2015/08/25Irudi zientifikoetan, zehaztasuna da gakoa. Argi gutxiko fluoreszentzia-seinaleak harrapatzen ari zaren edo zeruko objektu ahulak jarraitzen ari zaren, zure kamerak argia detektatzeko duen gaitasunak zuzenean eragiten dio zure emaitzen kalitateari. Ekuazio honetako faktore kritikoenetako bat, baina askotan gaizki ulertzen dena, eraginkortasun kuantikoa (QE) da.
Gida honek QE zer den, zergatik den garrantzitsua, nola interpretatu QEren zehaztapenak eta nola alderatzen diren sentsore mota desberdinen inguruan azalduko dizu. Merkatuan bazaude...kamera zientifikoaedo kameraren datu-orriei zentzua ematen saiatzen ari bazara, hau zuretzat da.
Irudia: Tucsen kameraren QE kurba tipikoen adibideak
(a)Aries 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Libra 22
Zer da eraginkortasun kuantikoa?
Eraginkortasun kuantikoa kameraren sentsorera iristen den fotoi bat detektatu eta silizioan fotoelektroi bat askatzeko probabilitatea da.
Fotoiak puntu honetarako bidaian hainbat etapatan, fotoiak xurgatu edo islatu ditzaketen hesiak daude. Gainera, ez dago fotoi-uhin-luzera guztietarako %100ean gardena den materialik, eta materialaren konposizioan izandako edozein aldaketek fotoiak islatzeko edo sakabanatzeko aukera dute.
Ehuneko gisa adierazita, eraginkortasun kuantikoa honela definitzen da:
QE (%) = (Sortutako elektroi kopurua / Erasotzaile fotoi kopurua) × 100
Bi mota nagusi daude:
●Kanpoko QE: Neurtutako errendimendua, islapen eta transmisio-galerak bezalako efektuak barne.
●Barne QE: Fotoi guztiak xurgatzen direla suposatuz, sentsorearen beraren barruan bihurketa-eraginkortasuna neurtzen du.
QE altuagoak argi-sentsibilitate hobea eta irudi-seinale indartsuagoak esan nahi du, batez ere argi gutxiko edo fotoi mugatuko egoeretan.
Zergatik da garrantzitsua eraginkortasun kuantikoak kamera zientifikoetan?
Irudigintzan, beti da lagungarria sarrerako fotoi gehien harrapatzea, batez ere sentikortasun handia eskatzen duten aplikazioetan.
Hala ere, eraginkortasun kuantiko handiko sentsoreak garestiagoak izan ohi dira. Hori betetze-faktorea maximizatzeko ingeniaritza-erronkaren ondorioz gertatzen da, pixelen funtzioa mantenduz, eta baita atzeko argiztapen-prozesuaren ondorioz ere. Prozesu honek, ikasiko duzuen bezala, eraginkortasun kuantiko handienak ahalbidetzen ditu, baina fabrikazio-konplexutasuna nabarmen handitzen du.
Kamera guztien zehaztapenekin gertatzen den bezala, eraginkortasun kuantikoaren beharra beti pisatu behar da zure irudi-aplikazio espezifikorako beste faktore batzuekin alderatuta. Adibidez, obturadore global bat sartzeak abantailak ekar ditzake aplikazio askotarako, baina normalean ezin da BI sentsore batean inplementatu. Gainera, transistore gehigarri bat gehitzea eskatzen du pixelari. Horrek betetze-faktorea eta, beraz, eraginkortasun kuantikoa murriztu dezake, beste FI sentsoreekin alderatuta ere.
QE garrantzitsua izan daitekeen aplikazioen adibideak
Aplikazio adibide batzuk:
● Argi gutxiko eta fluoreszentzia bidezko irudiak finkatu gabeko lagin biologikoetan
● Abiadura handiko irudiak
● Intentsitate-neurketa zehatzak behar dituzten aplikazio kuantitatiboak
QE sentsore motaren arabera
Irudi-sentsoreen teknologia ezberdinek eraginkortasun kuantiko desberdinak erakusten dituzte. Hona hemen QEk nola alderatzen diren sentsore mota nagusien artean:
CCD (Karga Akoplatutako Gailua)
Tradizionalki irudi zientifikoak erabiltzea nahiago izan da zarata txikia eta QE handia dutelako, askotan % 70-90 arteko gailurra lortuz. CCDak astronomia eta esposizio luzeko irudigintza bezalako aplikazioetan bikainak dira.
CMOS (Metal-Oxido-Erdieroale Osagarria)
QE txikiagoak eta irakurketa-zarata handiagoak mugatzen zituzten garai batean, CMOS sentsore modernoek —batez ere atzetik argiztatutako diseinuek— nabarmen egin dute aurrera. Askok % 80tik gorako QE balio maximoak lortzen dituzte orain, errendimendu bikaina eskainiz fotograma-tasa azkarragoekin eta energia-kontsumo txikiagoarekin.
Arakatu gure aurrerapen sortaCMOS kameraereduak teknologia hau zenbateraino iritsi den ikusteko, adibidezTucsen-en Libra 3405M sCMOS kamera, argi gutxiko aplikazio zorrotzetarako diseinatutako sentikortasun handiko kamera zientifikoa.
sCMOS (CMOS zientifikoa)
Irudi zientifikoetarako diseinatutako CMOS mota espezializatua,sCMOS kameraTeknologia honek QE altua (normalean % 70-95) zarata gutxirekin, gama dinamiko handiarekin eta eskuratze azkarrarekin konbinatzen du. Zelula bizien irudigintzarako, abiadura handiko mikroskopiarako eta kanal anitzeko fluoreszentziarako aproposa.
Nola irakurri eraginkortasun kuantiko kurba bat
Fabrikatzaileek normalean QE kurba bat argitaratzen dute, eraginkortasuna (%) uhin-luzera (nm) zehar irudikatzen duena. Kurba hauek ezinbestekoak dira kamera batek espektro-tarte espezifikoetan nola funtzionatzen duen zehazteko.
Bilatu beharreko elementu nagusiak:
●QE gailurraEraginkortasun maximoa, askotan 500-600 nm-ko tartean (argi berdea).
●Uhin-luzeraren tarteaErabil daitekeen espektro-leihoa, non QE atalase erabilgarri baten gainetik mantentzen den (adibidez, >% 20).
●Utziteko guneakQE-k UV (<400 nm) eta NIR (>800 nm) eskualdeetan gutxitu egiten du.
Kurba hau interpretatzeak sentsorearen indarguneak zure aplikazioarekin bat etortzen laguntzen dizu, espektro ikusgaian, infragorri hurbilean edo UVan irudiak hartzen ari zaren ala ez.
Eraginkortasun kuantikoaren uhin-luzerarekiko menpekotasuna
Irudia: Aurrez eta atzez argiztatutako siliziozko sentsoreen balio tipikoak erakusten dituen QE kurba
OHARRAGrafikoak fotoien detekzio-probabilitatea (eraginkortasun kuantikoa, %) erakusten du lau kamera adibideetarako fotoien uhin-luzeraren arabera. Sentsore-aldaera eta estaldura desberdinek kurba hauek nabarmen alda ditzakete.
Eraginkortasun kuantikoa uhin-luzeraren menpe dago neurri handi batean, irudian ikusten den bezala. Siliziozko kamera-sentsore gehienek espektroaren zati ikusgaian erakusten dute eraginkortasun kuantiko gorena, ohikoena berdetik horira doan eskualdean, 490 nm-tik 600 nm-ra gutxi gorabehera. QE kurbak sentsoreen estalduren eta materialen aldaeren bidez alda daitezke, 300 nm inguruko QE gorena ultramorean (UV), 850 nm inguruko infragorri hurbilean (NIR) eta tarteko aukera asko lortzeko.
Siliziozko kamera guztiek eraginkortasun kuantikoan beherakada erakusten dute 1100nm-raino, eta horretan fotoiek ez dute energia nahikorik fotoelektroiak askatzeko. UV errendimendua oso mugatua izan daiteke mikrolenteak edo UV blokeatzen duten leiho-beira dituzten sentsoreetan, eta horrek uhin-luzera laburreko argia sentsorera iristea eragozten du.
Tartean, QE kurbak gutxitan dira leunak eta uniformeak, eta askotan gailur eta sakonune txikiak izaten dituzte, pixela osatzen duten materialen materialaren propietate desberdinek eta gardentasunek eragindakoak.
UV edo NIR sentikortasuna behar duten aplikazioetan, eraginkortasun kuantikoaren kurbak kontuan hartzea askoz garrantzitsuagoa izan daiteke, kamera batzuetan eraginkortasun kuantikoa beste batzuk baino askoz handiagoa izan baitaiteke kurbaren muturretan.
X izpien sentikortasuna
Siliziozko kamera-sentsore batzuek espektroaren argi ikusgaiaren zatian funtziona dezakete, eta, aldi berean, X izpien uhin-luzera batzuk detektatzeko gai dira. Hala ere, kamerek normalean ingeniaritza espezifikoa behar dute bai X izpiek kameraren elektronikan duten eraginari, bai X izpien esperimentuetarako normalean erabiltzen diren huts-ganberei aurre egiteko.
Infragorri kamerak
Azkenik, silizioan oinarrituta ez dauden sentsoreek, beste material batzuetan oinarrituta daudenek, QE kurba guztiz desberdinak erakuts ditzakete. Adibidez, InGaAs infragorri kamerak, silizioaren ordez indio galio arseniuroan oinarrituta, uhin-luzera tarte zabalak detektatu ditzakete NIR-n, gehienez 2700 nm ingurukoak, sentsore aldaeraren arabera.
Eraginkortasun kuantikoa vs. beste kamera-espezifikazio batzuk
Eraginkortasun kuantikoa errendimendu-neurri gakoa da, baina ez du isolatuta funtzionatzen. Hona hemen beste kamera-zehaztapen garrantzitsu batzuekin duen erlazioa:
QE vs. Sentikortasuna
Sentikortasuna kamerak seinale ahulak detektatzeko duen gaitasuna da. QE-k zuzenean laguntzen dio sentikortasunari, baina beste faktore batzuek ere badute eragina, hala nola pixelen tamainak, irakurketa-zaratak eta korronte ilunak.
QE vs. Seinale-zarata erlazioa (SNR)
QE altuago batek SNR hobetzen du fotoi bakoitzeko seinale (elektroi) gehiago sortuz. Baina zarata gehiegi, elektronika eskasaren edo hozte desegokiaren ondorioz, irudia hondatu dezake oraindik.
QE vs. Tarte Dinamikoa
QE-k detektatzen den argi-kantitatea eragiten duen bitartean, gama dinamikoak kamerak kudea ditzakeen seinale distiratsuenen eta ilunenen arteko erlazioa deskribatzen du. QE handiko kamera batek, baina gama dinamiko eskasak, emaitza eskasak eman ditzake kontraste handiko eszenetan.
Laburbilduz, eraginkortasun kuantikoa funtsezkoa da, baina beti ebaluatu behar da osagarri diren espezifikazioekin batera.
Zer da eraginkortasun kuantiko "ona"?
Ez dago QE "onen" unibertsalik — zure aplikazioaren araberakoa da. Hala ere, hona hemen erreferentzia orokorrak:
| QE barrutia | Errendimendu maila | Erabilera kasuak |
| %40 baino gutxiago | Baxua | Ez da aproposa erabilera zientifikorako |
| %40–60 | Batez bestekoa | Sarrerako mailako aplikazio zientifikoak |
| %60–80 | Ona | Irudi-lan gehienetarako egokia |
| %80–95 | Bikaina | Argi gutxiko, zehaztasun handiko edo fotoi mugatuko irudigintza |
Era berean, kontuan hartu QE maximoa vs. batez besteko QE nahi duzun espektro-tarte osoan.
Ondorioa
Eraginkortasun kuantikoa irudi zientifikoen gailu bat aukeratzerakoan faktore garrantzitsuenetako bat da, baina ahaztuenetako bat ere bai. CCDak, sCMOS kamerak edo CMOS kamerak ebaluatzen ari zaren ala ez, QE ulertzeak honako hau egiten lagunduko dizu:
● Aurreikusi nola funtzionatuko duen zure kamerak benetako argiztapen-baldintzetan
● Produktuak objektiboki alderatu marketin-baieztapenetatik haratago
● Kameraren zehaztapenak zure eskakizun zientifikoekin lotu
Sentsore-teknologiak aurrera egin ahala, gaur egungo QE handiko kamera zientifikoek sentikortasun eta moldakortasun handia eskaintzen dute hainbat aplikaziotan. Baina hardwarea zenbateraino aurreratua izan arren, tresna egokia aukeratzeko, eraginkortasun kuantikoa ikuspegi orokorrean nola egokitzen den ulertzea da lehentasuna.
Maiz egiten diren galderak
Beti al da hobea eraginkortasun kuantiko handiagoa kamera zientifiko batean?
Kuantizazio-eraginkortasun (QE) handiagoak, oro har, kameraren argi-maila baxuak detektatzeko gaitasuna hobetzen du, eta hori baliotsua da fluoreszentzia-mikroskopia, astronomia eta molekula bakarreko irudigintza bezalako aplikazioetan. Hala ere, QE errendimendu-profil orekatu baten zati bat besterik ez da. QE handiko kamera batek, tarte dinamiko eskasa, irakurketa-zarata handia edo hozte nahikoa ez badu, emaitza ez-optimoak eman ditzake oraindik. Errendimendu onena lortzeko, ebaluatu beti QE beste zehaztapen gako batzuekin batera, hala nola zarata, bit-sakonera eta sentsore-arkitektura.
Nola neurtzen da eraginkortasun kuantikoa?
Eraginkortasun kuantikoa sentsore bat uhin-luzera jakin bateko fotoi kopuru ezagun batekin argiztatuz eta, ondoren, sentsoreak sortutako elektroi kopurua zenbatuz neurtzen da. Horretarako, normalean argi-iturri monokromatiko kalibratu bat eta erreferentziazko fotodiodo bat erabiltzen dira. Emaitza den QE balioa uhin-luzeretan zehar irudikatzen da QE kurba bat sortzeko. Horrek sentsorearen erantzun espektrala zehazten laguntzen du, kamera zure aplikazioaren argi-iturrira edo emisio-tartera egokitzeko funtsezkoa dena.
Softwareak edo kanpoko iragazkiek hobetu al dezakete eraginkortasun kuantikoa?
Ez. Eraginkortasun kuantikoa irudi-sentsorearen hardware mailako propietate intrintsekoa da, eta ezin da software edo kanpoko osagarrien bidez aldatu. Hala ere, iragazkiek irudiaren kalitate orokorra hobetu dezakete seinale-zarata erlazioa hobetuz (adibidez, fluoreszentzia aplikazioetan emisio-iragazkiak erabiliz), eta softwareak zarata murrizten edo postprozesatzen lagun dezake. Hala ere, hauek ez dute QE balioa bera aldatzen.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
