近红外和SWIR优化探测器的LN2或TE冷却，哪个更好?

图1:BRDD传感器在25°C和-90°C之间QE的相对变化。

在寻找最佳性能时，一个广泛的假设CCD探测器就是“越凉越好”。所有CCD探测器的固有噪声源都与热产生的“暗电流”有关。冷却显然是减少这种特殊噪声源的方法。

但是，记住这一点也很重要量子效率它依赖于温度，在这种情况下，随着冷却，量化宽松实际上会变得更糟。这是一些探测器在某些光谱区域操作时非常重要的考虑因素，在这些区域中，将深度冷却扩展到更低的温度可能导致系统的非优化操作;也就是说，存在某种温度，超过这个温度，进一步冷却就会成为不利因素。其中一个例子是用于750 nm至1000 nm近红外区域的背光深损耗(BRDD)传感器。

图1描述了QE随着冷却而下降的敏感性BRDD传感器．可以看到，在950 nm的波长处，QE相对下降了~40%。这显然引发了一个问题，即在冷却以最小化暗噪音与希望尽可能大的量化宽松之间进行权衡。为了评估给定一组实验条件下是否存在最佳温度区域以及该温度可能是多少，评估传感器在不同温度下可能的信噪比是有用的。的信噪比的比率是灵敏度讨论中的关键参数。

如果我们考虑系统或相机噪声如下式所总结，并在图1中对典型BRDD传感器进行了说明，那么我们希望工作在噪声底(曲线底部的平台)。但是，如果我们在曝光<1秒的情况下工作，作为一个说明性的例子，我们可以在-50ºC和-100ºC之间的温度范围内工作，并且仍然在检测极限下工作。

然而，当考虑QE时，将发现在接近该范围的上限(即-50ºC左右)的温度下工作时，这些曝光可能具有更好的信噪比

图2:低光光子通量为10 ph/pix/s (950 nm)入射到BRDD传感器像素上时，信噪比随曝光时间的变化。读数噪声对应于33 kHz的最慢速率，读数噪声为4.6 e-。

图2显示了在波长950 nm左右的低能级光子通量为10光子/像素/秒时落在BRDD传感器上的信噪比。通常，随着传感器冷却，信噪比提高，但有趣的是，在较低的温度下，信噪比在-75ºC比在-90ºC更好。这表明QE下降的影响，并与-70ºC至-90ºC区域的一个过渡点一致，在该区域进一步冷却对总体灵敏度不利。

这种特殊的传感器以33 kHz的最慢速率读取时，显示出了信噪比特性，但如果以100 kHz的更高读取速度操作，且读取噪声为~16 e-，则同样的趋势适用于该特性。同样重要的是要注意，即使暴露时间较长，也会保持相同的趋势，在任何时候，深冷的信噪比都不会超过-75ºC。此外，当处理更强的光子通量时，与-100ºC相比，-75ºC的信噪比特性更有利。图2中的插图更详细地显示了短曝光时间下的信噪比曲线。

从这个工作在近红外区域的例子中，必须仔细考虑冷却程度，以确保在信噪比方面的最佳性能。在硅基BRDD传感器的情况下，与-70ºC至-90ºC区域的深度冷却相比，液氮提供的超深度冷却可能是一个明显的劣势。热电(TE)冷却不仅以良好的控制方式满足这些要求，而且还避免了使用液氮系统的不便、成本和安全影响。

深度冷却InGaAs传感器-重要的含义

正如超深冷不能保证传统硅基CCD传感器的最佳性能一样，超深冷也有类似的影响InGaAs传感器．由于InGaAs传感器比硅传感器的热噪声更大，TE和LN2冷却系统提供的深度冷却更加重要。然而，在决定InGaAs系统的最佳性能需求时，有两个关键因素经常被忽视。这些都是:

1)背景环境黑体辐射的影响

2)带隙边缘随冷却发生位移

图3:InGaAs iDus相机的暗信号特征，其中暗信号取决于传感器温度和环境黑体辐射。传感器的暗信号在不同的环境温度下绘制，即周围相机外壳前端的温度。平坦的高原区域对应背景黑体辐射有限探测。

图3显示了iDus InGaAs (DU490A-1.7)阵列冷却时的暗信号特征。这些曲线显示了随着传感器变冷，暗信号的预期下降，但它们趋于平坦，进入一个平台区域，超过该区域，传感器的进一步冷却对暗信号的改善很少或没有改善。TE Peltier冷却器用于冷却传感器，以减少热产生的暗信号，液体冷却剂流经铜块，用于从Peltier循环的暖端去除热量。因此，对于这些测试测量，冷却剂决定了环境温度，即传感器周围相机外壳(包括窗口)的温度。不同冷却温度下的特征曲线表明，暗电荷受到周围黑体辐射的限制。实际上，可以从周围直接通过窗户进入的黑体辐射也会增加到整个背景辐射中。

有一个限制，相机机身和窗口可以冷却。它必须保持在露点以上，否则水分会凝结在窗户和相机电子设备上。露点通常在10ºC到15ºC之间(取决于气候/实验室条件)，从10ºC冷却剂的特性可以看出，传感器需要冷却到略低于-70ºC才能进入高原区域;这完全在TE冷却的能力范围内。为了确保这些InGaAs相机的最佳性能，强烈建议使用液体冷却剂，使其能够在露点以上运行

图4:InGaAs传感器的相对QE随冷却的变化。固体曲线为室温(25℃)下的实验测量数据。断裂曲线是基于实验测量和理论模拟的数据，表明随着温度的下降，带边向~0.75 nm/K的高能量转移，峰值QE下降0.1% /K。

其次，在测量接近上截止波长的信号时必须小心。至于硅，冷却会导致带隙边缘能量的转移;这导致了截止波长的变化。在InGaAs中，冷却的增加导致这种截止向较短波长的显著转变。图4显示了iDus DU490A-1.7相机中使用的InGaAs传感器在几种温度下的相对QE曲线。这种效应导致了~0.6 nm/K的位移依赖性，当冷却到-100ºC时，导致~70 nm的波长向更短的波长移动。如果工作在1.6 μ m左右的波长区域，这种效应是极其重要的。

与工作在近红外区域的BRDD传感器一样，当确保InGaAs系统在信噪比方面的最佳性能时，必须仔细考虑深度冷却的程度和控制它的能力。如果使用短到中等曝光时间，那么只要系统在背景暗信号“环境-黑体辐射”有限的情况下运行，TE冷却就足够了。后者是由液体冷却剂确保的，这样相机的操作正好高于露点。如果工作在传感器波长灵敏度的上端，例如约1.6 μ m，温度的准确可控性将是优化灵敏度的明显优势。

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