L'eficiència quàntica (QE) del mòdul de càmera USB és un paràmetre clau per mesurar la capacitat del seu sensor per convertir fotons incidents en electrons, afecta directament la qualitat de la imatge, especialment en escenaris amb poca llum o longituds d'ona específiques. La següent és una interpretació des de la perspectiva de la definició, factors que influeixen, mètodes de prova i aplicacions pràctiques:

La definició d'eficiència quàntica

L'eficiència quàntica es refereix al nombre d'electrons que un sensor pot generar amb cada fotó incident a una longitud d'ona específica., generalment expressat en percentatge. Per exemple, QE=50% significa això 50 de cada 100 els fotons es converteixen en electrons.

Fórmula: QE=

Nombre de fotons incidents

El nombre d'electrons produïts

​

X 100%

Significat físic: Com més alt sigui el QE, més gran és la taxa d'utilització de la llum del sensor, i la relació senyal-soroll (SNR) i rang dinàmic (DR) solen ser millors.

2. Factors bàsics que influeixen en l'eficiència quàntica

(1) Tipus de sensor

Sensor CMOS

Modern retroil·luminat (BSI) CMOS millora significativament el QE, sobretot en l'infraroig proper (NIR) banda, optimitzant el disseny del camí òptic (com ara moure el fotodíode darrere de la capa de cablejat metàl·lic).

Per exemple, el QE de la sèrie IMX BSI CMOS de SONY pot arribar a més de 80% a una longitud d'ona de 550 nm.

Sensor CCD

El QE dels CCDS il·luminats frontalment tradicionals sol ser inferior al del CMOS BSI. No obstant això, alguns CCDS de grau científic, mitjançant el disseny de la capa d'esgotament profund, tenen un QE extremadament alt a longituds d'ona específiques (com ara els raigs X).

(2) Dependència de la longitud d'ona

QE varia significativament amb la longitud d'ona, generalment és relativament alt en la llum visible (400-700nm) rang i relativament baix en l'ultraviolat (UV) i infrarojos (I) bandes.

Per a un determinat sensor CMOS, QE=70% a 550 nm (llum verda), però pot baixar a 30% a 850 nm (infrarojos propers).

(3) Array de microlents

La microlent enfoca la llum incident al fotodíode, reduint la pèrdua de llum i augmentant el QE 10% a 20%.

Les microlents de mala qualitat o el disseny inadequat poden provocar una disminució del QE dels píxels de vora.

(4) Recobriment antireflectant (Revestiment AR

El recobriment de la superfície del sensor amb una capa antireflex pot reduir la reflexió de la llum i millorar el QE. Per exemple, Els recobriments AR multicapa poden augmentar el QE 5% a 15% dins del rang de llum visible.

3. Mètodes de prova d'eficiència quàntica

Condicions estàndard de prova

Font de llum: Llum monocromàtica (com ara làser o LED), amb una longitud d'ona que cobreix el rang de funcionament del sensor (com ara 400-1000 nm).

Intensitat de la llum: Intensitat lluminosa baixa (per evitar la saturació), generalment controlat per una esfera integradora o monocromador.

Calibració: Utilitzeu un detector estàndard amb QE conegut (com un fotodíode de silici) per a la comparació.

(2) Procediments de prova

Mesura el nombre de fotons incidents (calculada per un mesurador de potència i longitud d'ona).

Mesureu el senyal de sortida (nombre d'electrons) del sensor.

Calcula QE = (nombre d'electrons/nombre de fotons) × 100%.

4. L'impacte de l'eficiència quàntica en el rendiment de les càmeres USB

Imatge amb poca llum

Els sensors d'alt QE poden generar més electrons sota la mateixa llum i tenir una relació senyal-soroll més alta, fent-los aptes per a escenaris com el monitoratge nocturn i l'astrofotografia.

El sensor amb QE=80% té menys soroll amb poca llum que el sensor amb QE=50%.

(2) Reproducció del color

La dependència de la longitud d'ona de QE afecta la precisió del color. Si el sensor té un QE baix per a la llum vermella, la imatge pot semblar blavosa.

Solució: Compensació mitjançant matriu de correcció de color (CCM) o postprocessament en format RAW.

(3) Interval dinàmic

Els sensors d'alt QE són més propensos a la saturació amb llum forta, però el CMOS modern pot ampliar el rang dinàmic mitjançant els modes ADC o HDR de múltiples pendents.

5. Suggeriments de selecció en aplicacions pràctiques

Inspecció industrial: Prioritzeu la selecció de sensors amb un alt QE a la longitud d'ona objectiu (com ara la longitud d'ona del làser).

Microscopi biològic: QE alt (>70%) es requereix a la banda de 400-650 nm per reduir el temps d'exposició.

Càmeres de consum: equilibrant QE i cost, amb QE que normalment oscil·la entre 50% a 70%.

6. Aclariment de malentesos comuns

Concepció errònia 1: QE alt = bona qualitat d'imatge.

La veritat és que la qualitat de la imatge també es veu afectada per factors com la mida dels píxels, soroll de lectura, i corrent fosc.

Concepció errònia 2: Tots els píxels tenen el mateix QE.

El cert és que per la inclinació de la microlent o la pèrdua del camí òptic, el QE dels píxels de vora pot ser 5% a 10% inferior.

Resum

L'eficiència quàntica del mòdul de càmera USB és l'indicador bàsic per avaluar la seva sensibilitat òptica, i s'ha d'analitzar exhaustivament en combinació amb el tipus de sensor, requisits de longitud d'ona i condicions de prova. Els sensors d'alt QE tenen avantatges significatius en camps d'imatges científiques i amb poca llum, però cal equilibrar el cost i el rendiment. En fer una elecció, es recomana consultar el gràfic de corba QE proporcionat pel fabricant i prestar atenció al rang de cobertura de longitud d'ona i als estàndards de prova (com l'EMVA 1288).