光子検出効率計算機

光検出器の性能指標：量子効率と受光感度

光を電気信号に変換するデバイス（フォトダイオード、CCD/CMOSセンサー、光電子増倍管など）の性能を表すために、主に2つの指標が使われます。

1. 量子効率 (Quantum Efficiency, QE)

入射した光子（フォトン）の個数に対して、何個の電子が生成（検出）されたかの割合です。単位はパーセント(%)です。

• 理論上の最大値は100%（1個の光子で1個の電子が発生）です。
• 実際には、表面での反射や再結合により100%未満になります。
• 高性能な裏面照射型CMOSセンサーでは、QEが90%を超えるものもあります。

2. 受光感度 (Responsivity, R)

入射した光のパワー（ワット）に対して、どれだけの電流（アンペア）が流れるかを示す指標です。単位は A/W（アンペア/ワット）です。

フォトンのエネルギーは波長によって異なるため、同じQEであっても波長が長くなるほど（フォトン1個のエネルギーが小さくなる＝同じワット数ならフォトンの数が増えるため）、受光感度Rは高くなる傾向があります。

変換公式

R (A/W) = \frac{\eta(\%)}{100} \times \frac{\lambda (\text{nm})}{1239.8}

ここで $\eta$ は量子効率、$\lambda$ は波長(nm)です。1239.8 という定数は $hc/e$ から導かれます。

応用分野

• 医療画像： PET（陽電子放出断層撮影）やCTのスキャナでは、シンチレータで発生した微弱な光を高感度な光電子増倍管（PMT）やSiPM（シリコン光増倍管）で検出します。
• 光通信： 光ファイバー通信の受信機では、高速かつ高感度なフォトダイオードが不可欠です。
• 天文学： 遠くの星からの微かな光を捉えるため、極限まで量子効率を高め、ノイズ（暗電流）を抑えた冷却CCDカメラが使われます。

S/N比と暗電流

検出器の性能は感度だけでは決まりません。光が来ていない時でも流れる「暗電流（ダークカレント）」や、読み出しノイズが低いことも重要です。S/N比（信号対雑音比）が高いほど、鮮明な画像や正確なデータが得られます。