Koolance 散熱器在科學(xué)相機(jī)中的應(yīng)用 （一）

一、什么是科學(xué)相機(jī)？ 它和普通的相機(jī)有什么不同？

科學(xué)相機(jī)，顧名思義，就是運(yùn)用于科學(xué)領(lǐng)域的專用相機(jī)。目前，主要應(yīng)用在：生命科學(xué)、天文學(xué)、化

學(xué)成像、生物成像、熒光纖維成像、高速攝影等領(lǐng)域。它的成像原理和普通的民用相機(jī)、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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的儀器。但由于應(yīng)用的領(lǐng)域和工作環(huán)

境不同，科學(xué)相機(jī)一般具有以下顯著特點(diǎn)：

1、 性能穩(wěn)定 、 可靠，可連續(xù)工作，可在各種極限的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到的。例如：

讓民用數(shù)碼相機(jī)一天工作 24 小時(shí)或連續(xù)工作幾天肯定會(huì)受不了的

2、 科學(xué) 相機(jī)的快門時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體。

例如，把名片貼在電風(fēng)扇扇葉上，以最大速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)置合適的快門時(shí)間，用科學(xué)相機(jī)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(jī)來抓拍，是不可能達(dá)到同樣效果的。

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

像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，而

且價(jià)格非常昂貴。

4、 科學(xué) 相機(jī)的幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)。

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

5、 工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)（ （raw data） ） ，其光譜范圍比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理，例

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

經(jīng)過了壓縮處理，圖像質(zhì)量較差，不利于后期進(jìn)一步的分析處理。

二、 影響科學(xué)相機(jī)成像品質(zhì)的因素有哪些？ 如何選擇合適的科學(xué)相機(jī)呢？

1. 信噪比

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

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

相機(jī)時(shí)，建議選擇一些信噪比較高的、CCD/CMOS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的相機(jī)，這樣，才能有效地控制

噪聲對(duì)圖像的影響，從而獲得精準(zhǔn)的測(cè)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(nèi)部光子產(chǎn)生電荷的效率、電荷讀出的效率，

因此，一般用它來評(píng)定圖像傳感器接受以及記錄信號(hào)的能力。

量子效率對(duì)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(zhǎng)也有一定的關(guān)系，所以一般在選擇科學(xué)級(jí)相機(jī)時(shí)，除了要看其最大量子

效率，還要考慮目標(biāo)波波長(zhǎng)的量子效率。一般情況下，CCD 的量子效率相對(duì)比較高，因?yàn)橹挥羞@

樣才能滿足在暗弱環(huán)境下正常工作的需要。

3. 像素大小

像素大小是我們?cè)谔暨x科學(xué)相機(jī)時(shí)絕對(duì)不能忽視的一個(gè)指標(biāo)。像素大小跟靈敏度、分辨率都有

關(guān)系，在相同面積上，像素點(diǎn)越大，靈敏度越強(qiáng)，而像素點(diǎn)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(huì)越差，信噪比會(huì)越低，這個(gè)時(shí)候圖像的質(zhì)量也會(huì)越差。如果這時(shí)

單純的以增加分辨率為手段來提升圖像質(zhì)量的話，恐怕會(huì)適得其反，造成圖像的變異。這個(gè)時(shí)候就

需要我們?cè)诒３窒袼孛娣e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(xiàn)電流

干擾，出現(xiàn)“噪點(diǎn)”等現(xiàn)象出現(xiàn)，因此我們?cè)龠x擇相機(jī)時(shí)不要只是看是不是高像素，上面所說的幾點(diǎn)

也同樣重要。

4. 冷卻溫度

冷卻溫度之所以作為科學(xué)相機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo) ， 是因?yàn)樗肼曔@個(gè)參數(shù)是相關(guān)聯(lián)的。 一般

情況下 ，過 曝光時(shí)間超過 5-10 秒時(shí)，CCD 芯片就會(huì)發(fā)熱 ， 會(huì)出現(xiàn)噪聲干擾 ， 影響成像效果 。科學(xué)制冷

CCD 就是采用了內(nèi)部制冷，達(dá)到了低噪聲的效果，才會(huì)被科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛的采用。

5. A/D 轉(zhuǎn)換

A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的機(jī)器，而 A/D 轉(zhuǎn)換位數(shù)則是圖像質(zhì)量的直接影響

因素，也是評(píng)價(jià)科學(xué)相機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。A/D 轉(zhuǎn)換位數(shù)決定了采樣精度，位數(shù)越多,采樣精度

就越高。精度高了，還原后信號(hào)失真就會(huì)越小，生成的圖像質(zhì)量就越高。

三、的 目前常見的 CCD 和 和 CMOS 科學(xué)級(jí)相機(jī) 大多是 制冷相機(jī) ， 其制冷溫度因生產(chǎn)廠家和相機(jī)型

號(hào)不同而有所不同。制冷溫度的設(shè)定對(duì)圖像信噪比有什么影響呢？科學(xué)級(jí)相機(jī)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(jī)在沒有曝光的情況下，在一定的時(shí)間內(nèi)，圖像傳感器中像素產(chǎn)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(huì)減半，溫度越低，暗電流就越小。

科學(xué)相機(jī)曝光超過 5~10 秒，傳感器的芯片就會(huì)發(fā)熱，沒有制冷設(shè)備的芯片，“熱”或者白的像素點(diǎn)

就會(huì)遮蓋圖像，圖像到處可見雪花。因此，對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間曝光的應(yīng)用（比如：化學(xué)發(fā)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(jīng)足夠滿足絕大部分的應(yīng)用需求。更深度制冷則需要更為復(fù)雜的

制冷設(shè)備，不僅會(huì)大大增加成本，而且也會(huì)加大發(fā)生故障的機(jī)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(shí)際應(yīng)用的要求。

四、科學(xué)相機(jī)的制冷方式有哪些？

目前科學(xué)相機(jī)的制冷方式基本上都是采用半導(dǎo)體制冷方式，也就是我們常說的”帕爾帖”原理制

冷，即：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體 A 和 B 組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處會(huì)釋放出某種熱量，而另

一個(gè)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(fēng)冷”或者“水冷”

的方式將熱量導(dǎo)出去。

“風(fēng)冷”就是采用風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使空氣流動(dòng)起來，與散熱器進(jìn)行熱交換。缺點(diǎn)是有振動(dòng)，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(dòng)起來，

把熱傳導(dǎo)到散熱器，從而把熱量散發(fā)出去，“水冷”散熱效果比“風(fēng)冷”好，而且靜音。缺

點(diǎn)是散熱器的體積有點(diǎn)大。

另外，也有用“液氮”進(jìn)行冷卻的，制冷溫度可達(dá)-120 ℃ ，但“液氮”散熱器的工藝復(fù)雜，造價(jià)

過于昂貴。

五、Koolance 專業(yè)的“ 水冷” 散熱設(shè)備可以用在哪些科學(xué)相機(jī)上？

Koolance 公司 2000 年成立于美國，專注于“水冷”散熱系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，具有

ISO9001 和 ISO14001 雙認(rèn)證，在美國和韓國均有生產(chǎn)基地，遍布全球的經(jīng)銷商可迅速向各地的用戶提

供及時(shí)、周到的服務(wù)。（中國經(jīng)銷商網(wǎng)址：http://www.koolance.com.cn）。

世界著名的科學(xué)相機(jī)制造商“ TELEDYNE Photometrics ” 推薦使用 Koolance 生產(chǎn)的專業(yè)級(jí)水

冷散熱器進(jìn)行散熱，推薦散熱器的型號(hào)有： EX2-755、EX2-1055、EXT-440CU、EXC-900 等，配合其科

學(xué)相機(jī)一起使用，將能充分發(fā)揮相機(jī)卓越的拍攝性能。

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

可應(yīng)用于 PHOTOMETRICS 相機(jī)的型號(hào)有： Prime 95B，Prime BSI，Prime BSI Express 等

審核編輯 黃宇