CCD(电荷耦合器件)是目前应用较广的光电成像器件,因其优异的成像性能,使CCD图像采集系统在军事,航天,医疗,化工等领域有着广泛的应用。而高帧率的CCD工业相机也成为目前应用领域的新贵。本文设计了一种基于USB3.0接口传输的半导体制冷CCD高速相机,主要研究成果体现在研究和设计了CCD驱动、数据采集、数据传输、制冷等相机的前端部分。分析了CCD成像的基本原理,并对噪声的抑制提供了半导体制冷的方法。对于使用的索尼公司的CCD芯片ICXXXX进行了详细的介绍。分析了ICXXXX的驱动时序,设计了ICXXXX的驱动时序电路,选用内置模拟前端(AFE)、完全可编程的时序发生器(TG)和6通道垂直驱动器的ADI公司AD99XX驱动CCD工作。并将固件程序烧写到EEPROM芯片中,通过SPI协议完成与AD99XX的通信。分析了USB3.0的参数,编写USB3.0固件程序,选择Slave FIFO数据采集模式。在上面研究的基础上,研究了半导体致冷的原理和热管散热器的工作原理,选择了合适的半导体制冷器及热管散热器,设计了合理的散热器传热机构,在相机加入半导体制冷系统,使得高帧率相机在常温环境中长积分时间曝光工作时,相机内部CCD传感器被制冷到低于室温25度的温度,减少暗电流固定模式噪声和瞬态随机噪声。研究成功的相机测试结果表明,该设计在长时间的工作中能够保证芯片温度比室温低25度,从而保证CCD工作在低噪声状态,有效地消除了CCD固有的热噪声,确保用户在荧光长时间的积分状态下得到高信噪比的图像。文章也说明了不足之处和需进一步完善的工作。