25/08/15În imagistica științifică, precizia este esențială. Indiferent dacă surprindeți semnale fluorescente în lumină slabă sau urmăriți obiecte cerești slabe, capacitatea camerei dvs. de a detecta lumina influențează direct calitatea rezultatelor. Unul dintre cei mai importanți, dar adesea înțeleși greșit, factori din această ecuație este eficiența cuantică (QE).
Acest ghid vă va explica ce este QE, de ce este important, cum să interpretați specificațiile QE și cum se compară între diferite tipuri de senzori. Dacă sunteți în căutarea unui...cameră științificăsau pur și simplu încerci să înțelegi fișele tehnice ale camerelor, aceasta este pentru tine.
Figura: Exemple tipice de curbe QE pentru camerele Tucsen
(o)Berbec 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Balanță 22
Ce este eficiența cuantică?
Eficiența cuantică este probabilitatea ca un foton care ajunge la senzorul camerei să fie detectat și să elibereze un fotoelectron în siliciu.
În mai multe etape ale călătoriei fotonului către acest punct, există bariere care pot absorbi fotonii sau îi pot reflecta. În plus, niciun material nu este 100% transparent la fiecare lungime de undă a fotonului, plus că orice modificare a compoziției materialului are șansa de a reflecta sau împrăștia fotoni.
Exprimată ca procent, eficiența cuantică este definită ca:
QE (%) = (Numărul de electroni generați / Numărul de fotoni incidenți) × 100
Există două tipuri principale:
●QE externPerformanță măsurată, inclusiv efecte precum reflexia și pierderile de transmisie.
●QE internMăsoară eficiența conversiei în cadrul senzorului, presupunând că toți fotonii sunt absorbiți.
O QE mai mare înseamnă o sensibilitate la lumină mai bună și semnale de imagine mai puternice, în special în scenarii cu lumină slabă sau cu număr limitat de fotoni.
De ce contează eficiența cuantică în camerele științifice?
În imagistică, este întotdeauna util să captăm cel mai mare procent posibil de fotoni primiți, în special în aplicațiile care necesită o sensibilitate ridicată.
Totuși, senzorii cu eficiență cuantică ridicată tind să fie mai scumpi. Acest lucru se datorează provocării inginerești de a maximiza factorul de umplere, menținând în același timp funcția pixelilor, precum și procesului de iluminare din spate. Acest proces, după cum veți afla, permite cele mai mari eficiențe cuantice - dar vine cu o complexitate de fabricație semnificativ crescută.
Ca toate specificațiile camerelor, nevoia de eficiență cuantică trebuie întotdeauna cântărită în raport cu alți factori pentru aplicația specifică de imagistică. De exemplu, introducerea unui obturator global poate aduce avantaje pentru multe aplicații, dar de obicei nu poate fi implementată pe un senzor BI. În plus, necesită adăugarea unui tranzistor suplimentar la pixel. Acest lucru poate reduce factorul de umplere și, prin urmare, eficiența cuantică, chiar și în comparație cu alți senzori FI.
Exemple de aplicații în care QE poate fi important
Câteva exemple de aplicații:
● Imagistică în lumină slabă și fluorescență a probelor biologice nefixate
● Imagistică de mare viteză
● Aplicații cantitative care necesită măsurători de intensitate de înaltă precizie
QE după tipul de senzor
Diferite tehnologii de senzori de imagine prezintă eficiențe cuantice diferite. Iată cum se compară de obicei QE între principalele tipuri de senzori:
CCD (dispozitiv cuplat cu sarcină)
În mod tradițional, imagistica științifică este preferată pentru zgomotul redus și QE ridicat, atingând adesea vârfuri între 70-90%. CCD-urile excelează în aplicații precum astronomia și imagistica cu expunere lungă.
CMOS (semiconductori complementari de oxid metalic)
Odată limitați de un QE mai mic și un zgomot de citire mai mare, senzorii CMOS moderni - în special modelele cu iluminare din spate - au recuperat semnificativ terenul pierdut. Mulți ating acum valori QE maxime de peste 80%, oferind performanțe excelente cu rate de cadre mai mari și un consum de energie mai mic.
Explorați gama noastră avansatăCameră CMOSmodele pentru a vedea cât de departe a evoluat această tehnologie, cum ar fiCamera sCMOS Libra 3405M de la Tucsen, o cameră științifică de înaltă sensibilitate, concepută pentru aplicații solicitante în condiții de lumină slabă.
sCMOS (CMOS științific)
O clasă specializată de CMOS concepută pentru imagistică științifică,cameră sCMOSTehnologia combină QE ridicat (de obicei 70–95%) cu zgomot redus, gamă dinamică ridicată și achiziție rapidă. Ideală pentru imagistica celulelor vii, microscopie de mare viteză și fluorescență multicanal.
Cum se citește o curbă de eficiență cuantică
Producătorii publică de obicei o curbă QE care reprezintă grafic eficiența (%) pe lungimi de undă (nm). Aceste curbe sunt esențiale pentru a determina cum funcționează o cameră în anumite intervale spectrale.
Elemente cheie de căutat:
●Calificare cantitativă maximăEficiența maximă, adesea în intervalul 500–600 nm (lumină verde).
●Interval de lungimi de undăFereastra spectrală utilizabilă în care QE rămâne peste un prag util (de exemplu, >20%).
●Zone de debarcareQE tinde să scadă în regiunile UV (<400 nm) și NIR (>800 nm).
Interpretarea acestei curbe vă ajută să potriviți punctele forte ale senzorului cu aplicația dvs., indiferent dacă fotografiați în spectrul vizibil, infraroșu apropiat sau UV.
Dependența lungimii de undă a eficienței cuantice
Figura: Curba QE care prezintă valorile tipice pentru senzorii pe bază de siliciu cu iluminare frontală și spate
NOTAGraficul arată probabilitatea detectării fotonilor (eficiența cuantică, %) în funcție de lungimea de undă a fotonilor pentru patru camere exemplificate. Diferite variante de senzori și acoperiri pot modifica dramatic aceste curbe.
Eficiența cuantică depinde în mare măsură de lungimea de undă, așa cum se arată în figură. Majoritatea senzorilor de cameră pe bază de siliciu își prezintă eficiența cuantică maximă în partea vizibilă a spectrului, cel mai frecvent în regiunea verde-galbenă, de la aproximativ 490 nm la 600 nm. Curbele QE pot fi modificate prin acoperiri ale senzorilor și variante de materiale pentru a oferi un QE maxim în jurul a 300 nm în ultraviolet (UV), în jurul a 850 nm în infraroșu apropiat (NIR) și multe alte opțiuni între acestea.
Toate camerele pe bază de siliciu prezintă o scădere a eficienței cuantice spre 1100 nm, la care fotonii nu mai au suficientă energie pentru a elibera fotoelectroni. Performanța UV poate fi sever limitată în cazul senzorilor cu microlentile sau geamuri cu blocare a UV, care împiedică lumina cu lungime de undă scurtă să ajungă la senzor.
Între acestea, curbele QE sunt rareori netede și uniforme și, în schimb, includ adesea vârfuri și depresiuni mici cauzate de diferitele proprietăți ale materialelor și de transparențele materialelor din care este compus pixelul.
În aplicațiile care necesită sensibilitate UV sau NIR, luarea în considerare a curbelor de eficiență cuantică poate deveni mult mai importantă, deoarece în unele camere eficiența cuantică poate fi de multe ori mai mare decât altele la capetele extreme ale curbei.
Sensibilitate la raze X
Unii senzori de cameră din siliciu pot funcționa în partea spectrului de lumină vizibilă, fiind în același timp capabili să detecteze anumite lungimi de undă ale razelor X. Cu toate acestea, camerele necesită de obicei o inginerie specifică pentru a face față atât impactului razelor X asupra componentelor electronice ale camerei, cât și camerelor de vid utilizate în general pentru experimentele cu raze X.
Camere cu infraroșu
În cele din urmă, senzorii bazați nu pe siliciu, ci pe alte materiale, pot prezenta curbe QE complet diferite. De exemplu, camerele cu infraroșu InGaAs, bazate pe arseniură de indiu și galiu în loc de siliciu, pot detecta intervale largi de lungimi de undă în NIR, până la un maxim de aproximativ 2700 nm, în funcție de varianta senzorului.
Eficiența cuantică vs. alte specificații ale camerei
Eficiența cuantică este o metrică cheie a performanței, dar nu funcționează izolat. Iată cum se leagă de alte specificații importante ale camerei:
QE vs. Sensibilitate
Sensibilitatea este capacitatea camerei de a detecta semnale slabe. QE contribuie direct la sensibilitate, dar și alți factori precum dimensiunea pixelilor, zgomotul de citire și curentul de întuneric joacă un rol.
QE vs. Raportul semnal-zgomot (SNR)
O QE mai mare îmbunătățește raportul semnal-zgomot (SNR) prin generarea unui semnal mai mare (electroni) per foton. Însă zgomotul excesiv, din cauza componentelor electronice slabe sau a răcirii inadecvate, poate degrada în continuare imaginea.
QE vs. Interval dinamic
În timp ce QE afectează cantitatea de lumină detectată, intervalul dinamic descrie raportul dintre cele mai luminoase și cele mai întunecate semnale pe care le poate gestiona camera. O cameră cu QE ridicat și un interval dinamic slab poate produce totuși rezultate sub medie în scenele cu contrast ridicat.
Pe scurt, eficiența cuantică este critică, dar evaluați-o întotdeauna alături de specificații complementare.
Ce este o eficiență cuantică „bună”?
Nu există o metodă universală de relaxare cantitativă (QE) „cea mai bună” - depinde de aplicația ta. Acestea fiind spuse, iată câteva repere generale:
| Interval QE | Nivel de performanță | Cazuri de utilizare |
| <40% | Scăzut | Nu este ideal pentru uz științific |
| 40–60% | Medie | Aplicații științifice de nivel de intrare |
| 60–80% | Bun | Potrivit pentru majoritatea sarcinilor de imagistică |
| 80–95% | Excelent | Imagistică în lumină slabă, de înaltă precizie sau cu fotoni limitați |
De asemenea, luați în considerare QE-ul de vârf față de QE-ul mediu în intervalul spectral dorit.
Concluzie
Eficiența cuantică este unul dintre cei mai importanți, dar totuși neglijați, factori în alegerea unui dispozitiv de imagistică științifică. Indiferent dacă evaluați camere CCD, camere sCMOS sau camere CMOS, înțelegerea eficienței cuantice vă ajută să:
● Preziceți cum se va comporta camera dvs. în condiții de iluminare din lumea reală
● Comparați produsele în mod obiectiv, dincolo de afirmațiile de marketing
● Potriviți specificațiile camerei cu cerințele dumneavoastră științifice
Pe măsură ce tehnologia senzorilor avansează, camerele științifice cu eficiență cuantică ridicată de astăzi oferă o sensibilitate și o versatilitate remarcabile în diverse aplicații. Dar, indiferent cât de avansat este hardware-ul, alegerea instrumentului potrivit începe cu înțelegerea modului în care eficiența cuantică se încadrează în imaginea de ansamblu.
Întrebări frecvente
Este o eficiență cuantică mai mare întotdeauna mai bună într-o cameră științifică?
O eficiență cuantică (QE) mai mare îmbunătățește, în general, capacitatea unei camere de a detecta niveluri scăzute de lumină, ceea ce este valoros în aplicații precum microscopia cu fluorescență, astronomia și imagistica unei singure molecule. Cu toate acestea, QE este doar o parte a unui profil de performanță echilibrat. O cameră cu QE ridicat, cu o gamă dinamică slabă, zgomot de citire ridicat sau răcire insuficientă, poate oferi totuși rezultate suboptimale. Pentru cea mai bună performanță, evaluați întotdeauna QE în combinație cu alte specificații cheie, cum ar fi zgomotul, adâncimea de biți și arhitectura senzorului.
Cum se măsoară eficiența cuantică?
Eficiența cuantică se măsoară prin iluminarea unui senzor cu un număr cunoscut de fotoni la o anumită lungime de undă și apoi numărarea numărului de electroni generați de senzor. Acest lucru se face de obicei folosind o sursă de lumină monocromatică calibrată și o fotodiodă de referință. Valoarea QE rezultată este reprezentată grafic pe lungimi de undă pentru a crea o curbă QE. Acest lucru ajută la determinarea răspunsului spectral al senzorului, esențial pentru potrivirea camerei cu sursa de lumină sau intervalul de emisie al aplicației dumneavoastră.
Pot software-ul sau filtrele externe să îmbunătățească eficiența cuantică?
Nu. Eficiența cuantică este o proprietate intrinsecă, la nivel hardware, a senzorului de imagine și nu poate fi modificată prin software sau accesorii externe. Cu toate acestea, filtrele pot îmbunătăți calitatea generală a imaginii prin creșterea raportului semnal-zgomot (de exemplu, utilizarea filtrelor de emisie în aplicațiile de fluorescență), iar software-ul poate ajuta la reducerea zgomotului sau la post-procesare. Totuși, acestea nu modifică valoarea QE în sine.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
