1 Überblick über die Sensorik

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316 6.2 Kenngrößen optischer Sensoren 6.2 Kenngrößen optischer Sensoren 317
Kurve C: Bei idealen thermischen Zählern liegt keine Wellenlängenabhängigkeit
der spektralen Empfindlichkeit vor.
Eine ganz andere Wellenlängenabhängigkeit zeigen optische Sensoren auf der Basis
von thermischen Zählern (Bolometern). In diesem Fall ist das Sensorsignal nicht
proportional zur Photonenflußdichte j phot T , sondern zur Energieflußdichte j hν nach
(6.1-15). Damit gilt
Rauschursachen in optischen Signalquellen (nach [6.2]): Aufgetragen ist die spektrale
Leistungsdichte des Rauschens in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge.
Im Bereich großer Photonenenergien (kurze Wellenlängen) dominiert das Quantenrauschen,
das durch Schwankungen der Photonendichte entsteht. Bei großen Wellenlängen
überwiegt das thermische Rauschen aufgrund der Wärmestrahlung (Bild
6.2-1).
Bei optischen Halbleitersensoren kann eine Vielzahl von Rauschquellen die Nachweisempfindlichkeit
der Sensoren einschränken (Band 2, Abschnitt 14.1, [6.3 und 4]).
Bild 6.2-3b zeigt das Ersatzschaltbild eines Photodetektors mit den einzelnen
Rauschquellen.
d.h. es ergibt sich eine von der Wellenlänge unabhängige spektrale Empfindlichkeit
(Kurve C in Bild 6.2-2).
Eine weitere wichtige Kenngröße für optische Sensoren ist die Ansprechzeit τ, die
z.B. charakterisiert werden kann durch die maximale gerade noch zu detektierende Modulationsfrequenz
f max der Lichtintensität:
Bild 6.2-3b Ersatzschaltbild eines Photodetektors mit Rausch-Stromquellen (nach [6.4]):
i = Signalstrom
i S
2
= Schrotrauschen, i 2 GR = Generations-Rekombinationsrauschen:
Beide können zusammengefaßt werden zu [6.3]:
Die Nachweisgrenze optischer Sensoren ergibt sich als minimale optische Strahlungsleistung,
die vom Sensor gerade noch detektiert werden kann, sie wird maßgeblich durch
das Sensorrauschen bestimmt. Bei der optischen Strahlungsquelle selber entstehen
Rauschquellen durch das Quantenrauschen, sowie durch das thermische Rauschen
(Band 2, Abschnitt 14) des Hintergrunds, aus dem die Strahlung emittiert wird
(Bild 6.2-3a).
mit der Frequenzbandbreite B des betrachteten Systems und einem Multiplikationsfaktor (s.u.)
M
i 2 th= thermisches oder Widerstandsrauschen am Widerstand R i = 1/G i [6.4]:
Als spektrales Nachweisvermögen oder Detektivität D wird das Verhältnis von spektraler
Empfindlichkeit zur normierten Rauschspannung gewählt. Da die Rauschspannung
U N im allgemeinen proportional ist zur Wurzel aus der Frequenzbandbreite B
und der Sensorfläche A:
definiert man als normierte Rauschspannung
Bild 6.2-3a
so daß man als Detektivität erhält: