4.1. Внутрішній фотоефект
Сформоване об'єктивом, зображення потрапляє на ПЗЗ - матрицю, тобто промені світла падають на світлочутливу поверхню ПЗЗ - елементів, завдання яких - перетворити енергію фотонів в електричний заряд. Відбувається це приблизно так: для фотона, що впав на ПЗЗ - елемент, є три варіанти розвитку подій - він або відіб’ється від поверхні, або буде поглинений в шарі напівпровідника (матеріалу матриці), або «проб'є наскрізь» її «робочу зону». Очевидно, що від розробників вимагається створити такий сенсор, в якому втрати від «рикошету» і «прострілу» були б мінімізовані. Ті ж фотони, які були поглинені матрицею, утворюють пару електрон-дірка, якщо відбулося взаємодія з атомом кристалічної решітки напівпровідника, або ж тільки фотон (або дірку), якщо взаємодія було з атомами донорних або акцепторних домішок, а обидва перерахованих явища називаються внутрішніми фотоефектами . Зрозуміло, внутрішнім фотоефектам робота сенсора не обмежується - необхідно зберегти «відібрані» у напівпровідника носії заряду в спеціальному сховищі, а потім їх рахувати.
Рис. 15. Внутрішній фотоефект.
5. Застосування приладів із зарядним зв’язком
Спочатку ПЗЗ застосовувалися як більш ефективні багатоканальні замінники фотодіодів, матриць фотодіодів. З найбільшим успіхом ПЗЗ-матриці реєстрували слабкі світлові потоки в таких галузях, як мікробіофізика, хімічна фізика, ядерна фізика, астрофізика.
З 1975 року ПЗЗ почали активно впроваджуватися в якості телевізійних світлоприймачів. А в 1989 році ПЗЗ-детектори застосовувалися вже майже в 97% всіх телевізійних приймачів. Довгий час широкому застосуванню ПЗЗ-приймачів в телевізійній техніці перешкоджали недоліки в технологіях виготовлення світлочутливих елементів - кристалічних основ необхідного розміру. Світлоприймальна область була неоднорідною за квантовим виходом, спостерігалася помітна геометрична нестабільність (плаваюча низька роздільна здатність), були присутні різного роду шуми, як на малих масштабах, так і на великих просторових масштабах. Їх основне застосування у фотографії, де датчики ПЗЗ знаходяться практично в усіх цифрових камерах і сканерах. Астрономи були лідерами в ПЗЗ, тому що вони до ста разів більш чутливі, ніж фотоплівки. Тим не менше, вони повинні бути охолоджені до температури набагато нижче нуля за скорочення теплових звинувачень, які викликають помилки. ПЗЗ застосовуються також і в інших областях, таких, як електронна мікроскопія, спектроскопія, флуроскопія. Вони також можуть бути знайдені в приладах нічного бачення.
CCD-матриця служить для перетворення прийнятого зображення в найдрібніші елементи зображення - пікселі. Кількість елементів матриці є основною характеристикою цифрового фотоапарата.
Також воістину унікальним виявилось застосування ПЗЗ у фотометрії. По-перше - це двовимірний приймач, і одночасно з досліджуваним об'єктом ви отримуєте зображення багатьох навколишніх зірок, придатних до калібрування знімка. Далі - оскільки матриця виготовлена на основі досить міцного кремнієвого кристала, її часові параметри досить стабільні. Прокалібрована за спостереженнями стандартних зірок з різними фільтрами, вона надовго відповідатиме отриманим даним. Дуже важлива і чудова лінійність ПЗЗ. Іншими словами - число електронів накопичуваних в пікселі точно пропорційне числу прийшовших фотонів, на відміну від фотоемульсій.
Безперечні зручності ПЗЗ для фотометрії стають очевидними і у зв'язку з можливістю врахувати локальні технологічні неоднорідності, що виникають при виробництві матриць. На практиці це виправляється за допомогою техніки флет поля. З англійської флет - це підлога, майданчик, рівень. Ідея полягає в тому, щоб у робочій комбінації “матриця + телескоп” отримати знімок рівномірного сірого поля (це може бути просто аркуш білого паперу, освітлений розсіюванням світла, або ділянка білястого сутінкового неба без зірок). Надалі комп'ютер зможе врахувати виниклі перепади яскравості по поверхні кадру і підкорегувати кінцевий знімок. Значною перевагою використання такої техніки зйомки є можливість врахувати не тільки технологічні, а й помилкові фотометричні неоднорідності зображення, що вносяться самою оптичною системою телескопа.