科研相机作为高灵敏的探测器，探测波段覆盖紫外-近红外波段，是弱光探测必不可少的仪器。自光电效应原理被发现以来，用高灵敏度的探测器结合光学手段来研究物质和材料的各种光电性能就是一种必不可少的趋势，科研型相机的诞生，为推动科研进展提供了必不可少的动力。一款高性能的科研型相机，成为了各研究机构趋之若鹜的科研助手。典型如中国科大潘建伟课题组，实验室布满了各种规格的科研相机，结合其他设备来实现光学信号的观测，进而对物质的性能进行研究。

 

科研型相机可以通过深度制冷降低暗噪声，使其具有高信噪比和高灵敏度等优势，因此科研相机广泛运用于天文观测、生物成像、微纳光学、表面等离激元等研究方向。结合单色仪可以做荧光、拉曼散射、吸收光谱等光谱学研究，在科研和工程领域广泛运用。

 

科研相机因其优异的电路设计，可以和其他设备诸如激光器和信号延迟发生器等做同步，使得其和普通工业或民用相机有很大的区别。

 

科研相机从芯片种类的不同，主要分为CCD相机和SCMOS相机。

 

关于CCD相机，详细的分类如下：

 

普通制冷型CCD相机：普通CCD相机具有制冷功能，高灵敏度，自1969年CCD诞生以来，市场上此类相机的品牌和公司有很多。

 

在整机市场上做的比较出色的有2家，主要为美国Princeton Instruments（PI）和英国Andor，这两家公司各有所长，具有不同芯片尺寸的CCD相机，在信噪比和制冷等方面也不相上下，都具有很多年的历史。

 

制冷方式上，PI和Andor都具有很多电制冷型的CCD相机，制冷温度从-70℃到-90℃不等。而PI有液氮制冷型CCD，可以制冷到-120℃，由于相机的暗噪声和积分时间与温度有关，因此这款相机可以通过长时间来提高信噪比，实现对超弱光信号的探测，可以达到单分子荧光的探测水平。而Andor在大靶面相机上具有独特优势，Andor推出了4K*4K（型号：iKon）的相机，在天文上广泛应用，可以实现暗行星和全日面的观测，大靶面相机的难度比较大，因此Andor在这方面的优势目前是无出其右的。而PI也推出了2K*2K(型号：SOPHIA)的相机，具有高速，大靶面，低噪声等特点，在活体成像、宽场显微镜、天文观测等也广泛应用。

 

电子倍增型CCD相机（EMCCD）：在普通制冷型CCD相机的基础上增加了电子倍增功能，可以通过电子倍增功能将弱光信号放大，具有单光子水平的高灵敏度，是超弱光信号探测的另一利器。而在整机市场上做的比较出色的有2家，主要为美国Princeton Instruments（PI）和英国Andor。

 

近年来，日本的Hamamatsu公司也推出了几款EMCCD。 EMCCD因其独特的功能，在各国政府都是进出口管制的产品，即便如此，还是获得了很多科研工作者的追求，在中国各大高等院校和研究所广泛使用。

 

像增强型CCD(ICCD): ICCD在CCD前端增加了像增强器，可以实现电荷增强功能，用时可以实现快速门控，拍摄瞬态（ns级）信号。和激光器连用，可以做燃烧学，发动机做功过程拍摄，粒子示踪、荧光寿命等应用，在科研和工程上应用广泛。主要厂家为Princeton Instruments和Andor，此外，荷兰Lambert、 德国PCO等公司也有类似设备，在中国占据了一小部分市场。

 

特别指出的是，Princeton Instruments公司将ICCD和EMCCD结合在了一起，推出了emICCD(电荷增强电子倍增探测器)具有电荷增强和电子倍增双增益机制，可以实现超短时间（ns级）的拍摄，获得相对高的信噪比，且其线性度更好，可以实现燃烧物中OH基等物质的定量测量。emICCD最初是PI基于NASA的需求而设计的，之后其优异的性能被国内很多用户推崇。

 

近红外面阵探测器：近年来小动物活体成像应用比较热门，此前一直用硅探测器（200-1050 nm）作为探测手段，受到组织等样品散射的影响，使得其信噪比和分辨率比较差，且穿透深度不够。

 

近年来Princeton Instruments公司推出了新的近红外波段的面阵探测器（型号：NIRvana），观测波段是900-1700 nm，是很多灵敏的荧光探针（SWNT，QDs）等的发光波段，且由于该科研相机的高速、高灵敏特性，可以实现组织和活体样品的实时拍摄，在生物活性下来做科学研究。

 

该相机具有高穿透能力，可以观测毫米级深度的样品，且不受组织散射影响，分辨率和灵敏度较高。但是该探测器为面阵，且材料为InGaAs，因此暗噪声较高。为了抑制暗噪声，PI推出了液氮制冷探测器，制冷温度-190℃，典型用户为斯坦福大学的戴红杰老师等，国内目前也有很多客户引入了此类型探测器，做出了很好的成果。

 

科研型SCMOS相机：科研型SCMOS相机由于其高速、低噪声的特点，近年来广受科研工作者喜爱。市场上做的比较早的是日本的Hamamatsu公司，其已经推出了很多款型号的产品(型号：Flash)，另外Andor和PI以及Photometrics等公司也各有特色。

 

SCMOS推出之时因为量子效率不高，并没有引起科研工作者的重视。2016年Photometrics公司推出了背照式的SCMOS（型号：Prime 95B），具有更高量子效率和探测灵敏度，使得SCMOS相机成为了可以比肩CCD相机的新产品，随后Princeton Instruments也推出了类似的背照式SCMOS相机（KURO-1200B这款相机可以结合PI单色仪拍摄光谱。

 

很多生物、天文以及物理用户都在苦苦追求一款高速、高灵敏且无需办理进出口许可的相机来取代EMCCD，这款背照式SCMOS相机的推出，解决了他们的燃眉之急。推出一年来，已经有很多用户尝试，获得了很好的口碑。

 

集多功能和优势于一体，科研型相机具有很大的市场，但是价格也不菲。中国很多科研单位也在这方面做着努力，目前已经取得了一定的成效，但是还有很大提升空间。

 

希望未来科研相机市场上能够出现中国创造，做到为科研服务，为民服务。