25.08.15У навуковай візуалізацыі дакладнасць — гэта ўсё. Незалежна ад таго, фіксуеце вы сігналы флуарэсцэнцыі пры слабым асвятленні ці адсочваеце цьмяныя нябесныя аб'екты, здольнасць вашай камеры выяўляць святло непасрэдна ўплывае на якасць вашых вынікаў. Адным з найбольш важных, але часта незразумелых фактараў у гэтым ураўненні з'яўляецца квантавая эфектыўнасць (КК).
У гэтым кіраўніцтве вы даведаецеся, што такое QE, чаму гэта важна, як інтэрпрэтаваць спецыфікацыі QE і як яно параўноўваецца ў розных тыпах датчыкаў. Калі вы шукаеценавуковая камераці проста спрабуеце разабрацца ў тэхнічных характарыстыках камеры, гэта для вас.
Малюнак: Прыклады крывых квантавання тыповай камеры Tucsen
(а)Авен 6510(б)Дх'яна 6060BSI(с)Шалі 22
Што такое квантавая эфектыўнасць?
Квантавая эфектыўнасць — гэта верагоднасць таго, што фатон, які дасягае да датчыка камеры, будзе выяўлены і вызваліць фотаэлектрон у крэмніі.
На некалькіх этапах шляху фатона да гэтага пункта існуюць бар'еры, якія могуць паглынаць фатоны або адбіваць іх. Акрамя таго, ні адзін матэрыял не з'яўляецца на 100% празрыстым для любой даўжыні хвалі фатона, і любыя змены ў складзе матэрыялу могуць прывесці да адлюстравання або рассейвання фатонаў.
Выражаная ў працэнтах, квантавая эфектыўнасць вызначаецца як:
КЭ (%) = (колькасць генераваных электронаў / колькасць падаючых фатонаў) × 100
Існуе два асноўныя тыпы:
●Знешняя колькасная эканоміяВымераная прадукцыйнасць, уключаючы такія эфекты, як адлюстраванне і страты пры перадачы.
●Унутранае колькаснае паслабленнеВымярае эфектыўнасць пераўтварэння ўнутры самога датчыка, мяркуючы, што ўсе фатоны паглынаюцца.
Больш высокі каэфіцыент квантавай эмацыйнасці (QE) азначае лепшую святлоадчувальнасць і мацнейшыя сігналы выявы, асабліва ва ўмовах нізкай асветленасці або абмежаванай колькасці фатонаў.
Чаму квантавая эфектыўнасць мае значэнне ў навуковых камерах?
Пры візуалізацыі заўсёды карысна фіксаваць максімальна магчымы працэнт уваходных фатонаў, асабліва ў выпадках, калі патрабуецца высокая адчувальнасць.
Аднак датчыкі з высокай квантавай эфектыўнасцю, як правіла, даражэйшыя. Гэта звязана з інжынернай праблемай максімізацыі каэфіцыента запаўнення пры захаванні функцыянальнасці пікселя, а таксама з працэсам падсветкі. Гэты працэс, як вы даведаецеся, забяспечвае найвышэйшую квантавую эфектыўнасць, але ён суправаджаецца значным павелічэннем складанасці вытворчасці.
Як і ва ўсіх характарыстыках камеры, неабходнасць квантавай эфектыўнасці заўсёды павінна ўлічвацца ў параўнанні з іншымі фактарамі для вашага канкрэтнага прыкладання апрацоўкі выяваў. Напрыклад, увядзенне глабальнага затвора можа прынесці перавагі для многіх прыкладанняў, але звычайна яго немагчыма рэалізаваць на BI-датчыку. Акрамя таго, гэта патрабуе дадання дадатковага транзістара да пікселя. Гэта можа знізіць каэфіцыент запаўнення і, такім чынам, квантавую эфектыўнасць, нават у параўнанні з іншымі FI-датчыкамі.
Прыклады прымянення, дзе QE можа быць важным
Некалькі прыкладаў прыкладанняў:
● Візуалізацыя нефіксаваных біялагічных узораў пры слабым асвятленні і флуарэсцэнцыя
● Высокахуткасная візуалізацыя
● Колькасныя прымяненні, якія патрабуюць высакаякасных вымярэнняў інтэнсіўнасці
QE па тыпу датчыка
Розныя тэхналогіі датчыкаў выявы дэманструюць розную квантавую эфектыўнасць. Вось як квантавая эфектыўнасць звычайна параўноўваецца паміж асноўнымі тыпамі датчыкаў:
ПЗС (прылада з зарадавай сувяззю)
Традыцыйна аддавалі перавагу навуковым візуалізацыям з-за нізкага ўзроўню шуму і высокага квантавання, які часта дасягае піку ў дыяпазоне 70–90%. ПЗС-матрыцы выдатна падыходзяць для такіх прымяненняў, як астраномія і візуалізацыя з доўгай вытрымкай.
КМОП (камплементарны метал-аксід-паўправаднік)
Калісьці абмежаваныя нізкім квантавым эфектам (QE) і больш высокім шумам чытання, сучасныя CMOS-датчыкі, асабліва канструкцыі з задняй падсветкай, значна дагналі гэты паказчык. Многія з іх цяпер дасягаюць пікавых значэнняў QE вышэй за 80%, прапаноўваючы выдатную прадукцыйнасць з больш высокай частатой кадраў і меншым спажываннем энергіі.
Азнаёмцеся з нашым асартыментам перадавыхCMOS-камерамадэлі, каб убачыць, наколькі далёка зайшла гэтая тэхналогія, напрыкладsCMOS-камера Tucsen Libra 3405M, высокаадчувальная навуковая камера, прызначаная для працы ў складаных умовах нізкай асветленасці.
sCMOS (навуковая CMOS-матрыца)
Спецыялізаваны клас CMOS, прызначаны для навуковай візуалізацыі,sCMOS-камераТэхналогія спалучае высокі каэфіцыент квантавання (звычайна 70–95%) з нізкім узроўнем шуму, шырокім дынамічным дыяпазонам і хуткай візуалізацыяй. Ідэальна падыходзіць для візуалізацыі жывых клетак, высакахуткаснай мікраскапіі і шматканальнай флуарэсцэнцыі.
Як чытаць крывую квантавай эфектыўнасці
Вытворцы звычайна публікуюць крывую квантавай эфектыўнасці (QE), якая адлюстроўвае эфектыўнасць (%) па даўжынях хваль (нм). Гэтыя крывыя неабходныя для вызначэння таго, як камера працуе ў пэўных спектральных дыяпазонах.
Ключавыя элементы, на якія варта звярнуць увагу:
●Пік колькаснага паслабленняМаксімальная эфектыўнасць, часта ў дыяпазоне 500–600 нм (зялёнае святло).
●Дыяпазон даўжынь хваль: Карыстальнае спектральнае акно, дзе QE застаецца вышэй за карысны парог (напрыклад, >20%).
●Зоны высадкіКвантавая эфектыўнасць (КЭ) мае тэндэнцыю да зніжэння ў УФ- (<400 нм) і БІЧ- (>800 нм) дыяпазонах.
Інтэрпрэтацыя гэтай крывой дапаможа вам падабраць моцныя бакі датчыка ў адпаведнасці з вашым прымяненнем, незалежна ад таго, ці атрымліваеце вы выявы ў бачным спектры, блізкім інфрачырвоным або ультрафіялетавым.
Залежнасць квантавай эфектыўнасці ад даўжыні хвалі
Малюнак: Крывая QE, якая паказвае тыповыя значэнні для крэмніевых датчыкаў з пярэдняй і задняй падсветкай
ЗАЎВАГАГрафік паказвае верагоднасць выяўлення фатонаў (квантавая эфектыўнасць, %) у залежнасці ад даўжыні хвалі фатонаў для чатырох прыкладаў камер. Розныя варыянты датчыкаў і пакрыццяў могуць істотна зрушыць гэтыя крывыя.
Квантавая эфектыўнасць моцна залежыць ад даўжыні хвалі, як паказана на малюнку. Большасць крэмніевых датчыкаў камер дэманструюць сваю пікавую квантавую эфектыўнасць у бачнай частцы спектру, часцей за ўсё ў зялёна-жоўтай вобласці, ад 490 нм да 600 нм. Крывыя квантавай эфектыўнасці можна змяніць з дапамогай пакрыццяў датчыкаў і варыянтаў матэрыялаў, каб забяспечыць пікавую квантавую эфектыўнасць каля 300 нм у ультрафіялетавым (УФ) дыяпазоне, каля 850 нм у блізкім інфрачырвоным (НІЧ) дыяпазоне і многія іншыя варыянты.
Усе камеры на аснове крэмнію дэманструюць зніжэнне квантавай эфектыўнасці да 1100 нм, пры якой фатоны больш не маюць дастатковай энергіі для вызвалення фотаэлектронаў. Ультрафіялетавая эфектыўнасць можа быць значна абмежаваная ў датчыках з мікралінзамі або шклом, якое блакуе ультрафіялетавае выпраменьванне, што абмяжоўвае караткахвалевае святло, якое трапляе ў датчык.
Паміж імі крывыя квантавай эластычнасці рэдка бываюць гладкімі і роўнымі, замест гэтага часта ўтрымліваюць невялікія пікі і западзіны, выкліканыя рознымі ўласцівасцямі матэрыялаў і празрыстасцю матэрыялаў, з якіх складаецца піксель.
У выпадках, калі патрабуецца адчувальнасць да ультрафіялетавага або блізкага інфрачырвонага выпраменьвання, улік крывых квантавай эфектыўнасці можа стаць значна больш важным, бо ў некаторых камерах квантавая эфектыўнасць можа быць у шмат разоў большай, чым у іншых, на крайніх канцах крывой.
Адчувальнасць да рэнтгенаўскага выпраменьвання
Некаторыя крэмніевыя датчыкі камер могуць працаваць у бачнай частцы спектру, а таксама здольныя выяўляць некаторыя даўжыні хваль рэнтгенаўскіх прамянёў. Аднак камеры звычайна патрабуюць спецыяльнай канструкцыі, каб справіцца як з уздзеяннем рэнтгенаўскіх прамянёў на электроніку камеры, так і з вакуумнымі камерамі, якія звычайна выкарыстоўваюцца для рэнтгенаўскіх эксперыментаў.
Інфрачырвоныя камеры
Нарэшце, датчыкі, зробленыя не на крэмніі, а з іншых матэрыялаў, могуць дэманстраваць зусім іншыя крывыя квантавай эластычнасці (КЭ). Напрыклад, інфрачырвоныя камеры на аснове InGaAs, якія выкарыстоўваюць арсенід індыя-галію замест крэмнію, могуць выяўляць шырокі дыяпазон даўжынь хваль у бліжнім інфрачырвоным дыяпазоне, максімум да 2700 нм, у залежнасці ад варыянту датчыка.
Квантавая эфектыўнасць у параўнанні з іншымі характарыстыкамі камеры
Квантавая эфектыўнасць — ключавы паказчык прадукцыйнасці, але яна не дзейнічае асобна. Вось як яна звязана з іншымі важнымі характарыстыкамі камеры:
QE супраць адчувальнасці
Адчувальнасць — гэта здольнасць камеры выяўляць слабыя сігналы. Квантавая эластычнасць (КЭ) непасрэдна ўплывае на адчувальнасць, але іншыя фактары, такія як памер пікселя, шум чытання і цёмны ток, таксама адыгрываюць ролю.
QE супраць суадносін сігнал/шум (SNR)
Больш высокае квантавае ўздзеянне паляпшае суадносіны сігнал/шум (SNR), генеруючы больш сігналу (электронаў) на фатон. Але празмерны шум, выкліканы дрэннай электронікай або неадэкватным астуджэннем, усё роўна можа пагоршыць якасць выявы.
QE супраць дынамічнага дыяпазону
Хоць квантаванне (QE) уплывае на колькасць выяўленага святла, дынамічны дыяпазон апісвае суадносіны паміж самым яркім і самым цёмным сігналамі, якія можа апрацоўваць камера. Камера з высокім квантаваннем (QE) і дрэнным дынамічным дыяпазонам усё яшчэ можа даваць не вельмі якасныя вынікі ў сцэнах з высокай кантраснасцю.
Карацей кажучы, квантавая эфектыўнасць мае вырашальнае значэнне, але заўсёды ацэньвайце яе разам з дадатковымі характарыстыкамі.
Што такое «добрая» квантавая эфектыўнасць?
Няма універсальнага «лепшага» метаду каэфіцыента якасці — усё залежыць ад вашага прымянення. Тым не менш, вось агульныя арыенціры:
| Дыяпазон QE | Узровень прадукцыйнасці | Выпадкі выкарыстання |
| <40% | Нізкі | Не падыходзіць для навуковага выкарыстання |
| 40–60% | Сярэдні | Навуковыя прыкладанні пачатковага ўзроўню |
| 60–80% | Добра | Падыходзіць для большасці задач па візуалізацыі |
| 80–95% | Выдатна | Візуалізацыя пры слабым асвятленні, высокадакладная або з абмежаваннем фатонаў |
Акрамя таго, улічвайце пікавую квантовую эфектыўнасць у параўнанні са сярэдняй квантовай эфектыўнасцю ў патрэбным спектральным дыяпазоне.
Выснова
Квантавая эфектыўнасць — адзін з найважнейшых, але забытых фактараў пры выбары прылады для візуалізацыі навуковых дадзеных. Незалежна ад таго, ацэньваеце вы ПЗС-матрыцы, sCMOS-камеры ці CMOS-камеры, разуменне квантавай эфектыўнасці дапаможа вам:
● Прагназуйце, як ваша камера будзе працаваць у рэальных умовах асвятлення
● Параўноўвайце прадукты аб'ектыўна, не зважаючы на маркетынгавыя заяўкі
● Падбярыце характарыстыкі камеры ў адпаведнасці з вашымі навуковымі патрабаваннямі
Па меры развіцця тэхналогіі датчыкаў, сучасныя навуковыя камеры з высокім узроўнем квантавай эфектыўнасці забяспечваюць выдатную адчувальнасць і ўніверсальнасць у розных сферах прымянення. Але незалежна ад таго, наколькі прасунутае абсталяванне, выбар патрэбнага інструмента пачынаецца з разумення таго, як квантавая эфектыўнасць упісваецца ў агульную карціну.
Часта задаваныя пытанні
Ці заўсёды больш высокая квантавая эфектыўнасць лепшая ў навуковай камеры?
Больш высокая квантавая эфектыўнасць (КК) звычайна паляпшае здольнасць камеры выяўляць нізкія ўзроўні святла, што каштоўна ў такіх сферах, як флуарэсцэнтная мікраскапія, астраномія і візуалізацыя адзінкавых малекул. Аднак КК — гэта толькі адна частка збалансаванага профілю прадукцыйнасці. Камера з высокай КК з нізкім дынамічным дыяпазонам, высокім шумам чытання або недастатковым астуджэннем усё яшчэ можа даваць неаптымальныя вынікі. Для дасягнення найлепшай прадукцыйнасці заўсёды ацэньвайце КК у спалучэнні з іншымі ключавымі характарыстыкамі, такімі як шум, глыбіня колеру і архітэктура датчыка.
Як вымяраецца квантавая эфектыўнасць?
Квантавая эфектыўнасць вымяраецца шляхам асвятлення датчыка вядомай колькасцю фатонаў на пэўнай даўжыні хвалі, а затым падліку колькасці электронаў, якія генеруюцца датчыкам. Звычайна гэта робіцца з выкарыстаннем калібраванай манахраматычнай крыніцы святла і эталоннага фотадыёда. Атрыманае значэнне квантавай эфектыўнасці (КЭ) адлюстроўваецца на графіку па даўжынях хваль для стварэння крывой КЭ. Гэта дапамагае вызначыць спектральную характарыстыку датчыка, што вельмі важна для супастаўлення камеры з крыніцай святла або дыяпазонам выпраменьвання вашага прыкладання.
Ці можа праграмнае забеспячэнне або знешнія фільтры палепшыць квантавую эфектыўнасць?
Не. Квантавая эфектыўнасць — гэта ўнутраная ўласцівасць датчыка выявы на ўзроўні абсталявання, і яе нельга змяніць праграмным забеспячэннем або знешнімі аксэсуарамі. Аднак фільтры могуць палепшыць агульную якасць выявы, павялічваючы суадносіны сігнал/шум (напрыклад, выкарыстанне эмісійных фільтраў у флуарэсцэнтных дадатках), а праграмнае забеспячэнне можа дапамагчы з шумапрыглушэннем або пасляапрацоўкай. Тым не менш, яны не змяняюць само значэнне квантавай эфектыўнасці.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
