什么是量子效率?如何影响科学相机的成像质量呢?

time23/04/13

图像传感器的量子效率是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数,它是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比

QE = N电子数 / N入射光子数

假设,一个图像传感器的量子效率为75%,那么每100个照射到感光区域的光子可转化成 75个电子信号。

 

QE取决于入射光子的波长,常表示为一个单独的数字,通常指的是峰值。当光子撞击相机像元时,大部分会到达感光区域,然后通过光敏硅基释放电子后测量,但在此之前,一些光子会被图像传感器的材料所吸收、反射或散射。光子与相机传感器材料之间的相互作用取决于光子波长,因此被检测到的可能性也取决于波长。这种决定性关系由量子效率曲线给出。

 

不同的相机传感器可能具有不同的QE,具体取决于传感器的结构设计和制作材料。对QE影响最大的是相机传感器的结构类型,即:前照式(FSI)还是背照式(BSI)。

 

量子效率

 

在前照式相机中,光线射入像元必须先通过金属电路结构才能被检测到。由于金属电路结构不透光,所以早期相机仅有30~40%左右的量子效率。后来,随着技术的发展,微透镜的引入将光线通过导线聚焦到光敏硅中,将量子效率提升到70%左右,有些先进的前照式相机的峰值QE甚至可达到84%左右。

 

背照式相机逆转了这种传感器设计,它将金属电路结构放到了光敏硅层后面,入射光子就直接撞击薄薄的光敏硅层。这样的工艺革新,使得背照式相机QE峰值大大提高,改善了在弱光环境下的成像质量。由于背照式像元的光敏硅层很薄,对于工艺要求较高,制作难度与成本也就比前照式高。

 

前照式结构VS 背照式结构

 

在实际应用中,量子效率并不是所有成像应用中的重要特征。对于光照水平充足的应用,如明场显微观察,提高QE和灵敏度几乎没有什么作用。而在弱光成像中,高QE的相机感光度越高,灵敏度也越高,因此即使在光照较暗或曝光时间较短的情况下,依然能得到清晰的图像。

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