透射电镜高分辨图像频域滤波系统设计

马晓丽， 刘 礼

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240；2.永大电梯设备（中国）有限公司，上海 201615）

0 引 言

透射电子显微镜（TEM）是材料微观组织与结构表征的重要工具，其中高分辨像可直接观察物质的原子排列［1-3］。一般透射电镜软件具备高分辨像傅里叶变换和反傅里叶变换的基本功能，其主要用于研究材料的微晶结构、晶体缺陷和界面结构等，其中文献［4-8］中对电镜的图像处理算法进行了研究和报道，文献［9-12］中对电镜微观组织图像处理的定量实验表征进行了深入分析。上海交通大学材料学院公共平台的场发射透射电镜JEM2100F的图像处理软件缺少傅里叶变换和反傅里叶变换过程中的频域滤波功能，有时会出现拍摄图片噪声较大而影响实验分析结果，目前面临的问题是现有图像处理软件功能需要完善，而国内透射电镜及附件主要依靠进口。因此，为了节约设备购置成本和优化设备资源，本文拟在原有透射电镜软件的功能基础上，利用LabVIEW软件的图像处理可视化编程功能［13-15］，建立透射电镜高分辨图像频域滤波系统，研究不同频域滤波方法对高分辨图像质量的影响，目的是解析和拓展现有透射电镜图像处理软件功能，以提高测试与分析效率。

1 高分辨图像采集与频域滤波设计方案

根据相位衬度成像原理，电子束平行入射与样品发生作用，使衍射波与透射波发生干涉而导致振幅增加或减少，从而发生图像强度的变化即为高分辨像。本文参照标准《JY／T 0581—2020透射电子显微镜分析方法通则》，用JEM2100F场发射透射电镜，在加速电压200 kV，环境温度22℃，湿度40%的条件下拍摄并采集得到如图1所示硅单晶高分辨像。

图1 单晶硅的高分辨图像

高分辨像经过傅里叶变换可以得到反映晶体周期结构的衍射倒易点阵图像，反傅里叶变换又可使衍射图像转换为原来的像空间图像。在傅里叶变换和反傅里叶变换过程中，改进图像处理算法及频域滤波，减小图像背底噪声，从而改善图像质量。本文拟用LabVIEW软件Ni Vision图像处理的模块化编程功能，针对单晶硅高分辨图像的频域特性，对傅里叶变换图像选择低通、高通、带通、带阻和陷波滤波器，传递函数选择常用的理想、巴特沃斯和高斯类型，对比不同频域滤波方法对高分辨图像质量的影响，从而建立高分辨图像的频域滤波系统，如图2所示为高分辨图像频域滤波过程框架图。图3为透射电镜高分辨频域滤波系统显示界面，对傅里叶变换后的图像采用不同的频域滤波处理，将直接影响反傅里叶变换的图像处理结果。

图2 高分辨图像频域滤波过程框架图

图3 高分辨频域滤波系统显示界面

2 基于LabVIEW的高分辨图像频域滤波系统设计

2.1 低通滤波和高通滤波

高分辨图像中，边缘、纹理、细节以及噪声的灰度表现为高频分量，而图像变换缓慢的灰度表现为低频分量。选择低通滤波器用来平滑图像的高频特征，图4所示为利用LabVIEW软件图像处理可视化编程模块，得到的单晶硅高分辨图像的低通滤波结果：巴特沃斯低通滤波后的图像模糊程度、噪声平滑效果介于理想低通滤波和高斯低通滤波之间；高斯低通滤波方法可以在有效抑制噪声的前提下，较大程度地减小图像模糊程度；理想低通滤波处理的高分辨图像非常模糊，且含有很严重的振铃现象，但噪声平滑效果较好。对比3种低通滤波形式可知，选择高通滤波器可用来锐化图像并突出图像细节，图5所示为单晶硅高分辨像的高通滤波结果。由图像处理结果可知，3种高通滤波形式均突出了图像细节，图像锐化效果较好，且理想高通滤波较好地保留了图像边缘细节。

图5 单晶硅高分辨图像高通滤波图

2.2 带阻滤波和带通滤波

带阻滤波是将低通和高通滤波器分别对原图像叠加，且低通滤波器的截止频率小于高通滤波器的截止频率，使某一下限和上限的截止频率范围信号衰减，且允许低于下限和高于上限截止频率信号通过，这种滤波叠加形式类似于并联。图6为单晶硅高分辨像的带阻滤波结果，可以看到，带阻滤波器滤除了傅里叶变换图像的环形区域内噪声，但缺点是在滤除噪声的同时把图像中其他有用信息亦滤除，这样使高分辨图像信息造成一定程度的缺失。对比滤波结果可知：巴特沃斯带阻滤波器在抑制噪声的同时减小了图像模糊程度；而高斯带阻滤波器处理的图像更为模糊，出现了振铃现象，但对噪声平滑效果相对前两者较好；理想带阻滤波器图像模糊程度最低，但对噪声的平滑效果最差。

图6 单晶硅高分辨图像带阻滤波图

带通滤波是将低通和高通滤波器对图像连续滤波，且低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率，使某一下限和上限截止频率范围内的信号通过，但使低于下限截止频率和高于上限截止频率的信号衰减，这种滤波形式类似于串联。图7为单晶硅高分辨像的带通滤波结果，从图6和图7频域滤波图像结果可知，带通滤波器与带阻滤波器功能相反。三种滤波形式中，理想带通滤波图像边缘有抖动现象发生，锐化效果一般；而巴特沃斯带通滤波和高斯带通滤波后的图像边缘抖动较轻，图像锐化效果均较好且差别不大。

图7 单晶硅高分辨图像带通滤波图

2.3 陷波带通和带阻滤波

陷波滤波器可以使某一频率点为中心的频域内信号通过或衰减，这样可克服带阻滤波器的缺点，在滤除周期性噪声的同时，又可以保留图像的有用信息。陷波滤波器必须以原点对称的形式出现，以满足傅里叶变换的对称性特点。依据单晶硅高分辨像傅里叶变换得到衍射斑点的对称性，采用陷波带通滤波器，可实现高分辨像的栅线条纹提取。在频域滤波中，确定傅里叶变换后对称衍射斑点的坐标值以及遮罩衍射斑点直径，即得到各个方向的栅线条纹图像，如图8所示。

图8 单晶硅高分辨像理想陷波带通滤波图

图9所示为单晶硅高分辨像的理想陷波带阻滤波结果，与带通滤波和带阻滤波处理结果类似地，陷波带阻滤波器功能与陷波带通滤波器功能恰好相反，频域滤波结果为滤除特定方向的对称衍射斑点，经反傅里叶变换后得到对应的像空间图像。

图9 单晶硅高分辨像理想陷波带阻滤波图

3 结 语

本文建立和完善了透射电镜高分辨图像频域滤波系统，并通过实验得到如下结果：

（1）相对于理想低通滤波和巴特沃斯低通滤波，高斯低通滤波可以在抑制噪声和减小图像模糊程度中达到较好的平衡；

（2）3种高通滤波形式均可突出图像细节，图像锐化效果较好，且理想高通滤波更保留了图像边缘细节；

（3）理想带阻滤波、巴特沃斯带阻滤波、高斯带阻滤波的图像平滑效果依次增强，但高斯带阻滤波的图像出现了振铃现象；

（4）理想带通滤波使图像发生严重抖动，而巴特沃斯带通滤波和高斯带通滤波的图像锐化效果相对较好；

（5）陷波带通滤波器可实现特定方向的栅线条纹提取，陷波带阻滤波则可实现滤除特定方向的对称衍射斑点，以得到对应的像空间图像。

高分辨图像频域滤波系统的建立，解析和拓展了现有透射电镜软件功能，用户可以选择合适的滤波器和滤波类型，从而达到不同的图像处理和分析目的。