25/08/15Inom vetenskaplig avbildning är precision allt. Oavsett om du fångar fluorescenssignaler i svagt ljus eller spårar svaga himlakroppar, påverkar din kameras förmåga att detektera ljus direkt kvaliteten på dina resultat. En av de viktigaste, men ofta missförstådda, faktorerna i denna ekvation är kvanteffektivitet (QE).
Den här guiden går igenom vad QE är, varför det är viktigt, hur man tolkar QE-specifikationer och hur det jämförs mellan olika sensortyper. Om du letar efter envetenskaplig kameraeller bara försöker förstå kamerans datablad, så är det här för dig.
Figur: Exempel på typiska QE-kurvor för Tucsens kameror
(a)Väduren 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Vågen 22
Vad är kvanteffektivitet?
Kvanteffektivitet är sannolikheten för att en foton som når kamerasensorn faktiskt detekteras och frigör en fotoelektron i kiseln.
I flera steg i fotonens resa mot denna punkt finns det barriärer som kan absorbera fotoner eller reflektera bort dem. Dessutom är inget material 100 % transparent för varje fotonvåglängd, och eventuella förändringar i materialets sammansättning har en chans att reflektera eller sprida fotoner.
Uttryckt som procent definieras kvanteffektivitet som:
QE (%) = (Antal genererade elektroner / Antal infallande fotoner) × 100
Det finns två huvudtyper:
●Extern kvantitativ lättnadUppmätt prestanda inklusive effekter som reflektion och transmissionsförluster.
●Intern kvantitativ emissionMäter omvandlingseffektiviteten i själva sensorn, förutsatt att alla fotoner absorberas.
Högre QE innebär bättre ljuskänslighet och starkare bildsignaler, särskilt i scenarier med svagt ljus eller fotonbegränsade mängder.
Varför spelar kvanteffektivitet roll i vetenskapliga kameror?
Vid avbildning är det alltid bra att fånga den högsta andelen inkommande fotoner som möjligt, särskilt i tillämpningar som kräver hög känslighet.
Sensorer med hög kvanteffektivitet tenderar dock att vara dyrare. Detta beror på den tekniska utmaningen att maximera fyllnadsfaktorn samtidigt som pixelfunktionen bibehålls, och även på grund av bakgrundsbelysningsprocessen. Denna process, som du kommer att lära dig, möjliggör högsta kvanteffektivitet – men den kommer med betydligt ökad tillverkningskomplexitet.
Liksom alla kameraspecifikationer måste behovet av kvanteffektivitet alltid vägas mot andra faktorer för din specifika bildapplikation. Till exempel kan införandet av en global slutare ge fördelar för många applikationer, men kan vanligtvis inte implementeras på en BI-sensor. Dessutom kräver det tillägg av en extra transistor till pixeln. Detta kan minska fyllningsfaktorn och därmed kvanteffektiviteten, även jämfört med andra FI-sensorer.
Exempel på tillämpningar där kvantitativa lösningar kan vara viktiga
Några exempelapplikationer:
● Avbildning av icke-fixerade biologiska prover i svagt ljus och fluorescens
● Höghastighetsavbildning
● Kvantitativa tillämpningar som kräver högprecisionsintensitetsmätningar
QE efter sensortyp
Olika bildsensortekniker uppvisar olika kvanteffektivitet. Så här jämförs kvantekvation mellan större sensortyper:
CCD (laddningskopplad enhet)
Traditionellt har vetenskaplig avbildning varit populär på grund av deras låga brus och höga QE, ofta med en topp på mellan 70 och 90 %. CCD-kameror utmärker sig inom tillämpningar som astronomi och avbildning med lång exponering.
CMOS (komplementär metalloxidhalvledare)
Moderna CMOS-sensorer – särskilt bakbelysta konstruktioner – som en gång begränsades av lägre QE och högre läsbrus, har kommit ikapp avsevärt. Många når nu maximala QE-värden över 80 %, vilket erbjuder utmärkt prestanda med snabbare bildfrekvenser och lägre strömförbrukning.
Utforska vårt utbud av avanceradeCMOS-kameramodeller för att se hur långt den här tekniken har kommit, somTucsens Libra 3405M sCMOS-kamera, en högkänslig vetenskaplig kamera utformad för krävande tillämpningar i svagt ljus.
sCMOS (Vetenskaplig CMOS)
En specialiserad klass av CMOS utformad för vetenskaplig avbildning,sCMOS-kameraTekniken kombinerar hög QE (vanligtvis 70–95 %) med lågt brus, högt dynamiskt omfång och snabb bildtagning. Idealisk för avbildning av levande celler, höghastighetsmikroskopi och flerkanalig fluorescens.
Hur man läser en kvanteffektivitetskurva
Tillverkare publicerar vanligtvis en QE-kurva som visar effektiviteten (%) över våglängder (nm). Dessa kurvor är viktiga för att avgöra hur en kamera presterar inom specifika spektralområden.
Viktiga element att leta efter:
●Maximal kvantitativ estimat (QE)Maximal effektivitet, ofta i intervallet 500–600 nm (grönt ljus).
●Våglängdsområde: Det användbara spektralfönstret där QE förblir över ett användbart tröskelvärde (t.ex. >20 %).
●AvlämningszonerQE tenderar att avta i UV- (<400 nm) och NIR- (>800 nm) regionerna.
Att tolka den här kurvan hjälper dig att matcha sensorns styrkor med din tillämpning, oavsett om du avbildar i det synliga spektrumet, nära infrarött eller UV.
Våglängdsberoende av kvanteffektivitet
Figur: QE-kurva som visar typiska värden för fram- och bakbelysta kiselbaserade sensorer
NOTERADiagrammet visar sannolikheten för fotondetektering (kvantverkningsgrad, %) kontra fotonvåglängd för fyra exempelkameror. Olika sensorvarianter och beläggningar kan förändra dessa kurvor dramatiskt.
Kvanteffektiviteten är starkt våglängdsberoende, som visas i figuren. Majoriteten av kiselbaserade kamerasensorer uppvisar sin maximala kvanteffektivitet i den synliga delen av spektrumet, oftast i det gröna till gula området, från cirka 490 nm till 600 nm. QE-kurvor kan modifieras genom sensorbeläggningar och materialvarianter för att ge maximal QE runt 300 nm i ultraviolett (UV), cirka 850 nm i nära infrarött (NIR), och många alternativ däremellan.
Alla kiselbaserade kameror uppvisar en minskning av kvanteffektiviteten mot 1100 nm, där fotoner inte längre har tillräckligt med energi för att frigöra fotoelektroner. UV-prestanda kan vara kraftigt begränsad i sensorer med mikrolinser eller UV-blockerande fönsterglas, vilket hindrar kortvågigt ljus från att nå sensorn.
Däremellan är QE-kurvor sällan släta och jämna, utan innehåller istället ofta små toppar och dalar orsakade av de olika materialegenskaperna och genomskinligheterna hos de material som pixeln är sammansatt av.
I tillämpningar som kräver UV- eller NIR-känslighet kan det bli mycket viktigare att beakta kvanteffektivitetskurvor, eftersom kvanteffektiviteten i vissa kameror kan vara många gånger större än andra i kurvans extrema ändar.
Röntgenkänslighet
Vissa kiselkamerasensorer kan arbeta i den synliga ljusdelen av spektrumet, samtidigt som de kan detektera vissa våglängder av röntgenstrålar. Kameror kräver dock vanligtvis specifik teknik för att hantera både röntgenstrålningens inverkan på kameraelektronik och de vakuumkammare som vanligtvis används för röntgenexperiment.
Infraröda kameror
Slutligen kan sensorer som inte är baserade på kisel utan på andra material uppvisa helt andra QE-kurvor. Till exempel kan InGaAs-infraröda kameror, baserade på indium-galliumarsenid istället för kisel, detektera breda våglängdsområden i NIR, upp till maximalt cirka 2700 nm, beroende på sensorvariant.
Kvanteffektivitet jämfört med andra kameraspecifikationer
Kvanteffektivitet är ett viktigt prestandamått, men det fungerar inte isolerat. Så här relaterar det till andra viktiga kameraspecifikationer:
QE kontra känslighet
Känslighet är kamerans förmåga att upptäcka svaga signaler. QE bidrar direkt till känsligheten, men andra faktorer som pixelstorlek, läsbrus och mörkström spelar också en roll.
QE kontra signal-brusförhållande (SNR)
En högre QE förbättrar signal-brusförhållandet (SNR) genom att generera fler signaler (elektroner) per foton. Men för mycket brus, på grund av dålig elektronik eller otillräcklig kylning, kan fortfarande försämra bilden.
QE kontra dynamiskt omfång
Medan QE påverkar hur mycket ljus som detekteras, beskriver dynamiskt omfång förhållandet mellan de ljusaste och mörkaste signalerna som kameran kan hantera. En kamera med hög QE och dåligt dynamiskt omfång kan fortfarande producera undermåliga resultat i scener med hög kontrast.
Kort sagt, kvanteffektivitet är avgörande, men utvärdera den alltid tillsammans med kompletterande specifikationer.
Vad är en "bra" kvanteffektivitet?
Det finns ingen universell "bästa" kvantitativ emission – det beror på din tillämpning. Med det sagt, här är allmänna riktmärken:
| QE-intervall | Prestandanivå | Användningsfall |
| <40 % | Låg | Inte idealisk för vetenskapligt bruk |
| 40–60 % | Genomsnitt | Vetenskapliga tillämpningar på ingångsnivå |
| 60–80 % | Bra | Lämplig för de flesta bildbehandlingsuppgifter |
| 80–95 % | Excellent | Avbildning i svagt ljus, hög precision eller fotonbegränsad |
Tänk också på maximal QE kontra genomsnittlig QE över ditt önskade spektralområde.
Slutsats
Kvanteffektivitet är en av de viktigaste, men ändå förbisedda, faktorerna när man väljer en vetenskaplig bildbehandlingsenhet. Oavsett om du utvärderar CCD-kameror, sCMOS-kameror eller CMOS-kameror, hjälper förståelse för kvantitativ effektivitet dig att:
● Förutsäg hur din kamera kommer att prestera under verkliga ljusförhållanden
● Jämför produkter objektivt utöver marknadsföringspåståenden
● Matcha kameraspecifikationerna med dina vetenskapliga krav
I takt med att sensortekniken utvecklas erbjuder dagens vetenskapliga kameror med hög kvantitetseffektivitet anmärkningsvärd känslighet och mångsidighet för en mängd olika tillämpningar. Men oavsett hur avancerad hårdvaran är, börjar valet av rätt verktyg med att förstå hur kvanteffektivitet passar in i den större bilden.
Vanliga frågor
Är högre kvanteffektivitet alltid bättre i en vetenskaplig kamera?
Högre kvanteffektivitet (QE) förbättrar generellt sett en kameras förmåga att detektera låga ljusnivåer, vilket är värdefullt i tillämpningar som fluorescensmikroskopi, astronomi och avbildning av enskilda molekyler. QE är dock bara en del av en balanserad prestandaprofil. En kamera med hög QE, dåligt dynamiskt omfång, högt läsbrus eller otillräcklig kylning kan fortfarande ge suboptimala resultat. För bästa prestanda, utvärdera alltid QE i kombination med andra viktiga specifikationer som brus, bitdjup och sensorarkitektur.
Hur mäts kvanteffektivitet?
Kvanteffektivitet mäts genom att belysa en sensor med ett känt antal fotoner vid en specifik våglängd och sedan räkna antalet elektroner som genereras av sensorn. Detta görs vanligtvis med hjälp av en kalibrerad monokromatisk ljuskälla och en referensfotodiod. Det resulterande QE-värdet plottas över våglängderna för att skapa en QE-kurva. Detta hjälper till att bestämma sensorns spektralrespons, vilket är avgörande för att matcha kameran till din applikations ljuskälla eller emissionsområde.
Kan programvara eller externa filter förbättra kvanteffektiviteten?
Nej. Kvanteffektivitet är en inneboende egenskap på hårdvarunivå hos bildsensorn och kan inte ändras av programvara eller externa tillbehör. Filter kan dock förbättra den totala bildkvaliteten genom att förbättra signal-brusförhållandet (t.ex. genom att använda emissionsfilter i fluorescenstillämpningar), och programvara kan hjälpa till med brusreducering eller efterbehandling. Dessa ändrar dock inte själva QE-värdet.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
