25/08/15В научната обработка на изображения, прецизността е всичко. Независимо дали улавяте флуоресцентни сигнали при слаба светлина или проследявате слаби небесни обекти, способността на вашата камера да открива светлина влияе пряко върху качеството на резултатите. Един от най-важните, но често неразбрани фактори в това уравнение е квантовата ефективност (КЕ).
Това ръководство ще ви запознае с това какво е QE, защо е важно, как да интерпретирате спецификациите на QE и как се сравнява с различните типове сензори. Ако търсите...научна камераили просто се опитвате да разберете информационните листове на камерата, това е за вас.
Фигура: Примери за типична QE крива на камера Tucsen
(а)Овен 6510(б)Дхяна 6060BSI(в)Везни 22
Какво е квантова ефективност?
Квантовата ефективност е вероятността фотон, достигнал сензора на камерата, действително да бъде засечен и да освободи фотоелектрон в силиция.
На множество етапи от пътуването на фотона към тази точка има бариери, които могат да абсорбират фотоните или да ги отразяват. Освен това, никой материал не е 100% прозрачен за всяка дължина на вълната на фотона, плюс това всякакви промени в състава на материала имат вероятност да отразят или разсеят фотоните.
Изразена като процент, квантовата ефективност се определя като:
QE (%) = (Брой генерирани електрони / Брой падащи фотони) × 100
Има два основни вида:
●Външно количествено облекчаване (QE)Измерени характеристики, включително ефекти като отражение и загуби от предаване.
●Вътрешно количествено облекчаванеИзмерва ефективността на преобразуване в самия сензор, приемайки, че всички фотони са абсорбирани.
По-високото QE означава по-добра светлочувствителност и по-силни сигнали на изображението, особено при сценарии със слаба светлина или ограничен брой фотони.
Защо квантовата ефективност е от значение в научните камери?
При обработката на изображения винаги е полезно да се улови възможно най-високият процент входящи фотони, особено в приложения, изискващи висока чувствителност.
Сензорите с висока квантова ефективност обаче са по-скъпи. Това се дължи на инженерното предизвикателство за максимизиране на коефициента на запълване, като същевременно се запазва функцията на пикселите, а също и на процеса на задно осветяване. Този процес, както ще научите, позволява най-висока квантова ефективност, но е съпроводен със значително повишена сложност на производството.
Както при всички спецификации на камерата, необходимостта от квантова ефективност винаги трябва да се преценява спрямо други фактори за вашето конкретно приложение за обработка на изображения. Например, въвеждането на глобален затвор може да донесе предимства за много приложения, но обикновено не може да бъде реализирано на BI сензор. Освен това, то изисква добавяне на допълнителен транзистор към пиксела. Това може да намали коефициента на запълване и следователно квантовата ефективност, дори в сравнение с други FI сензори.
Примерни приложения, където QE може да бъде важно
Няколко примерни приложения:
● Изобразяване при слаба светлина и флуоресценция на нефиксирани биологични проби
● Високоскоростно заснемане
● Количествени приложения, изискващи високопрецизни измервания на интензитета
QE по тип сензор
Различните технологии за сензори за изображения показват различна квантова ефективност. Ето как обикновено се сравнява квантовата ефективност между основните типове сензори:
CCD (устройство със зарядно свързване)
Традиционно предпочитаните научни изображения заради ниския им шум и високото количествено усещане (QE), често достигащо пик между 70–90%. CCD матриците се отличават с отлични резултати в приложения като астрономията и изображенията с дълга експозиция.
CMOS (комплементарен метал-оксид-полупроводник)
Някога ограничени от по-ниското качество на окото (QE) и по-високия шум при четене, съвременните CMOS сензори – особено моделите с подсветка – значително са го наваксали. Много от тях сега достигат пикови стойности на QE над 80%, предлагайки отлична производителност с по-бързи кадри в секунда и по-ниска консумация на енергия.
Разгледайте нашата гама от усъвършенстваниCMOS камерамодели, за да се види докъде е стигнала тази технология, като напримерsCMOS камерата Libra 3405M на Tucsen, високочувствителна научна камера, проектирана за взискателни приложения при слаба светлина.
sCMOS (научен CMOS)
Специализиран клас CMOS, предназначен за научно изобразяване,sCMOS камераТехнологията съчетава висок коефициент на квантово изобразяване (QE) (обикновено 70–95%) с нисък шум, висок динамичен диапазон и бързо придобиване. Идеална за изображения на живи клетки, високоскоростна микроскопия и многоканална флуоресценция.
Как да разчетем крива на квантова ефективност
Производителите обикновено публикуват QE крива, която изобразява ефективността (%) по дължини на вълните (nm). Тези криви са от съществено значение за определяне на това как една камера се представя в специфични спектрални диапазони.
Ключови елементи, които да търсите:
●Пик на количественото облекчаванеМаксимална ефективност, често в диапазона 500–600 nm (зелена светлина).
●Диапазон на дължината на вълната: Използваемият спектрален прозорец, където QE остава над полезен праг (напр. >20%).
●Зони за оставянеКвантовото изпарение (QE) има тенденция да намалява в UV (<400 nm) и NIR (>800 nm) областите.
Тълкуването на тази крива ви помага да съпоставите силните страни на сензора с вашето приложение, независимо дали заснемате изображения във видимия спектър, близкия инфрачервен или ултравиолетовия.
Зависимост на квантовата ефективност от дължината на вълната
Фигура: QE крива, показваща типични стойности за силициеви сензори с предно и задно осветяване
ЗАБЕЛЕЖКАГрафиката показва вероятността за откриване на фотони (квантова ефективност, %) спрямо дължината на вълната на фотона за четири примерни камери. Различните варианти на сензори и покрития могат драстично да изместят тези криви.
Квантовата ефективност е силно зависима от дължината на вълната, както е показано на фигурата. По-голямата част от силициевите сензори за камери показват своята пикова квантова ефективност във видимата част на спектъра, най-често в зелената до жълтата област, от около 490 nm до 600 nm. Кривите на квантовата ефективност могат да бъдат модифицирани чрез покрития на сензорите и варианти на материалите, за да се осигури пикова квантова ефективност около 300 nm в ултравиолетовия (UV) спектър, около 850 nm в близкия инфрачервен (NIR) спектър и много други опции.
Всички силициеви камери показват спад в квантовата ефективност към 1100 nm, при която фотоните вече нямат достатъчно енергия, за да освободят фотоелектрони. UV производителността може да бъде силно ограничена при сензори с микролещи или UV-блокиращо стъкло, което ограничава достигането на късовълновата светлина до сензора.
Между тях, QE кривите рядко са гладки и равномерни и вместо това често включват малки пикове и спадове, причинени от различните свойства на материалите и прозрачността на материалите, от които е съставен пикселът.
В приложения, изискващи UV или NIR чувствителност, разглеждането на кривите на квантовата ефективност може да стане много по-важно, тъй като при някои камери квантовата ефективност може да бъде многократно по-голяма от други в крайните краища на кривата.
Рентгенова чувствителност
Някои силициеви сензори за камери могат да работят във видимата светлинна част на спектъра, като същевременно са способни да откриват някои дължини на вълните на рентгеновите лъчи. Камерите обаче обикновено изискват специфично инженерство, за да се справят както с въздействието на рентгеновите лъчи върху електрониката на камерата, така и с вакуумните камери, които обикновено се използват за рентгенови експерименти.
Инфрачервени камери
И накрая, сензори, базирани не на силиций, а на други материали, могат да показват напълно различни криви на квантовата ефективност (QE). Например, инфрачервените камери InGaAs, базирани на индиево-галиев арсенид вместо силиций, могат да откриват широки диапазони на дължините на вълните в ближния инфрачервен спектър (NIR), до максимум около 2700 nm, в зависимост от варианта на сензора.
Квантова ефективност спрямо други спецификации на камерата
Квантовата ефективност е ключов показател за производителността, но тя не действа самостоятелно. Ето как тя се свързва с други важни спецификации на камерата:
QE срещу чувствителност
Чувствителността е способността на камерата да открива слаби сигнали. QE (енергийна ефективност) допринася директно за чувствителността, но други фактори като размер на пикселите, шум при четене и тъмен ток също играят роля.
QE спрямо съотношението сигнал/шум (SNR)
По-високото квантово съотношение (QE) подобрява съотношението сигнал/шум (SNR), като генерира повече сигнал (електрони) на фотон. Но прекомерният шум, дължащ се на лоша електроника или неадекватно охлаждане, все още може да влоши изображението.
QE срещу динамичен диапазон
Докато QE (Quality Effects - количествено изчисление) влияе върху количеството светлина, което се открива, динамичният диапазон описва съотношението между най-ярките и най-тъмните сигнали, които камерата може да обработи. Камера с висок QE, но с лош динамичен диапазон, все пак може да даде некачествени резултати в сцени с висок контраст.
Накратко, квантовата ефективност е критична, но винаги я оценявайте заедно с допълващи се спецификации.
Какво е „добра“ квантова ефективност?
Няма универсално „най-добро“ количествено обяснение – зависи от вашето приложение. Въпреки това, ето общи критерии:
| Диапазон на QE | Ниво на производителност | Случаи на употреба |
| <40% | Ниско | Не е идеален за научна употреба |
| 40–60% | Средно | Научни приложения на начално ниво |
| 60–80% | Добре | Подходящ за повечето задачи за обработка на изображения |
| 80–95% | Отлично | Изображения при слаба светлина, с висока прецизност или с ограничен брой фотони |
Също така, вземете предвид пиковото КИ спрямо средното КИ в желания от вас спектрален диапазон.
Заключение
Квантовата ефективност е един от най-важните, но пренебрегвани фактори при избора на устройство за научно изобразяване. Независимо дали оценявате CCD, sCMOS камери или CMOS камери, разбирането на квантовата ефективност ви помага:
● Предвидете как ще се представи камерата ви при реални условия на осветление
● Сравнявайте продуктите обективно отвъд маркетинговите твърдения
● Съобразете спецификациите на камерата с вашите научни изисквания
С напредването на сензорните технологии, днешните научни камери с висока квантова ефективност предлагат забележителна чувствителност и гъвкавост в разнообразни приложения. Но независимо колко напреднал е хардуерът, изборът на правилния инструмент започва с разбирането как квантовата ефективност се вписва в по-голямата картина.
Често задавани въпроси
По-високата квантова ефективност винаги ли е по-добра в научната камера?
По-високата квантова ефективност (КЕ) обикновено подобрява способността на камерата да открива ниски нива на светлина, което е ценно в приложения като флуоресцентна микроскопия, астрономия и изображения на единични молекули. КЕ обаче е само една част от балансиран профил на производителност. Камера с висока КЕ, лош динамичен диапазон, висок шум при четене или недостатъчно охлаждане може все още да даде неоптимални резултати. За най-добра производителност винаги оценявайте КЕ в комбинация с други ключови спецификации като шум, битова дълбочина и архитектура на сензора.
Как се измерва квантовата ефективност?
Квантовата ефективност се измерва чрез осветяване на сензор с известен брой фотони на определена дължина на вълната и след това преброяване на броя на генерираните от сензора електрони. Това обикновено се прави с помощта на калибриран монохроматичен източник на светлина и референтен фотодиод. Получената стойност на квантовата ефективност (QE) се нанася на графика по дължини на вълните, за да се създаде QE крива. Това помага да се определи спектралният отговор на сензора, който е от решаващо значение за съпоставяне на камерата със светлинния източник или диапазона на излъчване на вашето приложение.
Може ли софтуерът или външните филтри да подобрят квантовата ефективност?
Не. Квантовата ефективност е присъщо свойство на сензора за изображения на хардуерно ниво и не може да бъде променено от софтуер или външни аксесоари. Филтрите обаче могат да подобрят цялостното качество на изображението, като увеличат съотношението сигнал/шум (напр. използване на емисионни филтри във флуоресцентни приложения), а софтуерът може да помогне за намаляване на шума или последваща обработка. Въпреки това, те не променят самата стойност на квантовата ефективност.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
