科學相機中的量子效率：入門指南

在科學成像領域，精確度至關重要。無論是捕捉微弱的螢光訊號，或是追蹤暗淡的天體，相機的感光能力都會直接影響成像品質。而量子效率（QE）正是影響成像品質的關鍵因素之一，但往往也被誤解。

本指南將帶您了解什麼是量子效率 (QE)、它為何重要、如何解讀 QE 規格以及不同感測器類型之間的比較。如果您正在尋找一款…科學相機如果您只是想了解相機數據手冊，那麼這篇文章正適合您。

圖：Tucsen 典型相機 QE 曲線範例

（一個）牡羊座 6510（b）Dhyana 6060BSI（c）天秤座 22

什麼是量子效率？

量子效率是指到達相機感測器的光子被實際偵測到，並在矽中釋放光電子的可能性。

在光子到達此處的整個過程中，存在著多個障礙物可以吸收或反射光子。此外，沒有任何材料對所有波長的光子都是完全透明的，而且材料成分的任何變化都可能導致光子的反射或散射。

量子效率以百分比表示，定義為：

量子效率 (%) = (產生的電子數 / 入射光子數) × 100

主要有兩種類型：

●外部品質工程：測量性能包括反射和傳輸損耗等影響因素。

●內部品質效率：測量感測器內部的轉換效率，假設所有光子都被吸收。

更高的量子效率意味著更好的光靈敏度和更強的影像訊號，尤其是在弱光或光子受限的情況下。

為什麼量子效率對科學相機如此重要？

在成像中，盡可能捕捉入射光子總是很有幫助的，尤其是在需要高靈敏度的應用中。

然而，高量子效率感測器往往價格更高。這是因為在保持像素功能的同時最大化填充因子是一項工程挑戰，也與背照式製程有關。正如您將了解的，這種工藝能夠實現最高的量子效率，但同時也顯著增加了製造工藝的複雜性。

與所有相機規格一樣，量子效率的需求必須始終與特定成像應用的其他因素進行權衡。例如，引入全域快門可以為許多應用帶來優勢，但通常無法在雙像素（BI）感測器上實現。此外，它還需要在像素中添加一個額外的電晶體。即使與其他全像素（FI）感測器相比，這也會降低填充因子，從而降低量子效率。

量子效率 (QE) 重要性的應用範例

以下是一些應用範例：

●非固定生物樣本的低光照和螢光成像

●高速成像

● 需要高精度強度測量的定量應用

按感測器類型劃分的量子效率

不同的影像感測器技術展現出不同的量子效率。以下是主要感測器類型量子效率的典型比較：

CCD（電荷耦合元件）

傳統上，CCD因其低雜訊和高量子效率（通常峰值在70%至90%之間）而備受科學成像領域的青睞。 CCD在天文學和長時間曝光成像等應用中表現出色。

CMOS（互補金屬氧化物半導體）

曾經受限於較低的量子效率和較高的讀出噪聲，現代CMOS感測器——尤其是背照式感測器——已經取得了顯著進步。許多感測器的峰值量子效率現在超過80%，在提供更高幀速率和更低功耗的同時，也能帶來卓越的性能。

探索我們一系列先進的產品。CMOS相機可以建立模型來了解這項技術的發展程度，例如Tucsen 的 Libra 3405M sCMOS 相機一款專為嚴苛的低光照應用而設計的高靈敏度科學相機。

sCMOS（科學CMOS）

專為科學成像而設計的專用CMOS元件，sCMOS相機此技術結合了高量子效率（通常為70-95%）、低雜訊、高動態範圍和快速擷取等優點，是活細胞成像、高速顯微鏡和多通道螢光成像的理想選擇。

如何解讀量子效率曲線

製造商通常會發布量子效率曲線，該曲線繪製了不同波長（nm）下的效率（%）。這些曲線對於確定相機在特定光譜範圍內的表現至關重要。

需要關注的關鍵要素：

●峰值量化寬鬆：最大效率通常在 500–600 nm 範圍內（綠光）。

●波長範圍：可用光譜窗口，其中 QE 保持在有用閾值以上（例如，>20%）。

●下客區：量子效率在紫外線（<400 nm）和近紅外線（>800 nm）區域往往會下降。

解讀這條曲線有助於您將感測器的優勢與您的應用相匹配，無論您是在可見光譜、近紅外線還是紫外光譜範圍內成像。

量子效率的波長依賴性

圖：量子效率曲線，顯示了前照式和背照式矽基感測器的典型值。

此圖顯示了四款範例相機的光子偵測機率（量子效率，%）與光子波長的關係。不同的感測器型號和塗層會顯著影響這些曲線。

如圖所示，量子效率與波長密切相關。大多數矽基相機感測器的量子效率峰值出現在可見光波段，最常見的是綠光到黃光區域，波長約 490nm 至 600nm。透過改變感測器塗層和材料，可以調整量子效率曲線，從而在紫外線 (UV) 波段（約 300nm）、近紅外光 (NIR) 波段（約 850nm）以及兩者之間的其他波段獲得峰值量子效率。

所有矽基相機在波長接近 1100nm 時量子效率都會下降，因為此時光子能量不足以釋放光電子。對於具有微透鏡或紫外線阻隔窗口玻璃的感測器，紫外線性能會受到嚴重限制，因為這些結構會阻礙短波長光到達感測器。

在此期間，量子效率曲線很少是平滑均勻的，而是經常包含由構成像素的材料的不同材料特性和透明度引起的小峰和小谷。

在需要紫外線或近紅外線靈敏度的應用中，考慮量子效率曲線可能變得更加重要，因為在某些相機中，曲線兩端的量子效率可能比其他相機大很多倍。

X射線敏感度

有些矽基相機感測器可以在可見光波段工作，同時也能偵測某些波長的X射線。然而，相機通常需要特殊的工程設計，以應對X射線對相機電子元件的影響，以及X射線實驗中常用的真空腔環境。

紅外線攝影機

最後，基於其他材料而非矽的感測器可能會展現出完全不同的量子效率曲線。例如，以砷化銦鎵（InGaAs）取代矽的紅外線相機，可偵測近紅外線波段的寬波長範圍，最大波長可達約2700奈米，具體數值取決於感測器型號。

量子效率與其他相機規格的比較

量子效率是一項關鍵的性能指標，但它並非孤立存在。以下是它與其他重要相機規格的關係：

量子效率與靈敏度

靈敏度是指相機偵測微弱訊號的能力。量子效率直接影響靈敏度，但像素尺寸、讀出雜訊和暗電流等其他因素也會產生影響。

量子效率與訊號雜訊比 (SNR)

更高的量子效率（QE）可以透過每個光子產生更多訊號（電子）來提高訊號雜訊比（SNR）。但是，由於電子元件性能差或冷卻不足造成的過大雜訊仍然會降低影像品質。

量子效率與動態範圍

量子效率 (QE) 影響的是相機偵測到的光量，而動態範圍描述的是相機能夠處理的最亮訊號和最暗訊號之間的比率。即使是高量子效率但動態範圍較差的相機，在高對比場景下仍可能產生欠佳的成像效果。

簡而言之，量子效率至關重要，但始終要結合其他互補指標進行評估。

什麼是「好的」量子效率？

沒有通用的「最佳」量子效率值——它取決於您的應用。話雖如此，以下是一些通用基準：

QE範圍	績效水準	用例
低於40%	低的	不適用於科學用途
40-60%	平均的	入門科學應用
60-80%	好的	適用於大多數成像任務
80-95%	出色的	低光照、高精度或光子限製成像

此外，還要考慮所需光譜範圍內的峰值量子效率與平均量子效率。

結論

量子效率是選擇科學成像設備時最重要但常常被忽略的因素之一。無論您是在評估CCD、sCMOS相機或CMOS相機，了解量子效率都能幫助您：

● 預測您的相機在實際光照條件下的效能

● 客觀比較產品，摒棄行銷宣傳

● 依照您的科學研究需求選擇合適的相機規格

隨著感測器技術的進步，如今的高量子效率科學相機在各種應用領域展現出卓越的靈敏度和多功能性。但無論硬體多麼先進，選擇合適的工具首先要了解量子效率在整體應用中的作用。

常見問題解答

在科學相機中，更高的量子效率總是比較好嗎？

更高的量子效率 (QE) 通常能提升相機偵測低光強度的能力，這在螢光顯微鏡、天文觀測和單分子成像等應用中至關重要。然而，QE 只是均衡效能的一個組成部分。即使相機擁有高 QE，但如果動態範圍差、讀取雜訊高或冷卻不足，其成像效果仍可能欠佳。為了獲得最佳性能，評估 QE 時務必結合其他關鍵參數，例如雜訊、位元深度和感測器架構。