理论知识
科学级相机中制冷与暗电流的干货详解
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时间:2021-10-18 16:13:14

      在大多数科学级相机的资料中,会标注出制冷、暗电流等参数信息(如图1)。今天北京萨尔笛小编将为大家奉上有关暗电流与制冷的干货详解。

 

FLI高端sCMOS制冷相机Kepler系列彩页上的参数

图1. FLI高端sCMOS制冷相机Kepler系列彩页上的参数

 

      什么是暗电流呢?

 

      无论是科研CCD相机、还是sCMOS相机,其基本原理是一致的:

      1、入射的光子在各个像素中转化为电子;

      2、这些电子接着通过floating diffusion amplifier(FDA)转化为电压;

      3、电压会被再次放大,并通过模数转换器(ADC)变成数字信号。落到各个像素上的光子被如此转化为数字信号,并最终在电脑上排列显示成图像。

 

      在这个过程中,像素材料本身的热运动也有几率产生电子,这些电子和上述第(1)步中光子转化成的电子会同样被相机读出,而且无法区分。单个像素(pixel)在单位时间(s)内由于热运动产生的电子(electron)就是暗电流,单位为electrons/pixel/second(有时简写为e/p/s)。

 

      那么,暗电流如何影响成像质量?又该如何降低这种影响呢?

 

      暗电流对于成像质量的影响,根据相机类型以及使用参数的不同,可能会体现于3个方面:1.暗电流所带来的背景;2.hot pixel;3.暗电流的散粒噪声。

      所有这三种影响的根源都是暗电流随曝光时间而在像素中的电子积累;所以,曝光时间较短,或者通过给相机制冷削弱暗电流都能够从根本上减轻或者解决问题。

 

      由于暗电流来自热运动,所以温度越低,暗电流越小。为了降低暗电流,可以对相机芯片制冷。 相机在工作的时候,芯片温度一般会到60-70℃。所以即使仅是"-10℃"(制冷至室温下10℃)或着"+10℃"(制冷至零上10℃),其实已经可以大幅降低暗电流——大致的规律是每下降5~10℃,暗电流减小一半。

 

冷却对相机的影响

图2. 冷却对相机的影响

 

      四张图片来自于四台相机,除了制冷温度不同,其他方面均相同(均采用10s的曝光时间,LUT设置相同,且四台相机采用了同样的芯片)。从左至右依次为:A.没有制冷;B.制冷温度为10℃;C.制冷温度为-10℃(风冷模式);D.制冷温度为-20℃(水冷模式)。

      从图2中可以看到,在sCMOS相机中,不同的制冷温度造成的影响并不明显,但通过A图和BCD三图比较可知,有无制冷对暗噪声的表现影响很大。这是因为,电子元件在工作中会发热,如果没有制冷,相机芯片的工作温度远高于室温(可达60-70℃),在长时间曝光下(如图2A),其暗电流自然就会高到不可忽视。

 

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