Optoelektroniczna metoda wizualizacji śladów daktyloskopijnych za pomocą luminescencji opóźnionej.pdf

Z PRAKTYKI

Optoelektroniczna metoda

wizualizacji œladów daktyloskopijnych

za pomoc¹ luminescencji opóŸnionej

Luminescencyjne metody ujawnia-

nia œladów kryminalistycznych,

a zw³aszcza œladów daktyloskopij-

nych, nale¿¹ do najczulszych technik

wizualizacyjnych i s¹ czêsto wykorzy-

stywane w praktyce 1 . Polegaj¹ one

na wzbudzaniu za pomoc¹ specjal-

nych Ÿróde³ promieniowania (np. la-

serów argonowych lub oœwietlaczy

z zespo³em filtrów krawêdziowych

i pasmowych) luminescencji œladów

uaktywnionych barwnikami (np. sa-

franina O, ardrox, basic yellow 40,

TEC). Œwiec¹ce œlady s¹ rejestrowa-

ne fotograficznie lub za pomoc¹ ka-

mer CCD z wykorzystaniem filtrów

optycznych odcinaj¹cych promienio-

wanie wzbudzaj¹ce i jednoczeœnie

przepuszczaj¹cych luminescencjê

œladów 2 .

Niestety rutynowo stosowane me-

tody luminescencyjne zawodz¹

w przypadku pod³o¿y wykazuj¹cych

siln¹ fluorescencjê w³asn¹ (np. pusz-

ki po napojach, barwne czasopisma,

banknoty), zw³aszcza jeœli zakres ich

œwiecenia pokrywa siê z zakresem

(d³ugoœci¹ fal) luminescencji œladów.

Do rozwi¹zania tego problemu mo¿-

na wykorzystaæ ró¿nice w czasie za-

niku fluorescencji pod³o¿a oraz fosfo-

rescencji lub fluorescencji opóŸnionej

œladów obserwowanych po wygasze-

niu Ÿród³a promieniowania wzbudza-

j¹cego.

wowanie ich luminescencji opóŸnio-

nej wa¿ny jest nastêpuj¹cy proces:

padaj¹cy foton jest poch³aniany

przez cz¹steczkê, któr¹ uczulona zo-

sta³a substancja potowo-t³uszczowa

tworz¹ca odcisk palca. Energia po-

ch³oniêtego fotonu powoduje zmianê

stanu energetycznego cz¹steczki,

która przechodzi przewa¿nie na wy¿-

szy poziom oscylacyjny stanu wzbu-

dzonego. Na skutek zderzeñ z cz¹-

steczkami oœrodka pozbywa siê bez-

promieniœcie nadmiaru energii oscy-

lacyjnej. W stanie wzbudzonym prze-

bywa przez krótki czas, by nastêpnie

z najni¿szego poziomu oscylacyjne-

go tego stanu powróciæ do stanu pod-

stawowego. Mo¿e siê to dokonaæ na

kilka sposobów: cz¹steczka mo¿e na

przyk³ad powróciæ na ni¿szy poziom

energetyczny, emituj¹c œwiat³o. Œwie-

cenie to nazywa siê luminescencj¹ 3 .

Wyró¿nia siê dwa podstawowe ro-

dzaje przejœæ promienistych: fluore-

scencjê i fosforescencjê, i dodatkowo

Pojêcie luminescencji opóŸnionej

Promieniowanie elektromagne-

tyczne w oddzia³ywaniu z materi¹

mo¿e ulec zarówno odbiciu, jak i po-

ch³oniêciu. Zazwyczaj zjawiska te

wystêpuj¹ równoczeœnie, tzn. czêœæ

fotonów ulega odbiciu, a czêœæ po-

ch³oniêciu przez cz¹steczki substan-

cji, na któr¹ padaj¹. Fotony poch³o-

niête przez cz¹steczki pod³o¿a mog¹

przekazywaæ swoj¹ energiê w ró¿ny

sposób. Z punktu widzenia metody

wizualizacji œladów poprzez obser-

S 1

ISC

S 1

T 1

F o

S o

Ryc. 1. Schemat luminescencji: So – podstawowy poziom singletowy; S 1 – wzbudzony poziom singletowy; T 1 – wzbudzony poziom trypletowy; IC (internal

conversion) – przejœcia bezpromieniste; ISC (internal system crossing) – przejœcia miêdzysystemowe; A – absorpcja promieniowania wzbudzaj¹cego; F – flu-

orescencja; Ph – fosforescencja; Fo – fluorescencja opóŸniona

Fig. 1. Scheme of luminescence: So – basic singlet level; S 1 – induced singlet level; T 1 – induced triplet level; IC – internal conversion (radiantless crossing);

ISC – internal system crossing; A – absorption of inductive radiation; F – fluorescence; Ph – phosphorescence; Fo – delayed fluorescence

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Z PRAKTYKI

fluorescencjê opóŸnion¹. Fluore-

scencja zachodzi, gdy elektron prze-

chodzi bezpoœrednio ze stanu wzbu-

dzonego singletowego do stanu sin-

gletowego o ni¿szej energii. Na naj-

ni¿szym wzbudzonym poziomie sin-

gletowym cz¹steczka mo¿e przeby-

waæ oko³o 10–8 s. Fosforescencja

jest procesem bardziej z³o¿onym.

W tym przypadku wzbudzony atom

lub cz¹steczka, zanim przejdzie do

stanu podstawowego, znajdzie siê

w stanie metatrwa³ym o czasie ¿ycia

rzêdu 10–6 s, co odpowiada sytuacji

przejœcia cz¹steczki ze stanu wzbu-

dzonego trypletowego do stanu pod-

stawowego singletowego. Przejœcia

o ró¿nej multipletowoœci s¹ formalnie

zabronione, dlatego s¹ mniej praw-

dopodobne i wi¹¿¹ siê z d³u¿szym

czasem ¿ycia stanu wzbudzonego

cz¹steczek. Fluorescencja opóŸnio-

na zanika znacznie wolniej ni¿ zwy-

k³a fluorescencja tej samej cz¹stecz-

ki i pojawia siê w wyniku kilku ró¿-

nych mechanizmów, z których najle-

piej poznanymi s¹: anihilacja tryplet-

-tryplet i termicznie aktywowana flu-

orescencja opóŸniona. Przyk³adem

fluorescencji opóŸnionej mo¿e byæ

sytuacja, gdy cz¹steczka, która zna-

laz³a siê w stanie wzbudzonym sin-

gletowym, przechodzi bezpromieni-

œcie do ni¿szego stanu trypletowego,

a nastêpnie – przy odpowiednio wy-

sokiej temperaturze otoczenia – po-

wraca do wy¿szego stanu wzbudzo-

nego singletowego i stamt¹d do sta-

nu podstawowego, emituj¹c œwiat³o.

Proces ten charakteryzuje siê wiêc

sk³adem spektralnym jak dla fluore-

scencji i czasem zaniku emisji jak dla

fosforescencji 4 .

Przez pojêcie luminescencji opóŸ-

nionej bêdziemy rozumieli zjawisko

fosforescencji oraz fluorescencji

opóŸnionej, które charakteryzuj¹ siê

podobnym czasem zaniku œwiecenia,

znacznie d³u¿szym ni¿ w przypadku

fluorescencji. Na rycinie 1 zosta³y

przedstawione schematycznie zmia-

ny poziomów energetycznych cz¹-

steczki odpowiedzialne za poszcze-

gólne rodzaje luminescencji.

czy, podjêto w latach 90. w USA. Na-

ukowcy skonstruowali kilka prototy-

pów urz¹dzeñ mechanicznych (tzw.

czoperów) w postaci wiruj¹cych tarcz

lub cylindrów z otworami powoduj¹-

cymi przerywanie (ze stosunkowo

du¿¹ czêstotliwoœci¹) ci¹g³ego pro-

mieniowania wzbudzaj¹cego i na

przemian – przes³anianie osi optycz-

nej kamer przed fluorescencj¹ pod³o-

¿a oraz ods³anianie jej w momencie

zaniku fluorescencji pod³o¿a i trwa-

nia jeszcze luminescencji opóŸnionej

œladów. Pozwoli³o to na rejestracjê

luminescencji opóŸnionej œladów ak-

tywowanych odpowiednimi barwni-

kami 5 .

W po³owie lat 90., na potrzeby

Centralnego Laboratorium Kryminali-

stycznego KGP, firma LASAR ELEK-

TRONIKA zbudowa³a czoper w po-

staci wiruj¹cej z prêdkoœci¹ ok.

30 000 obrotów na minutê tarczy, na

której obwodzie znajdowa³y siê czte-

ry otwory. Mechanizm jej dzia³ania

jest nastêpuj¹cy: podczas wirowania

otwór, przez który przechodzi promie-

niowanie wzbudzaj¹ce emitowane

z oœwietlacza, jest ods³aniany, a na-

stêpnie przys³aniany przez po-

wierzchniê wiruj¹cej tarczy. W chwili

gdy zostanie on przys³oniêty ca³kowi-

cie, nastêpuje ods³oniêcie otworu po-

Urz¹dzenia mechaniczno-

-optyczne do rejestracji

luminescencji opóŸnionej œladów

Pierwsze badania nad rozwi¹za-

niem problemu ujawniania œladów

daktyloskopijnych na pod³o¿ach wy-

kazuj¹cych siln¹ fluorescencjê, która

przes³ania³a ich œwiecenie pod wp³y-

wem wzbudzaj¹cego promieniowa-

nia laserów lub specjalnych oœwietla-

Ryc. 2. Zestaw mechanicznego czopera z oœwietlaczem, kamer¹ i kompute-

rem

Fig. 2. Mechanical chopper with light source, camera and computer

Ryc. 3. Czoper z ods³oniêtym otworem, przez który emitowane jest promie-

niowanie wzbudzaj¹ce

Fig. 3. Chopper with uncovered opening through which inductive radiation is

emitted

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Z PRAKTYKI

krywaj¹cego siê z osi¹ optyczn¹

obiektywu aparatu fotograficznego

(lub kamery CCD) rejestruj¹cego ob-

serwowany obraz œladu (ryc. 2–3).

Taki sposób rejestracji lumine-

scencji opóŸnionej okaza³ siê wystar-

czaj¹cy do rejestracji œladów za po-

moc¹ luminescencji opóŸnionej, jed-

nak nie by³o to rozwi¹zanie optymal-

ne. Wynika to z faktu, ¿e mechanicz-

ne urz¹dzenia wiruj¹ce nie pozwalaj¹

na uzyskanie stromych krawêdzi cha-

rakterystyki promieniowania wzbu-

dzaj¹cego ani rejestrowanej lumine-

scencji, a zatem nie zapewniaj¹ do-

statecznie krótkiego odstêpu czasu

pomiêdzy wygaszeniem œwietlnego

impulsu pobudzaj¹cego a chwil¹ od-

s³oniêcia toru optycznego aparatu fo-

tograficznego (kamery). W zwi¹zku

z tym obserwowany obraz œladu jest

nadal w du¿ym stopniu zak³ócany flu-

orescencj¹ pod³o¿a. Brak te¿ mo¿li-

woœci regulacji czasu trwania impulsu

œwietlnego oraz momentu otwarcia

migawki kamery po jego wygaœniê-

ciu. Dodatkow¹ wad¹ tego typu urz¹-

dzeñ jest bardzo d³ugi czas rejestra-

cji œladów (kilkadziesi¹t minut) oraz

du¿y poziom ha³asu wytwarzanego

przez wiruj¹ce elementy.

uruchamiana w chwili wygaœniêcia

promieniowania oœwietlacza oraz flu-

orescencji pod³o¿a. Cykl pracy opto-

elektronicznego stanowiska do reje-

stracji luminescencji opóŸnionej

przedstawia rycina 4.

Parametr [Ti] decyduje o tym, jaka

iloœæ energii zostanie „wpompowana”

w substancjê œwiec¹c¹ i w pod³o¿e,

na którym znajduje siê wizualizowany

œlad.

Czas opóŸnienia [To], który zwy-

kle wynosi od kilku do kilkunastu mi-

Ryc. 4. Pojedynczy cykl wzbudzenia, emisji oraz rejestracji luminescencji opóŸnionej

Fig. 4. Single cycle of induction, emission and recording of delayed luminescence

W idealnym przypadku rejestracja

luminescencji œladu powinna nast¹-

piæ po ca³kowitym wygaœniêciu pod-

³o¿a. Czas trwania œwietlnego impul-

su wzbudzaj¹cego powinien byæ do-

brany tak, aby niewielka iloœæ zawar-

tej w œladzie substancji aktywnej

optycznie ca³kowicie nasyci³a siê

œwiat³em. Z przeprowadzonych ba-

dañ wynika, ¿e czas ten (dla chelatu

europu) wynosi od 200 do 800 mikro-

sekund. Ze wzglêdu na znikom¹ iloœæ

substancji aktywnej optycznie zniko-

ma jest równie¿ iloœæ œwiat³a emito-

wanego po jednokrotnym naœwietle-

niu. W celu skutecznej wizualizacji

œladu niezbêdne jest tak¿e wielokrot-

ne powtórzenie cyklu: naœwietlanie –

rejestracja. O skutecznej rejestracji

œladu decyduje wiele parametrów, ta-

kich jak:

1) natê¿enie i czas trwania œwietl-

nego impulsu wzbudzaj¹cego

[Ti],

2) czas opóŸnienia mierzony od

chwili wygaœniêcia œwietlnego

impulsu wzbudzaj¹cego do

chwili otwarcia migawki [To],

3) czas otwarcia migawki [Tm],

4) iloœæ powtórzeñ cyklu: naœwie-

tlanie – rejestracja [N].

krosekund, nale¿y dobraæ tak, aby

moment otwarcia migawki nast¹pi³

w chwili, gdy luminescencja pod³o¿a

bêdzie ju¿ wystarczaj¹co wygaszo-

na, zaœ czas otwarcia migawki [Tm],

aby zgromadziæ w sensorze kamery

wystarczaj¹c¹ iloœæ energii. W prak-

tyce czas opóŸnienia jest porówny-

walny ze sta³¹ czasow¹ zaniku lumi-

nescencji opóŸnionej. Jak ju¿ wcze-

œniej wspomniano, w odpowiednio

uczulonej substancji potowo-t³usz-

czowej zdeponowana jest niewielka

iloœæ optycznie aktywnego odczynni-

ka. Niezbêdne jest zatem wielokrot-

ne powtórzenie cyklu [N], aby zgro-

madzona i zsumowana energia

œwietlna da³a odpowiedni efekt wizu-

alizacyjny.

Zbudowane w ramach projektu

badawczego i z wykorzystaniem naj-

nowszej technologii unikalne stano-

wisko zawiera wy³¹cznie elementy

optoelektroniczne 6 . W jego sk³ad

wchodzi komputerowo sterowany,

impulsowy oœwietlacz diodowy, ka-

mera CCD pozwalaj¹ca na rejestra-

cjê i sumowanie s³abych sygna³ów

luminescencji opóŸnionej oraz kom-

puterowa stacja steruj¹co-rejestruj¹-

ca. Kamera wraz z oœwietlaczem za-

Urz¹dzenie optoelektroniczne

do rejestracji luminescencji

opóŸnionej œladów

Obecny stan rozwoju optoelektro-

niki umo¿liwia konstrukcjê specjalne-

go stanowiska bez stosowania ja-

kichkolwiek ruchomych elementów

mechaniczno-optycznych. Rozwi¹za-

nie oparte na za³o¿eniu, ¿e charakte-

rystyka œwiat³a emitowanego

z oœwietlacza musi pokrywaæ siê

z charakterystyk¹ absorpcyjn¹ sub-

stancji u¿ytej do fotosensybilizacji

œladów kryminalistycznych, pozwala

na uzyskiwanie optymalnych warun-

ków rejestracji œladów. Mechanizm

dzia³ania takiego stanowiska polega

na wykorzystaniu impulsowego

oœwietlacza sprzê¿onego z kompute-

rowo sterowan¹ kamer¹, która jest

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Z PRAKTYKI

mocowana jest na specjalnym stabil-

nym statywie. Tor optyczny zestawu

jest ca³kowicie os³oniêty, co sprawia,

¿e badania mo¿na wykonywaæ

w niezaciemnionym pomieszczeniu.

Rejestracja luminescencji odbywa

siê z pominiêciem stacji graficznej –

jedynie zarejestrowane przez kame-

rê, „sca³kowane” obrazy s¹ przesy³a-

ne do komputera w postaci specjal-

nych pakietów, w³aœciwych dla tego

sposobu obserwacji obiektów aktyw-

nych optycznie. Diody oœwietlacza

zasilane s¹ prostok¹tnymi impulsami

pr¹dowymi o stromym zboczu opa-

daj¹cym. Tym samym i impulsy

œwietlne maj¹ niemal identyczny

kszta³t. Opadaj¹ce zbocze impulsu

pobudzaj¹cego powoduje otwarcie

kamery cyfrowej, która po krótkim

czasie opóŸnienia rozpoczyna reje-

stracjê œladu. Czas otwarcia kamery

jest dostosowany do czasu ¿ycia lu-

minescencji substancji uczulaj¹cej

œlad. Po zapisaniu informacji ca³y

cykl powtarza siê w sensorze kame-

ry, a jego krotnoœæ zale¿y od inten-

sywnoœci luminescencji opóŸnionej

œladu. Rycina 5 przedstawia ogólny

widok stanowiska, natomiast jego

schemat blokowy widoczny jest na

rycinie 6.

Najwa¿niejszym elementem ka-

mery jest wysokoczu³y, monochro-

matyczny sensor CCD. Zawartoœæ

pikseli odczytywana jest za pomoc¹

10-bitowego przetwornika A/C. Ka-

mera zaopatrzona jest ponadto

w specjalny uk³ad ch³odzenia, dziêki

czemu poziom szumów zbieranych

sygna³ów jest minimalny. Umo¿liwia

to sumowanie sygna³ów luminescen-

cji opóŸnionej emitowanej w ponad

60 tys. cykli: naœwietlanie – rejestra-

cja. Mo¿liwa jest równie¿ d³ugotrwa-

³a ekspozycja z czasem dochodz¹-

cym do kilkudziesiêciu minut. Impul-

sowy oœwietlacz emituje promienio-

wanie elektromagnetyczne w paœmie

ultrafioletowym z maksimum dla d³u-

goœci fali 365 nm. Czas trwania im-

pulsów mo¿e byæ regulowany w za-

kresie od 20 mikrosekund do 25 mi-

nut. Oœwietlacz jest sterowany im-

pulsami generowanymi przez kame-

rê, zaœ sterowanie kamer¹ i akwizy-

cjê obrazu realizuje komputer – sta-

cja graficzna ze specjalnym oprogra-

mowaniem.

Oprogramowanie urz¹dzenia po-

zwala na bardzo wygodn¹ zmianê

Ryc. 5. Optoelektroniczne stanowisko do rejestracji œladów daktyloskopijnych z wykorzystaniem lumine-

scencji opóŸnionej (stanowisko zosta³o zbudowane w ramach projektu badawczego nr 0 T00A 001 29,

finansowanego przez MNiSW, realizowanego w Zak³adzie Kryminalistyki i Medycyny S¹dowej Wydzia³u

Prawa i Administracji Uniwersytetu Warmiñsko-Mazurskego w Olsztynie. Podobne stanowisko funkcjo-

nuje tak¿e w Centralnym Laboratorium Kryminalistycznym KGP).

Fig. 5. Optoelectronic station for imaging fingermarks by means of delayed luminescence (workstation

as constructed within the research project no. 0 T00A 001 29 financed by Ministry of Science and

Higher Education and implemented in the Institute of Forensic Science and Medicine at Warmia and

Mazury Law and Administration Department in Olsztyn. A similar workstation is operational also in the

Central Forensic Laboratory of the Polish Police).

Ryc. 6. Schemat blokowy stanowiska optoelektronicznego do rejestracji œladów daktyloskopijnych z wy-

korzystaniem zjawiska luminescencji opóŸnionej

Fig. 6. Block scheme of optoelectronic workstation for imaging fingermarks by means of delayed

luminescence phenomenon

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Z PRAKTYKI

wszystkich parametrów ekspozycji.

Odbywa siê to przez wpisanie no-

wych wartoœci w odpowiednie rubry-

ki wyœwietlane na monitorze urz¹-

dzenia (ryc. 7). Zarówno zapamiêty-

wane obrazy, jak i obraz po ca³kowi-

tej ekspozycji mo¿na poddaæ obrób-

ce cyfrowej.

sorpcji promie-

niowania elektro-

magnetycznego

w obszarze bli-

skiego nadfioletu.

OpóŸniona emi-

sja ma miejsce

w obszarze czer-

Ryc. 8a. Przyk³ad próby wizualizacji œladu linii papilarnych na dowodzie

osobistym przy wykorzystaniu cyjanoakrylanu, chelatu europu oraz oœwietla-

cza UV

Fig. 8a. Example of attempted visualisation of a fingermark on ID card with

use of cyanoacrylante, europium chelate and UV light

Ryc. 7. Mo¿liwoœci ustawiania parametrów stanowiska do rejestracji œladów

za pomoc¹ luminescencji opóŸnionej

Fig. 7. Possibilities of setting parameters of the workstation for imaging

fingermarks by means of delayed luminescence

Ryc. 8b. Przyk³ad wizualizacji œladu linii papilarnych na dowodzie osobistym

(ten sam œlad jak na ryc. 8a) z wykorzystaniem cyjanoakrylanu, chelatu eu-

ropu oraz stanowiska do rejestracji luminescencji opóŸnionej

Fig. 8b. Example of attempted visualisation of fingermark (the same as in

Fig. 8a) on ID card with use of cyanoacrylate, europium chelate and delayed

luminescence imaging

Uzyskane rezultaty

ujawniania œladów

wieni. Uzyskane

rezultaty wizuali-

zacji œladów linii

papilarnych w pe³ni da³y potwierdze-

nie za³o¿eñ. W przypadkach, w któ-

rych fluorescencja pod³o¿a przes³a-

nia³a fosforescencjê œladów, stano-

wisko pozwala³o na rejestracjê ich

obrazów o czytelnoœci du¿o lepszej

ni¿ z wykorzystaniem klasycznych

metod luminescencyjnych (ryc. 8a

i b)

Bardzo dobre rezultaty wizualiza-

cji œladów otrzymano tak¿e na pod³o-

¿ach powoduj¹cych odb³yski œwiat³a

(bliki), takich jak zmiêta folia alumi-

niowa, które mog³y byæ skutecznie

Zbudowane stanowisko, dziêki za-

kresowi promieniowania oœwietlacza

impulsowego (365 nm) u¿ytego

w pierwszej fazie badañ nad rejestra-

cj¹ obrazów za pomoc¹ luminescen-

cji opóŸnionej, doskonale nadaje siê

do ujawniania œladów daktyloskopij-

nych na pod³o¿ach niech³onnych, ta-

kich jak metale, szk³o, tworzywa

sztuczne i inne.

Podczas badañ stosowano naj-

pierw metodê cyjanoakrylow¹, a na-

stêpnie roztwór chelatu europu 7 , któ-

ry wykazuje zdolnoœæ do silnej ab-

wygaszone, w chwili gdy wykorzysty-

wano zjawisko luminescencji opóŸ-

nionej (9a i b).

W zale¿noœci od wybranych para-

metrów w panelu steruj¹cym, jeœli nie

wystêpuje fluorescencja pod³o¿a,

stanowisko mo¿e byæ u¿ywane jako

uniwersalne urz¹dzenie do rejestracji

œladów w œwietle odbitym i z wyko-

rzystaniem ich „zwyk³ej” luminescen-

cji.

Badania bêd¹ kontynuowane tak-

¿e z u¿yciem pod³o¿y ch³onnych,

zw³aszcza ró¿nego rodzaju papie-

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: