25.08.15W obrazowaniu naukowym precyzja jest kluczowa. Niezależnie od tego, czy rejestrujesz sygnały fluorescencji o słabym świetle, czy śledzisz słabe obiekty niebieskie, zdolność aparatu do wykrywania światła bezpośrednio wpływa na jakość wyników. Jednym z najważniejszych, ale często niezrozumianych, czynników w tym równaniu jest wydajność kwantowa (QE).
Ten przewodnik przeprowadzi Cię przez istotę QE, dlaczego jest tak ważne, jak interpretować specyfikacje QE i jak wypada w porównaniu z różnymi typami czujników. Jeśli szukasz…kamera naukowalub po prostu próbujesz zrozumieć arkusze danych aparatów fotograficznych, to jest coś dla Ciebie.
Rysunek: Przykłady typowych krzywych QE kamery Tucsen
(A)Baran 6510(B)Dhyana 6060BSI(C)Waga 22
Czym jest wydajność kwantowa?
Wydajność kwantowa to prawdopodobieństwo, że foton docierający do czujnika aparatu zostanie faktycznie wykryty i uwolni fotoelektron w krzemie.
Na wielu etapach podróży fotonu do tego punktu występują bariery, które mogą absorbować fotony lub je odbijać. Ponadto żaden materiał nie jest w 100% przezroczysty dla każdej długości fali fotonu, a ponadto wszelkie zmiany w składzie materiału mogą powodować odbicie lub rozproszenie fotonów.
Wyrażona w procentach wydajność kwantowa definiowana jest jako:
QE (%) = (Liczba wygenerowanych elektronów / Liczba padających fotonów) × 100
Istnieją dwa główne typy:
●Zewnętrzny QE:Zmierzona wydajność, w tym takie efekty jak odbicie i straty transmisji.
●Wewnętrzny QE: Mierzy wydajność konwersji w samym czujniku, przy założeniu, że wszystkie fotony są pochłaniane.
Wyższy współczynnik QE oznacza lepszą czułość na światło i silniejsze sygnały obrazu, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia lub ograniczonej liczby fotonów.
Dlaczego wydajność kwantowa ma znaczenie w kamerach naukowych?
W obrazowaniu zawsze pomocne jest uchwycenie jak największego odsetka padających fotonów, zwłaszcza w zastosowaniach wymagających dużej czułości.
Jednak czujniki o wysokiej wydajności kwantowej są zazwyczaj droższe. Wynika to z wyzwań inżynieryjnych związanych z maksymalizacją współczynnika wypełnienia przy jednoczesnym zachowaniu funkcji pikseli, a także z procesu podświetlania. Proces ten, jak się przekonasz, umożliwia osiągnięcie najwyższej wydajności kwantowej, ale wiąże się ze znacznie większą złożonością produkcji.
Podobnie jak w przypadku wszystkich specyfikacji kamer, zapotrzebowanie na wydajność kwantową należy zawsze rozważyć w kontekście innych czynników związanych z konkretnym zastosowaniem w obrazowaniu. Na przykład, wprowadzenie globalnej migawki może przynieść korzyści w wielu zastosowaniach, ale zazwyczaj nie jest możliwe w przypadku matrycy BI. Co więcej, wymaga ona dodania dodatkowego tranzystora do piksela. Może to zmniejszyć współczynnik wypełnienia, a tym samym wydajność kwantową, nawet w porównaniu z innymi matrycami FI.
Przykładowe zastosowania, w których QE może mieć znaczenie
Kilka przykładowych zastosowań:
● Obrazowanie w słabym świetle i fluorescencji nieutrwalonych próbek biologicznych
● Obrazowanie z dużą prędkością
● Zastosowania ilościowe wymagające pomiarów intensywności o wysokiej precyzji
QE według typu czujnika
Różne technologie czujników obrazu charakteryzują się różną wydajnością kwantową. Oto jak zazwyczaj wygląda QE w porównaniu z głównymi typami czujników:
CCD (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym)
Tradycyjnie preferowane w obrazowaniu naukowym ze względu na niski poziom szumów i wysoką kwantyfikację kwantową (QE), często osiągającą szczyt między 70 a 90%. Matryce CCD sprawdzają się doskonale w zastosowaniach takich jak astronomia i obrazowanie z długim czasem naświetlania.
CMOS (uzupełniający metal-tlenek-półprzewodnik)
Kiedyś ograniczone przez niższą wartość QE i wyższy poziom szumów odczytu, nowoczesne matryce CMOS – zwłaszcza te z tylnym podświetleniem – znacząco nadrobiły zaległości. Wiele z nich osiąga obecnie szczytowe wartości QE powyżej 80%, oferując doskonałą wydajność z wyższą liczbą klatek na sekundę i niższym zużyciem energii.
Poznaj naszą ofertę zaawansowanychKamera CMOSmodele, aby zobaczyć, jak daleko zaszła ta technologia, takie jakKamera sCMOS Libra 3405M firmy Tucsen, kamera naukowa o wysokiej czułości przeznaczona do wymagających zastosowań przy słabym oświetleniu.
sCMOS (naukowy CMOS)
Specjalistyczna klasa matryc CMOS przeznaczona do obrazowania naukowego,Kamera sCMOSTechnologia ta łączy wysoką sprawność kwantową (QE) (zwykle 70–95%) z niskim poziomem szumów, szerokim zakresem dynamiki i szybką akwizycją. Idealna do obrazowania żywych komórek, mikroskopii szybkiej i fluorescencji wielokanałowej.
Jak odczytać krzywą wydajności kwantowej
Producenci zazwyczaj publikują krzywą QE, która przedstawia wydajność (%) w różnych długościach fal (nm). Krzywe te są niezbędne do określenia, jak kamera zachowuje się w określonych zakresach widmowych.
Kluczowe elementy, na które należy zwrócić uwagę:
●Szczyt QE:Maksymalna wydajność, często w zakresie 500–600 nm (zielone światło).
●Zakres długości fali:Użyteczne okno widmowe, w którym QE pozostaje powyżej użytecznego progu (np. >20%).
●Strefy wysadzania:Efekt kwantowy ma tendencję do zaniku w obszarach UV (<400 nm) i NIR (>800 nm).
Interpretacja tej krzywej pomoże Ci dopasować mocne strony czujnika do Twojego zastosowania, niezależnie od tego, czy obrazujesz w paśmie widzialnym, bliskiej podczerwieni czy UV.
Zależność długości fali od wydajności kwantowej
Rysunek: Krzywa QE przedstawiająca typowe wartości dla podświetlanych z przodu i z tyłu czujników krzemowych
NOTATKAWykres przedstawia prawdopodobieństwo wykrycia fotonów (wydajność kwantowa, %) w funkcji długości fali fotonu dla czterech przykładowych kamer. Różne warianty czujników i powłoki mogą znacząco zmienić te krzywe.
Wydajność kwantowa jest silnie zależna od długości fali, jak pokazano na rysunku. Większość matryc aparatów fotograficznych na bazie krzemu wykazuje maksymalną wydajność kwantową w widzialnej części widma, najczęściej w zakresie od zielonego do żółtego, od około 490 nm do 600 nm. Krzywe QE można modyfikować za pomocą powłok matryc i wariantów materiałów, aby zapewnić maksymalną wydajność kwantową około 300 nm w ultrafiolecie (UV), około 850 nm w bliskiej podczerwieni (NIR) i wiele pośrednich opcji.
Wszystkie aparaty oparte na krzemie wykazują spadek wydajności kwantowej w okolicach 1100 nm, gdzie fotony nie mają już wystarczającej energii do uwolnienia fotoelektronów. Wydajność UV może być poważnie ograniczona w czujnikach z mikrosoczewkami lub szkłem okiennym blokującym promieniowanie UV, które ograniczają dotarcie światła o krótkiej długości fali do czujnika.
W międzyczasie krzywe QE rzadko są gładkie i równe, zamiast tego często zawierają małe szczyty i doliny spowodowane różnymi właściwościami materiałów i przezroczystością materiałów, z których składa się piksel.
W zastosowaniach wymagających czułości UV lub NIR, uwzględnienie krzywych wydajności kwantowej może okazać się znacznie ważniejsze, ponieważ w niektórych kamerach wydajność kwantowa może być wielokrotnie większa niż w innych, znajdujących się na skrajnych końcach krzywej.
Czułość na promieniowanie rentgenowskie
Niektóre krzemowe czujniki kamer mogą działać w zakresie światła widzialnego, a jednocześnie wykrywać niektóre długości fal promieniowania rentgenowskiego. Jednak kamery zazwyczaj wymagają specjalistycznej inżynierii, aby poradzić sobie zarówno z wpływem promieniowania rentgenowskiego na elektronikę kamery, jak i z komorami próżniowymi powszechnie używanymi w eksperymentach rentgenowskich.
Kamery na podczerwień
Wreszcie, czujniki oparte nie na krzemie, ale na innych materiałach mogą wykazywać zupełnie inne krzywe QE. Na przykład kamery podczerwone InGaAs, oparte na arsenku indu i galu zamiast krzemu, mogą wykrywać szeroki zakres długości fal w bliskiej podczerwieni (NIR), maksymalnie do około 2700 nm, w zależności od wariantu czujnika.
Wydajność kwantowa a inne specyfikacje aparatów
Wydajność kwantowa to kluczowy wskaźnik wydajności, ale nie działa w izolacji. Oto, jak odnosi się do innych ważnych specyfikacji aparatu:
QE kontra wrażliwość
Czułość to zdolność aparatu do wykrywania słabych sygnałów. Efekt kwantyzacji kwantowej ma bezpośredni wpływ na czułość, ale inne czynniki, takie jak rozmiar piksela, szum odczytu i prąd ciemny, również odgrywają rolę.
QE a stosunek sygnału do szumu (SNR)
Wyższy współczynnik QE poprawia stosunek sygnału do szumu (SNR) poprzez generowanie większej liczby sygnałów (elektronów) na foton. Jednak nadmierny szum, spowodowany słabą elektroniką lub niewystarczającym chłodzeniem, nadal może pogarszać jakość obrazu.
QE kontra zakres dynamiki
Chociaż QE wpływa na ilość wykrywanego światła, zakres dynamiki opisuje stosunek między najjaśniejszymi a najciemniejszymi sygnałami, jakie kamera może obsłużyć. Aparat z wysokim QE i słabym zakresem dynamiki może nadal generować słabe rezultaty w scenach o wysokim kontraście.
Krótko mówiąc, wydajność kwantowa ma kluczowe znaczenie, ale zawsze należy ją oceniać w kontekście uzupełniających specyfikacji.
Czym jest „dobra” wydajność kwantowa?
Nie ma uniwersalnego „najlepszego” QE – to zależy od konkretnego zastosowania. Mimo to, oto ogólne punkty odniesienia:
| Zakres QE | Poziom wydajności | Przypadki użycia |
| <40% | Niski | Nie nadaje się do użytku naukowego |
| 40–60% | Przeciętny | Zastosowania naukowe na poziomie podstawowym |
| 60–80% | Dobry | Nadaje się do większości zadań obrazowania |
| 80–95% | Doskonały | Obrazowanie przy słabym oświetleniu, o wysokiej precyzji lub z ograniczeniem fotonów |
Należy również wziąć pod uwagę szczytowy QE w porównaniu ze średnim QE w pożądanym zakresie widmowym.
Wniosek
Wydajność kwantowa to jeden z najważniejszych, a jednocześnie pomijanych czynników przy wyborze naukowego urządzenia do obrazowania. Niezależnie od tego, czy rozważasz matryce CCD, kamery sCMOS, czy kamery CMOS, zrozumienie QE pomoże Ci:
● Przewiduj, jak Twój aparat będzie się sprawował w rzeczywistych warunkach oświetleniowych
● Porównuj produkty obiektywnie, wykraczając poza twierdzenia marketingowe
● Dopasuj specyfikację kamery do swoich wymagań naukowych
Wraz z postępem technologii czujników, dzisiejsze kamery naukowe o wysokiej energii kwantowej (QE) oferują niezwykłą czułość i wszechstronność w różnorodnych zastosowaniach. Jednak niezależnie od stopnia zaawansowania sprzętu, wybór odpowiedniego narzędzia zaczyna się od zrozumienia, jak wydajność kwantowa wpisuje się w szerszy obraz.
Często zadawane pytania
Czy wyższa wydajność kwantowa w przypadku kamery naukowej jest zawsze lepsza?
Wyższa wydajność kwantowa (QE) generalnie poprawia zdolność kamery do wykrywania niskich poziomów światła, co jest cenne w zastosowaniach takich jak mikroskopia fluorescencyjna, astronomia i obrazowanie pojedynczych cząsteczek. Jednak QE to tylko jeden z elementów zrównoważonego profilu wydajności. Kamera o wysokiej wydajności QE, z niskim zakresem dynamiki, wysokim szumem odczytu lub niewystarczającym chłodzeniem, może nadal generować wyniki poniżej optymalnych. Aby uzyskać najlepszą wydajność, zawsze oceniaj QE w połączeniu z innymi kluczowymi parametrami, takimi jak szum, głębia bitowa i architektura czujnika.
Jak mierzy się wydajność kwantową?
Wydajność kwantową mierzy się, oświetlając czujnik znaną liczbą fotonów o określonej długości fali, a następnie zliczając liczbę elektronów generowanych przez czujnik. Zazwyczaj odbywa się to za pomocą skalibrowanego monochromatycznego źródła światła i fotodiody referencyjnej. Uzyskana wartość QE jest nanoszona na wykresy długości fal, tworząc krzywą QE. Pomaga to określić odpowiedź widmową czujnika, co jest kluczowe dla dopasowania kamery do źródła światła lub zakresu emisji w danym zastosowaniu.
Czy oprogramowanie lub filtry zewnętrzne mogą poprawić wydajność kwantową?
Nie. Wydajność kwantowa to nieodłączna, sprzętowa właściwość czujnika obrazu, której nie można zmienić za pomocą oprogramowania ani akcesoriów zewnętrznych. Filtry mogą jednak poprawić ogólną jakość obrazu poprzez zwiększenie stosunku sygnału do szumu (np. stosując filtry emisyjne w zastosowaniach fluorescencyjnych), a oprogramowanie może pomóc w redukcji szumów lub postprocessingu. Nie zmieniają one jednak samej wartości QE.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
