投研词典 | 一文读懂「红外成像」行业概况及应用场景

文摘   科技   2024-06-05 09:00   北京  


什么是红外成像?
光在本质上属于电磁波,根据波长不同可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线等类型。受人眼自然构造形成的视觉性能限制,人类只能对波长在 0.76-0.38 微米波谱段的辐射进行感知,无法通过直接观察的方式获取红外线成像信息。
光电成像技术是通过光学系统和光电图像传感器,将自然界的模拟图像信息转化为可进行机器处理的数字图像信息,并对图像进行处理和分析的技术。以光电转换技术、光电子理论和半导体物理等为基础,采用光电成像器件完成成像过程的改善人类视见能力的技术统称为光电成像技术。
红外成像是光电成像的重要子类,红外线是指波长 0.76 微米至 1 毫米范围的电磁波,是自然界中存在最为广泛的辐射,所有温度高于绝对零度(-273℃)的物质都不断地辐射红外线,因此红外成像具有广泛的应用价值。


红外成像系统的核心:探测器

探测器是红外成像系统的核心,直接决定了最终的图像形成质量。封装也是探测器的重要制作步骤之一,是降低红外探测器成本的关键。

目前探测器的封装技术可以分为金属封装、陶瓷封装及晶圆级封装三类,其中晶圆级封装难度最大,但集成度更高,能够大幅度减小探测器的封装体积,满足热成像模组小型化、轻量化的需求。

红外探测器可分为制冷型与非制冷型两类,其中非制冷型的应用前景更加广阔。

制冷型红外探测器在探测原理上属于光子型,利用红外辐射与探测器材料相互作用产生的光电效应实现对目标的探测,工作时需要搭配制冷机将温度降到-170到-200度左右,因此应用场合较为受限。

而非制冷型红外探测器的探测原理属于热式,利用目标红外辐射与探测器材料产生的热效应实现对目标的探测,可在室温下工作,无需低温制冷,不仅可以应用于单兵装备等诸多制冷型红外探测器受限的场合,在民用领域也因为成本更低有着广阔的应用前景。


红外成像市场空间分析
虽然红外技术最初的发展得益于战争的需要,但是一种拓宽人们感知世界能力的技术,势必将为人类做出更多的贡献。
1、军用市场空间
军用市场空间在军用领域,因各国保持高度的军事敏感性,限制或禁止向国外出口军用级产品,所以率先发展红外热成像技术的发达国家军队普及率较高。目前,国际军用红外产品市场主要被以美国、法国为代表的发达国家企业主导。
与国际市场相比,我国的军用市场由于底子薄,仍处在大力追赶阶段。近年来红外热像仪在我国军事领域的应用处于快速提升阶段,包括单兵、坦克装甲车辆、舰船、军机和红外制导武器在内的红外装备市场将迎来快速发展阶段。国内军用红外热像仪市场正快速发展,属于朝阳行业,市场容量巨大。
我国军用红外市场规模约340亿:我国的军队人员数量约为200万人,如果未来我军10%的部队装备红外热像仪,则我国单兵用红外热像仪市场容量可达到20万套,以每套2万元来计算,其市场容量可达40亿元。此外,考虑到军机、坦克等市场,我国军用红外市场总容量或达300亿元以上,假设红外系统更新周期为10年,每年的市场规模平均在30亿元以上。
2、民用市场空间
在民用领域,红外热成像仪行业已充分实现市场化竞争,各企业面向市场自由竞争。
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。
红外热成像仪在民用市场消费额的快速增长,主要来源于产品成本下降带来新应用领域的不断扩大,随着红外热成像仪在工业测温、教育科研、消防与安防监控、石油化工、医疗检测、辅助驾驶以及物联网等行业应用的推广,国际民用红外热成像仪行业将迎来市场需求的快速增长期。


红外成像产业链分析
红外成像行业经过数十年的发展,已经形成了一条完整的产业链。
  • 上游:红外材料、探测器芯片制造和封装技术,这些环节技术难度大、价值量高,在整个产业链中占据主导地位

  • 中游:机芯集成与整机组装,系统生产商负责将上游的探测器和相关电子元件集成到具体的产品中。

  • 下游:红外成像产品的应用领域,具体包括红外制导、武器瞄具、光电载荷、辅助驾驶、安防监控、工业测温、个人消费等领域。

红外成像产品的设计生产涉及到材料、集成电路设计、制冷和封装等多个学科,流程环节繁多,技术难度较大,全球仅有美国、法国、以色列和中国等少数国家能够掌握,目前我国已具备从前端设计生产到后端处理再到整机大系统的全产业链覆盖能力。

红外成像产业应用场景
1、军用领域
红外热像仪能在完全黑暗的环境下探测到物体,且不受烟雾、粉尘等因素影响,可以全天候使用。同时,红外热像仪是通过被动的方式探测物体发出的红外辐射,相较于其他带光源的主动成像系统更具有隐蔽性,因此红外成像技术在军事领域具有很高的应用价值。
军用领域,红外成像在夜间作战、侦查预警、跟踪制导、电磁对抗中发挥重要作用,随着我国在国防上的持续投入,产品的持续进步,红外热成像在军用领域会有巨大的发展潜力。代表性应用场景如下:
  • 制冷型红外产品具有灵敏度高、响应速度快、探测距离远等优势,但由于价格相对昂贵,主要被用于周界安全、海岸监视、机载、舰载、弹载、星载应用等对性能要求较高的高端军用领域。
  • 非制冷型红外产品的性能相对弱于制冷型红外产品,但其具有体积小、功耗低且价格较低的特点,因此主要用于轻武器瞄具、单兵装备等对性价比和便携性要求较高的领域。
2、民用领域
近年来,随着红外热成像技术的不断发展,红外产品的成本整体呈下降趋势,特别是价格相对较低的非制冷型红外成像产品在众多民用领域得到了广泛应用。
红外热成像技术已成为自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影像检查等重要方法,主要民用领域如下:
根据Mordor Intelligence数据,2020年,商业及公共服务是民用红外最主要的应用领域,主要产品为各类安防监控系统;工业领域是第二大应用方向,主要包括各类工业测温及安全监测装置;家用领域排在第三,主要应用包括各类视频监控、智能家居中的红外控制、传感等;民用红外在汽车领域的应用目前还处于较低水平,主要用于辅助驾驶,但随着自动驾驶等技术的不断发展,未来应用空间广阔,潜力较大。

红外成像行业发展趋势
1、国产化和自主化发展趋势
红外成像技术的发展始于西方国家并长期运用在军事领域,长期以来掌握先进红外热像技术的美国、以色列、法国等发达国家对我国实行严格的出口审批制度甚至禁运措施。
近年来,随着我国红外热像产业的快速发展,我国在光学系统、图像处理、信号处理等方面已有长足进步,目前国内红外热成像行业已经初步掌握了从探测器、成像机芯到光电系统等产品的全产业链生产能力,有望在未来实现自主发展,并实现探测器、镜头等核心器件的全面国产化替代,突破欧美发达国家的技术垄断及产品禁运。
2、产品下游应用与产品功能进一步丰富
近年来,随着红外热成像技术的不断发展和成本下降,红外热成像技术工业检测、生产制造管理、电气自动化、城市监控、检验检疫、消防安保等民用领域得到了广泛应用。
未来,随着红外热成像产品性价比的进一步提升,以及我国产业结构升级及消费水平提高,红外产品有望在汽车辅助驾驶、户外探险等居民消费级市场进一步普及,市场规模预计将不断扩大。
3、国防安全驱动,红外成像有望实现持续快速增长
在军用领域,红外热成像技术对国防安全具有重大意义,国家在政策层面给予大力支持,为红外热成像技术的发展提供良好的政策环境,同时国家国防现代化行业政策鼓励具备技术实力的民营企业进入红外热成像领域,加速国产化进程。
受益于我国国防信息化建设的加速以及国产替代的需求,我国的军用、民用红外热成像市场均有望实现持续快速的增长。

代表企业:国科天成
国科天成是连界启辰资本的重点布局企业,是一家专业从事红外热成像等光电领域研发、生产、销售与服务的高新技术企业。多年来,国科天成以光电业务为核心,为客户提供红外机芯、整机、电路模块等产品,销售探测器、镜头等零部件,并接受客户委托,提供红外成像等光电领域的研制和开发服务。
公司光电业务定位于产业链中游,主要为下游客户提供红外热像仪机芯、整机、电路模块及其他组件等核心产品和探测器、镜头等材料器件,并接受客户委托提供红外成像等光电领域的产品研制与技术开发服务。
核心技术:光电产业中游,不可替代的核心竞争力
自成立以来,国科天成始终坚持以技术创新作为企业发展的核心动力,重视技术研发。公司围绕光电产业中游的定位,建立了以红外图像处理、成像电路设计、可见光与红外线的共光路技术为核心的技术体系。是国内少数具备1280 × 1024分辨率制冷型机芯及整机研制生产能力的企业之一。
目前,公司已取得各类专利数十项,还曾获得过北京市科学技术委员会重大专项支持、中科院科技成果技术转化特等奖、科技部国家重点研发计划项目支持,并先后被认定为北京市专精特新中小企业、北京市专精特新小巨人企业和国家级专精特新小巨人企业。
公司在制冷型红外领域,选择了InSb探测器的技术路径,与国内多数厂商的MCT探测器产品路径形成差异化竞争优势。这种差异化的技术选择,不仅提升了产品的成像质量,也增强了场景适应能力和动态显示范围,为公司在制冷红外市场形成了较强的市场竞争力。
为了更好地服务客户,国科天成持续加大研发投入,依托自身在机芯设计和图像处理算法领域的技术优势,其制冷型红外产品的性能已达到国内一流水平。国科天成开发的非制冷红外瞄具机芯搭载了其开发的自适应热像辅助瞄准系统,有效解决了传统热像瞄准器普遍存在的场景适应性差和辅助射击功能不足的问题,在国内形成了较强的市场竞争优势。
产业场景:不止于红外,而是以核心技术扩大版图的科技巨头
国科天成的产业应用场景广泛,从军用到民用,从工业到医疗,其技术的应用前景广阔。在军用领域,公司的产品和服务主要用于边防及要地侦查监测设备、光电吊舱、卫星光学载荷、红外导引头等对性能要求较高的应用。
在军事领域,红外热成像技术长期在夜间作战、侦查预警、跟踪制导、电磁对抗中发挥重要作用,随着我国在国防上的持续投入,产品的持续进步,红外热成像在军用领域会有巨大的发展潜力。
在民用市场,随着红外热成像技术成本的降低和性能的提升,其在工业检测、生产制造管理、城市监控、检验检疫等领域的应用日益增多。特别是在汽车辅助驾驶、户外探险等消费级市场,红外热成像技术的普及将带来新的增长点。
无论从全球还是国内的数据来看,红外行业并不能算一个很大的行业,它的天花板是比较低的。但国科天成的梦想肯定不止于这个市场,而是希望能够突破一些现有行业的规模。这也是国科天成寄希望于通过这些业务的星星之火,未来能够形成更庞大的一个业务版图。
国科天成不希望,也不会呈现一种仅对标高端红外的市场的感觉,他们有比高端红外更丰富的民用场景,或者说是民用的一些产品。目前还没有大规模推向市场,但是都提前埋下了种子,等待产业化周期的到来,从而保证更长期的未来。


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