摘要:

　　人的指印各不同且具有**性，其吸收峰主要在279 nm左右。針對潛在指印的顯現，我們設計了一種基于藍寶石襯底的便攜式深紫外280 nm半導體物證探測光源并應用于痕檢。將便攜式深紫外280 nm物證探測光源和266 nm激光器用于不同客體背景下指印的顯現并進行對比。實驗結果表明，便攜式深紫外280 nm光源探照潛在指印的顯現效果優于266 nm激光器。該光源具有便攜、波段優、造價低等優點。此外，通過設計該光源的芯片陣列、控制系統、準直系統、散熱系統等，優化了光束質量，為現場物證的發現和提取提供了一種便攜式設備，在刑事科學技術領域具有很好的應用前景。

1. 引言

　　現場勘查所獲取的物證信息是案件破獲的關鍵，而潛在物證的發現和提取一直是法庭科學領域研究的重點。1977年，在《法庭科學雜志》中，Menzel等人報道了激光在潛在痕跡顯現中的研究 [1] ，利用物質本身的固有熒光，通過氬離子激光器照射顯現潛在痕跡是早期的研究重點。之后，涌現許多方法，例如刷發光粉末 [2] [3] 、熒光染料染色 [4] 和化學反應 [5] [6] 等方法處理痕跡殘留物。這些方法使得在固有熒光檢測失敗的情況下，仍然可用激光對潛在痕跡進行檢測。同時隨著DNA技術的發展 [7] ，DNA分型對于明確案件性質以及查明(當事人或受害者)起著關鍵作用。在對現場潛在物證進行提取時，這就要求利用無損的方法*行顯現，方可進一步對檢材進行DNA檢測。光學顯現方法具有非接觸無損等特點，在這一方面就體現出了明顯優勢。在光學顯現方法中，主要采用的光源有激光 [8] [9] 和LED光源 [10] [11] [12] 。國內在激光顯現潛在指印方面取得了一系列的研究成果 [13] - [18] 。然而，大多數痕跡物證的顯現都是在實驗室環境下(痕跡物證提取全憑勘查人員經驗)，而非案發現場。相比于激光光源，LED光源具有波段涵蓋范圍廣、壽命長、便攜等優點，并且LED在光束的準直性及均勻性設計方面也在不斷改善 [19] [20] [21] [22] ，越來越多地應用于刑事科學技術領域。

　　在眾多潛在痕跡中，人的指痕各不同具有**性，是證據。通過前期研究發現，汗液的吸收光譜范圍在250 nm~320 nm區間，且吸收峰位于279 nm左右。深紫外LED既可實現波段(280 nm)的匹配性，又具有便攜、單色性好、亮度衰減周期長等特點。

　　目前，市場上尚無針對潛在汗液指印的便攜式深紫外LED光源，該LED光源對提高現場物證顯現及提取率有著重要意義。本文自主研制了便攜式280 nm深紫外LED光源，采用藍寶石作為襯底，對光束質量進行優化；并且與266 nm激光器在顯現潛在指痕方面進行對比。

2. 深紫外280 nm半導體光源的設計和研制

　　便攜式深紫外LED光源(280 nm)的整體結構如圖1所示，主要包含光源、主體系統、準直系統、散熱系統和控制系統。其中，光源位于主體系統內且設于準直射系統和散熱系統之間。

圖1. 便攜式深紫外LED光源(280 nm)整體結構圖

　　主體系統包括：觸電環及其觸電環固定塊、電池封蓋、筒身和設置于筒身內部的電池。其中：電池由驅動電源驅動且工作端與觸電環相連，筒身的一端與電池封蓋相連，另一端與觸電環固定塊相連，觸電環固定塊與散熱系統相連接。

　　為了提高便攜式深紫外(280 nm)光源輸出功率和光斑均勻等問題，除采用芯片陣列排布和封裝技術，還設計了準直系統。準直射系統包括：聚光調節外殼、石英玻璃固定蓋、聚光限位環、石英鏡片、聚光鏡和光線平行加強筒。聚光鏡位于聚光調節外殼內且兩端分別與光源和光線平行加強筒相連，光線平行加強筒的前端設有石英鏡片且由石英玻璃固定蓋固定。散熱系統中采用的是鋁散熱鰭片，通過導熱管將熱量疏導至散熱鰭片上，設計合理的燈殼外形，利用空氣對流加速散熱。光源選擇藍寶石襯底作為LED光源芯片的襯底。

　　控制系統主要包括LED芯片、處理系統、驅動電源和控制按鍵。如圖2所示為便攜式深紫外LED光源控制系統的架構圖。芯片是LED的核心部件，選取化學穩定好的藍寶石作為芯片襯底。　 LED采用混聯連接排成陣列結構，即單個LED芯片50 mw，4個并聯封裝，2 × 2排成陣列，達到將近200 mw的輸出功率，滿足現場物證光源的要求。采用高指向性LED封裝技術，尖頭環氧封裝，且不加散射劑，半值角為5?~20?，使光線達到匯聚的作用，從而實現高功率和遠距離的探照。在高鋁組分氮化物深紫外線發光二極管(LED)表面覆蓋一層超薄鋁膜，能有效破解“光抽取效率”，減少深紫外光線的衰減。

圖2. 深紫外LED便攜式光源控制系統架構

　　因LED是一個半導體二極管，伏安特性隨溫度而變化，正向電壓的微小變化會引起正向電流的很大變化。光源的驅動電源須為恒流驅動，1W大功率LED如果正向電壓變化10% (從8 V降低到5 V)，會引起正向電流變化。故內設恒流源芯片，電流過高時暫停供電，待降低后重新啟動，恒流源芯片輸入電壓為交流85 V~240 V，輸出為預設的恒定電流；電池為可充電鋰電池，恒流源芯片鑲嵌于電池底部。

　　處理系統包含數字信號處理(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)處理器，與電池底部的恒流源芯片相連接，實現按鍵控制和輸出光功率的選擇。

　　控制按鍵位于筒身側面。通過控制按鍵，控制輸出電流大小，完成固定照射和階梯型照射。固定照射是在恒定電流功率下，實現的280 nm深紫外光源輸出。階梯型照射是通過恒流源芯片調整輸出電流，實現不同光功率的輸出。

　　采用熒光光譜儀(Horiba Aqualog)測量汗液在200~800 nm波段的吸收曲線，深紫外LED光源的輻照度出射曲線由光生物安全監測系統(IDR300)測定。圖3為汗液的吸收曲線(藍色)及便攜式深紫外LED (280 nm)光源的輻照度曲線(紅色)，光源在280 nm處的輻照度為90 mW/m2/nm。從圖中可以看出，汗液有兩個吸收峰，吸收峰位于279 nm處，另一個吸收峰位于302 nm，吸收峰代表汗液對該峰值處的光吸收強。汗液的吸收峰位于汗液的吸收峰與光源的輸出波長匹配度高，適用于汗液潛在指紋的顯現。

圖3. 汗液的吸收曲線(藍色)及便攜式深紫外LED (280 nm)光源的輻照度曲線(紅色)

3. 實驗結果

　　在潛在汗液指印顯現實驗中，利用266 nm (200 mW)激光器和自主研發的便攜式深紫外LED (280 nm)光源進行顯現效果對比。對不同客體上的潛在汗液進行顯現，裝置如圖4所示，分別采用不同光源對潛在汗液指印進行照射，通過紫外鏡頭相機紀錄顯現結果。

圖4. 潛在汗液指印顯現裝置示意圖

　　圖5~11分別給出了利用266 nm激光器(a)和自主研制的便攜式深紫外LED (280 nm)光源(b)在A4紙、POS單、火車票、快遞單、牛皮紙、塑料和照片不同客體上的潛在汗液指印的顯現結果。

圖5. A4紙張客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖6. POS單客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖7. 火車票客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖8. 快遞單客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖9. 牛皮紙客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖10. 塑料客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

圖11. 照片客體上潛在汗液指印的顯現。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

　　便攜式深紫外280 nm半導體物證探測光源在各類背景客體上的指紋顯現率達78%，充電后單次使用時間長達6個小時。

4. 分析與討論

　　通過紫外反射照相記錄不同客體表面的潛在指印，入射光線在指紋紋線上發生漫反射的光線進入石英鏡頭相機中，故能有效提取光滑客體表面的潛在指印。總體看來，自主研制的深紫外LED (280 nm)光源顯現效果優于266 nm激光器，主要原因是汗液指印吸收峰與280 nm光源更加匹配。另外，從A4紙張、POS單、火車票、快遞單和牛皮紙客體上的顯現結果對比，圖(b)相較于圖(a)中的指印紋線顏色更暗，說明上述客體上的潛在指印對280 nm波段的光吸收更強。此外，客體背景較亮，是因為紙張中摻有熒光劑等，在深紫外光線照射下出現熒光。而在照片和塑料上的潛在指印紋線和客體背景形成強烈反差。背景暗，紋線亮是由于客體背景對深紫外區光線的吸收強于潛在汗液指印而產生的。雖然都是非滲透性客體表面，但火車票和照片客體上指印顯現不同于塑料，火車票和照片表面具有特殊涂層處理，在266 nm光高功率的照射下，顯現效果弱于便攜式深紫外LED光源。

    266 nm激光器和便攜式深紫外LED (280 nm)光源在使用條件方面，266 nm激光器需有外接電壓，而便攜式LED深紫外光源可在戶外使用，并且電池可續航5~6小時。便攜式深紫外LED光源在顯現滲透性客體表面的潛在指印效果和266 nm激光器相當；而對于表面有特殊涂層處理的火車票和照片等非滲透性客體表面的潛在指印，便攜式LED光源的顯現效果遠超266 nm激光器。

5. 結論

　　本文從現場物證檢驗實戰需求出發，通過對潛在生物物證的光譜分析發現，279 nm為汗潛生物痕跡的吸收峰，鎖定這一特定波段進行便攜式光源的研制及應用，研制了深紫外LED (280 nm)光源。通過實驗對比發現，便攜式深紫外LED (280 nm)光源在不同客體的潛在汗液指印顯現上優于266 nm激光器，因為潛在汗液指印的主吸收峰位于279 nm附近，與便攜式深紫外LED光源的發射主峰更匹配。

　　該便攜式光源設計簡單、成本低、顯現效果更佳等特點。此外，與傳統的266 nm激光器相比，具備能便攜至現場的優點，有利于提高現場勘驗潛在痕跡的發現和提取率。減少了由于現勘人員經驗差異而導致的痕跡物證滅失的概率，提高物證提取能力，為破案提供技術支撐。

基金項目

　　國家自然科學基金()、國家重點研發計劃(2017YFC0803806)、上海市局科研項目(2016015)。

參考文獻

文章引用:

趙雪珺, 鄒蕓, 蔡能斌, 黃曉春, 劉文斌. 便攜式深紫外280 nm半導體物證探測光源的研制及應用[J]. 光電子, 2018, 8(1): 6-13. https://doi.org/10.12677/OE.2018.81002

參考文獻

[1]Dalrymple, B.E., Duff, J.M., Menzel, E.R., et al. (1977) Inherent Fingerprint Luminescence—Detection by Laser. Journal of Forensic Science, 22, 106-115.

https://doi.org/10.1520/JFS10373J

[2]Scott, J., et al. (2013) Exploring the Potential of Phosphorescent Fingerprint Powder. Journal of Forensic Identification, 63, 175-187.

[3]Choi, M.J., Mcbean, K.E., Ng, P.H.R., et al. (2008) An Evaluation of Nanostructured Zinc Oxide as a Fluorescent Powder for Fingerprint Detection. Journal of Materials Science, 43, 732-737.

https://doi.org/10.1007/s10853-007-2178-5

[4]Thornton, J.I., et al. (1978) Modification of Fingerprint Powder with Coumarin 6 Laser Dye. Journal of Forensic Sciences, 23, 536-538.

https://doi.org/10.1520/JFS10704J

[5]Almog, J., Hirshfeld, A., Klug, J.T., et al. (1982) Reagents for the Chemical Development of Latent Fingerprints: Synthesis and Properties of Some Ninhydrinana-logues. Journal of Forensic Sciences, 27, 912-917.

https://doi.org/10.1520/JFS12209J

[6]Exline, D.L., Wallace, C., Roux, C., et al. (2003) Forensic Applications of Chemical Imaging: Latent Fingerprint Detection Using Visible Absorption and Luminescence. Journal of Forensic Sciences, 48, 1-7.

https://doi.org/10.1520/JFS2002333

[7]Andersen, J., Bramble, S., et al. (1997) The Effects of Fingermark Enhancement Light Sources on Subsequent PCR-STR DNA Analysis of Fresh Bloodstains. Journal of Forensic Sciences, 42, 303-306.

https://doi.org/10.1520/JFS14116J

[8]Menael. E.R., et al. (1989) Pretreatment of Latent Prints for Lase Development. Forensic Science Review, 1, 43-66.

[9]Cai, N.B., Zou, Y., Almog, J., et al. (2017) Inherent Fluorescence Detection of Latent Fingermarks by Homemade Shortwave Ultraviolet Laser. Journal of Forensic Sciences, 62, 209-211.

https://doi.org/10.1111/1556-4029.13239

[10]Masahisa, T., Osamu, S., Kyoko, O., et al. (2008) Detection of Pretreated Fin-gerprint Fluorescence Using an LED-Based Excitation System. Journal of Forensic Sciences, 53, 823-827.

https://doi.org/10.1111/j.1556-4029.2008.00773.x

[11]Dalrymple, B., Almog, J., et al. (2012) Comparison of Latent Print De-tection Using Semiconductor Laser and LED Light Sources with Three Chemical Reagents. Journal of Forensic Identification, 62, 14-27.

[12]Wang, L.J., Tao, D.Q., Yin, Z.Y., et al. (2012) Multibａnd Techniques of LED and UV Materials on Visualization of Needle Marks. Advanced Materials Research, 463, 1382-1386.

https://doi.org/10.4028//AMR.463-464.1382

[13]楊晟, 裴浩, 張明輝, 等. 532 nm激光在痕跡顯現上的應用研究[J]. 激光雜志, 2011, 32(5): 44-45.

[14]靳貴平, 龐其昌. 紫外指紋檢測儀的研制[J]. 光學精密工程, 2003, 11(2): 198-202.

[15]臺治強. 利用激光的時間分辨發光成像技術顯現潛指紋[J]. 中國人民大學學報(自然科學版), 2004, 10(4): 31-33.

[16]蔡能斌, 徐寶楨, 孫文鼎, 等. 紫外激光成像裝置顯現潛指印的研究與應用[J]. 中國人民大學學報(自然科學版), 2011, 17(3): 1-4.

[17]李紅霞, 鈕潔青, 黃云剛, 等. 紫外激光無損檢測潛在指印技術研究[J]. 激光與光電子學進展, 2011, 48(9): 129-133.

[18]黃曉春, 溫思博, 蔡能斌. 紫外反射成像技術顯現弧面客體上的潛在指印[J]. 影像技術, 2013, 25(4): 25-27.

[19]Wang, G., Wang, L., Li, F., et al. (2012) Collimating Lens for Light-Emitting-Diode Light Source Based on Non-Imaging Optics. Applied Optics, 51, 1654-1659.

[20]萬運佳, 劉杰, 林浩博, 等. 一般LED光源均勻配光的自由曲面菲涅耳透鏡[J]. 激光與光電子學進展, 2016, 53(6): 062201.

[21]王子儀, 張榮君, 徐蔚, 等. 基于全反射的發光二極管-照明光纖耦合器的設計與研制[J]. 光學學報, 2012, 32(9): 0922007.

[22]趙歡, 李長庚, 陳志濤, 等. 基于雙自由曲面的LED均勻照明準直透鏡設計[J]. 光學學報, 2017, 37(4): 0422001.