紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種,又稱紅外光、紅外熱輻射,是波長介乎微波與可見光之間的電磁波,波長在 0.76 至 1000 微米之間。紅外線能量的大小與物體表面的溫度和材料特性直接相關,溫度越高,紅外線能量就越大。
紅外熱像儀也被稱作紅外成像系統或紅外探測系統,紅外熱成像儀是一種用來探測目標物體的紅外輻射的高科技產品,通過探測目標物體的紅外輻射,然後經過光電轉換、電信號處理及數字圖像處理等手段將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像。
紅外探測器是紅外熱像儀的核心部件,探測器水平直接決定了最終形成的可見圖像的清晰度和靈敏度。其設計、生產及研發涉及到多個學科,技術難度大,目前市場上大部分紅外探測器都是焦平面陣列,其特點是由 M×N個熱敏單元(即像元)排成陣列,用來接收紅外輻射。
紅外探測器可以分為製冷型探測器和非製冷型探測器。製冷型紅外探測器在探測原理上屬於光子型,利用紅外輻射與探測器材料相互作用產生的光電效應實現對目標的探測。非製冷型紅外探測器在探測原理上屬於熱式,利用目標紅外輻射與探測器材料產生的熱效應實現對目標的探測。目前全
球僅有美國、法國、以色列、中國等少數國家能夠掌握非製冷紅外探測器核心技術。
非製冷型紅外探測器成本功耗低,應用空間更廣。製冷型紅外探測器具備靈敏度更高、空間解析度更高、圖像捕獲速度更快、可實現光譜過濾等優勢,但由於需要低溫製冷工作,應用場合受限,且購買和維護成本高,維修停機時間長,使用壽命相對更短。而非製冷型紅外探測器無需製冷工作,可維護性高,複雜度低,成本低,體積更小,功耗更低。在軍用領域,能夠取代部分製冷型應用,還能應用於諸多製冷型紅外探測器受限的場合,比如單兵裝備等。在民用領域,非製冷型紅外探測器有著更為廣闊的應用前景。
非製冷紅外焦平面探測器主要以 MEMS 技術為基礎,大致可分為熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計等幾種類型,其中微測輻射熱計的技術發展非常迅猛,所佔市場份額也最大。
技術上看,非製冷紅外焦平面探測器從設計到製造可分成微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝等 3 大技術模塊。微測輻射熱計技術是指在矽襯底上通過 MEMS 技術生長出與橋面結構非常相似的像元,也稱之為微橋。橋面通常由多層材料組成,包括用於吸收紅外輻射能量的吸收層,和將溫度變化轉換成電壓(或電流)變化的熱敏層,橋臂和橋墩起到支撐橋面,並實現電連接的作用。其技術難點在於微測輻射熱計與其周圍環境之間的熱導要儘量小;對紅外輻射的有效吸收區域面積儘量大以獲得較高的紅外輻射吸收率;選用的熱敏材料需要具有較高的電阻溫度係數(TCR)、儘量低的 1/f 噪聲和儘量小的熱時間常數。
讀出電路(ROIC)主要功能是將每個微測輻射熱計的微小電阻變化以電信號的方式輸出。通常情況下,照射到焦平面上的紅外輻射所產生的信號電流非常小,一般為納安甚至皮安級,這種小信號很容易受到其他噪聲的幹擾,因此讀出電路的電學噪聲要控制的儘量小,以免對探測器的靈敏度指
標造成不必要的影響。
封裝也是製作探測器的重要步驟之一。為了使其上面的熱量能夠維持住,避免與空氣分子進行熱交換,需要將其置於真空環境下工作,一般對真空度的要求是小於 0.01mbar(即 0.00001atm)。目前的封裝技術可分為晶片級、晶圓級、像元級等,而晶片級封裝技術按照封裝外殼的不同又可分
為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。其中,晶圓級封裝難度最大,但集成度更高,提高了批量生產的效率並能將封裝成本從千元量級將至百元量級,有利於進一步降低產品價格和使用門檻,擴大市場容量;像元級技術則尚處於研究階段。
紅外探測器的主要評價指標分為三類,分別是陣列規模、像元尺寸以及噪聲等效溫差(NETD)。陣列規模代表著像元數量的多少,陣列規模越大說明探測器上的像元數量越多,成像的精細程度越高,同時視覺範圍越大;更小的像元尺寸能夠在焦平面單位面積上集成更多的像素,提高紅外探測
器的解析度,同時也可以顯著減小熱成像設備的體積、重量、功耗和成本;NETD 是熱成像系統靈敏度的評價指標,決定了熱成像儀區分細微溫差的能力,NETD 指標越小說明產品靈敏度越高。
當前業內重點聚焦於縮小像元間距,以期能夠使設備更加集成化,同時降低成本,進一步擴大行業應用場景,打開向上成長空間。
技術角度考慮,目前國內企業更多停留在金屬封裝、陶瓷封裝水平,而 FLIR等公司已經實現晶圓級封裝量產出貨,為進一步提高規模效應和生產效率,有效降低封裝成本,攻克晶圓級封裝技術壁壘成為短期行業技術演進的主流方向。
另外,紅外成像產品的信號和圖像處理電子器件主要還採用 SMT 焊接等方式組裝在 PCB 電路板上。近年來,業內個別廠商率先研發出採用 ASIC 晶片集成方式替代 PCB 電路板級元器件集成,顯著減小了成像模組尺寸,降低了量產成本。未來,隨著採用 ASIC 集成方式的產品量產,規模化效應凸顯,更多的業內廠商將會採用此種技術,ASIC 晶片集成將為未來技術發展趨勢。
根據 Yole 發布的報告 Uncooled IR Imagers & Detectors 2019,2017 年,非製冷紅外成像儀和探測器的總出貨量均出現增長,成像儀出貨量達到130萬,探測器增長超過 3 億。在 2018-2024 年期間,非製冷紅外成像儀和探測器行業市場規模將以每年 7%的速度增長。
根據 yole,紅外成像儀出貨量將以年均複合增速為 15.8%的幅度高速增長。其中,消防領域基於目前全球 3700 萬名消防員的基礎,有一定的潛力;PVS(個人視覺系統)領域涉及到可攜帶望遠鏡、步槍的槍瞄,以用於巡邏與執法,同時也用於民用領域的打獵等活動,預計該市場將迎來快速的增長,從全球來看,北美基於其大規模的打獵活動與執法需求,將會是該細分領域的最大區域市場。
增速將達到 15%,出貨量年均複合增速將達到 6%。在細分市場中,移動偵測與燃氣和火災探測領域已發展得較為成熟,預計未來出貨量年均複合增速為 5-10%;空調領域未來需求主要來自大廈的能源消耗與其監控室;而基於在大廈/商場、電梯等地,基於排隊管理、入口控制的需求,用於人數監測的探測器需求將會大幅上升;智慧建築為未來發展趨勢,之後或將產生 IT 基礎設施建設、監測空氣溼度等參數等方面的探測器需求,以實現節約能源與安全管理等目標。
紅外產品擁有極高的軍事價值。根據公司招股說明書,紅外熱成像儀最早運用在軍事領域紅外熱成像儀能在完全黑暗的環境下探測到物體,即使在有煙霧、粉塵的情況下也不需要可見光光源,因此可以全天候使用。由於紅外熱成像具有隱蔽性好、抗幹擾性強、目標識別能力強、全天候工作等特點,所以被應用於軍事偵察、監視和制導等方面,在武器裝備中得到廣泛應用。
軍用紅外產品從上世紀 70-80 年代起就逐步應用於海陸空戰場上。經過多年的技術迭代及產品換代,目前紅外產品在美國、法國等發達國家軍隊的普及率較高,市場趨於穩定。2019 年全球軍用紅外市場規模約為 92.5 億美元,根據 Maxtech International 預測,2023 年全球軍用紅外市場規模將達到 107.95 億美元。
國際軍用紅外熱成像儀市場主要由歐美發達國家主導。因各國保持高度軍事敏感性,限制或禁止向國外出口,大部分市場集中在歐美地區。根據Maxtech International 統計,全球軍用紅外熱成像儀系統市場中,北美佔50%,歐洲佔 18%,亞洲地區目前市場份額佔 12%。
我國軍用紅外行業仍處在大力追趕階段,未來市場空間廣闊。近年來紅外熱像儀在我國軍事領域的應用處於快速提升階段,包括單兵、坦克裝甲車輛、艦船、軍機和紅外製導武器在內的紅外裝備市場將迎來快速發展階段。國內軍用紅外熱像儀市場正快速發展,屬於朝陽行業,市場容量巨大。
根據《紅外成像技術的軍事應用及展望》測算,我國的軍隊人員數量約為200 萬人,如果未來我軍 10%的部隊裝備紅外熱像儀,則我國單兵用紅外熱像儀市場容量可達到 20 萬套,以每套 2 萬元來計算,其市場容量可達40 億元。根據測算,我國軍用紅外市場總容量達 300 億元以上,假設紅外
系統更新周期為 10 年,每年的市場規模平均在 30 億元以上。
由於非製冷焦平面探測器在軍事方面的諸多應用,美國對我國一直實行嚴 格的禁運措施,國產替代趨勢逐漸增強。美國廠商在中國大陸僅出售熱成像儀整機,或在解析度、幀頻等方面有限制條件的機芯組件。法國的探測器可以對我國出口,但實施最終用戶許可制度,並且在高端產品嚴格限制。國內過去主要在高校等研究機構進行一些材料、傳感器和讀出電路技術相關研究,但一直未能實現國產化批量供貨。2006 年之後,以公司為代表的中國部分企業掌握了紅外成像裝備核心關鍵部件,即非製冷紅外探測器晶片的研發及生產,成功實現了紅外熱成像核心部件的國產替代,目前已經實現了 12μm 像元尺寸晶片的量產技術,突破了歐美發達國家對非製冷技術的壟斷及產品禁運,進一步推動國內以非製冷產品為首的軍用紅外市場的持續快速增長。
隨著非製冷紅外熱成像技術的發展,紅外熱成像儀在民用領域得到了廣泛的應用。隨著紅外探測器技術的成熟,各種適於民用的低成本紅外探測器不斷問世,它在國民經濟各個領域發揮著越來越重要的作用,紅外熱成像儀被廣泛應用於電力、建築、執法、消防、車載等行業。除了傳統應用行業外,未來將有更多新興市場需求成為紅外成像市場新的增長極。
民用紅外行業將迎來市場需求快速增長期。2019 年全球民用紅外市場規模約為 50.41 億美元,根據 Maxtech International 預計,2023 年全球民用紅外市場規模將達到 74.65 億美元。紅外熱成像儀行業民用市場增長幅度要遠大於軍用領域,並已充分實現市場化競爭。隨著紅外熱成像儀在電力、建築、執法、消防、車載等行業應用的推廣,全球民用紅外熱成像儀行業將迎來市場需求的快速增長期。
公司在民用領域的紅外產品主要應用於安防領域,以及近些年快速增長的海外狩獵市場,與未來計劃進一步滲透的汽車市場。
其中,在安防領域,隨著我國智慧城市、平安城市投建,二、三線城市安防市場空間打開,我國視頻安防有很大的提升空間。根據前瞻產業研究院數據,2017 年中國專業監控設備市場增長了 14.7%,市場總量達 72.8 億美元,約佔全球市場收入的 44%,2018 年預計將會達到 80 億美元。公司在民用安防領域與行業龍頭公司海康威視合作穩定,2016-2018 年海康威視皆為公司第一大客戶,未來有望隨著安防市場的發展同步成長。
汽車輔助駕駛領域為正在興起的細分市場,紅外探測器是 ADAS(高級駕駛輔助系統)中常用的傳感器之一,利用車輛上安裝的各種傳感器和攝像頭收集車輛內外行駛相關的信息,利用收集到的信息通過直接或間接方式對駕駛員的駕駛行為提供支持。截至 2016 年底,ADAS 的全球市場滲透率
還不高,大約只有 5%。根據美通社的預測,到 2020 年,全球 ADAS 滲透率將會達到 25%,全球新車 ADAS 搭載率更有望突破 50%。根據中國產業信息網,2018 年中國 ADAS 市場規模為 305.6 億元,預計到 2020 年市場規模達到 878 億元,保持高速增長。
在戶外市場,用於狩獵等戶外活動的民用手持熱像儀在歐美國家需求量較大。這些國家戶外運動較為普遍和流行,且居民收入和消費能力較高,有 能力購買價格較為昂貴的手持熱像儀。同時隨著探測器技術的成熟,手持熱像儀的價格也呈現穩步下降趨勢,普及度也有所提高。由於美國市場主
要為其國內廠商所佔據,公司海外市場主要在德國等歐洲國家,近些年公司海外業務收入呈現爆發式增長,戶外熱像儀憑藉高品質圖像、穩定的產品質量,在國際市場的品牌認可度及市場佔有率不斷提高,我們預計此高速增長趨勢仍會持續一段時間。
國內紅外熱像儀產品市場還處於發展期,與國外成熟市場相比還有很大的增長潛力。隨著我國經濟持續發展,國內市場對於紅外熱像儀的需求也日趨旺盛。由於紅外熱像儀產品應用領域廣泛,且能為人們生產生活提供極大的便利性,我們認為未來紅外熱像儀的市場需求將會保持持續穩定增長的態勢。
我們通過復盤歐美國家民用品領域發展情況及設備用量,來觀察我國市場的潛在空間。以安防監控領域為例,據中國安防網數據統計,2016 年,美英兩國每千人配備監控攝像機的數量分別是 96 臺和 75 臺,而我國一線城市北上廣深四地的千人均監控攝像機數量均值約為 41 臺,僅為美國均值的43%;二線城市和三線城市的千人均數量均在 10 臺以下。同樣,在美國紅外設備用量較大的消防、電力等多領域,國內都存在著較大市場空間,民用紅外成像市場大有可為。
目前民用市場競爭相對充分,全球市場份額主要為歐美廠商所佔據。根據招股書,民用領域競爭實力最強的業內公司為 FLIR,為世界上規模最大、品種最齊全的紅外熱成像儀產品供應商。根據 Yole 統計,2017 年該公司佔據了全球民用紅外熱成像儀市場 66.3%的市場份額。
非製冷紅外晶片的關鍵技術在於晶片研發設計和製造,具有很高的技術門檻。目前全球掌握非製冷紅外焦平面探測器核心技術的主要有美國(雷神、DRS、FLIR、BAE)、以色列(SCD)、法國(ULIS)、韓國(I3)、中國(睿創等 5 家企業)。其中,龍頭公司 FLIR 創建於 1978 年,於 20 世紀 80 年代推出第一臺民用紅外熱成像儀,其產品應用場景廣泛,通過對多家公司收購,不斷豐富產品、擴大市場,目前在全球紅外市場佔有率第一。2019 財年,FLIR 共實現營業收入 18.87 億美元,同比增長 6.27%。
國內廠商規模相比於全球龍頭較小,但保持高速發展。由於國內非製冷紅外產業起步較晚,相較於海外龍頭公司,規模明顯不在同一量級。但自 2018年,國內廠商業績增速開始大幅超過 FLIR,增幅也保持波動上升的趨勢,尤其 2020 年上半年,國內三家非製冷紅外供應商上市企業營收增幅皆超過100%,表明我國以這三家龍頭公司為代表的非製冷紅外產業正處於高速發展期。
(本報告觀點及版權屬於原作者,僅供參考。報告來源:中泰證券)