კვანტური ეფექტურობა სამეცნიერო კამერებში: სახელმძღვანელო დამწყებთათვის |

სამეცნიერო ვიზუალიზაციაში სიზუსტე ყველაფერია. იქნება ეს დაბალი განათების ფლუორესცენციის სიგნალების გადაღება თუ მკრთალი ციური ობიექტების თვალყურის დევნება, თქვენი კამერის სინათლის აღმოჩენის უნარი პირდაპირ გავლენას ახდენს თქვენი შედეგების ხარისხზე. ამ განტოლებაში ერთ-ერთი ყველაზე კრიტიკული, მაგრამ ხშირად არასწორად გაგებული ფაქტორი კვანტური ეფექტურობაა (QE).

ეს სახელმძღვანელო გაგაცნობთ, თუ რა არის QE, რატომ არის ის მნიშვნელოვანი, როგორ უნდა განვმარტოთ QE სპეციფიკაციები და როგორ შევადაროთ ის სენსორების ტიპებს. თუ თქვენ ეძებთ...სამეცნიერო კამერაან უბრალოდ ცდილობთ კამერის მონაცემთა ფურცლების გაგებას, ეს თქვენთვისაა.

სურათი: ტუსენის კამერის QE მრუდის ტიპური მაგალითები

(ა)ვერძი 6510(ბ)დჰიანა 6060BSI(გ)სასწორი 22

რა არის კვანტური ეფექტურობა?

კვანტური ეფექტურობა არის იმის ალბათობა, რომ ფოტონი, რომელიც კამერის სენსორს მიაღწევს, რეალურად აღმოჩნდება და სილიციუმში ფოტოელექტრონს გამოყოფს.

ფოტონის ამ წერტილისკენ მიმავალი მოგზაურობის მრავალ ეტაპზე არსებობს ბარიერები, რომლებსაც შეუძლიათ ფოტონების შთანთქმა ან მათი არეკვლა. გარდა ამისა, არცერთი მასალა არ არის 100%-ით გამჭვირვალე ფოტონის ყველა ტალღის სიგრძისთვის, გარდა ამისა, მასალის შემადგენლობის ნებისმიერ ცვლილებას აქვს ფოტონების არეკვლის ან გაფანტვის შანსი.

პროცენტულად გამოხატული, კვანტური ეფექტურობა განისაზღვრება შემდეგნაირად:

QE (%) = (გენერირებული ელექტრონების რაოდენობა / დაცემული ფოტონების რაოდენობა) × 100

არსებობს ორი ძირითადი ტიპი:

●გარე რაოდენობრივი შემცირებაგაზომილი შესრულება, მათ შორის ისეთი ეფექტები, როგორიცაა არეკვლისა და გადაცემის დანაკარგები.
●შიდა ხარისხის შემცირებაზომავს გარდაქმნის ეფექტურობას თავად სენსორის შიგნით, იმ ვარაუდით, რომ ყველა ფოტონი შთანთქავს.

უფრო მაღალი QE ნიშნავს უკეთეს სინათლის მგრძნობელობას და უფრო ძლიერ გამოსახულების სიგნალებს, განსაკუთრებით დაბალი განათების ან ფოტონების შეზღუდვის პირობებში.

რატომ არის კვანტური ეფექტურობა მნიშვნელოვანი სამეცნიერო კამერებში?

ვიზუალიზაციისას ყოველთვის სასარგებლოა შემომავალი ფოტონების ყველაზე მაღალი პროცენტის დაფიქსირება, განსაკუთრებით ისეთ აპლიკაციებში, რომლებიც მაღალ მგრძნობელობას მოითხოვს.

თუმცა, მაღალი კვანტური ეფექტურობის სენსორები, როგორც წესი, უფრო ძვირია. ეს განპირობებულია პიქსელის ფუნქციის შენარჩუნებისას შევსების კოეფიციენტის მაქსიმიზაციის ინჟინერიული გამოწვევით და ასევე უკანა განათების პროცესით. როგორც მოგვიანებით გაიგებთ, ეს პროცესი უზრუნველყოფს უმაღლესი კვანტური ეფექტურობის მიღწევას, თუმცა მას თან ახლავს წარმოების მნიშვნელოვნად გაზრდილი სირთულე.

ყველა კამერის სპეციფიკაციის მსგავსად, კვანტური ეფექტურობის საჭიროება ყოველთვის უნდა შეფასდეს სხვა ფაქტორებთან შედარებით თქვენი კონკრეტული გამოსახულების გადაღების აპლიკაციისთვის. მაგალითად, გლობალური ჩამკეტის დანერგვას შეუძლია უპირატესობები მოიტანოს მრავალი აპლიკაციისთვის, მაგრამ, როგორც წესი, მისი განხორციელება BI სენსორზე არ შეიძლება. გარდა ამისა, ის მოითხოვს პიქსელზე დამატებითი ტრანზისტორის დამატებას. ამან შეიძლება შეამციროს შევსების კოეფიციენტი და შესაბამისად, კვანტური ეფექტურობა, სხვა FI სენსორებთან შედარებითაც კი.

მაგალითები, სადაც რაოდენობრივი შემსუბუქება შეიძლება მნიშვნელოვანი იყოს

რამდენიმე მაგალითის აპლიკაცია:

● არაფიქსირებული ბიოლოგიური ნიმუშების დაბალი განათების და ფლუორესცენტული ვიზუალიზაცია

● მაღალსიჩქარიანი გამოსახულება

● რაოდენობრივი აპლიკაციები, რომლებიც მოითხოვენ მაღალი სიზუსტის ინტენსივობის გაზომვებს

სენსორის ტიპის მიხედვით QE

სხვადასხვა გამოსახულების სენსორული ტექნოლოგიები განსხვავებულ კვანტურ ეფექტურობას ავლენენ. აი, როგორ შედარებულია QE ძირითადი სენსორების ტიპებს შორის:

CCD (დამუხტვასთან დაკავშირებული მოწყობილობა)

ტრადიციულად, CCD-ები უპირატესობას ანიჭებენ სამეცნიერო ვიზუალიზაციას დაბალი ხმაურისა და მაღალი QE-ს გამო, რომელიც ხშირად პიკს 70–90%-ს შორის აღწევს.

CMOS (დამატებითი ლითონ-ოქსიდი-ნახევარგამტარი)

ოდესღაც დაბალი QE-ითა და მაღალი წაკითხვის ხმაურით შეზღუდული თანამედროვე CMOS სენსორები, განსაკუთრებით უკნიდან განათებული დიზაინები, მნიშვნელოვნად დაეწია ამ ტენდენციას. ბევრი მათგანი ამჟამად აღწევს პიკურ QE მნიშვნელობებს 80%-ზე მეტს, რაც გვთავაზობს შესანიშნავ მუშაობას უფრო სწრაფი კადრების სიხშირით და დაბალი ენერგომოხმარებით.

გაეცანით ჩვენს მოწინავე ასორტიმენტსCMOS კამერამოდელები იმის სანახავად, თუ რამდენად შორს წავიდა ეს ტექნოლოგია, მაგალითადტუსენის Libra 3405M sCMOS კამერა, მაღალი მგრძნობელობის სამეცნიერო კამერა, რომელიც შექმნილია დაბალი განათების პირობებში მუშაობისთვის.

sCMOS (სამეცნიერო CMOS)

CMOS-ის სპეციალიზებული კლასი, რომელიც შექმნილია სამეცნიერო ვიზუალიზაციისთვის,sCMOS კამერატექნოლოგია აერთიანებს მაღალ QE-ს (როგორც წესი, 70–95%) დაბალ ხმაურთან, მაღალ დინამიურ დიაპაზონთან და სწრაფ გადაღებასთან. იდეალურია ცოცხალი უჯრედების ვიზუალიზაციისთვის, მაღალსიჩქარიანი მიკროსკოპიისა და მრავალარხიანი ფლუორესცენციისთვის.

როგორ წავიკითხოთ კვანტური ეფექტურობის მრუდი

მწარმოებლები, როგორც წესი, აქვეყნებენ QE მრუდს, რომელიც ასახავს ეფექტურობას (%) ტალღის სიგრძეების (ნმ) მიხედვით. ეს მრუდები აუცილებელია იმის დასადგენად, თუ როგორ მუშაობს კამერა კონკრეტულ სპექტრულ დიაპაზონებში.

ძირითადი ელემენტები, რომლებიც უნდა მოძებნოთ:

●პიკური QEმაქსიმალური ეფექტურობა, ხშირად 500–600 ნმ დიაპაზონში (მწვანე შუქი).
●ტალღის სიგრძის დიაპაზონიგამოსაყენებელი სპექტრული ფანჯარა, სადაც QE რჩება სასარგებლო ზღურბლზე (მაგ., >20%) მაღლა.
●ჩამოსვლის ზონებიQE, როგორც წესი, კლებულობს ულტრაიისფერ (<400 ნმ) და ჩრდილოეთ ინფრაწითელ (>800 ნმ) რეგიონებში.

ამ მრუდის ინტერპრეტაცია დაგეხმარებათ სენსორის ძლიერი მხარეების თქვენს გამოყენებასთან შესაბამისობაში მოყვანაში, იქნება ეს ხილულ სპექტრში, ახლო ინფრაწითელ თუ ულტრაიისფერ დიაპაზონში გამოსახულების მიღება.

კვანტური ეფექტურობის ტალღის სიგრძეზე დამოკიდებულება

სურათი: QE მრუდი, რომელიც აჩვენებს წინა და უკანა განათებით სილიკონზე დაფუძნებული სენსორების ტიპურ მნიშვნელობებს.

შენიშვნაგრაფიკი აჩვენებს ფოტონის აღმოჩენის ალბათობას (კვანტური ეფექტურობა, %) ფოტონის ტალღის სიგრძესთან შედარებით ოთხი მაგალითის კამერისთვის. სენსორის სხვადასხვა ვარიანტს და საფარს შეუძლია მკვეთრად შეცვალოს ეს მრუდები.

კვანტური ეფექტურობა მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული ტალღის სიგრძეზე, როგორც ეს ნახაზზეა ნაჩვენები. სილიკონზე დაფუძნებული კამერის სენსორების უმეტესობა პიკურ კვანტურ ეფექტურობას სპექტრის ხილულ ნაწილში ავლენს, ყველაზე ხშირად მწვანედან ყვითელ რეგიონში, დაახლოებით 490 ნმ-დან 600 ნმ-მდე. QE მრუდების მოდიფიცირება შესაძლებელია სენსორის საფარითა და მასალის ვარიანტებით, რათა უზრუნველყოფილი იყოს QE პიკური დიაპაზონი დაახლოებით 300 ნმ-ზე ულტრაიისფერ (UV) დიაპაზონში, დაახლოებით 850 ნმ-ზე ახლო ინფრაწითელ (NIR) დიაპაზონში და მრავალი სხვა ვარიანტი.

ყველა სილიკონზე დაფუძნებულ კამერას კვანტური ეფექტურობის შემცირება 1100 ნმ-ისკენ ახასიათებს, რომლის დროსაც ფოტონებს აღარ აქვთ საკმარისი ენერგია ფოტოელექტრონების გამოსაყოფად. ულტრაიისფერი გამოსხივების მუშაობა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეიზღუდოს მიკროლინზების ან ულტრაიისფერი გამოსხივების ბლოკირების მქონე სენსორებში, რომლებიც ზღუდავენ მოკლეტალღოვანი სინათლის სენსორამდე მიღწევას.

ამასობაში, QE მრუდები იშვიათად არის გლუვი და თანაბარი და ხშირად მოიცავს მცირე პიკებს და ვარდნებს, რომლებიც გამოწვეულია პიქსელის შემადგენელი მასალების სხვადასხვა თვისებებითა და გამჭვირვალობით.

ულტრაიისფერი ან ნიჟაროვანი ინფრაწითელი გამოსხივების მიმართ მგრძნობელობის მოთხოვნით აპლიკაციებში, კვანტური ეფექტურობის მრუდების გათვალისწინება შეიძლება ბევრად უფრო მნიშვნელოვანი გახდეს, რადგან ზოგიერთ კამერაში კვანტური ეფექტურობა მრუდის უკიდურეს ბოლოებში შეიძლება ბევრჯერ აღემატებოდეს სხვებს.

რენტგენის მგრძნობელობა

ზოგიერთ სილიკონის კამერის სენსორს შეუძლია სპექტრის ხილული სინათლის ნაწილში მუშაობა, ამასთანავე, მას ასევე შეუძლია რენტგენის სხივების გარკვეული ტალღის სიგრძის აღმოჩენა. თუმცა, კამერებს, როგორც წესი, სპეციფიკური ინჟინერია სჭირდებათ, რათა გაუმკლავდნენ როგორც რენტგენის სხივების ზემოქმედებას კამერის ელექტრონიკაზე, ასევე ვაკუუმურ კამერებს, რომლებიც ზოგადად რენტგენის ექსპერიმენტებისთვის გამოიყენება.

ინფრაწითელი კამერები

და ბოლოს, არა სილიკონზე, არამედ სხვა მასალებზე დაფუძნებულ სენსორებს შეუძლიათ სრულიად განსხვავებული QE მრუდების ჩვენება. მაგალითად, InGaAs ინფრაწითელი კამერები, რომლებიც დაფუძნებულია სილიკონის ნაცვლად ინდიუმის გალიუმის არსენიდზე, შეუძლიათ ფართო ტალღის სიგრძის დიაპაზონის აღმოჩენა NIR-ში, მაქსიმუმ 2700 ნმ-მდე, სენსორის ვარიანტის მიხედვით.

კვანტური ეფექტურობა კამერის სხვა სპეციფიკაციებთან შედარებით

კვანტური ეფექტურობა მუშაობის ერთ-ერთი მთავარი მაჩვენებელია, თუმცა ის იზოლირებულად არ მოქმედებს. აი, როგორ უკავშირდება ის კამერის სხვა მნიშვნელოვან სპეციფიკაციებს:

QE vs. მგრძნობელობა

მგრძნობელობა არის კამერის უნარი, აღმოაჩინოს სუსტი სიგნალები. QE პირდაპირ გავლენას ახდენს მგრძნობელობაზე, თუმცა სხვა ფაქტორებიც თამაშობენ როლს, როგორიცაა პიქსელის ზომა, წაკითხული ხმაური და ბნელი დენი.

QE vs. სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა (SNR)

უფრო მაღალი QE აუმჯობესებს SNR-ს თითო ფოტონზე მეტი სიგნალის (ელექტრონის) გენერირებით. თუმცა, ცუდი ელექტრონიკის ან არასაკმარისი გაგრილებით გამოწვეულმა ზედმეტმა ხმაურმა მაინც შეიძლება გააუარესოს გამოსახულება.

QE vs. დინამიური დიაპაზონი

მიუხედავად იმისა, რომ QE გავლენას ახდენს სინათლის აღმოჩენის რაოდენობაზე, დინამიური დიაპაზონი აღწერს ყველაზე კაშკაშა და ყველაზე ბნელ სიგნალებს შორის თანაფარდობას, რომლის დამუშავებაც კამერას შეუძლია. მაღალი QE-ს მქონე კამერამ ცუდი დინამიური დიაპაზონით მაინც შეიძლება ცუდი შედეგები მოგვცეს მაღალი კონტრასტის მქონე სცენებში.

მოკლედ, კვანტური ეფექტურობა კრიტიკულად მნიშვნელოვანია, მაგრამ ის ყოველთვის შეაფასეთ დამატებით სპეციფიკაციებთან ერთად.

რა არის „კარგი“ კვანტური ეფექტურობა?

უნივერსალური „საუკეთესო“ რაოდენობრივი შემსუბუქება არ არსებობს — ეს თქვენს აპლიკაციაზეა დამოკიდებული. ამასთან, აქ მოცემულია ზოგადი საორიენტაციო მაჩვენებლები:

QE დიაპაზონი	შესრულების დონე	გამოყენების შემთხვევები
<40%	დაბალი	არ არის იდეალური სამეცნიერო გამოყენებისთვის
40–60%	საშუალო	საწყისი დონის სამეცნიერო აპლიკაციები
60–80%	კარგი	შესაფერისია ვიზუალიზაციის უმეტესი ამოცანებისთვის
80–95%	შესანიშნავი	დაბალი განათების, მაღალი სიზუსტის ან ფოტონებით შეზღუდული ვიზუალიზაცია

ასევე, გაითვალისწინეთ პიკური QE საშუალო QE-სთან შედარებით თქვენთვის სასურველ სპექტრულ დიაპაზონში.

დასკვნა

კვანტური ეფექტურობა ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი, თუმცა უგულებელყოფილი ფაქტორია სამეცნიერო ვიზუალიზაციის მოწყობილობის არჩევისას. იქნება ეს CCD-ები, sCMOS თუ CMOS კამერები, კვანტური ეფექტურობა დაგეხმარებათ:

● იწინასწარმეტყველეთ, თუ როგორ იმუშავებს თქვენი კამერა რეალური განათების პირობებში
● პროდუქტების ობიექტურად შედარება მარკეტინგული პრეტენზიების მიღმა
● შეუსაბამეთ კამერის სპეციფიკაციები თქვენს სამეცნიერო მოთხოვნებს

სენსორული ტექნოლოგიების განვითარებასთან ერთად, დღევანდელი მაღალი ხარისხის კვანტური ეფექტურობის სამეცნიერო კამერები შესანიშნავ მგრძნობელობას და მრავალფეროვნებას გვთავაზობენ მრავალფეროვან აპლიკაციებში. თუმცა, რამდენადაც არ უნდა იყოს განვითარებული აპარატურა, სწორი ინსტრუმენტის არჩევა იწყება იმის გაგებით, თუ როგორ ჯდება კვანტური ეფექტურობა უფრო ფართო სურათში.

ხშირად დასმული კითხვები

სამეცნიერო კამერაში ყოველთვის უკეთესია უფრო მაღალი კვანტური ეფექტურობა?

მაღალი კვანტური ეფექტურობა (QE) ზოგადად აუმჯობესებს კამერის უნარს, აღმოაჩინოს სინათლის დაბალი დონე, რაც ფასეულია ისეთ აპლიკაციებში, როგორიცაა ფლუორესცენტული მიკროსკოპია, ასტრონომია და ერთმოლეკულური ვიზუალიზაცია. თუმცა, QE დაბალანსებული მუშაობის პროფილის მხოლოდ ერთი ნაწილია. მაღალი QE კამერამ ცუდი დინამიური დიაპაზონით, მაღალი წაკითხვის ხმაურით ან არასაკმარისი გაგრილებით მაინც შეიძლება არაოპტიმალური შედეგები მოგვცეს. საუკეთესო მუშაობისთვის, QE ყოველთვის შეაფასეთ სხვა ძირითად სპეციფიკაციებთან, როგორიცაა ხმაური, ბიტის სიღრმე და სენსორის არქიტექტურა, კომბინაციაში.

როგორ იზომება კვანტური ეფექტურობა?

კვანტური ეფექტურობა იზომება სენსორის განათებით ფოტონების ცნობილი რაოდენობით კონკრეტულ ტალღის სიგრძეზე და შემდეგ სენსორის მიერ გენერირებული ელექტრონების რაოდენობის დათვლით. ეს, როგორც წესი, ხორციელდება დაკალიბრებული მონოქრომატული სინათლის წყაროსა და საცნობარო ფოტოდიოდის გამოყენებით. შედეგად მიღებული QE მნიშვნელობა ტალღის სიგრძეებზე აისახება QE მრუდის შესაქმნელად. ეს ხელს უწყობს სენსორის სპექტრული რეაქციის დადგენას, რაც კრიტიკულია კამერის თქვენი აპლიკაციის სინათლის წყაროსთან ან გამოსხივების დიაპაზონთან შესატყვისად.

შეუძლია თუ არა პროგრამულ უზრუნველყოფას ან გარე ფილტრებს კვანტური ეფექტურობის გაუმჯობესება?

არა. კვანტური ეფექტურობა გამოსახულების სენსორის შინაგანი, აპარატურული დონის თვისებაა და მისი შეცვლა პროგრამული უზრუნველყოფით ან გარე აქსესუარებით შეუძლებელია. თუმცა, ფილტრებს შეუძლიათ გააუმჯობესონ გამოსახულების საერთო ხარისხი სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობის გაუმჯობესებით (მაგ., ემისიის ფილტრების გამოყენება ფლუორესცენციის აპლიკაციებში), ხოლო პროგრამულ უზრუნველყოფას შეუძლია დაეხმაროს ხმაურის შემცირებაში ან შემდგომი დამუშავებაში. მიუხედავად ამისა, ეს არ ცვლის თავად QE მნიშვნელობას.

Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com