Koolance 散热器在科学相机中的应用 （一）

一、什么是科学相机？ 它和普通的相机有什么不同？

科学相机，顾名思义，就是运用于科学领域的专用相机。目前，主要应用在：生命科学、天文学、化

学成像、生物成像、荧光纤维成像、高速摄影等领域。它的成像原理和普通的民用相机、摄像头是一样的，

都是以图像传感器（CCD 或 CMOS）为媒介，把光信号转化为电信号的仪器。但由于应用的领域和工作环

境不同，科学相机一般具有以下显著特点：

1、 性能稳定 、 可靠，可连续工作，可在各种极限的环境下使用，一般的数码相机是做不到的。例如：

让民用数码相机一天工作 24 小时或连续工作几天肯定会受不了的

2、 科学 相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。

例如，把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，设置合适的快门时间，用科学相机抓拍一张

图像，仍能够清晰辨别名片上的字体。用普通的相机来抓拍，是不可能达到同样效果的。

3、 科学 相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的， 逐行扫描的图

像传感器生产工艺比较复杂，成品率低，出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品，而

且价格非常昂贵。

4、 科学 相机的帧率远远高于普通相机。

科学相机每秒可以拍摄几十幅、几百幅图片，而普通相机只能拍摄 2-3 幅图像，相差很大。

5、 工业相机输出的是裸数据（ （raw data） ） ，其光谱范围比较宽，比较适合进行高质量的图像处理，例

如机器视觉（Machine Vision）应用。而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且

经过了压缩处理，图像质量较差，不利于后期进一步的分析处理。

二、 影响科学相机成像品质的因素有哪些？ 如何选择合适的科学相机呢？

1. 信噪比

信噪比是判别相机性能的一大重要指标，是影响图像质量的因素之一。所谓信噪比是指信号

与噪声的比值，信噪比越大，噪声对图像造成的影响就越小，反之，则越大。因此，在选择科学

相机时，建议选择一些信噪比较高的、CCD/CMOS 结构设计较好的相机，这样，才能有效地控制

噪声对图像的影响，从而获得精准的测量或其他完美的效果。

2. 量子效率

量子效率包括图像传感器表面接收光子的效率、内部光子产生电荷的效率、电荷读出的效率，

因此，一般用它来评定图像传感器接受以及记录信号的能力。

量子效率对敏感度有一定的影响，量子效率越高， 传感器的灵敏度就越高。

量子效率与光的波长也有一定的关系，所以一般在选择科学级相机时，除了要看其最大量子

效率，还要考虑目标波波长的量子效率。一般情况下，CCD 的量子效率相对比较高，因为只有这

样才能满足在暗弱环境下正常工作的需要。

3. 像素大小

像素大小是我们在挑选科学相机时绝对不能忽视的一个指标。像素大小跟灵敏度、分辨率都有

关系，在相同面积上，像素点越大，灵敏度越强，而像素点越小，分辨率越大。但是要注意的是，

像素的面积越小，那么其感光性会越差，信噪比会越低，这个时候图像的质量也会越差。如果这时

单纯的以增加分辨率为手段来提升图像质量的话，恐怕会适得其反，造成图像的变异。这个时候就

需要我们在保持像素面积不变的情况下，增大 CCD 的面积。而且像素排列越密集，越容易出现电流

干扰，出现“噪点”等现象出现，因此我们再选择相机时不要只是看是不是高像素，上面所说的几点

也同样重要。

4. 冷却温度

冷却温度之所以作为科学相机的一个重要指标 ， 是因为它跟噪声这个参数是相关联的。 一般

情况下 ，过 曝光时间超过 5-10 秒时，CCD 芯片就会发热 ， 会出现噪声干扰 ， 影响成像效果 。科学制冷

CCD 就是采用了内部制冷，达到了低噪声的效果，才会被科学研究领域广泛的采用。

5. A/D 转换

A/D 转换器是将模拟信号转换为数字信号的机器，而 A/D 转换位数则是图像质量的直接影响

因素，也是评价科学相机性能的重要指标之一。A/D 转换位数决定了采样精度，位数越多,采样精度

就越高。精度高了，还原后信号失真就会越小，生成的图像质量就越高。

三、的 目前常见的 CCD 和 和 CMOS 科学级相机 大多是 制冷相机 ， 其制冷温度因生产厂家和相机型

号不同而有所不同。制冷温度的设定对图像信噪比有什么影响呢？科学级相机的制冷温

度越低越好吗？

我们先来了解一下信噪比的公式：

暗电流是指相机在没有曝光的情况下，在一定的时间内，图像传感器中像素产生的电荷。暗电流受

温度影响非常大，降 温度每下降 7 ℃ ， 暗电流的值就会减半，温度越低，暗电流就越小。

科学相机曝光超过 5~10 秒，传感器的芯片就会发热，没有制冷设备的芯片，“热”或者白的像素点

就会遮盖图像，图像到处可见雪花。因此，对于一些需要长时间曝光的应用（比如：化学发光通常

需要几十秒甚至几分钟的曝光），制冷的作用就显得非常重要了，制冷温度越低，暗电流就越小，

成像效果就越好。

一般来说，-25 ℃ 左右的制冷温度已经足够满足绝大部分的应用需求。更深度制冷则需要更为复杂的

制冷设备，不仅会大大增加成本，而且也会加大发生故障的机率。所以说，不是制冷温度越低就越

好，而是需要综合考虑各方面的因素和实际应用的要求。

四、科学相机的制冷方式有哪些？

目前科学相机的制冷方式基本上都是采用半导体制冷方式，也就是我们常说的”帕尔帖”原理制

冷，即：当两种不同的导体 A 和 B 组成的电路且通有直流电时，在接头处会释放出某种热量，而另

一个接头处则吸收热量，将吸收热量的那部分靠近图像传感器芯片，另一端则采用“风冷”或者“水冷”

的方式将热量导出去。

“风冷”就是采用风扇转动，使空气流动起来，与散热器进行热交换。缺点是有振动，噪声大。

“水冷”就是先用液体(水、乙醚、制冷液的混合)把芯片的热量吸收，再通过水泵使液体流动起来，

把热传导到散热器，从而把热量散发出去，“水冷”散热效果比“风冷”好，而且静音。缺

点是散热器的体积有点大。

另外，也有用“液氮”进行冷却的，制冷温度可达-120 ℃ ，但“液氮”散热器的工艺复杂，造价

过于昂贵。

五、Koolance 专业的“ 水冷” 散热设备可以用在哪些科学相机上？

Koolance 公司 2000 年成立于美国，专注于“水冷”散热系统及其相关产品的研发和生产，具有

ISO9001 和 ISO14001 双认证，在美国和韩国均有生产基地，遍布全球的经销商可迅速向各地的用户提

供及时、周到的服务。（中国经销商网址：http://www.koolance.com.cn）。

世界著名的科学相机制造商“ TELEDYNE Photometrics ” 推荐使用 Koolance 生产的专业级水

冷散热器进行散热，推荐散热器的型号有： EX2-755、EX2-1055、EXT-440CU、EXC-900 等，配合其科

学相机一起使用，将能充分发挥相机卓越的拍摄性能。

Koolance 相机专用散热器的图片（相关链接：http://www.koolance.com.cn）

可应用于 PHOTOMETRICS 相机的型号有： Prime 95B，Prime BSI，Prime BSI Express 等

审核编辑 黄宇