Почему так дорого производить камеры для невидимого света?

Типичные потребительские камеры могут захватывать длину волны 390-700 нм 400-1050 нм . Но почему так сложно и дорого производить камеры для инфракрасного, ультрафиолетового, жесткого рентгеновского излучения и т. Д.? Единственное, что их отличает, это длина волны и энергия эВ.

Все сводится к размеру рынка. Где спрос на такие камеры и оправдывает ли количество продаж стоимость производства? Вы можете получить инфракрасное преобразование в цифровые зеркальные камеры стандартного типа (например, учебные пособия по модификации цифровой инфракрасной камеры «Сделай сам» ) и преобразовать камеру в тип «полный спектр», в котором используется ультрафиолетовое излучение. (см. полный спектр фотографий ). Для меньших длин волн вам понадобятся разные датчики. Они, в силу своей специфики и низкого объема производства, имеют тенденцию быть очень дорогими.

Прежде всего: стандартный ПЗС - датчики являются чувствительными к длине волны далеко за пределами 700нма. Насколько я знаю, Si-датчики даже более чувствительны к ближнему ИК-излучению, чем к видимому.

Конечно, это меняется для гораздо больших длин волн: одним из условий обнаружения света является то, что фотоны имеют достаточно энергии для создания пары дырка-электрон. Этот энергетический порог является шириной запрещенной зоны конкретного полупроводникового материала (например, для Si: ~ 1,1 эВ). Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине волны (E = h * c / lambda), существует максимальная длина волны, которую можно обнаружить с помощью данного полупроводникового материала (например, для Si: ~ 1100 нм).

Для камер также важен объектив: большинство типов стекла менее прозрачны для ультрафиолета. Линзы, оптимизированные для УФ-прозрачности, очень дороги (хотя дешевой альтернативой могут быть пластиковые линзы).

Оба ваших существующих ответа действительны, но могут быть приняты в комбинации: простые датчики Si хороши для видимого и ближнего инфракрасного излучения и являются общими и, следовательно, дешевыми. Модификации системы визуализации требуются во многих случаях, так как ИК обычно блокируется, потому что это нежелательно. См. Например, Canon EOS 20Da .

Силиконовые датчики довольно легко приспосабливаются к УФ-излучению с помощью люминофорного покрытия (я хотел попробовать домашнюю версию этого на веб-камере, которую я модифицировал B + W CCD, но у меня никогда не было шанса). Даже использование рентгеновских лучей возможно со сцинтиллятором (который обычно оптоволоконный).

Чтобы выйти за пределы ~ 1 мкм дальше в ИК-порт, нужны другие полупроводники - которые дороги. InGaAs - популярный выбор, но, как вы говорите, смехотворно дорогой, но это не удивительно, так как вам нужны выделенные производственные мощности. InGaAs и другие NIR-камеры также рассматриваются в качестве военной технологии для целей экспортных правил США (которые также налагаются на многие действующие страны НАТО); это увеличивает стоимость производителя камеры с точки зрения соответствия.

Камеры, которые вообще чувствительны к тепловому излучению или изготовлены из полупроводников с узкой запрещенной зоной, нуждаются в значительном охлаждении для удаления теплового шума, который может быть больше, чем изображение, которое вы пытаетесь измерить. Это часто означает Дьюар жидкого азота (стоимость материала + эксплуатационные расходы). На рынке появляются новые технологии (даже неохлаждаемые), в частности, для тепловидения, но разрешение намного меньше, чем для сенсоров Si CCD или CMOS.

Как для видимых, так и для болометров, причина, по которой они дешевы, заключается в том, что они могут использовать эффект масштаба в кремниевом бизнесе.

Как только вы попадаете на волны (то есть энергии), которые нуждаются в других технологиях (InGaAs, как уже упоминалось, InSb), вы в лучшем случае говорите о 2 "и 3" пластинах, совсем не похоже на кремниевые пластины размером с пиццу, используемые для изготовления чипов сегодня. Кроме того, транзисторы по-прежнему должны быть изготовлены из кремния, поэтому необходимо подключить каждый фотодетектор на светочувствительном чипе к каждой схеме обнаружения для этого пикселя на кремниевом чипе. Если у вас есть мегапиксельный массив изображений, у вас есть миллион подключений.

Но подождите, это становится хуже. Если вы зависите от фотоэлектрического эффекта, скажем, для инфракрасного излучения средней длины волны 3-5 мкм, вам нужно охладить камеру, чтобы увидеть нечто большее, чем тепло, выделяемое самой камерой! Представьте себе видимую камеру с ярко светящимся объективом и корпусом - это мир, в котором живет тепловизионная камера. Охлаждение увеличивает расходы и, как правило, шум, поскольку наиболее энергоэффективные кулеры относятся к типу холодильников. Пельтье не может привести вас к жидкому азоту.

Да, и кстати, стекло непрозрачно для длин волн около 2 мкм, поэтому вам нужен материал линзы, отличный от того, над чем работала оптика последних пяти веков.

На другом конце спектра рентген - это боль, потому что трудно отклонять рентгеновские лучи. Им нравится проходить прямо через. Большие массивы изображений для медицинской рентгенографии работают, потому что нет линзы, но посмотрите на зеркала на чем-то вроде космического телескопа Чандра - «линза» - это серия скользящих угловых зеркал, расположенных в конусах.