Промышленный СВИР (коротковолновый инфракрасный) светодиодное освещение действует в 1000-1950 нм группа, за пределами отсечки кремниевого детектора примерно на 1100 нм. Светодиоды SWIR позволяют получать изображения, ощущение, и машинное зрение приложения, которые не видят кремниевые камеры и фотодетекторы: визуализация сквозь туман и через кремниевые пластины 1050-1200 нм (включая проверку кремниевых пластин), обнаружение влаги в 1450 нм, безопасный для глаз промышленное зондирование в 1550 нм, и сортировка нефти и пластика на 1650 нм. SWIR-светодиоды изготовлены на полупроводниковом материале InGaAs. (по сравнению с InGaN для светодиодов УФ-видимого диапазона и GaAs для ближнего ИК-диапазона), что ограничивает доступные длины волн, снижает эффективность розетки, и увеличивает стоимость милливатт примерно в 10-100 раз по сравнению с видимыми светодиодами.. Мультиспектральные светодиодные системы объединить несколько длин волн SWIR, и часто видно / БИК-длины волн, в массивах для захвата спектральных характеристик одноволновые источники не могут, используется в инспекция пищевых продуктов, дополнения к гиперспектральной визуализации, неразрушающий контроль, освещение машинного зрения, и биомедицинский приложения. В этом руководстве рассматриваются выбор длины волны, упаковка, Проектирование уровня системы освещения SWIR, и промышленный комплекс Инфэна SWIR-светодиод портфолио для OEM-интеграции.

Параметры угла обзора: 20°/ 30°/45°/60°/120°

Однокристальный корпус:Размеры: 3535/3838

Четырехчиповый пакет:Размеры: 5050/5252

Обзор SWIR-спектра

Чем SWIR отличается от видимых и ближних ИК-светодиодов

Три фундаментальных различия определяют процесс выбора компонентов светодиодов SWIR.:

1. InGaAs против. обнаружение кремния. Кремниевые CMOS и CCD сенсоры (и кремниевые фотодиоды / фотодетекторы) имеют кривые квантовой эффективности, которые резко падают за пределы 950-1000 нм и эффективно слепы за пределами ~1100 нм.. SWIR-камеры и SWIR-фотодетекторы используют арсенид индия-галлия (InGaAs) датчики, которые чувствительны по всему 900-1700 нм (стандартный InGaAs) или до 2600 нм с расширенным InGaAs. Эта замена датчика является крупнейшим источником затрат любой системы SWIR., Камеры InGaAs обычно стоят в 10–50 раз дороже, чем эквивалентные кремниевые камеры.. Выбор светодиода SWIR должен соответствовать кривой спектрального отклика камеры SWIR.. Обратите внимание, что SWIR отличается от тепловидения. (БЫСТРЫЙ / ЛВИР, 3-14 мкм), SWIR использует отраженное освещение от активных светодиодных источников., в то время как тепловидение обнаруживает тепло, излучаемое от самих объектов.

2. Стоимость милливатта оптической мощности. В светодиодах SWIR используется полупроводниковый материал InGaAs. (по сравнению с InGaN для УФ/видимого диапазона и GaAs/AlGaAs для БИК). Стандартный состав Ga₀.₄₇In₀.₅₃As, согласованная решетка с подложками из фосфида индия, имеет граница оптического поглощения ~ 1,68 мкм, с расширенным InGaAs, выходящим за рамки 2.5 мкм. Материал сложнее изготовить., имеет более низкую урожайность, и более низкая эффективность настенной розетки, чем у материалов с синими, зелеными и красными светодиодами.. Промышленные светодиоды SWIR обычно стоят в 10-100 раз дороже на милливатт оптической мощности, чем светодиоды видимого диапазона в корпусе аналогичного размера.. Это формирует дизайн системы: SWIR-освещение имеет бюджетную мощность и импульсное управление для повышения эффективности..

3. Преимущество безопасности глаз выше 1400 нм. Свет с длинами волн примерно выше 1400 нм сильно поглощается водой в роговице и внутриглазной жидкости глаза, прежде чем достичь сетчатки., обеспечение внутреннего запаса безопасности для глаз, недоступного на более коротких длинах волн. Это отражено в МЭК 60825-1 Система классификации безопасности лазеров/светодиодов, который устанавливает более допустимые пределы доступного излучения для длин волн в этом диапазоне.. Свойство безопасности для глаз делает 1550 нм особенно привлекательны для промышленного зондирования, автомобильный лидар, и наружное наблюдение, где воздействие невозможно контролировать. См. 1550статья о нм-кластере для получения подробной информации о классификации безопасности для конкретного применения.

Выбор светодиода SWIR по применению

Контрольный список выбора компонентов светодиодов SWIR

Длина волны – первое решение (таблица спектра выше), но полная спецификация светодиодов SWIR для 1050 к 1750 нм имеет еще шесть измерений. Проработайте их, чтобы превратить приложение в сборную спецификацию компонента.:

1. Центральная длина волны и интервал. Сопоставьте центральную длину волны с объектом поглощения, который вы визуализируете. (1450 нм для воды, 1650 нм для углеводородов, и так далее). SWIR-излучатели имеют допуск на центральную длину волны., поэтому укажите приемлемый контейнер. Более тесные контейнеры означают, что сортировка деталей обходится дороже..
2. Спектральная полоса пропускания (Полуширина). Убедитесь, что полоса пропускания излучателя не просачивается в соседнюю полосу поглощения, которую необходимо разделить в вашей классификации.. Где две группы сидят близко друг к другу, добавьте полосовой фильтр на детектор, а не полагайтесь только на светодиод (см. примечание о перекрытии спектров в разделе «Мультиспектральные светодиодные матрицы».).
3. Выходная мощность излучения и облучение цели. Укажите по радиометрической величине, нет “яркость.” Лучистый поток (мВт) полная излучаемая мощность, интенсивность излучения (мВт/ср) управляет узким лучом, и освещенность в рабочей плоскости (мВт/см²) это то, что на самом деле управляет сигналом детектора. Выполните обратный расчет необходимой освещенности на основе чувствительности камеры InGaAs., время контакта, и рабочее расстояние, затем добавьте запас на оптические и оконные потери.
4. Угол луча и однородность. Выберите просмотр (половинная мощность) угол для покрытия поля контроля на рабочем расстоянии. Для машинного зрения, бюджет на рассеиватель или световую трубку, чтобы выровнять поле. Единообразие, не пиковая интенсивность, устанавливает повторяемость контроля.
5. Упаковка и тепловой путь. Выберите пакет (Следы SMD, такие как 0603 и 0805, низкопрофильный флип-чип, высокомощная керамика, или массив COB) против площади доски, высота, и тепло, которое вам нужно утопить. Эффективность розетки SWIR низкая, поэтому большая часть мощности привода превращается в тепло на переходе. Печатная плата с металлическим сердечником или активное охлаждение обычно используются при мощности примерно один ватт..
6. Схема привода. Определите непрерывный или импульсный режимы.. Импульсный привод при 10 к 50 процентная нагрузка повышает пиковую освещенность и снижает среднюю температуру перехода, но для этого требуется драйвер, который может генерировать пиковый ток, и триггер, синхронизированный с экспозицией камеры.. Для массивов, планируйте регулирование тока для каждого канала, поскольку прямое напряжение различается в зависимости от длины волны.
7. Детектор и оптика совпадают.. Убедитесь, что выбранная длина волны находится внутри InGaAs. (или расширенный InGaAs) окно отзывчивости, и подтвердите каждый объектив, окно, и инкапсулянт на пути передачи передает на этой длине волны (кварц, сапфир, или стекло с рейтингом SWIR, не стандартный акрил или поликарбонат).

Радиометрические величины, которые необходимо указать в таблице данных или в запросе цен.:

Для компромиссов, связанных с длиной волны, за шагом 1, см. статьи кластера, связанные в таблице спектра. Доступные пакеты и таблицы данных, увидеть Категория продукции SWIR LED.

Мультиспектральные светодиодные матрицы

А мультиспектральная светодиодная матрица объединяет две или более дискретных длин волн в одной оптической сборке для захвата более богатой спектральной информации, чем может предоставить источник с одной длиной волны. Для OEM-интеграции, мультиспектральные решетки решают класс задач, которые монохроматическое освещение решить не может.: различение материалов с похожим внешним видом, но с разными характеристиками поглощения SWIR, определение характеристик поверхностных покрытий, и дополнение систем гиперспектральной визуализации.

Варианты архитектуры массива

• Перемежающиеся массивы, несколько светодиодных кристаллов на одной подложке или печатной плате, каждый излучает разную длину волны. Оптический выходной сигнал пространственно смешан в плоскости освещения.. Подходит для применений, в которых цель находится в движении (пищевой конвейер, производственная линия) и выборка с временным мультиплексированием приемлема.
• Последовательный / мультиплексированный привод, один оптический путь с несколькими пакетами светодиодов, управляется во временной последовательности. Камера захватывает один кадр на каждую длину волны. Более чистое спектральное разделение, более медленная частота кадров, требуется синхронизированная электроника привода.
• Пользовательские модули, собирается поставщиком компонентов по спецификации OEM. Сочетает оптимальный набор длин волн, электроника привода, и оптическая упаковка для конкретного приложения обработки изображений.

Аспекты проектирования мультиспектральной системы

• Согласование тока по длинам волн: Различные длины волн светодиодов SWIR имеют разные характеристики прямого напряжения и эффективности.; равномерный оптический выход на каждую длину волны требует регулирования тока для каждого канала, ни одного источника постоянного тока на весь массив
• Спектральное перекрытие, соседние длины волн SWIR (например, 1450 нм и 1550 нм) имеют ширину ~ 30–40 нм по полувысоте и могут перекрываться.; алгоритмы спектральной классификации должны учитывать это
• Оптическая однородность, диффузоры, световые трубы, или интегрирующие сферы обычно используются для пространственной гомогенизации многоспектральных результатов до того, как они достигнут цели.
• Управление температурным режимом, Нагрев, выделяемый несколькими мощными светодиодами, расположенными в непосредственной близости, требует тщательного проектирования печатной платы.; типичны подложки с металлическим сердечником и активное охлаждение
• Синхронизация с камерой, мультиспектральные системы требуют точной синхронизации между импульсами возбуждения светодиодов и экспозицией камеры.; триггерные сигналы обычно подаются от центрального контроллера

Проектирование системного уровня для освещения SWIR и освещения машинного зрения

Полная система освещения SWIR или машинного зрения состоит из четырех взаимозависимых компонентов.. Светодиодный источник света SWIR – один из них.:

1. SWIR светодиодная подсветка, выбирается по длине волны, оптическая сила, угол луча, равномерность освещения, и характеристики привода
2. SWIR-камеры (Датчик InGaAs) или фотодиод/фотодетектор InGaAs, выбирается по спектральному отклику, разрешение пикселей, чувствительность, динамический диапазон
3. Оптика, линзы из кремния и кронного стекла не пропускают свет дальше ~1100 нм; SWIR-оптика использует кварц., сапфир, фторид магния, или специализированные очки с SWIR-покрытием
4. Приводная электроника + время, импульсный привод (типичный рабочий цикл 10-50%) максимизирует пиковую оптическую мощность при управлении тепловой нагрузкой; Точная синхронизация импульсов синхронизирует светодиодное освещение SWIR с экспозицией камеры

Соответствие компонентов имеет значение. А 1550 нм светодиод в сочетании со стандартной камерой SWIR (Датчик InGaAs) это самая сильная комбинация сигнал/шум, поскольку эта длина волны находится вблизи пика чувствительности InGaAs.. Эта же камера в сочетании с 1750 нм-светодиод видит значительно уменьшенный сигнал, поскольку чувствительность датчика падает вблизи границы его чувствительного диапазона.. Выбор расширенной камеры InGaAs решает проблему. 1750 проблема с чувствительностью нанометров за повышенную стоимость.

Для освещения систем машинного зрения, однородность луча по всему полю контроля имеет решающее значение: неравномерное SWIR-освещение создает непостоянный контраст, что усложняет анализ последующих изображений. Диффузоры, световые трубы, или массивы с несколькими излучателями гомогенизируют выходной сигнал источника света SWIR до того, как он достигнет цели контроля.

Для оптики, поликарбонат и акрил прозрачны в видимом диапазоне, но сильно поглощают в SWIR. Используйте стекло с рейтингом SWIR., кварц, или сапфир для любых окон, линзы, или оптика формирования луча в пути светодиода. Стандартные силиконовые герметики для светодиодов прозрачны для SWIR-излучения примерно до 1700 нм и обычно приемлемы внутри светодиодного корпуса..

Гиперспектральный против. мультиспектральная визуализация, уточнение условий

Эти два термина часто используются как взаимозаменяемые, но описывают разные подходы к визуализации.. Согласно стандартному различению, использование гиперспектральных изображений непрерывный и непрерывный диапазоны длин волн (например, 400-1100 нм в 1 нм шагов), в то время как мультиспектральная визуализация использует подмножество целевых длин волн в выбранных местах (например, 400-1100 нм в 20 нм шагов):

Светодиоды SWIR обычно используются в мультиспектральных системах., не гиперспектральный. Гиперспектральные системы обычно требуют покрытия в смежных диапазонах, чего не могут обеспечить дискретные светодиодные матрицы.; они используют широкополосные источники (галоген, суперконтинуальные лазеры) плюс призменные или решеточные спектрометры. Тем не менее, SWIR-светодиоды добавка гиперспектральные системы в некоторых конфигурациях, обеспечивая мощное освещение на ключевых пиках поглощения, в то время как спектрометр захватывает весь спектр.

Особенности упаковки светодиодов SWIR

Светодиоды SWIR поставляются в компактных корпусах для поверхностного монтажа для интеграции на уровне платы., плюс более крупные COB и индивидуальные пакеты массивов для систем высокой мощности:

• SMD-пакеты, стандартные размеры для поверхностного монтажа (0603, 0805, большие керамические упаковки) подходит для интеграции с печатной платой. Инфэна ультракомпактный 0603 SWIR-светодиод предназначен для портативных и миниатюрных OEM-приложений с ограниченным пространством.
• Низкопрофильные корпуса с флип-чипом, минимизируйте высоту упаковки для тонких форм-факторов. Полезно в оптических системах, где несколько излучателей требуют плотного вертикального расположения..
• Пакеты высокой мощности, несколько SWIR-чипов на керамической подложке с медными теплоотводами. Используется для измерения на большом расстоянии и в приложениях с высоким уровнем излучения..
• COB (чип-на-плате), множество SWIR-чипов, установленных непосредственно на подложке, для высокой оптической мощности и равномерного освещения площади.. Используется в промышленных инспекционных осветителях и мультиспектральных матрицах..

Два примечания к материалам, относящимся к упаковке SWIR:

• Выбор герметика имеет значение. Стандартные силиконы светодиодного класса достаточно хорошо пропускают свет через 1700 нм. Для 1750 нм и далее, силиконы с низким содержанием воды или неинкапсулированные чипы в герметичной упаковке обеспечивают более чистый спектральный выходной сигнал.
• Материалы окон должны быть SWIR-прозрачными.. Стандартное боросиликатное стекло работает примерно 2500 нм. Кварц и сапфир — чистый выбор для высокотемпературных или химически агрессивных сред..

Портфолио светодиодов Yingfeng SWIR

Yingfeng-led распространяет линейку промышленных SWIR-светодиодов Marubeni для OEM-интеграции. Стандартные длины волн охватывают 1050 нм через 1750 нм в корпусах для поверхностного монтажа и высокой мощности:

• 1050 нм и 1200 нм Пакеты SMD для SWIR-изображений ближнего действия, машинное зрение, и приложения, связанные с кремнием
• 1450 нм и 1550 нм Корпуса SMD и высокой мощности для обнаружения влаги, инспекция пищевых продуктов, и безопасное для глаз распознавание
• 1650 нм и 1750 нм пакеты для обнаружения углеводородов, переработка, и расширенная SWIR-визуализация
• Ультракомпактные и низкопрофильные упаковки для носимых устройств и конструкций с ограниченным пространством (видеть ультракомпактный 0603 SWIR-светодиод и низкопрофильный флип-чип SWIR)
• Пользовательские мультиспектральные массивы создан на основе портфеля стандартных длин волн для требований OEM-приложений

Полные характеристики, таблицы данных, и образцы запросов, увидеть Категория продукции SWIR LED или связаться с Tech-led Engineering для рекомендаций по компонентам OEM.

Часто задаваемые вопросы

Что такое SWIR-светодиод?

SWIR LED — это светодиод, излучающий коротковолновый инфракрасный свет., обычно в 1050-1750 нм диапазон. SWIR-светодиоды построены на арсениде индия-галлия. (InGaAs) полупроводниковый материал и для обнаружения требуются датчики камеры InGaAs, поскольку они излучают за пределами отсечки кремниевого детектора при ~ 1100 нм..

Какую длину волны светодиода SWIR мне следует использовать для моего применения??

Выбор зависит от профиля поглощения цели.. Для обнаружения влаги: 1450 нм (пик водопоглощения). Для безопасного для глаз обнаружения на открытом воздухе: 1550 нм (над 1400 нм порог стекловидного поглощения). Для сортировки масла и пластика: 1650 нм (Поглощение связи CH). Для машинного зрения через кремний или туман: 1050-1200 нм. Для мультиспектральной визуализации: объединить несколько длин волн в массив.

В чем разница между светодиодами SWIR и светодиодами NIR??

НИР (ближний инфракрасный) Светодиоды излучают при 750-1000 нм и обнаруживаются кремниевыми камерами и фотодиодами.. СВИР (коротковолновый инфракрасный) Светодиоды излучают при 1050-1700 нм и требуют датчиков InGaAs. SWIR-светодиоды раскрывают информацию, которую не видят кремниевые системы: состав материала по сигнатурам поглощения, содержание воды, присутствие углеводородов, и визуализация сквозь туман.

Безопасны ли светодиоды SWIR для глаз??

Длины волн SWIR примерно выше 1400 нм (например, 1450, 1550, 1650, 1750 нм) сильно поглощаются жидкостью стекловидного тела глаза, прежде чем достичь сетчатки, обеспечение неотъемлемого преимущества в области безопасности глаз. Вот почему 1550 нм — стандарт для безопасных для глаз промышленных датчиков и автомобильных лидаров.. SWIR-светодиоды внизу 1400 нм (1050, 1200 нм) не имеют этого преимущества и требуют IEC 60825-1 Классификация безопасности лазера/светодиодов для каждого применения.

Могу ли я использовать обычную CMOS или CCD камеру со светодиодами SWIR??

Нет. Кремниевые датчики изображения (КМОП, ПЗС-матрица) стать бесчувственным в прошлом примерно 1000 нм и фактически слепы 1100 нм. Для обнаружения светодиодов SWIR требуются датчики InGaAs или расширенные датчики InGaAs.. Это самый крупный фактор затрат при проектировании системы SWIR.: Камеры InGaAs обычно стоят в 10–50 раз дороже, чем эквивалентные кремниевые камеры..

Почему светодиоды SWIR дороже, чем светодиоды NIR?

В светодиодах SWIR используется полупроводниковый материал InGaAs., что сложнее изготовить, имеет более низкую эффективность подключения к розетке, и меньший объем производства, чем у InGaN (УФ/видимый) или GaAs (НИР) материалы, используемые в коротковолновых светодиодах. Промышленные светодиоды SWIR обычно стоят в 10-100 раз дороже на милливатт оптической мощности, чем эквивалентные светодиоды видимого диапазона.. Объемные цены улучшаются по мере роста коммерческого спроса на приложения для визуализации SWIR..

Каков типичный срок службы светодиода SWIR?

Промышленные светодиоды SWIR класса L70 (время 70% выход) в 10,000-30,000 часов при работе в пределах тепловых и электрических характеристик. Срок службы очень чувствителен к температуре перехода.; снижение номинального тока привода и добавление теплоотвода могут существенно продлить срок службы. Импульсный режим (низкий рабочий цикл) также продлевает срок службы за счет снижения средней температуры перехода.

Как мне спроектировать мультиспектральную систему визуализации SWIR??

Четыре взаимосвязанных компонента: (1) выберите набор длин волн на основе спектральных характеристик цели; (2) соответствие спектральных характеристик SWIR-светодиодов и InGaAs-камеры; (3) использовать SWIR-прозрачную оптику (кварц, сапфир, Очки с рейтингом SWIR, кремний и стандартные полимеры не работают); (4) управлять светодиодами с помощью поканальной регулировки тока и синхронизировать импульсы с экспозицией камеры. Изготовленные на заказ модули мультиспектральной матрицы от поставщика светодиодных компонентов SWIR часто более рентабельны, чем сборка из отдельных излучателей для больших объемов производства..

Что такое мультиспектральная светодиодная система SWIR?

Мультиспектральная светодиодная система SWIR сочетает в себе две или более дискретные коротковолновые инфракрасные волны между 1050 и 1750 нм в одном осветителе, в сочетании с камерой InGaAs, поэтому он может считывать несколько характеристик поглощения за одну проверку. Каждая длина волны нацелена на определенную сигнатуру (например 1450 нм для воды, 1650 нм для углеводородов), а захваченные интенсивности полос классифицируют материал, который выглядит идентично в видимом свете.. См. раздел «Мультиспектральные светодиодные матрицы» выше, чтобы узнать об архитектуре массивов и особенностях привода..

Существует ли руководство по выбору компонентов для 1050 к 1750 нм SWIR светодиоды?

Да. Начните с функции целевого поглощения, чтобы зафиксировать центральную длину волны. (таблица спектра выше), затем проработайте контрольный список из семи шагов по выбору компонентов.: интервал длин волн, спектральная полоса пропускания, мощность излучения и освещенность, Угол луча и однородность, упаковка и тепловой путь, схема привода, и детектор и оптика совпадают. Эта последовательность превращает приложение в сборную спецификацию SWIR-светодиода во всем 1050 к 1750 нм диапазон.