基于譜域光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜漲落的指紋獲?。?/h1>
2013-11-10 11:13:34丁志華
激光生物學(xué)報(bào) 2013年1期
鮑 文，丁志華，王 川
(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027)
0 引言
人類早在19世紀(jì)中葉就開始了對(duì)指紋的科學(xué)研究，蘇格蘭的Henry Faulds最早證明了Welker于1856年提出的“指紋終生不變”理論并將指紋用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)的鑒定［1］。利用物體表面遺留的指紋，通過(guò)科學(xué)鑒定，可以直接認(rèn)定遺留指紋的具體人，所以指紋被稱為“證據(jù)之首”。對(duì)指紋最常用、最方便的識(shí)別方法是粉末法。通過(guò)將各種粉末刷到指紋區(qū)域，利用物理機(jī)械或靜電作用與乳突紋線上的指紋殘留物發(fā)生吸附，從而顯出指紋［2-4］。然而，用粉末刷刷顯指紋提取過(guò)程慢，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)留有痕跡，容易對(duì)指紋紋線造成破壞并且對(duì)工作者造成較大的毒副作用，可能會(huì)影響后續(xù)偵查［5-7］。所以在世界范圍內(nèi)，指紋的探測(cè)仍然是一個(gè)被重點(diǎn)關(guān)注的研究課題［8］。
光學(xué)相干層析成像［9-10］(Optical Coherence Tomography，OCT)技術(shù)是一種非侵入、非接觸微米級(jí)分辨率的成像技術(shù)，利用光學(xué)相干門來(lái)獲得組織內(nèi)部的層析結(jié)構(gòu)。SD-OCT是第二代OCT技術(shù)，相比第一代時(shí)域OCT技術(shù)，在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［11-12］，在眼科成像、功能成像等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。OCT系統(tǒng)可以直接探測(cè)手指實(shí)現(xiàn)手指表面指紋和表面下組織的三維成像［13］，但是該方法不能顯現(xiàn)留在物體表面的指紋并且在手指探測(cè)過(guò)程中很難保證手指完全靜止。通過(guò)對(duì)OCT系統(tǒng)中物體表面指紋的干涉光譜進(jìn)行Hilbert變換和解包裹等處理可以得到物體表面指紋的“深度”信息。在分離式參考臂系統(tǒng)中，所得結(jié)果受物體表面起伏的影響。
本文提出一種利用共路SD-OCT系統(tǒng)的干涉光譜漲落得到物體表面指紋的方法，該方法數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷，不需要計(jì)算物體表面的“深度信息”，所以得到的結(jié)果不受物體表面起伏的影響，實(shí)驗(yàn)證明在非平整表面上利用該方法仍然可以得到較好的指紋顯現(xiàn)結(jié)果。
1 方法
當(dāng)乳突紋線上的指紋殘留物遺留光滑表面上時(shí)，一般會(huì)形成與指紋圖案相對(duì)應(yīng)的高度分布。但由于殘留的指紋油脂顆粒尺度在微米量級(jí)，現(xiàn)行SDOCT系統(tǒng)的軸向分辨率很難區(qū)分這種細(xì)微高差。因此，基于OCT結(jié)構(gòu)圖像的成像方法難以識(shí)別遺留指紋。本文方法所基于的SD-OCT系統(tǒng)如圖1所示。樣品中部分區(qū)域由光滑表面和殘留油脂顆粒組成，寬帶光源的光抵達(dá)樣品，光滑表面與殘留油脂顆粒之間可形成共路干涉，返回的干涉光在快速光譜儀中被分為對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光譜信號(hào)，由線陣CCD接收，最后由計(jì)算機(jī)分析并顯示結(jié)果。
圖1 基于共路SD-OCT系統(tǒng)的指紋探測(cè)原理圖Fig.1 Schematic based on Common-path SD-OCT for fingerprint dection
圖1中樣品部分的放大圖顯示了物體表面遺留指紋圖案中指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)對(duì)入射樣品光的不同反射情況。指紋點(diǎn)處返回的光是指紋顆粒和物體表面的干涉光，而非指紋點(diǎn)處返回的光僅是物體表面的反射光，沒有干涉量?；贠CT系統(tǒng)的相位敏感性，我們可以利用Hilbert變換等操作對(duì)OCT系統(tǒng)的干涉光譜進(jìn)行處理并得到樣品的深度信息［14］。指紋遺留物與其所處物體表面的反射率不同，所以基于SD-OCT系統(tǒng)的相位信息得到的高度值為指紋表面和物體表面組合反射面的等效高度，但在分離式參考臂的系統(tǒng)中獲取的結(jié)果對(duì)表面本身起伏有直接的依賴性。為避免表面輪廓對(duì)結(jié)果的影響，本文采用了圖1所示的共路SD-OCT系統(tǒng)。
當(dāng)照射到物體表面的入射光束掃描到樣品表面指紋點(diǎn)處時(shí)，光譜儀探測(cè)到的干涉光譜可表達(dá)為:
這里k為波數(shù)，S(k)為寬帶光源的光譜強(qiáng)度，ρF和τF分別為指紋顆粒的反射和透射系數(shù)，ρS為樣品表面的反射系數(shù)，△d指紋顆粒的等效平面和樣品表面所在平面的光程差，θ為干涉的初始相位差。
而當(dāng)照射到物體表面的入射光束掃描到樣品表面無(wú)指紋點(diǎn)處時(shí)，光譜儀探測(cè)到的反射光譜可表達(dá)為:
對(duì)比(1)、(2)兩式可見，有指紋點(diǎn)的反射光譜含有干涉項(xiàng)，無(wú)指紋點(diǎn)的反射光譜中沒有干涉項(xiàng)，但是因?yàn)榇嬖谠肼暎詫?shí)際得到的光譜中也會(huì)有一定的交流項(xiàng)。然后我們對(duì)得到的光譜進(jìn)行去直流處理，有指紋點(diǎn)的光譜去直流后得到的即是物體表面和指紋顆粒的干涉信號(hào)和噪聲，無(wú)指紋點(diǎn)去直流后得到的僅僅是噪聲。根據(jù)介觀光傳輸理論，一維通道中反射光譜漲落的均方根與折射率波動(dòng)統(tǒng)計(jì)參量呈線性關(guān)系［15］。顯然，無(wú)指紋點(diǎn)處噪聲漲落特性與指紋點(diǎn)處干涉光譜漲落特性是不同的，可以利用光譜漲落特性來(lái)表征指紋。我們針對(duì)去直流后的光譜求取均方根得到光譜漲落，表面任意點(diǎn)(x，y)點(diǎn)處的光譜漲落R(x，y)為:
2 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用本實(shí)驗(yàn)室已建立的835 nm中心波段的共路SD-OCT系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光譜分辨率為0.0674 nm，軸向掃描(A-scan)速度為 29 KHz，軸向分辨率為7.5μm，最大成像深度為 2.56 mm，最大信噪比為115 dB。為了驗(yàn)證利用光譜漲落的方法可以忽略物體表面輪廓的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一塊彎曲厚玻璃上的指紋。
圖2為典型指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)的干涉光譜，紅色為典型指紋點(diǎn)的干涉光譜，藍(lán)色為典型無(wú)指紋點(diǎn)的干涉光譜，由局部放大圖可以看出指紋點(diǎn)由于存在指紋油脂顆粒和物體表面干涉等因素，干涉光譜較為規(guī)律，而無(wú)指紋點(diǎn)只有噪聲，故光譜較為混亂。圖3為典型無(wú)指紋點(diǎn)與典型指紋點(diǎn)的去直流后的干涉光譜，左圖為典型無(wú)指紋點(diǎn)的干涉光譜，右圖為典型指紋點(diǎn)的干涉光譜，可見有指紋點(diǎn)的光譜的漲落要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)指紋點(diǎn)的光譜漲落。
對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)去直流后得到的光譜求取均方根值，即得到了該點(diǎn)的光譜波動(dòng)情況，得到所掃描整幅圖各點(diǎn)均方根，即得到了指紋圖案，如圖4所示。這里我們對(duì)比用相位法得到的指紋圖案(采用分離參考臂的SD-OCT系統(tǒng))，發(fā)現(xiàn)相位法得到的指紋圖案明顯和物體表面的本身起伏有關(guān)，而利用光譜漲落法得到的指紋圖案與物體表面的起伏關(guān)系不大，略有影響是因?yàn)楣馐x焦導(dǎo)致的光強(qiáng)不均勻性。
由此可見，在彎曲物體表面上的指紋，利用光譜漲落提取指紋的方法，能夠較好地重建指紋圖案。因此，基于SD-OCT的光譜漲落提取方法是重現(xiàn)非平整表面指紋的潛在技術(shù)。
圖2 典型樣品的干涉光譜Fig.2 Interference spectra of typical samples
3 結(jié)論
本文提出了一種提取并重建非平整表面遺留指紋的方法，即利用共路SD-OCT系統(tǒng)的干涉光譜漲落來(lái)表征遺留指紋。該方法處理速度快，不會(huì)在取樣表面留下痕跡，是一種非接觸式的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，而且該方法可以避免指紋表面的破壞和對(duì)工作者造成的毒副作用。該方法基于介觀光傳輸理論中的一維通道中反射光譜漲落的均方根與折射率波動(dòng)統(tǒng)計(jì)參量呈線性關(guān)系的規(guī)律，得到的指紋圖像與指紋所在表面本身的起伏無(wú)關(guān)。
圖3 去直流項(xiàng)后的干涉光譜對(duì)比Fig.3 Comparison of interference spectra without DC term
圖4 利用相位法和光譜漲落法得到的指紋圖案Fig.4 Imaging result of fingerprint by phase and spectral fluctuation
［1］FAULDS H.On the skin-furrows of the hand［J］.Nature，1880，22:605.
［2］WILLIAMS D K SCHWARTZ R L BARTICK E G.Analysis of latent fingerprint deposits by infrared microspectroscopy［J］.Appl Spectrosc，2004，58(3):313-316.
［3］EXLINE D L，WALLACE C，ROUX C，et al.Forensic applications of chemical imaging latent fingerprint detection using visible absorption and luminescence［J］.Forensic Sci，2003，48(5):1-7.
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0 引言
人類早在19世紀(jì)中葉就開始了對(duì)指紋的科學(xué)研究，蘇格蘭的Henry Faulds最早證明了Welker于1856年提出的“指紋終生不變”理論并將指紋用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)的鑒定［1］。利用物體表面遺留的指紋，通過(guò)科學(xué)鑒定，可以直接認(rèn)定遺留指紋的具體人，所以指紋被稱為“證據(jù)之首”。對(duì)指紋最常用、最方便的識(shí)別方法是粉末法。通過(guò)將各種粉末刷到指紋區(qū)域，利用物理機(jī)械或靜電作用與乳突紋線上的指紋殘留物發(fā)生吸附，從而顯出指紋［2-4］。然而，用粉末刷刷顯指紋提取過(guò)程慢，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)留有痕跡，容易對(duì)指紋紋線造成破壞并且對(duì)工作者造成較大的毒副作用，可能會(huì)影響后續(xù)偵查［5-7］。所以在世界范圍內(nèi)，指紋的探測(cè)仍然是一個(gè)被重點(diǎn)關(guān)注的研究課題［8］。
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本文提出一種利用共路SD-OCT系統(tǒng)的干涉光譜漲落得到物體表面指紋的方法，該方法數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷，不需要計(jì)算物體表面的“深度信息”，所以得到的結(jié)果不受物體表面起伏的影響，實(shí)驗(yàn)證明在非平整表面上利用該方法仍然可以得到較好的指紋顯現(xiàn)結(jié)果。
1 方法
當(dāng)乳突紋線上的指紋殘留物遺留光滑表面上時(shí)，一般會(huì)形成與指紋圖案相對(duì)應(yīng)的高度分布。但由于殘留的指紋油脂顆粒尺度在微米量級(jí)，現(xiàn)行SDOCT系統(tǒng)的軸向分辨率很難區(qū)分這種細(xì)微高差。因此，基于OCT結(jié)構(gòu)圖像的成像方法難以識(shí)別遺留指紋。本文方法所基于的SD-OCT系統(tǒng)如圖1所示。樣品中部分區(qū)域由光滑表面和殘留油脂顆粒組成，寬帶光源的光抵達(dá)樣品，光滑表面與殘留油脂顆粒之間可形成共路干涉，返回的干涉光在快速光譜儀中被分為對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光譜信號(hào)，由線陣CCD接收，最后由計(jì)算機(jī)分析并顯示結(jié)果。
圖1 基于共路SD-OCT系統(tǒng)的指紋探測(cè)原理圖Fig.1 Schematic based on Common-path SD-OCT for fingerprint dection
圖1中樣品部分的放大圖顯示了物體表面遺留指紋圖案中指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)對(duì)入射樣品光的不同反射情況。指紋點(diǎn)處返回的光是指紋顆粒和物體表面的干涉光，而非指紋點(diǎn)處返回的光僅是物體表面的反射光，沒有干涉量?；贠CT系統(tǒng)的相位敏感性，我們可以利用Hilbert變換等操作對(duì)OCT系統(tǒng)的干涉光譜進(jìn)行處理并得到樣品的深度信息［14］。指紋遺留物與其所處物體表面的反射率不同，所以基于SD-OCT系統(tǒng)的相位信息得到的高度值為指紋表面和物體表面組合反射面的等效高度，但在分離式參考臂的系統(tǒng)中獲取的結(jié)果對(duì)表面本身起伏有直接的依賴性。為避免表面輪廓對(duì)結(jié)果的影響，本文采用了圖1所示的共路SD-OCT系統(tǒng)。
當(dāng)照射到物體表面的入射光束掃描到樣品表面指紋點(diǎn)處時(shí)，光譜儀探測(cè)到的干涉光譜可表達(dá)為:
這里k為波數(shù)，S(k)為寬帶光源的光譜強(qiáng)度，ρF和τF分別為指紋顆粒的反射和透射系數(shù)，ρS為樣品表面的反射系數(shù)，△d指紋顆粒的等效平面和樣品表面所在平面的光程差，θ為干涉的初始相位差。
而當(dāng)照射到物體表面的入射光束掃描到樣品表面無(wú)指紋點(diǎn)處時(shí)，光譜儀探測(cè)到的反射光譜可表達(dá)為:
對(duì)比(1)、(2)兩式可見，有指紋點(diǎn)的反射光譜含有干涉項(xiàng)，無(wú)指紋點(diǎn)的反射光譜中沒有干涉項(xiàng)，但是因?yàn)榇嬖谠肼暎詫?shí)際得到的光譜中也會(huì)有一定的交流項(xiàng)。然后我們對(duì)得到的光譜進(jìn)行去直流處理，有指紋點(diǎn)的光譜去直流后得到的即是物體表面和指紋顆粒的干涉信號(hào)和噪聲，無(wú)指紋點(diǎn)去直流后得到的僅僅是噪聲。根據(jù)介觀光傳輸理論，一維通道中反射光譜漲落的均方根與折射率波動(dòng)統(tǒng)計(jì)參量呈線性關(guān)系［15］。顯然，無(wú)指紋點(diǎn)處噪聲漲落特性與指紋點(diǎn)處干涉光譜漲落特性是不同的，可以利用光譜漲落特性來(lái)表征指紋。我們針對(duì)去直流后的光譜求取均方根得到光譜漲落，表面任意點(diǎn)(x，y)點(diǎn)處的光譜漲落R(x，y)為:
2 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用本實(shí)驗(yàn)室已建立的835 nm中心波段的共路SD-OCT系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光譜分辨率為0.0674 nm，軸向掃描(A-scan)速度為 29 KHz，軸向分辨率為7.5μm，最大成像深度為 2.56 mm，最大信噪比為115 dB。為了驗(yàn)證利用光譜漲落的方法可以忽略物體表面輪廓的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一塊彎曲厚玻璃上的指紋。
圖2為典型指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)的干涉光譜，紅色為典型指紋點(diǎn)的干涉光譜，藍(lán)色為典型無(wú)指紋點(diǎn)的干涉光譜，由局部放大圖可以看出指紋點(diǎn)由于存在指紋油脂顆粒和物體表面干涉等因素，干涉光譜較為規(guī)律，而無(wú)指紋點(diǎn)只有噪聲，故光譜較為混亂。圖3為典型無(wú)指紋點(diǎn)與典型指紋點(diǎn)的去直流后的干涉光譜，左圖為典型無(wú)指紋點(diǎn)的干涉光譜，右圖為典型指紋點(diǎn)的干涉光譜，可見有指紋點(diǎn)的光譜的漲落要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)指紋點(diǎn)的光譜漲落。
對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)去直流后得到的光譜求取均方根值，即得到了該點(diǎn)的光譜波動(dòng)情況，得到所掃描整幅圖各點(diǎn)均方根，即得到了指紋圖案，如圖4所示。這里我們對(duì)比用相位法得到的指紋圖案(采用分離參考臂的SD-OCT系統(tǒng))，發(fā)現(xiàn)相位法得到的指紋圖案明顯和物體表面的本身起伏有關(guān)，而利用光譜漲落法得到的指紋圖案與物體表面的起伏關(guān)系不大，略有影響是因?yàn)楣馐x焦導(dǎo)致的光強(qiáng)不均勻性。
由此可見，在彎曲物體表面上的指紋，利用光譜漲落提取指紋的方法，能夠較好地重建指紋圖案。因此，基于SD-OCT的光譜漲落提取方法是重現(xiàn)非平整表面指紋的潛在技術(shù)。
圖2 典型樣品的干涉光譜Fig.2 Interference spectra of typical samples
3 結(jié)論
本文提出了一種提取并重建非平整表面遺留指紋的方法，即利用共路SD-OCT系統(tǒng)的干涉光譜漲落來(lái)表征遺留指紋。該方法處理速度快，不會(huì)在取樣表面留下痕跡，是一種非接觸式的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，而且該方法可以避免指紋表面的破壞和對(duì)工作者造成的毒副作用。該方法基于介觀光傳輸理論中的一維通道中反射光譜漲落的均方根與折射率波動(dòng)統(tǒng)計(jì)參量呈線性關(guān)系的規(guī)律，得到的指紋圖像與指紋所在表面本身的起伏無(wú)關(guān)。
圖3 去直流項(xiàng)后的干涉光譜對(duì)比Fig.3 Comparison of interference spectra without DC term
圖4 利用相位法和光譜漲落法得到的指紋圖案Fig.4 Imaging result of fingerprint by phase and spectral fluctuation
［1］FAULDS H.On the skin-furrows of the hand［J］.Nature，1880，22:605.
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