25. 8. 2015Vo vedeckom zobrazovaní je presnosť všetkým. Či už zachytávate fluorescenčné signály pri slabom osvetlení alebo sledujete slabé nebeské objekty, schopnosť vášho fotoaparátu detekovať svetlo priamo ovplyvňuje kvalitu vašich výsledkov. Jedným z najdôležitejších, ale často nepochopených faktorov v tejto rovnici je kvantová účinnosť (QE).
Táto príručka vás prevedie tým, čo je QE, prečo je dôležitá, ako interpretovať špecifikácie QE a ako sa porovnáva medzi rôznymi typmi senzorov. Ak hľadáte...vedecká kameraalebo sa len snažíte pochopiť technické listy fotoaparátov, toto je pre vás.
Obrázok: Príklady typických kriviek kvantovej efektivity kamery Tucsen
Čo je kvantová účinnosť?
Kvantová účinnosť je pravdepodobnosť, že fotón, ktorý dosiahne snímač kamery, bude skutočne detekovaný a uvoľní fotoelektrón v kremíku.
Vo viacerých fázach cesty fotónu smerom k tomuto bodu existujú bariéry, ktoré môžu fotóny absorbovať alebo odrážať. Okrem toho žiadny materiál nie je 100 % priehľadný pre každú vlnovú dĺžku fotónu a akékoľvek zmeny v zložení materiálu majú šancu odrážať alebo rozptyľovať fotóny.
Kvantová účinnosť, vyjadrená v percentách, je definovaná ako:
QE (%) = (Počet generovaných elektrónov / Počet dopadajúcich fotónov) × 100
Existujú dva hlavné typy:
●Externé kvantitatívne zabezpečenia (QE)Nameraný výkon vrátane efektov, ako sú straty odrazom a prenosom.
●Interné kvantitatívne uvoľňovanie (QE)Meria účinnosť konverzie v samotnom senzore za predpokladu, že všetky fotóny sú absorbované.
Vyššia kvantová účinnosť (QE) znamená lepšiu citlivosť na svetlo a silnejšie obrazové signály, najmä v situáciách so slabým osvetlením alebo obmedzeným počtom fotónov.
Prečo je kvantová účinnosť dôležitá vo vedeckých fotoaparátoch?
Pri zobrazovaní je vždy užitočné zachytiť čo najvyššie percento prichádzajúcich fotónov, najmä v aplikáciách vyžadujúcich vysokú citlivosť.
Senzory s vysokou kvantovou účinnosťou však bývajú drahšie. Je to kvôli technickej náročnosti maximalizácie faktora plnenia pri zachovaní funkcie pixelov a tiež kvôli procesu podsvietenia. Tento proces, ako sa dozviete, umožňuje najvyššiu kvantovú účinnosť – ale prináša s sebou výrazne zvýšenú výrobnú zložitosť.
Rovnako ako pri všetkých špecifikáciách fotoaparátu, aj tu je potrebné vždy zvážiť potrebu kvantovej účinnosti oproti iným faktorom pre vašu konkrétnu zobrazovaciu aplikáciu. Napríklad zavedenie globálnej uzávierky môže priniesť výhody pre mnohé aplikácie, ale zvyčajne ho nemožno implementovať na BI senzore. Okrem toho si vyžaduje pridanie ďalšieho tranzistora k pixelu. To môže znížiť faktor plnenia, a teda aj kvantovú účinnosť, a to aj v porovnaní s inými FI senzormi.
Príklady aplikácií, kde môže byť kvantitatívne plnenie (QE) dôležité
Niekoľko príkladov aplikácií:
● Zobrazovanie nefixovaných biologických vzoriek pri slabom osvetlení a fluorescenčné zobrazenie
● Vysokorýchlostné snímanie
● Kvantitatívne aplikácie vyžadujúce vysoko presné merania intenzity
QE podľa typu senzora
Rôzne technológie obrazových snímačov vykazujú rôznu kvantovú účinnosť. Tu je porovnanie kvantovej účinnosti medzi hlavnými typmi snímačov:
CCD (zariadenie s nábojovou väzbou)
Tradične uprednostňované vedecké zobrazovanie pre ich nízky šum a vysokú kvantovú efektivitu (QE), ktorá často dosahuje vrchol medzi 70 – 90 %. CCD snímače vynikajú v aplikáciách ako astronómia a zobrazovanie s dlhou expozíciou.
CMOS (komplementárny kov-oxid-polovodič)
Moderné CMOS snímače, ktoré boli kedysi obmedzené nižším kvantovým efektom (QE) a vyšším šumom pri čítaní, ich výrazne dobehli. Mnohé z nich teraz dosahujú maximálne hodnoty QE nad 80 % a ponúkajú vynikajúci výkon s rýchlejšou snímkovou frekvenciou a nižšou spotrebou energie.
Preskúmajte našu ponuku pokročilýchCMOS kameramodely, aby sme videli, ako ďaleko táto technológia zašla, ako napríkladTucsenova sCMOS kamera Libra 3405M, vysoko citlivá vedecká kamera určená pre náročné aplikácie pri slabom osvetlení.
sCMOS (vedecký CMOS)
Špecializovaná trieda CMOS navrhnutá pre vedecké zobrazovanie,sCMOS kameraTáto technológia kombinuje vysokú kvantovú účinnosť (QE) (typicky 70 – 95 %) s nízkym šumom, vysokým dynamickým rozsahom a rýchlou akvizíciou. Ideálna na zobrazovanie živých buniek, vysokorýchlostnú mikroskopiu a viackanálovú fluorescenciu.
Ako čítať krivku kvantovej účinnosti
Výrobcovia zvyčajne publikujú krivku kvantovej účinnosti (QE), ktorá zobrazuje účinnosť (%) v rôznych vlnových dĺžkach (nm). Tieto krivky sú nevyhnutné na určenie, ako kamera funguje v špecifických spektrálnych rozsahoch.
Kľúčové prvky, ktoré treba hľadať:
●Vrchol kvantitatívneho uvoľňovaniaMaximálna účinnosť, často v rozsahu 500 – 600 nm (zelené svetlo).
●Rozsah vlnových dĺžokPoužiteľné spektrálne okno, v ktorom kvantová účinnosť (QE) zostáva nad užitočnou prahovou hodnotou (napr. > 20 %).
●Zóny odovzdaniaQE má tendenciu klesať v UV (<400 nm) a NIR (>800 nm) oblasti.
Interpretácia tejto krivky vám pomôže zosúladiť silné stránky senzora s vašou aplikáciou, či už snímate vo viditeľnom spektre, blízkom infračervenom alebo UV žiarení.
Závislosť kvantovej účinnosti od vlnovej dĺžky
Obrázok: Krivka QE zobrazujúca typické hodnoty pre kremíkové senzory s predným a zadným osvetlením
POZNÁMKAGraf znázorňuje pravdepodobnosť detekcie fotónov (kvantová účinnosť, %) v závislosti od vlnovej dĺžky fotónov pre štyri príkladové kamery. Rôzne varianty snímačov a povrchové úpravy môžu tieto krivky dramaticky posunúť.
Kvantová účinnosť je vysoko závislá od vlnovej dĺžky, ako je znázornené na obrázku. Väčšina kremíkových kamerových senzorov vykazuje svoju maximálnu kvantovú účinnosť vo viditeľnej časti spektra, najčastejšie v zelenej až žltej oblasti, od približne 490 nm do 600 nm. Krivky kvantovej účinnosti je možné upraviť pomocou povrchových úprav senzorov a materiálových variantov, aby sa dosiahla maximálna kvantová účinnosť okolo 300 nm v ultrafialovom (UV) spektre, okolo 850 nm v blízkej infračervenej (NIR) oblasti a mnoho ďalších možností medzi tým.
Všetky kremíkové kamery vykazujú pokles kvantovej účinnosti smerom k 1100 nm, pri ktorej fotóny už nemajú dostatok energie na uvoľnenie fotoelektrónov. UV výkon môže byť výrazne obmedzený v senzoroch s mikrošošovkami alebo okenným sklom blokujúcim UV žiarenie, ktoré obmedzuje svetlo s krátkou vlnovou dĺžkou v dosiahnutí senzora.
Medzi tým sú krivky QE zriedka hladké a rovnomerné a namiesto toho často obsahujú malé vrcholy a priehlbiny spôsobené rôznymi materiálovými vlastnosťami a priehľadnosťou materiálov, z ktorých je pixel zložený.
V aplikáciách vyžadujúcich citlivosť na UV alebo NIR môže byť zohľadnenie kriviek kvantovej účinnosti oveľa dôležitejšie, pretože v niektorých kamerách môže byť kvantová účinnosť na extrémnych koncoch krivky mnohonásobne väčšia ako v iných.
Citlivosť na röntgenové žiarenie
Niektoré kremíkové kamerové senzory dokážu pracovať vo viditeľnej časti spektra a zároveň sú schopné detekovať niektoré vlnové dĺžky röntgenového žiarenia. Kamery však zvyčajne vyžadujú špecifické inžinierstvo, aby sa vyrovnali s dopadom röntgenového žiarenia na elektroniku kamery a s vákuovými komorami, ktoré sa bežne používajú na röntgenové experimenty.
Infračervené kamery
Nakoniec, senzory založené nie na kremíku, ale na iných materiáloch, môžu vykazovať úplne odlišné krivky kvantovej regenerácie (QE). Napríklad infračervené kamery InGaAs, založené na arzénide india a gália namiesto kremíka, dokážu detekovať široké rozsahy vlnových dĺžok v blízkej infračervenej oblasti až do maximálnej výšky okolo 2700 nm, v závislosti od variantu senzora.
Kvantová účinnosť v porovnaní s inými špecifikáciami fotoaparátu
Kvantová účinnosť je kľúčovým ukazovateľom výkonu, ale nefunguje izolovane. Tu je jej vzťah k ďalším dôležitým špecifikáciám fotoaparátu:
QE vs. citlivosť
Citlivosť je schopnosť kamery detegovať slabé signály. Kvantitačná efektivita (QE) priamo prispieva k citlivosti, ale úlohu zohrávajú aj ďalšie faktory, ako je veľkosť pixelu, šum pri čítaní a tmavý prúd.
QE vs. pomer signálu k šumu (SNR)
Vyššia kvantová účinnosť (QE) zlepšuje pomer signálu k šumu (SNR) generovaním väčšieho množstva signálu (elektrónov) na fotón. Nadmerný šum v dôsledku zlej elektroniky alebo nedostatočného chladenia však môže stále zhoršiť kvalitu obrazu.
QE vs. dynamický rozsah
Zatiaľ čo kvantové vyváženie (QE) ovplyvňuje množstvo detekovaného svetla, dynamický rozsah opisuje pomer medzi najjasnejšími a najtmavšími signálmi, ktoré dokáže kamera spracovať. Kamera s vysokým kvantovým vyvážením (QE) a slabým dynamickým rozsahom môže stále produkovať podpriemerné výsledky vo vysokokontrastných scénach.
Stručne povedané, kvantová účinnosť je kritická, ale vždy ju hodnotte spolu s doplnkovými špecifikáciami.
Čo je to „dobrá“ kvantová účinnosť?
Neexistuje univerzálne „najlepšie“ kvantové riešenie – záleží to na vašej aplikácii. Napriek tomu uvádzame všeobecné referenčné hodnoty:
| Rozsah kvantitatívneho zabezpečenia | Úroveň výkonu | Prípady použitia |
| <40 % | Nízka | Nie je ideálne na vedecké použitie |
| 40 – 60 % | Priemerný | Vedecké aplikácie na základnej úrovni |
| 60 – 80 % | Dobré | Vhodné pre väčšinu zobrazovacích úloh |
| 80 – 95 % | Vynikajúce | Zobrazovanie pri slabom osvetlení, s vysokou presnosťou alebo s obmedzeným počtom fotónov |
Zvážte tiež porovnanie maximálnej kvantovej efektivity (QE) s priemernou kvantovou efektivitou (QE) v požadovanom spektrálnom rozsahu.
Záver
Kvantová účinnosť je jedným z najdôležitejších, no prehliadaných faktorov pri výbere vedeckého zobrazovacieho zariadenia. Či už hodnotíte CCD, sCMOS kamery alebo CMOS kamery, pochopenie kvantovej účinnosti vám pomôže:
● Predpovedajte, ako sa bude váš fotoaparát správať v reálnych svetelných podmienkach
● Porovnávajte produkty objektívne nad rámec marketingových tvrdení
● Prispôsobte špecifikácie fotoaparátu vašim vedeckým požiadavkám
S pokrokom v technológii senzorov ponúkajú dnešné vedecké kamery s vysokou kvantovou účinnosťou pozoruhodnú citlivosť a všestrannosť v rôznych aplikáciách. Bez ohľadu na to, aký pokročilý je hardvér, výber správneho nástroja začína pochopením toho, ako kvantová účinnosť zapadá do celkového obrazu.
Často kladené otázky
Je vyššia kvantová účinnosť vo vedeckej kamere vždy lepšia?
Vyššia kvantová účinnosť (QE) vo všeobecnosti zlepšuje schopnosť kamery detekovať nízke úrovne svetla, čo je cenné v aplikáciách, ako je fluorescenčná mikroskopia, astronómia a zobrazovanie jednotlivých molekúl. QE je však len jednou časťou vyváženého výkonnostného profilu. Kamera s vysokou kvantovou účinnosťou, slabým dynamickým rozsahom, vysokým šumom pri čítaní alebo nedostatočným chladením môže stále poskytovať neoptimálne výsledky. Pre dosiahnutie najlepšieho výkonu vždy vyhodnoťte QE v kombinácii s ďalšími kľúčovými špecifikáciami, ako je šum, bitová hĺbka a architektúra senzora.
Ako sa meria kvantová účinnosť?
Kvantová účinnosť sa meria osvetlením senzora známym počtom fotónov pri špecifickej vlnovej dĺžke a následným spočítaním počtu elektrónov generovaných senzorom. Toto sa zvyčajne robí pomocou kalibrovaného monochromatického svetelného zdroja a referenčnej fotodiódy. Výsledná hodnota QE sa vynesie do grafu naprieč vlnovými dĺžkami, čím sa vytvorí krivka QE. To pomáha určiť spektrálnu odozvu senzora, ktorá je kľúčová pre prispôsobenie kamery svetelnému zdroju alebo emisnému rozsahu vašej aplikácie.
Môžu softvér alebo externé filtre zlepšiť kvantovú účinnosť?
Nie. Kvantová účinnosť je vnútorná vlastnosť obrazového snímača na úrovni hardvéru a nemožno ju zmeniť softvérom ani externým príslušenstvom. Filtre však môžu zlepšiť celkovú kvalitu obrazu zvýšením pomeru signálu k šumu (napr. použitím emisných filtrov vo fluorescenčných aplikáciách) a softvér môže pomôcť s redukciou šumu alebo s následným spracovaním. Tieto však nemenia samotnú hodnotu kvantovej účinnosti.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
