許多微光成像和光譜應用依賴于基于高靈敏度硅或InGaAs的科學探測器。 這些應 用包括天文光度測量、活體小動物成像、拉曼光譜、化學/生物發光和軟x射線成像，需要深度冷卻的探測器，將熱產生的暗噪聲降至最低，以允許積分時間從幾分鐘到數小 時。

盡管多年來，許多冷卻技術（如熱電、低溫、焦耳-湯姆遜）已被用于科學相機，但熱電冷卻已被證明是最具吸引力的，因為其無需維護且運行可靠。該技術將傳感器冷卻到-100°C以上，并提供可達到的最低暗噪聲水平。

理想情況下，光子探測器的信噪比（SNR）僅受光子散粒噪聲限制。然而，在實際應用中，信噪比會因其他噪聲源而降低，其中最常見的是讀取噪聲和暗噪聲。數學上，以下形式表示。

光子散粒噪聲（σS ）可歸因于光子到達率的隨機性，等于檢測到的光子數的平方根。讀出噪聲（σR）由傳感器讀出電子器件的設計和讀出速度決定。暗噪聲（σD）——暗電荷的平方根，通常被指定為每秒每像素的電子數（e-/p/s）——由熱激發在傳感器像素中產生。在典型的硅基CCD中，在正常工作范圍內，每冷卻5到7度，暗電荷就會減少一半。對于深冷CCD相機，在-70°C（或更低）的傳感器溫度下，0.001 e-/p/s的典型暗電荷規格并不少見。

TEC的基本原理

熱電制冷器（TEC）是一種固態設備，當應用電能時，它將熱量從一端傳遞到另一端。這種效應也稱為珀爾帖效應；因此，TEC被稱為珀爾帖設備。雖然個別TEC設計中使用的實際材料和結構是特殊的，但典型的材料包括碲化鉍、硅鍺和各種鉍銻合金。盡管珀爾帖設備可以根據電能的方向進行加熱或冷卻，但它們最常見的用途是冷卻（見圖1）。通常情況下，珀爾帖設備根據其可傳遞的熱量進行評級。

Figure 1. Rendering of a Peltier device

雖然使用珀爾帖設備實現適度冷卻是一個相對簡單的方法，但實現最深的冷卻和最大的可靠性相矛盾的。通常，相機制造商提到使用多級（即三級、四級或五級珀耳帖設備）只是為了表示不同程度的深度冷卻。整個熱設計，包括珀爾帖幾何結構、傳感器熱負荷、輸入電壓電流（功率）參數、熱交換器和真空室設計，都必須進行優化，以確保傳感器的可靠深度冷卻。最新的深度冷卻相機利用先進的計算流體動力學（CFD）分析工具來優化熱設計的各個方面。

使用TEC設備實現最深的冷卻需要

?傳感器周圍的超高真空（UHV）環境

?非放氣材料；沒有環氧樹脂

?永久性全金屬密封件

?高效熱交換器，實現高散熱

?實現高可靠性和溫度穩定性的智能控制

超高真空：TEC的額定值是指其熱側和冷側之間可達到的最大溫度增量，通常為“零”負載。然而，TEC不僅需要去除自身運行產生的熱量，還需要去除傳感器運行產生的多余熱量。為了將熱負荷降至最低，傳感器需要封裝在真空度高達10-10托的超高真空（UHV）室內。雖然許多超高壓室設計可用于真空室構造，但只有真正可靠的超高壓室設計依靠多年的制造專業知識和材料專有技術保證其使用壽命。參見圖2。

Figure 2. All-metal vacuum seals

高性能真空設計必須具備以下屬性：

?全金屬密封真空室

?永久性密封，無需維護

?不使用環氧樹脂密封窗戶和真空室：環氧樹脂會排氣并降解，隨著時間的推移，固有地損害真空。

?10-10托范圍內的超高真空水平，以將熱損失降至最低

?先進的“吸氣劑”材料，可在多年運行中保持真空水平

?可靠、經驗證的制造工藝

高效熱交換器：珀爾帖設備提供了一種將熱量從冷側（傳感器）傳遞到熱側（環境）的簡單方法，但效率非常低。它們傳遞的熱量越多，效率就越低。換句話說，有一個最佳范圍，在該范圍內TEC的運行效率最高。

因此，重要的是相機要有熱交換器，通常稱為散熱器，以盡可能有效地去除熱側的熱量。ArcTec technology采用了一種組合式空氣/液體熱交換器，可最大化表面積而且散熱效率很高。通過使用超大風扇、室溫液體循環器、冷卻器或它們的組合，將傳遞到散熱器的熱量耗散（到周圍環境中）。

智能控制： 最新的熱設計還包括智能反饋控制，通過控制珀爾帖設備的電參數，將傳感器溫度保持在設定點的±0.01°C范圍內。 此外，這種先進的設計要么控制風扇的速度（以盡量減少振動），要么允許風扇完全關閉，利用液體循環。

普林斯頓儀器TEC相機

2016年推出的普林斯頓儀器公司SOPHIA攝像頭采用了ArcTec先進的熱電冷卻技術。 ArcTec是InGaAs焦平面陣列（FPA）相機NIRvana系列的先驅，基于普林斯頓儀器公司經驗證的全金屬密封真空設計，ArcTec使用最新的計算流體力學（CFD）分析工具，為當今市場上任何基于TEC的相機提供最高水平的冷卻和可靠性。

審核編輯黃宇