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凝聚态物理 · 阅读路径
像素已经收到光，为什么还要搬运电荷
想象一排感光单元，各自接住落在自己位置的光，积累一包电荷。接下来怎么把这些电荷读出来？可以给每个单元配测量电路，也可以保持各包电荷分开，按已知顺序搬到输出端，再逐包测量。电荷何时到达，便告诉我们它原来位于图像哪里。CCD 采用的正是后一种思路。
于是，收光、存电、搬运、测电压成了不同物理环节。镜头很清楚，不能修复一个跑错时间位置的电子；放大器很安静，也不会自动认出某个延迟电子原来属于哪个像素。理解图像质量，必须把这几步接起来。
Boyle 与 Smith 于 1969 年提出 CCD，最初研究背景还包括半导体存储。后来成像工作利用同一种存储与转移能力发展起来。2009 年授奖表彰 CCD 图像传感器的发明，不等于最早构想已经包含成熟科学相机的全部功能。
光生电子怎样留在原来的像素里
常见的收集电子型硅 CCD 中，光子被吸收后可能产生一对电子和空穴，电场把需要的载流子引到存储区，在积分期间逐渐积累。入射了多少光子，并不直接等于存下多少电子：量子效率随波长变化，反射、吸收不足或收集失败，都可能在读出之前减掉信号。
势阱不是芯片里挖出的真实小桶，而是载流子的势能分布。绝缘层上方的电极改变下方硅中的电势，配合适当掺杂与电压，让电子聚在能量较低的区域。相邻势阱把电荷包分开，空间上的明暗差别才得以保存。
每个势阱能装的电荷有限。过曝以后，多余电荷可能扩散到原本不该进入的位置，响应也可能进入非线性，具体取决于结构。一个饱和亮斑不仅失去准确亮度，还可能污染邻近信息。设置曝光时间，需要同时顾及弱光是否够测、亮部是否超过存储容量。
时钟改变势阱，让电荷接力前进
搬运时，电极和硅都不用真的移动。依次改变相邻栅极电压，先让下一处存储区变得有利，并保留从原位置过去的通路，再抬高原来位置的势能，电荷就会转移到新的低能区。多相时钟不断重复这种安排，给出前进方向，也给出每一步发生的时刻。
顺序不合适，电荷可能被拆开、混入另一包，或留下一部分。因此需要准确时序、合适势垒和足够平顺的转移路径。“电荷耦合”说的是存储位置之间受控的转移，不是每个像素各有一只放大器。
一种常见二维读出方式，是先把图像各行逐次送入串行寄存器，再由寄存器把这一行逐包送往输出放大器。行、列时钟的历史，保留了测量时间与图像坐标的对应关系。不同 CCD 结构可以采用不同安排；一排势阱足以解释搬运机制，却不能替代每一种相机的完整读出布局。
单次转移只差一点，长距离后也可能拖尾
电荷转移效率，是指定一次转移中成功送到下一位置的比例。假定每一步都具有相同、独立的效率，而且未及时转移的电荷不再追上原电荷包，主电荷包中按时到达的部分就按下式衰减。这里的转移次数是无量纲整数，不是曝光时间；这只是一个清楚标明条件的简化模型。
举例说，单次效率为百分之九十九点九九，连续转移一千次，主包按时到达的部分只剩约百分之九十点五。一次“几乎完美”，重复很多次以后未必够用。但其余电子不一定都消失了。陷阱可能先俘获电子，过一会儿再放出，把它们送进后面的输出样本，于是亮特征后方出现拖尾。
延迟、永久俘获与随机读出噪声，应该分别诊断。拖尾若沿读出方向、又随经过的转移次数变化，就应先检查搬运过程，不能直接归咎于镜头没对焦。真实效率还会随电荷包大小、温度、时钟时序和陷阱状态变化，一个常数不能覆盖所有曝光。
到达输出端，电荷还要换成电压
电荷到达输出节点后，会改变节点电容上的电压；电荷除以电容，给出相应电压变化，再经电子学放大、数字化。转换增益描述输出单位与电子数的关系。要说某台仪器能分辨几个电子，就得先标定这个换算，不能把一个数字码直接当成一个光子。
即使送来的电荷包完全相同，输出测量仍会有涨落。复位节点、测量复位电平、再测电荷到达后的电平，都是有噪声的物理操作。相关双采样比较到达前后电平，可以削弱某些共有涨落，却不会消除一切噪声；读出带宽与具体电路仍然重要。
这里也就能分清两种坏图像。转移误差可能把真实电子放进错误样本，读出噪声则扰动我们对电荷包大小的估计。两者都影响图像，但只把放大器做安静，不能让已经延迟的电子自动回到原像素。标定与分析需要保留这个区别。
来源：[3]
延长曝光或降温，分别能改善什么
光子到达数有限，每次曝光不可能都一样。独立 Poisson 到达的计数，方差等于平均数。没有目标光照时，暗电流也会生成载流子，并带来自己的涨落；读出噪声则在测量电荷时加入。计算信噪比时，用平均信号除以总噪声方差的平方根。总方差把信号、背景和暗电荷的平均计数，与读出噪声均方根的平方相加：信号、背景和暗电荷都按该次测量的平均电子数计，读出噪声按电子数的均方根计，假定各项独立、探测器已经标定且工作在线性区。
若一次虚构曝光平均得到一百个信号电子，背景、暗电荷可忽略，读出噪声为五个电子均方根，预计信噪比约为八点九；只受信号光子统计限制时则为十。降温能减少热产生的暗电荷，却不能消除目标光子的计数涨落。减去平均暗场，只去掉平均偏置，当次曝光中随机产生的暗电子仍留下不确定度。
因此，曝光时间、温度和读出设置都必须伴随性能数字。一个“噪声很低”的标签，无法独自说明所有观测条件。
读出顺序保存了空间信息
CCD 把位置保存成电荷包的排列，再把排列变成有顺序的电测量。曝光决定每包最初存下多少，时钟决定它何时到达，输出电子学决定读数有多准。沿这条过程追踪，就能理解同一幅图像为什么可能出现饱和、方向性拖尾或随机颗粒，也能找到该改进哪一环。