Микротрасологические исследования следов лазерной размерной обработки и маркировки
Микротрасология как самостоятельный раздел трасологии сформировался сравнительно недавно - в 80-е годы прошлого столетия. За прошедшее время в микротрасологии были разработаны собственные понятия и классификации, методики исследования различных микрообъектов. В отличие от макрообъектов, с которыми имеет дело традиционная классическая трасология, микрообъекты определяются как относительно мелкие элементы. Различают три вида микрообъектов: микрочастицы, микроследы и микропризнаки в макроследах. При образовании микроследов и микропризнаков важное значение имеет микрорельеф поверхностей предметов, участвующих в процессе следообразования.
Относительно количественных критериев отличающих макрообъекты от микрообъектов в настоящее время среди ученых-криминалистов существуют различные мнения. Некоторые из них полагают, что макрорельеф поверхности определяется ее элементами, различимыми невооруженным глазом или с помощью лупы, а «микрорельеф обуславливается сочетанием относительно мелких элементов различимых лишь при достаточном увеличении». Заслуживает внимания определение микроследов, сформулированное Н.П. Майлис. По ее мнению «микроследы - это такие отображения объектов, форму и размеры которых можно определить только с помощью микроскопической техники, увеличивающей остроту зрения (например, лупа, микроскоп)».
В диссертационной работе Трубицына Р.Ю., посвященной криминалистическому исследованию микрорельефа отмечается, что в технических отраслях науки разграничение неровности поверхностей на макро и микро определяется соотношением длины шага неровностей (расстояние между вершинами двух ближайших выступов и впадин) с длиной изделия или измеряемой поверхности.
Если длина шага неровности не превышает половины длины измеряемой поверхности (изделия), то это микронеровность. Если длина шага неровности больше длины поверхности (изделия), то она относится к макронеровностям. Автор считает, что такой подход неприемлем в криминалистике и дает свое определение микрорельефа. По его мнению, «микрорельеф поверхности объекта судебной экспертизы - это шероховатость поверхности, возникшая в результате производства, хранения, использования либо повреждения какого-либо объекта, имеющая отношение к расследуемому событию и возникшее как в период подготовки преступного деяния, во время его совершения, так и в посткриминальный период». Им же было отмечено, что появившейся в последнее время в научной литературе термин «ультрамикрорельеф» некорректен, так как он определяет двойное уменьшение рельефа по отношению к рельефу, а это по мнению автора нелогично.
Признаки микрорельефа поверхности следообразующих объектов криминалистических экспертиз классифицируются по нескольким основаниям: по возникновению (технологические и эксплуатационные), по размерам (локальные и глобальные), по характеру распределения по поверхности (имеющие определенную форму и в виде бесформенных образований). Следует иметь в виду, что данная классификация является востребованной для непосредственного механического следового контакта, в случае отображения микрорельефа на следовоспринимающей поверхности. Но даже при условии полного отображения микрорельефа в следах наиболее часто используется его плоская модель, так как объемные признаки микрорельефа подвержены сильным искажениям.
При дистанционном следовом контакте микрорельеф поверхности следообразующего объекта в следах практически не отображается. Исключение составляют ситуации, когда изображения внешнего строения каких-либо частей следообразующего объекта резко проецируются на следовоспринимаюшую поверхность. Но даже в этом случае можно говорить лишь о частичной передаче информации сопровождающейся искажениями и преобразованиями. Примером этого может служить изображение краев кадрирующей рамки фотоувеличителя, проецируемое с помощью оптического объектива на поверхность фотобумаги. Имеющийся на краях рамки микрорельеф отображается в виде плоской модели микроследов с различными по контрастности участками. Однако даже такой механизм следообразования не исключает решения идентификационных задач в рамках фототехнических экспертиз, а в некоторых случаях, используя периферические следы, при производстве трасологических экспертиз.
В случае активного дистанционного следового контакта энергией, необходимой для образования следов (процесс обработки объектов), обладают сами следообразующие объекты. Поэтому в процесс следообразования (формирование микрорельефа следов) дополнительно включаются факторы, связанные с взаимодействием потока энергии с веществом. При обработке поверхности лазерным излучением к таким факторам, относятся нестационарные процессы нагрева, плавления, испарения, выброса расплава и частиц вещества и его последующей кристаллизации. Из сказанного следует, что предложенная классификация признаков микрорельефа может быть применима к поверхности только некоторых участков следообразующего объекта - лазерной установки, таких как диафрагма выходного окна или маски. При обработке объектов по методу «дальней зоны» контуры краев этих элементов резко проецируются на поверхность с масштабом, задаваемым оптической системой установки. Для признаков микрорельефа следовоспринимающей поверхности эта классификация нуждается в уточнении.
Во-первых, все признаки следует разделить на две группы: признаки, являющиеся отображением микрорельефа следообразующего объекта и признаки, возникающие в результате нестационарных процессов взаимодействия излучения с веществом. По своей выраженности эти признаки совершенно равнозначны, но по информативности различаются существенно. Признаки первой группы обладают высокой идентификационной значимостью, так как они являются отображением устойчивого микрорельефа элементов установки и проявлением морфологического информационного поля. Вторая группа признаков микрорельефа является проявлением функционального информационного поля, связанного с явлением (процессом) физического взаимодействия лазерного излучения с веществом. То есть, они характеризуют узкую область механизма следообразования, а именно - вид следового контакта и некоторые свойства следовоспринимающей поверхности. Образование этих признаков отличается крайней нестабильностью, большой вариационностью, что означает их низкую информационную значимость. Однако на основе их изучения возможно решение некоторых диагностических задач, например, таких, как определение наличия лазерной обработки, ее вида, примерной плотности мощности излучения в зоне обработки.
Во-вторых, все признаки микрорельефа следовоспринимающей поверхности технологического происхождения, и в то же время они должны классифицироваться как локальные, обладающие неопределенной формой. Действительно, лазерная размерная обработка всегда подразумевает обработку части поверхности объекта (сварка, резка, маркировка и др.), поэтому она, по определению, всегда локальная. При этом основное внимание разработчиков технологии сосредотачивается на качестве контуров обрабатываемого участка или на прочностных характеристиках, например, сварных швов. То есть, виду микрорельефа обработанных участков внимания практически не уделяется, что приводит к образованию случайных признаков микрорельефа в виде отдельных хаотично расположенных капель расплава, наплывов или гребней, либо их сочетаний в виде бесформенных образований.
То есть, предложенные ранее основания для классификации признаков микрорельефа в следах лазерной обработки не применимы. Представляется, что более целесообразно классифицировать признаки по таким основаниям, как локальная шероховатость поверхности (в пределах одного дискретного пятна обработки) и интегральная шероховатость поверхности (в пределах площади, обработанной либо с перекрытием пятен, либо непрерывным излучением) в направлении сканирования лазерного луча. Предлагаемые основания классификации относятся к криминалистическим и они могут быть описаны вполне определенными техническими величинами. В этом случае шероховатость поверхности может быть выражена числовыми значениями, например, Rz 320, что означает разброс выступов и впадин вдоль вертикальной оси 320 - 160 мкм.
Существующие методы, применяемые для проведения криминалистических исследований микрорельефа, по степени воздействия на исследуемые объекты можно разделить на контактные и бесконтактные. При использовании первых для исследования следов лазерной размерной обработки и маркировки возможно частичное разрушение объекта. Это возможно, например, при исследовании следов лазерной маркировки на лакокрасочных и полимерных покрытиях пломбировочных устройств.
Поэтому при исследовании микрорельефа на таких легко разрушающихся материалах целесообразно применять бесконтактные методы. Наиболее доступными из них и в то же время обеспечивающими визуальную наглядность на сегодняшний день являются методы микроскопического исследования. Современные микроскопы легко совмещаются с пленочными и цифровыми фотокамерами, что позволяет фиксировать изображения различными способами и при необходимости обрабатывать данные, в том числе, с помощью компьютеров. Однако микроскопическое исследование обладает существенным недостатком. Его результаты напрямую зависят от применяемого освещения, особенно от угла подсветки микрорельефа. Можно считать, что микроскопы позволяют исследовать практически двухмерное изображение микрорельефа. Даже при использовании стереоскопического микроскопа у эксперта нет возможности измерить с необходимой точностью высоту отдельных участков микрорельефа или сравнить их между собой.
К этой группе бесконтактных методов также относятся методы светового сечения и теневой проекции. Первый из них заключается в том, что микрорельеф освещается узким пучком света, который после отражения от поверхности приобретает вид ломаной световой плоскости. При этом характер границы плоскости соответствует исследуемому участку микрорельефа. При использовании метода теневой проекции узкий пучок света формируется с помощью экрана, который устанавливается вплотную к исследуемому участку микрорельефа. Возникающий при этом контур тени за экраном воспроизводит профиль рельефа следа. Основным недостатком данных методов является то, что они хорошо зарекомендовали себя только для исследования микрорельефа, содержащего динамические следы в виде трасс. В этом случае, исследуя относительно малый локальный участок следа, расположенный перпендикулярно направлению трасс, удается получить полную информацию о всем микрорельефе. Если же микрорельеф представляет собой хаотично расположенные выступы и углубления, то получить полную информацию о микрорельефе всего следа становится затруднительно, так как требуется сканирование всей поверхности следа.
Более прогрессивным является метод лазерной рефлектометрии, который уже сравнительно давно применяется в технических исследованиях. Суть данного метода заключается в том, что информация о строении поверхности исследуемого объекта получается посредством изучения отраженного модулированного лазерного излучения. При этом во внимание принимаются как зеркально отраженная составляющая, так и рассеянное излучение. При этом рассеянное излучение появляется уже при наличии на поверхности выступов и углублений, величина которых сравнима с длиной волны света. То есть, таким методом возможно исследование более мелкого микрорельефа по сравнению с другими методами. В зависимости от выраженности микрорельефа меняется распределение интенсивности рассеянного излучения. Индикатрисы рассеяния представляют собой графические модели поверхности, которые в полном смысле не являются копией исследуемого микрорельефа, но в то же время обладают индивидуальностью. Поскольку диаметр пучка излучения во много раз превышает размеры элементов микрорельефа, индикатрисы содержат информацию об интегральных (обобщенных) характеристиках микрорельефа. Тем не менее, они пригодны как для проведения предварительного сравнительного анализа для получения ориентирующей и доказательственной информации, так и для экспертного исследования микрорельефа поверхности.
Данный метод хорошо зарекомендовал себя при исследовании таких специфических объектов, как следы бойка на капсюлях гильз. Эти следы имеют слабовыраженный микрорельеф, изучение которого микроскопическими методами вызывает затруднения у экспертов. Экспериментальные исследования патронов, отстрелянных в 5, 45 мм автомате АК-74 показали, что метод лазерной рефлектометрии позволяет получить предварительную информацию об интегральной характеристике следов бойка и тем самым установить групповую принадлежность оружия.
Учитывая вышеизложенное, можно констатировать, что имеются достаточно весомые предпосылки для использования метода лазерной рефлектометрии при выполнении механоскопической экспертизы производственно-технологических следов лазерной размерной обработки и маркировки. При этом получаемые индикатрисы рассеяния следует рассматривать как дополнительные идентификационные признаки, поскольку они индивидуальны для каждого исследуемого объекта. Это позволяет предположить, что данный метод хорошо зарекомендует себя при микротрасологических исследованиях изделий массового производства из металла, полимеров, стекла, бумаги, подвергшихся лазерной обработке, с целью выявления характерных признаков микрорельефа. Выявленные признаки, в свою очередь, могут быть использованы для проведения диагностических и идентификационных исследований.
В последнее время в лазерной физике уделяется пристальное внимание и другим методам бесконтактного зондирования оптически неоднородных объектов и сред. В качестве параметров, несущих информацию о микроструктуре и динамике поверхности объектов, используются самые различные характеристики рассеянного лазерного излучения: интенсивность, фаза, поляризация и их комбинации. Ряд методов лазерной диагностики рассеивающих объектов основан на анализе биений детектируемого оптического сигнала в результате случайной интерференции составляющих рассеянного поля. Нерегулярные пространственные распределения интенсивности рассеянного излучения, имеющие характерную пятнистую структуру, принято называть спекл-структурами (от термина, распространенного в англоязычной литературе - speckle patterns). Феномен спеклов, как интерференционное явление, наиболее ярко проявляет себя при рассеянии излучения, обладающего высокой степенью пространственно-временной когерентности, такого как лазерное излучение, поэтому начало интенсивных исследований в этой области тесно связано с изобретением лазеров. В 90-х годах прошлого века было показано, что такие подходы применимы к исследованиям структурных интегральных и локальных характеристик (шероховатостей) многих стационарных объектов и сред. При этом существует корреляция между степенью шероховатости и пространственно-временными флуктуациями интенсивности при сканировании исследуемых объектов. Подобный метод исследования был назван пространственной спекл-коррелометрией. Тогда же были разработаны физические принципы построения лазерного сканирующего спекл-микроскопа для диагностики неоднородных сред, основанные на статистическом анализе обобщенных одномерных или двумерных оптических сигналов. Немногим позже появились первые сообщения о практической реализации данного метода и проведению экспериментальных работ по измерению шероховатости поверхности различных объектов.
Наиболее близкими к тематике исследования были работы, выполненные в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между Саратовским юридическим институтом МВД России и лабораторией «Лазерной диагностики технических и живых систем» Института проблем точной механики и управления Российской Академии наук. В них было показано, что лазерный сканирующий спекл-микроскоп вполне применим для исследования микрорельефа в следах огнестрельного оружия на стреляных гильзах. Исследования проводились на базе экспериментальной установки, работающей под управлением компьютерного комплекса. В качестве объектов использовались стреляные в карабине ТОЗ-99 и «Север» гильзы, содержащие естественный микрорельеф в следах бойка, образованный при выстреле. Данные, полученные в ходе сканирования образцов и реализации зарегистрированных сигналов, хорошо коррелировали с рельефами в следах бойков. Кроме того, в данных работах отмечалось, что программное обеспечение установки позволяет обработать результаты измерений статистическими методами. При этом специально подобранный набор статистических величин может служить компьютерным образом сканируемой поверхности, что и обеспечивает возможность хранения информации и автоматизации идентификационных исследований. Следует отметить, что микрорельеф в следах бойка того же порядка, что и микрорельеф, образованный воздействием лазерного излучения на поверхность металла. Вышесказанное инициировало проведение дальнейшей работы по исследованию возможности использования спекл-микроскопа при экспертизе следов лазерной размерной обработки и маркировки.
На базе экспериментальной установки, изготовленной сотрудниками лаборатории «Лазерной диагностики технических и живых систем» Д.А. Зимняковым и И.С. Переточкиным, нами были проведены исследования характеристик отраженного рассеянного излучения при сканировании лазерной маркировки, выполненной на нескольких образцах, в качестве которых использовались металлические пластины. В качестве источника излучения использовался одномодовый лазер ЛГН-207. Формирование динамической спекл-картины в плоскости приемной диафрагмы детектора излучения 7 происходило в результате рассеяния сфокусированного пучка, сформированного микрообъективом 3, на движущимся образце 4. В ходе исследований использовался микрообъектив с фокусным расстоянием 18.1 мм. В качестве детектора излучения использовался фотоэлектронный умножитель ФЭУ-55 с диафрагмой малых размеров (диаметр «100 мкм).
Образование динамической спекл-картины обеспечивалось в результате сканирования исследуемого образца 4 в плоскости, перпендикулярной оси зондирующего пучка при помощи двухкоординатного сканирующего устройства 5. Шаг сканирования по каждой координате составлял 5 мкм.
В ходе сканирования образцов с дискретными маркерными знаками диаметром около 0, 2 мм регистрировались реализации флуктуаций интенсивности рассеянного поля. При этом форма реализации флуктуаций интенсивности рассеянного поля зависела от вида микрорельефа на дне дискретного маркерного знака. Для проверки предположения, что метод лазерной спекл-коррелометриии позволяет получать графические модели поверхности рассеяния были проведены экспериментальные исследования по сканированию трех специально подготовленных образцов с лазерной маркировкой. Маркировка на двух из них была выполнена на лазерной технологической установке «Квант - 15», работающей в режиме растровой графики без перекрытия маркерных знаков. Маркировка третьего образца была выполнена в том же режиме на установке «БЕТАМАРК - 2000» .Хотя полученные графические модели не являются точными геометрическими копиями микрорельефа исследуемой поверхности, они содержат в себе информацию об индивидуальности исследуемого объекта. Как видно, зависимости интенсивности рассеянного излучения от координат для маркерных знаков, выполненных на одной лазерной установке, имеют много общего: количество и расположение наиболее интенсивных всплесков, приходящихся на дно сформированного отверстия; их амплитуда; наличие и расположение флуктуаций интенсивности, приходящихся на «дефектную зону». В то же время реализации флуктуаций интенсивности для маркерных знаков, выполненных на разных установках, существенно различаются.
Следует отметить, что в случае обработки двумерных оптических сигналов, что достигается при сканировании объекта по двум координатам, возможно построение объемного компьютерного образа исследуемой поверхности. Здесь содержится наиболее полная информация о строении микрорельефа, однако время сканирования и обработки исходных данных существенно возрастает.
Таким образом, метод пространственной спекл-коррелометрии может являться одним из автоматизированных методов бесконтактного исследования поверхностей объектов криминалистических экспертиз. Его применение безусловно будет способствовать ускорению трудоемкого процесса экспертного исследования следов лазерной обработки и маркировки на изделиях массового производства. Данный метод позволяет использовать статистическую обработку и накопление исходной информации об объекте и создавать банк данных компьютерных образов объектов, а также хранить эту информацию в электронном виде. Высокая разрешающая способность этого метода делает его пригодным для исследования самого мелкого микрорельефа и микронеоднородностей, высота которых может быть на порядок меньше длины волны когерентного излучения. Применительно к механоскопическим экспертным исследованиям метод спекл- коррелометрии может сыграть положительную роль уже в процессе предварительного исследования объектов со следами производственного происхождения. В то же время, полученные графические реализации следует рассматривать как признаки, которые можно дополнительно включить в идентификационный комплекс визуально выявляемых признаков при проведении сравнительного исследования.
Автор: Кудинова Н.С.