25.08.2015.U znanstvenom snimanju, preciznost je sve. Bez obzira snimate li fluorescentne signale pri slabom osvjetljenju ili pratite slabe nebeske objekte, sposobnost vaše kamere da detektira svjetlost izravno utječe na kvalitetu vaših rezultata. Jedan od najvažnijih, ali često pogrešno shvaćenih čimbenika u ovoj jednadžbi je kvantna učinkovitost (QE).
Ovaj vodič će vas provesti kroz što je QE, zašto je važan, kako interpretirati specifikacije QE-a i kako se uspoređuje s različitim vrstama senzora. Ako ste u potrazi za...znanstvena kameraili samo pokušavate shvatiti tehničke podatke o kameri, ovo je za vas.
Slika: Primjeri tipičnih QE krivulja za Tucsen kameru
(a)Ovan 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vaga 22
Što je kvantna učinkovitost?
Kvantna učinkovitost je vjerojatnost da će foton koji dođe do senzora kamere biti detektiran i osloboditi fotoelektron u siliciju.
U više faza putovanja fotona prema ovoj točki postoje barijere koje mogu apsorbirati fotone ili ih reflektirati. Osim toga, nijedan materijal nije 100% transparentan za svaku valnu duljinu fotona, a bilo kakve promjene u sastavu materijala imaju mogućnost reflektiranja ili raspršivanja fotona.
Izražena u postocima, kvantna učinkovitost definirana je kao:
QE (%) = (Broj generiranih elektrona / Broj upadnih fotona) × 100
Postoje dvije glavne vrste:
●Vanjski kvantitativni učinak (QE)Izmjerene performanse uključujući učinke poput refleksije i gubitaka pri prijenosu.
●Interni kvantitativni efekt (QE)Mjeri učinkovitost pretvorbe unutar samog senzora, pretpostavljajući da su svi fotoni apsorbirani.
Viši kvantni efekt znači bolju osjetljivost na svjetlo i jače slikovne signale, posebno u scenarijima slabog osvjetljenja ili ograničenog broja fotona.
Zašto je kvantna učinkovitost važna u znanstvenim kamerama?
Kod snimanja je uvijek korisno uhvatiti što veći postotak dolaznih fotona, posebno u primjenama koje zahtijevaju visoku osjetljivost.
Međutim, senzori visoke kvantne učinkovitosti obično su skuplji. To je zbog inženjerskog izazova maksimiziranja faktora ispunjavanja uz održavanje funkcije piksela, a također i zbog procesa pozadinskog osvjetljenja. Ovaj proces, kao što ćete saznati, omogućuje najveću kvantnu učinkovitost - ali dolazi sa značajno povećanom složenošću proizvodnje.
Kao i kod svih specifikacija kamere, potreba za kvantnom učinkovitošću uvijek se mora odmjeriti s drugim čimbenicima za vašu specifičnu primjenu snimanja. Na primjer, uvođenje globalnog zatvarača može donijeti prednosti za mnoge primjene, ali se obično ne može implementirati na BI senzoru. Nadalje, zahtijeva dodavanje dodatnog tranzistora pikselu. To može smanjiti faktor ispunjavanja i time kvantnu učinkovitost, čak i u usporedbi s drugim FI senzorima.
Primjeri primjena gdje kvantitativno poboljšanje (QE) može biti važno
Nekoliko primjera primjene:
● Snimanje nefiksiranih bioloških uzoraka pri slabom osvjetljenju i fluorescencija
● Brzo snimanje
● Kvantitativne primjene koje zahtijevaju visokoprecizna mjerenja intenziteta
QE prema vrsti senzora
Različite tehnologije senzora slike pokazuju različite kvantne učinkovitosti. Evo kako se kvantna učinkovitost obično uspoređuje s glavnim vrstama senzora:
CCD (Charge-Coupled Device)
Tradicionalno favorizirano znanstveno snimanje zbog niskog šuma i visokog kvantnog efekta (QE), koji često doseže vrhunac između 70 i 90%. CCD-ovi se ističu u primjenama poput astronomije i snimanja s dugom ekspozicijom.
CMOS (komplementarni metal-oksid-poluvodič)
Nekada ograničeni nižim QE i većim šumom pri čitanju, moderni CMOS senzori - posebno oni s pozadinskim osvjetljenjem - značajno su sustigli taj trend. Mnogi sada postižu vršne QE vrijednosti iznad 80%, nudeći izvrsne performanse s većim brojem sličica u sekundi i nižom potrošnjom energije.
Istražite našu ponudu naprednihCMOS kameramodele kako bi se vidjelo koliko je daleko ova tehnologija stigla, poputTucsenova Libra 3405M sCMOS kamera, visokoosjetljiva znanstvena kamera dizajnirana za zahtjevne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja.
sCMOS (znanstveni CMOS)
Specijalizirana klasa CMOS-a dizajnirana za znanstveno snimanje,sCMOS kameraTehnologija kombinira visoku kvantnu efikasnost (QE) (obično 70–95%) s niskim šumom, visokim dinamičkim rasponom i brzim snimanjem. Idealna je za snimanje živih stanica, brzu mikroskopiju i višekanalnu fluorescenciju.
Kako čitati krivulju kvantne učinkovitosti
Proizvođači obično objavljuju QE krivulju koja prikazuje učinkovitost (%) po valnim duljinama (nm). Ove krivulje su ključne za određivanje kako kamera radi u određenim spektralnim rasponima.
Ključni elementi koje treba tražiti:
●Vrhunac kvantitativnog popuštanjaMaksimalna učinkovitost, često u rasponu od 500–600 nm (zeleno svjetlo).
●Raspon valnih duljinaUpotrebljivi spektralni prozor gdje QE ostaje iznad korisnog praga (npr. >20%).
●Zone iskrcavanjaQE ima tendenciju pada u UV (<400 nm) i NIR (>800 nm) području.
Tumačenje ove krivulje pomaže vam uskladiti snage senzora s vašom primjenom, bez obzira snimate li u vidljivom spektru, bliskom infracrvenom ili UV području.
Ovisnost kvantne učinkovitosti o valnoj duljini
Slika: QE krivulja koja prikazuje tipične vrijednosti za senzore na bazi silicija s prednjim i stražnjim osvjetljenjem
BILJEŠKAGrafikon prikazuje vjerojatnost detekcije fotona (kvantna učinkovitost, %) u odnosu na valnu duljinu fotona za četiri primjera kamera. Različite varijante senzora i premazi mogu dramatično pomaknuti ove krivulje.
Kvantna učinkovitost uvelike ovisi o valnoj duljini, kao što je prikazano na slici. Većina senzora kamera na bazi silicija pokazuje svoju vršnu kvantnu učinkovitost u vidljivom dijelu spektra, najčešće u zelenom do žutom području, od oko 490 nm do 600 nm. Krivulje kvantne učinkovitosti mogu se modificirati premazima senzora i varijantama materijala kako bi se osigurala vršna kvantna učinkovitost oko 300 nm u ultraljubičastom (UV) području, oko 850 nm u bliskom infracrvenom (NIR) području i mnoge opcije između.
Sve kamere na bazi silicija pokazuju pad kvantne učinkovitosti prema 1100 nm, pri kojoj fotoni više nemaju dovoljno energije za oslobađanje fotoelektrona. UV performanse mogu biti ozbiljno ograničene kod senzora s mikrolećama ili prozorskim staklom koje blokira UV zračenje, što ograničava dolazak svjetlosti kratke valne duljine do senzora.
Između toga, QE krivulje rijetko su glatke i ujednačene, već često uključuju male vrhove i doline uzrokovane različitim svojstvima materijala i prozirnošću materijala od kojih je piksel sastavljen.
U primjenama koje zahtijevaju UV ili NIR osjetljivost, razmatranje krivulja kvantne učinkovitosti može postati mnogo važnije, jer u nekim kamerama kvantna učinkovitost može biti višestruko veća od drugih na krajnjim krajevima krivulje.
Osjetljivost na rendgenske zrake
Neki silicijski senzori kamera mogu raditi u vidljivom dijelu spektra, a istovremeno su sposobni detektirati neke valne duljine rendgenskih zraka. Međutim, kamere obično zahtijevaju specifično inženjerstvo kako bi se nosile s utjecajem rendgenskih zraka na elektroniku kamere i s vakuumskim komorama koje se općenito koriste za rendgenske eksperimente.
Infracrvene kamere
Konačno, senzori koji nisu bazirani na siliciju, već na drugim materijalima, mogu pokazivati potpuno različite QE krivulje. Na primjer, InGaAs infracrvene kamere, bazirane na indij-galij-arsenidima umjesto silicija, mogu detektirati široke raspone valnih duljina u NIR-u, do maksimalno oko 2700 nm, ovisno o varijanti senzora.
Kvantna učinkovitost u usporedbi s drugim specifikacijama kamere
Kvantna učinkovitost je ključna metrika performansi, ali ne djeluje izolirano. Evo kako se odnosi na druge važne specifikacije kamere:
QE u odnosu na osjetljivost
Osjetljivost je sposobnost kamere da detektira slabe signale. Kvantitativna devijacija (QE) izravno doprinosi osjetljivosti, ali ulogu igraju i drugi čimbenici poput veličine piksela, šuma očitavanja i tamne struje.
QE u odnosu na omjer signala i šuma (SNR)
Viši kvantni efekt (QE) poboljšava omjer signal-šum (SNR) generiranjem više signala (elektrona) po fotonu. Ali prekomjerni šum, zbog loše elektronike ili nedovoljnog hlađenja, i dalje može degradirati sliku.
QE u odnosu na dinamički raspon
Dok kvantna obrada (QE) utječe na količinu detektirane svjetlosti, dinamički raspon opisuje omjer između najsvjetlijih i najtamnijih signala koje kamera može podnijeti. Kamera s visokom kvantnom obradom i lošim dinamičkim rasponom i dalje može dati ispodprosječne rezultate u scenama s visokim kontrastom.
Ukratko, kvantna učinkovitost je ključna, ali uvijek je procjenjujte uz komplementarne specifikacije.
Što je "dobra" kvantna učinkovitost?
Ne postoji univerzalni "najbolji" kvantni tretman - ovisi o vašoj primjeni. Uz to, evo općih referentnih vrijednosti:
| Raspon kvantitativnog poboljšanja (QE) | Razina performansi | Primjeri upotrebe |
| <40% | Nisko | Nije idealno za znanstvenu upotrebu |
| 40–60% | Prosječno | Znanstvene primjene početne razine |
| 60–80% | Dobro | Pogodno za većinu zadataka snimanja |
| 80–95% | Izvrsno | Snimanje pri slabom osvjetljenju, visokoprecizno ili s ograničenim fotonima |
Također, razmotrite vršni kvantni efekt (QE) u odnosu na prosječni QE u željenom spektralnom rasponu.
Zaključak
Kvantna učinkovitost jedan je od najvažnijih, a opet zanemarenih čimbenika pri odabiru znanstvenog uređaja za snimanje. Bez obzira procjenjujete li CCD-ove, sCMOS kamere ili CMOS kamere, razumijevanje kvantne učinkovitosti pomaže vam:
● Predvidite kako će se vaš fotoaparat ponašati u stvarnim uvjetima osvjetljenja
● Uspoređujte proizvode objektivno, izvan marketinških tvrdnji
● Uskladite specifikacije kamere sa svojim znanstvenim zahtjevima
Kako tehnologija senzora napreduje, današnje znanstvene kamere s visokim QE-om nude izvanrednu osjetljivost i svestranost u raznim primjenama. No bez obzira na to koliko je hardver napredan, odabir pravog alata započinje razumijevanjem kako se kvantna učinkovitost uklapa u širu sliku.
Često postavljana pitanja
Je li veća kvantna učinkovitost uvijek bolja u znanstvenoj kameri?
Veća kvantna učinkovitost (QE) općenito poboljšava sposobnost kamere da detektira niske razine svjetlosti, što je vrijedno u primjenama poput fluorescentne mikroskopije, astronomije i snimanja pojedinačnih molekula. Međutim, QE je samo jedan dio uravnoteženog profila performansi. Kamera s visokom QE, slabim dinamičkim rasponom, visokim šumom očitavanja ili nedovoljnim hlađenjem i dalje može dati neoptimalne rezultate. Za najbolje performanse, uvijek procjenjujte QE u kombinaciji s drugim ključnim specifikacijama poput šuma, dubine bita i arhitekture senzora.
Kako se mjeri kvantna učinkovitost?
Kvantna učinkovitost mjeri se osvjetljavanjem senzora poznatim brojem fotona na određenoj valnoj duljini, a zatim brojanjem broja elektrona koje generira senzor. To se obično radi pomoću kalibriranog monokromatskog izvora svjetlosti i referentne fotodiode. Rezultirajuća QE vrijednost prikazuje se na valnim duljinama kako bi se stvorila QE krivulja. To pomaže u određivanju spektralnog odziva senzora, ključnog za usklađivanje kamere s izvorom svjetlosti ili rasponom emisije vaše aplikacije.
Može li softver ili vanjski filteri poboljšati kvantnu učinkovitost?
Ne. Kvantna učinkovitost je intrinzično svojstvo senzora slike na razini hardvera i ne može se mijenjati softverom ili vanjskom opremom. Međutim, filteri mogu poboljšati ukupnu kvalitetu slike poboljšanjem omjera signala i šuma (npr. korištenjem emisijskih filtera u fluorescentnim primjenama), a softver može pomoći u smanjenju šuma ili naknadnoj obradi. Ipak, oni ne mijenjaju samu vrijednost kvantne učinkovitosti.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
