CCD的诞生与工作原理
电荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是由贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明的。CCD是一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测，相较照相底片和光电倍增管，它具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。
图1. CCD的发明人威拉德·波伊尔（左）和乔治·史密斯（右），二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学奖[1]
CCD的工作过程主要包括：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。光子入射到CCD上激发光电子，光电子被收集在一起形成电荷包，电荷包依次从一个像素转移到另一个像素，最终传输到输出端，完成对电荷包的测量，如图2所示[2]。
图2. CCD的工作过程：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量[2]
CCD的分类
CCD种类有很多，天文观测中常用的有全帧CCD (Full-Frame CCD, FFCCD)，电子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD, EMCCD)等。
全帧CCD具有高密度像素阵列，能够产生高分辨率的数字图像。全帧CCD在读取时，积累的电荷必须首先垂直转移到下一行，由串行读出寄存器水平读出每个像素，重复上述步骤，直至全部转移完毕，这称为“逐行扫描”，如图3所示。由于全帧CCD所有像素都参与感光，因此在电荷传输时，这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。这时如果探测器继续接受光线，就会影响成像质量，所以全帧CCD需要配备机械快门，用于探测器读出过程中遮挡入射光。机械快门的缺点是存在快门效应、故障率高、使用寿命有限等。
图3. 全帧CCD图像读出过程示意图[4]
EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。不同于全帧CCD，EMCCD在串行读出寄存器和输出放大器之间有数百个增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增电极，作用是加速载流子，高速的电荷会激发更多的载流子，从而实现信号放大，如图4所示[5]。
