電荷耦合器件（CCD）是一種高靈敏度的光子探測器。CCD分為許多光敏小區(qū)域（稱為像素），可用于構(gòu)建感興趣場景的圖像。落在由一個像素定義的區(qū)域內(nèi)的光子將轉(zhuǎn)換為一個（或多個）電子，并且收集的電子數(shù)量將與每個像素處的場景強(qiáng)度成正比。CCD移出時，可以測量每個像素中的電子數(shù)量，并且可以重建場景。

此處的圖片顯示了“典型” CCD。CCD本身主要由硅制成，并且結(jié)構(gòu)已更改，因此某些硅原子已被雜質(zhì)原子取代。

CCD行為的某些方面

量子效率

實際上，并不是每個落在檢測器上的光子都會被檢測到并轉(zhuǎn)化為電脈沖。實際檢測到的光子百分比稱為量子效率（QE）。例如，人眼的QE約為20％，照相膠片的QE約為10％，最好的CCD可以達(dá)到80％以上的QE。量子效率將隨波長而變化。

波長范圍

CCD可以具有約400nm（藍(lán)色）至約1050nm（紅外）的寬波長范圍，峰值靈敏度約為700nm。但是，通過使用所謂的“變薄”（backthinning）工藝，可以將CCD的波長范圍向下擴(kuò)展到更短的波長，例如Extreme UV和X射線。

動態(tài)范圍

在同一幅圖像中正確查看明亮和暗淡光源的能力是檢測器的一項非常有用的屬性。檢測器可以在同一圖像中準(zhǔn)確看到的最亮光源和最暗光源之間的差異稱為動態(tài)范圍。當(dāng)光落到CCD上時，光子被轉(zhuǎn)換成電子。因此，通常根據(jù)可成像電子的最小和最大數(shù)目來討論CCD的動態(tài)范圍。隨著越來越多的光落到CCD上，越來越多的電子被收集在勢阱中，最終在勢阱中將不再容納更多的電子，因此像素被稱為飽和。對于典型的科學(xué)CCD，這可能發(fā)生在大約150,000個電子左右。可以檢測到的最小信號不一定是一個電子（對應(yīng)于可見波長的一個光子）。實際上，存在與CCD的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的最小數(shù)量的電子噪聲，通常每個像素大約有2-4個電子。因此，可以通過該讀出噪聲確定可以檢測到的最小信號。

在上面的示例中，CCD的動態(tài)范圍為150,000：4（采用較高的噪聲級別）。但是-此動態(tài)范圍還取決于電子設(shè)備能否完全數(shù)字化所有此動態(tài)范圍的能力（有關(guān)電子分辨率的討論，請參閱更詳細(xì)的CCD信息）。

線性度

總體而言，眼睛不是線性檢測器（強(qiáng)度變化很小時除外），并且具有對數(shù)響應(yīng)。檢測器中的一個重要考慮因素是其對所查看圖像的線性響應(yīng)能力。我們的意思是，如果它檢測到100個光子，它將把它們轉(zhuǎn)換成100個電子（如果我們有100％的QE），如果它檢測到10000個光子，它將把它們轉(zhuǎn)換成10000個電子。在這種情況下，我們說檢測器具有線性響應(yīng)。這樣的響應(yīng)顯然非常有用，因為不需要對圖像進(jìn)行任何其他處理來確定圖像中不同對象的“真實”強(qiáng)度。

噪聲

CCD性能的最重要方面之一是其噪聲響應(yīng)。CCD的噪聲性能有很多貢獻(xiàn)，以下簡要列出了這些貢獻(xiàn)：

暗電流-即熱產(chǎn)生的噪聲。在室溫下，CCD的噪聲性能可能高達(dá)每像素每秒數(shù)千個電子。因此，在幾秒鐘內(nèi)將達(dá)到每個像素的全部阱容量，并且CCD將飽和。暗電流可以通過冷卻大大降低。例如，CCD的噪聲性能可以從室溫下的數(shù)千個電子降低到-40攝氏度時每像素每秒僅數(shù)十個電子。通過冷卻到低于約-70攝氏度的溫度，暗電流實際上可以消除（基本上每像素每秒少于一個電子）。減少噪聲的第二種方法是略微改變CCD處理技術(shù)，以產(chǎn)生多針相（MPP）CCD。

讀出噪聲-CCD的最終噪聲極限是讀出噪聲。讀出噪聲源于每個像素中電子的轉(zhuǎn)換到CCD輸出節(jié)點上的電壓（典型值約為每個電子4μV）。此噪聲的大小取決于輸出節(jié)點的大小。為了降低CCD的讀出噪聲，已經(jīng)進(jìn)行了大量的努力，因為該噪聲值最終將決定動態(tài)范圍，并且應(yīng)盡可能地低，特別是在檢測非常微弱的源時，例如在X射線能量下檢測光子，例如在XMM-Newton任務(wù)中?，F(xiàn)在，許多CCD的噪聲值通常為2-3電子均方根（均方根），但一些公司最近宣稱其噪聲分辨率低于1電子均方根。

當(dāng)CCD用作天文成像照相機(jī)的一部分時，還必須包括其他噪聲源，例如圖像本身上存在的隨機(jī)（散粒）噪聲以及照相機(jī)電子設(shè)備引入的噪聲。但是，這些噪聲源在其他地方進(jìn)行了討論。

功率

CCD本身消耗很少的功率。積分期間，只有很小的電流流過，而CCD僅消耗50mW左右。雖然CCD時鐘輸出，但可以消耗更多的功率，但是通常只有幾瓦左右。當(dāng)然，操作CCD和處理圖像所需的電子設(shè)備會消耗更多的功率。