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火狐电竞:红外热像仪技术路线解析成本下降推动红外热像仪民品市场拓展

发布日期: 2022-06-28 08:07:57 来源:火狐电竞直播 作者:火狐电竞App下载
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  随着红外成像技术的发展与成熟,各种适用于民用的低成本红外成像设备出现,其 在国民经济各个领域发挥着越来越重要的作用。20世纪最后10年以来,其民用需求急剧增长,在电力检测、测温、汽车辅助驾驶、户外运动等领域均有应用。全面展示红外材料、器件、设备及应用的新产品、新技术、新趋势,推动产业从军事走向工业和民用市场。

  按红外窗口可分为近红外、短波红外、中波红外、长波红外、甚长波红外、远红外、 亚毫米波。军民最常使用的近红外(NIR,0.76~1.1μm)、中波红外(MWIR,3-6μm)、 长波红外(LWIR,6~15μm)。

  红外热像仪的核心部件是用来探测、识别和感知红外辐射的红外探测器,探测器性 能直接决定了最终形成的可见图像的清晰度和灵敏度。

  根据工作原理可将红外探测器主要分为光子探测器、热探测器。根据探测器的工作 温度可以将其分为制冷型和非制冷型,其技术差异来源于探测原理的不同。热探测器材料吸收红外辐射后产生温升,通过测量其物理性质的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。光子探测器吸收光子后,探测器材料的电子状态会发生改变,产生光电效应,通 过测量光电效应的大小可以测定被吸收的光子数。通常情况下,制冷型红外探测器属于光子型,非制冷型红外探测器在探测原理上属于热式。

  制冷型红外探测器的工作温度一般在 80K~200K。低温可以降低热激发产生的载流 子,暗电流较小,从而降低探测器的噪声;制冷在一定程度上也可减少禁带宽度,从而 加大截止波长。制冷红外探测器的常用材料有碲镉汞(MCT)、量子阱(QWIP)、锑化铟(InSb)、 二类超晶格(T2SL)四种。

  制冷型红外探测器灵敏度较高,探测距离远,但由于其价格昂贵、体积大、功耗大、结构复杂、且制冷器的寿命仅有约10000h等缺点,应用场合受限,更多地运用在军事领域,如夜视侦查、精确制导和目标瞄准等。

  非制冷探测器可进一步分为热释电式、热电堆、微测辐射热计等。其中微测辐射热 计是一种热敏电阻型传感器,在红外辐射照射到传感器后,传感器温度升高,热敏薄膜 的阻值改变,其 NETD 主要受限于热敏材料的 1/f 噪声。微测辐射热计型探测器是目 前技术最成熟、市场占有率最高的主流非制冷红外焦平面探测器。

  目前市场上大部分红外探测器都是焦平面阵列,其特点是由M×N个热敏单元(即像元)排成阵列,用来接收红外辐射。微测热辐射探测器的每个热敏单元主要由CMOS读出电路及MEMS传感器两部分组成,上层的MEMS传感器通常使用氧化钒或非晶硅等热敏材料制成,用于吸收红外辐射能量并将温度变化转换成电阻的变化,CMOS读出电路将微小的电阻变化以电信号的方式输出。CMOS读出电路和MEMS传感器为多层 结构,精密复杂,其设计和生产过程难度很高,是红外探测器的核心步骤。

  红外探测器的设计、生产及研发涉及到材料、集成电路设计、制冷和封装等多个学 科,技术难度很大,目前全球仅有美国、法国、以色列、中国等少数国家能够掌握非制冷红外探测器核心技术。

  由于非制冷红外探测器像元的加热和冷却是一个较慢的过程,其灵敏度与响应度特 性还不能与制冷型红外探测器相比。但成本低、结构紧凑、寿命较长等优势有利于其应用的推广,非制冷探测器在工业生产、监控安防、医疗卫生等领域需求较大。

  热敏材料的选取对于微测辐射热计的灵敏度(NETD)有非常大的影响,优选具有 高温度电阻系数(TCR)和低 1/f 噪声的材料,同时还要考虑到所选材料与读出电路的 集成工艺是否方便高效。

  非晶硅(α-Si)和氧化钒(VOx)则是非制冷型红外探测器的两大主流敏感材料。 非晶硅技术源自美国 TI 公司和法国 CEA-Leti 实验室,其工艺与标准硅完全兼容,制备 过程相对简单,TCR 与氧化钒相当。但由于非晶硅是无定型结构,呈现的 1/f 噪声比氧 化钒要高,所以 NETD 通常不如氧化钒材料。氧化钒技术源自于美国 Honeywell 研究 中心,是目前国际主流的非制冷红外成像技术,具有较高的 TCR(室温环境下约为 2%/K~3%/K),市占率 75%左右。

  红外焦平面阵列像元由光敏区(面)和非光敏区构成,这两部分合在一起成为一个 探测单元,简称像元。减小像元间距是红外探测器发展的趋势。小像元能够使探测器小 型化,在像元数一定的情况下,探测器变得越紧凑,需要的功率越少。此外小像元能提 高系统分辨率,增加探测距离,10μm 像元间距探测器比 15μm 的探测距离远 20%以上。

  但由于红外辐射衍射极限的限制,像元尺寸并不是无限缩小的。在过去的几十年里, 红外焦平面阵列像元间距从50μm 左右开始不断减小,美国DRS已将制冷型 HgCdTe探测器的像元间距降至5μm;非制冷领域,2021年睿创微纳发布的8μm 非制冷红外热像仪芯片是最全世界最小的像元尺寸。

  目前红外探测器的面阵规模集中在640×512和384×288两种,极少数红外探测器高端机型采用1024×768面阵规模。随着探测器制造工艺的进步和像元尺寸的缩小,大面阵探测器的应用开始增多。与640×512元探测器相比,大面阵探测器更适于观察类应用。同样的焦距下,大面阵探测器覆盖的场景更广阔,观察的细节更丰富,能满足某些高性能要求的应用。

  红外探测器的成本和体积等是限制其应用的关键因素。封装成本在整个探测器研发 成本中占比超过50%。目前常用的封装技术包括:金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装和 研制中的像元级封装。

  金属封装结构组件包括金属外壳(管壳)、TEC(半导体制冷器,保证探测器在室温 下工作)、柱状吸气剂(成本高)和红外窗口等,且封装过程中进行多次焊接、粘连、划片和排气(耗时 3-7 天)等工艺步骤,生产周期长,每批生产产品数量有限,只适用于 高端的军事应用。

  陶瓷封装是目前使用广泛的封装形式。其管壳为廉价陶瓷基板,无TEC,采用片式 或薄膜吸气剂,封装体积、重量、成本较金属封装都有一定程度下降。

  晶圆级封装直接在晶圆上进行大多数或是全部的封测试程序后再进行切割。与陶瓷 封装相比,其集成度更高、工艺步骤简化、成本低且生产效率高,是非制冷红外探测器封装技术中最具发展前景的形式。晶圆级封装能将封装成本从千元量级将至百元量级, 有利于进一步降低产品价格。

  目前红外探测器产品价格仍较高,良率仍待进一步提升。我们认为随着晶圆封装技 术的推广及规模效应的显现将推动红外探测器成本逐步下降,高性价比红外探测器产品能催生丰富的民品应用,带动民品市场高速增长。

  与军用市场相比,民用红外市场规模略小,但保持较快增长趋势。随着非制冷红外 热成像技术的发展,红外热成像仪在民用领域得到了广泛的应用,其民用市场保持着很 快的增长速度,增长幅度要远大于军用领域。在 2020 年,由于红外热像仪在通过发热 监测来遏制新冠病毒上的重要性,民用红外市场大幅增长。根据睿创微纳招股书援引自 Maxtech International 及北京欧立信咨询中心的数据,2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元。

  电力行业是使用红外热像仪最早及数量最多的民用领域,红外技术可以大大提高供 电设备的运行可靠性,降低了设备检修时间,是最成熟最有效的在线电力检测方法。将红外热像仪运用于设备的安全检修上,可对变压器、避雷器、电容器、断路器、绝缘子串、互感器、发电机、电缆和导线、隔离开关、高压输电线及压接管等电力设备状态进 行检查与故障诊断。

  “十四五”规划中提到要加强加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设。智能 电网已是城市配电网规划大势所趋,我们认为保证电网安全运行将是重要考量。除传统 手持工业级热像仪外,集成了红外摄像头的巡检机器人能够代替人工进行全天候巡检, 搭载红外载荷的无人机能够在高空对人工难以达到的电力设备进行检测。将电网检测系 统与红外技术融合,能够实时监控、与主辅监控系统智能联动,我们认为其有望进一步 代替人工运维。

  红外热成像技术可用于建筑检测、石油化工设备检测、采矿以及工业生产制造过程 控制。红外成像技术可以通过建筑物表面的温度分布情况,检测不良绝缘,电气故障, 渗水,管道输送,虫蚀,霉菌等肉眼无法察觉的建筑缺陷;可以帮助油气公司以非接触 的方式测量油箱液位,区分具有比热特性的不同密度液体或固体之间的微小温度变化;可以检测从矿石中提取矿物的过程并协助机电系统运维。

  在制造业中,由于烟雾的阻碍很多生产过程无法通过肉眼监控,红外热成像系统解 决方案可测潮湿和污染、材料的厚度以及复合材料结合的紧密度,协助在生产的前期环节检测出生产的产品是否合格。

  伴随着现代化制造业产业结构调整和转型升级的深入,“机器换人”是普遍趋势,红 外与机器视觉的碰撞使红外的工业应用将更具想象力。机器视觉是一种为自动化检测、过程控制和机器人导航等应用提供基于图像的自动检测和分析的技术和方法,运行步骤 包括图像成像、图像的自动分析和所需信息的提取。其中成像方式除可见光外,还有红外成像、X光成像、超声成像、微波成像等。随着各类技术的不断完善,机器视觉的应 用从工业电子装配缺陷检测,逐步推广到汽车制造、食品监控、纺织加工等多个领域。AIOT、5G 新技术应用加持下机器视觉将会有更大发展,红外探测器作为图像和温度基础之一将面临更大的机会。

  新冠疫情在 2020 年对全世界造成了巨大的冲击,我们预计其可能会在未来几年持 续影响世界,而红外体温检测仪是战胜疫情的关键装备之一。

  2020 年全球红外热像仪需求的大幅增长,主要来源于机场、火车站等公共场所的体 温检测和安全监测应用,但红外在医疗诊断领域的应用不只排查发热症状。早在 1913 年美国就成立了研究红外热成像的学术机构,并开始运用于临床。疼痛性疾病如急、慢 性肩颈痛,颈、腰椎病,肌筋膜疼痛综合征等,往往在病变区域会显示出明显的体温分 布差异,而红外热像技术正可以将这温度差异以图像的形式呈现出来。和 CT、X 光等结 构影像设备相比,作为功能影像的红外热像仪具有早期诊断、绿色无害、非接触式、即 时诊断等优势。

  安防监控产业截至目前共经历了四个发展阶段,分别为模拟监控、数字监控、网络 高清和智能监控时代。近年来,红外热成像技术在安防应用领域也处于越来越重要的地 位。红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射,无论白天黑夜均可以正常工作并且 不会暴露自己,在雨、雾等恶劣天气下仍可正常观测目标。因此采用红外热成像设备可 对各种目标如人员、车辆进行监控,也可以作为防火报警设备。

  对标国外人均摄像头数量,国内数量仍较少。2017 年我国摄 像头密度最高的北京市每千人拥有摄像头数量仅 59 个,仅相当于美国的 60%,而二线、 三线城市的摄像头数量更少。根据 CNBC 援引自 IHS,2021 年全球将有超过 10 亿支 监控摄像头,中国将占半数。我们认为,红外热成像技术在安防场景的应用能更好地满 足防火防盗的需求,随着摄像头总量的增加,红外在安防领域的市场空间将随之扩大。

  2019 年中国机动车驾驶人 4.35 亿人,交通事故受伤人数 25.61 万人,交通安全道阻且长。随着智能汽车的发展,ADAS(Advanced Driver Assistance System,“高级驾驶辅助系统”)市场快速成长。ADAS 利用安装在车上的各式各样传感器收集数据,并结合地图数据进行系统计算,从而预先为驾驶者判断可能发生的危险,保证行车的安全性。车载摄像头是 ADAS 不可或缺的传感器之一。

  常见车载 ADAS 传感器有光学摄像头、激光雷达、毫米波、红外热像仪、超声波等。在某些场景红外技术有独特的优势。根据 FLIR 官网援引自美国 GHSA(Governors Highway Safety Association)的数据,美国 2016 年发生的 5987 起行人安全事故中有 75%发生在夜间环境,红外探测器在夜间的优良性能增加夜间行车的安全性。此外,据轩辕智驾官网,红外探测器检测距离可达 400 米,是汽车远光灯照射距离的 1.5 倍,不受烟雾、阳光、炫光等的影响。

  我们认为,出于鲁棒性考虑,未来车载 ADAS 往往不会采用单一传感器,红外热像仪的加入能为传感器模组增加冗余度及可靠性,为汽车在复杂环境中安全行驶保驾护航。

  除监控外部环境外,红外也可应用于车舱内感测系统。红外光可用于检查汽车后座 上婴儿或宠物的存在性、监测车内温度和乘员状况、防止可疑入侵。

  红外探测器可用于生命特征检测系统,守护幼童生命安全。当车外温度仅 21℃左 右时,车内温度可能达到 46℃,将孩子遗忘在车内可能会造成意外悲剧。据 NoHeatStroke,1998 年-2020 年,美国死于车内中暑的儿童有 883 人,其中 53%是因 为儿童被遗忘于车内,26%由于儿童进入无人看管的车辆。据瑞淀光学系统官网,欧洲 新车评估测试组织(Euro NCAP)宣布 2022 年起,对将儿童存在检测作为标准功能提供的汽车制造商进行奖励。

  在消防救援的紧急关头,红外热像仪必不可少。其可有助于消防员透过烟雾监测火 势,以便快速计划任务、定位热点、挽救生命。红外热像仪能提供全面的场景视图—从火灾现场内部、外部和上方。这意味着不只是透过烟雾弥漫的房间进行观测,而是从多个视角检测整个火灾现场,事故指挥员能在指导资源配臵时作出更好决策。同时,红外热像仪也能清晰地可视化热源,是搜救行动的重要工具。

  目前,消防监管部门人手不够充裕,传统工作方式与新形势、新任务不相适应的矛 盾日益凸显,中国消防工作面临着前所未有的挑战,亟待提升消防安全智慧化治理水平。智慧消防是运用物联网、大数据等新一代信息技术,改善消防基础建设,优化消防工作机制,从而实现火灾防控精准化、灭火救援高效化、工作运行智能化。据郑州金特莱官网,2020 年我国智慧消防市场规模将达到 40 亿元。红外热像仪可防患于“未燃”,在 消防中发挥关键作用,未来市场空间广阔。

  另一方面,目前国内部分城市已出台相关政策,鼓励中小场所(包括家庭)安装使 用独立式火灾探测报警器。随着居民生活水平提高与防火意识增强,面向城市家庭开发的消防产品将得到推广,而红外热像仪便可应用于室内火灾消防监控,因此家庭消防市场也将是红外热像仪产品未来最具潜力市场之一。

  户外狩猎及其他户外运动如登山、露营、探险、攀岩、探洞等,均是被人们广为推 崇、非常健康的生活方式。红外热成像在夜间不需要任何光照即可通过温差看到动物热 像图,适合山林、草原、荒漠、水域等各种地形的野生动物观察和保护,或是猎区狩猎。在漆黑的夜晚或浓密的丛林中,集成了红外热成像芯片的望远镜、三防手机等,可以快 速地观察周边环境,以便及时发现野兽,确保营地安全;也可以穿透雨雪雾,使驴友在 恶劣天气情况下看清路况,以免迷路;当出现人员失联或被困的情况时,还可以用于人员的搜救。

  在欧美、非洲等国家,合法狩猎是被法律允许的。过去猎人们常用微光夜视仪帮助夜间狩猎,红外热像仪则是新一代“黑暗之眼”。微光夜视技术又称像增强技术,是通过带像增强管的夜视镜,微光夜视仪是利用夜间目标反射的低亮度的夜天光星月光大气辉光等自然光,将其增强放大到几十万倍,从而达到适于肉眼夜间进行侦察。手持单筒微光夜视仪价格从几十到几百美元不等。

  红外热像仪不需依赖微光,能在完全黑暗的环境中使用,且能克服雨雾、植物等障 碍清晰成像,性能优势明显,近年来销量明显提高。但价格较高,目前 FLIR、Pulsar 等手持红外热像仪售价往往达几百到几千美元。我们认为,为了更好的狩猎体验,猎人有升级装备的需求,而成本的下降能带动红外热像仪渗透率的提高。

  红外成像行业具有较高的资质壁垒和技术壁垒,属于集光学、集成电路设计、传感 器设计、 MEMS工艺、计算机和物理学等多个学科为一体的技术密集型行业。国际民用市场上,竞争实力最强的为美国FLIR公司,根据高德红外官网援引自Yole的数据, 2020 年美国FLIR公司位居全球民用红外探测器市场占有率第一。此外还有法国ULIS、Seek、美国DRS、英国BAE Systems、美国L-3、美国FLUKE 等。

  国内参与红外产业链的企业可以分为军工企业、中科院下属单位和民营企业三大类型。2020 年,中国民营企业迅速崛起,抢占市场份额。在全球十强中,中国厂商已占据四席,分别是高德红外、海康威视、睿创微纳和大立科技,合计占比约 44%。从阵列规模、像元尺寸、NETD 等指标来看,国内与国外非制冷探测器产品已无明显优势。

  将于2022年9月7-9日在深圳国际会展中心举办的CIOE红外技术及应用展是亚太地区极具影响力的红外技术专业展览会,展会全面展示红外、紫外及太赫兹领域的材料、器件、设备及应用的新产品、新技术、新趋势,推动产业从军事走向工业和民用市场,搭建集品牌展示、商贸洽谈、高效维护及开拓客户关系为一体的专业交流平台。

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