新一代LED技術(shù)在公安刑偵領(lǐng)域中的應(yīng)用

前言

目前，在公安刑偵領(lǐng)域中所采用的現(xiàn)場痕跡勘查照明技術(shù)依然是多波段光源占主導(dǎo)地位，因這種光源的發(fā)光器件沿用傳統(tǒng)的鹵素?zé)艋驓怏w放電燈，在實(shí)際現(xiàn)場勘查工作中所暴露出的壽命短、耗電大、易發(fā)熱、易爆裂、有污染等問題依然無法解決，而LED發(fā)光器件的誕生從根本上解決了上述問題。

近兩年來，白光LED在照明市場的前景備受全球矚目，它已成為二十一世紀(jì)的新一代光源。它具有體積小、發(fā)熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(10萬小時(shí)以上)、反應(yīng)速度快(可在高頻操作)、環(huán)保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染)、可平面封裝易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，是符合環(huán)保理念的綠色光源，足以替代白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統(tǒng)光源。

在科技部“863”計(jì)劃的支持下，2003年6月份首次提出發(fā)展半導(dǎo)體照明計(jì)劃。經(jīng)過短時(shí)間的頑強(qiáng)攻關(guān)，我國技術(shù)人員已自主開發(fā)出在藍(lán)光芯片上涂敷熒光粉，形成了實(shí)現(xiàn)白光LED照明的成熟技術(shù)，并向國際市場推出了傳統(tǒng)封裝型和多芯片集成型的系列白光LED光源及其普通照明燈產(chǎn)品。目前，高性能LED已廣泛用于一些特殊場所，如軍用設(shè)施、礦山、潛水、探險(xiǎn)等行業(yè)，同樣，它也為公安刑偵領(lǐng)域中的現(xiàn)場痕跡勘查光源、文檢儀等設(shè)備提供了先進(jìn)、可靠的發(fā)光器件。

現(xiàn)場痕跡勘查光源的發(fā)光器件應(yīng)用

在公安刑偵領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場痕跡勘查系統(tǒng)按現(xiàn)場痕跡的提取、攝錄、處理三個(gè)過程可分為現(xiàn)場痕跡勘查光源及化學(xué)顯現(xiàn)方法、寬光譜高分辨率攝像機(jī)或照相機(jī)、圖象分析處理軟件三大部分。現(xiàn)場痕跡勘查光源是系統(tǒng)的第一部分，它主要有高效能光源及匹配電源、高強(qiáng)度濾光片膜系和高傳輸效率液芯光纜、化學(xué)顯現(xiàn)方法等組成，技術(shù)構(gòu)成比較復(fù)雜。而LED發(fā)光器件的誕生，由于它帶寬較窄、光斑比較均勻，實(shí)踐應(yīng)用中可省略原現(xiàn)場痕跡勘查光源中的高強(qiáng)度濾光片膜系和高傳輸效率光纜兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成更為簡化。

發(fā)光峰值波長及其帶寬的比較

雖然，LED發(fā)光二極管的技術(shù)在近些年來已經(jīng)經(jīng)歷了飛速發(fā)展的過程，但由于我國還未建立LED光度標(biāo)準(zhǔn)，從而影響了LED產(chǎn)品質(zhì)量的提高和量值的統(tǒng)一。在實(shí)踐應(yīng)用中，我們著手對LED光學(xué)參數(shù)測量，并進(jìn)行了LED和傳統(tǒng)鹵素?zé)舻陌l(fā)光峰值波長和帶寬比較的實(shí)驗(yàn)工作。

LED的發(fā)光峰值波長及其帶寬

LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構(gòu)(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。

圖1繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED光譜響應(yīng)曲線。1是藍(lán)色I(xiàn)nGaN／GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp=460～465nm；2是綠色GaP：N的LED，發(fā)光譜峰λp=550nm：3是紅色GaP：Zn-O的LED，發(fā)光譜峰λp=680～700nm；4是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰λp=910nm；5是Si光電二極管，通常作光電接收用：6是標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈。由圖可見，無論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對光強(qiáng)度最強(qiáng)處(光輸出最大)，與之相對應(yīng)有一個(gè)波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。

色彩的命名是采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)局國內(nèi)色彩研究學(xué)會ISCC-NBS(Inter-Society Color Council——National Bureau of Standards)制定的標(biāo)準(zhǔn)：色溫是根據(jù)普朗克黑體輻射溫度函數(shù)定義的。圖2描述了波長(色彩)與絕對溫度的關(guān)系。

譜線寬度

在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值(最大光強(qiáng)度)一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對應(yīng)λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)。

主波長

有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長：甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長，而主波長只有一個(gè)，它會隨著LED長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。

LED的光譜寬度很窄，一般小于40nm。為了準(zhǔn)確地描繪LED的光譜分布輪廓，最好采用窄帶波長寬度的單色儀進(jìn)行測量，波長間隔為1nm為好，應(yīng)用LED的光譜功率分布Et計(jì)算公式和LED的色坐標(biāo)計(jì)算公式可計(jì)算LED的主波長和色純度。

傳統(tǒng)痕檢勘查光源中使用的鹵素?zé)舭l(fā)出的光譜是連續(xù)光譜，因而，必須在光輸出端前加裝窄帶濾光片。窄帶濾光片的主波長根據(jù)不同的客體材料及熒光粉末種類可選取365、400、450、485、530、570、630nm等，一股主波長精度在±5、或+5／-7nm范圍內(nèi)，帶寬一般控制在30～35±5nm之間，峰值透射率≥65％，背景透射0.05％(200～750nm)、0.1％(750～1100nm)。由于上述指標(biāo)僅靠一片濾光片難以達(dá)到，而采用多片多層介質(zhì)膜干涉組合的方式來實(shí)現(xiàn)，因此成本相對較高。

圖3繪出了不同的窄帶濾光片的光譜曲線，由于采用化學(xué)顯現(xiàn)方法，而LED的帶寬較窄帶濾光片的帶寬略寬，且后沿不太陡，為避免激發(fā)光干擾熒光(一般激發(fā)熒光的峰值波長在濾光片峰值波長沿長波方向偏移30～50nm)，可選用偏移量稍大的熒光粉及相應(yīng)的長波通濾色鏡。

傳統(tǒng)痕檢勘查光源和LED固體光源對同一客體拍攝的指紋照片比較

如圖4和圖5所示，兩副照片的指紋清晰度、光均勻度相差無幾；但后者亮度稍低于前者，這可通過曝光時(shí)間或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行修正。

LED光源與傳統(tǒng)痕檢勘查光源的性能比較

該類LED現(xiàn)場勘查光源配有白、綠、藍(lán)等不同波段，可用于刑事現(xiàn)場搜尋指紋、足跡，檢測體液等，還可用于文檢、數(shù)碼攝像機(jī)配套照明取證等方面的工作，是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的冷光源。長期以來總認(rèn)為LED壽命為106小時(shí)，這是指單個(gè)LED在IF=20mA下，隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)，如LED的光衰減為原來35％時(shí)，壽命則>6000h。因而，綜上所述，該類光源具有以下優(yōu)特點(diǎn)：

1 安全可靠性高(濾光片、燈泡易損造成安全隱患)；

2 使用壽命長(達(dá)10年以上，使用期間無須更換，節(jié)省甚至免去維修費(fèi)和周期性更換費(fèi)用)；

3 耗電量小；

4，無須安裝濾光鏡(即可擁有更高的色彩飽和度，不會產(chǎn)生廢光，色域?qū)挘瑩碛酗柡偷撵o態(tài)和動態(tài)照明效果，且完全調(diào)暗而無色差，模擬自然光，其顯色指數(shù)接近100)；

5 體積小、重量輕、便于攜帶；

6 有利于環(huán)保(不使用有害于環(huán)境的材料)；

7 對啟用的環(huán)境也沒有苛刻的要求(即使在-40℃的環(huán)境也可啟動)。

文檢儀等的發(fā)光器件應(yīng)用

目前，與現(xiàn)場痕跡勘查系統(tǒng)一樣，國內(nèi)外大多數(shù)的高級文檢儀的光源采用氣體放電燈和熒光燈，同樣存在著痕跡勘查系統(tǒng)所暴露的壽命短、耗電大、易發(fā)熱、易爆裂、有污染等問題，因此，具有光照面積小、光輸出集中、發(fā)光均勻、光照度高等優(yōu)點(diǎn)的LED平面陣列技術(shù)將在文檢工作中發(fā)揮重要作用。

平面LED陣列制成的狹縫光源結(jié)合步進(jìn)掃描成像方式，可克服傳統(tǒng)的一次成像文檢儀成像幅面小、像面照度均勻性差、四周畸變大等弊端。

在平面LED陣列中，COB(Chip On Board)散熱基板中的高散熱系數(shù)薄膜陶瓷基板運(yùn)用濺鍍、電化學(xué)沉積，以及黃光微影技術(shù)制成，具有金屬線路精確、材料系統(tǒng)穩(wěn)定等特性，解決了共晶／復(fù)晶封裝制程對陶瓷基板金屬線路解析度與精確度的嚴(yán)格要求，同時(shí)簡化了光源的光學(xué)設(shè)計(jì)，有助于縮小光源面積、縮減材料、降低系統(tǒng)成本，使產(chǎn)品體積更趨輕薄短小。

其它應(yīng)用領(lǐng)域

LED技術(shù)同樣也可應(yīng)用到公安反恐領(lǐng)域中的非致命致眩裝備中，它與激光致眩武器相比較，具有近距離使用不會造成永久性傷害、小型化、機(jī)動靈活性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)束語

隨著LED發(fā)光二極管技術(shù)的不斷發(fā)展，如發(fā)光功率的提高、主波長系列的擴(kuò)展、帶寬矩形系數(shù)的優(yōu)化、散熱等技術(shù)的進(jìn)步，它必將在公安領(lǐng)域中有更廣的應(yīng)用前景。