理论知识
科学级相机的制冷原理及制冷方式
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时间:2021-10-19 12:27:42

       科相机的制冷原理

       上篇文章我们已经了解到,通过给科学级相机制冷,可降低暗电流对成像质量的影响。相机的制冷主要是针对芯片的制冷,为了让芯片工作时达到0℃以下,芯片的制冷一般通过半导体制成的制冷片(帕尔贴)实现。帕尔贴在芯片电路板的背面,当帕尔贴上加载直流电时,帕尔贴的冷端(靠近相机芯片)会持续吸热并将热量转移到热端,维持冷热端的温差。利用这个原理,可以将相机的芯片温度降低20-40℃甚至更高。芯片温度降低的程度取决于帕尔贴的热电偶级数和加载电流的大小。帕尔贴可以多级联用,获得更强劲的制冷效果。在一些相机资料说明中,会提到"一级制冷"、"二级制冷"甚至到"四级制冷",指的就是用了多少级帕尔贴。

 

      科相机的制冷方式

      为了让帕尔贴能够持续高效工作,需要将其热端的热量带走,可选择以下两种方式散热,如图1。

      1. 散热片+风扇,称为风冷(air cooling);

      风冷装置由散热片和背后的风扇组成,金属散热片紧贴热端将热量导出并增大与空气的热交换面积,同时风扇工作,将外部空气吸入散热片进行热交换,并将交换后的热空气通过出风口排出。

      2. 循环水,称为水冷(water cooling)。

      水冷则需要借助外部的水循环机来实现。相机内部的热端表面和散热片内设计了冷却管道,通过机身表面的两个冷却水进出口连接外部循水泵来实现以冷却水为介质的热交换。

相机制冷的两种方式

图1. 相机风冷(左)与水冷(右)的结构示意图。密封是为了在芯片被制冷后,防止空气中的水汽冷凝在芯片表面影响成像。

 

      风冷是大多数科研相机的默认制冷方式,使用方便,但可能会造成轻微的振动。水冷的制冷效率更高,也不会产生振动,但需要额外的冷却液(如水)循环系统。

      由上篇文章可知,在sCMOS相机中,只要有制冷,暗电流都不会高;所以风冷水冷的选择更多的是考虑风扇所带来的振动。在一些对振动极端敏感的实验中,可考虑水冷。

      当前的许多高端科研相机,如FLI sCMOS 相机Kepler 系列KL400 ,同时具有风冷和水冷模式,可以让客户根据具体项目要求随意选择。

FLI sCMOS 相机Kepler 系列KL400

图2.FLI sCMOS 相机Kepler 系列KL400

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