2022/02/25Fotografuojant prasto apšvietimo sąlygomis, kameros našumą dažnai riboja tai, kaip efektyviai silpnus optinius signalus galima paversti tinkamais vaizdo duomenimis. Kvantinis efektyvumas (QE) yra vienas iš svarbiausių šio proceso rodiklių, nes jis atspindi, kaip efektyviai jutiklis aptinka įeinančius fotonus. Tačiau QE nereikėtų vertinti kaip atskiro skaičiaus. Praktiškai jo vertė priklauso nuo vaizdo gavimo sąlygų, dominančio bangos ilgių diapazono ir bendrų taikymo reikalavimų.
Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama tam, kaip kvantinis ekstraląstelinis efektas (QE) veikia realų fotografavimą esant prastam apšvietimui ir kaip jį prasmingiau įvertinti renkantis mokslinius fotoaparatus.
Kodėl kiekybinis efektas (QE) yra svarbesnis fotografuojant esant silpnam apšvietimui?
Kvantinis efektyvumas apibūdina tikimybę, kad jutiklį pasiekę fotonai bus aptikti ir paversti elektronais. Moksliniame vaizdavime tai svarbu, nes ne kiekvienas į kamerą patekęs fotonas prisideda prie galutinio vaizdo. Kai kurie atsispindi, išsisklaido arba sugeria prieš įvykstant aptikimui, todėl kvantinis efektyvumas turi tiesioginės įtakos naudojamam signalui.
Jo svarba tampa daug didesnė vaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis, kai turimas fotonų biudžetas yra ribotas ir kiekvienas aptiktas fotonas yra svarbesnis. Tokiomis sąlygomis kamera su didesniu QE gali iš tos pačios scenos gauti stipresnius signalo lygius, taip pagerindama vaizdo kokybę ir signalo ir triukšmo santykį. Kai kuriuose darbo procesuose jis taip pat gali padėti sumažinti ekspozicijos laiką, reikalingą tinkamam vaizdui gauti, o tai ypač vertinga vaizduojant silpną fluorescenciją, dinaminius mėginius ar kitus fotonų ribotus signalus.
Nepaisant to, QE nėra vienodai svarbus kiekvienoje situacijoje. Ryškesnėmis fotografavimo sąlygomis didesnio QE nauda gali būti mažiau reikšminga, o kitos kameros charakteristikos gali atlikti didesnį vaidmenį bendram našumui. Dėl šios priežasties QE reikėtų suprasti kaip didelės vertės specifikaciją fotografuojant esant silpnam apšvietimui, o ne kaip universalų rodiklį, kuris fotoaparatas yra geriausias kiekvienoje situacijoje.
Kodėl didžiausias kiekybinis skatinimas neatskleidžia visos istorijos?
Vertinantmokslinė kameraVaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis, kyla pagunda sutelkti dėmesį į vieną pagrindinį rodiklį, pvz., didžiausią kvantinį efektą (QE). Tačiau vien didžiausias QE retai pasako visą istoriją. Kvantinis efektyvumas labai priklauso nuo bangos ilgio, o tai reiškia, kad jutiklio veikimas gali labai skirtis visame spektre. Todėl reikšmingiausias klausimas yra ne tik didžiausias QE, bet ir tai, kaip gerai jutiklis veikia taikymui svarbiais bangos ilgiais.
Kvantinio efektyvumo kreivės pavyzdys.
Raudona: iš galo apšviestas CMOS.
Mėlyna: pažangus priekyje apšviestas CMOS jutiklis
Štai kodėl QE paprastai rodomas kaip kreivė, o ne kaip fiksuota vertė. QE kreivė rodo, kaip efektyviai jutiklis konvertuoja fotonus į elektronus skirtingais bangos ilgiais, ir ji suteikia daug daugiau praktinės informacijos nei vienas maksimalus procentas. Dvi kameros gali atrodyti panašios, jei lyginamos tik jų didžiausios QE vertės, tačiau jos gali elgtis gana skirtingai konkrečioje fluorescencijos emisijos juostoje, artimojo infraraudonojo spektro srityje arba arčiau trumpojo bangos ilgio matomo spektro gale. Vaizduojant esant silpnam apšvietimui, šis skirtumas gali tiesiogiai paveikti naudojamą signalą ir bendrą vaizdo kokybę.
Praktiškai kamera turėtų būti vertinama pagal jos kvantinį koeficientą (QE) toje spektro dalyje, kurioje yra tikrasis signalas. Didelė QE kreivė viename bangos ilgyje nebūtinai reiškia geresnį veikimą kitame. Tai ypač svarbu mokslinėse srityse, kur optinis signalas yra sutelktas siaurame diapazone, o ne tolygiai pasiskirstęs matomoje juostoje. Tokiais atvejais visa QE kreivė suteikia daug realesnį numatomo veikimo vaizdą nei vienas specifikacijos skaičius.
Dėl šios priežasties didžiausią QE reikėtų laikyti atskaitos tašku, o ne išvada. Jis gali rodyti bendras jutiklio galimybes, tačiau neturėtų būti naudojamas atskirai lyginant kameras, skirtas sudėtingoms užduotims esant prastam apšvietimui. Patikimesnis būdas yra išnagrinėti QE kreivę atitinkamame bangos ilgių diapazone ir interpretuoti šį rezultatą kartu su kitomis kameros veikimo charakteristikomis.
Kaip įvertinti kiekybinį vertinimą (QE) atsižvelgiant į skaitymo triukšmą, tamsiąją srovę ir ekspozicijos laiką?
Kvantinis efektyvumas yra vienas svarbiausių vaizdavimo esant prastam apšvietimui specifikacijų, tačiau jis pats savaime neapibrėžia našumo esant prastam apšvietimui. Praktiškai kameros jautrumas priklauso ne tik nuo to, kaip efektyviai fotonai paverčiami signalu, bet ir nuo to, kiek triukšmo atsiranda vaizdo gavimo metu. Dėl šios priežasties kvantinis efektyvumas visada turėtų būti vertinamas kartu su skaitymo triukšmu, tamsiąja srove ir ekspozicijos sąlygomis.
QE ir skaitymo triukšmas
Skaitymo triukšmas tampa ypač svarbus, kai signalo lygis yra labai silpnas. Net jei jutiklis turi aukštą QE, labai silpnus signalus vis tiek gali būti sunku aptikti, jei nuskaitymo metu pridedama per daug triukšmo. Tokiose situacijose didesnis QE padeda konvertuoti daugiau turimų fotonų į tinkamą naudoti signalą, tačiau galutinis vaizdo gavimo rezultatas vis tiek priklauso nuo to, ar tas signalas gali aiškiai pakilti virš skaitymo triukšmo ribos. Fotonų riboto vaizdo gavimo atveju QE ir skaitymo triukšmą reikėtų vertinti kartu, o ne atskirai.
Kiekybinis skatinimas ir tamsioji srovė
Tamsioji srovė tampa vis aktualesnė ilgėjant ekspozicijos laikui. Ilgų ekspozicijų metu gali kauptis termiškai generuojami elektronai, kurie sumažina vaizdo aiškumą, ypač esant labai silpnoms fotografavimo sąlygoms. Kamera su stipria kvantine ekstralacija (KS) gali užfiksuoti daugiau naudingo signalo, tačiau jei tamsioji srovė žymiai susikaupia vaizdo gavimo metu, bendras silpno apšvietimo pranašumas gali sumažėti. Štai kodėl KS nereikėtų interpretuoti neatsižvelgiant į ekspozicijos trukmę ir jutiklio triukšmo elgseną.
Kiekybinis įvertinimas ir poveikio laikas
Ekspozicijos laikas yra dar vienas svarbus vaizdavimo esant prastam apšvietimui aspektas. Vienas iš praktinių didesnio kvantinio įvertinimo (QE) privalumų yra tas, kad jis gali padėti kamerai pasiekti tinkamą signalo lygį per trumpesnį laiką, nes daugiau įeinančių fotonų paverčiama išmatuojamais elektronais. Tai gali būti vertinga tais atvejais, kai šviesa ribota, kai reikia sumažinti judesio suliejimą arba kai reikalingas greitesnis vaizdo gavimas. Tuo pačiu metu tikroji nauda vis tiek priklauso nuo platesnių vaizdavimo sąlygų, o ne vien nuo QE.
Apskritai geriausia kamera, skirta naudoti esant prastam apšvietimui, yra ne tik ta, kurios QE teoriškai yra didžiausias, bet ir ta, kuri užtikrina tinkamą fotonų aptikimo efektyvumo, triukšmo mažinimo ir ekspozicijos lankstumo pusiausvyrą.
Kada didesnis kiekybinis skatinimas yra vertas savo kainos?
Didesnio QE kamera gali suteikti realų pranašumą fotografuojant esant prastam apšvietimui, tačiau šis pranašumas nėra vienodai vertingas kiekvienu atveju. Praktiškai klausimas yra ne tik tai, ar vienas jutiklis pasiekia didesnį QE nei kitas, bet ir tai, ar šis pagerėjimas reikšmingai pagerina vaizdavimo darbo eigą.
Kodėl kai kurie jutikliai pasiekia aukštesnį QE
Skirtingi kamerų jutikliai gali turėti labai skirtingas QE vertes, priklausomai nuo jų konstrukcijos ir medžiagų.
Vienas iš pagrindinių veiksnių yra jutiklio architektūra, ypač ar jutiklis apšviečiamas iš priekio, ar iš galo. Priekyje apšviečiamuose jutikliuose įeinantys fotonai, prieš pasiekdami šviesai jautrų silicį, turi praeiti pro laidus ir kitas struktūras, o tai gali sumažinti fotonų surinkimo efektyvumą. Tokie patobulinimai kaip mikrolęšiai žymiai pagerino priekinio apšvietimo konstrukcijų našumą, tačiau galinio apšvietimo jutikliai vis dar paprastai pasižymi didesniu maksimaliu QE, nes šviesa pasiekia jautrų šviesai sluoksnį tiesiau. Tačiau šis didesnis našumas paprastai susijęs su didesniu gamybos sudėtingumu ir didesnėmis sąnaudomis.
Kai didesnis kiekybinis skatinimas yra svarbus
Kvantinis efektyvumas nėra vienodai svarbus kiekvienoje vaizdavimo programoje.
Ryškiomis sąlygomis praktinė didesnio QE nauda gali būti ribota. Tačiau fotografuojant prasto apšvietimo sąlygomis, didesnis QE gali pagerinti signalo ir triukšmo santykį bei vaizdo kokybę arba padėti sutrumpinti ekspozicijos laiką, kad būtų galima greičiau gauti duomenis. Dėl šios priežasties didesnio QE jutiklio vertė turėtų būti vertinama atsižvelgiant į taikymo kontekstą.
Jei vaizdavimo užduotis yra labai apribota fotonų, našumo padidėjimas gali pateisinti papildomas išlaidas. Jei ne, pigesnė kamera su nuosaikesne kvantine ekstraląstemine išraiška vis tiek gali būti geresnis bendras pasirinkimas.
Išvada
QE išlieka viena svarbiausių specifikacijų vaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis, tačiau ji niekada neturėtų būti vertinama atskirai. Didelė maksimali QE vertė gali atrodyti įspūdingai, tačiau reikšmingesnis klausimas yra tai, kaip gerai kamera veikia esant svarbiems taikymui bangos ilgiams ir kaip ši našumas dera su skaitymo triukšmo, tamsiosios srovės ir ekspozicijos reikalavimais. Praktiškai geriausia kamera, skirta naudoti prasto apšvietimo sąlygomis, yra ne tik ta, kurios QE teoriškai yra didžiausias, bet ir ta, kuri užtikrina tinkamą jautrumo, triukšmo našumo ir sistemos tinkamumo vaizdavimo užduočiai pusiausvyrą.
Vartotojams, dirbantiems su sudėtingomis prasto apšvietimo sąlygomis, atidžiau panagrinėjus QE kreives ir bendrą jutiklio veikimą, galima priimti patikimesnius sprendimus dėl kameros. Jei vertinate mokslines kameras fluorescencijai, silpno signalo mikroskopijai ar kitiems fotonų riboto vaizdavimo darbo eigoms,Tučenasgali padėti palyginti tinkamiausius variantus jūsų paraiškai.
Susijęs straipsnis: Platesnį kiekybinio skatinimo pagrindų ir duomenų lapų interpretavimo įvadą skaitykite čia.Kvantinis efektyvumas mokslinėse kamerose: pradedančiųjų vadovas.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
