CCD

การถ่ายภาพด้วยเซ็นเซอร์ CCD ระดับวิทยาศาสตร์นั้นมีข้อจำกัดพื้นฐานจากผลกระทบของอุณหภูมิ โดยปกติจำเป็นต้องใช้เวลาในการเปิดรับแสงนานเพื่อจับสัญญาณแสงที่อ่อนแอ แต่ขณะเดียวกันก็เกิดกระแสไฟฟ้ามืด (dark current) จากความร้อนสะสมขึ้นพร้อมกัน ส่งผลให้เกิด:

1. ระดับเสียงรบกวน (noise floor) เพิ่มสูงขึ้น

2. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ลดลง

3. ช่วงไดนามิก (dynamic range) จำกัด

4. ความแม่นยำซ้ำได้ต่ำในการสอบเทียบและการวัดค่า

การลดและควบคุมอุณหภูมิในการทำงานของ CCD ให้คงที่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการยับยั้งข้อจำกัดเหล่านี้

ด้วยการควบคุมอุณหภูมิของ CCD อย่างกระตือรือร้นในช่วง -30℃ ถึง -100℃ การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC) จะให้ผลลัพธ์ที่วัดได้และสามารถทำซ้ำได้จริง ดังนี้:

1. กระแสมืดลดลง 100–1000 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิห้อง

2. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เพิ่มขึ้นจากประมาณ 10:1 เป็นมากกว่า 1000:1

3. ช่วงไดนามิกขยายจาก 12 บิต เป็น 16 บิต หรือสูงกว่า

4. เวลาการรับแสงขยายจากนาทีเป็นชั่วโมง

5. ค่าแคมป์ (gain) ความเป็นเชิงเส้น (linearity) และลักษณะเฉพาะของภาพพื้นหลังมืด (dark-field characteristics) มีความเสถียรตามระยะเวลา

1. ออกแบบแบบโซลิดสเตต (solid-state) ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว → ความน่าเชื่อถือในระยะยาว

2. ทำงานโดยไม่เกิดการสั่นสะเทือนเลย → ไม่เกิดภาพเบลอหรือการรบกวนเชิงกล

3. การควบคุมอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูงพิเศษ (±0.01℃ โดยทั่วไป) → ปฏิกิริยาโฟโตอิเล็กทริกมีความเสถียร

4. รูปทรงแบบบีบอัด หัวกล้องสามารถรวมเข้าด้วยกันได้ → รองรับการย่อส่วนให้มีขนาดเล็กลง

5. ต้นทุน กำลังไฟฟ้าที่ใช้ และค่าบำรุงรักษาอยู่ในระดับสมดุล เมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่นที่ใช้เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยไครโอเจนิก

แบบจำลองต่อไปนี้เป็นแบบจำลอง TEC แบบหลายขั้นตอนที่ใช้กันทั่วไปในแอปพลิเคชัน CCD ซึ่งจัดทำขึ้นเพื่อการอ้างอิงและเปรียบเท่านเท่านั้น ไม่ใช่รายการผลิตภัณฑ์แบบครบถ้วน