Zasada działania kamery CCD

Proces rejestracji obrazu przez kamerę CCD można podzielić na cztery etapy (Newberry, 1995):

1. Wygenerowanie ładunku.
   Jest ono zależne od wydajności kwantowej (QE), która określa jaka część padających na detektor fotonów zostanie zarejestrowana. W idealnym przypadku wydajność ta powinna wynosić 100%, co na razie jest nieosiągalne (np. ze względu na to, że QE jest zależne od długości fali). Kiedy na płytkę krzemową pada foton, w wyniku efektu fotoelektrycznego wewnętrznego następuje przekazanie jego energii elektronom. Jeżeli foton ma wystarczająco dużą energię, wynoszącą przynajmniej 1,13 elektronowolta, powstaje jeden lub kilka wolnych elektronów. Energia ta z kolei jest ściśle związana z długością fali co powoduje, że czułość CCD jest różna dla różnych częstotliwości padającego światła. Zakres czułości kamery CCD mieści się na ogół w przedziale od 330 nm do 1100 nm, osiągając swoje maksimum w okolicach 650 nm. Fale krótsze niż 650 nm zaczynają być pochłaniane przez elektrody na powierzchni płytki krzemowej, zmniejszając tym samym wydajność detektora w zakresie krótkofalowym (w okolicach 400 nm QE na ogół nie przekracza kilku procent). Stosuje się różne techniki, aby podnieść wydajność kwantową. Jedna z nich polega na oświetlaniu płytki krzemu od tyłu, gdzie jej powierzchnia nie jest przesłonięta przez siatkę elektrod. Pozwala to przekroczyć 80% próg rejestracji fotonów, ale jest bardzo kosztowne.

2. Zbieranie ładunku.
   Wydajność tego procesu jest zależna od trzech parametrów:
   • Ilości pikseli w detektorze.
     Im większa płytka i mniejsze piksele tym większa rozdzielczość i zdjęcie. Jednak wadą jest dłuższy czas odczytywania detektora i trudności z obsłużeniem tak dłużej matrycy. Optymalnym rozmiarem piksela jest 15 $\mu\textrm{m}^2$ mogące zgromadzić do 500 tys. elektronów.
   • Ilości elektronów, które mogą być zgromadzone w jednym pikselu.
     Wielkość ta zazwyczaj mieści się w przedziale od 50 tys. do 1 mln. Im większa wartość tym lepiej (można uzyskać większy kontrast). Poza tym większe piksele pozwalają zebrać więcej ładunku.
   • Zdolność do utrzymania ładunku zanim zostanie on zmierzony.
     Wiąże się z tym możliwość rozlewania ładunku na inne piksele, co daje wrażenie jakby zdjęcie nie było dobrze zogniskowane. W idealnej sytuacji elektrony zgromadzone przez piksel powinny w nim pozostać do czasu dokonania odczytu.

3. Transfer ładunku.
   Po zgromadzeniu ładunku, musi on zostać przesłany do wyjściowego wzmacniacza poprzez cały rząd oddzielających go elementów. W tym celu przykłada się do wejścia napięcie, które zmusza elektrony do ruchu od jednego piksela do następnego. Jeden ze sposobów transferu to tzw. transfer liniowy, gdzie najpierw odczytuje się pionowe piksele a następnie sprawdza się do którego rzędu należą. Drugi to transfer klatkowy polegający na skopiowaniu całej klatki do innej, która służy jako pamięć do chwili odczytu. W czasie tych operacji ważne jest aby stracić jak najmniejszą część tego ładunku. Współczesne kamery CCD mają wydajność transferu przekraczającą 99,9999%.
4. Pomiar zgromadzonego ładunku.
   Pomiar dokonywany jest w małym kondensatorze (o pojemności ok. 50 fF), podłączonym do wyjściowego tranzystora. Tranzystor działa jak wzmacniacz, generując napięcie proporcjonalne do ładunku. Ostatecznie sygnał trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego.