CCD是Charge-Coupled Device電荷耦合器件的縮寫。CCD是貝爾實驗室W.S.Boyle和G.E.Smith於1970年發明的，由於它具有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，且集成度高、功耗低，因此隨後得到飛速發展，是圖像采集及數字化必不可少的關鍵部件，廣泛用於科學、教育、醫學、商業、工業、軍事和消費領域。
- CCD基本單元
CCD基本單元為像素，按像素的排列方式有兩種：
1. 線陣CCD – 多個像素排成一行或一列，如掃描儀。
2. 面陣CCD – 多個像素排成陣列。如傢用CCD相機。科學級CCD相機一般是面陣。如Greateyes內真空相機 GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素個數為1024×256個，排成1024行，256列。
由此引出一個CCD主要參數指標：空間分辨率。
- CCD分辨率
單位面積的像素個數，分辨率與像素大小（面積）、單位面積或單位長度內像素個數相關。科學級CCD相機通常以像素大小和像素個數給出分辨率。如德國Greateyes內真空相機GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素個數為1024×256個，像素面積為26μm×26μm。
- CCD相機像素滿井容量（Full-Well Capacity）
對科學級相機，一般為數百個ke。
滿井容量與柵極電壓UG、絕緣層電容Cox、柵極面積Ad和P-Si摻雜濃度相關：Q=Cox×UG×Ad
Greateyes內真空相機 GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素滿井容量為500ke。滿井容量高，則動態范圍大。
- CCD動態范圍（Dynamic Range）
CCD動態范圍（Dynamic Range）是指：
能夠探測到的最大光強（曝光量）和最小光強的比值。
DR = （Nwell – Ndark）/σread，其中Nwell：滿井電子數，Ndark：暗電子數。
從上式可以看出，動態范圍主要的影響因素是讀出噪聲。
- 信噪比（Signal/Noise Ratio)
總噪聲
信噪比
假設曝光時間為1秒，光電子數為1000，暗電流為1e/pixel/s，讀出噪聲RMS為40，則
當讀出噪聲RMS為20時，
一般來說，CCD制冷到足夠的溫度，曝光時間不是很長時，暗電流噪聲是很小的，可以忽略不計。例如：Greateyes GE-VAC 1024 256 BI UV1暗噪聲0.0005 e-/pixel/sec @ -80℃，暗噪聲達到1e rms也需要2000s=0.56h。
- 寄存器滿井容量(Register full well capacity)
因為硬件Binning在移位寄存器內完成電荷包的相加，因此，寄存器的滿井容量也是一項性能指標。寄存器滿井容量一般是像素滿井容量的幾倍。
如Greateyes GE-VAC 1024 256 BI UV1像素滿井容量為500ke，寄存器滿井容量為1,000ke
因此，硬件Binning時，要避免寄存器滿井溢出，尤其是使用很多個像素聯用時，需要特別註意。
- CCD增益(Gain)
電荷包對應的數字量。一般表示為一個電子對應多少個計數，或多少個計數對應一個電子。科學級CCD大多數有多級增益可設置，以適合不同的光照條件（強光和弱光），高增益（高靈敏度）適合弱光，低增益適合強光（低靈敏度）。
Greateyes以count/e給出這個性能指標，有兩級增益可設置：1count/e（Std. High Sensitivity），或0.2count/e（0.4count/e）（Low Max. Dyn. Range）。相應的e/count為1e/count，5e/count（或2.5e/count）
- CCD幀率（frame rate）
從前文可知，CCD采集一幅圖像後，電荷包的讀出需要一定的時間，因此對科學級CCD相機來說，有一個性能指標，即幀率。
幀率是指單位時間內可獲取的圖像數量，一般以Frames/S表示，常簡寫為FPS。
- 像素讀出頻率的限制
下限：為避免熱激發產生的電子（暗電流）的影響，要求電荷包從一個柵極轉移到下一個柵極所用時間t必須小於暗電子（P-Si少子）的平均壽命τi，平均壽命與溫度相關，溫度越高，壽命越短。對三相耦合讀出結構來說，讀出頻率：
上限：轉移時間應大於電荷從一個柵極移動到另一個柵極的時間τg
表面溝道CCD的讀出頻率≤10MHz
隱埋溝道CCD的讀出頻率≤240MHz
- Binning – 像素聯用
分為硬件Binning和軟件Binning。科學級CCD通常都提供硬件Binning功能。
- 硬件Binning：
將幾個像素的信號在讀出之前相加，這種方式減少瞭讀出次數，因而減少瞭讀出噪聲，提高瞭信噪比。
硬件Binning是在移位寄存器中完成的。
如下圖，假設要進行4像素聯用，下圖紅色虛框所示：
讀出過程如下：
1. 將R4行像素電荷包移入水平移位寄存器，移入後，不進行水平移動。
2. 再將R3行移入水平移位寄存器，移入時將對應列的像素電荷包相加
3. 將C1、C3列對應的電荷包向右移動，在C2列、C4列對應的寄存器內完成相加
4. 再將水平移位寄存器的內容向右移動
5. 重復以上過程，直至讀出所有像素
- 軟件Binning：
軟件Binning是在讀出之後，使用軟件將數字化的像素電荷包相加，不會提高信噪比。
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