短波紅外（SWIR）是指電磁波譜中1μm~3μm之間的部分。目前，日常生活中使用的大多數(shù)成像儀在可見光和NIR范圍內(nèi)（0.4μm~1μm）工作，并且基于硅技術(shù)。感知SWIR輻射需要基于其他材料的成像儀，這使得它們比硅基成像儀貴了幾個數(shù)量級。因此，目前SWIR的應(yīng)用僅限于國防、工業(yè)或研究領(lǐng)域的特定應(yīng)用。 ? 然而，SWIR的物理特性對消費(fèi)類市場具有如此大的吸引力，以至于這種主要面向國防的技術(shù)正在叩開智能手機(jī)行業(yè)的大門。 ? 在國防領(lǐng)域中，SWIR用于目標(biāo)識別、測距或在惡劣條件下獲取圖像，如煙霧、惡劣天氣和夜間長距離場景。在工業(yè)上，它被用于半導(dǎo)體制造，以檢查金屬觸點(diǎn)或檢測太陽能電池的裂縫。SWIR還可以通過一些塑料容器監(jiān)測液體或粉末水平，這些塑料容器在可見光譜中不透明，但在SWIR中透明。這些波長在分類應(yīng)用中也很有趣，因?yàn)槔?、塑料、紡織品甚至食物中的材料都有這個波段的可識別光譜特征。 ? 在消費(fèi)類3D傳感模塊中，SWIR波長將比NIR具有顯著優(yōu)勢。智能手機(jī)廠商競相提高屏幕的尺寸，并將傳感器隱藏在屏下。SWIR在3D傳感領(lǐng)域的主要動機(jī)是在OLED顯示屏下面集成人臉識別模塊，因?yàn)檫@些材料在SWIR波段中更透明。 ? 眼睛安全法規(guī)也授權(quán)SWIR有更強(qiáng)大的照明源，這有助于增加AR應(yīng)用的可靠性和探測范圍。在汽車領(lǐng)域，SWIR對于ADAS很有吸引力，它可以在惡劣的條件下獲得更穩(wěn)定的圖像，并能夠?qū)?D和3D成像結(jié)合在一個系統(tǒng)中。 ? 隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，以及可能導(dǎo)致市場和技術(shù)顛覆的游戲規(guī)則改變者的進(jìn)入，來自消費(fèi)類市場的這種吸引力正在激發(fā)SWIR行業(yè)前所未有的變化。 ?

SWIR成像技術(shù)的發(fā)展

目前大多數(shù)集成在相機(jī)中的SWIR成像儀都依賴于銦鎵砷化物材料（InGaAs）。InGaAs技術(shù)最初是為國防市場開發(fā)的，然后擴(kuò)展到工業(yè)成像。就性能和可靠性而言，InGaAs是目前最好的技術(shù)，但它仍要解決很多挑戰(zhàn)性問題，以擴(kuò)大制造工藝和充分降低成本，應(yīng)對其他領(lǐng)域。 ? 一種基于量子點(diǎn)（QD）的新技術(shù)正在成為InGaAs的低成本替代方案。QD是包裹在聚合物層中的納米顆粒，然后吸收SWIR輻射。與InGaAs相比，QD技術(shù)是一種可擴(kuò)展的技術(shù)，其制造工藝與CMOS兼容，可以將成本降低幾個數(shù)量級。因此，它是目前對性能要求不那么苛刻的消費(fèi)類應(yīng)用的最佳候選。 ? 然而，QD技術(shù)仍處于起步階段，SWIR Vision Systems于2018年發(fā)布了該行業(yè)的首批商業(yè)產(chǎn)品。它需要進(jìn)一步開發(fā)，以提高其靈敏度和魯棒性方面的性能。 ? 在未來幾年，其他可能成為可行選擇的技術(shù)包括硅鍺（SiGe），甚至全有機(jī)光敏材料。它們可能會繼續(xù)成熟，在真正分辨率高的成像儀問世之前，首先被用作探測傳感器。 ?

新入場的巨頭

隨著可能改變游戲規(guī)則的玩家的進(jìn)入，SWIR的技術(shù)發(fā)展將會加速。Sony在2020年發(fā)布了首款商用SWIR成像儀，ST在2021年宣布開發(fā)基于QD的SWIR成像儀。到目前為止，大多數(shù)SWIR成像儀都是由以國防為導(dǎo)向的公司制造的，如SCD、Sensors Unlimited和Teledyne FLIR，以及許多為國防或工業(yè)市場銷售相機(jī)的小型公司。除了SWIR Vision Systems和Emberion使用QD外，這些公司通常使用芯片級制造工藝小批量生產(chǎn)InGaAs成像儀。 ? Sony和ST都是消費(fèi)類和汽車硅基成像行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。他們擁有強(qiáng)大的制造能力，每年供應(yīng)數(shù)百萬個傳感器，并掌握12英寸晶圓工藝。他們還擁有重要的設(shè)計(jì)專業(yè)知識，并經(jīng)常利用它來推出突破性的成像技術(shù)。從長遠(yuǎn)來看，這些玩家的進(jìn)入可能會顛覆當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)。 ?

Sony從硅基成像技術(shù)中繼承了以copper-to-copper bonding為基礎(chǔ)的制造方法，制造了InGaAs SWIR成像儀。這一突破降低了成本，至少有兩個原因。首先，該工藝在晶圓尺度上進(jìn)行，增加了制造產(chǎn)量。然后，新的粘接過程允許像素間距更少，因此成像儀的尺寸更小，BOM更低。這可能會對工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，在工業(yè)領(lǐng)域，過高的價格仍然限制了SWIR成像的采用。 ? 2021年，ST發(fā)布了基于QD技術(shù)的SWIR成像儀的初步研究結(jié)果，明確目標(biāo)是面向消費(fèi)類和汽車等大眾市場。該成像儀靈敏度高，優(yōu)化后約為1.4μm。 ? 為了解決汽車領(lǐng)域的問題，可靠性方面的重要工作是必要的，但QD技術(shù)的快速改進(jìn)現(xiàn)在有望實(shí)現(xiàn)。 ?

SWIR成像市場的變化

根據(jù)Yole Intelligence的“SWIR Imaging 2022”報告，2021年，11,000臺區(qū)域掃描（2D）相機(jī)和兩倍數(shù)量的行掃描（1D）相機(jī)被供應(yīng)，覆蓋國防、工業(yè)和研究應(yīng)用，市場規(guī)模為4.29億美元。

我們預(yù)計(jì)，由于QD技術(shù)滲透和InGaAs新制造工藝的引入導(dǎo)致價格下降，工業(yè)相機(jī)的數(shù)量在未來幾年將顯著增加。到2027年，這些細(xì)分市場的相機(jī)市場規(guī)模將達(dá)到8.28億美元。

在消費(fèi)類領(lǐng)域，首批商用傳感器可能會在2022年底發(fā)布，到2027年將迅速增長至1.5億個?？紤]到圍繞傳感器的整個SWIR 3D傳感模塊（傳感器、光學(xué)器件、外殼等），到2027年，這一領(lǐng)域的規(guī)模將達(dá)到32億美元，取代相當(dāng)一部分當(dāng)前的NIR模塊。

汽車領(lǐng)域應(yīng)該會晚一些出現(xiàn)，因?yàn)樗枰统杀竞蜆O其可靠的技術(shù)。與消費(fèi)類設(shè)備相比，這些汽車系統(tǒng)需要進(jìn)一步的開發(fā)，從而推遲了它們進(jìn)入市場的時間。隨后，SWIR可能會滲透到高端汽車領(lǐng)域，在2027年達(dá)到數(shù)萬輛，在系統(tǒng)層面的價值為2100萬美元。

雖然SWIR在地球上自然存在，但其功率水平不足以滿足大多數(shù)SWIR成像應(yīng)用，因此需要與成像系統(tǒng)結(jié)合使用人工SWIR源。因此，SWIR源市場將受益于SWIR成像市場的增長。

SWIR EEL目前廣泛應(yīng)用于電信市場，這是迄今為止SWIR源的最大市場。SWIR LED主要用于工業(yè)視覺，這是一個不斷增長的成像市場，而SWIR VCSEL將從新興的消費(fèi)類和汽車SWIR市場中獲益。

領(lǐng)先的光子系統(tǒng)創(chuàng)新中心Piseo一直在研究SWIR源市場及其應(yīng)用。這項(xiàng)工作的結(jié)果將在9月份發(fā)布。

直到現(xiàn)在，SWIR技術(shù)的高成本仍然限制了其在國防、工業(yè)和其他先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域的普及。如今，隨著智能手機(jī)行業(yè)對該技術(shù)的興趣不斷增長，這種模式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，因?yàn)镾WIR可以使3D傳感更高效。

未來會怎樣？

未來幾年，消費(fèi)類和汽車領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)SWIR細(xì)分市場。Sony和ST這兩家消費(fèi)級成像行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在都涉足了SWIR技術(shù)，兩家公司都有能力填補(bǔ)迄今為止阻礙SWIR實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)空白。

在不與目前工業(yè)和國防領(lǐng)域使用的SWIR技術(shù)競爭的情況下，消費(fèi)類SWIR變體在最初應(yīng)該具有足夠好的性能。然而，如果SWIR大規(guī)模生產(chǎn)，新興技術(shù)可能會迅速成熟，并在長期內(nèi)顛覆當(dāng)前的SWIR生態(tài)。

[參考文章]

How Smartphones Will Disrupt the SWIR Imaging Industry — Axel Clouet, Eric Mounier

編輯：黃飛

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