林曉冬，訾 潤，李 蜀，賴仕均，鄧 飛，3

（1.深圳市公安局刑事科學技術研究所，廣東 深圳 518040；2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳，518055；3.深圳大學深圳市特種功能材料重點實驗室，深圳陶瓷先進技術工程實驗室，廣東 深圳518060）

隨著我國經濟發(fā)展和社會的進步，玻璃在人們生活中應用越來越廣泛，與此同時，涉及玻璃物證檢驗的刑事案件也逐年增多。在刑事案件偵查過程中，如交通肇事逃逸案件、入室盜竊案及兇殺案等刑事案件中，玻璃碎片往往成為法庭物證，其檢驗鑒定的結果對于提供偵查線索、揭露和證實犯罪具有重要意義。而目前我國法庭科學領域對于玻璃的檢測方法還比較單一，通常局限于外觀和密度等方法的檢驗，往往得不到較全面的檢測結果，而國外進口的玻璃折射率檢測設備價格昂貴，在很多鑒定機構不能普及，使得從現(xiàn)場或與犯罪有關的物品上搜取的玻璃碎片無法利用，影響了案件的偵破。

本項目以檢測任意形狀大小玻璃物證折射率為出發(fā)點研制一種高精度的玻璃折射率測量儀。

1 系統(tǒng)方案設計

本項目高精度玻璃折射率測量儀需滿足兩個特點：一是對案件現(xiàn)場中獲得的玻璃樣品大小和形狀沒有要求；二是檢測要求精度高，玻璃折射率檢測精度可達10-5數(shù)量級，且檢測重復性好，操作簡單快速。

玻璃折射率與玻璃的成分、密度、溫度和光的波長有關，它是玻璃的一個重要指標，精密測量玻璃折射率的經典方法有阿貝法、V棱鏡法、最小偏向角法和折射率匹配法等（見表1）。阿貝法、V棱鏡法和最小偏向角法都需要高精度的測角儀，導致其造價昂貴，另外阿貝法、V棱鏡法和最小偏向角法都要求把材料做成成型的樣品，并且對相關的觀測面有表面光滑的要求。所以它們并不適用于我們的測量要求。而折射率匹配法是一種高精度測量玻璃折射率的方法，它無須把玻璃加工為成型的樣品，而是將任意形狀碎玻璃浸沒在折射率對溫度敏感的液體中，然后通過測量與樣品折射率匹配的溫度確定樣品折射率。該方法只需要很少量樣品，并對樣品形狀沒有要求，符合刑偵檢測的需求。

表1 幾種玻璃測量方法的比較

折射率匹配技術的關鍵在于找出“匹配溫度”，確定“匹配折射率”。由光學原理可知，當匹配液跟玻璃樣品的折射率不匹配的時候，在相差光學系統(tǒng)中匹配液與玻璃的界面是明晰的；而在折射率匹配時，相應邊界會消失。由此，可以在成像區(qū)域內選擇一個局部邊界，隨著溫度的變化，跟蹤界面的變化，這一變化過程可以用一個“評價指數(shù)”來評價，進而可確定“匹配溫度”。最后，根據(jù)匹配液已知的折射率—溫度關系即可快速獲得玻璃的折射率值（見圖1）。

圖1 折射率匹配原理示意圖

2 樣機研制

圖2為樣機的結構圖。光從光源發(fā)出后，經過聚光鏡聚焦到樣品面上，透射光經過成像系統(tǒng)在CCD上成像。玻璃樣品與匹配液混合后放在兩個0.17 mm的蓋玻片之間，放置在加熱臺上。加熱臺中間有一個通光孔，調整樣品使得需要測量的玻璃樣品在視場范圍內。

圖2 高精度玻璃折射率測量系統(tǒng)結構示意圖

圖3為原理性樣機的裝置圖，我們采用倒置相差顯微鏡，選用了平場相位顯微物鏡。光源采用30 w的LED燈。配10X和20X及相差觀察系統(tǒng)，預留成像口，可接Cmount型CCD。CCD可以視頻速率采集圖像，通過IEEE1394卡接到電腦，處理數(shù)據(jù)并顯示。

加熱臺帶控制器以及控制軟件，它的分辨精度為0.001℃，溫控范圍從室溫至400℃。配置了液氮冷卻系統(tǒng)，可以實現(xiàn)快速升降溫。控制器與個人電腦USB接口鏈接。可以對熱臺進行升降溫控制，讀取當前溫度值等。

圖3就是利用上述部件搭建的樣機，它的精度可以實現(xiàn)10-5。每完成一次折射率測量需要5min。

圖3 原理性樣機裝置

圖4是樣機的預定控制流和數(shù)據(jù)流，整個系統(tǒng)以數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為核心進行架構。由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)布控制指令控制加熱系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。如圖4所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括所有算法流程，也有與加熱系統(tǒng)之間的溫度控制與反饋，以及與成像系統(tǒng)之間的圖像采集控制和反饋等。加熱系統(tǒng)包括冷熱臺（包括加熱和冷卻兩種能力）和控制器等。成像系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)與成像系統(tǒng)之間有同步要求，即溫度上升步進與圖像采集一一對應。

圖4 樣機的控制流和數(shù)據(jù)流

圖5是樣機的用戶界面。用戶可以選擇不同的同步方式、預覽圖像和正式測量等。可以設置溫度范圍、分辨率、升溫速度等，圖像采集間隔等。還包括圖像處理的相關設置，包括選擇圖像區(qū)域位置、區(qū)域大小等。同時，可以在界面上顯示匹配評價指數(shù)的曲線，以及匹配溫度等。

圖5 樣機的控制軟件面板

3 系統(tǒng)關鍵的技術要點

折射率匹配技術中包括匹配液選取、溫度的精確測量與控制、成像和圖像處理等。

3.1 匹配液特性的選擇和分析

匹配液要物理化學性質穩(wěn)定，具體包括燃點高、開口閃點高、熔點低，熱穩(wěn)定性好，熱揮發(fā)性，粘度適中，毒性小或無毒，化學性質穩(wěn)定或者惰性，透明，無色。匹配液的溫度折射率系數(shù)穩(wěn)定性好，其隨溫度變化特性能符合基本原理的線性模型。另外，選擇匹配液的時候應該注意不同折射率測量范圍以及測量精度需要；選擇性能合適、質量穩(wěn)定、供應可靠的匹配液。

關于匹配液一個重要的問題是匹配液的溫度折射率系數(shù)的確定。某些廠商在提供匹配液時，會給出它的溫度折射率系數(shù)，但在實際使用中，需要重新標定。我們的辦法是，用一組標準玻璃來標定匹配液的溫度折射率系數(shù)。

3.2 對溫度精確控制

加熱臺應該能夠實現(xiàn)快速升溫和降溫；對溫度范圍、升溫降溫速度、溫度控制精度都可以調節(jié)，并且實現(xiàn)電腦控制。其中加熱臺最重要的指標是溫度精度的控制。這分成兩個方面，一方面加熱臺的溫度精度高，穩(wěn)定性好。第二方面加熱裝置與成像系統(tǒng)同步。第二點不僅是對加熱臺的要求，也是對系統(tǒng)設計的要求。對加熱臺要求它能提供通信接口，提供控制模塊。對系統(tǒng)設計的要求是，在控制策略以及軟件設計時，必須保證加熱臺與成像系統(tǒng)同步，本樣機采用同步時鐘來實現(xiàn)同步。

3.3 成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)必須能準確反映匹配液與玻璃樣品之間的折射率匹配程度；成像系統(tǒng)的成像能力也會影響后續(xù)圖像處理系統(tǒng)的能力和精度。成像系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是，如何更加真實、準確、明顯的反映匹配液與玻璃樣品的匹配程度。

本樣機中，我們采用相差顯微鏡作為成像系統(tǒng)，建立圖像分析模型。由基本原理可知，玻璃樣品與匹配液對照明光都透明；對兩者的邊界變化能夠清晰明確的成像，有助于衡量隨溫度變化時兩者的折射率匹配狀態(tài)，最終提高匹配溫度的精確度。

由相差顯微鏡原理，I∝I0*［1+?（x，y）］，?（x，y）<<1其中表示光強，它與所成圖像上的強度成正比。I0表示直流項，?（x，y）為相面的相位分布，（x，y）是平面位置坐標。普通顯微鏡所成的像中，強度只有I0項，而如公式所示，相差顯微鏡包含第二項，也就是相位項；匹配液與玻璃樣品相位差異在相差顯微鏡中就表現(xiàn)為強度I不一樣，而普通顯微鏡不能體現(xiàn)這一點。

為此，可以建立成像系統(tǒng)所成圖像的分析模型。根據(jù)公式，可以推出圖像的兩個性質。一個是，匹配液與玻璃樣品邊界兩邊的臨近區(qū)域強度有差別。第二個是，在溫度低于和超過匹配溫度這兩種情況下，邊界兩邊的臨近區(qū)域的強度對比會剛好相反。根據(jù)基本原理中對匹配液和玻璃溫度折射率特性的分析，起始溫度時匹配液折射率比玻璃樣品高，而加熱到一定溫度后反而比玻璃樣品低，那么隨之而來的就是相位的相對變化，由公式可知，其強度對比會剛好相反。

這幾個性質是圖像處理系統(tǒng)中匹配評價指數(shù)的選擇和設計的重要來源。

3.4 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)包括圖像采集、變換分析、特征提取和顯示等。通過圖像處理系統(tǒng)能夠將匹配液與玻璃樣品之間的匹配程度數(shù)值化，從圖像中提取特征，分析這些特征，形成可以衡量的量，就是匹配評價指數(shù)；根據(jù)評價指數(shù)的變化趨勢確定最佳匹配圖像，由溫度變化與圖像序號之間的對應關系結合圖像的序號得到匹配溫度；最后由匹配液的溫度折射率系數(shù)得到玻璃樣品的折射率。圖6即該方法的算法流程圖。圖像處理系統(tǒng)的主要任務和挑戰(zhàn)是尋找合適的（或者最優(yōu)的）匹配評價指數(shù)。

圖6 利用匹配評價指數(shù)尋找匹配點的算法流程圖

在樣機中，我們基于成像系統(tǒng)中的圖像分析模型，我們采用了方差法來設計匹配評價指數(shù)。

方差法是，利用邊界區(qū)域強度的統(tǒng)計特征之一方差值作為匹配評價指數(shù)。根據(jù)圖像分析模型的第一和第三個性質，在折射率匹配的時候，方差值最??；兩者折射率差別越大，方差值越大。

由于實際應用中，圖像往往含有噪聲，所以這種方法與一定的圖像處理技術相結合，包括邊緣分析，特征提取等，才能發(fā)揮其最好效果。

4 實驗方法及標準玻璃測試

為對本項目所達到的技術指標進行測試，采用標準玻璃（深圳市質量計量檢測研究院提供）（折射率=1.51843）作為1號測試樣品，進行6次平行實驗；采用標準玻璃（深圳市質量計量檢測研究院提供）（折射率=1.51654）作為2號測試樣品，進行6次平行實驗。

分別將兩份標準玻璃樣品研磨成粉末狀。粉末大小為亞毫米量級，肉眼無法分辨其形狀。然后，用鑷子夾取適量玻璃粉末置于干凈的載玻片上，輕微抖動載玻片，將較大顆粒的玻璃抖落，且使表面的粉末均勻分布。取15μL左右的泵油，滴在載玻片上，再蓋上蓋玻片，注意最好不要留有氣泡。然后，將上述載玻片移至測量儀的載物臺，相差模式下選取合適的檢測區(qū)域，控制升、降溫速率5℃/min進行折射率測定。每個樣品均經過6次升、降溫平行檢測，獲得數(shù)據(jù)平均值。

測試結果如表2、表3所示。

通過對上述結果進行全面的分析考核，得到本項目研發(fā)的玻璃折射率測定儀測量精度可達10-5數(shù)量級，具有測量精度高、重復性好、操作簡單快捷等顯著特點，完全達到了預期的指標。

表2 1號玻璃樣品的折射率測定結果

表3 2號玻璃樣品的折射率測定結果

5 案例應用

案例1 2013年10月23日凌晨1時許，在深圳市某某區(qū)某某國道，某某路段，發(fā)生一件致三人死亡交通肇事逃逸案件，肇事車輛被遺留在現(xiàn)場，肇事司機逃逸。

案發(fā)后，很快有一人到交警隊投案自首，承認肇事逃逸，但其無法說清楚肇事的經過，這引起了辦案民警的懷疑。當晚通過機動車輛信息查詢，找到車主，并將車主帶回調查發(fā)現(xiàn)其有重大肇事逃逸的嫌疑，但無法找到證據(jù)證明是其駕駛車輛肇事。由于案情重大，交警請求刑事技術人員實施技術支援。

技術人員在勘查肇事車輛后，發(fā)現(xiàn)車輛前擋風玻璃破碎，推斷駕駛肇事車輛的嫌疑人身上和衣服上可能殘留有擋風玻璃的碎屑。通過詢問車主已經洗過澡并換了衣服，通過努力，技術人員還是在車主的頭發(fā)里發(fā)現(xiàn)二塊細小的玻璃屑，交警立即派人在車主家里提取了車主回家后換下的衣物，也在其衣服上提取到玻璃碎屑。將這些提取到的玻璃碎屑與肇事車輛擋風玻璃，使用本項目研制的玻璃折射率儀進行折射率的檢驗分析，結果為折射率一致（見表4）。

車主在證據(jù)面前，不得不承認其飲酒駕車肇事逃逸并找人頂包的事實。

表4 案例1中汽車擋風玻璃樣品的折射率測定結果

案例2 2013年12月5日13時許，在深圳市某某新區(qū)某某路段，發(fā)生一件致一騎電動車的女子死亡交通肇事逃逸案件。

電動車及尸體都沒有明顯的碰撞碾壓痕跡，只是在左剎車把上有一些擦劃痕跡。在扣回的嫌疑肇事大巴車輛的后玻璃門上，發(fā)現(xiàn)了一段與電動車車把高度一致的擦劃痕跡。提取痕跡上的附著物與電動車剎車車把上的金屬進行比對檢驗，金屬成分一致。在顯微鏡條件下，從電動車剎車車把擦劃痕跡處發(fā)現(xiàn)了非常細小的玻璃屑，與大巴車后玻璃門上的玻璃分別進行折射率的檢驗，其折射率測定值一致（見表5）。從而認定了肇事逃逸車輛。

表5 案例2中玻璃樣品的折射率測定結果

6 結果與討論

選擇待測的玻璃片時，要注意選擇的待測玻璃片一般滿足以下要求：

（1）用目鏡觀察時，大小在10×10左右（目鏡中的刻度尺）；用CCD采集顯示在屏幕上時，大小在50×50（像素）左右。

（2）邊緣比較光滑。

（3）附近沒有雜質，沒有氣泡，背景干凈均勻。

在實踐的物證檢驗鑒定分析過程中，技術人員還需詳細分析物證的物理化學歷程，充分考慮物證本身的結構特征，在此基礎上方可采用本技術從而得到高精度的可信結果。因為無內應力存在的均質玻璃具有各向同性的特征，即玻璃在各個方向的物理性質，如折射率、導電性、硬度等都是相同的，這也是玻璃內部質點無序排列而呈現(xiàn)統(tǒng)計均質結構的外在表現(xiàn)。然而，當玻璃內部存在內應力時，檢材的結構均勻性就會遭受破壞，顯示出各向異性的特征，例如出現(xiàn)明顯的光程差。否則，一旦玻璃檢材的自身均勻性差別超過了與比對樣品的差別，得到的比對結果將不具有參考價值。

7 結論

本項目在傳統(tǒng)玻璃折射率匹配測量技術的基礎上，成功研制出一種高精度玻璃折射率測量的新設備。通過玻璃樣品的多次測量和數(shù)據(jù)分析表明，該法具有測量精度高（分辨率可達10-5數(shù)量級）、數(shù)據(jù)離散性低、重復穩(wěn)定性好、操作簡單快捷、與國外同類產品相比成本低廉等顯著特點，具有重要的推廣價值，在法庭科學領域具有廣闊的應用前景。

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