25/08/15Në imazherinë shkencore, saktësia është gjithçka. Pavarësisht nëse po kapni sinjale fluoreshente me dritë të ulët apo po gjurmoni objekte qiellore të zbehta, aftësia e kamerës suaj për të zbuluar dritën ndikon drejtpërdrejt në cilësinë e rezultateve tuaja. Një nga faktorët më kritikë, por shpesh të keqkuptuar, në këtë ekuacion është efikasiteti kuantik (QE).
Ky udhëzues do t'ju shpjegojë se çfarë është QE, pse ka rëndësi, si të interpretoni specifikimet e QE dhe si krahasohet ai në të gjitha llojet e sensorëve. Nëse jeni në kërkim të njëkamera shkencoreose thjesht po përpiqeni t'u kuptoni fletëve të të dhënave të kamerave, kjo është për ju.
Figura: Shembuj të kurbës QE tipike të kamerës në Tucsen
(a)Dashi 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Peshorja 22
Çfarë është Efikasiteti Kuantik?
Efikasiteti Kuantik është gjasat që një foton që arrin sensorin e kamerës të zbulohet në të vërtetë dhe të lëshojë një fotoelektron në silikon.
Në faza të shumta të udhëtimit të fotonit drejt kësaj pike, ekzistojnë barriera që mund të thithin fotonet ose t'i reflektojnë ato. Përveç kësaj, asnjë material nuk është 100% transparent ndaj çdo gjatësie vale të fotonit, plus çdo ndryshim në përbërjen e materialit ka një shans për të reflektuar ose shpërndarë fotonet.
E shprehur si përqindje, efikasiteti kuantik përcaktohet si:
QE (%) = (Numri i elektroneve të gjeneruara / Numri i fotoneve incidente) × 100
Ekzistojnë dy lloje kryesore:
●QE e jashtmePerformancë e matur duke përfshirë efekte si humbjet e reflektimit dhe transmetimit.
●QE e brendshmeMat efikasitetin e konvertimit brenda vetë sensorit, duke supozuar se të gjitha fotonet absorbohen.
Një QE më e lartë do të thotë ndjeshmëri më e mirë ndaj dritës dhe sinjale më të forta të imazhit, veçanërisht në skenarë me dritë të ulët ose me kufizim të fotoneve.
Pse ka rëndësi efikasiteti kuantik në kamerat shkencore?
Në imazhe, është gjithmonë e dobishme të kapim përqindjen më të lartë të fotoneve hyrëse që mundemi, veçanërisht në aplikimet që kërkojnë ndjeshmëri të lartë.
Megjithatë, sensorët me efikasitet të lartë kuantik kanë tendencë të jenë më të shtrenjtë. Kjo për shkak të sfidës inxhinierike të maksimizimit të faktorit të mbushjes duke ruajtur funksionin e pikselëve, si dhe për shkak të procesit të ndriçimit të pasmë. Ky proces, siç do të mësoni, mundëson efikasitetet më të larta kuantike, por vjen me kompleksitet prodhimi dukshëm më të lartë.
Ashtu si të gjitha specifikimet e kamerave, nevoja për efikasitet kuantik duhet të peshohet gjithmonë kundrejt faktorëve të tjerë për aplikacionin tuaj specifik të imazhit. Për shembull, futja e një qepeni global mund të sjellë përparësi për shumë aplikacione, por zakonisht nuk mund të zbatohet në një sensor BI. Për më tepër, kërkon shtimin e një transistori shtesë në piksel. Kjo mund të zvogëlojë faktorin e mbushjes dhe rrjedhimisht efikasitetin kuantik, madje edhe krahasuar me sensorët e tjerë FI.
Shembuj aplikimesh ku QE mund të jetë i rëndësishëm
Disa shembuj aplikimesh:
● Imazhe me dritë të ulët dhe fluoreshencë të mostrave biologjike jo të fiksuara
● Imazhe me shpejtësi të lartë
● Aplikime sasiore që kërkojnë matje me intensitet të lartë me precizion
QE sipas llojit të sensorit
Teknologjitë e ndryshme të sensorëve të imazhit shfaqin efikasitete kuantike të ndryshme. Ja se si krahasohet zakonisht QE në të gjitha llojet kryesore të sensorëve:
CCD (Pajisje e lidhur me ngarkesë)
Tradicionalisht, imazhet shkencore janë të preferuara për shkak të zhurmës së ulët dhe QE-së së lartë, e cila shpesh arrin kulmin midis 70-90%. CCD-të shkëlqejnë në aplikime si astronomia dhe imazhet me ekspozim të gjatë.
CMOS (Gjysmëpërçues Metal-Oksid Plotësues)
Dikur të kufizuar nga QE më e ulët dhe zhurma më e lartë e leximit, sensorët modernë CMOS - veçanërisht modelet me ndriçim nga prapa - e kanë kapur ndjeshëm këtë nivel. Shumë prej tyre tani arrijnë vlera maksimale QE mbi 80%, duke ofruar performancë të shkëlqyer me shpejtësi më të larta kuadrosh dhe konsum më të ulët të energjisë.
Eksploroni gamën tonë të avancuarKamera CMOSmodele për të parë se sa larg ka arritur kjo teknologji, si p.sh.Kamera sCMOS Libra 3405M e Tucsen-it, një kamerë shkencore me ndjeshmëri të lartë e projektuar për aplikime me kërkesa të larta në dritë të ulët.
sCMOS (CMOS Shkencor)
Një klasë e specializuar e CMOS e projektuar për imazhe shkencore,kamera sCMOSTeknologjia kombinon QE të lartë (zakonisht 70–95%) me zhurmë të ulët, gamë të lartë dinamike dhe përftim të shpejtë. Ideale për imazhe të qelizave të gjalla, mikroskopi me shpejtësi të lartë dhe fluoreshencë shumëkanalëshe.
Si të Lexohet një Kurbë e Efikasitetit Kuantik
Prodhuesit zakonisht publikojnë një kurbë QE që paraqet efikasitetin (%) përgjatë gjatësive të valëve (nm). Këto kurba janë thelbësore për të përcaktuar se si funksionon një aparat fotografik në diapazone specifike spektrale.
Elementet kryesore për të kërkuar:
●Kulmi i QE-sëEfikasiteti maksimal, shpesh në diapazonin 500–600 nm (drita jeshile).
●Diapazoni i gjatësisë së valësDritarja spektrale e përdorshme ku QE mbetet mbi një prag të dobishëm (p.sh., >20%).
●Zonat e ZbritjesQE tenton të bjerë në rajonet UV (<400 nm) dhe NIR (>800 nm).
Interpretimi i kësaj kurbe ju ndihmon të përputhni pikat e forta të sensorit me aplikimin tuaj, pavarësisht nëse po xhironi imazhe në spektrin e dukshëm, infra të kuqe të afërt ose UV.
Varësia e Efiçiencës Kuantike nga Gjatësia e Valës
Figura: Kurba QE që tregon vlerat tipike për sensorët e bazuar në silikon me ndriçim përpara dhe prapa
SHËNIMGrafiku tregon mundësinë e zbulimit të fotoneve (efikasiteti kuantik, %) kundrejt gjatësisë së valës së fotoneve për katër kamera shembullore. Variante dhe veshje të ndryshme të sensorëve mund t'i zhvendosin këto kurba në mënyrë dramatike.
Efikasiteti kuantik varet shumë nga gjatësia e valës, siç tregohet në figurë. Shumica e sensorëve të kamerave me bazë silikoni shfaqin efikasitetin e tyre kuantik maksimal në pjesën e dukshme të spektrit, më së shpeshti në rajonin jeshil në të verdhë, nga rreth 490 nm në 600 nm. Kurbat QE mund të modifikohen përmes veshjeve të sensorëve dhe varianteve të materialeve për të siguruar QE maksimale rreth 300 nm në ultravjollcë (UV), rreth 850 nm në infra të kuqe të afërt (NIR) dhe shumë opsione midis tyre.
Të gjitha kamerat me bazë silikoni shfaqin një rënie në efikasitetin kuantik drejt 1100 nm, në të cilën fotonet nuk kanë më energji të mjaftueshme për të lëshuar fotoelektrone. Performanca UV mund të jetë shumë e kufizuar në sensorët me mikrolente ose xham dritareje që bllokon UV, të cilët kufizojnë dritën me gjatësi vale të shkurtër që të arrijë sensorin.
Ndërmjet tyre, kurbat QE rrallë janë të lëmuara dhe të njëtrajtshme, dhe në vend të kësaj shpesh përfshijnë maja dhe lugina të vogla të shkaktuara nga vetitë e ndryshme të materialit dhe transparenca e materialeve nga të cilat përbëhet pikseli.
Në aplikimet që kërkojnë ndjeshmëri ndaj rrezeve UV ose NIR, marrja në konsideratë e kurbave të efikasitetit kuantik mund të bëhet shumë më e rëndësishme, pasi në disa kamera efikasiteti kuantik mund të jetë shumë herë më i madh se të tjerët në skajet ekstreme të kurbës.
Ndjeshmëria ndaj rrezeve X
Disa sensorë kamerash silikoni mund të funksionojnë në pjesën e dritës së dukshme të spektrit, ndërkohë që janë gjithashtu të aftë të zbulojnë disa gjatësi vale të rrezeve X. Megjithatë, kamerat zakonisht kërkojnë inxhinieri specifike për t'u përballur si me ndikimin e rrezeve X në elektronikën e kamerave, ashtu edhe me dhomat e vakumit që përdoren përgjithësisht për eksperimentet me rreze X.
Kamera me infra të kuqe
Së fundmi, sensorët e bazuar jo në silikon, por në materiale të tjera mund të shfaqin kurba krejtësisht të ndryshme QE. Për shembull, kamerat infra të kuqe InGaAs, të bazuara në Indium Gallium Arsenid në vend të silikonit, mund të zbulojnë diapazon të gjerë gjatësie vale në NIR, deri në një maksimum prej rreth 2700 nm, varësisht nga varianti i sensorit.
Efikasiteti Kuantik kundrejt Specifikimeve të Tjera të Kamerës
Efikasiteti kuantik është një metrikë kyçe e performancës, por nuk funksionon e izoluar. Ja se si lidhet me specifikimet e tjera të rëndësishme të kameras:
QE kundrejt Ndjeshmërisë
Ndjeshmëria është aftësia e kamerës për të zbuluar sinjale të zbehta. QE kontribuon drejtpërdrejt në ndjeshmëri, por faktorë të tjerë si madhësia e pikselit, zhurma e leximit dhe rryma e errët luajnë gjithashtu një rol.
QE kundrejt Raportit Sinjali-Zhurmë (SNR)
Një QE më e lartë përmirëson SNR-në duke gjeneruar më shumë sinjal (elektrone) për foton. Por zhurma e tepërt, për shkak të elektronikës së dobët ose ftohjes së pamjaftueshme, mund ta degradojë përsëri imazhin.
QE kundrejt Diapazonit Dinamik
Ndërsa QE ndikon në sasinë e dritës që zbulohet, diapazoni dinamik përshkruan raportin midis sinjaleve më të ndritshme dhe më të errëta që kamera mund të trajtojë. Një kamera me QE të lartë me diapazon dinamik të dobët mund të japë rezultate jo të mira në skena me kontrast të lartë.
Shkurt, efikasiteti kuantik është kritik, por gjithmonë vlerësojeni atë së bashku me specifikimet plotësuese.
Çfarë është një efikasitet kuantik "i mirë"?
Nuk ka një QE universale "më të mirë"—kjo varet nga aplikimi juaj. Megjithatë, këtu janë disa pika referimi të përgjithshme:
| Diapazoni QE | Niveli i Performancës | Rastet e përdorimit |
| <40% | I ulët | Jo ideal për përdorim shkencor |
| 40–60% | Mesatarja | Aplikime shkencore për nivelin fillestar |
| 60–80% | Mirë | I përshtatshëm për shumicën e detyrave të imazherisë |
| 80–95% | Shkëlqyeshëm | Imazhe me dritë të ulët, saktësi të lartë ose të kufizuara nga fotonet |
Gjithashtu, merrni në konsideratë QE-në maksimale kundrejt QE-së mesatare në të gjithë diapazonin spektral të dëshiruar.
Përfundim
Efikasiteti kuantik është një nga faktorët më të rëndësishëm, por që anashkalohet, në zgjedhjen e një pajisjeje shkencore të imazhit. Pavarësisht nëse po vlerësoni CCD, kamera sCMOS ose kamera CMOS, të kuptuarit e QE ju ndihmon:
● Parashikoni se si do të funksionojë kamera juaj në kushte ndriçimi reale
● Krahasoni produktet në mënyrë objektive përtej pretendimeve të marketingut
● Përputhni specifikimet e kamerës me kërkesat tuaja shkencore
Ndërsa teknologjia e sensorëve përparon, kamerat shkencore me QE të lartë të sotme ofrojnë ndjeshmëri dhe shkathtësi të jashtëzakonshme në aplikime të ndryshme. Por, pavarësisht se sa të përparuara janë pajisjet, zgjedhja e mjetit të duhur fillon me të kuptuarit se si efikasiteti kuantik përshtatet në pamjen e përgjithshme.
Pyetje të shpeshta
A është gjithmonë më mirë efikasiteti kuantik më i lartë në një aparat fotografik shkencor?
Efikasiteti më i lartë kuantik (QE) në përgjithësi përmirëson aftësinë e një kamere për të zbuluar nivele të ulëta drite, gjë që është e vlefshme në aplikime si mikroskopia fluoreshente, astronomia dhe imazheria me një molekulë të vetme. Megjithatë, QE është vetëm një pjesë e një profili të ekuilibruar të performancës. Një kamerë me QE të lartë me gamë dinamike të dobët, zhurmë të lartë leximi ose ftohje të pamjaftueshme mund të japë ende rezultate jo optimale. Për performancën më të mirë, vlerësoni gjithmonë QE në kombinim me specifikime të tjera kryesore si zhurma, thellësia e bitit dhe arkitektura e sensorit.
Si matet efikasiteti kuantik?
Efikasiteti kuantik matet duke ndriçuar një sensor me një numër të njohur fotonesh në një gjatësi vale specifike dhe më pas duke numëruar numrin e elektroneve të gjeneruara nga sensori. Kjo zakonisht bëhet duke përdorur një burim drite monokromatik të kalibruar dhe një fotodiodë referimi. Vlera QE që rezulton paraqitet në grafik përgjatë gjatësive të valëve për të krijuar një kurbë QE. Kjo ndihmon në përcaktimin e përgjigjes spektrale të sensorit, e cila është kritike për përputhjen e kamerës me burimin e dritës ose diapazonin e emetimit të aplikacionit tuaj.
A mund ta përmirësojnë softuerët ose filtrat e jashtëm efikasitetin kuantik?
Jo. Efikasiteti Kuantik është një veti e brendshme, në nivel hardueri, e sensorit të imazhit dhe nuk mund të ndryshohet nga softueri ose aksesorët e jashtëm. Megjithatë, filtrat mund të përmirësojnë cilësinë e përgjithshme të imazhit duke përmirësuar raportin sinjal-zhurmë (p.sh., duke përdorur filtra emetimi në aplikacionet e fluoreshencës), dhe softueri mund të ndihmojë me uljen e zhurmës ose përpunimin pas saj. Megjithatë, këto nuk e ndryshojnë vetë vlerën QE.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
