制冷相機原理和用途

制冷相機原理和用途

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

首先，相機的制冷主要是針對芯片的制冷，為了讓芯片工作時達到0℃以下，一般會在芯片電路板的背面加上一個有半導體材料制成的制冷片（由一個N型半導體和P型半導體聯(lián)結而成的熱電偶）。利用Peltier效應，當制冷片上加載直流電時，靠近芯片的一端會主動降溫，將熱能傳遞到另一端來散熱。利用這個原理，可以將相機的芯片溫度降低20-40℃甚至更高（取決于制冷片的熱電偶級數和加載電流的大?。?。

1) 芯片內部會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，暗電流會累積在像素中，最后被相機讀出呈現(xiàn)在圖像上。這類噪聲來源是芯片制造工藝中的內部缺陷帶來的，由于是異常產生的電子運動，所以溫度越高粒子運動越劇烈，這類噪音發(fā)生的概率就越高，產生的實際效果就是暗電流越大。所以當相機在不制冷的狀態(tài)下長時間工作一段時間，必然會因為其能耗產生的熱效應造成芯片的暗電流上升，降低圖像的信噪比。

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

在拍攝熒光顯微鏡由于整個視場沒有被熒光激發(fā)的情況下是全黑，并且如果熒光非常微弱的情況下，那么就需要長時間的曝光來獲取暗處的圖像，因此會產生很多的所謂暗電流，也就是噪點，會很影響圖像的成像質量，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. 風冷裝置由散熱片和背后的風扇組成，金屬散熱片緊貼熱端將熱量導出并增大與空氣的熱交換面積，同時風扇工作，將外部空氣吸入散熱片進行熱交換，并將交換后的熱空氣通過出風口排出。

2. 水冷則需要借助外部的水循環(huán)機來實現(xiàn)。相機內部的熱端表面和散熱片內設計了冷卻管道，通過機身表面的兩個冷卻水進出口連接外部水循環(huán)機來實現(xiàn)以冷卻水為介質的熱交換。

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