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    【知识分享】相机的制冷与暗电流

    发表日期:2020.03.10        发布人:admin    点击量:

    在大多数科研相机的材料中,经常会标注出制冷、暗电流等信息(如图1)。
    本文将详细解释与解析这些参数以及其背后的原理:
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    图1. 滨松高端sCMOS相机Flash 4.0 V3彩页上的参数
     
    1.什么是暗电流(Dark current)?其单位electrons/pixel/s如何理解?
    无论是CCD相机、sCMOS相机还是InGaAs相机,其基本原理是一致的:
    1、入射的光子在各个像素中转化为电子;
    2、这些电子接着通过floating diffusion amplifier(FDA)转化为电压;
    3、电压会被再次放大,并通过模数转换器(ADC)变成数字信号。落到各个像素上的光子被如此转化为数字信号,并最终在电脑上排列显示成图像。
     
    在这个过程中,像素材料本身的热运动也有几率产生电子,这些电子和上述第(1)步中光子转化成的电子会同样被相机读出,而且无法区分彼此。单个像素(pixel)在单位时间(s)内由于热运动产生的电子(electron)就是暗电流,单位为electrons/pixel/second(有时简写为e/p/s)。
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    图2. 相机的基本原理及暗电流的来源
     
    2.暗电流是如何影响成像质量的?如何在使用中进行校正?
    暗电流对于成像质量的影响,根据相机类型以及使用参数的不同,可能会体现于3个方面:
    1、暗电流所带来的背景;
    2、hot pixel;
    3、暗电流的散粒噪声。
    需要注意的是,所有这三种影响的根源都是暗电流随曝光时间而在像素中的电子积累;所以,曝光时间较短,或者通过给相机制冷削弱暗电流都能够从根本上减轻或者解决问题。
    1、暗电流所带来的背景
    同一相机芯片上,每个像素的暗电流并不相同——有的低,有的高,有少量还特别高(也称为hot pixel)。当曝光时间较长的时候,不同像素间暗电流的差异随时间积累而放大(如图3),就有可能淹没真实的光信号造成图像质量下降(如图3B,E)。
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    图3. 暗电流不均一性对图像质量所造成的影响&背景扣除对此影响的校正效果
    (A-C)为示意图,代表5个像素;灰色为暗电流积累出的"信号",蓝色示入射光信号。(D-F)为一台InGaAs相机(滨松C12741-03)的实际图片,D为盖上相机盖子(即没有任何光信号的情况)时曝光1s的图片,示暗电流积累的效果。E为用这台相机接上镜头拍摄弱光样品的成像效果。F是在与E相同的情况下,采用背景扣除后所得到的成像效果。

    为了消除这种背景的影响,可以采用背景扣除的方法。盖上相机的盖子,在全黑的情况下按照需要的曝光时间拍摄一张dark image(图3D);然后在软件中设置,让其在拍摄样品的时候,自动减去背景输出背景扣除后的图片(如图3F)。

    需要注意的是,在大多数使用环境中,图3所示的案例其实相当极端。主要是InGaAs红外相机由于材料本身的原因,暗电流经常高达105-106 electrons/pixel/second——故而暗电流的不均一性影响会非常明显。

    事实上,我们常用的可见光相机——无论是CCD,CMOS还是sCMOS——都是基于硅(Si)材料的;商业化的这类高端科研相机暗电流基本都会在1.0 electrons/pixel/second甚至更低(参考图1中Flash 4.0 V3 sCMOS相机的暗电流),所以以上效应并不明显(如图4)。
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    图4.硅材料芯片sCMOS相机
    (此例中为Flash 4.0 LT+)的暗电流很低(此例中为0.6 electrons/pixel/second),即使在长时间曝光(此例中为10s)下,暗电流随造成的背景也不高,背景扣除所能带来的图像质量提升不太明显。

    背景扣除的方法对于图像质量的提升多多少少都是有用的,对于暗电流极高的InGaAs红外相机尤其如此(如图3)。但是这种方法要求拍照时所用的曝光时间和拍摄"背景"(dark image)的时间保持一致。所以实际使用中,尤其是需要频繁调整曝光时间的情况下,并不那么方便。

    2、hot pixel
    对于硅芯片相机,尤其是sCMOS相机,虽然其暗电流并不高,但是会有少量"hot pixel"——其暗电流明显高于绝大多数像素(如图5A)。
     
    事实上,几乎所有的相机都已经默认加上了后续算法将这些hot pixel进行了处理。所以在默认设置下,用你手上已有的相机拍出来肯定看到的都是图5B这个样子。
     
    但为了满足部分客户对于原始图像的需求,滨松在Flash 4.0系列等高端sCMOS相机中专门加入了这种像素校正功能的开关(如图5),可以让用户自行选择校正与否;而在ORCA-Flash 4.0 V3、ORCA-Fusion等高端sCMOS相机中,还加入了包括关闭在内的4档校正,可以供用户自行选择合适的校正算法。
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    图5. 像素校正功能对于"hot pixel"的处理效果
     
    3、暗电流的散粒噪声
    除了上述的背景问题以及"hot pixel"问题,暗电流本身还会带来散粒噪声。
     
    如何理解这个"散粒噪声"呢?比如某个像素的暗电流极高,达到了100 electrons/pixel/second,但实际的情况却有可能是第一个一秒钟,热运动产生了97个电子;第二个一秒钟产生了104个电子;第三个一秒钟产生了101个电子;等等等等。这种不确定性就是散粒噪声的来源。
     
    上一节中提到通过背景扣除或者像素校正,能够消除暗电流不均一性/"hot pixel"的影响,但是暗电流的散粒噪声是没法消除的(图6);而且暗电流越高,散粒噪声越大——所以想办法减小暗电流本身才是"王道"。
     
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    图6. 暗电流的不均一性可以通过背景扣除进行消除校正
     
    但是暗电流较大的像素,其散粒噪声也较大,这是通过背景扣除所无法消除的。
     
    3.从根本上削弱暗电流对成像质量的影响——制冷
    由于暗电流来自热运动,所以温度越低,暗电流越小。为了降低暗电流,可以对相机芯片制冷。 相机在工作的时候,芯片温度一般会到60-70℃。所以即使仅是"-10℃"(制冷至室温下10℃)或着"+10℃"(制冷至零上10℃),其实已经可以大幅降低暗电流——大致的规律是每下降5~10℃,暗电流减小一半。
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    图7. 冷却对相机的影响
    四张图片来自于四台相机,均采用10s的曝光时间,LUT设置成一样。这四台相机采用了同样的芯片,但制冷温度不同。从左至右依次为:(a) 没有制冷(C11440-52U);(b) 制冷温度为10℃(C11440-42U);(c) 制冷温度为-10℃(C11440-22CU,风冷模式);(d) 制冷温度为-20℃(C11440-22CU,水冷模式)

    从图7中可以看到,在sCMOS相机中,制冷温度的具体高低影响不是那么明显,但有没有制冷对暗噪声的表现影响很大(图7A是没有制冷的相机,图7B,C,D都是有制冷的)。这是因为,电子元件在工作中会发热,一旦没有制冷,相机的芯片工作温度远高于室温(比如60-70℃),在长时间曝光中(如图7中的10s曝光时间),其暗电流自然就会高到不可忽视。
     
    4.相机的制冷原理是什么?风冷(Air cooling)和水冷(Water cooling)各有什么优劣?
    芯片的制冷一般通过帕尔贴(Peltier)半导体制冷器件实现。在通电的情况下,帕尔贴的冷端(靠着相机芯片)会持续吸热并将热量转移到热端,维持冷热端的温差。帕尔贴可以多级联用,获得更强劲的制冷效果。在一些相机资料说明中,会提到"一级制冷"、"二级制冷"甚至到"四级制冷",指的就是用了多少级帕尔贴。
     
    而为了让帕尔贴能够持续高效工作,需要将其热端的热量带走——如果用散热片+风扇的组合,就称之为风冷(air cooling,如图8左);如果用循环水,就称之为水冷(water cooling,如图8右)。

    风冷是大多数相机的默认制冷方式,使用方便,但是可能会造成轻微的振动。水冷的制冷效率更高,也不会产生振动,但需要额外的冷却液(如水)循环系统。
     
    如图7所示,在sCMOS相机中,只要有制冷,暗电流都不会高;所以风冷水冷的选择更多的是考虑风扇所带来的振动。在一些对振动极端敏感的实验中,可以考虑水冷。
     
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    图8. 相机风冷(左)与水冷(右)的结构示意图
     
    密封是为了在芯片被制冷后,防止空气中的水汽冷凝在芯片表面影响成像。
     
    当前的许多高端科研相机,如滨松ORCA-Flash 4.0和ORCA-Fusion,都同时均有风冷和水冷模式,可以让客户根据具体实验要求随意选择。
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    图9. 滨松ORCA-Flash 4.0 V3外观图
     
    示风冷和水冷相关结构的外观。左图中箭头所指的横着的多片金属结构就是散热片。
     
    以上内容来源于滨松 郑一哲 ,微视®图像作为滨松代理商,欢迎大家来购买产品。
     
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