2015-08-25Moksliniame vaizdavime tikslumas yra viskas. Nesvarbu, ar fiksuojate fluorescencijos signalus esant silpnam apšvietimui, ar sekate silpnus dangaus objektus, jūsų fotoaparato gebėjimas aptikti šviesą tiesiogiai veikia rezultatų kokybę. Vienas iš svarbiausių, bet dažnai neteisingai suprantamų šios lygties veiksnių yra kvantinis efektyvumas (KV).
Šiame vadove paaiškinsime, kas yra QE, kodėl jis svarbus, kaip interpretuoti QE specifikacijas ir kaip jis lyginamas su skirtingų tipų jutikliais. Jei ieškote...mokslinė kameraarba tiesiog bandote suprasti fotoaparatų duomenų lapus, tai kaip tik jums.
Paveikslėlis: Tucsen tipinės kameros QE kreivės pavyzdžiai
Kas yra kvantinis efektyvumas?
Kvantinis efektyvumas – tai tikimybė, kad fotonas, pasiekęs kameros jutiklį, bus aptiktas ir išlaisvins fotoelektroną silicyje.
Keliuose fotono kelionės link šio taško etapuose yra barjerų, kurie gali sugerti fotonus arba juos atspindėti. Be to, jokia medžiaga nėra 100 % skaidri kiekvienam fotono bangos ilgiui, o bet kokie medžiagos sudėties pokyčiai turi galimybę atspindėti arba išsklaidyti fotonus.
Išreikštas procentais, kvantinis efektyvumas apibrėžiamas taip:
QE (%) = (Sukurtų elektronų skaičius / Įkritusių fotonų skaičius) × 100
Yra du pagrindiniai tipai:
●Išorinis kiekybinis skatinimasIšmatuotas veikimas, įskaitant tokius efektus kaip atspindys ir perdavimo nuostoliai.
●Vidinis kiekybinis skatinimasMatuoja konversijos efektyvumą pačiame jutiklyje, darant prielaidą, kad visi fotonai yra absorbuojami.
Didesnis QE reiškia geresnį jautrumą šviesai ir stipresnius vaizdo signalus, ypač esant silpnam apšvietimui arba fotonų ribotoms sąlygoms.
Kodėl kvantinis efektyvumas yra svarbus mokslinėse kamerose?
Vaizduojant visada naudinga užfiksuoti kuo didesnį įeinančių fotonų procentą, ypač tais atvejais, kai reikalingas didelis jautrumas.
Tačiau didelio kvantinio efektyvumo jutikliai paprastai yra brangesni. Taip yra dėl inžinerinio iššūkio maksimaliai padidinti užpildymo koeficientą išlaikant pikselių funkciją, taip pat dėl foninio apšvietimo proceso. Šis procesas, kaip sužinosite, leidžia pasiekti didžiausią kvantinį efektyvumą, tačiau dėl jo gamybos sudėtingumas gerokai padidėja.
Kaip ir visos kamerų specifikacijos, kvantinio efektyvumo poreikis visada turi būti įvertintas atsižvelgiant į kitus veiksnius, skirtus konkrečiai jūsų vaizdo gavimo programai. Pavyzdžiui, visuotinio užrakto įdiegimas gali suteikti pranašumų daugeliui programų, tačiau paprastai jo negalima įdiegti BI jutiklyje. Be to, tam reikia pridėti papildomą tranzistorių prie pikselio. Tai gali sumažinti užpildymo koeficientą ir atitinkamai kvantinį efektyvumą, net palyginti su kitais FI jutikliais.
Pavyzdinės taikymo sritys, kuriose QE gali būti svarbus
Keletas programų pavyzdžių:
● Nefiksuotų biologinių mėginių vaizdavimas esant silpnam apšvietimui ir fluorescencinis vaizdavimas
● Didelės spartos vaizdavimas
● Kiekybiniai taikymai, kuriems reikalingi didelio tikslumo intensyvumo matavimai
QE pagal jutiklio tipą
Skirtingos vaizdo jutiklių technologijos pasižymi skirtingu kvantiniu efektyvumu. Štai kaip QE paprastai palyginamas tarp pagrindinių jutiklių tipų:
CCD (krūvio susiejimo įtaisas)
Tradiciškai moksliniai vaizdavimo metodai buvo mėgstami dėl mažo triukšmo ir didelio kvantinio koeficiento (QE), kuris dažnai siekė 70–90 %. CCD matricos puikiai tinka tokiose srityse kaip astronomija ir ilgo išlaikymo vaizdavimas.
CMOS (papildomasis metalo oksido puslaidininkis)
Kadaise ribojo mažesnis QE ir didesnis skaitymo triukšmas, šiuolaikiniai CMOS jutikliai, ypač su foniniu apšvietimu, gerokai pasivijo juos. Dabar daugelis jų pasiekia didžiausias QE vertes, viršijančias 80 %, todėl pasižymi puikiu našumu, didesniu kadrų dažniu ir mažesnėmis energijos sąnaudomis.
Peržiūrėkite mūsų pažangių gaminių asortimentąCMOS kameramodelius, kad pamatytume, kiek pažengė ši technologija, pvz.Tucsen Libra 3405M sCMOS kamera, didelio jautrumo mokslinė kamera, skirta sudėtingoms reikmėms esant prastam apšvietimui.
sCMOS (mokslinė CMOS)
Specializuota CMOS klasė, skirta moksliniam vaizdavimui,sCMOS kameraŠi technologija sujungia aukštą kvantinį įvertinimą (paprastai 70–95 %) su mažu triukšmu, dideliu dinaminiu diapazonu ir greitu duomenų nuskaitymu. Idealiai tinka gyvų ląstelių vaizdavimui, greitajai mikroskopijai ir daugiakanalei fluorescencijai.
Kaip skaityti kvantinio efektyvumo kreivę
Gamintojai paprastai skelbia QE kreivę, kurioje pavaizduotas efektyvumas (%) skirtinguose bangos ilgiuose (nm). Šios kreivės yra būtinos norint nustatyti, kaip kamera veikia konkrečiuose spektriniuose diapazonuose.
Svarbiausi elementai, į kuriuos reikia atkreipti dėmesį:
●Didžiausias kiekybinis skatinimasDidžiausias efektyvumas, dažnai 500–600 nm diapazone (žalia šviesa).
●Bangos ilgio diapazonasNaudojamas spektrinis langas, kuriame QE išlieka virš naudingos ribos (pvz., >20 %).
●Išlaipinimo zonosQE linkęs mažėti UV (<400 nm) ir NIR (>800 nm) srityse.
Šios kreivės interpretavimas padeda pritaikyti jutiklio stipriąsias puses prie jūsų taikymo srities, nesvarbu, ar vaizduojate matomoje spektro dalyje, artimojoje infraraudonojoje ar UV spinduliuotėje.
Kvantinio efektyvumo priklausomybė nuo bangos ilgio
Paveikslėlis: QE kreivė, rodanti tipines priekinio ir galinio apšvietimo silicio pagrindu pagamintų jutiklių vertes
PASTABAGrafike parodyta fotonų aptikimo tikimybė (kvantinis efektyvumas, %), priklausomai nuo fotonų bangos ilgio, keturiems pavyzdiniams fotoaparatams. Skirtingi jutiklių variantai ir dangos gali smarkiai pakeisti šias kreives.
Kvantinis efektyvumas labai priklauso nuo bangos ilgio, kaip parodyta paveikslėlyje. Dauguma silicio pagrindu pagamintų kamerų jutiklių pasižymi didžiausiu kvantiniu efektyvumu matomoje spektro dalyje, dažniausiai žalioje iki geltonoje srityje, nuo maždaug 490 nm iki 600 nm. Kvantinio efektyvumo kreives galima modifikuoti naudojant jutiklių dangas ir medžiagų variantus, kad didžiausias kvantinis efektyvumas būtų apie 300 nm ultravioletinėje (UV) srityje, apie 850 nm artimojoje infraraudonojoje (NIR) srityje ir daugelyje kitų variantų.
Visų silicio pagrindu pagamintų kamerų kvantinis efektyvumas mažėja artėjant prie 1100 nm bangos ilgio, kai fotonai nebeturi pakankamai energijos fotoelektronams išlaisvinti. UV spindulių našumas gali būti labai ribotas jutikliuose su mikrolęšiais arba UV spindulius blokuojančiu langų stiklu, kurie riboja trumpųjų bangų ilgio šviesą, pasiekiančią jutiklį.
Tarp jų QE kreivės retai būna lygios ir tolygios, o dažnai apima nedidelius viršūnes ir įdubimus, atsirandančius dėl skirtingų medžiagų, iš kurių sudarytas pikselis, savybių ir skaidrumo.
Taikant programas, kurioms reikalingas jautrumas UV arba NIR spinduliams, kvantinio efektyvumo kreivių įvertinimas gali tapti daug svarbesnis, nes kai kuriose kamerose kvantinis efektyvumas gali būti daug kartų didesnis nei kitose kraštutiniuose kreivės galuose.
Rentgeno spindulių jautrumas
Kai kurie silicio kamerų jutikliai gali veikti matomos šviesos spektro dalyje ir kartu aptikti kai kuriuos rentgeno spindulių bangos ilgius. Tačiau kameroms paprastai reikalinga speciali inžinerija, kad jos susidorotų su rentgeno spindulių poveikiu kameros elektronikai ir vakuuminėmis kameromis, paprastai naudojamomis rentgeno spindulių eksperimentams.
Infraraudonųjų spindulių kameros
Galiausiai, jutikliai, pagaminti ne iš silicio, o iš kitų medžiagų, gali turėti visiškai skirtingas QE kreives. Pavyzdžiui, „InGaAs“ infraraudonųjų spindulių kameros, kurių pagrindą sudaro indžio galio arsenidas vietoj silicio, gali aptikti platų bangos ilgių diapazoną artimajame infraraudonajame spektre, iki maždaug 2700 nm, priklausomai nuo jutiklio varianto.
Kvantinis efektyvumas, palyginti su kitomis kamerų specifikacijomis
Kvantinis efektyvumas yra pagrindinis našumo rodiklis, tačiau jis neveikia atskirai. Štai kaip jis susijęs su kitomis svarbiomis kamerų specifikacijomis:
Kiekybinis skatinimas ir jautrumas
Jautrumas yra kameros gebėjimas aptikti silpnus signalus. Kvantinė diferenciacija (QE) tiesiogiai prisideda prie jautrumo, tačiau įtakos turi ir kiti veiksniai, pvz., pikselių dydis, skaitymo triukšmas ir tamsioji srovė.
QE ir signalo ir triukšmo santykis (SNR)
Didesnis kvantinis efektyvumas (QE) pagerina signalo ir triukšmo santykį (SNR), nes vienam fotonui generuojama daugiau signalo (elektronų). Tačiau per didelis triukšmas dėl prastos elektronikos ar nepakankamo aušinimo vis tiek gali pabloginti vaizdo kokybę.
QE ir dinaminis diapazonas
Nors QE (kvantinė vertė) paveikia aptinkamos šviesos kiekį, dinaminis diapazonas apibūdina ryškiausių ir tamsiausių signalų, kuriuos kamera gali apdoroti, santykį. Kamera su dideliu QE ir prastu dinaminiu diapazonu vis tiek gali gauti prastesnius rezultatus didelio kontrasto scenose.
Trumpai tariant, kvantinis efektyvumas yra labai svarbus, tačiau visada vertinkite jį kartu su papildomomis specifikacijomis.
Kas yra „geras“ kvantinis efektyvumas?
Nėra universalaus „geriausio“ kiekybinio skatinimo metodo – tai priklauso nuo jūsų taikymo. Tačiau pateikiame bendruosius kriterijus:
| QE diapazonas | Našumo lygis | Naudojimo atvejai |
| <40% | Žemas | Netinka moksliniam naudojimui |
| 40–60 % | Vidutinis | Pradinio lygio mokslinės programos |
| 60–80 % | Gerai | Tinka daugumai vaizdavimo užduočių |
| 80–95 % | Puiku | Prasto apšvietimo, didelio tikslumo arba fotonų riboto vaizdavimo |
Taip pat atsižvelkite į didžiausio QE ir vidutinio QE skirtumus norimame spektriniame diapazone.
Išvada
Kvantinis efektyvumas yra vienas svarbiausių, tačiau nepakankamai įvertinamų veiksnių renkantis mokslinio vaizdo gavimo įrenginį. Nesvarbu, ar vertinate CCD, sCMOS, ar CMOS kameras, kvantinio efektyvumo supratimas padeda jums:
● Numatykite, kaip jūsų kamera veiks realiomis apšvietimo sąlygomis
● Objektyviai palyginkite produktus, neapsiribodami rinkodaros teiginiais
● Suderinkite kameros specifikacijas su savo moksliniais reikalavimais
Tobulėjant jutiklių technologijoms, šiandieninės aukštos kokybės mokslinės kameros pasižymi išskirtiniu jautrumu ir universalumu įvairiose srityse. Tačiau nesvarbu, kokia pažangi būtų aparatinė įranga, tinkamo įrankio pasirinkimas prasideda nuo supratimo, kaip kvantinis efektyvumas dera su platesniu kontekstu.
DUK
Ar didesnis kvantinis efektyvumas mokslinėje kameroje visada geresnis?
Didesnis kvantinis efektyvumas (KV) paprastai pagerina kameros gebėjimą aptikti silpną šviesos lygį, o tai vertinga tokiose srityse kaip fluorescencinė mikroskopija, astronomija ir vienos molekulės vaizdavimas. Tačiau KV yra tik viena subalansuoto našumo profilio dalis. Kamera su dideliu KV, turinčiu prastą dinaminį diapazoną, didelį skaitymo triukšmą arba nepakankamą aušinimą, vis tiek gali duoti neoptimalius rezultatus. Norėdami gauti geriausią našumą, visada vertinkite KV kartu su kitomis pagrindinėmis specifikacijomis, tokiomis kaip triukšmas, bitų gylis ir jutiklio architektūra.
Kaip matuojamas kvantinis efektyvumas?
Kvantinis efektyvumas matuojamas apšviečiant jutiklį žinomu fotonų skaičiumi tam tikrame bangos ilgyje ir tada suskaičiuojant jutiklio generuojamų elektronų skaičių. Tai paprastai atliekama naudojant kalibruotą monochromatinį šviesos šaltinį ir etaloninį fotodiodą. Gauta QE vertė yra braižoma pagal bangos ilgius, kad būtų sukurta QE kreivė. Tai padeda nustatyti jutiklio spektrinį atsaką, kuris yra labai svarbus norint suderinti kamerą su jūsų taikymo šviesos šaltiniu arba emisijos diapazonu.
Ar programinė įranga ar išoriniai filtrai gali pagerinti kvantinį efektyvumą?
Ne. Kvantinis efektyvumas yra vidinė, aparatinės įrangos lygio vaizdo jutiklio savybė ir negali būti pakeista programine įranga ar išoriniais priedais. Tačiau filtrai gali pagerinti bendrą vaizdo kokybę, padidindami signalo ir triukšmo santykį (pvz., naudojant emisijos filtrus fluorescencijos taikymuose), o programinė įranga gali padėti sumažinti triukšmą arba atlikti papildomą apdorojimą. Vis dėlto, tai nekeičia pačios kvantinio efektyvumo vertės.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
