溫度對近紅外/短波紅外相機成像質量的影響

在電磁波譜內，紅外線位于可見光和微波之間。 紅外線波長范圍廣，為750 nm至14,000 nm。 通常將其分為近紅外（NIR）、 短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）。 盡管SWIR波段中的紅外輻射對于人眼不可見，但它與物體相互作用的方式與可見波長類似。

大多數SWIR相機傳感器都是基于InGaAs材料，通過將光子轉換成電子，與硅基CCD或CMOS傳感器工作方式相同 – 所以被稱為量子探測器。 InGaAs傳感器由銦、鎵、砷化物光電二極管和硅基讀出集成電路（ROIC）組成。

圖1：InGaAs傳感器工作原理

InGaAs光電二極管中的帶隙能量通常小于硅基像素中的帶隙能量。因此，在相似溫度條件下它產生的暗電流更大。

暗電流對圖像質量的影響

在沒有光照射的狀態下，傳感器中流動的電流稱之為暗電流（例如產生信號）。它是由InGaAs材料中的電子的熱激發效應引起的。不同傳感器之間的暗電流的絕對值可能差別很大。 傳感器溫度越高，暗電流越大。 根據經驗來看，溫度每上升9°C，它的絕對值就增加一倍。

例如，在20°C和45°C傳感器溫度下，分別使用相同的相機拍攝相同的照片，直方圖會顯示非常不同的結果。 在45°C傳感器溫度下，最小值更高（0為黑色，255為白色），平均值也是如此。 在20°C時，沒有飽和像素（最大值254），而在45°C時則有相當多的飽和像素。

溫度對光譜靈敏度的影響

傳感器溫度對SWIR相機的光譜靈敏度也有很大影響。 當傳感器溫度降低40°C（從25°C到-15°C）時，會導致光譜靈敏度向低波長移動約25 nm。這對于在靈敏度曲線的低端或高端操作的應用可能至關重要。 當要求靈敏度高于1.700 nm時，傳感器溫度不應太低（20°C以下）。雖然暗電流（和噪聲）隨溫度升高而增加，但是頻譜高端的信號也許會更好。

圖2：不同傳感器溫度下的成像質量對比

傳感器溫度控制至關重要

溫度水平影響光譜靈敏度和暗電流。暗電流則對圖像質量（黑電平和噪聲）有很大影響。對于圖像質量要求高的應用，以及在靈敏度曲線的低端或高端操作時，溫度控制至關重要。

為了準確監測和控制溫度，Allied Vision所有的Goldeye短波紅外相機都在如下位置安裝了三個溫度傳感器：

◆ InGaAs傳感器外殼內部

◆ 傳感器板上

◆ 主板上

此外，Allied Vision的Goldeye相機還提供高級功能，來對這些影響進行校正和最小化（比如高級背景校正）。

為了平衡環境溫度和傳感器溫度之間的溫差，并且將傳感器溫度穩定在設定范圍內，大多數Goldeye相機都配備了熱電冷卻裝置。 可用的冷卻設備有：

◆ TEC1：單級熱電傳感器冷卻（例如：Goldeye G / CL-033 TEC1）

◆ TEC2：雙級熱電傳感器冷卻（例如：Goldeye G / CL-032 Cool TEC2）

附加冷卻風扇（例如：Goldeye G / CL-032 Cool TEC2）

不僅如此，Goldeye Cool型號還將傳感器封裝在氮氣填充的冷卻室中（例如：Goldeye G / CL-008 Cool TEC1）。 這樣做的目的是防冷凝，使其適用于容易發生冷凝現象的環境（即高濕度、高環境溫度）。

文章來源：Allied Vision 公司