25.08.2015.U naučnom snimanju, preciznost je sve. Bez obzira da li snimate fluorescentne signale pri slabom osvjetljenju ili pratite slabe nebeske objekte, sposobnost vaše kamere da detektuje svjetlost direktno utiče na kvalitet vaših rezultata. Jedan od najvažnijih, ali često pogrešno shvaćenih faktora u ovoj jednačini je kvantna efikasnost (QE).
Ovaj vodič će vas provesti kroz šta je QE, zašto je važan, kako interpretirati QE specifikacije i kako se upoređuje sa različitim tipovima senzora. Ako ste u potrazi za...naučna kameraili samo pokušavate shvatiti tehničke specifikacije kamere, ovo je za vas.
Slika: Primjeri tipičnih QE krivulja za Tucsen kameru
(a)Ovan 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vaga 22
Šta je kvantna efikasnost?
Kvantna efikasnost je vjerovatnoća da će foton koji stigne do senzora kamere biti detektovan i osloboditi fotoelektron u silicijumu.
U više faza na putu fotona prema ovoj tački, postoje barijere koje mogu apsorbirati fotone ili ih reflektirati. Osim toga, nijedan materijal nije 100% transparentan za svaku talasnu dužinu fotona, a bilo kakve promjene u sastavu materijala imaju mogućnost reflektiranja ili raspršivanja fotona.
Izražena u procentima, kvantna efikasnost se definiše kao:
QE (%) = (Broj generiranih elektrona / Broj upadnih fotona) × 100
Postoje dvije glavne vrste:
●Vanjski kvantitativni efekt (QE)Izmjerene performanse uključujući efekte poput refleksije i gubitaka pri prenosu.
●Interni kvantitativni tretman (QE)Mjeri efikasnost konverzije unutar samog senzora, pod pretpostavkom da su svi fotoni apsorbovani.
Veći kvantni efekat (QE) znači bolju osjetljivost na svjetlost i jače signale slike, posebno u scenarijima slabog osvjetljenja ili ograničenog broja fotona.
Zašto je kvantna efikasnost bitna kod naučnih kamera?
Kod snimanja je uvijek korisno uhvatiti što veći postotak dolaznih fotona, posebno u primjenama koje zahtijevaju visoku osjetljivost.
Međutim, senzori visoke kvantne efikasnosti obično su skuplji. To je zbog inženjerskog izazova maksimiziranja faktora popunjavanja uz održavanje funkcije piksela, a također i zbog procesa pozadinskog osvjetljenja. Ovaj proces, kao što ćete saznati, omogućava najveću kvantnu efikasnost - ali dolazi sa značajno povećanom složenošću proizvodnje.
Kao i kod svih specifikacija kamere, potreba za kvantnom efikasnošću mora se uvijek odmjeriti u odnosu na druge faktore za vašu specifičnu primjenu u obradi slike. Na primjer, uvođenje globalnog zatvarača može donijeti prednosti za mnoge primjene, ali se obično ne može implementirati na BI senzoru. Nadalje, zahtijeva dodavanje dodatnog tranzistora pikselu. To može smanjiti faktor popunjavanja, a time i kvantnu efikasnost, čak i u poređenju s drugim FI senzorima.
Primjeri primjena gdje kvantitativno poboljšanje (QE) može biti važno
Nekoliko primjera aplikacija:
● Snimanje nefiksiranih bioloških uzoraka pri slabom osvjetljenju i fluorescentnim snimanjem
● Brzo snimanje
● Kvantitativne primjene koje zahtijevaju visokoprecizna mjerenja intenziteta
QE prema tipu senzora
Različite tehnologije senzora slike pokazuju različite kvantne efikasnosti. Evo kako se kvantna efikasnost obično poredi sa glavnim tipovima senzora:
CCD (Charge-Coupled Device)
Tradicionalno favorizovano naučno snimanje zbog niskog šuma i visokog kvantnog efekta (QE), koji često dostiže vrhunac između 70-90%. CCD-ovi se ističu u primjenama poput astronomije i snimanja s dugom ekspozicijom.
CMOS (komplementarni metal-oksid-poluprovodnik)
Nekada ograničeni nižim kvantnim efektom (QE) i većim šumom pri čitanju, moderni CMOS senzori - posebno oni s pozadinskim osvjetljenjem - značajno su to dostigli. Mnogi sada dostižu vršne vrijednosti QE iznad 80%, nudeći odlične performanse s većim brojem sličica u sekundi i nižom potrošnjom energije.
Istražite naš asortiman naprednihCMOS kameramodele kako bi se vidjelo koliko je daleko ova tehnologija stigla, kao što suTucsenova Libra 3405M sCMOS kamera, visokoosjetljiva naučna kamera dizajnirana za zahtjevne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja.
sCMOS (Naučni CMOS)
Specijalizovana klasa CMOS-a dizajnirana za naučno snimanje,sCMOS kameraTehnologija kombinuje visoku kvantnu efikasnost (QE) (obično 70–95%) sa niskim šumom, visokim dinamičkim rasponom i brzom akvizicijom. Idealna je za snimanje živih ćelija, brzu mikroskopiju i višekanalnu fluorescenciju.
Kako čitati krivulju kvantne efikasnosti
Proizvođači obično objavljuju QE krivulju koja prikazuje efikasnost (%) u svim talasnim dužinama (nm). Ove krivulje su ključne za određivanje kako kamera radi u određenim spektralnim opsezima.
Ključni elementi koje treba tražiti:
●Vrhunac kvantitativnog popuštanja (QE)Maksimalna efikasnost, često u rasponu od 500–600 nm (zeleno svjetlo).
●Raspon talasnih dužinaUpotrebljiv spektralni prozor gdje QE ostaje iznad korisnog praga (npr. >20%).
●Zone za iskrcavanjeQE ima tendenciju pada u UV (<400 nm) i NIR (>800 nm) područjima.
Tumačenje ove krivulje pomaže vam da uskladite snage senzora s vašom primjenom, bez obzira da li snimate u vidljivom spektru, bliskom infracrvenom ili UV zračenju.
Zavisnost kvantne efikasnosti od talasne dužine
Slika: QE krivulja koja prikazuje tipične vrijednosti za senzore na bazi silicija sa prednjim i zadnjim osvjetljenjem
NAPOMENAGrafikon prikazuje vjerovatnoću detekcije fotona (kvantna efikasnost, %) u odnosu na talasnu dužinu fotona za četiri primjera kamera. Različite varijante senzora i premazi mogu dramatično pomjeriti ove krive.
Kvantna efikasnost u velikoj mjeri zavisi od talasne dužine, kao što je prikazano na slici. Većina senzora kamera na bazi silicija pokazuje svoju vršnu kvantnu efikasnost u vidljivom dijelu spektra, najčešće u zelenoj do žutoj regiji, od oko 490 nm do 600 nm. Krive kvantne efikasnosti mogu se modificirati putem premaza senzora i varijanti materijala kako bi se obezbijedila vršna kvantna efikasnost oko 300 nm u ultraljubičastom (UV) području, oko 850 nm u bliskom infracrvenom (NIR) području i mnoge opcije između.
Sve kamere na bazi silicija pokazuju pad kvantne efikasnosti prema 1100 nm, pri kojoj fotoni više nemaju dovoljno energije za oslobađanje fotoelektrona. UV performanse mogu biti ozbiljno ograničene kod senzora s mikrosočivima ili prozorskim staklom koje blokira UV zračenje, što ograničava dolazak svjetlosti kratke valne dužine do senzora.
Između toga, QE krivulje rijetko su glatke i ujednačene, već često uključuju male vrhove i doline uzrokovane različitim svojstvima materijala i prozirnošću materijala od kojih je piksel sastavljen.
U primjenama koje zahtijevaju UV ili NIR osjetljivost, razmatranje krivulja kvantne efikasnosti može postati mnogo važnije, jer kod nekih kamera kvantna efikasnost može biti mnogo veća od drugih na krajnjim krajevima krivulje.
Osjetljivost na rendgenske zrake
Neki silikonski senzori kamera mogu raditi u vidljivom dijelu spektra, a istovremeno su sposobni detektovati neke talasne dužine rendgenskih zraka. Međutim, kamere obično zahtijevaju specifično inženjerstvo kako bi se nosile sa uticajem rendgenskih zraka na elektroniku kamere i sa vakuumskim komorama koje se obično koriste za rendgenske eksperimente.
Infracrvene kamere
Konačno, senzori koji nisu bazirani na silicijumu, već na drugim materijalima, mogu pokazivati potpuno različite QE krivulje. Na primjer, InGaAs infracrvene kamere, bazirane na indijum-galijum-arsenidima umjesto silicija, mogu detektovati široke opsege talasnih dužina u bliskom infracrvenom spektru (NIR), do maksimalno oko 2700 nm, ovisno o varijanti senzora.
Kvantna efikasnost u odnosu na druge specifikacije kamere
Kvantna efikasnost je ključna metrika performansi, ali ne funkcioniše izolovano. Evo kako se odnosi na druge važne specifikacije kamere:
QE u odnosu na osjetljivost
Osjetljivost je sposobnost kamere da detektuje slabe signale. Kvantna efikasnost (QE) direktno doprinosi osjetljivosti, ali ulogu igraju i drugi faktori poput veličine piksela, šuma očitavanja i tamne struje.
QE u odnosu na odnos signal-šum (SNR)
Veći kvantni efekt (QE) poboljšava odnos signal-šum (SNR) generiranjem više signala (elektrona) po fotonu. Ali prekomjerni šum, zbog loše elektronike ili neadekvatnog hlađenja, i dalje može degradirati sliku.
QE u odnosu na dinamički raspon
Dok kvantni efekt (QE) utiče na količinu detektovane svjetlosti, dinamički raspon opisuje odnos između najsvjetlijih i najtamnijih signala koje kamera može obraditi. Kamera s visokim kvantnim efektom (QE) i lošim dinamičkim rasponom i dalje može dati rezultate ispodprosječne kvalitete u scenama s visokim kontrastom.
Ukratko, kvantna efikasnost je ključna, ali je uvijek treba procjenjivati uz komplementarne specifikacije.
Šta je "dobra" kvantna efikasnost?
Ne postoji univerzalni "najbolji" kvantni tretman - to zavisi od vaše primjene. Uprkos tome, evo opštih referentnih vrijednosti:
| Raspon kvantitativnog efekta (QE) | Nivo performansi | Primjeri upotrebe |
| <40% | Nisko | Nije idealno za naučnu upotrebu |
| 40–60% | Prosječno | Naučne primjene početnog nivoa |
| 60–80% | Dobro | Pogodno za većinu zadataka snimanja |
| 80–95% | Odlično | Snimanje pri slabom osvjetljenju, visokoprecizno ili snimanje s ograničenim fotonima |
Također, razmotrite vršni kvantni efekt (QE) u odnosu na prosječni QE u željenom spektralnom rasponu.
Zaključak
Kvantna efikasnost je jedan od najvažnijih, ali zanemarenih faktora pri odabiru uređaja za naučno snimanje. Bez obzira da li procjenjujete CCD-ove, sCMOS kamere ili CMOS kamere, razumijevanje kvantne efikasnosti vam pomaže da:
● Predvidite kako će se vaša kamera ponašati u stvarnim uvjetima osvjetljenja
● Objektivno upoređujte proizvode, izvan marketinških tvrdnji
● Uskladite specifikacije kamere sa svojim naučnim zahtjevima
Kako tehnologija senzora napreduje, današnje naučne kamere visokog kvantnog efekta (QE) nude izuzetnu osjetljivost i svestranost u različitim primjenama. Ali bez obzira na to koliko je hardver napredan, odabir pravog alata počinje razumijevanjem kako se kvantna efikasnost uklapa u širu sliku.
Često postavljana pitanja
Da li je veća kvantna efikasnost uvijek bolja kod naučne kamere?
Veća kvantna efikasnost (QE) generalno poboljšava sposobnost kamere da detektuje niske nivoe svjetlosti, što je vrijedno u primjenama poput fluorescentne mikroskopije, astronomije i snimanja pojedinačnih molekula. Međutim, QE je samo jedan dio uravnoteženog profila performansi. Kamera sa visokom QE, lošim dinamičkim rasponom, visokim šumom pri čitanju ili nedovoljnim hlađenjem i dalje može dati neoptimalne rezultate. Za najbolje performanse, uvijek procjenjujte QE u kombinaciji s drugim ključnim specifikacijama poput šuma, dubine bita i arhitekture senzora.
Kako se mjeri kvantna efikasnost?
Kvantna efikasnost se mjeri osvjetljavanjem senzora poznatim brojem fotona na određenoj talasnoj dužini, a zatim brojanjem broja elektrona koje generiše senzor. To se obično radi korištenjem kalibriranog monohromatskog izvora svjetlosti i referentne fotodiode. Rezultirajuća QE vrijednost se prikazuje na talasnim dužinama kako bi se kreirala QE kriva. Ovo pomaže u određivanju spektralnog odziva senzora, što je ključno za usklađivanje kamere sa izvorom svjetlosti ili rasponom emisije vaše aplikacije.
Može li softver ili eksterni filteri poboljšati kvantnu efikasnost?
Ne. Kvantna efikasnost je intrinzično, hardversko svojstvo senzora slike i ne može se mijenjati softverom ili vanjskom opremom. Međutim, filteri mogu poboljšati ukupni kvalitet slike poboljšanjem odnosa signal-šum (npr. korištenjem emisionih filtera u fluorescentnim primjenama), a softver može pomoći u smanjenju šuma ili naknadnoj obradi. Ipak, oni ne mijenjaju samu vrijednost kvantne efikasnosti.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
