Warum ist die Herstellung von Kameras für nicht sichtbares Licht so teuer?

Typische Consumer-Kameras können Wellenlängen von erfassen 390-700 nm 400-1050nm . Aber warum ist es so schwierig und teuer, Kameras für Infrarot-, Ultraviolett-, harte Röntgenstrahlen usw. herzustellen? Das einzige, was sie unterscheidet, sind die Wellenlänge und die Energie eV.

Es kommt auf die Marktgröße an. Wo ist die Nachfrage nach solchen Kameras und rechtfertigen die Anzahl der Verkäufe die Produktionskosten? Sie können eine Infrarot-Konvertierung zu DSLR-Kameras des Standardtyps durchführen (z. B. Tutorials zur Modifikation digitaler Infrarotkameras zum Selbermachen ) und die Kamera in einen Vollspektrumtyp konvertieren, der etwas Ultraviolett aufnimmt. (siehe Vollspektrumfotografie ). Für kleinere Wellenlängen benötigen Sie verschiedene Sensoren. Diese sind aufgrund ihres speziellen Charakters und ihrer geringen Stückzahl tendenziell sehr teuer.

Erstens: Standard-CCD-Sensoren sind für Wellenlängen weit über 700 nm empfindlich. Soviel ich weiß, sind Si-Sensoren für nahes IR-Licht noch empfindlicher als für sichtbares Licht.

Natürlich ändert es sich für viel größere Wellenlängen: Eine Bedingung für das Erkennen von Licht ist, dass Photonen genug Energie haben, um ein Loch-Elektronen-Paar zu erzeugen. Diese Energieschwelle ist die Bandlücke des jeweiligen Halbleitermaterials (z. B. für Si: ~ 1,1 eV). Da die Photonenenergie umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist (E = h * c / Lambda), gibt es eine maximale Wellenlänge, die mit einem bestimmten Halbleitermaterial erfasst werden kann (z. B. für Si: ~ 1100 nm).

Für Kameras ist auch das Objektiv relevant: Die meisten Glasarten sind für UV-Licht weniger transparent. Für UV-Transparenz optimierte Linsen sind sehr teuer (obwohl eine billige Alternative Kunststofflinsen sein könnten).

Ihre beiden bisherigen Antworten sind gültig, können aber auch kombiniert werden: Einfache Si-Sensoren sind gut für das Sichtbare und das NIR und üblich und daher günstig. In vielen Fällen sind Änderungen am Bildgebungssystem erforderlich, da das IR normalerweise blockiert ist, weil es unerwünscht ist. Siehe zum Beispiel Canon EOS 20Da .

Silikonsensoren lassen sich mithilfe einer Leuchtstoffbeschichtung relativ einfach an die UV- Strahlung anpassen (ich wollte eine Homebrew-Version davon auf einer Webcam testen, die ich mit einem B + W-CCD modifiziert hatte, hatte aber nie die Chance dazu). Mit einem Szintillator (der normalerweise faseroptisch gekoppelt ist) ist sogar die Verwendung von Röntgenstrahlen möglich.

Um über ~ 1µm hinaus in den IR zu gelangen, sind andere Halbleiter erforderlich - die teuer sind. InGaAs ist eine beliebte Wahl, ist aber lächerlich teuer, wie Sie sagen - aber das ist nicht überraschend, da Sie dedizierte Produktionsanlagen benötigen. InGaAs und andere NIR-Kameras gelten auch als militärische Technologie im Sinne der US-Exportbestimmungen (die auch in vielen NATO-Ländern in Kraft sind). Dies erhöht die Kosten für den Kamerahersteller in Bezug auf die Konformität.

Kameras, die für Wärmestrahlung überhaupt empfindlich sind oder aus Halbleitern mit schmaler Bandlücke hergestellt werden, müssen erheblich gekühlt werden, um thermisches Rauschen zu entfernen, das möglicherweise größer ist als das Bild, das Sie messen möchten. Das bedeutet oft einen Dewar von flüssigem Stickstoff (Materialkosten + Betriebskosten). Es gibt neuere Technologien (auch ungekühlt) auf dem Markt - insbesondere für die Wärmebildtechnik, aber die Auflösung ist viel geringer als bei Si-CCD- oder CMOS-Sensoren.

Sie sind sowohl für sichtbare als auch für Bolometer günstig, da sie die Skaleneffekte im Siliziumgeschäft nutzen können.

Sobald Sie sich mit Wellenlängen (dh Energien) beschäftigen, die andere Technologien (InGaAs, wie bereits erwähnt, InSb) erfordern, sprechen Sie bestenfalls von 2 "- und 3" -Wafern. Außerdem müssen die Transistoren noch aus Silizium bestehen, sodass Sie von jedem Fotodetektor auf dem lichtempfindlichen Chip eine Verbindung zu jeder Erkennungsschaltung für dieses Pixel auf einem Siliziumchip benötigen. Wenn Sie über ein Megapixel-Imaging-Array verfügen, müssen Sie eine Million Verbindungen herstellen.

Aber warte, es wird schlimmer. Wenn Sie vom photoelektrischen Effekt abhängig sind, z. B. für mittelwelliges IR bei 3-5 µm, müssen Sie die Kamera abkühlen, damit Sie etwas mehr als die von der Kamera selbst erzeugte Wärme sehen! Stellen Sie sich eine sichtbare Kamera mit einem hell leuchtenden Objektiv und Gehäuse vor - das ist die Welt, in der eine Wärmebildkamera lebt. Die Kühlung verursacht eine Menge Kosten und normalerweise auch Geräusche, da die stromsparendsten Kühler Kühlschränke sind. Peltiere können Sie nicht zu flüssigem Stickstoff bringen.

Übrigens: Glas ist für Wellenlängen über 2 µm nicht transparent. Sie benötigen daher ein anderes Linsenmaterial als in den letzten fünf Jahrhunderten der Optik.

Am anderen Ende des Spektrums ist Röntgen ein Schmerz, weil es schwierig ist, Röntgenstrahlen abzulenken. Sie gehen gerne richtig durch. Große Abbildungsanordnungen für medizinische Röntgenstrahlen funktionieren, weil es keine Linse gibt, aber werfen Sie einen Blick auf die Spiegel eines Chandra-Weltraumteleskops - die "Linse" ist eine Reihe von in Kegeln angeordneten Spiegeln mit streifendem Winkel.