CCD đã được thảo luận ở trên liên quan đến việc sử dụng nó như một thiết bị đọc ra cho đầu dò phosphor nền tảng. Chi tiết về hoạt động CCD được cung cấp ở đây. Các thiết bị tích điện kép được phát triển vào năm 1970 (Boyle và Smith 1970). Bởi vì kích thước nhỏ gọn của nó và đặc điểm phạm vi hoạt động, nó đã gần như thay thế các ống camera chân không. Điều này phần lớn đã xảy ra do sự phát triển của kỹ thuật để sản xuất tinh thể silicon cực kì tình khiết và cho tích phân quy mô lớn (VLSI).
CCDs đặc biệt thích hợp để chụp X quang kỹ thuật số vì khả năng phân giải không gian của chúng cao, phạm vi hoạt động rộng và độ cao tuyến tính với tín hiệu tới. Chúng có thể được làm nhạy cảm với ánh sáng hoặc đến trực tiếp đầu vào điện tử. Một CCD là một mạch tích hợp được hình thành bằng cách đặt một loạt các điện cực, được gọi là ‘cổng’ trên một chất nền bán dẫn để tạo thành một mảng kim loại oxit bán dẫn (MOS) tụ điện (hình 19). Bằng cách áp dụng điện áp đến cửa, các nguyên liệu dưới đây được sử dụng hết để tạo thành ‘giếng’ lưu trữ điện tích. Những điện tích lưu trữ đưa vào CCD hoặc phát ra trong chất bán dẫn bằng sự hấp thụ quang điện tử của lượng tử quang học. Nếu điện áp trên cổng lân cận được thay đổi một cách thích hợp, điện tích có thể được truyền từ tốt đến tốt dưới các cổng, nhiều cách mà tàu sẽ di chuyển qua một tập các ổ khóa như điện thế (chiều cao nước ) được điều chỉnh.
Hình 19. Cấu trúc của một mảng CCD, minh họa chuyển động của các điện tích lưu trữ theo một hướng như các giếng điện thế được điều chỉnh dưới điều khiển của điện áp điện cực cổng.
Trong khu vực CCDS, một hệ thống ‘chuyển khung’ (hình 20(a)) được sử dụng để nhận được sự đọc ra nhanh chóng. Điện tích được tích lũy ban đầu trên điểm ảnh ‘phát hiện’ và sau đó được chuyển tới một mảng của các điểm ảnh ‘dự trữ’ mà từ đó các tín hiệu có thể được đọc từng dòng. Ngoài ra, CCDs ‘đọc xem giữa’ (hình 20(b))
có một dòng được bảo vệ quang học lưu trữ và chuyển điểm ảnh lân cận tới mỗi cột của các phần tử đầu dò. Điện tích nhanh chóng được dỡ vào cột lưu trữ, giải phóng các phần tử đầu dò để tích trữ tín hiệu mới, và chuyển xuống các phần tử cột lưu trữ để đăng ký một đầu ra chính cái mà nhận tín hiệu liên tục từ mỗi cột lưu trữ.
Hình 20. Cấu hình đọc ra điển hình của CCDs cho thấy (a) chuyển khung hình, (b) chuyển xen vào giữa các dòng, (c) thời gian trễ tích phân (TDI) thiết bị. Trong (a) và (b) vùng lưu trữ đọc ra cái mà được bảo vệ khỏi sự chiếu ánh sáng được yêu cầu.
Các chế độ hoạt động được sử dụng để tạo ảnh vùng định dạng nhỏ cái mà có thể ghép nối tới XRIIs hoặc tới phosphors qua các sợi quang hoặc ống kính. Mặc dù chúng cung cấp việc đọc ra nhanh chóng, các hệ thống này đòi hỏi một vùng lưu trữ xấp xỉ bằng diện tích hoạt động bộ tách sóng quang. Trong trường hợp của các thiết bị nối chuyến, bởi vì các vùng lưu trữ là ngay lập tức gần kề với cột đầu dò, điều này có thể gây ra các yếu tố làm hiệu suất của đầu dò bị giảm. Vùng định dạng CCDs có sẵn trong các kích cỡ khác nhau từ 226 × 226 điểm ảnh hoặc thấp hơn 2048 × 2048 hoặc nhiều hơn. Tuy nhiên, thời gian đọc ra thực (30 khung hình/s) hiện đang bị hạn chế với các thiết bị 1000 × 1000 điểm ảnh hoặc thấp hơn.
Đối với hệ thống quét, như đã thảo luận ở trên, nó thường thực tế hơn để vận hành CCD trong cách lấy tích phân thời gian trễ (TDI) (hình 20(c)). Ở đây, một phần lưu trữ là không cần thiết như điện tích được tích hợp đồng thời và chuyển các cột đầu dò nhằm đăng ký đọc ra ngang. Đây là loại tích hợp tương tự mong muốn như nó giải
phóng nhiễu tương đối. Ngoài ra, bởi vì tất cả các phần tử đầu dò trong một cột góp phần cho mỗi điểm ảnh được chụp bởi cột đó, các hình ảnh được sản xuất bởi TDI là tương đối không nhạy cảm với một vài điểm ảnh trong cột cái mà có thể chịu độ nhạy cao hoặc thấp bất thường.
Trong bất kỳ CCD, điện tích được dịch chuyển theo kiểu ‘đội cánh’ trên nhiều phần tử lân cận. Do đó, nó nghiêm trọng mà hiệu suất của mỗi lần dịch chuyển là rất cao. Sự thiếu hiệu suất dịch chuyển có thể gây ra một tổn hao nghiêm trọng về độ phân giải không gian trong đầu dò. Nếu tín hiệu phải được chuyển qua n phần tử và hiệu suất mỗi dịch chuyển là ε, sau đó hiệu suất dịch chuyển toàn bộ điện tích là . Ngay cả nếu ε là 0.999, hiệu suất giảm xuống 90% trên 100 dịch chuyển và 37% trên 1000 dịch chuyển. Ảnh hưởng của hiệu suất truyền hoàn toàn ít hơn là sự nhòe của hình ảnh theo hướng đọc ra. Trong CCDs thương mại, giá trị ε cao như 0.999999 có thể đạt được.
Cũng quan trọng công suất lưu trữ tốt của thiết bị. Tùy thuộc vào kích thước điểm ảnh, công suất 300 000 đến vài triệu electron là có thể. CCDs được thiết kế cho các ứng dụng video có xu hướng thiết kế kích thước điểm ảnh siêu nhỏ (15 µm). Đối với các ứng dụng y tế, một kích thước lớn hơn (25-100 µm) là mong muốn thông thường bởi vì điều này cung cấp công suất tốt hơn và thích hợp hơn với các ràng buộc khác trên độ phân giải không gian.
Điều quan trọng là các CCD được thiết kế với bảo vệ ‘chống làm mờ’ thích hợp để ngăn chặn sự suy thoái của hình ảnh nếu một số giếng điện tích bị đầy tràn. Điều này có thể xảy ra trong các hoàn cảnh nơi mà đầu dò tia X được tiếp xúc không bị suy hao tia X, ví dụ ở các cạnh bệnh nhân. Khi CCD được sử dụng trong chế độ TDI, công suất tốt cũng phải được như vậy mà tích phân điện tích trên toàn bộ giai đoạn của sự tích phân có thể được cung cấp. Ví dụ, nếu mỗi phần tử đầu dò tích lũy 50 000 electron trên mỗi hàng và có 64 hàng trên CCD trên đó sự tích phân sẽ diễn ra, công suất cũng phải được 3.2 triệu electron.