Görünmeyen ışık için kamera üretmek neden bu kadar pahalı?

Tipik tüketici kameraları, 390-700 nm 400-1050nm . Fakat kızılötesi, ultraviyole, sert röntgenler vb. İçin kamera üretmek neden bu kadar zor ve pahalıdır? Onlardan farklı olan tek şey dalga boyu ve enerji eV'sidir.

Pazar büyüklüğüne iner. Bu tür kameralara olan talep nerede ve satış sayısı üretim kurulum maliyetlerini haklı çıkarıyor mu? Standart tip DSLR fotoğraf makinelerine kızılötesi dönüştürme (örn. Kendin Yap Dijital Kızılötesi Kamera Modifikasyon Eğiticileri ) alabilir ve fotoğraf makinesini ultraviyole alan bir 'tam spektrum' türüne dönüştürebilirsiniz. (bkz. Tam spektrumlu fotoğrafçılık ). Daha küçük dalga boyları için farklı sensörlere ihtiyacınız olacaktır. Bunlar, uzmanlıkları ve düşük hacimli üretimleriyle çok pahalı olma eğilimindedir.

Her şeyden önce: Standart CCD sensörler vardır uzak 700nm ötesinde dalga boyu duyarlı. Bildiğim kadarıyla Si-sensörleri, IR'ye yakın ışığa görünür ışığa göre daha hassastır.

Elbette çok daha büyük dalga boyları için değişir: Işığın saptanabilmesi için bir koşul, fotonların bir delik elektron çifti oluşturmak için yeterli enerjiye sahip olmasıdır. Bu enerji eşiği, belirli yarı iletken malzemenin bant boşluğudur (örneğin Si: ~ 1.1 eV için). Foton enerjisi dalga boyuyla (E = h * c / lambda) ters orantılı olduğundan, belirli bir yarı iletken malzeme ile tespit edilebilen maksimum dalga boyu vardır (örneğin Si: ~ 1100 nm için).

Kameralar için lens de önemlidir: Çoğu cam türü UV ışığına daha az şeffaftır. UV şeffaflığı için optimize edilmiş lensler çok pahalıdır (ucuz bir alternatif plastik lensler olsa da).

Hem mevcut cevaplarınız geçerlidir, ancak birlikte alınabilir: Basit Si sensörleri görünür ve NIR için iyidir ve yaygındır ve bu nedenle ucuzdur. Görüntüleme sisteminde modifikasyonlar birçok durumda gereklidir çünkü IR normal olarak bloke olur, çünkü istenmeyen bir durumdur. Bkz. Örneğin Canon'un EOS 20Da .

Silikon sensörler, fosfor kaplama ile UV kullanımına oldukça kolay adapte olurlar (B + W CCD ile modifiye ettiğim ancak hiç şansım olmayan bir web kamerasında bunun homebrew versiyonunu denemek istedim). X-ışınları bile bir sintilatörle (normalde fiber-optik bağlı) kullanılabilir.

IR içine ~ 1µm daha ileri gitmek için pahalı olan diğer yarı iletkenler gerektirir. InGaAs popüler bir seçimdir, ancak söylediğiniz gibi gülünç derecede pahalıdır - ancak özel üretim tesislerine ihtiyacınız olduğu için bu şaşırtıcı değildir. InGaA'lar ve diğer NIR kameralar, ABD ihracat rejimleri (birçok NATO ülkesine de uygulanmaktadır) amacıyla askeri teknoloji olarak kabul edilmektedir; bu, kamera üreticisine uyumluluk açısından maliyet katar.

Termal radyasyona karşı hassasiyeti olan veya dar bant aralığı yarı iletkenlerinden yapılan kameralar, ölçmeye çalıştığınız görüntüden daha büyük olabilecek termal gürültüyü gidermek için önemli ölçüde soğutmaya ihtiyaç duyacaktır. Bu genellikle bir Dewar sıvı azotu (malzeme maliyeti + işletme maliyeti) anlamına gelir. Piyasaya yeni termal teknolojiler (soğutmasız bile) geliyor - özellikle termal görüntüleme için, ancak çözünürlük Si CCD veya CMOS sensörlerinden çok daha düşük.

Hem görünür hem de bolometre tipi için ucuz olmalarının nedeni, silikon işindeki ölçek ekonomilerinden yararlanabilmeleridir.

En kısa sürede diğer teknolojilere (örneğin InGaAs, InSb) ihtiyaç duyulan dalga boylarına (yani enerjilere) girer girmez, en iyi 2 "ve 3" gofretlerden bahsediyorsunuz, bugün yonga yapmak için kullanılan pizza boyutlu silikon gofretler gibi bir şey yok. Ayrıca, transistörlerin hala silikondan yapılmış olması gerekir, bu nedenle fotoya duyarlı çip üzerindeki her fotodetektörden bir silikon çip üzerindeki piksel için her bir algılama devresine bir bağlantıya ihtiyacınız vardır. Bir megapiksel görüntüleme diziniz varsa, yapacağınız bir milyon bağlantınız vardır.

Ama bekleyin, daha da kötüye gidiyor. Fotoelektrik etkiye bağlıysanız, örneğin 3-5 µm'de orta dalga IR için kamerayı soğutmanız gerekir, böylece kameranın kendisi tarafından üretilen ısıdan daha fazla bir şey görürsünüz! Parlak parlayan bir merceğe ve gövdeye sahip görünür bir kamera düşünün - bu termal kameranın yaşadığı dünyadır. Soğutma, çok fazla masraf ve genellikle gürültü de ekler, çünkü en yüksek güç tasarrufu sağlayan soğutucular buzdolabı tipidir. Peltiers sizi sıvı azota indiremez.

Oh, ve BTW, cam yaklaşık 2 µm'yi geçen dalga boylarına karşı şeffaf değildir, bu nedenle son beş yüzyıl optiğinin üzerinde çalıştığından farklı bir lens malzemesine ihtiyacınız vardır.

Spektrumun diğer ucunda, X-ışını bir acıdır çünkü X-ışınlarını saptırmak zordur. Doğru geçmeyi severler. Tıbbi röntgen filmleri için büyük görüntüleme dizileri çalışır çünkü lens yoktur, ancak Chandra uzay teleskopu gibi bir şeydeki aynalara bir göz atın - "lens", konilerde düzenlenmiş bir bakış açısı aynaları serisidir.