作者： 时间：2021-11-02
当科研工作者选购高光谱科研相机时，总是对比一些功能指标，比如光谱分辨率、波长精度、像素、光谱范围等等，但我们忽略了一件事：我们选择科研相机的目的是尽可能获得更好的成像效果，这就需要更低的噪声、更小的暗电流，尤其是在短波红外(SWIR)区域。
有没有一种相机，在满足更小暗电流的同时，可以做到性价比更高呢？我们将在下文给出的答案。
目前有多种冷却技术可用，每种技术都有其优点和缺点。
一、TE冷却器（珀尔帖冷却器）
TE冷却器根据珀耳帖效应制成，当我们在半导体上施加特定的电场电流，电子发生定向运动，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。原理图如下：
热电(TE)平台是由两个不同面组成的固态设备，放置具有不同电子密度、n型和p型的半导体，利用珀耳帖效应在两个面之间产生温差。冷面吸收热量，热量被带到散热器所在的另一侧。TE级通常并排连接并夹在两个绝缘体中。水冷或空气冷却通常用于散发此过程中积累的热量。
在其新的ZephIR短波红外相机系列中，Photon等公司使用四级热电(TE4)空气冷却系统来提高其成像传感器的灵敏度。ZephIR1.7是一款InGaAs相机，在800nm至1700nm范围内敏感。ZepIR2.5和2.9是HgCdTe相机，分别在0.85~2.5µm和0.85~2.9µm范围内敏感。借助集成的TE4空气冷却系统，这些相机的工作温度可达到-80°C，暗电流为300e-/p/ss(ZephIR1.7)、30Mep/s(ZephIR2.5)和340Me-/p/s(ZephIR2.9)。
TE冷却器可以达到的温度与所使用的级数有关。因此，为了更有效的冷却，可以堆叠多个热电级。Photon等的SWIR传感器就是这种情况，其中四个热电级串联在一起以降低温度。通过四个阶段，可以达到120°C的ΔT*。这导致检测器的工作温度为-80°C(193K)，并具有适当的散热能力，环境温度为25°C。
与风冷和水冷相比，半导体致冷片具有以下优势：（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；（4）没有工作噪音。
二、斯特林冷却器
斯特林制冷器被称为ST制冷器，基于斯特林循环（定容回热循环）原理，设备在封闭的斯特林循环中运行，气体（通常是氦气）被电力推动进行反复机械式压缩和膨胀：膨胀过程中膨胀的气体会吸收周围的热量，从而使其变冷；当气体被压缩时，热量会从气体释放到大气中。原理图如下：
如上图，斯特林冷却器为了获得气体压力和温度的变化，需要两个活塞：一个置换器，使气体与冷热交替接触储液器和一个工作活塞，它通过气体的膨胀和压缩而移动。还需要一个再生器，作为内部热交换器。
斯特林制冷的优点是结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等。根据现有技术水平，两空间制冷机温度可达80K、三空间机制冷温度可达10.5-20K、四空间制冷机温度可达7.8K、冷头最底温度达到6K到3.1K的斯特林制冷器也已研制成功。基于斯特林冷却原理的斯特林冷却探测器可以达到-210°C(63K)。不过这种制冷器最大的缺点是噪声较大和寿命不长。
三、液氮冷却
探测器也可以用液氮冷却至-196°C(77K)。在液氮冷却系统中，检测器放置在装有杜瓦瓶的低温恒温器中，杜瓦瓶用于储存液氮。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回到大气中，没有任何污染物。
液氮与在长波长红外(LWIR-8-15µm)范围内工作的MCT传感器一起使用，以减少热噪声。它还用于需要高冷却能力和稳定性的应用。液氮冷却传感器还具有长寿命和相对较低的初始成本。主要缺点是需要定期供应液氮、自主性有限以及稳定温度所需的时间。
三种冷却方式对比表格如下：
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TE冷却器（珀尔帖冷却器） |
斯特林冷却器 |
液氮冷却 |
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优点 |
可以把温度降至室温以下； 精确温控，灵活性大； 低暗电流； 长寿命、高可靠性、易维护； 不用制冷剂，故无泄漏，无污染，清洁卫生； 对于重力的影响不敏感，故在任何高度、任何方位都可正常工作； |
工作温度范围宽 效率高； 启动快； 结构紧凑； 操作简便； |
高冷却能力和稳定性； 热噪声低 相对较低的初始成本； 长寿命； 应用后直接挥发成气体返回到大气中，没有任何污染物； |
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缺点 |
效率低，应用于探测器制冷时，效率的重要性<<性能的重要性； |
会引起震动； 使用寿命有限； 初始成本高，后续需要增加返工成本 |
需要定期供应液氮； 自主性有限； 稳定温度所需的时间 |
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主要特征 |
适用于长寿命和易于维护的行业，在科研高级成像领域具备无振动和用户友好； |
提供了非常低的温度，并为需要长采集时间、低暗电流或低功耗的应用提供了良好的解决方案 |
液氮与在长波长红外范围内工作的MCT传感器一起使用，以减少热噪声；还用于需要高冷却能力和稳定性的应用 |
加拿大Photon etc研制的科研级TEC冷却近红外相机为什么不选用斯特林冷却器呢？因为对于相机这个系统而言，TE载物台没有移动部件，这对于相机的整体耐用性和维护需求来说是一个显着的优势。没有移动部件也意味着没有振动，非常适合高倍率SWIR显微镜。运用这种深冷相机的制冷技术，Photon etc的红外相机也叫作低暗电流相机、低噪声相机、深冷红外相机、高光谱科研相机等等。
1） 由于其长寿命和可靠性，TE冷却相机非常适合工业过程控制或任何其他需要长周期操作的应用。紧凑
2） 小尺寸非常适合制造可轻松安装在学术实验室或工业环境中的紧凑型传感器
3） 方便使用的空气冷却系统不需要在相机中持续流动冷水。这极大地方便了它在各种环境中的集成。
4） 最重要的低暗电流参数。ZephIR1.7低噪声相机的优点是暗电流通常为300e-/pix/sec。
下图展示了Photon配备TE4空气冷却系统的ZephIR1.7InGaAs相机与市场上可用的其他传感器之间的比较。该图显示了不同SWIR传感器的每个像素的暗电流作为其各自冷却温度的函数。还标明了价格的数量级以及散热方式（水冷或风冷）。与其竞争对手相比，ZephIR1.7除了由于其空气冷却系统而更易于安装和操作之外，还提供了最佳的性价比。
合适的冷却方法很大程度上取决于应用。TE4空气冷却系统非常适合工业应用以及要求苛刻的科学成像，比其他可用的冷却技术更可靠、更简单且更便宜。TE4冷却ZephIRInGaAs和HgCdTe是先进的科学研究和各种工业应用的理想相机，非常适合高光谱显微镜、快速宽带成像、线扫描系统、工业分类和质量控制。
