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我们在之前的公众号文章中介绍了热成像技术《即将兴起的车载热成像技术》(2024/11/12)，热成像是基于中长波红外光的传感成像技术。最近业内陆续有几个公司公布了其短波红外（SWIR）相机产品，这一期我们就介绍一下现在短波红外成像领域的创新和该技术的应用。
SWIR是指900~2500nm波段的红外光。SWIR波段和可见光的反射/吸收方式不同，SWIR图像传感器运用这个特性，可以捕捉以往人眼无法识别的物体。另外，一部分物质不反射SWIR光，但可以让其透过，因此让SWIR光透过物体就可以对其内部进行辨识。
SWIR光还有一个特性，就是相比可见光不那么容易散射，因此可以穿透霞、雾，识别它们后面的物体。
传统的图像传感器使用硅作为光电转换的半导体材料，而SWIR波段的光可以透过硅材料，无法达到集光的效果。因此，必须使用铟砷化镓（InGaAs）代替硅，用作光电二极管的材料，捕捉SWIR的光能，转换为电子信号。
普通InGaAs 与 cmos（si） 的QE曲线比较如下图：
制造InGaAs必须有磷化铟层（InP），普通InP层会阻挡可见光的透射，所以普通InGaAs对可见光不感光。
Sony改进了这一设计，把InP层做薄，这样可见光就可以穿过InP层，在InGaAs层形成光电转换。
这样InGaAs感光范围就扩大到从可见光到SWIR波段，如下图所示。
传统InGaAs传感器的感光层和逻辑层采用凸点（bump）连接的方式，这种连接方式要以微米单位的间距精准配置这种金属球，而这样做非常困难。因为这种技术上的难题，传感器的微细化一直难以取得进展，图像传感器的价格也因此居高不下。索尼把堆栈式图像传感器开发中研发的铜-铜连接技术引入来解决这个问题，一方面降低了成本，另一方面可以缩小传感器的pixel pitch进而提高传感器输出分辨率。
可见光，短波红外，长波红外在物理上的性质非常不同，他们在不同介质上的反射与折射也不相同。短波红外比较接近可见光，在大部分介质表面会形成反射，而长波红外（热成像）则是以辐射的形式传播。
可见光图像，短波红外与热成像图像的比较如下图：
不同波长的光在不同物体表面会有不同的吸收率，折射率和透射率。利用这一性质可以有不同的成像应用。比如窄带短波红外就可以用来检测水份。下图是水对各波长光的吸收率
红色部分短波红外的部分，可以看到它的吸收曲线有很多尖峰，这就会在传感器输出图像上呈现出很高的对比度，对于图像处理算法检测非常有帮助。
利用这些短波红外不同的物理特性，可以实现很多不同的应用。
检测水果的伤痕，（伤痕处的水分会高）：
检测异物，比如混入谷物里的沙子
检测包装内食物的填充水平
检测晶圆表面的异物，利用可见光成像检测正面表面，利用SWIR在硅材料上的透射性，可以检测晶圆背面是否有异物。
检测烙铁的温度（ SWIR 对检测物体中 100°C 至 1600°C 以上的温度变化更为敏感）
在军事上，夜视是一个重要应用：
在安防领域，可以透过烟雾看到火灾的情况：
钞票防伪验钞也是一个应用场景：
基于市场调研机构Yole去年发布的《SWIR成像市场报告》，总的来说，在工业、国防和消费领域需求不断增长的推动下，SWIR成像市场预计到 2028 年将达到约 29 亿美元。
各细分市场的增长也有不同：
工业领域的需求比较稳定，但会伴随单品价格下降，这一市场将在未来五年有 28% 的复合年增长率增长。
国防领域的增长将高于该公司之前的预期，预计将从 2022 年的 2.28 亿美元增长到 2028 年的 4.05 亿美元，复合年增长率为 10%。这受到世界地缘政治紧张局势的影响，越来越多的国家加强国防投入对 SWIR 技术产生的推动。
SWIR在汽车市场规模比较小，到 2028 年将达到 1900 万美元，复合年增长率为 41%，主要由 ADAS 推动，SWIR 可在弱光和恶劣条件下提供视觉能力以及 3D 感应能力。
消费电子领域是迄今为止最大的市场，预计到 2028 年将以惊人的 86% 的复合年增长率增长至 20.7 亿美元。Yole 预计 SWIR 可以集成到低端智能手机和 AR/VR 耳机中，以提高跟踪摄像头、3D 感应甚至户外条件下多光谱成像的性能。
2026 年，SWIR 可以开始取代旗舰智能手机中的 NIR 成像仪，用于屏下集成面部识别模块。考虑到完整的 3D 传感模块，到 2028 年，这将推动 20.74 亿美元的市场规模。
在 SWIR 成像供应商方面，市场情报公司已确定那些服务于利润丰厚的国防市场的供应商是该领域的领导者。例如，SCD 目前位居榜首，其次是 Sensors Unlimited 和 Teledyne FLIR。其他参与者，如索尼或制造基于量子点的相机的公司，在高分辨率和扩展光谱范围产品方面具有价格优势，显示出巨大的增长潜力。
报告还指出，索尼和意法半导体是目前仅有的两家开发 SWIR 成像技术的传统 CMOS 图像传感器供应商，三星和 OmniVision 也开始表现出兴趣。Yole 表示，凭借高产量和独特的设计和集成技术，这些公司可能会成为 SWIR 成像市场的“游戏规则改变者”。
