圖 1：具有能將光子轉換為電荷載流子的光敏區域且厚度為 d的半導體材料。該圖顯示了當光穿透材料時光子通量會發生什么改變¹。

這里，(1 ? R)為材料表面的反射損失，可以通過適當的涂層來最小化；ζ為部分電子-空穴對（電荷載流子），對光電流有貢獻并且沒有在材料表面復合再結合；(1?e^?α?d)被半導體吸收的部分光子通量，因此厚度 d 應該足夠大以增加該部分的貢獻。

由于這些圖像傳感器的基本材料硅的不同吸收特性以及每個圖像傳感器的結構不同，它們的QE光譜也因此而不同。

圖 2：測量的吸收系數和硅作為太陽能電池材料的滲透深度²。

這在圖 2 中進行了說明，該圖顯示了太陽能電池中使用的硅的光譜相關吸收系數（見圖 2 – 藍色曲線）。第二條曲線（見圖 2 – 紅色曲線）描繪了光在硅中的穿透深度，是藍色曲線的倒數，在本情況中，使用的材料很可能沒有增透膜。Green 和 Keevers² 撰寫的這篇論文還測量了硅的光譜相關反射率，這如圖 3 所示，曲線代表上述量子效率方程中的因子 R。

圖 3：測量的硅反射率——硅作為太陽能電池中使用的材料³。

對于相機系統來說，通常會給出整個相機系統的 QE，這包括了非材料相關的損失，如填充因子、窗口和蓋板玻璃的反射等。在數據表中，此參數以百分比的形式給出，因此 50% 的 QE 意味著平均需要兩個光子來生成一個電荷載流子（電子）。

像元大小和填充因子

像元的填充因子（見圖 4）描述了感光面積與像元總面積的比率。圖像傳感器中像元的一部分面積總是被用于晶體管、電線、電容器或寄存器的布置，這是相應圖像傳感器（CCD、CMOS、sCMOS）的像元結構部分；而只有光敏感部分可有助于被檢測到的光轉換為電荷載流子。

圖 4：具有不同填充因子的像元（藍色區域對應于光敏區域）：[a] 填充因子為75 %的像元，[b] 填充因子為50 %的像元和在上方放置微透鏡的[c] 填充因子為50 %的像元。

圖 5：具有不同填充因子的像元（藍色區域對應于光敏區域）和照射它們的光線（橙色箭頭）的橫截面圖。虛線光線表示該光對信號沒有貢獻：[a]填充因子為75 %的像元，[b] 填充因子為50 %的像元，[c] 在頂部加微透鏡且填充因子為50 %的像元。

如果填充因子太小⁴，通常通過加微透鏡來提高填充因子。透鏡鏡頭收集照射到像元上的光線，并將光線聚焦到像元的感光區域（見圖 5）。

盡管采用微透鏡對于填充因子低于 100% 的像元總是有幫助的，但仍有一些物理和技術上的限制需要考慮。（見表 2）

圖 6 展示了基于薄透鏡的簡單光學系統的光學成像。在這種情況下，牛頓成像方程是有效的：

或者使用高斯透鏡方程：

放大倍數 M 由成像尺寸 Y_i 與物體尺寸 Y₀ 的比率給出：

尾注：

1. 圖像靈感來自于Figure 17.1-1, “Fundamentals of Photonics”, B.E.A. Saleh and M.C. Teich, John Wiley & Sons, Inc., 1991.

2. 數據來自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).

3. 數據來自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).

4. 填充因子可以很小，例如：行間傳輸 的CCD 圖像傳感器的像元，它的 35% 的像元區域用于移位寄存器或CMOS 傳感器的全局快門，其中晶體管和電引線導致 40% 的填充因子。

5. 對于一些大像元，使用效率較低的微透鏡仍然可能有用，例如，如果透鏡可以防止過多的光落在像元的外圍。