JP2008232624A - 電波イメージング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で分解能低下の原因を抑え、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを取得出来る電波イメージング方法と装置を提供する。
【解決手段】電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える測定器と、その測定器の外部端子に接続され、中心導体の突出したプラグの配設された同軸コネクターを備える２本のプローブとを有した構成において、その２本の中心導体の間隔を、電波源からの出力信号の波長以下に設定すると共に、２本の中心導体の間に試料を配置し、電波源からの出力信号の送出側のコネクターから射出された信号を、その信号が分散する前に試料へ照射し、試料を透過した信号を、検出側のコネクターで受入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に電波を照射して、試料のイメージングを行なう方法及び装置に関する。

電波は、木材や、プラスチック、紙などをよく透過することから、これらの物質内部にある他の物質をイメージングする技術が、従来から期待されていた。

長波長の電波では、金属以外の物質にはあまり影響を受けないが、電波としては光波に最も近い短波長のミリ波では、金属以外の物質でも影響を受けるようになる。しかし、完全な光ではないので、光を透過させない物質はミリ波も透過させないというわけではない。
ミリ波より長波長のマイクロ波では、人体や物体の２次元や３次元画像を生成することができるマイクロ波イメージングシステムが、近年開発されている。

しかしながら、電波は、光波と比べて波長が長いだけでなく回折する性質を有するため、イメージングの分解能を十分向上させることができなかった。

従来のイメージング技術としては、非特許文献１のようなファーフィールドイメージングと、非特許文献２のような近接場イメージングが挙げられる。
ファーフィールドイメージングは、空間伝搬させた電磁波を誘電体レンズ等で集光し、遠くにある試料をイメージすることが可能であるが、電磁波には回折限界があるため分解能は波長サイズが限界であり、電波においては高い分解能が望めない。
David M. Sheen, Douglas L. McMakin, and Thomas E. Hall, "Three-Dimensional Millimeter-WaveImaging for Concealed Weapon Detection," IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES, Vol. 49, No. 9, p. 1581 (2001)

近接場イメージングは、波長以下の表面イメージングが可能であるが、物質の内部など、アパーチャーから少し離れた位置の試料のイメージングは困難である。
Tatsuo Nozokido, Jongsuck Bae and Koji Mizuno,"Scanning Near-Field Millimeter-Wave Microscopy Using a Metal Slit as aScanning Probe," IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 49,No. 3, p. 491 (2001)

電波によるイメージング技術に関する特許文献としては、ミリ波については特許文献１〜２、マイクロ波については特許文献３〜５がある。
特開２００６−２５０７２４「物体透視装置」 特開２００６−２４２７８０「ミリ波イメージング装置」 特開平７−１３４１７４「マイクロ波イメージング装置」 米国特許出願１０／９９７４２２「A Device for ReflectingElectromagnetic Radiation」 米国特許出願１０／９９７５８３「Broadband Binary PhasedAntenna」

特許文献４や５には、アナログフェイズドアレイやバイナリリフレクタアレイを用い、隣接するアンテナ素子間の間隔が電波の半波長になるように、アンテナ素子をアレイ内に密に配列して、空間解像度を高めることが開示されている。しかし、分解能は依然として波長程度にとどまっている。

そこで、本発明は、簡易な構成でありながらも、分解能低下の原因を抑え、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを取得することが可能な電波イメージング方法と、その方法を実施する装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の電波イメージング装置は、次の構成を備える。すなわち、試料に電波を照射し、その透過信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える測定器と、その測定器の外部端子に接続され、中心導体の突出したプラグの配設された同軸コネクターを備える２本のプローブとを有し、その２本の中心導体の間隔を、電波源からの出力信号の波長以下に設定すると共に、２本の中心導体の間に試料を配置することを特徴とする。

ここで、測定器としてはネットワークアナライザーが好適に用いられる。

検出側の中心導体に、電波源からの出力信号の波長以下のアパーチャーを付設して、回折電波の干渉を抑止し分解能向上に寄与させてもよい。

試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な方向へ移動させる試料移動部材を設けて、電波源からの出力信号を試料の所望部位全体にわたって照射し、試料の広範囲のイメージングに寄与させてもよい。

また、本発明の電波イメージング方法は、試料に電波を照射し、その透過信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える測定器と、その測定器の外部端子に接続され、中心導体の突出したプラグの配設された同軸コネクターを備える２本のプローブとを有した構成において、その２本の中心導体の間隔を、電波源からの出力信号の波長以下に設定すると共に、２本の中心導体の間に試料を配置し、電波源からの出力信号の送出側のコネクターから射出された信号を、その信号が分散する前に試料へ照射し、試料を透過した信号を、検出側のコネクターで受入することを特徴とする。

ここで、測定器にネットワークアナライザーを使用してもよい。

検出側の中心導体に、電波源からの出力信号の波長以下のアパーチャーを使用して、回折電波の干渉を抑止し分解能向上に寄与させてもよい。

検出側の中心導体にアパーチャーを数mmまで接近させて、アパーチャーからの漏れ波の検出に寄与させてもよい。

試料保持部材によって、試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な方向へ移動させて、電波源からの出力信号を試料の所望部位全体にわたって照射し、試料の広範囲のイメージングに寄与させてもよい。

本発明によると、２本のプローブの中心導体の間隔が電波信号の波長以下であり、その信号が分散する前に試料へ照射し、試料を透過した信号をプローブの中心導体で受入するので、分解能低下の原因を抑え、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを取得することができる。
特に、検出側プローブの中心導体に、電波源からの出力信号の波長以下のアパーチャーを付設すると、回折電波の干渉を抑止し分解能の向上が図れる。

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明による電波イメージング装置の概要を示す模式図である。
本発明は、試料に電波を照射し、その透過信号によって試料のイメージングを行なうことを基本とする。

図示の例では、測定器にネットワークアナライザー(例：Agilent E8363B)が用いられている。測定器としては、一般に、電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える機器が利用可能である。
本発明による電波イメージング装置は、導波管やホーンアンテナ等を使用しないイメージング装置であるため周波数が限定されず、広帯域光源を使用することにより、様々な周波数でイメージングすることが可能である。

図２は、ネットワークアナライザーの要部回路を示す回路図である。
ネットワークアナライザーは、一般には、回路や素子にマイクロ波等の高周波を出力し、回路からの反射や通過状態を計測して回路や素子の電気的特性を求める装置である。
ネットワークアナライザー内部に備わる信号源は、測定する範囲の周波数を掃引する。
信号源と外部出力端子との間には、方向性結合器が備わる。試料は、２つの外部出力端子の間に配置される。信号源から試料に与えられた信号と、試料からの透過或いは反射信号が方向性結合器によって制御され、演算処理部で処理される。

方向性結合器は、その２つのポートのうち、一方から入ってくる信号の方向を分別して出力する。図２で左側の方向性結合器において、信号源側のポートから入ってくる信号は端子a1へ出力され、試料側のポートから入ってくる信号は端子b1に出力される。右側の方向性結合器についても同様である。
信号線路に入力された全ての電力が信号線路から端子a1またはb1に導かれるわけでなく、通常1/100(-20dB)程度の電力が方向性をもって取り出される。実際のネットワークアナライザーでは測定精度を上げるために、端子a1、a2は方向性結合器を用いないで信号源の電力を分配して測り、また試料からの信号電力もできるだけ高い比率で端子b1、b2に導く方向性結合器を用いることが多い。
方向性結合器の端子a及びbに出力される信号は、振幅のみが検出されるタイプと振幅と位相の両方が検出されるタイプがある。位相も測れるタイプのベクトルネットワークアナライザーでは、試料の入出力部の透過或いは反射量と位相からSパラメータを求めることができる。

ネットワークアナライザーの外部端子には、中心導体の突出したプラグ（オス）の配設された同軸コネクターを備える２本のプローブ(例：Agilent 85133)が接続される。
コネクターのタイプとしては、BNC、SMAタイプ、N型コネクタも利用可能である。

その２つのコネクターは、各先端の中心導体の間隔が、約4mmなど電波源からの出力信号の波長以下になるように設置される。その間隙に、試料が配置され、電波源からの出力信号の送出側のコネクターから射出された信号を、分散する前に試料へ照射し、試料を透過した信号を、検出側のコネクターで受入して検出する。

検出側のコネクターには、φ2 mmアルミ製などのアパーチャーが付設される。アパーチャーとしては、電波源からの出力信号の波長以下のサイズの金属類が使用される。
アパーチャーを検出側の中心導体に数mmまで接近させることで、回折電波の干渉を抑止し分解能を向上させられる。この際、アパーチャーに中心導体の先端を、どの程度接近させるか或いはどの程度差し込みかを調整することで、アパーチャーからの漏れ波を検出し、回折低減や検出効率向上や分解能向上を図れる。

試料を支持する部材に、信号の射出方向と略垂直な方向へ移動可能にする機構を付設して、電波源からの出力信号を試料の所望部位全体にわたって照射させ、試料を広範囲にイメージングできるようにしてもよい。そのように、試料を移動可能に支持する試料保持部材は、ステージ移動機構など従来公知の部材が適宜利用できる。

図３は、35GHzのビームを測定した実験結果を示すグラフである。
トランス側のコネクターの端から約1mm 離れた位置で、アルミ板を用いてナイフエッジ法により35GHz ビーム(波長約8mm)の形状等を調べた。図３（ａ）は、アパーチャーを用いない場合のグラフ、図３（ｂ）は、アパーチャーを用いた場合のグラフである。
図３（ａ）のように、アパーチャーを用いない場合は、ビーム径が約2 mm と、一見小さく見えるが、回折電波との干渉が大きい。それに対して、図３（ｂ）のように、アパーチャーを用いた場合は、ビーム径が約3 mm であるが、干渉の影響が小さくなった。

図４は、カードをイメージングした実験結果を簡易的に示す説明図である。
図４（ａ）に示すカード（JR Suica） を、35 GHzビームによりイメージングした。図４（ｂ）は、アパーチャーを用いない場合、図４（ｃ）は、アパーチャーを用いた場合である。
いずれの場合も、カード内部における金属の分布が観察された。図４（ｂ）のように、アパーチャーを用いない場合でも波長以下でイメージングすることが可能であるが、図４（ｃ）のように、アパーチャーを用いた場合では、電波の回折による影響を抑えることができ、より鮮明なイメージが得られた。

同様に、ぶた肉をイメージングした。
ぶた肉の水分や脂肪、それに添加する溶液(DMSO)等の量によって、電波の吸収が異なる様子が観察できた。この実験結果から、イメージングによって生体試料の均一性を評価できる可能性があることが判明した。

本発明によると、簡易な構成でありながらも、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを得られるので、金属探知などのセキュリティ分野や、生体組織観察などの生化学分野など、幅広く活用でき産業上利用価値が高い。

本発明による電波イメージング装置の概要を示す模式図 ネットワークアナライザーの要部回路を示す回路図 35GHzビームを測定した実験結果を示すグラフ カードをイメージングした実験結果を簡易的に示す説明図

Claims (9)

1. 試料に電波を照射し、その透過信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、
   電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える測定器と、
   その測定器の外部端子に接続され、中心導体の突出したプラグの配設された同軸コネクターを備える２本のプローブとを有し、
   その２本の中心導体の間隔を、電波源からの出力信号の波長以下に設定すると共に、２本の中心導体の間に試料を配置する
   ことを特徴とする電波イメージング装置。
2. 測定器がネットワークアナライザーである
   請求項１に記載の電波イメージング装置。
3. 検出側の中心導体に、電波源からの出力信号の波長以下のアパーチャーを付設した
   請求項１または２に記載の電波イメージング装置。
4. 試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な方向へ移動させる試料移動部材を有する
   請求項１ないし３に記載の電波イメージング装置。
5. 試料に電波を照射し、その透過信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、
   電波の発生源と、その電波源からの出力信号を外部端子及び演算処理部へ誘導する線路と、外部端子で受入した外部の試料からの信号を演算処理部へ誘導する線路と、試料からの信号を基にしてそのイメージングを行なう演算処理部とを少なくとも備える測定器と、
   その測定器の外部端子に接続され、中心導体の突出したプラグの配設された同軸コネクターを備える２本のプローブとを有した構成において、
   その２本の中心導体の間隔を、電波源からの出力信号の波長以下に設定すると共に、２本の中心導体の間に試料を配置し、
   電波源からの出力信号の送出側のコネクターから射出された信号を、その信号が分散する前に試料へ照射し、試料を透過した信号を、検出側のコネクターで受入する
   ことを特徴とする電波イメージング方法。
6. 測定器にネットワークアナライザーを用いる
   請求項５に記載の電波イメージング方法。
7. 検出側の中心導体に、電波源からの出力信号の波長以下のアパーチャーを付設して、回折電波の干渉を抑止する
   請求項５または６に記載の電波イメージング方法。
8. 検出側の中心導体にアパーチャーを数mmまで接近させて、アパーチャーからの漏れ波を検出する
   請求項７に記載の電波イメージング方法。
9. 試料保持部材によって、試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な方向へ移動させて、電波源からの出力信号を試料の所望部位全体にわたって照射する
   請求項５ないし８に記載の電波イメージング方法。

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