25/08/15Στην επιστημονική απεικόνιση, η ακρίβεια είναι το παν. Είτε καταγράφετε σήματα φθορισμού χαμηλού φωτισμού είτε παρακολουθείτε αμυδρά ουράνια αντικείμενα, η ικανότητα της κάμεράς σας να ανιχνεύει φως επηρεάζει άμεσα την ποιότητα των αποτελεσμάτων σας. Ένας από τους πιο κρίσιμους, αλλά συχνά παρεξηγημένους, παράγοντες σε αυτήν την εξίσωση είναι η κβαντική απόδοση (QE).
Αυτός ο οδηγός θα σας καθοδηγήσει στο τι είναι η QE, γιατί είναι σημαντική, πώς να ερμηνεύσετε τις προδιαγραφές QE και πώς συγκρίνεται μεταξύ των τύπων αισθητήρων. Εάν ψάχνετε για έναεπιστημονική κάμεραή απλώς προσπαθείτε να κατανοήσετε τα φύλλα δεδομένων των καμερών, αυτό είναι για εσάς.
Σχήμα: Παραδείγματα τυπικής καμπύλης QE κάμερας Tucsen
(ένα)Κριός 6510(σι)Ντυάνα 6060BSI(ντο)Ζυγός 22
Τι είναι η Κβαντική Αποδοτικότητα;
Η Κβαντική Απόδοση είναι η πιθανότητα ένα φωτόνιο που φτάνει στον αισθητήρα της κάμερας να ανιχνευθεί και να απελευθερώσει ένα φωτοηλεκτρόνιο στο πυρίτιο.
Σε πολλαπλά στάδια της πορείας του φωτονίου προς αυτό το σημείο, υπάρχουν φράγματα που μπορούν να απορροφήσουν φωτόνια ή να τα αντανακλάσουν μακριά. Επιπλέον, κανένα υλικό δεν είναι 100% διαφανές σε κάθε μήκος κύματος φωτονίου, ενώ τυχόν αλλαγές στη σύνθεση του υλικού έχουν την πιθανότητα να αντανακλούν ή να διασκορπίζουν φωτόνια.
Εκφρασμένη ως ποσοστό, η κβαντική απόδοση ορίζεται ως:
QE (%) = (Αριθμός παραγόμενων ηλεκτρονίων / Αριθμός προσπίπτοντων φωτονίων) × 100
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι:
●Εξωτερική ποσοτική χαλάρωσηΜετρημένη απόδοση, συμπεριλαμβανομένων εφέ όπως οι απώλειες ανάκλασης και μετάδοσης.
●Εσωτερική ποσοτική χαλάρωσηΜετρά την απόδοση μετατροπής εντός του ίδιου του αισθητήρα, υποθέτοντας ότι όλα τα φωτόνια απορροφώνται.
Υψηλότερο QE σημαίνει καλύτερη ευαισθησία στο φως και ισχυρότερα σήματα εικόνας, ειδικά σε σενάρια χαμηλού φωτισμού ή περιορισμένων φωτονίων.
Γιατί έχει σημασία η κβαντική απόδοση στις επιστημονικές κάμερες;
Στην απεικόνιση, είναι πάντα χρήσιμο να καταγράφουμε το υψηλότερο ποσοστό εισερχόμενων φωτονίων που μπορούμε, ειδικά σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ευαισθησία.
Ωστόσο, οι αισθητήρες υψηλής κβαντικής απόδοσης τείνουν να είναι πιο ακριβοί. Αυτό οφείλεται στην μηχανική πρόκληση της μεγιστοποίησης του συντελεστή πλήρωσης διατηρώντας παράλληλα τη λειτουργία των pixel, αλλά και στη διαδικασία οπίσθιου φωτισμού. Αυτή η διαδικασία, όπως θα μάθετε, επιτρέπει την επίτευξη της υψηλότερης κβαντικής απόδοσης, αλλά συνοδεύεται από σημαντικά αυξημένη πολυπλοκότητα κατασκευής.
Όπως όλες οι προδιαγραφές κάμερας, η ανάγκη για κβαντική απόδοση πρέπει πάντα να σταθμίζεται σε σχέση με άλλους παράγοντες για την συγκεκριμένη εφαρμογή απεικόνισης. Για παράδειγμα, η εισαγωγή ενός καθολικού κλείστρου μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα για πολλές εφαρμογές, αλλά συνήθως δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε έναν αισθητήρα BI. Επιπλέον, απαιτεί την προσθήκη ενός επιπλέον τρανζίστορ στο pixel. Αυτό μπορεί να μειώσει τον συντελεστή πλήρωσης και, ως εκ τούτου, την κβαντική απόδοση, ακόμη και σε σύγκριση με άλλους αισθητήρες FI.
Παραδείγματα εφαρμογών όπου η ποσοτική χαλάρωση μπορεί να είναι σημαντική
Μερικά παραδείγματα εφαρμογών:
● Απεικόνιση χαμηλού φωτισμού και φθορισμού μη μονιμοποιημένων βιολογικών δειγμάτων
● Απεικόνιση υψηλής ταχύτητας
● Ποσοτικές εφαρμογές που απαιτούν μετρήσεις έντασης υψηλής ακρίβειας
QE ανά τύπο αισθητήρα
Διαφορετικές τεχνολογίες αισθητήρων εικόνας παρουσιάζουν διαφορετικές κβαντικές αποδόσεις. Δείτε πώς συγκρίνεται συνήθως η QE μεταξύ των κύριων τύπων αισθητήρων:
CCD (Συσκευή Συνδεδεμένης Φόρτισης)
Παραδοσιακά προτιμούσαν την επιστημονική απεικόνιση λόγω του χαμηλού θορύβου και του υψηλού QE, που συχνά κορυφώνεται μεταξύ 70-90%. Οι CCD υπερέχουν σε εφαρμογές όπως η αστρονομία και η απεικόνιση μακράς έκθεσης.
CMOS (Συμπληρωματικός Ημιαγωγός Οξειδίου Μετάλλου)
Κάποτε περιορισμένοι από χαμηλότερο QE και υψηλότερο θόρυβο ανάγνωσης, οι σύγχρονοι αισθητήρες CMOS - ειδικά τα σχέδια με οπίσθιο φωτισμό - έχουν καλύψει σημαντικά το χαμένο έδαφος. Πολλοί πλέον φτάνουν σε μέγιστες τιμές QE άνω του 80%, προσφέροντας εξαιρετική απόδοση με ταχύτερους ρυθμούς καρέ και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
Εξερευνήστε τη γκάμα των προηγμένωνΚάμερα CMOSμοντέλα για να δούμε πόσο μακριά έχει φτάσει αυτή η τεχνολογία, όπωςΚάμερα sCMOS Libra 3405M της Tucsen, μια επιστημονική κάμερα υψηλής ευαισθησίας σχεδιασμένη για απαιτητικές εφαρμογές χαμηλού φωτισμού.
sCMOS (Επιστημονικό CMOS)
Μια εξειδικευμένη κατηγορία CMOS σχεδιασμένη για επιστημονική απεικόνιση,κάμερα sCMOSΗ τεχνολογία συνδυάζει υψηλό QE (συνήθως 70–95%) με χαμηλό θόρυβο, υψηλό δυναμικό εύρος και γρήγορη λήψη. Ιδανική για απεικόνιση ζωντανών κυττάρων, μικροσκοπία υψηλής ταχύτητας και φθορισμό πολλαπλών καναλιών.
Πώς να διαβάσετε μια καμπύλη κβαντικής απόδοσης
Οι κατασκευαστές συνήθως δημοσιεύουν μια καμπύλη QE που απεικονίζει την απόδοση (%) σε όλα τα μήκη κύματος (nm). Αυτές οι καμπύλες είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό της απόδοσης μιας κάμερας σε συγκεκριμένα φασματικά εύρη.
Βασικά στοιχεία που πρέπει να αναζητήσετε:
●Κορυφή ποσοτικής χαλάρωσηςΗ μέγιστη απόδοση, συχνά στην περιοχή των 500–600 nm (πράσινο φως).
●Εύρος μήκους κύματος: Το χρησιμοποιήσιμο φασματικό παράθυρο όπου η ποσοτική χαλάρωση (QE) παραμένει πάνω από ένα χρήσιμο όριο (π.χ., >20%).
●Ζώνες ΑποβίβασηςΗ QE τείνει να μειώνεται στις περιοχές UV (<400 nm) και NIR (>800 nm).
Η ερμηνεία αυτής της καμπύλης σάς βοηθά να αντιστοιχίσετε τα δυνατά σημεία του αισθητήρα με την εφαρμογή σας, είτε απεικονίζετε στο ορατό φάσμα, στο εγγύς υπέρυθρο είτε στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Εξάρτηση της κβαντικής απόδοσης από το μήκος κύματος
Σχήμα: Καμπύλη QE που δείχνει τυπικές τιμές για αισθητήρες πυριτίου με μπροστινό και οπίσθιο φωτισμό
ΣΗΜΕΙΩΜΑΤο γράφημα δείχνει την πιθανότητα ανίχνευσης φωτονίων (κβαντική απόδοση, %) έναντι του μήκους κύματος των φωτονίων για τέσσερα παραδείγματα καμερών. Διαφορετικές παραλλαγές αισθητήρων και επιστρώσεις μπορούν να μετατοπίσουν δραματικά αυτές τις καμπύλες.
Η κβαντική απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μήκος κύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η πλειονότητα των αισθητήρων κάμερας με βάση το πυρίτιο εμφανίζουν τη μέγιστη κβαντική τους απόδοση στο ορατό μέρος του φάσματος, συνήθως στην πράσινη έως την κίτρινη περιοχή, από περίπου 490nm έως 600nm. Οι καμπύλες QE μπορούν να τροποποιηθούν μέσω επιστρώσεων αισθητήρων και παραλλαγών υλικών για να παρέχουν μέγιστη QE περίπου 300nm στην υπεριώδη (UV), περίπου 850nm στο εγγύς υπέρυθρο (NIR) και πολλές επιλογές μεταξύ τους.
Όλες οι κάμερες που βασίζονται στο πυρίτιο παρουσιάζουν μείωση στην κβαντική απόδοση προς τα 1100nm, στα οποία τα φωτόνια δεν έχουν πλέον αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσουν φωτοηλεκτρόνια. Η απόδοση της υπεριώδους ακτινοβολίας μπορεί να περιοριστεί σημαντικά σε αισθητήρες με μικροφακούς ή γυαλί παραθύρου που μπλοκάρει την υπεριώδη ακτινοβολία, οι οποίοι εμποδίζουν το φως μικρού μήκους κύματος να φτάσει στον αισθητήρα.
Ενδιάμεσα, οι καμπύλες QE σπάνια είναι ομαλές και ομοιόμορφες και αντ' αυτού συχνά περιλαμβάνουν μικρές κορυφές και κοιλότητες που προκαλούνται από τις διαφορετικές ιδιότητες των υλικών και τη διαφάνεια των υλικών από τα οποία αποτελείται το εικονοστοιχείο.
Σε εφαρμογές που απαιτούν ευαισθησία σε υπεριώδη ή μη υπέρυθρη ακτινοβολία, η εξέταση των καμπυλών κβαντικής απόδοσης μπορεί να γίνει πολύ πιο σημαντική, καθώς σε ορισμένες κάμερες η κβαντική απόδοση μπορεί να είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από άλλες στα ακραία άκρα της καμπύλης.
Ευαισθησία ακτίνων Χ
Ορισμένοι αισθητήρες καμερών πυριτίου μπορούν να λειτουργούν στο ορατό τμήμα του φάσματος, ενώ παράλληλα είναι ικανοί να ανιχνεύουν ορισμένα μήκη κύματος ακτίνων Χ. Ωστόσο, οι κάμερες συνήθως απαιτούν συγκεκριμένη μηχανική για να αντιμετωπίσουν τόσο την επίδραση των ακτίνων Χ στα ηλεκτρονικά της κάμερας όσο και τους θαλάμους κενού που χρησιμοποιούνται γενικά για πειράματα ακτίνων Χ.
Υπέρυθρες κάμερες
Τέλος, αισθητήρες που δεν βασίζονται στο πυρίτιο αλλά σε άλλα υλικά μπορούν να εμφανίσουν εντελώς διαφορετικές καμπύλες QE. Για παράδειγμα, οι υπέρυθρες κάμερες InGaAs, που βασίζονται στο αρσενικό ίνδιο-γάλλιο αντί για πυρίτιο, μπορούν να ανιχνεύσουν ευρείες περιοχές μήκους κύματος στο NIR, έως και περίπου 2700nm, ανάλογα με την παραλλαγή του αισθητήρα.
Κβαντική Απόδοση έναντι Άλλων Προδιαγραφών Κάμερας
Η κβαντική απόδοση είναι ένα βασικό μέτρο απόδοσης, αλλά δεν λειτουργεί μεμονωμένα. Δείτε πώς σχετίζεται με άλλες σημαντικές προδιαγραφές κάμερας:
QE έναντι Ευαισθησίας
Η ευαισθησία είναι η ικανότητα της κάμερας να ανιχνεύει αμυδρά σήματα. Η QE συμβάλλει άμεσα στην ευαισθησία, αλλά και άλλοι παράγοντες όπως το μέγεθος των pixel, ο θόρυβος ανάγνωσης και το σκοτεινό ρεύμα παίζουν επίσης ρόλο.
QE έναντι λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR)
Ένα υψηλότερο QE βελτιώνει το SNR παράγοντας περισσότερο σήμα (ηλεκτρόνια) ανά φωτόνιο. Ωστόσο, ο υπερβολικός θόρυβος, λόγω κακής ηλεκτρονικής λειτουργίας ή ανεπαρκούς ψύξης, μπορεί να υποβαθμίσει την εικόνα.
QE έναντι Δυναμικού Εύρους
Ενώ το QE επηρεάζει την ποσότητα φωτός που ανιχνεύεται, το δυναμικό εύρος περιγράφει την αναλογία μεταξύ των φωτεινότερων και των σκοτεινότερων σημάτων που μπορεί να χειριστεί η κάμερα. Μια κάμερα με υψηλό QE και κακό δυναμικό εύρος μπορεί να παράγει κακά αποτελέσματα σε σκηνές υψηλής αντίθεσης.
Εν ολίγοις, η κβαντική απόδοση είναι κρίσιμη, αλλά πάντα να την αξιολογείτε παράλληλα με συμπληρωματικές προδιαγραφές.
Τι είναι μια «καλή» κβαντική απόδοση;
Δεν υπάρχει καθολικά «καλύτερη» ποσοτική χαλάρωση (QE)—εξαρτάται από την εφαρμογή σας. Ωστόσο, ακολουθούν γενικά σημεία αναφοράς:
| Εύρος ποσοτικής χαλάρωσης | Επίπεδο απόδοσης | Περιπτώσεις χρήσης |
| <40% | Χαμηλός | Δεν είναι ιδανικό για επιστημονική χρήση |
| 40–60% | Μέσος | Επιστημονικές εφαρμογές εισαγωγικού επιπέδου |
| 60–80% | Καλός | Κατάλληλο για τις περισσότερες εργασίες απεικόνισης |
| 80–95% | Εξοχος | Απεικόνιση χαμηλού φωτισμού, υψηλής ακρίβειας ή περιορισμένης φωτονιακής ισχύος |
Επίσης, λάβετε υπόψη την μέγιστη QE έναντι της μέσης QE στο επιθυμητό φασματικό εύρος.
Σύναψη
Η κβαντική απόδοση είναι ένας από τους πιο σημαντικούς, αλλά παραβλέπονται, παράγοντες στην επιλογή μιας επιστημονικής συσκευής απεικόνισης. Είτε αξιολογείτε CCD, κάμερες sCMOS είτε κάμερες CMOS, η κατανόηση της κβαντικής απόδοσης (QE) σας βοηθά:
● Προβλέψτε την απόδοση της κάμεράς σας σε πραγματικές συνθήκες φωτισμού
● Συγκρίνετε προϊόντα αντικειμενικά πέρα από τους ισχυρισμούς μάρκετινγκ
● Συνδυάστε τις προδιαγραφές της κάμερας με τις επιστημονικές σας απαιτήσεις
Καθώς η τεχνολογία αισθητήρων εξελίσσεται, οι σημερινές επιστημονικές κάμερες υψηλής ποιότητας προσφέρουν αξιοσημείωτη ευαισθησία και ευελιξία σε ποικίλες εφαρμογές. Αλλά ανεξάρτητα από το πόσο προηγμένο είναι το υλικό, η επιλογή του σωστού εργαλείου ξεκινά με την κατανόηση του πώς η κβαντική απόδοση εντάσσεται στη συνολική εικόνα.
Συχνές ερωτήσεις
Είναι η υψηλότερη κβαντική απόδοση πάντα καλύτερη σε μια επιστημονική κάμερα;
Η υψηλότερη κβαντική απόδοση (QE) βελτιώνει γενικά την ικανότητα μιας κάμερας να ανιχνεύει χαμηλά επίπεδα φωτός, κάτι που είναι πολύτιμο σε εφαρμογές όπως η μικροσκοπία φθορισμού, η αστρονομία και η απεικόνιση μονομοριακών μορίων. Ωστόσο, η QE είναι μόνο ένα μέρος ενός ισορροπημένου προφίλ απόδοσης. Μια κάμερα υψηλής QE με κακό δυναμικό εύρος, υψηλό θόρυβο ανάγνωσης ή ανεπαρκή ψύξη μπορεί να παρέχει μη βέλτιστα αποτελέσματα. Για την καλύτερη απόδοση, αξιολογείτε πάντα την QE σε συνδυασμό με άλλες βασικές προδιαγραφές όπως ο θόρυβος, το βάθος bit και η αρχιτεκτονική του αισθητήρα.
Πώς μετριέται η κβαντική απόδοση;
Η κβαντική απόδοση μετριέται φωτίζοντας έναν αισθητήρα με έναν γνωστό αριθμό φωτονίων σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος και στη συνέχεια μετρώντας τον αριθμό των ηλεκτρονίων που παράγονται από τον αισθητήρα. Αυτό γίνεται συνήθως χρησιμοποιώντας μια βαθμονομημένη μονοχρωματική πηγή φωτός και μια φωτοδίοδο αναφοράς. Η προκύπτουσα τιμή QE απεικονίζεται γραφικά σε μήκη κύματος για να δημιουργηθεί μια καμπύλη QE. Αυτό βοηθά στον προσδιορισμό της φασματικής απόκρισης του αισθητήρα, η οποία είναι κρίσιμη για την αντιστοίχιση της κάμερας με την πηγή φωτός ή το εύρος εκπομπής της εφαρμογής σας.
Μπορούν το λογισμικό ή τα εξωτερικά φίλτρα να βελτιώσουν την κβαντική απόδοση;
Όχι. Η Κβαντική Απόδοση είναι μια εγγενής ιδιότητα του αισθητήρα εικόνας σε επίπεδο υλικού και δεν μπορεί να τροποποιηθεί από λογισμικό ή εξωτερικά αξεσουάρ. Ωστόσο, τα φίλτρα μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική ποιότητα της εικόνας βελτιώνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο (π.χ., χρησιμοποιώντας φίλτρα εκπομπής σε εφαρμογές φθορισμού) και το λογισμικό μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του θορύβου ή στην μετεπεξεργασία. Ωστόσο, αυτά δεν αλλάζουν την ίδια την τιμή QE.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
