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成像儀在可見光和NIR范圍內（0.4μm~1μm）工作，并且基于硅技術。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量級。因此，目前SWIR的應用僅限于國防、工業或研究領域的特定應用。 ? 然而，SWIR的物理特性對消費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正在叩開智能手機行業的大門。 ? 在國防領域中，SWIR用于目標識別、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。在工業上，它被用于半導體制造，以檢查金屬觸點或檢測太陽能電池的裂縫。SWIR還可以通過一些塑料容器監測液體或粉末水平，這些塑料容器在可見光譜中不透明，但在SWIR中透明。這些波長在分類應用中也很有趣，因為垃圾、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。 ? 在消費類3D傳感模塊中，SWIR波長將比NIR具有顯著優勢。智能手機廠商競相提高屏幕的尺寸，并將傳感器隱藏在屏下。SWIR在3D傳感領域的主要動機是在OLED顯示屏下面集成人臉識別模塊，因為這些材料在SWIR波段中更透明。 ? 眼睛安全法規也授權SWIR有更強大的照明源，這有助于增加AR應用的可靠性和探測范圍。在汽車領域，SWIR對于ADAS很有吸引力，它可以在惡劣的條件下獲得更穩定的圖像，并能夠將2D和3D成像結合在一個系統中。 ? 隨著新技術的出現，以及可能導致市場和技術顛覆的游戲規則改變者的進入，來自消費類市場的這種吸引力正在激發SWIR行業前所未有的變化。 ?

SWIR成像技術的發展

目前大多數集成在相機中的SWIR成像儀都依賴于銦鎵砷化物材料（InGaAs）。InGaAs技術最初是為國防市場開發的，然后擴展到工業成像。就性能和可靠性而言，InGaAs是目前最好的技術，但它仍要解決很多挑戰性問題，以擴大制造工藝和充分降低成本，應對其他領域。 ? 一種基于量子點（QD）的新技術正在成為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技術是一種可擴展的技術，其制造工藝與CMOS兼容，可以將成本降低幾個數量級。因此，它是目前對性能要求不那么苛刻的消費類應用的最佳候選。 ? 然而，QD技術仍處于起步階段，SWIR Vision Systems于2018年發布了該行業的首批商業產品。它需要進一步開發，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包括硅鍺（SiGe），甚至全有機光敏材料。它們可能會繼續成熟，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則的玩家的進入，SWIR的技術發展將會加速。Sony在2020年發布了首款商用SWIR成像儀，ST在2021年宣布開發基于QD的SWIR成像儀。到目前為止，大多數SWIR成像儀都是由以國防為導向的公司制造的，如SCD、Sensors Unlimited和Teledyne FLIR，以及許多為國防或工業市場銷售相機的小型公司。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InGaAs成像儀。 ? Sony和ST都是消費類和汽車硅基成像行業的領軍企業。他們擁有強大的制造能力，每年供應數百萬個傳感器，并掌握12英寸晶圓工藝。他們還擁有重要的設計專業知識，并經常利用它來推出突破性的成像技術。從長遠來看，這些玩家的進入可能會顛覆當前的生態系統。 ?

Sony從硅基成像技術中繼承了以copper-to-copper bonding為基礎的制造方法，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行，增加了制造產量。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。這可能會對工業領域產生強烈影響，在工業領域，過高的價格仍然限制了SWIR成像的采用。 ? 2021年，ST發布了基于QD技術的SWIR成像儀的初步研究結果，明確目標是面向消費類和汽車等大眾市場。該成像儀靈敏度高，優化后約為1.4μm。 ? 為了解決汽車領域的問題，可靠性方面的重要工作是必要的，但QD技術的快速改進現在有望實現。 ?

SWIR成像市場的變化

根據Yole Intelligence的“SWIR Imaging 2022”報告，2021年，11,000臺區域掃描（2D）相機和兩倍數量的行掃描（1D）相機被供應，覆蓋國防、工業和研究應用，市場規模為4.29億美元。

我們預計，由于QD技術滲透和InGaAs新制造工藝的引入導致價格下降，工業相機的數量在未來幾年將顯著增加。到2027年，這些細分市場的相機市場規模將達到8.28億美元。

在消費類領域，首批商用傳感器可能會在2022年底發布，到2027年將迅速增長至1.5億個。考慮到圍繞傳感器的整個SWIR 3D傳感模塊（傳感器、光學器件、外殼等），到2027年，這一領域的規模將達到32億美元，取代相當一部分當前的NIR模塊。

汽車領域應該會晚一些出現，因為它需要低成本和極其可靠的技術。與消費類設備相比，這些汽車系統需要進一步的開發，從而推遲了它們進入市場的時間。隨后，SWIR可能會滲透到高端汽車領域，在2027年達到數萬輛，在系統層面的價值為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SWIR成像應用，因此需要與成像系統結合使用人工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將從新興的消費類和汽車SWIR市場中獲益。

領先的光子系統創新中心Piseo一直在研究SWIR源市場及其應用。這項工作的結果將在9月份發布。

直到現在，SWIR技術的高成本仍然限制了其在國防、工業和其他先進應用領域的普及。如今，隨著智能手機行業對該技術的興趣不斷增長，這種模式正在發生轉變，因為SWIR可以使3D傳感更高效。

未來會怎樣？

未來幾年，消費類和汽車領域將出現SWIR細分市場。Sony和ST這兩家消費級成像行業的領導者，現在都涉足了SWIR技術，兩家公司都有能力填補迄今為止阻礙SWIR實現大規模量產的技術空白。

在不與目前工業和國防領域使用的SWIR技術競爭的情況下，消費類SWIR變體在最初應該具有足夠好的性能。然而，如果SWIR大規模生產，新興技術可能會迅速成熟，并在長期內顛覆當前的SWIR生態。

[參考文章]

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

編輯：黃飛

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