JP2006242764A - ミリ波イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的なミリ波照射方法を与える。
【解決手段】ミリ波イメージング装置は、ミリ波光源１、誘電体導波路２、結像光学系３および検波器アレイ４を備える。結像光学系３としては、例えば単一の誘電体凸レンズやフレネル帯板あるいは複数のレンズの組み合わせが考えられる。いずれにしても結像光学系３には入射ミリ波が伝搬方向を変化されない主軸３ａ（図１ではこれを点線で示す）が存在する。検波器アレイ４はこの主軸３ａ上に中心が配置され、結像光学系３を介して伝搬してくるイメージングの対象物１０からの散乱信号を検出する機能を果たす。対象物１０にはミリ波を照射する必要が生ずるが、このソースとしてミリ波光源１を主軸３ａから外れた配置に設ける。ミリ波光源１より与えられるミリ波は誘電体導波路２に入力され、その出力が主軸３ａ上から結像光学系３に至るように、誘電体導波路２が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、効率的なミリ波照射方法を与えるミリ波イメージング装置に関する。

可視光に対して不透明なある種の媒質は、周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚにあるミリ波帯電磁波に対しては半透明に振る舞う。こうした媒質には、人間が身にまとう衣類、住宅建材として使用される木材などがある。たとえば、危険物を見に潜ませた人物を特定する際に、あるいは木造住宅中に潜むシロアリ食害を特定する際に、かかる電磁波を使用した非破壊検査技術が確立されるならば、その有用性はきわめて大きい。

媒質を透視する技術には、Ｘ線ＣＴ、超音波イメージング、核磁気共鳴イメージングなどが挙げられる。Ｘ線ＣＴによる場合、Ｘ線の透過能が大きいゆえに、媒質よりの反射信号を検知することがむずかしく、Ｘ線発生装置とＸ線検知装置を対向して配置する必要が生じる。媒質透視を行うにあたって、反射信号を検知が可能となれば、単一の送受信器による簡素なシステム構成が可能であり、適用領域の拡大という観点からも強く望まれるところである。また、得られた像は実像の空間スペクトルに該当し、適当な画像処理を介して初めて人が理解できる像となる。像処理を必ず必要とすることもシステム規模の簡素化が難しいものとなる要因をなしている。システム規模の大なることは超音波イメージング、核磁気共鳴イメージングにおいても同様であって、万人が容易に使用することのできるような簡素な透視技術を提供することが求められる。Ｘ線はまた健康被害の恐れのあることも欠点といえる。

ミリ波帯電磁波は周波数がＸ線、可視光に比し、格段に小さく、媒質を傷つける恐れはまずもってない。また、反射信号を受けて透視像を得ることが可能であり、大変魅力的なイメージング手法といえる。ミリ波帯電磁波を媒質に照射する際には、なるべく開口の大きなアンテナを単独で用いる形態と、アンテナから放射された電磁波を結像レンズ系を用いて媒質中に結像させる形態の二つが考えられる。前者では実像のフーリエ像が得られるために逆フーリエ変換を施す画像処理が不可避となる。内部の散乱過程がＸ線の場合のように先験的にわからないため、人間による恣意が介在してしまう。後者の場合には結像点の実像がそのまま得られるため、透視像の解釈に恣意が介在しない。さて一方、ミリ波帯電磁波信号検知は、ミリ波帯信号をアンテナによって受信の後、ショットキダイオードに代表される非線形素子を用いて、包絡線二乗検波もしくはヘテロダイン検波を行う。媒質の異なる点の像を得るためには、検波器の配置を走査するか、もしくは、検波器アレイを構築して撮像の一括化を行う必要が生じる。大開口アンテナを単独で用いる際には比較的素直な検出器の走査／アレイ化（特許文献１、非特許文献１）が可能である。一方の結像レンズ系による場合には、ミリ波帯電磁波送受信器が大規模なものになるためその重量が増加し、走査する際には走査時間が大となり、また、レンズ系を含めてアレイ化を施すならば、空間的余裕に困難が生じ、あるいは集積回路化の原理的に難しいレンズ系を複数必要とすることはコストの観点からも困難を呈する。

得られる画像の解釈が容易な結像レンズ系を伴うミリ波イメージングシステムにおいて、効率的な検出器走査方法あるいはアレイ化方法が与えられれば、非常に多くの場で利益を与えることが可能となる。

ところで、物体にミリ波を照射し、その反射なり散乱なりの信号を検波する方式においては、物体にどのようにミリ波を照射するかが、重要な技術課題となる。ミリ波の伝搬方向が、検波するたとえば検波アレイをレンズ主軸上に配する場合、その間にミリ波照射部を配置すると、検波信号を大いにかく乱し、適正なイメージングを実現することが困難となってしまう。これは、ミリ波照射部が金属を主たる構成素材として用いており、検波すべきミリ波を遮蔽するためである。この作用を排除するためにミリ波照射部を光学系主軸より外して配置すると、照射ミリ波の伝搬方向と、検波ミリ波の伝搬方向が一致しないことになり、レンズ系の伝達関数ためポイントスプレッド関数が理想的なガウス関数的形状から尾を引いた彗星の如き形状へと変化してしまい、撮像結果に著しい歪みが生じてしまう。物体内部のイメージングにおいては一層の困難がつきまとい、ミリ波照射部を主軸より外すことは難しい。こうした状況から、主軸上でのミリ波照射のための工夫が報告されているが、あるものはミリ波偏波や周波数に敏感な系となっており、汎用的とはいいがたい。
特開平０７−１３４１７４号公報 木村他、「マイクロ波イメージング装置」

本発明は、上述した困難を排除すべくなされたものであり、効率的なミリ波照射方法を与えることに成功するミリ波イメージング装置を得ることを課題とする。

本発明の請求項１は、ミリ波光源と、結像光学系と、検波器と、誘電体導波路を備え、前記結像光学系により一意に定められる主軸上に前記検波器が配置され、前記ミリ波光源は前記主軸から外れた位置に配置され、当該ミリ波光源のミリ波が前記誘電体導波路に入力され、当該誘電体導波路よりミリ波が出力される端点が、前記主軸上の前記検波器と前記結像光学系との間に配置されることを特徴とするミリ波イメージング装置を用いることによって上述する課題を解決する。

本発明の請求項１は、ミリ波光源と、結像光学系と、検波器と、誘電体導波路を備え、結像光学系により一意に定められる主軸上に検波器が配置され、ミリ波光源は前記主軸から外れた位置に配置され、当該ミリ波光源のミリ波が前記誘電体導波路に入力され、当該誘電体導波路よりミリ波が出力される端点が、主軸上の検波器と結像光学系との間に配置されていることで、ミリ波電界のかく乱が防止され、よって効率的なミリ波照射方法を与えることに成功する。

本発明の請求項２は、前記端点がテーパー状をなすことを特徴とする請求項１記載のミリ波イメージング装置を用いることによって上述する課題を解決する。

本発明の請求項２は、端点をテーパー状とすることで、ミリ波を誘電体導波路から自然に放出させる。

本発明の請求項３は、前記誘電体導波路が可撓性を有することを特徴とする請求項１または２記載のミリ波イメージング装置を用いることによって上述する課題を解決する。

本発明の請求項３は、誘電体導波路に可撓性をもたせることで、誘電体導波路中にミリ波を閉じ込めたまま、ミリ波の伝搬方向を変化させる。

本発明の請求項４は、前記誘電体導波路とで方向性結合器を構成する誘電体導波路と該誘電体導波路に接続された電波吸収体とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のミリ波イメージング装置を用いることによって上述する課題を解決する。 本発明の請求項４は、誘電体導波路とで方向性結合器を構成する誘電体導波路と該誘電体導波路に接続された電波吸収体とを備えることで、副次的に検知した反射ミリ波信号を電波吸収体で吸収してミリ波光源を保護する。

本発明によれば、結像光学系により一意に定められる主軸上に検波器が配置され、ミリ波光源は前記主軸上に配置されず、当該ミリ波光源よりの出力ミリ波が誘電体導波路に入力され、当該誘電体導波路よりミリ波が出力される端点を、主軸上の検波器と結像光学系との間に配置することで、ミリ波電界のかく乱が防止され、よって効率的なミリ波照射方法を与えることに成功する。

以下、図１から図５を用いて、本発明に係るミリ波イメージング装置の実施の形態を説明する。

図１には本発明の実施の形態に係る構成を示す。

本実施の形態のミリ波イメージング装置は、ミリ波光源１、誘電体導波路２、結像光学系３および検波器アレイ４を備える。結像光学系３としては、例えば単一の誘電体凸レンズやフレネル帯板あるいは複数のレンズの組み合わせが考えられる。いずれにしても結像光学系３には入射ミリ波が伝搬方向を変化されない主軸３ａ（図１ではこれを点線で示す）が存在する。検波器アレイ４はこの主軸３ａ上に中心が配置され、結像光学系３を介して伝搬してくるイメージングの対象物１０からの散乱信号を検出する機能を果たす。対象物１０にはミリ波を照射する必要が生ずるが、このソースとしてミリ波光源１を主軸３ａから外れた位置に設ける。ミリ波光源１より与えられるミリ波は誘電体導波路２に入力され、その出力が主軸３ａ上から結像光学系３に至るように、誘電体導波路２が配置される。誘電体導波路２の属性を明らかにするために図２を設けた。

誘電体導波路２とは、比誘電率が１とは異なる誘電体からなるロッドである。イメージングのために使用するミリ波周波数は既知であり、その周波数に応じて断面形状を設計することによってミリ波をその内部に閉じ込めたまま導波せしめることに成功する。

図２（ａ）に示すように、誘電体導波路２のミリ波が出力される端点にテーパー状の部分（テーパー部）を設けると、内部に閉じて存在するミリ波が自然に空気中へと放出される。こうして誘電体導波路２内を伝搬するミリ波を自由空間へと放出せしめる機構を作ることができる。

図２（ｂ）には、誘電体導波路２のベンド（撓り）の例を示した。誘電体導波路２は、可撓性を有するものを使用することで、曲げの曲率半径に下限は存在するもの、誘電体導波路２中にミリ波を閉じ込めたまま、伝搬方向を変化させることに成功する。

本実施の形態では、誘電体導波路２のこうした要素的な性質を用いて、ミリ波光源１からの出力を主軸３ａ上より自由空間に放出せしめ、効率的に対象物に照明を供することが可能となっている。

ミリ波光源１は金属を伴った構造を持つために、主軸３ａ上に配置すると、検出されるべきミリ波を著しくかく乱してしまうが、誘電体導波路２を介することで、そして誘電体導波路２として、比較的誘電率の小さい誘電体、例えば誘電率が１．５程度であるテフロン（登録商標）などを材料とすることによって、ミリ波電界をかく乱することなく、それを主軸上に存在させることができる。

さて、主軸上にミリ波照明部を設けることの価値を主張するために、図３を用意する。図３には、ミリ波照明光の伝搬方向とミリ波検波光の伝搬方向が一致しない場合の困難を示している。

図３（ａ）には表層イメージングを行う際に特に問題となる困難を、また図３（ｂ）には深層イメージングを行う際に特に問題となる困難を示す。

図３（ａ）のように、ミリ波照明光が斜めから入射されている場合、スネルの法則に従って、対象物表面の法線に対して対向する方向で検波を行う必要が生ずる。対象物表面の法線上にミリ波検波のためのレンズ系が配置されている限りは、レンズと対象物表面が平行位置にあり、レンズの伝達関数たるポイントスプレット関数（PSF=Point spread function）は円形をなす。一方、レンズと対象物表面が平行位置にない、斜め方向でのミリ波検波の場合には、傾いた側に尾を引く彗星のような形状にＰＳＦが至り、撮像結果に著しい歪みが生じてしまう。こうした困難は洗練された画像処理によって回復することが可能である場合も考えられるが、ＰＳＦが理想的な円形である方が好ましいことはいうまでもない。さらに画像処理によっても回復の難しい困難が深層イメージングの場合に生じる。

これを図３（ｂ）に示した。いま、対象物深層部に位置する欠陥に注目する。欠陥に照射ミリ波があたり散乱されるものとする。このとき、図３（ｂ）に示すような形態で、果たしてミリ波の回折現象が顕著でない場合においても対象物内のミリ波の多重散乱によって、欠陥よりの散乱光がミリ波検波のためのレンズの視野内に回り込むことになる。本来、欠陥が存在しない部位での欠陥の検知がこの場合なされてしまうのである。対象物内での多重散乱を先験的に予想することは不可能であり、斜めからのミリ波検波は実効性の乏しい方法であることが知られる。ミリ波照明光と検波光の伝搬方向が一致する限りは多重散乱によるミリ波の伝搬経路が対象物内の単一の直線から外れることはなく、かかる困難を生じないことを付記する。

こうした事情によって、ミリ波検波部と結像レンズ系の間にあって主軸上からのミリ波照明部を与えることがとても重要になる。このための方式を図４に示す。

図４（ａ）は、検波器と結像レンズ系の間に４５度の角度を与えたポラライザを配置して、ミリ波光源の出力をこのポラライザによって結合するという方式である。ミリ波帯におけるポラライザは図４（ｂ）に示すように、金属プレート上にミリ波波長に比べて十分に小さい間隔である方向にスリットを設けるものである。直線偏波にあるミリ波の偏波方向がこのスリットと直交する場合に透過し、平行する場合に反射されると云う性質をもつ。そこで、この方式では、ミリ波光源より照射されるミリ波の偏波をポラライザのスリットと平行させることで反射させ、結像レンズ系を介して対象物に照射せしめる。対象物にあたり、偏波状態の変化を伴う反射ミリ波が与えられれば、このたびは、ポラライザを透過する成分が存在し検波器において検知される。一方また、周波数フィルタを用いた方式が図４（ｃ）である。

上記した方式のポラライザのかわりに周波数フィルタを配置するものである。ミリ波帯の周波数フィルタは図４（ｄ）に示すように、ある周波数で共振するアンテナがフィルムの上に複数配列される体裁のものである。いまの場合にはさらに周波数逓倍を行う非線形素子がアンテナに接続して配置され、逓倍周波数のミリ波が生成／放射され、対象物へと向かう必要がある。ターゲットからの反射信号は周波数フィルタを透過して、検波器へと向かう。すみやかに理解されるところであるが、まずポラライザを用いる方式では対象物にミリ波偏波を変化させる性質が伴っていなければならない。任意の対象物がこの性質を有するものではなく、適用限界が自ずと生ずる。周波数フィルタを用いる方式では微細ながらフィルム上のアンテナなり非線形素子は金属からなっており、検知すべきミリ波へのかく乱が少なからず生じてしまう。またこうした周波数フィルタは高価でありまた歩留まりを確保することが万人に対して簡単ではない。

これに対して本実施の形態では、誘電体導波路という簡便で安価な仕組みによって、ミリ波照明を主軸上に与えることで、ミリ波の偏波にも周波数にも特に制限を与えない撮像システムを与えることに成功する。

図５に一例を示す。誘電体導波路はミリ波電界へのかく乱を軽微としたまま柔軟に引き回すことができる。図５（ａ）ではミリ波光源１を主軸３ａから大きく離し、可撓性を有するベンド部２１とテーパー状のテーパー部２２とを持った単一の誘電体導波路２で光源出力を主軸３ａ上より照明する機構を与えている。

ミリ波光源への信号の戻りが顕著であると、その動作に不具合の生ずる場合があるので、図５（ｂ）に示すように、例えば、誘電体導波路２と誘電体導波路２Ａとで方向性結合器２５を構成するとともに、誘電体導波路２Ａに電波吸収体２０を接続し、副次的に検知した反射ミリ波信号を電波吸収体２０で吸収してミリ波光源１の保護をなすなどの工夫も随意である。

以上のように、本実施の形態では、検波器と結像光学系との間にミリ波照射系を配置する構成をとることによって、照射ミリ波の伝搬方向と検波ミリ波の伝搬方向を一致させる。また、ミリ波照射のためにミリ波擾乱作用の小さい誘電体のみからなる誘電体導波路部を用いることで、検波ミリ波に対する擾乱を小さくすることに成功し、アレイ化を可能とする有効なミリ波イメージング装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る構成を説明する図である。 誘電体導波路を説明する図であり、詳しくは、図２（ａ）は、誘電体導波路を用いたアンテナを表す図であり、図２（ｂ）は、誘電体導波路を用いた伝搬方向の曲げを表す図である。 ミリ波を検波系に対して斜めに入射する場合の困難を説明する図であり、詳しくは、図３（ａ）は、表層イメージングに特徴的な困難を示す図であり、図３（ｂ）は、深層イメージングに特徴的な困難を示す図である。 ミリ波アクティブイメージング手法を示す図である。 本実施の形態に係る実施例を示す図であり、図５（ａ）は、単一の誘電体導波路を用いる場合を示す図であり、図５（ｂ）は、誘電体導波路を用いた方向性結合器を用いる場合を示す図である。

符号の説明

１…ミリ波光源
２…誘電体導波路
３…結像光学系
３ａ…主軸
４…検波器アレイ
１０…対象物
２０…電波吸収体
２１…ベンド部
２２…テーパー部
２５…方向性結合器

Claims (4)

1. ミリ波光源と、結像光学系と、検波器と、誘電体導波路を備え、前記結像光学系により一意に定められる主軸上に前記検波器が配置され、前記ミリ波光源は前記主軸から外れた位置に配置され、当該ミリ波光源のミリ波が前記誘電体導波路に入力され、当該誘電体導波路よりミリ波が出力される端点が、前記主軸上の前記検波器と前記結像光学系との間に配置されることを特徴とするミリ波イメージング装置。
2. 前記端点がテーパー状をなすことを特徴とする請求項１記載のミリ波イメージング装置。
3. 前記誘電体導波路が可撓性を有することを特徴とする請求項１または２記載のミリ波イメージング装置。
4. 前記誘電体導波路とで方向性結合器を構成する誘電体導波路と該誘電体導波路に接続された電波吸収体とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のミリ波イメージング装置。

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