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工业级短波红外 (SWIR) LED 照明的工作波长范围为 1000-1900 nm，超出硅探测器约 1100 nm 的截止波长。SWIR LED 可实现硅基相机和光电探测器无法实现的成像、传感和机器视觉应用：例如，在 1050-1200 nm 波长范围内进行雾中和硅片成像（包括硅片检测），在1450 nm波长范围内进行湿度检测，在1550 nm 波长范围内进行人眼安全的工业传感，以及在1650 nm波长范围内进行油污和塑料分拣。SWIR LED 采用 InGaAs 半导体材料（紫外-可见光 LED 使用 InGaN，近红外 LED 使用 GaAs），这限制了可用波长，降低了电能转换效率，并且与可见光 LED 相比，每毫瓦成本大约增加 10-100 倍。多光谱LED系统将多种短波红外（SWIR）波长以及通常可见光/近红外（NIR）波长组合成阵列，以捕捉单波长光源无法获取的光谱特征，广泛应用于食品检测、高光谱成像辅助、无损检测（NDT）、机器视觉照明和生物医学等领域。本指南涵盖波长选择、封装、SWIR照明系统级设计以及丸红面向OEM集成的工业级SWIR LED产品组合。
短波红外光谱概览
| 波长 | 主要应用 | 关键光谱特征 | 集群文章 |
|---|---|---|---|
| 1050纳米 | 短程SWIR成像、机器视觉、硅晶圆检测 | 略微超过硅截止波长；InGaAs传感器具有高量子效率 | 1050nm 短波红外发光二极管 |
| 1200纳米 | 红外-短波红外交叉波段、半导体检测、农业传感 | 有用的边界带：InGaAs 和扩展 InGaAs 均有响应 | 1200nm LED 在红外-短波红外交叉点 |
| 1450纳米 | 水分检测、食品检验、农产品分拣 | 强吸水峰 | 1450nm LED 用于湿度和食品检测 |
| 1550纳米 | 人眼安全型工业传感、电信、激光雷达 | 对眼睛安全（玻璃体液可吸收）；与电信光学器件兼容 | 用于人眼安全传感的 1550nm LED |
| 1650纳米 | 石油和塑料分拣、回收、碳氢化合物检测 | CH键倍频吸收 | 用于油和塑料分拣的1650nm LED |
| 1750纳米 | 先进的短波红外成像、光谱学、更深层的短波红外传感 | 接近标准InGaAs传感器响应的极限 | 用于高级短波红外成像的 1750nm LED |
短波红外（SWIR）LED 与可见光和近红外（NIR）LED 有何不同？
短波红外LED组件的选择过程主要受以下三个基本因素的影响：
1. InGaAs 与硅探测的比较。硅 CMOS 和 CCD 传感器（以及硅光电二极管/光电探测器）的量子效率曲线在 950-1000 nm 波长后急剧下降，并且在 1100 nm 波长以上几乎无法探测到波长。短波红外 (SWIR) 相机和 SWIR 光电探测器使用砷化铟镓 (InGaAs)传感器，其灵敏度范围为900-1900 nm（标准 InGaAs）或扩展 InGaAs 可达 2600 nm。传感器的这种变化是任何 SWIR 系统成本的最大驱动因素，InGaAs 相机的价格通常是同等硅相机的 10-50 倍。SWIR LED 的选择必须与 SWIR 相机的光谱响应曲线相匹配。需要注意的是，SWIR 与热成像（中波红外/长波红外，3-14 μm）不同，SWIR 使用来自有源 LED 光源的反射光，而热成像则探测物体自身散发的热量。
2. 每毫瓦光输出成本。短波红外（SWIR）LED采用InGaAs半导体材料（紫外/可见光LED使用InGaN，近红外LED使用GaAs/AlGaAs）。标准组分Ga₀.₄₇In₀.₅₃As与磷化铟衬底晶格匹配，其光吸收截止波长约为1.68 μm，而扩展InGaAs的截止波长可超过2.5 μm。与蓝光/绿光/红光LED材料相比，该材料制造难度更大，良率更低，电光转换效率也更低。工业级SWIR LED的每毫瓦光输出成本通常是同等封装尺寸可见光LED的10-100倍。这影响了系统设计：SWIR照明需要进行功率预算控制，并采用脉冲驱动以提高效率。
3. 1400 nm 以上波长的光具有良好的眼部安全优势。波长高于约 1400 nm 的光在到达视网膜之前会被眼角膜和房水中的水分子强烈吸收，从而提供短波长光所不具备的固有眼部安全裕度。这一点体现在IEC 60825-1 激光/LED 安全分类框架中，该框架对该波段的波长设定了更为宽松的辐射限值。1550 nm 波长的眼部安全特性使其在工业传感、汽车激光雷达和无法控制曝光的户外监控等领域尤为适用。有关具体应用的安全分类详情，请参阅1550 nm 波段专题文章。
根据应用选择短波红外LED
| 应用 | 推荐波长 | 主要选择标准 |
|---|---|---|
| 硅晶圆检测（硅穿透成像） | 1050纳米 | 刚好超过硅截止波长；可穿透硅片进行缺陷检测 |
| 雾成像和安全成像 | 1050-1200纳米 | 大气颗粒散射减少 |
| 水分含量测量 | 1450纳米 | 吸水峰；对微小的湿度差异敏感 |
| 食品/农产品检验（擦伤、成熟度） | 1450纳米+多光谱 | 1450 nm 处的湿度相关对比度；多波长成分分析 |
| 人眼安全型户外传感/激光雷达 | 1550纳米 | 1400纳米以上波长可实现人眼安全吸收；提供电信级光学元件 |
| 石油和碳氢化合物检测/塑料分拣 | 1650纳米 | CH键吸收倍频；可区分聚合物类型 |
| 高光谱成像照明 | 多波长阵列（1000-1950 nm） | 涵盖 InGaAs 的灵敏度窗口；多个离散波段用于光谱分类 |
| 机器视觉照明（工业检测） | 目标波长相关 | SWIR 照明能够揭示标准可见光/近红外机器视觉系统无法看到的对比度。 |
| 药品检验（活性成分、包衣） | 1450纳米+多光谱 | 近红外/短波红外光谱法用于无损分析 |
| 生物医学成像和可穿戴传感 | 1050-1300纳米 | 短波红外光比可见光/近红外光更均匀地穿透组织和皮肤色素层。 |
| 回收/材料识别 | 1650纳米+多光谱 | 通过吸收特征区分聚合物/复合材料 |
| 夜视增强（隐蔽式短波红外照明） | 1050-1550纳米 | 短波红外（SWIR）对标准夜视镜不可见；隐蔽式主动照明 |
SWIR LED组件选择清单
波长是首要考虑因素（如上图光谱表所示），但完整的 1050 至 1750 nm 波段短波红外 (SWIR) LED 规格还包含六个维度。请逐一分析，将应用转化为可构建的组件规格：
- 中心波长和波段。将中心波长与您要成像的吸收特征相匹配（例如，水为 1450 nm，碳氢化合物为 1650 nm，以此类推）。短波红外 (SWIR) 发射器具有一定的中心波长容差，因此请指定可接受的波段。更严格的波段意味着需要对零件进行分拣，从而导致更高的成本。
- 光谱带宽（半峰全宽，FWHM）。确认发射器的带宽不会与相邻的吸收带发生串扰，从而影响分类的区分。如果两个吸收带非常接近，则应在探测器处添加带通滤波器，而不是仅仅依赖 LED（参见“多光谱 LED 阵列”下的光谱重叠说明）。
- 目标处的辐射输出和辐照度。请使用辐射度学参数，而非“亮度”。辐射通量（mW）是总发射功率，辐射强度（mW/sr）适用于窄光束，而工作平面上的辐照度（mW/cm²）才是实际驱动探测器信号的参数。根据 InGaAs 相机的灵敏度、曝光时间和工作距离反算所需的辐照度，然后加上光学损耗和窗口损耗的裕量。
- 光束角度和均匀性。选择合适的视角（半功率）以覆盖工作距离下的检测区域。对于机器视觉，需预留扩散器或导光管的预算来使光束更加均匀。检测的重复性取决于光束均匀性，而非峰值强度。
- 封装和散热路径。根据电路板面积、高度和所需散热量选择合适的封装（例如 0603 和 0805 等 SMD 封装、低矮倒装芯片封装、高功率陶瓷封装或 COB 阵列封装）。短波红外 (SWIR) 墙插式电源的效率较低，因此大部分驱动功率会在结处转化为热量。功率超过约 1 瓦时，通常采用金属芯 PCB 或主动散热。
- 驱动方案。决定采用连续驱动还是脉冲驱动。占空比为 10% 至 50% 的脉冲驱动可以提高峰值辐照度并降低平均结温，但这需要一个能够提供峰值电流的驱动器以及一个与相机曝光同步的触发器。对于阵列，需要规划每个通道的电流调节，因为正向电压会随波长而变化。
- 探测器和光学器件匹配。确认所选波长位于 InGaAs（或扩展 InGaAs）的响应窗口内，并确认路径中的每个透镜、窗口和封装材料在该波长下都能透射（石英、蓝宝石或 SWIR 级玻璃，而不是标准丙烯酸或聚碳酸酯）。
数据表或询价单中应包含的辐射测量参数：
| 规格 | 符号/单位 | 它驱动什么 |
|---|---|---|
| 中心波长 | 纳米 | 你拍摄的是哪个吸收特征？ |
| 频谱带宽 | 半峰全宽，nm | 频带分离和滤波需求 |
| 辐射通量 | 毫瓦 | 总光功率发射 |
| 辐射强度 | 毫瓦/秒 | 将轴向功率集中到一个窄光束中 |
| 目标处的辐照度 | mW/cm² | 工作平面上的探测器信号 |
| 视角 | 度（半功率） | 场地覆盖率和均匀性 |
| 正向电压/电流 | 伏/毫安 | 驱动单元设计和散热预算 |
关于步骤 1 中不同波长的权衡取舍，请参阅光谱表中链接的相关文章。有关可用的封装和数据手册，请参阅SWIR LED 产品类别。
多光谱LED阵列
多光谱LED阵列将两种或多种离散波长的光组合在单个光学组件中，从而能够捕获比单波长光源更丰富的光谱信息。对于OEM集成而言，多光谱阵列可以解决单色照明无法解决的一类问题：区分外观相似但短波红外吸收特征不同的材料、表征表面涂层以及补充高光谱成像系统。
阵列架构选项
- 交错阵列是指在同一基板或PCB上集成多个LED芯片，每个芯片发射不同波长的光。光输出在照明平面上进行空间混合。这种阵列适用于目标运动的应用（例如食品传送带、生产线），并且支持时分复用采样。
- 顺序/多路复用驱动，单光路驱动多个LED封装，按时间顺序驱动。相机每个波长拍摄一帧。光谱分离更清晰，帧速率更慢，需要同步驱动电路。
- 定制模块，由组件供应商根据原始设备制造商 (OEM) 的规格组装而成。它结合了针对特定成像应用的最佳波长设置、驱动电子器件和光学封装。
多光谱系统设计考虑因素
- 不同波长间的电流匹配：不同波长的短波红外LED具有不同的正向电压和效率特性；要实现每个波长均匀的光输出，需要对每个通道进行电流调节，而不是使用单一的恒流源来调节整个阵列。
- 光谱重叠：相邻的短波红外波长（例如 1450 nm 和 1550 nm）的半峰全宽约为 30-40 nm，可能存在重叠；光谱分类算法必须考虑这一点。
- 光学均匀性、漫射器、光导管或积分球通常用于在多光谱输出到达目标之前对其进行空间均匀化处理。
- 散热管理，以及多个高功率LED紧密排列产生的热量，需要精心设计的PCB；金属芯基板和主动散热是常见的散热方式。
- 与相机同步时，多光谱系统需要精确控制LED驱动脉冲和相机曝光之间的时间；触发信号通常由中央控制器发出。
短波红外照明和机器视觉照明的系统级设计
一套完整的短波红外成像或机器视觉照明系统包含四个相互依存的组件。短波红外LED光源是其中之一：
- 根据波长、光功率、光束角、照明均匀性和驱动特性选择短波红外（SWIR）LED照明。
- 根据光谱响应、像素分辨率、灵敏度和动态范围选择短波红外相机（InGaAs传感器）或InGaAs光电二极管/光电探测器。
- 光学元件、硅透镜和冕牌玻璃透镜的透射波长低于约 1100 纳米；短波红外光学元件使用石英、蓝宝石、氟化镁或特制的短波红外镀膜玻璃。
- 驱动电子元件和定时功能，脉冲驱动（典型占空比 10-50%）可在控制热负载的同时，最大限度地提高峰值光输出；精确的脉冲定时可将短波红外 LED 照明与相机曝光同步
组件匹配至关重要。1550 nm LED 与标准短波红外 (SWIR) 相机（InGaAs 传感器）搭配使用，可获得最佳信噪比，因为该波长接近 InGaAs 的灵敏度峰值。而同一相机若搭配 1750 nm LED，则信号强度会显著降低，因为传感器的响应度在其灵敏度范围边缘附近会下降。选择扩展型 InGaAs 相机可以解决 1750 nm 灵敏度问题，但成本会增加。
对于机器视觉照明应用而言，检测区域内的光束均匀性至关重要：不均匀的短波红外（SWIR）照明会导致对比度不一致，从而增加后续图像分析的难度。扩散器、导光管或多发射器阵列可在SWIR光源输出到达检测目标之前对其进行均匀化处理。
对于光学元件而言，聚碳酸酯和丙烯酸酯在可见光波段是透明的，但在短波红外波段（SWIR）吸收强烈。LED光路中的任何窗口、透镜或光束整形光学元件都应使用短波红外兼容的玻璃、石英或蓝宝石。标准硅胶LED封装材料在1700纳米左右的波长范围内对短波红外波段透明，通常可用于LED封装内部。
高光谱成像与多光谱成像：术语释义
这两个术语经常被互换使用，但它们描述的是不同的成像方法。根据标准区分，高光谱成像使用连续且相邻的波长范围（例如，400-1100 nm，步长为 1 nm），而多光谱成像则使用选定位置的特定波长子集（例如，400-1100 nm，步长为 20 nm）：
| 多光谱 | 高光谱 | |
|---|---|---|
| 数量 | 3-10个离散频段 | 100-1000+ 条连续的窄带 |
| 典型照明 | 阵列中的离散LED波长 | 宽带+色散光学器件，或可调谐激光器 |
| 每个像素的数据 | N波段强度矢量 | 全光谱（分辨率约为1-10纳米） |
| 用例 | 目标分类（已知特征） | 发现/未知特征分析 |
| 成本 | 下部（LED + 标准摄像头） | 更高（专用光谱仪+传感器） |
| 典型应用 | 工业分拣、食品检测、机器视觉 | 遥感、科学研究、法医学 |
短波红外（SWIR）LED通常应用于多光谱系统，而非高光谱系统。高光谱系统通常需要连续波段覆盖，而离散的LED阵列无法提供这种覆盖；它们通常使用宽带光源（卤素灯、超连续谱激光器）以及棱镜或光栅光谱仪。尽管如此，在某些配置中，SWIR LED可以作为高光谱系统的补充，在光谱仪捕获完整光谱的同时，在关键吸收峰处提供高功率照明。
短波红外LED封装注意事项
SWIR LED 采用紧凑型表面贴装封装，适用于板级集成；此外，还有更大的 COB 封装和定制阵列封装，适用于高功率系统：
- 采用SMD封装，标准表面贴装尺寸（0603、0805、更大尺寸的陶瓷封装），适用于PCB集成。合益的超紧凑型0603 SWIR LED专为空间受限的可穿戴设备和小型化OEM应用而设计。
- 低剖面倒装芯片封装可最大限度地降低封装高度，实现纤薄外形。适用于需要多个发射器紧密垂直堆叠的光学系统。
- 高功率封装，多个短波红外芯片集成在陶瓷基板上，并带有铜散热片。适用于远距离传感和高辐照度应用。
- COB（芯片封装）技术将多个短波红外（SWIR）芯片直接安装在基板上，以实现高光输出和均匀的区域照明。该技术应用于工业检测照明器和多光谱阵列。
两条与短波红外（SWIR）封装相关的材料注意事项：
- 封装材料的选择至关重要。标准的LED级硅胶在1700纳米波长范围内透射效果良好。对于1750纳米及以上的波长，低含水量硅胶或采用气密封装的未封装芯片能提供更纯净的光谱输出。
- 窗口材料必须对短波红外波段（SWIR）透明。标准硼硅酸盐玻璃的有效波长约为2500纳米。石英和蓝宝石是高温或化学腐蚀环境的清洁之选。
合益SWIR LED产品组合
合益的工业级短波红外 LED 产品组合，用于 OEM 集成。标准波长范围涵盖 1000 nm 至 1950 nm，采用表面贴装和高功率封装：
- 适用于短程SWIR成像、机器视觉和硅相关应用的1050 nm和1200 nm SMD封装
- 用于湿度检测、食品检测和人眼安全传感的1450 nm 和 1550 nm SMD 和高功率封装
- 用于碳氢化合物检测、回收和先进短波红外成像的1650 nm 和 1750 nm封装
- 适用于可穿戴设备和空间受限设计的超紧凑型和低剖面封装（参见超紧凑型 0603 SWIR LED 发布和低剖面 SWIR 倒装芯片发布）
- 根据 OEM 应用需求，利用标准波长组合构建定制多光谱阵列
有关完整规格、数据表和样品申请，请参阅SWIR LED 产品类别，或联系 合益工程部门以获取 OEM 特定组件建议。
常见问题解答
什么是短波红外发光二极管（SWIR LED）？
短波红外发光二极管（SWIR LED）是一种发射短波红外光的发光二极管，其波长范围通常在1050-1750纳米之间。SWIR LED采用砷化铟镓（InGaAs）半导体材料制成，由于其发射波长超出硅探测器的截止波长（约1100纳米），因此需要使用InGaAs相机传感器进行检测。
我的应用应该使用哪种波长的短波红外LED？
选择波长取决于目标的吸收特性。用于水分检测：1450 nm（水吸收峰）。用于人眼安全的户外传感：1550 nm（高于1400 nm玻璃吸收阈值）。用于油和塑料分拣：1650 nm（CH键吸收）。用于透过硅或雾进行机器视觉检测：1050-1200 nm。用于多光谱成像：将多个波长组合成阵列。
短波红外LED和近红外LED有什么区别？
近红外 (NIR) LED 的发射波长为 750-1000 纳米，由硅基相机和光电二极管检测。短波红外 (SWIR) LED 的发射波长为 1050-1700 纳米，需要使用 InGaAs 传感器。SWIR LED 可以揭示硅基系统无法获取的信息：通过吸收光谱特征分析材料成分、检测含水量、检测碳氢化合物以及进行雾中成像。
短波红外LED灯对眼睛安全吗？
波长高于约 1400 nm 的短波红外 (SWIR) 光（例如 1450、1550、1650、1750 nm）在到达视网膜之前会被眼内的玻璃体液强烈吸收，从而具有固有的眼部安全优势。因此，1550 nm 是眼部安全工业传感和汽车激光雷达的标准波长。波长低于 1400 nm（1050、1200 nm）的 SWIR LED 不具备此优势，需要根据具体应用进行 IEC 60825-1 激光/LED 安全分类认证。
我可以使用普通的CMOS或CCD相机搭配SWIR LED吗？
不。硅基图像传感器（CMOS、CCD）在波长超过约1000纳米后灵敏度会降低，到1100纳米时则基本失效。短波红外LED需要InGaAs或扩展InGaAs传感器进行探测。这是短波红外系统设计中最大的成本驱动因素：InGaAs相机的成本通常是同等硅基相机的10到50倍。
为什么短波红外LED比近红外LED更贵？
短波红外（SWIR）LED采用InGaAs半导体材料，这种材料制造难度更高，电光转换效率更低，产量也低于短波长LED常用的InGaN（紫外/可见光）或GaAs（近红外）材料。工业级SWIR LED的每毫瓦光输出成本通常是同等可见光LED的10到100倍。随着SWIR成像应用商业需求的增长，批量生产的价格会有所改善。
短波红外LED的典型寿命是多久？
工业级短波红外LED在符合热学和电气规范的条件下工作时，其70%输出功率寿命（L70）为10,000至30,000小时。寿命对结温非常敏感；降低驱动电流并增加散热片可以显著延长使用寿命。脉冲工作（低占空比）也能通过降低平均结温来延长寿命。
如何设计多光谱短波红外成像系统？
四个相互关联的组件：(1) 根据目标光谱特征选择波长集；(2) 匹配短波红外 (SWIR) LED 和 InGaAs 相机的光谱响应；(3) 使用 SWIR 透明光学元件（石英、蓝宝石、SWIR 级玻璃、硅和标准聚合物均不适用）；(4) 通过每通道电流调节驱动 LED，并将脉冲与相机曝光同步。对于批量生产而言，从 SWIR LED 组件供应商处定制多光谱阵列模块通常比使用单个发射器更具成本效益。
什么是多光谱短波红外LED系统？
多光谱短波红外LED系统将1050至1750纳米之间的两个或多个离散短波红外波长集成于一个照明器中，并与InGaAs相机配合使用，从而能够在一次检测中读取多个吸收特征。每个波长针对特定的特征（例如，1450纳米用于水，1650纳米用于碳氢化合物），捕获的波段强度可用于区分在可见光下看起来相同的材料。有关阵列架构和驱动方面的注意事项，请参阅上文“多光谱LED阵列”部分。
是否有适用于波长范围为 1050 至 1750 纳米的短波红外 LED 的元件选型指南？
是的。首先确定目标吸收特性，从而确定中心波长（见上图光谱表），然后按照七步组件选择清单进行操作：波长区间、光谱带宽、辐射输出和辐照度、光束角度和均匀性、封装和散热路径、驱动方案以及探测器和光学器件的匹配。这一系列步骤可以将应用转化为覆盖整个 1050 至 1750 nm 波段的可构建的短波红外 (SWIR) LED 规格。