JP2009008658A - ビーム走査式画像生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像生成装置は、弱い電磁波源と低い検出感度によって困難とされた拡張テラヘルツ電磁波範囲を使用した撮像対象の効率的かつスピーディーな画像生成のために、方向変換用光学系と組み合わされた集束光学系及び集光光学系を用いる。スピーディーな画像生成速度と結びついた電磁波の効率的な検出法を提供する。
【解決手段】ビームの角度変換を水平走査に使用する光学系を適正に配置して、撮像対象又は画像生成システム全体を可動させることのないラスタ走査画像生成装置が実証される。ミラー・レンズセットはテラヘルツ（ＴＨｚ）ビームの方向変換及び（又は）撮像対象の各点からのＴＨｚビームの集光する。撮像対象は、撮像対象又は画像生成システム全体を移動させる場合に比して、遥かに高速で画像生成される。ＴＨｚ波画像は、実現可能とは考えられていなかった多様な応用分野においてそれぞれの装置の実際の用途に合った映像周波数で撮像可能である。
【選択図】図１

Description

本出願は２００７年４月１２日出願の米国仮出願第６０／９０７，６３９号を基礎とする優先権を主張すると共に、この米国仮出願を引用して本願の一部として含むものとする。

本発明は画像生成技術しかも特に、テラヘルツ電磁波を使用した画像生成処理に関する。本発明は画像生成情報を走査・集光するために設計された装置である。

赤外線とマイクロ波との間に位置する周波数範囲の電磁波は最も最近開発されたスペクトル領域の１つである。この帯域はしばしばテラヘルツ（ＴＨｚ）帯と称される。これらの電磁波はほとんどの無極性誘電体例えばプラスチック、紙、石、木材、油、煙等に対して透過性を有している。これによってＴＨｚ波画像生成は安全検査及び品質管理分野におけるＸ線／超音波撮像を補完するものとして理想的なツールである。加えて、ＴＨｚ波画像生成は撮像対象に関する分光情報をもたらし、これは撮像対象を識別するために使用することができる。ＴＨｚ波画像生成は、ＴＨｚ光子のエネルギーが非常に低く（ｍｅＶ）、分子をイオン化することがないため、試料とオペレータの双方にとって安全である。

例えばＭ．ナス(Nuss)の米国特許第５，６２３，１４５号及び米国特許第５，７１０，４３０号に開示されたようなＴＨｚ波画像生成技術はプラスチックを透視してその下にある金属電極をマッピングし得ることを実証した。それ以後に開発されたほとんどのＴＨｚ波画像生成装置は撮像対象を画像化するのにラスタ走査方式を使用している。電磁波源から放出されたＴＨｚ放射は撮像対象の表面に集束されて、透過若しくは反射による撮像対象との相互作用の後、点検出器を使用して記録される。撮像対象はＸ−Ｙ面内のＴＨｚ波焦点をクロスして撮像対象を走査するか又はそれに代えて逆方向に撮像装置を走査することによって画像生成される。ラスタ走査は電磁波源から発生したＴＨｚ波をフルに利用し、高い測定ダイナミックレンジをもたらすが、これは高輝度電磁波源及び高感度検出器の欠如が問題をもたらすＴＨｚフィールドにおいて特に重要である。

画像のラスタ走査には撮像対象又は撮像装置を全画像領域内で線形走査することが必要であるが、これは時間がかかるだけでなく面倒である。イメージ面でのＴＨｚフィールドの分布を記録するのに、点検出器に代えて、２Ｄ拡張された検出器（例えば電気光学（ＥＯ）結晶）又は検出器アレイ（例えばマイクロボロメータアレイ）を使用する２Ｄ焦点面画像生成が、画像生成速度を改善するために開発された。一例が「ＴＨｚビームの２次元電気光学イメージング（Two-dimensional electro-optic imaging of THz beams)」，アプライド・フィジックス・レターズ(Appl,Phys.Lett.），第６９巻，ｐ１０２６−１０２８（１９９６年）、Ｑ．ウ等(Wu et.al．）著、に報告されており、この場合、単一結晶ＥＯセンサが広帯域ＴＨｚ波センサとして採用された。撮像対象全体を照らす高強度の広帯域ＴＨｚビームはフェムト秒（ｆｓ）レーザ増幅器を使用し、光整流又は光スイッチング処理によって発生させられた。撮像対象のＴＨｚ波画像は画像生成レンズを使用して作成され、ＥＯ結晶はイメージ面に配された。拡張プロービングビームが、ＥＯ結晶上の撮像対象のＴＨｚ波画像であるＴＨｚフィールド分布を読み出すのに使用された。

検出器アレイ及び２Ｄ焦点面画像生成法も一定条件下でのｃｗ ＴＨｚ放射用に開発された。一例が「マイクロボロメータ焦点面アレイを用いたリアアルタイム連続波テラヘルツイメージング(Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array）」, オプティックス・レターズ(Opt.Lett．)，第３０巻，ｐ２５６３−２５６５（２００５年）、Ａ．Ｗ．リー等（Lee et.al.)著、に報告されたが、この場合、中赤外線放射用に設計されたマイクロボロメータアレイが高ＴＨｚ周波数（２．５２ＴＨｚ）での２Ｄイメージを記録する性能を有することが実証された。その他の例はＡ．ルーカネン等(Luukanen et.al.)の米国特許第６，２４２，７４０号及びＳ．ホリー(Holly）の米国特許第６，９４３，７４２号である。

ただし、従来の技術である２Ｄ焦点面ＴＨｚ波画像生成システムは限定された条件下でしか使用できない。とりわけ、これらの検出器アレイは限定された周波数範囲で感度を有するにすぎない。これらは又、検出器アレイの感度が低くかつ一度に多数のピクセルのＴＨｚ放射の希釈のせいで、点検出器よりも相対的にもっと高強度のＴＨｚ電磁波源を必要とする。そのため、拡張検出器又は検出器アレイを使用せずに画像生成速度を向上させるため、代替の方法が開発された。従来の技術であるＰ．トラン等(Tran et.al．)の米国特許第６，９０９，０９４号及び米国特許第６，９０９，０９５号は、イメージ面でのＴＨｚ波画像の受信に分布導波路技法を使用し、すべてのピクセルからの信号の連続的受信に点検出器を使用している。「テラヘルツ波可逆イメージング(Terahertz wave reciprocal imging）」,アプライド・フィジックス・レターズ(Appl,Phys.Lett.），第８８巻，ｐ１５１１０７（２００６年），Ｊ．スー等(Xu et.al.)著は、相互的に焦点面イメージを供するために検出器アレイよりもむしろ電磁波源アレイを使用することを報告した。これらの技術はＴＨｚ波にとって使用できないか又は理想的ではない２Ｄ検出器アレイの使用を回避するが、導波路アレイ又は電磁波源アレイを使用する場合にもなおその他の難題がある。

Ｊ．フェデリッチ(Federici)の米国特許第６，８１５，６８３号は、干渉画像生成技法をマイクロ波領域からＴＨｚ領域まで適合させた。この技法は、若干の検出器のみを使用するだけで、画像生成レンズを使用せず、撮像装置又は撮像対象を動かさずに大形のＴＨｚ波画像生成を供する見込みがある。他方、この技法は、集光光学系がこの技術では許容されないことから、非効率な形でＴＨｚ放射を使用する。

分布検出又は放出素子を使用する技術に比較して、ラスタ走査法はなおＴＨｚ放射に主として使用されている画像生成法であるが、それはこれがより高い測定ダイナミックレンジをもたらすと共により優れた画質を与え、しかもあらゆる種類のＴＨｚ波電磁波源と検出器にとって利用可能だからである。

ＴＨｚ波ラスタ走査イメージの速度を向上させるためにも努力が傾注されてきた。一例はＢ．コール等(Cole et al.)の国際公開第０２／０５７７５０号パンフレットに開示されており、この場合、ＴＨｚ波は限定された数の光学系（及びＴＨｚ光学系）のみを含んだ画像生成ヘッドに案内される。爾後の画像生成プロセスで走査されるのは撮像装置全体というよりもむしろ画像生成ヘッドであった。画像生成速度は改善されたが、それは走査量が減少したからである。

目下利用可能なＴＨｚ波の検出能は、他の十分に開発された波長範囲分野と同等な形でこれらの電磁波を画像生成デバイスに使用するには十分ではない。さらに、検出能問題を克服する強力な電磁波源の欠如も厳しい局面を呈している。又、未成熟な電磁波源技術もこの電磁波を他の技法に適合するように処理する点で難点をもたらす。結果として、撮像対象からの散乱光の検出は、強力な電磁波源の欠如からして、実際的な方法ではない。同じく、弱い電磁波源の検出能を高めるための変調技術の実現も電磁波源を取り巻く技術が未成熟な点からして可能性がない。効果的な画像生成システムの考察に当たって画像生成速度はもう一つの要因である。

目下、実用的な感度と速度を実現するための技術的思想を開示した、広帯域ＴＨｚ周波数例えば１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数範囲における画像生成装置のための従来技術は知られていない。本発明はこれら２つの主要点に、１０ＧＨｚ〜３ＴＨｚの周波数範囲の電磁波を使用して撮像対象の各々のスポットを通って横向きにＴＨｚビームを走査することによるイメージの二次元ラスタ走査を主眼とした代表的な一実施形態によって対処する。

本発明は走査式画像生成システム、特にＴＨｚ波画像生成システムに向けられている。〜１ＴＨｚを中心としたパルスＴＨｚ波による撮像対象のラスタリングが代表的な一実施形態として開示されるが、周波数範囲はおおよそＧＨｚ〜１００ＴＨｚの範囲にあってよい。実施形態によっては１ＧＨｚ〜約１０ＴＨｚの周波数範囲を使用することができる。その他の実施形態は約１ＧＨｚ〜約２０ＴＨｚの周波数範囲を使用することができる。対応する波長は少なくとも数十ミクロン例えば約２０ミクロンまでであってよい。本ＴＨｚ波撮像装置のＴＨｚ電磁波源はコヒーレント若しくはインコヒーレントに生成されてよいであろう。

電磁波源は超高速光整流を利用したＴＨｚパルス又は超短パルスレーザと組み合わされた光スイッチであってよい。さらに、本発明には連続ＴＨｚ電子トランスミッタ、ＴＨｚ波レーザ又はインコヒーレント熱エミッタも含まれる。

他方、検出方式において、光伝導スイッチ、電気光学サンプル、ボロメータ検出又はその他のデバイスを本発明に含めることができる。しばしばコヒーレント検波と称される位相敏感検波につき、パルス波と連続波の双方を、検出技法に熱雑音の抑止を使用するため、本発明に組み込むことができる。高速画像生成のため、比較的応答速度の高いタイムドメイン点検出器が代表的な一実施形態として開示される。

撮像対象又は撮像装置を線形走査する代わりに、ミラー／レンズ・セットが撮像対象の各々のスポットを横切ってＴＨｚビームを方向変換するために使用される。この方向変換鏡セットは、３００Ｈｚまで（ジグザグ走査モードにて１秒当たり６００ラインまで）のライン走査速度を保持する検流計（又は２Ｄ走査のための一対の検流計）を使用して駆動可能である。この速度は実時間画像生成用途にとって十分である。特に、入射ビームは平行化され、方向変換鏡は集束レンズの焦点に交点が位置する２本の軸を中心にして回転可能である。撮像対象は画像生成レンズの反対側の焦点面に位置し、レンズの光軸に対して垂直をなしている。この条件下で、ＴＨｚビームは撮像対象によって逆反射され、ＴＨｚ放射のすべてが画像生成プロセスに使用されることになる。

画像生成波は主として反射又は透過によって得られる。ただし、反射方向に対して生じた散乱又は屈折を用いることが可能である。別法として、本発明は受動画像生成方式に使用することが可能であり、その場合、入射ＴＨｚ放射は必要とされず、ミラー／レンズ・セットは画像生成システムに含まれていない外部電磁波源から放出又は反射されたＴＨｚ放射を撮像対象の各々のスポットから点検出器に方向変換するために使用される。

反射、透過、放出、屈折及び散乱によって搬送されるスペクトル情報はタイムドメイン測定によって解析される。

図１は本発明の代表的な実施形態を表している。ＴＨｚ入射ビーム１０は方向変換鏡２０によって案内されて集束レンズ３０に入射し、レンズ３０によって撮像対象４０に集束される。方向変換鏡２０は回転して撮像対象の表面のさまざまな位置（１０１、１０２及び１０３等々）に焦点を走査する。撮像対象と相互作用（透過又は反射）したＴＨｚビームは集光されて、点検出器に供給される。撮像対象の像は方向変換鏡２０を回転させることによって生成される。集束レンズ３０はポリエチレン、シリコン等を使用して作製できる。

さらに、撮像対象位置を適切に調整して、曲面鏡例えば放物面鏡を前記レンズに代えて組み込むことも可能である。

図２ａは本発明の重要な一実施形態を示しており、この場合、平行化されたＴＨｚビーム１０はミラー−レンズ系に入射し、このミラー−レンズ系はレンズ３０の１焦点で方向変換鏡２０の回転軸と交差している。平行化されたＴＨｚビーム１０は前記焦点から到来するので、レンズ３０は前記ビームを通常、反対側の焦点面に集束させる。撮像対象４０は前記焦点面に位置している。それゆえ、撮像対象の表面の各々のスポットは入射角の関数である。ＴＨｚビームが撮像対象によって正反射される（これは、ＴＨｚ波が例えば少なくとも数十ミクロンまでの長い波長を有しているため、ほとんどの場合に当てはまる）場合には、反射ビームカウンタは入力ビームと共に伝搬する。結果として、電磁波源から送出される放射全体が撮像対象を画像化するために利用可能である。図３はＴＨｚ波電磁波源と検出器とを有したこの実施形態の使用を示す概略図である。ＴＨｚ波トランシーバ６０がＴＨｚ波の送受信に使用できる。ＴＨｚ波集束光学系例えば放物面鏡５０は送出ＴＨｚ波を平行化するために使用されると共に、同じこの光学系を反射ＴＨｚ波を集光するために使用することができる。

図２ａに示した実施形態は図２ｂに示したような透過方式でも動作することができる。図２ｂにおいて、受信ミラー−レンズ系（２０ａ及び３０ａ）は撮像対象４０の反対側に配置されており、入射系（２０及び３０）に対応している。受信側の方向変換鏡２０ａは入射側方向変換鏡２０のスレーブとして機能する。その回転は入射方向変換鏡２０に同期されている。結果として、方向変換鏡２０ａを経て受信されるＴＨｚビームは平行化され、あらゆる回転角度において同一の伝搬方向を維持し、固定された検出器で撮像対象の表面のどのスポットを透過したＴＨｚビームも受信することができる。

もう一つの興味深い技術的思想は、入射光が撮像対象自体からの放射に替えられる場合の、点源からの放射の放射角度分布の測定である。

さらに、集光光学系と同一の集束レンズが光軸に沿って可動するため、画像化される情報は撮像対象の表面又は、撮像対象が十分な透過性を有していれば、撮像対象の内部で獲得することができる。

画像化される電磁波の特性はこの代表的な実施形態に示した反射以上に拡張されることができる。集束光学系及び集光光学系のジオメトリが方向変換用光学系と共に前述したようにして実現される限り、撮像対象からの電磁波の発生はミラー方向に散乱させられるか又は、試料内又は試料上の構造によってミラー方向に回折又は屈折させることができる。撮像対象の表面及び撮像対象内部にランダムに分布しているナノ構造はこれが可能なシステムの一例である。

上記及び爾後のあらゆる実施形態は受動画像生成方式で使用するために容易に修正可能である旨指摘しておかなければならない。最も単純な修正は単にトランスミッタをポイントレシーバに置き換えることである。方向変換鏡２０を回転させて、撮像対象４０の各々のスポットから放出（反射）されたＴＨｚ放射は連続的にレシーバに誘導されることになる。

図２ａ及び図２ｂに示した実施形態における画像生成エリアの直径は以下の通りである。

Ｄ_I＝２Ｆtan（α） ……（１）
上記式中、Ｆは集束レンズ３０の焦点距離であり、αは方向変換鏡２０によって駆動される最大ビーム張り角を意味している。ほとんどの場合に、ＴＨｚビーム張り角は方向変換鏡の回転角の２倍である。

他方、最大イメージサイズも集束レンズのサイズとＴＨｚビームのサイズによって制限される。図４において、実線で示した大きい方の円は集束レンズ３０の境界を示しており、小さい方の空の円３０２は前記レンズ上のＴＨｚビームである。図４には、集束レンズ上におけるＴＨｚビームの最大オフセットが表されている。張り角がもっと大きければ、ＴＨｚビームの一部は画像生成レンズの外側に位置することになる。破線で示した円３０１は画像生成レンズとＴＨｚビームによって決定される最大画像生成エリアを示している。直径は以下の通りである。

Ｄ_I＝Ｄ_Ｌ−Ｄ_Ｂ ……（２）
上記式中、Ｄ_ＬとＤ_Ｂはそれぞれ集束レンズ３０とＴＨｚビーム３０２の直径である。

この種のイメージの空間分解能はＴＨｚビームの回折制限によって制限される。

Λ＝Ｆλ／Ｄ_Ｂ ……（３）
上記式中、λは画像生成波の波長である。同一空間分解能と走査角を維持すると共に、より大きな画像生成エリアを得るには、レンズのサイズ、その焦点距離及び、レンズ上のＴＨｚビームの直径を拡張することが必要である。

図５ａ、５ｂは方向変換鏡走査機構２０の２つの例を示している。図５ａにおいて、１個の検流計２０２は反射器（方向変換鏡）２０１を駆動するために使用される。これはＴＨｚビームの張りを一次元方向変換し、機構全体（２０１、２０２及び２０３）は第１軸に対して垂直をなす第２軸２０４を中心にして回転させられる。これら２本の軸の交点は図２に示した集束レンズ３０の焦点に位置している。２Ｄ走査も図５ｂに示した機構を使用して行うことができ、この場合、第１の検流計２０２ａはＴＨｚビームを一次元に沿って走査し、第２の検流計２０２ｂはＴＨｚビームを直角方向に沿って走査する。

図５ｂに示した構成はよりコンパクトであり、いずれの走査次元でも自由に制御可能である。ただし、２検流計編成はビーム走査装置に平行ビーム移動をもたらし得ることに注意しなければならない。図６ａに示したように、それぞれ第１の方向変換鏡２０１ａ（実際にはそれは第２の方向変換鏡２０１ｂにおける第１の方向変換鏡２０１ａの写像である）と第２の方向変換鏡２０１ｂとを供する２本の回転軸が存在する。第１のミラー（方向変換鏡）と第２のミラー（方向変換鏡）との間の真ん中に焦点を設定すると、ＴＨｚビームは集束レンズの焦点から変位し、レンズ３０上のその走査範囲は第１のミラーと第２のミラーを同一角度だけ走査する際に相異している。

図６ｂはある入射角でのＴＨｚビームのビームトレースを示している。入射ＴＨｚビーム（１０ａ）が集束レンズ３０の焦点を通過すれば、ビームはレンズ３０によって正常に曲げられて、撮像対象４０に入射する。この場合、撮像対象は入射ビームを逆反射する。入射ビーム（１０ｂ）が焦点からＨだけ変位して離間していれば、反射ビームは逆伝搬方向において焦点の反対側にあり、焦点に対して同じだけ変位して離間している。したがって、反射ビームは同じ集束光学系（例えば図３の５０）によって集光され、たとえ平行ビーム移動があろうとも、同一スポットの検出器に集束される。結果として、平行ビーム移動が反射ビームを撹乱させることはない。画像生成エリアの直径が３０ｍｍで、画像生成レンズの焦点距離が５０ｍｍであれば、最大走査角は＋／−１６．７°である。この場合、第１のミラーと第２のミラーとの間の距離が２５ｍｍであれば、最大ビーム移動は８ｍｍとなる。

平行ビーム移動が反射ビームを撹乱させることはないにせよ、それはやはり反射ビームと入力ビームとの間のオーバラップを減少させる。図６ｃはこれら２つのビームのオーバラップを示している。実線で示した円は入力ビームを表しており、これは方向変換鏡のミラー径と見なすことができる。破線で示した円は反射ビームであり、これは図中に黒点として示された焦点に対して入力ビームと対称をなしている。入力ビームの中心が焦点からずれているため、反射ビームの一部は方向変換鏡の外側にある。結果として、反射ビームの集光効率は低下する。

３個の検流計を備えた検流計機構を使用して、２Ｄビーム走査をつくり出すと共に装置中の平行ビーム移動を補償することができる。代表的な実施形態は図７に表されている。入力ビーム１０ａは第１の方向変換鏡２０１ａによって水平方向（１０ｂ）に走査される。第１の方向変換鏡２０１ａに応じて回転する第２の方向変換鏡２０１ｂは、方向変換鏡２０１ａが走査している間、第３の方向変換鏡２０１ｃ上のビームスポットを同じ位置に維持するために使用される。方向変換鏡２０１ａと２０１ｂとの回転は、方向変換鏡２０１ｃ上の単一スポットから出発するＴＨｚビーム水平方向走査をもたらすことになる。方向変換鏡２０１ｃは垂直方向に回転する。したがって、３個の方向変換鏡（２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃ）を使用して、ＴＨｚビームは単一点から曲げられて２Ｄ走査される。

図８ａは第１の方向変換鏡と第２の方向変換鏡との回転角間の関係を示している。入力ビームは第１のミラーの回転中心である点Ａで方向変換鏡システムに案内される。第２のミラーの回転中心はＯである。第１のミラーがその原ポジションにあれば、入力ビームはＡＯに従って方向変換され、第２のミラーにより第３のミラーに向かってＯＢに従って反射される。ここでＢは第３のミラーの回転軸に位置している。入射ビームが第１のミラーによって方向変換されるその原方向から変化する任意の角度Φに対して、角度βが存在する。第２のミラーがβだけ回転すれば、入射ビームはＡＯ’Ｂの経路に従い、第３のミラー上の同一点Ｂに達する。第１のミラーと第２のミラーの同時回転は出力ビームの走査角φをもたらす。以下の式（４ａ）及び（４ｂ）には、βとφをΦの関数として表す。

sinφ／sinΦ＝ＡＯ／ＢＯ ……（４ａ）
β＝（φ＋Φ）／２ ……（４ｂ）
この構成のもう一つの重要な特徴は第２のミラー上におけるビーム移動距離であり、これが第２のミラーのサイズを決定する。

ＯＯ"＝sinφ／sinθ_１ ……（５）
ここで、θ_１＝θ_０＋β−Φである。

平行ビーム移動は３検流計機構を使用して補償することができる。ただし、特に画像生成プロセスが例えばパルスＴＨｚ波画像生成におけるように精細な時間分解能を有する場合に考慮されなければならない、ビーム経路変化によって生み出されるもう一つの問題がある。この問題は、ビーム走査による時間分解画像生成において時間的変化を招来する光路変化である。図８ｂは、方向変換鏡の回転中心が集束レンズの焦点に対してｈだけ変位している場合の、装置内の光路を示している。ＴＨｚビーム走査角の関数としての光路変化は次の通りである。

ΔＯＰ＝２ｈ（１−cosφ） ……（６）
これは回転軸がレンズにより近づけば正であり、さもなければ負である。

３検流計機構における回転角の関数としての光路は図８ｃに基づき以下のように導出することができる。

ＯＰ＝（ＡＯsin(θ_０＋β)＋ＢＯsin(θ_０−β)）／sinθ_１ ……（７ａ）
ＯＡ＝ＯＢ＝Ｌが満足されれば、式（７ａ）は以下のように単純化することができる。

ＯＰ＝２Ｌcos(β) ……（７ｂ）
式（６）に示した時間的変化とは異なり、この場合の時間的変化は３検流計機構の構造によって決定され、しかもそれは最適化整合によって最小化されない。第１のミラーと第２のミラーとの間の距離が（第２のミラーと第３のミラーとの間と同じく）４０ｍｍであれば、２０度ビームスパンに対する最大の時間的変化は５ｍｍである（３３ピコ秒の時間的変化）。

時間的変化は、時間分解能がなくとも、あるいは時間的変化よりも遥かに長い時間分解能があっても、画像生成プロセスに何の効果も生じない。ただし、例えばパルスＴＨｚ波画像生成のような、精細な時間分解能を有する一定の画像生成プロセスには、走査中の時間的変化を補償するために、すべての時間位置でイメージを記録した後に画像生成を修復することが必要である。図９は、２検流計機構での走査において、平行ビーム移動と時間的変化との双方を最小化するために使用される本発明の一実施形態の概略図である。この実施形態において、単一の集束レンズに代えて、２つのシリンドリカルレンズ３０１と３０２が使用される。焦点距離が異なる、したがって２つの異なった軸を有する１つの光ないし光学セットもこのために使用することができる。

総じて、特大の撮像対象が画像化される必要があれば、上述した代表的な実施形態は、所要のすべての光学系が一緒に横に平行移動し得るようにして、拡張することができる。こうして、エリアごとの画像生成が可能である。平行移動の時間は、平行移動に先立って画像化されたエリアのデータ処理に活用することができる。

Ｍ１及びＭ２は一対の検流計によって駆動される２つの走査鏡である（Ｘ方向変換鏡２０１ａ及びＹ方向変換鏡２０１ｂ）。Ｍ１’は原方向におけるＭ２によるＭ１の写像である。ＣＬ１及びＣＬ２は２つのシリンドリカルレンズである。各々のレンズ（３０１及び３０２）の焦点距離は、対応するミラー（３０１に対する２０１ａ、３０２に対する２０１ｂ）と撮像対象４０間の距離の二分の一に等しい。撮像対象４０と各々のシリンドリカルレンズ（３０１又は３０２）間の距離はレンズの焦点距離である。ＣＬ１及びＣＬ２は平行化されたビームを撮像対象に集束させ、焦点の横方向位置は入射ビームの方向によって決定される。

図９に示したように、Ｍ１が走査し、Ｍ２が固定されているか又はその逆の場合、焦点はｘ又はｙ軸に沿って撮像対象の表面を走査する。ビームは逆反射され、時間的ずれは生じないであろう。ただし、Ｍ１とＭ２の双方が走査する場合には、Ｍ１の写像はＭ２’の走査と共に運動する。これによってビーム曲がり位置はＣＬ１の焦線（図９のＦＬ１）を離れる。ビーム移動と時間的変化の詳細な計算は複雑である。以下の式（８ａ）及び式（８ｂ）はビーム走査角の関数として平行ビーム移動及び光路変化の近似的評価を与えるものである。

δ＝２ＤsinΦ（１−cosθ) ……（８ａ）
ΔＯＰ＝２Δ（１−cosΦ)＝２Ｄ（１−cosΦ)（１−cosθ) ……（８ｂ）
Ｍ１とＭ２間の距離が２５ｍｍで、最大走査角が＋／−２０°であれば、最大ビーム移動は１ｍｍ、最大光路変化は１８５μｍである。

図１０は、本発明の技術的思想を実証するために使用された、パルスＴＨｚ波装置の概略図である。このシステムにおいて、ＴＨｚパルスを発生させかつそれらを検知するため、フェムト秒（ｆｓ）レーザ（Femtolite Ｆ−１００）が使用される。先ず、ｆｓレーザビームは２つのアームつまりそれぞれポンピングアームとプロービングアームに分割される。ＴＨｚパルスはポンピングパルスによって作動される光伝導スイッチ６０ａによって発生させられる。送出されたＴＨｚビームは放物面鏡５０を用いて平行化されて、複軸検流計セット２０に案内される。検流計セットから出力されたＴＨｚビームは２つのシリンドリカルレンズ３０を用いて撮像対象４０に集束される。１つのテストにおいて、検流計の開口は直径１５ｍｍである。検流計セットの２つのミラー間の変位は２５ｍｍである。２つのシリンドリカルレンズの焦点距離はそれぞれ５７ｍｍ及び４４ｍｍである。反射されたＴＨｚビームはＴＨｚビーム中のシリコンビームスプリッタによってピックアップされ、反射されたＴＨｚビームの一部は、ＴＨｚパルスのセンサとして使用される（１１０）ＺｎＴｅ結晶６０ｂに集束された。ＴＨｚビームとプロービングビームはＺｎＴｅ結晶を通って共線的に伝搬し、同所でプロービングビームの偏りはＥＯ処理を通じて修正される。ＴＨｚフィールドは後に偏光敏感平衡検出ジオメトリによって記録される。

図１１は技術的思想システムを証明する制御ジオメトリの技術的思想を示すものである。高速画像生成を実現すべく、データ獲得と走査系制御のために６００ＫＳ／ｓデータ獲得速度による高速ディジタル／アナログ多能カード処理が使用される。図１２はパルスＴＨｚ波画像生成プロセスの論理フローチャートを示している。図１３はこのシステムの写真である。

図１４ａは、ポンピングパルスとプロービングパルスとの間の遅延時間を固定しての画像領域内のＴＨｚフィールドの分布を示している。結果は撮像対象としての金属平面ミラーの使用によって測定された。走査中の時間的変化に起因して、固定タイミングでのＴＨｚフィールドの分布は干渉パターンに似たリング構造を示している。図１４ｂは画像領域内のＴＨｚ振幅（ＴＨｚ波形のピーク振幅）の分布を示している。この図は、Ａ_０が中心ピクセルのＴＨｚ振幅であり、Ａ_ｉがインデックスｉのピクセルのＴＨｚ振幅を指している場合に、Ａ_０／Ａ_ｉとして表される各々のピクセルの比率を与える。図１４ｃは中心ピクセルに比較した画像領域内の時間的ずれ分布を与える。縁に非常に近いこれらのピクセルを別にして、全範囲における時間的変化は約１ＴＨｚ波長である。ＴＨｚフィールドの分布は全遅延時間における画像で修復可能である。修復されたＴＨｚフィールド分布は図１４ｄに示されており、これは縁に非常に近いこれらのピクセルを別にして一様な分布を与えている。

図１５はミラー表面に取り付けられた金属かみそり刃のＴＨｚ波画像を示している。すべての画像は１秒当たり１フレームの速度で記録される。図１５ａは、かみそり刃阻止ＴＨｚ放射に起因して生じた背景に対するコントラストに基づいて記録された画像である。図１５ｂはかみそり刃から反射されたＴＨｚパルスの画像である。図１５ｃはかみそり刃のトポグラフ像であり、同図はかみそり刃の厚さを与える。

ＴＨｚ波撮像装置は誘電性撮像対象の画像生成にも使用された。図１６ａは、金属ミラー面にポリエチレンペレットが配されていた場合（破線カーブ）又は配されていなかった場合（実線カーブ）のＴＨｚ波形を示している。撮像対象を透過したＴＨｚパルスは遅延軸に沿った変位を示している。図１６ｂは背景に対するコントラストに基づくペレットのＴＨｚ波画像を示しており、図１６ｃはペレットを透過したＴＨｚパルスの時間遅延に基づいて記録されたトポグラフ像である。

上記は画像生成波としてＴＨｚ波を使用しているが、本発明の実施形態は１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数範囲を使用することができる。さらに、この技術は、方向変換、集束及び本方法を用いた撮像対象の画像生成に使用し得る、その他の周波数の電磁波、音波、電子ビーム等に適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態を示す概略図である。 反射方式による本発明の一実施形態を示す概略図である。 透過方式による本発明の一実施形態を示す概略図である。 画像生成波としてＴＨｚ波を使用する本発明の一実施形態を示す概略図である。 図３に示した実施形態における画像生成エリアを示す図である。 本発明の一実施形態における方向変換鏡の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態における方向変換鏡の別途構成を示す概略図である。 図５ｂに示した焦点の異なった側における２つの異なったミラーに対する平行ビーム移動を示す図である。 入射ビームが焦点に対して変位している場合のビームトレースを示す図である。 方向変換鏡上における入射ビームスポットからの反射ビームスポットを示す図である。 ３個の方向変換鏡を使用する本発明の一実施形態を示す概略図である。 ３ミラー方式のビームトレースを示す図である。 方向変換鏡が集束レンズの焦点に対して変位している場合の時間的変化を示す図である。 本発明の一実施形態における２個のシリンドリカルレンズを示す概略図である。 パルスＴＨｚシステムに使用される本発明の一実施形態を示す概略図である。 図１０に示した実施形態の制御システムを示す概略図である。 図１０に示した実施形態における画像生成プロセスの論理フローチャートを示す図である。 パルスＴＨｚシステムに使用される本発明の一実施形態を示す写真である。 固定遅延時間での画像領域内のＴＨｚフィールド分布を示す図である。 画像領域内のＴＨｚ振幅分布を示す図である。 画像領域内のＴＨｚパルスピークタイミングの分布を示す図である。 画像領域内の補正済みＴＨｚ振幅分布を示す図である。 背景に対するコントラストに基づいて記録された金属かみそり刃のＴＨｚ波画像を示す図である。 表面から反射されたＴＨｚパルスを使用した同じ刃のＴＨｚ波画像を示す図である。 前記刃のトポグラフ像を示す図である。 撮像対象（ポリエチレンペレット）の有る場合（破線カーブ）及び無い場合（実線カーブ）のＴＨｚ波形の比較を示す図である。 背景に対するコントラストに基づいて記録された前記ペレットのＴＨｚ波画像を示す図である。 透過ＴＨｚパルスの時間遅延を使用する前記ペレットのトポグラフ像を示す図である。

Claims (27)

1. 連続波出力若しくはパルス出力として、コヒーレント若しくはインコヒーレントの電磁波を発生する電磁波発生源と、
   前記電磁波の方向変換用光学系と、
   入射ビームの角度変化を水平方向変化に角度変換する角度変換器と、
   撮像対象の表面又は該撮像対象の内部に前記電磁波を集束させる集束光学系と、
   前記撮像対象から出射する前記電磁波を集光する集光光学系と、
   前記集光波を検出する電磁波検出器と、
   を備え、前記電磁波の周波数範囲が１ＧＨｚ〜１００ＴＨｚであり、前記方向変換用光学系は前記電磁波のビームの角度変化を前記集束光学系にもたらし、前記角度変換はレンズ又は曲面鏡の焦点面で生じ、前記撮像対象が前記集束光学系又は前記集光光学系の焦点面の範囲内に配置され、画像生成に用いられる前記電磁波は反射、透過のスペクトル情報、又は反射方向における散乱、屈折若しくは回折のスペクトル情報を搬送することを特徴とする画像生成装置。
2. 前記撮像対象は前記電磁波を放出し、かつ、前記電磁波発生源であることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
3. 前記電磁波発生源及び前記電磁波検出器が、多素子アレイの形でも、独立して動作する素子群の形でもないことを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
4. 前記方向変換用光学系が、入射波ビームの角度変化をもたらし、かつ、単一又は多数の反射鏡を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
5. 前記角度変換器が、一若しくは複数のレンズ又は一若しくは複数の曲面鏡を含むか、又は一若しくは複数のレンズと一若しくは複数の曲面鏡との組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
6. 前記集束光学系が、一若しくは複数のレンズ又は一若しくは複数の曲面鏡を含むか、又は一若しくは複数のレンズと一若しくは複数の曲面鏡との組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
7. 前記集光光学系が、一若しくは複数のレンズ又は一若しくは複数の曲面鏡を含むか、又は一若しくは複数のレンズと一若しくは複数の曲面鏡との組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
8. 前記集束光学系及び前記集光光学系が同一であることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像生成装置。
9. 前記集束、前記集光及び前記角度変換が、同一のデバイスによって行われることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像生成装置。
10. 前記集光光学系及び前記集束光学系が同一光学系であり、該同一光学系の光軸の方向の前記撮像対象の像を得るために、該同一光学系が前記光軸に沿って前記撮像対象に対して相対運動することを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
11. 大形撮像対象のエリア毎の像を得るため、前記方向変換用光学系、前記角度変換器、前記集束光学系及び前記集光光学系が動くことを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
12. ビームスプリッタを使用して前記撮像対象からの前記電磁波がピックアップされることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
13. 前記電磁波検出器前方の光学系又は光学システムが集束光学系であり、該集束光学系が平行化されたビームを点検出器に集束させるために使用されることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
14. 前記撮像対象を透過した前記電磁波が画像生成のために記録されることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
15. 前記撮像対象内に位置する点源の放射の角度分布が画像生成のために記録されることを特徴とする請求項２に記載の画像生成装置。
16. 前記方向変換用光学系が、検流計に取り付けられたミラー若しくは回転鏡を含むか、又は前記ミラー及び前記回転鏡の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
17. 前記集束光学系が、前記画像生成プロセスにおける平行ビーム移動及び時間的変化を最小化するために使用される２つのシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
18. 前記集束光学系が、前記画像生成プロセスにおける平行ビーム移動及び時間的変化を最小化するために、単一光学系である、又は２本の異なった軸に沿った焦点距離が相異している光学セットであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
19. 前記方向変換用光学系が、さらに３つのミラーを備えた３個の検流計を含み、そのうち第１と第２の検流計及びミラーは前記電磁波ビームを一方向に走査するために使用され、そのうち第３の検流計及びミラーは前記ビームを別の方向に走査するために使用されることを特徴とする請求項１６に記載の画像生成装置。
20. 前記方向変換用光学系が、前記集束光学系又は集光光学系の焦点に対してわずかに変位していることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
21. 前記電磁波発生源からの前記電磁波ビームは平行化されず、前記撮像対象から前記電磁波検出器への前記電磁波ビームを最適化するために調整がなされることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
22. 前記方向変換用光学系の方向変換鏡が互いに同期されるため、前記方向変換用光学系後方の前記電磁波ビームは固定された方向を保っていることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
23. 前記電磁波の位相敏感コヒーレント検波がタイムドメインで使用されることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
24. スペクトル像が、前記タイムドメインでの測定によって生成されることを特徴とする請求項２３に記載の画像生成装置。
25. 前記電磁波が、レーザ光源の使用によって発生させられることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
26. 集光された画像生成のための情報が、前記画像生成装置のすべての活性デバイスの制御によって処理されることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
27. 前記周波数範囲は約２０ＴＨｚまでであることを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。