热管理：NIRvana 相机如何保持凉爽

　　介绍

　　在900nm至1700nm波长的SWIR(短波红外)波段进行红外成像，有独特的成像能力。从先进的体内研究到纳米技术，要求严格的科学应用非常多样化并且不断增长。然而，也有一些独特的挑战需要克服。

　　对此波长范围敏感的 InGaAs 传感器本质上比我们可能习惯的硅基可见光成像相机噪音更大。低光成像具有挑战性的噪声源是暗电流的热噪声。此外，红外辐射当然也是热交换的一种形式，因此相机内部或周围存在的热区域也会产生不需要的红外背景光。

　　这两个挑战的解决方案是传感器冷却，通过精心设计的热管理来实现。然而，这个故事不仅仅是实现低目标传感器温度。随着时间的推移所实现的温度稳定性将对图像质量和噪声性能发挥重要作用。

　　为了实现深度冷却而不凝结，传感器必须保存在真空室内。真空密封的质量是相机寿命的重要决定因素。此外，我们必须通过冷屏蔽来保护传感器，确保从传感器散发到周围相机机身的热量不会再产生相机检测到的红外光子。

　　在本文档中，将探讨科学相机性能的这些重要方面，以及 NIRvana 系列 InGaAs SWIR 相机行业领先的热管理性能。

　　图 1： NIRvana 的真空室和冷屏

　　保持温度

　　温度稳定性与科学成像所达到的绝对温度一样重要。这里有两个重要因素在起作用：暗电流强度和暗电流噪声。

　　暗电流是在像素中累积的与曝光时间相关的热噪声。由于传感器材料具有热能，因此电子有可能从基板跳出并进入像素，就像检测到光电子一样。这提高了像素输出的基线强度水平。因此，为了测量可量化的信号，标准做法是从获取的任何图像中减去没有检测到光子的“暗框” 。该帧必须具有与实验帧相同的曝光时间和传感器温度，因此暗电流强度也相同。该暗帧通常是在采集之前采集的。

　　然而，如果相机在实验过程中传感器温度没有得到很好的维持，温度升高将导致暗电流强度升高。如果不定期采集暗帧，就会大大增加实验的复杂性和持续时间，背景强度的增加将转移到采集的图像上，这意味着无法再依赖可量化的值。

　　图 2：室温目标下每像素每秒的暗电流电荷与传感器温度的关系。从 y 轴的对数刻度可以明显看出，温度的微小变化可能会导致背景暗计数的巨大变化。

　　暗电流的另一个方面是噪声。暗电流电子不会随着时间的推移均匀且有节奏地积累——尽管我们可以描述每单位时间的平均暗电流响应，但电子进入像素的实际事件是随机的。这种统计行为称为泊松分布。从一次测量到下一次测量的暗电流变化，即噪声，将由捕获的暗电流电子数量的平方根给出。

　　如果与预期目标温度相比温度升高，暗电流噪声也会增加。这样就无法保持规格表中预期的相机性能。

　　凭借工程专业知识、研究和数十年的经验，NIRvana 系列红外热像仪的热管理是首屈一指的。因此，NIRvana 系列在低暗电流值和维持冷却的稳定性方面均处于行业领先地位。这对于任何形式的定量成像都至关重要。

　　并非所有真空室都是一样的

　　当空气遇到寒冷的表面时，就会形成凝结。相机传感器经常被热电冷却至零度以下的温度。那么如何防止传感器表面等敏感部件上形成冷凝呢?

　　冷却的相机传感器在专用室内与周围大气隔离，以提供与周围大气的隔热和防冷凝保护。这种隔离的方法因相机制造商而异。

　　一种常见的方法是所谓的“回填”，即在传感器周围形成气密室，并填充惰性气体(例如氩气)。尽管具有成本效益，但这种方法对于深冷相机来说并不理想，因为从传感器到腔室壁会有一些对流热传递，这意味着从传感器去除热量的效率较低。此外，所使用的密封件不可能是完美的，多年来，冷凝最终会进入。

　　另一种方法是在传感器室中产生真空。这大大减少了腔室内的对流热传递，从而可以更好地对传感器进行热管理。然而，有不同的方法来保持真空，其可靠性和防冷凝寿命也有很大不同。许多制造商使用的一种方法是使用一个腔室，其中传感器窗口(覆盖光进入腔室前部的玻璃)用专用环氧树脂固定到腔室的其余部分。

　　虽然这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认为比上面讨论的回填情况更差，并且密封寿命变化更大。此外，环氧树脂密封件不是气密的，这意味着大量的空气和湿气会慢慢渗透到密封件中。这意味着此类真空室需要维护并且使用寿命大大缩短。

　　解决这些问题的方法是使用全金属密封真空室。NIRvana 系列 中的所有相机均采用 Teledyne Princeton Instruments 完善的这项技术。尽管这需要更多的工程设计，但其结果是永久密封，不会受到空气或冷凝进入的影响，提供真正的免维护操作、最长的使用寿命，并实现比较好的热性能。

　　使用 NIRvana 640 和 NIRvana HS 进行深度热电冷却

　　热电冷却是使用连接到相机传感器背面的珀耳帖板来主动消除热量并控制温度。虽然这是相机冷却中常用的技术，但热量从传感器移除后的变化对于 InGaAs 冷却至关重要。 NIRvana 640和NIRvana HS相机经过专门设计，通过其设计的各个方面使热量远离传感器。从相机的尺寸和几何形状，到相机电子板的位置，一切都经过精心设计，以产生先进的热性能。

　　这种热管理不仅仅是为了减少暗电流。这也很重要，因为热相机组件会产生短波红外光子。NIRvana 相机系列均包含“冷屏蔽”，可阻止来自相机电子设备和周围环境的热量到达传感器并被检测为额外的噪声背景信号。像这样的功能对于弱光科学成像绝对是关键。

　　与 NIRvana LN 一起走得更低

　　NIRvana 640在低暗电流方面已经处于领先地位，但一些前列应用要求我们走得更远。 NIRvana LN使用液氮冷却其传感器，为科学 InGaAs 提供世界上低的暗电流值。因此，对弱光信号的灵敏度无与伦比，并且可以达到一个多小时的曝光时间。

　　暗电流噪声常常是低光科学成像中最重要的障碍。然而，正如本文档所探讨的，科学品质的短波红外相机不仅仅是低温数字。该温度的稳定性也至关重要，对来自相机外壳和周围环境的热光子的管理也至关重要。

　　Teledyne Princeton Instruments 凭借 40 年世界先进冷却设计经验，NIRvana 系列相机可提供世界上最低且最稳定的暗电流性能。通过这种方式，科学家能够以比以往更高的信噪比对低光样本进行成像。

审核编辑 黄宇