Мировой рынок инфракрасной техники – прогнозы развития

Современные ИК-камеры обеспечивают инновационные функции, такие как черная/белая/серая палитра изображения, либо палитра «разноцветной радуги», которые увеличивают уровень и комфорт восприятия. Предложения цветовой палитры компании Rainbow совершенствуют тепловую чувствительность и позволяют наглядно вывести на экран различия в температуре объекта. Компания Avio Infrared Technologies представила камеру R300S с высококачественным тепловым формированием изображения для целей энергетического аудита, строительной инспекции, геологии, гражданского строительства и ветеринарии.

Кроме того, современные высокопроизводительные продукты включают цветную сигнальную аналитику, которые позволяют пользователю выбирать температуру, которая увеличивает удовлетворенность потребителя. Кроме того, инновации повысили эффективность таких функций, как встроенная визуальная обработка изображений и автоматизация.

Прогноз развития рынка неохлаждаемых ИК-камер (2016-2022 гг в шт., источник – Yole Development), военные и гражданские применения

Растущий спрос в областях, таких как обнаружение электрических дефектов, оценка влажности и идентификаций утечек и проч. может далее способствовать росту рынка тепловых камер. Сниженные цены датчиков длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) будут повышать применимость в отраслях индустрии безопасности и автомобильном секторе. Правда, аналитики предупреждают, что снижение военного бюджета может представить угрозу росту рынка. Однако, новостные сводки позволяют усомниться в реалистичности такого сценария.

Рынок тепловых камер для военных и охранных применений, как предсказывают аналитики, превысит 2.4 миллиарда долларов США к 2023 году, вследствие возрастающих проблем безопасности.

Растущий спрос на надежные продукты с надежной температурной аналитикой по всему миру, как ожидают, повышает рост сегмента в ближайшем будущем. Кроме того, увеличение инвестиций в охранный сектор в странах Азиатско-Тихоокеанского региона, может далее способствовать промышленному росту. Кроме того, способность современной аналитики своевременно обнаружить ошибки в управлении различными технологическими процессами, в работе оборудования и контроле качества далее приведет к увеличению спроса.

Коммерческая доля рынка тепловых камер, как предполагается, вырастет на совокупный среднегодовой темп роста более чем 10% с 2016 до 2023 годы вследствие различных запросов для пожарных и спасательных целей, для систем безопасности и наблюдения, для термографии и задач ночного видения. Медицинский сегмент ИК-изображений, как ожидают аналитики, продемонстрирует значительный рост за следующие несколько лет. Возрастающее требование в больницах, чтобы диагностировать угрожающие болезни, такие как рак или опухоли побуждает рынок ИК-камер к стремительному росту.

Рынок материалов для ИК-камер

Линза из германия для ИК-камеры

Германиевый сегмент оптики для ИК-камер составляет значительную долю рынка в 2017 и, как ожидают, продолжит свое доминирование как минимум до 2024 годы вследствие высоких оптических и механических свойств. Кроме того, германий – негигроскопический материал, который делает его хорошим передатчиком инфракрасного излучения. Способность германия обеспечить улучшенную подвижность носителя и высокие нелинейные коэффициенты будет определять рост рынка инфракрасных камер в ближайшем будущем.

Линза из селенида цинка для ИК-камеры

Селенид цинка для ИК-камер, как ожидают аналитики, будет демонстрировать существенную динамику в виде более чем 10%-м совокупного среднегодового темпа роста с 2016 до 2023 годов. Способность материала предложить устойчивость к тепловому шоку, как ожидают, увеличит свою долю в медицинском оборудовании.

Рынок ИК-камер по регионам мира

Северная Америка в лице США доминирует на этом рынке. Как ожидают аналитики, США продолжит доминировать в этой отрасли вследствие широкого присутствия на рынке большинства перечисленных секторов применения. Возрастающий спрос на системы видеонаблюдения и сектора охранной инфраструктуры, как ожидают, стимулирует региональный спрос.

Распределение мирового рынка ИК-датчиков для тепловых систем по регионам мира

Азиатско-Тихоокеанский регион, как предполагается, продемонстрирует значительный рост в период с 2016 до 2023 гг в области ИК-систем. Рост инвестиций в сектор защиты и высокий спрос на безопасность и наблюдение является факторами, двигающими региональный рост. Растущий спрос в сферах нефтяного & газового, а также автомобильное применение, как ожидают, повысит спрос на ИК-системы в регионе.

Конкуренция на рынке

Ведущие игроки данной отрасли промышленности – это компании FLIR Systems, DRS, Axis Communications, Samsung, Fluke, and Seek Thermal. Другие известные игроки – Raytheon Company, Testo AG, и т.д. Промышленные участники заняты снижением цены, улучшением рабочих характеристиками продукта и репутацией, обслуживанием клиентов и т.д. Основными конкурентами в мире являются ведущие оптико-электронные фирмы развитых зарубежных стран: Raytheon Co (США) – 32%, Sofradir (Франция) – 8%, Semiconductor Devices (Израиль) – 8%. См табл – доступные данные о долях мирового рынка, занимаемых наиболее крупными производителями инфракрасных приемников и приемных модулей всех типов.

Таблица. Доля рынка наиболее крупных производителей, %

Усовершенствования в инфракрасной технологии формирования изображений могут стимулировать промышленность в ближайшие годы. Производители заняты массовым производством ИК-камер, чтобы увеличить размер прибыли. Например, ASELSAN начал массовое производство тепловых камер, которые могут обнаружить и анализировать потоки тепла в помещении. Разработки в технологии микроболометров привели к высокой степени коммерциализации, которая способствует размеру рынка ИК-камер.

Технологический обзор ИК-камер

Анализ состояния и сравнительная оценка текущего и прогнозного уровня развития фото-приемных устройств (ФПУ) показал, что развитие тепловизионной техники потребовало кардинального совершенствования технологии ключевых элементов тепловизионной системы – инфракрасных фотоприёмных устройств. Возросшие во второй половине 80-х годов требования к основным характеристикам тепловизионной и теплопеленгационной аппаратуры поставили задачу создания фотоприёмных устройств нового типа. Эта задача была решена в ФПУ второго поколения путём разработки и внедрения в производство субматричных инфракрасных фотоприёмных устройств с внутренним накоплением, коммутацией и обработкой фотосигнала, определивших новый облик и предельные возможности тепловизионной аппаратуры. Выпуск ФПУ второго поколения на основе КРТ формата 4х288 и 6х480 элементов производят такие зарубежные фирмы как Raytheon Vision Systems (США), SCD (SemiConductor Devices), Израиль, Sofradir (Франция).

Потребности в таких ИК ФПУ значительны. Основные производители фотодиодных ИК ФПУ 2-го поколения находятся в основном в США – Raytheon+DRS+Rockwell+FLIR/Indigo. В Европе лидирующее положение занимают производители Франции (Sofradir), Израиля (SCD), Германии (AIM) и Англии (Selex). Следует отметить разработки и выпуск ИК ФПУ в небольших количествах в станах Азии Японии (Fujitsu+NEC) и Китае (SITP).

Дальнейшим развитием ИК-техники явилось увеличение числа чувствительных элементов фотоприемников и переход от многорядных сканируемых систем к крупноформатным матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) «смотрящего» типа, которые можно отнести к ФПУ третьего поколения. Крупноформатные (640х512 элементов и более) МФПУ позволяют существенно увеличить угловое поле зрения без потери детальности изображения и полностью освободить оптико-электронную систему от элементов оптико-механического сканирования, переводя тем самым ее на качественно новый уровень по габаритным характеристикам, энергопотреблению и повышению надёжности. Такие МФПУ особенно эффективны для решения задач систем обеспечения безопасности, оборонного и космического назначения.

Инновации и технический прогресс стимулируют глобальную промышленность. Фирмы вкладывают капитал в широком масштабе в НИР, чтобы предложить дифференцируемые решения и получить свою долю рынка. Например, компания FLIR запускают выпуск смартфонов с способностью отображения теплового изображения, чтобы увеличить ассортимент продукции.

Сегодня, рассматривая физические принципы обнаружения теплового излучения и существующие технологии, можно классифицировать инфракрасные детекторы по группам. Они представлены на рис.

Классификация инфракрасных детекторов

Основные тенденции развития элементной базы фотоэлектроники

Основной тенденцией развития элементной базы фотоэлектроники является переход на матричные фотоприемные устройства (МФПУ) и фотоэлектронные модули (ФЭМ), на основе которых создаются новые поколения:

• тепловизионных и теплопеленгационных систем для обнаружения и распознавания различных объектов, в том числе, космического базирования;
• многоспектральных систем для селекции целей и дистанционного зондирования Земли;
• обзорно прицельных станций;
• систем переднего обзора и навигационных систем для авиационной техники;
• систем слежения и обнаружения, в том числе для борьбы с терроризмом.

Основным приоритетным направлением развития научно-технической и технологической деятельности является увеличение форматов и уменьшение размеров фоточувствительных элементов (шага) МФПУ для тепловизионных и теплопеленгационных оптико-электронных систем (ОЭС). Увеличение числа чувствительных элементов МФПУ существенно повышает разрешающую способность приборов, а уменьшение шага чувствительных элементов до 20-15 мкм по сравнению с 30-35 мкм в настоящее время приводит к снижению весогабаритных характеристик и энергопотребления и увеличению надёжности.

В результате существенно повышаются такие характеристики ОЭС, как:

• достоверность распознавания объектов и целей;
• дальность обнаружения объектов и целей;
• информативность;
• эксплуатационные характеристики;
• надежность.

Основные тенденции развития рынка МФПУ

Следует отметить, что основными тенденциями развития рынка МФПУ в настоящее время являются:

1. Переход зарубежными разработчиками и производителями тепловизионной техники в основном на ОЭС 3 поколения на основе полноформатных фотоприемных матриц с числом элементов 640×480, 640×512, 1024х768 и 1024×1024 в диапазоне 1 – 12 мкм и до 2048×2048 в диапазоне 0,6 – 5,5 мкм.
2. Предложения фирмами-производителями широкого спектра бескорпусных тепловизионных модулей, в которые интегрированы приемник инфракрасного излучения, субмодуль электроники для формирования, обработки и выдачи конечного видеосигнала в цифровой форме, что минимизирует стоимость изделий и позволяет потребителям на их основе создавать тепловизионные каналы под свои специфические задачи.

В настоящее время за рубежом выпуск крупноформатных МФПУ производят такие известные фирмы как BAE Systems (Великобритания, США), формат МФПУ – 640х512 элементов, материал КРТ, спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм; Rockwell Scientific Co. (США), форматы МФПУ 1024х1024 и 2096х2096 элементов, материал КРТ, спектральные диапазон от 0,3 до 6,0 мкм; Santa Barbara Focalplane (SBF) / Lockheed Martin, США, форматы МФПУ 1024х1024 элементов, материалы КРТ и антимонид индия, спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм; Raytheon Infrared Operations, (RIO), США форматы МФПУ 320х256, 640х512, 1024х1024 элементов, материалы КРТ и антимонид индия, Sofradir (Франция) форматы МФПУ 640х512 и 1024х1024 элементов, материал КРТ, спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм; SCD (SemiConductor Devices), Израиль, форматы МФПУ 640х512 элементов и 1280х1024, материалы КРТ и антимонид индия, спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм.

Технологии изготовления тепловых детекторов достигли определенной степени совершенства и предопределили ряд преимуществ, благодаря которым сенсоры этого типа занимают доминирующее положение на рынке в количественном отношении. Их достоинства – простота конструкции и отсутствие необходимости в охладителе.

Практически нет необходимости в сервисном обслуживании. Микроболометры не требуют охлаждения, для них достигнут температурный эквивалент шума (NETD) 40-50 мК для апертурного числа 1. В настоящее время наиболее широко используются для создания микроболометрических формирователей изображения оксид ванадия и легированный α-Si:H. Оксид ванадия VOx обладает высокими значениями отрицательного температурного коэффициента сопротивления, часто превышающими 4 %/К. На основе VOx созданы матрицы форматом 320×240 с размером пикселя 50 мкм, а также форматом 320×240 и 640×480 с размером пикселя 37 и 23.5 мкм, соответственно. Однако, оксид ванадия – нестандартный материал для КМОП-технологии. Изготовление VOx в виде тонких пленок является сложным для управления процессом из-за узкого диапазона технологических параметров, обеспечивающих стабильность и оптимальность характеристик оксида. Металлы (Pt,Ni) совместимы с КМОП-технологией, но обладают низкими значениями температурного коэффициента сопротивления. Болометры на основе сверхпроводящих пленок требуют значительного охлаждения, что значительно повышает стоимость приборов.

Конструкции чувствительных элементов тепловых приемников: а) чувствительный элемент в форме микромостика, б) чувствительный элемент на тонкопленочной подложке

На графике приведено распределение удельного веса разных производителей по производству микроболометров в 2015 г. и в 2016 г.

Распределение удельного веса разных производителей по производству микроболометров в 2015 г. и в 2016 г.

По мнению аналитиков, тепловые детекторы, работающие на принципах микроболометров, не только останутся ведущим сектором среди МФПУ, но и значительные вырастут в ближайшие годы – рис.

Рост доли рынка микроболометров среди др. технологий ФПУ – история и прогноз

Дальнейшее развитие рынка определяют два ключевых драйвера

1. Рост числа новых военных применений, интенсивный рост потребительской базы фотоприемных устройств в основном за счет совершенствования средств вооружений стран НАТО, и увеличения числа поставляемых систем в действующие воинские формирования в горячих точках Азии и Африки.

2. Активное развитие новых невоенных применений ИК -техники в профессиональных сегментах в областях предотвращения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, предотвращения террористических угроз, в энергетике и транспорте, в медицине, в системах и обеспечения пожарной и экологической безопасности. В этих областях возможен опережающий рост рынка, появление новых продуктов и игроков при появлении прорывных технологий.

Составитель – Наумов А.В.
ОКБ «АСТРОН»