機器視覺中的量子效率（QE）
量子效率（QE）精確衡量影像感測器將入射光轉換為電子訊號的能力。它的定義是：落在感測器作用感光面上的光子當中，能成功產生可量測電子的百分比。如果感測器在某個波長下的 QE 為 75%，代表每 100 個光子中有 75 個被轉換為電子，其餘 25 個則被反射或以熱能形式被吸收。在工業成像中，這項指標非常重要，因為它決定了相機在極短曝光時間或光線受限應用中的表現。
光轉換的物理原理
當光線穿過鏡頭打到 CMOS 感測器的矽晶上時，會傳遞自身的能量。若入射光子能量足夠，便會與矽相互作用，將電子從原位「打出」，產生一對電子-電洞。像素中的微電路隨後會收集這些電子，並轉換為構成數位影像的電壓。
此轉換過程的基本公式相當直覺：
不過，要達到高效率必須仰賴精細的矽晶工程。感測器表面的金屬佈線與電路會在物理上阻擋光子抵達感光的光電二極體。為此，廠商會在每個像素上方加裝微透鏡--微小的光學圓拱--把入射光直接聚焦到作用像素區，從而大幅提升整體 QE。背照式（BSI）感測器（如 Sony 的 STARVIS 系列）則更進一步，把佈線移到光電二極體之後，使光子能暢通無阻地抵達感光層。
波長依賴曲線
量子效率不是單一恆定的數值，而是會隨光線波長明顯變化的曲線。
多數標準工業 CMOS 感測器的 QE 在光譜中的綠色區域（約 525 nm 附近）達到峰值。當波長往近紅外（NIR，約 850 nm 以上）方向延伸時，矽吸收入射光子的能力會下降。此波段中的許多光子會穿透得太深，或在作用層中沒有產生載子，這也是為何標準感測器在 NIR 範圍靈敏度下降的原因。在查閱相機資料表時，所標示的「75% QE」幾乎都是指曲線的絕對峰值，您必須對照感測器的光譜響應圖，才能判斷在實際所用光色下的真實效率。
量子效率在機器視覺中的應用
當系統整合商不得不限制光線時，便會仰賴高 QE 相機。無論是受到輸送帶速度的限制，或是裝置外殼的物理限制，高效率都是解決光線不足應用的關鍵。
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應用 |
照明限制 |
為何需要高 QE |
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高速分揀 |
次毫秒級曝光時間 |
為了凍結運動，快門僅在毫秒的零點幾分之一時間內開啟。高 QE 能讓相機在如此短的視窗內仍能取得足夠資料，以執行精確的邊緣偵測。 |
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螢光顯微 |
微弱、低強度的發光 |
生物樣品往往只發出極微弱的光線。高 QE 能確保這些微弱訊號在被讀出雜訊淹沒前就被感測器擷取。 |
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農業檢測 |
NIR 帶通濾鏡 |
檢測水果皮下的瘀傷需使用 NIR 光。標準感測器在 NIR 波段的 QE 較低，往往需要專為此最佳化的厚矽感測器。 |
為何黑白感測器的量子效率高於彩色感測器？
在為檢測任務選型相機時，工程師只要顏色資料不是硬性需求，通常會預設使用黑白方案。其原因與量子效率息息相關。
為了產生彩色影像，廠商會在感測器上覆蓋 Bayer 濾鏡馬賽克。每個像素都被一片微觀的紅色、綠色或藍色濾鏡覆蓋。被紅色濾鏡覆蓋的像素會以物理方式吸收並阻擋綠色與藍色光子，使其無法抵達矽層。
由於黑白感測器沒有這層濾鏡陣列，每個像素都能接收到完整的可用光譜。少了這道物理障礙，黑白相機在採用相同感測器但加裝彩色陣列的版本相比之下，總是會擁有明顯較高的整體量子效率與更佳的絕對靈敏度。
需要評估的關鍵規格
在 EMVA 1288 標準下，QE 通常會與其他幾項指標一同評估，以共同定義相機的真實靈敏度：
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規格 |
與 QE 的關係 |
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絕對靈敏度閾值（AST） |
取得與相機雜訊等量訊號所需的最少光子數。QE 越高，AST 就越低。 |
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訊雜比（SNR） |
較高的 QE 會直接提升訊號強度，進而改善 SNR，得到更乾淨、更可靠的影像。 |
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讀出雜訊 |
若感測器雖然 QE 高、但讀出雜訊同樣高，在暗部多擷取到光子的優勢便會被抵消。 |
常見問題
在線性工作條件下的標準工業 CMOS 與 CCD 感測器中，是不可能的。一顆光子無法產生一顆以上的電子。雖然在極高強度（例如高功率雷射）下可能發生多光子吸收，部分專業科學感測器也會利用內部增益對電子做倍增，但這些都已超出標準機器視覺硬體的範圍。
不一定。QE 高固然重要，但相機還必須具備低暗電流與低讀出雜訊。如果感測器雖然光轉換效率高，但在讀出過程中產生過多電子雜訊，弱光條件下的影像品質依然會不佳。
請查閱相機資料表中的光譜響應曲線。若感測器的 QE 在 525 nm 附近達到峰值，搭配綠色 LED 照明能讓光線收集效率最高，從而支援更短的曝光時間，或允許縮小光圈以取得更大的景深。
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