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(shù)革新，CCD 相機在性能和成本方面逐漸被更具優(yōu)勢的 CMOS 傳感器相機取代。但在部分科研領(lǐng)域，CCD 相機仍發(fā)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(yīng)用場景
雖然部分緊湊型數(shù)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(fā)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(lǐng)域，CCD 相機的應(yīng)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(shè)計與相機的靈敏度至關(guān)重要 —— 而高靈敏度正是 CCD 傳感器的核心優(yōu)勢。
此外，通過 EM（電子倍增）CCD 技術(shù)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(chǎn)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(yōu)勢。
CCD 相機的工作原理
CCD 相機通過鏡頭等光學系統(tǒng)，將光線成像在由光電二極管陣列（CCD 元件）構(gòu)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(zhuǎn)移。
當光子照射到受光用 CCD 元件時，會通過光電效應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移用 CCD，再由放大器進行電流放大。放大后的電流經(jīng) CCD 相機的控制基板運算處理，最終轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)。
EMCCD 相機則在電荷被送至放大器前，通過對轉(zhuǎn)移電荷施加電壓實現(xiàn)電子倍增。這一過程利用了碰撞電離現(xiàn)象，使得 EMCCD 相機能夠檢測到單個光子，還可完成光子數(shù)量的測量。
需要注意的是，電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域具有高的靈敏度和大的動態(tài)范圍。讀取數(shù)據(jù)時，需要配備遮光快門以避免光線照射到元件上。
幀轉(zhuǎn)移型（Frame Transfer）
幀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)。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(shè)備。它無需快門，但數(shù)值孔徑小于全幀型 CCD。
2. 按應(yīng)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(nèi)的分光特性。其應(yīng)用場景包括食品新鮮度檢測、異物識別，以及工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)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(yīng)用日益廣泛。與其他檢測器相比，CCD 型 X 射線相機的優(yōu)勢在于高靈敏度和寬動態(tài)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(yīng)用于汽車碰撞試驗、工廠生產(chǎn)流程監(jiān)控等工業(yè)場景。
CCD 相機的其他相關(guān)信息
與 CMOS 相機的區(qū)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(guān)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(zhì) | 優(yōu)秀 | 良好 |
| 價格 | 較高 | 較低 |
綜上，CCD 相機在畫質(zhì)上更具優(yōu)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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