O que é um detector CCD?

Um CCD ou  Um dispositivo de carga acoplada (CCD) é um detector de fótons altamente sensível. Ele é dividido em um grande número de pequenas áreas fotossensíveis, conhecidas como pixels, que podem ser usadas para formar uma imagem da área de interesse.

Um CCD é um detector de matriz multicanal à base de silício que capta luz ultravioleta, visível e infravermelha próxima. Esses detectores são usados em espectroscopia devido à sua extrema sensibilidade à luz. Isso os torna adequados para a análise do sinal Raman, que é inerentemente fraco. Além disso, permitem a operação multicanal, o que significa que todo o espectro pode ser detectado em uma única aquisição.

Os CCDs são amplamente utilizados além dos sensores em câmeras digitais. As versões usadas para espectroscopia científica são de qualidade consideravelmente superior, para oferecer a melhor sensibilidade, uniformidade e características de ruído possíveis.

Os detectores CCD são tipicamente unidimensionais, também chamados de lineares, ou bidimensionais, também chamados de matrizes de área, compostos por milhares ou milhões de elementos detectores individuais. Esses elementos são conhecidos como pixels. Cada elemento interage com a luz para acumular uma carga. Quanto mais brilhante a luz e/ou quanto maior o tempo de interação, maior a carga registrada. Ao final da medição, os circuitos eletrônicos de leitura extraem a carga dos elementos e cada leitura de carga individual é registrada.

Em um espectrômetro Raman típico, a luz espalhada por Raman é dispersa por meio de uma grade de difração. Essa luz dispersa é projetada no eixo longitudinal do conjunto de CCDs. O primeiro elemento detecta a luz da extremidade de baixa frequência (^cm⁻¹) do espectro. O segundo elemento detecta a luz da próxima posição espectral, e assim por diante. O último elemento detecta a luz da extremidade de alta frequência (^cm⁻¹) do espectro.

Os CCDs requerem algum grau de resfriamento para serem adequados para espectroscopia de alta qualidade. Isso geralmente é feito usando resfriamento Peltier, adequado para temperaturas de até -90 ^° C, ou resfriamento criogênico com nitrogênio líquido. A maioria dos sistemas Raman utiliza detectores resfriados por Peltier, mas os detectores resfriados com nitrogênio líquido ainda apresentam vantagens para certas aplicações especializadas.

Um dispositivo de carga acoplada com multiplicação de elétrons (EMCCD) é um sensor de imagem. Ele é capaz de detectar eventos de fótons individuais sem um intensificador de imagem, utilizando uma estrutura exclusiva de multiplicação de elétrons integrada ao chip.

As câmeras EMCCD são projetadas para superar uma limitação física fundamental, oferecendo alta sensibilidade e alta velocidade. As câmeras CCD tradicionais ofereciam alta sensibilidade com baixo ruído de leitura, mas à custa de uma leitura lenta. Essas câmeras eram frequentemente chamadas de câmeras de "varredura lenta".

A tecnologia EMCCD superou esse problema amplificando o sinal. Isso significa que o ruído de leitura é efetivamente contornado e deixa de ser uma limitação para a sensibilidade.

O que distingue a tecnologia EMCCD é a adição de um registrador serial estendido especializado no chip CCD. Ele produz ganho de multiplicação através do processo de ionização por impacto no silício.

Quando os fótons são escassos, o sinal que chega ao dispositivo de imagem pode ser fraco o suficiente para se misturar com o ruído de fundo. A tecnologia EMCCD foi projetada para reduzir o ruído eletrônico inerente ao processo de leitura.

As câmeras EMCCD superam a maioria dos desafios de imagem em baixa luminosidade. Esses detectores também suportam taxas de aquisição de quadros mais rápidas do que seus equivalentes CCD, tornando-os altamente adequados para imagens ao vivo. Além disso, as câmeras EMCCD oferecem sensibilidade máxima para a observação das cenas mais escuras. Isso é possível graças à sua capacidade de gerar imagens de contagem de fótons em tempo real e com amplo campo de visão.