2015.08.25.A tudományos képalkotásban a pontosság mindennél fontosabb. Akár gyenge fényviszonyok melletti fluoreszcencia jeleket rögzít, akár halvány égitesteket követ, a kamera fényérzékelési képessége közvetlenül befolyásolja az eredmények minőségét. Az egyik legfontosabb, de gyakran félreértett tényező ebben az egyenletben a kvantumhatásfok (QE).
Ez az útmutató bemutatja, hogy mi a kvantum-emisszió (QE), miért fontos, hogyan kell értelmezni a QE specifikációit, és hogyan viszonyulnak a különböző érzékelőtípusokhoz. Ha egy…tudományos kameravagy csak a kamerák adatlapjait próbálod értelmezni, ez neked szól.
Ábra: Tucsen tipikus kamera QE görbéjének példái
(egy)Kos 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Mérleg 22
Mi a kvantumhatékonyság?
A kvantumhatásfok annak a valószínűsége, hogy a kamera érzékelőjéhez érkező fotont ténylegesen érzékelik, és fotoelektront szabadít fel a szilíciumban.
A foton útjának ezen pont felé több szakaszában is vannak akadályok, amelyek elnyelhetik vagy visszaverhetik a fotonokat. Ezenkívül egyetlen anyag sem 100%-ban átlátszó minden foton hullámhosszra, ráadásul az anyagösszetétel bármilyen változása a fotonok visszaveréséhez vagy szétszóródásához vezethet.
Százalékban kifejezve a kvantumhatásfokot a következőképpen definiáljuk:
QE (%) = (Gyűlt elektronok száma / Beeső fotonok száma) × 100
Két fő típus létezik:
●Külső mennyiségi lazításMért teljesítmény, beleértve a visszaverődést és az átviteli veszteségeket is.
●Belső mennyiségi lazítás: Magán az érzékelőn belüli konverziós hatékonyságot méri, feltételezve, hogy minden foton elnyelődik.
A magasabb QE jobb fényérzékenységet és erősebb képjeleket jelent, különösen gyenge fényviszonyok vagy fotonkorlátozott körülmények között.
Miért számít a kvantumhatékonyság a tudományos kamerákban?
A képalkotásban mindig hasznos a bejövő fotonok lehető legnagyobb százalékának rögzítése, különösen a nagy érzékenységet igénylő alkalmazásokban.
A nagy kvantumhatásfokkal rendelkező érzékelők azonban általában drágábbak. Ez a pixelfunkció megőrzése mellett a kitöltési tényező maximalizálásának mérnöki kihívásának, valamint a hátsó megvilágítási eljárásnak köszönhető. Ez az eljárás, amint azt látni fogja, a legnagyobb kvantumhatásfok elérését teszi lehetővé – de jelentősen megnövekedett gyártási bonyolultsággal jár.
Mint minden kameraspecifikációnál, a kvantumhatékonyság szükségességét mindig mérlegelni kell az adott képalkotási alkalmazás egyéb tényezőivel szemben. Például egy globális zár bevezetése számos alkalmazás számára előnyökkel járhat, de jellemzően nem valósítható meg egy BI érzékelőn. Továbbá egy extra tranzisztor hozzáadását igényli a pixelhez. Ez csökkentheti a kitöltési tényezőt és így a kvantumhatékonyságot, még más FI érzékelőkhöz képest is.
Példaalkalmazások, ahol a kvantitatív elemzés fontos lehet
Néhány példa az alkalmazásokra:
● Nem fixált biológiai minták gyenge fényviszonyok melletti és fluoreszcens képalkotása
● Nagy sebességű képalkotás
● Nagy pontosságú intenzitásmérést igénylő kvantitatív alkalmazások
QE érzékelőtípus szerint
A különböző képérzékelő technológiák eltérő kvantumhatékonyságot mutatnak. Íme, hogyan viszonyul a kvantumhatékonyság a főbb érzékelőtípusok között:
CCD (töltéscsatolt eszköz)
A tudományos képalkotást hagyományosan az alacsony zajszint és a magas, gyakran 70–90% közötti csúcsérték miatt részesítették előnyben. A CCD-k kiválóan teljesítenek olyan alkalmazásokban, mint a csillagászat és a hosszú expozíciós képalkotás.
CMOS (kiegészítő fém-oxid félvezető)
A modern CMOS érzékelők – különösen a háttérvilágítású típusok – korábban az alacsonyabb QE és a magasabb olvasási zaj miatt korlátozódtak, de jelentősen felzárkóztak. Sokuk ma már 80% feletti QE-értéket ér el, kiváló teljesítményt nyújtva gyorsabb képkockasebességgel és alacsonyabb energiafogyasztással.
Fedezze fel fejlett termékeink választékátCMOS kameramodelleket, hogy lássuk, milyen messzire jutott ez a technológia, példáulTucsen Libra 3405M sCMOS kamerája, egy nagy érzékenységű tudományos kamera, amelyet igényes, gyenge fényviszonyok melletti alkalmazásokhoz terveztek.
sCMOS (tudományos CMOS)
Egy speciális CMOS osztály, amelyet tudományos képalkotásra terveztek,sCMOS kameraA technológia a magas kvantum-egyensúlyt (jellemzően 70–95%) alacsony zajszinttel, nagy dinamikatartománnyal és gyors adatgyűjtéssel ötvözi. Ideális élősejt-képalkotáshoz, nagy sebességű mikroszkópiához és többcsatornás fluoreszcenciához.
Hogyan olvassunk le egy kvantumhatékonysági görbét
A gyártók jellemzően közzétesznek egy QE-görbét, amely a hatásfokot (%) ábrázolja a hullámhosszak (nm) függvényében. Ezek a görbék elengedhetetlenek annak meghatározásához, hogy egy kamera hogyan teljesít bizonyos spektrális tartományokban.
Főbb keresendő elemek:
●Csúcs QEA maximális hatékonyság, gyakran az 500–600 nm-es tartományban (zöld fény).
●Hullámhossz-tartomány: Az a használható spektrális ablak, ahol a mennyiségi egyenleg egy hasznos küszöbérték felett marad (pl. >20%).
●Leszállási zónákA kvantumos esés az UV (<400 nm) és a NIR (>800 nm) tartományokban jelentkezik.
Ennek a görbének az értelmezése segít összehangolni az érzékelő erősségeit az alkalmazással, függetlenül attól, hogy a látható spektrumban, a közeli infravörösben vagy az UV-ben képalkotó eljárást alkalmazza.
A kvantumhatékonyság hullámhosszfüggése
Ábra: QE-görbe, amely az elölről és hátulról megvilágított szilíciumalapú érzékelők tipikus értékeit mutatja
JEGYZETA grafikon a fotondetektálás valószínűségét (kvantumhatásfok, %) mutatja a foton hullámhosszának függvényében négy példakameránál. A különböző érzékelőváltozatok és bevonatok drámaian eltolhatják ezeket a görbéket.
A kvantumhatásfok nagymértékben hullámhosszfüggő, amint az az ábrán is látható. A szilíciumalapú kameraérzékelők többsége a spektrum látható részében, leggyakrabban a zöldtől a sárgaig terjedő tartományban, körülbelül 490 nm és 600 nm között mutatja a maximális kvantumhatásfokot. A kvantumhatékonysági görbék módosíthatók érzékelőbevonatokkal és anyagváltozatokkal, így a csúcsérték az ultraibolya (UV) tartományban körülbelül 300 nm, a közeli infravörös (NIR) tartományban körülbelül 850 nm, és számos egyéb lehetőség közül választhatunk.
Minden szilíciumalapú kamera kvantumhatásfoka csökken 1100 nm felé, ahol a fotonoknak már nincs elegendő energiájuk a fotoelektronok kibocsátásához. Az UV-teljesítmény jelentősen korlátozott lehet a mikrolencsékkel vagy UV-szűrő ablaküveggel ellátott érzékelőkben, amelyek korlátozzák a rövid hullámhosszú fény érzékelőhöz való eljutását.
A kettő között a kvantumegyensúly-görbék ritkán simák és egyenletesek, ehelyett gyakran tartalmaznak apró csúcsokat és mélyedéseket, amelyeket a pixelt alkotó anyagok eltérő anyagtulajdonságai és átlátszósága okoz.
Az UV- vagy NIR-érzékenységet igénylő alkalmazásokban a kvantumhatásfok görbék figyelembevétele sokkal fontosabbá válhat, mivel egyes kamerákban a kvantumhatásfok sokszor nagyobb lehet, mint másokban a görbe szélső végein.
Röntgenérzékenység
Néhány szilícium kameraérzékelő a spektrum látható fényében működhet, miközben bizonyos röntgensugarak hullámhosszainak érzékelésére is alkalmas. A kamerák azonban általában speciális tervezést igényelnek, hogy megbirkózzanak mind a röntgensugarak kameraelektronikára gyakorolt hatásával, mind a röntgenkísérletekhez általában használt vákuumkamrákkal.
Infravörös kamerák
Végül, a nem szilíciumalapú, hanem más anyagokon alapuló érzékelők teljesen eltérő QE-görbéket mutathatnak. Például az indium-gallium-arzenidet szilícium helyett tartalmazó InGaAs infravörös kamerák széles hullámhossztartományt képesek érzékelni a közeli infravörös tartományban, akár maximum 2700 nm-ig, az érzékelő változatától függően.
Kvantumhatékonyság vs. más kamera specifikációk
A kvantumhatékonyság kulcsfontosságú teljesítménymutató, de nem önmagában működik. Így kapcsolódik más fontos kameraspecifikációkhoz:
Kvantumszelekció vs. érzékenység
Az érzékenység a kamera azon képessége, hogy halvány jeleket érzékeljen. A kvantumos extracelluláris analízis (QE) közvetlenül hozzájárul az érzékenységhez, de más tényezők, mint például a pixelméret, az olvasási zaj és a sötétáram is szerepet játszanak.
QE vs. jel-zaj arány (SNR)
A magasabb kvantum-egyenérték (QE) javítja a jel-zaj arányt (SNR) azáltal, hogy fotononként több jelet (elektront) generál. A rossz elektronika vagy a nem megfelelő hűtés miatti túlzott zaj azonban továbbra is ronthatja a képminőséget.
QE vs. Dinamikus tartomány
Míg a kvantum-ekvivalencia (QE) befolyásolja az érzékelt fény mennyiségét, a dinamikatartomány a kamera által kezelhető legfényesebb és legsötétebb jelek arányát írja le. Egy magas QE-értékű, gyenge dinamikatartományú kamera is gyenge eredményeket produkálhat nagy kontrasztú jelenetekben.
Röviden, a kvantumhatékonyság kritikus fontosságú, de mindig a kiegészítő specifikációkkal együtt kell értékelni.
Mi a „jó” kvantumhatékonyság?
Nincs univerzális „legjobb” mennyiségi enyhülés – ez az alkalmazástól függ. Ennek ellenére íme néhány általános referenciaérték:
| QE tartomány | Teljesítményszint | Használati esetek |
| <40% | Alacsony | Nem ideális tudományos felhasználásra |
| 40–60% | Átlagos | Belépő szintű tudományos alkalmazások |
| 60–80% | Jó | A legtöbb képalkotási feladathoz alkalmas |
| 80–95% | Kiváló | Gyenge fényviszonyok melletti, nagy pontosságú vagy fotonkorlátozott képalkotás |
Ezenkívül vegye figyelembe a csúcs QE-t és az átlagos QE-t a kívánt spektrális tartományban.
Következtetés
A kvantumhatékonyság az egyik legfontosabb, mégis figyelmen kívül hagyott tényező a tudományos képalkotó eszközök kiválasztásában. Akár CCD-ket, sCMOS kamerákat vagy CMOS kamerákat értékel, a kvantumhatékonyság megértése segít:
● Jósolja meg, hogyan fog működni a kamerája valós fényviszonyok között
● Hasonlítsa össze a termékeket objektíven, a marketing állításokon túl
● Illessze a kamera specifikációit a tudományos igényeihez
Ahogy a szenzortechnológia fejlődik, a mai nagy kvantumhatékonyságú tudományos kamerák figyelemre méltó érzékenységet és sokoldalúságot kínálnak a különféle alkalmazásokban. De függetlenül attól, hogy mennyire fejlett a hardver, a megfelelő eszköz kiválasztása azzal kezdődik, hogy megértjük, hogyan illeszkedik a kvantumhatékonyság a nagyobb képbe.
GYIK
A nagyobb kvantumhatásfok mindig jobb egy tudományos kamerában?
A magasabb kvantumhatásfok (QE) általában javítja a kamera azon képességét, hogy alacsony fényszinteket érzékeljen, ami értékes olyan alkalmazásokban, mint a fluoreszcens mikroszkópia, a csillagászat és az egymolekulás képalkotás. A QE azonban csak egy része a kiegyensúlyozott teljesítményprofilnak. Egy magas QE-értékű kamera gyenge dinamikatartománnyal, magas olvasási zajjal vagy elégtelen hűtéssel továbbra is szuboptimális eredményeket hozhat. A legjobb teljesítmény elérése érdekében a QE-t mindig más kulcsfontosságú jellemzőkkel, például zajjal, bitmélységgel és érzékelőarchitektúrával együtt kell értékelni.
Hogyan mérik a kvantumhatásfokot?
A kvantumhatásfokot úgy mérik, hogy egy érzékelőt ismert számú fotonnal világítanak meg egy adott hullámhosszon, majd megszámolják az érzékelő által generált elektronok számát. Ezt jellemzően egy kalibrált monokromatikus fényforrás és egy referencia fotodióda segítségével végzik. A kapott QE-értéket hullámhosszakon ábrázolják, így létrehozva egy QE-görbét. Ez segít meghatározni az érzékelő spektrális válaszát, ami kritikus fontosságú a kamera és az alkalmazás fényforrásának vagy emissziós tartományának összehangolásához.
Javíthatják-e szoftverek vagy külső szűrők a kvantumhatékonyságot?
Nem. A kvantumhatékonyság a képérzékelő belső, hardver szintű tulajdonsága, és sem szoftverrel, sem külső tartozékokkal nem módosítható. A szűrők azonban javíthatják az általános képminőséget a jel-zaj arány javításával (pl. emissziós szűrők használata fluoreszcens alkalmazásokban), a szoftverek pedig segíthetnek a zajcsökkentésben vagy az utófeldolgozásban. Ezek azonban nem változtatják meg magát a kvantumhatékonysági értéket.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
