25. 8. 2015Ve vědeckém zobrazování je přesnost vším. Ať už zachycujete fluorescenční signály při slabém osvětlení nebo sledujete slabé nebeské objekty, schopnost vašeho fotoaparátu detekovat světlo přímo ovlivňuje kvalitu vašich výsledků. Jedním z nejdůležitějších, ale často nepochopených faktorů v této rovnici je kvantová účinnost (QE).
Tato příručka vás provede tím, co je QE, proč je důležitá, jak interpretovat specifikace QE a jak se porovnává mezi různými typy senzorů. Pokud hledáte...vědecká kameranebo se jen snažíte pochopit datové listy fotoaparátů, je tohle pro vás.
Obrázek: Příklady typické křivky kvantové efektivity kamery Tucsen
(A)Beran 6510(b)Dhyana 6060BSI(C)Váhy 22
Co je kvantová účinnost?
Kvantová účinnost je pravděpodobnost, že foton, který dosáhne senzoru kamery, bude skutečně detekován a uvolní fotoelektron v křemíku.
V několika fázích cesty fotonu k tomuto bodu existují bariéry, které mohou fotony absorbovat nebo odrážet. Navíc žádný materiál není 100% transparentní pro každou vlnovou délku fotonu a jakékoli změny ve složení materiálu mohou fotony odrážet nebo rozptylovat.
Vyjádřená v procentech je kvantová účinnost definována jako:
QE (%) = (Počet generovaných elektronů / Počet dopadajících fotonů) × 100
Existují dva hlavní typy:
●Externí kvantitativní úprava (QE)Měřený výkon včetně efektů, jako jsou ztráty odrazem a přenosem.
●Interní kvantitativní urychlení (QE)Měří účinnost konverze v samotném senzoru za předpokladu, že jsou všechny fotony absorbovány.
Vyšší kvantová efektivita (QE) znamená lepší citlivost na světlo a silnější obrazové signály, zejména za podmínek slabého osvětlení nebo omezeného počtu fotonů.
Proč je kvantová účinnost důležitá u vědeckých kamer?
Při zobrazování je vždy užitečné zachytit co nejvyšší procento přicházejících fotonů, zejména v aplikacích vyžadujících vysokou citlivost.
Senzory s vysokou kvantovou účinností však bývají dražší. To je způsobeno konstrukční náročností maximalizace faktoru vyplnění při zachování funkce pixelu a také procesem podsvícení. Tento proces, jak se dozvíte, umožňuje nejvyšší kvantovou účinnost – ale je s ním spojena výrazně vyšší výrobní složitost.
Stejně jako u všech specifikací fotoaparátu je nutné vždy zvážit potřebu kvantové účinnosti s dalšími faktory pro vaši konkrétní zobrazovací aplikaci. Například zavedení globální závěrky může přinést výhody pro mnoho aplikací, ale obvykle jej nelze implementovat na BI senzoru. Dále vyžaduje přidání dalšího tranzistoru k pixelu. To může snížit činitel vyplnění a tím i kvantovou účinnost, a to i ve srovnání s jinými FI senzory.
Příklady aplikací, kde může být QE důležité
Několik příkladů aplikací:
● Zobrazování nefixovaných biologických vzorků za slabého osvětlení a fluorescence
● Vysokorychlostní snímání
● Kvantitativní aplikace vyžadující vysoce přesná měření intenzity
QE podle typu senzoru
Různé technologie obrazových senzorů vykazují různou kvantovou účinnost. Zde je typické srovnání kvantové účinnosti mezi hlavními typy senzorů:
CCD (zařízení s nábojovou vazbou)
Tradičně upřednostňované vědecké zobrazování pro jejich nízký šum a vysokou kvantovou efektivitu (QE), často dosahující vrcholu mezi 70–90 %. CCD čipy vynikají v aplikacích, jako je astronomie a zobrazování s dlouhou expozicí.
CMOS (komplementární kov-oxid-polovodič)
Moderní CMOS senzory, které byly dříve omezeny nižším kvantovým efektem (QE) a vyšším čtecím šumem, se nyní výrazně vyrovnaly. Mnohé z nich nyní dosahují maximálních hodnot QE nad 80 % a nabízejí vynikající výkon s vyšší snímkovou frekvencí a nižší spotřebou energie.
Prozkoumejte naši řadu pokročilýchCMOS kameramodely, které ukazují, jak daleko tato technologie pokročila, napříkladTucsenova sCMOS kamera Libra 3405M, vysoce citlivá vědecká kamera určená pro náročné aplikace za slabého osvětlení.
sCMOS (vědecký CMOS)
Specializovaná třída CMOS navržená pro vědecké zobrazování,sCMOS kameraTechnologie kombinuje vysokou kvantovou efektivitu (QE) (obvykle 70–95 %) s nízkým šumem, vysokým dynamickým rozsahem a rychlou akvizicí. Ideální pro zobrazování živých buněk, vysokorychlostní mikroskopii a vícekanálovou fluorescenci.
Jak číst křivku kvantové účinnosti
Výrobci obvykle zveřejňují křivku kvantové účinnosti (QE), která zobrazuje účinnost (%) napříč vlnovými délkami (nm). Tyto křivky jsou nezbytné pro určení, jak kamera funguje v konkrétních spektrálních rozsazích.
Klíčové prvky, které je třeba hledat:
●Vrchol kvantitativního uvolňováníMaximální účinnost, často v rozsahu 500–600 nm (zelené světlo).
●Rozsah vlnových délekPoužitelné spektrální okno, kde kvantová efektivita (QE) zůstává nad užitečnou prahovou hodnotou (např. >20 %).
●Zóny pro odloženíKvantita kvality (QE) má tendenci klesat v UV (<400 nm) a NIR (>800 nm) oblasti.
Interpretace této křivky vám pomůže přizpůsobit silné stránky senzoru vaší aplikaci, ať už zobrazujete ve viditelném spektru, blízkém infračerveném nebo ultrafialovém záření.
Závislost kvantové účinnosti na vlnové délce
Obrázek: Křivka QE zobrazující typické hodnoty pro senzory na bázi křemíku s předním a zadním osvětlením
POZNÁMKAGraf znázorňuje pravděpodobnost detekce fotonů (kvantová účinnost, %) v závislosti na vlnové délce fotonů pro čtyři příkladné kamery. Různé varianty senzorů a povrchové úpravy mohou tyto křivky dramaticky posunout.
Kvantová účinnost je vysoce závislá na vlnové délce, jak je znázorněno na obrázku. Většina kamerových senzorů na bázi křemíku vykazuje svou maximální kvantovou účinnost ve viditelné části spektra, nejčastěji v zelené až žluté oblasti, od přibližně 490 nm do 600 nm. Kvantové účinnost lze upravit pomocí povrchových úprav senzorů a materiálových variant tak, aby se dosáhlo maximální kvantové účinnosti kolem 300 nm v ultrafialové (UV) oblasti, kolem 850 nm v blízké infračervené (NIR) oblasti a mnoha dalších možností mezi tím.
Všechny kamery na bázi křemíku vykazují pokles kvantové účinnosti směrem k 1100 nm, při které fotony již nemají dostatek energie k uvolnění fotoelektronů. UV výkon může být výrazně omezen u senzorů s mikročočkami nebo okenním sklem blokujícím UV záření, které brání krátkovlnnému světlu v dosažení senzoru.
Mezi nimi jsou křivky QE zřídka hladké a rovnoměrné a místo toho často zahrnují malé vrcholy a prohlubně způsobené různými vlastnostmi materiálu a průhledností materiálů, ze kterých je pixel složen.
V aplikacích vyžadujících citlivost na UV nebo NIR záření může být zohlednění křivek kvantové účinnosti mnohem důležitější, protože u některých kamer může být kvantová účinnost na extrémních koncích křivky mnohonásobně vyšší než u jiných.
Citlivost na rentgenové záření
Některé křemíkové kamerové senzory mohou pracovat ve viditelné části spektra a zároveň jsou schopny detekovat některé vlnové délky rentgenového záření. Kamery však obvykle vyžadují specifické inženýrství, aby se vyrovnaly jak s dopadem rentgenového záření na elektroniku kamery, tak s vakuovými komorami obecně používanými pro rentgenové experimenty.
Infračervené kamery
Konečně, senzory založené nikoli na křemíku, ale na jiných materiálech, mohou vykazovat zcela odlišné křivky kvantové efektivity (QE). Například infračervené kamery InGaAs, založené na arsenide india a galia místo křemíku, dokáží detekovat široký rozsah vlnových délek v blízké infračervené oblasti (NIR) až do maxima kolem 2700 nm, v závislosti na variantě senzoru.
Kvantová účinnost vs. jiné specifikace fotoaparátu
Kvantová účinnost je klíčovou metrikou výkonu, ale nefunguje izolovaně. Zde je ukázka, jak se vztahuje k dalším důležitým specifikacím fotoaparátu:
QE vs. citlivost
Citlivost je schopnost kamery detekovat slabé signály. Kvantitativní efekt (QE) přímo přispívá k citlivosti, ale roli hrají i další faktory, jako je velikost pixelu, šum při čtení a temný proud.
QE vs. poměr signálu k šumu (SNR)
Vyšší kvantová efektivita (QE) zlepšuje poměr signálu k šumu (SNR) generováním většího množství signálu (elektronů) na foton. Nadměrný šum v důsledku špatné elektroniky nebo nedostatečného chlazení však může i tak zhoršit kvalitu obrazu.
QE vs. dynamický rozsah
Zatímco kvantové koeficienty (QE) ovlivňují množství detekovaného světla, dynamický rozsah popisuje poměr mezi nejjasnějšími a nejtmavšími signály, které kamera dokáže zpracovat. Kamera s vysokým kvantovým koeficientem (QE) a nízkým dynamickým rozsahem může i tak produkovat podprůměrné výsledky ve scénách s vysokým kontrastem.
Stručně řečeno, kvantová účinnost je kritická, ale vždy ji vyhodnocujte společně s doplňkovými specifikacemi.
Co je to „dobrá“ kvantová účinnost?
Neexistuje žádné univerzální „nejlepší“ kvantové řešení – záleží na vaší aplikaci. Zde jsou však obecné referenční hodnoty:
| Rozsah QE | Úroveň výkonu | Případy použití |
| <40 % | Nízký | Není ideální pro vědecké použití |
| 40–60 % | Průměrný | Vědecké aplikace pro začátečníky |
| 60–80 % | Dobrý | Vhodné pro většinu zobrazovacích úloh |
| 80–95 % | Vynikající | Zobrazování za slabého osvětlení, s vysokou přesností nebo s omezeným počtem fotonů |
Zvažte také porovnání špičkové kvantové efektivity (QE) s průměrnou kvantovou efektivitou (QE) v celém požadovaném spektrálním rozsahu.
Závěr
Kvantová účinnost je jedním z nejdůležitějších, ale přehlížených faktorů při výběru vědeckého zobrazovacího zařízení. Ať už hodnotíte CCD, sCMOS kamery nebo CMOS kamery, pochopení kvantové účinnosti vám pomůže:
● Předvídejte, jak si váš fotoaparát povede v reálných světelných podmínkách
● Porovnávejte produkty objektivně nad rámec marketingových tvrzení
● Přizpůsobte specifikace fotoaparátu svým vědeckým požadavkům
S pokrokem senzorové technologie nabízejí dnešní vědecké kamery s vysokou kvantovou účinností pozoruhodnou citlivost a všestrannost v rozmanitých aplikacích. Ale bez ohledu na to, jak pokročilý je hardware, výběr správného nástroje začíná pochopením toho, jak kvantová účinnost zapadá do celkového obrazu.
Často kladené otázky
Je vyšší kvantová účinnost u vědecké kamery vždy lepší?
Vyšší kvantová účinnost (QE) obecně zlepšuje schopnost kamery detekovat nízké úrovně světla, což je cenné v aplikacích, jako je fluorescenční mikroskopie, astronomie a zobrazování jednotlivých molekul. QE je však pouze jednou součástí vyváženého výkonnostního profilu. Kamera s vysokou kvantovou účinností, nízkým dynamickým rozsahem, vysokým čtecím šumem nebo nedostatečným chlazením může stále poskytovat neoptimální výsledky. Pro dosažení nejlepšího výkonu vždy vyhodnoťte QE v kombinaci s dalšími klíčovými specifikacemi, jako je šum, bitová hloubka a architektura senzoru.
Jak se měří kvantová účinnost?
Kvantová účinnost se měří osvětlením senzoru známým počtem fotonů o specifické vlnové délce a následným spočítáním počtu elektronů generovaných senzorem. To se obvykle provádí pomocí kalibrovaného monochromatického světelného zdroje a referenční fotodiody. Výsledná hodnota kvantové účinnosti (QE) se vynese do grafu napříč vlnovými délkami a vytvoří se tak křivka QE. To pomáhá určit spektrální odezvu senzoru, která je klíčová pro přizpůsobení kamery světelnému zdroji nebo emisnímu rozsahu vaší aplikace.
Mohou software nebo externí filtry zlepšit kvantovou účinnost?
Ne. Kvantová účinnost je vnitřní, hardwarová vlastnost obrazového snímače a nelze ji změnit softwarem ani externím příslušenstvím. Filtry však mohou zlepšit celkovou kvalitu obrazu zvýšením poměru signálu k šumu (např. použitím emisních filtrů ve fluorescenčních aplikacích) a software může pomoci s redukcí šumu nebo následným zpracováním. Tyto filtry však nemění samotnou hodnotu kvantové účinnosti.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
