紅外熱成像基礎原理、核心組件、分類及市場空間如何？

探測性能優異，下游多領域需求認知逐步提升。

1.紅外熱成像基礎原理

高于絕對零度的物體都會向外輻射紅外線的機理，是利用紅外實現探測功能的基礎。 紅外線是眾多不可見光線的一種，又稱紅外光、紅外熱輻射，其波長介于微波與可見光之間。所有溫度高于絕對零度（-273℃）的物體都會向外輻射紅外線，構成了紅 外探測系統在軍民領域廣泛運用的前提。根據《紅外成像技術中的9個問題》（蔡毅 等，2013，紅外技術），目前主流紅外成像系統，一般選擇不易被大氣吸收的3~5μm、 8~14μm的熱紅外線作為主要工作波段，工作在3～5μm波段的稱為中波紅外探測器， 工作在8～14μm波段的稱為長波紅外探測器。而不同探測目標有不同的輻射特點， 需要根據目標輻射溫度、背景輻射環境、探測距離等因素來綜合考慮選擇的探測器。

紅外成像系統將探測到的熱紅外線轉換為圖像，而紅外探測器為該系統的核心組件。 紅外成像系統用于探測目標紅外輻射、并轉換為溫度分布圖像或視頻，主要組成包 括紅外光學系統、紅外探測器、數字圖像處理電路與算法、機械結構件等。紅外探測 器是紅外成像系統的核心組件，主體為紅外焦平面陣列，利用焦平面陣列進行光電 轉換。紅外焦平面陣列由系列N*M個工作單元（也稱像元）的集合，每個工作單元由 紅外探測單元和ROIC讀出電路單元兩部分組成。位于上層的紅外探測單元利用特定 敏感材料，吸收紅外輻射并產生對應物理性質變化，進而產生微弱電信號；下層的 讀出電路單元負責讀取相應電信號，進行初步信號處理。焦平面陣列將點陣型的紅 外探測陣列和ROIC讀出電路陣列集成在一起，共同封裝在一個外殼中，在焦平面陣 列上可以實現光電轉換和信號預處理。

根據焦平面陣列工作單元光電轉換過程中應用物理原理的不同，紅外探測器可分為 光子探測器和熱探測器。光子探測器基于光電效應，探測器在吸收光子后，敏感材 料電子狀態發生改變，通過測量光電效應大小，可以確定被吸收的光子數，進而得 到目標紅外輻射分布。而熱探測器則基于熱敏材料溫升后的物理性質變化（如電阻 變化），通過測量這些物理性質的變化，可以確定探測器所吸收的紅外輻射能量，同 樣可以得到目標紅外輻射分布。成像機理不同是決定性能差異的核心。基于光電效 應的光子探測器，在受到特定頻率的紅外線輻射后能夠瞬時產生光電子，一般系統 響應時間為納秒級；基于熱電效應的熱探測器，在受到紅外輻射后需要升溫過程， 響應時間為毫秒級，兩類探測器在響應時間上相差多個量級。同時，光電效應的激 發只需要特定頻率輻射，對輻射強度沒有要求；熱電效應則只在輻射達到一定強度 后才能產生可以準確測量的材料物理性質變化，因此光子探測器在探測率、噪聲等 效溫差等反應靈敏度的指標上同樣大幅優于熱探測器。

兩類探測器應用不同的敏感材料，對應不同工作溫度，因此光子型探測器也稱制冷 型探測器，熱探測器則稱非制冷探測器。基于不同的物理原理，近年來兩類探測器 都發展出了多種性能各異的敏感材料。上述敏感材料一般工作于低溫環境，如適用 于中波段的碲鎘汞材料有效工作溫度為200K（-73℃），當探測器制冷到77K時，該 材料的響應波段才能延伸到3~5μm，只有接近絕對零度光譜效應才能超過8μm，因 此光子型探測器需要配置制冷器，也稱制冷型探測器。而制冷器的應用也決定了制 冷型探測器的體積大、功耗大、壽命短。在熱探測器的敏感材料中，氧化釩和非晶硅 應用最廣泛。據《非制冷紅外焦平面探測器研究進展與趨勢》（李靜等，2020，紅 外），全球范圍內應用氧化釩材料的非制冷探測器市場份額達70%。因為該類材料 都工作在常溫環境，不需要制冷器，所以熱探測器也稱非制冷探測器。

整體看，紅外探測器正朝焦平面陣列規模擴大、像元尺寸和像元間距縮小的方向發 展。提升陣列規模與像元密度，能夠在不擴大探測器體積的前提下大幅提升探測器 的探測與成像能力，像元尺寸和像元間距的縮小都能顯著提升陣列密度，且像元間 距減小還能節省原材料，降低探測器成本。同時，光學系統的技術更迭有助于探測 性能的提升。例如，制冷型領域目前正朝變F數鏡頭（充分發揮制冷型探測器的高靈 敏度和大面陣）、雙波段鏡頭（通過雙孔徑同時接收中、長兩個波段的紅外輻射，使 系統獲得雙波段探測能力）發展。

2.市場空間

基于紅外熱成像在探測、偵察等領域的優異性能，下游應用領域逐步拓展。據公司 2022年報，在防務領域，紅外熱像儀比其他帶光源的主動成像系統更具有隱蔽性， 被廣泛應用于偵察、監視和制導等特種裝備上。主要用途包括坦克等特種車輛的夜 視，反坦克個人攜帶式武器，單兵夜視裝備，飛機和導彈武器，特種艦艇夜間識別和 射擊指揮（雷達、激光、紅外復合）系統等。特種裝備類紅外產品從上世紀70-80年 代起就逐步應用于海陸空戰場，經過多年的技術迭代及產品換代，目前紅外產品在 美國、法國等發達國家特種領域的普及率較高，市場趨于穩定。

海外戶外民品市場規模可觀，產品存在結構性升級空間。相比較于傳統的夜視設備， 紅外熱像儀不需要光即可產生圖像，同時不僅可以提供夜間視野，在白天對生命體、 障礙物的探測也具有一定優勢，為諸如觀察野生生物或狩獵之類的活動提供了較高 的應用價值。據Research and Markets，2022年全球狩獵裝備及配件市場規模約為 211億美元，2030年預計增長至382.6億美元（CAGR7.5%）。Lynred公司調研報告 （2023.03.29）顯示，狩獵市場主要客戶為40至55歲年齡段的獵人，該群體在狩獵 市場的增長和發展中起著關鍵作用；目前，業內正持續打破狩獵熱成像技術的界限， 在2021年，狩獵市場未來八年的平均年增長率預計將達到40%。此外，當前紅外狩 獵應用產品的像元尺寸、面陣大小仍有改進空間，海外紅外狩獵應用仍存在存量市 場結構性升級空間。

非制冷紅外產品在民用領域不斷擴展應用，在安防監控、工業檢測、輔助駕駛、無 人機等領域的市場規模不斷增長。隨著紅外熱像儀在電力、消費、建筑、執法、消 防、車載等行業應用的推廣，民用紅外熱像儀行業有望迎來市場需求的增長，例如在安防、無人機等領域，公司主要產品包括紅外探測器、熱成像機芯模組及紅外熱 像儀整機等。根據Maxtech International及北京歐立信咨詢中心預測，2023年全球民 用紅外市場規模將達到74.65億美元。據《Thermal Imaging Market Size, Share & Industry Growth Analysis Report by Product Type》(Marketsandmarkets，2021.09)， 收入方面，2021年全球熱成像市場預計將達到36億美元，到2026年將達到47億美元， 2021年至2026年CAGR達5.5%。