25.08.15.Zinātniskajā attēlveidošanā precizitāte ir vissvarīgākā. Neatkarīgi no tā, vai tverat fluorescences signālus vājā apgaismojumā vai izsekojat vājus debess objektus, kameras spēja noteikt gaismu tieši ietekmē rezultātu kvalitāti. Viens no kritiskākajiem, bet bieži vien pārprastajiem faktoriem šajā vienādojumā ir kvantu efektivitāte (QE).
Šajā rokasgrāmatā ir sniegta informācija par QE (kvantētā elementa) būtību, tās nozīmi, specifikāciju interpretāciju un tās salīdzinājumu dažādu veidu sensoriem. Ja meklējat QE,zinātniskā kameravai vienkārši mēģināt izprast kameru datu lapas, šis raksts ir domāts jums.
Attēls: Tucsen tipisko kameru QE līknes piemēri
(a)Auns 6510(b)Dhjana 6060BSI(c)Svari 22
Kas ir kvantu efektivitāte?
Kvantu efektivitāte ir varbūtība, ka fotons, kas sasniedz kameras sensoru, faktiski tiek atklāts un atbrīvo fotoelektronu silīcijā.
Vairākos fotona ceļojuma uz šo punktu posmos pastāv barjeras, kas var absorbēt fotonus vai tos atstarot. Turklāt neviens materiāls nav 100% caurspīdīgs visiem fotonu viļņu garumiem, un jebkādas izmaiņas materiāla sastāvā var atstarot vai izkliedēt fotonus.
Izteikta procentos, kvantu efektivitāte ir definēta kā:
QE (%) = (ģenerēto elektronu skaits / ienākošo fotonu skaits) × 100
Ir divi galvenie veidi:
●Ārējā kvantitatīvā mīkstināšanaIzmērītā veiktspēja, tostarp tādi efekti kā atstarošanās un pārraides zudumi.
●Iekšējā kvantitatīvā mīkstināšanaMēra konversijas efektivitāti pašā sensorā, pieņemot, ka visi fotoni ir absorbēti.
Augstāks QE nozīmē labāku gaismas jutību un spēcīgākus attēla signālus, īpaši vāja apgaismojuma vai fotonu ierobežotas iedarbības apstākļos.
Kāpēc kvantu efektivitāte ir svarīga zinātniskajās kamerās?
Attēlveidošanā vienmēr ir noderīgi uztvert pēc iespējas lielāku ienākošo fotonu procentuālo daudzumu, īpaši lietojumos, kuros nepieciešama augsta jutība.
Tomēr augstas kvantu efektivitātes sensori mēdz būt dārgāki. Tas ir saistīts ar inženiertehnisko izaicinājumu maksimizēt aizpildījuma koeficientu, vienlaikus saglabājot pikseļu funkciju, kā arī ar fona apgaismojuma procesu. Šis process, kā jūs uzzināsiet, nodrošina visaugstāko kvantu efektivitāti, taču tas ir ievērojami sarežģīts ražošanā.
Tāpat kā visām kameru specifikācijām, kvantu efektivitātes nepieciešamība vienmēr ir jāsalīdzina ar citiem faktoriem jūsu konkrētajā attēlveidošanas lietojumprogrammā. Piemēram, globālā slēdža ieviešana var sniegt priekšrocības daudzās lietojumprogrammās, taču to parasti nevar ieviest BI sensorā. Turklāt tas prasa pievienot papildu tranzistoru pikselim. Tas var samazināt aizpildījuma koeficientu un līdz ar to kvantu efektivitāti pat salīdzinājumā ar citiem FI sensoriem.
Piemēri lietojumiem, kuros QE var būt svarīga
Daži piemēri lietojumprogrammām:
● Nefiksētu bioloģisko paraugu attēlveidošana vājā apgaismojumā un fluorescences apstākļos
● Ātrdarbīga attēlveidošana
● Kvantitatīvi pielietojumi, kuriem nepieciešami augstas precizitātes intensitātes mērījumi
QE pēc sensora tipa
Dažādām attēlu sensoru tehnoloģijām ir atšķirīga kvantu efektivitāte. Lūk, kā QE parasti salīdzināma starp galvenajiem sensoru veidiem:
CCD (lādiņsaistes ierīce)
Tradicionāli iecienīta zinātniskā attēlveidošana to zemā trokšņa un augstā kvantifikācijas koeficienta (QE) dēļ, kas bieži vien sasniedz 70–90 %. CCD elementi lieliski izceļas tādās jomās kā astronomija un ilgstošas ekspozīcijas attēlveidošana.
CMOS (komplementārais metāla oksīda pusvadītājs)
Kādreiz ierobežojumus zemāka QE un lielāks lasīšanas troksnis radīja, mūsdienu CMOS sensori, īpaši ar aizmugurgaismojumu, ir ievērojami panākuši. Daudzi tagad sasniedz maksimālās QE vērtības virs 80%, piedāvājot izcilu veiktspēju ar ātrāku kadru ātrumu un zemāku enerģijas patēriņu.
Iepazīstieties ar mūsu moderno klāstuCMOS kameramodeļus, lai redzētu, cik tālu šī tehnoloģija ir attīstījusies, piemēram,Tucsen Libra 3405M sCMOS kamera, augstas jutības zinātniskā kamera, kas paredzēta sarežģītiem lietojumiem vājā apgaismojumā.
sCMOS (zinātniskā CMOS)
Specializēta CMOS klase, kas paredzēta zinātniskai attēlveidošanai,sCMOS kameraTehnoloģija apvieno augstu kvantitātes koeficientu (parasti 70–95 %) ar zemu trokšņu līmeni, plašu dinamisko diapazonu un ātru datu iegūšanu. Ideāli piemērota dzīvu šūnu attēlveidošanai, ātrdarbīgai mikroskopijai un daudzkanālu fluorescencei.
Kā nolasīt kvantu efektivitātes līkni
Ražotāji parasti publicē QE līkni, kas attēlo efektivitāti (%) dažādos viļņu garumos (nm). Šīs līknes ir būtiskas, lai noteiktu kameras darbību noteiktos spektra diapazonos.
Galvenie elementi, kas jāmeklē:
●Maksimālā kvantitatīvā mīkstināšanaMaksimālā efektivitāte, bieži vien 500–600 nm diapazonā (zaļā gaisma).
●Viļņu garuma diapazonsIzmantojamais spektra logs, kurā QE saglabājas virs noderīgas robežvērtības (piemēram, >20%).
●Izkāpšanas zonasQE mēdz kristies UV (<400 nm) un NIR (>800 nm) apgabalos.
Šīs līknes interpretācija palīdz saskaņot sensora stiprās puses ar jūsu lietojumu neatkarīgi no tā, vai attēlveidojat redzamajā spektrā, tuvajā infrasarkanajā vai UV spektrā.
Kvantu efektivitātes viļņa garuma atkarība
Attēls: QE līkne, kas parāda tipiskas vērtības priekšpusē un aizmugurē apgaismotiem silīcija sensoriem
PIEZĪMEGrafikā parādīta fotonu noteikšanas varbūtība (kvantu efektivitāte, %) atkarībā no fotonu viļņa garuma četrām kameru piemēra iespējām. Dažādi sensoru varianti un pārklājumi var ievērojami mainīt šīs līknes.
Kvantu efektivitāte ir ļoti atkarīga no viļņa garuma, kā parādīts attēlā. Lielākā daļa uz silīcija bāzes veidoto kameru sensoru savu maksimālo kvantu efektivitāti uzrāda spektra redzamajā daļā, visbiežāk zaļajā līdz dzeltenajā apgabalā, no aptuveni 490 nm līdz 600 nm. Kvantu efektivitātes līknes var modificēt, izmantojot sensoru pārklājumus un materiālu variantus, lai nodrošinātu maksimālo kvantu efektivitāti aptuveni 300 nm ultravioletajā (UV) diapazonā, aptuveni 850 nm tuvajā infrasarkanajā (NIR) diapazonā un daudzās citās alternatīvās vietās.
Visām uz silīcija bāzes veidotajām kamerām kvantu efektivitāte samazinās, tuvojoties 1100 nm viļņu rādiusam, kur fotoniem vairs nav pietiekami daudz enerģijas, lai atbrīvotu fotoelektronus. UV veiktspēja var būt ievērojami ierobežota sensoros ar mikrolēcām vai UV bloķējošu logu stiklu, kas ierobežo īsviļņu gaismas nonākšanu sensorā.
Starp tiem QE līknes reti ir gludas un vienmērīgas, un tā vietā bieži vien ietver nelielus pīķus un ieplakas, ko izraisa dažādas materiāla īpašības un pikseli veidojošo materiālu caurspīdīgums.
Lietojumos, kuros nepieciešama UV vai NIR jutība, kvantu efektivitātes līkņu ņemšana vērā var kļūt daudz svarīgāka, jo dažās kamerās kvantu efektivitāte var būt daudzkārt lielāka nekā citās līknes galējos galos.
Rentgena jutība
Daži silīcija kameru sensori var darboties spektra redzamās gaismas daļā, vienlaikus spējot noteikt arī dažus rentgenstaru viļņu garumus. Tomēr kamerām parasti ir nepieciešama īpaša inženierija, lai tiktu galā gan ar rentgenstaru ietekmi uz kameras elektroniku, gan ar vakuuma kamerām, ko parasti izmanto rentgenstaru eksperimentos.
Infrasarkanās kameras
Visbeidzot, sensori, kuru pamatā nav silīcijs, bet gan citi materiāli, var uzrādīt pilnīgi atšķirīgas QE līknes. Piemēram, InGaAs infrasarkanās kameras, kuru pamatā ir indija gallija arsenīds silīcija vietā, var noteikt plašu viļņu garuma diapazonu tuvajā infrasarkanajā spektrā (NIR), līdz pat aptuveni 2700 nm, atkarībā no sensora varianta.
Kvantu efektivitāte salīdzinājumā ar citām kameru specifikācijām
Kvantu efektivitāte ir galvenais veiktspējas rādītājs, taču tā nedarbojas izolēti. Lūk, kā tā ir saistīta ar citām svarīgām kameras specifikācijām:
Kvantifikācija pret jutīgumu
Jutība ir kameras spēja noteikt vājus signālus. Kvantents elements (QE) tieši ietekmē jutību, taču lomu spēlē arī citi faktori, piemēram, pikseļu izmērs, lasīšanas troksnis un tumšā strāva.
QE pret signāla un trokšņa attiecību (SNR)
Augstāks kvantitātes koeficients (QE) uzlabo signāla un trokšņa attiecību (SNR), ģenerējot vairāk signāla (elektronu) uz fotonu. Tomēr pārmērīgs troksnis sliktas elektronikas vai nepietiekamas dzesēšanas dēļ joprojām var pasliktināt attēlu.
QE pret dinamisko diapazonu
Lai gan kvantu ekvalitāte (QE) ietekmē to, cik daudz gaismas tiek uztverts, dinamiskais diapazons apraksta attiecību starp spilgtākajiem un tumšākajiem signāliem, ko kamera spēj apstrādāt. Kamera ar augstu kvantu ekvalitāti (QE) un sliktu dinamisko diapazonu joprojām var radīt zemas kvalitātes rezultātus augsta kontrasta ainās.
Īsāk sakot, kvantu efektivitāte ir kritiski svarīga, taču vienmēr to izvērtējiet kopā ar papildinošām specifikācijām.
Kas ir "laba" kvantu efektivitāte?
Nav universāla "labākā" kvantitatīvā novērtējuma (QE) — tas ir atkarīgs no jūsu pielietojuma. Tomēr šeit ir vispārīgi kritēriji:
| QE diapazons | Veiktspējas līmenis | Lietošanas gadījumi |
| <40% | Zems | Nav piemērots zinātniskai lietošanai |
| 40–60% | Vidēji | Iesācēja līmeņa zinātniskās lietojumprogrammas |
| 60–80% | Labi | Piemērots lielākajai daļai attēlveidošanas uzdevumu |
| 80–95% | Lieliski | Vāja apgaismojuma, augstas precizitātes vai fotonu ierobežotas attēlveidošanas |
Tāpat apsveriet maksimālā QE un vidējā QE salīdzinājumu vēlamajā spektra diapazonā.
Secinājums
Kvantu efektivitāte ir viens no svarīgākajiem, tomēr neievērotajiem faktoriem zinātniskās attēlveidošanas ierīces izvēlē. Neatkarīgi no tā, vai vērtējat CCD, sCMOS kameras vai CMOS kameras, kvantitatīvās efektivitātes izpratne palīdz jums:
● Paredzēt, kā jūsu kamera darbosies reālos apgaismojuma apstākļos
● Salīdziniet produktus objektīvi, pārsniedzot mārketinga apgalvojumus
● Pielāgojiet kameras specifikācijas savām zinātniskajām prasībām
Attīstoties sensoru tehnoloģijām, mūsdienu augstas kvantu efektivitātes zinātniskās kameras piedāvā ievērojamu jutību un daudzpusību dažādās lietojumprogrammās. Taču neatkarīgi no aparatūras attīstības, pareizā rīka izvēle sākas ar izpratni par to, kā kvantu efektivitāte iederas plašākā ainā.
Bieži uzdotie jautājumi
Vai augstāka kvantu efektivitāte vienmēr ir labāka zinātniskā kamerā?
Augstāka kvantu efektivitāte (QE) parasti uzlabo kameras spēju noteikt zemu gaismas līmeni, kas ir vērtīgi tādās lietojumprogrammās kā fluorescences mikroskopija, astronomija un vienas molekulas attēlveidošana. Tomēr QE ir tikai viena daļa no līdzsvarota veiktspējas profila. Kamera ar augstu QE, bet ar sliktu dinamisko diapazonu, augstu lasīšanas troksni vai nepietiekamu dzesēšanu joprojām var sniegt neoptimālus rezultātus. Lai sasniegtu vislabāko veiktspēju, vienmēr novērtējiet QE kombinācijā ar citām galvenajām specifikācijām, piemēram, troksni, bitu dziļumu un sensoru arhitektūru.
Kā tiek mērīta kvantu efektivitāte?
Kvantu efektivitāti mēra, apgaismojot sensoru ar zināmu fotonu skaitu noteiktā viļņa garumā un pēc tam saskaitot sensora ģenerēto elektronu skaitu. To parasti veic, izmantojot kalibrētu monohromatisku gaismas avotu un atsauces fotodiodi. Iegūtā QE vērtība tiek attēlota dažādos viļņu garumos, lai izveidotu QE līkni. Tas palīdz noteikt sensora spektrālo reakciju, kas ir kritiski svarīga kameras saskaņošanai ar jūsu lietojumprogrammas gaismas avotu vai emisijas diapazonu.
Vai programmatūra vai ārējie filtri var uzlabot kvantu efektivitāti?
Nē. Kvantu efektivitāte ir attēla sensora iekšēja, aparatūras līmeņa īpašība, un to nevar mainīt programmatūra vai ārēji piederumi. Tomēr filtri var uzlabot kopējo attēla kvalitāti, uzlabojot signāla un trokšņa attiecību (piemēram, izmantojot emisijas filtrus fluorescences lietojumprogrammās), un programmatūra var palīdzēt trokšņu samazināšanā vai pēcapstrādē. Tomēr tie nemaina pašu kvantu efektivitātes vērtību.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
