อุปกรณ์ถ่ายเทประจุ

อุปกรณ์ถ่ายเทประจุ (อังกฤษ: charge-coupled device) หรือ CCD เป็นอุปกรณ์สำหรับการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าจากภายในเครื่องไปยังพื้นที่ที่ประจุสามารถถูกจัดการหรือแก้ไขดัดแปลง ตัวอย่างเช่นการแปลงให้เป็นค่าดิจิทัล งานนี้จะทำได้โดย"การเลื่อน" (อังกฤษ: shifting)สัญญาณไปตามขั้นตอนต่างๆภายในอุปกรณ์ ทีละหนึ่งขั้นตอน CCDs จะเคลื่อนย้ายประจุระหว่างถังเก็บประจุในอุปกรณ์ ด้วยตัวเลื่อนที่ยอมให้มีการถ่ายโอนประจุระหว่างแต่ละถัง
CCD เป็นชิ้นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีในการถ่ายภาพดิจิทัล ในเซนเซอร์รูปภาพของ CCD, พิกเซลจะถูกแสดงความหมายโดยตัวเก็บประจุ MOS แบบ p-doped ตัวเก็บประจุเหล่านี้จะถูกไบอัสเหนือค่าเกณฑ์สำหรับการผกผันเมื่อการควบรวมภาพเริ่มต้นขึ้น ช่วยให้การแปลงของโฟตอนที่เข้ามาให้เป็นประจุอิเล็กตรอนที่รอยต่อระหว่างเซมิคอนดักเตอร์กับออกไซด์(อังกฤษ: semiconductor-oxide interface) ; จากนั้น CCD จะถูกใช้อ่านประจุเหล่านี้ แม้ว่า CCDs ไม่ได้เป็นเทคโนโลยีเดียวที่จะทำการตรวจจับแสง เซนเซอร์รูปภาพของ CCD ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระดับการใช้งานมืออาชีพ, การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ ในที่ซึ่งข้อมูลภาพคุณภาพสูงเป็นที่ต้องการ ในการใช้งานที่มีความต้องการคุณภาพน้อยลงเช่นกล้องดิจิทัลของมือสมัครเล่น และมืออาชีพ เซนเซอร์พิกเซลตอบสนอง(อังกฤษ: active pixel sensors)แบบ CMOS จะถูกนำมาใช้โดยทั่วไป; CCDs ได้เปรียบด้านคุณภาพอย่างสูงที่ใช้ได้ดีในช่วงต้น ข้อได้เปรียบนั้นได้ถูกทำให้แคบลงเมื่อเวลาผ่านไป

ประวัติ

อุปกรณ์ CCD ถูกคิดค้นในปีค.ศ. 1969 ที่ AT&T Bell Labs โดย วิลลาร์ด บอยล์ และ จอร์จ อี สมิธ ห้องปฏิบัติการกำลังทำงานเกี่ยวกับหน่วยความจำฟองเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อบอยล์และสมิธกำลังคิดเกี่ยวกับการออกแบบในสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า"อุปกรณ์'ฟอง'ประจุ" ในโน้ตบุ๊คของพวกเขา. อุปกรณ์สามารถใช้เป็น shift register สาระสำคัญของการออกแบบคือความสามารถในการถ่ายโอนประจุไปตามพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำจากตัวเก็บประจุคลังเก็บหนึ่งไปยังอีกคลังต่อไป แนวคิดนี้คล้ายคลึงกันในหลักการของ bucket-brigade device (BBD) ที่ถูกพัฒนา ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิลิปส์ในระหว่างปลายปี 1960s สิทธิบัตรครั้งแรก (4,085,456) ในการประยุกต์ใช้ CCD ในการถ่ายภาพถูกมอบให้กับ ไมเคิล Tompsett.
เอกสารเริ่มแรกที่อธิบายแนวคิด ได้แจกแจงการใช้งานที่เป็นไปได้ให้เป็นหน่วยความจำ, delay line และอุปกรณ์ถ่ายภาพ อุปกรณ์ในการทดลองครั้งแรก ได้แสดงให้เห็นถึงหลักการที่เป็นแถวของโลหะสี่เหลี่ยมที่ห่างกันเล็กน้อยบนพื้นผิว ซิลิกอนออกซิไดซ์ที่เข้าถึงได้ทางไฟฟ้าด้วยลวดที่หลอมรวมกัน
CCD ที่ทำงานได้ครั้งแรกที่ทำด้วยเทคโนโลยีวงจรรวมเป็น shift register 8 บิตง่ายๆ อุปกรณ์นี้มีวงจร input และ output และถูก ใช้เพื่อแสดงให้เห็นถึงการใช้งานของมันในฐานะที่เป็น shift register ตัวหนึ่งและในฐานะที่เป็น อุปกรณ์การถ่ายภาพเชิงเส้นดิบแปดพิกเซล การพัฒนาของอุปกรณ์ก้าวหน้าในอัตราที่รวดเร็ว ในปี 1971 นักวิจัยของเบลล์น โดยไมเคิล tompsett สามารถจับภาพด้วยอุปกรณ์เชิงเส้นอย่างง่าย  หลายบริษัทรวมทั้ง Fairchild Semiconductor, อาร์ซีเอ และ Texas Instruments , เริ่มการประดิษฐ์และเริ่มการพัฒนาโปรแกรม ความพยายามของแฟร์ไชลด์ ที่นำโดยอดีตนักวิจัยของเบลล์ชื่อ กิล เมลิโอ ผลิตอุปกรณ์เชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรก และในปี 1974 มี​​อุปกรณ์ 500 องค์ประกอบเชิงเส้นและอุปกรณ์ 2-D 100 x 100 พิกเซล สตีเว่น Sasson,วิศวกรไฟฟ้าที่ทำงานให้กับโกดัก, ประดิษย์คิดค้นกล้องถ่ายภาพนิ่งแบบดิจิตอลเป็นครั้งแรก โดยใช้ CCD แฟร์ไชลด์ 100 x 100 ในปี 1975 ดาวเทียมสอดแนม KH -11 KENNAN ตัวแรกที่ใช้เทคโนโลยีแผง CCD (800 x 800 พิกเซล) สำหรับการถ่ายภาพถูกส่งขึ้นวงโคจรในธันวาคม 1976  ภายใต้การนำของ คาซูโอะ Iwama, Sony ก็เริ่มพยายามพัฒนาขนาดใหญ่บน CCDs ที่เกี่ยวข้องกับการลงทุนที่สำคัญ ในที่สุด โซนี่ได้จัดการเพื่อผลิตแบบมวล CCDs สำหรับ กล้องของพวกเขา ก่อนที่จะเรื่องนี้จะเกิดขึ้น Iwama เสียชีวิตในเดือนสิงหาคม 1982; ต่อมา ชิป CCD ถูกนำมาวางบนหินหลุมฝังศพของเขาเพื่อยอมรับการมีส่วนร่วมของเขา
ในเดือนมกราคม ปี 2006 บอยล์และสมิธ ได้รับรางวัล สถาบันการศึกษาวิศวกรรมแห่งชาติของ ชาร์ลส์สตาร์กเดรปเปอร์ และ ในปี 2009 พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการคิดค้นแนวคิด CCD ของพวกเขา ไมเคิล Tompsett ได้รับรางวัล 2010 เหรียญแห่งชาติสำหรับเทคโนโลยีและนวัตกรรมในการบุกเบิกงานและเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ รวมทั้งการออกแบบและการพัฒนาของตัวสร้างภาพด้วย CCD เป็นครั้งแรก นอกจากนี้เขายังได้รับรางวัล 2012 เหรียญไออีอีอีเอดิสัน "สำหรับ การบุกเบิกการมีส่วนร่วมในอุปกรณ์การถ่ายภาพ รวมทั้งต้วสร้างภาพ, กล้องและ ตัวสร้างภาพอุณหภูมิด้วย CCD"

พื้นฐานของการทำงาน

ใน CCD สำหรับการจับภาพ มีภูมิภาคที่มีปฏิกิริยากับแสง (ชั้น epitaxial ของซิลิกอน) และภูมิภาคการส่งผ่านที่ทำจาก shift register(พูดให้ชัดก็คือ CCD)
ภาพจะถูกฉายผ่านเลนส์ไปบนอาร์เรย์ตัวเก็บประจุ (ภูมิภาค photoactive) ทำให้แต่ละตัวเก็บประจุ, สะสมประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความเข้มของแสงที่ตำแหน่งนั้น อาร์เรย์หนึ่งมิติที่ใช้ในกล้องสแกนเป็นเส้นบรรทัดจะจับชิ้นเล็กๆของภาพ ในขณะที่อาร์เรย์สองมิติที่ใช้ในกล้องบันทึกวิดีโอและภาพนิ่งจะจับภาพสองมิติที่สอดคล้องกับฉากที่ถูกฉายลงบนระนาบโฟกัสของตัวตรวจจับภาพ เมื่ออาเรย์ถูกสัมผัสกับแสงของภาพสักครั้ง วงจรควบคุมจะทำให้แต่ละตัวเก็บประจุ, ถ่ายโอนเนื้อหาไปยังเพื่อนบ้านของมัน (ที่ทำงานเป็น shift register) ตัวเก็บประจุตัวสุดท้ายในอาร์เรย์จะทิ้งประจุของมันลงในตัวขยายประจุ ซึ่งจะแปลงประจุให้เป็นแรงดัน โดยการทำซ้ำขั้นตอนนี้ วงจรการควบคุมจะแปลงเนื้อหาทั้งหมดของอาร์เรย์ในเซมิคอนดักเตอร์ให้เป็นลำดับของแรงดัน ในอุปกรณ์ดิจิทัล แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกสุ่มตัวอย่าง จากนั้นก็ถูกทำให้เป็นค่าดิจิทัล และมักจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำ ในอุปกรณ์แอนะล็อก(เช่น กล้องวิดีโอแบบแอนะล็อก) แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกประมวลผลให้เป็นสัญญาณแอนะล็อกที่ต่อเนื่อง (เช่น โดยการป้อนเอาต์พุตของต้วขยายประจุเข้าที่ low-pass filter) ซึ่งจากนั้นจะถูกประมวลผล และย้ายออกไปยังวงจรอื่นๆ เพื่อการส่ง, การบันทึกหรือการประมวลผลอื่นๆ

การออกแบบและการผลิต

ภูมิภาค photoactive ของ CCD โดยทั่วไปเป็นชั้น epitaxial ของซิลิกอน มันถูกโด็ปเบาๆด้วย p (มักจะเป็นโบรอน) และถูกเลี้ยงให้โตเป็นสารตั้งต้น, ปกติเป็น p++ ในอุปกรณ์ buried-channel ประเภทของการออกแบบที่ใช้ใน CCDs ที่ทันสมัยที่สุด พื้นที่บางส่วนของพื้นผิวของซิลิกอนจะถูกปลูกถ่ายด้วยฟอสฟอรัส ให้พวกมันถูกกำหนดเป็น n-doped ภูมิภาคนี้จะกำหนดช่องทางในที่ซึ่งแพ็คเก็ตของประจุที่ผลิตด้วยแสงจะเดินทาง ไซมอน Sze ได้ให้รายละเอียดข้อได้เปรียบของอุปกรณ์ buried-channel ดังนี้
ชั้นบางนี้ (= 0.2-0.3 นาโนเมตร) จะสูญเสียหมดอย่างสิ้นเชิงและประจุที่ผลิตด้วยแสงที่ถูกสะสมไว้จะถูกเก็บให้ห่างจากพื้นผิว โครงสร้างแบบนี้มีข้อได้เปรียบของการที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนที่สูงกว่าและมี dark current ที่ต่ำกว่า, จากการรวมตัวกันใหม่ของพื้นผิวที่ลดลง โทษของมันคือความจุของประจุมีน้อยกว่า ประมาณ 2-3 เมื่อเทียบกับ CCD แบบ surface-channel
gate ออกไซด์ เช่น ไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ ถูกปลูกบนยอดของชั้น epitaxial และ สารตั้งต้น
ต่อมาในกระบวนการ gate โพลีซิลิคอนจะถูกฝังลงไปโดยการสะสมไอสารเคมี ที่ถูกทำลวดลายด้วย photolithography, และฝังในลักษณะที่ gate ที่ถูกแยกเป็นเฟสจะวางตั้งฉากกับแชนแนล แชนแนลถูกกำหนดต่อไปโดยการใช้ประโยชน์จากกระบวนการ LOCOS เพื่อผลิตภูมิภาค channel stop
Channel stop ถูกวางออกไซด์ด้วยความร้อนที่ทำหน้าที่ในการแยกแพ็คเก็ตของประจุในหนึ่งคอลัมน์ห่างจากตัวอื่น Channel stop เหล่านี้ถูกผลิตก่อน gate โพลีซิลิคอน เมื่อกระบวนการ โลคอสใช้ขั้นตอนอุณหภูมิสูงที่จะทำลายวัสดุที่เป็น gate. Channel stop อยู่ขนานกับ, และเป็นพิเศษกับ, ช่องทาง, หรือภูมิภาค "ตัวขนส่งประจุ"
Channel stop มักจะมีพื้นที่ที่ถูกโด็ป p+ ภายใต้ตัวมัน, เป็นตัวกั้นต่อไปของอิเล็กตรอนในแพ็คเก็ตประจุ (การอภิปรายอันนี้ของฟิสิกส์ของอุปกรณ์ CCD จะถือว่าอุปกรณ์จะถ่ายโอนอิเล็กตรอน แม้ว่าจะโฮลก็ถ่ายโอนได้ )
สัญญาณนาฬิกาของ gate, ที่สลับกันสูงและต่ำ, จะไบอัสข้างหน้าและกลับหลังตัวไดโอดที่มีให้โดยช่องที่ถูกฝังไว้ (n-doped) และชั้น epitaxial (p-doped) นี้จะทำให้ CCD สูญเสีย, ใกล้ p-n junction และจะเก็บรวบรวมและเคลื่อนย้ายแพ็คเก็ตประจุภายใต้ gate--และภายใน channel--ของอุปกรณ์
การผลิตและการทำงานของ CCD สามารถถูกเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการใช้ที่แตกต่างกัน กระบวนการดังกล่าวจะอธิบายว่าเป็นการถ่ายโอนเฟรมของ CCD ในขณะที่ CCDs อาจถูกผลิตบนเวเฟอร์ที่ถูกโด็ปด้วย p++ อย่างหนัก ก็ยังเป็นไปได้ที่จะผลิตอุปกรณ์ภายในบ่อ-p ที่ถูกวางอยู่บนเวเฟอร์-n วิธีที่สองนี้ตามรายงานว่าได้ลดรอยเปื้อน, dark currentและการตอบสนองต่ออินฟาเรดและสีแดง วิธีการของการผลิตนี้จะถูกใช้ในผลิตอุปกรณ์ interline-transfer
เวอร์ชันของ CCD อื่นที่เรียกว่า peristaltic CCD การถ่ายโอนแพ็คเก็ตประจุจะคล้ายคลึงกับ peristaltic contraction และการขยายตัวของระบบย่อยอาหาร Peristaltic CCD มีการปลูกเพิ่มเติมที่ช่วยให้ประจุออกห่างจากอินเตอร์เฟซของซิลิกอน/ซิลิกอนไดออกไซด์และสร้างสนามไฟฟ้าด้านข้างขนาดใหญ่จาก gate หนึ่งไปยังอีก gate หนึ่ง สิ่งนี้จะให้แรงผลักดันเพิ่มเติมเพื่อช่วยในการถ่ายโอนแพ็คเก็ตประจุ

สถาปัตยกรรม

ตัวตรวจจับภาพ CCD สามารถถูกนำมาใช้ในสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันหลายอย่าง ที่พบมากที่สุดคือ full-frame, frame-transfer, และ interline ลักษณะเด่นของแต่ละสถาปัตยกรรมเหล่านี้เป็นวิธีการของพวกมันในการแก้ไขปัญหาของ shuttering
ในอุปกรณ์แบบ full-frame พื้นที่ภาพทั้งหมดเป็น active และไม่มีชัตเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ ชัตเตอร์กลไกต้องถูกเพิ่มให้กับประเภทนี้ของเซ็นเซอร์ มิฉะนั้นจะเกิดรอยเปื้อนบนภาพเมื่ออุปกรณ์ถูกจับเวลาหรือถูกอ่านออกมา
สำหรับ CCD แบบ frame-transfer ครึ่งหนึ่งของพื้นที่ซิลิกอนจะถูกปกคลุมด้วยหน้ากากทึบแสง (ปกติเป็นอะลูมิเนียม) ภาพสามารถถ่ายโอนได้อย่างรวดเร็วจากพื้นที่ภาพไปยังพื้นที่ทึบแสง หรือภูมิภาคจัดเก็บที่มีรอยเปื้อนที่ยอมรับได้ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ จากนั้นภาพจะสามารถถูกอ่านออกมาช้าๆจากภูมิภาคจัดเก็บข้อมูล ในขณะที่ภาพใหม่กำลังบูรณาการหรือกำลังเปิดเผยกับแสงในพื้นที่ active อุปกรณ์ frame-transfer มักจะไม่จำเป็นต้องใช้ชัตเตอร์กลไก และเป็นสถาปัตยกรรมทั่วไปสำหรับกล้องออกอากาศแบบโซลืดสเตทในช่วงต้น ข้อเสียสำหรับสถาปัตยกรรม frame-transfer ก็คือมันต้องการซิลืกอนเป็นสองเท่าของอุปกรณ์แบบเต็มเฟรมที่เทียบเท่ากัน ค่าใช้จ่ายจึงมีมากกว่าประมาณสองเท่า
สถาปัตยกรรมแบบ interline ขยายแนวคิดนี้ไปหนึ่งก้าวและคลุมหน้ากากทุกคอลัมน์อื่นๆของ เซ็นเซอร์รับภาพสำหรับการจัดเก็บ ในอุปกรณ์นี้ การเขยิบเพียงหนึ่งพิกเซลเท่านี้นที่ต้องเกิดขึ้น ในการถ่ายโอนจากพื้นที่ภาพไปยังพื้นที่จัดเก็บ ดังนั้นเวลาเปิดชัตเตอร์สามารถน้อยกว่าหนึ่ง microsecond และการปนเปื้อนสามารถถูกกำจัดอย่างสำค้ญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบไม่ใช่ของฟรี เพราะว่าพื้นที่การถ่ายภาพในขณะนี้ถูกปกคลุมด้วยแถบทึบแสงที่ลด fill factor ไปประมาณร้อยละ 50 และลดประสิทธิภาพควอนตัมที่มีผลกระทบตามปริมาณหนึ่งที่เทียบเท่า การออกแบบที่ทันสมัยได้แก้ปัญหาลักษณะที่เป็นอันตรายนี้โดยการเพิ่ม microlenses บนพื้นผิวของอุปกรณ์เพื่อให้แสงสว่างส่องออกไปจากภูมิภาคทึบแสงและให้ตกลงบนพื้นที่ใช้งาน microlenses สามารถนำ fill factor กลับมาได้ถึงร้อยละ 90 หรือมากกว่า ขึ้นอยู่กับขนาดของ พิกเซลและการออกแบบแสงของระบบโดยรวม
ทางเลือกของสถาปัตยกรรมมาลงเอยที่หนึ่งของยูทิลิตี้ ถ้าแอพลิเคชั่นไม่สามารถทนต่อชัตเตอร์กลที่มีราคาแพง, ล้มเหลวง่าย, และใช้กำลังมาก อุปกรณ์ interline เป็นทางเลือกที่เหมาะสม กล้อง snap-shot ของผู้บริโภคใช้อุปกรณ์ interline ในทางกลับกัน สำหรับการใช้งานที่จำเป็นต้องมีคอลเลกชันของแสงที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้และปัญหาเรื่องเงิน, กำลังและเวลามีความสำคัญน้อยกว่า, อุปกรณ์แบบเต็มเฟรมเป็นทางเลือกที่เหมาะสม นักดาราศาสตร์มักจะชอบอุปกรณ์แบบเต็มเฟรม ตัว frame-transfer เป็นทางเลือกที่อยู่ตรงกลางระหว่างสองทางเลือกนั้น และเป็นทางเลือกร่วมกันก่อนที่ปัญหา fill factor ของอุปกรณ์ interline จะถูกพูดถีง วันนี้ frame-transfer ปกติจะถูกเลือกเมื่อสถาปัตยกรรมแบบ interline ยังไม่มีให้ใช้ได้ เช่นในอุปกรณ์ back-illuminated
CCDs ที่ประกอบด้วยตารางของพิกเซลถูกใช้ในกล้องดิจิทัล, ออฟติคอลสแกนเนอร์, และกล้องวิดีโอ ถูกใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดแสง พวกมันมักจะตอบสนองต่อ 70 เปอร์เซ็นต์ของแสงที่ตกกระทบ (หมายถึงประสิทธิภาพของควอนตัมประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์) ทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพ ห่างไกลมากกว่าฟิล์มถ่ายภาพ ที่จับภาพได้เพียงประมาณร้อยละ 2 ของแสงที่ตกกระทบ
ชนิดของ CCD ที่พบมากที่สุดมีความไวต่อแสงใกล้อินฟราเรด ซึ่งจะช่วยในการถ่ายภาพ อินฟราเรด, ในอุปกรณ์ night-vision และการถ่ายภาพ/การบันทึกภาพวิดีโอที่ลักซ์เป็นศูนย์ (หรือใกล้ศูนย์) สำหรับ เครื่องตรวจจับแบบซิลิกอนธรรมดา ความไวจะถูกจำกัดที่ 1.1 ไมโครเมตร ผลกระทบอื่นๆอันหนึ่งของความไวของพวกมันที่มีต่ออินฟราเรดคือ อินฟราเรดจาก การควบคุมระยะไกล มักจะปรากฏบนกล้องดิจิตอลหรือกล้อง camcorder ที่ใช้ CCD ถ้าพวกมันไม่มีตัวกั้นอินฟราเรด
การระบายความร้อนจะลด dark current ของอาร์เรย์, ช่วยปรับปรุงความไวของ CCD ที่มีต่อ ความเข้มแสงที่ต่ำ แม้แต่สำหรับความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตและคลื่นที่มองเห็นได้ หอดูดาว มืออาชีพมักจะหล่อเย็นเครื่องตรวจจับของพวกมันด้วยไนโตรเจนเหลวเพื่อลด dark current, และดังนั้นจึงลดเสียงรบกวนที่เกิดจากอุณหภูมิไปด้วย, ให้อยู่ในระดับที่ตัดทิ้งได้

การใช้ในทางดาราศาสตร์

เนื่องจากประสิทธิภาพที่สูงแบบควอนตัมของ CCDs, ความเป็นเชิงเส้นของเอาต์พุตของพวกมัน (นับหนึ่งสำหรับหนึ่งโฟตอนของแสง), ความสะดวกในการใช้งานเมื่อเทียบกับแผ่นฟิล์ม และความหลากหลายของเหตุผลอื่นๆ, CCDs จะถูกนำมาใช้อย่างรวดเร็วโดยนักดาราศาสตร์สำหรับ เกือบทั้งหมดของการใช้งาน UV-ถึง-อินฟาเรด
เสียงรบกวนจากอุณหภูมิและรังสีคอสมิคอาจเปลี่ยนแปลงพิกเซลในอาร์เรย์ของ CCD เพื่อตอบโต้ผลกระทบดังกล่าว นักดาราศาสตร์ถ่ายภาพหลายครั้งด้วยชัตเตอร์ CCD ที่ปิดและเปิด ค่าเฉลี่ยของภาพที่ถ่ายด้วยชัตเตอร์ปิดเป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อลดเสียงรบกวนอิสระ เมื่อถูกพัฒนา ภาพ เฉลี่ย dark frame จะถูกหักออกจากภาพที่เปิดชัตเตอร์ เพื่อลบ dark current และความผิดพลาดที่เป็นระบบอื่นๆ(พิกเซลตาย, พิกเซลร้อน ฯลฯ ) ใน CCD
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล, โดยเฉพาะอย่างยิ่ง, ได้พัฒนาอย่างมากในชุดของขั้นตอน ("pipeline การลดข้อมูล") เพื่อแปลงข้อมูล CCD ดิบให้เป็นภาพที่มีประโยชน์ กล้อง CCD ที่ใช้ในการถ่ายภาพอวกาศ มักจะต้องการการติดตั้งที่มีความทนทานเพื่อรับมือกับ การสั่นสะเทือนจากลมและแหล่งอื่นๆ พร้อมกับน้ำหนักที่มากของแพลตฟอร์มการถ่ายภาพส่วนใหญ่ เพื่อถ่ายภาพยาวๆของกาแลคซีและเนบิวล่า นักดาราศาสตร์หลายคนใช้เทคนิคที่เรียกว่า auto-guiding ตัว autoguiders ส่วนใหญ่ใช้ชิป CCD ตัวที่สองเพื่อเฝ้าดูการเบี่ยงเบนระหว่าง การถ่ายภาพ ชิปนี้สามารถตรวจพบข้อผิดพลาดได้อย่างรวดเร็วในการติดตามและออกคำสั่งให้มอเตอร์ที่ขี่อยู่เพื่อแก้ไขให้พวกมัน
การประยุกต์ใช้ทางดาราศาสตร์ทั้ไม่ปกติที่น่าสนใจของ CCDs ทีถูกเรียกว่า drift-scanning, ใช้ CCD เพื่อทำให้กล้องเทเลสโคปทำตัวเหมือนกล้องโทรทรรศน์ตามร่องรอยและติดตามการเคลื่อนไหวของท้องฟ้า ประจุใน CCD จะถูกถ่ายโอนและอ่านในทิศทางขนานกับการเคลื่อนที่ของท้องฟ้าและที่ความเร็วเท่ากัน ด้วยวิธีนี้ กล้องเทเลสโคปสามารถสร้างภาพท้องฟ้าแสดงภูมิภาคขนาดใหญ่กว่าสาขาของมุมมองปกติ การสำรวจท้องฟ้าของ สโลน ดิจิทัล เป็นตัวอย่างที่ มีชื่อเสียงที่สุดของงานนี้ โดยการใช้เทคนิคเพื่อผลิตชุดที่แน่นอนของการสำรวจท้องฟ้าที่ใหญ่ที่สุดและก็ยังประสบความสำเร็จ
นอกเหนือไปจากดาราศาสตร์ CCDs ยังถูกใช้ในเครื่องมือการวิเคราะห์ทางดาราศาสตร์ เช่น spectrometer

กล้องสี

กล้องดิจิทัลสีทั่วไปใช้หน้ากากของไบเออร์วางบนเหนือตัว CCD แต่ละตารางสี่พิกเซลจะมีหนึ่ง ตัวกรองสีแดง, สีฟ้าหนึ่ง, และสีเขียวสอง (สายตาของคนจะไวต่อแสงสีเขียวมากกว่าสีแดงหรือสีฟ้า) ผลจากการนี้ก็คือ ข้อมูลความสว่างจะถูกเก็บรวบรวมในทุกๆพิกเซล แต่ความละเอียดของสีจะต่ำกว่าความละเอียดความสว่าง
การแยกสีที่ดีกว่าสามารถทำได้โดยอุปกรณ์สาม CCD (3CCD) และปริซึมแยกแสง dichroic , ที่แยกภาพออกเป็นส่วนๆ สีแดง, สีเขียว และสีฟ้า แต่ละตัวของทั้งสาม CCDs ถูกจัดวางเพื่อตอบสนองต่อสีเฉพาะอย่าง กล้อง camcorder วิดีโอระดับมืออาชีพหลายตัวและบางกล้องกึ่งมืออาชีพใช้เทคนิคนี้ ถึงแม้ว่าการพัฒนาหลายอย่างในการแข่งขัน CMOS เทคโนโลยีได้มีการสร้าง CMOS เซ็นเซอร์ขึ้น กล้องทั้งสองแบบใช้ตัวกรองแบบแยกแสงและแบบไบเออร์ ซึ่งได้รับความนิยมมากขึ้นในกล้องวิดีโอระดับไฮเอนด์และกล้องดิจิทัลถ่ายภาพยนตร์ ข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่งของ 3CCD ที่เหนือกว่าอุปกรณ์หน้ากากไบเออร์คือประสิทธิภาพควอนตัมที่มีสูงกว่า (จึงทำให้ความไวแสงที่สูงกว่าสำหรับขนาดรูรับแสงเดียวกัน) นี้เป็นเพราะในอุปกรณ์ 3CCD ส่วนมากของแสงที่เข้ารูรับแสงถูกจับโดยเซ็นเซอร์ ในขณะที่หน้ากากไบเออร์ดูดซับในสัดส่วนที่สูง ( ประมาณ 2/3) ของแสงที่ตกลงบนพิกเซลของ CCD
สำหรับภาพนิ่ง, เช่นในกล้องจุลทรรศน์, ความละเอียดของอุปกรณ์หน้ากากไบเออร์สามารถถูกทำให้เพิ่มขึ้นโดยเทคโนโลยี microscanning ในระหว่างกรรมวิธีของการสุ่มตัวอย่างร่วมไซต์ของสี หลายเฟรมของภาพถูกผลิตขึ้น ช่วงระหว่างรวมกิจการ เซ็นเซอร์จะถูกย้ายไปในมิติของ พิกเซล เพื่อที่ว่าแต่ละจุดในเขตข้อมูลภาพจะถูกจัดหาโดยองค์ประกอบของหน้ากากที่มีความไวต่อส่วนประกอบของสีแดง, สีเขียวและสีฟ้าของสีของมัน ในที่สุดทุกพิกเซลในภาพจะถูกสแกน อย่างน้อยหนึ่งครั้งในแต่ละสีและความละเอียดของสามช่องกลายเป็นเทียบเท่า (ความคมชัดของช่องทางสีแดงและสีน้ำเงินจะเป็นสี่เท่าในขณะที่ช่องสีเขียวเป็นสองเท่า)

ขนาดเซ็นเซอร์

บทความหลัก: Image sensor format
เซ็นเซอร์ (CCD/CMOS) มีขนาดต่างๆ หรือในรูปแบบเซ็นเซอร์รับภาพหลายอย่าง ขนาดเหล่านี้มักจะถูกอ้างถึงด้วยการกำหนดเป็นส่วนของนิ้ว เช่น 1/1.8" หรือ 2/3" ที่ถูกเรียกว่ารูปแบบออปติคอล การวัดแบบนี้จริงๆแล้วมีจุดกำเนิดย้อนกลับไปในปี 1950 และยุคของหลอด Vidicon

CCD ทวีคูณอิเล็กตรอน

Electron-multiplying CCD (EMCCD, หรือที่รู้จักกันว่าเป็น L3Vision CCD, L3CCD หรือ Impactron CCD) เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทประจุในที่ซึ่ง gain register ถูกวางอยู่ระหว่าง shift register และ ตัวขยายเอาต์พุต shift register จะถูกแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอนทำงาน ใน แต่ละขั้นตอน อิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มเป็นทวีคูณด้วยผลกระทบไอออนไนซ์ ในลักษณะที่คล้ายกับ ไดโอดหิมะถล่ม ความน่าจะเป็นของ gain ในแต่ละขั้นตอนของ register มีขนาดเล็ก (P < 2%) แต่เนื่องจากจำนวนของตัวขยายมีจำนวนมาก (N > 500) gain โดยรวมจะสูงมาก () ที่มีอินพุทอิเล็กตรอนต้วเดียวที่สามารถให้เอาต์พุตอิเล็กตรอนหลายพัน การอ่านสัญญาณจาก CCD จะให้เสียงรบกวนพื้นหลังปกติไม่กี่อิเล็กตรอน ใน EMCCD เสียงรบกวนนี้จะถูกซ้อนทับบนหลายพันอิเล็กตรอนมากกว่าจะเป็นอิเล็กตรอนเดียว ข้อได้เปรียบเบื้องต้นของอุปกรณ์จึงเป็นเสียงรบกวนที่อ่านออกมาของพวกมันที่ตัดทิ้งได้ ประสิทธิภาพควอนตัม (QE) เมื่อเทียบกับการดำเนินงานที่มี gain เท่ากับหนึ่ง อย่างไรก็ตามใน ระดับแสงที่ต่ำมาก (เมื่อประสิทธิภาพควอนตัมเป็นสิ่งที่สำคัญมากที่สุด) มันก็สามารถสันนิษฐานได้ว่าหนึ่งพิกเซลจะประกอบด้วยหนึ่งอิเล็กตรอน-หรือไม่มีก็ได้ สิ่งนี้จะถอดเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับการทวีคูณโดยการสุ่มที่มีความเสี่ยงของการนับหลายอิเล็กตรอนในพิกเซล เดียวกันกับพิกเซลอิเล็กตรอนเดียว เพื่อหลีกเลี่ยงการนับจำนวนหลายรายการในหนึ่งพิกเซลเนื่องจากโฟตอนที่ตกกระทบพร้อมกัน ในโหมดนี้ของการดำเนินการ อัตราเฟรมที่สูงเป็นสิ่งจำเป็น การกระจายตัวใน gain ถูกแสดงใน กราฟด้านขวา สำหรับ multiplication registers ที่มีหลายองค์ประกอบและ gain สูง มันจะถูกแบบจำลองอย่างดีจากสมการ
 if 
เมื่อ P คือความน่าจะเป็นของการได้รับ n เอาต์พุตอิเล็กตรอน จาก m อินพุทอิเล็กตรอน และค่า gain เฉลี่ยโดยรวมของ multiplication register จะเท่ากับ g
เพราะค่าใช้จ่ายต่ำลงและความละเอียดที่ดีขึ้น EMCCDs มีความสามารถในแทนที่ ICCDs ในการใช้งานจำนวนมาก ICCDs ยังคงมีความได้เปรียบที่พวกมันสามารถทำ gate ได้ จึงมีประโยชน์ในการใช้งานเช่น การถ่ายภาพแบบ range-gated กล้อง EMCCD ขาดไม่ได้ต้องมีระบบระบายความร้อน - โดยการใช้ระบบความเย็นเทอร์โมอิเล็กตริกหรือไนโตรเจนเหลว - เพื่อลดอุณหภูมิของชิปลงไปที่ -65 °C ถึง -95 °C. น่าเสียดายที่ระบบทำความเย็นนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในระบบการถ่ายภาพ EMCCD และอาจก่อให้เกิดปัญหาในการกลั่นตัวในการงานด้วย อย่างไรก็ตาม กล้อง EMCCD ระดับ high-end มีระบบสุญญากาศแบบปิดสนิมถาวรติดตั้งอยู่ด้วยที่จะขีดวงจำกัดชิปให้อยู่ภายในเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ
ความสามารถในการใช้งานในที่มีแสงน้อยของ EMCCDs ส่วนใหญ่พบประโยชน์ในทางดาราศาสตร์และการวิจัยทางชีวแพทย์ท่ามกลางสาขาอื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เสียงรบกวนที่ต่ำ ของมันที่ความเร็วการอ่านออกสูง ทำให้พวกมันมีประโยชน์มากสำหรับความหลากหลายของ การใช้งานทางดาราศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับแหล่งที่มีแสงน้อย และเหตุการณ์ชั่วคราวเช่นการถ่ายภาพโชคดีของดาวกำลังดับ, เครื่องนับแสงที่ใช้นับโฟตอนความเร็วสูง, เครื่อง spectroscopy ของ Fabry-Perot และเครื่อง spectroscopy ความละเอียดสูง เร็วๆนี้ ประเภทนี้ CCDs ได้แบ่งออกเป็นสาขาวิจัยทางชีวแพทย์ในการใช้งานในสภาวะแสงน้อย รวมทั้งการถ่ายภาพสัตว์ขนาดเล็ก, การถ่ายภาพโมเลกุลเดี่ยว, spectroscopy แบบรามัน, spectroscopy แบบความละเอียดสุดยอด เช่นเดียวกับความหลากหลายของเทคนิค spectroscopy แบบการเรืองแสงที่ทันสมัย ​​ขอบคุณ SNR ที่มากขึ้นในสภาพแสงน้อยเมื่อเทียบกับ CCDs และ ICCDs แบบดั้งเดิม
ในแง่ของเสียงรบกวน, กล้อง EMCCD เชิงพาณิชย์มักจะมีประจุที่เกิดจากนาฬิกา (CIC) และdark current (ขึ้นอยู่กับขอบเขตของการทำความเย็น) ที่ร่วมกันนำไปสู่​​เสียงรบกวนการอ่านออกที่มีประสิทธิภาพ ตั้งแต่ 0.01-1 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่ถูกอ่าน อย่างไรก็ตาม การปรับปรุง ล่าสุดในเทคโนโลยี EMCCD ได้นำไปสู่ยุคใหม่ของกล้องที่มีความสามารถในการผลิต CIC ที่น้อยอย่างมีนัยสำคัญ, ประสิทธิภาพในการโอนย้ายที่สูงขึ้น และมี EM gain สูงกว่า 5 เท่าสูงกว่า สิ่งที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ ความก้าวหน้าเหล่านี้ในการตรวจสอบที่มีแสงน้อยนำไปสู่​​ สัญญาณรบกวนพื้นหลังรวมที่มีประสิทธิภาพถึง 0.001 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่ถูกอ่าน เป็นพื้นเสียงรบกวนที่ไม่แมทช์โดยอุปกรณ์การถ่ายภาพในสภาวะแสงน้อยอื่นๆ

CCD แบบ Frame transfer

ตัวสร้างภาพ CCD แบบ frame transfer เป็นโครงสร้างการสร้างภาพตัวแรกที่ถูกนำเสนอสำหรับการสร้างภาพด้วย CCD โดยไมเคิล tompsett ที่ Bell Laboratories. CCD แบบ frame transfer เป็นข้อมูลพิเศษมักใช้ในทางดาราศาสตร์และกล้องวิดีโอระดับมืออาชีพบางอย่าง ถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพและความถูกต้องสูง
การทำงานปกติของ CCD, ทางดาราศาสตร์หรืออื่นๆ, สามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนคือ การเปิดรับแสงและการอ่านออกมา ในระหว่างขั้นตอนแรก CCD เก็บรวบรวมโฟตอนที่เข้ามา, จัดเก็บ อิเล็กตรอนในเซลล์ หลังจากช่วงเวลาการเปิดรับแสงผ่านไป เซลล์จะอ่านทีละบรรทัดออกมา ในระหว่างขั้นตอนการอ่าน เซลล์จะถูกเลื่อนลงจากพื้นที่ทั้งหมดของ CCD ในขณะที่ พวกมันถูกเลื่อน พวกมันจะยังคงเก็บแสงไว้ต่อไป ดังนั้นหากเลื่อนไม่เร็วพอ ข้อผิดพลาดสามารถมีผลจาก แสงที่ตกลงบนเซลล์และรั้งประจุที่กำลังถูกถ่ายโอนอยู่ ข้อผิดพลาดเหล่านี้จะถูกเรียกว่า"รอยเปื้อนแนวดิ่ง" และก่อให้เกิดแหล่งกำเนิดแสงที่แข็งแกร่งในการสร้างเส้นแนวตั้งด้านบนและด้านล่างของตำแหน่งที่แน่นอน นอกจากนี้ CCD ไม่สามารถถูกใช้ในการเก็บรวบรวมแสงในขณะที่มัน กำลังจะถูกอ่าน แต่น่าเสียดาย การเลื่อนที่เร็วขึ้นต้องมีการอ่านข้อมูลที่เร็วขึ้นด้วยและ การอ่านข้อมูลที่เร็วขึ้นสามารถสร้างข้อผิดพลาดในการวัดประจุของเซลล์ ที่นำไปสู่​​ระดับเสียงรบกวนที่สูงขึ้น
CCD แบบ frame transfer แก้ปัญหาทั้งสองอย่างนี้ได้: มันมีพื้นที่เกราะป้องกัน, ไม่ไวต่อแสง, ที่ประกอบด้วยเซลล์จำนวนมากเท่ากับพื้นที่ที่สัมผัสกับแสง โดยปกติแล้ว บริเวณนี้ถูกปกคลุมด้วยวัสดุสะท้อนแสง เช่นอะลูมิเนียม เมื่อเวลาการเปิดรับแสงหมดไป เซลล์จะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วไปยังพื้นที่ที่ซ่อนอยู่ ที่นี่ ปลอดภัยจากแสงที่เข้ามาใดๆ เซลล์สามารถถูกอ่านได้ที่ความเร็วใดๆที่คนๆหนึ่งเห็นว่าจำเป็นที่จะต้องมีเพื่อวัดประจุของเซลล์ได้อย่างถูกต้อง ในขณะเดียวกัน ส่วนที่สัมผัสกับแสงของ CCD ก็เก็บรวบรวมแสงอีกครั้ง ดังนั้น ความล่าช้าจึงไม่เกิดขึ้นระหว่างการถ่ายภาพต่อเนื่อง
ข้อเสียเปรียบของ CCD ดังกล่าวเป็นค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น: พื้นที่เซลล์โดยพื้นฐานต้องมีขนาดเป็นสองเท่าและการควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากขึ้นมีความจำเป็น

CCD แบบเข้มข้น

บทความหลัก: Image intensifier
Intensified charge-coupled device(ICCD) เป็น CCD ที่เชื่อมต่อด้วยแสงกับตัวเพิ่มความเข้มของแสงให้กับภาพ(อังกฤษ: image intensifier) ที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้าของ CCD
Image intensifier ประกอบด้วยสามองค์ประกอบการทำงาน ได้แก่ photocathode, micro-channel plate (MCP ) และจอเรืองแสง ทั้งสามองค์ประกอบนี้ติดตั้งเรียงต่อกันตามลำดับ โฟตอนที่มาจากการแหล่งกำเนิดแสงจะตกลงบน photocathode ทำให้เกิด photoelectrons photoelectrons จะถูกเร่งเข้าไปที่ MCP โดยแรงดันไฟฟ้าควบคุม ที่ถูกจ่ายให้ระหว่าง photocathode กับ MCP อิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มจำนวนภายในของ MCP และหลังจากนั้นจะถูกเร่งให้วิ่งไปที่จอเรืองแสง ในที่สุด สารเรืองแสงหน้าจอแปลงอิเล็กตรอนที่ถูกทวีคูณกลับไปเป็น โฟตอน ซึ่งจะถูกนำไปยัง CCD โดยใยแก้วนำแสงหรือเลนส์
Image intensifierโดยเนื้อแท้มีฟังก์ชันการทำงานเป็นชัตเตอร์: ถ้าแรงดันไฟฟ้าควบคุมระหว่าง photocathode กับ MCP ถูกกลับทาง photoelectrons ที่ถูกปล่อยออกมาจะไม่ถูกเร่งไปที่ MCP แต่กลับคืนไปที่ photocathode ดังนั้น ไม่มีอิเล็กตรอนจะถูกทวีคูณและถูกปล่อยออกมาจาก MCP, ไม่มีอิเล็กตรอนไปที่หน้าจอสารเรืองแสงและไม่มีแสงออกมาจาก image intensifier ในกรณีนี้ ไม่มีแสงตกบน CCD ซึ่งหมายความว่าชัตเตอร์ปิดอยู่ กระบวนการของการย้อนกลับของแรงดันควบคุมที่ photocathode เรียกว่า gating และดังนั้น ICCDs จึงถูกเรียกว่า กล้อง CCD ที่สามารถทำ gate ได้
นอกเหนือไปจากความไวสูงมากของกล้อง ICCD ซึ่งช่วยในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว, ความสามารถด้าน gating เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของ ICCD ทั่มีเหนือกว่ากล้อง EMCCD กล้อง ICCD ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ช่วยให้เวลาชัตเตอร์สั้นที่สุดถึง 200 picoseconds
กล้อง ICCD ทั่วไปมีราคาค่อนข้างสูงกว่ากล้อง EMCCD เพราะพวกมันต้องใช้ image intensifier ที่มีราคาแพง ในอีกด้านหนึ่ง กล้อง EMCCD ต้องมีระบบระบายความร้อนให้กับชิป EMCCD ให้เย็นลงที่อุณหภูมิประมาณ 170 K. ระบบทำความเย็นนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมให้กับกล้อง EMCCD และมักจะทำให้เกิดปัญหาการกลั่นตัวอย่างหนักในการใช้งาน
ICCDs ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ถ่ายภาพในตอนกลางคืนและในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่หลากหลาย

บลูมมิ่ง

เมื่อ CCD กระทบกับแสงเป็นเวลานานพอ ในที่สุด อิเล็กตรอนที่สะสมใน "ถัง" ในส่วนที่สว่างที่สุดของภาพจะล้นถัง ทำให้เกิดการเบ่งบาน(อังกฤษ: blooming) โครงสร้างของ CCD ยอมให้อิเล็กตรอนไหลได้ง่ายขึ้นในทิศทางเดียวกว่าอีกทางหนึ่ง ส่งผลให้เกิด ลายเส้นตรงแนวดิ่ง
คุณสมบัติที่ต้านการเบ่งบานบางอย่างที่สามารถถูกสร้างใน CCD จะช่วยลดความไวแสงของมันโดยใช้บางส่วนของพื้นที่พิกเซลสำหรับโครงสร้างระบาย เจมส์ M. Early ได้พัฒนาท่อระบายต้านการเบ่งบานแนวตั้ง ที่จะไม่เบี่ยงเบนออกจากพื้นที่สะสมแสง ดังนั้นมันจึงไม่ได้ลดความไวแสง