2. 光电转换基础

图像传感器的本质，是把“光”变成“电”，再把“电”变成“数”。这一章聚焦第一步：光子如何被硅材料吸收并激发出电子，以及衡量这一过程好坏的四个核心指标——量子效率（QE）、光谱响应、填充因子（FF）、转换增益。理解这些概念，才能在后续调试中判断“画面暗”到底是光不够、量子效率低、还是填充因子被遮挡。

一、核心原理：光电效应与 PN 结收集

当光子能量大于硅的禁带宽度（约 1.12 eV，对应波长约 1100 nm）时，光子被硅晶格吸收，激发一个电子从价带跃迁到导带，留下一个空穴，形成电子-空穴对。这就是内光电效应。产生的电子-空穴对必须被有效分离并收集，否则会复合消失。

CCD 与 CMOS 都利用PN 结耗尽区完成收集：在耗尽区内建电场的作用下，电子被拉向 N 区，空穴被推向 P 区，电荷被“存”在势阱中。CMOS 像素通常采用钳位光电二极管（PPD）结构，把感光区与读出区隔离，降低暗电流和噪声。CCD 则通过垂直转移把电荷逐行搬到输出放大器。

二、量子效率 QE：一个光子能产生多少电子

量子效率定义为：收集到的电子数 ÷ 入射光子数。理想 QE=100%，即每个光子产生一个可收集电子。实际受反射、吸收深度、表面复合、转移损失影响，前照式 CMOS 峰值 QE 约 60%~80%，背照式（BSI）可超过 90%。

QE 与波长强相关：短波（蓝光）在硅表面附近被吸收，容易被表面缺陷复合；长波（红光/近红外）吸收深度大，需要更厚的耗尽区才能收集。因此 QE 曲线通常呈“中间高、两端低”的形态。

QE(λ) = N_e(λ) / N_photon(λ) × 100%

其中：
N_photon(λ) = 入射光功率 P(λ) / (h·c/λ)
N_e(λ)     = 收集电子数（可由光电流积分得到）

三、光谱响应：不同波长的“敏感度地图”

光谱响应描述传感器对不同波长光的响应能力，通常用响应度 R（A/W）或归一化 QE 曲线表示。它与材料、结深、滤色片、微透镜密切相关。典型硅传感器响应范围约 350~1100 nm，峰值多在 550~650 nm（绿光/黄光）。

在机器视觉中，若被测物是红色 LED（630 nm），应选红光 QE 高的传感器；若做近红外监控（850 nm），则需关注 NIR 增强型或 BSI 结构。忽略光谱匹配，常导致“灯很亮但图像很暗”。

四、填充因子 FF：感光面积占比

填充因子是像素中有效感光面积与像素总面积之比。CMOS 像素里，感光二极管旁边还有复位管、源跟随器、行选管和金属走线，这些都会占面积。FF 越高，同样光照下收集的光子越多。

微透镜把入射光聚焦到感光区，可显著提升有效 FF。BSI 结构把金属层移到感光面背后，FF 可接近 100%。前照式小像素 FF 可能只有 30%~50%，这是小像素暗光差的重要原因之一。

五、案例：为什么同一颗传感器，暗光表现差这么多？

假设某 1/2.8" 传感器像素尺寸 2.9 µm，前照式 FF=45%，峰值 QE=65%。若换成同尺寸 BSI 版本，FF 提升到 85%，QE 提升到 80%。在相同照度下，收集电子数约提升 (0.85×0.80)/(0.45×0.65) ≈ 2.3 倍，相当于信噪比提升约 3.6 dB。这说明结构升级比单纯提高增益更有效，因为增益会同时放大噪声。

六、常见误区与复盘

• 误区一：QE 越高越好。QE 高但暗电流大、噪声高，整体 SNR 未必好。要结合读出噪声和满阱容量看。
• 误区二：填充因子只由像素尺寸决定。微透镜和 BSI 可大幅改变有效 FF，小像素也能有高 FF。
• 误区三：光谱响应只看峰值。峰值高不代表目标波段高，必须看目标波长处的绝对响应。
• 复盘方法：用单色仪或窄带 LED 逐波长测量输出，绘制实际 QE 曲线，与 datasheet 对比，定位是滤光片、镜头还是传感器问题。