Тепловизоры по своей природе дороже цифровых камер видимого света?

Question

Наконец, мы начинаем видеть практические тепловизионные датчики ( микроболометры ), выходящие на потребительский рынок. Тем не менее, они все еще значительно дороже, чем сопоставимые датчики визуального изображения. Тепловизоры 384x288 с разрешением 17 мкм (т. Е. 32 мм ² ) с фиксированным объективом с ручной фокусировкой стоят около 500 долл., Тогда как за 500 долл. США получится КМОП-матрица с разрешением 6000 x 4000 2 мкм (т. Е. 96 мм ² ) ... плюс 5-осевая стабилизация датчика и красивый зум-объектив.

Мой вопрос: существуют ли физические ограничения, которые не позволят крупномасштабному производству тепловизоров достичь ценовых уровней, сопоставимых с камерами видимого света?

Я думаю есть два существенных различия, которые необходимо учитывать: датчики и линзы.

Во-первых, это датчик: тепловизионная камера ищет излучение с длиной волны от 7 до 14 мкм, тогда как видимый свет находится в диапазоне 0,4–0,7 мкм. Исходя только из физики, у дифракционного предела пиксели микроболометра будут иметь на порядок большую площадь поверхности. Очевидно, что коммерческие датчики имеют предел дифракции как для видимого света (при 1 микронных пикселях), так и теплового света (при 17 микронных пикселях). Таким образом, чтобы сделать это справедливо, мы бы сравнили 1 "24-мегапиксельный датчик видимого света с 1" 300 кпк тепловым датчиком. Микроболометры могут быть изготовлены из кремния с использованием процесса CMOS. Их структура выглядит немного хитрее, чем современные КМОП-датчики видимого спектра, требующие теплового моста для каждого пикселя, а также вакуумной герметизации датчика. Но я мало знаю о крупномасштабных производственных процессах, так значимы ли эти переменные в пределе для каждой единицы? Обновление: На этот вопрос теперь можно ответить здесь .

Второе - это линза: для теплового излучения требуются линзы из разных материалов - как правило, кремний или германий. Из-за большей длины волны я бы предположил, что системы с тепловыми линзами будут менее чувствительны к дефектам, чем видимая оптика, но, возможно, тепловое затухание настолько велико, что просто невозможно разместить значительное количество элементов перед датчиком, и, возможно, эти линзы по сути дороже в изготовлении?

Answer 1

Нет, я не вижу никаких физических ограничений для массового производства ИК-датчиков.

Фактически, большинство датчиков, используемых в DLSR ARE Чувствительны к ИК-излучению и имеют ИК-фильтр, что означает, что они чувствительны к длинам волн, невидимым для людей выше 800 нм, и должны быть "скорректированы", чтобы получить естественный вид цвета. Камеры типа «дикой природы» используют это по очень разумным ценам. «Модифицированные» камеры, то есть со всеми удаленными фильтрами, используются астрономами-любителями для максимальной чувствительности, а иногда даже для инфракрасных изображений.

Датчики коммерческих предложений ИК-камер для среднего ИК-диапазона производятся очень похожими способами, как обычные датчики, и производятся серийно, как обычные. Они просто состоят из дорогих или трудных в обращении веществ (PtSi, HdCdTe), что повышает цены.

Физическое ограничение более длинноволнового ИК-излучения состоит в том, что стекло не передает его, поэтому на фотографиях людей в очках они изображаются как в солнечных очках, и невозможно сделать снимок через стеклянное окно. Это, вероятно, не поможет сделать эти камеры привлекательными для широкой аудитории. Но опять же, это экономические, а не физические соображения.

Answer 2

Ответ о состоянии дел в коммерческих термальных линзах найден здесь :

Прецизионное литье стекла (ПГМ) из халькогенидного стекла (ЧГ) в сочетании с недавнее снижение стоимости микроболометров, позволило новый поколение недорогих тепловизионных устройств .... на потребительской основе портативные тепловизоры, коммерческие прицелы охотники, и тепловые камеры надстройки для мобильных телефонов стали легко доступны для среднего потребителя в последние несколько лет из-за этой технологии.

Алан Симмонс, соавтор Полевого руководства по литой оптике и EVP в LightPath Technologies, говорит:

Халькогенидное стекло способствовало этим достижениям, потому что оно аморфное материал, который можно формовать, в отличие от своих более традиционных конкурентов: германий (Ge), сульфид цинка, селенид цинка и т. д. халькогенидной очки, такие как LightPath BD6 (As40Se60), обеспечивают гораздо меньшую стоимость материал, который может быть изготовлен с использованием PGM, более подходящий процесс для массового производства требуется для потребительских товаров. ChGs LightPath также предоставляют технические преимущества перед Ge .... Когда по сравнению с Ge, ЧГ легче по весу, имеют улучшенную передачу при повышенных температурах (Ge непрозрачен при температурах выше, чем 65 ° C, в то время как ChGs продолжают передавать), и по своей природе являются важное соображение в тепловизионной.

Answer 3

В настоящее время существуют методы обработки кремния для получения огромных массивов компонентов с помощью фотолитографии. Типичные датчики ИК-камер - это полупроводники с узкой запрещенной зоной, такие как HgCdTe , которые гораздо труднее производить в массовом производстве. Кроме того, линзы для более длинных волн сделаны из дорогих, трудно полируемых материалов, таких как Ge и Al2O3. Еще более дорогими являются болометр и сверхпроводящие датчики, для которых требуется охлаждающий механизм (например, жидкий Не в телескопе Уэбба).