制冷型相机与非制冷型相机灵敏度对比（下）
2026-05-15 来源:本站 点击次数:48
温度补偿作为非制冷系统的替代方案
通过适当的相机校准和原始图像预处理的暗电流补偿，可能会有益于帧速率大约高于 2 fps（曝光时间 < 500 ms）的应用。图 2 中的红色曲线显示了非制冷型的 sCMOS 相机在连续记录图像并且图像传感器外部被进行额外加热时的图像传感器温度。在 80 分钟的实验过程中，图像传感器的温度上升，看起来将达到稳定状态，根据温度变化而稍有滞后地进行变化的未补偿的暗信号（偏移）也跟随温度上升。
这种与温度相关的行为是众所周知的并且具有特征性的，因此可以以此来校准每个相机。除了记录图像的方法之外，还可能读出光线被屏蔽时的“暗”列和行的值，并将此信息用作温度相关偏移的指标，但读出过程必须小心地完成，因为屏蔽时并不能阻止光线从下方散射。在使用集成补偿（有时称为“偏移控制”）进行相机校准的情况下，暗信号看起来像深蓝色曲线（图 2）。显然，因为暗电流的噪声正在增加，所以总噪声也随着温度的升高而增加（参见图 2，记录结束时的深蓝色曲线），不过这里暗信号的偏移得到了补偿，并且可以使用此相机进行量化测量。
图 2：连续记录图像的状态下非制冷型 sCMOS 相机的开启行为。红色曲线描绘了图像传感器的温度，亮蓝色曲线是相机未补偿的平均暗信号，深蓝色曲线代表同一相机已补偿的平均暗信号。
总读出噪声中的暗电流影响
对于下表，假设了暗电流提高两倍所需升高的温度为 7°C。该表使用了 sCMOS 图像传感器的一些示例值，例如其在 28 °C 温度下具有 30 [e-/pixels] 暗电流。温度降低 7℃ 意味着暗电流减半。能决定可实现的信噪比的总读出噪声根据图像传感器的曝光时间和温度发生变化。假设了三种不同的曝光时间：1 ms – 100 ms – 10000 ms ，以展现暗电流对总读出噪声的贡献，所有数值都是图像传感器处于不同的温度下给出的，从 28℃ 到 7℃ 到– 14℃。显然，对于 10 s 的长曝光时间和高传感器温度，附加噪声的贡献太大了，但在 100 ms 曝光时间下，暗电流相关噪声增加了0.6 [e-]是合理的，而在1ms曝光时间下，暗电流对总读出噪声无影响。如果图像传感器冷却到 – 14℃，即使 10 秒的曝光时间也可以使用，因为 0.82 [e-] 的读出噪声增加是可以接受的。
下表显示了这些性能数据，曝光时间为 100 毫秒或更短时，图像传感器可在 28℃ 下使用。对于给定的示例，如果图像传感器的曝光使用时间为 10 秒，则需要将图像传感器冷却至-14℃。
对于下表，假设了暗电流提高两倍所需升高的温度为 7°C。该表使用了 sCMOS 图像传感器的一些示例值，例如其在 28 °C 温度下具有 30 [e-/pixels] 暗电流。温度降低 7℃ 意味着暗电流减半。能决定可实现的信噪比的总读出噪声根据图像传感器的曝光时间和温度发生变化。假设了三种不同的曝光时间：1 ms – 100 ms – 10000 ms ，以展现暗电流对总读出噪声的贡献，所有数值都是图像传感器处于不同的温度下给出的，从 28℃ 到 7℃ 到– 14℃。显然，对于 10 s 的长曝光时间和高传感器温度，附加噪声的贡献太大了，但在 100 ms 曝光时间下，暗电流相关噪声增加了0.6 [e-]是合理的，而在1ms曝光时间下，暗电流对总读出噪声无影响。如果图像传感器冷却到 – 14℃，即使 10 秒的曝光时间也可以使用，因为 0.82 [e-] 的读出噪声增加是可以接受的。
下表显示了这些性能数据，曝光时间为 100 毫秒或更短时，图像传感器可在 28℃ 下使用。对于给定的示例，如果图像传感器的曝光使用时间为 10 秒，则需要将图像传感器冷却至-14℃。
制冷的缺点
温度和图像传感器行为之间存在一种有趣的关系，这可能归因于硅的纯半导体物理特性。使用均匀照明、在不同图像传感器温度和不同波长下在积分球内测量光会产生意想不到且有些令人惊讶的结果。图 3 中的结果显示了不同波长下相对量子效率的温度依赖性。当图像传感器的温度为 + 5℃ 时，这些信号都与相机的属性值有关。使用 CCD 图像传感器也获得了类似的结果。
从紫外线到绿色辐射，图像传感器的灵敏度随着制冷而略有增加，但仅增加 1-2 %。红色到 NIR 波段随着制冷会产生相反的效果，冷却得越多，图像传感器对这个光谱范围的辐射就越不敏感。例如，对于 λ = 950 nm 的波长，从 +5℃ 冷却到 -25℃ 时相对量子效率的损失为 18 %。反过来，这意味着使用深度制冷型相机（- 50℃ 图像传感器温度）来测量长波长辐射（> 700 nm）并不是最佳选择。
温度和图像传感器行为之间存在一种有趣的关系，这可能归因于硅的纯半导体物理特性。使用均匀照明、在不同图像传感器温度和不同波长下在积分球内测量光会产生意想不到且有些令人惊讶的结果。图 3 中的结果显示了不同波长下相对量子效率的温度依赖性。当图像传感器的温度为 + 5℃ 时，这些信号都与相机的属性值有关。使用 CCD 图像传感器也获得了类似的结果。
从紫外线到绿色辐射，图像传感器的灵敏度随着制冷而略有增加，但仅增加 1-2 %。红色到 NIR 波段随着制冷会产生相反的效果，冷却得越多，图像传感器对这个光谱范围的辐射就越不敏感。例如，对于 λ = 950 nm 的波长，从 +5℃ 冷却到 -25℃ 时相对量子效率的损失为 18 %。反过来，这意味着使用深度制冷型相机（- 50℃ 图像传感器温度）来测量长波长辐射（> 700 nm）并不是最佳选择。
图 3：测量在不同图像传感器温度下针对各种波长（378 nm – 451 nm –516 nm – 643 nm – 740 nm – 950 nm）拍摄的 sCMOS 图像传感器的相对量子效率。
对于长波长检测，光辐射会深入硅以产生电荷载流子（电子-空穴对）。制冷会降低电荷载流子的迁移率，现在，电荷载流子必须以更慢的速度漂移很远的距离，这增加了它重新组合或通过其他机制丢失的可能性，使它对信号没有贡献。当然，这种降低温度的影响必须与升高温度引起的暗电流噪声贡献相平衡。
那么，制冷型相机是否更敏感？
不，总体上来说不是的！如上所述，制冷在某些情况下会降低读出噪声，建议用于更长的曝光时间（几秒到几分钟），但它也可能对量子效率产生负面影响。热稳定通常是一件好事，但是，如果已经进行了适当的校准和补偿，则并不总是需要制冷。
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全球企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全球客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
【关于元奥仪器】
广州市元奥仪器有限公司成立于2007年，是一家专注于图像成像与处理技术领域的科技型企业。
公司自成立以来，致力于引进欧、美先进光电相关领域的仪器设备，并为客户提供专业综合系统集成服务，是国内经验丰富的服务商。经过多年的发展，元奥仪器已构建涉及面较广的服务网络，国内总部设立在广州，同时在北京、上海、西安、武汉、长春等地设有办事处，能够高效响应全国各地客户的需求。
元奥仪器凭借深厚的行业资源与专业能力，成为众多国际品牌产品的中国代理商，代理产品涵盖了从高速摄像机、工业相机到显微镜数字相机、专业图像分析系统等多个领域，并根据市场需求进行知识转化，投入自主研发， 为客户提供质量优异，可靠可信的产品。目前我司的这些产品普及应用于各大学院校、中国科学院所属各研究所、工业企业、机械工业等各个行业，助力客户解决复杂的视觉系统难题，提供高性能的产品和完善的解决方案。以其高分辨率的成像质量和性能，在科研领域备受赞。
展望未来，广州市元奥仪器有限公司将继续秉承其发展理念，不断提升自身实力，加强与国际品牌的合作，引进更多先进的仪器设备与自，为中国各行业的科研和生产提供更专业的产品和服务，助力行业的创新与发展。如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
对于长波长检测，光辐射会深入硅以产生电荷载流子（电子-空穴对）。制冷会降低电荷载流子的迁移率，现在，电荷载流子必须以更慢的速度漂移很远的距离，这增加了它重新组合或通过其他机制丢失的可能性，使它对信号没有贡献。当然，这种降低温度的影响必须与升高温度引起的暗电流噪声贡献相平衡。
那么，制冷型相机是否更敏感？
不，总体上来说不是的！如上所述，制冷在某些情况下会降低读出噪声，建议用于更长的曝光时间（几秒到几分钟），但它也可能对量子效率产生负面影响。热稳定通常是一件好事，但是，如果已经进行了适当的校准和补偿，则并不总是需要制冷。
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