2.4 Der Dynamikbereich des Detektors

Für gewöhnlich erfüllt ein Detektor die Bedingungen für Linearität nur für einen begrenzten Bereich des Eingangssignals. Die Grenzen zwischen diesem sogenannten Dynamikbereich werden durch zwei Effekte definiert:

  • Ist die Signalstärke des Eingangssignals niedrig, wird das Ausgangssignal stark von Rauschen beherrscht. Rauschen tritt als zufällige zeitliche Schwingung des Ausgangssignals auf, auch wenn das Eingangssignal konstant ist. Der Absolutpegel und die Frequenzverteilung dieser Schwankungen sind von den physikalischen Eigenschaften des Detektors und der angeschlossenen Elektronik abhängig. Bei vielen Detektoren hängt Rauschen nicht mit dem Absolutpegel des Eingangssignals zusammen und kann für Eingangssignale über einen bestimmten Mindestpegel außer Acht gelassen werden. Hingegen ist bei sehr niedrigen Eingangssignalen das Ausgangssignal von Rauschen beherrscht, sodass die physikalische Größe nicht mehr bestimmt werden kann. Die untere Grenze des Messbereichs, dargestellt durch Rauschen, wird durch die rauschäquivalente Eingangsgröße bestimmt. Die CIE definiert die rauschäquivalente Eingangsgröße als den Wert einer betreffenden physikalischen Größe (Strahlungsfluss oder Lichtstrom, Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke, …), aus dem sich ein Ausgangssignal ergibt, das dem quadratischen Mittelwert des ausgehenden Rauschpegels gleichkommt. Da die Form des Rauschsignals von der zeitlichen Auflösung abhängt (durch die Aufzeichnungselektronik, oft mittels der Zeitkonstanten der Elektronik beschrieben), wird die rauschäquivalente Eingangsgröße für eine bestimmte Frequenz und Bandbreite festgelegt. Wenn nicht anders angegeben, wird für gewöhnlich eine Bandbreite von 1 Hz betrachtet. Je nach Detektoreigenschaften kann eine Reduzierung des Rauchpegels durch längere Integrationszeiten oder mittels nachfolgender Durchschnittsmessungen desselben Eingangssignals erzielt werden.
  • Bei hoher Stärke des Eingangssignals steigt das Ausgangssignal des Detektors nicht mehr proportional zum Eingangssignal an und somit erfüllt der Detektor nicht mehr die Linearitätsbedingungen. Stattdessen führen physikalische Grenzen des lichtempfindlichen Elements und / oder der Elektronik zu einer Sättigung des Ausgangssignals. Diese steigt bis zum Erreichen eines konstanten Levels unverhältnismäßig zum Eingangssignal an. Nachfolgende Korrekturen des Ausgangssignals können bis zu einem gewissen Grad für die Sättigungseffekte verantwortlich sein und somit den Dynamikbereich des Detektors erweitern. Diese Korrektur muss auf Grundlage einer umfassenden Laboruntersuchung stattfinden, in der das Dynamikverhalten des Detektors untersucht wird. Gleichzeitig müssen höhere Messunsicherheiten bei starken Eingangssignalen hervorgerufen werden.

Dabei hängt der Dynamikbereich eines Detektors auch mit dem Fotodiodentyp zusammen. Der Dynamikbereich der Gesamtmessanlage hängt sowohl vom Detektor als auch von der Reichweite der elektronischen Messgeräte ab. Beispielsweise ist eine übliche Silizium-Fotodiode in der Lage, mehr als 2 mA zu messen, bevor Sättigung eintritt. Der obere Strommessbereich kann hier jedoch auf 200 μA begrenzt sein.

Mit diesem Bereich werden äußerst niedrige Strahlintensitäten abgedeckt, wie etwa die Quantifizierung von erythemwirksamer UV-Strahlung. Auf der anderen Seite werden auch sehr hohe Intensitäten, die in der industriellen UV-Aushärtung zum Einsatz kommen, gemessen.