Perché è così costoso produrre telecamere per la luce non visibile?

Le tipiche videocamere consumer sono in grado di acquisire la lunghezza d'onda di 390-700 nm 400-1050nm . Ma perché è così difficile e costoso produrre telecamere per raggi infrarossi, ultravioletti, raggi X duri, ecc.? L'unica cosa che li differenzia sono la lunghezza d'onda e l'energia eV.

Si riduce alle dimensioni del mercato. Dov'è la domanda per tali telecamere e il numero di vendite giustifica i costi di produzione? È possibile ottenere una conversione a infrarossi in fotocamere DSLR di tipo standard (ad esempio Tutorial per la modifica di fotocamere digitali a infrarossi Do It Yourself ) e convertire la fotocamera in un tipo a "spettro completo" che include alcuni ultravioletti. (vedi fotografia a spettro completo ). Per lunghezze d'onda più piccole avrai bisogno di sensori diversi. Questi, per la loro natura specialistica e produzione a basso volume, tendono ad essere molto costosi.

Prima di tutto: i sensori CCD standard sono sensibili alla lunghezza d'onda ben oltre i 700 nm. Per quanto ne so, i sensori Si sono ancora più sensibili alla luce vicino all'IR che alla luce visibile.

Ovviamente cambia per lunghezze d'onda molto più grandi: una condizione per la rilevazione della luce è che i fotoni hanno abbastanza energia per creare una coppia di buchi di elettroni. Questa soglia di energia è il gap di banda del particolare materiale semiconduttore (ad es. Per Si: ~ 1.1 eV). Poiché l'energia del fotone è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda (E = h * c / lambda) esiste una lunghezza d'onda massima che può essere rilevata con un dato materiale semiconduttore (ad esempio per Si: ~ 1100 nm).

Anche per le fotocamere l'obiettivo è rilevante: la maggior parte dei tipi di vetro è meno trasparente alla luce UV. Le lenti ottimizzate per la trasparenza UV sono molto costose (anche se un'alternativa economica potrebbe essere le lenti in plastica).

Entrambe le risposte esistenti sono valide, ma possono essere prese in combinazione: i sensori Si semplici sono buoni per visibile e NIR e sono comuni e quindi economici. In molti casi sono necessarie modifiche al sistema di imaging poiché l'IR è normalmente bloccato perché indesiderabile. Vedi ad esempio Canon EOS 20Da .

I sensori al silicio si adattano abbastanza facilmente all'utilizzo UV mediante un rivestimento al fosforo (volevo provare una versione homebrew di questo su una webcam che avevo modificato con un CCD B + W ma non ne avevo mai avuto la possibilità). Anche l'uso dei raggi X è possibile con uno scintillatore (che è normalmente accoppiato in fibra ottica).

Per andare oltre ~ 1µm nell'IR richiede altri semiconduttori, che sono costosi. InGaAs è una scelta popolare, ma è ridicolmente costosa come dici tu, ma non è sorprendente in quanto hai bisogno di strutture di produzione dedicate. InGaAs e altre telecamere NIR sono anche considerate tecnologia militare ai fini delle normative statunitensi sulle esportazioni (che sono in effetti imposte anche a molti paesi della NATO); ciò comporta costi aggiuntivi per il produttore della fotocamera in termini di conformità.

Le telecamere che hanno una certa sensibilità alle radiazioni termiche o che sono prodotte da semiconduttori a banda stretta stretta avranno bisogno di un raffreddamento significativo per rimuovere il rumore termico che potrebbe essere maggiore dell'immagine che si sta tentando di misurare. Ciò significa spesso un Dewar di azoto liquido (costo materiale + costo operativo). Esistono sul mercato nuove tecnologie (anche non raffreddate), in particolare per l'imaging termico, ma la risoluzione è molto inferiore rispetto ai sensori Si CCD o CMOS.

Sia per il tipo visibile che per il bolometro, il motivo per cui sono economici è perché possono sfruttare le economie di scala nel settore del silicio.

Non appena esci in lunghezze d'onda (cioè energie) che hanno bisogno di altre tecnologie (InGaAs come detto, InSb) stai parlando di wafer da 2 "e 3", niente come i wafer di silicio delle dimensioni di una pizza usati per fare chip oggi. Inoltre, i transistor devono ancora essere fatti di silicio, quindi è necessario un collegamento da ciascun fotorilevatore sul chip sensibile alla foto a ciascun circuito di rilevamento per quel pixel su un chip di silicio. Se si dispone di un array di imaging megapixel, è necessario effettuare un milione di connessioni.

Ma aspetta, peggiora. Se dipendi dall'effetto fotoelettrico, diciamo per IR a onde medie a 3-5 µm, devi raffreddare la fotocamera in modo da vedere qualcosa di più del calore generato dalla fotocamera stessa! Immagina una telecamera visibile con una lente e una custodia luminose: ecco il mondo in cui vive una termocamera. Il raffreddamento aggiunge molte spese e di solito anche il rumore, poiché i dispositivi di raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico sono di tipo frigorifero. Peltiers non può portarti all'azoto liquido.

Oh, e BTW, il vetro non è trasparente a lunghezze d'onda oltre i 2 µm, quindi è necessario un materiale per lenti diverso da quello su cui gli ultimi cinque secoli di ottica hanno lavorato.

All'altra estremità dello spettro, i raggi X sono un dolore perché è difficile deviare i raggi X. A loro piace andare fino in fondo. Le grandi matrici di immagini per le radiografie mediche funzionano perché non ci sono lenti, ma dai un'occhiata agli specchi su qualcosa come il telescopio spaziale Chandra: la "lente" è una serie di specchi angolari che guardano disposti in coni.