Cảm biến đo lường thông minh sử dụng công nghệ CCD scan có lợi ích gì?

Cảm biến phát hiện các đối tượng và đo chiều rộng, độ dày và các kích thước khác của chúng, với phương pháp quét CCD hoặc laser để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng và độ chính xác khác nhau.

Thiết bị ghép nối điện tích (CCD) là một mạch tích hợp chứa một mảng tụ điện được liên kết hoặc ghép nối. Dưới sự điều khiển của mạch ngoài, mỗi tụ điện có thể truyền điện tích của nó sang tụ điện lân cận. Cảm biến CCD là công nghệ chính được sử dụng trong hình ảnh kỹ thuật số/ A charge-coupled device (CCD) is an integrated circuit containing an array of linked, or coupled, capacitors. Under the control of an external circuit, each capacitor can transfer its electric charge to a neighboring capacitor. CCD sensors are a major technology used in digital imaging.

Trong cảm biến hình ảnh CCD, các điểm ảnh được biểu diễn bằng tụ điện kim loại-ôxít-bán dẫn (MOS) pha tạp p. Các tụ điện MOS này, các khối xây dựng cơ bản của CCD,[1] được phân cực trên ngưỡng đảo ngược khi bắt đầu thu thập hình ảnh, cho phép chuyển đổi các photon tới thành điện tích electron tại giao diện bán dẫn-ôxít; sau đó CCD được sử dụng để đọc các điện tích này. Mặc dù CCD không phải là công nghệ duy nhất cho phép phát hiện ánh sáng, nhưng cảm biến hình ảnh CCD được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chuyên nghiệp, y tế và khoa học, nơi yêu cầu dữ liệu hình ảnh chất lượng cao. Trong các ứng dụng có yêu cầu chất lượng ít khắt khe hơn, chẳng hạn như máy ảnh kỹ thuật số chuyên nghiệp và tiêu dùng, cảm biến pixel chủ động, còn được gọi là cảm biến CMOS (cảm biến MOS bổ sung), thường được sử dụng. Tuy nhiên, lợi thế lớn về chất lượng mà CCD có được ban đầu đã thu hẹp theo thời gian và kể từ cuối những năm 2010, cảm biến CMOS là công nghệ thống trị, đã thay thế phần lớn nếu không muốn nói là hoàn toàn cảm biến hình ảnh CCD./ In a CCD image sensor, pixels are represented by p-doped metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors. These MOS capacitors, the basic building blocks of a CCD,[1] are biased above the threshold for inversion when image acquisition begins, allowing the conversion of incoming photons into electron charges at the semiconductor-oxide interface; the CCD is then used to read out these charges. Although CCDs are not the only technology to allow for light detection, CCD image sensors are widely used in professional, medical, and scientific applications where high-quality image data are required. In applications with less exacting quality demands, such as consumer and professional digital cameras, active pixel sensors, also known as CMOS sensors (complementary MOS sensors), are generally used. However, the large quality advantage CCDs enjoyed early on has narrowed over time and since the late 2010s CMOS sensors are the dominant technology, having largely if not completely replaced CCD image sensors.
 

Cơ bản về hoạt động/ Basics of operation

Các gói điện tích (electron, màu xanh) được thu thập trong các giếng thế (màu vàng) được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp dương tại các điện cực cổng (G). Áp dụng điện áp dương vào điện cực cổng theo đúng trình tự sẽ truyền các gói điện tích./ The charge packets (electrons, blue) are collected in potential wells (yellow) created by applying positive voltage at the gate electrodes (G). Applying positive voltage to the gate electrode in the correct sequence transfers the charge packets.



Trong CCD để chụp ảnh, có một vùng quang hoạt (một lớp silicon epitaxial) và một vùng truyền được tạo thành từ một thanh ghi dịch chuyển (CCD, nói đúng hơn là như vậy)/ In a CCD for capturing images, there is a photoactive region (an epitaxial layer of silicon), and a transmission region made out of a shift register (the CCD, properly speaking).

Một hình ảnh được chiếu qua một thấu kính lên mảng tụ điện (vùng quang hoạt), khiến mỗi tụ điện tích tụ một điện tích tỷ lệ với cường độ ánh sáng tại vị trí đó. Mảng một chiều, được sử dụng trong máy ảnh quét dòng, chụp một lát cắt duy nhất của hình ảnh, trong khi mảng hai chiều, được sử dụng trong máy ảnh video và máy ảnh tĩnh, chụp một hình ảnh hai chiều tương ứng với cảnh được chiếu lên mặt phẳng tiêu cự của cảm biến. Sau khi mảng đã tiếp xúc với hình ảnh, một mạch điều khiển sẽ khiến mỗi tụ điện truyền nội dung của nó đến tụ điện lân cận (hoạt động như một thanh ghi dịch chuyển). Tụ điện cuối cùng trong mảng sẽ đổ điện tích của nó vào bộ khuếch đại điện tích, bộ khuếch đại này sẽ chuyển đổi điện tích thành điện áp. Bằng cách lặp lại quá trình này, mạch điều khiển sẽ chuyển đổi toàn bộ nội dung của mảng trong chất bán dẫn thành một chuỗi điện áp. Trong một thiết bị kỹ thuật số, các điện áp này sau đó được lấy mẫu, số hóa và thường được lưu trữ trong bộ nhớ; trong một thiết bị tương tự (như máy quay video tương tự), chúng được xử lý thành tín hiệu tương tự liên tục (ví dụ bằng cách đưa đầu ra của bộ khuếch đại điện tích vào bộ lọc thông thấp), sau đó được xử lý và đưa ra các mạch khác để truyền, ghi hoặc xử lý khác/ An image is projected through a lens onto the capacitor array (the photoactive region), causing each capacitor to accumulate an electric charge proportional to the light intensity at that location. A one-dimensional array, used in line-scan cameras, captures a single slice of the image, whereas a two-dimensional array, used in video and still cameras, captures a two-dimensional picture corresponding to the scene projected onto the focal plane of the sensor. Once the array has been exposed to the image, a control circuit causes each capacitor to transfer its contents to its neighbor (operating as a shift register). The last capacitor in the array dumps its charge into a charge amplifier, which converts the charge into a voltage. By repeating this process, the controlling circuit converts the entire contents of the array in the semiconductor to a sequence of voltages. In a digital device, these voltages are then sampled, digitized, and usually stored in memory; in an analog device (such as an analog video camera), they are processed into a continuous analog signal (e.g. by feeding the output of the charge amplifier into a low-pass filter), which is then processed and fed out to other circuits for transmission, recording, or other processing.
 

Detailed physics of operation

Charge generation

Sony ICX493AQA 10.14-megapixel APS-C (23.4 × 15.6 mm) CCD from digital camera Sony α DSLR-A200 or DSLR-A300, sensor side

Trước khi tụ điện MOS tiếp xúc với ánh sáng, chúng được phân cực vào vùng cạn kiệt; trong CCD kênh n, silicon dưới cổng phân cực được pha tạp p nhẹ hoặc nội tại. Sau đó, cổng được phân cực ở điện thế dương, cao hơn ngưỡng đảo ngược mạnh, cuối cùng sẽ dẫn đến việc tạo ra kênh n bên dưới cổng như trong MOSFET. Tuy nhiên, cần có thời gian để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt này: lên đến hàng giờ trong các máy ảnh khoa học cao cấp được làm mát ở nhiệt độ thấp. Ban đầu sau khi phân cực, các lỗ được đẩy sâu vào chất nền và không có electron di động nào ở hoặc gần bề mặt; do đó, CCD hoạt động ở trạng thái không cân bằng được gọi là cạn kiệt sâu. Sau đó, khi các cặp electron-lỗ trống được tạo ra trong vùng cạn kiệt, chúng bị tách ra bởi trường điện, các electron di chuyển về phía bề mặt và các lỗ trống di chuyển về phía chất nền. Có thể xác định được bốn quá trình tạo cặp/ Before the MOS capacitors are exposed to light, they are biased into the depletion region; in n-channel CCDs, the silicon under the bias gate is slightly p-doped or intrinsic. The gate is then biased at a positive potential, above the threshold for strong inversion, which will eventually result in the creation of an n channel below the gate as in a MOSFET. However, it takes time to reach this thermal equilibrium: up to hours in high-end scientific cameras cooled at low temperature. Initially after biasing, the holes are pushed far into the substrate, and no mobile electrons are at or near the surface; the CCD thus operates in a non-equilibrium state called deep depletion. Then, when electron–hole pairs are generated in the depletion region, they are separated by the electric field, the electrons move toward the surface, and the holes move toward the substrate. Four pair-generation processes can be identified:

- photo-generation (up to 95% of quantum efficiency),
- generation in the depletion region,
- generation at the surface, and
- generation in the neutral bulk.

Ba quá trình cuối cùng được gọi là tạo dòng tối và thêm nhiễu vào hình ảnh; chúng có thể giới hạn tổng thời gian tích hợp có thể sử dụng. Sự tích tụ các electron tại hoặc gần bề mặt có thể diễn ra cho đến khi tích hợp hình ảnh kết thúc và điện tích bắt đầu được truyền đi hoặc đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Trong trường hợp này, giếng được cho là đầy. Công suất tối đa của mỗi giếng được gọi là độ sâu của giếng, thường là khoảng 105 electron trên mỗi pixel./ The last three processes are known as dark-current generation, and add noise to the image; they can limit the total usable integration time. The accumulation of electrons at or near the surface can proceed either until image integration is over and charge begins to be transferred, or thermal equilibrium is reached. In this case, the well is said to be full. The maximum capacity of each well is known as the well depth, typically about 105 electrons per pixel.
 

Design and manufacturing

Trước khi tụ điện MOS tiếp xúc với ánh sáng, chúng được phân cực vào vùng cạn kiệt; trong CCD kênh n, silicon dưới cổng phân cực được pha tạp p nhẹ hoặc nội tại. Sau đó, cổng được phân cực ở điện thế dương, cao hơn ngưỡng đảo ngược mạnh, cuối cùng sẽ dẫn đến việc tạo ra kênh n bên dưới cổng như trong MOSFET. Tuy nhiên, cần có thời gian để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt này: lên đến hàng giờ trong các máy ảnh khoa học cao cấp được làm mát ở nhiệt độ thấp. Ban đầu sau khi phân cực, các lỗ được đẩy sâu vào chất nền và không có electron di động nào ở hoặc gần bề mặt; do đó, CCD hoạt động ở trạng thái không cân bằng được gọi là cạn kiệt sâu. Sau đó, khi các cặp electron-lỗ trống được tạo ra trong vùng cạn kiệt, chúng bị tách ra bởi trường điện, các electron di chuyển về phía bề mặt và các lỗ trống di chuyển về phía chất nền. Có thể xác định được bốn quá trình tạo cặp:

- tạo ảnh (lên đến 95% hiệu suất lượng tử),
- tạo trong vùng cạn kiệt,
- tạo ở bề mặt và
- tạo trong khối trung tính.

Ba quá trình cuối cùng được gọi là tạo dòng tối và thêm nhiễu vào hình ảnh; chúng có thể giới hạn tổng thời gian tích hợp có thể sử dụng. Sự tích tụ các electron tại hoặc gần bề mặt có thể diễn ra cho đến khi tích hợp hình ảnh kết thúc và điện tích bắt đầu được truyền đi hoặc đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Trong trường hợp này, giếng được cho là đầy. Công suất tối đa của mỗi giếng được gọi là độ sâu của giếng, thường là khoảng 105 electron trên mỗi pixel.

Thiết kế và sản xuất
Vùng quang hoạt của CCD, nói chung, là một lớp epitaxial silicon. Nó được pha tạp p nhẹ (thường là bo) và được phát triển trên vật liệu nền, thường là p++. Trong các thiết bị kênh chôn, loại thiết kế được sử dụng trong hầu hết các CCD hiện đại, một số vùng nhất định trên bề mặt silicon được cấy ion bằng phốt pho, tạo cho chúng một ký hiệu n-doped. Vùng này xác định kênh mà các gói điện tích được tạo ra do quang học sẽ di chuyển. Simon Sze trình bày chi tiết về các ưu điểm của thiết bị kênh chôn/ The photoactive region of a CCD is, generally, an epitaxial layer of silicon. It is lightly p doped (usually with boron) and is grown upon a substrate material, often p++. In buried-channel devices, the type of design utilized in most modern CCDs, certain areas of the surface of the silicon are ion implanted with phosphorus, giving them an n-doped designation. This region defines the channel in which the photogenerated charge packets will travel. Simon Sze details the advantages of a buried-channel device:

Lớp mỏng này (= 0,2–0,3 micron) bị cạn kiệt hoàn toàn và điện tích được tạo ra do quang học tích tụ được giữ cách xa bề mặt. Cấu trúc này có ưu điểm là hiệu suất truyền cao hơn và dòng điện tối thấp hơn, do sự tái hợp bề mặt giảm. Hình phạt là dung lượng điện tích nhỏ hơn, gấp 2–3 lần so với CCD kênh bề mặt/ This thin layer (= 0.2–0.3 micron) is fully depleted and the accumulated photogenerated charge is kept away from the surface. This structure has the advantages of higher transfer efficiency and lower dark current, from reduced surface recombination. The penalty is smaller charge capacity, by a factor of 2–3 compared to the surface-channel CCD.

Oxit cổng, tức là điện môi tụ điện, được phát triển trên lớp epitaxial và chất nền/ The gate oxide, i.e. the capacitor dielectric, is grown on top of the epitaxial layer and substrate.

Sau đó trong quá trình này, các cổng polysilicon được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học, tạo hoa văn bằng phương pháp quang khắc và khắc theo cách mà các cổng pha riêng biệt nằm vuông góc với các kênh. Các kênh được xác định thêm bằng cách sử dụng quy trình LOCOS để tạo ra vùng dừng kênh./ Later in the process, polysilicon gates are deposited by chemical vapor deposition, patterned with photolithography, and etched in such a way that the separately phased gates lie perpendicular to the channels. The channels are further defined by utilization of the LOCOS process to produce the channel stop region.

Các điểm dừng kênh là các oxit phát triển nhiệt có tác dụng cô lập các gói điện tích trong một cột khỏi các gói điện tích trong cột khác. Các điểm dừng kênh này được tạo ra trước khi các cổng polysilicon được tạo ra, vì quy trình LOCOS sử dụng bước nhiệt độ cao sẽ phá hủy vật liệu cổng. Các điểm dừng kênh song song với và không bao gồm các vùng kênh hoặc "mang điện tích"/ Channel stops are thermally grown oxides that serve to isolate the charge packets in one column from those in another. These channel stops are produced before the polysilicon gates are, as the LOCOS process utilizes a high-temperature step that would destroy the gate material. The channel stops are parallel to, and exclusive of, the channel, or "charge carrying", regions.

Các điểm dừng kênh thường có vùng pha tạp p+ bên dưới chúng, tạo ra một rào cản nữa đối với các electron trong các gói điện tích (cuộc thảo luận về vật lý của các thiết bị CCD này giả định một thiết bị truyền electron, mặc dù có thể truyền lỗ)/ Channel stops often have a p+ doped region underlying them, providing a further barrier to the electrons in the charge packets (this discussion of the physics of CCD devices assumes an electron transfer device, though hole transfer is possible).

Việc định thời gian của các cổng, xen kẽ cao và thấp, sẽ làm lệch hướng tiến và lùi của diode được cung cấp bởi kênh chôn (n-pha tạp) và lớp epitaxial (p-pha tạp). Điều này sẽ khiến CCD cạn kiệt, gần tiếp giáp p–n và sẽ thu thập và di chuyển các gói điện tích bên dưới các cổng—và bên trong các kênh—của thiết bị/ The clocking of the gates, alternately high and low, will forward and reverse bias the diode that is provided by the buried channel (n-doped) and the epitaxial layer (p-doped). This will cause the CCD to deplete, near the p–n junction and will collect and move the charge packets beneath the gates—and within the channels—of the device.

Sản xuất và vận hành CCD có thể được tối ưu hóa cho các mục đích sử dụng khác nhau. Quy trình trên mô tả một CCD truyền khung. Mặc dù CCD có thể được sản xuất trên một wafer p++ pha tạp mạnh, nhưng cũng có thể sản xuất một thiết bị bên trong các giếng p đã được đặt trên một wafer n. Theo báo cáo, phương pháp thứ hai này làm giảm hiện tượng nhòe, dòng điện tối và phản ứng hồng ngoại và đỏ. Phương pháp sản xuất này được sử dụng trong quá trình chế tạo các thiết bị truyền liên dòng/ CCD manufacturing and operation can be optimized for different uses. The above process describes a frame transfer CCD. While CCDs may be manufactured on a heavily doped p++ wafer it is also possible to manufacture a device inside p-wells that have been placed on an n-wafer. This second method, reportedly, reduces smear, dark current, and infrared and red response. This method of manufacture is used in the construction of interline-transfer devices.

Một phiên bản khác của CCD được gọi là CCD nhu động. Trong một thiết bị ghép nối điện tích nhu động, hoạt động truyền tải gói điện tích tương tự như sự co và giãn nhu động của hệ tiêu hóa. CCD nhu động có một bộ phận cấy ghép bổ sung giúp giữ điện tích tránh xa giao diện silicon/silicon dioxide và tạo ra một trường điện bên lớn từ cổng này sang cổng khác. Điều này cung cấp một lực đẩy bổ sung để hỗ trợ truyền tải các gói điện tích/ Another version of CCD is called a peristaltic CCD. In a peristaltic charge-coupled device, the charge-packet transfer operation is analogous to the peristaltic contraction and dilation of the digestive system. The peristaltic CCD has an additional implant that keeps the charge away from the silicon/silicon dioxide interface and generates a large lateral electric field from one gate to the next. This provides an additional driving force to aid in transfer of the charge packets.
 

Architecture

CCD from a 2.1-megapixel Argus digital camera


One-dimensional CCD image sensor from a fax machine

Cảm biến hình ảnh CCD có thể được triển khai trong một số kiến ​​trúc khác nhau. Phổ biến nhất là toàn khung, chuyển khung và xen kẽ. Đặc điểm nổi bật của từng kiến ​​trúc này là cách tiếp cận vấn đề màn trập./ The CCD image sensors can be implemented in several different architectures. The most common are full-frame, frame-transfer, and interline. The distinguishing characteristic of each of these architectures is their approach to the problem of shuttering.

Trong thiết bị toàn khung, toàn bộ vùng ảnh đều hoạt động và không có màn trập điện tử. Phải thêm màn trập cơ học vào loại cảm biến này, nếu không hình ảnh sẽ bị nhòe khi thiết bị được định thời gian hoặc đọc ra./ In a full-frame device, all of the image area is active, and there is no electronic shutter. A mechanical shutter must be added to this type of sensor or the image smears as the device is clocked or read out.

Với CCD chuyển khung, một nửa vùng silicon được phủ một lớp mặt nạ mờ (thường là nhôm). Hình ảnh có thể được chuyển nhanh từ vùng ảnh sang vùng mờ hoặc vùng lưu trữ với độ nhòe chấp nhận được là vài phần trăm. Sau đó, hình ảnh đó có thể được đọc chậm từ vùng lưu trữ trong khi hình ảnh mới đang tích hợp hoặc phơi sáng trong vùng hoạt động. Thiết bị chuyển khung thường không yêu cầu màn trập cơ học và là kiến ​​trúc phổ biến cho các máy quay phát sóng trạng thái rắn ban đầu. Nhược điểm của kiến ​​trúc chuyển khung là nó yêu cầu gấp đôi diện tích silicon so với thiết bị toàn khung tương đương; do đó, chi phí cao gấp đôi./ With a frame-transfer CCD, half of the silicon area is covered by an opaque mask (typically aluminum). The image can be quickly transferred from the image area to the opaque area or storage region with acceptable smear of a few percent. That image can then be read out slowly from the storage region while a new image is integrating or exposing in the active area. Frame-transfer devices typically do not require a mechanical shutter and were a common architecture for early solid-state broadcast cameras. The downside to the frame-transfer architecture is that it requires twice the silicon real estate of an equivalent full-frame device; hence, it costs roughly twice as much.

Kiến trúc interline mở rộng khái niệm này thêm một bước nữa và che mọi cột khác của cảm biến hình ảnh để lưu trữ. Trong thiết bị này, chỉ cần một lần dịch chuyển pixel để chuyển từ vùng hình ảnh sang vùng lưu trữ; do đó, thời gian màn trập có thể ít hơn một micro giây và về cơ bản là loại bỏ được hiện tượng nhòe. Tuy nhiên, lợi thế không phải là miễn phí, vì vùng hình ảnh hiện được bao phủ bởi các dải mờ làm giảm hệ số lấp đầy xuống khoảng 50 phần trăm và hiệu suất lượng tử hiệu quả xuống một lượng tương đương. Các thiết kế hiện đại đã giải quyết đặc điểm có hại này bằng cách thêm các thấu kính siêu nhỏ trên bề mặt thiết bị để hướng ánh sáng ra khỏi các vùng mờ và vào vùng hoạt động. Các thấu kính siêu nhỏ có thể đưa hệ số lấp đầy trở lại lên đến 90 phần trăm hoặc hơn tùy thuộc vào kích thước pixel và thiết kế quang học tổng thể của hệ thống./ The interline architecture extends this concept one step further and masks every other column of the image sensor for storage. In this device, only one pixel shift has to occur to transfer from image area to storage area; thus, shutter times can be less than a microsecond and smear is essentially eliminated. The advantage is not free, however, as the imaging area is now covered by opaque strips dropping the fill factor to approximately 50 percent and the effective quantum efficiency by an equivalent amount. Modern designs have addressed this deleterious characteristic by adding microlenses on the surface of the device to direct light away from the opaque regions and on the active area. Microlenses can bring the fill factor back up to 90 percent or more depending on pixel size and the overall system's optical design.

Lựa chọn kiến ​​trúc phụ thuộc vào tiện ích. Nếu ứng dụng không thể chịu được màn trập cơ học đắt tiền, dễ hỏng và tốn nhiều điện năng, thì thiết bị interline là lựa chọn phù hợp. Máy ảnh chụp nhanh của người tiêu dùng đã sử dụng các thiết bị interline. Mặt khác, đối với những ứng dụng đòi hỏi khả năng thu thập ánh sáng tốt nhất có thể và vấn đề về tiền bạc, năng lượng và thời gian không quá quan trọng, thì thiết bị toàn khung hình là lựa chọn phù hợp. Các nhà thiên văn học có xu hướng thích các thiết bị toàn khung hình. Chuyển khung hình nằm ở giữa và là lựa chọn phổ biến trước khi vấn đề về hệ số lấp đầy của các thiết bị xen kẽ được giải quyết. Ngày nay, chuyển khung hình thường được chọn khi không có kiến ​​trúc xen kẽ, chẳng hạn như trong thiết bị chiếu sáng ngược./ The choice of architecture comes down to one of utility. If the application cannot tolerate an expensive, failure-prone, power-intensive mechanical shutter, an interline device is the right choice. Consumer snap-shot cameras have used interline devices. On the other hand, for those applications that require the best possible light collection and issues of money, power and time are less important, the full-frame device is the right choice. Astronomers tend to prefer full-frame devices. The frame-transfer falls in between and was a common choice before the fill-factor issue of interline devices was addressed. Today, frame-transfer is usually chosen when an interline architecture is not available, such as in a back-illuminated device.

CCD chứa lưới pixel được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số, máy quét quang học và máy quay video làm thiết bị cảm biến ánh sáng. Chúng thường phản ứng với 70 phần trăm ánh sáng tới (có nghĩa là hiệu suất lượng tử khoảng 70 phần trăm), khiến chúng hiệu quả hơn nhiều so với phim ảnh, chỉ thu được khoảng 2 phần trăm ánh sáng tới./ CCDs containing grids of pixels are used in digital cameras, optical scanners, and video cameras as light-sensing devices. They commonly respond to 70 percent of the incident light (meaning a quantum efficiency of about 70 percent) making them far more efficient than photographic film, which captures only about 2 percent of the incident light.

Hầu hết các loại CCD phổ biến đều nhạy với ánh sáng cận hồng ngoại, cho phép chụp ảnh hồng ngoại, thiết bị nhìn ban đêm và quay video/chụp ảnh bằng không lux (hoặc gần bằng không lux). Đối với các máy dò dựa trên silicon thông thường, độ nhạy bị giới hạn ở mức 1,1 μm. Một hậu quả khác của độ nhạy của chúng với hồng ngoại là hồng ngoại từ điều khiển từ xa thường xuất hiện trên máy ảnh kỹ thuật số hoặc máy quay phim dựa trên CCD nếu chúng không có bộ chặn hồng ngoại./ Most common types of CCDs are sensitive to near-infrared light, which allows infrared photography, night-vision devices, and zero lux (or near zero lux) video-recording/photography. For normal silicon-based detectors, the sensitivity is limited to 1.1 μm. One other consequence of their sensitivity to infrared is that infrared from remote controls often appears on CCD-based digital cameras or camcorders if they do not have infrared blockers.

Làm mát làm giảm dòng tối của mảng, cải thiện độ nhạy của CCD đối với cường độ ánh sáng yếu, ngay cả đối với bước sóng cực tím và khả kiến. Các đài quan sát chuyên nghiệp thường làm mát máy dò của họ bằng nitơ lỏng để giảm dòng tối và do đó là nhiễu nhiệt xuống mức không đáng kể./ Cooling reduces the array's dark current, improving the sensitivity of the CCD to low light intensities, even for ultraviolet and visible wavelengths. Professional observatories often cool their detectors with liquid nitrogen to reduce the dark current, and therefore the thermal noise, to negligible levels.
 

Frame transfer CCD

A frame transfer CCD sensor

Bộ tạo ảnh CCD chuyển khung là cấu trúc hình ảnh đầu tiên được đề xuất cho Chụp ảnh CCD bởi Michael Tompsett tại Phòng thí nghiệm Bell. CCD chuyển khung là CCD chuyên dụng, thường được sử dụng trong thiên văn học và một số máy quay video chuyên nghiệp, được thiết kế để có hiệu suất phơi sáng cao và độ chính xác./ The frame transfer CCD imager was the first imaging structure proposed for CCD Imaging by Michael Tompsett at Bell Laboratories. A frame transfer CCD is a specialized CCD, often used in astronomy and some professional video cameras, designed for high exposure efficiency and correctness.

Hoạt động bình thường của CCD, thiên văn học hoặc các hoạt động khác, có thể được chia thành hai giai đoạn: phơi sáng và đọc. Trong giai đoạn đầu tiên, CCD thụ động thu thập các photon đi vào, lưu trữ các electron trong các ô của nó. Sau khi thời gian phơi sáng trôi qua, các ô được đọc ra từng dòng một. Trong giai đoạn đọc, các ô được dịch chuyển xuống toàn bộ khu vực của CCD. Trong khi chúng bị dịch chuyển, chúng vẫn tiếp tục thu thập ánh sáng. Do đó, nếu quá trình dịch chuyển không đủ nhanh, có thể xảy ra lỗi do ánh sáng chiếu vào ô giữ điện tích trong quá trình truyền. Những lỗi này được gọi là "vết bẩn dọc" và khiến nguồn sáng mạnh tạo ra một đường thẳng đứng ở trên và dưới vị trí chính xác của nó. Ngoài ra, CCD không thể được sử dụng để thu thập ánh sáng trong khi đang đọc. Thật không may, việc dịch chuyển nhanh hơn đòi hỏi phải đọc nhanh hơn và việc đọc nhanh hơn có thể gây ra lỗi trong phép đo điện tích của ô, dẫn đến mức độ nhiễu cao hơn./ The normal functioning of a CCD, astronomical or otherwise, can be divided into two phases: exposure and readout. During the first phase, the CCD passively collects incoming photons, storing electrons in its cells. After the exposure time is passed, the cells are read out one line at a time. During the readout phase, cells are shifted down the entire area of the CCD. While they are shifted, they continue to collect light. Thus, if the shifting is not fast enough, errors can result from light that falls on a cell holding charge during the transfer. These errors are referred to as "vertical smear" and cause a strong light source to create a vertical line above and below its exact location. In addition, the CCD cannot be used to collect light while it is being read out. Unfortunately, a faster shifting requires a faster readout, and a faster readout can introduce errors in the cell charge measurement, leading to a higher noise level.

CCD chuyển khung giải quyết cả hai vấn đề: nó có một vùng được che chắn, không nhạy sáng, chứa nhiều ô bằng diện tích tiếp xúc với ánh sáng. Thông thường, vùng này được phủ bằng vật liệu phản chiếu như nhôm. Khi thời gian phơi sáng kết thúc, các ô được chuyển rất nhanh đến vùng ẩn. Ở đây, an toàn trước mọi ánh sáng chiếu vào, các ô có thể được đọc ở bất kỳ tốc độ nào mà người ta cho là cần thiết để đo chính xác điện tích của các ô. Đồng thời, phần tiếp xúc của CCD lại thu thập ánh sáng, do đó không xảy ra độ trễ giữa các lần phơi sáng liên tiếp./ A frame transfer CCD solves both problems: it has a shielded, not light sensitive, area containing as many cells as the area exposed to light. Typically, this area is covered by a reflective material such as aluminium. When the exposure time is up, the cells are transferred very rapidly to the hidden area. Here, safe from any incoming light, cells can be read out at any speed one deems necessary to correctly measure the cells' charge. At the same time, the exposed part of the CCD is collecting light again, so no delay occurs between successive exposures.

Nhược điểm của CCD như vậy là chi phí cao hơn: diện tích ô về cơ bản tăng gấp đôi và cần có thiết bị điện tử điều khiển phức tạp hơn./ The disadvantage of such a CCD is the higher cost: the cell area is basically doubled, and more complex control electronics are needed.
 

Thiết bị ghép điện tích tăng cường/ Intensified charge-coupled device

Thiết bị ghép điện tích tăng cường (ICCD) là CCD được kết nối quang học với bộ tăng cường hình ảnh được gắn ở phía trước CCD./ An intensified charge-coupled device (ICCD) is a CCD that is optically connected to an image intensifier that is mounted in front of the CCD.

Bộ tăng cường hình ảnh bao gồm ba thành phần chức năng: một quang catốt, một tấm kênh vi mô (MCP) và một màn hình phốt pho. Ba thành phần này được gắn sát nhau theo trình tự đã đề cập. Các photon phát ra từ nguồn sáng rơi vào quang catốt, do đó tạo ra các quang điện tử. Các quang điện tử được tăng tốc về phía MCP bằng điện áp điều khiển điện, được áp dụng giữa quang catốt và MCP. Các electron được nhân lên bên trong MCP và sau đó được tăng tốc về phía màn hình phốt pho. Màn hình phốt pho cuối cùng chuyển đổi các electron được nhân lên trở lại thành các photon được dẫn đến CCD bằng sợi quang hoặc thấu kính./ An image intensifier includes three functional elements: a photocathode, a micro-channel plate (MCP) and a phosphor screen. These three elements are mounted one close behind the other in the mentioned sequence. The photons which are coming from the light source fall onto the photocathode, thereby generating photoelectrons. The photoelectrons are accelerated towards the MCP by an electrical control voltage, applied between photocathode and MCP. The electrons are multiplied inside of the MCP and thereafter accelerated towards the phosphor screen. The phosphor screen finally converts the multiplied electrons back to photons which are guided to the CCD by a fiber optic or a lens.

Bộ tăng cường hình ảnh vốn có chức năng màn trập: Nếu điện áp điều khiển giữa quang catốt và MCP bị đảo ngược, các quang điện tử phát ra không được tăng tốc về phía MCP mà quay trở lại quang catốt. Do đó, không có electron nào được nhân lên và phát ra bởi MCP, không có electron nào đi đến màn hình phốt pho và không có ánh sáng nào được phát ra từ bộ tăng cường hình ảnh. Trong trường hợp này, không có ánh sáng nào chiếu vào CCD, điều đó có nghĩa là màn trập đã đóng. Quá trình đảo ngược điện áp điều khiển tại quang catốt được gọi là gating và do đó ICCD cũng được gọi là camera CCD có cổng./ An image intensifier inherently includes a shutter functionality: If the control voltage between the photocathode and the MCP is reversed, the emitted photoelectrons are not accelerated towards the MCP but return to the photocathode. Thus, no electrons are multiplied and emitted by the MCP, no electrons are going to the phosphor screen and no light is emitted from the image intensifier. In this case no light falls onto the CCD, which means that the shutter is closed. The process of reversing the control voltage at the photocathode is called gating and therefore ICCDs are also called gateable CCD cameras.

Bên cạnh độ nhạy cực cao của camera ICCD, cho phép phát hiện photon đơn, khả năng cổng là một trong những ưu điểm chính của ICCD so với camera EMCCD. Camera ICCD hiệu suất cao nhất cho phép thời gian màn trập ngắn tới 200 pico giây./ Besides the extremely high sensitivity of ICCD cameras, which enable single photon detection, the gateability is one of the major advantages of the ICCD over the EMCCD cameras. The highest performing ICCD cameras enable shutter times as short as 200 picoseconds.

Nhìn chung, camera ICCD có giá cao hơn một chút so với camera EMCCD vì chúng cần bộ tăng cường hình ảnh đắt tiền. Mặt khác, camera EMCCD cần một hệ thống làm mát để làm mát chip EMCCD xuống nhiệt độ khoảng 170 K (−103 °C). Hệ thống làm mát này làm tăng thêm chi phí cho camera EMCCD và thường gây ra các vấn đề ngưng tụ nặng nề trong ứng dụng/ ICCD cameras are in general somewhat higher in price than EMCCD cameras because they need the expensive image intensifier. On the other hand, EMCCD cameras need a cooling system to cool the EMCCD chip down to temperatures around 170 K (−103 °C). This cooling system adds additional costs to the EMCCD camera and often yields heavy condensation problems in the application.

ICCD được sử dụng trong các thiết bị nhìn ban đêm và trong nhiều ứng dụng khoa học khác nhau./ ICCDs are used in night vision devices and in various scientific applications.
 

Electron-multiplying CCD

Electron được truyền tuần tự qua các giai đoạn khuếch đại tạo nên thanh ghi nhân của EMCCD. Điện áp cao được sử dụng trong các lần truyền tuần tự này tạo ra các hạt mang điện tích bổ sung thông qua quá trình ion hóa va chạm./ Electrons are transferred serially through the gain stages making up the multiplication register of an EMCCD. The high voltages used in these serial transfers induce the creation of additional charge carriers through impact ionisation.



trong EMCCD có sự phân tán (biến thiên) về số electron do thanh ghi nhân tạo ra đối với một số electron đầu vào (cố định) nhất định (được hiển thị trong chú giải bên phải). Phân phối xác suất cho số electron đầu ra được biểu diễn theo logarit trên trục tung để mô phỏng thanh ghi nhân. Ngoài ra còn hiển thị kết quả từ phương trình phù hợp theo kinh nghiệm được hiển thị trên trang này./ in an EMCCD there is a dispersion (variation) in the number of electrons output by the multiplication register for a given (fixed) number of input electrons (shown in the legend on the right). The probability distribution for the number of output electrons is plotted logarithmically on the vertical axis for a simulation of a multiplication register. Also shown are results from the empirical fit equation shown on this page.

CCD nhân electron (EMCCD, còn được gọi là CCD L3Vision, một sản phẩm được thương mại hóa bởi e2v Ltd., GB, L3CCD hoặc Impactron CCD, một sản phẩm hiện đã ngừng sản xuất trước đây của Texas Instruments) là một thiết bị ghép điện tích trong đó một thanh ghi khuếch đại được đặt giữa thanh ghi dịch chuyển và bộ khuếch đại đầu ra. Thanh ghi khuếch đại được chia thành một số lượng lớn các giai đoạn. Ở mỗi giai đoạn, các electron được nhân lên bằng cách ion hóa va chạm theo cách tương tự như một điốt tuyết lở. Xác suất khuếch đại ở mọi giai đoạn của thanh ghi là nhỏ (P < 2%), nhưng vì số lượng phần tử lớn (N > 500), nên tổng mức khuếch đại có thể rất cao, với các electron đầu vào đơn lẻ tạo ra hàng nghìn electron đầu ra. Đọc tín hiệu từ CCD tạo ra nền nhiễu, thường là một vài electron. Trong EMCCD, nhiễu này được chồng lên hàng nghìn electron chứ không phải một electron duy nhất; do đó, lợi thế chính của các thiết bị này là tiếng ồn đọc không đáng kể. Việc sử dụng sự cố tuyết lở để khuếch đại điện tích quang đã được mô tả trong Bằng sáng chế Hoa Kỳ 3.761.744 năm 1973 của George E. Smith/Bell Telephone Laboratories./ An electron-multiplying CCD (EMCCD, also known as an L3Vision CCD, a product commercialized by e2v Ltd., GB, L3CCD or Impactron CCD, a now-discontinued product offered in the past by Texas Instruments) is a charge-coupled device in which a gain register is placed between the shift register and the output amplifier. The gain register is split up into a large number of stages. In each stage, the electrons are multiplied by impact ionization in a similar way to an avalanche diode. The gain probability at every stage of the register is small (P < 2%), but as the number of elements is large (N > 500), the overall gain can be very high , with single input electrons giving many thousands of output electrons. Reading a signal from a CCD gives a noise background, typically a few electrons. In an EMCCD, this noise is superimposed on many thousands of electrons rather than a single electron; the devices' primary advantage is thus their negligible readout noise. The use of avalanche breakdown for amplification of photo charges had already been described in the U.S. Patent 3,761,744 in 1973 by George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

EMCCD cho thấy độ nhạy tương tự như CCD tăng cường (ICCD). Tuy nhiên, giống như ICCD, độ lợi được áp dụng trong thanh ghi độ lợi là ngẫu nhiên và không thể biết được độ lợi chính xác đã được áp dụng cho điện tích của pixel. Ở mức độ tăng cao (> 30), sự không chắc chắn này có tác động tương tự đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) như việc giảm một nửa hiệu suất lượng tử (QE) liên quan đến hoạt động với độ lợi bằng một. Tuy nhiên, ở mức ánh sáng rất thấp (khi hiệu suất lượng tử là quan trọng nhất), có thể cho rằng một pixel chứa một electron hoặc không. Điều này loại bỏ nhiễu liên quan đến phép nhân ngẫu nhiên với nguy cơ đếm nhiều electron trong cùng một pixel như một electron duy nhất. Để tránh đếm nhiều lần trong một pixel do các photon trùng nhau trong chế độ hoạt động này, tốc độ khung hình cao là điều cần thiết. Sự phân tán trong độ lợi được hiển thị trong biểu đồ bên phải. Đối với các thanh ghi nhân có nhiều phần tử và mức tăng lớn, nó được mô hình hóa tốt bằng phương trình/ EMCCDs show a similar sensitivity to intensified CCDs (ICCDs). However, as with ICCDs, the gain that is applied in the gain register is stochastic and the exact gain that has been applied to a pixel's charge is impossible to know. At high gains (> 30), this uncertainty has the same effect on the signal-to-noise ratio (SNR) as halving the quantum efficiency (QE) with respect to operation with a gain of unity. However, at very low light levels (where the quantum efficiency is most important), it can be assumed that a pixel either contains an electron—or not. This removes the noise associated with the stochastic multiplication at the risk of counting multiple electrons in the same pixel as a single electron. To avoid multiple counts in one pixel due to coincident photons in this mode of operation, high frame rates are essential. The dispersion in the gain is shown in the graph on the right. For multiplication registers with many elements and large gains it is well modelled by the equation:



trong đó P là xác suất thu được n electron đầu ra khi có m electron đầu vào và tổng độ lợi thanh ghi nhân trung bình là g. Do chi phí thấp hơn và độ phân giải tốt hơn, EMCCD có khả năng thay thế ICCD trong nhiều ứng dụng. ICCD vẫn có ưu điểm là có thể được phân luồng rất nhanh và do đó hữu ích trong các ứng dụng như hình ảnh phân luồng phạm vi. Máy ảnh EMCCD không thể thiếu một hệ thống làm mát—sử dụng làm mát nhiệt điện hoặc nitơ lỏng—để làm mát chip xuống nhiệt độ trong khoảng từ −65 đến −95 °C (−85 đến −139 °F). Thật không may, hệ thống làm mát này làm tăng thêm chi phí cho hệ thống hình ảnh EMCCD và có thể gây ra các vấn đề ngưng tụ trong ứng dụng. Tuy nhiên, máy ảnh EMCCD cao cấp được trang bị hệ thống chân không kín vĩnh viễn giới hạn chip để tránh các vấn đề ngưng tụ./ where P is the probability of getting n output electrons given m input electrons and a total mean multiplication register gain of g.Because of the lower costs and better resolution, EMCCDs are capable of replacing ICCDs in many applications. ICCDs still have the advantage that they can be gated very fast and thus are useful in applications like range-gated imaging. EMCCD cameras indispensably need a cooling system—using either thermoelectric cooling or liquid nitrogen—to cool the chip down to temperatures in the range of −65 to −95 °C (−85 to −139 °F). This cooling system unfortunately adds additional costs to the EMCCD imaging system and may yield condensation problems in the application. However, high-end EMCCD cameras are equipped with a permanent hermetic vacuum system confining the chip to avoid condensation issues.

Khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu của EMCCD được sử dụng trong nghiên cứu thiên văn học và y sinh học, trong số các lĩnh vực khác. Đặc biệt, độ nhiễu thấp ở tốc độ đọc cao khiến chúng rất hữu ích cho nhiều ứng dụng thiên văn liên quan đến nguồn sáng yếu và các sự kiện thoáng qua như chụp ảnh may mắn các ngôi sao mờ, quang trắc đếm photon tốc độ cao, quang phổ Fabry-Pérot và quang phổ độ phân giải cao. Gần đây hơn, các loại CCD này đã đột phá vào lĩnh vực nghiên cứu y sinh học trong các ứng dụng trong điều kiện ánh sáng yếu bao gồm chụp ảnh động vật nhỏ, chụp ảnh phân tử đơn, quang phổ Raman, kính hiển vi siêu phân giải cũng như nhiều kỹ thuật kính hiển vi huỳnh quang hiện đại khác nhau nhờ SNR lớn hơn trong điều kiện ánh sáng yếu so với CCD và ICCD truyền thống./ The low-light capabilities of EMCCDs find use in astronomy and biomedical research, among other fields. In particular, their low noise at high readout speeds makes them very useful for a variety of astronomical applications involving low light sources and transient events such as lucky imaging of faint stars, high speed photon counting photometry, Fabry-Pérot spectroscopy and high-resolution spectroscopy. More recently, these types of CCDs have broken into the field of biomedical research in low-light applications including small animal imaging, single-molecule imaging, Raman spectroscopy, super resolution microscopy as well as a wide variety of modern fluorescence microscopy techniques thanks to greater SNR in low-light conditions in comparison with traditional CCDs and ICCDs.

Về mặt nhiễu, camera EMCCD thương mại thường có điện tích do xung nhịp (CIC) và dòng điện tối (phụ thuộc vào mức độ làm mát) cùng nhau dẫn đến nhiễu đọc hiệu quả trong phạm vi từ 0,01 đến 1 electron trên mỗi pixel đọc. Tuy nhiên, những cải tiến gần đây trong công nghệ EMCCD đã dẫn đến một thế hệ camera mới có khả năng tạo ra ít CIC hơn đáng kể, hiệu suất truyền điện tích cao hơn và độ lợi EM cao gấp 5 lần so với trước đây. Những tiến bộ này trong phát hiện ánh sáng yếu dẫn đến tổng nhiễu nền hiệu quả là 0,001 electron trên mỗi pixel đọc, một mức nhiễu sàn không có thiết bị chụp ảnh ánh sáng yếu nào khác sánh kịp./ In terms of noise, commercial EMCCD cameras typically have clock-induced charge (CIC) and dark current (dependent on the extent of cooling) that together lead to an effective readout noise ranging from 0.01 to 1 electrons per pixel read. However, recent improvements in EMCCD technology have led to a new generation of cameras capable of producing significantly less CIC, higher charge transfer efficiency and an EM gain 5 times higher than what was previously available. These advances in low-light detection lead to an effective total background noise of 0.001 electrons per pixel read, a noise floor unmatched by any other low-light imaging device.

Use in astronomy

Array of 30 CCDs used on the Sloan Digital Sky Survey telescope imaging camera, an example of "drift-scanning".

Do hiệu suất lượng tử cao của thiết bị ghép điện tích (CCD) (hiệu suất lượng tử lý tưởng là 100%, một electron được tạo ra trên mỗi photon tới), tính tuyến tính của đầu ra, dễ sử dụng so với các tấm ảnh và nhiều lý do khác, CCD đã nhanh chóng được các nhà thiên văn học áp dụng cho hầu hết các ứng dụng từ tia cực tím đến tia hồng ngoại./ Due to the high quantum efficiencies of charge-coupled device (CCD) (the ideal quantum efficiency is 100%, one generated electron per incident photon), linearity of their outputs, ease of use compared to photographic plates, and a variety of other reasons, CCDs were very rapidly adopted by astronomers for nearly all UV-to-infrared applications.

Nhiễu nhiệt và tia vũ trụ có thể làm thay đổi các điểm ảnh trong mảng CCD. Để chống lại các hiệu ứng như vậy, các nhà thiên văn học chụp nhiều lần với màn trập CCD đóng và mở. Trung bình các hình ảnh được chụp với màn trập đóng là cần thiết để giảm nhiễu ngẫu nhiên. Sau khi phát triển, hình ảnh trung bình của khung tối sau đó được trừ khỏi hình ảnh màn trập mở để loại bỏ dòng tối và các khuyết tật hệ thống khác (điểm ảnh chết, điểm ảnh nóng, v.v.) trong CCD. Các CCD Skipper mới hơn chống nhiễu bằng cách thu thập dữ liệu với cùng một điện tích được thu thập nhiều lần và có ứng dụng trong tìm kiếm Vật chất tối ánh sáng chính xác và phép đo neutrino./ Thermal noise and cosmic rays may alter the pixels in the CCD array. To counter such effects, astronomers take several exposures with the CCD shutter closed and opened. The average of images taken with the shutter closed is necessary to lower the random noise. Once developed, the dark frame average image is then subtracted from the open-shutter image to remove the dark current and other systematic defects (dead pixels, hot pixels, etc.) in the CCD. Newer Skipper CCDs counter noise by collecting data with the same collected charge multiple times and has applications in precision light Dark Matter searches and neutrino measurements.

Kính viễn vọng không gian Hubble, nói riêng, có một loạt các bước phát triển cao (“quy trình giảm dữ liệu”) để chuyển đổi dữ liệu CCD thô thành hình ảnh hữu ích./ The Hubble Space Telescope, in particular, has a highly developed series of steps (“data reduction pipeline”) to convert the raw CCD data to useful images.

Máy ảnh CCD được sử dụng trong chụp ảnh thiên văn thường yêu cầu giá đỡ chắc chắn để chống lại rung động từ gió và các nguồn khác, cùng với trọng lượng khổng lồ của hầu hết các nền tảng chụp ảnh. Để chụp ảnh phơi sáng lâu các thiên hà và tinh vân, nhiều nhà thiên văn học sử dụng một kỹ thuật được gọi là tự động dẫn hướng. Hầu hết các máy tự động dẫn hướng đều sử dụng chip CCD thứ hai để theo dõi độ lệch trong quá trình chụp ảnh. Chip này có thể nhanh chóng phát hiện lỗi theo dõi và ra lệnh cho động cơ giá đỡ để hiệu chỉnh lỗi./ CCD cameras used in astrophotography often require sturdy mounts to cope with vibrations from wind and other sources, along with the tremendous weight of most imaging platforms. To take long exposures of galaxies and nebulae, many astronomers use a technique known as auto-guiding. Most autoguiders use a second CCD chip to monitor deviations during imaging. This chip can rapidly detect errors in tracking and command the mount motors to correct for them.

Một ứng dụng thiên văn học khác thường của CCD, được gọi là quét trôi, sử dụng CCD để làm cho kính thiên văn cố định hoạt động giống như kính thiên văn theo dõi và theo dõi chuyển động của bầu trời. Các điện tích trong CCD được truyền và đọc theo hướng song song với chuyển động của bầu trời và ở cùng tốc độ. Theo cách này, kính thiên văn có thể chụp ảnh một vùng bầu trời lớn hơn trường nhìn thông thường của nó. Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan là ví dụ nổi tiếng nhất về điều này, sử dụng kỹ thuật này để tạo ra một cuộc khảo sát trên một phần tư bầu trời./ An unusual astronomical application of CCDs, called drift-scanning, uses a CCD to make a fixed telescope behave like a tracking telescope and follow the motion of the sky. The charges in the CCD are transferred and read in a direction parallel to the motion of the sky, and at the same speed. In this way, the telescope can image a larger region of the sky than its normal field of view. The Sloan Digital Sky Survey is the most famous example of this, using the technique to produce a survey of over a quarter of the sky.

Ngoài máy tạo ảnh, CCD còn được sử dụng trong một loạt các thiết bị phân tích bao gồm máy quang phổ và máy giao thoa kế./ In addition to imagers, CCDs are also used in an array of analytical instrumentation including spectrometers and interferometers.
 

Color cameras

A Bayer filter on a CCD



x80 microscope view of an RGGB Bayer filter on a 240 line Sony CCD PAL Camcorder CCD sensor

Máy ảnh màu kỹ thuật số thường sử dụng mặt nạ Bayer trên CCD. Mỗi ô vuông gồm bốn pixel có một màu đỏ được lọc, một màu xanh lam và hai màu xanh lục (mắt người nhạy cảm hơn với màu xanh lục so với màu đỏ hoặc xanh lam). Kết quả của việc này là thông tin về độ sáng được thu thập tại mọi pixel, nhưng độ phân giải màu thấp hơn độ phân giải độ sáng./ Digital color cameras generally use a Bayer mask over the CCD. Each square of four pixels has one filtered red, one blue, and two green (the human eye is more sensitive to green than either red or blue). The result of this is that luminance information is collected at every pixel, but the color resolution is lower than the luminance resolution.

Có thể đạt được khả năng tách màu tốt hơn bằng các thiết bị ba CCD (3CCD) và lăng kính chia chùm tia hai màu, chia hình ảnh thành các thành phần đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Mỗi CCD trong ba CCD được sắp xếp để phản hồi một màu cụ thể. Nhiều máy quay video chuyên nghiệp và một số máy quay bán chuyên nghiệp sử dụng kỹ thuật này, mặc dù sự phát triển của công nghệ CMOS cạnh tranh đã khiến cảm biến CMOS, cả với bộ chia chùm tia và bộ lọc Bayer, ngày càng phổ biến trong các máy quay video và điện ảnh kỹ thuật số cao cấp. Một ưu điểm khác của 3CCD so với thiết bị mặt nạ Bayer là hiệu suất lượng tử cao hơn (độ nhạy sáng cao hơn), vì hầu hết ánh sáng từ ống kính đi vào một trong các cảm biến silicon, trong khi mặt nạ Bayer hấp thụ một tỷ lệ cao (hơn 2/3) ánh sáng chiếu vào mỗi vị trí pixel./ Better color separation can be reached by three-CCD devices (3CCD) and a dichroic beam splitter prism, that splits the image into red, green and blue components. Each of the three CCDs is arranged to respond to a particular color. Many professional video camcorders, and some semi-professional camcorders, use this technique, although developments in competing CMOS technology have made CMOS sensors, both with beam-splitters and bayer filters, increasingly popular in high-end video and digital cinema cameras. Another advantage of 3CCD over a Bayer mask device is higher quantum efficiency (higher light sensitivity), because most of the light from the lens enters one of the silicon sensors, while a Bayer mask absorbs a high proportion (more than 2/3) of the light falling on each pixel location.

Đối với các cảnh tĩnh, ví dụ như trong kính hiển vi, độ phân giải của thiết bị mặt nạ Bayer có thể được tăng cường bằng công nghệ quét vi mô. Trong quá trình lấy mẫu đồng vị trí màu, một số khung hình của cảnh được tạo ra. Giữa các lần thu thập, cảm biến được di chuyển theo kích thước pixel, do đó mỗi điểm trong trường thị giác được thu thập liên tiếp bởi các thành phần của mặt nạ nhạy cảm với các thành phần đỏ, xanh lá cây và xanh lam của màu của nó. Cuối cùng, mọi pixel trong hình ảnh đã được quét ít nhất một lần ở mỗi màu và độ phân giải của ba kênh trở nên tương đương (độ phân giải của các kênh đỏ và xanh lam tăng gấp bốn lần trong khi kênh xanh lục tăng gấp đôi)./ For still scenes, for instance in microscopy, the resolution of a Bayer mask device can be enhanced by microscanning technology. During the process of color co-site sampling, several frames of the scene are produced. Between acquisitions, the sensor is moved in pixel dimensions, so that each point in the visual field is acquired consecutively by elements of the mask that are sensitive to the red, green, and blue components of its color. Eventually every pixel in the image has been scanned at least once in each color and the resolution of the three channels become equivalent (the resolutions of red and blue channels are quadrupled while the green channel is doubled).
 

Sensor sizes

Cảm biến (CCD / CMOS) có nhiều kích cỡ khác nhau hoặc định dạng cảm biến hình ảnh. Những kích cỡ này thường được gọi bằng ký hiệu phân số inch như 1/1,8″ hoặc 2/3″ được gọi là định dạng quang học. Phép đo này có nguồn gốc từ những năm 1950 và thời của ống Vidicon./ Sensors (CCD / CMOS) come in various sizes, or image sensor formats. These sizes are often referred to with an inch fraction designation such as 1/1.8″ or 2/3″ called the optical format. This measurement originates back in the 1950s and the time of Vidicon tubes.
 

Blooming

Vertical smear

Khi phơi sáng CCD đủ lâu, cuối cùng các electron thu thập trong "thùng" ở phần sáng nhất của hình ảnh sẽ tràn ra khỏi thùng, dẫn đến hiện tượng nở. Cấu trúc của CCD cho phép các electron chảy dễ dàng hơn theo một hướng so với hướng khác, dẫn đến hiện tượng sọc dọc./ When a CCD exposure is long enough, eventually the electrons that collect in the "bins" in the brightest part of the image will overflow the bin, resulting in blooming. The structure of the CCD allows the electrons to flow more easily in one direction than another, resulting in vertical streaking.

Một số tính năng chống nở hoa có thể được tích hợp vào CCD làm giảm độ nhạy sáng của nó bằng cách sử dụng một số vùng pixel cho cấu trúc thoát nước. James M. Early đã phát triển một ống thoát nước chống nở hoa theo chiều dọc không làm giảm diện tích thu sáng và do đó không làm giảm độ nhạy sáng./ Some anti-blooming features that can be built into a CCD reduce its sensitivity to light by using some of the pixel area for a drain structure. James M. Early developed a vertical anti-blooming drain that would not detract from the light collection area, and so did not reduce light sensitivity.