紅外光源市場分析 紅外光源格局改變在即

2020-11-24 電子發燒友

3D攝像頭的紅外光源主要有紅外LED和雷射器兩種。而雷射器按工作方式分為VCSEL、FP、DFB和EML等幾種方式；而按原理區分，VCSEL則完全不同，VCSEL的光發射垂直於半導體襯底，而其他邊發射雷射器光發射（又稱EEL）平行於襯底方向。

重獲生機的紅外光源市場

1961年，紅外LED問世，次年紅外雷射器問世。紅外光源從研發到應用經歷了20多年的時間。最初，紅外光源主要應用於光通信領域；進入20世紀80年代，紅外LED開始被整合到各種消費類應用中，如遙控器；然後，紅外光源市場受夜視應用驅動，如安防監控攝像機；近期，隨著智慧型手機的發展，3D成像、自動對焦、虹膜識別、人臉識別等突破性功能正在被整合進手機中，紅外LED和雷射器重獲生機，預計紅外光源市場將迎來10年的增長！麥姆斯諮詢預計紅外光源市場將從2016年4.5億美元增長至2022年的15.5億美元，複合年增長率高達22.7%！

2017~2027年紅外光源市場預測

從上圖可以看出，新興應用是紅外光源市場增長的主要貢獻者，這其中3D攝像頭功不可沒。紅外光源是3D攝像頭中工作的「源頭」，是實現深度測量的主要「功臣」。例如基於ToF 3D攝像頭原理：紅外光源發射出紅外光，經過人手或人臉的反射之後，紅外信息（IR Light）被紅外光圖像傳感器所接收，這個圖像信息用來計算物體的深度信息。

3D攝像頭的紅外光「源」來有這些

紅外光的波長大於780nm，目前由於攝像頭中的CMOS圖像傳感器對於900nm以上紅外光感知較差，同時對低於800nm的紅外光因靠近可見光而容易受到環境光的幹擾，因此目前紅外攝像頭的波長普遍在800~900nm之間。

電磁波按波長、頻率分類

3D攝像頭的紅外光源主要有紅外LED和雷射器兩種。而雷射器按工作方式分為VCSEL（垂直腔面發射）、FP（法布裡-泊羅）、DFB（分布式反饋）和EML（電吸收調製）等幾種方式；而按原理區分，VCSEL則完全不同，VCSEL的光發射垂直於半導體襯底，而其他邊發射雷射器光發射（又稱EEL）平行於襯底方向，FP和DFB都屬於EEL。VCSEL在設計、功耗、成本上具有突出的優點，更適合短距離傳感等商業應用，因此受到消費電子設備特別是3D攝像頭的青睞。

三種工作方式不同的紅外光源的發射原理、最終光束比較

「突出重圍」的紅外LED市場

在可見光LED市場殺得血流成河的時候，紅外LED被視為潛在的新興藍海市場，為可見光LED廠商帶來了具有吸引力的商機。過去，只有少數廠商涉足紅外LED業務，但是截至2017年第一季度，廠商數量已激增至40多家。歐司朗（Osram）和威世（Vishay）仍然處於領先地位，但是也有一些廠商，如Everlight和Epistar，也獲得了可觀的投資收益。

普通的紅外LED外形和一般可見光LED相似，但發出的是紅外線，其選擇的半導體材料不同。普通發光二極體的材料有磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP），而紅外發光二極體的材料為砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs），其中用得最多的是GaAs。紅外LED由紅外輻射效率高的材料製成PN結後，外加正向偏壓向PN結注入電流激發紅外光。

根據應用場景不同，紅外LED選擇的波長範圍也有所差異。比如，靜脈識別一般選擇760nm波段，車牌識別系統一般選擇850nm或940nm的波段，安防監控通常採用850nm或940nm波段，心率監測採用940nm波段，血氧檢測則採用940nm波段，虹膜識別通常採用810nm波段。

紅外光源市場份額（2016年 vs. 2022年）

2016年，紅外LED市場仍佔據整個紅外光源市場的65%，到2022年其市場份額將被VCSEL吞食20%，降至45%。雖然營收持續增長，但是不能不承認，隨著VCSEL技術的成熟，性能的絕對優勢必將獲得與紅外LED「平分天下」的地位。

來勢洶洶的VCSEL市場

VCSEL是什麼？有什麼優勢可以獲得未來6年裡如此強勁的增長？

VCSEL全名為Vertical Cavity Surface Emitting Laser，翻譯為垂直腔面發射雷射器。以GaAs為襯底，在由高、低折射率介質材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續生長單個或多個量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目為3~5個，它們被置於駐波場的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面DBR的光反饋作用，雷射束從頂部透明窗口輸出。

VCSEL結構示意圖

VCSEL體積可做得非常小，可以獲得高封裝密度和低閾值電流；可方便地製成單片集成二維VCSEL陣列，是並行光互連最佳光源；晶片生長後無須解理、封裝即可進行在片測試。下面這張表是對紅外LED，VCSEL和EEL三種光源性能的對比，VCSEL的綜合性能是優於其它兩者的。

三種紅外光源性能比較（註：分值越高，該項參數表現越好）

VCSEL最初應用在通訊領域，在消費領域的應用正在悄然興起。特別是蘋果iPhone 8 即將採用VCSEL技術引起廣泛關注，VCSEL + ToF方案打造3D攝像頭讓消費者翹首以盼。一旦手機市場被撬動，VCSEL的需求量將迅速打開，這就是未來6年VCSEL強勁增長的巨大推動力。

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