25.08.15Teaduslikus pildistamises on täpsus kõik. Olenemata sellest, kas jäädvustate hämaras valguses fluorestsentssignaale või jälgite nõrku taevakehi, mõjutab teie kaamera võime valgust tuvastada otseselt teie tulemuste kvaliteeti. Üks olulisemaid, kuid sageli valesti mõistetud tegureid selles võrrandis on kvantefektiivsus (QE).
See juhend tutvustab teile, mis on QE, miks see on oluline, kuidas QE spetsifikatsioone tõlgendada ja kuidas see eri anduritüüpe võrdub. Kui otsite...teaduskaameravõi lihtsalt üritad kaamera andmelehtedest aru saada, see on sinu jaoks.
Joonis: Tucseni tüüpilise kaamera QE-kõvera näited
(a)Jäär 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Kaalud 22
Mis on kvantefektiivsus?
Kvantefektiivsus on tõenäosus, et kaamerasensorini jõudnud footon tegelikult tuvastatakse ja räni sees fotoelektron vabastatakse.
Selle punkti suunas liikuva footoni teekonna mitmes etapis esineb tõkkeid, mis võivad footoneid neelata või eemale peegeldada. Lisaks ei ole ükski materjal 100% läbipaistev iga footoni lainepikkuse suhtes ning kõik materjali koostise muutused võivad footoneid peegeldada või hajutada.
Protsendina väljendatuna defineeritakse kvanttõhusust järgmiselt:
QE (%) = (tekitatud elektronide arv / langevate footonite arv) × 100
On kahte peamist tüüpi:
●Väline kvantitatiivne leevendamineMõõdetud jõudlus, sh sellised mõjud nagu peegeldus ja ülekandekaod.
●Sisemine kvantitatiivne leevendamineMõõdab anduri enda muundamise efektiivsust, eeldades, et kõik footonid neelduvad.
Kõrgem QE tähendab paremat valgustundlikkust ja tugevamaid pildisignaale, eriti hämaras või footonite piiratud arvul stsenaariumides.
Miks on kvantefektiivsus teaduskaamerates oluline?
Pildistamisel on alati kasulik jäädvustada võimalikult suur protsent sissetulevaid footoneid, eriti rakendustes, mis nõuavad suurt tundlikkust.
Siiski kipuvad suure kvantefektiivsusega andurid olema kallimad. See on tingitud inseneritöö väljakutsest maksimeerida täitefaktorit, säilitades samal ajal piksli funktsiooni, ning ka taustvalgustuse protsessist. Nagu te näete, võimaldab see protsess suurimat kvantefektiivsust, kuid sellega kaasneb oluliselt suurem tootmise keerukus.
Nagu kõigi kaamerate spetsifikatsioonide puhul, tuleb kvantefektiivsust alati kaaluda teie konkreetse pildirakenduse muude tegurite suhtes. Näiteks globaalse katiku kasutuselevõtt võib tuua eeliseid paljude rakenduste jaoks, kuid tavaliselt ei saa seda BI-sensoril rakendada. Lisaks nõuab see pikslile täiendava transistori lisamist. See võib vähendada täitetegurit ja seega ka kvantefektiivsust, isegi võrreldes teiste FI-sensoritega.
Näited rakendustest, kus kvantifitseerimine võib olla oluline
Mõned näited rakendustest:
● Fikseerimata bioloogiliste proovide hämaras ja fluorestsentskuvamine
● Kiire pildistamine
● Kvantitatiivsed rakendused, mis nõuavad suure täpsusega intensiivsuse mõõtmist
QE anduri tüübi järgi
Erinevatel pildisensoritehnoloogiatel on erinev kvanttõhusus. Siin on võrdlus QE-ga peamiste sensoritüüpide vahel:
CCD (laenguga sidestatud seade)
Traditsiooniliselt eelistati teaduslikku pildistamist madala mürataseme ja kõrge kvantkoefitsiendi tõttu, mis sageli ulatub 70–90% vahemikku. CCD-sensorid sobivad suurepäraselt sellistesse rakendustesse nagu astronoomia ja pika säriajaga pildistamine.
CMOS (komplementaarne metall-oksiid-pooljuht)
Kunagi piirasid madalamad QE-väärtused ja suurem lugemismüra, kuid tänapäevased CMOS-sensorid – eriti taustvalgustusega disainilahendused – on neile märkimisväärselt järele jõudnud. Paljud saavutavad nüüd tipp-QE väärtused üle 80%, pakkudes suurepärast jõudlust kiirema kaadrisageduse ja väiksema energiatarbega.
Avastage meie täiustatud toodete valikutCMOS-kaameramudeleid, et näha, kui kaugele see tehnoloogia on jõudnud, näiteksTucseni Libra 3405M sCMOS-kaamera, ülitundlik teaduskaamera, mis on loodud nõudlikeks hämaras valguses töötamise rakendusteks.
sCMOS (teaduslik CMOS)
Spetsiaalne CMOS-klass, mis on loodud teaduslikuks pildistamiseks.sCMOS-kaameratehnoloogia ühendab kõrge QE (tavaliselt 70–95%) madala mürataseme, suure dünaamilise ulatuse ja kiire pildiomadusega. Ideaalne elusrakkude pildistamiseks, kiireks mikroskoopiaks ja mitmekanaliliseks fluorestsentsiks.
Kuidas lugeda kvantefektiivsuse kõverat
Tootjad avaldavad tavaliselt QE-kõvera, mis kujutab efektiivsust (%) erinevatel lainepikkustel (nm). Need kõverad on olulised kaamera toimivuse määramiseks teatud spektraalvahemikes.
Peamised elemendid, mida otsida:
●Tipptaseme kvantitatiivne leevendamineMaksimaalne efektiivsus, sageli vahemikus 500–600 nm (roheline tuli).
●Lainepikkuste vahemikKasutatav spektraalaken, kus QE jääb kasulikust lävest (nt >20%) kõrgemale.
●MahapanekualadQE kipub langema UV (<400 nm) ja NIR (>800 nm) piirkondades.
Selle kõvera tõlgendamine aitab teil anduri tugevusi oma rakendusega sobitada, olenemata sellest, kas pildistate nähtavas spektris, lähiinfrapunas või UV-kiirguses.
Kvantefektiivsuse lainepikkusest sõltuvus
Joonis: QE-kõver, mis näitab tüüpilisi väärtusi eest- ja tagantvalgustusega ränipõhiste andurite jaoks
MÄRKUSGraafik näitab footonite tuvastamise tõenäosust (kvanttõhusust, %) footonite lainepikkuse suhtes nelja näidiskaamera puhul. Erinevad andurite variandid ja katted võivad neid kõveraid dramaatiliselt nihutada.
Nagu joonisel näidatud, sõltub kvantefektiivsus suuresti lainepikkusest. Enamik ränipõhiseid kaamerasensoreid näitab oma maksimaalset kvantefektiivsust spektri nähtavas osas, kõige sagedamini rohelises kuni kollases piirkonnas, umbes 490 nm kuni 600 nm. Kvantefektiivsuse kõveraid saab muuta andurite katete ja materjalivariantide abil, et saavutada maksimaalne kvantefektiivsus umbes 300 nm juures ultraviolettkiirguses (UV), umbes 850 nm juures lähiinfrapunakiirguses (NIR) ja paljudes teistes lainepikkustes.
Kõigil ränipõhistel kaameratel väheneb kvantefektiivsus 1100 nm suunas, mille juures footonitel pole enam piisavalt energiat fotoelektronide vabastamiseks. UV-kiirguse jõudlus võib olla oluliselt piiratud mikroläätsede või UV-blokeeriva aknaklaasiga andurites, mis takistavad lühilainelise valguse jõudmist andurini.
Vahepealsed QE-kõverad on harva sujuvad ja ühtlased ning sisaldavad sageli väikeseid tippe ja lohke, mis on põhjustatud piksli koostisainete erinevatest materjaliomadustest ja läbipaistvusest.
UV- või NIR-tundlikkust nõudvates rakendustes võib kvantefektiivsuse kõverate arvestamine muutuda palju olulisemaks, kuna mõnes kaameras võib kvantefektiivsus kõvera äärmistes otstes olla mitu korda suurem kui teistes.
Röntgenikiirguse tundlikkus
Mõned ränikaamerasensorid suudavad töötada spektri nähtava valguse osas ja samal ajal tuvastada ka teatud röntgenikiirte lainepikkusi. Kaamerad vajavad aga tavaliselt spetsiifilist inseneritööd, et tulla toime nii röntgenkiirte mõjuga kaamera elektroonikale kui ka vaakumkambritega, mida tavaliselt röntgenkatsetes kasutatakse.
Infrapunakaamerad
Lõpuks võivad räni asemel indium-gallium-arseniidil põhinevad andurid kuvada täiesti erinevaid QE-kõveraid. Näiteks InGaAs-infrapunakaamerad, mis põhinevad räni asemel indium-gallium-arseniidil, suudavad tuvastada NIR-is laia lainepikkuste vahemikku, kuni maksimaalselt umbes 2700 nm, olenevalt anduri variandist.
Kvantefektiivsus vs. muud kaamera spetsifikatsioonid
Kvantefektiivsus on peamine jõudlusnäitaja, kuid see ei toimi isoleeritult. Siin on, kuidas see on seotud teiste oluliste kaamera spetsifikatsioonidega:
Kvantne eufooria vs tundlikkus
Tundlikkus on kaamera võime tuvastada nõrku signaale. Kvantsentsekvalentsus (QE) aitab tundlikkusele otseselt kaasa, kuid rolli mängivad ka muud tegurid, näiteks piksli suurus, lugemismüra ja tumevool.
QE vs. signaali-müra suhe (SNR)
Kõrgem QE parandab signaali-müra suhet, genereerides footoni kohta rohkem signaali (elektrone). Kuid liigne müra, mis on tingitud kehvast elektroonikast või ebapiisavast jahutusest, võib ikkagi pilti halvendada.
QE vs. dünaamiline ulatus
Kuigi QE mõjutab tuvastatava valguse hulka, kirjeldab dünaamiline ulatus kaamera poolt töödeldavate eredaimate ja tumedaimate signaalide suhet. Kõrge QE-ga kaamera, kuid kehva dünaamilise ulatusega, võib suure kontrastsusega stseenides siiski kehva tulemust anda.
Lühidalt, kvanttõhusus on kriitilise tähtsusega, kuid hinnake seda alati koos täiendavate spetsifikatsioonidega.
Mis on "hea" kvantefektiivsus?
Universaalset "parimat" kvantifitseerimise meetodit pole olemas – see sõltub teie rakendusest. Siiski on siin üldised võrdlusalused:
| QE vahemik | Jõudlustase | Kasutusjuhud |
| <40% | Madal | Ei ole ideaalne teaduslikuks kasutamiseks |
| 40–60% | Keskmine | Algtaseme teaduslikud rakendused |
| 60–80% | Hea | Sobib enamiku pildindusülesannete jaoks |
| 80–95% | Suurepärane | Hämaras, suure täpsusega või footonpiiratud pildistamine |
Samuti arvestage QE tippväärtuse ja keskmise QE erinevusega soovitud spektraalvahemikus.
Kokkuvõte
Kvantefektiivsus on teadusliku pildistamisseadme valimisel üks olulisemaid, kuid siiski tähelepanuta jäetud tegureid. Olenemata sellest, kas hindate CCD-sid, sCMOS-kaameraid või CMOS-kaameraid, aitab kvantefektiivsuse mõistmine teil:
● Ennusta, kuidas sinu kaamera reaalsetes valgustingimustes töötab
● Võrdle tooteid objektiivselt, ületades turundusväiteid
● Ühenda kaamera tehnilised andmed oma teaduslike vajadustega
Anduritehnoloogia arenedes pakuvad tänapäevased kõrge kvantefektiivsusega teaduskaamerad märkimisväärset tundlikkust ja mitmekülgsust mitmesugustes rakendustes. Kuid olenemata riistvara täiustatud olekust algab õige tööriista valimine kvantefektiivsuse mõistmisest suuremasse pilti.
KKK
Kas teaduskaameras on suurem kvantefektiivsus alati parem?
Kõrgem kvantefektiivsus (QE) parandab üldiselt kaamera võimet tuvastada nõrku valguse tasemeid, mis on väärtuslik sellistes rakendustes nagu fluorestsentsmikroskoopia, astronoomia ja üksikmolekulide pildistamine. QE on aga vaid üks osa tasakaalustatud jõudlusprofiilist. Kõrge QE-ga kaamera, millel on halb dünaamiline ulatus, kõrge lugemismüra või ebapiisav jahutus, võib ikkagi anda optimaalsest madalamaid tulemusi. Parima jõudluse saavutamiseks hinnake QE-d alati koos teiste oluliste spetsifikatsioonidega, nagu müra, bitisügavus ja sensori arhitektuur.
Kuidas kvantefektiivsust mõõdetakse?
Kvantefektiivsust mõõdetakse anduri valgustamise teel teadaoleva arvu footonitega kindlal lainepikkusel ja seejärel anduri tekitatud elektronide arvu loendamisega. Tavaliselt tehakse seda kalibreeritud monokromaatilise valgusallika ja võrdlusfotodioodi abil. Saadud QE väärtus joonistatakse lainepikkuste kaupa, et luua QE kõver. See aitab määrata anduri spektraalkarakteristikut, mis on kriitilise tähtsusega kaamera sobitamiseks teie rakenduse valgusallika või emissioonivahemikuga.
Kas tarkvara või välised filtrid saavad kvantefektiivsust parandada?
Ei. Kvantefektiivsus on pildisensori sisemine, riistvaratasemel omadus ja seda ei saa tarkvara ega väliste lisatarvikutega muuta. Filtrid saavad aga parandada pildi üldist kvaliteeti, suurendades signaali-müra suhet (nt fluorestsentsrakendustes emissioonfiltrite kasutamine) ja tarkvara saab aidata müra vähendamisel või järeltöötlusel. Need aga ei muuda kvantefektiivsuse väärtust ennast.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
