有關(guān)相機(jī)制冷與暗電流的問(wèn)題

在大多數(shù)科研相機(jī)的材料中，經(jīng)常會(huì)標(biāo)注出兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：制冷和暗電流。

圖1. 濱松高端sCMOS相機(jī)Flash 4.0 V3彩頁(yè)上的參數(shù)

針對(duì)這兩個(gè)參數(shù)大家自然而然就會(huì)聯(lián)想到如下問(wèn)題：

1、什么是相機(jī)的暗電流（Dark Current）？其單位electrons/pixel/s如何理解？

2、暗電流是如何影響相機(jī)成像質(zhì)量的？如何在使用中進(jìn)行校正？

3、相機(jī)的制冷原理是什么？風(fēng)冷（Air cooling）和水冷（Water cooling）各有什么優(yōu)劣？

4、如何利用制冷從根本上削弱暗電流對(duì)成像質(zhì)量的影響？

那我們今天就重點(diǎn)圍繞這四個(gè)問(wèn)題，為大家奉上有關(guān)暗電流與制冷的干貨詳解。

暗電流

什么是暗電流？其單位electrons/pixel/s如何理解？

無(wú)論是CCD相機(jī)、sCMOS相機(jī)、qCMOS相機(jī)還是InGaAs相機(jī)，其基本原理是一致的：1、入射的光子在各個(gè)像素中轉(zhuǎn)化為電子；2、這些電子接著通過(guò)floating diffusion amplifier（FDA）轉(zhuǎn)化為電壓；3、電壓會(huì)被再次放大，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）變成數(shù)字信號(hào)。落到各個(gè)像素上的光子被如此轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并最終在電腦上排列顯示成圖像。

在這個(gè)過(guò)程中，像素材料本身的熱運(yùn)動(dòng)也有幾率產(chǎn)生電子，這些電子和上述第1步中光子轉(zhuǎn)化成的電子會(huì)同樣被相機(jī)讀出，而且無(wú)法區(qū)分彼此。單個(gè)像素（pixel）在單位時(shí)間（s）內(nèi)由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子（electron）就是暗電流，單位為electrons/pixel/second（有時(shí)簡(jiǎn)寫(xiě)為e/p/s）。

圖2. 相機(jī)的基本原理及暗電流的來(lái)源

2、暗電流是如何影響成像質(zhì)量的？如何在使用中進(jìn)行校正？

暗電流對(duì)于成像質(zhì)量的影響，根據(jù)相機(jī)類型以及使用參數(shù)的不同，可能會(huì)體現(xiàn)于3個(gè)方面：1、暗電流所帶來(lái)的背景；2、hot pixel；3、暗電流的散粒噪聲。

需要注意的是，所有這三種影響的根源都是暗電流隨曝光時(shí)間而在像素中的電子積累；所以，曝光時(shí)間較短，或者通過(guò)給相機(jī)制冷削弱暗電流都能夠從根本上減輕或者解決問(wèn)題。

暗電流所帶來(lái)的背景

同一相機(jī)芯片上，每個(gè)像素的暗電流并不相同——有的低，有的高，有少量還特別高（也稱為hot pixel）。當(dāng)曝光時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)候，不同像素間暗電流的差異隨時(shí)間積累而放大（如圖3），就有可能淹沒(méi)真實(shí)的光信號(hào)造成圖像質(zhì)量下降（如圖3B，E）。

圖3. 暗電流不均一性對(duì)圖像質(zhì)量所造成的影響&背景扣除對(duì)此影響的校正效果。（A-C）為示意圖，代表5個(gè)像素；灰色為暗電流積累出的"信號(hào)"，藍(lán)色示入射光信號(hào)。（D-F）為一臺(tái)InGaAs相機(jī)（濱松C12741-03）的實(shí)際圖片，D為蓋上相機(jī)蓋子（即沒(méi)有任何光信號(hào)的情況）時(shí)曝光1s的圖片，示暗電流積累的效果。E為用這臺(tái)相機(jī)接上鏡頭拍攝弱光樣品的成像效果。F是在與E相同的情況下，采用背景扣除后所得到的成像效果。

為了消除這種背景的影響，可以采用背景扣除的方法。蓋上相機(jī)的蓋子，在全黑的情況下按照需要的曝光時(shí)間拍攝一張dark image（圖3D）；然后在軟件中設(shè)置，讓其在拍攝樣品的時(shí)候，自動(dòng)減去背景輸出背景扣除后的圖片（如圖3F）。（點(diǎn)擊下圖鏈接了解詳細(xì)操作）

注意點(diǎn)1：

需要注意的是，在大多數(shù)使用環(huán)境中，圖3所示的案例其實(shí)相當(dāng)極端。主要是InGaAs紅外相機(jī)由于材料本身的原因，暗電流經(jīng)常高達(dá)105-106 electrons/pixel/second——故而暗電流的不均一性影響會(huì)非常明顯。

事實(shí)上，我們常用的可見(jiàn)光相機(jī)——無(wú)論是CCD、sCMOS還是qCMOS——都是基于硅（Si）材料的；商業(yè)化的這類高端科研相機(jī)暗電流基本都會(huì)在1.0 electrons/pixel/second甚至更低（參考圖1中Flash 4.0 V3 sCMOS相機(jī)的暗電流），所以以上效應(yīng)并不明顯（如圖4）。

圖4.硅材料芯片sCMOS相機(jī)（此例中為Flash 4.0 LT+）的暗電流很低（此例中為0.6 electrons/pixel/second），即使在長(zhǎng)時(shí)間曝光（此例中為10s）下，暗電流隨造成的背景也不高，背景扣除所能帶來(lái)的圖像質(zhì)量提升不太明顯。

注意點(diǎn)2：

背景扣除的方法對(duì)于圖像質(zhì)量的提升多多少少都是有用的，對(duì)于暗電流極高的InGaAs紅外相機(jī)尤其如此（如圖3）。但是這種方法要求拍照時(shí)所用的曝光時(shí)間和拍攝"背景"（dark image）的時(shí)間保持一致。所以實(shí)際使用中，尤其是需要頻繁調(diào)整曝光時(shí)間的情況下，并不那么方便。

hot pixel

對(duì)于硅芯片相機(jī)，尤其是sCMOS相機(jī)，雖然其暗電流并不高，但是會(huì)有少量"hot pixel"——其暗電流明顯高于絕大多數(shù)像素（如圖5A）。

事實(shí)上，幾乎所有的相機(jī)都已經(jīng)默認(rèn)加上了后續(xù)算法將這些hot pixel進(jìn)行了處理。所以在默認(rèn)設(shè)置下，用大家手上已有的相機(jī)拍出來(lái)的圖像肯定都是圖5B這個(gè)樣子。

但為了滿足部分客戶對(duì)于原始圖像的需求，濱松在Flash 4.0系列等高端sCMOS相機(jī)中專門(mén)加入了這種像素校正功能的開(kāi)關(guān)（如圖5），可以讓用戶自行選擇校正與否；而在ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest等高端相機(jī)中，還加入了包括關(guān)閉在內(nèi)的4檔校正，可以供用戶自行選擇合適的校正算法。（點(diǎn)擊下圖鏈接了解詳細(xì)操作）

圖5. 像素校正功能對(duì)于"hot pixel"的處理效果

暗電流的散粒噪聲

除了上述的背景問(wèn)題以及"hot pixel"問(wèn)題，暗電流本身還會(huì)帶來(lái)散粒噪聲。

如何理解這個(gè)"散粒噪聲"呢？比如某個(gè)像素的暗電流極高，達(dá)到了100 electrons/pixel/second，但實(shí)際的情況卻有可能是第一個(gè)一秒鐘，熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了97個(gè)電子；第二個(gè)一秒鐘產(chǎn)生了104個(gè)電子；第三個(gè)一秒鐘產(chǎn)生了101個(gè)電子；等等等等。這種不確定性就是散粒噪聲的來(lái)源。

上一節(jié)中提到通過(guò)背景扣除或者像素校正，能夠消除暗電流不均一性/"hot pixel"的影響，但是暗電流的散粒噪聲是沒(méi)法消除的（圖6）；而且暗電流越高，散粒噪聲越大——所以想辦法減小暗電流本身才是"王道"。

制冷

如何利用制冷從根本上削弱暗電流對(duì)相機(jī)成像質(zhì)量的影響？

由于暗電流來(lái)自熱運(yùn)動(dòng)，所以溫度越低，暗電流越小。為了降低暗電流，可以對(duì)相機(jī)芯片制冷。相機(jī)在工作的時(shí)候，芯片溫度一般會(huì)到60-70℃。所以即使僅是"-10℃"（制冷至室溫下10℃）或著"+10℃"（制冷至零上10℃），其實(shí)已經(jīng)可以大幅降低暗電流——大致的規(guī)律是每下降5~10℃，暗電流減小一半。

圖7. 冷卻對(duì)相機(jī)的影響。四張圖片來(lái)自于四臺(tái)相機(jī)，均采用10s的曝光時(shí)間，LUT設(shè)置成一樣。這四臺(tái)相機(jī)采用了同樣的芯片，但制冷溫度不同。從左至右依次為：(a) 沒(méi)有制冷（C11440-52U）；(b) 制冷溫度為10℃（C11440-42U）；(c) 制冷溫度為-10℃（C11440-22CU，風(fēng)冷模式）；(d) 制冷溫度為-20℃（C11440-22CU，水冷模式）

從圖7中可以看到，在sCMOS相機(jī)中，制冷溫度的具體高低影響不是那么明顯，但有沒(méi)有制冷對(duì)暗噪聲的表現(xiàn)影響很大（圖7A是沒(méi)有制冷的相機(jī)，圖7B,C,D都是有制冷的）。這是因?yàn)椋娮釉诠ぷ髦袝?huì)發(fā)熱，一旦沒(méi)有制冷，相機(jī)的芯片工作溫度遠(yuǎn)高于室溫（比如60-70℃），在長(zhǎng)時(shí)間曝光中（如圖7中的10s曝光時(shí)間），其暗電流自然就會(huì)高到不可忽視。

相機(jī)的制冷原理是什么？風(fēng)冷（Air cooling）和水冷（Water cooling）各有什么優(yōu)劣？

芯片的制冷一般通過(guò)帕爾貼（Peltier）半導(dǎo)體制冷器件實(shí)現(xiàn)。在通電的情況下，帕爾貼的冷端（靠著相機(jī)芯片）會(huì)持續(xù)吸熱并將熱量轉(zhuǎn)移到熱端，維持冷熱端的溫差。帕爾貼可以多級(jí)聯(lián)用，獲得更強(qiáng)勁的制冷效果。在一些相機(jī)資料說(shuō)明中，會(huì)提到"一級(jí)制冷"、"二級(jí)制冷"甚至到"四級(jí)制冷"，指的就是用了多少級(jí)帕爾貼。

而為了讓帕爾貼能夠持續(xù)高效工作，需要將其熱端的熱量帶走——如果用散熱片+風(fēng)扇的組合，就稱之為風(fēng)冷（air cooling，如圖8左）；如果用循環(huán)水，就稱之為水冷（water cooling，如圖8右）。

風(fēng)冷是大多數(shù)相機(jī)的默認(rèn)制冷方式，使用方便，但是可能會(huì)造成輕微的振動(dòng)。水冷的制冷效率更高，也不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但需要額外的冷卻液（如水）循環(huán)系統(tǒng)。

如圖7所示，在sCMOS相機(jī)中，只要有制冷，暗電流都不會(huì)高；所以風(fēng)冷水冷的選擇更多的是考慮風(fēng)扇所帶來(lái)的振動(dòng)。在一些對(duì)振動(dòng)極端敏感的實(shí)驗(yàn)中，可以考慮水冷。

圖8. 相機(jī)風(fēng)冷（左）與水冷（右）的結(jié)構(gòu)示意圖。密封是為了在芯片被制冷后，防止空氣中的水汽冷凝在芯片表面影響成像。

當(dāng)前的許多高端科研相機(jī)，如濱松ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest，都同時(shí)均有風(fēng)冷和水冷模式，可以讓客戶根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求隨意選擇。（點(diǎn)擊下圖鏈接了解詳細(xì)操作）

圖9. 濱松ORCA-Flash 4.0 V3外觀圖。示風(fēng)冷和水冷相關(guān)結(jié)構(gòu)的外觀。左圖中箭頭所指的橫著的多片金屬結(jié)構(gòu)就是散熱片。

審核編輯黃宇