¿Por qué es tan costoso producir cámaras para luz no visible?

Las cámaras de consumo típicas pueden capturar la longitud de onda de 390-700 nm 400-1050nm . Pero, ¿por qué es tan difícil y costoso producir cámaras para rayos infrarrojos, ultravioleta, rayos X duros, etc.? Lo único que los diferencia son la longitud de onda y la energía eV.

Se reduce al tamaño del mercado. ¿Dónde está la demanda de tales cámaras y el número de ventas justifica los costos de instalación de producción? Puede obtener una conversión de infrarrojos a cámaras DSLR de tipo estándar (por ejemplo, Tutoriales de modificación de cámaras infrarrojas digitales de hágalo usted mismo ) y puede convertir la cámara a un tipo de "espectro completo" que tome algo de ultravioleta. ( Ver fotografía de espectro completo ). Para longitudes de onda más pequeñas necesitará diferentes sensores. Estos, por su naturaleza especializada y producción de bajo volumen, tienden a ser muy caros.

Primero que nada: sensores CCD estándar son sensibles a la longitud de onda mucho más allá de 700 nm. Por lo que sé, los sensores de Si son aún más sensibles para la luz IR cercana que para la luz visible.

Por supuesto, cambia para longitudes de onda mucho más grandes: una condición para que la luz sea detectable es que los fotones tienen suficiente energía para crear un par agujero-electrón. Este umbral de energía es el intervalo de banda del material semiconductor particular (por ejemplo, para Si: ~ 1.1 eV). Dado que la energía de los fotones es inversamente proporcional a la longitud de onda (E = h * c / lambda), existe una longitud de onda máxima que se puede detectar con un material semiconductor dado (por ejemplo, para Si: ~ 1100 nm).

Para las cámaras, la lente también es relevante: la mayoría de los tipos de vidrio son menos transparentes a la luz UV. Las lentes optimizadas para la transparencia UV son muy caras (aunque una alternativa barata podría ser lentes de plástico).

Ambas respuestas existentes son válidas, pero se pueden tomar en combinación: los sensores de Si simples son buenos para NIR y visibles y son comunes y, por lo tanto, baratos. Se requieren modificaciones en el sistema de imágenes en muchos casos ya que el IR normalmente está bloqueado porque no es deseable. Ver por ejemplo la EOS 20Da de Canon .

Los sensores de silicio se adaptan con bastante facilidad al uso de rayos UV mediante un recubrimiento de fósforo. (quería probar una versión casera de esto en una cámara web que había modificado con un CCD B + W, pero nunca tuve la oportunidad). Incluso el uso de rayos X es posible con un centelleador (que normalmente está acoplado a fibra óptica).

Para ir más allá de ~ 1 µm más en el IR se requieren otros semiconductores, que son caros. InGaAs es una opción popular, pero es ridículamente caro como usted dice, pero eso no es sorprendente ya que necesita instalaciones de producción dedicadas. InGaAs y otras cámaras NIR también se consideran tecnología militar a los efectos de las normas de exportación de EE. UU. (Que también se imponen a muchos países de la OTAN vigentes); Esto agrega un costo para el fabricante de la cámara en términos de cumplimiento.

Las cámaras que tengan alguna sensibilidad a la radiación térmica, o que estén hechas de semiconductores de banda estrecha, necesitarán un enfriamiento significativo para eliminar el ruido térmico que podría ser mayor que la imagen que está tratando de medir. Eso a menudo significa una Dewar de nitrógeno líquido (costo de material + costo operativo). Hay nuevas tecnologías (incluso sin enfriar) en el mercado, en particular para imágenes térmicas, pero la resolución es mucho menor que para los sensores Si CCD o CMOS.

Tanto para el tipo visible como para el tipo de bolómetro, la razón por la que son baratos es porque pueden aprovechar las economías de escala en el negocio del silicio.

Tan pronto como salga a las longitudes de onda (es decir, energías) que necesitan otras tecnologías (InGaAs como se mencionó, InSb), está hablando de obleas de 2 "y 3" en el mejor de los casos, nada como las obleas de silicio del tamaño de una pizza que se usan hoy en día para hacer chips. Además, los transistores aún deben estar hechos de silicio, por lo que necesita una conexión desde cada fotodetector en el chip fotosensible a cada circuito de detección para ese píxel en un chip de silicio. Si tiene una matriz de imágenes de megapíxeles, tiene que hacer un millón de conexiones.

Pero espera, se pone peor. Si depende del efecto fotoeléctrico, por ejemplo, para IR de onda media a 3-5 µm, debe enfriar la cámara para que pueda ver algo más que el calor generado por la cámara. Imagine una cámara visible con una lente y una carcasa brillantemente brillantes: ese es el mundo en el que vive una cámara térmica. La refrigeración agrega muchos gastos y, por lo general, también ruido, ya que los refrigeradores con mayor eficiencia energética son de tipo refrigerador. Peltiers no puede llevarlo a nitrógeno líquido.

Ah, y por cierto, el vidrio no es transparente a longitudes de onda superiores a aproximadamente 2 µm, por lo que necesita un material de lente diferente al que han estado trabajando los últimos cinco siglos de óptica.

En el otro extremo del espectro, los rayos X son un dolor porque es difícil desviarlos. A ellos les gusta ir directamente. Las grandes matrices de imágenes para rayos X médicos funcionan porque no hay lentes, pero mire los espejos en un telescopio espacial Chandra: la "lente" es una serie de espejos angulares dispuestos en conos.