2015년 8월 25일과학적 이미징에서는 정밀성이 무엇보다 중요합니다. 저조도 형광 신호를 포착하든 희미한 천체를 추적하든, 카메라의 빛 감지 능력은 결과의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 방정식에서 가장 중요하지만 종종 오해받는 요소 중 하나는 양자 효율(QE)입니다.
이 가이드에서는 QE가 무엇인지, 왜 중요한지, QE 사양을 해석하는 방법, 그리고 센서 유형별 비교 방법을 안내합니다.과학용 카메라아니면 카메라 데이터시트를 이해하려고 하는 분이라면 이 글이 도움이 될 것입니다.
그림: Tucsen의 일반적인 카메라 QE 곡선 예
(에이)양자리 6510(비)디아나 6060BSI(기음)천칭자리 22
양자 효율이란 무엇인가?
양자 효율은 광자가 카메라 센서에 도달하여 실제로 감지되어 실리콘에서 광전자를 방출할 가능성입니다.
광자가 이 지점까지 이동하는 여러 단계에는 광자를 흡수하거나 반사시킬 수 있는 장벽이 존재합니다. 또한, 모든 광자 파장에 대해 100% 투명한 물질은 없으며, 물질 구성의 변화로 인해 광자가 반사되거나 산란될 가능성이 있습니다.
백분율로 표현되는 양자 효율은 다음과 같이 정의됩니다.
QE(%) = (생성된 전자 수 / 입사 광자 수) × 100
두 가지 주요 유형이 있습니다.
●외부 QE: 반사 및 투과 손실과 같은 효과를 포함한 측정된 성능입니다.
●내부 QE: 모든 광자가 흡수되었다고 가정하고 센서 자체 내의 변환 효율을 측정합니다.
QE가 높을수록 빛에 대한 민감도가 좋아지고 이미지 신호가 강해지는데, 특히 조명이 어둡거나 광자가 제한된 상황에서 그렇습니다.
과학용 카메라에서 양자 효율이 중요한 이유는 무엇인가?
이미징에서는 가능한 한 많은 양의 들어오는 광자를 포착하는 것이 항상 도움이 되며, 특히 높은 감도가 필요한 응용 분야에서는 더욱 그렇습니다.
하지만 높은 양자 효율 센서는 일반적으로 가격이 더 비쌉니다. 이는 픽셀 기능을 유지하면서 필 팩터를 극대화해야 하는 엔지니어링 과제와 후면 조명 공정 때문입니다. 앞으로 배우게 되겠지만, 이 공정은 최고의 양자 효율을 가능하게 하지만 제조 복잡성이 크게 증가합니다.
모든 카메라 사양과 마찬가지로, 양자 효율의 필요성은 특정 이미징 애플리케이션의 다른 요소들과 항상 비교 검토되어야 합니다. 예를 들어, 글로벌 셔터를 도입하면 여러 애플리케이션에 이점을 제공할 수 있지만, 일반적으로 BI 센서에는 구현할 수 없습니다. 또한, 픽셀에 트랜지스터를 추가해야 합니다. 이로 인해 다른 FI 센서와 비교해도 필 팩터(fill factor)가 낮아지고 결과적으로 양자 효율이 저하될 수 있습니다.
QE가 중요할 수 있는 예시 응용 프로그램
몇 가지 예제 응용 프로그램:
● 고정되지 않은 생물학적 샘플의 저조도 및 형광 이미징
● 고속 이미징
● 고정밀 강도 측정이 필요한 정량적 응용 분야
센서 유형별 QE
이미지 센서 기술에 따라 양자 효율이 다릅니다. 주요 센서 유형별 양자 효율(QE)을 비교하는 일반적인 방법은 다음과 같습니다.
CCD(전하 결합 소자)
낮은 노이즈와 높은 QE(종종 70~90% 사이) 덕분에 전통적으로 선호되는 과학적 이미징 기법입니다. CCD는 천문학이나 장시간 노출 이미징과 같은 분야에서 탁월한 성능을 보입니다.
CMOS(보완형 금속 산화물 반도체)
한때 낮은 QE와 높은 판독 노이즈로 인해 제약을 받았던 최신 CMOS 센서, 특히 후면 조명 설계는 상당한 발전을 이루었습니다. 이제 많은 센서가 최대 QE 값이 80%를 넘어서며, 더 빠른 프레임 속도와 더 낮은 전력 소비로 탁월한 성능을 제공합니다.
당사의 고급 제품 범위를 살펴보세요CMOS 카메라이 기술이 얼마나 발전했는지 알아보는 모델투센의 Libra 3405M sCMOS 카메라, 까다로운 저조도 애플리케이션을 위해 설계된 고감도 과학용 카메라입니다.
sCMOS(과학적 CMOS)
과학적 이미징을 위해 설계된 특수 CMOS 클래스sCMOS 카메라이 기술은 높은 QE(일반적으로 70~95%)와 낮은 노이즈, 높은 동적 범위, 그리고 빠른 데이터 수집을 결합합니다. 생세포 이미징, 고속 현미경 검사, 다채널 형광 분석에 이상적입니다.
양자 효율 곡선을 읽는 방법
제조업체는 일반적으로 파장(nm)에 따른 효율(%)을 나타내는 QE 곡선을 제공합니다. 이 곡선은 특정 스펙트럼 범위에서 카메라의 성능을 판단하는 데 필수적입니다.
찾아야 할 핵심 요소:
●피크 QE: 최대 효율은 대개 500~600nm 범위(녹색광)입니다.
●파장 범위: QE가 유용한 임계값(예: >20%) 위에 유지되는 사용 가능한 스펙트럼 창입니다.
●하차 구역: QE는 UV(<400 nm) 및 NIR(>800 nm) 영역에서 떨어지는 경향이 있습니다.
이 곡선을 해석하면 가시광선, 근적외선 또는 자외선에서 이미징을 수행하든, 센서의 강점을 응용 분야에 맞게 조정하는 데 도움이 됩니다.
양자 효율의 파장 의존성
그림: 전면 및 후면 조명 실리콘 기반 센서의 일반적인 값을 보여주는 QE 곡선
메모: 그래프는 네 가지 예시 카메라의 광자 파장에 따른 광자 검출 가능성(양자 효율, %)을 보여줍니다. 센서 종류와 코팅에 따라 이러한 곡선이 크게 달라질 수 있습니다.
그림에서 볼 수 있듯이 양자 효율은 파장에 따라 크게 달라집니다. 대부분의 실리콘 기반 카메라 센서는 가시광선 영역, 특히 녹색에서 노란색 영역인 약 490nm에서 600nm에서 최대 양자 효율을 나타냅니다. 센서 코팅 및 소재 변형을 통해 양자 효율 곡선을 조정하여 자외선(UV)에서 약 300nm, 근적외선(NIR)에서 약 850nm에서 최대 양자 효율을 얻을 수 있으며, 그 사이의 다양한 옵션을 선택할 수 있습니다.
모든 실리콘 기반 카메라는 1100nm 부근에서 양자 효율이 감소하는데, 이 부근에서는 광자가 광전자를 방출할 충분한 에너지를 갖지 못합니다. 마이크로렌즈나 자외선 차단 유리창이 있는 센서의 경우, 단파장 빛이 센서에 도달하는 것을 제한하기 때문에 자외선 성능이 심각하게 제한될 수 있습니다.
그 사이의 QE 곡선은 거의 매끄럽고 균일하지 않으며 대신 픽셀을 구성하는 재료의 다양한 재료 속성과 투명도로 인해 작은 봉우리와 골짜기가 포함되는 경우가 많습니다.
UV 또는 NIR 감도가 필요한 응용 분야에서는 양자 효율 곡선을 고려하는 것이 훨씬 더 중요해질 수 있습니다. 일부 카메라의 양자 효율은 곡선의 양 끝단에서 다른 카메라보다 몇 배나 더 클 수 있기 때문입니다.
엑스선 감도
일부 실리콘 카메라 센서는 가시광선 영역에서 작동하면서 일부 X선 파장도 감지할 수 있습니다. 그러나 카메라는 일반적으로 X선이 카메라 전자 장치에 미치는 영향과 X선 실험에 일반적으로 사용되는 진공 챔버를 모두 처리하기 위해 특수 엔지니어링이 필요합니다.
적외선 카메라
마지막으로, 실리콘이 아닌 다른 소재를 기반으로 하는 센서는 완전히 다른 QE 곡선을 보일 수 있습니다. 예를 들어, 실리콘 대신 인듐 갈륨 비소(InGaAs)를 기반으로 하는 InGaAs 적외선 카메라는 센서 종류에 따라 최대 약 2700nm까지 NIR의 넓은 파장 범위를 감지할 수 있습니다.
양자 효율 vs. 다른 카메라 사양
양자 효율은 핵심 성능 지표이지만, 단독으로 작용하는 것은 아닙니다. 다른 중요한 카메라 사양과의 관계는 다음과 같습니다.
QE 대 민감도
감도는 카메라가 약한 신호를 감지하는 능력입니다. QE는 감도에 직접적인 영향을 미치지만, 픽셀 크기, 판독 노이즈, 암전류와 같은 다른 요인들도 영향을 미칩니다.
QE 대 신호 대 잡음비(SNR)
QE가 높을수록 광자당 더 많은 신호(전자)를 생성하여 SNR이 향상됩니다. 하지만 전자 장치 불량이나 냉각 불량으로 인한 과도한 노이즈는 여전히 이미지 품질을 저하시킬 수 있습니다.
QE 대 동적 범위
QE는 감지되는 빛의 양에 영향을 미치는 반면, 다이내믹 레인지는 카메라가 처리할 수 있는 가장 밝은 신호와 가장 어두운 신호의 비율을 나타냅니다. 다이내믹 레인지가 낮은 높은 QE 카메라는 고대비 장면에서 여전히 기대 이하의 결과를 초래할 수 있습니다.
간단히 말해서, 양자 효율성은 중요하지만 항상 보완적인 사양과 함께 평가해야 합니다.
"좋은" 양자 효율이란 무엇인가?
보편적으로 "최상의" 양적완화는 없으며, 각자의 적용 방식에 따라 달라집니다. 일반적인 기준은 다음과 같습니다.
| QE 범위 | 성능 수준 | 사용 사례 |
| <40% | 낮은 | 과학적 사용에는 적합하지 않음 |
| 40~60% | 평균 | 초급 과학 응용 프로그램 |
| 60~80% | 좋은 | 대부분의 이미징 작업에 적합 |
| 80~95% | 훌륭한 | 저조도, 고정밀 또는 광자 제한 이미징 |
또한, 원하는 스펙트럼 범위에서 최대 QE와 평균 QE를 비교해 보세요.
결론
양자 효율은 과학 이미징 장치를 선택할 때 가장 중요하지만 간과되는 요소 중 하나입니다. CCD, sCMOS 카메라 또는 CMOS 카메라를 평가할 때 양자 효율을 이해하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.
● 실제 조명 조건에서 카메라의 성능을 예측합니다.
● 마케팅 주장을 넘어 객관적으로 제품을 비교하세요
● 과학적 요구 사항에 맞춰 카메라 사양을 조정하세요
센서 기술이 발전함에 따라 오늘날의 고양자효율(QE) 과학 카메라는 다양한 응용 분야에서 뛰어난 감도와 다재다능함을 제공합니다. 하지만 하드웨어가 아무리 발전했더라도, 적절한 도구를 선택하려면 양자 효율이 전체적인 그림에 어떻게 적용되는지 이해하는 것부터 시작됩니다.
자주 묻는 질문
과학용 카메라에서는 양자 효율이 높은 것이 항상 더 나은가?
높은 양자 효율(QE)은 일반적으로 카메라의 저조도 빛 감지 능력을 향상시켜 형광 현미경, 천문학, 단일 분자 이미징과 같은 응용 분야에서 매우 중요합니다. 하지만 QE는 균형 잡힌 성능 프로필의 일부에 불과합니다. 낮은 다이내믹 레인지, 높은 판독 노이즈, 또는 불충분한 냉각 성능을 가진 높은 QE 카메라는 여전히 최적의 결과를 제공하지 못할 수 있습니다. 최상의 성능을 위해서는 노이즈, 비트 심도, 센서 아키텍처와 같은 다른 주요 사양과 함께 QE를 평가해야 합니다.
양자 효율은 어떻게 측정하나요?
양자 효율은 특정 파장에서 알려진 개수의 광자를 센서에 조사한 후 센서에서 생성된 전자의 개수를 세어 측정합니다. 이는 일반적으로 보정된 단색 광원과 기준 광전 다이오드를 사용하여 수행됩니다. 결과 QE 값은 파장에 걸쳐 그래프로 표시되어 QE 곡선을 생성합니다. 이는 센서의 스펙트럼 응답을 결정하는 데 도움이 되며, 이는 카메라를 애플리케이션의 광원 또는 방출 범위에 맞추는 데 중요합니다.
소프트웨어나 외부 필터가 양자 효율을 개선할 수 있을까?
아니요. 양자 효율은 이미지 센서의 고유한 하드웨어 수준 속성이며 소프트웨어나 외부 액세서리로 변경할 수 없습니다. 그러나 필터는 신호 대 잡음비를 향상시켜 전반적인 이미지 품질을 향상시킬 수 있으며(예: 형광 응용 분야에서 방출 필터 사용), 소프트웨어는 노이즈 감소 또는 후처리에 도움을 줄 수 있습니다. 하지만 이러한 것들이 QE 값 자체를 변경하지는 않습니다.
Tucsen Photonics Co., Ltd. 모든 권리 보유. 인용 시 출처를 명시해 주십시오.www.tucsen.com
