Terahertz Imaging : สร้างภาพด้วยสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ประยุกต์ใช้กับระบบสายพานลำเลียง

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter

การสร้างภาพด้วยสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ประยุกต์ใช้กับระบบสายพานลำเลียง ตอบโจทย์อุตสาหกรรมเกษตรและอาหาร และด้านการรักษาความปลอดภัย

บทความ : ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์
กลุ่มวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์ (SSDRG)
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)
วิดีโอ : ตุลลาวัฒน์ หอมสินธ์ ภาพปกวิดีโอ : สุตาภัทร กันยง

Terahertz Imaging : ตอบโจทย์อุตสาหกรรมเกษตรและอาหาร และด้านการรักษาความปลอดภัย

ปัจจุบันมีหลายเทคโนโลยีที่สามารถตรวจสอบวัตถุที่อยู่ภายในได้โดยไม่ต้องเปิดหีบห่อ แต่อาจต้องแลกมาด้วยการที่เนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตถูกทำลายจากการได้รับรังสี หรือไม่สามารถตอบโจทย์ความต้องการในปัจจุบันได้ เช่น การตรวจสอบความชื้นหรือสิ่งแปลกปลอมของผลิตภัณฑ์ในบรรจุภัณฑ์แบบไม่ทำลาย

ทว่าเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์สามารถก้าวข้ามข้อจำกัดเหล่านี้ ด้วยคุณลักษณะเด่นเฉพาะตัวของคลื่นที่สามารถทะลุผ่านวัสดุส่วนมากที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (Dielectric materials) เช่น กระดาษ พลาสติก ผ้า และไม้ รวมถึงมีความสามารถใช้ในการตรวจจับและระบุชนิดของสารเคมีที่น่าสนใจ อาทิ กรดอะมิโน ยาปฏิชีวนะ หรือแม้กระทั่งสารตั้งต้นวัตถุระเบิด อีกทั้งยังมีพลังงานต่ำเมื่อเทียบกับคลื่นรังสีเอกซ์ (X-ray) จึงไม่เป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต

เนคเทค สวทช. โดยทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ จึงเกิดแนวคิดในการวิจัยพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างข้อมูลภาพดิจิทัลด้วยคลื่นเทระเฮิรตซ์แล้วนำมาประยุกต์ใช้สำหรับการตรวจสอบคุณภาพผลิตภัณฑ์บนสายพานรางเลื่อน ในงานด้านการเกษตรและอาหาร รวมถึงงานด้านการรักษาความปลอดภัย

หลักการทำงาน

ระบบสายพานลำเลียงมีความสามารถในการสร้างภาพเทระเฮิรตซ์ การผนวกภาพเทระเฮิรตซ์เข้ากับภาพสี และการหาความชื้นในผลิตภัณฑ์ที่ทำการตรวจสอบ โดยในแต่ละส่วนมีหลักการทำงานและประโยชน์ดังต่อไปนี้

1.  องค์ประกอบของระบบสายพาน และหลักการสร้างภาพเบื้องต้น

รูปที่ 1 (a) ส่วนประกอบของระบบสายพานลำเลียง ที่สร้างภาพด้วยสัญญาณเทระเฮิรตซ์
(b) ภาพจริงของระบบสายพานลำเลียง

รูปที่ 1 แสดงระบบสายพานลำเลียงที่ทีมวิจัยฯ พัฒนาขึ้น ซึ่งประกอบด้วย
1) เครื่องกำเนิดสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ที่ถูกติดตั้งอยู่เหนือสายพาน (THz source) และปล่อยคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่ความถี่ 0.1 THz
2) เครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบ 1 มิติ (THz detector) ที่ถูกติดตั้งอยู่ใต้สายพาน
3) กล้องสี 3 มิติ (RGB-D camera) สำหรับรับภาพสีและภาพความลึกของวัตถุ

เมื่อระบบสายพานลำเลียงพัสดุหรือบรรจุภัณฑ์ผ่านเครื่องกำเนิดและรับสัญญาณ คลื่นเทระเฮิรตซ์จากเครื่องกำเนิดสัญญาณจะส่องผ่านพัสดุไปยังเครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ซึ่งหากมีความชื้น หรือวัตถุต้องสงสัยภายในพัสดุที่สะท้อนหรือดูดกลืนคลื่นเทระเฮิรตซ์ จะทำให้คลื่นตกกระทบตัวรับสัญญาณในปริมาณน้อยลง ซึ่งหลักการความเข้มของคลื่นตกกระทบนี้เอง สามารถนำไปประมวลผลทางดิจิทัลเพิ่มเติม เพื่อให้แสดงผลบริเวณที่มีความชื้นหรือมีวัตถุต้องสงสัยได้ ดังแสดงในรูปที่ 2 และนอกจากนี้ กล้องสีจะทำการเก็บภาพสี 2 มิติของวัตถุ โดยภาพสีที่ได้จะถูกนำไปประมวลผลเพื่อให้สามารถแสดงผลภาพเทระเฮิรตซ์บนภาพสีในตำแหน่งที่ถูกต้อง ดังตัวอย่างในคอลัมน์ Visible + THz ในรูปที่ 2


รูปที่ 2 ตัวอย่างภาพที่ได้จากระบบสายพานลำเลียง ได้แก่ ภาพวัตถุต้องสงสัย (บน)
และภาพความชื้นของผลิตภัณฑ์อาหาร (ล่าง)

สำหรับระบบที่พัฒนาขึ้นนั้น สามารถตรวจสอบบรรจุภัณฑ์ที่เคลื่อนที่เร็วได้มากถึง 30 เซ็นติเมตรต่อวินาที และสามารถแสดงผลภาพได้แบบ Real-time

2. การผนวกภาพเทระเฮิรตซ์เข้ากับภาพสี


รูปที่ 3 สาธิตการสร้างภาพเทระเฮิรตซ์ 2 มิติ
โดยใช้ภาพเทระเฮิรตซ์ 1 มิติล่าสุดจำนวน n เฟรมมาเรียงต่อกัน (สีน้ำเงินในภาพแสดงวัตถุจำลอง) โดยวัตถุที่ปรากฎในภาพจะเคลื่อนที่ไปทางขวาในทุกๆ ครั้งที่มีการรับภาพเทระเฮิรตซ์ 1 มิติเข้ามาใหม่

เนื่องจากสัญญาณที่รับได้จากเครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์มีขนาด 1 มิติ ทำให้ภาพที่สร้างได้มีขนาดเพียง 1 มิติเท่านั้น การสร้างภาพ 2 มิติของวัตถุจึงต้องอาศัยการเก็บสัญญาณของคลื่นตกกระทบแบบวนซ้ำอย่างต่อเนื่องในขณะที่พัสดุเคลื่อนที่บนสายพาน เพื่อให้เก็บสัญญาณได้ครอบคลุมพื้นที่ของพัสดุ และจึงนำภาพ 1 มิติที่ได้มาเรียงต่อกันเพื่อให้ได้ภาพ 2 มิติที่แสดงรูปของวัตถุต้องสงสัยในที่สุด ดังตัวอย่างในรูปที่ 3 โดยหลักการดังกล่าวจะเหมือนกันกับที่ใช้ในเครื่องถ่ายเอกสาร

หลังจากที่ทำการสร้างภาพเทระเฮิรตซ์ 2 มิติแล้ว ภาพดังกล่าวก็จะถูกนำไปซ้อนทับบนภาพสี 2 มิติ อย่างไรก็ตาม ภาพทั้งสองชนิดนั้นไม่สามารถนำมาซ้อนทับกันได้ทันที เนื่องจากภาพแต่ละชนิดถูกเก็บในมุมมองที่แตกต่างกัน ดังนั้น จึงต้องทำการแปลงภาพเทระเฮิรตซ์ให้อยู่ในมุมมองเดียวกันกับภาพสี 2 มิติก่อน ด้วยวิธีการ Perspective transformation โดยในทางคณิตศาสตร์ Perspective transformation จะสามารถอธิบายได้ด้วย matrix ขนาด 4 x 4 มิติ ที่ใช้บรรยายมุมมองของภาพสีเทียบกับมุมมองของภาพเทระเฮิรตซ์ และ matrix ดังกล่าวสามารถคำนวณได้จากตำแหน่งที่ปรากฎของ Markers 4 จุด ทั้งในภาพเทระเฮิรตซ์และภาพสี รูปที่ 4 (a) แสดง Markers ที่ใช้ในการคำนวณหา Perspective transformation matrix และรูปที่ 4 (b) และ (c) แสดงผลลัพธ์การซ้อนทับภาพก่อนและหลังการทำ Perspective transformation ในอนาคต ทีมวิจัยฯ มีแผนที่จะนำข้อมูลความหนาของวัตถุจากกล้อง 3 มิติ มาใช้เพิ่มเติมเพื่อทำให้การซ้อนทับภาพมีความแม่นยำมากขึ้น

รูปที่ 4 (a) แสดงจุด Markers ทั้ง 4 จุด ทั้งในภาพเทระเฮิรตซ์และภาพสี
(b), (c) แสดงผลการซ้อนทับภาพก่อนและหลังการแก้ไขการบิดเบือนของภาพ โดยใช้ Perspective transformation matrix ที่คำนวณได้จากข้อมูลตำแหน่งของ Markers ทั้ง 4 จุด ในภาพเทระเฮิรตซ์และภาพสี

เนื่องจากภาพเทระเฮิรตซ์ 1 มิติที่เก็บมาในแต่ละครั้ง จะถูกนำไปต่อท้ายภาพ 2 มิติทางด้านซ้าย พร้อมๆ กับการที่ภาพ 1 มิติที่อยู่ทางด้านขวาสุดถูกลบทิ้งไป จึงทำให้เห็นภาพปรากฎเป็นวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ไปทางขวา ซึ่งหากสังเกตให้ดีจะพบว่า อัตราการเก็บข้อมูลของเครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ (Frame rate) มีผลต่อความเร็วของวัตถุที่ปรากฎในภาพเทระเฮิรตซ์ 2 มิติ โดยการเพิ่มอัตราการเก็บข้อมูลของเครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์จะทำให้วัตถุที่ปรากฎในภาพเคลื่อนที่เร็วขึ้น ปัจจัยนี้เองทำให้ความเร็ววัตถุที่ปรากฎในภาพเทระเฮิรตซ์ต่างจากความเร็ววัตถุที่ปรากฎในภาพสี และทำให้การซ้อนทับภาพมีความคลาดเคลื่อนมากขึ้น โดยความคลาดเคลื่อนจะแตกต่างกันตามตำแหน่งของวัตถุในภาพ ดังนั้น การปรับอัตราการเก็บข้อมูลของเครื่องรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ (Frame rate) เพื่อให้ความเร็ววัตถุที่ปรากฎในภาพทั้งสองชนิดใกล้เคียงกัน จึงเป็นสิ่งที่จำเป็นก่อนการซ้อนทับภาพ เพื่อลดความคลาดเคลื่อนดังกล่าว

3. การคำนวณหาความชื้นในผลิตพันธ์ตัวอย่าง

อีกหนึ่งความสามารถของระบบสายพาน คือ การคำนวณหาความชื้นในผลิตภัณฑ์ตัวอย่าง โดยอาศัยหลักการที่ว่า เมื่อคลื่นเทระเฮิรตซ์ส่องผ่านผลิตภัณฑ์ตัวอย่าง ความเข้มของคลื่นจะลดลง และจะลดลงมากขึ้นเมื่อความชื้นหรือความหนาของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น หลักการดังกล่าวอ้างอิงมาจากกฎของ Beer Lambert ซึ่งแสดงในรูปแบบสมการดังต่อไปนี้

สมการที่ (1) 

โดย  I0 คือความเข้มของคลื่นก่อนส่องผ่านผลิตภัณฑ์ I คือความเข้มของคลื่นหลังส่องผ่านผลิตภัณฑ์ ที่วัดได้จากกล้องเทระเฮิรตซ์ m คือเปอร์เซ็นต์ความชื้นสัมพัทธ์ของผลิตภัณฑ์  L คือความหนาผลิตภัณฑ์ และ a,b คือค่าคงที่ที่ขึ้นกับชนิดของผลิตภัณฑ์

ในการหาค่าสัมประสิทธิ์ a,b ของผลิตภัณฑ์แต่ละชนิด และค่า I0 สามารถทำได้โดยการเก็บข้อมูลความเข้มสัญญาณหลังส่องผ่านผลิตภัณฑ์ จากผลิตภัณฑ์ชนิดนั้นในหลายขนาดและหลายค่าความชื้น จากนั้นจึงนำข้อมูลของผลิตภัณฑ์ทุกชิ้น ที่ในแต่ละชิ้นประกอบด้วยข้อมูลความเข้มสัญญาณส่องผ่าน ความหนา และความชื้นที่วัดได้จากเครื่อง Moisture analyzer มาประมาณหาค่า โดยใช้วิธี Least-square fitting เพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์ a,b  และ I0 ในสมการที่ (1)

ทีมวิจัยฯ ได้ทำการทดลองหาค่าสัมประสิทธิ์ในสมการที่ (1) ของ HAITAI crackers โดยใช้ความเข้มสัญญาณส่องผ่านที่วัดได้จริงจากกล้องเทระเฮิรตซ์ ที่ค่าความหนาและความชื้นต่างๆ จากทั้งหมด 11 ตัวอย่าง โดยผลลัพธ์จากการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ดังกล่าว จะทำให้ได้พื้นผิวโค้งดังแสดงในรูปที่ 5 (a) ที่แสดงความเข้มสัญญาณส่องผ่านที่คำนวณได้ ณ ค่าความหนาและความชื้นใดๆ ซึ่งหากสังเกตจะพบว่า พื้นผิวโค้งในรูปที่ 5 (a) มีแนวโน้มไปในทิศทางเดียวกันกับรูปที่ 5 (b) ที่แสดงการกระจายตัวของข้อมูลที่เก็บมา กล่าวคือ ความเข้มของคลื่นจะลดลง เมื่อความชื้นหรือความหนาของผลิตภัณฑ์มีค่ามากขึ้น

รูปที่ 5 (a) แสดงความเข้มสัญญาณส่องผ่านของ HAITAI crackers ณ ค่าความหนาและความชื้นใดๆ ที่คำนวณได้หลังจากทราบค่าสัมประสิทธิ์ a,b  และ I0 แล้ว (b) แสดงความเข้มสัญญาณส่องผ่านที่วัดได้จริงจากกล้องเทระเฮิรตซ์ ที่ค่าความหนาและความชื้นต่างๆ โดยวัดจาก HAITAI crackers ทั้งหมด 11 ตัวอย่าง

สำหรับการหาคำนวณหาความชื้นของผลิตภัณฑ์ตัวอย่าง จะอาศัยการจัดรูปสมการที่ (1) ให้อยู่ในรูปของ

สมการที่ (2)

ซึ่งสามารถใช้คำนวณหาค่าความชื้น m จากความเข้มสัญญาณ I ได้ และขณะนี้ ทีมวิจัยฯ ได้ทำการทดสอบความแม่นยำในการคำนวณหาค่าความชื้นจากผลิตภัณฑ์อาหารชนิดต่างๆ

การใช้ประโยชน์และการต่อยอด

งานวิจัยการสร้างภาพด้วยสัญญาณเทระเฮิรตซ์โดยการประยุกต์ใช้กับระบบสายพานลำเลียง สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย อาทิ ในด้านการรักษาความปลอดภัย เราสามารถใช้ในตรวจสอบวัตถุต้องสงสัย เช่น อาวุธ หรือสิ่งเทียมอาวุธ ที่ถูกซุกซ่อนอยู่ในกล่องพัสดุหรือในหีบห่อ หรือสามารถใช้ในการตรวจสอบคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เช่น ปริมาณความชื้นในผลผลิตทางการเกษตรและอาหาร หรือสิ่งปลอมปนที่อยู่ภายในบรรจุภัณฑ์ โดยเป็นการตรวจสอบบนสายพานการผลิตและไม่ทำลายหรือฉายสารกัมมันตรังสีบนวัตถุ/บรรจุภัณฑ์ 

 ถึงแม้ว่าระบบสายพานที่พัฒนาขึ้นในปัจจุบันยังไม่สามารถตรวจสอบวัสดุหรือบรรจุภัณฑ์ที่สะท้อนหรือดูดกลืนคลื่นเทระเฮิรตซ์ในปริมาณมากได้ และความเข้มสัญญาณเทระเฮิรตซ์ที่วัดได้ มีความคลาดเคลื่อนซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการคำนวณความชื้นของผลิตภัณฑ์ แต่เครื่องส่งและรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ที่เป็นส่วนประกอบของระบบสายพานนั้น ก็มีแนวโน้มที่จะมีราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในอนาคต ซึ่งปัจจัยนี้เองจะเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยทำให้ข้ามข้อจำกัดเหล่านี้ได้ และในอนาคตหากมีการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ต่อยอดในภาคอุตสาหกรรมอย่างจริงจัง โดยเฉพาะทางด้านเกษตรและอาหาร คงจะเกิดประโยชน์อีกมากอย่างคาดไม่ถึง