梁建霞，劉曉娜，胡 超

(1.北京市科學技術研究院模式識別重點實驗室，北京 100094；2.北京市新技術應用研究所，北京100094)

一種新型掌脈圖像采集光源的設計*

梁建霞1,2，劉曉娜1,2，胡 超1,2

(1.北京市科學技術研究院模式識別重點實驗室，北京 100094；2.北京市新技術應用研究所，北京100094)

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計。新的設計突破了多LED組成面光源的通行設計方案，采用了新的紅外發(fā)光源激光二極管(LD)，并通過對激光二極管的封裝設計進行改進，克服了單點光源造成的亮度不均的問題。實驗結果表明，新型光源體積小，功耗低，并能夠保證采集設備獲得可靠清新的掌脈圖像。

掌脈圖像；發(fā)光二級管；激光二極管

0 引言

隨著經濟社會的不斷發(fā)展，人們對身份識別的安全性、實時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)定性和不可復制性的生物識別技術也已經被廣泛應用于身份識別。在多種生物識別技術中，掌紋掌脈技術結合了掌紋識別的高精度和掌脈識別的活體特征，成為了一種應用性良好的生物識別技術。

對于任何一種生物識別技術而言，首先要完成的是獲得穩(wěn)定可靠的識別樣本，而對于掌紋掌脈這種通過圖像采集方式獲得識別樣本的技術而言，一種可靠、高效、低功耗的光源設計對圖像成像是極為重要的，其直接影響到采集圖像的質量。目前通用的光源設計是采用多顆普通可見LED和紅外LED點光源構成不同形狀的均勻面光源，通過調整LED的數(shù)量與經LED的電流來調整光源的強度，通過調整LED的分布密度來擴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，使得采集設備體積過大，制約了實際應用的場合。

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

1 基于LED的掌脈圖像光源設計

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用[3]。同時，為了避免采集圖像在手掌區(qū)域產生眩光的效果，盡量選用散射效果較好的LED[4]。因此，本設計選用了億光的波長為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，考慮到配合后期實際產品的可行性設計，采用18顆紅外LED構成直徑4 cm的圓形面光源，如圖1所示。

圖1 LED組成的面光源

將手掌放置在距離這個面光源10 cm左右的位置，此時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)域內的掌脈圖像清晰。然而，采用這種方案的光源設計，光源面積大，在實際產品中必須預留出直徑4 cm大小的圓形設計區(qū)域給光源，而且光源上實際消耗的功率經測試達到1.3 W，這樣的體積和功耗如果想應用到小型便攜設備上(比如手機、平板電腦)是不可能的。如此看來，這種紅外光源的設計嚴重地限制了這項技術在實際應用中的推廣。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計

激光二極管是以半導體材料作為工作物質，產生受激發(fā)射光源的器件。它是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉，使高能級粒子數(shù)遠遠超過低能級粒子數(shù)。當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴符合時，在外界激勵下，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LED而言，小封裝的普通激光二極管光強大，光源集中，單顆器件就可以獲得較大的光強，但是存在的缺點是角度較小，容易形成亮光斑。

激光二極管常用參數(shù)有：(1)波長，激光管工作波長；(2)閾值電流Ith，激光管開始產生激光振蕩的電流，其數(shù)值從數(shù)十毫安至數(shù)百毫安不等；(3)工作電流Iop：激光管達到額定輸出功率時的驅動電流；(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結平行方向所張開的角度。對于選擇作為用于掌脈圖像采集的激光二極管而言，本文主要關注波長、閾值電流和水平發(fā)散角3個參數(shù)。

2.1 激光二極管光源光強測試

為了使用最少的元器件獲得最大的光強，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時獲得的掌脈圖像。

圖3 激光二極管光源下采集的掌脈圖像

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

2.2 光源的均勻化設計

為了克服亮光斑，就需要克服激光二極管局部光強大的問題，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功能就是能夠把從一側進入的光線經過菲涅爾透鏡在另一側以平行光射出，如圖4所示。

圖4 菲涅爾透鏡工作原理圖

在激光二極管GH4945A1TG上加上菲涅爾透鏡進行試驗，圖5是增加菲涅爾透鏡后獲得的掌脈圖像。

圖5 LD光源下(加菲涅爾鏡)采集的掌脈圖像

從圖5可以看出，掌脈圖像清晰可見，沒有明顯光斑，已經能夠達到多個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計需求的，而重點需要考慮的是如何克服單顆激光二極管產生的局部亮光斑。

對激光二極管設計了一個外部光路結構，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散熱底座上，在散熱底座上正對激光發(fā)射的一端放置一個三角棱鏡，激光照在這個三角棱鏡上發(fā)生折射，之后在表面貼上一層散射透鏡，使光源進行了發(fā)散，這樣就散化了激光二極管相對集中的光源，解決了激光二極管光源集中的問題。

圖6 激光二極管結構優(yōu)化

結構優(yōu)化后的激光二極管實物如圖7所示。

圖8是使用上述結構優(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視圖

圖8 激光二極管光源(改進后)下采集的掌脈圖像

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。

3 實驗結果和分析

為了克服采用多LED組成面光源的掌脈圖像采集光源設計中存在的光源面積大、功耗大的不足，新光源設計大膽地采用了新的發(fā)光源器件激光二極管。經過實驗驗證，單顆大功率激光二極管的光強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。隨后通過設計一個激光二極管的外部光路結構，很好地克服了由于激光二極管光源指向性過強而造成區(qū)域光斑的問題。實驗結果表明，新型光源的設計使掌脈識別設備能夠取得良好掌脈圖像，在一定程度上推動了掌紋掌脈識別產品的低功耗、小型化設計，可以推廣到實際應用中。

[1] 苑瑋琦,楊冰.非接觸手成像系統(tǒng)圖像采集光源的研究[J].激光與紅外,2014,44(7):783-787.

[2] 謝宏,王光明,姚楠，等.可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設計[J].微型機與應用,2015,34(10):29-31,34.

[3] 李威,苑瑋琦.不同波長近紅外光下手掌靜脈圖像質量分析[J].計算機工程與應用,2011,47(30):15-18.

[4] 苑瑋琦,孫洪.非接觸式掌紋圖像采集光源的設計[J].計算機應用研究,2011,28(5):1965-1967.

[5] 田國棟.LD光源的應用探索[J].電子設計工程,2013,21(22):111-114.

A new design of light source for the palm vein image acquisition

Liang Jianxia1,2，Liu Xiaona1,2，Hu Chao1,2

(1. Key Laboratory of Pattern Recognition, Beijing Academy of Science and Technology, Beijing 100094, China;2. Beijing Institute of New Technology Applications, Beijing 100094, China)

In order to obtain a clear and reliable image of the palm vein, a new non-contact image light source is proposed. The new design breaks through the design scheme of surface light source with multiple LED components, uses the new infrared laser diode(LD)，and overcomes the problem of area brightness of a single point light source through improving the package of the laser diode packaging .The results show that the new light source has the advantages of small volume and low power consumption, and can obtain reliable fresh palm vein image.

palm vein image；light-emitting diodes(LED)；laser diode(LD)

北京市科學技術研究院創(chuàng)新團隊計劃課題(IG201505N)；北京市科學技術研究院青年骨干計劃項目(201309)

TP391.4

A

1674-7720(2016)04-0027-03

梁建霞，劉曉娜，胡超．一種新型掌脈圖像采集光源的設計[J] .微型機與應用，2016，35(4)：27-29,33.

2015-09-18)

梁建霞(1977-)，通信作者,女，碩士，助理研究員，主要研究方向：圖像采集與處理系統(tǒng)。E-mail:ialjx@163.com。

劉曉娜(1983-)，女，碩士，助理研究員，主要研究方向：模式識別。

胡超(1986-)，男，本科，實習研究員，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。