Desarrollo de polarímetros de Mueller y métodos polarimétricos aplicados al procesamiento de evidencia de interés criminalístico

• Autores: Chironi, Emanuel
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Iemmi, Claudio César
• Materia: POLARIMETRIA; POLARIZACION; BIRREFRINGENCIA; ESPARCIMIENTO; MATRIZ DE MUELLER; PANTALLAS DE CRISTAL LIQUIDO; DEPOLARIZACION; PSEUDO-DEPOLARIZACION; CRIMINALISTICA; CIENCIAS FORENSES; FISICA FORENSE; PROCESAMIENTO DE EVIDENCIA; HUELLAS DIGITALES LATENTES; METODOS DE REVELADO; DOCUMENTOS CUESTIONADOS; MANCHAS DE SANGRE; DOCUMENTACION DE LA ESCENA DEL CRIMEN; POLARIMETRY; POLARIZATION; BIREFRINGENCE; SCATTERING; MUELLER MATRIX; LIQUID CRYSTAL DEVICES; DEPOLARIZATION; PSEUDO-DEPOLARIZATION; CRIMINALISTICS; FORENSIC SCIENCES; FORENSIC PHYSICS; EVIDENCE PROCESSING; LATENT FINGERPRINTS; DEVELOPMENT METHODS; QUESTIONED DOCUMENTS; BLOODSTAINS; CRIME SCENE DOCUMENTATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En esta tesis se explora el uso de la polarimetría de Mueller-Stokes para subsanar la falta de contraste que algunas formas de evidencia de interés criminalístico tienen con el fondo que las contiene, ya que tal déficit puede dificultar su localización y análisis. Así, elementos tan diversos como manchas en superficies oscuras o compuestas por fluidos transparentes, huellas digitales latentes sobre distintos sustratos o maniobras de adulteración en documentos, pueden ser difíciles de visualizar. Existen diversos métodos, tanto destructivos como no destructivos, para resolver este problema. Los segundos, no obstante, son preferibles dado que permiten analizar nuevamente el objeto, en caso de ser necesario. Por esta razón, los métodos ópticos son un campo activo de investigación a nivel internacional. La evidencia, como cualquier otro objeto, podría alterar el estado (SOP) y el grado de polarización de la luz con la que interactúa. Si esa alteración fuera distinta de la que produce el fondo, entonces podría obtenerse el contraste buscado. En polarimetría de Mueller-Stokes, el comportamiento de tales objetos se representa por medio de su matriz de Mueller. Para medirla, se hace interactuar a la muestra con luz en una serie de estados de polarización conocidos y luego se mide el estado del haz que emerge de la interacción. A partir de estos datos, la matriz se calcula mediante la resolución de un sistema de ecuaciones lineales. El proceso de medición ya mencionado requiere del uso de instrumentos específicos, denominados polarímetros. En este trabajo se han desarrollado dos modelos en particular. Como instrumento de referencia se ha implementado un polarímetro de laminas retardadoras rotantes. Si bien es un diseño ampliamente conocido, se logró optimizar su funcionamiento hasta obtener un margen de error de 0,2 %, que es menor que los valores reportados en la literatura. Para eso, se analizaron en detalle ciertas fuentes de error que no habían recibido suficiente atención hasta el momento. No obstante, el instrumento es costoso y difícil de transportar, de modo que resulta impráctico para el trabajo de campo y poco accesible para cualquier laboratorio de bajo presupuesto. En consecuencia, se ha diseñado y construido un segundo polarímetro, rápido, portable y de bajo costo, basado en el uso de pantallas de cristal líquido monopixel, de tipo twisted nematic. Este instrumento presenta un margen de error de entre 0,5 % y 1 %, pero con un costo al menos un orden de magnitud inferior al de un polarímetro comercial. Este diseño resulta novedoso en el campo de la Polarimetría ya que reduce el numero de pantallas necesarias a una por módulo. En la segunda parte de esta tesis los polarímetros antes descriptos se aplicaron a la caracterización de distintos sustratos y muestras de interés criminalístico. En primer lugar, se analizo el comportamiento de distintos tipos de sustratos que podrían operar como portadores de tales muestras en situaciones reales: es el caso de papeles, vidrios, plásticos, etc. A continuación, se estudiaron detalladamente dos formas de evidencia en particular. Por una parte, se exploro la utilidad de la polarimetría de Mueller-Stokes para el revelado de huellas digitales latentes en distintos tipos de sustratos, con variados niveles de rugosidad superficial y homogeneidad óptica en volumen. Se dicen latentes porque no se ven a simple vista, dado que están compuestas por el sudor transparente que naturalmente secreta el cuerpo humano. Se observó que la matriz de Mueller permite revelar exitosamente huellas digitales sobre sustratos con superficies suaves, aun cuando el volumen sea inhomogéneo. En el último caso, el procedimiento tiene ventajas significativas con respecto a una simple medición de intensidad. De hecho, resulta especialmente útil en el caso de huellas depositadas sobre sustratos que contienen algún diseño o dibujo de fondo, ya que permiten eliminarlo y retener exclusivamente el diseño de la huella digital. Por otra parte, se estudió el uso de la matriz de Mueller para la detección de alteraciones fraudulentas en documentos. Estas alteraciones se logran añadiendo texto que antes no existía o reemplazando el existente por uno nuevo. En el segundo caso, se necesita algún método de eliminación, que puede ser mecánico (borrado, raspado o cobertura) o químico (blanqueado o lavado). Por otra parte, al momento de introducir el texto nuevo, es muy probable que no se disponga del elemento escritor originalmente usado para confeccionar el documento. Por tanto, cabe esperar diferencias en la composición de la tinta de los trazos añadidos. Se ha encontrado que el procesamiento de la matriz de Mueller permite mostrar con nitidez distintas maniobras de remoción de textos y, en algunos casos, diferenciar dos tintas utilizadas para su confección.
In this thesis we explore the use of Mueller-Stokes polarimetry to correct the lack of contrast that some forms of evidence of criminalistic interest have with the background that contains them, since such a deficit can make their location and analysis difficult. Thus, elements as diverse as stains on dark surfaces or composed of transparent fluids, latent fingerprints on different substrates or adulteration maneuvers on documents, can be difficult to visualize. There are various methods, both destructive and non-destructive, to solve this problem. The latter, however, are preferable since they allow the object to be analyzed again, if necessary. For this reason optical methods are an active field of research at an international level. Evidence, like any other object, could alter the state (SOP) and degree of polarization of the light it interacts with. If this alteration were different from that produced by the background, then the desired contrast could be obtained. In Mueller-Stokes polarimetry, the behavior of such objects is represented by their Mueller matrix. To measure it, the sample interacts with light in a series of known polarization states and then the state of the beam that emerges from the interaction is measured. From these data the matrix is calculated by solving a system of linear equations. The aforementioned measurement process requires the use of specific instruments, called polarimeters. Two models in particular have been developed in this work. As a reference instrument we have implemented a rotating retarder polarimeter. Although it is a widely known design, we have managed to optimize its operation until obtaining a margin of error of 0.2 %, which is lower than the values reported in the literature. To achieve this, certain sources of error that had not received sufficient attention until now, were analyzed in detail. However, the instrument is cumbersome and expensive, making it impractical for field work and difficult to access for any low-budget laboratory. Consequently, we have designed and built a second fast, portable and low-cost polarimeter, based on the use of monopixel liquid crystal displays, of the twisted nematic type. This instrument has a margin of error between 0.5 % and 1 %, but at a cost at least an order of magnitude lower than that of a commercial polarimeter. This design is novel in the field of polarimetry since it reduces the number of necessary displays to one per module. In the second part of this thesis, the polarimeters described above were applied to the characterization of different samples of criminalistic interest. Firstly, the behavior of different types of substrates that could act as carriers for this type of samples in real situations was analyzed: this is the case of papers, glass, plastics, etc. Two forms of evidence in particular were then studied in detail. On the one hand, the usefulness of Mueller-Stokes polarimetry was explored for the development of latent fingerprints on different types of substrates, with varying levels of surface roughness and optical homogeneity in volume. They are called latent because they cannot be seen with the naked eye, since they are composed of the transparent sweat that the human body naturally secretes. It was observed that the Mueller matrix allows successfully revealing fingerprints on substrates with smooth surfaces, even when the volume is inhomogeneous. In the latter case, the procedure has significant advantages over a simple intensity measurement. In fact, it is especially useful in the case of fingerprints deposited on substrates that contain some background design or drawing, since it allows them to be eliminated and the fingerprint design exclusively retained. On the other hand, the use of the Mueller matrix for the detection of fraudulent alterations in documents was studied. These alterations are achieved by adding text that did not exist before or replacing existing text with new one. In the second case, some method of removal is needed, which can be mechanical (erasing, scraping or covering) or chemical (bleaching or washing). On the other hand, at the time of entering the new text, it is very likely that the writing element originally used to prepare the document will not be available. Therefore, differences in the ink composition of the added strokes are to be expected. We have found that the processing of the Mueller matrix allows us to clearly show different text removal maneuvers and, in some cases, differentiate two inks used for its preparation.
Fil: Chironi, Emanuel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.