科学短波红外 (SWIR) 中的冷屏蔽

介绍

红外成像带来了独特的挑战。普林斯顿仪器公司的 NIRvana 系列 InGaAs 相机在900 nm 至 1700 nm的短波红外 (SWIR) 或第二近红外 (NIR-II) 区域内运行。对该范围内波长的灵敏度解锁了科学研究中的大量应用。科学应用通常要求SWIR 能够提供好的成像性能。工业 SWIR 应用和满足这些应用的相机也很常见，但对成像要求的要求要低得多。

科学和工业 SWIR 相机之间的一个关键区别是噪声降低带来的图像质量。InGaAs 技术本身就具有比硅基传感器更高的读取噪声和热、曝光相关暗电流。然而，在要求苛刻的应用中，SWIR 相机的实际性能需要考虑超出这些传统“规格表”值的因素。

红外成像的一个独特挑战是 SWIR 光子实际上无处不在。我们当然无法看到它们，因此无法轻松地追踪和消除背景光子源。但所有背景光都会产生背景噪声，在许多情况下，根据严重程度，这些背景噪声可能会超过基于相机的噪声源。事实上，由于黑体辐射，所有室温物体都在不断发射 SWIR 光子，SWIR 相机的电子电路和外壳也是如此。我们如何阻止这些光子遮挡我们的预期信号?

答案就是冷屏蔽。通过将光子到达传感器的角度限制在传感器指向的正面角度，可以比较大限度地减少来自环境的无关光子。冷屏蔽之所以如此命名，是因为它被冷却到与传感器相同的低温，因此不会在 SWIR 范围内本身发射黑体辐射。本文将探讨冷屏蔽对于低光科学 SWIR 成像的重要性，并讨论Teledyne Princeton Instruments 的NIRvana 系列相机所采用的冷屏蔽。

背景信号就是背景噪声

背景光的缺点是什么?足够精确的“背景减法”肯定可以消除背景光子的贡献吗?事实上，尽管这一步在定量成像中必不可少，但背景信号的比较大贡献在减法后仍然存在：来自这些背景光子的光子散粒噪声。

如果您不熟悉光子散粒噪声，这是光子发射和检测随机性所固有的噪声源。实际上，所有光子源都不会以精确、规则的间隔发射单个光子。相反，光子会随时间随机发射，尽管可能具有某个已知的平均速率。即使在脉冲激光脉冲内，单个光子也会随时间随机分布在某个已知的平均分布附近。这种随机性意味着，如果我们尝试测量从物体检测到的光，则每次测量都会有所不同- 即引入噪声。这种已知平均值的随机行为遵循所谓的泊松统计，与所有泊松行为一样，计数事件(光子)测量中的噪声贡献由计数数量的平方根给出。像素中的总光子散粒噪声如下：

这意味着，无论背景光来自何处，都会将其光子散粒噪声添加到我们固有的相机噪声源中。在高精度实验中，背景光的噪声比相机噪声源大几个数量级是完全有可能的。那么，最重要的背景光源是什么?我们可以对它们做些什么呢?

漏光

即使在处理可见光时，许多光学装置(尤其是在开放式实验室工作台上)也必须应对来自房间的漏光、激光反射、计算机屏幕以及组件上的 LED 发出的光线等挑战。如果您试图追踪的背景光甚至在您的眼睛中都看不见，该怎么办?追踪红外激光路径和对准组件在红外中可能是一项重大挑战，任何进入相机传感器的不需要的背景光都会增加检测感兴趣信号的难度。

有两种方法可以改善这个问题。第一种方法是进行艰苦而冗长的实验优化，以消除可能的红外光子源。第二种方法是使用相机，通过使用冷屏蔽来限制探测入射背景光子的角度范围。当相机传感器被适当地屏蔽外部辐射时，最小化背景光所需的光学设置调整范围将大大减少。

黑体辐射

在室温下，典型房间内的所有物体实际上都会因黑体辐射而发射红外光子。黑体辐射是指任何与其环境处于热力学平衡状态的物体发射光子。

光学装置中的物体、房间中的周围物体，尤其是温度高于室温的任何物体(如设备、计算机和人)，都会发射出大量光子，而相机对这些光子很敏感。下图显示了300K(27°C)时物体表面每平方厘米每单位立体角发射的光子数量，以及光子波长。如您所见，在光谱的较高波长端，这个数字接近每秒 1.5 亿个光子。

图 1：物体每单位面积、每单位立体角、每秒的热辐射光子数与波长的关系。来自室温(300K)下发射率为 1 的黑体源。

相机外壳和电子设备的辐射

冷屏蔽不仅适用于相机前方的物体。它还可以保护传感器免受相机内部光子发射的影响。冷却传感器的散热部分当然会以红外光子的形式出现。尤其是对于位于传感器前方的相机外壳部分，这些光子可以被传感器检测到。

此外，电子电路的正常运行实际上会产生红外光子。避免检测到这些光子的解决方案是引入冷屏蔽，将传感器与相机电路和外壳的其余部分隔开。因此，重要的是冷屏蔽不仅要限制入射光锥，还要包裹传感器的周围和后面。相机产生的热辐射水平也会因相机而异。NIRvana系列红外相机经过专门设计，通过领先的热管理工程，比较大限度地减少从相机电子设备到达传感器的热光子。当与冷屏蔽相结合时， NIRvana 系列的性能只有亲眼看到才会相信。

NIRvana 的冷盾

Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana系列SWIR 相机专为要求严格的科学应用而设计，因此标配冷屏蔽。冷屏蔽的形式是位于传感器前面、周围和后面的物理屏障，将入射光子限制在传感器光轴周围的特定锥体中。该屏蔽位于NIRvana 相机的密封真空室内，冷却至与传感器相同的行业领先低温。这提供了保护，可防止有害光子和有害噪音。

图 2 显示了冷屏蔽位置的代表图。

f/#: 冷屏规格

相机数据表上显示的冷屏蔽规格是f/# 数，这是镜头光学器件中常见的光圈规格。要将此值转换为更直观的光锥半角(如图 2 所示)，请使用以下公式：

其中 n 是介质的折射率，在本例中为空气。使用此公式，我们可以计算出NIRvana 系列相机的以下光锥角：

到达相机的光锥之外的任何无关背景光，或由相机前方的暖相机外壳发射的任何 SWIR 光子都无法被检测到。

总结

SWIR 光子无处不在，甚至相机本身也会发射 SWIR 光子。通过在传感器和这些光子之间提供深冷的物理屏障，NIRvana 的冷屏蔽可消除背景信号的额外噪声贡献，从而实现更高的信噪比和比较高的图像质量。

审核编辑 黄宇