2142
上一期我們講到科學(xué)相機的成像原理及其散熱的重要性，這一期，我們探討另外一個問
題：相機制冷是不是溫度越低就越好？
目前市面上常見的 CCD 和 SCMOS 科學(xué)相機多為制冷相機，具體的制冷溫度在各個生產(chǎn)
廠家和相機型號之間各有不同。大家或許要問，為什么制冷溫度會設(shè)計得不一樣？制冷對圖
像信噪比有很大影響么？本期真我們就來給大家詳細說說這個問題。
首先，我們還是要從對成像質(zhì)量影響最大的 SNR 信噪比公式入手：
在上一期中我們提到暗電流是受溫度影響的，溫度每下降 7℃，暗電流可降低 50%。那
么一定會有人覺得，溫度越低暗電流越小，如果其他條件相同，那肯定信噪比也越好??！真
的是這樣么？
讓我們用事實說話，做一個小實驗來檢測制冷溫度對信噪比的影響吧！
假設(shè)兩種科學(xué)相機使用同樣的背照式芯片，因為它們的量子效率和像元尺寸是相同的，
所以收集到的信號相同，散粒噪聲也相同。讀出噪聲均為 1.6e-。不同的是，Teledyne
Photometrics Prime 95B 制冷溫度=?-25℃,?暗電流=0.3e-/p/s，而另外一款相機的制冷溫
度=-45℃，暗電流=0.2e-/p/s。
接下來讓我們分別比較信號為 100 個電子（即：中等光照條件）和 10 個電子（即：弱
光條件）的情況：
一、當光信號強度=100?個電子時，在 10，30，100，200，500 和 1000ms 的曝光時
間下，根據(jù)信噪比公式，代入具體數(shù)值，我們可以算出：
* 上述計算結(jié)果表明，兩者的信噪比在長達 1000ms 的曝光時間內(nèi)完全沒有差別！
二、那么，我們再來看看在噪聲影響相對較大的弱光條件下，情況又如何呢？
當光信號強度=10?個電子時，不同曝光時間下的信噪比分別為：
*上述計算結(jié)果表明，Prime 95B 和另一臺相機的信噪比?仍然幾乎相同！?即使是在
長達 1s（1000ms）的曝光時間下，兩者暗電流的差別也只有 0.1e-，信噪比差別
僅為 0.01。
從上面的比較可以看出，在不同的光照條件（信號強度）下，相機在-25℃和-45℃的
信噪比基本上是一樣的！盡管兩種相機的制冷溫度相差了 20℃，但由于暗電流已經(jīng)降到了一
個非常小的數(shù)值（上述實驗中分別降低到了 0.3e-/p/s 和 0.2e-/p/s），無論是強光還是弱光
條件下，對于信噪比的貢獻都非常微弱，甚至可以忽略不計。因此，暗電流的大小才是我們
需要關(guān)心的重點，而不是制冷溫度越低越好。
總結(jié)一下：
1、 相機制冷最重要的作用就是降低暗電流，對于一些需要長時間曝光的應(yīng)用（如：化
學(xué)發(fā)光，通常需要幾十秒甚至幾分鐘的曝光時間），暗電流越低越好。
2、 一般來說，-25℃左右的制冷溫度已經(jīng)能夠滿足絕大部分應(yīng)用需求。
深度制冷除了需要更為復(fù)雜的制冷設(shè)備，還會增加成本和發(fā)生故障的可能性，合適
的才是最好的！
世界著名的科學(xué)相機制造商 Teledyne Photometrics 推薦使用 Koolance 生產(chǎn)的專業(yè)級
水冷散熱器進行散熱，適用的型號有：EX2-755、EX2-1055、EXT-440CU、EXC-900 等
（Koolance 中國經(jīng)銷商網(wǎng)址：www.koolance.com.cn ）。
Koolance Inc.公司 2000 年成立于美國，是一家獲得 ISO 9001 質(zhì)量管理體系和 ISO
14001 環(huán)境管理體系雙認證的“液冷”散熱產(chǎn)品專業(yè)制造商，專為科學(xué)相機、工業(yè)相機等專
業(yè)設(shè)備量提供散熱方案，能充分滿足各種相機的制冷要求，并且操作簡單、方便可靠，是科
研工作者的得力助手、助攻神器！
相機與水冷散熱設(shè)備連接示意圖：
下面以 Koolance EXT-440CU 配合 TELEDYNE Photomettircs Prime 95B 相機使用為
例，詳細講解一下怎么進行連接：
Koolance EXT-440CU 是一套緊湊型的液體冷卻系統(tǒng)，其冷卻功率達到 400W
(1365BTU / hr)，ΔT=25°C 液體-環(huán)境溫度差@ 4.5LPM。專門用于對相機的 CCD 芯片進行
降溫、降噪，是 CCD 探測器的重要組成部分，特別適用于：干涉儀、微弱信號 CCD 探測器
等科學(xué)相機。只需添加水管、接頭和冷卻液，然后連接到科學(xué)相機的進水口和出水口上即可。
1、Prim95B 的背面設(shè)有水冷專用接口（出水口 OUT/進水口 IN）：
2、Koolance EXT-440CU 散熱器：
3、EXT-440CU 散熱器的背面也標有進水口 Inlet 和出水口 Outlet, 連接方式如下：
(1) 把 Koolance EXT-440CU 的出水管(Coolant Outlet)連接到 Prime95B 的進水口（IN）；
(2) 把 Koolance EXT-440CU 的進水管(Coolant Inlet)連接到 Prime95B 的出水口（OUT）。
4、Koolance EXT-440CU 散熱器的詳細配置及規(guī)格：
（1）散熱風(fēng)扇：根據(jù)溫度自動調(diào)速，也可選用手動調(diào)速（共有 10 個檔位可選）。
（2）水泵：手動調(diào)速，共 10 個檔位可選，最高流量 4.5LPM（1.2GPM）。
（3）警報：可根據(jù)機器自帶的 3 個溫度傳感器設(shè)置聲音警報。
（4）繼電器：可根據(jù)溫度設(shè)定繼電器的觸發(fā)。
（5）電源輸入：12VDC（通過計算機 Molex 插頭），或 110 / 220VAC（需另加單獨的變壓器）。
（6）儲水箱容量：157 毫升（5.3 盎司）
（7）機器背面接頭的螺牙類型：G 1/4 BSPP 螺牙。
