Optisches Spektrometer

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.

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 λ _B 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.

Aus der DE 37 43 584 Al 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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Auswertevorrichtung mit einem optischen Spektrometer zur Auswertung von

Lichtwellensignalen eines optischen Dehnungsaufnehmers; Fig. 2: eine schematische optoelektrische Wandlerzeile, die mit 8 Interferenzfiltern unterschiedlicher Durchlassbereiche abgedeckt ist;

Fig. 3: eine schematische Auswerteschaltung mit einer Wandlerzeile, die mit zwei Interferenzfiltern unterschiedlicher Durchlassbereiche abgedeckt ist; Fig. 4: einen linearen gegenläufigen Kennlinienbereich zweier Interferenzfilter mit unterschiedlichen

Durchlassbereichen, und

Fig.5: einen linearen, sich schneidenden Kennlinienbereich zweier Interferenzfilter mit einer konstanten und einer abfallenden Kennlinie.

In Fig. 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.

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.

Die Bragg-Gitter 8 im optischen Dehnungsmessstreifen 3 haben die Eigenschaft, dass sie aufgrund einer Dehnung die

Wellenlänge λ _B 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 λ _B i bis λ _B4 reflektiert, die sich bei

einer axialen Dehnung des die Bragg-Gitter 8 enthaltenden Wellenleiters in einem Bereich von vorzugsweise δλ _B i =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 λ _B i bis λ _B4 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 Al _n ^ _x von vorzugsweise + 1.000 μm/m ändert sich somit die reflektierte Lichtwellenlänge als Bragg-Wellenlänge λ _B i bis λ _B4 proportional zur Dehnung des Bragg-Gitters 8, das vorzugsweise eine Länge von 5 bis 10 mm aufweist.

Die reflektierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Bragg- Wellenlänge λ _B i bis λ _B4 werden nun über die Umschalteinheit 7 und den optischen Koppler 6 dem optischen Spektrometer 2 zugeführt, um die entsprechende Wellenlänge λ _Mes s 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 Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellt ist. Die Fotodiodenzeile 10 besteht dabei aus 8 separaten optoelektrischen Wandlerbereichen Dil, D12, D21, D22, D31, D32, D41, D42, wobei jeweils zwei Wandlerbereiche Dil, D12 einem separaten Bragg-Gitter 8 zugeordnet sind, das jeweils ein optisches Dehnungssignal λ _Mess 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 Dil, D12, D21, D22, D31, D32, D41, D42 sind als optische Filter jeweils Interferenzfilter FlI, 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 δλ _B i bis δλ _B 4 von 5 nm überschneiden. Dabei sind beispielsweise die Interferenzfilter FlI und F12 dem ersten Bragg-Gitter 8 des optischen Dehnungsmessstreifens 3 zugeordnet und z. B. auf einen Wellenlängenbereich von δλ _B i = 1.530 ± 2,5 nm abgestimmt. Da sich die anderen drei Bragg- Gitter in ihrer mittleren Bragg-Gitter-Wellenlänge λ _B2 , λ _B3 und λ _B4 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 .

Eine derartige Fotodiodenzeile 10 mit 8 Bereichen ist als Serienteil erhältlich und besitzt ein Belichtungsfenster von ca. 5 bis 10 mm 0 und stellt ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement dar. Auf eine derartige Fotodiodenzeile 10 wird das von den Bragg-Gittern 8 reflektierte Licht Si, S ₂ , S ₃ , S ₄ vorzugsweise über ein dispersives Element 9 eingespeist, wobei mindestens die zugehörigen reflektierten Strahlen Si des ersten Bragg-Gitters 8 mindestens auf die zugehörigen beiden Interferenzfilter FIl und F12 gelenkt werden. Während die übrigen reflektierten Bragg-Gitter-Strahlen S ₂ , S ₃ , S ₄ auf die darauf abgestimmten Interferenzfilterpaare F21; F22 und F31; F32 sowie F41; F42 gerichtet sind.

Bei einer vereinfachten Ausführung kann die eine Seite der Fotodiodenzeile 10 mit den Interferenzfiltern F12, F22, F32 und F42 mit einem einheitlichen Interferenzfilter FlO 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 Dil - D42 aufgebracht sind und vorzugsweise auch als Interferenzfilter ausgebildet sind. Es ist dabei auch möglich, dass die gesamte Fotodiodenzeile lediglich mit fünf

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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.

Die Funktion eines optoelektrischen Wandlers 10 mit jeweils nur zwei Wandlerbereichen Dil, D12 und zwei darauf aufgebrachten Interferenzfiltern FIl, 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 Fig. 3 der Zeichnung ersichtlich, das eine schematische Auswerteschaltung 11 darstellt. Dabei gelangen die reflektierten Lichtstrahlen S _x zunächst auf die beiden Interferenzfilter FIl und F12, die auf die beiden Wandlerbereiche Dil und D12 der Diodenzeile 10 aufgetragen sind.

Derartige Interferenzfilter FlI- 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 vonδA 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.

Erfindungsgemäß sind deshalb auf den beiden Wandlerbereichen. Dil und D12 mindestens zwei optische Filter, vorzugsweise Interferenzfilter FIl, F12 aufgebracht, deren

Durchlasskennlinien sich mindestens um einen linearen Bereich mit unterschiedlicher Steigung, vorzugsweise mit einer gegenläufigen Steigung überschneiden, der vorzugsweise einen Wellenlängenbereich δλ _B i von 5 nm umfasst.

Ein derartiger Filterkennlinenbereich der beiden Interferenzfilter FIl, F12 mit einer gegenläufigen Steigung ist in Fig. 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 FIl so konzipiert, dass es im Durchlassbereich der mittleren Bragg-Wellenlänge λ _B i 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 λ _B i schneiden. Dieser Schnittpunkt 17 bei λ _B i 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 FIl als auch das Interferenzfilter F12 vorzugsweise zu ca. 50% für die mittlere Bragg-Gitter-Wellenlänge λ _B i lichtdurchlässig. Dabei ist für jeden Dehnungszustand innerhalb des Bereiches von - 1.000 μm/m bis + 1.000 μm/m eine proportionale Messwellenlänge λ _MeSs zuordenbar, die insgesamt den Messbereich von 100% umfasst.

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Für diesen Aufnehmerzustand ohne eine Dehnung oder Stauchung des Verformungskörpers liefern die beiden Fotodiodenbereiche Dil, D12 ein gleich großes elektrisches Signal, das als Stromoder Spannungswert an den Ausgängen 22, 23, 24 der beiden

5 zugeordneten Wandlerelemente Dil 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

0 einer zweiten Rechenschaltung 14 zugeführt, die daraus einen Dehnungswert von beispielsweise 0 μm/m errechnet, der in einer Anzeigeschaltung 15 anzeigbar ist.

Wird nun der Bereich des optischen Dehnungsmessstreifens 3 mit 5 dem ersten Bragg-Gitter 8 mit einer Kraft beaufschlagt, so erfolgt beispielsweise eine Dehnung im zugeordneten Verformungskörper, so dass sich dadurch die reflektierte Wellenlänge λ _MeSs proportional zur Dehnung verändert. Die geänderte Wellenlänge λ _Mβ ss wird nun von den beiden !0 Interferenzfiltern FIl, F12 unterschiedlich durchgelassen, wobei das Filter FIl 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

»5 Fotodiodenelementen Dil 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.

0 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 5 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.

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.

Ein optisches Spektrometer 2 mit einer derartigen Fotodiodenzeile 10 mit nur zwei Interferenzfiltern FIl, F12 und nur zwei Wandlerbereichen Dil, D12 ist bereits ausreichend für die Detektion der erfassten Wellenlänge λ _MeSs eines

optischen Dehnungsmessstreifens mit nur einem Bragg-Gitter 8 oder für andere Auswertungen, bei der die erfasste Wellenlänge λ _MesS proportional zur ermittelbaren physikalischen Größe ist.

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 FlI, F12; F21, F22; F31, F32 und jeweils zwei fotoelektrische Wandlerbereiche Dil, 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 λ _MeSs 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.

Bei der vereinfachten Ausführung der Fotodiodenzeile mit einem Interferenzfilter FlO mit konstanter Durchlasskennlinie auf

einem fotoelektrischen Wandlerbereich Dil und Interferenzfiltern FIl mit abfallenden linearen Kennlinienbereichen 20 ergeben sich überschneidende Durchlassbereiche, die auch auf Wellenlängenbereichen von mindestens Aλ _Bl von 5 nm abgestimmt sein können. Ein derartiger Filterkennlinienbereich mit zwei speziellen Interferenzfiltern FlO und FIl ist in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt. Dabei besitzt das Interferenzfilter FlO 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 FIl auf einer mittleren Bragg-Wellenlänge λ _m schneidet, in dessen Bereich beide Kennlinien 20, 25 unterschiedliche lineare Steigungen aufweisen. An diesem Referenz- oder Schnittpunkt 17 sind beide Referenzfilter FIl, FlO vorzugsweise zu 50 % für die mittlere Bragg-Wellenlänge λ _Bι durchlässig. Die Auswertung der beiden Messsignale durch Differenzbildung erfolgt in der bereits zu Fig. 3 und 4 beschriebenen Art. Dabei besitzt ein derartiges optisches Filter als Interferenzfilter FlO 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 FlO mit zugeordneten Wandlerelement Dil für eine Vielzahl von zugehörigen Filter- und Wandlerelementen nötig ist.

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.

Ein derartiges optisches Spektrometer 2 mit mindestens zwei Interferenzfiltern FlI, 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.