25/08/15I vitenskapelig avbildning er presisjon alt. Enten du fanger opp fluorescenssignaler i svakt lys eller sporer svake himmellegemer, påvirker kameraets evne til å oppdage lys direkte kvaliteten på resultatene. En av de viktigste, men ofte misforståtte, faktorene i denne ligningen er kvanteeffektivitet (QE).
Denne veiledningen vil gå gjennom hva QE er, hvorfor det er viktig, hvordan du tolker QE-spesifikasjoner og hvordan det er sammenlignet på tvers av sensortyper. Hvis du er på markedet for envitenskapelig kameraeller bare prøver å forstå kameradatablader, er dette for deg.
Figur: Eksempler på typiske QE-kurver for Tucsen-kameraer
(en)Væren 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vekten 22
Hva er kvanteeffektivitet?
Kvanteeffektivitet er sannsynligheten for at et foton som når kamerasensoren faktisk blir oppdaget og frigjør et fotoelektron i silisiumet.
På flere stadier i fotonets reise mot dette punktet finnes det barrierer som kan absorbere fotoner eller reflektere dem bort. I tillegg er intet materiale 100 % gjennomsiktig for alle fotonbølgelengder, og eventuelle endringer i materialsammensetningen har en sjanse til å reflektere eller spre fotoner.
Uttrykt som en prosentandel, er kvanteeffektivitet definert som:
QE (%) = (Antall genererte elektroner / Antall innfallende fotoner) × 100
Det finnes to hovedtyper:
●Ekstern kvantitativ lettelseMålt ytelse inkludert effekter som refleksjon og transmisjonstap.
●Intern kvantitativ endringMåler konverteringseffektiviteten i selve sensoren, forutsatt at alle fotoner absorberes.
Høyere QE betyr bedre lysfølsomhet og sterkere bildesignaler, spesielt i scenarier med lite lys eller fotonbegrensede bilder.
Hvorfor spiller kvanteeffektivitet en rolle i vitenskapelige kameraer?
I avbildning er det alltid nyttig å fange opp den høyeste prosentandelen av innkommende fotoner som mulig, spesielt i applikasjoner som krever høy følsomhet.
Sensorer med høy kvanteeffektivitet har imidlertid en tendens til å være dyrere. Dette skyldes den tekniske utfordringen med å maksimere fyllfaktoren samtidig som pikselfunksjonen opprettholdes, og også på grunn av bakgrunnsbelysningsprosessen. Denne prosessen, som du vil lære, muliggjør den høyeste kvanteeffektiviteten – men den kommer med betydelig økt produksjonskompleksitet.
Som alle kameraspesifikasjoner må behovet for kvanteeffektivitet alltid veies mot andre faktorer for din spesifikke bildebehandlingsapplikasjon. For eksempel kan det å innføre en global lukker gi fordeler for mange applikasjoner, men kan vanligvis ikke implementeres på en BI-sensor. Videre krever det tillegg av en ekstra transistor til pikselet. Dette kan redusere fyllfaktoren og dermed kvanteeffektiviteten, selv sammenlignet med andre FI-sensorer.
Eksempelapplikasjoner der QE kan være viktig
Noen eksempler på bruksområder:
● Avbildning av ikke-fikserte biologiske prøver ved lavt lys og fluorescens
● Høyhastighetsavbildning
● Kvantitative applikasjoner som krever høypresisjonsintensitetsmålinger
QE etter sensortype
Ulike bildesensorteknologier viser ulik kvanteeffektivitet. Slik sammenlignes kvantemessig energi vanligvis på tvers av de viktigste sensortypene:
CCD (ladningskoblet enhet)
Tradisjonelt foretrakk de vitenskapelige avbildningene på grunn av lavt støynivå og høy QE, ofte med en topp på mellom 70 og 90 %. CCD-er utmerker seg i bruksområder som astronomi og avbildning med lang eksponering.
CMOS (komplementær metalloksid-halvleder)
Moderne CMOS-sensorer – spesielt bakbelyste design – som en gang var begrenset av lavere QE og høyere lesestøy, har nå tatt igjen betydelig. Mange når nå topp QE-verdier over 80 %, og tilbyr utmerket ytelse med raskere bildefrekvenser og lavere strømforbruk.
Utforsk vårt utvalg av avanserteCMOS-kameramodeller for å se hvor langt denne teknologien har kommet, somTucsens Libra 3405M sCMOS-kamera, et vitenskapelig kamera med høy følsomhet designet for krevende applikasjoner i svakt lys.
sCMOS (vitenskapelig CMOS)
En spesialisert klasse CMOS designet for vitenskapelig avbildning,sCMOS-kameraTeknologien kombinerer høy QE (vanligvis 70–95 %) med lav støy, høyt dynamisk område og rask opptak. Ideell for levende celleavbildning, høyhastighetsmikroskopi og flerkanals fluorescens.
Slik leser du en kvanteeffektivitetskurve
Produsenter publiserer vanligvis en QE-kurve som plotter effektivitet (%) på tvers av bølgelengder (nm). Disse kurvene er viktige for å bestemme hvordan et kamera yter i bestemte spektralområder.
Viktige elementer å se etter:
●Topp QEMaksimal effektivitet, ofte i området 500–600 nm (grønt lys).
●Bølgelengdeområde: Det brukbare spektralvinduet der QE forblir over en nyttig terskel (f.eks. >20 %).
●AvleveringssonerQE har en tendens til å avta i UV- (<400 nm) og NIR- (>800 nm)-områdene.
Å tolke denne kurven hjelper deg med å matche sensorens styrker med applikasjonen din, enten du avbilder i det synlige spekteret, nær-infrarødt eller UV.
Bølgelengdeavhengighet av kvanteeffektivitet
Figur: QE-kurve som viser typiske verdier for silisiumbaserte sensorer med front- og bakbelysning
NOTEGrafen viser sannsynligheten for fotondeteksjon (kvanteeffektivitet, %) versus fotonbølgelengde for fire eksempelkameraer. Ulike sensorvarianter og belegg kan endre disse kurvene dramatisk.
Kvanteeffektivitet er sterkt bølgelengdeavhengig, som vist i figuren. De fleste silisiumbaserte kamerasensorer viser sin maksimale kvanteeffektivitet i den synlige delen av spekteret, vanligvis i det grønne til gule området, fra rundt 490 nm til 600 nm. QE-kurver kan modifiseres gjennom sensorbelegg og materialvarianter for å gi topp QE rundt 300 nm i ultrafiolett (UV), rundt 850 nm i nær infrarødt (NIR), og mange alternativer derimellom.
Alle silisiumbaserte kameraer viser en nedgang i kvanteeffektivitet mot 1100 nm, der fotoner ikke lenger har nok energi til å frigjøre fotoelektroner. UV-ytelsen kan være sterkt begrenset i sensorer med mikrolinser eller UV-blokkerende vindusglass, som hindrer kortbølget lys fra å nå sensoren.
Innimellom er QE-kurver sjelden glatte og jevne, og inkluderer i stedet ofte små topper og bunner forårsaket av de forskjellige materialegenskapene og gjennomsiktighetene til materialene pikselen er sammensatt av.
I applikasjoner som krever UV- eller NIR-følsomhet, kan det bli mye viktigere å vurdere kvanteeffektivitetskurver, ettersom kvanteeffektiviteten i noen kameraer kan være mange ganger større enn andre i de ekstreme endene av kurven.
Røntgenfølsomhet
Noen silisiumkamerasensorer kan operere i den synlige lysdelen av spekteret, samtidig som de er i stand til å oppdage enkelte bølgelengder av røntgenstråler. Kameraer krever imidlertid vanligvis spesifikk konstruksjon for å håndtere både røntgenstrålers påvirkning på kameraelektronikk og vakuumkamrene som vanligvis brukes til røntgeneksperimenter.
Infrarøde kameraer
Til slutt kan sensorer som ikke er basert på silisium, men på andre materialer, vise helt forskjellige QE-kurver. For eksempel kan InGaAs infrarøde kameraer, basert på indium-gallium-arsenid i stedet for silisium, oppdage brede bølgelengdeområder i NIR, opptil maksimalt rundt 2700 nm, avhengig av sensorvarianten.
Kvanteeffektivitet vs. andre kameraspesifikasjoner
Kvanteeffektivitet er en viktig ytelsesmåling, men den fungerer ikke isolert. Slik forholder den seg til andre viktige kameraspesifikasjoner:
QE vs. sensitivitet
Følsomhet er kameraets evne til å oppdage svake signaler. QE bidrar direkte til følsomheten, men andre faktorer som pikselstørrelse, lesestøy og mørk strøm spiller også en rolle.
QE vs. signal-til-støy-forhold (SNR)
En høyere QE forbedrer signal-støyforholdet (SNR) ved å generere flere signaler (elektroner) per foton. Men overdreven støy, på grunn av dårlig elektronikk eller utilstrekkelig kjøling, kan fortsatt forringe bildet.
QE vs. dynamisk område
Selv om QE påvirker hvor mye lys som oppdages, beskriver dynamisk rekkevidde forholdet mellom de lyseste og mørkeste signalene kameraet kan håndtere. Et kamera med høy QE og dårlig dynamisk rekkevidde kan fortsatt gi dårlige resultater i scener med høy kontrast.
Kort sagt, kvanteeffektivitet er kritisk, men vurder den alltid sammen med komplementære spesifikasjoner.
Hva er en "god" kvanteeffektivitet?
Det finnes ingen universell «beste» kvantitativ estimat – det avhenger av applikasjonen din. Når det er sagt, er her generelle referansepunkter:
| QE-serien | Ytelsesnivå | Brukstilfeller |
| <40 % | Lav | Ikke ideelt for vitenskapelig bruk |
| 40–60 % | Gjennomsnittlig | Vitenskapelige applikasjoner på inngangsnivå |
| 60–80 % | God | Passer for de fleste bildebehandlingsoppgaver |
| 80–95 % | Glimrende | Avbildning i svakt lys, høy presisjon eller fotonbegrenset |
Vurder også topp QE kontra gjennomsnittlig QE over det ønskede spektralområdet.
Konklusjon
Kvanteeffektivitet er en av de viktigste, men oversette, faktorene når man velger en vitenskapelig bildebehandlingsenhet. Enten du evaluerer CCD-er, sCMOS-kameraer eller CMOS-kameraer, hjelper forståelse av kvanteeffektivitet deg med å:
● Forutsi hvordan kameraet ditt vil yte under reelle lysforhold
● Sammenlign produkter objektivt utover markedsføringspåstander
● Tilpass kameraspesifikasjonene til dine vitenskapelige krav
Etter hvert som sensorteknologien utvikler seg, tilbyr dagens vitenskapelige kameraer med høy kvanteeffektivitet bemerkelsesverdig følsomhet og allsidighet på tvers av ulike applikasjoner. Men uansett hvor avansert maskinvaren er, starter valg av riktig verktøy med å forstå hvordan kvanteeffektivitet passer inn i det større bildet.
Vanlige spørsmål
Er høyere kvanteeffektivitet alltid bedre i et vitenskapelig kamera?
Høyere kvanteeffektivitet (QE) forbedrer generelt et kameras evne til å oppdage lave lysnivåer, noe som er verdifullt i applikasjoner som fluorescensmikroskopi, astronomi og enkeltmolekylavbildning. QE er imidlertid bare én del av en balansert ytelsesprofil. Et kamera med høy QE, dårlig dynamisk område, høy lesestøy eller utilstrekkelig kjøling kan fortsatt gi suboptimale resultater. For best ytelse, vurder alltid QE i kombinasjon med andre viktige spesifikasjoner som støy, bitdybde og sensorarkitektur.
Hvordan måles kvanteeffektivitet?
Kvanteeffektivitet måles ved å belyse en sensor med et kjent antall fotoner ved en bestemt bølgelengde og deretter telle antall elektroner som genereres av sensoren. Dette gjøres vanligvis ved hjelp av en kalibrert monokromatisk lyskilde og en referansefotodiode. Den resulterende QE-verdien plottes over bølgelengder for å lage en QE-kurve. Dette bidrar til å bestemme sensorens spektrale respons, som er kritisk for å matche kameraet til applikasjonens lyskilde eller emisjonsområde.
Kan programvare eller eksterne filtre forbedre kvanteeffektiviteten?
Nei. Kvanteeffektivitet er en iboende egenskap på maskinvarenivå for bildesensoren og kan ikke endres av programvare eller eksternt tilbehør. Imidlertid kan filtre forbedre den generelle bildekvaliteten ved å forbedre signal-til-støy-forholdet (f.eks. bruk av emisjonsfiltre i fluorescensapplikasjoner), og programvare kan hjelpe med støyreduksjon eller etterbehandling. Disse endrer imidlertid ikke selve QE-verdien.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
