介紹

在900nm至1700nm波長(zhǎng)的SWIR(短波紅外)波段進(jìn)行紅外成像，有獨(dú)特的成像能力。從先進(jìn)的體內(nèi)研究到納米技術(shù)，要求嚴(yán)格的科學(xué)應(yīng)用非常多樣化并且不斷增長(zhǎng)。然而，也有一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)需要克服。

對(duì)此波長(zhǎng)范圍敏感的 InGaAs 傳感器本質(zhì)上比我們可能習(xí)慣的硅基可見光成像相機(jī)噪音更大。低光成像具有挑戰(zhàn)性的噪聲源是暗電流的熱噪聲。此外，紅外輻射當(dāng)然也是熱交換的一種形式，因此相機(jī)內(nèi)部或周圍存在的熱區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生不需要的紅外背景光。

這兩個(gè)挑戰(zhàn)的解決方案是傳感器冷卻，通過精心設(shè)計(jì)的熱管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這個(gè)故事不僅僅是實(shí)現(xiàn)低目標(biāo)傳感器溫度。隨著時(shí)間的推移所實(shí)現(xiàn)的溫度穩(wěn)定性將對(duì)圖像質(zhì)量和噪聲性能發(fā)揮重要作用。

為了實(shí)現(xiàn)深度冷卻而不凝結(jié)，傳感器必須保存在真空室內(nèi)。真空密封的質(zhì)量是相機(jī)壽命的重要決定因素。此外，我們必須通過冷屏蔽來(lái)保護(hù)傳感器，確保從傳感器散發(fā)到周圍相機(jī)機(jī)身的熱量不會(huì)再產(chǎn)生相機(jī)檢測(cè)到的紅外光子。

在本文檔中，將探討科學(xué)相機(jī)性能的這些重要方面，以及 NIRvana 系列 InGaAs SWIR 相機(jī)行業(yè)領(lǐng)先的熱管理性能。

圖 1： NIRvana 的真空室和冷屏

保持溫度

溫度穩(wěn)定性與科學(xué)成像所達(dá)到的絕對(duì)溫度一樣重要。這里有兩個(gè)重要因素在起作用：暗電流強(qiáng)度和暗電流噪聲。

暗電流是在像素中累積的與曝光時(shí)間相關(guān)的熱噪聲。由于傳感器材料具有熱能，因此電子有可能從基板跳出并進(jìn)入像素，就像檢測(cè)到光電子一樣。這提高了像素輸出的基線強(qiáng)度水平。因此，為了測(cè)量可量化的信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)做法是從獲取的任何圖像中減去沒有檢測(cè)到光子的“暗框” 。該幀必須具有與實(shí)驗(yàn)幀相同的曝光時(shí)間和傳感器溫度，因此暗電流強(qiáng)度也相同。該暗幀通常是在采集之前采集的。

然而，如果相機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中傳感器溫度沒有得到很好的維持，溫度升高將導(dǎo)致暗電流強(qiáng)度升高。如果不定期采集暗幀，就會(huì)大大增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和持續(xù)時(shí)間，背景強(qiáng)度的增加將轉(zhuǎn)移到采集的圖像上，這意味著無(wú)法再依賴可量化的值。

圖 2：室溫目標(biāo)下每像素每秒的暗電流電荷與傳感器溫度的關(guān)系。從 y 軸的對(duì)數(shù)刻度可以明顯看出，溫度的微小變化可能會(huì)導(dǎo)致背景暗計(jì)數(shù)的巨大變化。

暗電流的另一個(gè)方面是噪聲。暗電流電子不會(huì)隨著時(shí)間的推移均勻且有節(jié)奏地積累——盡管我們可以描述每單位時(shí)間的平均暗電流響應(yīng)，但電子進(jìn)入像素的實(shí)際事件是隨機(jī)的。這種統(tǒng)計(jì)行為稱為泊松分布。從一次測(cè)量到下一次測(cè)量的暗電流變化，即噪聲，將由捕獲的暗電流電子數(shù)量的平方根給出。

如果與預(yù)期目標(biāo)溫度相比溫度升高，暗電流噪聲也會(huì)增加。這樣就無(wú)法保持規(guī)格表中預(yù)期的相機(jī)性能。

憑借工程專業(yè)知識(shí)、研究和數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，NIRvana 系列紅外熱像儀的熱管理是首屈一指的。因此，NIRvana 系列在低暗電流值和維持冷卻的穩(wěn)定性方面均處于行業(yè)領(lǐng)先地位。這對(duì)于任何形式的定量成像都至關(guān)重要。

并非所有真空室都是一樣的

當(dāng)空氣遇到寒冷的表面時(shí)，就會(huì)形成凝結(jié)。相機(jī)傳感器經(jīng)常被熱電冷卻至零度以下的溫度。那么如何防止傳感器表面等敏感部件上形成冷凝呢?

冷卻的相機(jī)傳感器在專用室內(nèi)與周圍大氣隔離，以提供與周圍大氣的隔熱和防冷凝保護(hù)。這種隔離的方法因相機(jī)制造商而異。

一種常見的方法是所謂的“回填”，即在傳感器周圍形成氣密室，并填充惰性氣體(例如氬氣)。盡管具有成本效益，但這種方法對(duì)于深冷相機(jī)來(lái)說并不理想，因?yàn)閺膫鞲衅鞯角皇冶跁?huì)有一些對(duì)流熱傳遞，這意味著從傳感器去除熱量的效率較低。此外，所使用的密封件不可能是完美的，多年來(lái)，冷凝最終會(huì)進(jìn)入。

另一種方法是在傳感器室中產(chǎn)生真空。這大大減少了腔室內(nèi)的對(duì)流熱傳遞，從而可以更好地對(duì)傳感器進(jìn)行熱管理。然而，有不同的方法來(lái)保持真空，其可靠性和防冷凝壽命也有很大不同。許多制造商使用的一種方法是使用一個(gè)腔室，其中傳感器窗口(覆蓋光進(jìn)入腔室前部的玻璃)用專用環(huán)氧樹脂固定到腔室的其余部分。

雖然這是更具成本效益的真空密封方法，但所形成的密封的可靠性可能被認(rèn)為比上面討論的回填情況更差，并且密封壽命變化更大。此外，環(huán)氧樹脂密封件不是氣密的，這意味著大量的空氣和濕氣會(huì)慢慢滲透到密封件中。這意味著此類真空室需要維護(hù)并且使用壽命大大縮短。

解決這些問題的方法是使用全金屬密封真空室。NIRvana 系列 中的所有相機(jī)均采用 Teledyne Princeton Instruments 完善的這項(xiàng)技術(shù)。盡管這需要更多的工程設(shè)計(jì)，但其結(jié)果是永久密封，不會(huì)受到空氣或冷凝進(jìn)入的影響，提供真正的免維護(hù)操作、最長(zhǎng)的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)比較好的熱性能。

使用 NIRvana 640 和 NIRvana HS 進(jìn)行深度熱電冷卻

熱電冷卻是使用連接到相機(jī)傳感器背面的珀耳帖板來(lái)主動(dòng)消除熱量并控制溫度。雖然這是相機(jī)冷卻中常用的技術(shù)，但熱量從傳感器移除后的變化對(duì)于 InGaAs 冷卻至關(guān)重要。 NIRvana 640和NIRvana HS相機(jī)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，通過其設(shè)計(jì)的各個(gè)方面使熱量遠(yuǎn)離傳感器。從相機(jī)的尺寸和幾何形狀，到相機(jī)電子板的位置，一切都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生先進(jìn)的熱性能。

這種熱管理不僅僅是為了減少暗電流。這也很重要，因?yàn)闊嵯鄼C(jī)組件會(huì)產(chǎn)生短波紅外光子。NIRvana 相機(jī)系列均包含“冷屏蔽”，可阻止來(lái)自相機(jī)電子設(shè)備和周圍環(huán)境的熱量到達(dá)傳感器并被檢測(cè)為額外的噪聲背景信號(hào)。像這樣的功能對(duì)于弱光科學(xué)成像絕對(duì)是關(guān)鍵。

與 NIRvana LN 一起走得更低

NIRvana 640在低暗電流方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，但一些前列應(yīng)用要求我們走得更遠(yuǎn)。 NIRvana LN使用液氮冷卻其傳感器，為科學(xué) InGaAs 提供世界上低的暗電流值。因此，對(duì)弱光信號(hào)的靈敏度無(wú)與倫比，并且可以達(dá)到一個(gè)多小時(shí)的曝光時(shí)間。

暗電流噪聲常常是低光科學(xué)成像中最重要的障礙。然而，正如本文檔所探討的，科學(xué)品質(zhì)的短波紅外相機(jī)不僅僅是低溫?cái)?shù)字。該溫度的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，對(duì)來(lái)自相機(jī)外殼和周圍環(huán)境的熱光子的管理也至關(guān)重要。

Teledyne Princeton Instruments 憑借 40 年世界先進(jìn)冷卻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，NIRvana 系列相機(jī)可提供世界上最低且最穩(wěn)定的暗電流性能。通過這種方式，科學(xué)家能夠以比以往更高的信噪比對(duì)低光樣本進(jìn)行成像。

審核編輯 黃宇