制冷CCD相机

冷CCD概念

　　什么是冷CCD相机？ 顾名思义，就是可以冷下来的CCD。这个话题要从CCD讲起， 所谓CCD 是charge-coupled device (电荷耦合器件的缩写)，它的作用便是能将光信号转化成电荷量，并通过电荷量的不同来表示光信号的不同。

　　CCD由贝尔实验室于1969年研制发现，SONY中央研究院于同年12月在其基础上展开了大规模的研究，并成功于1980年开始商品化，正式进入量产阶段。CCD图像传感器开始正式进入人们的生活并影响到人们的方方面面。

　　由CCD的作用我们可以知道， 光信号转化成电信号，第一步就是要有足够的光信号，第二是在转化成电信号的时候要保证各个像素点的转化效率一致无噪声，这样我们就可以得到一幅完美的图像。

但是在实际拍摄的时候我们往往得不到理想强度的光信号(如荧光和化学发光拍摄)，这时候就要求对光子信号进行累积而得到足够强的光信号。作为一个光电转换装置，其材料和物理特性都是不可能是理想化的，因此传感器的内部和表面不可避免的含有杂质，由于热激发，杂质会产生电子，同样被电子阱捕获，而成为电荷量从而破坏其光电转换的效率，破坏产生的图像，我们称这种噪声为暗电流噪声。而杂质热激发产生的电子数目与时间有关，因此在对弱光拍摄，对光子信号进行累积的时候，暗电流噪声就会很明显。如何降低暗电流也就成了弱光拍摄中最重要的一环。由暗电流的产生原因我们可以知道，温度是最主要的原因，因此科学家们就将CCD进行制冷让它工作在较低的温度中，从而减少暗电流产生，提高了长时间弱光拍摄图像的信噪比。这种有制冷模块的CCD，我们就称作为冷CCD。相比于普通CCD，冷CCD有着更少的暗电流，更高的信噪比，能拍摄出理想的荧光或化学发光图案。

现在CMOS虽然已经成为图像传感器的主要类型，但是在制冷CCD这一块，主要还是CCD为主，因为CCD具有更少的电子元器件，散热相对来说会更少。

冷CCD相机一般用在科研产品上面（科研级相机），工业级的产品相对使用比较少。因为用量比较少，成本都比较高。

相机的制冷方式

目前科学相机的制冷方式基本上都是采用半导体制冷方式，也就是我们常说的“帕尔帖”原理制冷。热电制冷杜瓦瓶工作状态是，运用热电制冷器（TEC）的工作原理，它的热端由空气或水冷却（也叫风冷或水冷）。

当两种不同的导体 A 和 B 组成的电路且通有直流电时，在接头处会释放出某种热量，而另一个接头处则吸收热量，将吸收热量的那部分靠近图像传感器芯片，另一端则采用“风冷”或者“水冷”的方式将热量导出去。

热电制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)的工作原理

热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，它是热电效应且主要是珀尔贴效应在制冷技术方面的应用。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，这是法国人珀尔贴最早发现的。

如下图，把一只P型半导体组件和一只N型半导体组件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处电流方向是N → P,温度下降并且吸热,这就是冷端。而在下面一个接头处,电流方向P → N温度，温度上升并且放热，因此是热端。

把若干对半导体热电偶在电路上串联起来，而且使它们在连接传热面是并联的，这就构成了一个热电制冷堆，如下图，按图示接上直流电源后，这个热电制冷堆的上面是冷端，下面是热端。

借助热交换器等各种传热手段，使热电制冷堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电制冷堆的冷端放到工作环境中去吸收热量，这就是热电制冷的工作原理。

温度控制则一般采用水冷或风冷的方式

“风冷”就是采用风扇转动，使空气流动起来，与散热器进行热交换。这时相机采用热电制冷器（半导体制冷器，TEC）结合风冷的方法进行制冷，风冷装置由散热片和背后的风扇组成，金属散热片紧贴热端将热量导出并增大与空气的热交换面积，同时风扇工作，将外部空气吸入散热片进行热交换，并将交换后的热空气通过出风口排出。优点是成本低，安全可靠，结构简单；缺点是有振动，噪声大，散热效果也比较一般。

“水冷”就是先用液体(水、乙醚、制冷液的混合)把芯片的热量吸收，再通过水泵使液体流动起来，把热传导到散热器，从而把热量散发出去。这时相机采用热电制冷器（半导体制冷器，TEC）结合水冷的方法进行制冷，就是半导体制冷器的冷端与CCD芯片的背面通过导热铜片接触，而半导体制冷器的热端则紧贴水冷散热部分，通过外接水泵为其提供循环水散热。“水冷”散热效果比“风冷”好，而且静音。缺点是散热器的体积有点大结构复杂，价格也比较昂贵。另外，也有用“液氮”进行冷却的，制冷温度可达-120 ℃ ，但“液氮”散热器的工艺复杂，造价过于昂贵。