科學(xué)短波紅外 (SWIR) 中的冷屏蔽

介紹

紅外成像帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。普林斯頓儀器公司的 NIRvana 系列 InGaAs 相機(jī)在900 nm 至 1700 nm的短波紅外 (SWIR) 或第二近紅外 (NIR-II) 區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。對該范圍內(nèi)波長的靈敏度解鎖了科學(xué)研究中的大量應(yīng)用。科學(xué)應(yīng)用通常要求SWIR 能夠提供好的成像性能。工業(yè) SWIR 應(yīng)用和滿足這些應(yīng)用的相機(jī)也很常見，但對成像要求的要求要低得多。

科學(xué)和工業(yè) SWIR 相機(jī)之間的一個關(guān)鍵區(qū)別是噪聲降低帶來的圖像質(zhì)量。InGaAs 技術(shù)本身就具有比硅基傳感器更高的讀取噪聲和熱、曝光相關(guān)暗電流。然而，在要求苛刻的應(yīng)用中，SWIR 相機(jī)的實(shí)際性能需要考慮超出這些傳統(tǒng)“規(guī)格表”值的因素。

紅外成像的一個獨(dú)特挑戰(zhàn)是 SWIR 光子實(shí)際上無處不在。我們當(dāng)然無法看到它們，因此無法輕松地追蹤和消除背景光子源。但所有背景光都會產(chǎn)生背景噪聲，在許多情況下，根據(jù)嚴(yán)重程度，這些背景噪聲可能會超過基于相機(jī)的噪聲源。事實(shí)上，由于黑體輻射，所有室溫物體都在不斷發(fā)射 SWIR 光子，SWIR 相機(jī)的電子電路和外殼也是如此。我們?nèi)绾巫柚惯@些光子遮擋我們的預(yù)期信號?

答案就是冷屏蔽。通過將光子到達(dá)傳感器的角度限制在傳感器指向的正面角度，可以比較大限度地減少來自環(huán)境的無關(guān)光子。冷屏蔽之所以如此命名，是因?yàn)樗焕鋮s到與傳感器相同的低溫，因此不會在 SWIR 范圍內(nèi)本身發(fā)射黑體輻射。本文將探討冷屏蔽對于低光科學(xué) SWIR 成像的重要性，并討論Teledyne Princeton Instruments 的NIRvana 系列相機(jī)所采用的冷屏蔽。

背景信號就是背景噪聲

背景光的缺點(diǎn)是什么?足夠精確的“背景減法”肯定可以消除背景光子的貢獻(xiàn)嗎?事實(shí)上，盡管這一步在定量成像中必不可少，但背景信號的比較大貢獻(xiàn)在減法后仍然存在：來自這些背景光子的光子散粒噪聲。

如果您不熟悉光子散粒噪聲，這是光子發(fā)射和檢測隨機(jī)性所固有的噪聲源。實(shí)際上，所有光子源都不會以精確、規(guī)則的間隔發(fā)射單個光子。相反，光子會隨時間隨機(jī)發(fā)射，盡管可能具有某個已知的平均速率。即使在脈沖激光脈沖內(nèi)，單個光子也會隨時間隨機(jī)分布在某個已知的平均分布附近。這種隨機(jī)性意味著，如果我們嘗試測量從物體檢測到的光，則每次測量都會有所不同- 即引入噪聲。這種已知平均值的隨機(jī)行為遵循所謂的泊松統(tǒng)計(jì)，與所有泊松行為一樣，計(jì)數(shù)事件(光子)測量中的噪聲貢獻(xiàn)由計(jì)數(shù)數(shù)量的平方根給出。像素中的總光子散粒噪聲如下：

這意味著，無論背景光來自何處，都會將其光子散粒噪聲添加到我們固有的相機(jī)噪聲源中。在高精度實(shí)驗(yàn)中，背景光的噪聲比相機(jī)噪聲源大幾個數(shù)量級是完全有可能的。那么，最重要的背景光源是什么?我們可以對它們做些什么呢?

漏光

即使在處理可見光時，許多光學(xué)裝置(尤其是在開放式實(shí)驗(yàn)室工作臺上)也必須應(yīng)對來自房間的漏光、激光反射、計(jì)算機(jī)屏幕以及組件上的 LED 發(fā)出的光線等挑戰(zhàn)。如果您試圖追蹤的背景光甚至在您的眼睛中都看不見，該怎么辦?追蹤紅外激光路徑和對準(zhǔn)組件在紅外中可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，任何進(jìn)入相機(jī)傳感器的不需要的背景光都會增加檢測感興趣信號的難度。

有兩種方法可以改善這個問題。第一種方法是進(jìn)行艱苦而冗長的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，以消除可能的紅外光子源。第二種方法是使用相機(jī)，通過使用冷屏蔽來限制探測入射背景光子的角度范圍。當(dāng)相機(jī)傳感器被適當(dāng)?shù)仄帘瓮獠枯椛鋾r，最小化背景光所需的光學(xué)設(shè)置調(diào)整范圍將大大減少。

黑體輻射

在室溫下，典型房間內(nèi)的所有物體實(shí)際上都會因黑體輻射而發(fā)射紅外光子。黑體輻射是指任何與其環(huán)境處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的物體發(fā)射光子。

光學(xué)裝置中的物體、房間中的周圍物體，尤其是溫度高于室溫的任何物體(如設(shè)備、計(jì)算機(jī)和人)，都會發(fā)射出大量光子，而相機(jī)對這些光子很敏感。下圖顯示了300K(27°C)時物體表面每平方厘米每單位立體角發(fā)射的光子數(shù)量，以及光子波長。如您所見，在光譜的較高波長端，這個數(shù)字接近每秒 1.5 億個光子。

圖 1：物體每單位面積、每單位立體角、每秒的熱輻射光子數(shù)與波長的關(guān)系。來自室溫(300K)下發(fā)射率為 1 的黑體源。

相機(jī)外殼和電子設(shè)備的輻射

冷屏蔽不僅適用于相機(jī)前方的物體。它還可以保護(hù)傳感器免受相機(jī)內(nèi)部光子發(fā)射的影響。冷卻傳感器的散熱部分當(dāng)然會以紅外光子的形式出現(xiàn)。尤其是對于位于傳感器前方的相機(jī)外殼部分，這些光子可以被傳感器檢測到。

此外，電子電路的正常運(yùn)行實(shí)際上會產(chǎn)生紅外光子。避免檢測到這些光子的解決方案是引入冷屏蔽，將傳感器與相機(jī)電路和外殼的其余部分隔開。因此，重要的是冷屏蔽不僅要限制入射光錐，還要包裹傳感器的周圍和后面。相機(jī)產(chǎn)生的熱輻射水平也會因相機(jī)而異。NIRvana系列紅外相機(jī)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，通過領(lǐng)先的熱管理工程，比較大限度地減少從相機(jī)電子設(shè)備到達(dá)傳感器的熱光子。當(dāng)與冷屏蔽相結(jié)合時， NIRvana 系列的性能只有親眼看到才會相信。

NIRvana 的冷盾

Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana系列SWIR 相機(jī)專為要求嚴(yán)格的科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此標(biāo)配冷屏蔽。冷屏蔽的形式是位于傳感器前面、周圍和后面的物理屏障，將入射光子限制在傳感器光軸周圍的特定錐體中。該屏蔽位于NIRvana 相機(jī)的密封真空室內(nèi)，冷卻至與傳感器相同的行業(yè)領(lǐng)先低溫。這提供了保護(hù)，可防止有害光子和有害噪音。

圖 2 顯示了冷屏蔽位置的代表圖。

f/#: 冷屏規(guī)格

相機(jī)數(shù)據(jù)表上顯示的冷屏蔽規(guī)格是f/# 數(shù)，這是鏡頭光學(xué)器件中常見的光圈規(guī)格。要將此值轉(zhuǎn)換為更直觀的光錐半角(如圖 2 所示)，請使用以下公式：

其中 n 是介質(zhì)的折射率，在本例中為空氣。使用此公式，我們可以計(jì)算出NIRvana 系列相機(jī)的以下光錐角：

到達(dá)相機(jī)的光錐之外的任何無關(guān)背景光，或由相機(jī)前方的暖相機(jī)外殼發(fā)射的任何 SWIR 光子都無法被檢測到。

總結(jié)

SWIR 光子無處不在，甚至相機(jī)本身也會發(fā)射 SWIR 光子。通過在傳感器和這些光子之間提供深冷的物理屏障，NIRvana 的冷屏蔽可消除背景信號的額外噪聲貢獻(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)更高的信噪比和比較高的圖像質(zhì)量。

審核編輯 黃宇