Квантовая эффективность в научных камерах: руководство для начинающих

В научной визуализации точность имеет первостепенное значение. Независимо от того, регистрируете ли вы сигналы флуоресценции при слабом освещении или отслеживаете тусклые небесные объекты, способность вашей камеры обнаруживать свет напрямую влияет на качество результатов. Одним из наиболее важных, но часто неправильно понимаемых факторов в этом уравнении является квантовая эффективность (КЭ).

В этом руководстве вы узнаете, что такое квантовая эффективность (QE), почему она важна, как интерпретировать характеристики QE и как она различается для разных типов датчиков. Если вы ищете...научная камераЕсли вы просто пытаетесь разобраться в технических характеристиках фотоаппаратов, то это для вас.

Типичные примеры кривых квантовой эффективности камер Тусена

Рисунок: Типичные примеры кривых квантовой эффективности камер Tucsen.

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

Что такое квантовая эффективность?

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

На различных этапах пути фотона к этой точке существуют барьеры, которые могут поглощать фотоны или отражать их. Кроме того, ни один материал не является на 100% прозрачным для всех длин волн фотонов, а любые изменения в составе материала могут привести к отражению или рассеянию фотонов.

Квантовая эффективность, выраженная в процентах, определяется следующим образом:

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

Существует два основных типа:

●Внешнее обеспечение качества:Измеренные характеристики, включая такие эффекты, как потери на отражение и пропускание.

●Внутренний контроль качества:Измеряет эффективность преобразования внутри самого датчика, предполагая, что все фотоны поглощаются.

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

Почему квантовая эффективность важна в научных камерах?

В системах визуализации всегда полезно захватывать как можно больший процент поступающих фотонов, особенно в приложениях, требующих высокой чувствительности.

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

Как и в случае со всеми характеристиками камер, необходимость в квантовой эффективности всегда должна сопоставляться с другими факторами, определяющими конкретное применение в обработке изображений. Например, использование глобального затвора может принести преимущества во многих областях применения, но обычно это невозможно реализовать на сенсоре с биполярным затвором. Кроме того, это требует добавления дополнительного транзистора к пикселю. Это может снизить коэффициент заполнения и, следовательно, квантовую эффективность, даже по сравнению с другими сенсорами с флюоресцентной индикацией.

Примеры приложений, где квантовая эффективность может быть важна.

Несколько примеров применения:

● Низкоинтенсивная и флуоресцентная визуализация нефиксированных биологических образцов

● Высокоскоростная визуализация

● Количественные приложения, требующие высокоточных измерений интенсивности

Квантовая эффективность в зависимости от типа датчика

Различные технологии датчиков изображения демонстрируют разную квантовую эффективность. Вот как обычно соотносятся значения квантовой эффективности для основных типов датчиков:

ПЗС (прибор с зарядовой связью)

Традиционно ПЗС-матрицы предпочтительнее для научной визуализации благодаря низкому уровню шума и высокой квантовой эффективности, часто достигающей пика в диапазоне 70–90%. ПЗС-матрицы превосходно подходят для таких применений, как астрономия и съемка с длительной выдержкой.

CMOS (комплементарная металл-оксидная полупроводниковая технология)

Современные CMOS-сенсоры, особенно с задней подсветкой, значительно улучшились, поскольку ранее их возможности были ограничены низким квантовым выходом (QE) и высоким уровнем шума считывания. Многие из них теперь достигают пиковых значений QE выше 80%, обеспечивая превосходную производительность при более высокой частоте кадров и меньшем энергопотреблении.

Ознакомьтесь с нашим ассортиментом передовых решений.CMOS-камерамодели, позволяющие оценить, насколько далеко продвинулась эта технология, например:sCMOS-камера Libra 3405M от компании Tucsen— высокочувствительная научная камера, разработанная для сложных задач съемки в условиях низкой освещенности.

sCMOS (научная КМОП-технология)

Специализированный класс КМОП-матриц, разработанных для научной визуализации.sCMOS-камераЭта технология сочетает в себе высокую квантовую эффективность (обычно 70–95%) с низким уровнем шума, широким динамическим диапазоном и быстрой обработкой 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 того, как камера работает в конкретных спектральных диапазонах.

Ключевые элементы, на которые следует обратить внимание:

●Пиковое значение QE:Максимальная эффективность часто достигается в диапазоне 500–600 нм (зеленый свет).

●Диапазон длин волн:Полезный спектральный диапазон, в котором квантовая эффективность остается выше полезного порогового значения (например, >20%).

●Зоны высадки пассажиров:Квантовая эффективность, как правило, снижается в УФ (<400 нм) и ближнем ИК (>800 нм) диапазонах.

Интерпретация этой кривой поможет вам подобрать оптимальные характеристики датчика в соответствии с вашими задачами, будь то съемка в видимом спектре, ближнем инфракрасном диапазоне или ультрафиолетовом диапазоне.

Зависимость квантовой эффективности от длины волны

Рисунок: Кривая квантовой эффективности, показывающая типичные значения для кремниевых датчиков с фронтальной и тыльной подсветкой.

На графике показана вероятность обнаружения фотона (квантовая эффективность, %) в зависимости от длины волны фотона для четырех примеров камер. Различные варианты сенсоров и покрытия могут существенно смещать эти кривые.

Квантовая эффективность сильно зависит от длины волны, как показано на рисунке. Большинство кремниевых датчиков камер демонстрируют пиковую квантовую эффективность в видимой части спектра, чаще всего в зелено-желтой области, примерно от 490 нм до 600 нм. Кривые квантовой эффективности могут быть модифицированы с помощью покрытий датчиков и вариантов материалов для обеспечения пиковой квантовой эффективности около 300 нм в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, около 850 нм в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне, а также множества промежуточных значений.

Все кремниевые камеры демонстрируют снижение квантовой эффективности в направлении 1100 нм, когда фотоны уже не обладают достаточной энергией для высвобождения фотоэлектронов. Эффективность в УФ-диапазоне может быть существенно ограничена в датчиках с микролинзами или УФ-блокирующим оконным стеклом, которые препятствуют попаданию коротковолнового света на датчик.

В промежутках между ними кривые квантовой эффективности редко бывают гладкими и ровными, а вместо этого часто включают небольшие пики и впадины, вызванные различными свойствами материалов и прозрачностью материалов, из которых состоит пиксель.

В приложениях, требующих чувствительности к УФ или ближнему ИК-излучению, 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 значениях кривой.

Чувствительность к рентгеновскому излучению

Некоторые кремниевые датчики для камер могут работать в видимой части спектра, а также способны обнаруживать некоторые длины волн рентгеновского излучения. Однако для камер обычно требуются специальные инженерные решения, позволяющие справиться как с воздействием рентгеновского излучения на электронику камеры, так и с вакуумными камерами, обычно используемыми для рентгеновских экспериментов.

Инфракрасные камеры

Наконец, датчики, основанные не на кремнии, а на других материалах, могут демонстрировать совершенно разные кривые квантовой эффективности. Например, инфракрасные камеры на основе InGaAs, в которых вместо кремния используется арсенид индия-галлия, могут обнаруживать широкий диапазон длин волн в ближнем инфракрасном диапазоне, 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 она связана с другими важными характеристиками камеры:

QE против чувствительности

Чувствительность — это способность камеры обнаруживать слабые сигналы. Квантовая эффективность напрямую влияет на чувствительность, но другие факторы, такие как размер пикселя, шум считывания и темновой ток, также играют свою роль.

Зависимость квантовой эффективности (QE) от отношения сигнал/шум (SNR).

Более высокое значение квантовой эффективности улучшает отношение сигнал/шум за счет генерации большего количества сигнала (электронов) на фотон. Однако чрезмерный шум, вызванный плохой электроникой или недостаточным охлаждением, все еще может ухудшать качество изображения.

QE против динамического диапазона

В то время как квантовая эффективность (QE) влияет на количество обнаруживаемого света, динамический диапазон описывает соотношение между самым ярким и самым темным сигналами, которые может обработать камера. Камера с высокой квантовой эффективностью, но низким динамическим диапазоном, все равно может давать неудовлетворительные результаты в сценах с высокой контрастностью.

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

Что такое «хорошая» квантовая эффективность?

Универсального «лучшего» показателя квантовой эффективности не существует — всё зависит от конкретного приложения. Тем не менее, вот общие ориентиры:

Диапазон QE	Уровень производительности	Варианты использования
<40%	Низкий	Не идеально подходит для научного использования.
40–60%	Средний	Научные приложения начального уровня
60–80%	Хороший	Подходит для большинства задач визуализации.
80–95%	Отличный	Визуализация в условиях низкой освещенности, высокая точность или ограниченное количество фотонов.

Также следует учитывать разницу между пиковым и средним квантовым выходом в желаемом спектральном диапазоне.

Заключение

Квантовая эффективность — один из важнейших, но часто недооцениваемых факторов при выборе научного устройства для получения изображений. Независимо от того, оцениваете ли вы ПЗС-матрицы, sCMOS-камеры или CMOS-камеры, понимание квантовой эффективности поможет вам:

● Спрогнозируйте, как ваша камера будет работать в реальных условиях освещения.

● Объективное сравнение товаров, выходящее за рамки маркетинговых заявлений.

● Подберите характеристики камеры в соответствии с вашими научными потребностями.

По мере развития сенсорных технологий современные научные камеры с высокой квантовой эффективностью обеспечивают замечательную чувствительность и универсальность в самых разных областях применения. Но независимо от того, насколько совершенным является оборудование, выбор подходящего инструмента начинается с понимания того, как квантовая эффективность вписывается в общую картину.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли более высокая квантовая эффективность лучше в научной камере?

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

Как измеряется квантовая эффективность?

Квантовая эффективность измеряется путем освещения сенсора известным количеством фотонов на определенной длине волны и последующего подсчета количества электронов, генерируемых сенсором. Обычно это делается с использованием калиброванного монохроматического источника света и эталонного фотодиода. Полученное значение квантовой эффективности наносится на график в зависимости от длины волны для построения кривой квантовой эффективности. Это помогает определить спектральную характеристику сенсора, что имеет решающее значение для согласования камеры с источником света или диапазоном излучения вашего приложения.

Может ли программное обеспечение или внешние фильтры повысить квантовую эффективность?

Нет — квантовая эффективность является неотъемлемым свойством датчика изображения на аппаратном уровне и не может быть изменена программным обеспечением или внешними аксессуарами. Однако фильтры могут улучшить общее качество изображения за счет повышения отношения сигнал/шум (например, использование эмиссионных фильтров в приложениях для флуоресценции), а программное обеспечение может помочь в снижении шума или постобработке. Тем не менее, это не меняет само значение квантовой эффективности.