JP2018194464A - 指紋検出装置及び指紋検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料が損傷することを抑制し、且つ指紋検出までの所要時間を短縮する。【解決手段】ミラースキャン装置２１及びＸＹＺ電動テーブル２４により、励起光生成部２で生成されたＣＡＲＳ励起光の照射位置をＸ方向に往復動させると共に、試料ＴをＹ方向に一定速度でまたは簡潔的に移動させ、試料Ｔから発生するＣＡＲＳ光の分光データの画像データを、予め設定した第一方向に沿った領域単位で撮像装置２７により撮影する。撮影した複数の画像データからなるスペクトルキューブデータを用いて試料Ｔに存在する指紋を画像化する。【選択図】図１

Description

本発明は、指紋検出装置及び指紋検出方法に関する。

従来、指紋検出を行う方法として数々の方法が提案されている。
例えば、ポンプ光とストークス光とを集光し、試料に照射してＣＡＲＳ光を発生させる。そして、発生したＣＡＲＳ光をイメージング分光器に入射して分光し、その分光データをＣＣＤカメラ等により撮像する。試料上の点毎に、その分光データを取得し、この処理を繰り返し行うことで、試料全体の各点における分光データからなるスペクトルキューブデータを取得する。そして、このスペクトルキューブデータについて、指紋に含まれる脂質由来のＣＡＲＳ信号の信号強度で画像化を行うことで、指紋の画像化を行う（例えば、非特許文献１参照。）。

「非線形ラマン分光法を用いた可搬型遺留指紋検出装置の開発」、レーザレーダ研究会、平成２８年９月

非特許文献１に記載の方法では、ポンプ光とストークス光とを試料に照射する際に、まず、検査面上のある点に対して照射を行って分光データを取得し、次に、検査面上の次の点に対して照射を行って分光データを取得する。この処理を検査面上の全ての点について行うことにより、検査面上の全ての点の分光データを取得し、検査面上の複数の分光データからなるスペクトルキューブデータを取得している。
そのため、分光データを取得するまでの間、ポンプ光とストークス光とを検査面上の同一点に対し継続して照射することになる。その結果、試料の材質によっては、照射により試料が損傷する可能性がある。また、検査面上の点毎に分光データを取得する方法では、試料全体のスペクトルキューブデータを取得するまでに多大な時間を要するため、試料全体のスペクトルキューブデータをより短時間で取得し、指紋検出に要する所要時間をより短縮することのできる方法が望まれていた。

本発明は、上記未解決の問題に着目してなされたものであり、試料が損傷することを抑制し、且つ指紋検出に要する所要時間をより短縮することのできる指紋検出装置及び指紋検出方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、ＣＡＲＳ光を発生させるためのＣＡＲＳ励起光を生成する励起光生成部と、励起光生成部で生成されたＣＡＲＳ励起光を集光して試料の検査面に照射する照射部と、ＣＡＲＳ励起光の照射位置を第一方向に往復動させる第一駆動部と、試料を第一方向と直交する第二方向に移動させる第二駆動部と、試料から発生するＣＡＲＳ光の分光データの画像データを、予め設定した第一方向に沿った領域単位で取得するデータ取得部と、データ取得部で取得した複数の分光データの画像データからなるスペクトルキューブデータを用いて試料に存在する指紋を画像化する画像化処理部と、を備える指紋検出装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、ＣＡＲＳ光を発生させるためのＣＡＲＳ励起光を試料の検査面に照射し、照射位置を第一方向に往復動させつつ試料を第一方向と直交する第二方向に連続的または間欠的に移動させ、試料から発生するＣＡＲＳ光の分光データの画像データを、予め設定した第一方向に沿った領域単位で取得し、複数の分光データの画像データからなるスペクトルキューブデータを用いて試料に存在する指紋を画像化する、指紋検出方法が提供される。

本発明の一態様によれば、試料の損傷を抑制し且つ指紋検出に要する所要時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る指紋検出装置の一例を示す概略構成図である。 ＣＡＲＳ光のスペクトルの一例である。 画像化により得た画像の一例である。 画像化により得た画像の一例である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態に係る指紋検出装置の一例を示す概略構成図である。

指紋検出装置１は、ＣＡＲＳ光を発生させるためのＣＡＲＳ励起光を生成する励起光生成部２と、ＣＡＲＳ励起光を走査しつつ試料Ｔの検査面全体に照射すると共に、試料Ｔに発生したＣＡＲＳ光を分光してスペクトルキューブデータを取得する走査処理部３と、スペクトルキューブデータから、試料Ｔに存在する指紋を画像化する画像化処理部４と、を備える。励起光生成部２と、走査処理部３のうちの、後述のステージ制御装置２５と画像メモリ２８とを除く各部は防振機構５の上に固定され、指紋検出装置１外部からの振動、特に指紋検出装置１の下部からの振動により、指紋検出装置１内部での各種ミラーの傾きのずれ等といった、光学系のずれが生じることを防止している。

励起光生成部２は、レーザ光源１１と、フォトニック結晶ファイバ１２と、光路調整装置１３と、を備える。
レーザ光源１１は例えば、１００フェムト秒以下の光パルスを出射する。レーザ光源１１から出射された光パルスは、ミラー１４ａ及び１４ｂによって進路が二方向に変更され、一方は、フォトニック結晶ファイバ１２に入射され、他方は光路調整装置１３に入射される。
フォトニック結晶ファイバ１２は、入射した光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出力する。

光路調整装置１３は、スーパーコンティニューム光とレーザ光源１１から出射された光パルスとの同期をとる。つまり、スーパーコンティニューム光は、フォトニック結晶ファイバ１２を通過することによって、レーザ光源１１から出射された光パルスに対して光学遅延が生じていることから、これら間の同期をとる。
フォトニック結晶ファイバ１２から出射される広帯域化されたスーパーコンティニューム光は広帯域のストークス光として、また、光路調整装置１３から出射されるパルス光は狭帯域のポンプ光として、複数のミラー１５ａ〜１５ｅを備えた光学路１５で重ね合わされてＣＡＲＳ励起光として走査処理部３に導かれる。

走査処理部３は、対物レンズ（照射部）２１ａを備えたミラースキャン装置（第一駆動部）２１と、ミラースキャン装置２１を制御する制御部２３と、試料Ｔを支持すると共に、試料Ｔの位置調整を行うＸＹＺ電動テーブル（第二駆動部）２４と、ＸＹＺ電動テーブル２４を駆動制御するステージ制御装置２５とを備える。また、走査処理部３は、イメージング分光器２６と、デジタルカメラ等の撮像装置２７と、撮像装置２７で撮像した画像データを記憶する画像メモリ２８と、を備える。イメージング分光器２６及び撮像装置２７がデータ取得部に対応している。

ミラースキャン装置２１は、対物レンズ２１ａ、イメージング分光器２６への導光用の一対のミラー２１ｂ、及び対物レンズ２１ａへの導光用の一対のミラー２１ｃを備え、光学路１５により導かれたＣＡＲＳ励起光を、ミラー２１ｃを介して対物レンズ２１ａで集光して試料Ｔに照射する。また、ミラースキャン装置２１は、試料Ｔに発生したＣＡＲＳ光を対物レンズ２１ａで補集し、ミラー２１ｂを介してイメージング分光器２６に導く。また、ミラー２１ｃの向きや傾き等を変化させる図示しない駆動部を備え、駆動部は制御部２３の制御信号にしたがってミラー２１ｃの向きや傾き等を変化させる。ミラー２１ｃの向き或いは傾きが制御されることによって、対物レンズ２１ａから試料Ｔに照射されるＣＡＲＳ励起光の照射位置が一定方向に往復動するようになっている。

制御部２３は、対物レンズ２１ａから試料Ｔに照射されるＣＡＲＳ励起光の照射位置が一定方向に往復動し、例えば８ｋＨｚ程度の振動数で往復動するように、ミラースキャン装置２１を制御することで、ＣＡＲＳ励起光の照射位置を調整する。ＣＡＲＳ励起光の照射位置の往復動の振動数は、ＸＹＺ電動テーブル２４による試料Ｔの移動速度を考慮して設定する。
ＸＹＺ電動テーブル２４は、ステージ制御装置２５によって駆動制御され、試料Ｔを支持すると共に、ＣＡＲＳ励起光の照射位置に対する試料Ｔの相対位置を調整する。

ステージ制御装置２５は、ＣＡＲＳ励起光が試料Ｔの検査面全面に照射されるように、試料Ｔの位置を移動する。ここで、ＸＹＺ電動テーブル２４において試料Ｔが支持される面をＸＹ平面とする。また、ＣＡＲＳ励起光の照射位置が往復動する方向をＸ方向とする。ステージ制御装置２５は、ＣＡＲＳ励起光の照射位置の往復動と同期してＸＹＺ電動テーブル２４を制御し、試料ＴをＹ方向に一定速度で移動させる。Ｙ方向への移動速度の設定方法は後述する。
また、ＣＡＲＳ励起光の照射位置の走査範囲が試料Ｔの幅よりも狭いときには、試料ＴをＹ方向端部まで走査し終えた後、ＣＡＲＳ励起光の照射位置の走査範囲をＸ方向にずらし、−Ｙ方向に試料Ｔを移動させるようになっている。

イメージング分光器２６は入射されるＣＡＲＳ光を分光し、一次元方向に位置情報、他の一次元方向に分光情報となるように分光する。撮像装置２７は、分光により得られた分光データを画像データとして取得し、画像メモリ２８に格納する。
画像化処理部４は、解析装置３１と表示装置３２とを備える。解析装置３１は、画像メモリ２８に格納された複数の分光データの画像データからなる試料Ｔの検査面全体のスペクトルキューブデータを取得し、このスペクトルキューブデータについて、指紋に含まれる脂質由来のＣＡＲＳ信号の信号強度で画像化を行うことで、指紋の画像化を行い、結果を表示装置３２に表示する。

試料ＴのＹ方向への移動速度及びＣＡＲＳ励起光の照射位置のＸ方向への振動数は、次の手順で決定する。
ここで、指紋検出装置１では、試料Ｔの検査面を、Ｘ方向にｎ個及びＹ方向にｍ個のｎ×ｍ個（ｎ＝ｍ又はｎ≠ｍ）に区分けした区画単位で、分光データを取得するようになっている。
また、撮像装置２７では、例えば、検査面上のＣＡＲＳ励起光の照射領域が区画内に収まる大きさであるものとすると、検査面上のＣＡＲＳ励起光の照射領域全体が区画内に収まる状態となった時点から、検査面上のＣＡＲＳ励起光の照射領域の一部が同一の区画外となるまでの間（以後、照射期間ともいう。）に得られる分光データを撮影し、得られた画像データを、この区画の分光データを表す画像とする。照射期間は任意に設定することができ、各区画において、ＣＡＲＳ励起光の照射位置が、当該区画から得られる画像データの感度に影響を与える状態になった時点から、画像データの感度に影響を与えなくなるまでの時点を照射期間とするようにしてもよい。

ＸＹＺ電動テーブル２４における試料Ｔの移動速度及びＣＡＲＳ励起光の照射位置のＸ方向への振動数は、ＣＡＲＳ励起光の照射位置を往復動させることにより照射されたＸ方向に沿った同一行内の区画について、全ての区画から前記照射期間に得られる分光データの画像データが、十分な感度の画像データとなるように設定する。また、このとき、ＣＡＲＳ励起光を照射することにより、試料Ｔに生じる損傷がより小さくなるように決定する。
例えば、Ｙ方向への試料Ｔの移動速度を遅くすることにより、ｎ×ｍ個に区分けした一の区画に照射されるＣＡＲＳ励起光の光量の積算値は増加する。逆にＹ方向への試料Ｔの移動速度を早めることにより、一の区画に照射されるＣＡＲＳ励起光の光量の積算値は減少する。

また、ＣＡＲＳ励起光の光強度によっても画像データの感度は異なるため、ＸＹＺ電動テーブル２４における試料Ｔの移動速度及びＣＡＲＳ励起光の照射位置のＸ方向への振動数と共に、ＣＡＲＳ励起光の光強度も考慮してこれらの各種パラメータを設定すればよい。
ＸＹＺ電動テーブル２４における試料Ｔの移動速度及びＣＡＲＳ励起光の照射位置のＸ方向への振動数は、上記のように設定すると共に、ミラースキャン装置２１の性能、ＣＡＲＳ励起光のパワー、対物レンズ２１ａの集光条件、試料Ｔの光吸収特性、すなわち、ＣＡＲＳ励起光による損傷の受け易さ、スペクトルキューブデータ取得までの所要時間、試料Ｔにおける潜在指紋自体の残留状態、等といった、得られる分光データの画像データの感度に影響を与える要素や、試料Ｔに損傷を与える要素、使い勝手の点等、も考慮して設定すればよい。

なお、ここでは、試料ＴをＹ方向に一定速度で移動させるようにしているが、間欠的に移動させるようにしてもよい。要は、ＣＡＲＳ励起光の照射位置をＸ方向に往復動させた状態で、試料Ｔの位置を調整することによって、試料Ｔの検査面全体について隙間なく分光データを取得することが可能であればどのように試料Ｔを移動させてもよい。試料Ｔを間欠的に移動させる場合には、撮像装置２７において分光データの画像データを得るまでの間、試料Ｔを移動させずにＣＡＲＳ励起光の照射位置を、同一行に含まれる複数の区画に対して、一または複数回往復動させ、画像データの取得が終了した後、試料Ｔを次の行に含まれる区画に対して照射を行うことが可能な位置まで移動させるようにすればよい。

次に、指紋検出装置１を用いた指紋検出時の動作を説明する。
まず、指紋が潜在する試料ＴをＸＹＺ電動テーブル２４に固定する。
レーザ光源１１から出射された光パルスは、フォトニック結晶ファイバ１２と光路調整装置１３とに入射され、フォトニック結晶ファイバ１２で生成されたストークス光であるスーパーコンティニューム光と、光路調整装置１３でスーパーコンティニューム光と同期するように調整されたポンプ光としての光パルスは光学路１５で重ね合わされ、ＣＡＲＳ励起光としてミラースキャン装置２１に導かれる。

ミラースキャン装置２１は、ＣＡＲＳ励起光の照射位置を、例えば振動数８ｋＨｚでＸ方向に往復動させる。また、ステージ制御装置２５は、ＣＡＲＳ励起光の照射位置の往復動と同期してＸＹＺ電動テーブル２４を駆動し、試料ＴをＹ方向に移動させる。
これにより、ＣＡＲＳ励起光の照射位置は、試料ＴをＸ方向に走査しつつ且つＹ方向に走査し、対物レンズ２１ａから出射されたＣＡＲＳ励起光は、試料Ｔの検査面全体に照射されることになる。
対物レンズ２１ａによりＣＡＲＳ励起光を照射することによって、試料ＴからＣＡＲＳ光が発生する。このＣＡＲＳ光は、対物レンズ２１ａで捕集され、イメージング分光器２６に入射され、イメージング分光器２６で分光された分光データが撮像装置２７により所定のタイミングで画像データとして取得されて、画像メモリ２８に格納される。図２は、指紋隆線上より得られるＣＡＲＳ光のスペクトルの一例である。横軸は波長、縦軸は受光強度を示す。

そして、試料Ｔの検査面全体に対する走査が終了した後、画像化処理部４では、画像メモリ２８に格納された複数の分光データからなるスペクトルキューブデータを取得し、スペクトルキューブデータについて、指紋に含まれる脂質由来のＣＡＲＳ信号の信号強度で画像化を行い、結果を表示装置３２に表示する。例えば、人の脂質に相当する波長に対応するラマンシフト２８５０ｃｍ^−１付近の信号を積算すること、またはラマンシフト２８５０ｃｍ^−１付近の信号と３１００ｃｍ^−１付近の信号との強度差を算出することなどして画像化を行い、結果を表示装置３２に表示する。

図３は、ラマンシフト２８５０ｃｍ^−１付近の信号を積算し、画像化を行った一例である。また、図４は、ラマンシフト２８５０ｃｍ^−１付近の信号と３１００ｃｍ^−１付近の信号との強度差を算出して画像化を行った一例である。
ここで、図１に示す指紋検出装置１では、同一行に含まれる複数の区画の単位でＣＡＲＳ光の分光データを画像データとして撮影している。そのため、試料Ｔの検査面上の一点毎に分光データを取得する場合に比較して、試料Ｔの検査面全体の分光データの画像データを取得し終えるまでの所要時間を短縮することができる。

また、試料Ｔの検査面上の一点毎に分光データを取得する場合、試料Ｔに発生したＣＡＲＳ光の分光データを取得するためには、ある程度の継続時間、試料Ｔの同一点に対してＣＡＲＳ励起光を照射して、十分な感度の分光データを取得する必要がある。そのため、試料Ｔの材質によっては、ＣＡＲＳ励起光が継続して照射されることにより、試料Ｔが損傷する可能性があり、特に、試料Ｔが紙類やプラスチック等の場合には、損傷する可能性が高い。
しかしながら、本発明の一実施形態に係る指紋検出装置１の場合、ＣＡＲＳ励起光の照射位置を往復動させ、ＣＡＲＳ励起光が同一個所を継続して照射しないようにしているため、ＣＡＲＳ励起光の照射により試料Ｔが損傷することを抑制することができる。

ＣＡＲＳ励起光の照射位置を往復動させる場合、同一点を継続して照射する場合に比較して、分光データの感度が低下する可能性があるが、ＣＡＲＳ励起光の照射位置のＸ方向への往復動の振動数や試料ＴのＹ方向への移動速度を調整し、ある程度の感度の画像データが得られるように調整すればよい。
また、ＣＡＲＳ励起光の照射により試料Ｔが損傷することを抑制するためには、上述のようにＣＡＲＳ励起光の照射位置を往復動させることで抑制することができるが、本実施形態における指紋検出装置１では、同一行に含まれる複数の区画の単位で画像データを得るようにしている。一度に複数の区画における画像データを取得することができるため、その分、試料Ｔ全体の分光データの画像データを取得するまでに要する所要時間を短縮することができる。

このように、本発明の一実施形態における指紋検出装置１では、ＣＡＲＳ励起光の光強度はそのままでＣＡＲＳ励起光の照射位置を往復動させることにより、試料Ｔの検査面上のＣＡＲＳ励起光の照射領域に対して断続的に照射が行われるため、従来と同様に試料Ｔ全体のスペクトルキューブデータを得ることができると共に、さらに各地点における単位時間当たりの光強度が低下することにより、試料Ｔが損傷することを抑制することができる。
また、ＣＡＲＳ法を用いることによって、蛍光性の背景を持つ潜在指紋や人由来成分が微量にしか付着していない場合においても指紋検出を行うことができる。

なお、上記実施形態においては、ＣＡＲＳ励起光を、試料Ｔの検査面全体に照射して、試料Ｔ全体のスペクトルキューブデータを得るようにした場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、試料Ｔの指紋が存在しそうな領域にのみＣＡＲＳ励起光を照射して、指紋検出を行うようにしてもよい。また、所定のピッチでＣＡＲＳ励起光を照射し、得られた断片的な指紋から、指紋全体の形状を推測するようにしてもよい。また、試料Ｔの検査面の複数箇所に対してＣＡＲＳ励起光の照射を行い、指紋検出を行うようにしてもよい。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

１ 指紋検出装置
２ 励起光生成部
４ 画像化処理部
１１ レーザ光源
１２ フォトニック結晶ファイバ
１３ 光路調整装置
２１ ミラースキャン装置
２１ａ 対物レンズ
２３ 制御部
２４ ＸＹＺ電動テーブル
２５ ステージ制御装置
２６ イメージング分光器
２７ 撮像装置
２８ 画像メモリ
３１ 解析装置

Claims (5)

1. ＣＡＲＳ光を発生させるためのＣＡＲＳ励起光を生成する励起光生成部と、
   前記励起光生成部で生成された前記ＣＡＲＳ励起光を集光して試料の検査面に照射する照射部と、
   前記ＣＡＲＳ励起光の照射位置を第一方向に往復動させる第一駆動部と、
   前記試料を前記第一方向と直交する第二方向に移動させる第二駆動部と、
   前記試料から発生するＣＡＲＳ光の分光データの画像データを、予め設定した前記第一方向に沿った領域単位で取得するデータ取得部と、
   当該データ取得部で取得した複数の前記分光データの画像データからなるスペクトルキューブデータを用いて前記試料に存在する指紋を画像化する画像化処理部と、
   を備えることを特徴とする指紋検出装置。
2. 前記第二駆動部は、前記試料を一定速度で移動させることを特徴とする請求項１に記載の指紋検出装置。
3. 前記第二駆動部は、前記画像データが取得されるタイミングに同期して前記試料を間欠的に移動させることを特徴とする請求項１に記載の指紋検出装置。
4. 前記画像化処理部は、前記スペクトルキューブデータのうちの予め設定された波長を含む波長域におけるデータを用いて前記指紋を画像化することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の指紋検出装置。
5. ＣＡＲＳ光を発生させるためのＣＡＲＳ励起光を試料の検査面に照射し、照射位置を第一方向に往復動させつつ前記試料を前記第一方向と直交する第二方向に連続的または間欠的に移動させ、
   前記試料から発生するＣＡＲＳ光の分光データの画像データを、予め設定した前記第一方向に沿った領域単位で取得し、
   複数の前記分光データの画像データからなるスペクトルキューブデータを用いて前記試料に存在する指紋を画像化することを特徴とする指紋検出方法。