25/08/15Inden for videnskabelig billeddannelse er præcision altafgørende. Uanset om du optager fluorescenssignaler i svagt lys eller sporer svage himmellegemer, påvirker dit kameras evne til at detektere lys direkte kvaliteten af dine resultater. En af de mest kritiske, men ofte misforståede, faktorer i denne ligning er kvanteeffektivitet (QE).
Denne guide vil gennemgå, hvad QE er, hvorfor det er vigtigt, hvordan man fortolker QE-specifikationer, og hvordan det er sammenligneligt på tværs af sensortyper. Hvis du er på markedet efter envidenskabeligt kameraeller prøver bare at forstå kameraets datablade, så er dette noget for dig.
Figur: Eksempler på typiske QE-kurver for Tucsen-kameraer
(en)Vædderen 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vægten 22
Hvad er kvanteeffektivitet?
Kvanteeffektivitet er sandsynligheden for, at en foton, der når kamerasensoren, rent faktisk bliver detekteret og frigiver en fotoelektron i siliciummet.
På flere stadier i fotonens rejse mod dette punkt er der barrierer, der kan absorbere fotoner eller reflektere dem væk. Derudover er intet materiale 100% transparent for alle fotonbølgelængder, og enhver ændring i materialesammensætningen har en chance for at reflektere eller sprede fotoner.
Udtrykt som en procentdel er kvanteeffektivitet defineret som:
QE (%) = (Antal genererede elektroner / Antal indfaldende fotoner) × 100
Der er to hovedtyper:
●Ekstern QEMålt ydeevne inklusive effekter som refleksion og transmissionstab.
●Intern kvantitativ lettelseMåler konverteringseffektiviteten i selve sensoren, forudsat at alle fotoner absorberes.
Højere QE betyder bedre lysfølsomhed og stærkere billedsignaler, især i scenarier med svagt lys eller fotonbegrænsede situationer.
Hvorfor er kvanteeffektivitet vigtig i videnskabelige kameraer?
I billeddannelse er det altid nyttigt at indfange den højeste procentdel af indkommende fotoner, som vi kan, især i applikationer, der kræver høj følsomhed.
Sensorer med høj kvanteeffektivitet er dog ofte dyrere. Dette skyldes den tekniske udfordring med at maksimere fyldfaktoren, samtidig med at pixelfunktionen opretholdes, og også på grund af baggrundsbelysningsprocessen. Denne proces, som du vil lære, muliggør den højeste kvanteeffektivitet – men den kommer med betydeligt øget produktionskompleksitet.
Som med alle kameraspecifikationer skal behovet for kvanteeffektivitet altid vejes op mod andre faktorer for din specifikke billeddannelsesapplikation. For eksempel kan introduktionen af en global lukker medføre fordele for mange applikationer, men kan typisk ikke implementeres på en BI-sensor. Ydermere kræver det tilføjelse af en ekstra transistor til pixelen. Dette kan reducere fyldfaktoren og dermed kvanteeffektiviteten, selv sammenlignet med andre FI-sensorer.
Eksempler på anvendelser, hvor QE kan være vigtig
Et par eksempler på anvendelser:
● Billeddannelse ved svagt lys og fluorescens af ikke-fikserede biologiske prøver
● Billeddannelse med høj hastighed
● Kvantitative anvendelser, der kræver højpræcisionsintensitetsmålinger
QE efter sensortype
Forskellige billedsensorteknologier udviser forskellige kvanteeffektiviteter. Sådan klarer QE sig typisk på tværs af større sensortyper:
CCD (ladningskoblet enhed)
Traditionelt foretrak de videnskabelige billeddannelser på grund af deres lave støj og høje QE, ofte med en topping på mellem 70-90%. CCD'er udmærker sig i anvendelser som astronomi og billeddannelse med lang eksponering.
CMOS (komplementær metaloxid-halvleder)
Moderne CMOS-sensorer – især bagbelyste designs – var engang begrænset af lavere QE og højere læsestøj, men har nu indhentet markant de forsømte. Mange når nu maksimale QE-værdier over 80 % og tilbyder fremragende ydeevne med hurtigere billedhastigheder og lavere strømforbrug.
Udforsk vores udvalg af avanceredeCMOS-kameramodeller for at se, hvor langt denne teknologi er kommet, som f.eks.Tucsens Libra 3405M sCMOS-kamera, et videnskabeligt kamera med høj følsomhed designet til krævende applikationer i svagt lys.
sCMOS (videnskabelig CMOS)
En specialiseret klasse af CMOS designet til videnskabelig billeddannelse,sCMOS-kameraTeknologien kombinerer høj QE (typisk 70-95%) med lav støj, højt dynamisk område og hurtig optagelse. Ideel til live-celle billeddannelse, højhastighedsmikroskopi og multikanal fluorescens.
Sådan læser du en kvanteeffektivitetskurve
Producenter offentliggør typisk en QE-kurve, der viser effektiviteten (%) på tværs af bølgelængder (nm). Disse kurver er afgørende for at bestemme, hvordan et kamera præsterer i specifikke spektralområder.
Nøgleelementer at kigge efter:
●Peak QEDen maksimale effektivitet, ofte i området 500-600 nm (grønt lys).
●BølgelængdeområdeDet brugbare spektralvindue, hvor QE forbliver over en brugbar tærskelværdi (f.eks. >20%).
●AfleveringszonerQE har tendens til at falde i UV- (<400 nm) og NIR- (>800 nm) områderne.
Fortolkning af denne kurve hjælper dig med at matche sensorens styrker med din applikation, uanset om du bruger billeder i det synlige spektrum, nær-infrarødt eller UV.
Bølgelængdeafhængighed af kvanteeffektivitet
Figur: QE-kurve, der viser typiske værdier for siliciumbaserede sensorer med front- og bagbelysning
NOTEGrafen viser sandsynligheden for fotondetektion (kvanteeffektivitet, %) versus fotonbølgelængde for fire eksempelkameraer. Forskellige sensorvarianter og belægninger kan ændre disse kurver dramatisk.
Kvanteeffektiviteten er stærkt bølgelængdeafhængig, som vist i figuren. Størstedelen af siliciumbaserede kamerasensorer udviser deres maksimale kvanteeffektivitet i den synlige del af spektret, oftest i det grønne til gule område, fra omkring 490 nm til 600 nm. QE-kurver kan modificeres gennem sensorbelægninger og materialevarianter for at give en peak QE omkring 300 nm i ultraviolet (UV), omkring 850 nm i nærinfrarød (NIR) og mange muligheder derimellem.
Alle siliciumbaserede kameraer udviser et fald i kvanteeffektivitet mod 1100 nm, hvor fotoner ikke længere har nok energi til at frigive fotoelektroner. UV-ydeevnen kan være stærkt begrænset i sensorer med mikrolinser eller UV-blokerende vinduesglas, som forhindrer kortbølget lys i at nå sensoren.
Indimellem er QE-kurver sjældent glatte og jævne, og inkluderer i stedet ofte små toppe og trug forårsaget af de forskellige materialeegenskaber og gennemsigtigheder i de materialer, som pixelen er sammensat af.
I applikationer, der kræver UV- eller NIR-følsomhed, kan det blive meget vigtigere at overveje kvanteeffektivitetskurver, da kvanteeffektiviteten i nogle kameraer kan være mange gange større end andre i kurvens yderste ender.
Røntgenfølsomhed
Nogle siliciumkamerasensorer kan operere i den synlige lysdel af spektret, samtidig med at de er i stand til at detektere visse bølgelængder af røntgenstråler. Kameraer kræver dog normalt specifik ingeniørkunst for at kunne håndtere både røntgenstrålers påvirkning af kameraelektronik og de vakuumkamre, der generelt bruges til røntgeneksperimenter.
Infrarøde kameraer
Endelig kan sensorer, der ikke er baseret på silicium, men på andre materialer, udvise helt forskellige QE-kurver. For eksempel kan InGaAs infrarøde kameraer, baseret på indium-gallium-arsenid i stedet for silicium, detektere brede bølgelængdeområder i NIR, op til et maksimum på omkring 2700 nm, afhængigt af sensorvarianten.
Kvanteeffektivitet vs. andre kameraspecifikationer
Kvanteeffektivitet er en vigtig præstationsmåling, men den fungerer ikke isoleret. Sådan hænger den sammen med andre vigtige kameraspecifikationer:
QE vs. følsomhed
Følsomhed er kameraets evne til at registrere svage signaler. QE bidrager direkte til følsomheden, men andre faktorer som pixelstørrelse, læsestøj og mørk strøm spiller også en rolle.
QE vs. signal-støjforhold (SNR)
En højere QE forbedrer SNR ved at generere flere signaler (elektroner) pr. foton. Men overdreven støj på grund af dårlig elektronik eller utilstrækkelig køling kan stadig forringe billedet.
QE vs. dynamisk område
Mens QE påvirker, hvor meget lys der registreres, beskriver dynamisk område forholdet mellem de lyseste og mørkeste signaler, som kameraet kan håndtere. Et kamera med høj QE og dårligt dynamisk område kan stadig give dårlige resultater i scener med høj kontrast.
Kort sagt er kvanteeffektivitet kritisk, men vurder den altid sammen med komplementære specifikationer.
Hvad er en "god" kvanteeffektivitet?
Der findes ingen universel "bedste" QE – det afhænger af din anvendelse. Når det er sagt, er her generelle benchmarks:
| QE-rækkevidde | Ydelsesniveau | Brugsscenarier |
| <40% | Lav | Ikke ideel til videnskabelig brug |
| 40–60% | Gennemsnit | Videnskabelige anvendelser på begynderniveau |
| 60–80% | God | Velegnet til de fleste billeddannelsesopgaver |
| 80–95% | Fremragende | Billeddannelse i svagt lys, høj præcision eller fotonbegrænset billeddannelse |
Overvej også peak QE vs. gennemsnitlig QE på tværs af dit ønskede spektralområde.
Konklusion
Kvanteeffektivitet er en af de vigtigste, men oversete, faktorer, når man vælger en videnskabelig billeddannelsesenhed. Uanset om du evaluerer CCD'er, sCMOS-kameraer eller CMOS-kameraer, hjælper forståelse af kvanteeffektivitet dig med at:
● Forudsig, hvordan dit kamera vil fungere under virkelige lysforhold
● Sammenlign produkter objektivt ud over markedsføringspåstande
● Match kameraspecifikationerne med dine videnskabelige krav
I takt med at sensorteknologien udvikler sig, tilbyder nutidens videnskabelige kameraer med høj kvanteeffektivitet bemærkelsesværdig følsomhed og alsidighed på tværs af forskellige anvendelser. Men uanset hvor avanceret hardwaren er, starter valget af det rigtige værktøj med at forstå, hvordan kvanteeffektivitet passer ind i det større billede.
Ofte stillede spørgsmål
Er højere kvanteeffektivitet altid bedre i et videnskabeligt kamera?
Højere kvanteeffektivitet (QE) forbedrer generelt et kameras evne til at detektere lave lysniveauer, hvilket er værdifuldt i applikationer som fluorescensmikroskopi, astronomi og enkeltmolekylebilleddannelse. QE er dog kun én del af en afbalanceret ydeevneprofil. Et kamera med høj QE, dårligt dynamisk område, høj læsestøj eller utilstrækkelig køling kan stadig give suboptimale resultater. For den bedste ydeevne skal QE altid evalueres i kombination med andre vigtige specifikationer som støj, bitdybde og sensorarkitektur.
Hvordan måles kvanteeffektivitet?
Kvanteeffektivitet måles ved at belyse en sensor med et kendt antal fotoner ved en bestemt bølgelængde og derefter tælle antallet af elektroner, der genereres af sensoren. Dette gøres typisk ved hjælp af en kalibreret monokromatisk lyskilde og en referencefotodiode. Den resulterende QE-værdi plottes på tværs af bølgelængder for at skabe en QE-kurve. Dette hjælper med at bestemme sensorens spektrale respons, hvilket er afgørende for at matche kameraet til din applikations lyskilde eller emissionsområde.
Kan software eller eksterne filtre forbedre kvanteeffektiviteten?
Nej. Kvanteeffektivitet er en iboende egenskab på hardwareniveau ved billedsensoren og kan ikke ændres af software eller eksternt tilbehør. Filtre kan dog forbedre den samlede billedkvalitet ved at forbedre signal-støj-forholdet (f.eks. ved at bruge emissionsfiltre i fluorescensapplikationer), og software kan hjælpe med støjreduktion eller efterbehandling. Disse ændrer dog ikke selve QE-værdien.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
