什么是 CCD 相機
CCD 相機是指采用 CCD 作為圖像傳感器的相機。CCD 是 “Charge Coupled Device" 的縮寫，中文名稱為電荷耦合器件。1982 年，采用 CCD 的相機正式投入實用。
近年來，隨著 CMOS 傳感器的技術革新，CCD 相機在性能和成本方面逐漸被更具優勢的 CMOS 傳感器相機取代。但在部分科研領域，CCD 相機仍發揮著重要作用。與 CMOS 相比，CCD 相機拍攝的圖像對比度更高，因此也受到不少攝影愛好者的青睞。
CCD 相機的應用場景
雖然部分緊湊型數碼相機仍采用 CCD 傳感器，但面向普通消費者的 CCD 傳感器研發已基本終止。未來，其被 CMOS 傳感器全面替代的可能性高。
在科研領域，CCD 相機的應用卻十分廣泛。例如在生物分子成像中，它常與顯微鏡配合使用。尤其是單分子成像需要檢測微弱熒光，此時顯微鏡的性能設計與相機的靈敏度至關重要 —— 而高靈敏度正是 CCD 傳感器的核心優勢。
此外，通過 EM（電子倍增）CCD 技術對檢測信號進行放大，可將相機的檢測靈敏度提升至原來的 1000 倍左右。
近年來，CMOS 傳感器的量子產率不斷提升，也已具備單分子熒光檢測能力。但在微弱單分子熒光檢測場景中，支持信號放大的 EMCCD 相機仍更具優勢。
CCD 相機的工作原理
CCD 相機通過鏡頭等光學系統，將光線成像在由光電二極管陣列（CCD 元件）構成的 CCD 傳感器上。CCD 傳感器分為上下兩部分，分別負責受光和電荷轉移。
當光子照射到受光用 CCD 元件時，會通過光電效應產生電子，電子被 CCD 元件儲存形成電荷。各元件儲存的電荷會被轉移至轉移用 CCD，再由放大器進行電流放大。放大后的電流經 CCD 相機的控制基板運算處理，最終轉化為圖像數據。
EMCCD 相機則在電荷被送至放大器前，通過對轉移電荷施加電壓實現電子倍增。這一過程利用了碰撞電離現象，使得 EMCCD 相機能夠檢測到單個光子，還可完成光子數量的測量。
需要注意的是，電荷轉移必須在一列 CCD 元件中儲存足夠電荷后才能進行。這一限制成為電荷轉移速度的瓶頸，導致 CCD 相機的傳輸速度存在上限。
CCD 相機的分類
1. 按 CCD 元件類型分類
全幀型（Full Frame）
全幀型 CCD 是標準類型，在理化測量領域具有高的靈敏度和大的動態范圍。讀取數據時，需要配備遮光快門以避免光線照射到元件上。
幀轉移型（Frame Transfer）
幀轉移型 CCD 擁有兩套獨立元件，分別用于受光和圖像存儲。其工作原理是：將受光獲取的圖像轉移至存儲用元件暫存，在進行下一次曝光的同時，讀取存儲的電荷數據。這種類型無需快門，但需要兩倍于全幀型的 CCD 面積。
行間型（Interline）
行間型 CCD 在單個元件中同時集成了受光部和存儲部，常用于攝像機等設備。它無需快門，但數值孔徑小于全幀型 CCD。
2. 按應用場景分類
分光相機
分光相機可獲取圖像的光譜信息，能一次性測量拍攝范圍內的分光特性。其應用場景包括食品新鮮度檢測、異物識別，以及工業領域的產品顏色管理等。
生物觀測相機
生物觀測相機多為冷卻型 CCD 相機，常與顯微鏡配合使用，用于觀察生物的細微運動和極微弱光圖像。高靈敏度、高分辨率、高拍攝速度是其核心性能要求。
X 射線相機
X 射線相機（涵蓋軟 X 射線至硬 X 射線范圍）的應用日益廣泛。與其他檢測器相比，CCD 型 X 射線相機的優勢在于高靈敏度和寬動態范圍。
高速相機
高速相機指拍攝速度達到每秒 100 幀以上的 CCD 相機。目前已廣泛應用于汽車碰撞試驗、工廠生產流程監控等工業場景。
CCD 相機的其他相關信息
與 CMOS 相機的區別
CCD 傳感器采用 “桶隊接力" 式的電荷傳輸方式，通過電極將電荷逐次傳輸至外部。CMOS 傳感器則為每個像素配備獨立光電二極管，通過半導體開關高速切換，直接讀取各像素的信號。兩者的核心差異如下：
| 特性 | CCD 相機 | CMOS 相機 |
|---|
| 功耗 | 較高 | 較低 |
| 畫質 | 優秀 | 良好 |
| 價格 | 較高 | 較低 |
綜上，CCD 相機在畫質上更具優勢，而 CMOS 相機則擁有更低的功耗和價格。
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更新時間：2025-12-12 
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