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

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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.

nFu9DT
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Sie verlieren zu viele von ihnen im Dunkeln. (Tatsächlich ist die Optik ein Grund. Glas oder klarer Kunststoff sind gute Linsen im sichtbaren Bereich, aber z. B. ist gewöhnliches Glas und Plastik für IR undurchlässig, und im fernen IR-Bereich ist kristallines NaCl das beste optische Material, aber NaCl hat die unglückliche Angewohnheit, sich in feuchter Luft aufzulösen.)
Hot Licks
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Übrigens sind gewöhnliche Digitalkameras ein wenig infrarotempfindlich. Richten Sie die Kamera Ihres Telefons auf das Senderende einer TV-Fernbedienung, und Sie sehen eine markante rosa oder lila Farbe. Manchmal sieht eine Kamera im Sonnenlicht die gleiche Farbe, die von einer glänzenden Oberfläche reflektiert wird, aber das menschliche Auge sieht sie nicht.
Jeanne Pindar
Es sieht so aus, als gäbe es mehrere konvertierte Kameras, die als "Ghost Hunter" -Kameras im Bereich von 300 bis 400 US-Dollar verkauft werden. Wenn Sie alles in Betracht ziehen, erscheinen sie tatsächlich vernünftig. Berücksichtigt man, dass die Kameras der Typ sein müssen, der es erlaubt, die Mods überhaupt zu machen (~ 200 US-Dollar). Das liegt immer noch weit unter den Kosten einer "professionellen" Kamera (> 1000 US-Dollar für den Körper allein).
Krowe
Schauen Sie sich auf der NASA-Seite Swifts Burst Alert Telescope (BAT) an und sehen Sie, wie seltsam Teleskopdesigns sind, wenn Sie energiereiche Photonen (15-150 keV, harte Röntgen- oder Gammastrahlen, je nachdem, wen Sie fragen) erfassen möchten.
Nick T
@ HotLicks Falsch. Bis 2007 produzierte und verkaufte Kodak Hochgeschwindigkeits-Infrarot (HIR) für 35 mm, das mit Standardobjektiven und -filtern (Glas oder Kunststoff) verwendet werden konnte. Die Empfindlichkeit lag zwischen 700 und 900 nm. Ilford, Efke, Rollei machen / machten auch IR-Filme für die fotografische Verwendung in regulären Filmkameras.
Mctylr

Antworten:

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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.

JIm Dearden
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Berücksichtigen Sie dazu den Preis für ähnliche Sensoren mit und ohne Bayer-Filter. Sensoren ohne Bayer-Filter sind viel teurer, obwohl das Hinzufügen eines Bayer-Filters ein zusätzlicher Fertigungsschritt ist. Ebenso sind Kameralinsen ohne UV-blockierende Standardbeschichtung deutlich teurer. Es dreht sich alles um die Marktgröße.
Kevin Krumwiede
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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).

Quark
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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.

Chris H
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Ihre Angaben sind etwas veraltet. Bolometer-Wärmebildkameras mit VGA-Auflösungen (640 x 480 und höher) werden immer mehr verfügbar, und die Preise sinken. Sie können gekühlt oder ungekühlt sein, wobei die Kühler entweder Peltier-Geräte oder kleine motorbetriebene Kühlschränke sind.
Dave Tweed
@ DaveTweed aktualisiert, danke. Ich hatte über 160x120 keine gesehen; Da meine Erfahrung hier hauptsächlich aus Si und InGaAs besteht, ist es nicht verwunderlich, dass ich ein wenig hinter der Zeit zurückblieb.
Chris H
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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.

ConorR
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