الكفاءة الكمية في الكاميرات العلمية: دليل للمبتدئين

الشكل: منحنى الكفاءة الكمية الذي يوضح القيم النموذجية لأجهزة الاستشعار المصنوعة من السيليكون ذات الإضاءة الأمامية والخلفية

يُظهر الرسم البياني احتمالية اكتشاف الفوتون (الكفاءة الكمية، %) مقابل طول موجة الفوتون لأربع كاميرات كمثال. يمكن أن تؤدي أنواع مختلفة من المستشعرات والطلاءات إلى تغيير هذه المنحنيات بشكل كبير.

 

تعتمد الكفاءة الكمية بشكل كبير على الطول الموجي، كما هو موضح في الشكل. تُظهر معظم مستشعرات الكاميرات المصنوعة من السيليكون ذروة كفاءتها الكمية في الجزء المرئي من الطيف، وتحديدًا في المنطقة الخضراء إلى الصفراء، من حوالي 490 نانومتر إلى 600 نانومتر. يمكن تعديل منحنيات الكفاءة الكمية من خلال طلاءات المستشعرات وأنواع المواد المختلفة لتوفير ذروة كفاءة كمية عند حوالي 300 نانومتر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وحوالي 850 نانومتر في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، بالإضافة إلى العديد من الخيارات الأخرى بينهما.

 

تُظهر جميع الكاميرات المصنوعة من السيليكون انخفاضًا في الكفاءة الكمية عند طول موجي يصل إلى 1100 نانومتر، حيث لا تمتلك الفوتونات طاقة كافية لإطلاق الإلكترونات الضوئية. وقد يكون أداء الأشعة فوق البنفسجية محدودًا للغاية في أجهزة الاستشعار المزودة بعدسات دقيقة أو زجاج نافذة حاجب للأشعة فوق البنفسجية، مما يمنع وصول الضوء ذي الطول الموجي القصير إلى جهاز الاستشعار.

 

في هذه الحالة، نادراً ما تكون منحنيات الكفاءة الكمية سلسة ومتساوية، وبدلاً من ذلك غالباً ما تتضمن قممًا وقيعانًا صغيرة ناتجة عن اختلاف خصائص المواد وشفافية المواد التي يتكون منها البكسل.

 

في التطبيقات التي تتطلب حساسية للأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء القريبة، يمكن أن يصبح النظر في منحنيات الكفاءة الكمية أكثر أهمية، حيث يمكن أن تكون الكفاءة الكمية في بعض الكاميرات أكبر بكثير من غيرها عند الأطراف القصوى للمنحنى.

 

حساسية الأشعة السينية

تستطيع بعض مستشعرات الكاميرات المصنوعة من السيليكون العمل ضمن نطاق الضوء المرئي من الطيف، مع قدرتها أيضاً على رصد بعض أطوال موجات الأشعة السينية. ومع ذلك، تتطلب الكاميرات عادةً تصميماً هندسياً خاصاً للتعامل مع تأثير الأشعة السينية على إلكترونيات الكاميرا، ومع غرف التفريغ المستخدمة عادةً في تجارب الأشعة السينية.

 

كاميرات الأشعة تحت الحمراء

أخيرًا، يمكن أن تُظهر المستشعرات التي لا تعتمد على السيليكون، بل على مواد أخرى، منحنيات كفاءة كمية مختلفة تمامًا. على سبيل المثال، تستطيع كاميرات الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs)، والتي تعتمد على إنديوم غاليوم أرسينيد بدلًا من السيليكون، الكشف عن نطاقات واسعة من الأطوال الموجية في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، تصل إلى حوالي 2700 نانومتر كحد أقصى، وذلك بحسب نوع المستشعر.