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[摘 要]： 激光光致發(fā)光檢驗技術是以激光作為激發(fā)光源，利用激光的亮度高和單色性好等特性誘導痕跡物證發(fā)光，并對發(fā)光的痕跡物證進行影像提取的專門技術。自從1976年以美國德克薩斯技術大學學物理學家E.R.Menze
[論文正文]：激光光致發(fā)光檢驗技術是以激光作為激發(fā)光源，利用激光的亮度高和單色性好等特性誘導痕跡物證發(fā)光，并對發(fā)光的痕跡物證進行影像提取的專門技術。自從1976年以美國德克薩斯技術大學學物理學家E.R.Menzel為首的科研小組成功地將這項技術應用于潛在指紋檢驗以來，引起了世界各國刑事技術工作者的高度重視，并且競相開展了多方面研究。目前，應用激光檢驗潛在指紋包括殘留物的自發(fā)熒光檢驗經(jīng)過物理方法處理的指紋殘留物熒光檢驗和經(jīng)過化學方法處理的指紋殘留物熒光檢驗等形式，這些方法有效地解決了常規(guī)檢驗方法不能解決的問題，顯著地提高了疑難指紋的顯現(xiàn)率。從影像記錄形式來看同是利用膠片攝影方法，拍攝指紋的熒光照片；二是利用攝像方法，將指紋熒光影像以視頻形式記錄下來；三是采用弱信號檢測技術，將熒光影像通過光電轉換器件轉換成電信號，經(jīng)監(jiān)視器顯示出來。激光掃描共聚焦顯微技術是弱信號檢測技術在實踐應用中的成功范例，已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)檢測材料科學 醫(yī)療衛(wèi)生和生物工程等領域。
[論文正文]：激光光致發(fā)光檢驗技術是以激光作為激發(fā)光源，利用激光的亮度高和單色性好等特性誘導痕跡物證發(fā)光，并對發(fā)光的痕跡物證進行影像提取的專門技術。自從1976年以美國德克薩斯技術大學學物理學家E.R.Menzel為首的科研小組成功地將這項技術應用于潛在指紋檢驗以來，引起了世界各國刑事技術工作者的高度重視，并且競相開展了多方面研究。目前，應用激光檢驗潛在指紋包括殘留物的自發(fā)熒光檢驗經(jīng)過物理方法處理的指紋殘留物熒光檢驗和經(jīng)過化學方法處理的指紋殘留物熒光檢驗等形式，這些方法有效地解決了常規(guī)檢驗方法不能解決的問題，顯著地提高了疑難指紋的顯現(xiàn)率。從影像記錄形式來看同是利用膠片攝影方法，拍攝指紋的熒光照片；二是利用攝像方法，將指紋熒光影像以視頻形式記錄下來；三是采用弱信號檢測技術，將熒光影像通過光電轉換器件轉換成電信號，經(jīng)監(jiān)視器顯示出來。激光掃描共聚焦顯微技術是弱信號檢測技術在實踐應用中的成功范例，已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)檢測材料科學 醫(yī)療衛(wèi)生和生物工程等領域。
一般地講，在激光照射下，指紋殘留物質和指紋載體物質會同時發(fā)出強烈的熒光，互相干擾，嚴重影響著指紋的影像提取，為了解決這一難題，人們提出了時間分辨發(fā)光成像技術2這項技術是參考指紋殘留物質和載體物質的發(fā)光壽命的差別，通過適當?shù)卣{節(jié)激光的激發(fā)頻率，使兩種具有不同的光學調制特征，將它們區(qū)分開來，有效地抑制載體物質發(fā)光，從而獲得較為清晰的指紋圖像。時間分辨發(fā)光成像既可以在時間函數(shù)域檢驗，也可以在頻率函數(shù)域檢驗。時間域檢驗需要檢測的參量包括脈沖激發(fā)光的強度和檢材發(fā)出的輻射強度，根據(jù)輻射強度隨時間的變化關系來確定物質的發(fā)光壽命；而頻率域檢驗需要檢測的參量則是在一定頻率的脈沖激光的激發(fā)下，檢材發(fā)出熒光的輻射強度和輻射熒光的相位滯后，以此推算物質的發(fā)光壽命。激光掃描楊像系統(tǒng)是根據(jù)時間分辨發(fā)光成像技術的時間域檢驗原理，以激光掃描共聚焦顯微技術為核心而研制成的一種高靈敏度的潛在指紋檢驗裝置，它能夠有效地避免強烈的激光灼傷檢材，并且便于微型計算機對指紋影像的后期處理。
一 檢材預處理
根據(jù)發(fā)光壽命的長短，光致發(fā)光劃分為熒光（發(fā)光壽命大約納秒數(shù)量級）和磷光（發(fā)光壽命大約微秒至毫秒數(shù)量級）。一般地，載體發(fā)光以熒多，壽命比較短，如果預先選取某種物理化學方法處理潛在指紋，使其生成發(fā)光壽命較長的物質，這樣，在相同的激光激發(fā)下，潛在指紋將會發(fā)出磷光，。目前使人用zui為廣州泛的方法是用茚三酮和稀土混合物處理。首先，使用茚三酮蒸熏檢材，茚三酮能夠與指紋殘留物中的氨基酸發(fā)生化學反應而生成稱之魯赫曼（Ruhemann）的藍紫色染色料，然后再用稀土混合物處理檢材，稀土鹽化合物將沉積在茚三酮聚合物中，稀土鹽化合物中的E將會吸必近紫外光，（350納米）。而輻射出橙紅色磷（614納米）。研究表明，輻射磷光的發(fā)光壽命為0.3－0.6毫秒。適合采用時間分辨發(fā)光成像技術進行檢驗。
二 激光掃描成像系統(tǒng)
激光掃描成像系統(tǒng)除了附加的機械式斬光器以外，大體上同典型的激光掃描共聚焦顯微系統(tǒng)的結構相似，激發(fā)光是由一臺功率18.5毫瓦波長325納米的氦鎘激光器提供，稀土鹽化合物對波長325納米光譜的吸收效率大約是其發(fā)生在波長350納米光譜的吸收效率峰值的40%。激光器發(fā)出的連續(xù)光被高速轉的機械式斬光器調制成具有一定頻率的脈沖激光。同時，控制電路上的紅外線探測器將斬光器的轉動頻率轉換成脈沖信號，作為整個系統(tǒng)的同步信號。當斬光器的專動頻率為300赫茲時，激發(fā)光的開關切換時間將少于25微秒。脈沖激光經(jīng)過擴大束鏡后直徑可以達到6.5毫米。而后進入線性激光濾光鏡和透射反射鏡（透射光波長λ375納米反射光波長λ375納米）波長325納米的脈沖激光經(jīng)過透射反射鏡的選擇性反射后,投射到位于掃描鏡頭焦點前方的XY掃描偏轉平面鏡處.涂有MgF薄膜的XY掃描偏轉平面鏡具有良好的紫外線反射性能,可以反射直徑10毫米的入射光束.在掃描透鏡的會聚作用下,入射的激光聚焦在檢材上的某一點上.激發(fā)光束的掃描透鏡共同形成的相對孔徑為0.02,聚焦點直徑的理論數(shù)值應當小于20毫米.但是由于單個透鏡存在著嚴重的像差,聚焦點的實際直徑接近30微米,這在一定程度上限制了激光掃描成像的分辨率.在入射激光的激發(fā)下,檢材聚焦點的輻射熒光又被掃描透鏡重新聚焦,沿著與激發(fā)光相反的光路逆向掃描,重新回到透射反射鏡處.由于輻射光的波長λ375納米,經(jīng)過透射反射鏡的選擇性透射后,輻射光則進入熒光檢測光路,其中低通濾光鏡可以濾除混在輻射光中的殘留激發(fā)光,消除了噪聲對有用信號的干燥,提高了系統(tǒng)的信噪比.zui后檢測透鏡將輻射光會聚位于圖像增強管前方的檢測光學系統(tǒng)的孔徑光闌中心,這一點剛好與激發(fā)光在檢材上的焦點是共聚焦的.這樣,孔徑光闌只允許來自檢材聚焦點上的輻射光通過,在圖像增強管的能量轉換作用下,輻射光轉換成電信號,又經(jīng)過放大,校正和濾波等一系列信號處理,檢材上的潛在指紋就轉換成與其對應的一幀電信號,即實現(xiàn)了激光掃描聚焦顯微過程.
需要指出的是,掃描光學系統(tǒng)應當具有偏軸掃描的特性,當平行于掃描透鏡光軸的激發(fā)光線掃描檢材時,偏軸掃描會使得這些光線形成聚焦光錐面,偏軸掃描可以通過在掃描透鏡的焦點前方放置掃描平面鏡來實現(xiàn).采取非偏軸掃描方式,檢材位于焦平面外側的部分,掃描成像將會發(fā)生變形.相反,采取非偏掃描方式,檢材位于焦平面外側的部分,掃描成像將會發(fā)生變形.激光掃描成像具有高于其它時間分辨發(fā)光成像的靈敏度,原因是圖像增強管檢測的光信號是來自檢材的強烈的聚焦光線.另外,采取的是高靈敏度的單點檢測方式,而其它方法多數(shù)是采用大功率激光直接照射整個檢材,檢驗裝置通常是膠片照相機或CCD攝像機,盡管這些方法的檢驗速度快,但是缺少足夠的靈敏度.
三 信號處理
激光掃描成像系統(tǒng)的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理是由微型計算機及其外部控制電路完成的.控制電路是由頻率20MHZ的數(shù)字信號處理器TMS320C 12位模數(shù)轉換器ADC300 16位數(shù)據(jù)輸出鎖存器74LS373，施密特型反相器74KS14以及RS232串行通訊接口等組成.其中數(shù)字信號處理器用于高速處理模數(shù)轉換器傳送的數(shù)字信號,從而形成具有某種圖像格式的數(shù)據(jù)文件,并完成與微型計算機通訊任務.數(shù)據(jù)輸出鎖存器接受微型計算機的指令,驅動XY掃描偏轉平面鏡.模數(shù)轉換器則是將由圖像增強管檢測出來的,經(jīng)過前置放大器放大處理的電信號,轉換成便于計算機運算處理的數(shù)字信號.施密特型反相器可以對來自紅外線探測器的斬光器的開關切換信號進行濾波,消除環(huán)境噪聲的干擾,以保證系統(tǒng)同步信號的穩(wěn)定性.控制電路中的RS232串行通訊接口是控制電路和微型計算機之間的信息的紐帶。
保證系統(tǒng)同步信號的準確性是實現(xiàn)激光掃描共聚焦顯微技術的關鍵,同步信號是由機械式斬光器的轉動頻率決定的,而斬光器的轉動頻率又是根據(jù)檢材輻射熒光的發(fā)光壽命確定的.微型計算機接收同步信號之后,按照檢材成像區(qū)域和與指紋像素分辨相對應的固定柵格,發(fā)出指令來控制XY掃描偏轉平面鏡的動作,使得熒光激發(fā)和檢測過程協(xié)調起來.只有這樣在斬光器開關切換的時間間隔里,圖像增強管才能正確地檢測到每個柵格上的熒光輻射強度.
四 實驗結果及分析
使用激光掃描共聚焦顯微打擊術和普通的時間分辨成像技術分別提取可口可樂金屬罐上的潛在指紋,金屬罐檢材事先用茚三酮和稀土混淆合物處理.激光開關切換期間檢材的熒光測試結果,由于采用的是12位模數(shù)轉換器,需要將兩組數(shù)據(jù)合并在一起繪制圖形.在開關切換之前,檢材的熒光強度基本上是常值,這既是因為載體輻射熒光的強度是常值,又是因為指紋的磷光強度與其平均值相近似,磷光強度通常是激發(fā)光強度和稀土混合物濃度的函數(shù).調制脈沖激光的斬光動作需要25微秒,斬光器的開關切換開始后的100微秒內,熒光強度呈指數(shù)衰減特性分布,這一現(xiàn)象表明,在此其間,載體熒光可以忽略不計而信號主要來自熒光的延遲,通過線性回歸運算,可以推算出熒光的發(fā)光壽命為0.6毫秒.采用普通的時間分方向成像模式檢驗時,激發(fā)光同時照射整個檢材,圖像效果受到化學染色劑的影響較大,檢材中包紅色字母的區(qū)域輻射出的熒光特別強烈,此處的指紋紋線模糊不清.而白色區(qū)域的熒光較為暗淡,在這些區(qū)域內如果采用的檢測裝置得當?shù)脑?有可能獲得清晰的指紋紋線.但是圖像的反差微弱,通常需要后期處理.當采用激光掃描成像模式進行檢驗時,檢材的掃描柵格為10001000個像素,覆蓋20平方毫米區(qū)域,其中每個像素占據(jù)20微米.由于掃描聚焦點的直徑略大于20微米,這種分辨率的設定可能造成輕微的過度采樣.另外,由于掃描速率受到斬光器轉動的制約(300赫茲),一百萬個像素全部描大約需要1個小時間.實驗結果是檢材中紅色區(qū)域和白色區(qū)域的指紋圖像都是清晰的可鑒,在檢材預處理過程中,有時,稀土混合物分布不均勻,將會產(chǎn)生與普通的時間分辨成像模式檢驗類似的結果.另外,在兩種模式檢驗中,紅色區(qū)域的熒光總是強于白色區(qū)域的,這表明更多的茚三酮聚合在紅色區(qū)域,并且沉積了更多析稀土鹽化合物.
需要指出的是,激光掃描成像系統(tǒng)提取的圖像分辨率能夠滿足指紋紋線檢驗,但是對于指紋乳突出檢驗尚且不足.因此,為了獲得更高分辨率的圖像,需要采取以下措施來改進光學系統(tǒng)的設計1單個掃描透鏡存在著較大的像差,增大了聚焦點的直徑,可以采用適于大面積激光掃描的透鏡組來替代掃描透鏡;2 為了達到10微米的像素分辨率,有必要采用相對孔徑為0.04的孔徑光闌;3每組透鏡都應當進行光譜校對以便與激光波長(325納米)和輻射光波長(614納米)相匹配;4選擇新的激光光源,使得激發(fā)光的波長接近稀土混合物的光譜吸收效率峰什的波長(350納米).另外,通過改進系統(tǒng)部件和采樣時間,可以縮短提取指紋圖像的時間.目前檢材的磷光激發(fā)時間為1500微秒,采用大功率的激光極可能將激發(fā)時間縮短到100微秒以下;增大掃描透鏡組的相對孔徑可以提高光線的通進率,降低對激發(fā)光照度的要求,從而減小了脈沖激光的寬度.這樣,斬光周期將會明顯地降低,可能達到250微秒,此時一幅512512個像素的圖像可以在少于90秒的時間內獲得.盡管激光掃描成像系統(tǒng)存在著諸多不足,但是,隨著激光掃描共聚焦顯微技術研究的不斷深入,該系統(tǒng)必然會引起人們的高度重視,在潛在指紋檢驗中發(fā)揮更大的作用。
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