新一代LED技術在公安刑偵領域中的應用

前言

目前，在公安刑偵領域中所采用的現場痕跡勘查照明技術依然是多波段光源占主導地位，因這種光源的發光器件沿用傳統的鹵素燈或氣體放電燈，在實際現場勘查工作中所暴露出的壽命短、耗電大、易發熱、易爆裂、有污染等問題依然無法解決，而LED發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的新一代光源。它具有體積小、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(10萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染)、可平面封裝易開發成輕薄短小產品等優點，是符合環保理念的綠色光源，足以替代白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統光源。

在科技部“863”計劃的支持下，2003年6月份首次提出發展半導體照明計劃。經過短時間的頑強攻關，我國技術人員已自主開發出在藍光芯片上涂敷熒光粉，形成了實現白光LED照明的成熟技術，并向國際市場推出了傳統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品。目前，高性能LED已廣泛用于一些特殊場所，如軍用設施、礦山、潛水、探險等行業，同樣，它也為公安刑偵領域中的現場痕跡勘查光源、文檢儀等設備提供了先進、可靠的發光器件。

現場痕跡勘查光源的發光器件應用

在公安刑偵領域中廣泛應用的現場痕跡勘查系統按現場痕跡的提取、攝錄、處理三個過程可分為現場痕跡勘查光源及化學顯現方法、寬光譜高分辨率攝像機或照相機、圖象分析處理軟件三大部分。現場痕跡勘查光源是系統的第一部分，它主要有高效能光源及匹配電源、高強度濾光片膜系和高傳輸效率液芯光纜、化學顯現方法等組成，技術構成比較復雜。而LED發光器件的誕生，由于它帶寬較窄、光斑比較均勻，實踐應用中可省略原現場痕跡勘查光源中的高強度濾光片膜系和高傳輸效率光纜兩項關鍵技術，使系統的技術構成更為簡化。

發光峰值波長及其帶寬的比較

雖然，LED發光二極管的技術在近些年來已經經歷了飛速發展的過程，但由于我國還未建立LED光度標準，從而影響了LED產品質量的提高和量值的統一。在實踐應用中，我們著手對LED光學參數測量，并進行了LED和傳統鹵素燈的發光峰值波長和帶寬比較的實驗工作。

LED的發光峰值波長及其帶寬

LED發光強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。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及PN結結構(外延層厚度、摻雜雜質)等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。

圖1繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。1是藍色InGaN／GaN發光二極管，發光譜峰λp=460～465nm；2是綠色GaP：N的LED，發光譜峰λp=550nm：3是紅色GaP：Zn-O的LED，發光譜峰λp=680～700nm；4是紅外LED使用GaAs材料，發光譜峰λp=910nm；5是Si光電二極管，通常作光電接收用：6是標準鎢絲燈。由圖可見，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處(光輸出最大)，與之相對應有一個波長，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準局國內色彩研究學會ISCC-NBS(Inter-Society Color Council——National Bureau of Standards)制定的標準：色溫是根據普朗克黑體輻射溫度函數定義的。圖2描述了波長(色彩)與絕對溫度的關系。

譜線寬度

在LED譜線的峰值兩側±△λ處，存在兩個光強等于峰值(最大光強度)一半的點，此兩點分別對應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。

主波長

有的LED發光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長：甚至有多個峰值，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材料可發出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結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行測量，波長間隔為1nm為好，應用LED的光譜功率分布Et計算公式和LED的色坐標計算公式可計算LED的主波長和色純度。

傳統痕檢勘查光源中使用的鹵素燈發出的光譜是連續光譜，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，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)。由于上述指標僅靠一片濾光片難以達到，而采用多片多層介質膜干涉組合的方式來實現，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，由于采用化學顯現方法，而LED的帶寬較窄帶濾光片的帶寬略寬，且后沿不太陡，為避免激發光干擾熒光(一般激發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的長波通濾色鏡。

傳統痕檢勘查光源和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，這可通過曝光時間或計算機軟件進行修正。

LED光源與傳統痕檢勘查光源的性能比較

該類LED現場勘查光源配有白、綠、藍等不同波段，可用于刑事現場搜尋指紋、足跡，檢測體液等，還可用于文檢、數碼攝像機配套照明取證等方面的工作，是一種環保、節能、高效的冷光源。長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下，隨著功率型LED開發應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據，如LED的光衰減為原來35％時，壽命則>6000h。因而，綜上所述，該類光源具有以下優特點：

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10年以上，使用期間無須更換，節省甚至免去維修費和周期性更換費用)；

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，不會產生廢光，色域寬，擁有飽和的靜態和動態照明效果，且完全調暗而無色差，模擬自然光，其顯色指數接近100)；

5 體積小、重量輕、便于攜帶；

6 有利于環保(不使用有害于環境的材料)；

7 對啟用的環境也沒有苛刻的要求(即使在-40℃的環境也可啟動)。

文檢儀等的發光器件應用

目前，與現場痕跡勘查系統一樣，國內外大多數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所暴露的壽命短、耗電大、易發熱、易爆裂、有污染等問題，因此，具有光照面積小、光輸出集中、發光均勻、光照度高等優點的LED平面陣列技術將在文檢工作中發揮重要作用。

平面LED陣列制成的狹縫光源結合步進掃描成像方式，可克服傳統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薄膜陶瓷基板運用濺鍍、電化學沉積，以及黃光微影技術制成，具有金屬線路精確、材料系統穩定等特性，解決了共晶／復晶封裝制程對陶瓷基板金屬線路解析度與精確度的嚴格要求，同時簡化了光源的光學設計，有助于縮小光源面積、縮減材料、降低系統成本，使產品體積更趨輕薄短小。

其它應用領域

LED技術同樣也可應用到公安反恐領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、機動靈活性強等顯著優點。

結束語

隨著LED發光二極管技術的不斷發展，如發光功率的提高、主波長系列的擴展、帶寬矩形系數的優化、散熱等技術的進步，它必將在公安領域中有更廣的應用前景。