Ein CCD oder Charge Coupled Device ist ein hochsensibler Photonendetektor. Sie ist in eine große Anzahl lichtempfindlicher kleiner Bereiche, sogenannte Pixel, unterteilt, die verwendet werden können, um ein Bild des jeweiligen Bereichs zusammenzustellen.
Ein CCD ist ein siliziumbasierter, mehrkanaliger Array-Detektor für UV-, sichtbares und nahinfrarotes Licht. Diese werden für die Spektroskopie verwendet, da sie extrem lichtempfindlich sind. Das macht diese Detektoren geeignet für die Analyse des von Natur aus schwachen Raman-Signals. Es ermöglicht außerdem einen Mehrkanalbetrieb, was bedeutet, dass das gesamte Spektrum in einer einzigen Erfassung erkannt werden kann.
CCDs werden weit verbreitet über Sensoren hinaus in Digitalkameras eingesetzt. Versionen, die für die wissenschaftliche Spektroskopie verwendet werden, sind von deutlich höherer Qualität, um die bestmögliche Empfindlichkeit, Gleichmäßigkeit und Rauscheigenschaften zu gewährleisten.
CCD-Detektoren sind typischerweise eindimensional, werden als linear oder zweidimensional bezeichnet, bezeichnet als Flächenarrays aus Tausenden oder Millionen einzelner Detektorelemente. Diese Elemente werden als Pixel bezeichnet. Jedes Element interagiert mit Licht, um eine Ladung aufzubauen. Je heller das Licht und/oder je länger die Wechselwirkung, desto mehr Ladung wird registriert. Am Ende der Messung entzieht die Auslese-Elektronik die Ladung aus den Elementen, und jeder einzelne Ladungswert wird gemessen.
In einem typischen Raman-Spektrometer wird das Raman-gestreute Licht mittels eines Beugungsgitters verteilt. Dieses dispersierte Licht wird auf die Längsachse des CCD-Arrays projiziert. Das erste Element detektiert Licht vom niedrigen cm-1-Rand des Spektrums. Das zweite Element erkennt Licht von der nächsten Spektralposition und so weiter. Das letzte Element detektiert Licht vom hohen cm-1-Rand des Spektrums.
CCDs benötigen eine gewisse Kühlung, um sie für hochwertige Spektroskopie geeignet zu machen. Dies geschieht typischerweise entweder mit Peltier-Kühlung, die für Temperaturen bis zu -90 °C geeignet ist, oder mit Flüssigstickstoff-Kryogenkühlung. Die meisten Raman-Systeme verwenden Peltier-gekühlte Detektoren, aber flüssigstickstoffgekühlte Detektoren haben dennoch Vorteile für bestimmte spezialisierte Anwendungen.
Was ist ein CCD-Detektor
Ein elektronenmultiplizierendes ladungsgekoppeltes Gerät (EMCCD) ist ein Bildsensor. Es ist in der Lage, einzelne Photonenereignisse ohne Bildverstärker zu detektieren, indem eine einzigartige Elektronenmultiplikationsstruktur im Chip verwendet wird.
EMCCD-Kameras sind so konzipiert, dass sie eine grundlegende physikalische Einschränkung überwinden und hohe Empfindlichkeit mit hoher Geschwindigkeit liefern. Traditionelle CCD-Kameras boten eine hohe Empfindlichkeit mit geringen Auslesegeräuschen, allerdings auf Kosten der langsamen Auslesung. Diese wurden oft als 'Slow Scan'-Kameras bezeichnet.
EMCCD überwand dies, indem es das Signal verstärkte. Das bedeutet, dass das Ausleserauschen effektiv umgangen wird und keine Empfindlichkeitsbegrenzung mehr darstellt.
Was die EMCCD-Technologie auszeichnet, ist die Hinzufügung eines spezialisierten erweiterten seriellen Registers auf dem CCD-Chip. Sie erzeugt Multiplikationsgewinn durch den Prozess der Aufprallionisation in Silizium.
Wenn Photonen knapp sind, kann das Signal, das das Bildgerät erreicht, schwach genug sein, um sich mit dem Hintergrundrauschen zu vermischen. Die EMCCD-Technologie ist darauf ausgelegt, das inhärente elektronische Rauschen des Ausleseprozesses zu reduzieren.
EMCCD-Kameras überwinden die meisten Bildgebung bei schlechtem Licht. Diese Detektoren unterstützen zudem schnellere Bildaufnahmeraten als ihre CCD-Gegenstücke, was sie für Live-Bildgebung äußerst geeignet macht. Zusätzlich bieten EMCCD-Kameras eine ultimative Empfindlichkeit für die Beobachtung der dunkelsten Szenen. Dies erreicht es, indem es zu Weitfeld-Echtzeit-Photonenzählgeräten wird.
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