25.8.2015Tieteellisessä kuvantamisessa tarkkuus on kaikki kaikessa. Olitpa sitten kuvaamassa hämärässä näkyviä fluoresenssisignaaleja tai seuraamassa heikkoja taivaankappaleita, kamerasi kyky havaita valoa vaikuttaa suoraan tulostesi laatuun. Yksi kriittisimmistä, mutta usein väärinymmärretyistä, tekijöistä tässä yhtälössä on kvanttitehokkuus (QE).
Tämä opas opastaa sinua QE:n (kvanttielektroniikka) olemuksessa, sen merkityksessä, QE:n spesifikaatioiden tulkinnassa ja vertailussa eri anturityyppien välillä. Jos etsit…tieteellinen kameratai yrität vain ymmärtää kameroiden datalehtiä, tämä on sinua varten.
Kuva: Esimerkkejä Tucsenin tyypillisestä kameran QE-käyrästä
(a)Oinas 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vaaka 22
Mikä on kvanttitehokkuus?
Kvanttitehokkuus on todennäköisyys sille, että kameran kennon saavuttanut fotoni todella havaitaan ja että se vapauttaa piihin fotoelektronin.
Fotonin matkan useissa vaiheissa kohti tätä pistettä on esteitä, jotka voivat absorboida fotoneja tai heijastaa ne pois. Lisäksi mikään materiaali ei ole 100 % läpinäkyvä kaikille fotonin aallonpituuksille, ja kaikki materiaalin koostumuksen muutokset voivat heijastaa tai sirottaa fotoneja.
Prosenttiosuutena ilmaistuna kvanttitehokkuus määritellään seuraavasti:
QE (%) = (Syntyneiden elektronien lukumäärä / Tulevien fotonien lukumäärä) × 100
On olemassa kaksi päätyyppiä:
●Ulkoinen QEMitattu suorituskyky, mukaan lukien heijastumisen ja läpäisyhäviöiden kaltaiset vaikutukset.
●Sisäinen määrällinen keventäminenMittaa muunnostehokkuutta itse anturissa olettaen, että kaikki fotonit absorboituvat.
Korkeampi QE tarkoittaa parempaa valoherkkyyttä ja vahvempia kuvasignaaleja, erityisesti hämärässä tai fotonirajoitteisissa tilanteissa.
Miksi kvanttitehokkuudella on merkitystä tieteellisissä kameroissa?
Kuvantamisessa on aina hyödyllistä tallentaa mahdollisimman suuri prosenttiosuus tulevista fotoneista, erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat suurta herkkyyttä.
Korkean kvanttihyötysuhteen anturit ovat kuitenkin yleensä kalliimpia. Tämä johtuu täyttökertoimen maksimoimisen ja pikselitoiminnon säilyttämisen teknisestä haasteesta sekä taustavalaistusprosessista. Kuten tulet huomaamaan, tämä prosessi mahdollistaa korkeimman kvanttihyötysuhteen, mutta se lisää merkittävästi valmistuksen monimutkaisuutta.
Kuten kaikkien kameraspesifikaatioiden kohdalla, kvanttitehokkuuden tarve on aina punnittava muita tekijöitä vasten tietyn kuvantamissovelluksen kannalta. Esimerkiksi globaalin sulkimen käyttöönotto voi tuoda etuja monille sovelluksille, mutta sitä ei tyypillisesti voida toteuttaa BI-anturissa. Lisäksi se vaatii ylimääräisen transistorin lisäämisen pikseliin. Tämä voi pienentää täyttökerrointa ja siten kvanttitehokkuutta jopa verrattuna muihin FI-antureihin.
Esimerkkisovelluksia, joissa QE voi olla tärkeä
Muutamia esimerkkisovelluksia:
● Kiinnittämättömien biologisten näytteiden hämäräkuvaus ja fluoresenssi
● Nopea kuvantaminen
● Kvantitatiiviset sovellukset, jotka vaativat erittäin tarkkoja intensiteettimittauksia
QE anturityypin mukaan
Eri kuvasensoritekniikoilla on erilaiset kvanttihyötysuhteet. Näin kvanttihyötysuhde tyypillisesti vertautuu tärkeimpiin sensorityyppeihin:
CCD (varauskytketty laite)
Perinteisesti suosittiin tieteellistä kuvantamista niiden alhaisen kohinan ja korkean kvanttiekvivalenssin vuoksi, joka usein oli huipussaan 70–90 %. CCD-kennot erinomaisia esimerkiksi tähtitieteen ja pitkän valotusajan kuvantamisen sovelluksissa.
CMOS (komplementaarinen metallioksidipuolijohde)
Aiemmin alhaisempi kvanttiekvivalentti (QE) ja suurempi lukukohina rajoittivat sitä, mutta nykyaikaiset CMOS-kennot – erityisesti taustavalaistut mallit – ovat kuroneet umpeen eroa merkittävästi. Monet niistä saavuttavat nyt yli 80 %:n huippukvanttiekvivalenttiarvot, mikä tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn nopeammalla kuvataajuudella ja alhaisemmalla virrankulutuksella.
Tutustu edistyneiden tuotteiden valikoimaammeCMOS-kameramalleja nähdäkseen, kuinka pitkälle tämä teknologia on kehittynyt, kutenTucsenin Libra 3405M sCMOS-kamera, erittäin herkkä tieteellinen kamera, joka on suunniteltu vaativiin hämäräkuvaussovelluksiin.
sCMOS (tieteellinen CMOS)
Tieteelliseen kuvantamiseen suunniteltu erikoistunut CMOS-luokkasCMOS-kamerateknologia yhdistää korkean kvanttiekvenssin (tyypillisesti 70–95 %) alhaiseen kohinaan, laajaan dynaamiseen alueeseen ja nopeaan tiedonkeruuseen. Ihanteellinen elävien solujen kuvantamiseen, nopeaan mikroskopiaan ja monikanavaiseen fluoresenssiin.
Kuinka lukea kvanttihyötysuhdekäyrää
Valmistajat julkaisevat tyypillisesti QE-käyrän, joka kuvaa hyötysuhdetta (%) eri aallonpituuksilla (nm). Nämä käyrät ovat olennaisia sen määrittämiseksi, miten kamera toimii tietyillä spektrialueilla.
Keskeiset etsittävät elementit:
●Huipputason määrällinen keventäminenSuurin hyötysuhde, usein 500–600 nm:n alueella (vihreä valo).
●AallonpituusalueKäyttökelpoinen spektri-ikkuna, jossa kvantiteettiepäilys pysyy hyödyllisen kynnysarvon (esim. >20 %) yläpuolella.
●JättöalueetQE pyrkii laskemaan UV- (<400 nm) ja NIR- (>800 nm) alueilla.
Tämän käyrän tulkinta auttaa sinua sovittamaan anturin vahvuudet sovellukseesi, olipa kyseessä sitten näkyvän spektrin, lähi-infrapunan tai UV-kuvantamisen alue.
Kvanttitehokkuuden aallonpituusriippuvuus
Kuva: QE-käyrä, joka näyttää tyypilliset arvot edestä ja takaa valaistuille piipohjaisille antureille
HUOMAUTUSKaavio näyttää fotonien havaitsemisen todennäköisyyden (kvanttitehokkuus, %) fotonien aallonpituuden funktiona neljällä esimerkkikameralla. Erilaiset anturivariantit ja pinnoitteet voivat siirtää näitä käyriä dramaattisesti.
Kvanttitehokkuus on erittäin aallonpituudesta riippuvainen, kuten kuvassa näkyy. Useimmat piipohjaiset kamerasensorit osoittavat huippunsa kvanttitehokkuudessa spektrin näkyvässä osassa, yleisimmin vihreästä keltaiseen ulottuvalla alueella, noin 490 nm:stä 600 nm:iin. Kvanttihyötysuhdekäyriä voidaan muokata sensoripinnoitteilla ja materiaalimuunnelmilla, jotta huippukvanttihyötysuhde saavutetaan noin 300 nm:n aallonpituudella ultravioletissa (UV), noin 850 nm:n aallonpituudella lähi-infrapunassa (NIR) ja monilla muilla aallonpituuksilla.
Kaikissa piipohjaisissa kameroissa kvanttihyötysuhde heikkenee kohti 1100 nm:n aallonpituutta, jossa fotoneilla ei enää ole tarpeeksi energiaa fotoelektronien vapauttamiseen. UV-suorituskyky voi olla vakavasti rajoittunut antureissa, joissa on mikrolinssit tai UV-säteilyä estävä ikkunalasi, jotka estävät lyhytaaltoisen valon pääsyn anturiin.
Näiden välissä QE-käyrät ovat harvoin sileitä ja tasaisia, ja niissä on usein pieniä huippuja ja pohjia, jotka johtuvat pikselin muodostavien materiaalien erilaisista ominaisuuksista ja läpinäkyvyydestä.
UV- tai NIR-herkkyyttä vaativissa sovelluksissa kvanttihyötysuhdekäyrien huomioon ottaminen voi olla paljon tärkeämpää, koska joissakin kameroissa kvanttihyötysuhde voi olla moninkertaisesti suurempi kuin toisissa käyrän ääripäissä.
Röntgenherkkyys
Jotkin piikamerasensorit voivat toimia spektrin näkyvän valon alueella ja samalla havaita joitakin röntgensäteiden aallonpituuksia. Kamerat vaativat kuitenkin yleensä erityistä suunnittelua, jotta ne selviytyvät sekä röntgensäteiden vaikutuksesta kameran elektroniikkaan että röntgenkokeissa yleensä käytettävistä tyhjiökammioista.
Lämpökamerat
Lopuksi, piistä riippumattomilla sensoreilla, jotka on valmistettu muista materiaaleista, voi olla täysin erilaiset QE-käyrät. Esimerkiksi InGaAs-infrapunakamerat, jotka perustuvat piin sijasta indium-gallium-arsenidiin, voivat havaita NIR-alueella laajoja aallonpituusalueita, jopa noin 2700 nm:iin asti, sensoriversiosta riippuen.
Kvanttitehokkuus vs. muut kameran ominaisuudet
Kvanttitehokkuus on keskeinen suorituskykymittari, mutta se ei toimi eristyksissä. Näin se liittyy muihin tärkeisiin kameran ominaisuuksiin:
QE vs. herkkyys
Herkkyys on kameran kyky havaita heikkoja signaaleja. Kvanttilotodellisuus vaikuttaa suoraan herkkyyteen, mutta myös muut tekijät, kuten pikselikoko, lukukohina ja pimeävirta, vaikuttavat siihen.
QE vs. signaali-kohinasuhde (SNR)
Korkeampi kvanttiekvensointisuhde parantaa signaali-kohinaa tuottamalla enemmän signaalia (elektroneja) fotonia kohden. Mutta liiallinen kohina, joka johtuu huonosta elektroniikasta tai riittämättömästä jäähdytyksestä, voi silti heikentää kuvaa.
QE vs. dynaaminen alue
Vaikka kvanttimekaaninen eksploitaatio (QE) vaikuttaa havaittuun valomäärään, dynaaminen alue kuvaa kameran käsittelemien kirkkaimpien ja tummimpien signaalien välistä suhdetta. Korkean kvanttimekaanisen eksploition (QE) ja heikon dynaamisen alueen omaava kamera voi silti tuottaa heikkoja tuloksia suurikontrastisissa kohtauksissa.
Lyhyesti sanottuna kvanttitehokkuus on kriittistä, mutta sitä on aina arvioitava yhdessä täydentävien spesifikaatioiden kanssa.
Mikä on "hyvä" kvanttihyötysuhde?
Ei ole olemassa yleispätevää "parasta" määrällistä eukalyptusta – se riippuu sovelluksestasi. Tässä on kuitenkin yleisiä vertailukohtia:
| QE-alue | Suorituskykytaso | Käyttötapaukset |
| <40 % | Matala | Ei sovellu tieteelliseen käyttöön |
| 40–60 % | Keskimäärin | Perustason tieteelliset sovellukset |
| 60–80 % | Hyvä | Sopii useimpiin kuvantamistehtäviin |
| 80–95 % | Erinomainen | Hämärässä, erittäin tarkasti tai fotonirajoitteisesti kuvatessa |
Ota myös huomioon huippu-QE verrattuna keskimääräiseen QE:hen haluamallasi spektrialueella.
Johtopäätös
Kvanttitehokkuus on yksi tärkeimmistä, mutta silti unohdetuista, tekijöistä tieteellisen kuvantamislaitteen valinnassa. Olitpa sitten arvioimassa CCD-kennoja, sCMOS-kameroita tai CMOS-kameroita, kvanttihyötysuhteen ymmärtäminen auttaa sinua:
● Ennusta, miten kamerasi toimii todellisissa valaistusolosuhteissa
● Vertaile tuotteita objektiivisesti markkinointiväitteiden ulkopuolella
● Yhdistä kameran tekniset tiedot tieteellisiin vaatimuksiisi
Anturiteknologian kehittyessä nykypäivän korkean kvanttitehokkuuden tieteelliset kamerat tarjoavat huomattavaa herkkyyttä ja monipuolisuutta erilaisissa sovelluksissa. Mutta riippumatta siitä, kuinka kehittynyttä laitteisto on, oikean työkalun valinta alkaa ymmärryksestä, miten kvanttitehokkuus sopii osaksi kokonaisuutta.
Usein kysytyt kysymykset
Onko korkeampi kvanttitehokkuus aina parempi tieteellisessä kamerassa?
Korkeampi kvanttihyötysuhde (QE) parantaa yleensä kameran kykyä havaita matalia valotasoja, mikä on arvokasta esimerkiksi fluoresenssimikroskopiassa, tähtitieteessä ja yksittäisten molekyylien kuvantamisessa. QE on kuitenkin vain yksi osa tasapainoista suorituskykyprofiilia. Korkean kvanttihyötysuhteen kamera, jolla on heikko dynaaminen alue, paljon lukukohinaa tai riittämätön jäähdytys, voi silti tuottaa optimaalista heikompia tuloksia. Parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi arvioi aina QE:tä yhdessä muiden keskeisten ominaisuuksien, kuten kohinan, bittisyvyyden ja anturiarkkitehtuurin, kanssa.
Miten kvanttihyötysuhdetta mitataan?
Kvanttitehokkuus mitataan valaisemalla anturia tunnetulla määrällä fotoneja tietyllä aallonpituudella ja laskemalla sitten anturin tuottamien elektronien lukumäärä. Tämä tehdään tyypillisesti käyttämällä kalibroitua monokromaattista valonlähdettä ja referenssifotodiodia. Tuloksena oleva QE-arvo piirretään aallonpituuksille QE-käyrän luomiseksi. Tämä auttaa määrittämään anturin spektraalisen vasteen, joka on ratkaisevan tärkeää kameran sovittamiseksi sovelluksesi valonlähteeseen tai emissioalueeseen.
Voivatko ohjelmistot tai ulkoiset suodattimet parantaa kvanttitehokkuutta?
Ei. Kvanttihyötysuhde on kuvasensorin luontainen, laitteistotason ominaisuus, eikä sitä voida muuttaa ohjelmistolla tai ulkoisilla lisävarusteilla. Suodattimet voivat kuitenkin parantaa kuvanlaatua kokonaisuudessaan parantamalla signaali-kohinasuhdetta (esim. käyttämällä emissiosuodattimia fluoresenssisovelluksissa), ja ohjelmisto voi auttaa kohinan vähentämisessä tai jälkikäsittelyssä. Nämä eivät kuitenkaan muuta itse kvanttihyötysuhdetta.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
