CN102253025A - 应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统及其方法，属于法庭科学的光谱检测技术领域。该系统包括：复合荧光成像系统的光源单元、滤光单元、图像采集和图像处理单元；该方法包括：将多波段光源强度调至最低；并调节单镜头反光数码相机焦距至便携式电脑显示的即时图像视野清晰；对待检测物进行荧光光谱测量；将确定的最佳滤光片置于单镜头反光数码相机镜头前，调节多波段光源至最优波长及强度；用光谱仪采集待检测物的荧光图像，对待检测物的荧光图像进行拍照；通过便携式电脑遥控操作单镜头反光数码相机进行采集荧光成像图片。本发明能实现图像的快速处理，快速测量选择最优激发波长形成最佳荧光效果，并采集具有荧光特性物质的图像。

Description

应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统及其方法

技术领域

本发明属于法庭科学的光谱检测技术领域，特别涉及应用于法庭科学手印成像和理化物证领域荧光物质检测的复合荧光成像系统及利用该系统对具有荧光特性物质进行激发成像、图像采集、图像处理的技术方法。

背景技术

光学检测技术在法庭科学有着广泛的应用领域，对于很多物证的检测都优先使用光学检测方法。通过光学检验，可以直观记录客观情况，并且可实现对待检测物的无损检验。

原子核外的电子通常总是在能量最低的轨道上运动，处于能量轨道最低的形态称为基态，基态能级以上的高能级称为激发态。当基态电子受到外界激发，如一定波长的光照时，会获得一定的能量而被激发到某一高能级的激发态。处于激发态的电子是不稳定的，当向基态跃迁时，可能会跃迁到激发态与基态间的其他能级上。此时释放的光子频率就低于入射光的频率，而刚好在可见光的范围之内，于是荧光物质发出可见光，即所谓的荧光，这个现象称为光致发光现象。不是所有物质都会发荧光。产生荧光必须具备以下两个条件：(1)该物质分子必须具有与照射光线相同的频率，这与分子的结构密切相关；(2)吸收了与本身特征频率相同的能量之后的物质分子，必须具有高的荧光效率。当特定波长的激发光照射到具有荧光特性的待检测物(该待检测物可以是本身具有荧光特性亦或是经处理后具有荧光特性)时，待检测物被激发出与入射光波长不同的荧光，将其荧光通过照相系统的采集可以达到记录固定荧光的目的。

干涉滤光片是利用干涉原理只使特定波长的光通过的光学薄膜，通常由多层薄膜构成，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。干涉滤光片种类繁多，常见的干涉滤光片分为截止滤光片和带通滤光片两类。截止滤光片能把光谱范围分成两个区，一个为截止区，这个区中的光不能通过，而另一区为通带区，这个区中的光能充分通过。典型的截止滤光片有只允许长波光通过的高通滤光片，只允许短波光通过的低通滤光片和只允许较窄波长范围的光通过的带通滤光片。

光谱仪是早已应用于相关领域进行光谱检测等应用的一种光学设备，属于已经开发成熟的光学检测设备。光谱仪是一个便携式的多波段光谱仪，而多波段光谱仪也在法庭科学技术领域中有一定的应用，用于潜在痕迹物证的发现、特殊现场的光源照明等。便携式光谱仪可以实现光谱即时检测，这是一种成熟的检测技术，它可以即时将测得的光谱数据在便携式电脑上利用软件进行数据分析，从而为法庭科学服务。

多波段光谱仪与数码照相机结合使用，同时得到物质的光谱数据和手印及具有荧光特征的物质的外观图像技术在法庭科学领域中尚无应用报道。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统及其方法。本发明可通过光谱的快速测量选择最优激发波长形成最佳荧光效果，并且操作便捷，可以快速测定荧光光谱并采集荧光影像，得到即时图像，在法庭科学领域具有较广泛的应用范围。

本发明提出一种应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统，其特征在于，该系统包括设置在暗室中的光源单元、滤光单元、图像采集和图像处理单元和放置待检测物的载物台；

所述光源单元为由多个波段波长、不同强度的光源组合而成的多波段光源，用以输出强度在6W-400W范围内的11个不同波长的亮度均匀的光束，并能激发出具有荧光特性的待检测物的荧光；

所述滤光单元由带有CCD面阵传感器的光谱仪和多种带宽的滤光片组构成；用于滤除待检测物的荧光中的干扰光线；

所述图像采集和图像处理单元包括带有微距镜头的单镜头反光数码相机及其移动式支架、便携计算机；用于对检测物的荧光进行成像，并对荧光成像图进行采集、处理。

所述多波段光源的11个波段波长为365nm、415nm、450nm、470nm、490nm、510nm、530nm、555nm、570nm、590nm、610nm。

所述滤光单元的光谱仪采用安装有应用AvaSoft7.2程序、测量波长范围为200-1160nm的AvaSpec2048光谱仪；该AvaSpec光谱仪的采样速率为每秒450幅光谱图，每幅光谱图的传输速度为2.24ms，并且支持模拟信号的输入输出；所述CCD面阵传感器的像素为2048×14；所述滤光片组由400nm、420nm、450nm、470nm、490nm、510nm、420-550nm、450-500nm、490-550nm等9种波长或波长范围的滤光片组成。

所述带有微距镜头的单镜头反光数码相机采用EOS 400D单镜头反光数码相机和100mm/2.8USM(百微)微距镜头。

上述复合荧光成像系统的暗室包括选用不透光、不反光、5mm厚的黑色聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料加工而成的屏蔽层；考虑暗室易于放置和取送样品，且要求封闭性良好，暗室侧面设置有两个活动挡板，可以方便地取送样品、调节多波段光源的光纤和光谱仪的光纤与待检测物的距离和角度；此外，在暗室上部设有一个观察窗，便于取送样品及荧光图像的观察。

利用上述复合荧光成像系统对法庭物证的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)分别开启便携计算机电源、带有微距镜头的数码照相机电源、光谱仪电源、将多波段光源强度调至最低后打开多波段光源电源；

2)在便携计算机上打开带有微距镜头的数码照相机中的图像处理应用程序、光谱仪中的应用程序并调节数码相机焦距，使便携计算机显示的即时图像视野清晰；

3)调节多波段光源的不同波长，选择合适光源强度，直至激发出复合荧光成像系统载物台上待检测物的荧光，利用光谱仪对待检测物进行荧光光谱测量；

4)根据不同波长光源激发条件下待检测物的荧光情况，利用光谱仪的应用程序分析采集得到的荧光光谱图，并确定最优激发光源的波长、最佳滤光片型号；

5)将步骤4)所确定的最佳型号的滤光片置于单镜头反光数码相机镜头前，调节多波段光源至最优激发光源波长并提高光源强度至可以获得清晰(反差明显无过多杂光干扰)的荧光图像；

6)用光谱仪分析测得的待检测物荧光图像，调节单镜头反光数码相机快门速度以及曝光时间组合，对待检测物的荧光图像进行拍照采集；

7)根据便携计算机对采集的荧光图像的判断结果(如若图像模糊、曝光不足、荧光与背景反差较弱、背景杂光影响过强则属不合要求)，调整单镜头反光数码相机的快门速度及曝光时间组合，对待检测物进行拍摄，直至拍摄出图像清晰(曝光适当、荧光与背景反差明显、有效过滤背景杂光干扰)的最佳荧光成像图片；

8)通过便携计算机遥控操作单镜头反光数码相机进行采集荧光成像图片。

本实施例还可包括：

9)将该便携计算机联机，将采集的荧光图像上传至数据库(例如指纹库)用于进行数据检索比对。

上述待测物包括具有荧光特性的物品，包括但不限于显现后的荧光手印、荧光斑痕等。

本发明的技术特点及有益效果：

本发明系统以光源单元、滤光单元、图像采集和图像处理单元等三大主要单元为关键，有效选用材料实现暗室的较高暗视场要求、便于待检测物测试操作，系统便于组装、移动和快速检测的目标。本装置光源单元采用轻型便携式多波段光源为输出光源，具有法庭科学领域常见11个波段波长的激发光，可以输出不同波长的亮度均匀的高强度光束；滤光单元采用便携式光谱仪可测定200nm-1160nm波长范围的光谱数据，同时配有9种范围的截止滤光片和带通滤光片，可实现达到获得最佳荧光效果和最小背景杂光干扰的效果；还可将图像采集和图像处理单元与计算机联接遥控操作实现采集图像的即时读取与即时处理。

本系统具有广泛的激发光波长范围，能够满足法庭科学对激发光源的要求，且光源系统功率大、体积小、可携带，能满足现场条件对光源的要求。

本系统中的便携式AvaSpec2048光谱仪中的应用软件可自动测量程序可检测暗室内各种光的光谱分布情况，AvaSpec2048光谱仪所具有的高量子效率和高紫外灵敏度可为法庭科学现场快捷检测选择最佳虑光片提供光谱波长理论依据。

本系统可通过对待检测物的光谱测量以实现光谱的快速测量从而为选择最优激发波长提供科学的实验数据，并利用滤光单元消除干扰光线的影响，使待检测物荧光与背景荧光形成最大的图像反差，从而得到最佳的荧光图像效果。

本系统可利用便携计算机对数码照相机进行远程控制操作，并得到即时图像，可以快速采集并处理具有荧光特性物质的图像。在指印比对方面，该装置可与指印检索系统联机，可以实现指印的快速比对。

本发明将光学领域的光谱仪应用于法庭科学技术领域，在法庭科学领域具有较广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的复合荧光成像系统的示意图；

图2为本发明的复合荧光成像系统滤光单元的滤光片组合及光谱图；

图3为本发明的复合荧光成像系统采集指印图像(由左至右激发光源依次为：自然光、400nm、420nm)。

具体实施方式

以下结合实施例来进一步说明本设计与发明，这些实施例仅用于说明，而不限制本设计与发明的实际应用范围。

本发明应用于法庭物证检测的复合荧光成像系统实施例，如图1所示，包括：便携计算机1、AvaSpec2048光谱仪2、USB连接线3、光谱接收探头4、带有微距镜头的数码照相机(以及滤光片)5、PHCR-1A齿轮夹持器6、支架7、光纤8、光源探头9、载物台10、HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器11、箱体12(箱体内部为暗室)。

各部件的连接关系为：便携式电脑1通过USB连接线3与AvaSpec2048光谱仪2及带有微距镜头数码相机5进行联接操作控制。AvaSpec2048光谱仪2利用光纤8采集光谱接收探头4所接受的光谱信息并进行分析后由便携计算机1利用AvaSoft7.2程序进行数据分析。箱体12中固定有支架7和PHCR-1A齿轮夹持器6可以实现对数码照相机(含微距镜头以及滤光片)5的升降控制，从而采集到载物台10上待检测物的光谱信息。光源探头9通过光纤8与HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器11相连，可以实现对载物台10上待检测物的光谱激发。此外，箱体12还具有顶部观察窗和两侧活动窗，用于观察以及待测样品的取放。

上述各部件的具体实施例及功能分别详细说明如下：

便携计算机1：便携计算机的基本配置为使用windows97以上操作系统，内存不小于2G，硬盘不小于40G。可实现对AvaSpec2048光谱仪应用程序的操作，获得待检测物的荧光光谱数据，并控制含微距镜头的数码照相机(以及滤光片)进行图像即时观察、图像采集，以及图像处理功能。

AvaSpec2048光谱仪2：在图像采集单元采集荧光之前，需要通过滤光单元将激发光和背景光等干扰光线滤除，以达到获得荧光与背景反差最佳的荧光效果和最小背景杂光干扰。本实施例采用具有高量子效率和高紫外灵敏度的AvaSpec2048光谱仪2应用AvaSoft7.2程序来检测装置暗室内各种光的光谱分布，从而选择出最佳的滤光片5。AvaSpec光谱仪2基于AvaBench-75光学平台，采用对称式Czerny-Turner光路设计，带有2048×14像素的高紫外灵敏度CCD面阵传感器，测量波长范围为200nm-1160nm。AvaSpec光谱仪2可实现每秒450幅光谱的超高速采样速率，每幅光谱图的传输速度为2.24ms，并且支持模拟信号的输入输出。此外还可以选加蓝牙通信以及在板卡上存储光谱的SD卡选项。为达到最小背景光干扰、高反差图像并依据法庭科学技术领域常见物证荧光实验数据，

可以实现对待检测物进行光谱数据测量，为选择最佳激发光源波长及滤光片组合提供理论依据。滤光片组1-9依次为：由400nm、420nm、450nm、470nm、490nm、510nm、420-550nm、450-500nm、490-550nm等9种波长或波长范围的常规滤光片组成，各种滤光片及光谱图(横轴为波长，纵轴为光强)如图2所示，可以满足法庭科学技术领域常见物证荧光检测范围。

USB连接线3：利用单镜头发光数码相机自带的USB连接线和AvaSpec2048光谱仪自带的USB连接线进行连接，实现便携计算机与带有微距镜头的单镜头反光数码照相机(以及滤光片)、AvaSpec2048光谱仪的连接。

光谱接收探头4：利用AvaSpec2048光谱仪的标配光谱接收探头接收光谱，实现对箱体内激发光以及载物台上的反射光采集。

带有微距镜头的单镜头反光数码照相机5：采用佳能EOS 400D型单镜头反光数码相机和100mm/2.8USM(百微)微距镜头，以实现法庭科学技术领域物证微距照相的高灵敏度、高分辨率、图像清晰的问题。在不同快门速度以及曝光时间组合下实现对箱体内图像的最优采集。

PHCR-1A齿轮夹持器6：实现对含微距镜头的数码照相机(以及滤光片)的升降控制。

支架7：暗室空间中安装PHSR38-1A/2A齿条支架7用于承载相机及镜头，与PHCR-1A齿轮夹持器6配合使用可实现±3cm高度连续可调，齿轮齿条副配合，暗室内部的光纤8等部分可以牢固地固定于支架上，并可以在多角度和不同高度调节。实现对复合荧光成像系统的整体平稳支撑。

光纤8：利用HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器自带标配光纤以及AvaSpec2048光谱仪自带标配光纤，实现传输HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器的光线以及传输AvaSpec2048光谱仪的光纤。

光源探头9：利用HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器自带标配光源探头照射载物台上的待检测物，实现将HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器产生的光线集中照射在载物台待检测物上。

载物台10：本系统的载物台为钢质载物台，实现对待检测物的放置。为便于待检测物的放置，在载物台底部材料上画有“十字星”，便于待检测物放置后的带有微距的单镜头反光数码相机5对焦；

HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器11：本实施例采用HWGY-II轻型便携式多波段光源发生器11为输出光源，该光源采用HXP汞灯，经光源探头9发出的白光亮度超过400W的金属卤化物灯。除白光以外，复合荧光成像系统的光源系统具有365nm、415nm、450nm、CSS、490nm、510nm、530nm、555nm、570nm、590nm、610nm等11个波段波长以及不同强度(6W-400W)的光源组合，可以输出不同波长的亮度均匀的不同强度光束；

箱体12：箱体内部即为暗室，选用不透光、不反光、轻便的5mm厚的黑色聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料加工而成；考虑箱体12内易于放置和取送待检测物，且要求封闭性良好，本箱体两侧面的两个活动挡板可以方便地取送样品，调节HWGY-II轻型便携式多波段光源11的液体波导管光纤8和光谱仪的光纤8与样品的距离和角度；此外，在暗室上部设有一个观察窗，便于取送样品及荧光图像的观察；可提供黑暗环境荧光图像采集，实现复合荧光成像系统的外部保护。

本实施例各部件采用可拆取螺纹套方式组合，组装拆卸方便，便于携带。

利用上述复合荧光成像系统对法庭科学的物证荧光检测方法，具体包括以下步骤：

1)分别开启便携计算机电源、带有微距镜头的数码照相机电源、AvaSpec2048光谱仪电源、将多波段光源强度调至最低后打开多波段光源电源；

2)在便携计算机上打开带有微距镜头的数码照相机图像处理应用程序、AvaSpec2048光谱仪应用程序并调节数码相机焦距便携式电脑显示的即时图像视野清晰；

3)调节HWGY-II轻型便携式多波段光源11并至低光源1档-2档弱亮度光强度下，调节HWGY-II轻型便携式多波段光源11选择11个不同波长的光源，直至可以激发出复合荧光成像系统载物台10上待检测物的荧光，利用AvaSpec2048光谱仪光谱接受探头4对所激发的荧光进行荧光光谱测量；

4)根据不同波长光源激发条件下待检测物的荧光情况，利用AvaSoft7.2程序分析采集得到的荧光光谱图并确定最优激发光源波长、最佳滤光片型号，最终完成对具有荧光特性物质的激发成像操作；

5)将步骤4)所确定的最佳滤光片型号置于镜头前，调节HWGY-II轻型便携式多波段光源11至最优激发光源波长并适当调节HWGY-II轻型便携式多波段光源11光源亮度档位以提高光源强度至可以获得反差明显无过多杂光干扰的清晰的荧光图像；

6)通过多次采集待检测物的荧光图像，调节单镜头反光数码相机5快门速度以及曝光时间组合，选择出最优组合(即可以获得荧光与背景反差明显且曝光适度的荧光图片)，用AvaSpec2048光谱仪采集待检测物的荧光图像，对待检测物的荧光图像进行拍照采集；

7)利用便携计算机1对采集的荧光图像进行初步判断(如若图像模糊、曝光不足、荧光与背景反差较弱、背景杂光影响过强则属不合要求)，调整单镜头反光数码相机的快门速度及曝光时间组合，直至拍摄出图像清晰(曝光适当、荧光与背景反差明显、有效过滤背景杂光干扰)的最佳荧光成像图片；

8)通过便携计算机遥控操作单镜头反光数码相机进行采集荧光成像图片。

9)将该便携计算机联机，将采集的荧光图像上传至指印数据库进行指印的比对检索。

本实施例中的待测样品包括具有荧光特性的物品，包括但不限于显现后的荧光手印、荧光斑痕等。利用本发明系统采集指印图像如图3所示，由左至右激发光源依次为：自然光、400nm、420nm。

Claims (8)

1.一种应用于法庭科学物证检测的复合荧光成像系统，其特征在于，该系统包括设置在暗室中的光源单元、滤光单元、图像采集和图像处理单元和放置待检测物的载物台；

所述光源单元为由多个波段波长、不同强度的光源组合而成的多波段光源，用以输出强度在6W-400W范围内的11个不同波长的亮度均匀的光束，并能激发出具有荧光特性的待检测物的荧光；

所述滤光单元由带有CCD面阵传感器的光谱仪和多种带宽的滤光片组构成；用于滤除待检测物的荧光中的干扰光线；

所述图像采集和图像处理单元包括带有微距镜头的单镜头反光数码相机及其移动式支架、便携计算机；用于对待检测物的荧光成像图进行采集、处理。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多波段光源的11个波段波长为365nm、415nm、450nm、470nm、490nm、510nm、530nm、555nm、570nm、590nm、610nm。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤光单元的光谱仪采用安装有应用AvaSoft7.2程序、测量波长范围为200nm-1160nm的AvaSpec2048光谱仪；该AvaSpec光谱仪的采样速率为每秒450幅光谱图，每幅光谱图的传输速度为2.24ms，并且支持模拟信号的输入输出；所述CCD面阵传感器的像素为2048×14；所述滤光单元的滤光片组由400nm、420nm、450nm、470nm、490nm、510nm、420-550nm、450-500nm、490-550nm等9种波长或波长范围的滤光片组成。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述带有微距镜头的单镜头反光数码相机采用EOS 400D单镜头反光数码相机和100mm/2.8USM微距镜头。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述暗室包括黑色聚甲基丙烯酸甲酯材料加工而成的屏蔽层；设置在暗室两侧的两个活动挡板，用于取送样品、调节多波段光源和光谱仪的光纤与待检测物的距离和角度；设在暗室上部的一个观察窗，便于观察光源调节操作以及待检测物的荧光图像。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述移动式支架由齿轮夹持器和齿条支架所组成：实现对含微距镜头的数码照相机的升降控制。

7.利用如权利要求1所述系统对法庭物证的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)分别开启便携计算机电源、带有微距镜头的数码照相机电源、光谱仪电源、将多波段光源强度调至最低后打开多波段光源电源；

2)在便携计算机上打开带有微距镜头的数码照相机中的图像处理应用程序、光谱仪中的应用程序并调节数码相机焦距，使便携计算机显示的即时图像视野清晰；

3)调节多波段光源的不同波长，选择光源强度，直至激发出复合荧光成像系统载物台上待检测物的荧光，利用光谱仪对待检测物进行荧光光谱测量；

4)根据不同波长光源激发条件下待检测物的荧光情况，利用光谱仪的应用程序分析采集得到的荧光光谱图，并确定最优激发光源的波长、最佳滤光片型号；

5)将步骤4)所确定的最佳型号的滤光片置于单镜头反光数码相机镜头前，调节多波段光源至最优激发光源波长并提高光源强度至可以获得清晰的荧光图像；

6)用光谱仪分析测得的待检测物荧光图像，调节单镜头反光数码相机快门速度以及曝光时间组合，对待检测物的荧光图像进行拍照采集；

7)根据便携计算机对采集的荧光图像的判断，调整单镜头反光数码相机的快门速度及曝光时间组合，对待检测物进行多次拍摄，直至拍摄出图像清晰的最佳荧光成像图片；

8)通过便携计算机遥控操作单镜头反光数码相机进行采集荧光成像图片操作。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

9)将该便携计算机联机，将采集的荧光图像上传至数据库，用于进行数据检索比对。

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