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温度对近红外/短波红外相机成像质量的影响

导读: 为了平衡环境温度和传感器温度之间的温差,并且将传感器温度稳定在设定范围内,大多数Goldeye相机都配备了热电冷却装置。

在电磁波谱内,红外线位于可见光和微波之间。 红外线波长范围广,为750 nm至14,000 nm。 通常将其分为近红外(NIR)、 短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)。 尽管SWIR波段中的红外辐射对于人眼不可见,但它与物体相互作用的方式与可见波长类似。

大多数SWIR相机传感器都是基于InGaAs材料,通过将光子转换成电子,与硅基CCD或CMOS传感器工作方式相同 - 所以被称为量子探测器。 InGaAs传感器由铟、镓、砷化物光电二极管和硅基读出集成电路(ROIC)组成。

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图1:InGaAs传感器工作原理

InGaAs光电二极管中的带隙能量通常小于硅基像素中的带隙能量。因此,在相似温度条件下它产生的暗电流更大。

暗电流对图像质量的影响

在没有光照射的状态下,传感器中流动的电流称之为暗电流(例如产生信号)。它是由InGaAs材料中的电子的热激发效应引起的。不同传感器之间的暗电流的绝对值可能差别很大。 传感器温度越高,暗电流越大。 根据经验来看,温度每上升9°C,它的绝对值就增加一倍。

例如,在20°C和45°C传感器温度下,分别使用相同的相机拍摄相同的照片,直方图会显示非常不同的结果。 在45°C传感器温度下,最小值更高(0为黑色,255为白色),平均值也是如此。 在20°C时,没有饱和像素(最大值254),而在45°C时则有相当多的饱和像素。

温度对光谱灵敏度的影响

传感器温度对SWIR相机的光谱灵敏度也有很大影响。 当传感器温度降低40°C(从25°C到-15°C)时,会导致光谱灵敏度向低波长移动约25 nm。这对于在灵敏度曲线的低端或高端操作的应用可能至关重要。 当要求灵敏度高于1.700 nm时,传感器温度不应太低(20°C以下)。虽然暗电流(和噪声)随温度升高而增加,但是频谱高端的信号也许会更好。

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图2:不同传感器温度下的成像质量对比

传感器温度控制至关重要

温度水平影响光谱灵敏度和暗电流。暗电流则对图像质量(黑电平和噪声)有很大影响。对于图像质量要求高的应用,以及在灵敏度曲线的低端或高端操作时,温度控制至关重要。

为了准确监测和控制温度,Allied Vision所有的Goldeye短波红外相机都在如下位置安装了三个温度传感器:

InGaAs传感器外壳内部

传感器板上

主板上

此外,Allied Vision的Goldeye相机还提供高级功能,来对这些影响进行校正和最小化(比如高级背景校正)。

为了平衡环境温度和传感器温度之间的温差,并且将传感器温度稳定在设定范围内,大多数Goldeye相机都配备了热电冷却装置。 可用的冷却设备有:

TEC1:单级热电传感器冷却(例如:Goldeye G / CL-033 TEC1)

TEC2:双级热电传感器冷却(例如:Goldeye G / CL-032 Cool TEC2)

附加冷却风扇(例如:Goldeye G / CL-032 Cool TEC2)

不仅如此,Goldeye Cool型号还将传感器封装在氮气填充的冷却室中(例如:Goldeye G / CL-008 Cool TEC1)。 这样做的目的是防冷凝,使其适用于容易发生冷凝现象的环境(即高湿度、高环境温度)。

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