JP2007510133A - ミリメートルおよびサブミリメートル撮像装置 - Google Patents

Abstract

テラヘルツカメラは、固定対物レンズ（２）と、対物レンズ（２）の焦点面に配置された複数の検出器（３）とを有する。各々の検出器（３）は、アンテナが対物レンズ（２）の焦点面を横切って移動することができるように可動支持体（１０）上に装着され、検出器（３）の出力を信号処理手段と接続するために可撓性導波管（４）を具備する。各検出器（３）はまた、テラヘルツ周波数以外の周波数を反射する再帰反射体（６）をも具備する。カメラの使用中に、各検出器（３）の空間的位置、すなわち検出器によって生成される信号の空間的発生源を正確に識別することができるように、各検出器（３）の再帰反射体（６）は非テラヘルツ周波数で照射される。テラヘルツカメラは、セキュリティ設備ならびに化学および食品処理産業で使用するのに特に適している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、外気温度で動作することのできるミリメートルおよびサブミリメートル波長走査カメラに関するが、それに限定されない。

マイクロ波と赤外光との間に位置し、テラヘルツ放射とも呼ばれるサブミリメートル放射は、紙および布を透過できることが知られている。したがってこの波長範囲は、現在Ｘ線が空港のセキュリティに使用されているのとほぼ同様の仕方で、隠匿された金属製および非金属製の武器を見つけるために使用することができるので、テロリスト活動の増大する脅威に対抗するのに有用なツールであることが確認されている。テラヘルツ放射はまた天文学の研究にも役立ち、異なる生体分子は異なる周波数のテラヘルツ放射を吸収するので、生物学的物質の分光分析にも役立つことが知られている。最上皮層を透過するその能力は、テラヘルツ放射が皮膚がんの識別および分析にも使用される可能性をも示唆している。

テラヘルツスペクトルの周波数下端で、放射は、電波が検出されるのと同じ方法で、空中線を使用して検出することができる。しかし、０．１ＴＨｚでさえも、空中線は長さがわずか１ｍｍしかなく、周波数が増大するにつれて、空中線のサイズは減少する。国際公開第ＷＯ９８／４３３１４号（特許文献１）には、ミリメートルおよびサブミリメートルホーンアンテナを作製する方法が記載されており、そこでは、最初にホーンアンテナの半分の形状の型が、基板上にレジストを使用して作成される。レジストはアンテナの所望の形状にエッチングされ、次いでレジスト型の表面がメタライズされる。その後、レジストは除去されるので、残るのはホーンアンテナの半分の形の金属層だけである。次いで、二個のそのようなメタライズ構造を一つに結合して完全なホーンアンテナを形成することができる。この技術は、それ以前の場合よりさらにいっそう複雑なホーンアンテナの構造を作製することを可能にする。
国際公開第ＷＯ９８／４３３１４号

本発明は、ミリメートルおよびサブミリメートル波長での撮像に特に適し、かつこれらの波長での既存の走査撮像システムより改善された解像度を提供することのできる、走査撮像装置を提供しようと努めるものである。

本発明の第一の側面によれば、ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の第一群の波長で画像を生成するための撮像装置であって、焦点面に試料の画像を生成するためのレンズシステムと、レンズシステムの焦点面に配置されたアンテナおよび関連信号処理手段を各々備えた一つまたはそれ以上の検出器と、一つまたはそれ以上のアンテナを搭載し、該一つまたはそれ以上のアンテナを焦点面を横切るように制御可能に移動させるための駆動手段を含む、一つまたはそれ以上の可動支持体と、各アンテナに装着され、前記第一群の波長とは異なる第二群の波長の放射を反射するように適応された反射体とを備えた撮像装置が提供される。

好適な実施形態では、アンテナは、可撓性導波管によって前記信号処理手段と連通する。また、好ましくは駆動手段は圧電アクチュエータを備える。

さらに、撮像装置は、前記反射体に前記第二群の波長の放射を照射するように構成された光源と、前記反射体から反射する光を検出するためのカメラとを含むことが好ましい。

本発明の第二の側面によれば、ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の波長で画像を生成するための撮像装置であって、焦点面に試料の画像を生成するためのレンズシステムと、レンズシステムの焦点面に配置されたアンテナおよび関連信号処理手段を各々備え、ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の複数の波長を検出するように適応された一つまたはそれ以上の検出器とを備えた撮像装置が提供される。

今、本発明の実施形態について、例として添付の図面を参照しながら、それに即して説明する。

図１に示すテラヘルツカメラは一般的に、試料台１と、固定対物レンズ２と、レンズ２の焦点面に配置されたアンテナ３の形の複数の検出器（図１には一つだけが図示されている）とを備える。アンテナ３の各々は、それぞれの導波管４を介して、従来のミクサ回路５、およびデータ解析システム（図示せず）を含むがそれに限らない読出し電子機器に接続される。加えて、各アンテナ３はそのアパーチャの向こう側に、光学波長の放射を反射する再帰反射体６を搭載している。ビームスプリッタ７は対物レンズ２とアンテナ３のアレイとの間に好ましくは４５°の角度で装着することが好ましく、光学光源８からの光をアンテナの各々に装着された再帰反射体６に向けるように構成される。光学光源８に付属しているのは、再帰反射体６から反射する光を検出して記録するためのＣＣＤカメラのような光学撮像装置９である。

対物レンズ２は、試料台１上の試料の像をレンズの焦点面にある検出器３に集束させるのに適した、非球面プラスチックレンズであることが好ましい。ミリメートルおよびサブミリメートル波長で像を集束させる場合、対物レンズ２の直径は１００ｍｍ程度となり、レンズの焦点距離は大体同程度となる。代替的に、レンズをオフアクシス凹面鏡に置き換えることができる。さらに、理想的には、ビームスプリッタ７は、ミリメートルおよびサブミリメートル波長の放射を実質的に透過する（つまり反射＞５％、好ましくは＞１％）ものである。ミクサ５は好ましくはヘテロダインミクサであり、電波波長に要求されるものより小寸法であるが、設計は一般的に従来通りである。

アンテナ３の各々は、対物レンズ２の焦点面を横切って移動可能な台１０上に支持される。好ましくは、図２に示すように、各々のアンテナの台１０は、対物レンズ２の焦点面を横切って相互に平行に延びるそれぞれの直線軌道１１と係合する。台１０は、台１０およびそのアンテナ３のそれらのそれぞれの軌道１１に沿った移動を制御する、それぞれの駆動アクチュエータ１２、好ましくは従来の圧電ドライブを含む。したがって、各アンテナ３は対物レンズの焦点面を横切って延びる線に沿って任意の位置を取ることができ、したがってアンテナ３の導波管４は、この移動に適応するために、可撓性の低損失誘電体導波管であることが好ましい。代替的に、可撓性金属導波管を使用することができる。

ミリメートルおよびサブミリメートル波長で撮像するために、アンテナ３は、WO98/43314に記載されているような、しかしそれに限らず、ホーンアンテナの形を取ることが好ましい。したがって各アンテナのアパーチャは約２ｍｍであり、したがって一列１６個の個別アンテナは、隣接するアンテナ間の分離を考慮して、約３５ｍｍ延びる。したがって、各アンテナに約２５ｍｍの軌道長を設けることにより、３５ｍｍ×２５ｍｍの実効焦点面面積を複数のアンテナ３によって走査することができる。アンテナの再帰反射体６によるアンテナのマスキングを低減するために、再帰反射体は長さわずか約０．２ｍｍであることが好ましい。微細加工技術を使用してアンテナを作製する場合、再帰反射体は好ましくはリソグラフィにより作製され、細いシリコンストリップ上にアンテナアパーチャを跨いで懸架される。

したがって、上述した撮像装置は、固定レンズをアンテナの走査アレイと組み合わせる。各アンテナに小さい再帰反射体を設けることにより、再帰反射体から反射される光をＣＣＤカメラ９によって撮像することによって、実効焦点面における各アンテナの正確な位置を決定することができる。これは、著しく改善された画像解像度を可能にし、加えて、アンテナのさらなる移動を制御するためにフィードバック機構で利用することができる。

上述した撮像装置は、小面積のテラヘルツ画像を積分してより高い解像度を達成することができるので、デジタルズーム機能を達成するという追加の利点を有する。

上述した撮像装置は、試料によって放出される自然テラヘルツ放射から試料の画像を生成することができる。しかし、該撮像装置は、電力増幅器および周波数三倍器と組み合わせて約８０ＧＨｚで動作するガン発振器のような外部テラヘルツ放射源によって照射される、試料を撮像するのにも適している。

上述したアンテナ３は独立して移動可能である。しかし、代替実施形態では、単一の駆動アクチュエータを使用して複数のアンテナを一緒に移動させることができるように、複数のアンテナ３を結合することができる。例えば、アンテナ３は、共通取付台上に線形アレイ状に例えば横に並んで配設することができ、次いで取付台は、線形アレイにテラヘルツレンズの焦点面を走査させるように動く。さらに、アンテナ台を軌道に沿った動きに限定することは必須ではない。軌道は省くことができ、台の駆動アクチュエータは二つ以上の方向に、あるいは事実上どの方向にでも台を駆動することができる。また、さらなる代替実施形態では、テラヘルツレンズの焦点面に存する走査領域内の任意の所望の位置にアンテナを制御可能に配置することのできる、関連駆動アクチュエータを有する台上に支持される、単一のアンテナを使用するだけでよいことは、言うまでもなく明らかである。

ここでは、レンズからアンテナへのテラヘルツ放射の経路に光学ビームスプリッタを設けることを言及したが、上述した撮像装置は、光学ビームスプリッタ無しで動作することも考えられる。この代替実施形態では、再帰反射体は、テラヘルツレンズの焦点面に対して鋭角で照射される。さらなる代替実施形態では、再帰反射体を平板またはミラーのような代替的光学反射体に置換することができる。アンテナが存する平面に対して鋭角に照射される平面鏡の場合、光学光源およびカメラは分離して、テラヘルツレンズの両側に配設することができる。

さらに、圧電駆動アクチュエータは、アンテナの動きを制御するための好適な手段であるが、本発明から逸脱することなく、代替的な機械的／電気的アクチュエータを実現することができることは、言うまでも無く明らかであろう。

材料の放射率、および特に放出される信号の強度は、周波数により変動することが知られている。さらに、周波数による放射率のこの変動は一般的に、異なる材料に対して異なる。したがって、様々な周波数で放出される放射の強度を測定し、例えばルックアップテーブルを試用して、結果を既知の材料のそれらと比較することによって、材料を識別することができる。

本発明のさらなる実施形態では、各検出器に関連する信号処理手段のミクサは、ある範囲の周波数にわたって動作するように適応される。例えば、ミクサ回路の局所的発振周波数は、検出器が複数の異なる周波数の放射を検出するように、変動させることができる。局所的発振器の周波数は、検出器が異なる離散周波数を検出するように、切り替えることができる。代替的に、局所的発振器は、検出器が同様に、ある範囲の検出周波数にわたって掃引されるように、ある範囲の発振周波数にわたって掃引することができる。

特定の材料に対し、放射率、透過および反射特性は、特定の範囲のサブミリ周波数全体でごくわずかにしか変動しない。材料間の弁別を改善するために、該撮像装置の検出器は、少なくとも１００ＧＨｚから１ＴＨｚの範囲にわたって周波数を測定するように適応させることが好ましい。広い範囲の周波数が要求される場合、単一の検出器は、掃引または切替えのどちらであろうと、所望の周波数範囲をカバーすることができない。したがって、該撮像装置は複数の検出器を備え、各検出器に関連するミクサは異なる周波数範囲で動作するように適応させることが好ましい。

複数の検出器を使用する広範囲の周波数の検出は、多数の方法で達成することができる。例えば各検出器は、所望の全周波数範囲内の異なる離散周波数または部分範囲の周波数を検出するように適応させることができる。焦点面内の個別検出器の配設または配置は、選択された周波数または部分範囲の周波数のための検出器が、焦点面全体に分布するように選択することができる。代替的に、該撮像装置は線形アレイに配設された画素検出器を備え、アレイの各画素検出器が所望の全周波数範囲内の異なる離散周波数または部分範囲の周波数を検出するように適応させることができるが、隣接する線形アレイ内の画素検出器は、対応する周波数に感応する。可動または静的とすることのできる線形アレイの積重ねを使用することにより、撮像回数を低減することができる。さらなる代替例では、特定の線形アレイ内の全ての画素検出器は、同一周波数または部分範囲の周波数を検出するように適応させることができるが、隣接するアレイの検出器は異なる周波数または部分範囲の周波数を検出するように適応される。こうして、この代替実施形態では、線形アレイを積み重ねることにより、所望の周波数全体をカバーすることができる。

様々な周波数の放射を検出し、（例えばルックアップテーブルを使用して）信号強度の変化を既知の材料のそれと比較することにより、本発明の撮像装置は、特定の物質の存在を識別するために使用することができる。例えば、該撮像装置は食品産業で使用することができ、そこで食品の状態および衛生標準を監視するために使用することができる。該撮像装置は特に、セキュリティシステムで、従来の選別法を使用して通常見えないプラスチック爆弾のような密輸品を識別するために使用するのに適している。該撮像装置のデータ分析要素は、特定の物質だけをフラッグするようにプログラムすることができ、フラッグされた材料の位置は、装置によって生成される画像上で非常に目立つように識別される。加えて、フラッグされた物質の検出は、何らかの形のアラームをトリガすることができる。

該撮像装置が、選択された物質の存在を識別するために使用される場合、画像解像度は、物質の選択性および撮像速度より重要ではないかもしれない。特に、特定の物質が存在することを知る方が、物質が厳密にどこに位置しているかより重要であるかもしれない。したがって、材料の選択性および速度の代償として、つまり検出器が適切な数および範囲の周波数をカバーすること、および画像が適正な時間枠組内に形成／集光されることを確実にして、画像解像度を犠牲にすることができる。

本発明の撮像装置は、他のカメラと同様に、撮像装置に面する対象物の表面しか撮像することができない。したがって、該撮像装置は検出器の反対側に面する対象物の表面を撮像することはできない。対象物の両面からの照射を集めるために、該撮像装置は、対象物の背後に配置された、テラヘルツ周波数を反射するミラーと共に使用することができる。対象物の上および／または下に、追加ミラーを配置することもできる。

テラヘルツ放射（一般的に１ｍｍ以下）の波長は厳密な標準の金属仕上げを必要としないので、ミラーは、アルミニウムのような従来の機械加工金属を使用して作ることができる。撮像装置に向って傾斜した一つまたはそれ以上の従来の平面鏡を使用することができる。しかし、図３に示すように、全てのテラヘルツ照射を集める能力のため、ポイントツーパラレルイメージング(point-to-parallel imaging)の凹面鏡光学系が好適である。これは、小さい試料から全ての可能な照射を集光したい場合に、特に重要である。代替的に、非球面光学系を使用することができる。さらに、対象物による陰影を回避するように、追加の光学系および／またはカメラを使用することができる。

ミラーのサイズは撮像される対象物の大きさに依存し、したがって重量積載物車両のような大きい対象物には、比較的大きいミラーが必要になる。これらの状況において、ミラーは、適切な金属反射体を被覆した成形プラスチック本体から構成することができる。

すでに上述した通り、密輸品の探知のような状況があり、そこでは物体（一塊のプラスチック爆弾のような）の存在を検知することの方が、物体を実際に撮像するより重要である。該撮像装置と共にミラーを使用することにより、異なる周波数の照射をできるだけ多く集めることが可能になる。したがって、本発明は密輸品の有無について対象物を選別するのに理想的で適している。

本発明は、空港および港湾セキュリティの特定の用途を持つことが予想され、そこでミラーおよび／またはカメラは、テラヘルツ周波数を透過する物質のパネル、例えば紙ポスターディスプレイ、厚紙またはプラスチックシートの背後に、対象物から隠すことができる。

添付する請求の範囲に記載する発明の範囲から逸脱することなく、試料台を省略すること、およびミクサとアンテナを両方がレンズの焦点面を横切って移動するように搭載するなど、上述した特定の実施形態のさらなる変形が考えられる。

本発明に係る走査テラヘルツカメラの略図である。 図１のカメラ用のアンテナのアレイを示す。 利用可能な照射の集光を増大するようにミラー光学系と共に使用した本発明に係る撮像装置を示す。

Claims (18)

1. ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の第一群の波長で画像を生成するための撮像装置であって、焦点面に試料の画像を生成するためのレンズシステムと、前記レンズシステムの前記焦点面に配置されたアンテナおよび関連信号処理手段を各々備えた一つまたはそれ以上の検出器と、一つまたはそれ以上のアンテナを搭載し、前記一つまたはそれ以上のアンテナを前記焦点面を横切るように制御可能に移動させるための駆動手段を含む、一つまたはそれ以上の可動支持体と、各アンテナに装着され、前記第一群の波長とは異なる第二群の波長の放射を反射するように適応された反射体と、を備えた撮像装置。
2. 前記アンテナは可撓性導波管によって前記信号処理手段と連通する、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記駆動手段は圧電アクチュエータを備える、請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置。
4. 前記駆動手段は前記台を三つまたはそれ以上の異なる方法に動かすように適応される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記反射体に前記第二群の波長の放射を照射させるように構成された光源をさらに備えた、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 前記反射体から反射した光を検出するためのカメラをさらに備えた、請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記光源からの光を前記反射体に向け、かつ前記反射体から前記カメラに向けるように配置されたビームスプリッタをさらに備えた、請求項５および６に記載の撮像装置。
8. 撮像される試料が前記レンズシステムと固定関係に搭載される試料台をさらに備えた、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記試料に前記第一群の波長で照射するように構成された放射源をさらに備えた、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の波長で画像を生成するための撮像装置であって、焦点面に試料の画像を生成するためのレンズシステムと、前記レンズシステムの前記焦点面に配置されたアンテナおよび関連信号処理手段を各々備え、ミリメートルおよびサブミリメートル範囲の複数の波長を検出するように適応された一つまたはそれ以上の検出器とを備えた撮像装置。
11. 各検出器はある範囲の波長を検出するように適応された、請求項１０に記載の撮像装置。
12. 各検出器は単一波長を検出するように適応され、前記撮像装置は、異なる波長を検出するように適応された少なくとも二つの検出器を備える、請求項１０に記載の撮像装置。
13. 前記検出器は１００ＧＨｚから１ＴＨｚの範囲の周波数を検出するように適応される、請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の撮像装置。
14. 各検出器は異なる周波数または周波数範囲を検出するように適応される、請求項１０ないし１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
15. 前記アンテナは、選択された周波数または周波数範囲を検出するように適応された検出器が前記焦点面全体に分布するように、前記焦点面内に配置される、請求項１０ないし１４のいずれか一項に記載の撮像装置。
16. 前記撮像装置は複数の検出器を備え、前記アンテナは線形アレイとして構成される、請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載の撮像装置。
17. 前記アンテナは線形アレイの積重ねとして構成される、請求項１６に記載の撮像装置。
18. 前記一つまたはそれ以上のアンテナを搭載し、前記一つまたはそれ以上のアンテナを前記焦点面を横切るように制御可能に移動させるための駆動手段を含む、一つまたはそれ以上の可動支持体をさらに備えた、請求項１０ないし１７のいずれか一項に記載の撮像装置。

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