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短波紅外相機的制冷能力 | QHY990的暗電流抑制技術

在現今科學研究和工業應用中，制冷能力和暗電流水平是評估科學級相機的至關重要的參數。導致暗電流產生的原因有很多，對于光學傳感器來說，最主要的就是溫度。溫度越高，暗電流就越大。溫度控制對于抑制暗電流來說至關重要，特別是采用銦鎵砷材料制作的索尼短波紅外系列傳感器，其暗電流遠遠大于可見光傳感器的硅材料，因此降低暗電流水平更為關鍵。
近年來，索尼推出了一系列采用銅互聯技術的小像素，高分辨率短波紅外芯片，例如130萬像素的IMX990，乃至500萬像素的IMX992。 由于圖像質量優秀，已經在多個方面得到了應用。

（Sony IMX990芯片）

QHYCCD針對上述芯片的暗電流特點，在短波紅外相機系列的研發上采用了自行研制的制冷封裝技術，大大降低了芯片的暗電流水平，使其在科學級成像，弱光探測，天文觀測，生物成像等領域能夠發揮優異的成像特性。

需要注意的是，QHYCCD采用的制冷封裝技術并不是直接利用SONY的內置半導體制冷的短波紅外芯片來實現的，而是采用了在天文相機領域所積累的制冷技術，對SONY的成像芯片進行了更深度的制冷，能夠實現更大的溫差，從而顯著地降低了暗電流噪聲，實現了科學級的成像質量。在這一點上，QHY990系列相機顯著有別于大部分采用內置半導體制冷芯片的工業短波紅外相機。采用內置半導體制冷的相機，通常溫差在低于環境溫15℃或者25℃的范圍，而QHY990的環境溫差可以達到35℃。

（QHY990科研級制冷CMOS相機）

這一制冷溫差會帶來怎樣的效果呢？環境溫度25℃下，芯片的工作溫度分別是10℃和-10℃時，我們對QHY990短波紅外相機拍攝效果進行了對比和數據分析。

我們可以根據曲線圖來看看這兩個溫度下的暗電流情況：

（QHY990暗電流隨溫度變化曲線圖）

在+10℃的時候，相機的暗電流為1477.26e-/pixel/s，而在-10℃下，暗電流為250.55e-/pixel/s。也就是說，假設曝光時間為3s，通過計算可以得到+10℃下的暗電流基底是4431.78e-，-10℃下的為751.65e-，即使只有3s的曝光，在+10℃和-10℃不同的溫度下，暗電流造成的讀出噪聲差距也很明顯。

為了更加直觀地體現出制冷對于圖像質量即暗電流表現的影響，我們拍攝了測試圖像：

（QHY990工作溫度為+10℃時曝光3s的圖像）

（QHY990工作溫度為-10℃時曝光3s的圖像）

兩張圖像拍攝于弱光條件下，Gain=0，曝光為3s。第一張圖像拍攝時制冷溫度設置為10℃，第二張圖像拍攝時制冷溫度設置為-10℃?？梢钥闯?，第一張圖像中的噪點明顯多于第二張。

在很多科研領域，如生物熒光成像和環境監測等，往往還需要捕捉和處理更加微弱的光，這對相機的成像素質要求更加嚴格。我們來看看QHY990在更暗的環境中，在+10℃和-10℃的工作溫度下拍攝圖像的對比:

（QHY990工作溫度為+10℃，曝光200ms的圖像）

（QHY990工作溫度為-10℃時，曝光200ms的圖像）

可以看出+10℃下拍攝的圖像嚴重受到暗電流影響，噪點非常多，而-10℃的圖像比較純凈。為了進一步觀察兩張圖像噪點分布的差異，我們可以看一下暗場圖像本底的直方圖分布：

（QHY990工作溫度+10℃下，曝光200ms的暗場直方圖）

（QHY990工作溫度-10℃下，曝光200ms的暗場直方圖）

從直方圖分布情況看：-10℃下的本底噪聲分布集中，體現出“本底干凈”的特點，非常有利于科學圖像分析。而+10℃下的本底噪聲較為分散，范圍比較大，已經受到暗電流噪聲的嚴重影響。
結論：經過圖像對比和數據分析驗證，控制溫度對暗電流的影響確實很大。與+10℃制冷溫度下的數據相比，-10℃下的QHY990的暗電流水平，圖像表現都要優秀很多。在更低的制冷溫度下，暗電流噪聲減少不僅可以提升圖像的信噪比，還可以增強弱光條件下的成像效果。溫差達35℃的QHY990相機在制冷能力及各項素質的表現可以滿足多個領域的專業需求。