25.08.2015.У научном снимању, прецизност је све. Без обзира да ли снимате флуоресцентне сигнале при слабом светлу или пратите слабе небеске објекте, способност ваше камере да детектује светлост директно утиче на квалитет ваших резултата. Један од најкритичнијих, али често погрешно схваћених фактора у овој једначини је квантна ефикасност (КЕ).
Овај водич ће вас провести кроз шта је QE, зашто је важан, како тумачити QE спецификације и како се упоређује са различитим типовима сензора. Ако сте у потрази за...научна камераили само покушавате да схватите техничке листове камера, ово је за вас.
Слика: Примери кривих квантне ефикасности (QE) типичне камере Tucsen
(а)Ован 6510(б)Дхјана 6060БСИ(ц)Вага 22
Шта је квантна ефикасност?
Квантна ефикасност је вероватноћа да фотон који доспе до сензора камере буде заправо детектован и ослободи фотоелектрон у силицијуму.
У више фаза путовања фотона ка овој тачки, постоје баријере које могу апсорбовати фотоне или их рефлектовати. Поред тога, ниједан материјал није 100% транспарентан за сваку таласну дужину фотона, плус било какве промене у саставу материјала имају шансу да рефлектују или расеју фотоне.
Изражена као проценат, квантна ефикасност је дефинисана као:
QE (%) = (Број генерисаних електрона / Број упадних фотона) × 100
Постоје две главне врсте:
●Спољни квантитативни ефикатИзмерене перформансе, укључујући ефекте попут губитака рефлексије и преноса.
●Интерни квантитативни ефикатМери ефикасност конверзије унутар самог сензора, под претпоставком да су сви фотони апсорбовани.
Већи QE значи бољу осетљивост на светлост и јаче сигнале слике, посебно у сценаријима са слабом светлошћу или ограниченим фотонима.
Зашто је квантна ефикасност важна код научних камера?
Код снимања је увек корисно снимити што већи проценат долазних фотона, посебно у апликацијама које захтевају високу осетљивост.
Међутим, сензори са високом квантном ефикасношћу имају тенденцију да буду скупљи. То је због инжењерског изазова максимизирања фактора попуњавања уз очување функције пиксела, а такође и због процеса позадинског осветљења. Овај процес, као што ћете сазнати, омогућава највећу квантну ефикасност — али долази са значајно повећаном сложеношћу производње.
Као и код свих спецификација камере, потреба за квантном ефикасношћу мора се увек одмерити у односу на друге факторе за вашу специфичну примену снимања. На пример, увођење глобалног затварача може донети предности за многе примене, али се обично не може имплементирати на BI сензору. Штавише, захтева додавање додатног транзистора пикселу. Ово може смањити фактор попуњавања, а самим тим и квантну ефикасност, чак и у поређењу са другим FI сензорима.
Примери примена где квантни ефикат може бити важан
Неколико примера апликација:
● Снимање нефиксираних биолошких узорака при слабом светлу и флуоресценција
● Брзо снимање
● Квантитативне примене које захтевају високо прецизна мерења интензитета
QE према типу сензора
Различите технологије сензора слике показују различите квантне ефикасности. Ево како се квантна ефикасност обично пореди са главним типовима сензора:
CCD (Charge-Coupled Device)
Традиционално фаворизовани научни модели снимања због ниског нивоа шума и високог квалитета квантне енергије (QE), који често достиже врхунац између 70–90%. CCD уређаји се истичу у применама попут астрономије и снимања са дугом експозицијом.
CMOS (комплементарни метал-оксид-полупроводник)
Некада ограничени нижим квантним ефектом (QE) и већим шумом при читању, модерни CMOS сензори – посебно дизајни са позадинским осветљењем – значајно су их сустигли. Многи сада достижу вршне вредности QE изнад 80%, нудећи одличне перформансе са већим бројем кадрова у секунди и мањом потрошњом енергије.
Истражите наш асортиман напреднихЦМОС камерамодели да би се видело колико је ова технологија напредовала, као што суТусенова Libra 3405M sCMOS камера, научна камера високе осетљивости дизајнирана за захтевне примене у условима слабог осветљења.
sCMOS (научни CMOS)
Специјализована класа CMOS-а дизајнирана за научно снимање,sCMOS камераТехнологија комбинује високу ефикасност квантног ефекта (QE) (типично 70–95%) са ниским нивоом шума, високим динамичким опсегом и брзим снимањем. Идеална је за снимање живих ћелија, брзу микроскопију и вишеканалну флуоресценцију.
Како читати криву квантне ефикасности
Произвођачи обично објављују QE криву која приказује ефикасност (%) у различитим таласним дужинама (nm). Ове криве су неопходне за одређивање како камера функционише у одређеним спектралним опсезима.
Кључни елементи које треба тражити:
●Врхунац квантитативног попуштањаМаксимална ефикасност, често у опсегу од 500–600 nm (зелено светло).
●Распон таласних дужинаУпотребљиви спектрални прозор где QE остаје изнад корисног прага (нпр. >20%).
●Зоне за испуштањеКвантна еволуција (QE) тежи да опада у УВ (<400 nm) и ближњем инфрацрвеном (>800 nm) регионима.
Тумачење ове криве вам помаже да ускладите снаге сензора са вашом применом, без обзира да ли снимате у видљивом спектру, блиском инфрацрвеном или УВ зрачењу.
Зависност квантне ефикасности од таласне дужине
Слика: QE крива која приказује типичне вредности за сензоре на бази силицијума са предњим и задњим осветљењем
НАПОМЕНАГрафик приказује вероватноћу детекције фотона (квантна ефикасност, %) у односу на таласну дужину фотона за четири примера камера. Различите варијанте сензора и премази могу драматично померити ове криве.
Квантна ефикасност у великој мери зависи од таласне дужине, као што је приказано на слици. Већина сензора камера заснованих на силицијуму показује своју вршну квантну ефикасност у видљивом делу спектра, најчешће у зеленој до жутој области, од око 490 nm до 600 nm. Криве квантне ефикасности могу се модификовати премазима сензора и варијантама материјала како би се обезбедила вршна квантна ефикасност око 300 nm у ултраљубичастом (UV), око 850 nm у блиском инфрацрвеном (NIR) зрачењу и многе опције између.
Све камере на бази силицијума показују пад квантне ефикасности према 1100 nm, на којој фотони више немају довољно енергије за ослобађање фотоелектрона. УВ перформансе могу бити озбиљно ограничене код сензора са микросочивима или прозорским стаклом које блокира УВ зрачење, што ограничава светлост кратких таласних дужина да допре до сензора.
Између тога, QE криве ретко су глатке и равномерне, и уместо тога често укључују мале врхове и долине узроковане различитим својствима материјала и транспарентношћу материјала од којих је пиксел састављен.
У апликацијама које захтевају УВ или ближњу инфрацрвену осетљивост, разматрање кривих квантне ефикасности може постати много важније, јер код неких камера квантна ефикасност може бити много пута већа од других на крајњим крајевима криве.
Осетљивост на рендгенске зраке
Неки силицијумски сензори камера могу да раде у делу спектра видљиве светлости, а истовремено су способни да детектују неке таласне дужине рендгенских зрака. Међутим, камере обично захтевају специфичан инжењеринг како би се носиле са утицајем рендгенских зрака на електронику камере и са вакуумским коморама које се генерално користе за рендгенске експерименте.
Инфрацрвене камере
Коначно, сензори који нису базирани на силицијуму већ на другим материјалима могу показивати потпуно различите QE криве. На пример, InGaAs инфрацрвене камере, базиране на индијум-галијум-арсениду уместо силицијума, могу детектовати широк опсег таласних дужина у ближем инфрацрвеном спектру (NIR), до максимума од око 2700 nm, у зависности од варијанте сензора.
Квантна ефикасност у односу на друге спецификације камере
Квантна ефикасност је кључни показатељ перформанси, али не функционише изоловано. Ево како се односи на друге важне спецификације камере:
QE наспрам осетљивости
Осетљивост је способност камере да детектује слабе сигнале. Квантна еволуција (QE) директно доприноси осетљивости, али и други фактори попут величине пиксела, шума при очитавању и тамне струје такође играју улогу.
QE у односу на однос сигнал-шум (SNR)
Већи квантни ефекат (QE) побољшава однос сигнал/шум (SNR) генерисањем више сигнала (електрона) по фотону. Али прекомерни шум, због лоше електронике или неадекватног хлађења, и даље може да деградира слику.
QE у односу на динамички опсег
Док квантни ефекат (QE) утиче на количину детектоване светлости, динамички опсег описује однос између најсветлијих и најтамнијих сигнала које камера може да обради. Камера са високим QE ефектом и лошим динамичким опсегом и даље може дати лошије резултате у сценама са високим контрастом.
Укратко, квантна ефикасност је критична, али је увек процењујте заједно са комплементарним спецификацијама.
Шта је „добра“ квантна ефикасност?
Не постоји универзални „најбољи“ QE – то зависи од ваше примене. Уз то речено, ево општих референтних вредности:
| QE распон | Ниво перформанси | Случајеви употребе |
| <40% | Ниско | Није идеално за научну употребу |
| 40–60% | Просечно | Научне примене почетног нивоа |
| 60–80% | Добро | Погодно за већину задатака снимања |
| 80–95% | Одлично | Снимање при слабом осветљењу, високој прецизности или снимање са ограниченим фотонима |
Такође, размотрите вршни QE у односу на просечни QE у жељеном спектралном опсегу.
Закључак
Квантна ефикасност је један од најважнијих, али занемарених, фактора при избору уређаја за научну обраду слика. Без обзира да ли процењујете CCD, sCMOS камере или CMOS камере, разумевање QE вам помаже да:
● Предвидите како ће се ваш фотоапарат понашати у реалним условима осветљења
● Упоредите производе објективно, изван маркетиншких тврдњи
● Ускладите спецификације камере са својим научним захтевима
Како технологија сензора напредује, данашње научне камере са високим квалитетом квантне ефикасности нуде изузетну осетљивост и свестраност у различитим применама. Али без обзира на то колико је хардвер напредан, избор правог алата почиње разумевањем како се квантна ефикасност уклапа у ширу слику.
Честа питања
Да ли је већа квантна ефикасност увек боља у научној камери?
Већа квантна ефикасност (КЕ) генерално побољшава способност камере да детектује ниске нивое светлости, што је вредно у применама попут флуоресцентне микроскопије, астрономије и снимања појединачних молекула. Међутим, КЕ је само један део уравнотеженог профила перформанси. Камера са високим КЕ, лошим динамичким опсегом, високим шумом при читању или недовољним хлађењем и даље може дати неоптималне резултате. За најбоље перформансе, увек процењујте КЕ у комбинацији са другим кључним спецификацијама као што су шум, дубина бита и архитектура сензора.
Како се мери квантна ефикасност?
Квантна ефикасност се мери осветљавањем сензора познатим бројем фотона на одређеној таласној дужини, а затим бројањем броја електрона које генерише сензор. Ово се обично ради коришћењем калибрисаног монохроматског извора светлости и референтне фотодиоде. Добијена вредност квантне ефикасности (QE) се приказује у различитим таласним дужинама како би се креирала QE крива. Ово помаже у одређивању спектралног одзива сензора, што је кључно за упаривање камере са извором светлости или опсегом емисије ваше примене.
Да ли софтвер или екстерни филтери могу побољшати квантну ефикасност?
Не. Квантна ефикасност је суштинско својство сензора слике на нивоу хардвера и не може се променити софтвером или спољном додатном опремом. Међутим, филтери могу побољшати укупни квалитет слике побољшањем односа сигнал-шум (нпр. коришћењем емисионих филтера у флуоресцентним апликацијама), а софтвер може помоћи у смањењу шума или постпродукцији. Ипак, они не мењају саму вредност квантне ефикасности.
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
