科研級相機的靈敏度由三個主要參數決定: 探測器的QE, 像元尺寸和相機噪聲。
后兩項我們以后再做專題討論。這期先講講頂頂重要，看起來最容易理解，但是其實還有些奧妙的QE。
QE（Quantum Efficiency）-量子效率
QE很容易理解，就是探測器的探測效率。由於半導體材料對光信號的吸收效率和波長相關，我們看到的QE曲線橫軸為波長，縱軸為百分比。(圖1)
圖1. 一些典型CMOS相機的QE曲線圖 (采自Princeton Instruments, Kuro sCMOS)
波長和半導體材料透過性
光在半導體材料中的穿透性和波長相關。500~600nm的黃綠色光，正好能穿透到檢測材料的中間，所以檢測效率最高。波長變短時，越多光子在到達檢測區前就被吸收；波長變長時，越多光子會穿過檢測區，或因為能量不足，無法生成光電子。所以我們看到的QE曲線是中間高，兩側降低的。
圖2. 光的波長和半導體材料透過性
（圖像采自SONY, 背照式CMOS圖像傳感器）
芯片表面結構
普通CCD/CMOS芯片，像素表面都有部分被不透光的金屬結構覆蓋，光子無法透過並到達檢測區，導致QE損失。(圖3)
圖3. 光子無法穿過像素表面的金屬結構
為提高QE, 現代芯片在每個像素表面加了微透鏡(microlens)。微透鏡能使部分本來照射到金屬結構上的光發生偏轉，聚焦到芯片感光區域。使用這種技術，能把 CMOS 芯片的標稱QE提高到82%.
然而，微透鏡也有其局限性。它對垂直入射的光效果最好，對大角度入射光效果變差。芯片廠商提供的比如82%的QE，在實際應用時是否能實現是有疑問的。
圖4. 微透鏡提升芯片QE.
背照式芯片技術
背照式芯片將芯片反過來，半導體信號檢測區直接面對信號來源，信號不用穿過上述的金屬結構層，上述對信號的阻擋也就不存在了。這樣做出的背照式芯片，可以獲得接近完美的95%峰值量子效率。而且可以實現低至200nm 的深紫外和高至1100nm的近紅外探測。
圖5. 正照和背照芯片比較
那么，背照式95%的QE和正照式82%的QE, 探測靈敏度真的只差13%嗎？
為比較兩者真實的靈敏度差別，我們使用了Argolight 公司的標准定量熒光樣品。該樣品可以長時間發出穩定的熒光。以下是對比Photometrics 公司Prime BSI (95% QE, 6.5um 像元)和一款正照式sCMOS相機(82% QE，6.5um 像元)的成像結果。
圖6. Argoligh Argo-HM 熒光樣品
成像條件: 60x, 1.35NA 油鏡， 450nm LED 激發光。 兩台相機分別接在Cairn TwinCam 50/50 雙相機分光器成像端。使用相同的曝光時間(80ms), 各拍攝100幀圖像，做平均。測量樣品上熒光條帶的強度。根據已知的相機增益(Gain)和偏置(Bias), 用以下公式，將灰度值換算為真實的強度值(電子數)。
信號強度(e-) =（信號灰度值 - 偏置）*Gain.
比較結果：
理論上，兩者靈敏度差別為 95% / 82% = 1.15
實際測量的強度差別為 563/442 = 1.27
即實際實驗結果，95% QE的背照式CMOS相機，在相同實驗條件下，能檢測到的信號是82%QE CMOS相機的1.27倍。
結論
背照式芯片技術大大提高了相機靈敏度，也有效地拓寬了半導體芯片的信號檢測范圍(紫外和近紅外). 相對於前照式芯片，在使用顯微成像光學系統時，其對靈敏度的提升，大大超過了芯片 QE 值的差別。
轉自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/49931648