科学カメラにおける量子効率: 初心者向けガイド |

科学的なイメージングでは、精度が何よりも重要です。微弱な蛍光信号を捉える場合でも、かすかな天体を追跡する場合でも、カメラの光検出能力は結果の品質に直接影響を及ぼします。この方程式において最も重要でありながら、しばしば誤解されている要素の一つが量子効率（QE）です。

このガイドでは、QEとは何か、なぜ重要なのか、QEの仕様をどのように解釈するのか、そしてセンサーの種類間でどのように比較するのかを解説します。科学カメラまたは、カメラのデータシートの意味を理解しようとしているだけなら、これはあなたにぴったりです。

図: Tucsenの典型的なカメラQE曲線の例

（ア）牡羊座6510（イ）ディヤナ 6060BSI（ハ）天秤座22

量子効率とは何ですか?

量子効率とは、カメラセンサーに到達した光子が実際に検出され、シリコン内で光電子を放出する可能性のことです。

光子がこの地点に到達するまでの過程には、複数の段階で光子を吸収したり反射したりする障壁が存在します。さらに、あらゆる光子の波長に対して100%透明な物質は存在せず、物質組成の変化によって光子が反射または散乱する可能性があります。

量子効率はパーセンテージで表すと次のように定義されます。

QE（％）＝（生成された電子の数／入射光子の数）×100

主なタイプは 2 つあります。

●外部QE: 反射や伝送損失などの影響を含む測定されたパフォーマンス。
●内部QEすべての光子が吸収されると仮定して、センサー自体の変換効率を測定します。

QE が高いほど、特に低照度または光子制限のシナリオで光感度が向上し、画像信号が強くなります。

科学カメラにおいて量子効率が重要なのはなぜですか?

イメージングでは、特に高感度が要求されるアプリケーションでは、入射光子のできるだけ高い割合を捕捉することが常に役立ちます。

しかし、高量子効率センサーは一般的に高価になります。これは、ピクセル機能を維持しながらフィルファクターを最大化するという技術的課題と、背面照明プロセスによるものです。このプロセスは、これから説明するように、最高の量子効率を実現しますが、製造の複雑さが大幅に増します。

他のカメラの仕様と同様に、量子効率の必要性は、特定の画像処理アプリケーションにおける他の要素と常に比較検討する必要があります。例えば、グローバルシャッターの導入は多くのアプリケーションでメリットをもたらしますが、BIセンサーには通常実装できません。さらに、ピクセルにトランジスタを追加する必要があるため、他のFIセンサーと比較しても、フィルファクター（充填率）が低下し、ひいては量子効率も低下する可能性があります。

QEが重要になるアプリケーションの例

いくつかのアプリケーション例:

● 非固定生物サンプルの低光量および蛍光イメージング

● 高速イメージング

●高精度な強度測定を必要とする定量的なアプリケーション

センサータイプ別のQE

イメージセンサー技術によって量子効率は異なります。主要なセンサータイプにおける量子効率の一般的な比較は以下の通りです。

CCD（電荷結合素子）

低ノイズと高い量子効率（ピーク値は70～90%）により、従来から科学画像処理に好まれてきました。CCDは天文学や長時間露光画像処理などの用途に優れています。

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）

かつては低い量子効率（QE）と高い読み出しノイズが限界でしたが、現代のCMOSセンサー、特に裏面照射型は大幅に追いつきました。現在では多くのセンサーがピーク量子効率（QE）80%以上を達成し、フレームレートの向上と消費電力の低減による優れた性能を実現しています。

高度な製品ラインナップをご覧くださいCMOSカメラこの技術がどれだけ進歩したかを見るためのモデル、例えばトゥセンのLibra 3405M sCMOSカメラ、要求の厳しい低照度アプリケーション向けに設計された高感度科学カメラ。

sCMOS（科学CMOS）

科学的な画像撮影用に設計された特殊なCMOSクラス。sCMOSカメラこの技術は、高い量子効率（通常70～95%）と低ノイズ、高ダイナミックレンジ、高速画像取得を両立しています。生細胞イメージング、高速顕微鏡観察、マルチチャンネル蛍光観察に最適です。

量子効率曲線の読み方

メーカーは通常、波長（nm）ごとの効率（％）をプロットしたQE曲線を公開しています。これらの曲線は、カメラが特定のスペクトル範囲でどのように機能するかを判断する上で不可欠です。

注目すべき主な要素:

●ピークQE: 最大効率は、多くの場合 500～600 nm の範囲 (緑色光) にあります。
●波長範囲: QE が有用なしきい値 (例: > 20%) を上回る使用可能なスペクトルウィンドウ。
●降車ゾーンQE は UV (<400 nm) および NIR (>800 nm) 領域で低下する傾向があります。

この曲線を解釈すると、可視スペクトル、近赤外線、または紫外線のいずれで画像を撮影する場合でも、センサーの強みをアプリケーションに適合させることができます。

量子効率の波長依存性

図: 前面および背面照射型シリコンベースセンサーの典型的な値を示すQE曲線

注記グラフは、4台のカメラにおける光子検出確率（量子効率、％）と光子波長の関係を示しています。センサーの種類やコーティングの種類によって、これらの曲線は大きく変化する可能性があります。

図に示すように、量子効率は波長に大きく依存します。シリコンベースのカメラセンサーの大部分は、スペクトルの可視領域、特に緑から黄色の領域（約490nmから600nm）で量子効率のピークを示します。QE曲線はセンサーのコーティングや材料の種類を変えることで調整可能で、紫外線（UV）の約300nm、近赤外線（NIR）の約850nm、そしてその間の様々な波長でQEのピークを実現できます。

シリコンベースのカメラは、1100nm付近で量子効率が低下します。この波長域では、光子が光電子を放出するのに十分なエネルギーを持たなくなります。マイクロレンズやUVカット窓ガラスを備えたセンサーでは、短波長の光がセンサーに到達するのが制限されるため、UV性能が大幅に制限される可能性があります。

その中間では、QE 曲線は滑らかで均一になることは少なく、ピクセルを構成する材料のさまざまな特性と透明度によって生じる小さな山と谷が含まれることがよくあります。

UV または NIR 感度を必要とするアプリケーションでは、量子効率曲線を考慮することがさらに重要になります。これは、一部のカメラでは曲線の両端で量子効率が他のカメラよりも何倍も大きくなる可能性があるためです。

X線感度

一部のシリコン製カメラセンサーは、可視光スペクトル領域で動作し、X線の一部の波長も検出可能です。しかし、カメラは通常、X線がカメラの電子部品に及ぼす影響と、X線実験に一般的に使用される真空チャンバーの両方に対処するために、特別なエンジニアリングを必要とします。

赤外線カメラ

最後に、シリコンではなく他の材料をベースにしたセンサーは、全く異なる量子効率曲線を示すことがあります。例えば、シリコンの代わりにインジウムガリウムヒ素をベースにしたInGaAs赤外線カメラは、センサーの種類にもよりますが、最大約2700nmまでの近赤外線（NIR）の広い波長範囲を検出できます。

量子効率とその他のカメラ仕様の比較

量子効率は重要な性能指標ですが、単独で機能するわけではありません。他の重要なカメラ仕様とどのように関連しているかを以下に示します。

QEと感度

感度とは、カメラが微弱な信号を検出する能力です。QEは感度に直接影響しますが、ピクセルサイズ、読み取りノイズ、暗電流などの他の要因も影響します。

QEと信号対雑音比（SNR）

QEが高いほど、光子あたりの信号（電子）量が増加し、SNRが向上します。しかし、電子機器の性能低下や冷却不足による過剰なノイズは、依然として画像品質を低下させる可能性があります。

QEとダイナミックレンジ

QEは検出する光の量に影響しますが、ダイナミックレンジはカメラが処理できる最も明るい信号と最も暗い信号の比率を表します。QEが高くてもダイナミックレンジが狭いカメラは、高コントラストのシーンでは期待通りの結果にならない可能性があります。

つまり、量子効率は重要ですが、常に補完的な仕様と合わせて評価する必要があります。

「良い」量子効率とは何か？

普遍的に「最適な」QEというものは存在しません。アプリケーションによって異なります。とはいえ、一般的なベンチマークは以下の通りです。

QE範囲	パフォーマンスレベル	ユースケース
<40%	低い	科学的な用途には適していません
40～60%	平均	エントリーレベルの科学アプリケーション
60～80%	良い	ほとんどの画像処理作業に適しています
80～95%	素晴らしい	低照度、高精度、または光子制限イメージング

また、希望するスペクトル範囲全体でのピーク QE と平均 QE を考慮してください。

結論

量子効率は、科学画像デバイスの選択において最も重要でありながら見落とされがちな要素の一つです。CCD、sCMOSカメラ、CMOSカメラのいずれを評価する場合でも、量子効率を理解することで以下のことが可能になります。

● 実際の照明条件下でカメラがどのように動作するかを予測します
● マーケティングの主張を超えて客観的に製品を比較する
● カメラの仕様を科学的な要件に合わせて調整します

センサー技術の進歩に伴い、今日の高量子効率科学カメラは、多様な用途において驚異的な感度と汎用性を備えています。しかし、ハードウェアがどれほど先進的であっても、適切なツールを選択するには、量子効率が全体像の中でどのように位置づけられるかを理解することから始める必要があります。

よくある質問

科学カメラでは量子効率が高いほうが常に良いのでしょうか?

量子効率（QE）が高いほど、カメラの低レベル光検出能力が向上し、蛍光顕微鏡、天文学、単一分子イメージングなどの用途で大きなメリットとなります。しかし、QEはバランスの取れた性能プロファイルの一部に過ぎません。QEの高いカメラでも、ダイナミックレンジが狭かったり、読み出しノイズが高かったり、冷却が不十分だったりすると、最適な結果が得られない可能性があります。最高の性能を得るには、QEをノイズ、ビット深度、センサーアーキテクチャなどの他の主要な仕様と組み合わせて評価する必要があります。

量子効率はどのように測定されるのでしょうか?

量子効率は、特定の波長において既知の数の光子をセンサーに照射し、センサーによって生成された電子の数を計数することで測定されます。これは通常、校正済みの単色光源と基準フォトダイオードを用いて行われます。得られたQE値を波長ごとにプロットすることで、QE曲線が作成されます。この曲線は、センサーの分光応答を決定するのに役立ちます。これは、カメラをアプリケーションの光源や発光範囲に適合させる上で非常に重要です。

ソフトウェアまたは外部フィルターによって量子効率を向上させることはできますか?

いいえ。量子効率はイメージセンサー固有のハードウェアレベルの特性であり、ソフトウェアや外部アクセサリによって変更することはできません。ただし、フィルター（例えば、蛍光アプリケーションにおけるエミッションフィルターの使用）はS/N比を向上させることで全体的な画質を向上させることができます。また、ソフトウェアはノイズ低減や後処理に役立ちます。ただし、これらの処理によって量子効率値自体が変化するわけではありません。