電荷結合素子

電荷結合素子( CCD ) は、連結されたコンデンサのアレイを含む集積回路です。外部回路の制御下で、各コンデンサは電荷を隣接するコンデンサに転送できます。CCD センサーは、デジタル画像処理で使用される主要な技術です。

CCDイメージセンサーでは、ピクセルはpドープされた 金属酸化物半導体（MOS）コンデンサによって表されます。CCDの基本的な構成要素であるこれらのMOSコンデンサ^{[1]は、画像取得の開始時に反転しきい値以上にバイアスされ、半導体酸化物界面で入射}光子を電子電荷に変換します。その後、CCDを使用してこれらの電荷を読み出します。

CCD は光検出を可能にする唯一の技術ではありませんが、CCD イメージ センサーは、高品質の画像データが要求される専門、医療、科学のアプリケーションで広く使用されています。

民生用およびプロ用のデジタル カメラなど、品質に対する要求がそれほど厳しくないアプリケーションでは、 CMOS センサー(相補型 MOS センサー)とも呼ばれるアクティブ ピクセル センサーが一般的に使用されます。

しかし、CCD が初期に享受していた大きな品質上の利点は時間の経過とともに狭まり、2010 年代後半からは CMOS センサーが主流の技術となり、CCD イメージセンサーは完全に置き換えられたわけではありませんが、大部分が置き換えられました。

CCDの基礎は金属酸化物半導体（MOS）構造であり、^[2] MOSコンデンサがCCDの基本的な構成要素であり、^{[1] [3]初期のCCDデバイスでは}光検出器として空乏型MOS構造が使用されていました。^{[2] [4]}

1960 年代後半、ベル研究所のウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスは、半導体バブルメモリの研究をしながら MOS 技術を研究していました。彼らは、電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さな MOS コンデンサに保存できることに気付きました。一連の MOS コンデンサを一列に製造するのは非常に簡単だったので、彼らは適切な電圧をコンデンサに接続し、電荷を 1 つから次のコンデンサに段階的に移せるようにしました。 ^[3]これが 1969 年にボイルとスミスによる電荷結合素子の発明につながりました。彼らは、ノートの中で「電荷「バブル」デバイス」と名付けた設計を考案しました。^{[5] [6]}

1970年4月にこの概念を説明した最初の論文では、メモリ、遅延線、およびイメージングデバイスとしての可能性のある用途が挙げられていました。^{[7]このデバイスは}シフトレジスタとしても使用できます。設計の本質は、半導体の表面に沿って電荷を1つのストレージコンデンサから次のコンデンサに転送する機能でした。この概念は、 1960年代後半に フィリップス研究所で開発されたバケツブリッジデバイス（BBD）と原理的に類似していました。

この原理を実証した最初の実験装置は、ワイヤボンドによって電気的に接続された酸化 シリコン表面上の密集した金属四角形の列であった。これは、1970年4月にギル・アメリオ、マイケル・フランシス・トンプセット、ジョージ・スミスによって実証された。 ^{[8]これは、}イメージセンサー技術におけるCCDの最初の実験的応用であり、光検出器として空乏型MOS構造を使用した。^[2] CCDをイメージングに応用した最初の特許（米国特許4,085,456）は、1971年に出願したトンプセットに割り当てられました。^[9]

集積回路技術で作られた最初の実用的なCCDは、1970年8月にトンプセット、アメリオ、スミスによって報告された単純な8ビットシフトレジスタでした。^[10]このデバイスには入力回路と出力回路があり、シフトレジスタとして、また粗雑な8ピクセルの線形撮像装置として使用することを実証するために使用されました。デバイスの開発は急速に進みました。1971年までに、マイケル・トンプセット率いるベルの研究者は、単純な線形デバイスで画像をキャプチャできるようになりました。 ^[11]フェアチャイルドセミコンダクター、RCA 、テキサスインスツルメンツ を含むいくつかの企業がこの発明を採用し、開発プログラムを開始しました。元ベル研究者のギル・アメリオが率いたフェアチャイルドの開発は、商用デバイスの最初のものであり、1974年までに線形500要素デバイスと2D 100×100ピクセルデバイスを完成しました。コダック研究所の科学者ピーター・ディロンは、1974年にフェアチャイルド100×100ピクセルインターラインCCDにカラーフィルターアレイを重ねることで、最初のカラーCCDイメージセンサーを発明しました。^[12] コダック装置部門に勤務していた電気技師スティーブン・サッソンは、 1975年に同じフェアチャイルド100×100 CCDを使用してデジタルスチルカメラを発明しました。 ^[13]

インターライン転送（ILT）CCDデバイスは、スミアを減らし、機械式シャッターをなくすために、1973年にフェアチャイルドのL.ウォルシュとR.ダイクによって提案されました。明るい光源からのスミアをさらに減らすために、フレームインターライン転送（FIT）CCDアーキテクチャが、松下電器（現パナソニック）のK.ホリイ、T.クロダ、T.クニイによって1981年に開発されました。 ^[2]

1976年12月、撮像用の電荷結合素子アレイ（800×800ピクセル）^[要出典]技術を搭載した最初のKH-11 KENNEN偵察衛星が打ち上げられた。 ^[14]岩間和夫氏のリーダーシップの下、ソニーは多額の投資を伴うCCDの大規模な開発に着手した。最終的に、ソニーはカムコーダー用のCCDを量産することに成功した。その前に、岩間氏は1982年8月に亡くなった。その後、彼の貢献を称えてCCDチップが彼の墓石に置かれた。^{[15] 1983年、ソニーは}萩原義明氏が1981年に開発したプロトタイプに基づいて、最初の量産型民生用CCDビデオカメラCCD-G5を発売した。^[16]

初期のCCDセンサーはシャッターラグに悩まされていました。これはピン留めフォトダイオード（PPD）の発明によってほぼ解決されました。^[2]これは1980年にNECの寺西信和、白木宏光、石原康雄によって発明されました。 ^{[2] [17]彼らは、信号キャリアを}フォトダイオードからCCDに転送できればラグをなくせることを認識しました。これがピン留めフォトダイオードの発明につながりました。これはラグが少なく、ノイズが少なく、量子効率が高く、暗電流が低い光検出器構造です。^[2]これは1982年に寺西と石原がA.コホノ、E.オダ、K.アライと共同でアンチブルーミング構造を追加して初めて公表しました。^{[2] [18]} NECで発明された新しい光検出器構造は、1984年にコダックのBCバーキーによって「ピンフォトダイオード」（PPD）と名付けられました。1987年には、PPDがほとんどのCCDデバイスに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、その後デジタルスチルカメラに定着しました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーに使用されています。^[2]

2006年1月、ボイルとスミスはCCD概念の発明により米国工学アカデミーの チャールズ・スターク・ドレイパー賞を受賞し^[19]、 2009年にはノーベル物理学賞も受賞した^{[20] 。マイケル・トンプセットは、最初のCCDイメージャーの設計と開発を含む先駆的な仕事と電子技術により、2010年に}米国国家技術賞を授与された。彼はまた、 「CCDイメージャー、カメラ、サーマルイメージャーなどのイメージングデバイスへの先駆的な貢献」により、 2012年にIEEEエジソンメダルも受賞した。

画像を撮影するための CCD には、光活性領域 (シリコンのエピタキシャル層) と、シフト レジスタ(正確には CCD) で構成された伝送領域があります。

レンズを通して画像がコンデンサ アレイ (光活性領域) に投影され、各コンデンサにその位置の光強度に比例した電荷が蓄積される。ラインスキャン カメラで使用される 1 次元アレイは画像の 1 スライスをキャプチャするのに対し、ビデオ カメラやスチール カメラで使用される 2 次元アレイは、センサーの焦点面に投影されたシーンに対応する 2 次元画像を取得する。アレイが画像にさらされると、制御回路が各コンデンサにその内容を隣のコンデンサに転送させる (シフト レジスタとして動作)。アレイの最後のコンデンサは電荷を電荷増幅器に放出し、電荷は電荷増幅器によって電圧に変換される。このプロセスを繰り返すことで、制御回路は半導体内のアレイの全内容を一連の電圧に変換する。デジタル デバイスでは、これらの電圧がサンプリングされ、デジタル化されて、通常はメモリに格納される。アナログ機器（アナログビデオカメラなど）では、電荷増幅器の出力をローパスフィルタに入力するなどして連続アナログ信号に変換され、その後、他の回路に送られて伝送、記録、その他の処理が行われます。^[21]

MOS コンデンサは光にさらされる前に、空乏領域にバイアスされます。n チャネル CCD では、バイアス ゲートの下のシリコンはわずかにpドープまたは固有です。次に、ゲートは、強い反転のしきい値を超える正の電位にバイアスされ、最終的にはMOSFETのようにゲートの下にnチャネルが作成されます。ただし、この熱平衡に達するには時間がかかり、低温で冷却された高性能科学カメラでは最大数時間かかります。^[22]バイアス後の最初の段階では、正孔は基板の奥深くまで押し込まれ、移動可能な電子は表面またはその近くにありません。したがって、CCD は深い空乏と呼ばれる非平衡状態で動作します。^[23] 次に、空乏領域で電子と正孔のペアが生成されると、それらは電界によって分離され、電子は表面に向かって移動し、正孔は基板に向かって移動します。ペア生成プロセスは 4 つあります。

• 光発電（量子効率最大95％）
• 枯渇地域での世代、
• 表面での生成、そして
• 中性バルクでの生成。

最後の 3 つのプロセスは暗電流生成と呼ばれ、画像にノイズを追加し、使用可能な総積分時間を制限する可能性があります。表面またはその近くでの電子の蓄積は、画像積分が終了して電荷の移動が始まるか、熱平衡に達するまで継続します。この場合、ウェルは満杯であると言えます。各ウェルの最大容量はウェルの深さと呼ばれ、^[24]通常は1 ピクセルあたり約 10 ^{5個の電子です。 [23]} CCD は通常、電離放射線や高エネルギー粒子の影響を受けやすく、CCD の出力にノイズが発生します。CCD を使用する衛星では、これを考慮する必要があります。^{[25] [26]}

CCD の光活性領域は、一般的にはシリコンのエピタキシャル層です。これは、軽くpドープ (通常はホウ素) されており、多くの場合 p++ である基板材料上に成長します。埋め込みチャネルデバイス (ほとんどの最新の CCD で使用されている設計タイプ) では、シリコンの表面の特定の領域にリンがイオン注入され、n ドープ指定が与えられます。この領域は、光生成された電荷パケットが移動するチャネルを定義します。Simon Sze は、埋め込みチャネルデバイスの利点を詳しく説明しています。^[23]

この薄い層 (= 0.2～0.3 ミクロン) は完全に空乏化されており、蓄積された光生成電荷は表面から遠ざけられます。この構造の利点は、表面再結合が減少するため、転送効率が高く、暗電流が低いことです。欠点は、表面チャネル CCD と比較して、電荷容量が 2～3 倍小さくなることです。

ゲート酸化物、つまりコンデンサ 誘電体は、エピタキシャル層と基板の上に成長します。

プロセスの後半では、ポリシリコンゲートが化学蒸着法で堆積され、フォトリソグラフィーでパターン化され、別々に位相が設定されたゲートがチャネルに対して垂直になるようにエッチングされます。チャネルは、 LOCOSプロセスを利用してさらに定義され、チャネル ストップ領域が生成されます。

チャネル ストップは、ある列の電荷パケットを別の列の電荷パケットから分離する役割を果たす、熱成長酸化物です。LOCOS プロセスではゲート材料を破壊する高温ステップが使用されるため、これらのチャネル ストップはポリシリコン ゲートより先に生成されます。チャネル ストップは、チャネル、つまり「電荷を運ぶ」領域と平行で、チャネル領域とは排他的です。

チャネル ストップには、その下に p+ ドープ領域があることが多く、電荷パケット内の電子に対するさらなる障壁を提供します (CCD デバイスの物理的性質に関するこの説明では、電子転送デバイスを想定していますが、正孔転送も可能です)。

ゲートのクロッキング（交互に高と低）により、埋め込みチャネル（n ドープ）とエピタキシャル層（p ドープ）によって提供されるダイオードに順方向バイアスと逆方向バイアスがかかります。これにより、CCD は p -n 接合付近で空乏化し、デバイスのゲートの下とチャネル内で電荷パケットを収集して移動します。

CCD の製造と操作は、さまざまな用途に合わせて最適化できます。上記プロセスは、フレーム転送 CCD について説明しています。CCD は高濃度ドープの p++ ウェーハ上で製造できますが、n ウェーハ上に配置された p ウェル内にデバイスを製造することもできます。この 2 番目の方法は、スミア、暗電流、赤外線および赤色応答を低減すると言われています。この製造方法は、インターライン転送デバイスの構築に使用されます。

CCD の別のバージョンは、蠕動 CCD と呼ばれます。蠕動電荷結合デバイスでは、電荷パケットの転送動作は、消化器系の蠕動収縮と拡張に似ています。蠕動 CCD には、シリコン/二酸化シリコン界面から電荷を遠ざけ、ゲート間で大きな横方向の電界を生成する追加のインプラントがあります。これにより、電荷パケットの転送を助ける追加の駆動力が提供されます。

CCD イメージ センサーは、いくつかの異なるアーキテクチャで実装できます。最も一般的なのは、フル フレーム、フレーム転送、インターラインです。これらの各アーキテクチャの特徴は、シャッターの問題に対するアプローチにあります。

フルフレーム デバイスでは、画像領域全体がアクティブであり、電子シャッターはありません。このタイプのセンサーには機械式シャッターを追加する必要があります。そうしないと、デバイスがクロックされたり読み出されたりするときに画像がぼやけてしまいます。

フレーム転送 CCD では、シリコン領域の半分が不透明マスク (通常はアルミニウム) で覆われています。画像は、数パーセントの許容可能なスミアで、画像領域から不透明領域またはストレージ領域にすばやく転送できます。その後、新しい画像がアクティブ領域で統合または露光されている間に、その画像をストレージ領域からゆっくりと読み出すことができます。フレーム転送デバイスは通常、機械式シャッターを必要とせず、初期のソリッド ステート放送カメラの一般的なアーキテクチャでした。フレーム転送アーキテクチャの欠点は、同等のフル フレーム デバイスの 2 倍のシリコン領域が必要になることです。そのため、コストが約 2 倍になります。

インターライン アーキテクチャでは、この概念をさらに一歩進め、イメージ センサーの列を 1 つおきにマスクして保存します。このデバイスでは、イメージ領域から保存領域に転送するために 1 つのピクセル シフトのみを実行する必要があります。そのため、シャッター時間は 1 マイクロ秒未満に抑えられ、スミアは基本的に排除されます。ただし、この利点は無料ではありません。イメージ領域が不透明なストリップで覆われているため、フィル ファクターが約 50 % に低下し、有効量子効率も同量低下します。最新の設計では、この有害な特性に対処するために、デバイスの表面にマイクロレンズを追加して、光を不透明領域からアクティブ領域に向けます。マイクロレンズにより、ピクセル サイズとシステム全体の光学設計に応じて、フィル ファクターを最大 90 % 以上まで戻すことができます。

アーキテクチャの選択は、結局は実用性次第です。高価で故障しやすく、電力を大量に消費する機械式シャッターを許容できないアプリケーションの場合、インターライン デバイスが適切な選択です。消費者向けスナップショット カメラではインターライン デバイスが使用されています。一方、可能な限り最高の光収集を必要とし、お金、電力、時間の問題がそれほど重要でないアプリケーションの場合、フル フレーム デバイスが適切な選択です。天文学者はフル フレーム デバイスを好む傾向があります。フレーム転送は中間に位置し、インターライン デバイスのフィル ファクターの問題が解決される前は一般的な選択でした。今日では、フレーム転送は通常、裏面照射型デバイスなど、インターライン アーキテクチャが利用できない場合に選択されます。

ピクセルのグリッドを含む CCD は、デジタル カメラ、光学スキャナ、ビデオ カメラで光感知デバイスとして使用されます。CCD は通常、入射光の 70 % に反応します (つまり、量子効率は約 70 % です)。そのため、入射光の約 2 % しか捉えられない 写真フィルムよりもはるかに効率的です。

最も一般的なタイプの CCD は近赤外線に敏感で、赤外線写真、暗視装置、およびゼロルクス(またはほぼゼロ ルクス) でのビデオ録画/写真撮影が可能です。通常のシリコンベースの検出器の場合、感度は 1.1 μm に制限されます。赤外線に対する感度のもう 1 つの結果は、赤外線ブロッカーがない場合、 リモコンからの赤外線が CCD ベースのデジタル カメラまたはビデオカメラに頻繁に表示されることです。

冷却によりアレイの暗電流が低減し、紫外線や可視光線の波長でも CCD の低光強度に対する感度が向上します。専門的な観測所では、暗電流、ひいては熱雑音を無視できるレベルまで低減するために、検出器を液体窒素で冷却することがよくあります。

フレーム転送 CCD イメージャーは、ベル研究所の Michael Tompsett が CCD イメージング用に提案した最初のイメージング構造です。フレーム転送 CCD は、高い露出効率と正確性を実現するために設計された特殊な CCD で、天文学や一部のプロ用ビデオ カメラでよく使用されます。

天文用またはその他の CCD の通常の機能は、露光と読み出しの 2 つの段階に分けられます。最初の段階では、CCD は入射する光子を受動的に収集し、電子をセルに格納します。露光時間が経過すると、セルは 1 行ずつ読み出されます。読み出し段階では、セルは CCD の全領域にわたってシフトされます。シフトされている間も、セルは光の収集を続けます。したがって、シフトが十分に速くないと、転送中に電荷を保持するセルに光が当たることでエラーが発生する可能性があります。これらのエラーはローリング シャッター効果と呼ばれ、高速で移動する物体が歪んで見えます。また、CCD は、読み出し中に光の収集に使用することはできません。シフトを高速化すると読み出しも高速化する必要がありますが、読み出しが高速化するとセル電荷測定でエラーが発生し、ノイズ レベルが高くなる可能性があります。

フレーム転送 CCD は、両方の問題を解決します。光に露出された領域と同じ数のセルを含む、光に敏感ではない遮蔽された領域があります。通常、この領域はアルミニウムなどの反射材で覆われています。露出時間が終了すると、セルは隠れた領域に非常に速く転送されます。ここでは、入射光から保護されているため、セルの電荷を正確に測定するために必要と思われる任意の速度でセルを読み取ることができます。同時に、CCD の露出された部分は再び光を集めているため、連続した露出の間に遅延は発生しません。

このような CCD の欠点はコストが高くなることです。セル領域は基本的に 2 倍になり、より複雑な制御電子機器が必要になります。

増倍電荷結合素子 (ICCD) は、CCD の前に取り付けられたイメージ増倍管に光学的に接続された CCD です。

イメージ増強管には、光電陰極、マイクロチャネルプレート(MCP)、蛍光スクリーンの3 つの機能要素が含まれています。これらの 3 つの要素は、前述の順序で互いに近接して取り付けられています。光源からの光子は光電陰極に当たり、光電子を生成します。光電子は、光電陰極と MCP の間に印加される電気制御電圧によって MCP に向かって加速されます。電子は MCP 内で増幅され、その後蛍光スクリーンに向かって加速されます。蛍光スクリーンは最終的に増幅された電子を光子に戻し、光ファイバーまたはレンズによって CCD に誘導します。

イメージ増強管には、シャッター機能が本質的に含まれています。光電陰極と MCP 間の制御電圧が逆転すると、放出された光電子は MCP に向かって加速されず、光電陰極に戻ります。したがって、MCP によって電子が増幅されて放出されることはなく、電子は蛍光スクリーンに向かわず、イメージ増強管から光は放出されません。この場合、CCD に光は当たらないため、シャッターは閉じています。光電陰極で制御電圧を逆転させるプロセスはゲーティングと呼ばれ、そのため ICCD はゲーティング可能な CCD カメラとも呼ばれます。

単一光子検出を可能にする ICCD カメラの極めて高い感度に加え、ゲート機能は EMCCD カメラに対する ICCD の大きな利点の 1 つです。最高性能の ICCD カメラでは、シャッター時間が 200ピコ秒まで短くなります。

ICCD カメラは高価なイメージ インテンシファイアを必要とするため、一般的に EMCCD カメラよりもやや高価です。一方、EMCCD カメラには、EMCCD チップを約 170  K (-103  °C ) の温度まで冷却するための冷却システムが必要です。この冷却システムは EMCCD カメラに追加コストを追加し、アプリケーションで深刻な結露の問題を引き起こすことがよくあります。

ICCD は暗視装置やさまざまな科学アプリケーションで 使用されます。

電子増倍型 CCD (EMCCD、L3Vision CCD とも呼ばれ、e2v Ltd., GB が商品化した製品、L3CCD または Impactron CCD、Texas Instruments が過去に提供していた現在は製造中止の製品) は、シフト レジスタと出力アンプの間にゲイン レジスタが配置された電荷結合素子です。ゲイン レジスタは多数のステージに分割されています。各ステージでは、アバランシェ ダイオードと同様に、衝撃イオン化によって電子が増倍されます。レジスタの各ステージでのゲイン確率は小さい ( P < 2%) ですが、要素数が多い (N > 500) ため、全体のゲインは非常に高くなり ( )、単一の入力電子から数千の出力電子が得られます。CCD から信号を読み取ると、通常は数個の電子であるノイズ バックグラウンドが発生します。EMCCD では、このノイズは単一の電子ではなく数千個の電子に重畳されます。したがって、このデバイスの主な利点は、読み出しノイズが無視できるほど小さいことです。光電荷の増幅にアバランシェブレークダウンを使用する方法は、1973 年に George E. Smith/Bell Telephone Laboratories によって米国特許 3,761,744で既に説明されていました。 ${\displaystyle g=(1+P)^{N}}$

EMCCD は、高感度 CCD (ICCD) と同様の感度を示します。ただし、ICCD と同様に、ゲイン レジスタに適用されるゲインは確率的であり、ピクセルの電荷に適用された正確なゲインを知ることは不可能です。ゲインが高い場合 (> 30)、この不確実性は、ゲインが 1 の場合の動作に関して量子効率(QE) を半分にするのと同じ影響を信号対雑音比(SNR)に与えます。この影響は、過剰雑音係数 (ENF) と呼ばれます。ただし、非常に低い光レベル (量子効率が最も重要) では、ピクセルに電子が含まれているか含まれていないかのどちらかであると想定できます。これにより、確率的乗算に関連するノイズが除去されますが、同じピクセル内の複数の電子を単一の電子としてカウントするリスクがあります。この動作モードで同時発生する光子によって 1 つのピクセルで複数のカウントが発生するのを回避するには、高いフレーム レートが不可欠です。ゲインの分散は、右側のグラフに示されています。多くの要素と大きなゲインを持つ乗算レジスタの場合、次の式で適切にモデル化されます。

$${\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ if }}n\geq m}$$ ここで、P は、 m 個の入力電子とgの合計平均乗算レジスタゲインが与えられた場合に、 n 個の出力電子が得られる確率です。入力電子の数が非常に多い場合、この複雑な分布関数はガウス分布に収束します。

EMCCD はコストが低く解像度が優れているため、多くのアプリケーションで ICCD を置き換えることができます。ICCD には、非常に高速にゲートできるという利点があるため、レンジゲート イメージングなどのアプリケーションで役立ちます。EMCCD カメラには、チップを -65 ～ -95 °C (-85 ～ -139 °F) の温度に冷却するための冷却システム (熱電冷却または液体窒素を使用) が不可欠です。この冷却システムにより、EMCCD イメージング システムに余分なコストがかかり、アプリケーションで結露の問題が発生する可能性があります。ただし、ハイエンドの EMCCD カメラには、結露の問題を回避するためにチップを閉じ込める恒久的な密閉真空システムが装備されています。

EMCCD の低照度機能は、天文学や生物医学研究などの分野で使用されています。特に、高速読み出しでの低ノイズにより、微光星の幸運なイメージング、高速光子計数測光、ファブリ ペロー分光法、高解像度分光法など、低光源や一時的なイベントを伴うさまざまな天文学アプリケーションに非常に役立ちます。最近では、これらのタイプの CCD は、従来の CCD や ICCD と比較して低照度条件でのSNR が高いため、小動物イメージング、単一分子イメージング、ラマン分光法、超解像顕微鏡法、さまざまな最新の蛍光顕微鏡技術などの低照度アプリケーションの生物医学研究分野に進出しています。

ノイズに関しては、市販のEMCCDカメラには通常、クロック誘起電荷（CIC）と暗電流（冷却の程度に依存）があり、これらが組み合わさって、1ピクセルあたり0.01～1電子の有効読み出しノイズが発生します。しかし、EMCCD技術の最近の改善により、CICが大幅に低減し、電荷転送効率が向上し、EMゲインが従来の5倍に向上した新世代のカメラが誕生しました。これらの低光量検出の進歩により、1ピクセルあたり0.001電子の有効総バックグラウンドノイズが実現され、他の低光量イメージングデバイスとは比較にならないノイズフロアとなっています。^[27]

電荷結合素子 (CCD) の量子効率の高さ (理想的な量子効率は 100%、入射光子 1 つにつき 1 つの電子が生成される)、出力の直線性、写真乾板に比べて使いやすいこと、その他さまざまな理由から、CCD は天文学者によってほぼすべての UV から赤外線までのアプリケーションに急速に採用されました。

熱雑音や宇宙線はCCDアレイのピクセルを変化させる可能性がある。このような影響に対抗するため、天文学者はCCDシャッターを閉じた状態と開いた状態で複数回の露出を行う。シャッターを閉じた状態で撮影した画像の平均は、ランダムノイズを低減するために必要である。現像後、ダークフレーム平均画像をシャッターを開いた状態で撮影した画像から減算し、CCDの暗電流やその他の系統的欠陥（デッドピクセル、ホットピクセルなど）を除去する。新しいスキッパーCCDは、同じ収集電荷で複数回データを収集することでノイズに対抗し、精密な光暗黒物質の探索やニュートリノ測定に応用されている。^{[28] [29] [30]}

特にハッブル宇宙望遠鏡は、生のCCDデータを有用な画像に変換するための高度に発達した一連のステップ（「データ削減パイプライン」）を備えています。[ 31 ^]

天体写真に使用される CCD カメラは、風などの振動や、ほとんどの撮影プラットフォームの膨大な重量に耐えられるよう、頑丈なマウントが必要になることがよくあります。銀河や星雲を長時間露光で撮影するために、多くの天文学者はオートガイドと呼ばれる技術を使用しています。ほとんどのオートガイドでは、2 つ目の CCD チップを使用して、撮影中の偏差を監視します。このチップは、追跡エラーを迅速に検出し、マウント モーターにエラーを修正するよう指示できます。

ドリフトスキャンと呼ばれる CCD の珍しい天文学的応用では、CCD を使用して固定望遠鏡を追尾望遠鏡のように動作させ、空の動きを追跡します。CCD 内の電荷は、空の動きと平行な方向に同じ速度で転送され、読み取られます。この方法で、望遠鏡は通常の視野よりも広い空の領域を撮影できます。スローン デジタル スカイ サーベイは、この技術を使用して空の 4 分の 1 を超える調査を行った最も有名な例です。ガイア宇宙望遠鏡もこのモードで動作する機器の 1 つで、軸を中心に 6 時間で 1 回転の一定速度で回転し、この間に空の 360° x 0.5° の帯をスキャンします。星は、約 40 秒 (有効露出時間) で焦点面全体を横切ります。

CCDはイメージング装置に加えて、分光計^[32]や干渉計^[33]などの分析機器にも使用されています。

スマートフォンのデジタルカラーカメラを含むデジタルカラーカメラは、一般的に、CCDのモノクロピクセルの上にカラーフィルターアレイが製造された一体型カラーイメージセンサー^{[34]を使用します。最も一般的なCFAパターンは}ベイヤーフィルターとして知られており、発明者であるコダックの科学者ブライス・ベイヤーにちなんで名付けられました。ベイヤーパターンでは、4つのピクセルの各正方形に、フィルターされた赤ピクセル1つ、青ピクセル1つ、緑ピクセル2つがあります（人間の目は輝度に対してより鋭敏であり、赤や青よりも緑に重点が置かれています）。その結果、輝度情報は各行と列でチェッカーボードパターンを使用して収集され、色の解像度は輝度の解像度よりも低くなります。

3CCD デバイス ( 3CCD ) と、画像を赤、緑、青の成分に分割するダイクロイック ビーム スプリッタ プリズムを使用すると、より優れた色分離を実現できます。3 つの CCD はそれぞれ、特定の色に反応するように配置されています。多くのプロ用ビデオカメラ、および一部のセミプロ用ビデオ カメラではこの手法が使用されていますが、競合する CMOS テクノロジの開発により、ビーム スプリッタとベイヤー フィルタを備えた CMOS センサーが、ハイエンドのビデオ カメラやデジタル シネマ カメラでますます人気が高まっています。ベイヤー マスク デバイスに対する 3CCD のもう 1 つの利点は、量子効率(光感度) が高いことです。これは、レンズからの光の大部分がシリコン センサーの 1 つに入るのに対し、ベイヤー マスクは各ピクセル位置に当たる光の大部分 (2/3 以上) を吸収するためです。

顕微鏡などの静止シーンでは、ベイヤーマスクデバイスの解像度をマイクロスキャン技術で向上できます。カラーコサイトサンプリングのプロセス中に、シーンのフレームが複数生成されます。取得の合間に、センサーはピクセル寸法で移動し、視野内の各ポイントは、その色の赤、緑、青の成分に敏感なマスクの要素によって連続的に取得されます。最終的に、画像内のすべてのピクセルが各色で少なくとも 1 回スキャンされ、3 つのチャネルの解像度が同等になります (赤と青のチャネルの解像度は 4 倍になり、緑チャネルの解像度は 2 倍になります)。

センサー (CCD / CMOS) にはさまざまなサイズ、つまりイメージ センサー フォーマットがあります。これらのサイズは、1/1.8 インチや 2/3 インチなどのインチ分数で表され、光学フォーマットと呼ばれます。この測定は、1950 年代のビジコン管の時代にまで遡ります。

CCDの露出時間が十分長いと、画像の最も明るい部分の「ビン」に集まった電子が最終的にビンから溢れ、ブルーミングが発生します。CCDの構造上、電子は一方向よりも他の方向へ流れやすく、その結果縦縞が発生します。^{[35] [36] [37]}

CCDに組み込むことができるアンチブルーミング機能の中には、ピクセル領域の一部をドレイン構造として使用することで光に対する感度を下げるものがあります。^[38] ジェームズ・M・アーリーは、光収集領域を損なわず、光感度を低下させない垂直アンチブルーミングドレインを開発しました。

ウィキメディア・コモンズには、電荷結合素子に関連するメディアがあります。

• CCDの基礎に関するジャーナル記事
• ニコン顕微鏡CCD入門
• デジタルイメージング技術の概念
• さらなる統計的特性
• 天文学で使用されるL3CCD