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用于潛在指紋檢驗(yàn)的激光掃描成像系統(tǒng)
點(diǎn)擊次數(shù)：831 發(fā)布時(shí)間：2008/10/28 11:05:02
[摘 要]： 激光光致發(fā)光檢驗(yàn)技術(shù)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(dǎo)痕跡物證發(fā)光，并對(duì)發(fā)光的痕跡物證進(jìn)行影像提取的專門技術(shù)。自從1976年以美國德克薩斯技術(shù)大學(xué)學(xué)物理學(xué)家E.R.Menze
[論文正文]：激光光致發(fā)光檢驗(yàn)技術(shù)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(dǎo)痕跡物證發(fā)光，并對(duì)發(fā)光的痕跡物證進(jìn)行影像提取的專門技術(shù)。自從1976年以美國德克薩斯技術(shù)大學(xué)學(xué)物理學(xué)家E.R.Menzel為首的科研小組成功地將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于潛在指紋檢驗(yàn)以來，引起了世界各國刑事技術(shù)工作者的高度重視，并且競(jìng)相開展了多方面研究。目前，應(yīng)用激光檢驗(yàn)潛在指紋包括殘留物的自發(fā)熒光檢驗(yàn)經(jīng)過物理方法處理的指紋殘留物熒光檢驗(yàn)和經(jīng)過化學(xué)方法處理的指紋殘留物熒光檢驗(yàn)等形式，這些方法有效地解決了常規(guī)檢驗(yàn)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(hào)檢測(cè)技術(shù)，將熒光影像通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)監(jiān)視器顯示出來。激光掃描共聚焦顯微技術(shù)是弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的成功范例，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)材料科學(xué) 醫(yī)療衛(wèi)生和生物工程等領(lǐng)域。
[論文正文]：激光光致發(fā)光檢驗(yàn)技術(shù)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(dǎo)痕跡物證發(fā)光，并對(duì)發(fā)光的痕跡物證進(jìn)行影像提取的專門技術(shù)。自從1976年以美國德克薩斯技術(shù)大學(xué)學(xué)物理學(xué)家E.R.Menzel為首的科研小組成功地將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于潛在指紋檢驗(yàn)以來，引起了世界各國刑事技術(shù)工作者的高度重視，并且競(jìng)相開展了多方面研究。目前，應(yīng)用激光檢驗(yàn)潛在指紋包括殘留物的自發(fā)熒光檢驗(yàn)經(jīng)過物理方法處理的指紋殘留物熒光檢驗(yàn)和經(jīng)過化學(xué)方法處理的指紋殘留物熒光檢驗(yàn)等形式，這些方法有效地解決了常規(guī)檢驗(yàn)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(hào)檢測(cè)技術(shù)，將熒光影像通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)監(jiān)視器顯示出來。激光掃描共聚焦顯微技術(shù)是弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的成功范例，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)材料科學(xué) 醫(yī)療衛(wèi)生和生物工程等領(lǐng)域。
一般地講，在激光照射下，指紋殘留物質(zhì)和指紋載體物質(zhì)會(huì)同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的熒光，互相干擾，嚴(yán)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(shí)間分辨發(fā)光成像技術(shù)2這項(xiàng)技術(shù)是參考指紋殘留物質(zhì)和載體物質(zhì)的發(fā)光壽命的差別，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)激光的激發(fā)頻率，使兩種具有不同的光學(xué)調(diào)制特征，將它們區(qū)分開來，有效地抑制載體物質(zhì)發(fā)光，從而獲得較為清晰的指紋圖像。時(shí)間分辨發(fā)光成像既可以在時(shí)間函數(shù)域檢驗(yàn)，也可以在頻率函數(shù)域檢驗(yàn)。時(shí)間域檢驗(yàn)需要檢測(cè)的參量包括脈沖激發(fā)光的強(qiáng)度和檢材發(fā)出的輻射強(qiáng)度，根據(jù)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系來確定物質(zhì)的發(fā)光壽命；而頻率域檢驗(yàn)需要檢測(cè)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(qiáng)度和輻射熒光的相位滯后，以此推算物質(zhì)的發(fā)光壽命。激光掃描楊像系統(tǒng)是根據(jù)時(shí)間分辨發(fā)光成像技術(shù)的時(shí)間域檢驗(yàn)原理，以激光掃描共聚焦顯微技術(shù)為核心而研制成的一種高靈敏度的潛在指紋檢驗(yàn)裝置，它能夠有效地避免強(qiáng)烈的激光灼傷檢材，并且便于微型計(jì)算機(jī)對(duì)指紋影像的后期處理。
一 檢材預(yù)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(jí)）和磷光（發(fā)光壽命大約微秒至毫秒數(shù)量級(jí)）。一般地，載體發(fā)光以熒多，壽命比較短，如果預(yù)先選取某種物理化學(xué)方法處理潛在指紋，使其生成發(fā)光壽命較長的物質(zhì)，這樣，在相同的激光激發(fā)下，潛在指紋將會(huì)發(fā)出磷光，。目前使人用*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(xué)反應(yīng)而生成稱之魯赫曼（Ruhemann）的藍(lán)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(huì)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(shí)間分辨發(fā)光成像技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。
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(jī)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(jié)構(gòu)相似，激發(fā)光是由一臺(tái)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(duì)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(zhuǎn)的機(jī)械式斬光器調(diào)制成具有一定頻率的脈沖激光。同時(shí)，控制電路上的紅外線探測(cè)器將斬光器的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，作為整個(gè)系統(tǒng)的同步信號(hào)。當(dāng)斬光器的專動(dòng)頻率為300赫茲時(shí)，激發(fā)光的開關(guān)切換時(shí)間將少于25微秒。脈沖激光經(jīng)過擴(kuò)大束鏡后直徑可以達(dá)到6.5毫米。而后進(jìn)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(diǎn)前方的XY掃描偏轉(zhuǎn)平面鏡處.涂有MgF薄膜的XY掃描偏轉(zhuǎn)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(huì)聚作用下,入射的激光聚焦在檢材上的某一點(diǎn)上.激發(fā)光束的掃描透鏡共同形成的相對(duì)孔徑為0.02,聚焦點(diǎn)直徑的理論數(shù)值應(yīng)當(dāng)小于20毫米.但是由于單個(gè)透鏡存在著嚴(yán)重的像差,聚焦點(diǎn)的實(shí)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(diǎn)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(jìn)入熒光檢測(cè)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(duì)有用信號(hào)的干燥,提高了系統(tǒng)的信噪比.*后檢測(cè)透鏡將輻射光會(huì)聚位于圖像增強(qiáng)管前方的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌中心,這一點(diǎn)剛好與激發(fā)光在檢材上的焦點(diǎn)是共聚焦的.這樣,孔徑光闌只允許來自檢材聚焦點(diǎn)上的輻射光通過,在圖像增強(qiáng)管的能量轉(zhuǎn)換作用下,輻射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào),又經(jīng)過放大,校正和濾波等一系列信號(hào)處理,檢材上的潛在指紋就轉(zhuǎn)換成與其對(duì)應(yīng)的一幀電信號(hào),即實(shí)現(xiàn)了激光掃描聚焦顯微過程.
需要指出的是,掃描光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有偏軸掃描的特性,當(dāng)平行于掃描透鏡光軸的激發(fā)光線掃描檢材時(shí),偏軸掃描會(huì)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(diǎn)前方放置掃描平面鏡來實(shí)現(xiàn).采取非偏軸掃描方式,檢材位于焦平面外側(cè)的部分,掃描成像將會(huì)發(fā)生變形.相反,采取非偏掃描方式,檢材位于焦平面外側(cè)的部分,掃描成像將會(huì)發(fā)生變形.激光掃描成像具有高于其它時(shí)間分辨發(fā)光成像的靈敏度,原因是圖像增強(qiáng)管檢測(cè)的光信號(hào)是來自檢材的強(qiáng)烈的聚焦光線.另外,采取的是高靈敏度的單點(diǎn)檢測(cè)方式,而其它方法多數(shù)是采用大功率激光直接照射整個(gè)檢材,檢驗(yàn)裝置通常是膠片照相機(jī)或CCD攝像機(jī),盡管這些方法的檢驗(yàn)速度快,但是缺少足夠的靈敏度.
三 信號(hào)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(jì)算機(jī)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(hào)處理器TMS320C 12位模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)處理器用于高速處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳送的數(shù)字信號(hào),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(jì)算機(jī)通訊任務(wù).數(shù)據(jù)輸出鎖存器接受微型計(jì)算機(jī)的指令,驅(qū)動(dòng)XY掃描偏轉(zhuǎn)平面鏡.模數(shù)轉(zhuǎn)換器則是將由圖像增強(qiáng)管檢測(cè)出來的,經(jīng)過前置放大器放大處理的電信號(hào),轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理的數(shù)字信號(hào).施密特型反相器可以對(duì)來自紅外線探測(cè)器的斬光器的開關(guān)切換信號(hào)進(jìn)行濾波,消除環(huán)境噪聲的干擾,以保證系統(tǒng)同步信號(hào)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(jì)算機(jī)之間的信息聯(lián)系的紐帶。
保證系統(tǒng)同步信號(hào)的準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)激光掃描共聚焦顯微技術(shù)的關(guān)鍵,同步信號(hào)是由機(jī)械式斬光器的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率決定的,而斬光器的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算機(jī)接收同步信號(hào)之后,按照檢材成像區(qū)域和與指紋像素分辨相對(duì)應(yīng)的固定柵格,發(fā)出指令來控制XY掃描偏轉(zhuǎn)平面鏡的動(dòng)作,使得熒光激發(fā)和檢測(cè)過程協(xié)調(diào)起來.只有這樣在斬光器開關(guān)切換的時(shí)間間隔里,圖像增強(qiáng)管才能正確地檢測(cè)到每個(gè)柵格上的熒光輻射強(qiáng)度.
四 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
使用激光掃描共聚焦顯微打擊術(shù)和普通的時(shí)間分辨成像技術(shù)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(guān)切換期間檢材的熒光測(cè)試結(jié)果,由于采用的是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,需要將兩組數(shù)據(jù)合并在一起繪制圖形.在開關(guān)切換之前,檢材的熒光強(qiáng)度基本上是常值,這既是因?yàn)檩d體輻射熒光的強(qiáng)度是常值,又是因?yàn)橹讣y的磷光強(qiáng)度與其平均值相近似,磷光強(qiáng)度通常是激發(fā)光強(qiáng)度和稀土混合物濃度的函數(shù).調(diào)制脈沖激光的斬光動(dòng)作需要25微秒,斬光器的開關(guān)切換開始后的100微秒內(nèi),熒光強(qiáng)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(jì)而信號(hào)主要來自熒光的延遲,通過線性回歸運(yùn)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(shí)間分方向成像模式檢驗(yàn)時(shí),激發(fā)光同時(shí)照射整個(gè)檢材,圖像效果受到化學(xué)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(qiáng)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(nèi)如果采用的檢測(cè)裝置得當(dāng)?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(dāng)采用激光掃描成像模式進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),檢材的掃描柵格為10001000個(gè)像素,覆蓋20平方毫米區(qū)域,其中每個(gè)像素占據(jù)20微米.由于掃描聚焦點(diǎn)的直徑略大于20微米,這種分辨率的設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)的制約(300赫茲),一百萬個(gè)像素全部描大約需要1個(gè)小時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yù)處理過程中,有時(shí),稀土混合物分布不均勻,將會(huì)產(chǎn)生與普通的時(shí)間分辨成像模式檢驗(yàn)類似的結(jié)果.另外,在兩種模式檢驗(yàn)中,紅色區(qū)域的熒光總是強(qiáng)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(yàn),但是對(duì)于指紋乳突出檢驗(yàn)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(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1單個(gè)掃描透鏡存在著較大的像差,增大了聚焦點(diǎn)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(dá)到10微米的像素分辨率,有必要采用相對(duì)孔徑為0.04的孔徑光闌;3每組透鏡都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行光譜校對(duì)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(jìn)系統(tǒng)部件和采樣時(shí)間,可以縮短提取指紋圖像的時(shí)間.目前檢材的磷光激發(fā)時(shí)間為1500微秒,采用大功率的激光極可能將激發(fā)時(shí)間縮短到100微秒以下;增大掃描透鏡組的相對(duì)孔徑可以提高光線的通進(jìn)率,降低對(duì)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(huì)明顯地降低,可能達(dá)到250微秒,此時(shí)一幅512512個(gè)像素的圖像可以在少于90秒的時(shí)間內(nèi)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(shù)研究的不斷深入,該系統(tǒng)必然會(huì)引起人們的高度重視,在潛在指紋檢驗(yàn)中發(fā)揮更大的作用。
原創(chuàng)作者：北京普瑞賽司儀器有限公司
