25/08/15Ann an ìomhaighean saidheansail, is e cruinneas a h-uile rud. Co-dhiù a tha thu a’ glacadh comharran fluorescence ìosal-sholais no a’ leantainn nithean nèamhaidh lag, bidh comas do chamara solas a lorg a’ toirt buaidh dhìreach air càileachd do thoraidhean. Is e èifeachdas cuantamach (QE) aon de na factaran as cudromaiche, ach gu tric air a mhì-thuigsinn, san cho-aontar seo.
Seallaidh an stiùireadh seo dhut dè a th’ ann an QE, carson a tha e cudromach, mar a mhìnicheas tu sònrachaidhean QE, agus mar a tha e an coimeas ri diofar sheòrsaichean mothachaidh. Ma tha thu a’ sireadh…camara saidheansailno dìreach a’ feuchainn ri ciall a dhèanamh de dhuilleagan-dàta camara, tha seo dhutsa.
Figear: Eisimpleirean de lùb QE camara àbhaisteach Tucsen
(a)Reithe 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Libra 22
Dè a th’ ann an Èifeachdas Cuantum?
Is e Èifeachdas Cuantum an coltachd gun tèid foton a ruigeas sensor a’ chamara a lorg, agus gun tèid foto-electron a leigeil ma sgaoil anns an t-silicon.
Aig iomadh ìre ann an turas a’ fotoin a dh’ionnsaigh na h-ìre seo, tha cnapan-starra ann a dh’ fhaodas fotonan a ghabhail a-steach no an tilgeil air falbh. A bharrachd air an sin, chan eil stuth sam bith 100% follaiseach do gach tonn-fhaid fotoin, agus tha cothrom ann gum bi atharrachaidhean sam bith ann an co-dhèanamh stuthan a’ tilgeil air ais no a’ sgapadh fotonan.
Air a chur an cèill mar cheudad, tha èifeachdas cuantamach air a mhìneachadh mar:
QE (%) = (Àireamh dealanan a chaidh a chruthachadh / Àireamh fotonan a tha a’ tighinn a-steach) × 100
Tha dà phrìomh sheòrsa ann:
●QE taobh a-muighCoileanadh tomhaiste a’ gabhail a-steach buaidhean leithid call meòrachaidh agus tar-chuir.
●QE a-staighA’ tomhas èifeachdas tionndaidh taobh a-staigh an sensor fhèin, a’ gabhail ris gu bheil na fotonan uile air an gabhail a-steach.
Tha QE nas àirde a’ ciallachadh cugallachd solais nas fheàrr agus comharran ìomhaigh nas làidire, gu h-àraidh ann an suidheachaidhean le solas ìosal no le cuingealachadh air fotonan.
Carson a tha Èifeachdas Cuantum cudromach ann an Camaraichean Saidheansail?
Ann an ìomhaighean, tha e an-còmhnaidh cuideachail an ceudad as àirde de fotonan a tha a’ tighinn a-steach a ghlacadh, gu h-àraidh ann an tagraidhean a dh’ fheumas cugallachd àrd.
Ach, bidh mothachairean àrd-èifeachdais cuantamach buailteach a bhith nas daoire. Tha seo air sgàth dùbhlan innleadaireachd a bhith a’ meudachadh an fhactar lìonaidh fhad ‘s a tha gnìomh piogsail air a chumail suas, agus cuideachd air sgàth a’ phròiseas solais cùil. Mar a dh’ionnsaicheas tu, tha am pròiseas seo a’ comasachadh na h-èifeachdais cuantamach as àirde - ach tha e a’ tighinn le iom-fhillteachd saothrachaidh mòran nas motha.
Coltach ris a h-uile sònrachadh camara, feumar an fheum air èifeachdas cuantamach a thomhas an-còmhnaidh an aghaidh nithean eile airson an tagraidh ìomhaighean sònraichte agad. Mar eisimpleir, faodaidh toirt a-steach còmhlachan cruinneil buannachdan a thoirt do mhòran thagraidhean, ach mar as trice chan urrainnear a chuir an gnìomh air mothachaire BI. A bharrachd air an sin, feumaidh transistor a bharrachd a bhith air a chur ris a’ phìosag. Faodaidh seo am factar lìonaidh a lùghdachadh agus mar sin èifeachdas cuantamach, eadhon an coimeas ri mothachairean FI eile.
Eisimpleirean de thagraidhean far am faod QE a bhith cudromach
Beagan eisimpleirean de thagraidhean:
● Dealbhan solais ìosal & fluorescence de shamhlaichean bith-eòlasach neo-sheasmhach
● Ìomhaighean aig astar luath
● Tagraidhean cainneachdail a dh’ fheumas tomhais dian àrd-chruinneas
QE a rèir Seòrsa Braitear
Bidh teicneòlasan mothachaidh ìomhaigh eadar-dhealaichte a’ taisbeanadh èifeachdas cuantamach eadar-dhealaichte. Seo mar a bhios QE mar as trice a’ dèanamh coimeas eadar prìomh sheòrsaichean mothachaidh:
CCD (Inneal Ceangailte ri Cosgais)
Gu traidiseanta, b’ fheàrr leotha ìomhaighean saidheansail air sgàth cho ìosal sa bha an fuaim agus an QE àrd, gu tric eadar 70–90%. Tha CCDn air leth math ann an tagraidhean leithid reul-eòlas agus ìomhaighean foillseachaidh fhada.
CMOS (Leth-sheoladair Meatailt-Ocsaid Co-phàirteach)
Bha mothachairean CMOS an latha an-diugh, gu h-àraidh dealbhaidhean le solas cùil, air an cuingealachadh uaireigin le QE nas ìsle agus fuaim leughaidh nas àirde, agus tha iad air an cumail suas gu mòr. Tha mòran a-nis a’ ruighinn luachan QE as àirde os cionn 80%, a’ tabhann coileanadh sàr-mhath le ìrean frèam nas luaithe agus caitheamh cumhachd nas ìsle.
Rannsaich an raon againn de dh’ innealan adhartachCamara CMOSmodailean gus faicinn dè cho fada ‘s a tha an teicneòlas seo air a thighinn, mar eisimpleirCamara Libra 3405M sCMOS aig Tucsen, camara saidheansail àrd-mhothachail a chaidh a dhealbhadh airson tagraidhean dùbhlanach ann an solas ìosal.
sCMOS (CMOS Saidheansail)
Clas sònraichte de CMOS air a dhealbhadh airson ìomhaighean saidheansail,camara sCMOSBidh an teicneòlas a’ cothlamadh QE àrd (mar as trice 70–95%) le fuaim ìosal, raon fiùghantach àrd, agus togail luath. Freagarrach airson ìomhaighean cealla beò, maicreasgopaidh aig astar luath, agus fluorescence ioma-sheanail.
Mar a leughas tu lùb èifeachdais cuantamach
Mar as trice bidh luchd-saothrachaidh a’ foillseachadh lùb QE a bhios a’ plotadh èifeachdais (%) thar tonnan-fada (nm). Tha na lùban seo riatanach airson faighinn a-mach mar a bhios camara ag obair ann an raointean speactram sònraichte.
Prìomh eileamaidean ri lorg:
●QE as àirdeAn èifeachdas as àirde, gu tric anns an raon 500–600 nm (solas uaine).
●Raon Tonn-fhaidAn uinneag speactram a ghabhas cleachdadh far a bheil QE fhathast os cionn stairsneach feumail (me, >20%).
●Sònaichean Leigeil-àsBidh QE buailteach a bhith a’ tuiteam anns na roinnean UV (<400 nm) agus NIR (>800 nm).
Le bhith a’ mìneachadh a’ lùb seo, bidh e comasach dhut neartan an sensor a mhaidseadh ris an tagradh agad, ge bith a bheil thu a’ dèanamh ìomhaighean anns an speactram faicsinneach, faisg air infridhearg, no UV.
Eisimeileachd Tonn-fhaid Èifeachdais Cuantum
Figear: Lùb QE a’ sealltainn luachan àbhaisteach airson mothachairean stèidhichte air silicon le solas aghaidh is cùil
NOTATha an graf a’ sealltainn coltachd lorg foton (èifeachdas cuantamach, %) an aghaidh tonn-fhaid foton airson ceithir camarathan eisimpleir. Faodaidh diofar atharrachaidhean mothachaidh agus còmhdach na lùban sin atharrachadh gu mòr.
Tha èifeachdas cuantamach gu mòr an urra ri tonn-fhaid, mar a chithear san fhigear. Bidh a’ mhòr-chuid de luchd-mothachaidh camara stèidhichte air silicon a’ taisbeanadh an èifeachdas cuantamach as àirde anns a’ phàirt fhaicsinneach den speactram, mar as trice anns an roinn uaine gu buidhe, bho timcheall air 490nm gu 600nm. Faodar lùban QE atharrachadh tro chòmhdach luchd-mothachaidh agus atharrachaidhean stuthan gus QE as àirde a thoirt seachad timcheall air 300nm anns an ultraviolet (UV), timcheall air 850nm anns an infra-dhearg faisg air làimh (NIR), agus mòran roghainnean eatarra.
Bidh a h-uile camara stèidhichte air silicon a’ nochdadh crìonadh ann an èifeachdas cuantamach a dh’ionnsaigh 1100nm, far nach eil lùth gu leòr aig fotonan tuilleadh gus foto-electronan a leigeil ma sgaoil. Faodaidh coileanadh UV a bhith gu math cuingealaichte ann an mothachairean le meanbh-lionsan no glainne uinneig a tha a’ bacadh UV, a chuireas casg air solas tonn-ghoirid bho bhith a’ ruighinn an mothachair.
Eadar an sin, is ann ainneamh a bhios lùban QE rèidh is cothromach, agus an àite sin bidh iad gu tric a’ toirt a-steach mullaichean is troighean beaga air adhbhrachadh le diofar fheartan stuthan agus follaiseachd nan stuthan às a bheil am piogsail air a dhèanamh suas.
Ann an tagraidhean a dh’ fheumas cugallachd UV no NIR, faodaidh beachdachadh air lùban èifeachdais cuantamach a bhith tòrr nas cudromaiche, oir ann an cuid de chamarathan faodaidh èifeachdas cuantamach a bhith iomadh uair nas motha na feadhainn eile aig cinn fìor mhath na lùb.
Mothachaidh X-ghathan
Faodaidh cuid de mothachairean camara silicon obrachadh ann am pàirt an t-solais fhaicsinneach den speactram, agus aig an aon àm comasach air tonnan-fhaid sònraichte de ghathan-X a lorg. Ach, mar as trice bidh feum aig camarathan air innleadaireachd shònraichte gus dèiligeadh ri buaidh ghathan-X air electronics camara, agus leis na seòmraichean falamh a thathas a’ cleachdadh san fharsaingeachd airson deuchainnean ghathan-X.
Camaraichean infridhearg
Mu dheireadh, faodaidh mothachairean stèidhichte air stuthan eile, chan ann air silicon ach air lùban QE gu tur eadar-dhealaichte a nochdadh. Mar eisimpleir, faodaidh camarathan infridhearg InGaAs, stèidhichte air Indium Gallium Arsenide an àite silicon, raointean tonn-fhaid farsaing a lorg anns an NIR, suas gu timcheall air 2700nm aig a’ char as àirde, a rèir an caochladh mothachaidh.
Èifeachdas Cuantum an aghaidh Sònrachaidhean Camara Eile
’S e prìomh mheatair coileanaidh a th’ ann an èifeachdas cuantamach, ach chan eil e ag obair leis fhèin. Seo mar a tha e co-cheangailte ri sònrachaidhean camara cudromach eile:
QE an aghaidh Mothachaidh
Is e cugallachd comas a’ chamara comharran lag a lorg. Bidh QE a’ cur gu dìreach ri cugallachd, ach bidh factaran eile leithid meud piogsail, fuaim leughaidh, agus sruth dorcha cuideachd a’ cluich pàirt.
QE an aghaidh Co-mheas Comharra-gu-Fuaim (SNR)
Bidh QE nas àirde a’ leasachadh SNR le bhith a’ gineadh barrachd chomharran (electronan) gach foton. Ach faodaidh cus fuaim, air sgàth droch electronics no fuarachadh neo-iomchaidh, an ìomhaigh a mhilleadh fhathast.
QE an aghaidh Raon Fiùghantach
Ged a bheir QE buaidh air dè an ìre solais a lorgar, tha raon fiùghantach a’ toirt cunntas air a’ cho-mheas eadar na comharran as soilleire agus as dorcha as urrainn don chamara a làimhseachadh. Faodaidh camara QE àrd le raon fiùghantach bochd fhathast toraidhean fo-iomchaidh a thoirt gu buil ann an seallaidhean àrd-eadar-dhealachaidh.
Ann an ùine ghoirid, tha èifeachdas cuantamach deatamach, ach dèan measadh air an-còmhnaidh còmhla ri sònrachaidhean co-phàirteach.
Dè a th’ ann an Èifeachdas Cuantum “Math”?
Chan eil QE “as fheàrr” uile-choitcheann ann—tha e an urra ri d’ iarrtas. A dh’aindeoin sin, seo comharran-tomhais coitcheann:
| Raon QE | Ìre Coileanaidh | Cùisean Cleachdaidh |
| <40% | Ìosal | Chan eil e freagarrach airson cleachdadh saidheansail |
| 40–60% | Cuibheasach | Tagraidhean saidheansail ìre inntrigidh |
| 60–80% | Math | Freagarrach airson a’ mhòr-chuid de ghnìomhan ìomhaighean |
| 80–95% | Sàr-mhath | Ìomhaighean ìosal-sholais, àrd-chruinneas, no le crìochan foton |
Cuideachd, smaoinich air QE as àirde an taca ri QE cuibheasach thar an raoin speactram a tha thu ag iarraidh.
Co-dhùnadh
’S e èifeachdas cuantamach aon de na factaran as cudromaiche, ach air a dhearmad, ann a bhith a’ taghadh inneal ìomhaighean saidheansail. Co-dhiù a tha thu a’ measadh CCDn, camarathan sCMOS, no camarathan CMOS, cuidichidh tuigse air QE thu le:
● Ro-innse mar a bhios do chamara ag obair ann an suidheachaidhean solais san t-saoghal fhìor
● Dèan coimeas eadar toraidhean gu h-oibiaigeach a bharrachd air tagraidhean margaidheachd
● Maidseadh sònrachaidhean a’ chamara leis na riatanasan saidheansail agad
Mar a bhios teicneòlas mothachaidh a’ dol air adhart, tha camarathan saidheansail àrd-QE an latha an-diugh a’ tabhann cugallachd agus iomadachd iongantach thar diofar thagraidhean. Ach ge bith dè cho adhartach ‘s a tha am bathar-cruaidh, bidh taghadh an inneil cheart a’ tòiseachadh le bhith a’ tuigsinn mar a tha èifeachdas cuantamach a’ freagairt ris an dealbh nas motha.
Ceistean Cumanta
A bheil èifeachdas cuantamach nas àirde an-còmhnaidh nas fheàrr ann an camara saidheansail?
Mar as trice, bidh èifeachdas cuantamach (QE) nas àirde a’ leasachadh comas camara ìrean ìosal de sholas a lorg, rud a tha luachmhor ann an tagraidhean leithid maicreasgopaidh fluorescence, reul-eòlas, agus ìomhaighean aon-mhóileciuil. Ach, chan eil QE ach aon phàirt de phròifil coileanaidh chothromach. Dh’ fhaodadh camara àrd-QE le raon fiùghantach bochd, fuaim leughaidh àrd, no fuarachadh neo-iomchaidh toraidhean fo-iomchaidh a lìbhrigeadh fhathast. Airson an coileanadh as fheàrr, dèan measadh an-còmhnaidh air QE ann an co-bhonn ri prìomh shònrachaidhean eile leithid fuaim, doimhneachd bit, agus ailtireachd mothachaidh.
Ciamar a thathar a’ tomhas èifeachdas cuantamach?
Tha èifeachdas cuantamach air a thomhas le bhith a’ soillseachadh mothachair le àireamh aithnichte de fotonan aig tonn-fhaid sònraichte agus an uairsin a’ cunntadh na h-àireimh dealanan a ghineas an mothachair. Mar as trice, thèid seo a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh stòr solais aon-chromatach calibraichte agus fotodiode iomraidh. Tha an luach QE a thig às a sin air a phlòtadh thar tonnan-fada gus lùb QE a chruthachadh. Bidh seo a’ cuideachadh le bhith a’ dearbhadh freagairt speactram an mothachair, rud a tha deatamach airson a’ chamara a mhaidseadh ri stòr solais no raon sgaoilidh an tagraidh agad.
An urrainn do bhathar-bog no sìoltachain taobh a-muigh èifeachdas cuantamach a leasachadh?
Chan eil. Tha Èifeachdas Cuantum na fheart riatanach aig ìre bathar-cruaidh an sensor ìomhaigh agus chan urrainnear atharrachadh le bathar-bog no goireasan taobh a-muigh. Ach, faodaidh sìoltachain càileachd iomlan na h-ìomhaigh a leasachadh le bhith a’ neartachadh co-mheas comharra-gu-fuaim (me, a’ cleachdadh sìoltachain sgaoilidh ann an tagraidhean fluorescence), agus faodaidh bathar-bog cuideachadh le lughdachadh fuaim no iar-phròiseasadh. Ach a dh’ aindeoin sin, chan eil iad sin ag atharrachadh luach QE fhèin.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Gach còir glèidhte. Nuair a bhios tu a’ toirt iomradh, feuch an cuir thu an stòr an cèill:www.tucsen.com
