Por que é tão caro produzir câmeras para luz não visível?

As câmeras típicas do consumidor podem capturar o comprimento de onda de 390-700 nm 400-1050nm . Mas por que é tão difícil e caro produzir câmeras para infravermelho, ultravioleta, raios-x rígidos etc.? A única coisa que os diferencia são o comprimento de onda e a energia eV.

Tudo se resume ao tamanho do mercado. Onde está a demanda por essas câmeras e o número de vendas justifica os custos de configuração da produção? Você pode obter uma conversão por infravermelho em câmeras DSLR do tipo padrão (por exemplo, tutoriais de modificação de câmera infravermelha digital faça você mesmo ) e pode converter a câmera em um tipo de 'espectro total' que absorva ultravioleta. (consulte Fotografia de espectro total ). Para comprimentos de onda menores, você precisará de sensores diferentes. Estes, pela sua natureza especializada e produção de baixo volume, tendem a ser muito caros.

Primeiro de tudo: os sensores CCD padrão são sensíveis ao comprimento de onda muito além dos 700 nm. Pelo que sei, os sensores Si são ainda mais sensíveis à luz infravermelha do que à luz visível.

É claro que isso muda para comprimentos de onda muito maiores: uma condição para a luz ser detectável é que os fótons têm energia suficiente para criar um par buraco-elétron. Esse limiar de energia é o intervalo de banda do material semicondutor específico (por exemplo, para Si: ~ 1,1 eV). Como a energia do fóton é inversamente proporcional ao comprimento de onda (E = h * c / lambda), existe um comprimento de onda máximo que pode ser detectado com um determinado material semicondutor (por exemplo, para Si: ~ 1100 nm).

Para as câmeras, a lente também é relevante: a maioria dos tipos de vidro é menos transparente à luz UV. Lentes otimizadas para transparência UV são muito caras (embora uma alternativa barata possa ser lentes de plástico).

As duas respostas existentes são válidas, mas podem ser utilizadas em conjunto: Sensores simples de Si são bons para visíveis e NIR e são comuns e, portanto, baratos. Modificações no sistema de geração de imagens são necessárias em muitos casos, pois o IR normalmente é bloqueado porque é indesejável. Veja, por exemplo, a EOS 20Da da Canon .

Os sensores de silício são facilmente adaptados ao uso de UV por meio de um revestimento de fósforo (eu queria experimentar uma versão caseira disso em uma webcam que eu havia modificado com um CCD B + W, mas nunca tive a chance). Até o uso de raios-X é possível com um cintilador (que normalmente é acoplado à fibra óptica).

Ir além de ~ 1µm ainda mais para o IR requer outros semicondutores - que são caros. O InGaAs é uma escolha popular, mas é ridiculamente caro, como você diz - mas isso não é surpreendente, pois você precisa de instalações de produção dedicadas. InGaAs e outras câmeras NIR também são consideradas tecnologia militar para os fins dos registros de exportação dos EUA (que também são impostos a muitos países da OTAN em vigor); isso adiciona custo ao fabricante da câmera em termos de conformidade.

As câmeras que possuem alguma sensibilidade à radiação térmica ou que são fabricadas com semicondutores de bandgap estreito precisam de um resfriamento significativo para remover o ruído térmico que pode ser maior que a imagem que você está tentando medir. Isso geralmente significa um Dewar de nitrogênio líquido (custo do material + custo operacional). Existem novas tecnologias (mesmo não refrigeradas) disponíveis no mercado - especialmente para imagens térmicas, mas a resolução é muito menor do que para os sensores Si CCD ou CMOS.

Tanto para o tipo visível quanto para o bolômetro, a razão pela qual eles são baratos é porque podem alavancar as economias de escala nos negócios de silício.

Assim que você obtém comprimentos de onda (energias) que precisam de outras tecnologias (InGaAs, como mencionado, InSb), você está falando de bolachas de 2 "e 3", na melhor das hipóteses, nada como as bolachas de silício do tamanho de pizza usadas para fazer chips hoje. Além disso, os transistores ainda precisam ser feitos de silício, portanto, você precisa de uma conexão de cada fotodetector no chip fotossensível a cada circuito de detecção desse pixel em um chip de silício. Se você possui uma matriz de imagens megapixel, tem um milhão de conexões a fazer.

Mas espere, fica pior. Se você depende do efeito fotoelétrico, digamos, para IV de onda média a 3-5 µm, é necessário resfriar a câmera para ver algo mais do que o calor sendo gerado pela própria câmera! Imagine uma câmera visível com uma lente e uma caixa brilhantes - esse é o mundo em que a câmera térmica vive. O resfriamento acrescenta muita despesa e, geralmente, também ruído, já que os refrigeradores com maior eficiência energética são do tipo geladeira. Peltiers não pode levá-lo ao nitrogênio líquido.

Ah, e BTW, o vidro não é transparente para comprimentos de onda superiores a 2 µm; portanto, você precisa de um material de lente diferente do que os últimos cinco séculos de óptica têm trabalhado.

No outro extremo do espectro, o raio X é uma dor, porque é difícil desviar os raios X. Eles gostam de seguir em frente. Grandes conjuntos de imagens para raios-X médicos funcionam porque não há lente, mas olhe para os espelhos em algo como o telescópio espacial Chandra - a "lente" é uma série de espelhos angulares dispostos em cones.