Modul 6 - Nicht-Fotografische Aufnahmesysteme - Optisch-Mechanische Scanner - Digitalisierung und Detektoren

Digitalisierung

Um ein aufgenommenes Signal speichern zu können, muss eine Analog-Digital-Wandlung vorgenommen werden.
Laut Abtasttheorem muss das Digitalisierungsintervall kleiner als die halbe Länge der kürzesten Welle des zu digitalisierenden Signals gewählt werden. Bei eingehaltenem Abtasttheorem ist es später möglich, aus den digitalisierten Werten das kontinuierliche Signal durch Interpolation wieder fehlerfrei zu rekonstruieren.

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Detektoren

Die Leistungsfähigkeit eines Abtasters/Scanners hängt vor allem von den verwendeten Detektoren ab. Dies sind sogenannte Quantendetektoren, bei denen Photonen in direkter Wechselwirkung mit den Elektronen im Detektormaterial freie Ladungsträger produzieren, die anschließend einen messbaren Strom oder eine messbare Spannung hervorrufen.
Im sichtbaren Spekralbereich und im nahen Infrarot werden Quantendetektoren eingesetzt, die nach dem äußeren fotoelektrischen Effekt arbeiten: Photonen 'schlagen' Elektronen aus dem Detektormaterial heraus, diese freien Elektronen bilden ein messbares Detektorsignal.

Ein Detektor zeichnet sich durch seine spektrale Empfindlichkeit, seine Rauscheigenschaften und seine Reaktionszeit aus.
Dabei ist die spektrale Empfindlichkeit ein Maß dafür, wie gut bzw. linear der Detektor sich ändernde Strahlungsintensitäten in unterschiedliche Spannungen umsetzen kann. Allein die Empfindlichkeit sagt jedoch nichts über die Brauchbarkeit des Detektors aus, sein Signal/Rauschverhältnis (S/N) ist ebenso wichtig. 
Jedes Detektorsignal ist von Rauschen (statistischen Schwankungen) überlagert, welche das Signal verzerren. Das Signal/Rauschverhältnis sollte immer größer als Eins sein, d.h. die auftreffende Strahlung sollte intensiver als das detektoreigene Signal sein. Das Rauschen begrenzt vor allem die radiometrische Auflösung, d.h. die kleinste messbare Strahldichtedifferenz. Das Rauschen hängt von der Detektortemperatur ab, es kann durch Kühlung minimiert werden. Dies ist im Bereich des sichtbaren Lichts sowie des nahen und mittleren Infrarots nicht nötig. Die Detektoren für das thermische Infrarot (Thermalbereich) müssen allerdings meist auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs (-196°C) gekühlt werden.

Jedes Detektorsystem kann nur Signale eines bestimmten Frequenzbereiches erfassen – das System besitzt eine bestimmte Bandbreite

Df = n * p / Da,

wobei n die Abtastfrequenz und Da der Öffnungswinkel des Scannersystems ist.
Signale mit zu rasch wechselnden Strahlungsänderungen werden verzerrt, Frequenzen, die über die Bandbreite hinausgehen werden nicht registriert. Das Rauschen enthält Komponenten aller Frequenzen, je größer die Bandbreite eines Detektors, umso größer ist sein Frequenzbereich, desto größer ist aber auch das registrierte Rauschen. Aus diesem Grund sollte die Bandbreite eines Detektors nicht größer als unbedingt notwendig sein. 
Eine weitere Maßzahl für die Güte des Detektormaterials ist die Detektivität. Sie ist eine Funktion der Bandbreite des Detektors, der Detektorfläche sowie sonstiger Messbedingungen.

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