原标题：智能手机将如何颠覆SWIR成像行业

　　短波红外 (SWIR) 是指 1 µm 和 3 µm 之间的电磁波谱的一部分。今天，日常生活中使用的大多数成像仪都在可见光和近红外范围(0.4 µm 到 1 µm)工作，并且基于硅技术。感测 SWIR 辐射需要基于其他材料的成像器，这使得它们比基于硅的成像器贵几个数量级。因此，SWIR 目前的使用仅限于国防、工业或研究领域的特定应用。

　　然而，SWIR 的物理特性对消费市场如此有吸引力，以至于这种主要面向国防的技术正在敲开智能手机行业的大门。

　　在国防领域，短波红外用于目标指定、测距或在恶劣条件下(如烟雾、恶劣天气和夜间远距离)获取图像。在工业上，它在半导体制造中用于检查金属触点或检测太阳能电池中的裂纹。SWIR 还可以通过一些塑料容器监测液体或粉末的水平，这些塑料容器在可见光谱中不透明，但在 SWIR 中透明。这些波长对于分类应用也很有趣，因为废物、塑料、纺织品甚至食品中的材料在该波段中具有可识别的光谱特征。

　　在消费类 3D 传感模块中，SWIR 波长将比近红外 (NIR) 具有显着优势。智能手机制造商努力提高屏占比并将传感器隐藏在屏幕下方。SWIR 在 3D 传感中的主要动机是在 OLED 显示器后面集成面部识别模块，因为这些材料在 SWIR 波段中更加透明。

　　眼睛安全法规还授权在 SWIR 中使用更强大的照明源，这有助于提高增强现实应用的可靠性和检测范围。在汽车领域，SWIR 对高级驾驶辅助系统 (ADAS) 具有吸引力，它可以在恶劣条件下实现更稳定的图像采集，并能够在一个系统中结合 2D 和 3D 成像。

　　来自消费市场的这种拉动正在激发 SWIR 行业前所未有的变化，随着新技术的出现以及可能导致市场和技术颠覆的改变游戏规则的参与者的进入。

　　SWIR 成像的演变

　　目前集成到相机中的大多数 SWIR 成像器都依赖于砷化铟镓材料。InGaAs 技术最初是为国防市场开发的，后来扩展到工业成像领域。就性能和可靠性而言，InGaAs 目前是最好的技术，但要扩大制造工艺并充分降低成本以解决其他领域的问题，将具有挑战性。

　　一种基于量子点 (QD) 的新技术正在成为 InGaAs 的低成本替代品。量子点是封装在聚合物层中的纳米颗粒，然后吸收 SWIR 辐射。与 InGaAs 相比，QD 技术是一种可扩展的技术，其制造工艺与 CMOS 兼容，可以将成本降低几个数量级。因此，它是目前解决性能要求不那么严格的消费者应用程序的最佳选择。

　　然而，量子点技术仍在不断涌现，SWIR Vision Systems 于 2018 年为该行业发布了首批商业产品。它需要进一步开发以提高其在灵敏度和鲁棒性方面的性能。

　　未来几年可能作为可行选择出现的其他技术包括硅锗 (SiGe) 甚至全有机光敏材料。它们可能会继续成熟，在具有显着分辨率的真实成像器问世之前首先用作检测传感器。

　　新来者对 SWIR 成像的影响

　　SWIR的技术发展将随着改变游戏规则的玩家的加入而加速：索尼在2020年发布了第一款商用SWIR成像仪，2021年意法半导体宣布开发基于QD的SWIR成像仪。到目前为止，大多数 SWIR 成像仪都是由具有国防传统的公司制造的，例如 SCD、Sensors Unlimited 和 Teledyne FLIR，以及许多为国防或工业市场销售相机的小公司。这些公司通常使用裸片级制造工艺以小批量生产 InGaAs 成像器，但使用 QD 的 SWIR Vision Systems 和 Emberion 除外。

　　索尼和意法半导体都是消费和汽车硅基成像行业的领先公司。他们处理每年供应数百万个传感器的大型制造能力，并掌握 12 英寸晶圆工艺。他们还拥有丰富的设计专业知识，并经常利用它来引入突破性的成像技术。从长远来看，这些玩家的加入可能会扰乱当前的生态系统。

(图片来源：Yole Intelligence)

　　索尼引入了一种基于铜对铜键合的制造方法，该方法继承自其在硅基成像方面的专业知识，用于制造 InGaAs SWIR 成像器。这一突破至少有两个原因可以降低成像仪的成本。首先，该工艺以晶圆规模进行，从而提高了制造产量。然后新的键合工艺可以减少像素间距，因此成像器的尺寸更小，材料清单也更低。这可能会强烈影响工业领域，其中高昂的价格仍然限制了 SWIR 成像的采用。

　　2021 年，意法半导体发布了其基于 QD 技术的 SWIR 成像器的初步成果，其明确目标是满足消费和汽车等大众市场的需求。成像仪表现出高灵敏度，优化后约为 1.4 µm。

　　对于解决汽车领域的问题，可靠性方面的重要工作将是必要的，但现在预计 QD 技术的快速改进。

　　影响 SWIR 成像市场的后果

　　据编制 Yole 的“SWIR 成像 2022”报告的 Yole Intelligence 分析师称，2021 年，为国防、工业和研究应用提供了 11,000 台面扫描 (2D) 相机和两倍数量的线扫描 (1D) 相机，代表一个 4.29 亿美元的市场。

　　我们预计未来几年工业相机的数量将显着增加，这要归功于与 QD 技术渗透和 InGaAs 新制造工艺的引入相关的价格下降。这些细分市场在 2027 年可能代表相机级别的 8.28 亿美元市场。

(图片来源：Yole Intelligence)

　　在消费领域，第一批商用传感器可能会在 2022 年底发布，到 2027 年将迅速增长到 1.5 亿个。考虑到传感器周围的整个 SWIR 3D 传感模块(传感器、光学器件、外壳等)，这一细分市场到 2027 年，可能代表 32 亿美元，取代当前 NIR 模块的相当大一部分。

　　汽车领域应该稍后出现，因为它需要一种低成本且极其可靠的技术。与消费类设备相比，这些汽车系统需要进一步开发，从而推迟其上市时间。随后，SWIR 可能会渗透到高端汽车领域，到 2027 年达到几万辆，在系统层面价值 2100 万美元。

　　虽然 SWIR 天然存在于地球上，但其功率水平不足以满足大多数 SWIR 成像应用，因此需要将人造 SWIR 源与成像系统结合使用。因此，SWIR 光源市场应该会受益于 SWIR 成像市场的增长。

　　SWIR 边缘发射二极管激光器 (EEL) 目前广泛用于电信市场，这是迄今为止最大的 SWIR 光源市场。SWIR LED 主要用于工业视觉，这是一个不断增长的成像市场，而 SWIR 垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 将极大地受益于新兴的消费和汽车 SWIR 市场。

　　Piseo 是领先的光子系统创新中心，一直在研究 SWIR 光源市场及其应用。这项工作的结果将在 9 月发布的一份报告中公布。

　　到目前为止，SWIR 技术的高成本限制了其在国防、工业和其他高级应用中的使用。随着对智能手机行业内日益增长的技术的兴趣，这种范式正在发生变化，因为 SWIR 可以使 3D 传感更高效。

　　未来该何去何从?

　　未来几年，短波红外细分市场可能会出现在消费和汽车领域。索尼和意法半导体这两家消费成像行业的领导者现在涉足 SWIR 技术，并且都有能力填补迄今为止阻碍 SWIR 实现大批量生产的技术空白。

　　消费类 SWIR 变体最初应该具有足够好的性能，而不是与目前用于工业和国防的 SWIR 技术竞争。但是，如果 SWIR 量产，新兴技术可能会迅速成熟并长期破坏当前的 SWIR 生态系统。

　　本文是与Piseo的创新领导者兼电子和软件架构师 Matthieu Verstraete 合作编写的。