制冷相機(jī)原理和用途

制冷相機(jī)原理和用途

在使用熒光顯微鏡進(jìn)行顯微成像時(shí)常常會(huì)用到制冷相機(jī)（冷CCD），那么制冷相機(jī)是什么原因需要制冷？以及制冷有哪些方式呢？

首先，相機(jī)的制冷主要是針對(duì)芯片的制冷，為了讓芯片工作時(shí)達(dá)到0℃以下，一般會(huì)在芯片電路板的背面加上一個(gè)有半導(dǎo)體材料制成的制冷片（由一個(gè)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)而成的熱電偶）。利用Peltier效應(yīng)，當(dāng)制冷片上加載直流電時(shí)，靠近芯片的一端會(huì)主動(dòng)降溫，將熱能傳遞到另一端來散熱。利用這個(gè)原理，可以將相機(jī)的芯片溫度降低20-40℃甚至更高（取決于制冷片的熱電偶級(jí)數(shù)和加載電流的大?。?/span>

1) 芯片內(nèi)部會(huì)存在一種隨溫度升高而升高的噪聲成分——暗電流。作為一種本底噪聲，暗電流會(huì)累積在像素中，最后被相機(jī)讀出呈現(xiàn)在圖像上。這類噪聲來源是芯片制造工藝中的內(nèi)部缺陷帶來的，由于是異常產(chǎn)生的電子運(yùn)動(dòng)，所以溫度越高粒子運(yùn)動(dòng)越劇烈，這類噪音發(fā)生的概率就越高，產(chǎn)生的實(shí)際效果就是暗電流越大。所以當(dāng)相機(jī)在不制冷的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作一段時(shí)間，必然會(huì)因?yàn)槠淠芎漠a(chǎn)生的熱效應(yīng)造成芯片的暗電流上升，降低圖像的信噪比。

2) 另外還有一個(gè)重要的因素會(huì)造成暗電流對(duì)圖像的影響——曝光時(shí)間。由于暗電流會(huì)隨時(shí)間積累在像素中，可想而知曝光時(shí)間越長(zhǎng)，電荷積累的就越多。所以對(duì)于一些極弱光需要長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝的應(yīng)用，制冷就顯得格外重要。常見的如EMCCD和深制冷的CCD都會(huì)用到多級(jí)半導(dǎo)體制冷甚至的液氮制冷，以達(dá)到-50℃以下的低溫，這樣極大程度上降低芯片的暗電流水平后，長(zhǎng)時(shí)間曝光也可以安枕無憂了。

在拍攝熒光顯微鏡由于整個(gè)視場(chǎng)沒有被熒光激發(fā)的情況下是全黑，并且如果熒光非常微弱的情況下，那么就需要長(zhǎng)時(shí)間的曝光來獲取暗處的圖像，因此會(huì)產(chǎn)生很多的所謂暗電流，也就是噪點(diǎn)，會(huì)很影響圖像的成像質(zhì)量，所以通過制冷這種方式，降低圖像的信噪比。

制冷的方式有兩種：

1. 風(fēng)冷裝置由散熱片和背后的風(fēng)扇組成，金屬散熱片緊貼熱端將熱量導(dǎo)出并增大與空氣的熱交換面積，同時(shí)風(fēng)扇工作，將外部空氣吸入散熱片進(jìn)行熱交換，并將交換后的熱空氣通過出風(fēng)口排出。

2. 水冷則需要借助外部的水循環(huán)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。相機(jī)內(nèi)部的熱端表面和散熱片內(nèi)設(shè)計(jì)了冷卻管道，通過機(jī)身表面的兩個(gè)冷卻水進(jìn)出口連接外部水循環(huán)機(jī)來實(shí)現(xiàn)以冷卻水為介質(zhì)的熱交換。

綜上所訴，制冷相機(jī)用作熒光顯微鏡作為熒光顯微鏡成像系統(tǒng)的時(shí)候能夠有效的減少長(zhǎng)時(shí)間曝光的產(chǎn)生的噪點(diǎn)，是非常適合熒光顯微鏡進(jìn)行觀察和圖像拍攝的。