为什么为非可见光生产相机如此昂贵?

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2022-01-05 02:56:53

典型的消费类相机可以捕获波长为390-700 纳米 400-1050 纳米但是为什么生产红外线、紫外线、硬 X 射线等相机如此困难和昂贵呢?唯一不同的是它们的波长和能量 eV。

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这取决于市场规模。对此类相机的需求在哪里?销售数量是否能证明生产设置成本是合理的?您可以将红外转换为标准类型的数码单反相机(例如,自己动手数字红外相机修改教程),您可以将相机转换为“全光谱”类型,可以吸收一些紫外线。(见全光谱摄影)。对于较小的波长,您将需要不同的传感器。这些,由于其专业性和小批量生产,往往非常昂贵。

首先:标准 CCD 传感器远远超过 700nm 的波长敏感。据我所知,Si 传感器对近红外光比对可见光更敏感。

当然,它会随着更大的波长而变化:可检测光的一个条件是光子有足够的能量来产生空穴-电子对。该能量阈值是特定半导体材料的带隙(例如,对于 Si:~1.1 eV)。由于光子能量与波长成反比(E = h * c / λ),因此存在可以用给定的半导体材料检测到的最大波长(例如,对于 Si:~1100 nm)。

对于相机,镜头也很重要:大多数类型的玻璃对紫外线的透明性较差。针对紫外线透明度进行了优化的镜片非常昂贵(尽管便宜的替代品可能是塑料镜片)。

您现有的两个答案都是有效的,但可以结合使用:简单的 Si 传感器适用于可见光和 NIR,并且很常见,因此很便宜。在许多情况下,需要对成像系统进行修改,因为红外通常会被阻挡,因为它是不可取的。例如,参见佳能的 EOS 20Da

硅传感器通过磷光涂层很容易适应紫外线使用(我想在我用 B+W CCD 改装的网络摄像头上尝试自制版本,但一直没有机会)。使用闪烁体(通常是光纤耦合的)甚至可以使用 X 射线。

超过~1µm 进一步进入 IR 需要其他半导体——这些半导体很昂贵。 InGaAs是一种流行的选择,但正如您所说的那样贵得离谱——但这并不奇怪,因为您需要专门的生产设施。InGaAs 和其他 NIR 相机也被视为美国出口法规的军事技术(许多北约国家也实施了这些法规);这增加了相机制造商在合规方面的成本。

对热辐射完全不敏感的相机,或者由窄带隙半导体制成的相机,将需要大量冷却以消除可能比您尝试测量的图像更大的热噪声。这通常意味着液氮杜瓦瓶(材料成本+运营成本)。市场上出现了更新的技术(甚至是非制冷技术)——尤其是热成像技术,但分辨率远低于 Si CCD 或 CMOS 传感器。

对于可见光和辐射热计类型,它们便宜的原因是因为它们可以利用硅业务的规模经济。

一旦您进入需要其他技术(如提到的 InGaAs、InSb)的波长(即能量),您最多只能说 2 英寸和 3 英寸晶圆,这与当今用于制造芯片的披萨大小的硅晶圆完全不同。此外,晶体管仍然必须由硅制成,因此您需要将光敏芯片上的每个光电探测器连接到硅芯片上该像素的每个检测电路。如果你有一个百万像素的成像阵列,你就有一百万个连接要做。

但是等等,情况会变得更糟。如果您依赖于光电效应,例如对于 3-5 µm 的中波 IR,您必须冷却相机,以便您看到的不仅仅是相机本身产生的热量!想象一个带有明亮发光的镜头和外壳的可见相机——这就是热像仪所在的世界。冷却会增加很多费用,而且通常还会增加噪音,因为最节能的冷却器是冰箱类型的。Peltiers 无法将您带到液氮。

哦,顺便说一句,玻璃对超过 2 µm 的波长是不透明的,所以你需要一种不同于过去五个世纪光学一直在研究的透镜材料。

在光谱的另一端,X 射线是一种痛苦,因为它很难偏转 X 射线。他们喜欢直接通过。用于医疗 X 射线的大型成像阵列之所以起作用,是因为没有镜头,但看看钱德拉太空望远镜之类的镜子——“镜头”是一系列呈锥形排列的掠射角镜。