Чому так дорого виготовляти камери для невидимого світла?

13

Типові камери для споживачів можуть фіксувати довжину хвилі ~~390-700 нм~~ 400-1050 нм . Але чому так важко і дорого виготовляти камери для інфрачервоного, ультрафіолетового, жорсткого рентгенівського випромінювання тощо? Єдине, що їх відрізняє - це довжина хвилі та енергія eV.

camera image-sensor electromagnetic

— nFu9DT
джерело

Вони занадто багато їх втрачають у темряві. (Власне, оптика є однією з причин. Скло або прозорий пластик робить хороші лінзи у видимому спектрі, але, наприклад, звичайне скло та пластик непрозорі для ІЧ, а в далекій ІЧ-області найкращий оптичний матеріал - кристалічний NaCl, але NaCl має нещасну звичку розчинятися у вологому повітрі.)

— Hot Licks

2

До речі, звичайні цифрові камери трохи чутливі до інфрачервоного зв'язку. Спробуйте вказати камеру телефону на пульті дистанційного керування телевізора, і ви побачите виразний рожевий або фіолетовий колір. Іноді камера побачить такий самий колір при сонячному світлі, відбитому від блискучої поверхні, але людське око цього не бачить.

— Жанна Піндар

Схоже, є кілька перетворених камер, що продаються як камери «мисливців за привидами» в діапазоні від 300 до 400 доларів. Коли ви все це враховуєте, вони насправді здаються розумними. Зважаючи на те, що камери повинні бути типом, який дозволяє в першу чергу робити модники (~ 200 доларів). Це ще значно нижче вартості будь-якої «професійної» камери (> 1000 доларів лише для корпусу).

— krowe

Ознайомтесь із сторінкою NASA щодо телескопа сповіщення про вибух Свіфта (BAT) і подивіться, наскільки дивні конструкції телескопа отримують, коли ви хочете виявити дуже високоенергетичні фотони (15-150 кэВ, жорсткі рентгенівські або гамма-промені залежно від того, кого ви запитуєте).

— Нік Т

@HotLicks Неправильно. До 2007 року Kodak виготовляв та продавав високошвидкісний інфрачервоний (HIR) розміром 35 мм, який можна було використовувати за допомогою стандартних лінз та фільтрів (скляних чи пластикових), він був чутливим від менш ніж 700 нм до 900 нм. Ілфорд, Ефке, Роллей також виготовляють / робили ІЧ-плівку для фотографічного використання в звичайних кінокамерах.

— mctylr

16

Це зводиться до розміру ринку. Де попит на такі камери та чи обгрунтовує кількість продажів виробничі витрати? Ви можете отримати інфрачервоне перетворення до стандартних DSLR-камер типу (наприклад, Зробіть собі цифрові підручники з модифікації цифрових інфрачервоних камер ), а також можете перетворити камеру у тип "повного спектру", який займає кілька ультрафіолетових. (див. фотографію повного спектру ). Для меншої довжини хвилі вам знадобляться різні датчики. Вони, за своїм спеціалізованим характером та низьким обсягом виробництва, як правило, дуже дорогі.

— JIm Dearden
джерело

2

Щоб додати до цього, розглянемо ціну подібних датчиків із фільтром Байєра та без нього. Датчики без фільтра Байєра значно дорожчі, незважаючи на те, що додавання фільтра Байєра - це додатковий крок виробництва. Так само об'єктиви камери без стандартного покриття, що блокує УФ, значно дорожчі. Вся справа в розмірах ринку.

— Кевін Крумвієде

8

Перш за все: стандартний ПЗС - датчики є чутливими до довжини хвилі далеко за межами 700нма. Наскільки я знаю, датчики Si навіть чутливіші до ближнього ІЧ світла, ніж для видимого світла.

Звичайно, це змінюється для значно більших довжин хвиль: Однією умовою виявлення світла є те, що фотони мають достатньо енергії для створення пари дірка-електрон. Цей поріг енергії є зазором для конкретного напівпровідникового матеріалу (наприклад, для Si: ~ 1,1 еВ). Оскільки енергія фотона обернено пропорційна довжині хвилі (E = h * c / лямбда), існує максимальна довжина хвилі, яку можна виявити за допомогою даного напівпровідникового матеріалу (наприклад, для Si: ~ 1100 нм).

Для камер об'єктив також актуальний: більшість типів скла менш прозорі для ультрафіолетового світла. Лінзи, оптимізовані для ультрафіолетової прозорості, дуже дорогі (хоча дешевою альтернативою можуть бути пластикові лінзи).

— Сир
джерело

6

Обидві ваші існуючі відповіді справедливі, але можуть бути прийняті у поєднанні: прості датчики Si хороші для видимих та NIR і є загальними, а тому дешевими. Модифікації системи візуалізації потрібні у багатьох випадках, оскільки ІЧ-код зазвичай заблокований, оскільки це небажано. Дивіться, наприклад , EOS 20Da Canon .

Кремнієві датчики досить легко адаптуються до використання ультрафіолетового покриття за допомогою фосфорного покриття (я хотів спробувати його домашню версію на веб-камері. Можливо навіть використання рентгенівських променів за допомогою сцинтилятора (який, як правило, пов'язаний з волоконно-оптичним зв’язком).

Щоб вийти за межі ~ 1 мкм далі в ІЧ, потрібні інші напівпровідники - це дорого. InGaAs є популярним вибором, але смішно дорогий, як ви кажете - але це не дивно, оскільки вам потрібні спеціальні виробничі потужності. InGaAs та інші камери NIR також розглядаються як військова технологія для цілей експортних реєстрів США (які також застосовуються для багатьох країн НАТО); це збільшує вартість виробника камери з точки зору відповідності.

Камери, які взагалі мають будь-яку чутливість до теплового випромінювання або виготовлені із вузьких напівпровідників, потребують значного охолодження для видалення теплового шуму, який може бути більшим, ніж зображення, яке ви намагаєтеся виміряти. Це часто означає Дьюара рідкого азоту (матеріальна вартість + експлуатаційні витрати). На ринок виходять новіші технології (навіть неохолоджені) - зокрема для тепловізійних зображень, але роздільна здатність набагато менше, ніж для датчиків Si CCD або CMOS.

— Кріс Н
джерело

1

Ваша інформація трохи датована. Тепловізори типу «Болометр» з роздільною здатністю VGA (640x480 і вище) стають все більш доступними, а ціни падають. Вони можуть охолоджуватися або охолоджуватися, при цьому кулери є або пристроями Peltier, або маленькими холодильниками з моторним приводом.

— Трейд Дейва

@DaveTweed оновлено, дякую. Я не бачив нічого більше приблизно 160x120; оскільки мій досвід тут переважно Si та InGaAs, це не дивно, що я трохи відставав від часів.

— Кріс Х

5

Як для видимого, так і для болометрового типу, причина їх дешевого полягає в тому, що вони можуть використовувати економію масштабу в силіконовому бізнесі.

Як тільки ви виходите на довжину хвиль (тобто енергії), які потребують інших технологій (InGaAs, як згадувалося, InSb), ви говорите про вафлі 2 "та 3" в кращому випадку, нічого подібного до кремнієвих пластин розміром з піцу, які використовуються для виготовлення фішок сьогодні. Крім того, транзистори все-таки повинні бути виготовлені з кремнію, тому вам потрібно з'єднання кожного фотодетектора на фоточутливому мікросхемі до кожної схеми виявлення для цього пікселя на кремнієвому чіпі. Якщо у вас є мегапіксельний масив зображень, у вас є мільйон підключень.

Але зачекайте, стає гірше. Якщо ви залежите від фотоефекту, скажімо, для ІЧ середньої хвилі на 3-5 мкм, вам потрібно охолодити камеру, щоб ви побачили щось більше, ніж тепло, яке генерується самою камерою! Уявіть собі видиму камеру з яскраво світяться лінзами та корпусом - ось світ, в якому живе теплова камера. Охолодження додає чималих витрат, а також, як правило, і шуму, оскільки найбільш енергоефективні кулери є холодильниками. Peltiers не можуть звести вас до рідкого азоту.

О, і до речі, скло не прозоре для довжин хвиль приблизно 2 мкм, тому вам потрібен інший матеріал лінз, ніж те, над чим працювали останні п’ять століть з оптики.

На іншому кінці спектру рентген - це біль, тому що важко відбити рентгенівські промені. Вони люблять пройти прямо через. Великі масиви візуалізації для медичних рентгенівських променів працюють тому, що лінзи немає, але подивіться на дзеркала на щось на зразок космічного телескопа Чандра - "лінза" - це серія оглядових кутових дзеркал, розташованих у конусах.

— ConorR
джерело