Квантовая эффективность в научных камерах: руководство для начинающих |

В научной визуализации точность — это самое главное. Независимо от того, снимаете ли вы флуоресцентные сигналы при слабом освещении или отслеживаете тусклые небесные объекты, способность вашей камеры распознавать свет напрямую влияет на качество результатов. Одним из важнейших, но часто неверно понимаемых факторов в этом уравнении является квантовая эффективность (КЭ).

Это руководство расскажет вам, что такое квантовое поглощение (QE), почему оно важно, как интерпретировать характеристики квантового поглощения (QE) и как оно соотносится с различными типами датчиков. Если вы ищетенаучная камераили просто пытаетесь разобраться в технических характеристиках камер, то эта информация для вас.

Рисунок: типичные примеры кривых QE камеры Tucsen

(а)Овен 6510(б)Дхьяна 6060BSI(с)Весы 22

Что такое квантовая эффективность?

Квантовая эффективность — это вероятность того, что фотон, достигший сенсора камеры, будет фактически обнаружен и испустит фотоэлектрон в кремнии.

На разных этапах движения фотона к этой точке встречаются барьеры, которые могут поглощать фотоны или отражать их. Кроме того, ни один материал не является абсолютно прозрачным для всех длин волн фотонов, а любые изменения в составе материала могут привести к отражению или рассеиванию фотонов.

Выраженная в процентах квантовая эффективность определяется как:

QE (%) = (Количество сгенерированных электронов / Количество падающих фотонов) × 100

Существует два основных типа:

●Внешнее количественное смягчение: Измеренные характеристики, включая такие эффекты, как отражение и потери при передаче.
●Внутреннее количественное смягчение: Измеряет эффективность преобразования внутри самого датчика, предполагая, что все фотоны поглощены.

Более высокая QE означает лучшую светочувствительность и более сильные сигналы изображения, особенно в условиях низкой освещенности или ограничения количества фотонов.

Почему квантовая эффективность важна в научных камерах?

При визуализации всегда полезно захватить максимально возможный процент входящих фотонов, особенно в приложениях, требующих высокой чувствительности.

Однако датчики с высокой квантовой эффективностью, как правило, стоят дороже. Это связано с инженерной сложностью максимального коэффициента заполнения при сохранении функциональности пикселей, а также с процессом подсветки. Этот процесс, как вы узнаете, обеспечивает максимальную квантовую эффективность, но значительно повышает сложность производства.

Как и в случае со всеми характеристиками камеры, квантовая эффективность всегда должна оцениваться с учётом других факторов, влияющих на вашу конкретную задачу получения изображений. Например, внедрение глобального затвора может дать преимущества во многих приложениях, но, как правило, не может быть реализовано в BI-сенсоре. Кроме того, для этого требуется добавление дополнительного транзистора в пиксель. Это может снизить коэффициент заполнения и, следовательно, квантовую эффективность, даже по сравнению с другими FI-сенсорами.

Примеры приложений, где количественное смягчение может быть важным

Несколько примеров применений:

● Визуализация нефиксированных биологических образцов при слабом освещении и флуоресценции

● Высокоскоростная визуализация

● Количественные приложения, требующие высокоточных измерений интенсивности

QE по типу датчика

Различные технологии датчиков изображения демонстрируют разную квантовую эффективность. Вот как обычно сравниваются квантовые эффективности для основных типов датчиков:

ПЗС (прибор с зарядовой связью)

Традиционно популярные в научной сфере благодаря низкому уровню шума и высокой квантовой эффективности (QE), часто достигающей 70–90%, ПЗС-матрицы отлично подходят для таких применений, как астрономия и получение изображений с длительной выдержкой.

КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник)

Современные КМОП-сенсоры, прежде ограниченные более низкой квантовой эффективностью и более высоким шумом чтения, значительно сократили отставание. Многие из них теперь достигают пиковых значений квантовой эффективности более 80%, обеспечивая превосходную производительность с более высокой частотой кадров и низким энергопотреблением.

Ознакомьтесь с нашим ассортиментом передовыхКМОП-камерамодели, чтобы увидеть, насколько далеко продвинулась эта технология, напримерКамера Tucsen Libra 3405M sCMOS, высокочувствительная научная камера, предназначенная для сложных условий слабого освещения.

sCMOS (научная КМОП-матрица)

Специализированный класс КМОП, предназначенный для научной визуализации,sCMOS-камераТехнология сочетает высокую квантовую эффективность (обычно 70–95%) с низким уровнем шума, широким динамическим диапазоном и высокой скоростью сбора данных. Идеально подходит для визуализации живых клеток, высокоскоростной микроскопии и многоканальной флуоресценции.

Как читать кривую квантовой эффективности

Производители обычно публикуют кривую квантовой эффективности (QE), которая отображает эффективность (%) в зависимости от длины волны (нм). Эти кривые необходимы для определения характеристик камеры в определённых спектральных диапазонах.

Ключевые элементы, на которые следует обратить внимание:

●Пик количественного смягчения: Максимальная эффективность, часто в диапазоне 500–600 нм (зеленый свет).
●Диапазон длин волн: полезное спектральное окно, в котором QE остается выше полезного порога (например, >20%).
●Зоны высадки: QE имеет тенденцию к снижению в УФ (<400 нм) и ближнем ИК (>800 нм) диапазонах.

Интерпретация этой кривой поможет вам сопоставить сильные стороны датчика с вашим приложением, независимо от того, формируете ли вы изображения в видимом спектре, ближнем инфракрасном или УФ-диапазоне.

Зависимость квантовой эффективности от длины волны

Рисунок: кривая QE, показывающая типичные значения для кремниевых датчиков с фронтальной и тыловой подсветкой

ПРИМЕЧАНИЕ: График показывает вероятность обнаружения фотонов (квантовая эффективность, %) в зависимости от длины волны фотона для четырёх камер. Различные варианты сенсоров и покрытия могут существенно смещать эти кривые.

Квантовая эффективность сильно зависит от длины волны, как показано на рисунке. Большинство кремниевых сенсоров камер демонстрируют пиковую квантовую эффективность в видимой части спектра, чаще всего в зелёно-жёлтой области, примерно от 490 до 600 нм. Кривые квантовой эффективности можно изменять с помощью покрытий сенсора и вариантов материалов, обеспечивая пиковую квантовую эффективность около 300 нм в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, около 850 нм в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне и во множестве промежуточных диапазонов.

Все кремниевые камеры демонстрируют снижение квантовой эффективности к длине волны 1100 нм, при которой у фотонов уже недостаточно энергии для испускания фотоэлектронов. Эффективность УФ-излучения может быть серьёзно ограничена в датчиках с микролинзами или блокирующим УФ-излучение оконным стеклом, которое препятствует проникновению коротковолнового света на датчик.

Между тем кривые QE редко бывают гладкими и ровными, а вместо этого часто включают в себя небольшие пики и впадины, вызванные различными свойствами материалов и прозрачностью материалов, из которых состоит пиксель.

В приложениях, требующих чувствительности к УФ- или ближнему ИК-диапазону, учет кривых квантовой эффективности может стать гораздо более важным, поскольку в некоторых камерах квантовая эффективность может быть во много раз выше, чем в других, на крайних концах кривой.

Чувствительность к рентгеновскому излучению

Некоторые кремниевые сенсоры камер могут работать в видимой части спектра, а также способны регистрировать некоторые длины волн рентгеновского излучения. Однако камеры обычно требуют специальных инженерных решений, чтобы выдерживать как воздействие рентгеновского излучения на электронику камеры, так и работу с вакуумными камерами, обычно используемыми для рентгеновских экспериментов.

Инфракрасные камеры

Наконец, датчики, основанные не на кремнии, а на других материалах, могут демонстрировать совершенно иные кривые квантовой эффективности. Например, инфракрасные камеры на основе InGaAs, в которых вместо кремния используется арсенид индия-галлия, способны обнаруживать широкий диапазон длин волн в ближнем ИК-диапазоне, вплоть до максимума около 2700 нм, в зависимости от варианта датчика.

Квантовая эффективность в сравнении с другими характеристиками камеры

Квантовая эффективность — ключевой показатель производительности, но он не работает изолированно. Вот как он соотносится с другими важными характеристиками камеры:

QE против чувствительности

Чувствительность — это способность камеры обнаруживать слабые сигналы. Коэффициент квантовой эффективности (QE) напрямую влияет на чувствительность, но другие факторы, такие как размер пикселя, шум чтения и темновой ток, также играют свою роль.

QE против отношения сигнал/шум (SNR)

Более высокая квантовая эффективность улучшает отношение сигнал/шум (SNR), генерируя больше сигнала (электронов) на фотон. Однако чрезмерный шум из-за некачественной электроники или недостаточного охлаждения всё равно может ухудшить качество изображения.

QE против динамического диапазона

В то время как квантовая эффективность (QE) влияет на количество детектируемого света, динамический диапазон описывает соотношение между самыми яркими и самыми тёмными сигналами, которые может обработать камера. Камера с высокой квантовой эффективностью и ограниченным динамическим диапазоном может по-прежнему давать неудовлетворительные результаты в высококонтрастных сценах.

Короче говоря, квантовая эффективность имеет решающее значение, но всегда оценивайте ее в совокупности с дополнительными характеристиками.

Что такое «хорошая» квантовая эффективность?

Универсального «лучшего» количественного смягчения не существует — всё зависит от конкретной ситуации. Тем не менее, вот общие ориентиры:

Диапазон количественного смягчения	Уровень производительности	Варианты использования
<40%	Низкий	Не подходит для научного использования.
40–60%	Средний	Научные приложения начального уровня
60–80%	Хороший	Подходит для большинства задач визуализации
80–95%	Отличный	Визуализация при слабом освещении, высокой точности или ограниченном количестве фотонов

Также рассмотрите пиковое QE против среднего QE в желаемом спектральном диапазоне.

Заключение

Квантовая эффективность — один из важнейших, хотя и недооценённых факторов при выборе устройства научной визуализации. Независимо от того, оцениваете ли вы ПЗС-камеры, sCMOS-камеры или КМОП-камеры, понимание квантовой эффективности поможет вам:

● Прогнозируйте, как ваша камера будет работать в реальных условиях освещения.
● Сравнивайте продукты объективно, не ограничиваясь маркетинговыми заявлениями
● Сопоставьте характеристики камеры с вашими научными требованиями

Благодаря развитию сенсорных технологий современные научные камеры с высокой квантовой эффективностью обеспечивают исключительную чувствительность и универсальность для самых разных применений. Но независимо от уровня сложности оборудования, выбор подходящего инструмента начинается с понимания того, какое место квантовая эффективность занимает в общей картине.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли более высокая квантовая эффективность лучше в научной камере?

Более высокая квантовая эффективность (QE) обычно улучшает способность камеры обнаруживать слабые уровни света, что ценно в таких приложениях, как флуоресцентная микроскопия, астрономия и визуализация отдельных молекул. Однако QE — лишь часть сбалансированного профиля производительности. Камера с высокой QE, но с ограниченным динамическим диапазоном, высоким уровнем шума при считывании или недостаточным охлаждением может по-прежнему давать неоптимальные результаты. Для достижения наилучшей производительности всегда оценивайте QE в сочетании с другими ключевыми характеристиками, такими как шум, разрядность и архитектура сенсора.

Как измеряется квантовая эффективность?

Квантовая эффективность измеряется путём освещения сенсора известным числом фотонов на определённой длине волны с последующим подсчётом числа электронов, генерируемых сенсором. Обычно это делается с использованием калиброванного монохроматического источника света и эталонного фотодиода. Полученное значение квантовой эффективности наносится на график для различных длин волн, создавая кривую квантовой эффективности. Это помогает определить спектральную чувствительность сенсора, критически важную для согласования камеры с источником света или диапазоном излучения вашей системы.

Могут ли программное обеспечение или внешние фильтры повысить квантовую эффективность?

Нет. Квантовая эффективность — это внутреннее аппаратное свойство датчика изображения, которое не может быть изменено программным обеспечением или внешними аксессуарами. Однако фильтры могут улучшить общее качество изображения за счёт улучшения соотношения сигнал/шум (например, использование эмиссионных фильтров в флуоресцентных приложениях), а программное обеспечение может помочь в снижении шума или постобработке. Однако само значение квантовой эффективности не изменяется.