胡子軒， 鄧 琥， 陳林宇

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10 THz的電磁波，與X射線、紅外和超聲波等一樣，可用于物體成像[1,2]。太赫茲波能量低，不會對材料產生物理性破壞，因此,太赫茲適用于非接觸式無損成像檢測[3,4]。太赫茲成像可分為脈沖成像和連續波成像兩種方式，前者不僅可以得到樣品的空間圖像，還可以獲取該樣品的時域和頻域信息，但成像速度很慢，不適合大尺寸樣品成像；后者只能得到樣品的空間圖像，但成像速度快，能對較大尺寸樣件成像[5,6]。LabVIEW作為一種圖形化的編程開發語言，有助于縮短軟件開發周期，廣泛應用于儀表系統的自動檢測與測控領域[7～9]。

本文采用基頻為140 GHz的連續式太赫茲源，基于LabVIEW平臺對鎖相放大器和二維平移臺進行二次開發，設計了太赫茲二維快速掃描成像系統。該系統成像速度快，分辨率較高，成像效果較好。同時具有結構簡單、體積小、成本低和操作便利等優點。

1 系統硬件設計

太赫茲二維掃描成像系統的硬件主要包括5個部分：太赫茲發射源、離軸拋面鏡、二維載物臺及控制器、鎖相放大器和太赫茲探測器。本系統的光路圖如圖1所示，小孔光闌B位于離軸拋面鏡C1的焦點處，其作用是將太赫茲發生器A輻射出的太赫茲進行收束處理，變成理想的點光源；固定在二維載物臺D上的待成像樣品E位于離軸拋面鏡C2和C3的共同焦點處；太赫茲探測器位于離軸拋面鏡C4的焦點處。太赫茲波從A出射后，依次經過B,C1,C2,E,C3和C4，最后進入F。

圖1 太赫茲二維掃描成像系統光路

太赫茲二維掃描成像系統由140 GHz的太赫茲發射源產生的電磁輻射，可選擇是否經過3倍倍頻器變為420 GHz太赫茲波；第三個離軸拋面鏡對太赫茲進行聚焦，可在樣品位置上得到一個點光斑，該樣品搭載在一個可沿X，Y軸移動的線性位移臺上；透過樣品后的太赫茲波被收集進入太赫茲探測器，鎖相放大器采集探測器的數據并將幅值信息傳送至數據處理單元；每移動一次X軸或Y軸，系統會記錄樣品的當前二維坐標信息，同時記錄此時鎖相放大器提供的幅值信息，均存放到一個二維數組中；待二維掃描完成后，數據處理單元會對上述二維數組進行歸一化處理，最終得到像素值在0～255范圍內的太赫茲灰度圖像。

2 系統軟件設計

系統軟件是由虛擬儀器LabVIEW設計而成，主要包括設備通信、樣品掃描、二維圖像重構和數據存儲等4個模塊，軟件的設計流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

軟件可設置位移臺的樣品位置、移動速度，對樣品進行掃描，通過鎖相放大器數據信息采集，最終顯示二維圖像。

2.1 設備通信

該系統的設備通信功能模塊中，均采用RS232協議串口通信方式，利用LabVIEW中的VISA控件，分別建立了PC與位移臺控制器GSC—02和鎖相放大器SR830的數據通信，實現串行端口發送和數據接收。

在通信連接成功后，軟件的前面板上對位移臺控制器和鎖相放大器進行基本參數設置，位移控制器的基本參數包括初始和結束位置、步進距離、移動速度和當前位置讀取等。

2.2 樣品掃描

成像掃描時，將樣品垂直放置于由X軸與Y軸構成的二維平移臺上，同時保證樣品的待成像面垂直于太赫茲波的傳播方向。軟件的成像掃描采用蛇形掃描的方式，如圖3所示。由初始位置(左下角)逐步移動到結束位置(右上角)，到達結束位置后X、Y軸聯動回到起始位置。整個移動過程中，X軸向呈現往返式移動，Y軸向呈現單向式移動，沒有鎖相數據重復采集、平移臺明顯停頓現象。

圖3 光束掃描示意

2.3 二維圖像構建

使用LabVIEW成像軟件將數據獲取和控制程序相結合，保證進行有效的數據采集、處理、存儲并顯示。二維圖像重構主要包括原始數據整合和圖像重構兩個功能。

原始數據整合是指將平移臺的X,Y軸坐標位置和此時對應的鎖相輸出值存放到一個二維數組中，X,Y軸的相對移動次數為該數組的列、行索引值，數組元素值為鎖相輸出值。圖像重構是將原始二維數組進行線性歸一化處理，再進行灰度化處理。線性歸一化的計算公式為

(1)

式中x*為輸出灰度值，x為原二維數組的元素值，xmax為原二維數組的最大值，xmin為原二維數組的最小值，歸一化后的矩陣元素值在0～255之間。

按照式(1)進行線性歸一化LabVIEW設計，存放有太赫茲幅值信息的二維數組，經過與極值控件提取出的最大值和最小值進行計算，得到了歸一化處理后的二維灰度矩陣，即樣品的太赫茲二維灰度圖像。樣品二維掃描到灰度圖的映射過程如圖4所示。

圖4 樣品掃描投影示意

2.4 數據存儲

在數據存儲方面，主要保存原始X軸、Y軸坐標位置及其對應的THz幅值，以及最后的可視化灰度圖像。

圖像顯示與存儲采用LabVIEW中的Vision視覺處理工具包，使用IMAQ控件，成像保存類型有BMP，JPEG，PNG，TIFF等方式，在設置圖片存儲路徑后，用戶可根據需求自由選取并保存。

3 實驗與結果分析

為了測試太赫茲二維掃描成像系統的成像效果，分別采用420 GHz和140 GHz太赫茲源輻射源對網孔鋼板進行二維成像測試。網孔鋼板的成像面尺寸為80 mm×80 mm，小孔直徑為2 mm，孔間距為5 mm。網孔鋼板的固定裝置與實物圖如圖5(a)所示，

圖5 420 GHz和140 GHz時的網孔鐵板成像

采用3倍頻420 GHz太赫茲輻射源掃描成像時，二維掃描范圍為10 mm×10 mm，掃描步長為0.2 mm，成像效果如圖5(b)所示，網孔鋼板的實驗結果表明，當采用3倍頻420 GHz的輻射源時，鋼板小孔的輪廓邊緣比較清晰，圓孔形狀無明顯變形，小孔區域灰度值分布規律，非小孔成像區域無干擾噪聲出現，成像尺寸與實物尺寸高度吻合，成像效果非常好。同時網孔鋼板的實驗像素點個數為2 601個，掃描時間為14 min，計算機成像速度可達到3像素/s。采用140 GHz輻射源掃描成像時，掃描范圍為15 mm×15 mm，掃描步長為0.2 mm，成像效果如圖5(c)所示，小孔中心位置基本可以分辨出來，也可以觀察到網孔的矩陣分布，但小孔邊緣非常模糊，矩陣分布的小孔甚至出現了縱向區域聯通，成像質量極差。

網孔鋼板的實驗結果表明，相對于140 GHz的成像質量而言，采用420 GHz的太赫茲圖像能夠清晰辨認樣品的形狀。即波長越短(長)時，成像分辨率越高(低)，成像質量更好(差)。

為驗證成像分辨率是否受到掃描步進距離、樣品尺寸和外觀形狀等因素的影響，下面采用選擇420 GHz輻射源分別對十字鏤空金屬薄板和金屬板直角進行THz成像進行實驗，圖6(a)為十字鏤空金屬薄板實物圖，鏤空狹縫寬度為1 mm，橫向、縱向狹縫長度分別為10 mm,6 mm；圖6(b)為金屬板直角實物圖。

圖6 十字鏤空金屬板和金屬板直角實物及其成像

十字鏤空金屬薄板的二維掃描范圍為12 mm×16 mm，掃描步長為0.5 mm，成像效果如圖6(c)所示。金屬板直角的二維掃描范圍為40 mm×40 mm，掃描步長為2 mm，其成像效果如圖6(d)所示。對比著兩個樣本的成像質量發現：在相同的太赫茲激勵下，當掃描步進較小(大)時，邊界輪廓比較清晰(模糊)，噪聲非常低(高)。

為了簡便地估算上述三個樣品的太赫茲成像誤差，本文采用圖像處理中的Otsu閾值法[10]對三幅灰度圖進行閾值分割得到二值圖，通過二值圖中邊界像素差來推算出成像誤差。網孔鋼板、十字鏤空金屬薄板和金屬板直角的二值圖分別如圖7(a)、(b)和(c)所示。

圖7 三種樣品的二值圖

這里只選取圖像中空白區域的橫向和縱向兩個方向的邊界像素差來表征成像誤差，邊界像素差的計算公式為

(2)

按照式(2)的計算方法，分別對網孔鋼板的中心圓直徑(取頂部中間圓)、十字鏤空金屬薄板的橫縱向狹縫長度和金屬板直角邊緣的長度進行計算，得到的邊界像素差ΔDj和成像誤差ΔLj如表1所示。

表1 三種樣本圖像的橫縱向誤差

通過上述表格可知，成像誤差精度均為像素大小。根據極限衍射條件，最小空間分辨率為[6]

(3)

式中λ為光波長，f為聚焦透鏡焦距，D為透鏡尺寸。本文中，λ約為714 nm，f約為50 mm，D約為51.2 mm，計算出最小空間分辨率約為0.85 mm。而根據瑞利判據推出的極限分辨率Δ≥λ/2[11]，計算出的極限分辨率為0.357 mm。

網孔鋼板和十字鏤空金屬薄板的成像誤差和極限分辨率相矛盾的原因，是因為掃描步進與波長不匹配，同時灰度圖閾值法分割本身就存在一定的誤差，最終造成邊緣像素點發生偏移。而金屬板直角的成像誤差較大，是因為選取的位移步進較大，直接忽略了邊緣細節信息。

4 結 論

基于LabVIEW設計的太赫茲二維掃描成像系統，采用蛇形掃描方式，成像速度達到了3像素/s。選用140 GHz和420 GHz的太赫茲輻射源對同一網孔鋼板進行掃描成像，發現波長越低，其成像分辨率越高。通過改變掃描步進，發現成像分辨率也受到掃描步進的影響。