ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ОТПЕЧАТКА ПАЛЬЦА
FINGERPRINT DETECTION

Изобретение касается в общем случае, но не исключительно, устройства и способа по детектированию отпечатков пальцев. Конкретнее, но не исключительно, изобретение касается способа и устройства для детектирования отпечатков пальцев путем создания разности значений плотности заряда относительно окружающей поверхности в области оставленного отпечатка пальца.
Широко известны определение местонахождения и детектирование отпечатков пальцев на металлической или иной поверхности использованием химических реакций с содержимым отпечатков пальцев в виде выделений желез внешней секреции (аминокислота) и/или выделений жирового вещества (жирная кислота). Другие способы детектирования латентных отпечатков пальцев предполагают использование остаточного содержимого отпечатка пальца в качестве изолятора в электрохимических и окислительно-восстановительных реакциях. Подобные способы, как правило, непригодны, когда поверхность, на которой оставлен отпечаток пальца, становится мокрой (удаляя водянистую составляющую выделений желез внешней секреции) или поврежденной (удаляя выделения жирового вещества). Поверхность может стать мокрой или поврежденной, например, в результате атмосферных воздействий или при чистке.
Другая известная технология предполагает измерение разности электрических потенциалов между металлической поверхностью, на которой оставлен отпечаток пальца, и металлическим образцом. В этой технологии используется открытие, сделанное лордом Кельвином в девятнадцатом веке, которое заключается в том, что различные металлы, имеющие электрическое соединение, обладают разностью потенциалов между собой, определяемой работой выхода данных металлов. Работа выхода конкретного металла является мерой того, насколько легко электрон может выйти с поверхности металла. Химические вещества, находящиеся в оставленном отпечатке пальца, приводят к коррозии металлической поверхности. Работа выхода металла изменяется там, где он подвергся коррозии под воздействием отпечатка пальца. Таким образом, технология, основанная на определении работы выхода, опирается на измерения различий величин работы выхода по всей поверхности металла, где по предположению оставлен отпечаток пальца. Очевидно, что такой процесс может занять много времени и носит случайный характер.
Желательно иметь возможность локализовать и идентифицировать отпечатки пальцев, оставленные на самых различных поверхностях, даже в том случае, когда такие поверхности находились на открытом воздухе или были очищены, например людьми, пытающимися «замести следы». В настоящем изобретении предпринята попытка устранить или смягчить, по меньшей мере, одну или несколько проблем, характерных для предшествующего уровня техники, путем обеспечения устройства и способа по детектированию латентных отпечатков пальцев, пригодных для применения на широком круге материалов, например, когда остаточное содержание отпечатка пальца уменьшилось.
По первому аспекту изобретение обеспечивает способ для локализации и детектирования, по меньшей мере, части отпечатка пальца, оставленного на поверхности, содержащий средство для создания электрического поля так, чтобы образовать разность значений плотности заряда в точном соответствии с местоположением, по меньшей мере, части отпечатка пальца, оставленного на поверхности; а также детекторный элемент, причем детекторный элемент избирательно притягивается или отталкивается от поверхности, соответствующей разности значений плотности зарядов в области оставленного отпечатка пальца так, чтобы, по меньшей мере, часть отпечатка пальца, оставленного на поверхности, можно было локализовать и детектировать.
Предпочтительно электрическое поле создается так, что плотность заряда поверхности, где оставлен отпечаток пальца, ниже плотности заряда окружающей области поверхности. Электрическое поле может быть создано так, чтобы существовала разность потенциалов по поверхности. Электрическое поле может составлять, например, от 0 до 5 кВ, например 0 до 3 кВ, например около 2,5 кВ.
Кроме того или альтернативно, детекторный элемент может содержать проводящий порошок, например проводящий порошок черного цвета, который можно наносить на поверхность, например, так, чтобы в области или местоположении оставленного отпечатка пальца или его части проводящий порошок мог избирательно притягиваться к оставленному отпечатку пальца или его части либо отталкиваться от него, обеспечивая тем самым визуализацию оставленного отпечатка пальца или его части.
Детекторный элемент может также содержать керамические шарики, покрытые проводящим порошком, или проводящий порошок так, чтобы в местоположении оставленного отпечатка пальца или его части, по меньшей мере, часть проводящего порошка или весь проводящий порошок могли удаляться с керамических шариков и могли избирательно притягиваться к оставленному отпечатку пальца или его части либо отталкиваться от него, обеспечивая тем самым визуализацию оставленного отпечатка пальца или его части. Детекторный элемент может содержать распыляемый аэрозоль, который может содержать порошок, например проводящий порошок, который в области или местоположении оставленного отпечатка пальца или его части может избирательно притягиваться к оставленному отпечатку пальца или его части либо отталкиваться от него, например, обеспечивая тем самым визуализацию оставленного отпечатка пальца или его части.
По второму аспекту изобретения обеспечивается устройство для приложения потенциала по всему объекту неправильной формы, при этом устройство содержит первое зажимное средство и опорную поверхность, между которыми удерживается изделие, а также пару контактных звеньев для контакта с изделием, удерживаемым между зажимом и опорной поверхностью, причем, по меньшей мере, одно из контактных звеньев содержит участки, способные совершать возвратно-поступательные перемещения для размещения различных участков упомянутого объекта.
Предпочтительно одно зажимное средство или оба из них, а также опорная поверхность способны совершать возвратно-поступательные перемещения относительно друг друга. Предпочтительно одно зажимное средство или оба из них, а также опорная поверхность способны вращаться или поворачиваться.
По меньшей мере, одно из контактных звеньев предпочтительно содержит пружину для обеспечения упомянутого участка, способного совершать возвратно-поступательные перемещения. Кроме того или альтернативно, может обеспечиваться другое упругое средство.
Далее будут описаны примеры вариантов осуществления изобретения, лишь в качестве иллюстративных, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 показана схема устройства, пригодного для детектирования, по меньшей мере, части латентного отпечатка пальца по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 показан вид по линии А-А устройства, представленного на фиг.1;
на фиг.3 показана более подробная схема контактных звеньев фиг.1 на основе латунного стержня и выполненного из бронзы плунжера;
на фиг.4 показана более подробная схема зажимного механизма, представленного на фиг.1;
на фиг.5 показано проявление деталей рельефа для отпечатка пальца, оставленного на латуни, спустя пять дней после того, как отпечаток был оставлен. На части (а) показана степень коррозии при окислительно-восстановительной реакции, которую можно видеть после промывки в воде, в ацетоне и снова в воде, а на части (b) показан тот же отпечаток пальца после проведения последующего электростатического усиления.
Пример способа, который здесь описан и представлен, предусматривает прикладывание электрического потенциала, составляющего около 2,5 кВ, к металлическому образцу, на котором был оставлен отпечаток пальца. Приложенная разность потенциалов приводит к образованию плотности заряда на поверхности материала образца. В том месте, где был оставлен отпечаток пальца (перед тем как он был поврежден или намочен), плотность заряда будет иной, чем плотность заряда окружающей области поверхности образца. Это вызвано воздействием химических элементов, содержащихся в отпечатке пальца, на металлический образец; т.е. коррозией металлической поверхности. Затем наносится проводящий порошок с использованием, по меньшей мере, одного из двух способов, которые описаны ниже, при этом проводящий порошок притягивается к отпечатку пальца и удерживается на нем.
На фиг.1 показана схема устройства 2 для детектирования латентного отпечатка 50 (на фиг.1 не показан) на материале 10 образца, зажатого в устройстве 2. Устройство 2 включает в себя опорную раму 24, пару круглых пластин или дисков 14, установленных с возможностью вращения на противоположных участках опорной рамы 24, коленчатую рукоятку 22, продолжающуюся от наружной поверхности одной из круглых пластин 14 и проходящую сквозь раму 24, пару стержней 16 и высоковольтный блок (не показан).
Каждая круглая пластина 14 включает в себя четыре зажимных механизма 12, показанных более подробно на фиг.2 и 4, которые являются полностью регулируемыми в радиальном направлении с перемещением внутрь или наружу по круглой пластине 14 до достижения контакта с материалом 10 образца. Каждый зажимный механизм 12 установлен с возможностью регулировки на круглой пластине 14 с помощью прижимной пластины 30, которая крепится к зажимному элементу 34 посредством конструкции 32 на основе гайки и болта. Зажимный механизм полностью регулируется по всей круглой пластине так, чтобы позволить зажать материал 10 образца различного размера (не показан) между зажимами 12.
Круглые пластины 14 имеют возможность вращаться вокруг главной оси X с использованием рукоятки 22 или иного пригодного механизма. Зажатый материал 10 образца в этом варианте осуществления представляет собой имеющий неправильную форму объект из латуни, на котором предположительно оставлен отпечаток пальца неизвестным человеком.
Стержни 16 в этом варианте осуществления выполнены из латуни, однако может быть использован любой пригодный проводящий материал. Как более подробно показано на фиг.3, каждый стержень 16 включает в себя плунжерный контакт 20, который в этом варианте осуществления установлен на конце стержня 16 с помощью пружины 21, однако может быть использовано любое пригодное упругое средство смещения. Стержни 16 установлены с возможностью регулировки на раме 24, например, посредством потайных винтов 18 так, чтобы они продолжались внутрь устройства 2 в направлении используемого материала 10 образца. Такая конструкция дает возможность отрегулировать стержни 16 так, чтобы обеспечить соприкосновение плунжерного контакта 20 с материалом 10 образца в процессе эксплуатации. Пружина 21 дает возможность плунжерному контакту 20 подстроиться и отслеживать контуры поверхностей неправильной формы материала 10 образца в процессе его вращения.
Электрический потенциал обеспечивается на практике посредством высоковольтного блока (не показан), выполненного на основе высоковольтного модуля серийного ряда Brandenburg 3590. Блок дает возможность генерировать электрический потенциал с плавной регулировкой в диапазоне 0-2,5 кВ. Могут быть использованы и другие высоковольтные модули, позволяющие генерировать различные электрические потенциалы.
Электрический потенциал, значение которого составляет около 2,5 кВ, прикладывается посредством проводящих латунных стержней 16. По результатам наблюдений, чем выше напряжение, тем ярче проявляется эффект, а потому многие значения напряжения, отличные от 2,5 кВ, создают разность значений плотности заряда, достаточную для обеспечения возможности детектирования и идентификации латентного отпечатка пальца. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что настоящее изобретение не лимитировано исключительно применением потенциала с уровнем 2,5 кВ и могут прикладываться потенциалы меньшего или большего значения.
Специалист в данной области техники также поймет, что может быть использовано любое пригодное средство для надежного зажима материала образца так, чтобы его можно было вращать или наклонять в ходе исследования, и что настоящее изобретение не лимитировано лишь той механической схемой зажимов и пластин, которая описана со ссылкой на фиг.1-4. Например, можно использовать два, три или более зажимов 12 и/или другие типы зажимов (не показаны).
Когда требуется локализовать и детектировать латентный отпечаток пальца на поверхности материала 10 образца, применяя вышеописанное устройство, можно использовать, по меньшей мере, два способа для наложения проводящего порошка.
Первый способ требует применения для материала 10 образца керамических шариков сферической формы, например, с диаметром примерно 10 микрон, которые покрыты черным проводящим порошком с мелким зерном (около 2 микрон). Керамические шарики сферической формы затем накатываются на поверхность материала 10 образца (с помощью того, что его поворачивают). Керамические шарики сферической формы с покрытием известны в данной области техники и коммерчески доступны.
Керамические шарики сферической формы работают как носители для переноса проводящего порошка на материал 10 образца. Шарики сами по себе не прилипают к материалу 10 образца, а расположенный на них проводящий порошок прилипает. Керамические шарики обладают сферической формой и могут легко перемещаться по поверхности материала 10 образца.
Проводящий порошок заряжается, когда керамические шарики сферической формы соприкасаются с заряженным материалом 10 образца. Шарики перекатываются по поверхности материала 10 образца, и проводящий порошок приобретает потенциал материала 10 образца. Когда достигаются места с остаточным содержанием отпечатка пальца, то эти области обладают разностью потенциалов относительно окружающей области и проводящий порошок притягивается к этой области или отталкивается от нее в силу электростатических эффектов.
На металлическом материале 10 образца зерна притягивают заряд, равный заряду металлического материала 10 образца. При контакте с латентным отпечатком пальца более низкий потенциал места остаточного содержания отпечатка пальца/коррозии металла приводит к притяжению зерен с шариков к той части металла, которая точно соответствует месту остаточного содержания отпечатка пальца/коррозии.
На фиг.5 показана поверхность образца из латуни, на которой был оставлен отпечаток пальца. Поверхность образца промывалась водой, ацетоном и затем снова водой. Изображение на фиг.5(а) было получено спустя пять дней после того, как был оставлен латентный отпечаток, а на фиг.5(b) показано проявление деталей рельефа того же отпечатка пальца после проведения последующего электростатического усиления с использованием способа и устройства по настоящему изобретению. Показано, что после применения электростатического усиления отпечаток пальца может быть обнаружен и идентифицирован, в то время как до этого отпечаток пальца был не виден.
После электростатической обработки проводящий порошок, в общем, может легко потерять упорядоченность после снятия электрического заряда. Путем нагрева материала 10 образца после обработки до температуры, составляющей, например, 150°С, порошок скрепляется с материалом 10 образца, образуя тем самым более стойкий образец.
На неметаллическом материале 10 образца приложенное электрическое поле приведет к поляризации составляющих в пределах остаточного содержания отпечатка пальца, что способствует притяжению (незаряженных) зерен к заряду на остаточном содержании отпечатка или отталкиванию от него.
Второй способ обычно предполагает распыление проводящего порошка с мелким зерном на материал 10 образца, посредством, например, аэрозоля. Распылительный клапан аэрозольного баллона заряжен, имея потенциал противоположной полярности по отношению к потенциалу материала 10 образца. На металлическом материале 10 образца заряженный проводящий порошок будет притягиваться к месту с более низким потенциалом на материале 10 образца, либо совпадающим с остаточным содержанием отпечатка пальца/коррозией, либо в окружающей области, так что можно получить след пальца в инверсионном или нормальном отображении.
На неметаллическом материале 10 образца заряженный проводящий порошок притягивается к поляризованному заряду на остаточном содержании отпечатка, полярность которого противоположна полярности заряда порошка.
Следует понимать, что способ и устройство по изобретению позволяют исследовать субстрат на предмет того, имеется ли на нем отпечаток пальца или его часть. Способ является быстрым, поскольку не требуется обследовать весь субстрат в мельчайших подробностях, например, путем установления исследовательского массива, содержащего множество точек для изучения.
В то время как авторы изобретения не желают ограничивать себя рамками какой бы то ни было теории, механизм данного процесса, если он используется на металлических материалах, рассматривается как следствие коррозии поверхности металла, которая ведет к образованию как включений, так и дефектов решетки, которые оказывают эффект локального увеличения электрического удельного сопротивления металла на участке коррозии. Если к металлическому образцу 10 прикладывается электрический потенциал, то в условиях электростатического воздействия заряд будет перемещаться полностью к наружной поверхности, при этом электрическое поле внутри металла будет нулевым. Области коррозии с увеличенным удельным сопротивлением будут вести себя скорее как диэлектрики, и плотность заряда в этих областях (σ') будет меньше плотности заряда на других частях поверхности (σ). По теореме Гаусса электрическое поле и электрический потенциал в заданной точке, лежащей над диском, будут меньшими по величине над корродированной областью.
Конкретнее, в сечении металлического диска, находящегося в состоянии электростатического равновесия, где α представляет гауссову поверхность, частично проходящую через поверхность металла, которая имеет площадь поверхности в плоскости, параллельной наружной поверхности металла, равную А, гауссова поверхность содержит заряд
q=σ·А.
По закону Гаусса
0
где ε=электрическая постоянная свободного объема, во всех точках гауссовой поверхности векторы  и  направлены одинаково.
Пусть Е имеет одну и ту же величину во всех точках на гауссовой поверхности, тогда
следовательно
0
Е=q/εА
Таким же образом, если гауссова поверхность α' (проходящая через корродированную область) имеет ту же площадь поверхности А, то
следовательно
0
Е'=q'/εA
Поскольку q<q, то Е<Е.
Далее, поскольку разность потенциалов (Δv) между двумя точками, разнесенными на расстояние d, определяется как
потенциал в заданной точке над гауссовой поверхностью α' будет меньше, чем потенциал над поверхностью α.
Специалистам в данной области техники следует понимать, что могут вноситься различные изменения, не выходя за объем настоящего изобретения, например, размер и форма рамы и прихватов, а также зажимный механизм могут быть приспособлены для размещения материалов образца иных размеров и форм. Предполагается также, что другие способы нанесения проводящего порошка будут работать с таким же успехом и также приведут к желаемому эффекту.
Кроме того, не обязательно использовать керамические шарики. Например, проводящий порошок можно нанести с использованием иного средства, например путем обсыпки.
Специалисту также ясно, что детектирующий элемент может быть выполнен с возможностью притягиваться к области, в которой отпечаток пальца не был оставлен, либо отталкиваться от области, в которой отпечаток пальца или его часть, был оставлен.
Проводящий порошок может быть любого размера, например 10 микрон. Металлический материал может представлять собой, например, медь, сталь, алюминий, латунь (как описано выше) или любой иной пригодный металлический материал.
Круглые пластины 14 могут быть также выполнены с возможностью перемещения в направлении друг друга или друг от друга, чтобы разместить изделия различных размеров и форм.
Практическое осуществление способа не требует, чтобы изделие было изолировано от окружающей среды. В частности, способ можно практически использовать с изделием, находящимся в его естественных условиях (in situ). Например, электрический потенциал может прикладываться, а детекторный элемент наноситься непосредственно на изделие in situ.