介紹

紅外成像帶來了獨特的挑戰(zhàn)。普林斯頓儀器公司的 NIRvana 系列 InGaAs 相機在900 nm 至 1700 nm的短波紅外 (SWIR) 或第二近紅外 (NIR-II) 區(qū)域內(nèi)運行。對該范圍內(nèi)波長的靈敏度解鎖了科學研究中的大量應(yīng)用。科學應(yīng)用通常要求SWIR 能夠提供好的成像性能。工業(yè) SWIR 應(yīng)用和滿足這些應(yīng)用的相機也很常見，但對成像要求的要求要低得多。

科學和工業(yè) SWIR 相機之間的一個關(guān)鍵區(qū)別是噪聲降低帶來的圖像質(zhì)量。InGaAs 技術(shù)本身就具有比硅基傳感器更高的讀取噪聲和熱、曝光相關(guān)暗電流。然而，在要求苛刻的應(yīng)用中，SWIR 相機的實際性能需要考慮超出這些傳統(tǒng)“規(guī)格表”值的因素。

紅外成像的一個獨特挑戰(zhàn)是 SWIR 光子實際上無處不在。我們當然無法看到它們，因此無法輕松地追蹤和消除背景光子源。但所有背景光都會產(chǎn)生背景噪聲，在許多情況下，根據(jù)嚴重程度，這些背景噪聲可能會超過基于相機的噪聲源。事實上，由于黑體輻射，所有室溫物體都在不斷發(fā)射 SWIR 光子，SWIR 相機的電子電路和外殼也是如此。我們?nèi)绾巫柚惯@些光子遮擋我們的預(yù)期信號?

答案就是冷屏蔽。通過將光子到達傳感器的角度限制在傳感器指向的正面角度，可以比較大限度地減少來自環(huán)境的無關(guān)光子。冷屏蔽之所以如此命名，是因為它被冷卻到與傳感器相同的低溫，因此不會在 SWIR 范圍內(nèi)本身發(fā)射黑體輻射。本文將探討冷屏蔽對于低光科學 SWIR 成像的重要性，并討論Teledyne Princeton Instruments 的NIRvana 系列相機所采用的冷屏蔽。

背景信號就是背景噪聲

背景光的缺點是什么?足夠精確的“背景減法”肯定可以消除背景光子的貢獻嗎?事實上，盡管這一步在定量成像中必不可少，但背景信號的比較大貢獻在減法后仍然存在：來自這些背景光子的光子散粒噪聲。

如果您不熟悉光子散粒噪聲，這是光子發(fā)射和檢測隨機性所固有的噪聲源。實際上，所有光子源都不會以精確、規(guī)則的間隔發(fā)射單個光子。相反，光子會隨時間隨機發(fā)射，盡管可能具有某個已知的平均速率。即使在脈沖激光脈沖內(nèi)，單個光子也會隨時間隨機分布在某個已知的平均分布附近。這種隨機性意味著，如果我們嘗試測量從物體檢測到的光，則每次測量都會有所不同- 即引入噪聲。這種已知平均值的隨機行為遵循所謂的泊松統(tǒng)計，與所有泊松行為一樣，計數(shù)事件(光子)測量中的噪聲貢獻由計數(shù)數(shù)量的平方根給出。像素中的總光子散粒噪聲如下：

這意味著，無論背景光來自何處，都會將其光子散粒噪聲添加到我們固有的相機噪聲源中。在高精度實驗中，背景光的噪聲比相機噪聲源大幾個數(shù)量級是完全有可能的。那么，最重要的背景光源是什么?我們可以對它們做些什么呢?

漏光

即使在處理可見光時，許多光學裝置(尤其是在開放式實驗室工作臺上)也必須應(yīng)對來自房間的漏光、激光反射、計算機屏幕以及組件上的 LED 發(fā)出的光線等挑戰(zhàn)。如果您試圖追蹤的背景光甚至在您的眼睛中都看不見，該怎么辦?追蹤紅外激光路徑和對準組件在紅外中可能是一項重大挑戰(zhàn)，任何進入相機傳感器的不需要的背景光都會增加檢測感興趣信號的難度。

有兩種方法可以改善這個問題。第一種方法是進行艱苦而冗長的實驗優(yōu)化，以消除可能的紅外光子源。第二種方法是使用相機，通過使用冷屏蔽來限制探測入射背景光子的角度范圍。當相機傳感器被適當?shù)仄帘瓮獠枯椛鋾r，最小化背景光所需的光學設(shè)置調(diào)整范圍將大大減少。

黑體輻射

在室溫下，典型房間內(nèi)的所有物體實際上都會因黑體輻射而發(fā)射紅外光子。黑體輻射是指任何與其環(huán)境處于熱力學平衡狀態(tài)的物體發(fā)射光子。

光學裝置中的物體、房間中的周圍物體，尤其是溫度高于室溫的任何物體(如設(shè)備、計算機和人)，都會發(fā)射出大量光子，而相機對這些光子很敏感。下圖顯示了300K(27°C)時物體表面每平方厘米每單位立體角發(fā)射的光子數(shù)量，以及光子波長。如您所見，在光譜的較高波長端，這個數(shù)字接近每秒 1.5 億個光子。

圖 1：物體每單位面積、每單位立體角、每秒的熱輻射光子數(shù)與波長的關(guān)系。來自室溫(300K)下發(fā)射率為 1 的黑體源。

相機外殼和電子設(shè)備的輻射

冷屏蔽不僅適用于相機前方的物體。它還可以保護傳感器免受相機內(nèi)部光子發(fā)射的影響。冷卻傳感器的散熱部分當然會以紅外光子的形式出現(xiàn)。尤其是對于位于傳感器前方的相機外殼部分，這些光子可以被傳感器檢測到。

此外，電子電路的正常運行實際上會產(chǎn)生紅外光子。避免檢測到這些光子的解決方案是引入冷屏蔽，將傳感器與相機電路和外殼的其余部分隔開。因此，重要的是冷屏蔽不僅要限制入射光錐，還要包裹傳感器的周圍和后面。相機產(chǎn)生的熱輻射水平也會因相機而異。NIRvana系列紅外相機經(jīng)過專門設(shè)計，通過領(lǐng)先的熱管理工程，比較大限度地減少從相機電子設(shè)備到達傳感器的熱光子。當與冷屏蔽相結(jié)合時， NIRvana 系列的性能只有親眼看到才會相信。

NIRvana 的冷盾

Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana系列SWIR 相機專為要求嚴格的科學應(yīng)用而設(shè)計，因此標配冷屏蔽。冷屏蔽的形式是位于傳感器前面、周圍和后面的物理屏障，將入射光子限制在傳感器光軸周圍的特定錐體中。該屏蔽位于NIRvana 相機的密封真空室內(nèi)，冷卻至與傳感器相同的行業(yè)領(lǐng)先低溫。這提供了保護，可防止有害光子和有害噪音。

圖 2 顯示了冷屏蔽位置的代表圖。

f/#: 冷屏規(guī)格

相機數(shù)據(jù)表上顯示的冷屏蔽規(guī)格是f/# 數(shù)，這是鏡頭光學器件中常見的光圈規(guī)格。要將此值轉(zhuǎn)換為更直觀的光錐半角(如圖 2 所示)，請使用以下公式：

其中 n 是介質(zhì)的折射率，在本例中為空氣。使用此公式，我們可以計算出NIRvana 系列相機的以下光錐角：

到達相機的光錐之外的任何無關(guān)背景光，或由相機前方的暖相機外殼發(fā)射的任何 SWIR 光子都無法被檢測到。

總結(jié)

SWIR 光子無處不在，甚至相機本身也會發(fā)射 SWIR 光子。通過在傳感器和這些光子之間提供深冷的物理屏障，NIRvana 的冷屏蔽可消除背景信號的額外噪聲貢獻，從而實現(xiàn)更高的信噪比和比較高的圖像質(zhì)量。

審核編輯 黃宇