熱管理：NIRvana 相機如何保持涼爽

介紹

在900nm至1700nm波長的SWIR(短波紅外)波段進行紅外成像，有獨特的成像能力。從先進的體內研究到納米技術，要求嚴格的科學應用非常多樣化並且不斷增長。然而，也有一些獨特的挑戰需要克服。

對此波長範圍敏感的 InGaAs 傳感器本質上比我們可能習慣的硅基可見光成像相機噪音更大。低光成像具有挑戰性的噪聲源是暗電流的熱噪聲。此外，紅外輻射當然也是熱交換的一種形式，因此相機內部或周圍存在的熱區域也會產生不需要的紅外背景光。

這兩個挑戰的解決方案是傳感器冷卻，通過精心設計的熱管理來實現。然而，這個故事不僅僅是實現低目標傳感器溫度。隨着時間的推移所實現的溫度穩定性將對圖像質量和噪聲性能發揮重要作用。

爲了實現深度冷卻而不凝結，傳感器必須保存在真空室內。真空密封的質量是相機壽命的重要決定因素。此外，我們必須通過冷屏蔽來保護傳感器，確保從傳感器散發到周圍相機機身的熱量不會再產生相機檢測到的紅外光子。

在本文檔中，將探討科學相機性能的這些重要方面，以及 NIRvana 系列 InGaAs SWIR 相機行業領先的熱管理性能。

圖 1： NIRvana 的真空室和冷屏

保持溫度

溫度穩定性與科學成像所達到的絕對溫度一樣重要。這裡有兩個重要因素在起作用：暗電流強度和暗電流噪聲。

暗電流是在像素中累積的與曝光時間相關的熱噪聲。由於傳感器材料具有熱能，因此電子有可能從基板跳出並進入像素，就像檢測到光電子一樣。這提高了像素輸出的基線強度水平。因此，爲了測量可量化的信號，標準做法是從獲取的任何圖像中減去沒有檢測到光子的“暗框” 。該幀必須具有與實驗幀相同的曝光時間和傳感器溫度，因此暗電流強度也相同。該暗幀通常是在採集之前採集的。

然而，如果相機在實驗過程中傳感器溫度沒有得到很好的維持，溫度升高將導致暗電流強度升高。如果不定期採集暗幀，就會大大增加實驗的複雜性和持續時間，背景強度的增加將轉移到採集的圖像上，這意味着無法再依賴可量化的值。

圖 2：室溫目標下每像素每秒的暗電流電荷與傳感器溫度的關係。從 y 軸的對數刻度可以明顯看出，溫度的微小變化可能會導致背景暗計數的巨大變化。

暗電流的另一個方面是噪聲。暗電流電子不會隨着時間的推移均勻且有節奏地積累——儘管我們可以描述每單位時間的平均暗電流響應，但電子進入像素的實際事件是隨機的。這種統計行爲稱爲泊松分佈。從一次測量到下一次測量的暗電流變化，即噪聲，將由捕獲的暗電流電子數量的平方根給出。

如果與預期目標溫度相比溫度升高，暗電流噪聲也會增加。這樣就無法保持規格表中預期的相機性能。

憑藉工程專業知識、研究和數十年的經驗，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定性方面均處於行業領先地位。這對於任何形式的定量成像都至關重要。

並非所有真空室都是一樣的

當空氣遇到寒冷的表面時，就會形成凝結。相機傳感器經常被熱電冷卻至零度以下的溫度。那麼如何防止傳感器表面等敏感部件上形成冷凝呢?

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

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，並填充惰性氣體(例如氬氣)。儘管具有成本效益，但這種方法對於深冷相機來說並不理想，因爲從傳感器到腔室壁會有一些對流熱傳遞，這意味着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，冷凝最終會進入。

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

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爲比上面討論的回填情況更差，並且密封壽命變化更大。此外，環氧樹脂密封件不是氣密的，這意味着大量的空氣和溼氣會慢慢滲透到密封件中。這意味着此類真空室需要維護並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 中的所有相機均採用 Teledyne Princeton Instruments 完善的這項技術。儘管這需要更多的工程設計，但其結果是永久密封，不會受到空氣或冷凝進入的影響，提供真正的免維護操作、最長的使用壽命，並實現比較好的熱性能。

使用 NIRvana 640 和 NIRvana HS 進行深度熱電冷卻

熱電冷卻是使用連接到相機傳感器背面的珀耳帖板來主動消除熱量並控制溫度。雖然這是相機冷卻中常用的技術，但熱量從傳感器移除後的變化對於 InGaAs 冷卻至關重要。 NIRvana 640和NIRvana HS相機經過專門設計，通過其設計的各個方面使熱量遠離傳感器。從相機的尺寸和幾何形狀，到相機電子板的位置，一切都經過精心設計，以產生先進的熱性能。

這種熱管理不僅僅是爲了減少暗電流。這也很重要，因爲熱相機組件會產生短波紅外光子。NIRvana 相機系列均包含“冷屏蔽”，可阻止來自相機電子設備和周圍環境的熱量到達傳感器並被檢測爲額外的噪聲背景信號。像這樣的功能對於弱光科學成像絕對是關鍵。

與 NIRvana LN 一起走得更低

NIRvana 640在低暗電流方面已經處於領先地位，但一些前列應用要求我們走得更遠。 NIRvana LN使用液氮冷卻其傳感器，爲科學 InGaAs 提供世界上低的暗電流值。因此，對弱光信號的靈敏度無與倫比，並且可以達到一個多小時的曝光時間。

暗電流噪聲常常是低光科學成像中最重要的障礙。然而，正如本文檔所探討的，科學品質的短波紅外相機不僅僅是低溫數字。該溫度的穩定性也至關重要，對來自相機外殼和周圍環境的熱光子的管理也至關重要。

Teledyne Princeton Instruments 憑藉 40 年世界先進冷卻設計經驗，NIRvana 系列相機可提供世界上最低且最穩定的暗電流性能。通過這種方式，科學家能夠以比以往更高的信噪比對低光樣本進行成像。