量子効率とマシンビジョンにおける重要性
量子効率（QE）は、イメージセンサーが入射光を電子に変換し、使用可能な信号として出力する効率を表した数値で、ビジョンシステムの精度・信頼性・効率性を確保するうえで非常に重要です。量子効率が高いと、同一の照明・露光条件下でより多くの信号が得られるため、画質の向上や露光時間の短縮、照明出力の低減、システムコストの削減につながります。以下では、量子効率が撮像に与える影響について、さまざまな観点から解説します。
最終更新日: 2026/11/10
読了時間：約 14 分
量子効率について知っておくべきこと
量子効率とは、イメージセンサーが入射光を電荷に変換する効率を表す指標
高速撮像、暗所撮像、近赤外（NIR）撮像では、高い量子効率が必要
量子効率が高いほど、露光時間の短縮や照明電力の節約、ゲインの抑制が可能
量子効率が高いと、より多くの光を信号に変換できるため、最終的な画質が向上
量子効率は撮像波長によって変化し、CMOS センサーの場合、可視光帯域と近赤外帯域で大きな差が発生
量子効率が撮像に与える影響
量子効率は、抽象的な指標ではなく、撮像の信頼性に物理的に影響します。また、用途によって必要な量子効率が異なり、絶対的な最低値は存在しません。そのため、実際の撮像波長に合わせて量子効率を決定したうえで、ピクセルサイズ、露光時間、ノイズも考慮に入れながら、必要なSN比（信号対ノイズ比）を確保することが重要です。
では、高度なセンサーを導入する場合、どうすれば投資回収が見込めるでしょうか。本セクションでは、量子効率が撮像に与える影響とその対策について検討していきます。
量子効率が影響する要素
イメージセンサーの仕様に掲載されている量子効率は、入射光に対して生成される信号の割合を数値化したものです。量子効率が高いほど、同一の光量でより多くの有効な信号が得られます。特に撮像時や後続の画像処理において、量子効率は多くの要素に直接的または間接的に影響します。
SN比
量子効率が高いと、同一の光量でより多くの光子を電子に変換できるため、有効な信号が増加し、SN比が向上します。また、光子ノイズは電子数の平方根に比例して増加するため、暗所撮像におけるSN比が改善します。
最低照度＆感度
量子効率は、光子が電子に変換される割合を表します。例えば、量子効率が80%の場合、1,000個の光子から約800個の電子が生成されます。一方、量子効率が40%の場合は、これが約400個に減少します。つまり、量子効率の高いカメラは、短い露光時間で十分な強度の信号が得られ、信号増幅の必要がないため、暗所撮像に適しているといえます。
露光時間＆最大フレームレート
量子効率が高いと、短時間で十分な信号を蓄積し、ノイズを抑えながら、露光時間を短縮できるため、以下の効果が得られます。
フレームレート（fps）の向上
動体ブレの低減
量子効率が影響する要素の一覧表
量子効率との関係性 | 高量子効率による効果 | |
SN比 | 比例 | 暗所でも鮮明かつノイズの少ない撮像が可能 |
|---|---|---|
露光時間 | 反比例 | 露光時間の短縮、フレームレートの向上 |
信号ゲイン
| 反比例
| デジタルゲインの低減、画像ノイズの減少
|
光感度 | 撮像波長によって異なる | 特定波長（近赤外、UVなど）の撮像に最適 |
センサー構造と量子効率
センサー構造を最適化すれば、イメージセンサーが入射光を電気信号に変換する効率が向上します。特に表面照射型（FSI）と裏面照射型（BSI）をどちらを採用しているか、光感度強化の有無、ピクセルサイズは、受光効率や画質を大きく左右するため、用途に応じてこれらの要素と撮像波長を考慮しながら、最適な構造のセンサーを選定することが重要です。
表面照射型と裏面照射型の比較
表面照射型センサーは、受光面側に配線層があり、受光領域が狭くなるため、マイクロレンズなどで光を集めて、受光量を増やさなけばなりません。一方、裏面照射型センサーは、受光面の裏側に配線層があり、より多くの光を取り込めるため、ピクセルサイズが小さい場合や暗所撮像においても量子効率が向上します。
量子効率と波長の関係性
量子効率は、撮像帯域によって変化します。一般的なCMOSセンサーは、可視光に対して高い感度を持ちますが、赤外光帯域では量子効率が大幅に低下します。一方、近赤外帯域の量子効率を向上させる画素構造を持つCMOSセンサーも存在します。特に近赤外撮像では、照明の波長に合ったセンサーを選定することが重要です。
ピクセルサイズと開口率
露光時間と量子効率が同一の場合、ピクセルサイズが大きいほうがより多くの光子が得られるため、有効信号が増加し、SN比が向上します。一方、ピクセルサイズが小さいと、空間分解能が向上するほか、システムの小型化にもつながります。開口率は、受光面のうち、実際に光を感知する領域の割合を示したもので、この数値が高いほど、受光量と量子効率が向上します。
EMVA規格に基づく量子効率の測定
EMVA規格では、カメラとイメージセンサーの画質を測定・表示するための統一された手順を定めています。本規格に準拠することで、量子効率、暗電流ノイズ、飽和容量、SN比、ダイナミックレンジといった仕様を透明性をもって比較できます。
量子効率：画質とセンサー選定における重要な指標
量子効率は、カメラの光感度を示す重要な指標として、センサーが光子を電子に変換する効率を決定し、信号強度、SN比、分解能などに影響します。また、波長帯域（可視光、近赤外、SWIRなど）や用途によって、必要な量子効率は変わります。量子効率とほかのセンサー仕様を併せて検討すれば、高度な画像処理に最適なカメラを選定できるでしょう。
よくあるご質問
量子効率とは、イメージセンサーが入射光を電気信号（電子）に変換する効率を表す指標です。例えば、量子効率が80%の場合、1,000個の光子から約800個の電子が生成されます。同一の光量であれば、量子効率が高いほど有効な信号が多くなります。
露光時間が短い場合や高速撮像、暗所撮像、近赤外撮像では、高い量子効率が必要になります。量子効率が高いと、短時間で十分な信号が得られるため、動体ブレやゲインの上昇、照明の出力を抑えられます。
ピクセルサイズと露光時間が同一であれば、量子効率が高いセンサーのほうがより多くの信号を得られ、SN比が向上します。ただし、SN比は、ノイズとピクセルサイズの影響も受けます。ピクセルが大きくてノイズの少ないセンサーは、たとえ量子効率が低くても、ピクセルが小さくてノイズの多いセンサーよりSN比に優れている場合があります。適切な評価を行うには、EMVA 1288などの規格に準拠した測定データを参照することをおすすめします。
いいえ。量子効率は撮像波長に依存し、可視光帯域と近赤外帯域で大きく異なります。システムを構築する際は、実際の撮像波長におけるQE曲線やピクセルサイズ、センサーノイズに加え、照明、撮像対象、フィルター、保護ガラス、レンズなども総合的に考慮しないと、必要な画質とS/N比が得られない場合があります。
量子効率は、センサー構造や開口率、マイクロレンズなど複数の要因によって決まります。裏面照射型センサーは、配線層やトランジスターによる光の遮蔽が少ないため、ピクセルサイズが小さい場合に特に適しています。適切な評価を行うには、EMVA 1288などの規格に準拠した測定データを参照することをおすすめします。
可視光撮像に適したセンサー
約400～700nmの波長帯域には、高い量子効率を持つモノクロ CMOSセンサーが適しており、優れた信号品質による高精細な撮像が可能です。一方、表面検査、印刷検査、組立工程の監視などの用途の場合は、色を正確に識別するため、光感度の高いカラーセンサーを採用するとよいでしょう。
近赤外撮像に適したセンサー
約700～1000nmの近赤外帯域では、従来のCMOSセンサーの量子効率が低下することがあります。近赤外強化型のモノクロ CMOSセンサーであれば、同一の光子密度でより多くの信号が得られるため、食品検査などの用途において、可視光撮像では検出が難しい構造物を可視化できます。
SWIR撮像における高量子効率のメリット
約1000～2500nmのSWIR帯域では、高い量子効率によってより多くの信号が得られるため、半導体検査、医薬品の品質管理、水分測定、異物検出などの用途にメリットがあります。なお、実際の対応波長範囲は、センサーの種類によって異なります。このほか、量子効率が高いと、照明の出力も抑えられます。