一种制冷型sCMOS科学相机及其读出方法与流程

本发明涉及光学成像与光电检测，尤其涉及一种制冷型scmos科学相机及其读出方法。

背景技术：

1、在生命科学/天文观测/半导体检测等领域，图像传感器常需在极低照度下长时间曝光。现有科学相机主要存在以下问题：

2、1.暗电流噪声大：长时间工作时，传感器芯片升温，导致暗电流呈指数增长，严重污染有效信号，传统风冷方案降温幅度有限。

3、2.读出噪声高：在高速读出模式下，前端电路的噪声抑制能力不足，导致高帧率下成像质量急剧下降。

4、3.杂散光干扰：相机内部结构未做消光处理，入射光在腔内发生多次反射，形成眩光，降低了图像对比度。

技术实现思路

1、本发明提供了一种制冷型scmos科学相机，包括相机前壳1、相机后壳3以及设置于相机前壳1与相机后壳3之间的密封腔体2；所述密封腔体2为气密结构，其内部抽真空；所述密封腔体2内部、靠近入射光一侧设置有scmos图像传感器5，所述图像传感器5的背面依次设置有热沉一7、半导体制冷片8和热沉二10，所述半导体制冷片8的冷面与热沉一7接触，热面与热沉二10连接；所述热沉二10远离半导体制冷片8的一端设置有水冷板11；所述水冷板11的流道为对向流道，进水口与出水口分别设置于水冷板11的对角位置，两股水流在流道中部交汇后反向流出；所述水冷板11的另一表面通过热沉三12与主控电路板13导热连接，所述主控电路板13设置于相机后壳3底部。

2、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述密封腔体2由密封腔体前壳21和密封腔体后壳22拼合而成，二者之间通过第一密封圈16实现密封；所述密封腔体前壳21上开设有供入射光通过的窗口孔，光学窗口4通过第二密封圈17压紧于密封腔体前壳21与相机前壳1之间以封闭所述窗口孔。

3、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述光学窗口4靠图像传感器5一侧的内表面镀有宽光谱增透膜，靠入射光一侧的外表面沉积有氧化铟锡透明导电屏蔽薄膜。

4、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述图像传感器5与热沉一7之间、热沉一7与半导体制冷片8之间、以及半导体制冷片8与热沉二10之间均填充有铟片或高导热石墨烯垫。

5、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述密封腔体后壳22上对称布置有真空馈通连接器9；所述密封腔体2内部设置有与图像传感器5电连接的图像传感器电路板6，所述图像传感器电路板6通过软排线一14与真空馈通连接器9连接；所述主控电路板13通过软排线二15与真空馈通连接器9连接。

6、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述图像传感器电路板6通过放气螺栓23和支撑柱24固定到密封腔体后壳22上，所述放气螺栓23与支撑柱24之间设置有波形弹簧。

7、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述密封腔体2内布置有分子筛存放仓18。

8、如上所述的制冷型scmos科学相机，其中所述密封腔体后壳22上穿设有抽真空夹封管19。

9、本发明还提供一种制冷型scmos科学相机的读出方法，包括：

10、步骤s10：实时采集半导体制冷片的驱动电流，并将其解算为水冷脉动实时相位；

11、步骤s20：基于计算出的实时相位统计读出噪声，并标定静默窗口；

12、步骤s30：基于实时相位计算并锁定读出触发延迟，输出对齐到静默窗口的读出触发信号；

13、步骤s40：预测并微调曝光终止时刻，使读出起始时刻对齐到静默窗口中心相位；

14、步骤s50：基于脉动相位-位移映射表校正图像漂移。

15、本发明实现的有益效果如下：通过将传感器封装在真空密封腔并引入多级制冷及均热技术，有效抑制了暗电流噪声；同时，采用一体式水冷结构，对整机发热元件进行降温。水冷结构流道采用涡状线的结构，同等热阻下可以减小对相机的扰动力。实现了在长曝光条件下对像素漂移的控制，增加了相机的稳定性。

1.一种制冷型scmos科学相机，其特征在于，包括相机前壳（1）、相机后壳（3）以及设置于相机前壳（1）与相机后壳（3）之间的密封腔体（2）；所述密封腔体（2）为气密结构，其内部抽真空；所述密封腔体（2）内部、靠近入射光一侧设置有scmos图像传感器（5），所述图像传感器（5）的背面依次设置有热沉一（7）、半导体制冷片（8）和热沉二（10），所述半导体制冷片（8）的冷面与热沉一（7）接触，热面与热沉二（10）连接；所述热沉二（10）远离半导体制冷片（8）的一端设置有水冷板（11）；所述水冷板（11）的流道为对向流道，进水口与出水口分别设置于水冷板（11）的对角位置，两股水流在流道中部交汇后反向流出；所述水冷板（11）的另一表面通过热沉三（12）与主控电路板（13）导热连接，所述主控电路板（13）设置于相机后壳（3）底部。

2.根据权利要求1所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述密封腔体（2）由密封腔体前壳（21）和密封腔体后壳（22）拼合而成，二者之间通过第一密封圈（16）实现密封；所述密封腔体前壳（21）上开设有供入射光通过的窗口孔，光学窗口（4）压紧于密封腔体前壳（21）与相机前壳（1）之间以封闭所述窗口孔。

3.根据权利要求2所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述光学窗口（4）靠图像传感器（5）一侧的内表面镀有宽光谱增透膜，靠入射光一侧的外表面沉积有氧化铟锡透明导电屏蔽薄膜。

4.根据权利要求1所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述图像传感器（5）与热沉一（7）之间、热沉一（7）与半导体制冷片（8）之间、以及半导体制冷片（8）与热沉二（10）之间均填充有铟片或高导热石墨烯垫。

5.根据权利要求1所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述密封腔体后壳（22）上对称布置有真空馈通连接器（9）；所述密封腔体（2）内部设置有与图像传感器（5）电连接的图像传感器电路板（6），所述图像传感器电路板（6）通过软排线一（14）与真空馈通连接器（9）连接；所述主控电路板（13）通过软排线二（15）与真空馈通连接器（9）连接。

6.根据权利要求5所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述图像传感器电路板（6）通过放气螺栓（23）和支撑柱（24）固定到密封腔体后壳（22）上，所述放气螺栓（23）与支撑柱（24）之间设置有波形弹簧。

7.根据权利要求1所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述密封腔体（2）内布置有分子筛存放仓（18）。

8.根据权利要求2所述的制冷型scmos科学相机，其特征在于，所述密封腔体后壳（22）上穿设有抽真空夹封管（19）。

9.一种制冷型scmos科学相机的读出方法，其特征在于，包括：