25/08/15Trong hình ảnh khoa học, độ chính xác là tất cả. Cho dù bạn đang ghi lại tín hiệu huỳnh quang ánh sáng yếu hay theo dõi các thiên thể mờ nhạt, khả năng phát hiện ánh sáng của máy ảnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng kết quả. Một trong những yếu tố quan trọng nhất, nhưng thường bị hiểu lầm, trong phương trình này là hiệu suất lượng tử (QE).
Hướng dẫn này sẽ hướng dẫn bạn tìm hiểu QE là gì, tại sao nó quan trọng, cách diễn giải các thông số kỹ thuật của QE và cách so sánh nó với các loại cảm biến khác. Nếu bạn đang tìm kiếm mộtmáy ảnh khoa họchoặc chỉ muốn hiểu rõ hơn về bảng dữ liệu máy ảnh, thì đây là dành cho bạn.
Hình: Ví dụ về đường cong QE của máy ảnh Tucsen
(Một)Bạch Dương 6510(b)Dhyana 6060BSI(c)Thiên Bình 22
Hiệu suất lượng tử là gì?
Hiệu suất lượng tử là khả năng một photon thực sự được phát hiện khi đến cảm biến máy ảnh và giải phóng một quang electron trong silicon.
Ở nhiều giai đoạn khác nhau trong hành trình của photon hướng đến điểm này, có những rào cản có thể hấp thụ hoặc phản xạ photon. Hơn nữa, không có vật liệu nào trong suốt 100% với mọi bước sóng photon, cộng thêm bất kỳ thay đổi nào về thành phần vật liệu đều có khả năng phản xạ hoặc tán xạ photon.
Được biểu thị dưới dạng phần trăm, hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:
QE (%) = (Số electron được tạo ra / Số photon tới) × 100
Có hai loại chính:
●QE bên ngoài: Hiệu suất được đo lường bao gồm các hiệu ứng như tổn thất phản xạ và truyền dẫn.
●QE nội bộ: Đo hiệu suất chuyển đổi bên trong cảm biến, giả sử tất cả các photon đều được hấp thụ.
QE cao hơn có nghĩa là độ nhạy sáng tốt hơn và tín hiệu hình ảnh mạnh hơn, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc giới hạn photon.
Tại sao hiệu suất lượng tử lại quan trọng trong máy ảnh khoa học?
Trong chụp ảnh, việc thu được tỷ lệ phần trăm photon tới cao nhất có thể luôn hữu ích, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao.
Tuy nhiên, cảm biến hiệu suất lượng tử cao thường đắt hơn. Điều này là do thách thức kỹ thuật trong việc tối đa hóa hệ số lấp đầy mà vẫn duy trì chức năng điểm ảnh, và cũng do quy trình chiếu sáng ngược. Quy trình này, như bạn sẽ thấy, cho phép đạt hiệu suất lượng tử cao nhất—nhưng đi kèm với độ phức tạp sản xuất tăng đáng kể.
Giống như tất cả các thông số kỹ thuật của máy ảnh, nhu cầu về hiệu suất lượng tử luôn phải được cân nhắc so với các yếu tố khác cho ứng dụng hình ảnh cụ thể của bạn. Ví dụ, việc áp dụng màn trập toàn cục (global shutter) có thể mang lại lợi thế cho nhiều ứng dụng, nhưng thường không thể triển khai trên cảm biến BI. Hơn nữa, nó đòi hỏi phải bổ sung thêm một bóng bán dẫn vào điểm ảnh. Điều này có thể làm giảm hệ số lấp đầy và do đó làm giảm hiệu suất lượng tử, ngay cả khi so sánh với các cảm biến FI khác.
Các ứng dụng ví dụ mà QE có thể quan trọng
Một số ứng dụng ví dụ:
● Chụp ảnh huỳnh quang và ánh sáng yếu của các mẫu sinh học không cố định
● Chụp ảnh tốc độ cao
● Các ứng dụng định lượng đòi hỏi phép đo cường độ có độ chính xác cao
QE theo loại cảm biến
Các công nghệ cảm biến hình ảnh khác nhau thể hiện hiệu suất lượng tử khác nhau. Dưới đây là cách QE thường được so sánh giữa các loại cảm biến chính:
CCD (Thiết bị ghép nối điện tích)
Theo truyền thống, công nghệ chụp ảnh khoa học được ưa chuộng vì độ nhiễu thấp và QE cao, thường đạt đỉnh từ 70–90%. CCD hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng như thiên văn học và chụp ảnh phơi sáng lâu.
CMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn bổ sung)
Trước đây bị giới hạn bởi QE thấp hơn và nhiễu đọc cao hơn, các cảm biến CMOS hiện đại - đặc biệt là các thiết kế chiếu sáng ngược - đã bắt kịp đáng kể. Nhiều cảm biến hiện đạt giá trị QE đỉnh trên 80%, mang lại hiệu suất tuyệt vời với tốc độ khung hình nhanh hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.
Khám phá phạm vi nâng cao của chúng tôiMáy ảnh CMOScác mô hình để xem công nghệ này đã tiến xa đến đâu, nhưMáy ảnh sCMOS Libra 3405M của Tucsen, một máy ảnh khoa học có độ nhạy cao được thiết kế cho các ứng dụng đòi hỏi ánh sáng yếu.
sCMOS (CMOS khoa học)
Một lớp CMOS chuyên biệt được thiết kế cho hình ảnh khoa học,máy ảnh sCMOSCông nghệ này kết hợp QE cao (thường là 70–95%) với độ nhiễu thấp, dải động cao và khả năng thu nhận tín hiệu nhanh. Lý tưởng cho chụp ảnh tế bào sống, kính hiển vi tốc độ cao và huỳnh quang đa kênh.
Cách đọc đường cong hiệu suất lượng tử
Các nhà sản xuất thường công bố đường cong QE thể hiện hiệu suất (%) trên các bước sóng (nm). Những đường cong này rất cần thiết để xác định hiệu suất của camera trong các dải quang phổ cụ thể.
Các yếu tố chính cần tìm kiếm:
●Đỉnh QE: Hiệu suất tối đa, thường trong phạm vi 500–600 nm (ánh sáng xanh).
●Phạm vi bước sóng: Cửa sổ phổ có thể sử dụng trong đó QE vẫn ở trên ngưỡng hữu ích (ví dụ: >20%).
●Khu vực thả hàng: QE có xu hướng giảm ở vùng UV (<400 nm) và NIR (>800 nm).
Việc giải thích đường cong này giúp bạn so sánh điểm mạnh của cảm biến với ứng dụng của mình, cho dù bạn đang chụp ảnh trong quang phổ khả kiến, cận hồng ngoại hay UV.
Sự phụ thuộc của bước sóng vào hiệu suất lượng tử
Hình: Đường cong QE cho thấy các giá trị điển hình cho các cảm biến silicon chiếu sáng phía trước và phía sau
GHI CHÚ: Biểu đồ thể hiện khả năng phát hiện photon (hiệu suất lượng tử, %) so với bước sóng photon của bốn camera mẫu. Các biến thể cảm biến và lớp phủ khác nhau có thể làm thay đổi đáng kể các đường cong này.
Hiệu suất lượng tử phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng, như thể hiện trong hình. Phần lớn các cảm biến camera dựa trên silicon thể hiện hiệu suất lượng tử cực đại ở vùng quang phổ khả kiến, phổ biến nhất là trong vùng từ xanh lục đến vàng, từ khoảng 490nm đến 600nm. Đường cong QE có thể được điều chỉnh thông qua lớp phủ cảm biến và các biến thể vật liệu để cung cấp QE cực đại khoảng 300nm trong vùng cực tím (UV), khoảng 850nm trong vùng hồng ngoại gần (NIR), và nhiều tùy chọn khác.
Tất cả các camera dùng silicon đều cho thấy hiệu suất lượng tử giảm dần khi đạt đến 1100nm, tại đó các photon không còn đủ năng lượng để giải phóng quang electron. Hiệu suất UV có thể bị hạn chế nghiêm trọng trong các cảm biến có thấu kính siêu nhỏ hoặc kính cửa sổ chặn tia UV, vốn ngăn cản ánh sáng bước sóng ngắn đến cảm biến.
Ở giữa, các đường cong QE hiếm khi trơn tru và đều đặn, thay vào đó thường bao gồm các đỉnh và đáy nhỏ do các đặc tính vật liệu và độ trong suốt khác nhau của các vật liệu tạo nên điểm ảnh.
Trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy UV hoặc NIR, việc xem xét các đường cong hiệu suất lượng tử có thể trở nên quan trọng hơn nhiều, vì trong một số máy ảnh, hiệu suất lượng tử có thể lớn hơn nhiều lần so với những máy ảnh khác ở hai đầu của đường cong.
Độ nhạy tia X
Một số cảm biến camera silicon có thể hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến của quang phổ, đồng thời có khả năng phát hiện một số bước sóng tia X. Tuy nhiên, camera thường đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt để xử lý cả tác động của tia X lên thiết bị điện tử của camera, lẫn buồng chân không thường được sử dụng cho các thí nghiệm tia X.
Camera hồng ngoại
Cuối cùng, các cảm biến không dựa trên silicon mà dựa trên các vật liệu khác có thể thể hiện các đường cong QE hoàn toàn khác biệt. Ví dụ, camera hồng ngoại InGaAs, dựa trên Indium Gallium Arsenide thay vì silicon, có thể phát hiện dải bước sóng rộng trong NIR, lên đến tối đa khoảng 2700nm, tùy thuộc vào biến thể cảm biến.
Hiệu suất lượng tử so với các thông số kỹ thuật khác của máy ảnh
Hiệu suất lượng tử là một chỉ số hiệu suất quan trọng, nhưng nó không hoạt động độc lập. Dưới đây là mối liên hệ của nó với các thông số kỹ thuật quan trọng khác của máy ảnh:
QE so với Độ nhạy
Độ nhạy là khả năng phát hiện tín hiệu yếu của camera. QE ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy, nhưng các yếu tố khác như kích thước điểm ảnh, nhiễu đọc và dòng tối cũng đóng vai trò nhất định.
QE so với Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
QE cao hơn cải thiện SNR bằng cách tạo ra nhiều tín hiệu (electron) hơn trên mỗi photon. Tuy nhiên, nhiễu quá mức, do thiết bị điện tử kém hoặc làm mát không đủ, vẫn có thể làm giảm chất lượng hình ảnh.
QE so với Dải động
Trong khi QE ảnh hưởng đến lượng ánh sáng được phát hiện, dải động mô tả tỷ lệ giữa tín hiệu sáng nhất và tối nhất mà máy ảnh có thể xử lý. Một máy ảnh có QE cao nhưng dải động kém vẫn có thể tạo ra kết quả kém trong các cảnh có độ tương phản cao.
Tóm lại, hiệu suất lượng tử rất quan trọng, nhưng hãy luôn đánh giá nó cùng với các thông số kỹ thuật bổ sung.
Hiệu suất lượng tử "tốt" là gì?
Không có QE "tốt nhất" chung nào cả—điều này phụ thuộc vào ứng dụng của bạn. Tuy nhiên, sau đây là các tiêu chuẩn chung:
| Phạm vi QE | Mức hiệu suất | Các trường hợp sử dụng |
| <40% | Thấp | Không lý tưởng cho mục đích khoa học |
| 40–60% | Trung bình | Ứng dụng khoa học cấp đầu vào |
| 60–80% | Tốt | Phù hợp với hầu hết các tác vụ chụp ảnh |
| 80–95% | Xuất sắc | Chụp ảnh thiếu sáng, độ chính xác cao hoặc giới hạn photon |
Ngoài ra, hãy cân nhắc QE đỉnh so với QE trung bình trên phạm vi quang phổ mong muốn của bạn.
Phần kết luận
Hiệu suất lượng tử là một trong những yếu tố quan trọng nhất, nhưng thường bị bỏ qua, khi lựa chọn thiết bị hình ảnh khoa học. Cho dù bạn đang đánh giá CCD, camera sCMOS hay camera CMOS, việc hiểu rõ về QE sẽ giúp bạn:
● Dự đoán máy ảnh của bạn sẽ hoạt động như thế nào trong điều kiện ánh sáng thực tế
● So sánh sản phẩm một cách khách quan ngoài những tuyên bố tiếp thị
● Phù hợp thông số kỹ thuật của máy ảnh với yêu cầu khoa học của bạn
Khi công nghệ cảm biến ngày càng phát triển, các camera khoa học QE cao ngày nay mang lại độ nhạy và tính linh hoạt đáng kể trong nhiều ứng dụng khác nhau. Nhưng dù phần cứng có tiên tiến đến đâu, việc lựa chọn công cụ phù hợp cũng bắt đầu bằng việc hiểu rõ hiệu suất lượng tử đóng vai trò như thế nào trong bức tranh tổng thể.
Câu hỏi thường gặp
Hiệu suất lượng tử cao hơn có phải lúc nào cũng tốt hơn trong máy ảnh khoa học không?
Hiệu suất lượng tử (QE) cao hơn thường cải thiện khả năng phát hiện mức ánh sáng thấp của máy ảnh, một yếu tố rất hữu ích trong các ứng dụng như kính hiển vi huỳnh quang, thiên văn học và hình ảnh phân tử đơn. Tuy nhiên, QE chỉ là một phần của cấu hình hiệu suất cân bằng. Một máy ảnh có QE cao nhưng dải động kém, độ nhiễu đọc cao hoặc hệ thống làm mát không đủ vẫn có thể mang lại kết quả không tối ưu. Để có hiệu suất tốt nhất, hãy luôn đánh giá QE kết hợp với các thông số kỹ thuật quan trọng khác như độ nhiễu, độ sâu bit và kiến trúc cảm biến.
Hiệu suất lượng tử được đo như thế nào?
Hiệu suất lượng tử được đo bằng cách chiếu sáng cảm biến bằng một số lượng photon đã biết ở một bước sóng cụ thể, sau đó đếm số electron do cảm biến tạo ra. Việc này thường được thực hiện bằng cách sử dụng một nguồn sáng đơn sắc đã được hiệu chuẩn và một điốt quang tham chiếu. Giá trị QE thu được sẽ được biểu diễn trên các bước sóng để tạo thành đường cong QE. Điều này giúp xác định phản ứng quang phổ của cảm biến, rất quan trọng để kết hợp camera với nguồn sáng hoặc dải phát xạ của ứng dụng.
Phần mềm hoặc bộ lọc bên ngoài có thể cải thiện hiệu suất lượng tử không?
Không. Hiệu suất Lượng tử là một đặc tính nội tại, nằm ở cấp độ phần cứng của cảm biến hình ảnh và không thể thay đổi bằng phần mềm hoặc phụ kiện bên ngoài. Tuy nhiên, các bộ lọc có thể cải thiện chất lượng hình ảnh tổng thể bằng cách tăng cường tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (ví dụ: sử dụng bộ lọc phát xạ trong các ứng dụng huỳnh quang), và phần mềm có thể hỗ trợ giảm nhiễu hoặc xử lý hậu kỳ. Tuy nhiên, những điều này không làm thay đổi giá trị QE.
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
