25.02.2022Die Quanteneffizienz (QE) eines Sensors gibt die Wahrscheinlichkeit in Prozent an, mit der auf den Sensor treffende Photonen detektiert werden. Eine hohe QE führt zu einer empfindlicheren Kamera, die auch bei schwachem Licht funktioniert. Die QE ist zudem wellenlängenabhängig und wird üblicherweise als Spitzenwert angegeben.
Wenn Photonen auf ein Kamerapixel treffen, erreichen die meisten den lichtempfindlichen Bereich und werden durch die Freisetzung eines Elektrons im Siliziumsensor detektiert. Einige Photonen werden jedoch von den Materialien des Kamerasensors absorbiert, reflektiert oder gestreut, bevor eine Detektion erfolgen kann. Die Wechselwirkung zwischen den Photonen und den Materialien des Kamerasensors hängt von der Photonenwellenlänge ab, daher ist die Detektionswahrscheinlichkeit wellenlängenabhängig. Diese Abhängigkeit wird in der Quanteneffizienzkurve der Kamera dargestellt.
Beispiel einer Quanteneffizienzkurve. Rot: Rückseitig belichtetes CMOS. Blau: Fortschrittliches frontseitig belichtetes CMOS.
Unterschiedliche Kamerasensoren weisen je nach Design und Material sehr unterschiedliche Quanteneffizienzen (QE) auf. Den größten Einfluss hat die Art der Belichtung: rück- oder vorderseitig. Bei vorderseitig belichteten Kameras müssen die vom Motiv kommenden Photonen zunächst ein Leitergitter durchdringen, bevor sie detektiert werden können. Ursprünglich lag die Quanteneffizienz dieser Kameras bei etwa 30–40 %. Durch den Einsatz von Mikrolinsen, die das Licht hinter den Leitern auf das lichtempfindliche Silizium fokussieren, konnte die QE auf etwa 70 % gesteigert werden. Moderne vorderseitig belichtete Kameras erreichen Spitzenwerte von rund 84 %. Rückseitig belichtete Kameras kehren dieses Sensordesign um: Die Photonen treffen direkt auf eine dünne, lichtempfindliche Siliziumschicht, ohne die Leiterbahnen zu durchdringen. Diese Kamerasensoren bieten höhere Quanteneffizienzen von bis zu 95 %, allerdings auf Kosten eines aufwändigeren und teureren Herstellungsprozesses.
Die Quanteneffizienz ist nicht immer ein entscheidendes Merkmal für Ihre Bildgebungsanwendung. Bei Anwendungen mit hohen Lichtstärken bietet eine höhere Quanteneffizienz und Empfindlichkeit kaum Vorteile. Bei Aufnahmen unter schwachem Licht kann eine hohe Quanteneffizienz jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis und die Bildqualität verbessern oder die Belichtungszeiten für schnellere Aufnahmen verkürzen. Die Vorteile einer höheren Quanteneffizienz müssen jedoch gegen den um 30–40 % höheren Preis von rückseitig belichteten Sensoren abgewogen werden.
