環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

蔡能斌，黃曉春，徐寶楨

（1.上海市公安局物證鑒定中心，上海 200083；2.上海恒光警用器材有限公司，上海 200083）

1 引言

在刑事案件的案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，利用各種光源搜索和發(fā)現(xiàn)潛在物證是法庭科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。隨著刑事技術(shù)的發(fā)展，用于現(xiàn)場(chǎng)搜索和發(fā)現(xiàn)潛在物證的光源發(fā)展很快，目前常用的光源有紫外燈［1］、激光［2-3］和多波段光源［4-5］等。多波段光源最初是作為激光的替代光源出現(xiàn)的，由于其具有亮度高、波段豐富、便于攜帶等特點(diǎn)，在法庭科學(xué)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。但是，在實(shí)踐中這些光源往往是相對(duì)獨(dú)立的，沒(méi)有和成像系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)潛在物證的發(fā)現(xiàn)和提取過(guò)程銜接不夠緊密，有時(shí)雖然發(fā)現(xiàn)了物證，卻不能有效地提取；就多波段光源而言，各波段由鍍膜的帶通濾光鏡分光而來(lái)，受鍍膜工藝的限制，隨著時(shí)間的推移，鍍膜可能逐漸消褪，從而使各波段的光譜有所偏移。此外，由于激光和多波段光源功率較大，通常需要使用交流電源，因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有一定的限制。為此，本文研制了環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)，LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體組件，不同種類的LED能夠發(fā)出從200-1550nm波長(zhǎng)范圍的不同波長(zhǎng)的光線［6］；LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里面，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，因此可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易損壞，LED光源體積小、重量輕，單色性好，無(wú)需濾光，可直接發(fā)出相關(guān)波段的光，且亮度衰減周期長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)。本文研制的環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)集成了多波段光源和紅紫外相機(jī)、載物臺(tái)等設(shè)備，使現(xiàn)場(chǎng)潛在物證的發(fā)現(xiàn)和提取過(guò)程融為一體，由于LED發(fā)光的單色性好，光譜窄，無(wú)需濾光，因此各波段的光譜穩(wěn)定，檢測(cè)靈敏度較高，且操作簡(jiǎn)便，交直流兩用，不僅適合實(shí)驗(yàn)室使用，同樣也適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2 環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)的總體的設(shè)計(jì)

如圖1、圖2所示為環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖，由主體柜1、升降裝置2、XY移動(dòng)平臺(tái)3、主體平臺(tái)4、萬(wàn)向云臺(tái)5、立柱架6、光源固定架7、環(huán)形LED多波段光源8、相機(jī)固定架9和紅紫外相機(jī)10組成。其結(jié)構(gòu)如下：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖（正視圖）

主體柜1，其柜面11設(shè)有中心孔111，柜內(nèi)設(shè)置升降裝置2，本實(shí)施例的升降裝置2采用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在主體柜1的底部安裝4個(gè)萬(wàn)向滾輪12，萬(wàn)向滾輪12為低噪音萬(wàn)向移動(dòng)滾輪，使用萬(wàn)向滾輪12使主體柜1可以在水平方向任意移位，同時(shí)萬(wàn)向滾輪12具有鎖死功能，進(jìn)行照相工作時(shí)可使主體柜1固定在所需位置。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖（右視圖）

XY移動(dòng)平臺(tái)3，這是現(xiàn)有產(chǎn)品，其有兩個(gè)使移動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面在水平方向分別能作X與Y向移動(dòng)的電機(jī)，其置于主體柜1內(nèi)，XY移動(dòng)平臺(tái)3的臺(tái)面底面固定于升降裝置2的升降桿21頂部，使該XY移動(dòng)平臺(tái)3的臺(tái)面既能進(jìn)行升降移動(dòng)，又能在水平方向進(jìn)行X與Y向的移動(dòng)，該移動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面上面固定一安裝桿31，安裝桿31伸出柜面的中心孔111。

主體平臺(tái)4，固定于所述安裝桿31的頂部，使其可以跟隨XY移動(dòng)平臺(tái)3既能進(jìn)行升降移動(dòng)，又能在水平方向進(jìn)行X與Y向的移動(dòng)。

萬(wàn)向云臺(tái)5，是現(xiàn)有產(chǎn)品，采用能進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)及0-45°傾斜的萬(wàn)向云臺(tái)，其擱置于所述主體平臺(tái)4上的中心位置，其既可以跟隨主體平臺(tái)4進(jìn)行X、Y方向移動(dòng)及升降移動(dòng)，本身又能進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)及0-45°傾斜。如果只需平面取證的被檢物證，不需進(jìn)行多角度照相取證，將萬(wàn)向云臺(tái)5取走，直接將該被檢物證置放于主體平臺(tái)4上進(jìn)行照相取證；如果是需要多角度取證的被檢物證，就需要多角度進(jìn)行照相取證，則將該萬(wàn)向云臺(tái)5擱置于所述主體平臺(tái)4上，將該被檢物證置放于萬(wàn)向云臺(tái)5的臺(tái)面上，進(jìn)行多角度照相取證。

立柱架6，為中空管（內(nèi)置電路線），固定于所述主體柜的柜面11上。

環(huán)形LED多波段光源8，參見(jiàn)圖3-圖4，其是由安裝座81、安裝在該安裝座81上的LED光源集成組82以及與光源集成組82連接的直流電源83組成，在安裝座81的中心設(shè)置中心孔84。

相機(jī)10，采用紅紫外數(shù)碼相機(jī)，其安裝在一個(gè)相機(jī)固定架9上，相機(jī)固定架9固定安裝在立柱架6頂端，并使相機(jī)10的鏡頭中心正對(duì)萬(wàn)向云臺(tái)5的臺(tái)面中心，與相機(jī)10連接的鏡頭探入環(huán)形LED多波段光源8的中心孔84內(nèi)進(jìn)行拍照。紅紫外數(shù)碼相機(jī)可通過(guò)USB線與計(jì)算機(jī)連接，可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)相機(jī)進(jìn)行操控（計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有圖像處理軟件），可對(duì)紅紫外相機(jī)所拍攝的現(xiàn)場(chǎng)物證圖像進(jìn)行優(yōu)化。

3 環(huán)形LED多波段光源的設(shè)計(jì)

如圖3所示為環(huán)形LED多波段光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，由安裝座81、安裝在該安裝座81上的LED光源集成組82以及與光源集成組82連接的直流電源83組成，在安裝座81的中心設(shè)置中心孔84。如圖4所示為環(huán)形LED多波段光源的電路設(shè)計(jì)圖，所述直流電源83為+12V鋰電池，置放在安裝座81內(nèi)。

安裝座81的一側(cè)固定一個(gè)光源固定架7，參見(jiàn)圖2，光源固定架7固定在萬(wàn)向云臺(tái)5上方的立柱架6上并使環(huán)形LED多波段光源8的中心正對(duì)萬(wàn)向云臺(tái)5的臺(tái)面中心，使環(huán)形LED多波段光源8的光源均勻照在置于萬(wàn)向云臺(tái)5上的物證或置于主體平臺(tái)4上的物證。

LED光源集成組82由九個(gè)不同波長(zhǎng)（365nm，400nm，420nm，450nm，520nm，580nm，620nm，945nm及白光）的光源組并聯(lián)組成，每個(gè)波長(zhǎng)的光源組由數(shù)個(gè)四波長(zhǎng)的LED串聯(lián)組成。圖4所示的電路中，直流電源83與分色光源集成組82之間連接一個(gè)總開(kāi)關(guān)K，在總開(kāi)關(guān)K與每個(gè)波長(zhǎng)的光源組之間分別連接一個(gè)分開(kāi)關(guān)K1-K9，這樣，可以根據(jù)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)潛在物證的具體情況，來(lái)選擇不同波長(zhǎng)的LED光源組進(jìn)行照明，以滿足分色照相、紫外照相、紅外照相及光致發(fā)光照相等技術(shù)要求。

為使照明的光源均勻，參見(jiàn)圖3，LED光源集成組82的所有LED均勻分布于安裝座81中心點(diǎn) （B點(diǎn)）周圍，即所有LED均勻分布于與中心孔84同心的兩個(gè)同心圓上，并每個(gè)波長(zhǎng)的光源組中數(shù)個(gè)LED同樣均勻分布于安裝座81中心點(diǎn)（B點(diǎn)）周圍，即每個(gè)波長(zhǎng)的光源組中4個(gè)LED在均勻分布在一個(gè)圓上相隔90°的位置上。

為防止環(huán)境光線的干擾，在環(huán)形LED多波段光源8的外面套有一個(gè)遮光罩20。遮光罩20是由扇形折疊式遮光材料圍成的圓錐形罩，其高度為環(huán)形LED多波段光源8與主體柜的柜面11的距離。遮光罩20套在環(huán)形LED多波段光源8的外面后擱置在柜面11上，圓錐形罩頂部一點(diǎn)與安裝座81可拆卸連接，左右兩個(gè)扇邊設(shè)有互扣的搭扣。使用時(shí)將扇形面從該點(diǎn)開(kāi)始左右展開(kāi)并沿著安裝座81周邊圍成一個(gè)圓錐形罩，并將重疊的扇邊用搭扣互扣；不用時(shí)，解開(kāi)搭扣成折疊狀，這樣，便于被檢物證以及萬(wàn)向云臺(tái)5的取放。

圖3 環(huán)形LED多波段光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖4 環(huán)形LED多波段光源的電路設(shè)計(jì)圖

4 研制結(jié)果

如圖5所示為環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)研制結(jié)果的實(shí)物照片。環(huán)形LED多波段光源包含九個(gè)不同波段（365nm，400nm，420nm，450nm，520nm，580nm，620nm，945nm及白光）的光譜，在這些波段可以用來(lái)進(jìn)行分色照相，其中的365nm是紫外熒光照相和紫外反射照相的常用波段，400nm、420nm、450nm和520nm是可見(jiàn)熒光照相和紅外發(fā)光照相的常用波段，580nm可用來(lái)激發(fā)潛在字跡的紅外發(fā)光［7］，620nm和945nm是紅外反射照相的常用波段。綜上所述，應(yīng)用該設(shè)備可以進(jìn)行分色照相、紫外照相、紅外照相及光致發(fā)光照相等實(shí)驗(yàn)，且具有光照均勻、單色性好、無(wú)需濾光、光譜穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。此外，為了進(jìn)一步提高該設(shè)備的實(shí)用性，在研制過(guò)程中還設(shè)計(jì)了許多附件，如：直流面光源、直流環(huán)形光源、多頭點(diǎn)光源等，以滿足可見(jiàn)光物證檢驗(yàn)照相的配光技術(shù)要求。

圖5 環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)實(shí)物照片

5 案例應(yīng)用

環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)已經(jīng)在多起案件中得到了成功的應(yīng)用，例如：2011年10月，上海市嘉定區(qū)發(fā)生一起殺人焚尸案，技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)提取到一個(gè)殘缺的塑料瓶，要求以光學(xué)方法在該物證表面提取指印。由于該物證經(jīng)高溫后表面變形嚴(yán)重，普通照相光斑較小，指印紋線表現(xiàn)不完整，如圖6所示。利用環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)進(jìn)行紫外照相，拍攝結(jié)果光照均勻指印紋線表現(xiàn)較完整、反差良好，為案件偵破提供了技術(shù)支撐，如圖7所示。

圖6 普通照相拍攝的指印

圖7 環(huán)形LED多波段光源成像系統(tǒng)拍攝的指印

［1］孫成元，吳萬(wàn)哲，李強(qiáng).便攜環(huán)形紫外燈的研制與應(yīng)用［M］.第四次全國(guó)刑事照相學(xué)術(shù)交流會(huì)論文選，1998：323-324.

［2］蔡能斌，黃曉春，溫思博.紫外激光技術(shù)顯現(xiàn)潛在指印的研究［J］.中國(guó)司法鑒定，2010（4）：20-22.

［3］蔡能斌，顧麗華，黃曉春等.紫外激光探測(cè)對(duì)常見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)生物物證DNA檢驗(yàn)的影響［J］.影像技術(shù)，2011（6）：29-32.

［4］楊任偉.多波段光源在現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.刑事技術(shù)，2002（4）：47-48.

［5］王寧，賈懷昌.多波段光源在刑事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用綜述［J］.廣東公安科技，2004（3）：P34-36.

［6］蔡元燈.LED制造技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：4-6.

［7］蔡能斌，俞風(fēng)，黃曉春.利用紅外發(fā)光成像技術(shù)顯現(xiàn)ATM機(jī)打印憑條上的潛在字跡［J］.紅外，2011，32（11）：29-32.