CCD 相机基础知识

更新时间：2025-12-12

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什么是 CCD 相机

CCD 相机是指采用 CCD 作为图像传感器的相机。CCD 是 “Charge Coupled Device" 的缩写，中文名称为电荷耦合器件。1982 年，采用 CCD 的相机正式投入实用。

近年来，随着 CMOS 传感器的技术革新，CCD 相机在性能和成本方面逐渐被更具优势的 CMOS 传感器相机取代。但在部分科研领域，CCD 相机仍发挥着重要作用。与 CMOS 相比，CCD 相机拍摄的图像对比度更高，因此也受到不少摄影爱好者的青睐。

虽然部分紧凑型数码相机仍采用 CCD 传感器，但面向普通消费者的 CCD 传感器研发已基本终止。未来，其被 CMOS 传感器全面替代的可能性高。

在科研领域，CCD 相机的应用却十分广泛。例如在生物分子成像中，它常与显微镜配合使用。尤其是单分子成像需要检测微弱荧光，此时显微镜的性能设计与相机的灵敏度至关重要 —— 而高灵敏度正是 CCD 传感器的核心优势。

此外，通过 EM（电子倍增）CCD 技术对检测信号进行放大，可将相机的检测灵敏度提升至原来的 1000 倍左右。

近年来，CMOS 传感器的量子产率不断提升，也已具备单分子荧光检测能力。但在微弱单分子荧光检测场景中，支持信号放大的 EMCCD 相机仍更具优势。

CCD 相机通过镜头等光学系统，将光线成像在由光电二极管阵列（CCD 元件）构成的 CCD 传感器上。CCD 传感器分为上下两部分，分别负责受光和电荷转移。

当光子照射到受光用 CCD 元件时，会通过光电效应产生电子，电子被 CCD 元件储存形成电荷。各元件储存的电荷会被转移至转移用 CCD，再由放大器进行电流放大。放大后的电流经 CCD 相机的控制基板运算处理，最终转化为图像数据。

EMCCD 相机则在电荷被送至放大器前，通过对转移电荷施加电压实现电子倍增。这一过程利用了碰撞电离现象，使得 EMCCD 相机能够检测到单个光子，还可完成光子数量的测量。

需要注意的是，电荷转移必须在一列 CCD 元件中储存足够电荷后才能进行。这一限制成为电荷转移速度的瓶颈，导致 CCD 相机的传输速度存在上限。

全帧型 CCD 是标准类型，在理化测量领域具有高的灵敏度和大的动态范围。读取数据时，需要配备遮光快门以避免光线照射到元件上。

帧转移型 CCD 拥有两套独立元件，分别用于受光和图像存储。其工作原理是：将受光获取的图像转移至存储用元件暂存，在进行下一次曝光的同时，读取存储的电荷数据。这种类型无需快门，但需要两倍于全帧型的 CCD 面积。

行间型 CCD 在单个元件中同时集成了受光部和存储部，常用于摄像机等设备。它无需快门，但数值孔径小于全帧型 CCD。

分光相机可获取图像的光谱信息，能一次性测量拍摄范围内的分光特性。其应用场景包括食品新鲜度检测、异物识别，以及工业领域的产品颜色管理等。

生物观测相机多为冷却型 CCD 相机，常与显微镜配合使用，用于观察生物的细微运动和极微弱光图像。高灵敏度、高分辨率、高拍摄速度是其核心性能要求。

X 射线相机（涵盖软 X 射线至硬 X 射线范围）的应用日益广泛。与其他检测器相比，CCD 型 X 射线相机的优势在于高灵敏度和宽动态范围。

高速相机指拍摄速度达到每秒 100 帧以上的 CCD 相机。目前已广泛应用于汽车碰撞试验、工厂生产流程监控等工业场景。

CCD 传感器采用 “桶队接力" 式的电荷传输方式，通过电极将电荷逐次传输至外部。CMOS 传感器则为每个像素配备独立光电二极管，通过半导体开关高速切换，直接读取各像素的信号。两者的核心差异如下：

综上，CCD 相机在画质上更具优势，而 CMOS 相机则拥有更低的功耗和价格。