Pourquoi est-il si cher de produire des caméras pour la lumière non visible?

Les caméras grand public typiques peuvent capturer la longueur d'onde de 390-700 nm 400-1050nm . Mais pourquoi est-il si difficile et si coûteux de produire des caméras pour infrarouge, ultraviolet, rayons X durs, etc.? La seule chose qui les diffère est la longueur d'onde et l'énergie eV.

Cela revient à la taille du marché. Où est la demande pour ces caméras et le nombre de ventes justifie-t-il les coûts de mise en place de la production? Vous pouvez obtenir une conversion infrarouge vers des appareils photo reflex numériques de type standard (par exemple, faites-le vous-même des didacticiels de modification de caméra infrarouge numérique ) et vous pouvez convertir l'appareil photo en un type `` spectre complet '' qui prend un peu d'ultraviolet. (voir Photographie à spectre complet ). Pour des longueurs d'onde plus petites, vous aurez besoin de différents capteurs. Celles-ci, de par leur nature spécialisée et leur faible volume de production, ont tendance à être très coûteuses.

Tout d'abord: les capteurs CCD standard sont sensibles à une longueur d'onde bien au-delà de 700 nm. Autant que je sache, les capteurs Si sont encore plus sensibles à la lumière proche infrarouge qu'à la lumière visible.

Bien sûr, cela change pour des longueurs d'onde beaucoup plus grandes: une condition pour que la lumière soit détectable est que les photons aient suffisamment d'énergie pour créer une paire trou-électron. Ce seuil d'énergie est la bande interdite du matériau semi-conducteur particulier (par exemple pour Si: ~ 1,1 eV). Puisque l'énergie photonique est inversement proportionnelle à la longueur d'onde (E = h * c / lambda), il existe une longueur d'onde maximale qui peut être détectée avec un matériau semi-conducteur donné (par exemple pour Si: ~ 1100 nm).

Pour les caméras, l'objectif est également pertinent: la plupart des types de verre sont moins transparents aux rayons UV. Les lentilles optimisées pour la transparence UV sont très chères (bien qu'une alternative bon marché pourrait être des lentilles en plastique).

Vos deux réponses existantes sont valables, mais peuvent être prises en combinaison: les capteurs Si simples sont bons pour le visible et le NIR et sont courants et donc bon marché. Des modifications du système d'imagerie sont nécessaires dans de nombreux cas car l'IR est normalement bloqué car il n'est pas souhaitable. Voir par exemple l'EOS 20Da de Canon .

Les capteurs en silicium sont assez facilement adaptés à l'utilisation des UV au moyen d'un revêtement de phosphore (je voulais essayer une version homebrew de cela sur une webcam que j'avais moddée avec un CCD B + W mais je n'en ai jamais eu l'occasion). Même l'utilisation des rayons X est possible avec un scintillateur (qui est normalement couplé à des fibres optiques).

Pour aller au-delà de ~ 1 µm plus loin dans l'IR, il faut d'autres semi-conducteurs - qui sont chers. InGaAs est un choix populaire, mais il est ridiculement cher comme vous le dites - mais ce n'est pas surprenant car vous avez besoin d'installations de production dédiées. Les InGaAs et autres caméras NIR sont également considérées comme une technologie militaire aux fins des réglementations américaines en matière d'exportation (qui sont également imposées à de nombreux pays de l'OTAN); cela ajoute des coûts au fabricant de caméras en termes de conformité.

Les caméras qui ont une quelconque sensibilité au rayonnement thermique, ou qui sont fabriquées à partir de semi-conducteurs à bande interdite étroite, auront besoin d'un refroidissement important pour éliminer le bruit thermique qui pourrait être supérieur à l'image que vous essayez de mesurer. Cela signifie souvent une Dewar d'azote liquide (coût du matériau + coût d'exploitation). De nouvelles technologies (même non refroidies) arrivent sur le marché - en particulier pour l'imagerie thermique, mais la résolution est bien inférieure à celle des capteurs Si CCD ou CMOS.

Pour le type visible et le bolomètre, la raison pour laquelle ils sont bon marché est qu'ils peuvent tirer parti des économies d'échelle dans le secteur du silicium.

Dès que vous vous lancez dans des longueurs d'onde (c'est-à-dire des énergies) qui ont besoin d'autres technologies (InGaAs comme mentionné, InSb), vous parlez de tranches de 2 "et 3" au mieux, rien de tel que les tranches de silicium de la taille d'une pizza utilisées pour fabriquer des chips aujourd'hui. De plus, les transistors doivent toujours être en silicium, vous avez donc besoin d'une connexion de chaque photodétecteur sur la puce photosensible à chaque circuit de détection pour ce pixel sur une puce en silicium. Si vous avez une matrice d'imagerie mégapixels, vous avez un million de connexions à établir.

Mais attends, ça devient pire. Si vous dépendez de l'effet photoélectrique, par exemple pour l'IR à mi-onde à 3-5 µm, vous devez refroidir la caméra pour que vous voyiez quelque chose de plus que la chaleur générée par la caméra elle-même! Imaginez une caméra visible avec un objectif et un boîtier brillamment lumineux - c'est le monde dans lequel vit une caméra thermique. Le refroidissement ajoute beaucoup de dépenses, et généralement aussi du bruit, car les refroidisseurs les plus éconergétiques sont de type réfrigérateur. Les Peltiers ne peuvent pas vous emmener à l'azote liquide.

Oh, et BTW, le verre n'est pas transparent aux longueurs d'onde supérieures à environ 2 µm, vous avez donc besoin d'un matériau de lentille différent de celui sur lequel les cinq derniers siècles d'optique ont travaillé.

À l'autre extrémité du spectre, les rayons X sont une douleur car il est difficile de dévier les rayons X. Ils aiment passer à travers. Les grands réseaux d'imagerie pour les rayons X médicaux fonctionnent parce qu'il n'y a pas de lentille, mais jetez un œil aux miroirs sur quelque chose comme le télescope spatial Chandra - la "lentille" est une série de miroirs angulaires jetables disposés en cônes.