一、什么是科學相機？ 它和普通的相機有什么不同？

科學相機，顧名思義，就是運用于科學領域的專用相機。目前，主要應用在：生命科學、天文學、化

學成像、生物成像、熒光纖維成像、高速攝影等領域。它的成像原理和普通的民用相機、攝像頭是一樣的，

都是以圖像傳感器（CCD 或 CMOS）為媒介，把光信號轉化為電信號的儀器。但由于應用的領域和工作環

境不同，科學相機一般具有以下顯著特點：

1、 性能穩定 、 可靠，可連續工作，可在各種極限的環境下使用，一般的數碼相機是做不到的。例如：

讓民用數碼相機一天工作 24 小時或連續工作幾天肯定會受不了的

2、 科學 相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。

例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉，設置合適的快門時間，用科學相機抓拍一張

圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。

3、 科學 相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的， 逐行掃描的圖

像傳感器生產工藝比較復雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，而

且價格非常昂貴。

4、 科學 相機的幀率遠遠高于普通相機。

科學相機每秒可以拍攝幾十幅、幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝 2-3 幅圖像，相差很大。

5、 工業相機輸出的是裸數據（ （raw data） ） ，其光譜范圍比較寬，比較適合進行高質量的圖像處理，例

如機器視覺（Machine Vision）應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且

經過了壓縮處理，圖像質量較差，不利于后期進一步的分析處理。

二、 影響科學相機成像品質的因素有哪些？ 如何選擇合適的科學相機呢？

1. 信噪比

信噪比是判別相機性能的一大重要指標，是影響圖像質量的因素之一。所謂信噪比是指信號

與噪聲的比值，信噪比越大，噪聲對圖像造成的影響就越小，反之，則越大。因此，在選擇科學

相機時，建議選擇一些信噪比較高的、CCD/CMOS 結構設計較好的相機，這樣，才能有效地控制

噪聲對圖像的影響，從而獲得精準的測量或其他完美的效果。

2. 量子效率

量子效率包括圖像傳感器表面接收光子的效率、內部光子產生電荷的效率、電荷讀出的效率，

因此，一般用它來評定圖像傳感器接受以及記錄信號的能力。

量子效率對敏感度有一定的影響，量子效率越高， 傳感器的靈敏度就越高。

量子效率與光的波長也有一定的關系，所以一般在選擇科學級相機時，除了要看其最大量子

效率，還要考慮目標波波長的量子效率。一般情況下，CCD 的量子效率相對比較高，因為只有這

樣才能滿足在暗弱環境下正常工作的需要。

3. 像素大小

像素大小是我們在挑選科學相機時絕對不能忽視的一個指標。像素大小跟靈敏度、分辨率都有

關系，在相同面積上，像素點越大，靈敏度越強，而像素點越小，分辨率越大。但是要注意的是，

像素的面積越小，那么其感光性會越差，信噪比會越低，這個時候圖像的質量也會越差。如果這時

單純的以增加分辨率為手段來提升圖像質量的話，恐怕會適得其反，造成圖像的變異。這個時候就

需要我們在保持像素面積不變的情況下，增大 CCD 的面積。而且像素排列越密集，越容易出現電流

干擾，出現“噪點”等現象出現，因此我們再選擇相機時不要只是看是不是高像素，上面所說的幾點

也同樣重要。

4. 冷卻溫度

冷卻溫度之所以作為科學相機的一個重要指標 ， 是因為它跟噪聲這個參數是相關聯的。 一般

情況下 ，過 曝光時間超過 5-10 秒時，CCD 芯片就會發熱 ， 會出現噪聲干擾 ， 影響成像效果 。科學制冷

CCD 就是采用了內部制冷，達到了低噪聲的效果，才會被科學研究領域廣泛的采用。

5. A/D 轉換

A/D 轉換器是將模擬信號轉換為數字信號的機器，而 A/D 轉換位數則是圖像質量的直接影響

因素，也是評價科學相機性能的重要指標之一。A/D 轉換位數決定了采樣精度，位數越多,采樣精度

就越高。精度高了，還原后信號失真就會越小，生成的圖像質量就越高。

三、的 目前常見的 CCD 和 和 CMOS 科學級相機 大多是 制冷相機 ， 其制冷溫度因生產廠家和相機型

號不同而有所不同。制冷溫度的設定對圖像信噪比有什么影響呢？科學級相機的制冷溫

度越低越好嗎？

我們先來了解一下信噪比的公式：

暗電流是指相機在沒有曝光的情況下，在一定的時間內，圖像傳感器中像素產生的電荷。暗電流受

溫度影響非常大，降 溫度每下降 7 ℃ ， 暗電流的值就會減半，溫度越低，暗電流就越小。

科學相機曝光超過 5~10 秒，傳感器的芯片就會發熱，沒有制冷設備的芯片，“熱”或者白的像素點

就會遮蓋圖像，圖像到處可見雪花。因此，對于一些需要長時間曝光的應用（比如：化學發光通常

需要幾十秒甚至幾分鐘的曝光），制冷的作用就顯得非常重要了，制冷溫度越低，暗電流就越小，

成像效果就越好。

一般來說，-25 ℃ 左右的制冷溫度已經足夠滿足絕大部分的應用需求。更深度制冷則需要更為復雜的

制冷設備，不僅會大大增加成本，而且也會加大發生故障的機率。所以說，不是制冷溫度越低就越

好，而是需要綜合考慮各方面的因素和實際應用的要求。

四、科學相機的制冷方式有哪些？

目前科學相機的制冷方式基本上都是采用半導體制冷方式，也就是我們常說的”帕爾帖”原理制

冷，即：當兩種不同的導體 A 和 B 組成的電路且通有直流電時，在接頭處會釋放出某種熱量，而另

一個接頭處則吸收熱量，將吸收熱量的那部分靠近圖像傳感器芯片，另一端則采用“風冷”或者“水冷”

的方式將熱量導出去。

“風冷”就是采用風扇轉動，使空氣流動起來，與散熱器進行熱交換。缺點是有振動，噪聲大。

“水冷”就是先用液體(水、乙醚、制冷液的混合)把芯片的熱量吸收，再通過水泵使液體流動起來，

把熱傳導到散熱器，從而把熱量散發出去，“水冷”散熱效果比“風冷”好，而且靜音。缺

點是散熱器的體積有點大。

另外，也有用“液氮”進行冷卻的，制冷溫度可達-120 ℃ ，但“液氮”散熱器的工藝復雜，造價

過于昂貴。

五、Koolance 專業的“ 水冷” 散熱設備可以用在哪些科學相機上？

Koolance 公司 2000 年成立于美國，專注于“水冷”散熱系統及其相關產品的研發和生產，具有

ISO9001 和 ISO14001 雙認證，在美國和韓國均有生產基地，遍布全球的經銷商可迅速向各地的用戶提

供及時、周到的服務。（中國經銷商網址：http://www.koolance.com.cn）。

世界著名的科學相機制造商“ TELEDYNE Photometrics ” 推薦使用 Koolance 生產的專業級水

冷散熱器進行散熱，推薦散熱器的型號有： EX2-755、EX2-1055、EXT-440CU、EXC-900 等，配合其科

學相機一起使用，將能充分發揮相機卓越的拍攝性能。

Koolance 相機專用散熱器的圖片（相關鏈接：http://www.koolance.com.cn）

可應用于 PHOTOMETRICS 相機的型號有： Prime 95B，Prime BSI，Prime BSI Express 等

審核編輯 黃宇