Физические основы криминалистической голографии
Физические основы криминалистической голографии призваны разъяснить процессы записи и восстановления изображения объектов.
Способ записи голограммы объекта (рис. 1) основан на интерференции двух волн: объектной – отраженной объектом или прошедшей через него – и когерентной с ней опорной волны с заданным распределением фаз. Поэтому, для того чтобы получить голограмму, свет, идущий от лазера, необходимо разделить на два пучка, один из которых освещает объект, а другой – опорный – направляется на фотопластину и создает эффект интерференции. Для регистрации несфокусированного света, рассеянного объектом, не требуется объектива, достаточно только фотографической пластинки и когерентной опорной волны. Таким образом, записанный несфокусированный свет представляет собой интерференционную картину, получаемую в результате наложения друг на друга опорного и когерентного с ним предметного световых пучков. По своей структуре эта картина состоит из регулярного чередования областей повышенной и пониженной интенсивности света. Опорная волна, используемая для записи голограммы, необходима для преобразования разности фаз пучков в разности интенсивностей света. Таким образом, фаза оказывается закодированной в величине интенсивности света, которую можно записать на фотопластинке. Эту запись (регистрируемую интерференционную картину) Габор назвал голограммой. Он образовал этот термин от греческих слов holos – весь, целый и gramma – буква, запись, подчеркнув тем самым, что регистрация как фазовой, так и амплитудной информации обеспечивает более полное описание световой волны.
Восстановление объемного изображение объекта (рис. 1) основано на модуляции восстанавливающей волны в результате дифракции на записанной интерференционной картине. Восстановить изображение, зафиксированное на голограмме, можно в любой момент времени. Для этого необходимо направить на голограмму восстанавливающую световую волну, совпадающую с опорной волной, используемой при записи. Пучок когерентных световых волн, проходя через голограмму, приобретает фазовые и амплитудные модуляционные характеристики исходного волнового поля. Получается так, как будто исходная волна захватывается фотопластинкой, а затем снова высвобождается. При этом восстановленная волна распространяется таким образом, как если бы ее первоначальное распространение не прерывалось. Наблюдатель, находящийся на пути волны, не отличит ее от исходной. Он будет видеть изображаемый объект точно таким, каким бы его увидел, находясь рядом с ним, со всеми оптическими особенностями, которые наблюдаются в действительности, в полном объеме в трехмерном пространстве в реальной жизни. Таким образом, восстановленное объемное изображение является точной копией исследуемого объекта и обладает всеми свойствами, присущими оригиналу.
2.3. Методы криминалистической голографии
Голографические методы исследования, используемые в криминалистике, дополняют традиционные тем, что, во-первых, полностью отвечают принципам производства судебных экспертиз и, самое главное, – принципу сохранения целостности вещественных доказательств. Их применение не приводит к механическому, химическому и другому разрушающему воздействию, изменяющему объект экспертного исследования и отобразившиеся на нем следы. Напротив, голограмма сохраняет его первоначальное состояние. Во-вторых, методы криминалистической голографии позволяют получить копию исследуемого объекта или следов преступления, точно передающую все их пространственные особенности, что увеличивает возможность проведения идентификации. В-третьих, методы получения голограмм объектов-следоносителей, предрасположенных к быстрому разрушению под воздействием окружающей среды, обеспечат не только сохранение индивидуальных признаков, пригодных для сравнительного исследования, но и наглядность самого объекта. Это даст возможность использовать голограмму в суде в качестве производного вещественного доказательства.
В экспертных исследованиях методы голографии позволяют произвести измерение геометрических размеров объекта, получить информацию о его форме и рельефе поверхности. Они также эффективны при анализе следов давления, которые сопоставляются с рабочими поверхностями проверяемых орудий взлома, удара (например, при исследовании отпечатка бойка на капсюле) и при решении других задач.
В криминалистике наиболее целесообразно применять следующие методы голографической интерферометрии: двойной экспозиции, реального времени, усреднения во времени, стробоголографический, двухдлинноволновый, парных импульсов, оптической обработки изображения и др.
Наиболее распространенным является метод двойной экспозиции, который позволяет записать на фотопластину два состояния объекта, относящиеся к различным моментам времени, и сравнивать их. Голограммы двух состояний объекта оказываются отличающимися настолько, что позволяют обнаружить изменения даже в том случае, если один и тот же предмет в промежутке между двумя экспозициями деформировался очень слабо. Таким методом удается выявить невидимые следы, оставленные ногами (обувью) преступника на напольных покрытиях.
На рисунке приведено изображение летящей пули, полученное с помощью двухэкспозиционной голограммы, где видны интерференционные полосы в области ударной волны.
Разновидностью метода двойной экспозиции является метод наблюдения интерферограмм в реальном времени, при котором получают изображение от объекта, подвергшегося воздействию, и сопоставляют с его голограммой, записанной, когда объект находился в первоначальном состоянии. Исследуемый объект после точного совмещения с голографическим изображением подвергается внешнему воздействию, соответствующему задачам и условиям экспертизы. В роли воздействующих факторов могут фигурировать локальное давление, вибрация, изменение температуры, влажности и др. Изменение состояния предмета будет характеризовать интерференционная картина суммарного светового поля. Вариации этого изображения наблюдаются одновременно с изменениями самого объекта, отсюда и название «метод реального времени».
Этот метод может использоваться, например, при проведении баллистической экспертизы, когда исследуется механизм образования следов выстрела. На рисунке приведено изображение пули, пробившей тонкую медную пластинку и образовавшей ударную волну, как в области пули, так и в области преграды.
Применение этого метода приобретает особую актуальность при диагностических исследованиях следов рикошета, повреждений в виде вмятин, когда отсутствуют пули и необходимо определить тип и вид огнестрельного оружия, а также расстояние, из которого произведен выстрел.
Для получения картины распределения напряжений или деформации в вибрирующих объектах используются методы усреднения во времени и стробоголографический, В этом случае объект регистрируют на голограмме непрерывно, что позволяет зафиксировать его изменения в каждый отдельный временной интервал.
Метод усреднения во времениможно использовать при проведении баллистической экспертизы для установления причины образования дефекта в пружине спускового механизма огнестрельного оружия.
Стробоголографический метод пригоден для исследования периодических процессов (вибраций, вращений и т. д.). Он представляет собой аппаратурную модификацию метода двойной экспозиции и заключается в последовательной периодической записи на голограмму одной и той же стадии периодического процесса с помощью импульсного лазерного излучения. По зарегистрированной интерференционной картине можно судить о стабильности исследуемого процесса.
Данный метод позволяют обнаружить скрытые дефекты, микротрещины, проанализировать распределение напряжений в деталях и узлах механизмов при производстве различных технических экспертиз, осуществлять идентификационные сравнения.
В криминалистических исследованиях целесообразно также использовать и двухдлинноволновый метод. Его название объединяет методы голографической записи с использованием излучения, содержащего две спектральные линии или отличающегося друг от друга длиной волны. Полученные голограммы восстанавливают волной одной длины. Этот метод повышает информативность голографических интерферограмм и позволяет исследовать, например, не только пространственное распределение показателя преломления объекта, но и его дисперсию.
При изучении динамики двухфазных потоков широкое, применение нашел метод парных импульсов. Онзаключается в последовательной регистрации на голограмме нестационарного объекта в двух сильно различающихся положениях. Изучение взаимного расположения двух изображений объекта позволяет определить вектор и скорость движения объекта.
Этот метод применим для определения направления и скорости разлета осколков при проведении взрывотехнической экспертизы.
На базе средств голографии и когерентной оптики существует реальная возможность обработки фотоизображения на качественно новом уровне, используя голографический метод оптической обработки изображения. Наиболее пригодны для этих целей линейные и нелинейные системы. К линейным системам относятся полосовая фильтрация, оптическое вычитание и корреляция. Нелинейные системы включают операции логарифмирования, квантования, ограничения уровня контраста и аналого-цифрового преобразования. Они обеспечивают усиление мелких деталей и четкости изображения, исправление нерезкого негатива.
Области применения данного метода могут быть самыми разнообразными: для кодирования информации, улучшения качества фотографического изображения, создания запоминающих устройств большой емкости, распознавания и сравнения изображений объектов, оперативного поиска информации в большом массиве.
Судебная взрывотехника
С таким явлением как взрыв, а также со взрывчатыми веществами человечество познакомилось более 700 лет назад. Прообразом современных взрывчатых веществ был "греческий огонь", который в YII в. готовили из смеси серы, смолы, соли и негашеной извести. При попытке тушения с помощью воды состав разгорался с новой силой, что оказывало устрашающее действие на противника во время военных действий. В то же время в Китае для производства фейерверков, а позже в военных целях использовалась горючая смесь из селитры, серы и древесных опилок.
В XYI – XIX вв. был открыт целый ряд веществ, которые существенно расширили возможности использования энергии взрыва. Это позволило шведскому инженеру-самоучке А. Нобелю в 1867 г. запатентовать динамит и наладить его массовое производство во Франции и других странах Европы.
Динамит более безопасен в обращении и хранении. Это свойство, а также большая мощность взрыва создали предпосылки применения взрывов не только в военном деле, но также в строительстве, добывающей промышленности и других отраслях человеческой деятельности. Одновременно расширились возможности использования энергии взрыва в криминальных целях: стали совершаться террористические акты, убийства, диверсии и другие преступления.
Взрыв представляет собой процесс очень быстрого физического или химического превращения смеси, который сопровождается переходом потенциальной энергии в механическую работу и выделением тепла и газов. Работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров независимо от того существовали они до взрыва или образовались во время взрыва.
По своей природе взрывы бывают физическими и химическими. Физической взрыв сопровождается переходом потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую. Он происходит тогда, когда прочности оболочки системы оказывается недостаточно для сохранения газа, находящегося под давлением, в первоначальном объеме. Именно поэтому бывают случаи взрыва паровых котлов, неправильно эксплуатируемых на производстве, баллонов со сжатым газом вследствие чрезмерного повышения давления, например при нагревании, из-за коррозии металлического корпуса баллона или механических повреждений.
Химические взрывы характерны для веществ определенного химического состава, которые получили название "взрывчатые вещества".
Взрывчатые вещества – вещества или смеси веществ, способные под определенным внешним воздействием в конкретных условиях к быстрому химическому превращению, сопровождающемуся образованием сильно нагретых газов или паров. Во время взрыва по взрывчатому веществу распространяется химическое превращение. Скорость его распространения составляет от долей миллиметра в секунду до десятков метров в секунду. Детонация распространяется по взрывчатому веществу посредством последовательного сжатия его слоев. Этот процесс получил название "ударная волна". Скорость ударной волны достигает нескольких километров в секунду. Большая скорость химического превращения взрывчатого вещества способствует развитию очень большой мощности взрыва. В результате с помощью взрыва можно за кратчайшее время выполнить работу, для которой потребовалось бы применение сложной дорогостоящей техники и людских ресурсов .