Dlaczego wytwarzanie kamer do światła niewidocznego jest tak drogie?

Typowe kamery konsumenckie mogą rejestrować długość fali wynoszącą 390–700 nm 400-1050 nm . Ale dlaczego wytwarzanie kamer na podczerwień, ultrafiolet, twarde promieniowanie rentgenowskie jest tak trudne i kosztowne? Jedyne, co je różni, to długość fali i eV energii.

Wszystko sprowadza się do wielkości rynku. Gdzie jest popyt na takie kamery i czy liczba sprzedaży uzasadnia koszty konfiguracji produkcji? Możesz uzyskać konwersję w podczerwieni do standardowych aparatów DSLR (np. Samouczki na temat modyfikacji cyfrowej kamery na podczerwień Zrób to sam ) i możesz przekonwertować kamerę na typ „pełnego spektrum”, który pobiera trochę promieniowania ultrafioletowego. (patrz fotografia z pełnym spektrum ). W przypadku mniejszych długości fal potrzebne będą różne czujniki. Te, ze względu na ich specjalistyczny charakter i niską produkcję, są zwykle bardzo drogie.

Po pierwsze: standardowe czujniki CCD są wrażliwe na długość fali znacznie przekraczającą 700 nm. O ile wiem, czujniki Si są jeszcze bardziej czułe na światło bliskiej podczerwieni niż na światło widzialne.

Oczywiście zmienia się dla znacznie większych długości fali: Jednym z warunków wykrywalności światła jest to, że fotony mają wystarczającą ilość energii, aby stworzyć parę dziura-elektron. Ten próg energetyczny stanowi pasmo wzbronione określonego materiału półprzewodnikowego (np. Dla Si: ~ 1,1 eV). Ponieważ energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali (E = h * c / lambda), istnieje maksymalna długość fali, którą można wykryć za pomocą danego materiału półprzewodnikowego (np. Dla Si: ~ 1100 nm).

W przypadku kamer istotny jest również obiektyw: większość rodzajów szkła jest mniej przezroczysta na światło UV. Soczewki zoptymalizowane pod kątem przezroczystości UV są bardzo drogie (chociaż tanią alternatywą mogą być soczewki z tworzywa sztucznego).

Obie istniejące odpowiedzi są poprawne, ale można je łączyć: Proste czujniki Si są dobre dla sygnałów widzialnych i NIR i są powszechne, a zatem tanie. W wielu przypadkach wymagane są modyfikacje systemu obrazowania, ponieważ podczerwień jest zwykle blokowana, ponieważ jest niepożądana. Zobacz na przykład EOS 20Da firmy Canon .

Czujniki silikonowe dość łatwo przystosowują się do użycia UV za pomocą powłoki fosforowej (chciałem wypróbować tę wersję homebrew na kamerze, którą zmodyfikowałem za pomocą CCD B + W, ale nigdy nie miałem okazji). Nawet użycie promieni rentgenowskich jest możliwe przy użyciu scyntylatora (który zwykle jest sprzężony światłowodem).

Aby wyjść dalej niż ~ 1 µm dalej w głąb IR, potrzebne są inne półprzewodniki - które są drogie. InGaAs jest popularnym wyborem, ale, jak mówisz, jest absurdalnie drogi - ale nie jest to zaskakujące, ponieważ potrzebujesz dedykowanych zakładów produkcyjnych. InGaAs i inne kamery NIR są również uważane za technologię wojskową do celów amerykańskich rejestrów eksportowych (które obowiązują również wiele krajów NATO); zwiększa to koszty producenta kamery pod względem zgodności.

Kamery, które mają jakąkolwiek czułość na promieniowanie cieplne lub są wykonane z wąskich półprzewodników o wąskim paśmie, będą wymagać znacznego chłodzenia, aby usunąć szum termiczny, który może być większy niż obraz, który próbujesz zmierzyć. To często oznacza Dewar ciekłego azotu (koszt materiału + koszt operacyjny). Na rynku pojawiają się nowsze technologie (nawet niechłodzone) - w szczególności do obrazowania termicznego, ale rozdzielczość jest znacznie mniejsza niż w przypadku czujników Si CCD lub CMOS.

Zarówno dla typu widocznego, jak i bolometru, są tanie, ponieważ mogą wykorzystać ekonomię skali w branży krzemowej.

Jak tylko dojdziesz do długości fali (tj. Energii), która potrzebuje innych technologii (InGaAs, jak wspomniano, InSb), mówisz w najlepszym razie 2 ”i 3” wafli, nic podobnego do krzemowych wafli wielkości pizzy, z których dzisiaj robiono chipy. Tranzystory nadal muszą być wykonane z krzemu, więc potrzebujesz połączenia każdego fotodetektora na światłoczułym układzie z każdym obwodem detekcji dla tego piksela na chipie krzemowym. Jeśli masz megapikselową matrycę obrazującą, musisz wykonać milion połączeń.

Ale czekaj, robi się coraz gorzej. Jeśli zależysz od efektu fotoelektrycznego, powiedzmy, że dla podczerwieni na falach średnich na 3-5 µm musisz schłodzić aparat, aby zobaczyć coś więcej niż ciepło wytwarzane przez sam aparat! Wyobraź sobie widoczną kamerę z jasno świecącą soczewką i obudową - to świat, w którym żyje kamera termowizyjna. Chłodzenie wiąże się z dodatkowymi wydatkami, a także hałasem, ponieważ najbardziej energooszczędne chłodziarki są typu chłodzącego. Peltiers nie może cię sprowadzić do ciekłego azotu.

Aha i BTW, szkło nie jest przezroczyste dla długości fali powyżej około 2 µm, więc potrzebujesz innego materiału soczewki niż to, nad czym pracowały ostatnie pięć wieków optyki.

Na drugim końcu spektrum promieniowanie rentgenowskie jest bólem, ponieważ trudno jest odchylić promienie rentgenowskie. Lubią przechodzić od razu. Duże tablice obrazowania dla medycznych promieni rentgenowskich działają, ponieważ nie ma obiektywu, ale spójrz na lustra na czymś takim jak teleskop kosmiczny Chandra - „soczewka” to seria lustrzanych kątów zwierciadeł ułożonych w stożki.