25/08/15In l'imaghjini scientifica, a precisione hè tuttu. Ch'ella sia chì catturate signali di fluorescenza in poca luce o chì seguite oggetti celesti debuli, a capacità di a vostra camera di rilevà a luce influenza direttamente a qualità di i vostri risultati. Unu di i fattori più critichi, ma spessu malintesi, in questa equazione hè l'efficienza quantica (QE).
Questa guida vi spiegherà ciò chì hè u QE, perchè hè impurtante, cumu interpretà e specificazioni di u QE è cumu si compara trà i tipi di sensori. Sè vo circate uncamera scientificao solu pruvate à capisce e schede tecniche di a camera, questu hè per voi.
Figura: Esempi di curva QE di càmera tipica di Tucsen
(un)Ariete 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Libra 22
Chì ghjè l'efficienza quantica?
L'efficienza quantica hè a probabilità chì un fotone chì ghjunghje à u sensore di a camera sia effettivamente rilevatu, è liberendu un fotoelettrone in u siliciu.
In parechje tappe di u viaghju di u fotone versu questu puntu, ci sò barriere chì ponu assorbe i fotoni o rifletteli. Inoltre, nisun materiale hè 100% trasparente à ogni lunghezza d'onda di u fotone, è qualsiasi cambiamentu in a cumpusizione di u materiale hà a pussibilità di riflette o sparghje fotoni.
Espressa cum'è percentuale, l'efficienza quantica hè definita cum'è:
QE (%) = (Numeru d'elettroni generati / Numeru di fotoni incidenti) × 100
Ci sò dui tipi principali:
●QE esternuPrestazioni misurate cumpresi effetti cum'è perdite di riflessione è di trasmissione.
●QE internuMisura l'efficienza di cunversione in u sensore stessu, supponendu chì tutti i fotoni sianu assorbiti.
Un QE più altu significa una migliore sensibilità à a luce è signali d'immagine più forti, in particulare in scenarii di poca luce o limitati da fotoni.
Perchè l'efficienza quantica hè impurtante in e camere scientifiche?
In l'imaghjini, hè sempre utile catturà a più alta percentuale di fotoni entranti chì pudemu, in particulare in applicazioni chì richiedenu una alta sensibilità.
Tuttavia, i sensori à alta efficienza quantica tendenu à esse più cari. Questu hè duvutu à a sfida ingegneristica di massimizà u fattore di riempimentu mantenendu a funzione di i pixel, è ancu per via di u prucessu di retroilluminazione. Stu prucessu, cum'è amparerete, permette e più alte efficienze quantiche, ma vene cun una cumplessità di fabricazione significativamente aumentata.
Cum'è tutte e specificazioni di e camere, a necessità di efficienza quantica deve esse sempre valutata paragunata à altri fattori per a vostra applicazione specifica di imaging. Per esempiu, l'introduzione di un otturatore globale pò purtà vantaghji per parechje applicazioni, ma tipicamente ùn pò esse implementata nantu à un sensore BI. Inoltre, richiede l'aghjunta di un transistor supplementu à u pixel. Questu pò riduce u fattore di riempimentu è dunque l'efficienza quantica, ancu paragunatu à altri sensori FI.
Esempi d'applicazioni induve QE pò esse impurtante
Alcuni esempi d'applicazioni:
● Imaging in bassa luce è fluorescenza di campioni biologichi micca fissati
● Imaging à alta velocità
● Applicazioni quantitative chì necessitanu misurazioni d'intensità d'alta precisione
QE per tipu di sensore
Diverse tecnulugie di sensori d'imagine mostranu diverse efficienze quantiche. Eccu cumu si compara tipicamente QE trà i principali tipi di sensori:
CCD (Dispositivu à Accoppiamentu di Carica)
Tradizionalmente, l'imaghjini scientifiche sò state privilegiate per u so bassu rumore è l'altu QE, chì spessu righjunghjenu un piccu trà u 70 è u 90%. I CCD sò eccellenti in applicazioni cum'è l'astronomia è l'imaghjini à longa esposizione.
CMOS (Semiconduttore Metallo-Ossidu Cumplementariu)
Una volta limitati da un QE più bassu è un rumore di lettura più altu, i sensori CMOS muderni - in particulare i disinni retroilluminati - anu righjuntu significativamente u ritardu. Parechji righjunghjenu avà valori QE massimi sopra l'80%, offrendu prestazioni eccellenti cù frequenze di fotogrammi più veloci è un cunsumu energeticu più bassu.
Esplora a nostra gamma avanzataCamera CMOSmudelli per vede finu à induve hè ghjunta sta tecnulugia, cum'èA camera sCMOS Libra 3405M di Tucsen, una camera scientifica ad alta sensibilità cuncepita per applicazioni esigenti in poca luce.
sCMOS (CMOS scientificu)
Una classa spezializata di CMOS cuncipita per l'imaghjini scientifica,camera sCMOSA tecnulugia combina un QE altu (tipicamente 70-95%) cù un rumore bassu, una gamma dinamica alta è una acquisizione rapida. Ideale per l'imaghjini di cellule vive, a microscopia à alta velocità è a fluorescenza multicanale.
Cumu leghje una curva di efficienza quantica
I pruduttori pubblicanu tipicamente una curva QE chì traccia l'efficienza (%) à traversu lunghezze d'onda (nm). Queste curve sò essenziali per determinà cumu si cumporta una camera in intervalli spettrali specifici.
Elementi chjave da circà:
●QE di puntaL'efficienza massima, spessu in a gamma 500-600 nm (luce verde).
●Gamma di lunghezza d'ondaA finestra spettrale utilizabile induve QE ferma sopra à una soglia utile (per esempiu, > 20%).
●Zone di scaricamentuL'emissione QE tende à calà in e regioni UV (<400 nm) è NIR (>800 nm).
L'interpretazione di sta curva vi aiuta à adattà i punti di forza di u sensore à a vostra applicazione, sì state captendu immagini in u spettru visibile, in l'infrarossu vicinu o in l'UV.
Dipendenza da a lunghezza d'onda di l'efficienza quantica
Figura: Curva QE chì mostra i valori tipici per i sensori à basa di silicone illuminati frontalmente è posteriormente
NOTAU graficu mostra a probabilità di rilevazione di fotoni (efficienza quantica, %) in funzione di a lunghezza d'onda di u fotonu per quattru camere d'esempiu. Diverse varianti di sensori è rivestimenti ponu cambià dramaticamente queste curve.
L'efficienza quantica dipende assai da a lunghezza d'onda, cum'è mostratu in a figura. A maiò parte di i sensori di càmera à basa di siliciu mostranu a so efficienza quantica massima in a parte visibile di u spettru, più comunemente in a regione da u verde à u giallu, da circa 490 nm à 600 nm. E curve QE ponu esse mudificate per mezu di rivestimenti di sensori è varianti di materiale per furnisce un piccu QE intornu à 300 nm in l'ultraviolettu (UV), intornu à 850 nm in l'infrarossu vicinu (NIR), è parechje opzioni trà.
Tutte e camere à basa di siliciu mostranu una diminuzione di l'efficienza quantica versu 1100 nm, à a quale i fotoni ùn anu più abbastanza energia per liberà fotoelettroni. E prestazioni UV ponu esse assai limitate in i sensori cù microlenti o vetri di finestra chì bloccanu i raggi UV, chì impediscenu à a luce à lunghezza d'onda corta di ghjunghje à u sensore.
In trà, e curve QE sò raramente lisce è uniformi, è invece includenu spessu picculi picchi è valli causati da e diverse proprietà di i materiali è trasparenze di i materiali di cui hè cumpostu u pixel.
In l'applicazioni chì necessitanu sensibilità UV o NIR, a cunsiderazione di e curve di efficienza quantica pò diventà assai più impurtante, postu chì in alcune camere l'efficienza quantica pò esse parechje volte più grande di altre à l'estremità di a curva.
Sensibilità à i raggi X
Certi sensori di càmera in silicone ponu funziunà in a parte di a luce visibile di u spettru, essendu ancu capaci di rilevà alcune lunghezze d'onda di i raggi X. Tuttavia, e càmera richiedenu di solitu un'ingegneria specifica per fà fronte sia à l'impattu di i raggi X nantu à l'elettronica di a càmera, sia à e camere à vuoto generalmente aduprate per l'esperimenti à raggi X.
Telecamere à infrarossi
Infine, i sensori basati micca nantu à u siliciu ma nantu à altri materiali ponu mustrà curve QE cumpletamente diverse. Per esempiu, e camere infrarosse InGaAs, basate nantu à l'arseniuru di galliu è indiu in locu di u siliciu, ponu rilevà ampie gamme di lunghezze d'onda in u NIR, finu à un massimu di circa 2700 nm, secondu a variante di u sensore.
Efficienza Quantistica vs. Altre Specifiche di a Camera
L'efficienza quantica hè una metrica chjave di u rendimentu, ma ùn funziona micca in isolamentu. Eccu cumu si riferisce à altre specifiche impurtanti di a camera:
QE vs. Sensibilità
A sensibilità hè a capacità di a camera di rilevà signali debuli. QE cuntribuisce direttamente à a sensibilità, ma altri fattori cum'è a dimensione di i pixel, u rumore di lettura è a corrente scura ghjocanu ancu un rolu.
QE vs. Rapportu Signale-Rumore (SNR)
Un QE più altu migliora u SNR generendu più signali (elettroni) per fotone. Ma un rumore eccessivu, per via di una elettronica scadente o di un raffreddamentu inadeguatu, pò ancu degradà l'immagine.
QE vs. Gamma Dinamica
Mentre chì QE affetta a quantità di luce rilevata, a gamma dinamica descrive u rapportu trà i signali più brillanti è più scuri chì a camera pò gestisce. Una camera cù QE altu è una gamma dinamica scarsa pò ancu pruduce risultati mediocri in scene à altu cuntrastu.
In breve, l'efficienza quantica hè critica, ma valutatela sempre accantu à specifiche cumplementarie.
Chì ghjè una "bona" efficienza quantica?
Ùn ci hè micca un QE "migliore" universale - dipende da a vostra applicazione. Dittu chistu, eccu alcuni punti di riferimentu generali:
| Gamma QE | Livellu di Prestazione | Casi d'usu |
| <40% | Bassu | Micca ideale per l'usu scientificu |
| 40–60% | Media | Applicazioni scientifiche di livellu d'entrata |
| 60–80% | Bene | Adattu per a maiò parte di i travaglii d'imaghjini |
| 80–95% | Eccellente | Imaging in poca luce, alta precisione o limitata da fotoni |
Inoltre, cunsiderate u QE massimu vs u QE mediu in tutta a vostra gamma spettrale desiderata.
Cunclusione
L'efficienza quantica hè unu di i fattori più impurtanti, ma trascurati, in a scelta di un dispositivu d'imaghjini scientifica. Ch'ella sia per valutà CCD, camere sCMOS o camere CMOS, capisce a QE vi aiuta à:
● Predì cumu si cumporterà a vostra camera in cundizioni di illuminazione di u mondu reale
● Paragunate i prudutti obiettivamente al di là di l'affermazioni di marketing
● Abbinate e specifiche di a camera cù i vostri bisogni scientifichi
Cù l'avanzamentu di a tecnulugia di i sensori, l'oghje, e camere scientifiche à alta QE offrenu una sensibilità è una versatilità rimarchevuli in diverse applicazioni. Ma ùn importa micca quantu avanzatu sia l'hardware, a scelta di u strumentu ghjustu principia cù a capiscitura di cumu l'efficienza quantica si inserisce in u quadru generale.
FAQ
Una maggiore efficienza quantica hè sempre megliu in una camera scientifica?
Una maggiore efficienza quantica (QE) generalmente migliora a capacità di una camera di rilevà bassi livelli di luce, ciò chì hè preziosu in applicazioni cum'è a microscopia à fluorescenza, l'astronomia è l'imaghjini di una sola molecula. Tuttavia, QE hè solu una parte di un prufilu di prestazioni equilibratu. Una camera à QE elevata cù una scarsa gamma dinamica, un rumore di lettura elevatu o un raffreddamentu insufficiente pò ancu furnisce risultati subottimali. Per e migliori prestazioni, valutate sempre QE in cumbinazione cù altre specifiche chjave cum'è u rumore, a prufundità di bit è l'architettura di u sensore.
Cumu si misura l'efficienza quantica?
L'efficienza quantica hè misurata illuminendu un sensore cù un numeru cunnisciutu di fotoni à una lunghezza d'onda specifica è dopu cuntendu u numeru di elettroni generati da u sensore. Questu hè tipicamente fattu aduprendu una fonte di luce monocromatica calibrata è un fotodiodu di riferimentu. U valore QE risultante hè tracciatu attraversu e lunghezze d'onda per creà una curva QE. Questu aiuta à determinà a risposta spettrale di u sensore, critica per abbinà a camera à a fonte di luce o à a gamma di emissione di a vostra applicazione.
U software o i filtri esterni ponu migliurà l'efficienza quantica?
Innò. L'efficienza quantica hè una pruprietà intrinseca, à livellu hardware, di u sensore d'imagine è ùn pò esse mudificata da software o accessori esterni. Tuttavia, i filtri ponu migliurà a qualità generale di l'imagine aumentendu u rapportu segnale-rumore (per esempiu, aduprendu filtri di emissione in applicazioni di fluorescenza), è u software pò aiutà cù a riduzione di u rumore o a post-elaborazione. Eppuru, questi ùn cambianu micca u valore QE stessu.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tutti i diritti riservati. Quandu citate, per piacè ricunnoscite a fonte:www.tucsen.com
