为什么高端检测正在重新评估制冷相机？

当检测对象进入微米、亚微米甚至更小尺度后，系统最难的往往不只是“看见”，而是稳定地看见、定量地看见、长时间地看见。

随着半导体、高端医疗、新能源等产业不断向更高精度发展，弱信号探测、噪声控制与长期稳定性正在成为检测系统的新挑战。

制冷相机的重要性，也正在从科研极限成像逐步延伸到高端工业检测领域。

为什么高端检测越来越需要制冷相机？

真正的目标：不是更低温度，而是降本增效

制冷相机到底厉害在哪？

在弱信号成像场景中，温度并非单纯的设备参数，而是抑制传感器暗电流噪声、提升成像质量的关键核心。据公开行业数据显示，相机制冷温度每降低 6-7℃，暗电流带来的成像干扰可降低 50% 左右，大幅提升图像信噪比，为微缺陷检测、弱信号捕捉提供基础保障。

图1：制冷前后噪声基线对比

温度不是越低越好，场景适配才靠谱

制冷技术最早伴随 CCD 在天文领域的应用而快速发展。早期天文观测普遍采用77K 液氮制冷方案，主要用于解决数分钟至数小时超长曝光下，图像传感器产生的热噪声问题，以满足深空微弱星体信号的捕捉需求。

然而，绝大多数成像场景并不需要超长曝光，自然也不需要 77K 极限制冷。

图2：工作人员正在给天文仪器补充氮液。液氮方案存在天然局限：耗材需持续补给、设备庞大、运维成本高昂且安装姿态受限。

图片来源：ESO/Max Alexander，www.eso.org

因此，相比液氮制冷，多级 TEC 搭配真空封装技术，具备无振动、小体积、控温精度高、长期免维护的核心优势，很快成为主流制冷方案，率先在生物、物理、天文等弱光实验场景普及。

高端检测升级：核心目标是降本增效

国内高端制造业持续升级，对检测设备提出双重核心要求：既要具备科研级成像性能，攻克各类极限精微缺陷检测难题，提高良率；又要适配产线一体化部署需求，贴合工业现场复杂工况，严控成本。

图 3：Gemini TDI 相机（TEC + 热抽排/气冷）散热架构。

而这，正是鑫图 TDI 相机创新制冷方案的核心价值：
①依托 TEC 控温，抑制背景噪声，提高检测精度；
②利用产线风道完成散热，简化安装，运维更省心。

看懂行业壁垒：制冷相机为何难做？

制冷不难，长期稳定可靠才是真门槛

多级 TEC 深度制冷：最难的是热管理

单级 TEC 制冷温差存在天然上限。为实现更低暗电流、更高成像信噪比，需要采用多级 TEC 堆叠结构，达成深度制冷温差需求。

图4：多级TEC制冷技术示意图

但随着制冷级数增加，系统会面临热传导漏热、热辐射耦合、热对流干扰等一系列问题。最终导致：

• 制冷能效衰减

• 温控精度漂移

• 整机功耗攀升

因此，真正的挑战不是做到 -40℃、-60℃ 甚至 -80℃，而是在长期运行过程中持续维持目标温度。

鑫图核心优势：既有深度，又有精度

鑫图掌握成熟的 TEC 分级制冷以及精密温控技术，可针对不同行业场景，提供标准化、定制化的制冷成像解决方案，核心优势包括：

• 支持 5 级 TEC 深度制冷，满足极限制冷应用需求；

• 支持高精密温控，可实现 ±0.1℃ 温度精准调节、±0.5℃ 极低温度波动控制能力，确保数据高一致性；

• 支持灵活的散热结构：兼容风冷、水冷、气冷、热抽排、自然散热等多种模式，适配不同场景工况需求。

图5：鑫图标准化制冷产品线示例

高真空腔体密封：最难的隐形技术

对于制冷相机而言，制冷温度越低，传感器窗口凝露风险越高。当传感器表面温度低于环境露点温度时，空气中的水汽会快速在窗口凝结，不仅干扰成像，还会腐蚀相机内部电路，造成不可逆的设备损伤。

图6：芯片窗口水汽附着，干扰正常成像

高端制冷相机普遍采用真空封装结构，从物理层面隔绝水汽、杜绝凝露问题。

图7：制冷腔体密封技术示意图

但真空封装真正困难的并不是“抽真空”，而是“长期维持真空”，核心源于三大隐秘风险点：

• 不同材料热膨胀系数差异，冷热循环交替产生微漏；

• 供电与信号引线穿墙结构，天然存在漏气风险；

• 材料持续释放水汽和挥发物，导致腔体真空度下降。

这也是制冷相机最核心的技术难点之一，目前仅有少数核心厂商掌握全套成熟技术。

鑫图核心优势：可靠性经得起实战检验

鑫图是国内率先研发制冷 CCD 的厂商之一，完整经历了从 CCD 到 sCMOS 的制冷相机技术迭代历程。

依托跨学科研发人才体系和丰富的场景实战经验，不仅成功攻克腔体漏气、窗口水汽凝结等核心技术难点，还搭建起 MTBF≥5年 的高可靠性制冷腔体标准，确保每一台相机出厂品质均能达到国际一线标准，满足实战应用需求。

实战场景①：高海拔天文观测

2021 年，鑫图 Dhyana 95 在四川稻城无名山观测站(海拔约 4780 米)，参与山东大学日冕仪项目观测实验，成功拍摄到太阳白光日冕图像。

图8：四川稻城无名山观测站(左)和太阳白光日冕图像(右）
来源：http://oaste.wh.sdu.edu.cn/info/1614/3321.htm

实战场景②：高能同步辐射实验

2024年，鑫图光电联合中国科学院高能物理研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心等科研单位，在高能同步辐射光源（HEPS）和北京正负电子对撞机同步辐射光源完成 Dhyana XF95 软 X 射线相机全谱段响应曲线实测（100 eV–10 keV），取得关键进展。

图9：搭载Dhyana XF95的同步辐射实验系统

高端成像的竞争

正在从参数竞争走向系统能力竞争

从液氮制冷到 TEC 产业化，从科研极限探测到工业长期稳定检测，制冷相机的演进，本质上是把“低温”变成“可长期工作、可系统集成、可工程交付”的能力。前者是器件问题，后者是系统问题。

相较于通用工业相机企业，鑫图光电依托扎实的科学成像核心能力底座与极限场景实战验证的成熟工艺，不仅可以更从容应对工业高端场景的各类未知挑战，还能将复杂的精密检测需求标准化、方案化，为更多产业化应用提供高适配、高可靠的成像解决方案，助力中国高端制造实现从跟随到核心能力构建的跨越式突破。