做成像的你不得不了解的真相2-灵敏度和QE

科研级相机的灵敏度由三个主要参数决定: 探测器的QE, 像元尺寸和相机噪声。

后两项我们以后再做专题讨论。这期先讲讲小编认为顶顶重要，看起来最容易理解，但是其实还有些奥妙的QE.

QE-量子效率

　　QE很容易理解，就是探测器的探测效率。由于半导体材料对光信号的吸收效率和波长相关，我们看到的QE曲线横轴为波长，纵轴为百分比。(图1)

图1. 一些典型CMOS相机的QE曲线图 (采自Princeton Instruments, Kuro sCMOS)

波长和半导体材料透过性

　　光在半导体材料中的穿透性和波长相关。500~600nm的黄绿色光，正好能穿透到检测材料的中间，所以检测效率最高。波长变短时，越多光子在到达检测区前就被吸收；波长变长时，越多光子会穿过检测区，或因为能量不足，无法生成光电子。所有我们看到的QE曲线是中间高，两侧降低的。

图2. 光的波长和半导体材料透过性

（图像采自SONY, 背照式CMOS图像传感器）

芯片表面结构

　　普通CCD/CMOS芯片，像素表面都有部分被不透光的金属结构覆盖，光子无法透过并到达检测区，导致QE损失。(图3)

图3. 光子无法穿过像素表面的金属结构

　　为提高QE, 现代芯片在每个像素表面加做了微透镜(microlens). 微透镜能使部分本来照射到金属结构上的光偏转，聚焦到芯片感光区域。使用这种技术，能把 CMOS 芯片的标称QE提高到比如82%. 然而，微透镜也有其局限性。它对垂直入射的光效果最好，对大角度入射光效果变差。芯片厂商提供的比如82%的QE，在实际应用时是否能实现是有疑问的。

图4. 微透镜提升芯片QE.

背照式芯片技术

　　背照式芯片将前面提到芯片反过来，半导体信号检测区直接面对信号来源，信号不用穿过上述的金属结构层，上述对信号的阻挡也就不存在了。这样做出的背照式芯片，可以获得接近完美的95%峰值量子效率。而且可以实现低至200nm 的深紫外和高至1100nm的近红外探测。

图5.  正照和背照芯片比较

　　那么，背照式95%的QE和正照式82%的QE, 探测灵敏度真的只差13%吗？

　　为比较两者真实的灵敏度差别，我们使用了Argolight 公司的标准定量荧光样品。该样品可以长时间发出稳定的荧光。以下是对比Photometrics 公司Prime BSI (95% QE, 6.5um 像元)和一款正照式sCMOS相机(82% QE，6.5um 像元)的成像结果。

图6.  Argoligh Argo-HM 荧光样品

　　成像条件: 60x, 1.35NA 油镜， 450nm LED 激发光。 两台相机分别接在Cairn TwinCam 50/50 双相机分光器成像端。使用相同的曝光时间(80ms), 各拍摄100帧图像，做平均。测量样品上荧光条带的强度。根据已知的相机增益(Gain)和偏置(Bias), 用以下公式，换算为真实的强度值(电子数)。

　　信号强度(e-) =（信号灰度值 - 偏置）*Gain.

比较结果

　　理论上，两者灵敏度差别为 95% / 82% = 1.15

　　实际测量的强度差别为 563/442 = 1.27

　　即实际实验结果，95% QE的背照式CMOS相机，在相同实验条件下，能检测到的信号是82%QE CMOS相机的1.27倍。

结论

　　背照式芯片技术大大提高了相机灵敏度，也有效地展宽了半导体芯片的信号检测范围(紫外和近红外). 相对于前照式芯片，在使用显微成像光学系统时，其对灵敏度的提升，大大超过了芯片标称的 QE 值的差别。