梁建霞1,2,，劉曉娜1,2,，胡超1,2

　　(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094,；

　　2.北京市新技術(shù)應(yīng)用研究所,，北京100094）

      摘要：為了獲得清晰可靠的掌脈圖像,，提出了一種新型非接觸式掌脈圖像采集光源的設(shè)計(jì),。新的設(shè)計(jì)突破了多LED組成面光源的通行設(shè)計(jì)方案,，采用了新的紅外發(fā)光源激光二極管（LD），并通過對(duì)激光二極管的封裝設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn),，克服了單點(diǎn)光源造成的亮度不均的問題,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型光源體積小,，功耗低,，并能夠保證采集設(shè)備獲得可靠清新的掌脈圖像。

　　關(guān)鍵詞：掌脈圖像,；發(fā)光二級(jí)管,；激光二極管

0引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)身份識(shí)別的安全性,、實(shí)時(shí)性和易用性提出了越來越高的要求,，各種具備普遍性、唯一性,、穩(wěn)定性和不可復(fù)制性的生物識(shí)別技術(shù)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別,。在多種生物識(shí)別技術(shù)中,，掌紋掌脈技術(shù)結(jié)合了掌紋識(shí)別的高精度和掌脈識(shí)別的活體特征,，成為了一種應(yīng)用性良好的生物識(shí)別技術(shù)。

　　對(duì)于任何一種生物識(shí)別技術(shù)而言,，首先要完成的是獲得穩(wěn)定可靠的識(shí)別樣本,，而對(duì)于掌紋掌脈這種通過圖像采集方式獲得識(shí)別樣本的技術(shù)而言，一種可靠,、高效,、低功耗的光源設(shè)計(jì)對(duì)圖像成像是極為重要的，其直接影響到采集圖像的質(zhì)量,。目前通用的光源設(shè)計(jì)是采用多顆普通可見LED和紅外LED點(diǎn)光源構(gòu)成不同形狀的均勻面光源,，通過調(diào)整LED的數(shù)量與經(jīng)LED的電流來調(diào)整光源的強(qiáng)度，通過調(diào)整LED的分布密度來擴(kuò)大或者縮小光源的面積,，這種通用方案最大的弊端是光源面積過大,、功耗高，使得采集設(shè)備體積過大，制約了實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合,。

　　本文提出了一種新型的適用于掌紋掌脈技術(shù)中掌脈圖像采集的紅外光源設(shè)計(jì),，該設(shè)計(jì)功耗小、光源穩(wěn)定,，采用此光源可以使掌紋掌脈識(shí)別設(shè)備獲得可靠的掌脈圖像,。

1基于LED的掌脈圖像光源設(shè)計(jì)

　　掌脈圖像，也就是手掌皮下靜脈圖像,，在自然光條件下是獲取不到的,。為了獲得掌脈圖像，需要通過特定波長(zhǎng)范圍的近紅外光照射用戶手掌,，由于靜脈血管中的血色素比其他生物組織吸收更多的近紅外輻射,，近紅外光線反射回圖像傳感器后，形成靜脈血管形狀的圖像［12］,。

　　紅外LED是使用最多的能夠發(fā)射近紅外光的光源器件,。研究表明，在紅外波長(zhǎng)為960 nm附近,，光的透射率最大,，能夠獲得比較多的掌脈信息，能夠適用于最廣大人群的應(yīng)用［3］,。同時(shí),，為了避免采集圖像在手掌區(qū)域產(chǎn)生眩光的效果，盡量選用散射效果較好的LED［4］,。因此,，本設(shè)計(jì)選用了億光的波長(zhǎng)為940 nm的IR6721C/TR8紅外LED。LED的發(fā)光角度為120°,，正向電壓為1.0~1.2 V,，額定工作電流為20 mA，考慮到配合后期實(shí)際產(chǎn)品的可行性設(shè)計(jì),，采用18顆紅外LED構(gòu)成直徑4 cm的圓形面光源,，如圖1所示。

　　將手掌放置在距離這個(gè)面光源10 cm左右的位置,，此時(shí)光源能夠有效地照亮直徑為10 cm2的區(qū)域,，能夠覆蓋最大人群的手掌有效區(qū)域。圖2是在此紅外光源下獲得的掌脈圖像,。

　　通過圖2可以看出,，該光源能夠均勻地照射手掌的有效區(qū)域，手掌有效區(qū)域內(nèi)的掌脈圖像清晰,。然而,，采用這種方案的光源設(shè)計(jì),，光源面積大，在實(shí)際產(chǎn)品中必須預(yù)留出直徑4 cm大小的圓形設(shè)計(jì)區(qū)域給光源,，而且光源上實(shí)際消耗的功率經(jīng)測(cè)試達(dá)到13 W,，這樣的體積和功耗如果想應(yīng)用到小型便攜設(shè)備上（比如手機(jī)、平板電腦）是不可能的,。如此看來,，這種紅外光源的設(shè)計(jì)嚴(yán)重地限制了這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。為此,，本文選擇另外一種光源器材——激光二極管（Laser Diode,，LD）。

2基于激光二極管的掌脈圖像光源設(shè)計(jì)

　　激光二極管是以半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì),，產(chǎn)生受激發(fā)射光源的器件,。它是通過一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間,，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),，使高能級(jí)粒子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低能級(jí)粒子數(shù)。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴符合時(shí),，在外界激勵(lì)下,，便發(fā)生受激發(fā)射（stimulated emission）［5］。

　　激光二極管是另一種小型穩(wěn)定的并能發(fā)射近紅外光的器件,。相對(duì)LED而言,，小封裝的普通激光二極管光強(qiáng)大，光源集中,，單顆器件就可以獲得較大的光強(qiáng),，但是存在的缺點(diǎn)是角度較小，容易形成亮光斑,。

　　激光二極管常用參數(shù)有：（1）波長(zhǎng),，激光管工作波長(zhǎng)；（2）閾值電流Ith,，激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流,，其數(shù)值從數(shù)十毫安至數(shù)百毫安不等,；（3）工作電流Iop：激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流,；（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度。（5）水平發(fā)散角θ：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度,。對(duì)于選擇作為用于掌脈圖像采集的激光二極管而言,，本文主要關(guān)注波長(zhǎng)、閾值電流和水平發(fā)散角3個(gè)參數(shù),。

　　2.1激光二極管光源光強(qiáng)測(cè)試

　　為了使用最少的元器件獲得最大的光強(qiáng),，選用大功率的激光二極管,。選用夏普的激光二極管GH4945A1TG，其工作在940 nm波段,，啟動(dòng)電流為230 mA,，水平發(fā)散角為66°。圖3為使用該二極管工作電流為300 mA時(shí)獲得的掌脈圖像,。

　　從圖3可以看出,，單顆激光二極管的光強(qiáng)已經(jīng)可以獲得清晰的掌脈圖像，但是它的光強(qiáng)分布不夠均勻,，出現(xiàn)了較強(qiáng)的亮光斑區(qū)域,。

　　2.2光源的均勻化設(shè)計(jì)

　　為了克服亮光斑，就需要克服激光二極管局部光強(qiáng)大的問題,，因此選擇了菲涅爾透鏡,。小型菲涅爾透鏡一般是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面,，另一面刻錄了由小到大的同心圓,。菲涅爾透鏡的其中一個(gè)功能就是能夠把從一側(cè)進(jìn)入的光線經(jīng)過菲涅爾透鏡在另一側(cè)以平行光射出，如圖4所示,。

　　在激光二極管GH4945A1TG上加上菲涅爾透鏡進(jìn)行試驗(yàn),，圖5是增加菲涅爾透鏡后獲得的掌脈圖像?！?/p>

　　從圖5可以看出,，掌脈圖像清晰可見，沒有明顯光斑,，已經(jīng)能夠達(dá)到多個(gè)LED組成的光源獲得的效果,。綜上，單顆激光二極管是能夠滿足掌脈圖像采集的光源設(shè)計(jì)需求的,，而重點(diǎn)需要考慮的是如何克服單顆激光二極管產(chǎn)生的局部亮光斑,。

　　對(duì)激光二極管設(shè)計(jì)了一個(gè)外部光路結(jié)構(gòu)，如圖6所示,。首先選用扁平封裝激光二極管,，把激光二極管粘在一個(gè)散熱底座上，在散熱底座上正對(duì)激光發(fā)射的一端放置一個(gè)三角棱鏡,，激光照在這個(gè)三角棱鏡上發(fā)生折射,，之后在表面貼上一層散射透鏡，使光源進(jìn)行了發(fā)散,，這樣就散化了激光二極管相對(duì)集中的光源,，解決了激光二極管光源集中的問題。

　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的激光二極管實(shí)物如圖7所示,。

　　圖8是使用上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的激光二極管獲得的掌脈圖像,。圖7激光二極管正視圖和側(cè)視圖

　　從圖8可以看出,，掌脈圖像均勻穩(wěn)定，能清晰地看到掌脈圖像,，為下一步的圖像處理奠定了可靠的圖像信息基礎(chǔ),。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　為了克服采用多LED組成面光源的掌脈圖像采集光源設(shè)計(jì)中存在的光源面積大、功耗大的不足,，新光源設(shè)計(jì)大膽地采用了新的發(fā)光源器件激光二極管,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單顆大功率激光二極管的光強(qiáng)可以照亮手掌的有效區(qū)域,，但依然存在光線分布不均的問題,。隨后通過設(shè)計(jì)一個(gè)激光二極管的外部光路結(jié)構(gòu)，很好地克服了由于激光二極管光源指向性過強(qiáng)而造成區(qū)域光斑的問題,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，新型光源的設(shè)計(jì)使掌脈識(shí)別設(shè)備能夠取得良好掌脈圖像，在一定程度上推動(dòng)了掌紋掌脈識(shí)別產(chǎn)品的低功耗,、小型化設(shè)計(jì),，可以推廣到實(shí)際應(yīng)用中。

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