25. 8. 2015Pri znanstvenem slikanju je natančnost vse. Ne glede na to, ali zajemate fluorescenčne signale pri šibki svetlobi ali sledite šibkim nebesnim objektom, sposobnost vašega fotoaparata za zaznavanje svetlobe neposredno vpliva na kakovost vaših rezultatov. Eden najpomembnejših, a pogosto napačno razumljenih dejavnikov v tej enačbi je kvantna učinkovitost (QE).
Ta vodnik vas bo seznanil s tem, kaj je QE, zakaj je pomemben, kako razlagati specifikacije QE in kako se primerja med različnimi vrstami senzorjev. Če iščeteznanstvena kameraali pa samo poskušate razumeti podatkovne liste fotoaparatov, je to za vas.
Slika: Primeri tipičnih krivulj kvantne učinkovitosti kamere Tucsen
(a)Oven 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Tehtnica 22
Kaj je kvantna učinkovitost?
Kvantna učinkovitost je verjetnost, da bo foton, ki doseže senzor kamere, dejansko zaznan in sprosti fotoelektron v siliciju.
Na več stopnjah poti fotona do te točke obstajajo ovire, ki lahko absorbirajo fotone ali jih odbijejo. Poleg tega noben material ni 100 % prozoren za vsako valovno dolžino fotona, poleg tega pa lahko kakršne koli spremembe v sestavi materiala odbijejo ali razpršijo fotone.
Izražena v odstotkih, je kvantna učinkovitost definirana kot:
QE (%) = (število ustvarjenih elektronov / število vpadnih fotonov) × 100
Obstajata dve glavni vrsti:
●Zunanji kvantitativni učinek (QE)Izmerjena zmogljivost, vključno z učinki, kot so odbojne in prenosne izgube.
●Notranje kvantitativno izkoriščanje: Meri učinkovitost pretvorbe znotraj samega senzorja, ob predpostavki, da so vsi fotoni absorbirani.
Višja kvantna učinkovitost (QE) pomeni boljšo svetlobno občutljivost in močnejše slikovne signale, zlasti pri šibki svetlobi ali omejenem številu fotonov.
Zakaj je kvantna učinkovitost pomembna pri znanstvenih kamerah?
Pri slikanju je vedno koristno zajeti čim večji odstotek vhodnih fotonov, zlasti pri aplikacijah, ki zahtevajo visoko občutljivost.
Vendar pa so senzorji z visoko kvantno učinkovitostjo običajno dražji. To je posledica inženirskega izziva maksimiranja faktorja polnjenja ob hkratnem ohranjanju delovanja slikovnih pik, pa tudi zaradi postopka osvetlitve ozadja. Ta postopek, kot boste izvedeli, omogoča najvišjo kvantno učinkovitost, vendar je s tem povezana znatno večja kompleksnost izdelave.
Kot pri vseh specifikacijah kamere je treba potrebo po kvantni učinkovitosti vedno pretehtati glede na druge dejavnike za vašo specifično aplikacijo slikanja. Na primer, uvedba globalnega zaklopa lahko prinese prednosti za številne aplikacije, vendar je običajno ni mogoče implementirati na BI senzorju. Poleg tega zahteva dodatek dodatnega tranzistorja slikovni piki. To lahko zmanjša faktor polnjenja in s tem kvantno učinkovitost, tudi v primerjavi z drugimi FI senzorji.
Primeri aplikacij, kjer je lahko kvantno učinkovitost pomembna
Nekaj primerov aplikacij:
● Slikanje nefiksiranih bioloških vzorcev pri šibki svetlobi in fluorescenca
● Visokohitrostno slikanje
● Kvantitativne aplikacije, ki zahtevajo visoko natančne meritve intenzivnosti
QE glede na vrsto senzorja
Različne tehnologije slikovnih senzorjev kažejo različno kvantno učinkovitost. Tukaj je opisano, kako se kvantna učinkovitost običajno primerja med glavnimi tipi senzorjev:
CCD (nabojno sklopljena naprava)
Tradicionalno so bili priljubljeni pri znanstvenem slikanju zaradi nizkega šuma in visokega kvantnega učinka (QE), ki pogosto doseže vrh med 70 in 90 %. CCD-ji so odlični v aplikacijah, kot sta astronomija in slikanje z dolgo osvetlitvijo.
CMOS (komplementarni kovinsko-oksidno-polprevodniški)
Sodobni CMOS senzorji, zlasti modeli z osvetlitvijo od zadaj, ki so jih nekoč omejevali nižji kvantni učinek (QE) in višji bralni šum, so ta trend znatno dohiteli. Mnogi zdaj dosegajo najvišje vrednosti QE nad 80 %, kar ponuja odlično zmogljivost z višjo hitrostjo sličic in manjšo porabo energije.
Raziščite našo ponudbo naprednihCMOS kameramodeli, da vidimo, kako daleč je prišla ta tehnologija, kot na primerTucsenova sCMOS kamera Libra 3405M, visokoobčutljiva znanstvena kamera, zasnovana za zahtevne aplikacije pri šibki svetlobi.
sCMOS (znanstveni CMOS)
Specializiran razred CMOS, zasnovan za znanstveno slikanje,sCMOS kameraTehnologija združuje visoko kvantno učinkovitost (QE) (običajno 70–95 %) z nizkim šumom, visokim dinamičnim razponom in hitrim zajemanjem. Idealna za slikanje živih celic, visokohitrostno mikroskopijo in večkanalno fluorescenco.
Kako brati krivuljo kvantne učinkovitosti
Proizvajalci običajno objavijo krivuljo kvantne učinkovitosti (QE), ki prikazuje učinkovitost (%) po valovnih dolžinah (nm). Te krivulje so bistvene za določanje delovanja kamere v določenih spektralnih območjih.
Ključni elementi, ki jih je treba iskati:
●Vrhunsko kvantitativno sproščanjeNajvečja učinkovitost, pogosto v območju 500–600 nm (zelena luč).
●Območje valovnih dolžinUporabno spektralno okno, kjer QE ostane nad uporabnim pragom (npr. > 20 %).
●Območja odlaganjaKvantna učinkovitost (QE) se v UV (<400 nm) in NIR (>800 nm) območju ponavadi zmanjšuje.
Razlaga te krivulje vam pomaga uskladiti prednosti senzorja z vašo aplikacijo, ne glede na to, ali slikate v vidnem spektru, bližnjem infrardečem ali UV-sevanju.
Odvisnost kvantne učinkovitosti od valovne dolžine
Slika: Krivulja QE, ki prikazuje tipične vrednosti za senzorje na osnovi silicija z osvetlitvijo od spredaj in od zadaj
OPOMBAGraf prikazuje verjetnost zaznavanja fotona (kvantna učinkovitost, %) glede na valovno dolžino fotona za štiri primere kamer. Različne različice senzorjev in premazi lahko te krivulje dramatično premaknejo.
Kvantna učinkovitost je zelo odvisna od valovne dolžine, kot je prikazano na sliki. Večina senzorjev kamer na osnovi silicija kaže svojo najvišjo kvantno učinkovitost v vidnem delu spektra, najpogosteje v zelenem do rumenem območju, od približno 490 nm do 600 nm. Krivulje kvantne učinkovitosti (QE) je mogoče spremeniti s premazi senzorjev in različicami materialov, da se zagotovi najvišja kvantna učinkovitost okoli 300 nm v ultravijoličnem (UV) območju, okoli 850 nm v bližnjem infrardečem (NIR) območju in veliko možnosti vmes.
Vse kamere na osnovi silicija kažejo upad kvantne učinkovitosti proti 1100 nm, pri kateri fotoni nimajo več dovolj energije za sproščanje fotoelektronov. UV-zmogljivost je lahko močno omejena pri senzorjih z mikrolečami ali okenskim steklom, ki blokira UV-žarke in preprečuje, da bi kratkovalovna svetloba dosegla senzor.
Vmes so krivulje QE redko gladke in enakomerne, temveč pogosto vključujejo majhne vrhove in doline, ki jih povzročajo različne lastnosti materialov in prosojnosti materialov, iz katerih je sestavljen slikovni element.
V aplikacijah, ki zahtevajo občutljivost na UV ali NIR, je lahko upoštevanje krivulj kvantne učinkovitosti veliko bolj pomembno, saj je pri nekaterih kamerah kvantna učinkovitost na skrajnih koncih krivulje lahko večkrat večja od drugih.
Občutljivost na rentgenske žarke
Nekateri silicijevi senzorji kamer lahko delujejo v vidnem delu spektra, hkrati pa so sposobni zaznati tudi nekatere valovne dolžine rentgenskih žarkov. Vendar pa kamere običajno zahtevajo posebno inženirstvo, da se spopadejo tako z vplivom rentgenskih žarkov na elektroniko kamere kot tudi z vakuumskimi komorami, ki se običajno uporabljajo za rentgenske poskuse.
Infrardeče kamere
Končno lahko senzorji, ki ne temeljijo na siliciju, temveč na drugih materialih, kažejo popolnoma drugačne krivulje kvantne učinkovitosti (QE). Na primer, infrardeče kamere InGaAs, ki namesto silicija temeljijo na indij-galijevem arzenidu, lahko zaznajo širok razpon valovnih dolžin v bližnjem infrardečem območju, do največ 2700 nm, odvisno od različice senzorja.
Kvantna učinkovitost v primerjavi z drugimi specifikacijami kamere
Kvantna učinkovitost je ključna metrika zmogljivosti, vendar ne deluje ločeno. Takole je povezana z drugimi pomembnimi specifikacijami kamere:
QE v primerjavi z občutljivostjo
Občutljivost je sposobnost kamere, da zazna šibke signale. Kvantna energija (QE) neposredno prispeva k občutljivosti, vendar igrajo vlogo tudi drugi dejavniki, kot so velikost slikovnih pik, bralni šum in temni tok.
QE v primerjavi z razmerjem signal/šum (SNR)
Višji kvantni izkoristek (QE) izboljša razmerje signal-šum (SNR) z generiranjem več signala (elektronov) na foton. Vendar pa lahko prekomerni šum zaradi slabe elektronike ali neustreznega hlajenja še vedno poslabša sliko.
QE v primerjavi z dinamičnim razponom
Medtem ko kvantni učinek (QE) vpliva na količino zaznane svetlobe, dinamični razpon opisuje razmerje med najsvetlejšimi in najtemnejšimi signali, ki jih kamera lahko obdela. Kamera z visokim QE in slabim dinamičnim razponom lahko še vedno ustvari podpovprečne rezultate v prizorih z visokim kontrastom.
Skratka, kvantna učinkovitost je ključnega pomena, vendar jo vedno ocenjujte skupaj z dopolnilnimi specifikacijami.
Kaj je "dobra" kvantna učinkovitost?
Ni univerzalnega "najboljšega" kvantnega učinka – odvisno je od vaše aplikacije. Kljub temu so tukaj splošna merila uspešnosti:
| Območje kvantitativnega izkoriščanja | Raven zmogljivosti | Primeri uporabe |
| <40 % | Nizko | Ni idealno za znanstveno uporabo |
| 40–60 % | Povprečje | Znanstvene aplikacije za začetnike |
| 60–80 % | Dobro | Primerno za večino slikovnih opravil |
| 80–95 % | Odlično | Slikanje pri šibki svetlobi, visoko natančnost ali slikanje z omejenim številom fotonov |
Upoštevajte tudi najvišjo kvantno učinkovitost (QE) v primerjavi s povprečno kvantno učinkovitostjo v želenem spektralnem območju.
Zaključek
Kvantna učinkovitost je eden najpomembnejših, a spregledanih dejavnikov pri izbiri znanstvene slikovne naprave. Ne glede na to, ali ocenjujete CCD-je, sCMOS kamere ali CMOS kamere, vam razumevanje kvantne učinkovitosti pomaga:
● Predvidite, kako se bo vaš fotoaparat obnesel v resničnih svetlobnih pogojih
● Izdelke primerjajte objektivno, ne glede na trženjske trditve
● Uskladite specifikacije kamere z vašimi znanstvenimi zahtevami
Z napredkom tehnologije senzorjev današnje znanstvene kamere z visoko kvantno učinkovitostjo ponujajo izjemno občutljivost in vsestranskost v različnih aplikacijah. Ne glede na to, kako napredna je strojna oprema, pa se izbira pravega orodja začne z razumevanjem, kako se kvantna učinkovitost ujema s širšo sliko.
Pogosta vprašanja
Ali je višja kvantna učinkovitost vedno boljša v znanstveni kameri?
Višja kvantna učinkovitost (QE) na splošno izboljša sposobnost kamere za zaznavanje nizkih ravni svetlobe, kar je dragoceno v aplikacijah, kot so fluorescenčna mikroskopija, astronomija in slikanje posameznih molekul. Vendar pa je QE le del uravnoteženega profila delovanja. Kamera z visoko kvantno učinkovitostjo, slabim dinamičnim razponom, visokim bralnim šumom ali nezadostnim hlajenjem lahko še vedno daje neoptimalne rezultate. Za najboljšo zmogljivost vedno ocenite QE v kombinaciji z drugimi ključnimi specifikacijami, kot so šum, bitna globina in arhitektura senzorja.
Kako se meri kvantna učinkovitost?
Kvantna učinkovitost se meri tako, da se senzor osvetli z znanim številom fotonov pri določeni valovni dolžini, nato pa se prešteje število elektronov, ki jih ustvari senzor. To se običajno izvede z uporabo kalibriranega monokromatskega svetlobnega vira in referenčne fotodiode. Nastala vrednost QE se prikaže na grafu po valovnih dolžinah, da se ustvari krivulja QE. To pomaga določiti spektralni odziv senzorja, kar je ključnega pomena za ujemanje kamere z virom svetlobe ali emisijskim območjem vaše aplikacije.
Ali lahko programska oprema ali zunanji filtri izboljšajo kvantno učinkovitost?
Ne. Kvantna učinkovitost je intrinzična lastnost slikovnega senzorja na ravni strojne opreme in je ni mogoče spremeniti s programsko opremo ali zunanjo dodatno opremo. Vendar pa lahko filtri izboljšajo splošno kakovost slike z izboljšanjem razmerja signal/šum (npr. uporaba emisijskih filtrov v fluorescenčnih aplikacijah), programska oprema pa lahko pomaga pri zmanjševanju šuma ali naknadni obdelavi. Kljub temu pa ti filtri ne spremenijo same vrednosti kvantne učinkovitosti.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
