Úloha termoelektrických chladičov (TEC) v detektoroch CCD, CMOS, InGaAs a VOx
Keďže technológie zobrazovania stále ďalej pokročujú smerom k vyššej citlivosti, vyššej rozlíšeniu a širšiemu spektrálnemu pokrytiu, tepelné riadenie sa stalo kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim výkon detektorov.
Bez ohľadu na to, či sa detektory používajú vo vedeckom výskume, priemyselnej kontrolе, infračervenom zobrazovaní alebo v aplikáciách v oblasti leteckej a vesmírnej techniky, teplota detektorov priamo ovplyvňuje kvalitu obrazu, stabilitu signálu, presnosť meraní a dlhodobú spoľahlivosť.
Aj keď rôzne technológie detektorov pracujú v rôznych vlnových rozsahoch, zdieľajú jednu spoločnú výzvu:
Ich výkon je veľmi závislý od teploty.
Preto sa termoelektrické chladiče (TEC) stali nevyhnutným riešením pre tepelné riadenie v mnohých vysokovýkonných systémoch fokálnej rovinovej siete (FPA).
Na rozdiel od chladiacich technológií založených na kompresore poskytujú termoelektrické chladiče (TEC) pevnostavové, bezvibráciou a údržbou nevyžadujúce regulácie teploty s vynikajúcou stabilitou teploty v kompaktnom balení.
Čo je FPA?
A Focal Plane Array (FPA) je dvojrozmerné pole detektorových prvkov umiestnené v ohniskovej rovine optického systému. Premieňa prichádzajúce optické signály na elektrické signály, ktoré sa spracujú na generovanie digitálnych obrazov.
Podľa materiálu detektora a pracovnej vlnovej dĺžky sa FPA bežne delia do štyroch kategórií:
Hoci každá technológia detektorov má svoje jedinečné vlastnosti, presná regulácia teploty je nevyhnutná na dosiahnutie stabilného výkonu pri zobrazovaní.
Štyri technológie detektorov – štyri rôzne tepelné výzvy
Vedecké CCD
Vedecké CCD detektory sa široko používajú v astronómii, fluorescenčnej mikroskopii, spektroskopii a iných aplikáciách s extrémne nízkou intenzitou svetla.
Ich najväčšou výzvou je temný prúd , ktorý exponenciálne rastie s teplotou. Ako všeobecné inžinierske pravidlo sa tmavý prúd znižuje približne o 50 % pri každom znížení teploty detektora o 6–7 °C.
Viackomponentové TEC spolu s presnou PID reguláciou teploty dokážu udržiavať teploty detektorov až na –20 °C až –100 °C , čím výrazne zlepšujú pomer signálu ku šumu a umožňujú snímanie s dlhými expozíciami.
Odporúčanie technického oddelenia P&N & i-TEC
Pre CCD systémy s dlhými expozíciami, ktoré vyžadujú maximálnu stabilitu obrazu, sa odporúčajú viackomponentové TEC s uzavretou slučkou PID regulácie teploty.
Vedecké CMOS
Vedecké CMOS (sCMOS) snímače ponúkajú vysokú rýchlosť, nízky šum pri čítaní a vynikajúci dynamický rozsah.
Hoci technológia CMOS spotrebuje menej energie ako CCD, tepelný šum stále predstavuje obmedzujúci faktor pri snímaní s dlhými expozíciami.
Aktívne chladenie TEC zvyčajne udržiava teploty detektorov v rozsahu 0 °C a –30 °C , čím sa zníži tepelný šum a zlepší sa konzistencia obrazu.
Spotrebné kamery sa zvyčajne spoliehajú na pasívne chladenie, zatiaľ čo vedecké systémy s CMOS snímačmi často vyžadujú aktívnu kontrolu teploty.
Odporúčanie technického oddelenia P&N & i-TEC
Aktívne chladenie pomocou termoelektrických chladičov (TEC) sa odporúča pre vedecké systémy s CMOS snímačmi, ktoré pracujú pri dlhých expozíciách alebo za podmienok slabého osvetlenia.
Detektory InGaAs pre krátkovlnné infračervené žiarenie (SWIR)
Detektory InGaAs sa široko používajú v oblasti krátkovlnného infračerveného (SWIR) zobrazovania pre kontrolu polovodičov, testovanie fotovoltaických článkov, strojové videnie, diaľkové prieskumy a obranné aplikácie.
Keďže InGaAs má relatívne úzku zakázanú pásmo, tepelne generované nosiče sa rýchlo zvyšujú so stúpaním teploty, čo spôsobuje významný tepelný šum.
Z tohto dôvodu sa chladenie pomocou termoelektrických chladičov (TEC) stalo štandardný postup namiesto voliteľnej funkcie povinnou súčasťou vysokovýkonných SWIR systémov.
Typické prevádzkové teploty sa pohybujú v rozsahu od –20 °C až –80 °C , v závislosti od návrhu detektoru a požiadaviek aplikácie.
Odporúčanie technického oddelenia P&N & i-TEC
Pre priemyselné systémy SWIR zobrazovania by sa chladenie termoelektrickými chladičmi (TEC) malo považovať za neoddeliteľnú súčasť návrhu detektoru, nie len za zlepšenie výkonu.
VOx / a-Si nechladené infračervené detektory
Aj keď sa mikrobolometre VOx a a-Si bežne označujú ako nechladené infračervené detektory , stále vyžadujú veľmi stabilnú prevádzkovú teplotu.
Teplotné kolísania spôsobené vonkajšími podmienkami alebo samozahrievaním detektoru môžu spôsobiť tepelný posun, čím sa zníži konzistencia obrazu a presnosť merania.
Namiesto hlbokého chladenia TEC udržiavajú substrát detektoru pri stabilnej teplote – zvyčajne okolo 25 °C až 30 °C —minimalizovať odchýlku a zabezpečiť spoľahlivý výkon termálneho zobrazovania.
Odporúčanie technického oddelenia P&N & i-TEC
V presných aplikáciách termálneho zobrazovania je udržiavanie stabilnej teploty detektora často dôležitejšie ako dosiahnutie najnižšej možnej teploty.
Inžiniersky pohľad
Hoci detektory CCD, CMOS, InGaAs a VOx všetky profitujú z regulácie teploty, ich ciele v oblasti tepelnej správy sú zásadne odlišné.
Z tohto dôvodu výber TEC nie je len otázkou chladiaceho výkonu. Úspešné riešenie tepelnej správy vyžaduje tiež starostlivé zohľadnenie odvádzania tepla, riadiacich algoritmov, návrhu balenia, spotreby energie a dlhodobej spoľahlivosti.
Pre vysokej kvality systémy zobrazovania tEC nie je len chladiacim zariadením – je nedeliteľnou súčasťou celkového systému tepelnej správy.
Záver
Keďže sa vedecké zobrazovanie, technológia SWIR, infračervené snímanie a aplikácie v leteckej a vesmírnej technike stále vyvíjajú, požiadavky na presnú tepelnú správu budú stále rásť.
Rôzne technológie detektorov vyžadujú rôzne stratégie riadenia teploty, ale všetky majú rovnaký cieľ: udržať stabilný výkon detektora za meniacich sa podmienok prostredia.
V P&N & i-TEC , stále sa zaväzujeme vyvíjať spoľahlivé riešenia termoelektrického chladenia pre pokročilé systémy zobrazovania. Kombináciou technického know-how a prispôsobených technológií termoelektrických chladičov – od miniaturizovaných jednostupňových modulov po viacstupňové chladiace riešenia – naďalej pomáhame zákazníkom zlepšovať výkon zobrazovania, stabilitu systémov a dlhodobú spoľahlivosť v širokej škále aplikácií.
EN
