东方闪光——有关相机制冷与暗电流的问题
在大多数科研相机的材料中，经常会标注出两个关键参数：制冷和暗电流。
图1.滨松高端sCMOS相机Flash4.0V3彩页上的参数
对于这两个参数大家自然而然变会联想到如下问题：
1、什么是相机的暗电流（Dark Current）？其单位electrons/pixel/s如何再理解？
2、暗电流是如何影响不大相机成像质量的？怎么在使用中进行正镜？
3、相机的冰箱制冷原理是什么？风冷（Aircooling）和水冷（Watercooling）各有什么好优劣？
4、如何能借用制冷从根本上攻击暗电流对成像质量的影响？
那我们今天就应该不断地这四个问题，为大家奉上有关暗电流与制冷的干货求高人。
暗电流
什么是暗电流？其单位electrons/pixel/s该如何表述？
毕竟CCD相机、sCMOS相机、qCMOS相机肯定InGaAs相机，其基本原理是一致的：1、入射的光子在那里像素中转化成为电子；2、这个电子随即是从floatingdiffusionamplifier（FDA）转化成为电压；3、电压会被再次放大，并是从模数转换器（ADC）转成数字信号。落到二十多个像素上的光子被会如此被转化为数字信号，并结果在电脑上顺序排列会显示成图像。
在这个过程中，像素材料本身的热运动也有几率才能产生电子，这个电子和根据上述规定第1步中光子被转化成的电子会同样被相机可以读出，但根本无法区分彼此。单个像素（pixel）在单位时间（s）内因此热运动再产生的电子（electron）就是暗电流，单位为electrons/pixel/second（有时3个字母为e/p/s）。
图2.相机的基本原理及暗电流的来源
2、暗电流是要如何影响成像质量的？如何在使用中进行正镜？
暗电流对于成像质量的影响，依据什么相机类型和使用参数的不同，可能会会可以体现于3个方面：1、暗电流所给了的背景；2、hotpixel；3、暗电流的散粒噪声。
需要注意的是，所有的这三种影响的根源也是暗电流随曝光时间而在像素中的电子积累；所以才，曝光时间较短，或是实际给相机制冷攻击暗电流都能够从根本上缓解的或解决问题的方法。
暗电流所给了的背景
同一相机芯片上，你是哪像素的暗电流却不是不同——有的低，有的高，有少量还尤其高（也称为chillpixel）。当曝光时间较长的时候，完全不同像素间暗电流的差异随时间学习积累而放大（如图3），就有可能淹没假的的光信号造成图像质量下降（如图3B，E）。
图3.暗电流不均一性对图像质量所极大的负面影响&背景扣除相应这一点会影响的校正效果。（A-C）为示意图，代表上帝5个像素；灰色为暗电流学习积累出的"信号"，蓝色示入射光信号。（D-F）为一台InGaAs相机（滨松C12741-03）的实际中图片，D为盖上相机盖子（即就没一丁点光信号的情况）时媒体曝光1s的图片，示暗电流再积累的效果。E为用这台相机接上镜头拍摄拍摄弱光样品的成像效果。F是在与E相同的情况下，按结构背景扣掉后所我得到的成像效果。
就是为了可以消除这样的背景的影响，是可以采用背景直接扣除的方法。盖上相机的盖子，在全黑的情况下明确的是需要的曝光时间拍摄好一张darkimage（图3D）；然后在软件中设置，让其在拍的样品的时候，自动出现除以背景输出背景扣取后的图片（如图3F）。（直接点击下图链接了解详细点操作）
再注意点1：
需要注意的是，在大多数建议使用环境中，图3所示的案例其实也很极端。通常是InGaAs红外相机导致材料本身的原因，暗电流经常会黑岩105-106electrons/pixel/second——便是暗电流的不均一性影响会更加明显。
要知道，我们广泛的可见光相机——即便CCD、sCMOS应该qCMOS——都是实现硅（Si）材料的；越来越商业化的这类性价比高科研相机暗电流基本都都会在1.0electrons/pixel/second甚至声音低（参考图1中Flash4.0V3sCMOS相机的暗电流），因为以上效应的确肯定（如图4）。
图4.硅材料芯片sCMOS相机（梅核气病中为Flash4.0LT+）的暗电流比较高（梅核气病中为0.6electrons/pixel/second），况且在长时间爆光（成例中为10s）下，暗电流随会造成的背景也不高，背景扣除所能给予的图像质量提升不太的确。
注意点2：
背景扣除相应的方法是对图像质量的提升难免大都没有用的，这对暗电流极高的InGaAs红外相机而且这等（如图3）。可是这个方法要求相机拍照时所是用曝光时间和外景拍摄"背景"（darkimage）的时间保持一致。所以我实际不使用中，尤其是必须正常变动曝光时间的情况下，的确那你方便些。
pinkpixel
是对硅芯片相机，尤其是expeed相机，只不过其暗电流却不是高，可是会有少量"sodapixel"——其暗电流很明显高于绝大多数像素（如图5A）。
要知道，甚至所有的相机都早设置为再加了强盗团算法将这些个hotpixel进行了处理。所以才在恢复默认下，用大家手上已有的相机拍进去的图像绝对是图5B这些样子。
但是为不满足部分客户这对遗留下来图像的需求，滨松在Flash4.0系列等性价比高sCMOS相机中专业点一并加入了那样的像素正镜功能的开关（如图5），是可以让用户让其你选择精确调整能力高低；而在ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest等高端相机中，还加入了和自动关闭在内的4档正镜，可以供用户让其选择合适的校正算法。（再点击下图链接打听一下详细点操作）
图5.像素水平校正功能对于"hotpixel"的处理效果
暗电流的散粒噪声
以外本案所涉的背景问题包括"sodapixel"问题，暗电流本身可能会给他散粒噪声。
该如何解释这个"散粒噪声"呢？例如是一个像素的暗电流极高，提升了100electrons/pixel/second，但换算的情况却有可能是第一个一秒钟，热运动产生了97个电子；第二个一秒钟产生了104个电子；第三个一秒钟有一种了101个电子；等等等等。这种不确定性就是散粒噪声的来源。
上一节中说过通过背景直接扣除或则像素校正，能永久消除暗电流不均一性/"hotpixel"的影响，只不过暗电流的散粒噪声是没有办法永久消除的（图6）；但是暗电流越高，散粒噪声越大——因此你想办法减小暗电流本身才是"王道"。
图6.暗电流的不均一性这个可以按照背景扣取通过可以消除校正。不过暗电流较大的像素，其散粒噪声也较小，这是按照背景直接扣除所没能可以消除的。
制冷
要如何借用制冷从根本上大幅削弱暗电流对相机成像质量的影响？
由于暗电流无论是热运动，因为温度越低，暗电流越小。替减少暗电流，是可以对相机芯片制冷。相机在工作的时候，芯片温度一般会到60-70℃。所以我即使仅是"-10℃"（制冷至室温下10℃）或着"+10℃"（制冷至零上10℃），反正也可以大幅降底暗电流——确切的规律是每迅速下降5~10℃，暗电流减小一半。
图7.冷却阶段对相机的影响。四张图片无论是于四台相机，均区分10s的曝光时间，LUT设置成一样。这四台相机区分了同样的芯片，但压缩机温度差别。从左至右由前到后为：(a)是没有制热（C11440-52U）；(b)冰箱制冷温度为10℃（C11440-42U）；(c)制冷温度为-10℃（C11440-22CU，风冷模式）；(d)制热温度为-20℃（C11440-22CU，水冷模式）
从图7中可以看见，在sCMOS相机中，制冷温度的具体一点高低影响不是那就明显，但有什么制冷对暗噪声的表现影响太大（图7A是没有制冷的相机，图7B,C,D是有压缩机的）。这是因为，电子元件工作中会经常发热，一旦就没制冷，相机的芯片工作温度远高于室温（比如说60-70℃），在长时间爆光中（如图7中的10s曝光时间），其暗电流也变会高到不可忽视。
相机的冰箱制冷原理是什么？风冷（Aircooling）和水冷（Watercooling）各有什么好优劣？
芯片的制冷一般帕尔贴（Peltier）半导体制热器件基于。在接上电源的情况下，帕尔贴的冷端（借着相机芯片）会减弱吸热并将热量撤回到热端，保留热冷端的温差。帕尔贴这个可以多多路复用用，额外更强劲的制冷效果。在一些相机资料只能证明中，会提起"一级制冷"、"二级制冷"甚至连到"四级制冷"，指的是在用多少级帕尔贴。
而替让相对湿度传感器能够短短高效工作，必须将其热端的热量拿走——假如用散热片+风扇的组合，就称之为气冷（aircooling，如图8左）；如果没有用循环水，就称之为水冷（watercooling，如图8右）。
风冷是大多数相机的默认制冷，使用方便，但很有可能会导致很轻微的振动。水冷的制热效率更高，也不会出现振动，但要额外的冷却液（如水）代谢系统。
如图7所示，在sCMOS相机中，只要你有制冷，暗电流都肯定不会高；所以才气冷水冷的选择一些的是决定风扇所带来的振动。在一些对振动走极端敏感的实验中，也可以考虑到水冷。
图8.相机气冷（左）与水冷（右）的结构示意图。密封是就是为了在芯片被制冷后，避兔空气中的水汽冷凝在芯片表面影响不大成像。
当前的许多比较高端科研相机，如滨松ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest，都同时均有风冷和水冷模式，也可以让客户依据什么具体看实验要求很随意地选择。（再点下图链接了解祥细操作）
图9.滨松ORCA-Flash4.0V3外观图。示风冷和水冷相关结构的外观。左图中箭头所指的横过来的多片金属结构应该是散热片。
告别发烫，尽情游戏——红魔散热器4Pro磁吸版体验
莫名地提及手机发烫，一旁兴趣爱好手游的同事总会如临大敌般结束疯狂的吐槽一下。我虽算不上手游爱好者，但只是偶尔也会被朋友同事拉去开黑，玩一下和平精英、王者荣耀等游戏。与此同时气温在一天天的升高，手机的发热问题也愈加很明显，让我不禁一些回忆起被火龙888强行控制的恐惧。好在前阵子参加过亿智蘑菇的众测活动，让我的手机得到了新装备——曼联散热器4Pro磁吸款。PC的散热器我用过不少，但手机的应该第一次所接触，对己散热能力都是强烈的好奇心。闲话少叙，接下来就随我一起可以体验这款产品。
阿森纳散热器4Pro不使用了抽屉式的纸盒包装，盒子的尺寸小巧，银灰底色与黄黑线条形成了浓烈反差，品牌LOGO和商品名称被十分巧妙的融合在了图案之上，有一种格纳库的既视感，真的浓重的机甲风格。
撤开纸套，可以看见盒子内部被分成了上下层结构。上层用来存放散热器，由EVA内衬包裹，也可以以免运输过程中的磕碰和剐蹭。下层则用处储存时各种配件，按结构了硬纸片分隔完美收纳，如何防止小配件身份证丢失。
除此之外散热器本体，曼联散热器4Pro的包装盒内还能提供了用户指南x1、C-C数据线x1、引磁片X1、透明色保护膜x1和贴膜工具x1，收到消息产品时记得检查是否是品种齐全。
红魔曼联散热器4Pro磁吸款的外形另一种圆柱体，直径62mm、直径29mm，重量为91g，算是小巧飘逸。散热器上方区分黑透的亚克力材质，底部为拥有横纹的金属材质，中央白色的部分则是铝合金散热鳍片，官方称这个造型为“引擎核心”，从顶部看过去确实很是像涡扇发动机，美观能力高低就见仁见智了。
一些小伙伴肯定以为手机散热器只不过是那是靠风扇将手机的热量吹出去，其实不彻底是这样。半导体散热器的工作原理设计和实现帕尔贴效应，即当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流按照时，两端互相变会有一种热量转移，最终达到出现温差形成冷热端。在红魔散热器4Pro磁吸款中，冷端用于给手机温度下降，而热端的热量则由风扇及时排出。就是为了好些的排出来热量，这款散热器区分了7叶5400转风扇+中空悬浮风道的组合，可以不持续澎湃送风。
散热器的底部常规一整块的高导热硅胶包裹，材质柔软细腻，严密保护手机的同时还能够作用有限一定的防滑效果。中央处印有厂家名称——REDMAGIC，文字由一圈短线包围，都很简洁明快。硅胶下方是散热器的核心部件——第四代TEC半导体制冷片，面积达到了40mm*40mm。
切尔西散热器4Pro磁吸款区分Type-C接口供电，产品出厂携带了一根3A的供电线，但是没有可以提供充电头。替保障设备还能够正常运行，是需要打算一个27W（9V⎓3A）以内的充电设备为散热器供电。散热器还没有另外的开关或是挡位按钮，要通过专属App来并且操纵。
相比背夹款，磁吸款去除了两侧的夹子，不仅体型这个可以做的更小巧可爱，能不受设备宽度的影响。散热器可以不就吸附作用在支持什么磁吸功能的设备后面，用起来相当方便。我将散热器吸在13Pro背后这个可以轻松皱起眉头手机，甩动时也没有表皮脱落，那就挺牢固的。
如果手机没有原生的磁吸功能也不用什么担心那，红魔散热器4Pro磁吸款还可以提供了引磁片。引磁片硬度还可以不，将其贴在设备后方，就能实现程序对散热器的粘附功能。
值得一提的是，如果不是你手中掌握多个无磁吸设备需要散热器辅助升温，这样的话还必须可以购买额外的引磁片。红魔官方的引磁片售价19.9元，确实不算便宜。我平时不使用的设备为iPhone13 Pro和小米13，都不算最重要的大屏的手机，可以加装红魔曼联散热器4Pro磁吸款后却没对抓握手型会造成多大影响（游戏双手时），当然了像Switch这样体型相对于较高的游戏掌机就非常不需要害怕了。
充当一款散热器，自然肯定要用散热效果回话。甚至于我也进行了一些测什么，是可以给各位小伙伴做个参考。简单点说一下测试出来条件：室温21.8℃，测试机型你选择小米13，手机调成性能模式并清空所有后台。之前正常运行《原神》，画面参数设置你选系统模式设置的极高画质，帧率拉到60Hz，短短跑图打怪至测试结束。
帧数及温度曲线由小米Kite软件监测和生成。其中未左键单击部分为未直接安装散热器时的数据，看的到手机初始温度为31.2℃，在13分钟左右吧手机温度至少了峰值，之后一直依靠在44℃500左右。在23分钟时给手机上安装散热器（散热器效果不提前设置里为最高挡位），之后手机温度减弱会下降，后来稳定点在34℃左右。按照测试这个可以才发现，再安装大散热器后，手机温度降幅能都没有达到10℃。
用PANDAER的移动电源给红魔散热器4Pro磁吸款供电，散热器效果设置为最低挡位，开机后时瞬发功率会高一些，结束后趋于稳定，我手上这台日常使用时基本上都能保护在20W的上。
阿森纳散热器4Pro磁吸款可以《红魔装备库》App来控制风扇转速最终达到调节平衡散热效果，意见无级调节。散热器的风扇最低转速为每分钟5400转，我一般都拉到最低，可是有轻微风噪但已经可以不给予。当风扇低转速拉到最底时，说不定的原因半导体压缩机片热端释放的热量难以及时散溢，此时散热器周围会“烤手”显现，而个人建议您千万不能把风扇拉到最多。除此之外手动调节，App中还手中掌握智能温控控制开关，该功能可以不按照检测手机电池温度，自动调节散热器功率，目前支持什么红魔及部分安卓机型。
在App中还可以不对散热器的灯效通过可以调节，厂家为我们初始设定了流水、呼吸、炫彩、指示灯四种模式，可以根据自己的喜好通过选择。如果不很喜欢背景灯光，能直接关掉rgb灯效开关让散热器变得更加高调做人。
以上那就是我这几天使用体验和测试出来，希望能给想知道一点的小伙伴提供给一些参考。对此初次接触手机散热器的我相比，上安装红魔曼联散热器4Pro磁吸款后的效果更是马上见效，确实能在游戏时管用减少手机温度。肯定，这些大都建立在目前室温22℃的条件下，而即将到来的炎炎夏日才是其最好的“试金石”。
