摘要

许多弱光成像或成谱应用都依赖于高灵敏度科学级的硅光或者InGaAs探测器。这样的研究领域包括天文拍摄，活体小动物成像，拉曼光谱，化学/生物发光和X射线成像。这些研究需要高度制冷的相机来最大限度的减少暗噪声，从而可以实现几分钟甚至数小时的积分时间。
虽然多年来科学相机使用了很多种不同的制冷技术（比如热电制冷，水冷，焦耳 - 汤姆逊制冷）。但是热电制冷（或者被称之为珀尔帖器件制冷）由于其免于维护操作和可靠性，应用最为广泛。当然，如果要探测强度极低的光，比如近红外光谱的话，那时候就需要使用液氮这样的低温液体循环制冷，这样的制冷方式可以达到的温度为-100℃，从而实现最低的暗计数。
这篇技术文档主要介绍普林斯顿仪器在使用硅光探测器的SOPHIA™相机以及使用InGaAs探测器NIRvana®相机上最新推出的ArcTec™技术所实现的制冷科技以及技术，这种热电制冷/珀尔帖（Peltier）器件制冷的基础。

制冷的需要

在理想情况下，光子探测器的信噪比应该仅仅受到光子散粒噪声的影响。但是在实际中，信噪比（SNR）还受到其他噪声源的影响，其中影响最大的是读出噪声和暗噪声。信噪比可以用如下的公式代表：
SNR=S/σ，其中S为探测到的光子数目，σ为噪声=√（σ_s²+σ_D²+σ_R²），其中σ_s为光子散粒噪声，σ_D为暗噪声，σ_R为读出噪声。
光子散粒噪声来源于光子到达速率的随机性，等于我们探测到的光子数的平方根值，读出噪声这是取决于传感器的读出电学器件设计以及读出速率。暗计数—暗电子的平方根值，一般可以用每秒每个像素的电子计数（e-/p/s）来表示，来自于热激发引起的传感器像素的噪声收集。在典型的硅光CCD中，在正常的操作范围内每下降5~7摄氏度，暗计数会下降一半。对于一个深度制冷的CCD相机，典型的暗计数指标为0.001 e-/p/s，制冷温度为零下70℃。

TE制冷的基础

热电制冷器件是一个固态的器件，当通电的时候可以在器件的两头产生温差。这种效应又被称之为珀尔帖效应。热电器件也因此被称之为珀尔帖器件。实际的热电致冷器件使用的设计以及结构都是独一无二的，常用的典型材料包括碲化铋，硅锗合金，以及各种铋锑合金。虽然根据电流方向的不同，珀尔帖器件可以实现加热或者制冷，但是如图一所示，他们最常见的使用还是用于制冷。典型来说，珀尔帖器件一般按照可以传输的热量来分级。

图一，珀尔帖器件的渲染图。
一般而言，用珀尔帖器件实现适度的冷却是一个相对简单的过程，但是实现深度冷却要难得多。在之前的仪器中，各家相机制造商会使用多片珀尔帖器件（比如三重、四重、五重珀尔帖器件）来简单的实现不同级别的深度制冷。虽然在完美的条件下可以通过这些设计来实现深度制冷，但是这些设计在实际使用中很难达到理想情况。工程师必须仔细优化散热设计，包括珀尔帖器件的几何形状，传感器的热负荷，输入电压 - 电流（功率）的参数，热交换器和真空室的设计，来确保达到传感器的可靠和深度冷却。当设计好的时候，带有珀尔帖器件的相机可以在不同的室内环境以及波动的室内温度下达到设计的绝对制冷温度。最新式的深度制冷相机会使用先进的计算流体动力学分析工具来优化散热设计的各个方面。
使用珀尔帖器件来达到深度制冷需要：

• 传感器周围的环境是超高真空
• 非排气材料;没有环氧树脂
• 永久，全金属，真空密封
• 高散热效率的换热器
• 智能控制，以实现高可靠性和温度稳定性

超高真空：我们一般按照珀尔帖器件在没有负载的时候热边和冷边的最大温差来给珀尔帖器件分级。但是珀尔帖器件不仅仅需要散掉它自身产生的热，还需要散掉传感器产生的热量。为了让热量负载达到最小，传感器需要确保在真空度高达10^-10torr的超高真空下。很多超高压腔的设计可以用于真空腔的建造，但是具有多年的设计经验与成熟的材料的厂家才能做出兼顾性能和效益的高真空腔。

图二，全金属真空腔。
高性能真空设计必须具有以下功能：
?全金属，密封真空室
?免维护的永久密封
?没有用环氧树脂密封的窗口和真空腔（这样的设计随着使用环氧树脂会释放气体并降低真空度）
?超高真空（10^-10torr）以最小化热损失
?高级“吸气”材料，在多年的操作中保持真空度
?可靠，成熟的制造工艺
高效的热交换：珀尔帖器件可以以非常简单的方式来实现从冷侧（传感器）到热测（周围环境）的热量转移，但是热量传递的效率很低。而且效率会随着热量的传递值的下降而下降，因此存在着一个最有效率的工作区间。对于相机而言，热量辅助交换装置，或者我们通常称之为的热沉（把热量高效的带走）是非常重要的。ArcTec技术结合了气冷与水冷技术，这样可以最大化的散热表面以及效率。传递到热沉的热量通过一个超大的风扇、室温液体循环、冷却器或者这几者的组合散热到周围环境里。
注：有些厂家会使用冷却到10℃的冷却液来最大化温差和制冷效率。但是我们不建议在缺乏温度和湿度控制的实验室或者潮湿环境里使用类似的技术手段，在低于露点使用液体会造成水蒸气的凝结，损害包围在相机的脆弱敏感的光学元件以及电子设备。见图三。

图三，不会引起水蒸气凝结的最低液体温度。
智能控制：最新的散热设计还包括智能反馈控制让传感器的温度控制在设定温度的±0.01℃。此外的设计还包括控制风扇的转速以最小化振动。

概要

最新一代的使用半导体制冷的科研级相机可以提供前所未有的制冷效果以及可靠性。这些性能是通过工程师优化散热设计的各个方面，包括珀尔帖器件的几何形状，真空腔，热交换器以及电子器件来实现的。
ArcTec™制冷技术领先之处
普林斯顿仪器（Princeton Instruments）在2016年推出的SOPHIA相机采用了先进的ArcTec热电制冷技术。这项技术是最先在InGaAs焦平面（FPA）阵列的NIRvana生产线上使用的，它基于普林斯顿仪器成熟的全金属密闭的真空设计，ArcTec采用了最先进的计算流体动力学（CFD）分析工具，可以提供比市面上所有基于热电制冷器件的科学级相机都无法比拟的最深度制冷以及可靠性。