梁建霞1,2，刘晓娜1,2，胡超1,2

　　(1.北京市科学技术研究院模式识别重点实验室，北京 100094；

　　2.北京市新技术应用研究所，北京100094）

      摘要：为了获得清晰可靠的掌脉图像，提出了一种新型非接触式掌脉图像采集光源的设计。新的设计突破了多LED组成面光源的通行设计方案，采用了新的红外发光源激光二极管（LD），并通过对激光二极管的封装设计进行改进，克服了单点光源造成的亮度不均的问题。实验结果表明，新型光源体积小，功耗低，并能够保证采集设备获得可靠清新的掌脉图像。

　　关键词：掌脉图像；发光二级管；激光二极管

0引言

　　随着经济社会的不断发展，人们对身份识别的安全性、实时性和易用性提出了越来越高的要求，各种具备普遍性、唯一性、稳定性和不可复制性的生物识别技术也已经被广泛应用于身份识别。在多种生物识别技术中，掌纹掌脉技术结合了掌纹识别的高精度和掌脉识别的活体特征，成为了一种应用性良好的生物识别技术。

　　对于任何一种生物识别技术而言，首先要完成的是获得稳定可靠的识别样本，而对于掌纹掌脉这种通过图像采集方式获得识别样本的技术而言，一种可靠、高效、低功耗的光源设计对图像成像是极为重要的，其直接影响到采集图像的质量。目前通用的光源设计是采用多颗普通可见LED和红外LED点光源构成不同形状的均匀面光源，通过调整LED的数量与经LED的电流来调整光源的强度，通过调整LED的分布密度来扩大或者缩小光源的面积，这种通用方案最大的弊端是光源面积过大、功耗高，使得采集设备体积过大，制约了实际应用的场合。

　　本文提出了一种新型的适用于掌纹掌脉技术中掌脉图像采集的红外光源设计，该设计功耗小、光源稳定，采用此光源可以使掌纹掌脉识别设备获得可靠的掌脉图像。

1基于LED的掌脉图像光源设计

　　掌脉图像，也就是手掌皮下静脉图像，在自然光条件下是获取不到的。为了获得掌脉图像，需要通过特定波长范围的近红外光照射用户手掌，由于静脉血管中的血色素比其他生物组织吸收更多的近红外辐射，近红外光线反射回图像传感器后，形成静脉血管形状的图像［12］。

　　红外LED是使用最多的能够发射近红外光的光源器件。研究表明，在红外波长为960 nm附近，光的透射率最大，能够获得比较多的掌脉信息，能够适用于最广大人群的应用［3］。同时，为了避免采集图像在手掌区域产生眩光的效果，尽量选用散射效果较好的LED［4］。因此，本设计选用了亿光的波长为940 nm的IR6721C/TR8红外LED。LED的发光角度为120°，正向电压为1.0~1.2 V，额定工作电流为20 mA，考虑到配合后期实际产品的可行性设计，采用18颗红外LED构成直径4 cm的圆形面光源，如图1所示。

　　将手掌放置在距离这个面光源10 cm左右的位置，此时光源能够有效地照亮直径为10 cm2的区域，能够覆盖最大人群的手掌有效区域。图2是在此红外光源下获得的掌脉图像。

　　通过图2可以看出，该光源能够均匀地照射手掌的有效区域，手掌有效区域内的掌脉图像清晰。然而，采用这种方案的光源设计，光源面积大，在实际产品中必须预留出直径4 cm大小的圆形设计区域给光源，而且光源上实际消耗的功率经测试达到13 W，这样的体积和功耗如果想应用到小型便携设备上（比如手机、平板电脑）是不可能的。如此看来，这种红外光源的设计严重地限制了这项技术在实际应用中的推广。为此，本文选择另外一种光源器材——激光二极管（Laser Diode，LD）。

2基于激光二极管的掌脉图像光源设计

　　激光二极管是以半导体材料作为工作物质，产生受激发射光源的器件。它是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，使高能级粒子数远远超过低能级粒子数。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴符合时，在外界激励下，便发生受激发射（stimulated emission）［5］。

　　激光二极管是另一种小型稳定的并能发射近红外光的器件。相对LED而言，小封装的普通激光二极管光强大，光源集中，单颗器件就可以获得较大的光强，但是存在的缺点是角度较小，容易形成亮光斑。

　　激光二极管常用参数有：（1）波长，激光管工作波长；（2）阈值电流Ith，激光管开始产生激光振荡的电流，其数值从数十毫安至数百毫安不等；（3）工作电流Iop：激光管达到额定输出功率时的驱动电流；（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度。（5）水平发散角θ：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度。对于选择作为用于掌脉图像采集的激光二极管而言，本文主要关注波长、阈值电流和水平发散角3个参数。

　　2.1激光二极管光源光强测试

　　为了使用最少的元器件获得最大的光强，选用大功率的激光二极管。选用夏普的激光二极管GH4945A1TG，其工作在940 nm波段，启动电流为230 mA，水平发散角为66°。图3为使用该二极管工作电流为300 mA时获得的掌脉图像。

　　从图3可以看出，单颗激光二极管的光强已经可以获得清晰的掌脉图像，但是它的光强分布不够均匀，出现了较强的亮光斑区域。

　　2.2光源的均匀化设计

　　为了克服亮光斑，就需要克服激光二极管局部光强大的问题，因此选择了菲涅尔透镜。小型菲涅尔透镜一般是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的其中一个功能就是能够把从一侧进入的光线经过菲涅尔透镜在另一侧以平行光射出，如图4所示。

　　在激光二极管GH4945A1TG上加上菲涅尔透镜进行试验，图5是增加菲涅尔透镜后获得的掌脉图像。　

　　从图5可以看出，掌脉图像清晰可见，没有明显光斑，已经能够达到多个LED组成的光源获得的效果。综上，单颗激光二极管是能够满足掌脉图像采集的光源设计需求的，而重点需要考虑的是如何克服单颗激光二极管产生的局部亮光斑。

　　对激光二极管设计了一个外部光路结构，如图6所示。首先选用扁平封装激光二极管，把激光二极管粘在一个散热底座上，在散热底座上正对激光发射的一端放置一个三角棱镜，激光照在这个三角棱镜上发生折射，之后在表面贴上一层散射透镜，使光源进行了发散，这样就散化了激光二极管相对集中的光源，解决了激光二极管光源集中的问题。

　　结构优化后的激光二极管实物如图7所示。

　　图8是使用上述结构优化后的激光二极管获得的掌脉图像。图7激光二极管正视图和侧视图

　　从图8可以看出，掌脉图像均匀稳定，能清晰地看到掌脉图像，为下一步的图像处理奠定了可靠的图像信息基础。

3实验结果和分析

　　为了克服采用多LED组成面光源的掌脉图像采集光源设计中存在的光源面积大、功耗大的不足，新光源设计大胆地采用了新的发光源器件激光二极管。经过实验验证，单颗大功率激光二极管的光强可以照亮手掌的有效区域，但依然存在光线分布不均的问题。随后通过设计一个激光二极管的外部光路结构，很好地克服了由于激光二极管光源指向性过强而造成区域光斑的问题。实验结果表明，新型光源的设计使掌脉识别设备能够取得良好掌脉图像，在一定程度上推动了掌纹掌脉识别产品的低功耗、小型化设计，可以推广到实际应用中。

参考文献

　　［1］ 苑玮琦,杨冰.非接触手成像系统图像采集光源的研究［J］.激光与红外,2014,44(7):783787.

　　［2］ 谢宏,王光明,姚楠，等.可穿戴式的功能近红外光谱成像系统的前端设计［J］.微型机与应用,2015,34(10):2931,34.

　　［3］ 李威,苑玮琦.不同波长近红外光下手掌静脉图像质量分析［J］.计算机工程与应用,2011,47(30):1518.

　　［4］ 苑玮琦,孙洪.非接触式掌纹图像采集光源的设计［J］.计算机应用研究,2011,28(5):19651967.

　　［5］ 田国栋.LD光源的应用探索［J］.电子设计工程,2013,21(22):111114.