JP2001050908A - ミリ波イメージングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生体試料などのミリ波の透過・反射率分布が
物体を構成する各部分でほとんど一定である対象であっ
ても、より細部まで認識可能なコントラストの高い像を
得ることのできるミリ波イメージングシステムを提供す
る 【解決手段】 試料物体１３を通過したミリ波１６を電
気光学結晶１０で受信し、電気光学結晶１０でレーザ４
からのパルス光を電気光学効果により偏光変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミリ波帯の電磁波
源を用いて光やＸ線では観察できない物体を可視化する
イメージング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年ミリ波によるイメージング技術の開
発が盛んに行われている。ここで言うミリ波は、サブミ
リ波も含めた広い周波数帯（30GHz〜30THz）を包含す
る。このミリ波によるイメージング技術の開発が始まっ
た当初には、ミリ波の検出法としてダイポールアンテナ
などで受けたミリ波をダイオードで検波する純電気的な
手法が用いられていた。これについては、例えば文献１
（B.B.Hu and M.C.Nuss :"Imaging with terahertz wav
es" Optics Letters, Vol.20, No.16, 1995, p.1716）
などに詳細が述べられている。このような純電気的な検
出法によるミリ波イメージングシステムでは、ダイポー
ルアンテナの共振周波数で決まる特定の周波数帯のミリ
波にのみ感度をもって検出できる。

【０００３】一方、上記の純電気的な検出方法ではな
く、電気光学的な検出手段を用いたミリ波イメージング
システムも報告されている。この電気光学的な検出手段
は、電気光学サンプリングと呼ばれるものである。電気
光学サンプリングは、ＤＣからＴＨｚ帯までの電磁波を
周波数応答によって光学的に検出する方法である。電気
光学サンプリングに関する詳細は、例えば文献２（K.J.
Weingarten et al : "Picosecond Optical Sampling of
GaAs Integrated Circuits" IEEE Journal of Quantum
Electronics, Vol.24, No.2, 1988, p.198）などに記
されている。また、電気光学的な検出法を用いたミリ波
イメージングシステムは、例えば文献３(Q.Wu et al:"T
wo-dimensional electro-optic imaging of THz beams"
Applied Physics Letters, Vol.69, No.8, 1996, p.10
26）などで報告されている。

【０００４】従来の電気光学的検出法を用いたイメージ
ング装置について説明すると、図１０に示すように、ま
ず、レーザ４からパルス光を出射し、この出射したパル
ス光をビームスプリッタ３３ａで分岐する。ビームスプ
リッタ３３ａで分岐したパルス光のうち、直行する方向
に分岐された分岐光は、鏡９ａ，鏡９ｂと光パルス遅延
器３４を通過してテラヘルツエミッタ３５の受光部分に
入射する。テラヘルツエミッタ３５では、鏡９と光パル
ス遅延器３４を通過した分岐光が受光部分に入射する
と、このパルス状の分岐光が入射している間、ミリ波帯
の周波数の電波をパルス状に放射する。テラヘルツエミ
ッタ３５よりパルス状に放射された電波は、ミリ波レン
ズ３２により平行な状態のミリ波１６に整形されて試料
物体１３を照射する。試料物体１３を照射して透過した
パルス状のミリ波１６は、電気光学結晶１０で受信さ
れ、電気光学結晶１０に電界変化をパルス状に与える。

【０００５】一方、レーザ４から出射されてビームスプ
リッタ３３ａを直進した分岐光は、鏡９ｃで進行方向を
変更され、光学レンズ２２を通過することで平行なレー
ザビーム３８とされ、ビームスプリッタ３３ｂで進行方
向を変更されて電気光学結晶１０に入射する。レーザビ
ーム３８が入射した電気光学結晶１０では、前述したよ
うに、パルス状のミリ波１６を受信していることにより
電界変化が生じており、この電界変化により透過する光
に偏光変化を与えている。電気光学結晶１０を通過する
レーザビーム３８は、電気光学結晶１０が受信している
パルス状のミリ波１６の強度変化に対応して偏光され
る。

【０００６】電気光学結晶１０を透過して偏光されたレ
ーザビームは、１／２波長板（ＨＷＰ）７により偏光を
受けた成分だけが透過される。ＨＷＰ７を透過した偏光
成分だけとされたレーザビーム３８は、二次元的に受光
素子が配列されたイメージセンサであるＣＣＤアレイ３
６の受光面に到達する。そして、ＣＣＤアレイ３６で
は、レーザビーム３８の偏光変化を受けた成分の強度に
対応した光学像が検出され、この検出された光学像がモ
ニタ３７に表示される。このイメージング装置では、光
パルス遅延器３４でテラヘルツエミッタ３５に入射する
パルス光の到達タイミングを変更し、電気光学結晶１０
に到達するパルス状のミリ波１６の位相をずらすこと
で、電気光学結晶１０に到達するミリ波１６の波形を再
現させるようにしている。

【０００７】しかしながら、上記に説明した従来のイメ
ージング装置では、試料物体に照射するミリ波が、パル
ス状であるため、試料物体を透過したミリ波の強度分布
の状態しか検出できなかった。このように、従来のイメ
ージング装置では、光やＸ線などを用いた従来の方法で
は観察できないものを可視化することはできるが、ミリ
波の強度分布の状態しか検出できないため、ミリ波の透
過率及び反射率分布がほとんど一定である物体の詳細を
可視化することは困難であった。ミリ波を用いたイメー
ジングの応用が期待されている主な試料として生体試料
が挙げられるが、生体試料などの一般的な傾向として、
生体試料を構成する各部分で、ミリ波の透過及び反射率
分布はほとんど一定である場合が多い。このようなミリ
波の透過及び反射率分布がほとんど一定である物体の場
合、従来のミリ波を用いたイメージング装置では、物体
を構成する要素が判別できるコントラストの高い像を得
ることはできなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な問題点を解消するためになされたものであり、生体試
料などのミリ波の透過・反射率分布が物体を構成する各
部分でほとんど一定である対象であっても、より細部ま
で認識可能なコントラストの高い像を得ることのできる
ミリ波イメージングシステムを提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のミリ波イメージ
ングシステムは、第１の周波数の逆数の周期の第１のパ
ルス光を出力するパルス光源と、第１の周波数の自然数
倍に第１の周波数と異なる第２の周波数を加えたミリ波
帯周波数の正弦波電磁波を生成して測定対象の物体に放
出する電磁波放出手段と、この電磁波放出手段からの正
弦波電磁波が物体を透過もしくは反射した結果得られた
測定電磁波を受けて、この測定電磁波の電界変化に対応
してパルス光源からの第１のパルス光を偏光変化して第
２のパルス光とする光変調手段と、この光変調手段から
の第２のパルス光の偏光変化を強度変化に変換して第３
のパルス光とする強度変換手段と、この強度変換手段か
らの第３のパルス光を第３のパルス光のパルス列の包絡
線で示される電気信号に光電変換する光電変換手段と、
この光電変換手段からの電気信号と第２の周波数の参照
正弦波との間の位相の差を検出するデータ抽出手段と、
このデータ抽出手段が検出した位相の差より物体の像を
形成する画像検出手段とを備えるようにしたものであ
る。この発明によれば、光変調手段で第１のパルス光を
測定電磁波の電界変化に対応して偏光変化して第２のパ
ルス光とし、強度変換手段で第２のパルス光を強度変化
に変換した第３のパルス光とし、この第３のパルス光の
パルス列の包絡線で示される電気信号を光電変換手段で
得るようにしたので、光電変換手段で得られた電気信号
は、測定電磁波の周波数を第２の周波数に変換したもの
に等しくなる。

【００１０】また、この発明のミリ波イメージングシス
テムでは、第１の周波数の逆数の周期の第１のパルス光
を出力するパルス光源と、第１の周波数の自然数倍に第
１の周波数と異なる第２の周波数を加えたミリ波帯周波
数の正弦波電磁波を生成して測定対象の物体に放出する
電磁波放出手段と、この電磁波放出手段からの正弦波電
磁波が物体を透過もしくは反射した結果得られた測定電
磁波を受けて、この測定電磁波の電界変化に対応してパ
ルス光源からの第１のパルス光を偏光変化して第２のパ
ルス光とする光変調手段と、この光変調手段からの第２
のパルス光を光変調器の偏光変化により強度が減少した
第１の偏光成分と、第１の偏光成分と偏光方向が９０°
異なる第２の偏光成分とに分離する偏光分離手段と、こ
の偏光分離手段で分離された第１の偏光成分を第１の偏
光成分のパルス列の包絡線で示される第１の電気信号に
変換する第１の光電変換手段と、偏光分離手段で分離さ
れた第２の偏光成分を第２の偏光成分のパルス列の包絡
線で示される第２の電気信号に変換する第２の光電変換
手段と、第１の光電変換手段が変換した第１の電気信号
と第２の光電変換手段が変換した第２の電気信号を差動
増幅して第３の電気信号とする増幅手段と、この増幅手
段からの第３の電気信号と第２の周波数の参照正弦波と
の間の位相の差を検出するデータ抽出手段と、このデー
タ抽出手段が検出した位相の差より物体の像を形成する
画像検出手段とを備えるようにしたものである。この発
明によれば、第２のパルス光の第１の偏光成分と第１の
偏光成分と偏光方向が９０°異なる第２の偏光成分と
を、それぞれ第１の光電変換手段と第２の光電変換手段
とで第１と第２の電気信号に変換し、増幅手段で第１の
電気信号と第２の電気信号を差動増幅して第３の電気信
号としたので、この第３の電気信号は、測定電磁波の周
波数を第２の周波数に変換したものに等しくなる。

【００１１】また、この発明は、第１の周波数の逆数の
周波数の第１の正弦波を生成する第１の正弦波発生器
と、第１の周波数の自然数倍に第２の周波数を加えたミ
リ波帯周波数の第２の正弦波を第１の正弦波発生器に同
期して生成する第２の正弦波発生器と、参照正弦波を第
１の正弦波発生器に同期して生成する第３の正弦波発生
器とを備え、パルス光源は第１の正弦波を用いて第１の
周波数のパルス光を出力し、電磁波放出手段は第２の正
弦波を用いて正弦波電磁波を生成するようにしたもので
ある。また、この発明は、第１の周波数の第１の正弦波
を生成する第１の正弦波発生器と、第１の周波数の自然
数倍に第２の周波数を加えたミリ波帯周波数の第２の正
弦波を第１の正弦波発生器に同期して生成する第２の正
弦波発生器と、パルス光源からの第１のパルス光の一部
を光電変換してパルス信号とする部分光電変換手段と、
この部分光電変換手段からのパルス信号と第２の正弦波
発生器からの第１の正弦波とから第２の周期の参照正弦
波を生成する参照正弦波生成手段とを備え、パルス光源
は第１の正弦波を用いて第１の周波数のパルス光を出力
し、電磁波放出手段は第２の正弦波を用いて正弦波電磁
波を生成するようにしたものである。また、第１および
第２のパルス光は、光ファイバで伝搬される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して説
明する。 実施の形態１ はじめに、この発明の第１の実施の形態について説明す
る。実施の形態１のミリ波イメージングシステムは、ま
ず、基準となる周波数ｆ、例えば１ＧＨｚの正弦波を発
生する第１の正弦波発生器１を備える。また、第１の正
弦波発生器１が発生する正弦波の周波数ｆの自然数倍、
例えば６０倍の周波数に、所定の周波数差Δｆ、例えば
６４ｋＨｚを加えたミリ波帯の周波数（６０．００００
６４ＧＨｚ）の正弦波を発生する第２の正弦波発生器２
を備える。また、周波数差Δｆ（ここでは６４ｋＨｚ）
の周波数の正弦波を参照信号として発生する第３の正弦
波発生器３とを備える。なお、周波数差Δｆは１〜１０
０（ｋＨｚ）程度とすればよい。

【００１３】また、図１のミリ波イメージングシステム
は、第１の正弦波発生器１が発生した正弦波の周波数
（第１の周波数）の逆数の周期のパルス光を出力するレ
ーザ４と、入力した光信号に対する応答が遅いフォトダ
イオード（ＰＤ−Ｌ）５と、レーザ４から出射されたパ
ルス光のうち一方の偏光は透過し、透過する偏光に直交
する他方の偏光は光路を直角方向に変更させる変更ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）６と、１／２波長板（ＨＷＰ）
７と、１／４波長板（ＱＷＰ）８とを備える。

【００１４】また、図１のミリ波イメージングシステム
は、レーザ４より出射されたパルス光を反射してパルス
光の進行方向を変更するミラー９と、ミラー９で進行方
向を変更されたパルス光を入射する電気光学結晶１０と
を備える。この電気光学結晶１０は、パルス光を入射す
る入射端面に対抗する面に光反射膜１１を備え、入射端
面より入射したパルス光を光反射膜１１で反射させて入
射端面より出射させる。

【００１５】また、図１のミリ波イメージングシステム
は、上記の第１の正弦波発生器２が発生する正弦波の周
波数の電波（ミリ波１６）を放出するアンテナ１２と、
上記のＰＤ−Ｌ５から出力される電気信号の強度変化の
検出と、ＰＤ−Ｌ５から出力される電気信号と上記の第
３の正弦波発生器３が発生した参照信号との位相のズレ
の抽出を行うロックインアンプ１５と、ロックインアン
プ１５で検出した電気信号の強度変化や参照信号との位
相のズレを用いて、試料物体１３のミリ波像を形成する
コンピュータ１４とを備える。

【００１６】以下、図１に示した実施の形態１における
のミリ波イメージングシステムの動作について説明す
る。実施の形態１のミリ波イメージングシステムでは、
まず、アンテナ１２より放出されたミリ波１６が、試料
物体１３を通過して電気光学結晶１０に受信される。ア
ンテナ１２より放出されたミリ波１６が試料物体１３を
通過するとき、減衰するだけではなく、試料物体１３の
誘電率分布に依存して異なる位相変化を受ける。図２に
示すように、試料物体１３の誘電率が大きい領域を通過
したミリ波１６は、試料物体１３の誘電率が小さい領域
を通過したミリ波１６に対して位相差Δφが発生する。
以降に説明するように、この実施の形態１のミリ波イメ
ージングシステムは、上記の位相差Δφを検出すること
で試料物体１３の誘電率の分布を可視化する。

【００１７】一方、レーザ４を出射したパルス光は、Ｐ
ＢＳ６を通過することで第１の偏光成分が取り出され、
ＨＷＰ７とＱＷＰ８を通過し、鏡９を反射して電気光学
結晶１０に入射する。電気光学結晶１０に入射したパル
ス光の第１の偏光成分は、光学反射膜１１を反射して結
晶内を逆行して電気光学結晶１０から出射する。この電
気光学結晶１０内をパルス光が通過しているとき、電気
光学結晶１０が試料物体１３を通過してきたミリ波１６
を受信することで発生した電界（瞬時電界）に応じて、
パルス光は偏光変化を受ける。この偏光変化を受ける
と、電気光学結晶１０を出射するパルス光には、第１の
偏光成分に直交する第２の偏光成分が発生する。電気光
学結晶１０を出射した第２の偏光成分が発生しているパ
ルス光は、鏡９を反射してＨＷＰ７とＱＷＰ８を通過
し、ＰＢＳ６に入射する。

【００１８】電気光学結晶１０を出射したパルス光がＰ
ＢＳ６に入射すると、パルス光の第１の偏光成分は直進
し、パルス光の第２の偏光成分は進行方向を９０°変更
されてＰＤ−Ｌ５の受光部に入射する。したがって、Ｐ
Ｄ−Ｌ５の受光部に入射するパルス光は、電気光学結晶
１０で偏光変化を受けることで発生した偏光成分だけと
なる。このように、電気光学結晶１０を出射したパルス
光より、偏光変化を受けたことで発生した偏光成分を取
り出すことで、パルス光の偏光変化をパルス光の強度変
化に変換する。なお、ＨＷＰ７とＱＷＰ８を調整するこ
とで、ＨＷＰ７とＱＷＰ８を通過する偏光変化を受けた
パルス光の偏光変化量を、電気光学結晶１０が試料物体
１３を通過してきたミリ波１６を受信することで発生し
た電界強度（瞬時電界振幅）に比例させることができ
る。

【００１９】ここで、ＰＤ−Ｌ５に入射するパルス光の
パルス列を時系列でみた状態を考察する。図３（ａ）に
示すように、試料物体１３を通過したミリ波１６が電気
光学結晶１０を通過したときに発生した電界の波形は、
６０．０００６４ＧＨｚの正弦波である。一方、電気光
学結晶１０に入射するパルス光の波形は、図３（ｂ）に
示すように、繰り返し周波数が１ＧＨｚのパルス列であ
る。そして、電気光学結晶１０で偏光変化を受け、この
偏光変化が強度変化に変換されたＰＤ−Ｌ５に入射する
パルス光は、図３（ｃ）に示すようなパルス列となる。

【００２０】繰り返し周波数が１ＧＨｚ（基準となる周
波数ｆ）のパルス光は、１ＧＨｚの整数倍の成分を含ん
だものとなっているため、電気光学結晶１０に入射する
パルス光には６０ＧＨｚの成分も含まれた状態となって
いる。６０ＧＨｚの成分も含まれたパルス光が、電気光
学結晶１０において６０．００００６４ＧＨｚのミリ波
１６による偏光変化を受けると、この偏光変化にはミリ
波１６の周波数とパルス光の周波数とによる６４ｋＨｚ
すなわち周波数差Δｆの周波数のビートが発生すること
になる。したがって、図３（ｃ）に示したＰＤ−Ｌ５に
入射するパルス光の強度変化には、周波数差Δｆの周波
数のビートが発生している。

【００２１】図３（ｃ）のパルス列に発生しているビー
トは、このパルス列の包絡線で示される正弦波として取
り出せるが、ＰＤ−Ｌ５では、光信号に対する応答が遅
く、入射したパルス光の包絡線を取り出すように光電変
換するので、ＰＤ−Ｌ５の光電変換により、図３（ｃ）
のパルス列に発生しているビートを、図３（ｄ）に示す
ような正弦波の電気信号として取り出せる。加えて、Ｐ
Ｄ−Ｌ５の光電変換により取り出した電気信号は、試料
物体１３を通過してきたミリ波１６を周波数差Δｆの周
波数にダウンコンバートしたものとなっており、ミリ波
１６に試料物体１３を通過することで発生した位相差Δ
φを有している。

【００２２】したがって、Ｄ−Ｌ５の光電変換により取
り出した位相差Δφを有している電気信号を、６４ｋＨ
ｚすなわち周波数差Δｆの周波数の正弦波の基準となる
電気信号と比較することで、位相差Δφを取り出すこと
ができる。この実施の形態１では、ＰＤ−Ｌ５で光電変
換された電気信号を、ロックインアンプ１５に入力して
第３の正弦波発生器３より得られた周波数差Δｆの周波
数の参照信号と比較し、ＰＤ−Ｌ５で光電変換された電
気信号より位相差Δφを取り出す。そして、ロックイン
アンプ１５で取り出した位相差Δφは、コンピュータ１
４で処理されて試料物体１３のミリ波位相分布画像のデ
ータとして用いられる。なお、ロックインアンプ１５で
は、ＰＤ−Ｌ５で光電変換された電気信号より強度も取
り出す。ロックインアンプ１５で取り出した電気信号の
強度は、コンピュータ１４で処理されて試料物体１３の
ミリ波強度分布画像のデータとして用いられる。

【００２３】なお、第１の正弦波発生器１，第２の正弦
波発生器２，第３の正弦波発生器３それぞれが、正確に
所定の周波数の正弦波を生成できるものとは限らない。
例えば、第１の正弦波発生器１より、ドリフトなどによ
り１ＧＨｚより若干ずれた周波数の正弦波が生成される
場合がある。ここで、第１の正弦波発生器１と第２の正
弦波発生器２と第３の正弦波発生器３とを同期させてお
けば、第２の正弦波発生器２で発生するミリ波帯の周波
数を作製するための周波数差Δｆの周波数と、第３の正
弦波発生器３で発生する周波数差Δｆの周波数の参照信
号とが同じものとなる。なお、上記の周波数差Δｆは相
対的なものであり、上記の第２の正弦波発生器２では、
基準となる周波数ｆの自然数倍の周波数に周波数差Δｆ
を加えてミリ波帯の周波数を生成していたが、基準とな
る周波数ｆの自然数倍の周波数のミリ波帯の周波数のミ
リ波を用い、一方で、レーザより周波数ｆより周波数差
Δｆを減じた周波数の逆数の周期のパルス光を出射する
ようにしてもよい。

【００２４】実施形態２ 次に、この発明の第２の実施の形態について説明する。
この実施の形態２のミリ波イメージングシステムは、実
施例１のイメージング装置で用いた第３の正弦波発生器
３の代わりに、図４に示すビームスプリッタ３３とフォ
トダイオード２１とミキサ１９とバンドパスフィルタ２
０とを用いるようにした。なお、実施の形態２のミリ波
イメージングシステムのビームスプリッタ３３とフォト
ダイオード２１とミキサ１９とバンドパスフィルタ２０
以外の構成は、上記実施の形態１のイメージング装置と
同一である。

【００２５】まず、ビームスプリッタ３３は、レーザ４
が出力したパルス光の一部を分岐して取り出す。また、
フォトダイオード（ＰＤ−Ｈ）２１は、ビームスプリッ
タ３３分岐されたパルス光列を光電変換する。このＰＤ
−Ｈ２１は、光信号に対する応答が早く、パルス光を電
気的な光パルス信号に光電変換する。また、ミキサ１９
は、まず、ＰＤ−Ｈ２１で光電変換されたパルスの繰り
返し周波数ｆの光パルス信号ＬＯと、第２の正弦波発生
器２で生成されたミリ波帯の周波数（Ｎ×ｆ＋Δｆ）の
ミリ波信号ＲＦとを入力し、これら光パルス信号ＬＯと
ミリ波信号ＲＦとにより、Δf,f+Δf,2f+Δf,...などの
周波数成分を含む合成信号ＩＦを出力する。そして、バ
ンドパスフィルタ２０は、急峻なバンドパス特性を備
え、ミキサ１９から出力されたＩＦ信号より周波数差Δ
ｆの成分を取り出す。

【００２６】実施の形態２のミリ波イメージングシステ
ムでは、バンドパスフィルタ２０で取り出した正弦波
を、上記の実施の形態１のミリ波イメージングシステム
と同様に、周波数差Δｆの周波数の参照信号としてロッ
クインアンプ１５で使用する。したがって、この実施の
形態２のミリ波イメージングシステムでも、ロックイン
アンプ１５で、ＰＤ−Ｌ５で光電変換された電気信号よ
り位相差Δφを取り出し、取り出した位相差Δφをコン
ピュータ１４で処理して試料物体１３のミリ波偏光分布
画像のデータとして用いる。

【００２７】実施の形態２のミリ波イメージングシステ
ムと実施の形態１のミリ波イメージングシステムとを比
較すると、実施の形態１のミリ波イメージングシステム
では、第１〜第３の正弦波発生器１〜３を用いてそれら
の全てを同期させている。しかし、３台の正弦波発生器
を高い精度で同期させるのは困難である。これに対し、
この実施の形態２のミリ波イメージングシステムでは、
２つの正弦波発生器を同期させればよいので、３つの正
弦波発生器を同期させる場合に比較して、より安定な同
期を得ることができる。

【００２８】第３実施形態 次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。
実施の形態３のミリ波イメージングシステムは、図６に
示すように、まず、基準となる周波数ｆ、例えば１ＧＨ
ｚの正弦波を発生する第１の正弦波発生器１を備える。
また、第１の正弦波発生器１が発生する正弦波の周波数
ｆの自然数倍周波数に、所定の周波数差Δｆを加えたミ
リ波帯の周波数の正弦波を発生する第２の正弦波発生器
２を備える。また、の周波数差Δｆの周波数の正弦波を
参照信号として発生する第３の正弦波発生器３とを備え
る。これら第１〜第３の正弦波発生器１〜３は、の実施
の形態１と同様である。

【００２９】また、この実施の形態３のミリ波イメージ
ングシステムは、第１の正弦波発生器１が発生した正弦
波の周波数（第１の周波数）の逆数の周期のパルス光の
うちＰ偏光成分を出力するレーザ４ａと、レーザ４ａよ
り出射されたパルス光を入射する電気光学結晶１０を備
える。なお、以降では、光の偏光成分のうち一方をＰ偏
光とし、このＰ偏光に直交する偏光成分をＳ偏光とす
る。上記の電気光学結晶１０は、パルス光を入射する入
射端面に対抗する面に光反射膜１１を備え、入射端面よ
り入射したパルス光を光反射膜１１で反射させて入射端
面より出射させる。また、この実施の形態３のミリ波イ
メージングシステムは、電気光学結晶１０から出射した
パルス光の電気光学結晶１０で受けた偏光変化に対応す
る周波数の電気信号を生成する偏光検出部２６を備え
る。

【００３０】また、図６のミリ波イメージングシステム
は、上記のＰＤ−Ｌ５から出力される電気信号の強度変
化の検出およびこの電気信号と上記の第３の正弦波発生
器３が発生した参照信号との位相のズレの抽出を行うロ
ックインアンプ１５と、ロックインアンプ１５で検出し
た電気信号の強度変化や参照信号との位相のズレなどの
データを用いて試料物体１３のミリ波像を形成するコン
ピュータ１４を備える。また、図６のミリ波イメージン
グシステムは、上記の第１の正弦波発生器２が発生する
正弦波の周波数のミリ波を放出するアンテナ１２と、ア
ンテナ１２より放出されたミリ波を回折限界まで絞るミ
リ波レンズ３２ａと、回折限界まで絞られてから試料物
体１３を透過して拡散したミリ波を回折限界にまで絞る
ミリ波レンズ３２ｂと、上記のコンピュータ１４に制御
されて試料物体１３を動かす電動ステージ３１を備え
る。

【００３１】上記のレーザ４ａから出射したＰ偏光のパ
ルス光は、光ファイバ３０ａを介して偏光検出部２６に
入射し、偏光検出部２６に入射したパルス光の一部が光
ファイバ３０ｂを介して電気光学結晶１０に入射する。
上記のロックインアンプ１５が出力するデータは、パラ
レルインタフェースであるＧＰＩＢでコンピュータ１４
に入力され、また、上記の電動ステージ３０の動作は、
コンピュータ１４よりＧＰＩＢを介して送信される動作
コマンドにより制御される。

【００３２】次に、この実施の形態３のミリ波イメージ
ングシステムの動作に関して説明する。まず、アンテナ
１２より放出されたミリ波が、ミリ波レンズ３２ａで回
折限界まで絞られてから試料物体１３を通過し、試料物
体１３を通過して拡散したミリ波がミリ波レンズ３２ｂ
で回折限界まで絞られて電気光学結晶１０に受信され
る。一方、レーザ４ａを出射したパルス光は、光ファイ
バ３０ａを介して偏光検出部２６を通過することで、第
１の偏光成分が取り出され、光ファイバ３０ｂを介して
電気光学結晶１０に入射する。電気光学結晶１０に入射
したパルス光の第１の偏光成分は、光学反射膜１１を反
射して結晶内を逆行して電気光学結晶１０から出射す
る。

【００３３】電気光学結晶１０内をパルス光が通過して
いるとき、電気光学結晶１０が試料物体１３を通過して
きたミリ波１６を受信することで発生した電界（瞬時電
界）に応じて、パルス光は偏光変化を受ける。この偏光
変化を受けると、電気光学結晶１０を出射するパルス光
には、第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分が発生
する。電気光学結晶１０を出射した第２の偏光成分が発
生しているパルス光は、光ファイバ３０ｂを介して偏光
検出部２６に入射する。電気光学結晶１０を出射した光
パルスを入射した偏光検出部２６は、試料物体１３を通
過してきたミリ波１６を周波数差Δｆの周波数にダウン
コンバートした電気信号を出力する。

【００３４】この偏光検出部２６について、図７を用い
てより詳細に説明する。図７に示すように、偏光検出部
２６は、まず、光ファイバ３０ａを介して入射したレー
ザ４ａからのＰ偏光のパルス光を、光学レンズ２２ａで
平行光にコリメートしてから、Ｓ偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ−Ｓ）２３を通過させる。ＰＢＳ−Ｓ２３はＳ
偏光を分岐させるので、ＰＢＳ−Ｓ２３に入射したレー
ザ４ａからのＰ偏光のパルス光はすべてが直進する。次
に、偏光検出部２６は、ＰＢＳ−Ｓ２３を直進したパル
ス光を、ファラデー回転子（ＦＲ）２５を通過させるこ
とで、偏光方向を４５°回転させ、かつ１／２波長板
（ＨＷＰ）７を通過させることでまた４５°回転させ
る。この結果、ＨＷＰ７を通過したレーザ４ａからのパ
ルス光はＳ偏光となる。

【００３５】次に、偏光検出部２６は、ＨＷＰ７を通過
してＳ偏光となったパルス光を、入射した光の中でＰ偏
光を分岐させるＰ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ−Ｐ）
２４に入させる。ＨＷＰ７を通過したパルス光はＳ偏光
となっているので、ＰＢＳ−Ｐ２４を直進する。ＰＢＳ
−Ｐ２４を通過したＳ偏光のパルス光は、光学レンズ２
２ｂで集光され、光ファイバ３０ｂに入射する。光ファ
イバ３０ｂに入射したＳ偏光のパルス光は、電気光学結
晶１０に入射し、電気光学結晶１０が受信したミリ波で
発生した電界により偏光変化を受け、電気光学結晶１０
を出射して光ファイバ３０ｂを介して再び偏光検出部２
６に入射する。

【００３６】電気光学結晶１０で偏光変化を受けて偏光
検出部２６に入射したパルス光は、偏光変化を受けたこ
とにより、Ｓ偏光成分が減少してこの減少した量に等し
いＰ偏光成分が発生している。この電気光学結晶１０で
偏光変化を受けてＳ偏光とＰ偏光が重なったパルス光が
ＰＢＳ−Ｐ２４に入射すると、パルス光の２つの偏光成
分のうちＰ偏光が分岐されて進行方向を変えられてＰＤ
−Ｐ２８に入射する。また電気光学結晶１０で偏光変化
を受けてＰＢＳ−Ｐ２４に入射するパルス光の偏光成分
のうち、Ｓ偏光はＰＢＳ−Ｐ２４で分岐されずに直進す
る。

【００３７】電気光学結晶１０より出射してＰＢＳ−Ｐ
２４を直進したＳ偏光のパルス光は、ＨＷＰ７で偏光方
向が４５°回転され、ＦＲ２５で偏光方向が−４５°回
転され、Ｓ偏光のままＰＢＳ−Ｓ２４に入射する。この
Ｓ偏光のままＰＢＳ−Ｓ２４に入射した光パルスは、Ｐ
ＢＳ−Ｓ２４で分岐されて進行方向を変えられてＰＤ−
Ｓ２８に入射する。したがって、電気光学結晶１０で偏
光変化を受けてたパルス光は、偏光検出部２６におい
て、偏光変化を受けて発生したＰ偏光がＰＤ−Ｐ２８で
光電変換され、偏光変化を受けて減少したＳ偏光がＰＤ
−Ｓ２７で光電変換される。

【００３８】ＰＤ−Ｓ２７とＰＤ−Ｐ２８では、実施の
形態１のミリ波イメージングシステムのＰＤ−Ｌ５（図
１）による光電変換と同様に、入射したパルス光をこの
パルス光列の包絡線で示される正弦波の電気信号にとし
て光電変換する。そして、ＰＤ−Ｓ２７で光電変換され
た正弦波の電気信号と、ＰＤ−Ｐ２８で光電変換された
正弦波の電気信号は、差動アンプ２９で差動増幅され、
ロックインアンプ１５に入力する。

【００３９】ここで、まず、ＰＤ−Ｓ２７で光電変換さ
れた電気信号は、電気光学結晶１０で偏光変化を受けて
減少したＳ偏光の減少に対応する信号である。一方、Ｐ
Ｄ−Ｐ２８で光電変換された電気信号は、電気光学結晶
１０で偏光変化を受けて発生増加したＰ偏光の増加に対
応する信号である。したがって、ＰＤ−Ｓ２７で光電変
換された電気信号と、ＰＤ−Ｐ２８で光電変換された電
気信号とは、逆相で変化しているので、差動アンプ２９
で差動増幅された電気信号は信号成分が増幅された状態
となっている。

【００４０】この信号成分の増幅は、図８に示すよう
に、実施の形態１のミリ波イメージングシステムのよう
にＰＤ−Ｌ５１つで光電変換した電気信号に比較して２
倍になる。図６は、差動アンプ２９で出力された電気信
号をスペクトルアナライザで測定した結果であり、６４
ｋＨｚに検出されるピークは、「差動検出ＯＦＦ」のス
ペクトルに比較して、「差動検出ＯＮ」のスペクトルの
方が２倍となっている。ＰＤ−Ｓ２７に入射するパルス
光とＰＤ−Ｐ２８に入射するパルス光の光強度雑音は逆
相となっていないので、差動アンプ２９で差動増幅され
た電気信号は、レーザ４ａからのレーザ強度雑音などが
大幅に低減されている。この雑音の低減も、図８から明
かであり、６４ｋＨｚ以外の周波数のピークが、「差動
検出ＯＦＦ」のスペクトルに比較して「差動検出ＯＮ」
のスペクトルの方が小さい。

【００４１】以上のことにより、差動アンプ２９から出
力された電気信号は、実施の形態１で説明したように、
試料物体１３を通過してきたミリ波を周波数差Δｆの周
波数にダウンコンバートした、試料物体１３を通過する
ことで発生した位相差Δφを有している。そして、ロッ
クインアンプ１５は、差動アンプ２９から出力された位
相差Δφを有している電気信号を、第３の正弦波発生器
３より得た周波数差Δｆの周波数の正弦波の電気信号と
比較することで、差動アンプ２９から出力された電気信
号より位相差Δφを取り出し、この位相差Δφのデータ
をコンピュータ１４に送る。

【００４２】この実施の形態３のミリ波イメージングシ
ステムでは、電動ステージ３１で、試料物体１３を二次
元的に移動させている。例えば、試料物体１３は、アン
テナ１２のミリ波放出部と電気光学結晶１０とを結ぶ線
を法線とする平面で移動する。一方、ロックインアンプ
１５よりコンピュータ１４に送られるデータは、ミリ波
レンズ３２ａで回折限界まで絞られたミリ波が、試料物
体１３を透過して光学結晶１０で受信されることで得ら
れたものである。つまり、ロックインアンプ１５よりコ
ンピュータ１４に送られるデータは、試料物体１３の移
動にあわせ、かつ、試料物体１３のミリ波透過領域の状
態に対応して変化している。

【００４３】コンピュータ１４は、電動ステージ３１を
制御して第１の位置まで移動させ、この電動ステージ３
１の位置で固定された試料物体１３上の一点を通過した
ミリ波の強度と位相に関するデータを、ロックインアン
プ１５より受け取り第１のデータとして保持する。第１
のデータを保持したコンピュータ１４は、電動ステージ
３１を制御して第１の位置より所定距離離れた第２の位
置まで移動させ、この電動ステージ３１の位置で固定さ
れた試料物体１３上の一点を通過したミリ波の強度と位
相に関するデータを、ロックインアンプ１５より受け取
り第２のデータとして保持する。

【００４４】第２のデータを保持したコンピュータ１４
は、電動ステージ３１を制御して第２の位置より所定距
離離れた第３の位置まで移動させ、この電動ステージ３
１の位置で固定された試料物体１３上の一点を通過した
ミリ波の強度と位相に関するデータを、ロックインアン
プ１５より受け取り第３のデータとして保持する。引き
続き、コンピュータ１４は、第４の位置で第４のデータ
を得て保持し、第５の位置で第５のデータを得て保持
し、これら動作を第ｎの位置で第ｎのデータを得るまで
繰り返す。そして、コンピュータ１４は、保持した第１
のデータから第ｎのデータを、第１の位置から第ｎの位
置までで形成される平面に対応させて組み合わせ、試料
物体１３のミリ波偏光分布画像およびミリ波胸部分布画
像を形成する。

【００４５】図９は、この実施の形態３のミリ波イメー
ジングシステムで得た試料物体のミリ波強度分布画像
（ａ）とミリ波偏光分布画像（ｂ）とを示すコンピュー
タ画像（２×２mm/pixel）である。なお、試料物体に照
射したミリ波の周波数は、６０．００００６４ＭＨｚと
した。試料物体は、厚い紙の間に挟まれた木の葉であ
る。木の葉を挟んだ紙は十分に厚いので、人間の目では
隠された葉を見ることはできない。一方、上記の６０．
００００６４ＭＨｚのミリ波は紙を透過する。しかし、
このミリ波は、水分を含んだ木の葉によって減衰を受け
るので、木の葉の存在がミリ波の影としてはっきり認識
できる。

【００４６】ところが、ミリ波強度分布画像（ａ）では
木の葉の葉脈などの形状は認識できない。これに対し、
ミリ波偏光分布画像（ｂ）では、木の葉の葉脈も認識で
きる。この図９（ａ）と図９（ｂ）の比較から明らかな
ように、従来のミリ波イメージングシステムでは観察で
きなかったものが、この発明のミリ波イメージングシス
テムでは観察可能になる。なお、上記の実施の形態１〜
３では、試料物体を透過したミリ波を電気光学結晶で受
信する構成としたが、試料物体を反射するミリ波を電気
光学結晶で受信する構成としてもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、第
１の周波数の逆数の周期の第１のパルス光を出力するパ
ルス光源と、第１の周波数の自然数倍に第１の周波数と
異なる第２の周波数を加えたミリ波帯周波数の正弦波電
磁波を生成して測定対象の物体に放出する電磁波放出手
段と、この電磁波放出手段からの正弦波電磁波が物体を
透過もしくは反射した結果得られた測定電磁波を受け
て、この測定電磁波の電界変化に対応してパルス光源か
らの第１のパルス光を偏光変化して第２のパルス光とす
る光変調手段と、この光変調手段からの第２のパルス光
の偏光変化を強度変化に変換して第３のパルス光とする
強度変換手段と、この強度変換手段からの第３のパルス
光を第３のパルス光のパルス列の包絡線で示される電気
信号に光電変換する光電変換手段と、この光電変換手段
からの電気信号と第２の周波数の参照正弦波との間の位
相の差を検出するデータ抽出手段と、このデータ抽出手
段が検出した位相の差より物体の像を形成する画像検出
手段とを備えるようにした。

【００４８】したがって、この発明によれば、光変調手
段で第１のパルス光を測定電磁波の電界変化に対応して
偏光変化して第２のパルス光とし、強度変換手段で第２
のパルス光を強度変化に変換した第３のパルス光とし、
この第３のパルス光のパルス列の包絡線で示される電気
信号を光電変換手段で得るようにしたので、光電変換手
段で得られた電気信号は、測定電磁波の周波数を第２の
周波数に変換したものに等しくなる。つまり、データ抽
出手段で得られる、光電変換手段で得られた電気信号と
第２の周波数の参照正弦波との間の位相の差は、測定電
磁波が測定対象の物体の誘電率分布により受けた位相変
化に対応する。この結果、この発明によれば、測定対象
の物体の誘電率分布を可視化できるので、生体試料など
のミリ波の透過・反射率分布が物体を構成する各部分で
ほとんど一定である対象であっても、より細部まで認識
可能なコントラストの高い像を得ることのできるように
なる。

【００４９】また、この発明では、第１の周波数の逆数
の周期の第１のパルス光を出力するパルス光源と、第１
の周波数の自然数倍に第１の周波数と異なる第２の周波
数を加えたミリ波帯周波数の正弦波電磁波を生成して測
定対象の物体に放出する電磁波放出手段と、この電磁波
放出手段からの正弦波電磁波が物体を透過もしくは反射
した結果得られた測定電磁波を受けて、この測定電磁波
の電界変化に対応してパルス光源からの第１のパルス光
を偏光変化して第２のパルス光とする光変調手段と、こ
の光変調手段からの第２のパルス光を光変調器の偏光変
化により強度が減少した第１の偏光成分と、第１の偏光
成分と偏光方向が９０°異なる第２の偏光成分とに分離
する偏光分離手段と、この偏光分離手段で分離された第
１の偏光成分を第１の偏光成分のパルス列の包絡線で示
される第１の電気信号に変換する第１の光電変換手段
と、偏光分離手段で分離された第２の偏光成分を第２の
偏光成分のパルス列の包絡線で示される第２の電気信号
に変換する第２の光電変換手段と、第１の光電変換手段
が変換した第１の電気信号と第２の光電変換手段が変換
した第２の電気信号を差動増幅して第３の電気信号とす
る増幅手段と、この増幅手段からの第３の電気信号と第
２の周波数の参照正弦波との間の位相の差を検出するデ
ータ抽出手段と、このデータ抽出手段が検出した位相の
差より物体の像を形成する画像検出手段とを備えるよう
にした。

【００５０】したがって、この発明によれば、第２のパ
ルス光の第１の偏光成分と第１の偏光成分と偏光方向が
９０°異なる第２の偏光成分とを、それぞれ第１の光電
変換手段と第２の光電変換手段とで第１と第２の電気信
号に変換し、増幅手段で第１の電気信号と第２の電気信
号を差動増幅して第３の電気信号としたので、この第３
の電気信号は、測定電磁波の周波数を第２の周波数に変
換したものに等しくなる。つまり、データ抽出手段で得
られる、光電変換手段で得られた第３の電気信号と第２
の周波数の参照正弦波との間の位相の差は、測定電磁波
が測定対象の物体の誘電率分布により受けた位相変化に
対応する。この結果、この発明によれば、測定対象の物
体の誘電率分布を可視化できるので、生体試料などのミ
リ波の透過・反射率分布が物体を構成する各部分でほと
んど一定である対象であっても、より細部まで認識可能
なコントラストの高い像を得ることのできるようにな
る。また、第３の電気信号は、測定電磁波が測定対象の
物体の誘電率分布により受けた位相変化に対応する信号
成分が増幅され、この信号成分以外の雑音が低減され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態におけるミリ波イ
メージングシステムの構成を示す構成図である。

【図２】 試料物体の誘電率分布によりミリ波に発生す
る位相差を示す説明図である。

【図３】 図１のミリ波イメージングシステムにおけ
る、ミリ波とパルス光の変化とＰＤ−Ｌ５から出力され
る電気信号を示す説明図である。

【図４】 本発明の第２の実施の形態におけるミリ波イ
メージングシステムの構成を示す構成図である。

【図５】 図４のミキサ１８とバンドパスフィルタ１９
を示す構成図である。

【図６】 本発明の第３の実施の形態におけるミリ波イ
メージングシステムの構成を示す構成図である。

【図７】 図６の偏光検出部２６の構成を示す構成図で
ある。

【図８】 図６の差動アンプ２９の出力信号をスペクト
ルアナライザで測定した結果を示す特性図である。

【図９】 実施の形態３のミリ波イメージングシステム
で検出した木の葉のコンピュータ画像である。

【図１０】 従来のミリ波イメージングシステムの構成
を示す図である。

【符号の説明】

１…第１の正弦波発生器、２…第２の正弦波発生器２、
３…第３の正弦波発生器３、４…レーザ、５…フォトダ
イオード(ＰＤ−Ｌ)、６…偏光ビームスプリッタ(ＰＢ
Ｓ)、７…１／２波長板(ＨＷＰ)、８…１／４波長板(Ｑ
ＷＰ)、９…鏡、１０…電気光学結晶、１１…光反射
膜、１２…アンテナ、１３…試料物体、１４…コンピュ
ータ、１５…ロックインアンプ、１６…ミリ波。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 品川 満 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 AA05 AA10 EE05 EE11 GG01 GG04 GG08 GG09 JJ13 JJ20 JJ22 JJ30 KK01 KK04 MM01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の周波数の逆数の周期の第１のパル
   ス光を出力するパルス光源と、 前記第１の周波数の自然数倍に前記第１の周波数と異な
   る第２の周波数を加えたミリ波帯周波数の正弦波電磁波
   を生成して測定対象の物体に放出する電磁波放出手段
   と、 この電磁波放出手段からの正弦波電磁波が前記物体を透
   過もしくは反射した結果得られた測定電磁波を受けて、
   この測定電磁波の電界変化に対応して前記パルス光源か
   らの第１のパルス光を偏光変化して第２のパルス光とす
   る光変調手段と、 この光変調手段からの第２のパルス光の偏光変化を強度
   変化に変換して第３のパルス光とする強度変換手段と、 この強度変換手段からの第３のパルス光を前記第３のパ
   ルス光のパルス列の包絡線で示される電気信号に光電変
   換する光電変換手段と、 この光電変換手段からの電気信号と前記第２の周波数の
   参照正弦波との間の位相の差を検出するデータ抽出手段
   と、 このデータ抽出手段が検出した位相の差より前記物体の
   像を形成する画像検出手段とを備えたことを特徴とする
   ミリ波イメージングシステム。
2. 【請求項２】 第１の周波数の逆数の周期の第１のパル
   ス光を出力するパルス光源と、 前記第１の周波数の自然数倍に前記第１の周波数と異な
   る第２の周波数を加えたミリ波帯周波数の正弦波電磁波
   を生成して測定対象の物体に放出する電磁波放出手段
   と、 この電磁波放出手段からの正弦波電磁波が前記物体を透
   過もしくは反射した結果得られた測定電磁波を受けて、
   この測定電磁波の電界変化に対応して前記パルス光源か
   らの第１のパルス光を偏光変化して第２のパルス光とす
   る光変調手段と、 この光変調手段からの第２のパルス光を前記光変調器の
   偏光変化により強度が減少した第１の偏光成分と、前記
   第１の偏光成分と偏光方向が９０°異なる第２の偏光成
   分とに分離する偏光分離手段と、 この偏光分離手段で分離された第１の偏光成分を前記第
   １の偏光成分のパルス列の包絡線で示される第１の電気
   信号に変換する第１の光電変換手段と、 前記偏光分離手段で分離された第２の偏光成分を前記第
   ２の偏光成分のパルス列の包絡線で示される第２の電気
   信号に変換する第２の光電変換手段と、 前記第１の光電変換手段が変換した第１の電気信号と前
   記第２の光電変換手段が変換した第２の電気信号を差動
   増幅して第３の電気信号とする増幅手段と、 この増幅手段からの第３の電気信号と前記第２の周波数
   の参照正弦波との間の位相の差を検出するデータ抽出手
   段と、 このデータ抽出手段が検出した位相の差より前記物体の
   像を形成する画像検出手段とを備えたことを特徴とする
   ミリ波イメージングシステム。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のミリ波イメージ
   ングシステムにおいて、 前記第１の周波数の第１の正弦波を生成する第１の正弦
   波発生器と、 前記第１の周波数の自然数倍に前記第２の周波数を加え
   たミリ波帯周波数の第２の正弦波を前記第１の正弦波発
   生器に同期して生成する第２の正弦波発生器と、 前記参照正弦波を前記第１の正弦波発生器に同期して生
   成する第３の正弦波発生器とを備え、 前記パルス光源は前記第１の正弦波を用いて前記第１の
   周波数のパルス光を出力し、 前記電磁波放出手段は前記第２の正弦波を用いて前記正
   弦波電磁波を生成することを特徴とするミリ波イメージ
   ングシステム。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載のミリ波イメージ
   ングシステムにおいて、 前記第１の周波数の第１の正弦波を生成する第１の正弦
   波発生器と、 前記第１の周波数の自然数倍に前記第２の周波数を加え
   たミリ波帯周波数の第２の正弦波を前記第１の正弦波発
   生器に同期して生成する第２の正弦波発生器と、 前記パルス光源からの第１のパルス光の一部を光電変換
   してパルス信号とする部分光電変換手段と、 この部分光電変換手段からのパルス信号と前記第２の正
   弦波発生器からの第１の正弦波とから前記第２の周期の
   参照正弦波を生成する参照正弦波生成手段とを備え、 前記パルス光源は前記第１の正弦波を用いて前記第１の
   周波数のパルス光を出力し、 前記電磁波放出手段は前記第２の正弦波を用いて前記正
   弦波電磁波を生成することを特徴とするミリ波イメージ
   ングシステム。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか一項に記載の
   ミリ波イメージングシステムにおいて、 前記第１および第２のパルス光は光ファイバで伝搬され
   ることを特徴とするミリ波イメージングシステム。