbandigen Fabry-Perot-Filters und einem
optoelektrischen Wandler empfängt und
in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit Hilfe der bekannten Filterkennline
des hochauflösenden Fabry-Perot-Filters
kann in einer Auswerteschaltung mit einer Photodiode als optoelektrischem
Wandler aus der Intensität
des Messsignals die zugehörige Wellenlänge λB des
reflektierten Lichtstrahls ermittelt werden. Diese wird im Belastungsfall
von einer Auswerteschaltung mit einer Referenzwellenlänge ins Verhältnis gesetzt
und deren Änderung
als Kraft oder Dehnung angezeigt oder in einer Rechenschaltung weiterverarbeitet.
Da derartige hochauflösende
Fabry-Perot-Filter in der Herstellung sehr aufwändig sind, werden damit ausgestattete
optische Spektrometer meist nur für hochwertige Messaufgaben
verwendet. Des weiteren sind derartige Fabry-Perot-Filter und die
nachfolgenden optischen Wandlerelemente stark alterungs- und temperaturabhängig, so dass
diese optischen Spektrometer bei einer geforderten verhältnismäßig hohen
Messgenauigkeit nahezu vor jeder Messreihe neu kalibriert werden
müssen.
Der Einsatz derartiger optischer Spektrometer ist deshalb in einfach
handhabbaren Mess- und Auswertegeräten daher kaum möglich.Thus, from a patent application filed on 29.06.2005 at the German Patent and Trademark Office under the file reference 10 2005 030 751.5 an optical strain gauges of optical waveguides with so-called Bragg gratings are known whose wavelength changes is proportional to the longitudinal extension of the optical waveguide section with the Bragg gratings. If such Bragg grating sections are applied to deformation bodies, then expansions, forces or even temperatures can be detected. The light beams reflected by the Bragg gratings are usually supplied via optical fibers to an optical spectrometer which receives the reflected light beams by means of a high-resolution narrow-band Fabry-Perot filter and an opto-electrical converter and converts them into an electrical signal. With the aid of the known filter characteristic of the high-resolution Fabry-Perot filter, the associated wavelength λ B of the reflected light beam can be determined in an evaluation circuit with a photodiode as the optoelectric converter from the intensity of the measurement signal. This is set in the load case of an evaluation circuit with a reference wavelength in proportion and displayed their change as a force or strain or further processed in an arithmetic circuit. Since such high-resolution Fabry-Perot filters are very expensive to manufacture, optical spectrometers equipped with them are usually used only for high-quality measuring tasks. Furthermore, such Fabry-Perot filters and the subsequent optical transducer elements are highly age- and temperature-dependent, so that these optical spectrometers must be recalibrated at a required relatively high accuracy almost before each measurement series. The use of such optical spectrometers is therefore hardly possible in easily manageable measuring and evaluation devices.
Aus
der DE 37 43 584 A1 ist
ein optisches Spektrometer zur Auswertung von Proben bekannt, die
eine Lichtquelle anregen. Dabei werden die angeregten Lichtstrahlen
auf eine entsprechende Anzahl der vorgesehenen auszuwertenden Spektrallinien von
optischen Filtern geleitet, die als kostengünstige Interferenzfilter ausgebildet
und auf einen gemeinsamen Filterträger unmittelbar vor einem optoelektrischen
Wandler angeordnet sind. Der optoelektrische Wandler besteht dabei
aus einer Matrix-Anordnung einzelner Wandlerelemente auf einer Halbleiterphotodiode,
wobei jedem Interferenzfilter ein einzelnes Wandlerelement zugeordnet
ist. Die einzelnen Wandlerelemente sind mit einer elektronischen
Auswerteschaltung verbunden, die aus der Intensität der zugehörigen Spektrallinie
ein elektrisches Ausgangssignal errechnet, das der anregenden physikalischen Größe entspricht.
Dieses optische Spektrometer hat den Nachteil, dass für hochauflösende Messwerte eventuell
mehrere tausend Interferenzfilter und Wandlerelemente notwendig
sind, die in Matrixform auf einer Halbleiterphotodiode nur schwer
herstellbar sein dürften.From the DE 37 43 584 A1 is an optical spectrometer for the evaluation of samples known to excite a light source. In this case, the excited light beams are directed to a corresponding number of intended to be evaluated spectral lines of optical filters, which are designed as inexpensive interference filter and arranged on a common filter carrier immediately before an opto-electrical converter. The opto-electrical converter consists of a matrix arrangement of individual transducer elements on a semiconductor photodiode, wherein each interference filter is associated with a single transducer element. The individual transducer elements are connected to an electronic evaluation circuit, which calculates an electrical output signal corresponding to the exciting physical quantity from the intensity of the associated spectral line. This optical spectrometer has the disadvantage that, for high-resolution measured values, it may be necessary to use several thousand interference filters and transducer elements that are difficult to produce in matrix form on a semiconductor photodiode.
Ein
weiteres optisches Spektrometer ist aus der EP 0 196 993 A2 bekannt,
das zur Messung einer Gaskonzentration dient. Dabei passiert ein
Gasgemisch eine Küvette,
die von einer pulsierenden Lichtquelle bestrahlt wird. Die Strahlung
gelangt dann durch ein erstes optisches Filter, das auch als kostengünstiges
Interferenzfilter ausgebildet ist und ebenfalls nur für eine bestimmte
Wellenlänge
durchlässig ist.
Dabei absorbiert das spezifische Gas die Lichtstrahlen, die dann
auf ein erstes optoelektrisches Wandlerelement treffen, das daraus
ein elektrisches Messsignal erzeugt. Neben dem ersten Interferenzfilter
ist noch ein zweites Interferenzfilter angeordnet, das für eine Wellenlänge durchlässig ist,
bei der das spezifische Gas die Lichtstrahlen nicht absorbiert und
ebenfalls mit einem zweiten optoelektrischen Wandlerelement verbunden
ist und das ein Referenzsignal erzeugt. In einer nachfolgenden elektronischen
Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung werden aus dem Mess-
und dem Referenzsignal ein Verhältnis
gebildet, das der Konzentration des spezifischen Gases im Gasgemisch
entspricht. Da die beiden optischen Filter auf einem gemeinsamen
optoelektrischen Wandler mit zwei separaten Wandlerbereichen aufgebracht
sind, unterliegen beide Spektrometerbereiche den gleichen Alterungsbedingungen und
der gleichen Herstellungsgenauigkeit, so dass durch die Verhältnisbildung
nicht vor jeder Messreihe eine Kalibrierung notwendig ist. Sollen
mit einer derartigen Messvorrichtung aber Lichtwellensignale erfasst
werden, bei der sich die Wellenlänge
proportional zur physikalischen Größe verhält, müssten wiederum eine Vielzahl
von optischen Filtern mit einer entsprechenden Anzahl von optoelektrischen
Wandlerelementen vorgesehen werden, die bei hochaufzulösenden Messwerten
wohl kaum auf einem gemeinsamen photoelektrischen Wandler untergebracht werden
können.Another optical spectrometer is from the EP 0 196 993 A2 known, which serves to measure a gas concentration. A gas mixture passes through a cuvette, which is irradiated by a pulsating light source. The radiation then passes through a first optical filter, which is also designed as a low-cost interference filter and is also permeable only for a certain wavelength. In the process, the specific gas absorbs the light rays, which then strike a first optoelectric conversion element which generates an electrical measurement signal therefrom. In addition to the first interference filter, a second interference filter is arranged, which is permeable to a wavelength at which the specific gas does not absorb the light rays and is also connected to a second opto-electrical conversion element and generates a reference signal. In a subsequent electronic signal processing and evaluation circuit, a ratio is formed from the measurement and the reference signal, which corresponds to the concentration of the specific gas in the gas mixture. Since the two optical filters are applied to a common opto-electrical converter with two separate transducer regions, both spectrometer ranges are subject to the same aging conditions and the same manufacturing accuracy, so that the ratio formation does not require calibration before each measurement series. If, however, light wave signals are to be detected with such a measuring device in which the wavelength is proportional to the physical quantity, a multiplicity of optical filters having a corresponding number of optoelectric transducer elements would have to be provided, which are hardly accommodated on a common photoelectric converter in the case of high resolution measured values can be.
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein optisches Spektrometer
zu schaffen, das sowohl für
hochauflösende
Messwerterfassungen, hochauflösende
Auswertungen als auch für
einen großen
Wellenlängenbereich
geeignet ist und gleichzeitig einen einfachen technischen Aufbau
ermöglicht,
sowie eine hohe Auswertestabilität
aufweist.Of the
The invention is therefore based on the object, an optical spectrometer
to create that for both
high-resolution
Measured value captures, high-resolution
Evaluations as well as for
a big
Wavelength range
is suitable and at the same time a simple technical structure
allows
as well as a high evaluation stability
having.
Diese
Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.These
The object is achieved by the invention specified in claim 1
solved.
Further developments and advantageous embodiments of the invention
are in the subclaims
specified.
Die
Erfindung hat den Vorteil, dass alle optischen Filter und optoelektrischen
Wandlerelemente auf einem gemeinsamen Halbleiterbauelement vorzugsweise
in Form einer Fotodiode angeordnet sind und dadurch die gleichen
Alterungsbedingungen, die gleiche Drift und die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen
als auch die gleichen Herstellungstoleranzen besitzen, so dass eine
hohe und gleich bleibende Umsetzungsgenauigkeit der Lichtwellensignale
in elektrische Signale erreichbar ist, was insbesondere beim Einsatz
zu Messzwecken eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.The
Invention has the advantage that all optical filters and opto-electrical
Transducer elements on a common semiconductor device preferably
are arranged in the form of a photodiode and thereby the same
Aging conditions, have the same drift and the same temperature dependence
as well as the same manufacturing tolerances, so that a
high and consistent conversion accuracy of the lightwave signals
can be reached in electrical signals, which is especially in use
ensures high measuring accuracy for measurement purposes.
Die
Erfindung hat gleichfalls den Vorteil, dass durch die Wahl eines überschneidenden,
linearen Durchlassbereichs der optischen Filter auf einfache Weise
eine Differenzbildung der optoelektrischen Wandlerausgangssignale
möglich
ist, wodurch nahezu alle temperatur-, alterungs- und driftbedingten Verschiebungen
des Arbeitspunktes auf einer Filterkennlinie kompensiert werden,
wodurch sich zusätzlich
die Umsetzungsgenauigkeit und deren Konstanz weiter erhöht und beim
Einsatz zu Messzwecken eine hohe und gleich bleibende Messgenauigkeit
gewährleistet
wird. Dadurch ist auch eine einfache Kalibrierung einer Auswertevorrichtung
mit einem derartigen optischen Spektrometer möglich. Gleichzeitig weist ein
derartiges optisches Spektrometer bei gleich bleibenden Lichtwelleneingangssignalen
eine hohe Ausgangskonstanz auf, so dass derartige optische Spektrometer
auch in kostengünstig
herstellbaren und einfach handhabbaren Messgeräten oder anderen Auswertegeräten einsetzbar
sind.The
Invention also has the advantage that by choosing an overlapping,
linear passband of the optical filters in a simple manner
a difference of the opto-electrical converter output signals
possible
is, eliminating almost all temperature, aging and drift induced shifts
of the operating point can be compensated for on a filter characteristic curve,
which in addition
the implementation accuracy and their constancy further increased and the
Use for measurement purposes a high and consistent measurement accuracy
guaranteed
becomes. This also means a simple calibration of an evaluation device
possible with such an optical spectrometer. At the same time one
Such optical spectrometer with constant light wave input signals
a high output constancy, so that such optical spectrometer
also in low cost
manufacturable and easy to handle measuring devices or other evaluation devices can be used
are.
Die
Erfindung hat zusätzlich
den Vorteil, dass mit nur zwei optischen Filtern auf einem zweiteiligen optoelektrischen
Halbleiterwandler eine große
Auflösung
der Lichtwellensignale erreichbar ist und auch ein großer Wellenlängenbereich
auswertbar ist. Dabei ist auch nur bei der Auswertung mit einem
zweiteiligen optischen Filter auf einem zweiteiligen Wandlerelement
durch die nachfolgende Differenzbildung in einer einfachen Auswerteschaltung
eine gleich bleibend hohe Umsetzungsgenauigkeit und Stabilität der Lichtwellensignale
in proportionale elektrische Signale erreichbar.The
Invention has in addition
the advantage of having only two optical filters on a two-part opto-electric
Semiconductor converter a big one
resolution
the lightwave signals can be reached and also a large wavelength range
is evaluable. It is also only in the evaluation with a
two-part optical filter on a two-part transducer element
by the following difference formation in a simple evaluation circuit
a consistently high conversion accuracy and stability of the lightwave signals
reachable in proportional electrical signals.
Bei
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung, bei der eine Vielzahl von optischen Filtern und diesen
zugeordneten separaten Wandlerelementen auf einer gemeinsamen Fotodiodenzeile
angeordnet ist, hat den Vorteil, dass damit gleichzeitig verschiedene
gleichartige Lichtwellensignale ausgewertet werden können. Da
die verschiedenen Lichtwellensignale nahezu unter identischen technischen Bedingungen
in eine proportionale elektrische Größe umgewandelt werden, verringert
sich der Kalibrieraufwand erheblich und es ergibt sich gleichzeitig
eine gleich bleibende Umwandlungsgenauigkeit der Lichtwellensignale
in die proportionalen elektrischen Signale, was insbesondere beim
Einsatz in Messgeräten vorteilhaft
ist. So können
dort eine Vielzahl optischer Aufnehmerelemente unter gleichen technischen
Bedingungen ausgewertet werden.at
a particular embodiment
of the invention in which a plurality of optical filters and these
associated separate transducer elements on a common Fotodiodenzeile
arranged, has the advantage that at the same time different
similar light wave signals can be evaluated. There
the different lightwave signals almost under identical technical conditions
be reduced to a proportional electrical size
the calibration effort considerably and it results at the same time
a constant conversion accuracy of the lightwave signals
in the proportional electrical signals, which in particular at
Use in measuring instruments advantageous
is. So can
there a variety of optical pickup elements under the same technical
Conditions are evaluated.
Im übrigen ist
mit einem derartigen optischen Spektrometer mit nur wenigen kostengünstigen
Halbleiterbauelementen eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtwellensignale
auswertbar, wobei gleichzeitig durch einfache Differenzschaltungen
eine hohe Umwandlungsgenauigkeit und Stabilität erreichbar ist, was insbesondere
für Messzwecke
vorteilhaft ist. Durch derartige Fotodiodenzeilen mit einer Vielzahl von
optischen Filtern und optoelektrischen Wandlerelementen sind insbesondere
sehr kompakt bauende Auswertevorrichtungen ausführbar, so dass derartige Lichtwellensignale
auch in mobilen Auswertevorrichtungen möglich sind.Otherwise it is
with such an optical spectrometer with only a few inexpensive
Semiconductor devices a variety of different lightwave signals
evaluated, while at the same time by simple differential circuits
a high conversion accuracy and stability is achievable, which in particular
for measurement purposes
is advantageous. By such Fotodiodenzeilen with a variety of
optical filters and optoelectric conversion elements are in particular
very compact design evaluating executable, so that such light wave signals
are also possible in mobile evaluation devices.
Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The
Invention is based on an embodiment,
which is shown in the drawing, explained in more detail. Show it:
1:
eine schematische Auswertevorrichtung mit einem optischen Spektrometer
zur Auswertung von Lichtwellensignalen eines optischen Dehnungsaufnehmers; 1 : a schematic evaluation device with an optical spectrometer for the evaluation of lightwave signals of an optical strain transducer;
2:
eine schematische optoelektrische Wandlerzeile, die mit 8 Interferenzfiltern
unterschiedlicher Durchlassbereiche abgedeckt ist; 2 a schematic opto-electrical converter array covered with 8 interference filters of different passbands;
3:
eine schematische Auswerteschaltung mit einer Wandlerzeile, die
mit zwei Interferenzfiltern unterschiedlicher Durchlassbereiche
abgedeckt ist; 3 a schematic evaluation circuit with a converter line, which is covered with two interference filters of different passbands;
4:
einen linearen gegenläufigen
Kennlinienbereich zweier Interferenzfilter mit unterschiedlichen
Durchlassbereichen, und 4 : a linear opposing characteristic region of two interference filters with different passbands, and
5:
einen linearen, sich schneidenden Kennlinienbereich zweier Interferenzfilter
mit einer konstanten und einer abfallenden Kennlinie. 5 : a linear, intersecting characteristic region of two interference filters with a constant and a falling characteristic.
In 1 der
Zeichnung ist eine schematische Auswertevorrichtung 1 für einen
zweiachsigen optischen Dehnungsaufnehmer 3 dargestellt,
die ein optisches Spektrometer 2 mit einer optoelektrischen Wandlerzeile
mit Interferenzfiltern als optische Filter unterschiedlicher Durchlassbereiche
enthält,
wobei die Durchlassbereiche sich gegenläufig und mit ihren linearen
Bereichen überschneiden.In 1 The drawing is a schematic evaluation device 1 for a biaxial optical strain transducer 3 shown, which is an optical spectrometer 2 with an opto-electric converter line having interference filters as optical filters of different passbands, the passbands overlapping in opposite directions and with their linear regions.
An
die Auswertevorrichtung 1 ist ein optischer Dehnungsmessstreifen
in Rosettenform als Dehnungsaufnehmer 3 über Lichtwellenleiter 16 angeschlossen,
der im wesentlichen aus drei Lichtwellenleitern mit integrierten
Bragg-Gittern 8 besteht, die vereinfacht als drei parallel
angeordnete Bragg-Gitter 8 dargestellt
sind. Dieser optische Dehnungsmessstreifen 3 ist für eine zweiachsige
Kraftmessung auf einem nicht dargestellten Verformungskörper appliziert
und kann als Kraftaufnehmer oder Wägezelle ausgebildet sein. Zusätzlich ist
am Dehnungsmessstreifen 3 noch ein vierter Lichtwellenleiter
mit integriertem Bragg-Gitter 4 zur Temperaturkompensation dehnungsunabhängig angeordnet,
der im Grunde die Umgebungstemperatur am optischen Dehnungsmessstreifen 3 erfasst.To the evaluation device 1 is an optical strain gauge in rosette form as a strain transducer 3 via fiber optic cable 16 essentially consisting of three optical fibers with integrated Bragg gratings 8th which simplifies than three parallel arranged Bragg gratings 8th are shown. This optical strain gauge 3 is applied for a two-axis force measurement on a deformation body, not shown, and may be designed as a force transducer or load cell. In addition, on the strain gauge 3 another fourth optical fiber with integrated Bragg grating 4 arranged independently of temperature for temperature compensation, which is basically the ambient temperature at the optical strain gauge 3 detected.
Die
Bragg-Gitter 8 im optischen Dehnungsmessstreifen 3 haben
die Eigenschaft, dass sie aufgrund einer Dehnung die Wellenlänge λB des
reflektierten Lichts proportional zur Dehnung ändern. Deshalb ist in der Auswertevorrichtung 1 eine
Lichtquelle 5 vorgesehen, die über einen optischen Koppler 6 und
eine optische Umschaltvorrichtung 7 breitbandige Lichtstrahlen
in die Lichtwellenleiter 16 des optischen Dehnungsmessstreifens 3 und
des Temperaturkompensators 4 vorzugsweise mit einer Wellenlänge λ von ca.
1.225 bis 1.575 nm einspeist. Durch die Bragg-Gitter 8, 4,
die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, wird jeweils
eine vorbestimmte Wellenlänge λB1 bis λB4 reflektiert,
die sich bei einer axialen Dehnung des die Bragg-Gitter 8 enthaltenden Wellenleiters
in einem Bereich von vorzugsweise ΔλB1 =
5 nm ändert,
so dass die Lichtquelle mindestens mit einem Lichtwellenbereich
von mindestens 20 nm einspeisen muss. Die Bragg-Gitter 8 sind
deshalb über
ihre jeweilige Gitterperiode Λ so
ausgebildet, dass sich ihre mittlere Bragg-Längenwelle λB1 bis λB4 um
5 nm unterscheidet, wodurch jeweils ein Dehnungsbereich Δl von ± 1.000 μm/m mit einer
Auflösung
von 1 μm
erfassbar ist. Bei einer maximalen Dehnung Δlmax von
vorzugsweise ± 1.000 μm/m ändert sich
somit die reflektierte Lichtwellenlänge als Bragg-Wellenlänge λB1 bis λB4 proportional
zur Dehnung des Bragg-Gitters 8, das vorzugsweise eine Länge von
5 bis 10 mm aufweist.The Bragg grating 8th in the optical strain gauge 3 have the property that they change the wavelength λ B of the reflected light in proportion to the strain due to elongation. That is why in the evaluation device 1 a light source 5 provided by an optical coupler 6 and an optical switching device 7 broadband light beams into the optical fibers 16 of the optical strain gauge 3 and the temperature compensator 4 preferably with a wavelength λ of about 1225 to 1575 nm feeds. Through the Bragg grating 8th . 4 , which are shown schematically in the drawing, in each case a predetermined wavelength λ B1 to λ B4 is reflected, resulting in an axial strain of the Bragg gratings 8th containing waveguide in a range of preferably Δλ B1 = 5 nm, so that the light source must feed at least with a light wave range of at least 20 nm. The Bragg grating 8th are therefore formed over their respective grating period Λ such that their mean Bragg wavelength λ B1 to λ B4 differs by 5 nm, whereby in each case an expansion range Δl of ± 1000 μm / m can be detected with a resolution of 1 μm. With a maximum elongation Δl max of preferably ± 1000 μm / m, the reflected light wavelength thus changes as Bragg wavelength λ B1 to λ B4 proportional to the elongation of the Bragg grating 8th which preferably has a length of 5 to 10 mm.
Die
reflektierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge λB1 bis λB4 werden
nun über die
Umschalteinheit 7 und den optischen Koppler 6 dem
optischen Spektrometer 2 zugeführt, um die entsprechende Wellenlänge λMess der
reflektierten Lichtstrahlen jedes Bragg-Gitters 8 zu detektieren.
Dazu ist im optischen Spektrometer 2 im wesentlichen eine Fotodiodenzeile 10 als
optoelektrischer Wandler vorgesehen, die in 2 der Zeichnung
näher dargestellt
ist. Die Fotodiodenzeile 10 besteht dabei aus 8 separaten
optoelektrischen Wandlerbereichen D11, D12, D21, D22, D31, D32,
D41, D42, wobei jeweils zwei Wandlerbereiche D11, D12 einem separaten Bragg-Gitter 8 zugeordnet
sind, das jeweils ein optisches Dehnungssignal λMess liefert.
Diese beiden jeweiligen Wandlerbereiche sind jeweils mit einem elektrischen
Anschluss 22, 23, 24 versehen, der ein Strom-
oder Spannungssignal liefert, das der Intensität des auftreffenden Lichts
entspricht. Auf diesen Wandlerbereichen D11, D12, D21, D22, D31,
D32, D41, D42 sind als optische Filter jeweils Interferenzfilter
F11, F12, F21, F22, F31, F32, F41, F42 aufgebracht, die aus einer
Mehrzahl von dielektrischen Schichten mit abwechselnd hohen und
niedrigen Brechungskoeffizienten bestehen und jeweils unterschiedliche
Durchlassbereiche aufweisen, die sich mindestens in einem Wellenlängenbereich ΔλB1 bis ΔλB4 von
5 nm überschneiden.
Dabei sind beispielsweise die Interferenzfilter F11 und F12 dem
ersten Bragg-Gitter 8 des optischen Dehnungsmessstreifens 3 zugeordnet
und z. B. auf einen Wellenlängenbereich
von ΔλB1 =
1.530 ± 2,5
nm abgestimmt. Da sich die anderen drei Bragg-Gitter in ihrer mittleren Bragg-Gitter-Wellenlänge λB2, λB3 und λB4 um
jeweils mindestens 5 nm unterscheiden, sind auch die anderen sechs
Interferenzfilter F21, F22, F31, F32, F41, F42 auf die zugehörige Wellenlängenbereiche
in 5 nm-Stufen abgestimmt.The reflected light beams of different Bragg wavelengths λ B1 to λ B4 are now transmitted via the switching unit 7 and the optical coupler 6 the optical spectrometer 2 supplied to the corresponding wavelength λ measuring the reflected light rays of each Bragg grating 8th to detect. This is in the optical spectrometer 2 essentially a photodiode line 10 provided as an opto-electrical converter, which in 2 the drawing is shown in more detail. The photodiode line 10 consists of 8 separate opto-electrical converter regions D11, D12, D21, D22, D31, D32, D41, D42, wherein each two transducer regions D11, D12 a separate Bragg grating 8th are assigned, each supplying an optical strain signal λ Mess . These two respective converter regions are each connected to an electrical connection 22 . 23 . 24 providing a current or voltage signal corresponding to the intensity of the incident light. On these transducer regions D11, D12, D21, D22, D31, D32, D41, D42, interference filters F11, F12, F21, F22, F31, F32, F41, F42 are applied as optical filters, which consist of a plurality of dielectric layers with alternating consist of high and low refractive indices and each have different passbands that overlap at least in a wavelength range .DELTA.λ B1 to .DELTA..lamda. B4 of 5 nm. For example, the interference filters F11 and F12 are the first Bragg grating 8th of the optical strain gauge 3 assigned and z. B. tuned to a wavelength range of Δλ B1 = 1.530 ± 2.5 nm. Since the other three Bragg gratings differ in their average Bragg grating wavelengths λ B2 , λ B3 and λ B4 by at least 5 nm, the other six interference filters F21, F22, F31, F32, F41, F42 are also based on the corresponding wavelength ranges tuned in 5 nm steps.
Eine
derartige Fotodiodenzeile 10 mit 8 Bereichen ist als Serienteil
erhältlich
und besitzt ein Belichtungsfenster von ca. 5 bis 10 mm ⌀ und stellt
ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement dar. Auf eine derartige
Fotodiodenzeile 10 wird das von den Bragg-Gittern 8 reflektierte
Licht S1, S2, S3, S4 vorzugsweise über ein
dispersives Element 9 eingespeist, wobei mindestens die
zugehörigen
reflektierten Strahlen S1 des ersten Bragg-Gitters 8 mindestens
auf die zugehörigen
beiden Interferenzfilter F11 und F12 gelenkt werden. Während die übrigen reflektierten
Bragg-Gitter-Strahlen S2, S3,
S4 auf die darauf abgestimmten Interferenzfilterpaare
F21; F22 und F31; F32 sowie F41; F42 gerichtet sind.Such a photodiode line 10 with 8 areas is available as a series part and has an exposure window of about 5 to 10 mm ⌀ and represents a photosensitive semiconductor device. On such a photodiode array 10 it's going to be from the Bragg grids 8th reflected light S 1 , S 2 , S 3 , S 4 preferably via a dispersive element 9 fed, wherein at least the associated reflected rays S 1 of the first Bragg grating 8th be directed at least to the associated two interference filters F11 and F12. While the other reflected Bragg grating beams S 2 , S 3 , S 4 on the matched interference filter pairs F21; F22 and F31; F32 and F41; F42 are addressed.
Bei
einer vereinfachten Ausführung
kann die eine Seite der Fotodiodenzeile 10 mit den Interferenzfiltern
F12, F22, F32 und F42 mit einem einheitlichen Interferenzfilter
F10 mit einem konstanten Durchlassbereich für alle Wellenlängen versehen werden.
Eine derartige Fotodiodenzeile besteht dann nur noch aus den fünf optischen
Filtern, die auf den acht Wandlerbereichen D11–D42 aufgebracht sind und vorzugsweise
auch als Interferenzfilter ausgebildet sind. Es ist dabei auch möglich, dass
die gesamte Fotodiodenzeile lediglich mit fünf Interferenzfiltern und fünf zugehörigen Wandlerbereichen
ausgestattet ist, wo eines der Filter- und Wandlerbereiche als Bezugsbereich
mit dem konstanten Durchlassbereich ausgerüstet ist. Hierdurch würde sich
der Platzbedarf für
eine vergleichbare Fotodiodenzeile von acht Bereichen auf fünf Bereiche
reduzieren. Dabei können allerdings
die optischen Filter auch als Kantenfilter, Rampenfilter oder in
Reflexionsbauart als Interferenzspiegel ausgebildet sein, sofern
diese im vorgesehenen Wellenlängenbereich über lineare
Kennlinienbereiche mit vorgegebenen Steigungen verfügen.In a simplified embodiment, one side of the line of photodiodes 10 be provided with the interference filters F12, F22, F32 and F42 with a uniform interference filter F10 with a constant passband for all wavelengths. Such a photodiode array then consists only of the five optical filters which are applied to the eight transducer regions D11-D42 and are preferably also designed as interference filters. It is also possible that the entire range of photodiodes only equipped with five interference filters and five associated transducer areas is where one of the filter and transducer regions is provided as the reference region with the constant passband. This would reduce the space requirement for a comparable range of photodiodes from eight areas to five areas. In this case, however, the optical filters can also be designed as edge filters, ramp filters or reflection type as interference mirror, provided that they have in the intended wavelength range over linear characteristic areas with predetermined slopes.
Die
Funktion eines optoelektrischen Wandlers 10 mit jeweils
nur zwei Wandlerbereichen D11, D12 und zwei darauf aufgebrachten
Interferenzfiltern F11, F12 für
beispielsweise einen gesonderten optischen Aufnehmer mit nur einem
Bragg-Gitter oder
als Teil des optischen Spektrometers 2 für das erste Bragg-Gitter 8 ist
aus 3 der Zeichnung ersichtlich, das eine schematische
Auswerteschaltung 11 darstellt. Dabei gelangen die reflektierten
Lichtstrahlen S1 zunächst auf die beiden Interferenzfilter
F11 und F12, die auf die beiden Wandlerbereiche D11 und D12 der
Diodenzeile 10 aufgetragen sind.The function of an opto-electrical converter 10 with only two transducer regions D11, D12 and two interference filters F11, F12 applied thereto for, for example, a separate optical pickup with only one Bragg grating or as part of the optical spectrometer 2 for the first Bragg grid 8th is out 3 the drawing can be seen that a schematic evaluation circuit 11 represents. In this case, the reflected light beams S 1 first arrive at the two interference filters F11 and F12 which are incident on the two transducer regions D11 and D12 of the diode array 10 are applied.
Derartige
Interferenzfilter F11–F42
können durch
Aufdampfen der dielektrischen Schichten in den dafür vorgesehenen
Abständen λ/4 erfolgen. Aufgrund
unterschiedlicher Abstände
der dielektrischen Schichten mit jeweils niedrigem und hohem Brechungskoeffizienten
und der Wahl der Anzahl der Schichten sind Interferenzfilter herstellbar,
die vorgegebene Durchlassbereiche und Filterkennlinien aufweisen.
Dabei sind derzeit auch Interferenzfilter verfügbar, die vom Durchlassbereich
bis zum Sperrbereich bei einem Wellenlängenbereich von Δλ von 5 nm
eine Steigung von 45° sowohl
in ansteigender als auch in abfallender Richtung aufweisen. Es sind
aber auch Interferenzfilter herstellbar, die konstante Kennlinien
oder Kennlinien mit vorgegebenen Steigungen in jeder Richtung besitzen.such
Interference filter F11-F42
can through
Vapor deposition of the dielectric layers in the space provided
Distances λ / 4 done. by virtue of
different distances
each of the low and high refractive index dielectric layers
and the choice of the number of layers, interference filters can be produced,
have the predetermined passbands and filter characteristics.
At the same time, interference filters are also available that are of the passband
to the stopband at a wavelength range of Δλ of 5 nm
a slope of 45 ° both
in ascending and descending directions. There are
but also interference filter produced, the constant characteristics
or have characteristic curves with predetermined slopes in each direction.
Erfindungsgemäß sind deshalb
auf den beiden Wandlerbereichen D11 und D12 mindestens zwei optische
Filter, vorzugsweise Interferenzfilter F11, F12 aufgebracht, deren
Durchlasskennlinien sich mindestens um einen linearen Bereich mit
unterschiedlicher Steigung, vorzugsweise mit einer gegenläufigen Steigung überschneiden,
der vorzugsweise einen Wellenlängenbereich ΔλB1 von
5 nm umfasst.According to the invention, therefore, at least two optical filters, preferably interference filters F11, F12, are applied on the two transducer regions D11 and D12 whose transmission characteristics overlap at least by a linear region with different pitch, preferably with an opposite pitch, which preferably has a wavelength range Δλ B1 of 5 nm includes.
Ein
derartiger Filterkennlinenbereich der beiden Interferenzfilter F11,
F12 mit einer gegenläufigen Steigung
ist in 4 der Zeichnung dargestellt, der auf mindestens
eine Längenänderung Δl des zugehörigen Bragg-Gitters 8 von ± 1.000 μm/m linear
abgestimmt ist. Dabei ist das Interferenzfilter F11 so konzipiert,
dass es im Durchlassbereich der mittleren Bragg-Wellenlänge λB1 eine
linear abfallende Kennlinie 20 und das Interferenzfilter
F12 eine linear ansteigende Kennlinie 21 in den Längenänderungsbereichen Δl = ± 1.000 μm/m aufweist,
die sich vorzugsweise auf der mittleren Bragg-Wellenlänge λB1 schneiden.
Dieser Schnittpunkt 17 bei λB1 stellt
vorzugsweise einen Zustand des Aufnehmers 3 dar, bei dem
weder eine Dehnung noch eine Stauchung auftritt und somit einen
Ausgangspunkt markiert, der auch als Referenzpunkt 17 verwendbar
ist. An diesem Referenzpunkt 17 sind sowohl das Interferenzfilter
F11 als auch das Interferenzfilter F12 vorzugsweise zu ca. 50% für die mittlere
Bragg-Gitter-Wellenlänge λB1 lichtdurchlässig. Dabei
ist für
jeden Dehnungszustand innerhalb des Bereiches von –1.000 μm/m bis +
1.000 μm/m
eine proportionale Messwellenlänge λMess zuordenbar,
die insgesamt den Messbereich von 100 umfasst.Such a filter line area of the two interference filters F11, F12 with an opposite slope is shown in FIG 4 the drawing shown on at least one change in length .DELTA.l of the associated Bragg grating 8th of ± 1.000 μm / m linearly tuned. In this case, the interference filter F11 is designed such that it has a linearly decreasing characteristic in the passband of the mean Bragg wavelength λ B1 20 and the interference filter F12 a linearly increasing characteristic 21 in the length change ranges .DELTA.l = ± 1,000 microns / m, which intersect preferably on the average Bragg wavelength λ B1 . This intersection 17 at λ B1 preferably represents a state of the pickup 3 in which neither an expansion nor a compression occurs and thus marks a starting point, which also serves as a reference point 17 is usable. At this reference point 17 For example, both the interference filter F11 and the interference filter F12 are preferably translucent to approximately 50% for the average Bragg grating wavelength λ B1 . In this case, for each strain state within the range of -1,000 μm / m to + 1,000 μm / m, a proportional measurement wavelength λ Mess can be assigned , which comprises the measurement range of 100 in total.
Für diesen
Aufnehmerzustand ohne eine Dehnung oder Stauchung des Verformungskörpers liefern
die beiden Fotodiodenbereiche D1, D12 ein gleich großes elektrisches
Signal, das als Strom- oder
Spannungswert an den Ausgängen 22, 23, 24 der
beiden zugeordneten Wandlerelemente D11 und D12 als Ausgangssignal
anliegt. In der nachfolgenden Auswerteschaltung 11 wird
dies einer ersten Rechenschaltung 12 zugeführt, die
daraus einen Differenzwert Δl
bildet. Dieser Differenzwert Δl
wird anschließend
in einer Verstärkerschaltung 13 verstärkt und
einer zweiten Rechenschaltung 14 zugeführt, die daraus einen Dehnungswert
von beispielsweise 0 μm/m
errechnet, der in einer Anzeigeschaltung 15 anzeigbar ist.For this transducer state without any strain or compression of the deformation body, the two photodiode regions D1, D12 deliver an equal electrical signal, which is present as a current or voltage value at the outputs 22 . 23 . 24 the two associated transducer elements D11 and D12 is present as an output signal. In the following evaluation circuit 11 this becomes a first calculation circuit 12 fed, which forms a difference value .DELTA.l. This difference value .DELTA.l is then in an amplifier circuit 13 amplified and a second arithmetic circuit 14 fed, which calculates therefrom an elongation value of, for example, 0 microns / m, in a display circuit 15 can be displayed.
Wird
nun der Bereich des optischen Dehnungsmessstreifens 3 mit
dem ersten Bragg-Gitter 8 mit einer Kraft beaufschlagt,
so erfolgt beispielsweise eine Dehnung im zugeordneten Verformungskörper, so
dass sich dadurch die reflektierte Wellenlänge λMess proportional
zur Dehnung verändert.
Die geänderte
Wellenlänge λMess wird
nun von den beiden Interferenzfiltern F11, F12 unterschiedlich durchgelassen,
wobei das Filter F11 nur einen geringen von ca. 30% und das Filter
F12 durch dessen gegenläufige Filtercharakteristik
einen größeren Lichtanteil
von beispielsweise 70% durchlässt,
was zu entsprechenden Ausgangssignalen an den Fotodiodenelementen D11
und D12 führt.
Durch die nachfolgende Differenzbildung in der ersten Rechenschaltung 12 wird nun
ein Messsignal erzeugt, das der Dehnung bzw. der Längenänderung Δl des Verformungskörpers proportional
ist.Will now be the area of the optical strain gauge 3 with the first Bragg grating 8th acted upon by a force, so for example, an elongation in the associated deformation body, so that thereby the reflected wavelength λ measurement changed proportional to the elongation. The changed wavelength λ measurement is now transmitted differently by the two interference filters F11, F12, wherein the filter F11 transmits only a small amount of about 30% and the filter F12 through its opposite filter characteristic a larger light portion of, for example, 70%, resulting in corresponding output signals leads to the photodiode elements D11 and D12. By the following difference formation in the first calculation circuit 12 Now, a measurement signal is generated which is proportional to the elongation or the change in length .DELTA.l of the deformation body.
Dabei
kann bei einer vorgesehenen Kraft- oder Dehnungsmessung das Messgerät durch
die Aufnahme von nur zwei Messpunkten kalibriert werden, ohne dass
komplizierte Kennlinien aufgenommen und beispielsweise in der zweiten
Rechenschaltung 14 gespeichert werden müssten. Da sowohl die Filterkennlinien 20, 21 als
auch die optoelektrischen Wandlerkennlinien stark temperatur- und
alterungsabhängig
sind und normalerweise einer gewissen Drift unterliegen, bleibt
auch eine vorgenommene Kalibrierung für eine lange Zeit stabil, da
sich durch die gegenläufigen
linearen Kennlinienbereiche 20, 21 und die Differenzbildung
derartige Veränderungen selbsttätig kompensieren.
Dies wird zusätzlich
auch dadurch erreicht, dass sowohl die Interferenzfilter F11–F42 als
auch die Wandlerbereiche D11–D42
in einer gemeinsamen Fotodiodenzeile 10 integriert sind
und damit den gleichen Fertigungstoleranzen, Alterungsbedingungen
und Temperatureinflüssen unterliegen.In this case, in the case of an intended force or strain measurement, the measuring device can be calibrated by recording only two measuring points, without recording complicated characteristic curves and, for example, in the second calculating circuit 14 would have to be stored. Because both the filter characteristics 20 . 21 as well as the opto-electrical converter characteristics strongly temperature and aging are dependent and are usually subject to a certain drift, even a calibration made for a long time remains stable, as determined by the opposing linear characteristic areas 20 . 21 and the difference formation automatically compensate for such changes. This is additionally achieved in that both the interference filters F11-F42 and the transducer regions D11-D42 in a common row of photodiodes 10 are integrated and thus subject to the same manufacturing tolerances, aging conditions and temperature influences.
Insbesondere
bei der Auswertung mehrerer gleichartiger Aufnehmerelemente 8, 4 wie
beispielsweise eines rosettenartigen optischen Dehnungsmessaufnehmers 3 wird
durch die Verwendung einer größeren Fotodiodenzeile 10 mit
gleichartigen gegenläufigen
Filterkennlinien 20, 21 und optoelektrischen Wandlerelementen
D11–D42
eine hohe Messwertkonstanz und ein geringer Kalibrieraufwand bei minimalen
Filter- und Wandlerteilen auf einer Fotodiodenzeile 10 erreicht.
Dabei wird der wesentliche Vorteil durch die Verdopplung der Interferenzfilter und
die anschließende
Differenzbildung hervorgerufen, da sich hierdurch die Arbeitspunkte
auf den Filterkennlinien 20, 21 und den zugeordneten
Diodenkennlinien nicht verschieben können. Denn insbesondere bei
geforderten hohen Auflösungen
von beispielsweise 1 pm innerhalb eines Bereichs von 5 nm können schon
kleine Arbeitspunktverschiebungen die Messgenauigkeit erheblich
verschlechtern oder zu einer Instabilität der Messung führen.Especially in the evaluation of several similar transducer elements 8th . 4 such as a rosette-type optical strain gauge 3 is through the use of a larger range of photodiodes 10 with similar opposing filter characteristics 20 . 21 and opto-electric transducer elements D11-D42 a high measured value constancy and a low calibration effort with minimal filter and transducer parts on a photodiode array 10 reached. The main advantage is caused by the doubling of the interference filter and the subsequent difference, as this results in the operating points on the filter characteristics 20 . 21 and the associated diode characteristics can not move. For in particular at required high resolutions of, for example, 1 pm within a range of 5 nm, even small shift in operating points can seriously impair the measurement accuracy or lead to an instability of the measurement.
Ein
optisches Spektrometer 2 mit einer derartigen Fotodiodenzeile 10 mit
nur zwei Interferenzfiltern F11, F12 und nur zwei Wandlerbereichen
D11, D12 ist bereits ausreichend für die Detektion der erfassten
Wellenlänge λMess eines optischen
Dehnungsmessstreifens mit nur einem Bragg-Gitter 8 oder
für andere
Auswertungen, bei der die erfasste Wellenlänge λMess proportional
zur ermittelbaren physikalischen Größe ist.An optical spectrometer 2 with such a photodiode array 10 with only two interference filters F11, F12 and only two transducer regions D11, D12 is already sufficient for the detection of the detected wavelength λ measurement of an optical strain gauge with only one Bragg grating 8th or for other evaluations, in which the detected wavelength λ measurement is proportional to the determinable physical quantity.
Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt
es sich aber um einen Kraft- und Dehnungsaufnehmer 3, der
für eine
zweiachsige optische Krafterfassung vorgesehen ist und deshalb aus
drei im Winkel von 45° versetzt
angeordneten Lichtwellenleitern mit drei Bragg-Gittern 8 besteht,
die die Kraftkomponenten auf der Oberfläche eines Verformungskörpers richtungsabhängig erfassen.
Deshalb sind für
jeden Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter 8 auf der Fotodiodenzeile 10 jeweils
zwei Interferenzfilter F11, F12; F21, F22; F31, F32 und jeweils
zwei fotoelektrische Wandlerbereiche D11, D12; D21, D22; D31, D32
vorgesehen. Da die Dehnung eines Verformungskörpers nicht nur von der eingeleiteten
Kraft, sondern auch von den dessen Wärmedehnung abhängig ist,
ist noch ein vierter Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter 4 im
verformungsunabhängigen
Bereich des Verformungskörpers
angeordnet, durch den im Prinzip lediglich die Umgebungstemperatur
erfasst wird. Denn auch durch die temperaturbedingte Dehnung ändert sich
die reflektierte Wellenlänge λMess im vierten
Bragg-Gitter 4, die durch die Interferenzfilter F41, F42
und die optoelektrischen Wandlerbereiche D41, D42 ausgewertet wird.
Deshalb ist in der Auswertevorrichtung 1 noch eine dritte
Rechenschaltung 18 vorgesehen, durch die von den drei dehnungsabhängigen Differenzwerten Δl noch der
temperaturbedingte Dehnungswert subtrahiert wird. In der Anzeigevorrichtung 19 für die zweiachsige
Dehnungsmessung können
dann die einzelnen Kraftkomponenten oder dessen Resultierende als
Messwert angezeigt werden.In the present embodiment, however, it is a force and strain transducer 3 , which is intended for a two-axis optical force detection and therefore from three at an angle of 45 ° arranged optical waveguides with three Bragg gratings 8th exists, which detect the force components on the surface of a deformation body depending on the direction. That's why every fiber optic cable with Bragg grating 8th on the photodiode line 10 two interference filters F11, F12 each; F21, F22; F31, F32 and two photoelectric conversion regions D11, D12; D21, D22; D31, D32 provided. Since the expansion of a deformation body is dependent not only on the introduced force, but also on the thermal expansion, is still a fourth optical waveguide with Bragg grating 4 arranged in the deformation-independent region of the deformation body, which in principle only the ambient temperature is detected. Because even the temperature-induced strain changes the reflected wavelength λ measurement in the fourth Bragg grating 4 which is evaluated by the interference filters F41, F42 and the opto-electrical conversion regions D41, D42. That is why in the evaluation device 1 another third calculation circuit 18 provided, is subtracted by the three strain-dependent difference values Δl nor the temperature-induced strain value. In the display device 19 for the biaxial strain measurement, the individual force components or their resultant can then be displayed as a measured value.
Bei
der vereinfachten Ausführung
der Fotodiodenzeile mit einem Interferenzfilter F10 mit konstanter
Durchlasskennlinie auf einem fotoelektrischen Wandlerbereich D11
und Interferenzfiltern F11 mit abfallenden linearen Kennlinienbereichen 20 ergeben
sich überschneidende
Durchlassbereiche, die auch auf Wellenlängenbereichen von mindestens ΔλB1 von
5 nm abgestimmt sein können.
Ein derartiger Filterkennlinienbereich mit zwei speziellen Interferenzfiltern
F10 und F11 ist in 5 der Zeichnung dargestellt.
Dabei besitzt das Interferenzfilter F10 das vorzugsweise auf einer
der beiden Fotodiodenbereiche D12 aufgebracht ist eine horizontale
Kennlinie 25 mit konstantem Durchlassbereich, die die linear
abfallende Kennlinie 20 des Filters F11 auf einer mittleren
Bragg-Wellenlänge λB1 schneidet,
in dessen Bereich beide Kennlinien 20, 25 unterschiedliche
lineare Steigungen aufweisen. An diesem Referenz- oder Schnittpunkt 17 sind
beide Referenzfilter F11, F10 vorzugsweise zu 50% für die mittlere
Bragg-Wellenlänge λB1 durchlässig. Die
Auswertung der beiden Messsignale durch Differenzbildung erfolgt
in der bereits zu 3 und 4 beschriebenen
Art. Dabei besitzt ein derartiges optisches Filter als Interferenzfilter
F10 mit konstanter Kennlinie 25 den Vorteil, dass die durchgelassene
Lichtintensität
bei allen Wellenlängen
gleich ist, so dass die zugeordneten Fotodiodenbereiche D12, D22,
D32, D42 auf einfache Weise abgleichbar sind. Gleichzeitig liegt
damit ein einheitlicher Bezugswert für alle fotoelektrischen Wandlerbereiche
fest, der eine einfache und genaue Messsignalauswertung ermöglicht.
Darüber
hinaus ist damit auch eine Verringerung der Filter- und zugeordneten
Wandlerbereiche möglich,
so dass im Grunde nur noch ein Bezugsfilter F10 mit zugeordneten Wandlerelement
D11 für
eine Vielzahl von zugehörigen
Filter- und Wandlerelementen nötig
ist.In the simplified embodiment of the photodiode array with an interference filter F10 with a constant transmission characteristic on a photoelectric conversion area D11 and interference filters F11 with sloping linear characteristic areas 20 result in overlapping passbands, which can be tuned to wavelength ranges of at least Δλ B1 of 5 nm. Such a filter characteristic area with two special interference filters F10 and F11 is shown in FIG 5 the drawing shown. In this case, the interference filter F10 which is preferably applied to one of the two photodiode regions D12 has a horizontal characteristic 25 with constant passband, which is the linearly sloping characteristic 20 of the filter F11 intersects on an average Bragg wavelength λ B1 , in whose range both characteristic curves 20 . 25 have different linear slopes. At this reference or intersection 17 both reference filter F11, F10 preferably to 50% for the average Bragg wavelength λ B1 are permeable. The evaluation of the two measurement signals by subtraction takes place in the already too 3 and 4 In this case, such an optical filter has as an interference filter F10 with a constant characteristic 25 the advantage that the transmitted light intensity is the same at all wavelengths, so that the associated photodiode regions D12, D22, D32, D42 can be adjusted in a simple manner. At the same time, this establishes a uniform reference value for all photoelectric converter ranges, which enables simple and accurate measurement signal evaluation. In addition, a reduction of the filter and associated transducer regions is thus possible, so that basically only one reference filter F10 with associated transducer element D11 is necessary for a large number of associated filter and transducer elements.
Ein
derartiges Spektrometer kann aber auch für vier separate optische Dehnungsmessstreifen
mit jeweils nur einem Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter ausgebildet
sein, wobei mit zusätzlicher
Temperaturkompensation dann eine Fotodiodenzeile 10 mit zehn
oder sechs Interferenzgittern und zehn oder sechs optoelektrischen
Wandlerbereichen vorgesehen sind. Mit einem derart ausgebildeten
optischen Spektrometer können
auf einfache Weise beispielsweise auch das Gewicht auf einer Plattformwaage mit
vier optischen Kraftaufnehmern ermittelt werden. Da auch in diesem
Fall alle Interferenzfilter und optoelektrischen Wandlerelemente
auf einem gemeinsamen Halbleiterbauelement aufgebracht sind, ist
dabei ein identisches Alterungs- und Temperaturverhalten sichergestellt
und durch die Differenzbildung der linearen vorzugsweise gegenläufigen Durchlassbereiche
eine hohe Arbeitspunktstabilität
gewährleistet, so
dass auch bei einer derartigen Messvorrichtung lediglich eine jährliche
Kalibrierung oder Eichung ausreichend wäre.However, such a spectrometer can also be designed for four separate optical strain gauges, each with only one optical waveguide with Bragg grating, wherein with additional temperature compensation then a line of photodiodes 10 With ten or six interference gratings and ten or six opto-electrical conversion regions are provided. With such a trained optical spectrometer can be easily determined, for example, the weight on a platform scale with four optical force transducers. Since in this case all interference filters and optoelectric transducer elements are mounted on a common semiconductor device, an identical aging and temperature behavior is ensured and ensured by the difference of the linear preferably opposite passage areas high operating stability, so that even with such a measuring device only an annual Calibration or calibration would be sufficient.
Ein
derartiges optisches Spektrometer 2 mit mindestens zwei
Interferenzfiltern F11, F12 mit überlappenden
vorzugsweise gegenläufigen
Durchlassbereichen eignet sich aber auch für andere optische Mess- oder
Auswerteverfahren, bei der eine physikalische Größe aus der jeweiligen Wellenlänge eines Lichtsignals
ableitbar ist. Dabei können
auf einem optoelektrischen Wandlerelement mit vorgeschalteten Interferenzfiltern
auch bis zu etwa 100 Wandlerbereiche vorgesehen werden, mit denen
auf einfache Weise eine Vielzahl von Wellenlängenänderungen auswertbar sind.
Bei Interferenzfiltern mit flachen Kennlinienverlauf ist dabei ein
großer
Wellenlängenbereich und
mit einem steilen Kennlinienverlauf ist dabei eine große Signalauflösung möglich. Da
durch moderne Halbleiterfertigungstechniken durch Bedampfen oder Auftragen
sehr dünner λ/2- und λ/4-Schichten
auf Fotodioden Interferenzfilterpaare mit unterschiedlichsten Durchlassbereichen
und Filterkennlinien herstellbar sind, können derartige Serienteile
auch sehr kostengünstig
für die verschiedensten
optischen Mess- oder Auswerteverfahren eingesetzt werden.Such an optical spectrometer 2 However, with at least two interference filters F11, F12 with overlapping preferably opposing pass bands is also suitable for other optical measurement or evaluation, in which a physical quantity of the respective wavelength of a light signal can be derived. In this case, up to about 100 transducer regions can also be provided on an opto-electrical converter element with upstream interference filters, with which a plurality of wavelength changes can be evaluated in a simple manner. In the case of interference filters with a flat characteristic curve, a large wavelength range is involved, and with a steep characteristic curve, a large signal resolution is possible. Since modern semiconductor production techniques can be produced by vapor deposition or application of very thin λ / 2 and λ / 4 layers on photodiodes interference filter pairs with different transmission ranges and filter characteristics, such series parts can also be used very cost effective for a variety of optical measurement or evaluation.