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(gè)數(shù)量級(jí)。因此，目前SWIR的應(yīng)用僅限于國(guó)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(duì)消費(fèi)類市場(chǎng)具有如此大的吸引力，以至于這種主要面向國(guó)防的技術(shù)正在叩開智能手機(jī)行業(yè)的大門。 ? 在國(guó)防領(lǐng)域中，SWIR用于目標(biāo)識(shí)別、測(cè)距或在惡劣條件下獲取圖像，如煙霧、惡劣天氣和夜間長(zhǎng)距離場(chǎng)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(cè)太陽(yáng)能電池的裂縫。SWIR還可以通過一些塑料容器監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(gè)波段的可識(shí)別光譜特征。 ? 在消費(fèi)類3D傳感模塊中，SWIR波長(zhǎng)將比NIR具有顯著優(yōu)勢(shì)。智能手機(jī)廠商競(jìng)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?jiǎng)訖C(jī)是在OLED顯示屏下面集成人臉識(shí)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(cè)范圍。在汽車領(lǐng)域，SWIR對(duì)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(gè)系統(tǒng)中。 ? 隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，以及可能導(dǎo)致市場(chǎng)和技術(shù)顛覆的游戲規(guī)則改變者的進(jìn)入，來(lái)自消費(fèi)類市場(chǎng)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(guó)防市場(chǎng)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。因此，它是目前對(duì)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(lái)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(huì)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(cè)傳感器。 ?

新入場(chǎng)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(huì)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(guó)防為導(dǎo)向的公司制造的，如SCD、Sensors Unlimited和Teledyne FLIR，以及許多為國(guó)防或工業(yè)市場(chǎng)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(jí)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(wàn)個(gè)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(shí)，并經(jīng)常利用它來(lái)推出突破性的成像技術(shù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些玩家的進(jìn)入可能會(huì)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(gè)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(huì)對(duì)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(jià)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(chǎng)。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(chǎng)的變化

根據(jù)Yole Intelligence的“SWIR Imaging 2022”報(bào)告，2021年，11,000臺(tái)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(guó)防、工業(yè)和研究應(yīng)用，市場(chǎng)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(jià)格下降，工業(yè)相機(jī)的數(shù)量在未來(lái)幾年將顯著增加。到2027年，這些細(xì)分市場(chǎng)的相機(jī)市場(chǎng)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(huì)在2022年底發(fā)布，到2027年將迅速增長(zhǎng)至1.5億個(gè)?？紤]到圍繞傳感器的整個(gè)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(huì)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(chǎng)的時(shí)間。隨后，SWIR可能會(huì)滲透到高端汽車領(lǐng)域，在2027年達(dá)到數(shù)萬(wàn)輛，在系統(tǒng)層面的價(jià)值為2100萬(wàn)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(chǎng)將受益于SWIR成像市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

SWIR EEL目前廣泛應(yīng)用于電信市場(chǎng)，這是迄今為止SWIR源的最大市場(chǎng)。SWIR LED主要用于工業(yè)視覺，這是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的成像市場(chǎng)，而SWIR VCSEL將從新興的消費(fèi)類和汽車SWIR市場(chǎng)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(chǎng)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(guó)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(duì)該技術(shù)的興趣不斷增長(zhǎng)，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(lái)會(huì)怎樣？

未來(lái)幾年，消費(fèi)類和汽車領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)SWIR細(xì)分市場(chǎng)。Sony和ST這兩家消費(fèi)級(jí)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(guó)防領(lǐng)域使用的SWIR技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)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(huì)迅速成熟，并在長(zhǎng)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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