1 引言

1.1 研究背景

电工胶带又称绝缘胶带,是日常生活中较为常见的物品,也是爆炸、盗窃、绑架等案件现场经常出现的物证之一^[1]。通过对现场遗留胶带与嫌疑人处提取胶带的比对检验,可建立嫌疑人与犯罪现场的关联,为揭露和证实犯罪提供证据。传统的检验方法需要将胶带剥离后送至实验室进行检验,难以实现无损、原位检验,不利于物证保全,且操作复杂,耗时长。为克服传统检验方法的缺陷,本文引入光学相干层析(OCT)技术对电工胶带进行成像检验研究。

1.2 现有方法概述

电工胶带一般由带基及黏合剂组成。已有报道的电工胶带检验方法包括扫描电镜/能谱法(SEM/EDS)^[2]、X射线荧光光谱法(XRF)^[3]、裂解气相色谱-质谱法(PY-GC/MS)^[4]、宽度测量、厚度检验等方法^[5]。

扫描电镜/能谱法^[2]可以定量分析电工胶带带基中主体元素(Cl和Ca)的相对含量,但当主体元素含量相同或相近时就难以区分。X射线荧光光谱法^[3]可以对电工胶带带基中的微量元素进行定性分析。裂解气相色谱-质谱法^[4]常用于电工胶带黏合剂的检验。以上方法操作均较复杂,需要对样本进行切片及预处理,并且有可能破坏胶带上留有的指纹等生物物证。也有利用显微镜和其他物理方法^[5]对电工胶带带基进行检验,测量其宽度、厚度等物理信息来区分不同品牌的电工胶带,虽然操作相对简便,但特征较少,对电工胶带的区分效果不理想。

1.3 OCT技术

OCT技术是一种利用低相干原理成像的光学

检验方法,具有原位、无损、快速、高分辨率、断层成像等优势^[6],在生物医学^[7-8]、珠宝鉴定^[9]、文物鉴定^[10-11]、陶瓷检测^[12-13]等方面均有不同程度的应用。近年来法庭科学领域也引入了OCT技术,用于油漆物证检验^[14]、假币鉴别^[15]、潜指纹显现^[16]等。

本文利用OCT成像技术对电工胶带进行无损、原位成像,探索该技术用于区分不同品牌电工胶带的可能性。首先,利用OCT技术的微米级高分辨率断层成像特性,为现有的电工胶带检验提供新的区分特征,为认定或排除电工胶带提供新方法;其次,由于OCT技术采用低功率近红外光源成像,因此无需接触样品即可实现无损成像,非常适合用于电工胶带的初检。另外,OCT系统成像速度快(实时二维成像),操作便捷,有望大大提高电工胶带的检验效率。

2 材料和方法

2.1 电工胶带样品

实验选取市场上常见的10种品牌的红色电工胶带,样品照片如图1所示,详细信息见表1。

图 1. 电工胶带样品图

Fig. 1. Photograph of electrical tape samples

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2.2 OCT系统

实验利用自主搭建的一套光纤化频域OCT系统^[14],如图2所示。相比传统的时域OCT,频域OCT技术省去了参考臂镜面机械扫描过程,成像速度大大提高,可实现二维甚至三维实时成像,同时可减小周围环境对成像的影响,比如样品的微小移动导致的图像模糊问题;其次,频域OCT技术信噪比高,图像更清晰,捕捉小信号的能力更强,对发现微小特征结构信息有极大帮助。此外,频域OCT具有很好的相位稳定性。

图 2. 频域OCT系统实物图

Fig. 2. Photograph of frequency-domain OCT system

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系统原理如图3所示。系统采用一台宽带超辐射发光二极管(SLED)光源,光源中心波长832 nm,半峰全宽60.4 nm,发射功率13 mW,照射到样品上功率约6 mW。系统纵向分辨率为6 μm,横向分辨率为7.7 μm,最大线扫描速度为70 kHz。当系统积分时间为50 μs时,系统信噪比约为100 dB。样品臂的横向扫描由一组二维扫描振镜完成,并与探测器帧信号采集同步。扫描控制、数据采集和图像显示功能使用一套自主编写程序实现。

3 结果和讨论

实验获取上述10种电工胶带样品的二维OCT图像,提取了光程、散射强度比、信号峰个数和衰减系数4个特征参数,均匀选取每种电工胶带样品的5个不同部位分别进行成像和测量,计算得到相应特征参数的均值及标准差,通过独立t检验分析这些参数在不同样品之间的统计学显著性差异,尽量减小样品本身的空间差异对实验结果造成的影响。同时,利用OCT系统对电工胶带样品进行三维OCT图像重建,获取其横截面图像,得到内部形态特征。

图 3. 频域OCT系统原理图

Fig. 3. Schematic of frequency-domain OCT system

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3.1 二维OCT断层图像

不同品牌的电工胶带制作材质或原料比例有所差异,因此对光的吸收和散射能力也不同。OCT系统光源为近红外光,对电工胶带有一定穿透能力。电工胶带上、下表面分别和空气形成两个介质变换层,光在不同介质层交界面会有很强的反射和散射,在图中表现为较强的信号,即较亮的线,如图4(a)所示。实验时,控制入射到不同样品上的光功率一致,入射角度选择非正入射以避免镜面强返回光的噪声,并在整个实验过程中保持入射角度不变。通过样品二维OCT断层图像,可以发现在电工胶带上、下表面呈现不同的信号强度,上表面反射和散射光强,下表面由于一部分光被胶带散射或吸收,反射和散射光较弱,胶带内部的反射和散射光也呈现衰减趋势。在样品的纵向一线信号图中,可以观察到电工胶带样品上、下表面信号峰的强度有明显差异,如图4(b)所示。

图 4. 电工胶带(a)二维OCT断层图像和(b)纵向一线信号图

Fig. 4. (a) 2D OCT cross-sectional image and (b) A-scan signal of an electrical tape

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3.2 光 程

OCT系统根据低相干光原理进行成像,因此获取的样品二维OCT断层图像上、下界面之间的厚度实际代表的是光程(样品真实厚度×折射率)。不同生产厂家生产的电工胶带,由于工艺、材料的不同,厚度和折射率也有所不同,因此光程将呈现差异。如图5所示,样品纵向一线信号图中,横坐标表

示深度(样品的纵向深度),纵坐标表示光强,图像中的两个峰分别代表电工胶带上、下表面的信号,两个峰的横坐标之差即为胶带的光程。通过样品A1和A2二维OCT断层图像,可以发现两样品的光程明显不同,通过纵向一线信号图可测得两者光程分别为168 μm和290 μm。实验采集到每种样品的5组光程数据均值及标准差如表2所示。

图 5. (a)样品A1二维OCT断层图像;(b)样品A2二维OCT断层图像;(c)样品A1纵向一线信号图;(d)样品A2纵向一线信号图

Fig. 5. (a) 2D OCT cross-sectional image of A1; (b) 2D OCT cross-sectional image of A2; (c) A-scan signal of A1; (d) A-scan signal of A2

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3.3 散射强度比

散射强度比是实验总结的一种区分不同品牌电工胶带的特征参数,是样品上、下表面反射/散射强度的比值。电工胶带一般由带基和黏合剂组成,上表面的带基和空气形成一个介质突变层,下表面的黏合剂和空气也形成一个介质突变层。由于不同厂家、不同品牌的电工胶带制作工艺不同,所选用的带基和黏合剂材质也有所差异,故而折射率不同,光在这两个介质突变层的反射/散射强度也就不同。因此,散射强度比可以反映组成电工胶带的两种物质折射率差别,从而区分不同品牌的电工胶带。实验中比较了不同样品的散射强度比特征,可以发现实验结果存在差异。如图6所示,样品A3和A4散射强度比分别为37.15和27.89,两者存在明显差异。实验采集到每种样品的散射强度比数据均值及标准差如表3所示。

图 6. (a)样品A3二维OCT断层图像;(b)样品A4二维OCT断层图像;(c)样品A3纵向一线信号图;(d)样品A4纵向一线信号图

Fig. 6. (a) 2D OCT cross-sectional image of A3; (b) 2D OCT cross-sectional image of A4; (c) A-scan signal of A3; (d) A-scan signal of A4

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3.4 信号峰个数

如图7所示,样品A5可以观察到两个信号峰,而样品A6只能观察到一个信号峰,简单比较信号峰的个数就可以将二者区分开。出现两个峰还是一个峰取决于样品情况、系统信噪比和穿透深度。穿透深度取决于光在样品中的衰减系数,与中心波长相关。当中心波长一定时,只要信噪比大于某临界值,信号峰就不会被噪声淹没,因而可以认为观察到的信号峰数量只与样品本身有关。控制实验过程在相同的系统条件下进行。各样品信号峰个数如表4所示。

图 7. (a)样品A5二维OCT断层图像;(b)样品A6二维OCT断层图像;(c)样品A5纵向一线信号图;(d)样品A6纵向一线信号图

Fig. 7. (a) 2D OCT cross-sectional image of A5; (b) 2D OCT cross-sectional image of A6; (c) A-scan signal of A5; (d) A-scan signal of A6

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3.5 衰减系数

光在穿透电工胶带内部的过程中遵从指数衰减。通过对电工胶带样品OCT纵向一线信号中第1个峰值点及其之后的10个数据点进行指数衰减拟合,得到衰减系数和拟合系数。拟合系数越接近1,拟合精度越高。图8所示为样品A7和样品A8的指数拟合曲线图,可观察到光在电工胶带样品中呈指数形式衰减。通过指数拟合曲线图计算得到样品A7和样品A8的衰减系数分别为84.6和67.2,说明样品A7对光的衰减更加明显。每种样品的衰减系数均值及标准差如表5所示。

图 8. (a)样品A7 和(b)样品A8第1个峰及之后10个数据点的指数拟合曲线

Fig. 8. Fitted exponential curves of peak 1 and the following 10 points for samples (a) A7 and (b) A8

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针对不同电工胶带样品的光程、散射强度比和衰减系数,利用SPSS统计软件进行独立t检验,分析特征参数之间是否有显著差异(p<0.05)。表6为不同电工胶带样品特征参数的比较,可以看出,不同品牌电工胶带样品的上述特征参数具有显著性差异。

3.6 电工胶带三维OCT重建及横截面图像

利用OCT三维成像进行样品的三维立体重建,获取样品横截面图像。图9(a)和图9(c)分别为样品A9和A10的三维重建图,图9(b)和图9(d)分别是它们在约100 μm深度的横截面图像,图像成像范围为4 mm×4 mm。结果发现,三维重建的横截面图像形态存在差异。对比可以看出,样品A9横截面图像中分布有许多黑色点状颗粒,而样品A10则较为均匀,这是不同品牌电工胶带制作工艺导致的。

图 9. (a)样品A9三维重建图;(b)样品A9深度100 μm处横截面图像;(c)样品A10三维重建图;(d)样品A10深度100 μm处横截面图像

Fig. 9. (a) 3D reconstruction image of A9; (b) transverse sectional image of A9 at the depth of 100 μm; (c) 3D reconstruction image of A10; (d)transverse sectional image of A10 at the depth of 100 μm

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4 结论

利用OCT技术对不同品牌的电工胶带进行检验分析,获取了电工胶带的多种新型特征参数,通过对样品进行三维重建得到其横截面图像。实验结果表明,不同品牌电工胶带的光程、散射强度比、信号峰个数、衰减系数等特征参数存在统计学显著性差异。另外,由于不同电工胶带的内部微观结构不同,其三维重建及横截面图像存在差异。通过对这些特征参数和图像的分析比较,实现了对不同品牌电工胶带的有效区分。OCT技术的无损、原位成像优势符合法庭科学物证检验的要求,在实际工作中有望和传统的检验方法相互结合,互相补充,提高检验效率。