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短波红外相机的制冷能力 | QHY990的暗电流抑制技术

在现今科学研究和工业应用中,制冷能力和暗电流水平是评估科学级相机的至关重要的参数。导致暗电流产生的原因有很多,对于光学传感器来说,最主要的就是温度。温度越高,暗电流就越大。温度控制对于抑制暗电流来说至关重要,特别是采用铟镓砷材料制作的索尼短波红外系列传感器,其暗电流远远大于可见光传感器的硅材料,因此降低暗电流水平更为关键。
近年来,索尼推出了一系列采用铜互联技术的小像素,高分辨率短波红外芯片,例如130万像素的IMX990,乃至500万像素的IMX992。 由于图像质量优秀,已经在多个方面得到了应用。

(Sony IMX990芯片)

QHYCCD针对上述芯片的暗电流特点,在短波红外相机系列的研发上采用了自行研制的制冷封装技术,大大降低了芯片的暗电流水平,使其在科学级成像,弱光探测,天文观测,生物成像等领域能够发挥优异的成像特性。

需要注意的是,QHYCCD采用的制冷封装技术并不是直接利用SONY的内置半导体制冷的短波红外芯片来实现的,而是采用了在天文相机领域所积累的制冷技术,对SONY的成像芯片进行了更深度的制冷,能够实现更大的温差,从而显著地降低了暗电流噪声,实现了科学级的成像质量。在这一点上,QHY990系列相机显著有别于大部分采用内置半导体制冷芯片的工业短波红外相机。采用内置半导体制冷的相机,通常温差在低于环境温15℃或者25℃的范围,而QHY990的环境温差可以达到35℃

QHY990科研级制冷CMOS相机

这一制冷温差会带来怎样的效果呢?环境温度25℃下,芯片的工作温度分别是10℃和-10℃时,我们对QHY990短波红外相机拍摄效果进行了对比和数据分析。

我们可以根据曲线图来看看这两个温度下的暗电流情况:

QHY990暗电流随温度变化曲线图

在+10℃的时候,相机的暗电流为1477.26e-/pixel/s,而在-10℃下,暗电流为250.55e-/pixel/s。也就是说,假设曝光时间为3s,通过计算可以得到+10℃下的暗电流基底是4431.78e-,-10℃下的为751.65e-,即使只有3s的曝光,在+10℃和-10℃不同的温度下,暗电流造成的读出噪声差距也很明显。

为了更加直观地体现出制冷对于图像质量即暗电流表现的影响,我们拍摄了测试图像:

(QHY990工作温度为+10℃时曝光3s的图像)

(QHY990工作温度为-10℃时曝光3s的图像)

两张图像拍摄于弱光条件下,Gain=0,曝光为3s。第一张图像拍摄时制冷温度设置为10℃,第二张图像拍摄时制冷温度设置为-10℃。可以看出,第一张图像中的噪点明显多于第二张。

在很多科研领域,如生物荧光成像和环境监测等,往往还需要捕捉和处理更加微弱的光,这对相机的成像素质要求更加严格。我们来看看QHY990在更暗的环境中,在+10℃和-10℃的工作温度下拍摄图像的对比:

(QHY990工作温度为+10℃,曝光200ms的图像)

(QHY990工作温度为-10℃时,曝光200ms的图像)

可以看出+10℃下拍摄的图像严重受到暗电流影响,噪点非常多,而-10℃的图像比较纯净。为了进一步观察两张图像噪点分布的差异,我们可以看一下暗场图像本底的直方图分布:

(QHY990工作温度+10℃下,曝光200ms的暗场直方图)

(QHY990工作温度-10℃下,曝光200ms的暗场直方图)

从直方图分布情况看:-10℃下的本底噪声分布集中,体现出“本底干净”的特点,非常有利于科学图像分析。而+10℃下的本底噪声较为分散,范围比较大,已经受到暗电流噪声的严重影响。
结论经过图像对比和数据分析验证,控制温度对暗电流的影响确实很大。与+10℃制冷温度下的数据相比,-10℃下的QHY990的暗电流水平,图像表现都要优秀很多。在更低的制冷温度下,暗电流噪声减少不仅可以提升图像的信噪比,还可以增强弱光条件下的成像效果。温差达35℃的QHY990相机在制冷能力及各项素质的表现可以满足多个领域的专业需求。