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科研相機作為高靈敏的探測器，探測波段覆蓋紫外-近紅外波段，是弱光探測必不可少的儀器。自光電效應(yīng)原理被發(fā)現(xiàn)以來，用高靈敏度的探測器結(jié)合光學(xué)手段來研究物質(zhì)和材料的各種光電性能就是一種必不可少的趨勢，科研型相機的誕生，為推動科研進展提供了必不可少的動力。一款高性能的科研型相機，成為了各研究機構(gòu)趨之若鶩的科研助手。典型如中國科大潘建偉課題組，實驗室布滿了各種規(guī)格的科研相機，結(jié)合其他設(shè)備來實現(xiàn)光學(xué)信號的觀測，進而對物質(zhì)的性能進行研究。

科研型相機可以通過深度制冷降低暗噪聲，使其具有高信噪比和高靈敏度等優(yōu)勢，因此科研相機廣泛運用于天文觀測、生物成像、微納光學(xué)、表面等離激元等研究方向。結(jié)合單色儀可以做熒光、拉曼散射、吸收光譜等光譜學(xué)研究，在科研和工程領(lǐng)域廣泛運用。

科研相機因其優(yōu)異的電路設(shè)計，可以和其他設(shè)備諸如激光器和信號延遲發(fā)生器等做同步，使得其和普通工業(yè)或民用相機有很大的區(qū)別。

科研相機從芯片種類的不同，主要分為CCD相機和SCMOS相機。

關(guān)于CCD相機，詳細的分類如下：

普通制冷型CCD相機：普通CCD相機具有制冷功能，高靈敏度，自1969年CCD誕生以來，市場上此類相機的品牌和公司有很多。

在整機市場上做的比較出色的有2家，主要為美國Princeton Instruments（PI）和英國Andor，這兩家公司各有所長，具有不同芯片尺寸的CCD相機，在信噪比和制冷等方面也不相上下，都具有很多年的歷史。

制冷方式上，PI和Andor都具有很多電制冷型的CCD相機，制冷溫度從-70℃到-90℃不等。而PI有液氮制冷型CCD，可以制冷到-120℃，由于相機的暗噪聲和積分時間與溫度有關(guān)，因此這款相機可以通過長時間來提高信噪比，實現(xiàn)對超弱光信號的探測，可以達到單分子熒光的探測水平。而Andor在大靶面相機上具有獨特優(yōu)勢，Andor推出了4K*4K（型號：iKon）的相機，在天文上廣泛應(yīng)用，可以實現(xiàn)暗行星和全日面的觀測，大靶面相機的難度比較大，因此Andor在這方面的優(yōu)勢目前是無出其右的。而PI也推出了2K*2K(型號：SOPHIA)的相機，具有高速，大靶面，低噪聲等特點，在活體成像、寬場顯微鏡、天文觀測等也廣泛應(yīng)用。

電子倍增型CCD相機（EMCCD）：在普通制冷型CCD相機的基礎(chǔ)上增加了電子倍增功能，可以通過電子倍增功能將弱光信號放大，具有單光子水平的高靈敏度，是超弱光信號探測的另一利器。而在整機市場上做的比較出色的有2家，主要為美國Princeton Instruments（PI）和英國Andor。

近年來，日本的Hamamatsu公司也推出了幾款EMCCD。 EMCCD因其獨特的功能，在各國政府都是進出口管制的產(chǎn)品，即便如此，還是獲得了很多科研工作者的追求，在中國各大高等院校和研究所廣泛使用。

像增強型CCD(ICCD): ICCD在CCD前端增加了像增強器，可以實現(xiàn)電荷增強功能，用時可以實現(xiàn)快速門控，拍攝瞬態(tài)（ns級）信號。和激光器連用，可以做燃燒學(xué)，發(fā)動機做功過程拍攝，粒子示蹤、熒光壽命等應(yīng)用，在科研和工程上應(yīng)用廣泛。主要廠家為Princeton Instruments和Andor，此外，荷蘭Lambert、德國PCO等公司也有類似設(shè)備，在中國占據(jù)了一小部分市場。

特別指出的是，Princeton Instruments公司將ICCD和EMCCD結(jié)合在了一起，推出了emICCD(電荷增強電子倍增探測器)具有電荷增強和電子倍增雙增益機制，可以實現(xiàn)超短時間（ns級）的拍攝，獲得相對高的信噪比，且其線性度更好，可以實現(xiàn)燃燒物中OH基等物質(zhì)的定量測量。emICCD最初是PI基于NASA的需求而設(shè)計的，之后其優(yōu)異的性能被國內(nèi)很多用戶推崇。

近紅外面陣探測器：近年來小動物活體成像應(yīng)用比較熱門，此前一直用硅探測器（200-1050 nm）作為探測手段，受到組織等樣品散射的影響，使得其信噪比和分辨率比較差，且穿透深度不夠。

近年來Princeton Instruments公司推出了新的近紅外波段的面陣探測器（型號：NIRvana），觀測波段是900-1700 nm，是很多靈敏的熒光探針（SWNT，QDs）等的發(fā)光波段，且由于該科研相機的高速、高靈敏特性，可以實現(xiàn)組織和活體樣品的實時拍攝，在生物活性下來做科學(xué)研究。

該相機具有高穿透能力，可以觀測毫米級深度的樣品，且不受組織散射影響，分辨率和靈敏度較高。但是該探測器為面陣，且材料為InGaAs，因此暗噪聲較高。為了抑制暗噪聲，PI推出了液氮制冷探測器，制冷溫度-190℃，典型用戶為斯坦福大學(xué)的戴紅杰老師等，國內(nèi)目前也有很多客戶引入了此類型探測器，做出了很好的成果。

科研型SCMOS相機：科研型SCMOS相機由于其高速、低噪聲的特點，近年來廣受科研工作者喜愛。市場上做的比較早的是日本的Hamamatsu公司，其已經(jīng)推出了很多款型號的產(chǎn)品(型號：Flash)，另外Andor和PI以及Photometrics等公司也各有特色。

SCMOS推出之時因為量子效率不高，并沒有引起科研工作者的重視。2016年P(guān)hotometrics公司推出了背照式的SCMOS（型號：Prime 95B），具有更高量子效率和探測靈敏度，使得SCMOS相機成為了可以比肩CCD相機的新產(chǎn)品，隨后Princeton Instruments也推出了類似的背照式SCMOS相機（KURO-1200B這款相機可以結(jié)合PI單色儀拍攝光譜。

很多生物、天文以及物理用戶都在苦苦追求一款高速、高靈敏且無需辦理進出口許可的相機來取代EMCCD，這款背照式SCMOS相機的推出，解決了他們的燃眉之急。推出一年來，已經(jīng)有很多用戶嘗試，獲得了很好的口碑。

集多功能和優(yōu)勢于一體，科研型相機具有很大的市場，但是價格也不菲。中國很多科研單位也在這方面做著努力，目前已經(jīng)取得了一定的成效，但是還有很大提升空間。

希望未來科研相機市場上能夠出現(xiàn)中國創(chuàng)造，做到為科研服務(wù)，為民服務(wù)。

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