25/08/15Во научното снимање, прецизноста е сè. Без разлика дали снимате флуоресцентни сигнали при слаба светлина или следите бледи небесни објекти, способноста на вашиот фотоапарат да детектира светлина директно влијае на квалитетот на вашите резултати. Еден од најкритичните, но честопати погрешно разбрани, фактори во оваа равенка е квантната ефикасност (QE).
Ова упатство ќе ве води низ тоа што е QE, зошто е важно, како да се толкуваат спецификациите на QE и како се споредува со различни типови сензори. Ако сте на пазарот занаучна камераили само се обидувате да разберете технички листови за фотоапарати, ова е за вас.
Слика: Типични примери за крива на QE на камерата во Тусен
(а)Овен 6510(б)Дјана 6060BSI(в)Вага 22
Што е квантна ефикасност?
Квантната ефикасност е веројатноста фотонот што ќе стигне до сензорот на камерата всушност да биде детектиран и да ослободи фотоелектрон во силиконот.
Во повеќе фази од патувањето на фотонот кон оваа точка, постојат бариери што можат да апсорбираат фотони или да ги рефлектираат. Дополнително, ниеден материјал не е 100% транспарентен за секоја бранова должина на фотонот, плус сите промени во составот на материјалот имаат можност да рефлектираат или расејуваат фотони.
Изразена како процент, квантната ефикасност е дефинирана како:
QE (%) = (Број на генерирани електрони / Број на инцидентни фотони) × 100
Постојат два главни типа:
●Надворешно квантитативно олеснувањеИзмерени перформанси, вклучувајќи ефекти како што се загуби на рефлексија и пренос.
●Внатрешен квалитативен ефектЈа мери ефикасноста на конверзијата во самиот сензор, претпоставувајќи дека сите фотони се апсорбирани.
Повисокиот QE значи подобра чувствителност на светлина и посилни сигнали на сликата, особено во сценарија со слаба осветленост или ограничени фотони.
Зошто квантната ефикасност е важна кај научните камери?
При снимањето, секогаш е корисно да се фати највисокиот можен процент на дојдовни фотони, особено во апликации кои бараат висока чувствителност.
Сепак, сензорите со висока квантна ефикасност имаат тенденција да бидат поскапи. Ова се должи на инженерскиот предизвик за максимизирање на факторот на полнење, а воедно и на одржувањето на функцијата на пикселите, а исто така и на процесот на задно осветлување. Овој процес, како што ќе научите, овозможува највисока квантна ефикасност - но доаѓа со значително зголемена комплексност на производството.
Како и сите спецификации на фотоапаратите, потребата за квантна ефикасност секогаш мора да се спореди со други фактори за вашата специфична апликација за снимање. На пример, воведувањето на глобален затворач може да донесе предности за многу апликации, но обично не може да се имплементира на BI сензор. Понатаму, тоа бара додавање на дополнителен транзистор на пикселот. Ова може да го намали факторот на полнење, а со тоа и квантната ефикасност, дури и во споредба со другите FI сензори.
Примери за апликации каде што квантитетот може да биде важен
Неколку примерни апликации:
● Снимање со слаба светлина и флуоресценција на нефиксирани биолошки примероци
● Снимање со голема брзина
● Квантитативни апликации што бараат мерења на интензитет со голема прецизност
QE по тип на сензор
Различните технологии на сензори за слика покажуваат различна квантна ефикасност. Еве како обично се споредува QE кај главните типови сензори:
CCD (Уред поврзан со полнење)
Традиционално се претпочита научно снимање поради нивниот низок шум и висок QE, често достигнувајќи врв помеѓу 70–90%. CCD-ата се одлични во апликации како што се астрономијата и снимањето со долга експозиција.
CMOS (комплементарен метал-оксид-полупроводник)
Некогаш ограничени од понизок QE и поголем шум за читање, современите CMOS сензори - особено дизајните со задно осветлување - значително го надминаа тоа. Многумина сега достигнуваат врвни QE вредности над 80%, нудејќи одлични перформанси со побрзи стапки на слики и помала потрошувачка на енергија.
Истражете ја нашата понуда на напредниCMOS камерамодели за да се види до каде стигнала оваа технологија, како на примерsCMOS камерата Libra 3405M од Тусен, научна камера со висока чувствителност дизајнирана за апликации со високи барања при слаба осветленост.
sCMOS (Научен CMOS)
Специјализирана класа на CMOS дизајнирана за научно снимање,sCMOS камераТехнологијата комбинира висок QE (обично 70–95%) со низок шум, висок динамички опсег и брза аквизиција. Идеална за снимање на живи клетки, микроскопија со голема брзина и повеќеканална флуоресценција.
Како да се прочита крива на квантна ефикасност
Производителите обично објавуваат QE крива што ја прикажува ефикасноста (%) низ бранови должини (nm). Овие криви се неопходни за да се утврди како камерата работи во специфични спектрални опсези.
Клучни елементи што треба да ги барате:
●Врвен квантитативен ефектМаксимална ефикасност, често во опсегот од 500–600 nm (зелено светло).
●Опсег на бранова должина: Употребливиот спектрален прозорец каде што QE останува над корисен праг (на пр., >20%).
●Зони за спуштањеQE има тенденција да опаѓа во UV (<400 nm) и NIR (>800 nm) регионите.
Интерпретацијата на оваа крива ви помага да ги усогласите силните страни на сензорот со вашата апликација, без разлика дали снимате во видливиот спектар, близу инфрацрвениот или УВ-зракот.
Зависност од брановата должина на квантната ефикасност
Слика: QE крива што ги прикажува типичните вредности за сензори базирани на силикон со предно и задно осветлување
ЗАБЕЛЕШКАГрафиконот ја покажува веројатноста за детекција на фотони (квантна ефикасност, %) во однос на брановата должина на фотоните за четири примерни камери. Различните варијанти на сензори и облоги можат драматично да ги поместат овие криви.
Квантната ефикасност е во голема мера зависна од брановата должина, како што е прикажано на сликата. Поголемиот дел од сензорите за камери базирани на силициум ја покажуваат својата врвна квантна ефикасност во видливиот дел од спектарот, најчесто во зелено-жолтиот регион, од околу 490nm до 600nm. Кривите на QE можат да се модифицираат преку премази на сензори и варијанти на материјали за да се обезбеди врвна QE околу 300nm во ултравиолетовото (UV), околу 850nm во близок инфрацрвен (NIR) спектар, како и многу опции помеѓу нив.
Сите камери базирани на силициум покажуваат пад на квантната ефикасност кон 1100 nm, на кој фотоните повеќе немаат доволно енергија за да ослободат фотоелектрони. УВ-перформансите можат да бидат сериозно ограничени кај сензорите со микролеќи или прозорско стакло што блокира УВ зрачење, што ја ограничува светлината со кратка бранова должина да стигне до сензорот.
Помеѓу нив, QE кривите ретко се мазни и рамномерни, и наместо тоа често вклучуваат мали врвови и вдлабнатини предизвикани од различните својства на материјалите и транспарентноста на материјалите од кои е составен пикселот.
Во апликации што бараат UV или NIR чувствителност, разгледувањето на кривите на квантната ефикасност може да стане многу поважно, бидејќи кај некои камери квантната ефикасност може да биде многу пати поголема од другите на екстремните краеви на кривата.
Рентгенска чувствителност
Некои сензори на силиконски камери можат да работат во делот од спектарот на видливата светлина, а воедно се способни да детектираат и некои бранови должини на Х-зраци. Сепак, камерите обично бараат специфично инженерство за да се справат и со влијанието на Х-зраците врз електрониката на камерата и со вакуумските комори што генерално се користат за експерименти со Х-зраци.
Инфрацрвени камери
Конечно, сензорите базирани не на силициум, туку на други материјали можат да покажат сосема различни QE криви. На пример, инфрацрвените камери од InGaAs, базирани на индиум галиум арсенид наместо силициум, можат да детектираат широк опсег на бранови должини во NIR, до максимум од околу 2700 nm, во зависност од варијантата на сензорот.
Квантна ефикасност наспроти други спецификации на камерата
Квантната ефикасност е клучна метрика за перформанси, но не функционира изолирано. Еве како се поврзува со други важни спецификации на фотоапаратите:
QE наспроти чувствителност
Чувствителноста е способноста на камерата да детектира слаби сигнали. QE директно придонесува за чувствителноста, но и други фактори како што се големината на пикселите, шумот при читање и темната струја исто така играат улога.
QE наспроти однос сигнал-шум (SNR)
Повисокиот QE го подобрува SNR со генерирање повеќе сигнали (електрони) по фотон. Но, прекумерниот шум, поради лоша електроника или несоодветно ладење, сепак може да ја деградира сликата.
QE наспроти динамички опсег
Иако QE влијае на тоа колку светлина се детектира, динамичкиот опсег го опишува односот помеѓу најсветлите и најтемните сигнали што камерата може да ги обработи. Камера со висок QE и слаб динамички опсег сепак може да произведе лоши резултати во сцени со висок контраст.
На кратко, квантната ефикасност е клучна, но секогаш оценувајте ја заедно со комплементарните спецификации.
Што е „добра“ квантна ефикасност?
Не постои универзално „најдобро“ квантитативно олеснување - тоа зависи од вашата апликација. Сепак, еве општи критериуми:
| Опсег на квантитативно олеснување | Ниво на перформанси | Случаи на употреба |
| <40% | Ниско | Не е идеално за научна употреба |
| 40–60% | Просек | Научни апликации за почетници |
| 60–80% | Добро | Погодно за повеќето задачи за снимање |
| 80–95% | Одлично | Сликање со слаба осветленост, висока прецизност или ограничено со фотони |
Исто така, земете го предвид врвниот QE наспроти просечниот QE низ посакуваниот спектрален опсег.
Заклучок
Квантната ефикасност е еден од најважните, но сепак занемарени фактори при избор на уред за научно снимање. Без разлика дали оценувате CCD, sCMOS или CMOS камери, разбирањето на QE ви помага:
● Предвидете како ќе функционира вашиот фотоапарат во услови на осветлување во реалниот свет
● Споредете ги производите објективно надвор од маркетиншките тврдења
● Усогласете ги спецификациите на камерата со вашите научни барања
Со напредокот на технологијата на сензорите, денешните научни камери со висок QE нудат извонредна чувствителност и разновидност во различни апликации. Но, без разлика колку е напреден хардверот, изборот на вистинската алатка започнува со разбирање како квантната ефикасност се вклопува во пошироката слика.
Најчесто поставувани прашања
Дали повисоката квантна ефикасност е секогаш подобра кај научната камера?
Повисоката квантна ефикасност (QE) генерално ја подобрува способноста на камерата да детектира ниски нивоа на светлина, што е вредно во апликации како што се флуоресцентна микроскопија, астрономија и снимање со еден молекул. Сепак, QE е само еден дел од избалансиран профил на перформанси. Камера со висок QE со слаб динамички опсег, висок шум за читање или недоволно ладење сепак може да испорача неоптимални резултати. За најдобри перформанси, секогаш оценувајте го QE во комбинација со други клучни спецификации како што се шум, длабочина на битови и архитектура на сензорот.
Како се мери квантната ефикасност?
Квантната ефикасност се мери со осветлување на сензор со познат број фотони на одредена бранова должина, а потоа броење на бројот на електрони генерирани од сензорот. Ова обично се прави со користење на калибриран монохроматски извор на светлина и референтна фотодиода. Добиената QE вредност се прикажува графички на бранови должини за да се создаде QE крива. Ова помага да се одреди спектралниот одговор на сензорот, што е клучно за усогласување на камерата со изворот на светлина или опсегот на емисија на вашата апликација.
Дали софтверот или надворешните филтри можат да ја подобрат квантната ефикасност?
Не. Квантната ефикасност е вродено својство на сензорот за слика на хардверско ниво и не може да се менува со софтвер или надворешни додатоци. Сепак, филтрите можат да го подобрат целокупниот квалитет на сликата со подобрување на односот сигнал-шум (на пр., користење на филтри за емисија во флуоресцентни апликации), а софтверот може да помогне со намалување на шумот или пост-обработка. Сепак, овие не ја менуваат самата вредност на QE.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
