25/08/15En la imatge científica, la precisió ho és tot. Tant si esteu capturant senyals de fluorescència amb poca llum com si esteu seguint objectes celestes febles, la capacitat de la vostra càmera per detectar la llum influeix directament en la qualitat dels vostres resultats. Un dels factors més crítics, però sovint incomprès, en aquesta equació és l'eficiència quàntica (QE).
Aquesta guia us explicarà què és la QE, per què és important, com interpretar les especificacions de QE i com es compara entre els diferents tipus de sensors. Si esteu buscant uncàmera científicao simplement intentant entendre les fitxes tècniques de les càmeres, això és per a tu.
Figura: Exemples de corbes QE de càmera típiques de Tucsen
(a)Àries 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Balança 22
Què és l'eficiència quàntica?
L'eficiència quàntica és la probabilitat que un fotó que arriba al sensor de la càmera sigui detectat i alliberi un fotoelectró al silici.
En múltiples etapes del viatge del fotó cap a aquest punt, hi ha barreres que poden absorbir fotons o reflectir-los. A més, cap material és 100% transparent a totes les longituds d'ona del fotó, i qualsevol canvi en la composició del material té la possibilitat de reflectir o dispersar fotons.
Expressada com a percentatge, l'eficiència quàntica es defineix com:
QE (%) = (Nombre d'electrons generats / Nombre de fotons incidents) × 100
Hi ha dos tipus principals:
●QE externRendiment mesurat, incloent-hi efectes com les pèrdues per reflexió i transmissió.
●QE internMesura l'eficiència de conversió dins del propi sensor, assumint que tots els fotons són absorbits.
Un QE més alt significa una millor sensibilitat a la llum i senyals d'imatge més forts, especialment en escenaris de poca llum o amb pocs fotons.
Per què és important l'eficiència quàntica en les càmeres científiques?
En la imatge, sempre és útil capturar el percentatge més alt de fotons entrants que puguem, especialment en aplicacions que exigeixen una alta sensibilitat.
Tanmateix, els sensors d'alta eficiència quàntica solen ser més cars. Això es deu al repte d'enginyeria de maximitzar el factor d'ompliment mantenint la funció dels píxels, i també al procés de retroil·luminació. Aquest procés, com veureu, permet les eficiències quàntiques més altes, però comporta una complexitat de fabricació significativament més gran.
Com totes les especificacions de les càmeres, la necessitat d'eficiència quàntica sempre s'ha de ponderar en relació amb altres factors per a la vostra aplicació d'imatge específica. Per exemple, la introducció d'un obturador global pot aportar avantatges per a moltes aplicacions, però normalment no es pot implementar en un sensor BI. A més, requereix l'addició d'un transistor addicional al píxel. Això pot reduir el factor d'ompliment i, per tant, l'eficiència quàntica, fins i tot en comparació amb altres sensors FI.
Exemples d'aplicacions on la QE pot ser important
Alguns exemples d'aplicacions:
● Imatges amb poca llum i fluorescència de mostres biològiques no fixades
● Imatges d'alta velocitat
● Aplicacions quantitatives que requereixen mesures d'intensitat d'alta precisió
QE per tipus de sensor
Diferents tecnologies de sensors d'imatge presenten diferents eficiències quàntiques. A continuació es mostra com es compara la QE normalment entre els principals tipus de sensors:
CCD (Dispositiu d'acoblament de càrrega)
Tradicionalment, les imatges científiques s'han preferit pel seu baix soroll i l'alta QE, sovint amb un màxim d'entre el 70 i el 90%. Els CCD excel·leixen en aplicacions com l'astronomia i les imatges de llarga exposició.
CMOS (semiconductors d'òxid metàl·lic complementari)
Abans limitats per una QE més baixa i un soroll de lectura més elevat, els sensors CMOS moderns, especialment els dissenys retroil·luminats, s'han posat al dia significativament. Molts ara arriben a valors QE màxims superiors al 80%, oferint un rendiment excel·lent amb freqüències de fotogrames més ràpides i un consum d'energia més baix.
Explora la nostra gamma avançadaCàmera CMOSmodels per veure fins on ha arribat aquesta tecnologia, com araCàmera sCMOS Libra 3405M de Tucsen, una càmera científica d'alta sensibilitat dissenyada per a aplicacions exigents amb poca llum.
sCMOS (CMOS científic)
Una classe especialitzada de CMOS dissenyada per a imatges científiques,càmera sCMOSLa tecnologia combina una alta QE (normalment del 70 al 95%) amb baix soroll, alt rang dinàmic i adquisició ràpida. Ideal per a imatges de cèl·lules vives, microscòpia d'alta velocitat i fluorescència multicanal.
Com llegir una corba d'eficiència quàntica
Els fabricants solen publicar una corba QE que representa l'eficiència (%) a través de les longituds d'ona (nm). Aquestes corbes són essencials per determinar el rendiment d'una càmera en rangs espectrals específics.
Elements clau a buscar:
●QE màximLa màxima eficiència, sovint en el rang de 500–600 nm (llum verda).
●Rang de longitud d'onaLa finestra espectral utilitzable on l'espectre químic (EQ) es manté per sobre d'un llindar útil (per exemple, >20%).
●Zones de baixadaL'espectroscòpia qelès (QE) tendeix a disminuir a les regions UV (<400 nm) i NIR (>800 nm).
Interpretar aquesta corba us ajuda a fer coincidir els punts forts del sensor amb la vostra aplicació, tant si esteu obtenint imatges en l'espectre visible, l'infraroig proper o l'UV.
Dependència de la longitud d'ona de l'eficiència quàntica
Figura: Corba QE que mostra els valors típics per a sensors basats en silici amb il·luminació frontal i posterior
NOTAEl gràfic mostra la probabilitat de detecció de fotons (eficiència quàntica, %) en funció de la longitud d'ona dels fotons per a quatre càmeres d'exemple. Diferents variants de sensors i recobriments poden canviar aquestes corbes dràsticament.
L'eficiència quàntica depèn en gran mesura de la longitud d'ona, com es mostra a la figura. La majoria dels sensors de càmeres basats en silici presenten la seva eficiència quàntica màxima a la part visible de l'espectre, més comunament a la regió verda a groga, des d'uns 490 nm fins a 600 nm. Les corbes d'eficiència quàntica (QE) es poden modificar mitjançant recobriments de sensors i variants de materials per proporcionar un pic d'eficiència quàntica al voltant de 300 nm en l'ultraviolat (UV), al voltant de 850 nm en l'infraroig proper (NIR), i moltes opcions entremig.
Totes les càmeres basades en silici presenten una disminució de l'eficiència quàntica cap als 1100 nm, a la qual els fotons ja no tenen prou energia per alliberar fotoelectrons. El rendiment UV pot estar molt limitat en sensors amb microlents o vidres de finestra que bloquegen els UV, que restringeixen que la llum de longitud d'ona curta arribi al sensor.
Entremig, les corbes QE rarament són suaus i uniformes, i en canvi sovint inclouen petits pics i valls causats per les diferents propietats del material i transparències dels materials dels quals està compost el píxel.
En aplicacions que requereixen sensibilitat UV o NIR, tenir en compte les corbes d'eficiència quàntica pot esdevenir molt més important, ja que en algunes càmeres l'eficiència quàntica pot ser moltes vegades més gran que en altres als extrems de la corba.
Sensibilitat als raigs X
Alguns sensors de càmeres de silici poden funcionar a la part de llum visible de l'espectre, alhora que són capaços de detectar algunes longituds d'ona dels raigs X. Tanmateix, les càmeres solen requerir enginyeria específica per fer front tant a l'impacte dels raigs X sobre l'electrònica de la càmera com a les cambres de buit que generalment s'utilitzen per a experiments de raigs X.
Càmeres d'infrarojos
Finalment, els sensors basats no en silici sinó en altres materials poden presentar corbes QE completament diferents. Per exemple, les càmeres d'infrarojos InGaAs, basades en arsenur d'indi i gal·li en lloc de silici, poden detectar amplis rangs de longitud d'ona en el NIR, fins a un màxim d'uns 2700 nm, depenent de la variant del sensor.
Eficiència quàntica vs. altres especificacions de la càmera
L'eficiència quàntica és una mètrica clau de rendiment, però no funciona de manera aïllada. A continuació s'explica com es relaciona amb altres especificacions importants de la càmera:
QE vs. Sensibilitat
La sensibilitat és la capacitat de la càmera per detectar senyals febles. La QE contribueix directament a la sensibilitat, però altres factors com la mida del píxel, el soroll de lectura i el corrent fosc també hi juguen un paper.
QE vs. relació senyal-soroll (SNR)
Una QE més alta millora la relació senyal-soroll (SNR) generant més senyal (electrons) per fotó. Però un soroll excessiu, a causa d'una electrònica deficient o d'un refredament inadequat, encara pot degradar la imatge.
QE vs. Rang Dinàmic
Mentre que l'eficàcia quantiosa (QE) afecta la quantitat de llum que es detecta, el rang dinàmic descriu la relació entre els senyals més brillants i més foscos que la càmera pot gestionar. Una càmera amb un QE alt i un rang dinàmic deficient encara pot produir resultats mediocres en escenes d'alt contrast.
En resum, l'eficiència quàntica és crítica, però sempre cal avaluar-la juntament amb especificacions complementàries.
Què és una "bona" eficiència quàntica?
No hi ha cap "millor" QE universal; depèn de la vostra aplicació. Dit això, aquí teniu uns punts de referència generals:
| Rang de QE | Nivell de rendiment | Casos d'ús |
| <40% | Baix | No és ideal per a ús científic |
| 40–60% | Mitjana | Aplicacions científiques de nivell inicial |
| 60–80% | Bé | Apte per a la majoria de tasques d'imatge |
| 80–95% | Excel·lent | Imatges amb poca llum, alta precisió o limitades per fotons |
A més, considereu el QE màxim enfront del QE mitjà en el rang espectral desitjat.
Conclusió
L'eficiència quàntica és un dels factors més importants, però que es passa per alt, a l'hora de seleccionar un dispositiu d'imatge científica. Tant si esteu avaluant CCD, càmeres sCMOS o càmeres CMOS, entendre la QE us ajuda a:
● Prediu com funcionarà la vostra càmera en condicions d'il·luminació reals
● Comparar productes objectivament més enllà de les afirmacions de màrqueting
● Feu coincidir les especificacions de la càmera amb els vostres requisits científics
A mesura que avança la tecnologia de sensors, les càmeres científiques d'alta QE actuals ofereixen una sensibilitat i versatilitat notables en diverses aplicacions. Però independentment de com d'avançat sigui el maquinari, l'eina adequada comença per entendre com l'eficiència quàntica encaixa en el panorama general.
Preguntes freqüents
Una major eficiència quàntica és sempre millor en una càmera científica?
Una major eficiència quàntica (QE) generalment millora la capacitat d'una càmera per detectar nivells baixos de llum, cosa que és valuosa en aplicacions com la microscòpia de fluorescència, l'astronomia i la imatge de molècules individuals. Tanmateix, la QE és només una part d'un perfil de rendiment equilibrat. Una càmera amb una QE alta amb un rang dinàmic deficient, un soroll de lectura elevat o una refrigeració insuficient encara pot oferir resultats subòptims. Per obtenir el millor rendiment, avalueu sempre la QE en combinació amb altres especificacions clau com el soroll, la profunditat de bits i l'arquitectura del sensor.
Com es mesura l'eficiència quàntica?
L'eficiència quàntica es mesura il·luminant un sensor amb un nombre conegut de fotons a una longitud d'ona específica i després comptant el nombre d'electrons generats pel sensor. Això es fa normalment utilitzant una font de llum monocromàtica calibrada i un fotodíode de referència. El valor QE resultant es representa gràficament a través de les longituds d'ona per crear una corba QE. Això ajuda a determinar la resposta espectral del sensor, fonamental per adaptar la càmera a la font de llum o al rang d'emissió de l'aplicació.
El programari o els filtres externs poden millorar l'eficiència quàntica?
No. L'eficiència quàntica és una propietat intrínseca a nivell de maquinari del sensor d'imatge i no es pot alterar mitjançant programari ni accessoris externs. Tanmateix, els filtres poden millorar la qualitat general de la imatge millorant la relació senyal-soroll (per exemple, utilitzant filtres d'emissió en aplicacions de fluorescència), i el programari pot ajudar amb la reducció del soroll o el postprocessament. Tot i això, això no canvia el valor de QE en si.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
