上一期我們講到科學(xué)相機(jī)的成像原理及其散熱的重要性,這一期,我們探討另外一個問
題:相機(jī)制冷是不是溫度越低就越好?
目前市面上常見的 CCD 和 SCMOS 科學(xué)相機(jī)多為制冷相機(jī),具體的制冷溫度在各個生產(chǎn)
廠家和相機(jī)型號之間各有不同。大家或許要問,為什么制冷溫度會設(shè)計得不一樣?制冷對圖
像信噪比有很大影響么?本期真我們就來給大家詳細(xì)說說這個問題。
首先,我們還是要從對成像質(zhì)量影響最大的 SNR 信噪比公式入手:
在上一期中我們提到暗電流是受溫度影響的,溫度每下降 7℃,暗電流可降低 50%。那
么一定會有人覺得,溫度越低暗電流越小,如果其他條件相同,那肯定信噪比也越好?。≌?/p>
的是這樣么?
讓我們用事實說話,做一個小實驗來檢測制冷溫度對信噪比的影響吧!
假設(shè)兩種科學(xué)相機(jī)使用同樣的背照式芯片,因為它們的量子效率和像元尺寸是相同的,
所以收集到的信號相同,散粒噪聲也相同。讀出噪聲均為 1.6e-。不同的是,Teledyne
Photometrics Prime 95B 制冷溫度=?-25℃,?暗電流=0.3e-/p/s,而另外一款相機(jī)的制冷溫
度=-45℃,暗電流=0.2e-/p/s。
接下來讓我們分別比較信號為 100 個電子(即:中等光照條件)和 10 個電子(即:弱
光條件)的情況:
一、當(dāng)光信號強(qiáng)度=100?個電子時,在 10,30,100,200,500 和 1000ms 的曝光時
間下,根據(jù)信噪比公式,代入具體數(shù)值,我們可以算出:
* 上述計算結(jié)果表明,兩者的信噪比在長達(dá) 1000ms 的曝光時間內(nèi)完全沒有差別!
二、那么,我們再來看看在噪聲影響相對較大的弱光條件下,情況又如何呢?
當(dāng)光信號強(qiáng)度=10?個電子時,不同曝光時間下的信噪比分別為:
*上述計算結(jié)果表明,Prime 95B 和另一臺相機(jī)的信噪比?仍然幾乎相同!?即使是在
長達(dá) 1s(1000ms)的曝光時間下,兩者暗電流的差別也只有 0.1e-,信噪比差別
僅為 0.01。
從上面的比較可以看出,在不同的光照條件(信號強(qiáng)度)下,相機(jī)在-25℃和-45℃的
信噪比基本上是一樣的!盡管兩種相機(jī)的制冷溫度相差了 20℃,但由于暗電流已經(jīng)降到了一
個非常小的數(shù)值(上述實驗中分別降低到了 0.3e-/p/s 和 0.2e-/p/s),無論是強(qiáng)光還是弱光
條件下,對于信噪比的貢獻(xiàn)都非常微弱,甚至可以忽略不計。因此,暗電流的大小才是我們
需要關(guān)心的重點,而不是制冷溫度越低越好。
總結(jié)一下:
1、 相機(jī)制冷最重要的作用就是降低暗電流,對于一些需要長時間曝光的應(yīng)用(如:化
學(xué)發(fā)光,通常需要幾十秒甚至幾分鐘的曝光時間),暗電流越低越好。
2、 一般來說,-25℃左右的制冷溫度已經(jīng)能夠滿足絕大部分應(yīng)用需求。
深度制冷除了需要更為復(fù)雜的制冷設(shè)備,還會增加成本和發(fā)生故障的可能性,合適
的才是最好的!
世界著名的科學(xué)相機(jī)制造商 Teledyne Photometrics 推薦使用 Koolance 生產(chǎn)的專業(yè)級
水冷散熱器進(jìn)行散熱,適用的型號有:EX2-755、EX2-1055、EXT-440CU、EXC-900 等
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Koolance Inc.公司 2000 年成立于美國,是一家獲得 ISO 9001 質(zhì)量管理體系和 ISO
14001 環(huán)境管理體系雙認(rèn)證的“液冷”散熱產(chǎn)品專業(yè)制造商,專為科學(xué)相機(jī)、工業(yè)相機(jī)等專
業(yè)設(shè)備量提供散熱方案,能充分滿足各種相機(jī)的制冷要求,并且操作簡單、方便可靠,是科
研工作者的得力助手、助攻神器!
相機(jī)與水冷散熱設(shè)備連接示意圖:
下面以 Koolance EXT-440CU 配合 TELEDYNE Photomettircs Prime 95B 相機(jī)使用為
例,詳細(xì)講解一下怎么進(jìn)行連接:
Koolance EXT-440CU 是一套緊湊型的液體冷卻系統(tǒng),其冷卻功率達(dá)到 400W
(1365BTU / hr),ΔT=25°C 液體-環(huán)境溫度差@ 4.5LPM。專門用于對相機(jī)的 CCD 芯片進(jìn)行
降溫、降噪,是 CCD 探測器的重要組成部分,特別適用于:干涉儀、微弱信號 CCD 探測器
等科學(xué)相機(jī)。只需添加水管、接頭和冷卻液,然后連接到科學(xué)相機(jī)的進(jìn)水口和出水口上即可。
1、Prim95B 的背面設(shè)有水冷專用接口(出水口 OUT/進(jìn)水口 IN):
2、Koolance EXT-440CU 散熱器:
3、EXT-440CU 散熱器的背面也標(biāo)有進(jìn)水口 Inlet 和出水口 Outlet, 連接方式如下:
(1) 把 Koolance EXT-440CU 的出水管(Coolant Outlet)連接到 Prime95B 的進(jìn)水口(IN);
(2) 把 Koolance EXT-440CU 的進(jìn)水管(Coolant Inlet)連接到 Prime95B 的出水口(OUT)。
4、Koolance EXT-440CU 散熱器的詳細(xì)配置及規(guī)格:
(1)散熱風(fēng)扇:根據(jù)溫度自動調(diào)速,也可選用手動調(diào)速(共有 10 個檔位可選)。
(2)水泵:手動調(diào)速,共 10 個檔位可選,最高流量 4.5LPM(1.2GPM)。
(3)警報:可根據(jù)機(jī)器自帶的 3 個溫度傳感器設(shè)置聲音警報。
(4)繼電器:可根據(jù)溫度設(shè)定繼電器的觸發(fā)。
(5)電源輸入:12VDC(通過計算機(jī) Molex 插頭),或 110 / 220VAC(需另加單獨的變壓器)。
(6)儲水箱容量:157 毫升(5.3 盎司)
(7)機(jī)器背面接頭的螺牙類型:G 1/4 BSPP 螺牙。