SWIR LED 照明指南：用于工业成像、传感与多光谱系统的短波红外 LED

工业级 SWIR（短波红外）LED 照明 工作在 1050–1750 nm 波段，超出了硅探测器约 1100 nm 的截止波长。SWIR LED 可实现硅基相机和光电探测器无法看到的成像、传感与机器视觉应用：1050–1200 nm 的透雾成像与透硅晶圆成像（包括硅晶圆检测）、1450 nm 的水分检测、1550 nm 的人眼安全工业传感，以及 1650 nm 的油品与塑料分选。SWIR LED 采用 InGaAs（铟镓砷）半导体材料（而非 UV–可见光 LED 的 InGaN、近红外 LED 的 GaAs），这限制了可用波长、降低了电光转换效率，并使每毫瓦光输出的成本比可见光 LED 高出约 10–100 倍。多光谱 LED 系统 将多个 SWIR 波长——通常还包括可见光 / 近红外波长——组合到阵列中，以捕捉单一波长光源无法获得的光谱特征，应用于食品检测、高光谱成像补充、无损检测（NDT）、机器视觉光源以及生物医学领域。本指南涵盖波长选择、封装、SWIR 照明系统级设计，以及 Marubeni（丸红）面向 OEM 集成的工业 SWIR LED 产品线。

SWIR 光谱一览

SWIR 与可见光、近红外 LED 的不同之处

SWIR LED 的选型过程由三项根本差异决定：

1. InGaAs 与硅探测的差异。 硅 CMOS 与 CCD 传感器（以及硅光电二极管 / 光电探测器）的量子效率曲线在超过 950–1000 nm 后急剧下降，到约 1100 nm 时基本失明。SWIR 相机和 SWIR 光电探测器使用 铟镓砷（InGaAs） 传感器，其灵敏范围覆盖 900–1700 nm（标准 InGaAs）或借助扩展 InGaAs 达到 2600 nm。这一传感器的更换是任何 SWIR 系统最大的成本驱动因素——InGaAs 相机通常比同等硅相机贵 10–50 倍。SWIR LED 的选型必须与 SWIR 相机的光谱响应曲线相匹配。需注意，SWIR 不同于热成像（MWIR / LWIR，3–14 μm）——SWIR 使用来自有源 LED 光源的反射照明，而热成像探测物体自身发出的热辐射。

2. 每毫瓦光输出的成本。 SWIR LED 采用 InGaAs 半导体材料（而非 UV / 可见光的 InGaN、近红外的 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 可达 2.5 μm 以上。该材料更难制造、良率更低、电光转换效率低于蓝 / 绿 / 红光 LED 材料。工业 SWIR LED 每毫瓦光输出的成本通常比同等封装尺寸的可见光 LED 高 10–100 倍。这决定了系统设计方向——SWIR 照明需精打细算地分配功率，并采用脉冲驱动以提升效率。

3. 1400 nm 以上的人眼安全优势。 波长大于约 1400 nm 的光在到达视网膜之前会被角膜和房水中的水分强烈吸收，从而带来短波长所不具备的内在人眼安全裕度。这一点反映在 IEC 60825-1 激光 / LED 安全分级框架中，该框架对该波段赋予了更宽松的可达发射限值。人眼安全特性使 1550 nm 在工业传感、车载激光雷达以及无法控制暴露的户外监控中尤具吸引力。应用层面的具体安全分级请见 1550nm 集群文章。

按应用选择 SWIR LED

多光谱 LED 阵列

多光谱 LED 阵列 将两个或更多离散波长组合到单一光学组件中，以捕捉单一波长光源无法提供的更丰富的光谱信息。对于 OEM 集成，多光谱阵列可解决单色照明无法应对的一类问题：区分可见外观相似但 SWIR 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

• 交错式阵列 —— 多个 LED 芯片位于同一衬底或 PCB 上，各自发射不同波长。光输出在照明平面内空间混合。适用于目标处于运动状态（食品传送带、生产线）且可接受时分采样的应用。
• 顺序 / 复用驱动 —— 单一光路配多个 LED 封装，按时间顺序驱动。相机每个波长采集一帧。光谱分离更干净，帧率较慢，需要同步的驱动电路。
• 定制模块 —— 由元器件供应商按 OEM 规格组装，针对特定成像应用，结合最优波长组合、驱动电路与光学封装。

多光谱系统设计考量

• 跨波长的电流匹配 —— 不同 SWIR LED 波长具有不同的正向电压和效率特性；要使各波长光输出均匀，需要逐通道电流调节，而非整个阵列共用单一恒流源
• 光谱重叠 —— 相邻 SWIR 波长（如 1450 nm 与 1550 nm）半高全宽（FWHM）约 30–40 nm，可能发生重叠；光谱分类算法必须予以考虑
• 光学均匀性 —— 常用扩散片、光导管或积分球，在光线到达目标前对多光谱输出进行空间匀化
• 散热管理 —— 多个大功率 LED 近距离工作所产生的热量需要谨慎的 PCB 设计；金属基板与主动散热是常见做法
• 与相机同步 —— 多光谱系统要求 LED 驱动脉冲与相机曝光之间精确定时；触发信号通常由中央控制器提供

SWIR 照明与机器视觉光源的系统级设计

一套完整的 SWIR 成像或机器视觉照明系统由四个相互关联的部件构成——SWIR LED 光源是其中之一：

1. SWIR LED 照明 —— 按波长、光功率、光束角、照明均匀性和驱动特性选型
2. SWIR 相机（InGaAs 传感器）或 InGaAs 光电二极管 / 光电探测器 —— 按光谱响应、像素分辨率、灵敏度、动态范围选型
3. 光学 —— 硅和冕牌玻璃透镜无法透过约 1100 nm 以上的光；SWIR 光学采用石英、蓝宝石、氟化镁或专用 SWIR 镀膜玻璃
4. 驱动电路 + 时序 —— 脉冲驱动（典型占空比 10–50%）在管理热负载的同时使峰值光输出最大化；精确的脉冲时序使 SWIR LED 照明与相机曝光同步

部件匹配至关重要。1550 nm LED 与标准 SWIR 相机（InGaAs 传感器）搭配能获得最强的信噪比，因为该波长接近 InGaAs 灵敏度峰值。同一相机若搭配 1750 nm LED，由于传感器响应度在其灵敏范围边缘附近下降，信号会显著减弱。选用扩展 InGaAs 相机可解决 1750 nm 的灵敏度问题，但成本更高。

对于机器视觉光源应用，检测视场内的光束均匀性至关重要——不均匀的 SWIR 照明会产生不一致的对比，给后续图像分析带来困难。扩散片、光导管或多发光体阵列可在 SWIR 光源输出到达检测目标前对其进行匀化。

在光学方面，聚碳酸酯和亚克力在可见光下透明，但在 SWIR 波段强烈吸收。LED 光路上的任何窗口、透镜或光束整形光学件都应使用 SWIR 级玻璃、石英或蓝宝石。 标准硅胶 LED 封装材料在约 1700 nm 以下对 SWIR 透明，通常可用于 LED 封装内部。

高光谱与多光谱成像——厘清术语

这两个术语常被混用，但描述的是不同的成像方式。按标准区分，高光谱成像使用连续且相邻的波长范围（如 400–1100 nm，以 1 nm 为步长），而多光谱成像使用选定位置上的目标波长子集（如 400–1100 nm，以 20 nm 为步长）：

SWIR LED 通常部署于多光谱系统，而非高光谱系统。高光谱系统通常需要离散 LED 阵列无法提供的连续波段覆盖；它们使用宽带光源（卤素灯、超连续谱激光器）加棱镜或光栅光谱仪。尽管如此，在某些配置中 SWIR LED 可补充高光谱系统——在关键吸收峰处提供大功率照明，同时由光谱仪捕捉完整光谱。

SWIR LED 的封装考量

SWIR LED 既有用于板级集成的紧凑型表面贴装封装，也有用于大功率系统的更大尺寸 COB 与定制阵列封装：

• SMD 封装 —— 标准表面贴装尺寸（0603、0805、更大的陶瓷封装），适合 PCB 集成。Marubeni 的超紧凑 0603 SWIR LED 专为空间受限的可穿戴与微型化 OEM 应用而设计。
• 低剖面倒装芯片封装 —— 降低封装高度以适应纤薄外形。适用于多个发光体需要紧密垂直堆叠的光学系统。
• 大功率封装 —— 在陶瓷衬底上集成多颗 SWIR 芯片并配铜散热片。用于远距离传感与高辐照度应用。
• COB（板上芯片） —— 多颗 SWIR 芯片直接贴装于衬底，实现高光输出和均匀的面照明。用于工业检测照明器与多光谱阵列。

两条针对 SWIR 封装的材料注意事项：

• 封装材料的选择很重要。 标准 LED 级硅胶在 1700 nm 以内透过良好。对于 1750 nm 及更长波长，低含水量硅胶或气密封装上的无封装芯片可获得更干净的光谱输出。
• 窗口材料必须对 SWIR 透明。 标准硼硅玻璃可用至约 2500 nm。石英和蓝宝石是高温或化学严苛环境下的理想选择。

Marubeni SWIR LED 产品线

Tech-led 分销 Marubeni 面向 OEM 集成的工业 SWIR LED 产品线。标准波长覆盖 1050 nm 至 1750 nm，提供表面贴装与大功率封装：

• 1050 nm 与 1200 nm SMD 封装，用于短距 SWIR 成像、机器视觉及与硅相关的应用
• 1450 nm 与 1550 nm SMD 与大功率封装，用于水分检测、食品检测和人眼安全传感
• 1650 nm 与 1750 nm 封装，用于碳氢化合物检测、回收分选和高级 SWIR 成像
• 超紧凑与低剖面封装，用于可穿戴与空间受限设计（见超紧凑 0603 SWIR LED 发布与低剖面 SWIR 倒装芯片发布）
• 定制多光谱阵列，基于标准波长产品线按 OEM 应用需求构建

如需完整规格、规格书与样品申请，请见 SWIR LED 产品类别，或联系 Tech-led 工程团队获取针对 OEM 的元器件推荐。

常见问题

什么是 SWIR LED？

SWIR LED 是一种发射短波红外光的发光二极管，波长通常在 1050–1750 nm 范围内。SWIR LED 基于铟镓砷（InGaAs）半导体材料制造，由于其发射波长超出约 1100 nm 的硅探测器截止波长，因此需要 InGaAs 相机传感器进行探测。

我的应用应该选用哪个 SWIR LED 波长？

选型取决于目标的吸收特性。水分检测：1450 nm（水分吸收峰）。人眼安全户外传感：1550 nm（高于 1400 nm 的玻璃体吸收阈值）。油品与塑料分选：1650 nm（C–H 键吸收）。透硅或透雾机器视觉：1050–1200 nm。多光谱成像：在阵列中组合多个波长。

SWIR LED 与 NIR LED 有何区别？

NIR（近红外）LED 发射波长为 750–1000 nm，可由硅相机和光电二极管探测。SWIR（短波红外）LED 发射波长为 1050–1700 nm，需要 InGaAs 传感器。SWIR LED 能揭示硅基系统看不到的信息——通过吸收特征反映的材料成分、含水量、碳氢化合物的存在以及透雾成像。

SWIR LED 对人眼安全吗？

约 1400 nm 以上的 SWIR 波长（如 1450、1550、1650、1750 nm）在到达视网膜之前会被眼内玻璃体液强烈吸收，从而具备内在的人眼安全优势。这正是 1550 nm 成为人眼安全工业传感和车载激光雷达标准波长的原因。1400 nm 以下的 SWIR LED（1050、1200 nm）不具备这一优势，需按应用进行 IEC 60825-1 激光 / LED 安全分级。

我能用普通的 CMOS 或 CCD 相机配合 SWIR LED 吗？

不能。硅基图像传感器（CMOS、CCD）在超过约 1000 nm 后变得不灵敏，到 1100 nm 时基本失明。SWIR LED 需要 InGaAs 或扩展 InGaAs 传感器进行探测。这是 SWIR 系统设计中最大的成本驱动因素——InGaAs 相机通常比同等硅相机贵 10–50 倍。

为什么 SWIR LED 比 NIR LED 贵？

SWIR LED 采用 InGaAs 半导体材料，相比短波长 LED 所用的 InGaN（UV / 可见光）或 GaAs（NIR）材料，它更难制造、电光转换效率更低、生产规模更小。工业 SWIR LED 每毫瓦光输出的成本通常比同等可见光 LED 高 10–100 倍。随着 SWIR 成像应用的商业需求增长，批量价格会改善。

SWIR LED 的典型寿命是多少？

工业 SWIR LED 在符合热学与电学规格的条件下工作时，L70（输出降至 70% 的时间）额定为 10,000–30,000 小时。寿命对结温高度敏感；降额驱动电流并增加散热可大幅延长工作寿命。脉冲工作（低占空比）通过降低平均结温也能延长寿命。

如何设计一套多光谱 SWIR 成像系统？

四个相互关联的部件：（1）根据目标的光谱特征选择波长组合；（2）匹配 SWIR LED 与 InGaAs 相机的光谱响应；（3）使用对 SWIR 透明的光学件（石英、蓝宝石、SWIR 级玻璃——硅和标准聚合物不可用）；（4）以逐通道电流调节驱动 LED，并使脉冲与相机曝光同步。对于量产规模，采用来自 SWIR LED 元器件供应商的定制多光谱阵列模块，往往比从单个发光体自行搭建更具成本效益。

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