25.02.2022Пры здымцы ў слабым асвятленні прадукцыйнасць камеры часта абмяжоўваецца тым, наколькі эфектыўна слабыя аптычныя сігналы можна пераўтварыць у прыдатныя для выкарыстання дадзеныя выявы. Квантавая эфектыўнасць, або КК, з'яўляецца адной з найважнейшых характарыстык у гэтым працэсе, паколькі яна адлюстроўвае, наколькі эфектыўна датчык выяўляе ўваходныя фатоны. Аднак КК не варта разглядаць як асобны паказчык. На практыцы яго значэнне залежыць ад умоў візуалізацыі, дыяпазону даўжынь хваль, які цікавіць, і агульных патрабаванняў прыкладання.
Гэты артыкул прысвечаны таму, як квантавы эфект уплывае на рэальную якасць здымкі пры слабым асвятленні і як больш значна ацэньваць яго пры выбары навуковай камеры.
Чаму квантава-эмісійная эмуляцыя (КЭ) мае большае значэнне пры візуалізацыі ў цёмных умовах?
Квантавая эфектыўнасць апісвае верагоднасць таго, што фатоны, якія дасягаюць датчыка, будуць сапраўды выяўлены і пераўтвораны ў электроны. У навуковай візуалізацыі гэта важна, таму што не кожны фатон, які трапляе ў камеру, уносіць свой уклад у канчатковае выява. Некаторыя адлюстроўваюцца, рассейваюцца або паглынаюцца, перш чым можа адбыцца выяўленне, таму квантавая эфектыўнасць непасрэдна ўплывае на прыдатны для выкарыстання сігнал.
Яго важнасць значна ўзрастае пры візуалізацыі пры слабым асвятленні, дзе даступны бюджэт фатонаў абмежаваны, і кожны выяўлены фатон мае большае значэнне. У такіх умовах камера з больш высокім QE можа забяспечваць больш моцныя ўзроўні сігналу з той жа сцэны, што дапамагае падтрымліваць лепшую якасць выявы і паляпшаць суадносіны сігнал/шум. У некаторых працоўных працэсах гэта таксама можа дапамагчы скараціць час экспазіцыі, неабходны для атрымання прыдатнага для выкарыстання малюнка, што асабліва каштоўна пры візуалізацыі слабой флуарэсцэнцыі, дынамічных узораў або іншых сігналаў з абмежаваннем фатонаў.
Тым не менш, каэфіцыент квантавання (КК) не з'яўляецца аднолькава важным у кожным прымяненні. Пры больш яркіх умовах візуалізацыі перавага больш высокага КК можа быць менш значнай, і іншыя характарыстыкі камеры могуць адыгрываць большую ролю ў агульнай прадукцыйнасці. Па гэтай прычыне КК варта разумець як важны паказчык пры візуалізацыі пры слабым асвятленні, а не як універсальны паказчык таго, якая камера лепшая ў кожнай сітуацыі.
Чаму пікавае колькаснае паслабленне не расказвае ўсёй гісторыі?
Пры ацэнцынавуковая камераДля візуалізацыі пры слабым асвятленні ёсць спакуса засяродзіцца на адным галоўным паказчыку, такім як пікавая квантовая эфектыўнасць. Аднак сама па сабе пікавая квантовая эфектыўнасць рэдка дае ўсю карціну. Квантавая эфектыўнасць моцна залежыць ад даўжыні хвалі, што азначае, што прадукцыйнасць датчыка можа значна адрознівацца па ўсім спектры. У выніку найбольш важнае пытанне — не проста тое, наколькі высокі пік квантавай эфектыўнасці, а тое, наколькі добра датчык працуе на даўжынях хваль, якія маюць значэнне для прымянення.
Прыклад крывой квантавай эфектыўнасці.
Чырвоны: CMOS з падсветкай ззаду.
Сіні: удасканаленая CMOS-матрыца з франтальнай падсветкай
Вось чаму каэфіцыент квантавання (КК) звычайна паказваецца ў выглядзе крывой, а не фіксаванага значэння. Крывая КК паказвае, наколькі эфектыўна датчык пераўтварае фатоны ў электроны на розных даўжынях хваль, і яна дае значна больш практычнай інфармацыі, чым адзін максімальны працэнт. Дзве камеры могуць здавацца падобнымі, калі параўноўваць толькі іх пікавыя значэнні КК, але паводзіць сябе зусім па-рознаму ў пэўнай паласе флуарэсцэнтнага выпраменьвання, у блізкім інфрачырвоным дыяпазоне або ў караткахвалевым канцы бачнага спектру. Пры візуалізацыі пры слабым асвятленні гэта адрозненне можа непасрэдна паўплываць на якасць сігналу і агульную якасць выявы.
На практыцы камеру варта ацэньваць па яе квантавым эфекте (КЭ) у той частцы спектру, дзе існуе рэальны сігнал. Высокі пік КЭ на адной даўжыні хвалі не абавязкова азначае лепшую прадукцыйнасць на іншай. Гэта асабліва важна ў навуковых прымяненнях, дзе аптычны сігнал сканцэнтраваны ў вузкім дыяпазоне, а не размеркаваны раўнамерна па ўсім бачным дыяпазоне. У гэтых выпадках поўная крывая КЭ дае значна больш рэалістычную карціну чаканай прадукцыйнасці, чым адзін паказчык спецыфікацыі.
Па гэтай прычыне пікавую квантовую эластычнасць (КЭ) варта разглядаць як адпраўную кропку, а не як выснову. Яна можа паказваць на агульныя магчымасці датчыка, але яе нельга выкарыстоўваць асобна для параўнання камер для выканання складаных задач ва ўмовах нізкай асветленасці. Больш надзейны падыход заключаецца ў вывучэнні крывой КЭ ў адпаведным дыяпазоне даўжынь хваль, а затым інтэрпрэтацыі гэтага выніку разам з астатнімі характарыстыкамі камеры.
Як ацаніць квантавае паляпшэнне (QE) разам з шумам счытвання, цёмным токам і часам экспазіцыі?
Квантавая эфектыўнасць — адна з найважнейшых характарыстык пры здымцы пры слабым асвятленні, але яна сама па сабе не вызначае прадукцыйнасць у такіх умовах. На практыцы адчувальнасць камеры залежыць не толькі ад таго, наколькі эфектыўна фатоны пераўтвараюцца ў сігнал, але і ад таго, колькі шуму ўносіцца падчас атрымання выявы. Па гэтай прычыне квантавую эфектыўнасць заўсёды варта ацэньваць разам з шумам счытвання, цёмным токам і ўмовамі экспазіцыі.
QE і шум чытання
Шум чытання становіцца асабліва важным, калі ўзровень сігналу надзвычай слабы. Нават калі датчык мае высокі QE, вельмі слабыя сігналы ўсё роўна можа быць цяжка выявіць, калі падчас чытання дадаецца занадта шмат шуму. У такіх сітуацыях больш высокі QE дапамагае, пераўтвараючы больш даступных фатонаў у прыдатны сігнал, але канчатковы вынік візуалізацыі ўсё яшчэ залежыць ад таго, ці можа гэты сігнал значна падняцца вышэй за ўзровень шуму чытання. Для візуалізацыі з абмежаваннем фатонаў QE і шум чытання варта разглядаць разам, а не асобна.
QE і цёмная плынь
Цёмны ток становіцца больш актуальным па меры павелічэння часу экспазіцыі. Падчас працяглых экспазіцый тэрмічна генераваныя электроны могуць назапашвацца і зніжаць выразнасць выявы, асабліва ў вельмі цьмяных умовах візуалізацыі. Камера з моцным квантавым эфектам (КЭ) можа фіксаваць больш карыснага сігналу, але калі цёмны ток значна назапашваецца падчас здымкі, агульная перавага пры слабым асвятленні можа быць зменшана. Вось чаму КЭ нельга інтэрпрэтаваць без уліку працягласці экспазіцыі і шумааддачы датчыка.
QE і час экспазіцыі
Час экспазіцыі — яшчэ адзін ключавы аспект прадукцыйнасці візуалізацыі пры слабым асвятленні. Адной з практычных пераваг больш высокага квантавання (КЭ) з'яўляецца тое, што яно можа дапамагчы камеры дасягнуць карыснага ўзроўню сігналу за меншы час, паколькі большая колькасць уваходных фатонаў пераўтвараецца ў вымерныя электроны. Гэта можа быць карысным у выпадках абмежаванага асвятлення, неабходнасці памяншэння размыцця руху або больш хуткага захопу дадзеных. У той жа час рэальная перавага залежыць ад больш шырокіх умоў візуалізацыі, а не толькі ад КЭ.
У цэлым, найлепшая камера для здымкі ў слабым асвятленні — гэта не проста тая, якая мае найвышэйшы каэфіцыент квантавання (QE) на паперы, але тая, якая забяспечвае правільны баланс эфектыўнасці выяўлення фатонаў, шумааддзялення і гнуткасці экспазіцыі для канкрэтнага прымянення.
Калі больш высокае колькаснае паслабленне варта выдаткаў?
Камера з больш высокім QE можа прапанаваць рэальную перавагу пры здымцы ў слабым асвятленні, але гэтая перавага не аднолькава каштоўная ў кожным прымяненні. На практыцы пытанне не проста ў тым, ці дасягае адзін датчык больш высокага QE, чым іншы, а ў тым, ці прыводзіць гэты прырост да значнага паляпшэння працоўнага працэсу візуалізацыі.
Чаму некаторыя датчыкі дасягаюць больш высокага ўзроўню якасці
Розныя датчыкі камеры могуць мець вельмі розныя значэнні QE у залежнасці ад іх канструкцыі і матэрыялаў.
Адным з галоўных фактараў з'яўляецца архітэктура датчыка, асабліва тое, ці мае ён пярэднюю ці заднюю падсветку. У датчыках з пярэдняй падсветкай уваходныя фатоны павінны прайсці праз праводку і іншыя структуры, перш чым дасягнуць святлоадчувальнага крэмнію, што можа знізіць эфектыўнасць збору фатонаў. Такія дасягненні, як мікралінзы, значна палепшылі прадукцыйнасць канструкцый з пярэдняй падсветкай, але датчыкі з задняй падсветкай усё яшчэ звычайна прапануюць больш высокі пікавы каэфіцыент квантавай энергіі (QE), таму што святло дасягае фотаадчувальнага слоя больш непасрэдна. Аднак гэтая больш высокая прадукцыйнасць звычайна суправаджаецца большай складанасцю вытворчасці і больш высокім коштам.
Калі перавага больш высокага колькаснага паслаблення мае значэнне
Квантавая эфектыўнасць не аднолькава важная ў кожным прымяненні візуалізацыі.
Ва ўмовах яркага асвятлення практычная карысць ад больш высокага QE можа быць абмежаванай. Аднак пры здымцы ў слабым асвятленні больш высокі QE можа палепшыць суадносіны сігнал/шум і якасць выявы або дапамагчы скараціць час экспазіцыі для больш хуткага атрымання здымкі. Па гэтай прычыне каштоўнасць датчыка з больш высокім QE варта ацэньваць у кантэксце прымянення.
Калі задача візуалізацыі моцна абмежаваная фатонамі, павышэнне прадукцыйнасці можа апраўдаць дадатковыя выдаткі. Калі ж не, то лепшым выбарам усё ж можа быць больш танная камера з больш умераным квантавым эфектам.
Выснова
Квантавы эфект (КЭ) застаецца адной з найважнейшых характарыстык пры візуалізацыі пры слабым асвятленні, але яго ніколі нельга ацэньваць асобна. Высокае пікавае значэнне КЭ можа выглядаць уражліва, але больш важнае пытанне заключаецца ў тым, наколькі добра камера працуе на даўжынях хваль, якія маюць значэнне для прымянення, і як гэтая прадукцыйнасць суадносіцца з шумам счытвання, цёмным токам і патрабаваннямі да экспазіцыі. На практыцы лепшая камера для слабага асвятлення — гэта не проста тая, у якой найвышэйшы КЭ на паперы, а тая, якая забяспечвае правільны баланс адчувальнасці, шумавых характарыстык і прыдатнасці сістэмы для задачы візуалізацыі.
Для карыстальнікаў, якія працуюць з патрабавальнымі праграмамі пры слабым асвятленні, больш уважлівы погляд на крывыя квантавай эластычнасці (QE) і агульную прадукцыйнасць датчыка можа прывесці да больш надзейных рашэнняў адносна камеры. Калі вы ацэньваеце навуковыя камеры для флуарэсцэнцыі, мікраскапіі з нізкім узроўнем сігналу або іншых працоўных працэсаў візуалізацыі з абмежаваннем фатонаў,Тусенможа дапамагчы вам параўнаць падыходныя варыянты для вашага прыкладання.
Падобны артыкул: Для больш шырокага азнаямлення з асновамі колькаснага паглынання і інтэрпрэтацыі дадзеных прачытайцеКвантавая эфектыўнасць у навуковых камерах: кіраўніцтва для пачаткоўцаў.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
