Quanteneffizienz in wissenschaftlichen Kameras: Ein Leitfaden für Anfänger |

In der wissenschaftlichen Bildgebung ist Präzision alles. Ob Sie Fluoreszenzsignale bei schwachem Licht erfassen oder schwach leuchtende Himmelsobjekte verfolgen – die Lichterkennungsfähigkeit Ihrer Kamera beeinflusst die Qualität Ihrer Ergebnisse direkt. Einer der wichtigsten, aber oft missverstandenen Faktoren in dieser Gleichung ist die Quanteneffizienz (QE).

Dieser Leitfaden erklärt Ihnen, was QE ist, warum es wichtig ist, wie Sie QE-Spezifikationen interpretieren und wie es sich zwischen verschiedenen Sensortypen verhält. Wenn Sie auf der Suche nach einemwissenschaftliche Kameraoder einfach nur versuchen, die Datenblätter einer Kamera zu verstehen, dann ist dies das Richtige für Sie.

Abbildung: Beispiele für typische QE-Kurven einer Tucsen-Kamera

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Was ist Quanteneffizienz?

Die Quanteneffizienz ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon, das den Kamerasensor erreicht, tatsächlich erkannt wird und ein Photoelektron im Silizium freisetzt.

Auf dem Weg des Photons zu diesem Punkt gibt es in mehreren Phasen Barrieren, die Photonen absorbieren oder reflektieren können. Darüber hinaus ist kein Material für jede Photonenwellenlänge hundertprozentig transparent, und jede Änderung der Materialzusammensetzung kann Photonen reflektieren oder streuen.

Ausgedrückt als Prozentsatz wird die Quanteneffizienz wie folgt definiert:

QE (%) = (Anzahl der erzeugten Elektronen / Anzahl der einfallenden Photonen) × 100

Es gibt zwei Haupttypen:

●Externes QE: Gemessene Leistung einschließlich Effekten wie Reflexions- und Übertragungsverlusten.
●Interne quantitative Lockerung: Misst die Umwandlungseffizienz innerhalb des Sensors selbst, vorausgesetzt, dass alle Photonen absorbiert werden.

Eine höhere QE bedeutet eine bessere Lichtempfindlichkeit und stärkere Bildsignale, insbesondere bei schwachem Licht oder in Szenarien mit begrenzter Photonenzahl.

Warum ist die Quanteneffizienz bei wissenschaftlichen Kameras wichtig?

Bei der Bildgebung ist es immer hilfreich, den größtmöglichen Prozentsatz der einfallenden Photonen zu erfassen, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern.

Sensoren mit hoher Quanteneffizienz sind jedoch tendenziell teurer. Dies liegt an der technischen Herausforderung, den Füllfaktor zu maximieren und gleichzeitig die Pixelfunktion beizubehalten, sowie am Hintergrundbeleuchtungsprozess. Wie Sie erfahren werden, ermöglicht dieser Prozess die höchsten Quanteneffizienzen, geht aber mit einer deutlich höheren Fertigungskomplexität einher.

Wie bei allen Kameraspezifikationen muss die erforderliche Quanteneffizienz stets gegen andere Faktoren Ihrer spezifischen Bildgebungsanwendung abgewogen werden. Beispielsweise kann die Einführung eines Global Shutters für viele Anwendungen Vorteile bringen, lässt sich aber in der Regel nicht auf einem BI-Sensor implementieren. Zudem erfordert er das Hinzufügen eines zusätzlichen Transistors zum Pixel. Dies kann den Füllfaktor und damit die Quanteneffizienz reduzieren, selbst im Vergleich zu anderen FI-Sensoren.

Beispielanwendungen, bei denen QE wichtig sein kann

Einige Anwendungsbeispiele:

● Schwachlicht- und Fluoreszenzbildgebung von nicht fixierten biologischen Proben

● Hochgeschwindigkeitsbildgebung

● Quantitative Anwendungen, die hochpräzise Intensitätsmessungen erfordern

QE nach Sensortyp

Verschiedene Bildsensortechnologien weisen unterschiedliche Quanteneffizienzen auf. So sieht die Quanteneffizienz der wichtigsten Sensortypen im Vergleich aus:

CCD (ladungsgekoppeltes Bauelement)

Traditionell werden sie aufgrund ihres geringen Rauschens und ihrer hohen Quanteneffizienz (QE) bevorzugt, die oft zwischen 70 und 90 % liegt. CCDs eignen sich hervorragend für Anwendungen in der Astronomie und Langzeitbelichtung.

CMOS (Komplementärer Metalloxid-Halbleiter)

Einst waren sie durch eine geringere Quanteneffizienz und ein höheres Leserauschen eingeschränkt, doch moderne CMOS-Sensoren – insbesondere rückwärtig beleuchtete Designs – haben deutlich aufgeholt. Viele erreichen mittlerweile Spitzen-QE-Werte von über 80 % und bieten so eine hervorragende Leistung bei schnelleren Bildraten und geringerem Stromverbrauch.

Entdecken Sie unser Angebot an fortschrittlichenCMOS-KameraModelle, um zu sehen, wie weit diese Technologie gekommen ist, wieTucsens Libra 3405M sCMOS-Kamera, eine hochempfindliche wissenschaftliche Kamera, die für anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht entwickelt wurde.

sCMOS (Wissenschaftliches CMOS)

Eine spezielle CMOS-Klasse, die für die wissenschaftliche Bildgebung entwickelt wurde.sCMOS-KameraDie Technologie kombiniert eine hohe Quanteneffizienz (typischerweise 70–95 %) mit geringem Rauschen, hohem Dynamikbereich und schneller Bildaufnahme. Ideal für die Bildgebung lebender Zellen, Hochgeschwindigkeitsmikroskopie und Mehrkanal-Fluoreszenz.

So lesen Sie eine Quanteneffizienzkurve

Hersteller veröffentlichen in der Regel eine QE-Kurve, die die Effizienz (%) über die Wellenlängen (nm) aufzeichnet. Diese Kurven sind wichtig, um die Leistung einer Kamera in bestimmten Spektralbereichen zu bestimmen.

Wichtige Elemente, auf die Sie achten sollten:

●Spitzen-QE: Die maximale Effizienz, oft im Bereich von 500–600 nm (grünes Licht).
●Wellenlängenbereich: Das nutzbare Spektralfenster, in dem QE über einem nützlichen Schwellenwert bleibt (z. B. >20 %).
●Haltezonen: Die Quanteneffizienz nimmt im UV-Bereich (<400 nm) und im NIR-Bereich (>800 nm) tendenziell ab.

Durch die Interpretation dieser Kurve können Sie die Stärken des Sensors an Ihre Anwendung anpassen, unabhängig davon, ob Sie im sichtbaren Spektrum, im nahen Infrarot oder im UV-Bereich abbilden.

Wellenlängenabhängigkeit der Quanteneffizienz

Abbildung: QE-Kurve mit typischen Werten für front- und back-illuminierte Sensoren auf Siliziumbasis

NOTIZ: Die Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeit der Photonendetektion (Quanteneffizienz, %) im Vergleich zur Photonenwellenlänge für vier Beispielkameras. Unterschiedliche Sensorvarianten und Beschichtungen können diese Kurven drastisch verschieben.

Die Quanteneffizienz ist, wie die Abbildung zeigt, stark wellenlängenabhängig. Die meisten siliziumbasierten Kamerasensoren weisen ihre maximale Quanteneffizienz im sichtbaren Bereich des Spektrums auf, am häufigsten im grünen bis gelben Bereich von etwa 490 nm bis 600 nm. QE-Kurven können durch Sensorbeschichtungen und Materialvarianten modifiziert werden, um eine maximale QE bei etwa 300 nm im Ultraviolett (UV), etwa 850 nm im nahen Infrarot (NIR) und vielen dazwischen liegenden Wellenlängen zu erreichen.

Bei allen siliziumbasierten Kameras sinkt die Quanteneffizienz ab 1100 nm, da Photonen nicht mehr genügend Energie haben, um Photoelektronen freizusetzen. Die UV-Leistung kann bei Sensoren mit Mikrolinsen oder UV-blockierendem Fensterglas, die kurzwelliges Licht daran hindern, den Sensor zu erreichen, stark eingeschränkt sein.

Dazwischen sind QE-Kurven selten glatt und gleichmäßig, sondern enthalten häufig kleine Spitzen und Täler, die durch die unterschiedlichen Materialeigenschaften und Transparenzen der Materialien verursacht werden, aus denen das Pixel besteht.

Bei Anwendungen, die eine UV- oder NIR-Empfindlichkeit erfordern, kann die Berücksichtigung der Quanteneffizienzkurven wesentlich wichtiger werden, da bei manchen Kameras die Quanteneffizienz an den äußersten Enden der Kurve um ein Vielfaches höher sein kann als bei anderen.

Röntgenempfindlichkeit

Einige Silizium-Kamerasensoren können im sichtbaren Lichtspektrum arbeiten und gleichzeitig bestimmte Wellenlängen von Röntgenstrahlen erfassen. Allerdings erfordern Kameras in der Regel spezielle Konstruktionen, um sowohl den Auswirkungen der Röntgenstrahlen auf die Kameraelektronik als auch den für Röntgenexperimente üblicherweise verwendeten Vakuumkammern standzuhalten.

Infrarotkameras

Schließlich können Sensoren, die nicht auf Silizium, sondern auf anderen Materialien basieren, völlig unterschiedliche QE-Kurven aufweisen. Beispielsweise können InGaAs-Infrarotkameras, die anstelle von Silizium auf Indium-Gallium-Arsenid basieren, je nach Sensorvariante breite Wellenlängenbereiche im NIR bis maximal etwa 2700 nm erfassen.

Quanteneffizienz im Vergleich zu anderen Kameraspezifikationen

Die Quanteneffizienz ist ein wichtiger Leistungsindikator, der jedoch nicht isoliert betrachtet werden kann. Hier erfahren Sie, wie sie mit anderen wichtigen Kameraspezifikationen zusammenhängt:

QE vs. Sensitivität

Die Empfindlichkeit beschreibt die Fähigkeit der Kamera, schwache Signale zu erkennen. Die Quanteneffizienz trägt direkt zur Empfindlichkeit bei, aber auch andere Faktoren wie Pixelgröße, Lese-Rauschen und Dunkelstrom spielen eine Rolle.

QE vs. Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Ein höherer Quanteneffekt verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), da mehr Signale (Elektronen) pro Photon erzeugt werden. Übermäßiges Rauschen aufgrund mangelhafter Elektronik oder unzureichender Kühlung kann jedoch dennoch zu einer Verschlechterung des Bildes führen.

QE vs. Dynamikbereich

Während die Quanteneffizienz (QE) die erfasste Lichtmenge beeinflusst, beschreibt der Dynamikbereich das Verhältnis zwischen den hellsten und dunkelsten Signalen, die die Kamera verarbeiten kann. Eine Kamera mit hoher Quanteneffizienz und geringem Dynamikbereich kann in kontrastreichen Szenen dennoch unterdurchschnittliche Ergebnisse liefern.

Kurz gesagt: Die Quanteneffizienz ist entscheidend, aber bewerten Sie sie immer im Zusammenhang mit ergänzenden Spezifikationen.

Was ist eine „gute“ Quanteneffizienz?

Es gibt keine allgemeingültige „beste“ QE – es hängt von Ihrer Anwendung ab. Hier sind jedoch allgemeine Benchmarks:

QE-Bereich	Leistungsniveau	Anwendungsfälle
<40 %	Niedrig	Nicht ideal für wissenschaftliche Zwecke
40–60 %	Durchschnitt	Wissenschaftliche Anwendungen auf Einstiegsniveau
60–80 %	Gut	Geeignet für die meisten Bildgebungsaufgaben
80–95 %	Exzellent	Schwache Lichtverhältnisse, hochpräzise oder photonenbegrenzte Bildgebung

Berücksichtigen Sie außerdem die Spitzen-QE im Vergleich zur durchschnittlichen QE über den gewünschten Spektralbereich.

Abschluss

Die Quanteneffizienz ist einer der wichtigsten, aber oft übersehenen Faktoren bei der Auswahl eines wissenschaftlichen Bildgebungsgeräts. Ob Sie CCDs, sCMOS-Kameras oder CMOS-Kameras bewerten, das Verständnis der Quanteneffizienz hilft Ihnen:

● Sagen Sie voraus, wie Ihre Kamera unter realen Lichtbedingungen funktioniert
● Vergleichen Sie Produkte objektiv und ohne Marketingaussagen
● Passen Sie die Kameraspezifikationen an Ihre wissenschaftlichen Anforderungen an

Dank der Weiterentwicklung der Sensortechnologie bieten moderne wissenschaftliche Kameras mit hoher Quanteneffizienz eine bemerkenswerte Empfindlichkeit und Vielseitigkeit für vielfältige Anwendungen. Doch unabhängig von der fortschrittlichen Hardware beginnt die Auswahl des richtigen Werkzeugs mit dem Verständnis, wie die Quanteneffizienz in das Gesamtbild passt.

FAQs

Ist eine höhere Quanteneffizienz bei einer wissenschaftlichen Kamera immer besser?

Eine höhere Quanteneffizienz (QE) verbessert im Allgemeinen die Fähigkeit einer Kamera, geringe Lichtintensitäten zu erkennen, was in Anwendungen wie Fluoreszenzmikroskopie, Astronomie und Einzelmolekülbildgebung wertvoll ist. Die QE ist jedoch nur ein Teil eines ausgewogenen Leistungsprofils. Eine Kamera mit hoher QE, geringem Dynamikbereich, hohem Leserauschen oder unzureichender Kühlung kann dennoch suboptimale Ergebnisse liefern. Um die beste Leistung zu erzielen, sollten Sie die QE immer in Kombination mit anderen wichtigen Spezifikationen wie Rauschen, Bittiefe und Sensorarchitektur bewerten.

Wie wird die Quanteneffizienz gemessen?

Die Quanteneffizienz wird gemessen, indem ein Sensor mit einer bekannten Anzahl von Photonen bei einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet und anschließend die Anzahl der vom Sensor erzeugten Elektronen gezählt wird. Dies geschieht typischerweise mit einer kalibrierten monochromatischen Lichtquelle und einer Referenzfotodiode. Der resultierende QE-Wert wird über die Wellenlängen aufgetragen, um eine QE-Kurve zu erstellen. Dies hilft, die spektrale Reaktion des Sensors zu bestimmen, die für die Anpassung der Kamera an die Lichtquelle oder den Emissionsbereich Ihrer Anwendung entscheidend ist.

Können Software oder externe Filter die Quanteneffizienz verbessern?

Nein. Die Quanteneffizienz ist eine intrinsische Hardwareeigenschaft des Bildsensors und kann nicht durch Software oder externes Zubehör verändert werden. Filter können jedoch die Bildqualität insgesamt verbessern, indem sie das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern (z. B. durch Emissionsfilter in Fluoreszenzanwendungen), und Software kann bei der Rauschunterdrückung oder Nachbearbeitung helfen. Der QE-Wert selbst wird dadurch jedoch nicht verändert.