25/08/15У науковій візуалізації точність – це все. Незалежно від того, чи ви фіксуєте сигнали флуоресценції при слабкому освітленні, чи відстежуєте слабкі небесні об'єкти, здатність вашої камери виявляти світло безпосередньо впливає на якість ваших результатів. Одним із найважливіших, але часто неправильно розуміних факторів у цьому рівнянні є квантова ефективність (КЕ).
У цьому посібнику ви дізнаєтесь, що таке QE (коефіцієнт якості), чому він важливий, як інтерпретувати специфікації QE та як він порівнюється між різними типами датчиків. Якщо ви шукаєте...наукова камераабо просто намагаєтеся розібратися в технічних характеристиках камери, це для вас.
Рисунок: Приклади типової кривої квантової ефективності камери Tucsen
(а)Овен 6510(б)Дх'яна 6060BSI(с)Терези 22
Що таке квантова ефективність?
Квантова ефективність – це ймовірність того, що фотон, який досягає сенсора камери, буде фактично виявлений і вивільнить фотоелектрон у кремнії.
На кількох етапах шляху фотона до цієї точки існують бар'єри, які можуть поглинати фотони або відбивати їх. Крім того, жоден матеріал не є на 100% прозорим для кожної довжини хвилі фотона, а будь-які зміни у складі матеріалу можуть призвести до відбиття або розсіювання фотонів.
Виражена у відсотках, квантова ефективність визначається як:
КЕ (%) = (Кількість утворених електронів / Кількість падаючих фотонів) × 100
Існує два основних типи:
●Зовнішнє кількісне пом'якшення (QE)Виміряна продуктивність, включаючи такі ефекти, як втрати на відбиття та передачу.
●Внутрішнє кількісне пом'якшенняВимірює ефективність перетворення в самому датчику, за умови, що всі фотони поглинаються.
Вищий коефіцієнт квантової ефективності (QE) означає кращу світлочутливість та сильніші сигнали зображення, особливо в умовах низької освітленості або обмеженої кількості фотонів.
Чому квантова ефективність має значення в наукових камерах?
У процесі обробки зображень завжди корисно захопити якомога більший відсоток вхідних фотонів, особливо в застосунках, що вимагають високої чутливості.
Однак, датчики з високою квантовою ефективністю, як правило, дорожчі. Це пов'язано з інженерною складністю максимізації коефіцієнта заповнення при збереженні функціональності пікселя, а також з процесом заднього підсвічування. Цей процес, як ви дізнаєтесь, забезпечує найвищу квантову ефективність, але він супроводжується значним збільшенням складності виробництва.
Як і у випадку з усіма специфікаціями камери, потребу в квантовій ефективності завжди слід зважувати з іншими факторами для вашої конкретної програми обробки зображень. Наприклад, впровадження глобального затвора може принести переваги для багатьох застосувань, але зазвичай його неможливо реалізувати на BI-сенсорі. Крім того, це вимагає додавання додаткового транзистора до пікселя. Це може зменшити коефіцієнт заповнення, а отже, і квантову ефективність, навіть порівняно з іншими FI-сенсорами.
Приклади застосувань, де QE може бути важливим
Кілька прикладів застосування:
● Візуалізація нефіксованих біологічних зразків за низької освітленості та флуоресценція
● Високошвидкісна візуалізація
● Кількісні застосування, що вимагають високоточних вимірювань інтенсивності
QE за типом датчика
Різні технології датчиків зображення демонструють різну квантову ефективність. Ось як квантова ефективність зазвичай порівнюється для основних типів датчиків:
ПЗЗ (пристрій із зарядовим зв'язком)
Традиційно перевагу надавали науковим зображенням завдяки низькому рівням шуму та високому коефіцієнту квантової ефективності (QE), який часто досягає піку між 70–90%. ПЗЗ-матриці чудово підходять для таких застосувань, як астрономія та зображення з тривалою експозицією.
КМОП (комплементарна метал-оксид-напівпровідник)
Колись обмежені нижчим коефіцієнтом квантової ефективності (QE) та вищим шумом зчитування, сучасні CMOS-сенсори, особливо моделі з підсвічуванням, значно наздогнали їх. Багато з них зараз досягають пікових значень QE понад 80%, пропонуючи чудову продуктивність із вищою частотою кадрів та нижчим енергоспоживанням.
Ознайомтеся з нашим асортиментом передовихCMOS-камерамоделі, щоб побачити, наскільки далеко просунулася ця технологія, наприкладsCMOS-камера Tucsen Libra 3405M, високочутлива наукова камера, розроблена для вимогливих застосувань в умовах низької освітленості.
sCMOS (наукова CMOS-транзистор)
Спеціалізований клас КМОП-матриць, розроблених для наукової візуалізації,sCMOS-камераТехнологія поєднує високий коефіцієнт квантової ефективності (QE) (зазвичай 70–95%) з низьким рівнем шуму, широким динамічним діапазоном та швидким отриманням даних. Ідеально підходить для візуалізації живих клітин, високошвидкісної мікроскопії та багатоканальної флуоресценції.
Як читати криву квантової ефективності
Виробники зазвичай публікують криву квантової ефективності (QE), яка відображає ефективність (%) для різних довжин хвиль (нм). Ці криві є важливими для визначення того, як камера працює в певних спектральних діапазонах.
Ключові елементи, на які слід звернути увагу:
●Пік кількісного пом'якшенняМаксимальна ефективність, часто в діапазоні 500–600 нм (зелене світло).
●Діапазон довжин хвиль: Використовуване спектральне вікно, де QE залишається вище корисного порогу (наприклад, >20%).
●Зони висадкиКвантова енергія (КЕ) має тенденцію до зниження в УФ (<400 нм) та ближньому інфрачервоному (>800 нм) діапазонах.
Інтерпретація цієї кривої допомагає вам зіставити сильні сторони датчика з вашим застосуванням, незалежно від того, чи ви отримуєте зображення у видимому спектрі, ближньому інфрачервоному чи ультрафіолетовому.
Залежність квантової ефективності від довжини хвилі
Рисунок: Крива QE, що показує типові значення для кремнієвих датчиків з переднім та заднім підсвічуванням
ПРИМІТКАГрафік показує залежність ймовірності виявлення фотонів (квантова ефективність, %) від довжини хвилі фотонів для чотирьох прикладів камер. Різні варіанти датчиків та покриття можуть суттєво зміщувати ці криві.
Квантова ефективність сильно залежить від довжини хвилі, як показано на рисунку. Більшість кремнієвих сенсорів камер демонструють свою пікову квантову ефективність у видимій частині спектра, найчастіше в зелено-жовтій області, від приблизно 490 нм до 600 нм. Криві квантової ефективності можна змінювати за допомогою покриттів сенсорів та варіантів матеріалів, щоб забезпечити пікову квантову ефективність близько 300 нм в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні, близько 850 нм в ближньому інфрачервоному (БІЧ) діапазоні та багато інших варіантів.
Усі кремнієві камери демонструють зниження квантової ефективності до 1100 нм, при якій фотони вже не мають достатньо енергії для вивільнення фотоелектронів. Ультрафіолетова продуктивність може бути значно обмежена в сенсорах з мікролінзами або віконним склом, що блокує ультрафіолетове випромінювання, що обмежує потрапляння короткохвильового світла до сенсора.
Між ними криві квантової ефективності рідко бувають гладкими та рівними, а натомість часто містять невеликі піки та западини, спричинені різними властивостями матеріалів та прозорістю матеріалів, з яких складається піксель.
У застосуваннях, що вимагають чутливості до ультрафіолету або ближнього інфрачервоного випромінювання, врахування кривих квантової ефективності може стати набагато важливішим, оскільки в деяких камерах квантова ефективність може бути у багато разів більшою, ніж в інших, на крайніх кінцях кривої.
Чутливість до рентгенівського випромінювання
Деякі кремнієві сенсори камер можуть працювати у видимій частині спектра, а також здатні виявляти деякі довжини хвиль рентгенівських променів. Однак камери зазвичай потребують спеціальної інженерії, щоб впоратися як з впливом рентгенівських променів на електроніку камери, так і з вакуумними камерами, які зазвичай використовуються для рентгенівських експериментів.
Інфрачервоні камери
Зрештою, сенсори, що базуються не на кремнії, а на інших матеріалах, можуть демонструвати зовсім інші криві квантової ефективності (QE). Наприклад, інфрачервоні камери InGaAs, що базуються на арсеніді індію-галію замість кремнію, можуть виявляти широкий діапазон довжин хвиль в ближньому інфрачервоному діапазоні, максимум до 2700 нм, залежно від варіанта сенсора.
Квантова ефективність у порівнянні з іншими характеристиками камери
Квантова ефективність є ключовим показником продуктивності, але вона не працює ізольовано. Ось як вона пов'язана з іншими важливими характеристиками камери:
Кількісне пом'якшення проти чутливості
Чутливість – це здатність камери виявляти слабкі сигнали. Квантова енергія (QE) безпосередньо впливає на чутливість, але інші фактори, такі як розмір пікселя, шум зчитування та темновий струм, також відіграють певну роль.
QE проти співвідношення сигнал/шум (SNR)
Вищий коефіцієнт квантової ефективності (QE) покращує співвідношення сигнал/шум (SNR), генеруючи більше сигналу (електронів) на фотон. Але надмірний шум, через погану електроніку або недостатнє охолодження, все ще може погіршити зображення.
Кількісне посилення (QE) проти динамічного діапазону
Хоча квантове посилення (QE) впливає на кількість виявленого світла, динамічний діапазон описує співвідношення між найяскравішим і найтемнішим сигналами, які може обробити камера. Камера з високим квантовим посиленням та поганим динамічним діапазоном все ще може давати неякісні результати у висококонтрастних сценах.
Коротше кажучи, квантова ефективність є критично важливою, але завжди оцінюйте її разом із додатковими характеристиками.
Що таке «хороша» квантова ефективність?
Немає універсального «найкращого» QE — це залежить від вашої програми. Тим не менш, ось загальні орієнтири:
| Діапазон кількісного пом'якшення | Рівень продуктивності | Варіанти використання |
| <40% | Низький | Не ідеально підходить для наукового використання |
| 40–60% | Середній | Наукові програми початкового рівня |
| 60–80% | Добре | Підходить для більшості завдань з обробки зображень |
| 80–95% | Відмінно | Зображення за низької освітленості, високоточне або з обмеженим фотоном радіусом дії |
Також враховуйте пікове квантове поєднання (КП) порівняно зі середнім КП у бажаному спектральному діапазоні.
Висновок
Квантова ефективність є одним з найважливіших, але водночас недооцінених факторів при виборі наукового пристрою для візуалізації. Незалежно від того, чи оцінюєте ви ПЗС-матриці, sCMOS-камери чи CMOS-камери, розуміння квантової ефективності допоможе вам:
● Передбачте, як ваша камера працюватиме в реальних умовах освітлення
● Порівнюйте продукти об’єктивно, не виходячи за рамки маркетингових заяв
● Узгодьте характеристики камери з вашими науковими вимогами
З розвитком сенсорних технологій, сучасні наукові камери з високим QE пропонують чудову чутливість та універсальність у різних застосуваннях. Але незалежно від того, наскільки досконале апаратне забезпечення, вибір правильного інструменту починається з розуміння того, як квантова ефективність вписується в загальну картину.
Найчастіші запитання
Чи завжди вища квантова ефективність краща в науковій камері?
Вища квантова ефективність (КК) зазвичай покращує здатність камери виявляти низькі рівні світла, що є цінним у таких застосуваннях, як флуоресцентна мікроскопія, астрономія та візуалізація окремих молекул. Однак КК – це лише одна частина збалансованого профілю продуктивності. Камера з високою КК, низьким динамічним діапазоном, високим шумом зчитування або недостатнім охолодженням все ще може забезпечити неоптимальні результати. Для найкращої продуктивності завжди оцінюйте КК у поєднанні з іншими ключовими характеристиками, такими як шум, розрядність та архітектура сенсора.
Як вимірюється квантова ефективність?
Квантова ефективність вимірюється шляхом освітлення датчика відомою кількістю фотонів на певній довжині хвилі, а потім підрахунку кількості електронів, що генеруються датчиком. Зазвичай це робиться за допомогою каліброваного монохроматичного джерела світла та опорного фотодіода. Отримане значення квантової ефективності (КЕ) відображається на графіку по довжинах хвиль для створення кривої КЕ. Це допомагає визначити спектральну характеристику датчика, що є критично важливим для узгодження камери з джерелом світла або діапазоном випромінювання вашого застосування.
Чи може програмне забезпечення або зовнішні фільтри покращити квантову ефективність?
Ні. Квантова ефективність (QE) є внутрішньою властивістю датчика зображення на апаратному рівні та не може бути змінена програмним забезпеченням або зовнішніми аксесуарами. Однак фільтри можуть покращити загальну якість зображення, покращуючи співвідношення сигнал/шум (наприклад, використання емісійних фільтрів у флуоресцентних застосуваннях), а програмне забезпечення може допомогти зі зменшенням шуму або постобробкою. Однак, вони не змінюють саме значення QE.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
