JP2009075107A - 相関ゴースト撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隠蔽兵器及び爆発物等の物質を検出する方法及びシステムを改良する。
【解決手段】可視光ビーム及びテラヘルツ・ビームを有する光子場を、チョッパ１１０を通過させて波長選択ミラー１２０に向けて送出し、これにより、光子場を交互に透過及び反射させる。可視光ビームは、ミラー１５０から撮像アレイである可視光子アレイ検出器１６０に向けて搬送される。一方、テラヘルツ・ビームは、ターゲット１３０に向けて搬送され、該ターゲットにおける隠蔽兵器又は爆発物等の物体によって吸収及び／又は反射させ、フィルタ１４０を介して非撮像検出器１７０に送られる。同期検出器１８０は、検出器１６０により得られた信号と検出器１７０により得られた信号との同期が取られ、撮像アレイ上にターゲット１３０の画像が取り込まれる。
【選択図】図１

Description

実施形態は、一般的には、ＴＨｚ（テラヘルツ）周波数範囲における撮像に関する。また、実施形態は、従来の光学素子及び検出器を利用して、潜在的な隠蔽兵器携行者のＴＨｚ場面撮像方法及びシステムに関する。

人の衣服の下に隠蔽した兵器の検出は、一般市民の安全性や、空港及び建造物のような公衆資産の安全性の向上に対する重要な障害となっている。拳銃、ナイフ、爆発物のような隠蔽兵器を検出するための手作業による判別手順が、空港、機密建造物、及び公開イベントのような、入出が管理される状況で、実行されている。ときによっては、離れた孤立位置から隠蔽兵器を検出できることが望ましい場合もある。特に、管理手順では人の流れを整理することができない場合に当てはまる。

従来技術の一手法では、磁気計を利用してある種の金属物体を検出する。しかしながら、この手法は、銃砲、爆発物、及びその他の物体を製作するために用いられることがある殆どの有機ポリマ及び複合素材を検出不可能であり、これら材料が安全性検査の主題となることが頻繁にある。別の手法では、ミリメートル波電磁放射線を応用して、衣服によって隠蔽されている物体を暴露することができる画像を供給する。この手法は、通例、人間の検査官が視覚的に得られた画像から１つ以上の怪しい物体を検出する能力に左右される。したがって、これらの手法には速度に限界があり、このような手法は、異なる検査官の能力によるばらつきが生ずる。

検出器及び発光器技術の進歩により、テラヘルツ撮像は多くの用途で実現性が高まりつつある。ＴＨｚ撮像の用途の１つに、隠蔽兵器の検出及び特定がある（例えば、空港の安全性判別ラインにおいて）。ＴＨｚ放射線は、隠蔽されている兵器を検出することができる。これは、多くの非金属、無極(non-polar)材料がＴＨｚ放射線に対して透過性があり、人を走査しても健康上の危険性が発生しないからである。爆発物や違法薬剤のような目標複合物は、特性的なＴＨｚスペクトルを有し、これを用いれば、これらの複合物を特定することができる。したがって、ＴＨｚ放射線を用いると、原理的には、爆発物や生物兵器が衣服、密閉パッケージ、スーツケース等の中に隠蔽されていても、これらを検出することが可能である。何故なら、ＴＨｚ放射線はプラスチック、衣服、荷物、紙製品、壁、及びその他の非導電性（非金属）材料を容易に透過するからである。

過去に提案されたＴＨｚ撮像システムの殆どは、１つのＴＨｚ源と、撮像すべき目的空間全体にわたって走査する検出器対とに基づいていた。その結果、これらのシステムは、１つの小さな物体（例えば、約数センチメートルの物体）のＴＨｚ画像を発生するためにでも、データを取り込むためにかなりの時間（通例、分単位）が必要であり、ＴＨｚ画像のリアル・タイムの取り込みには適していない。別の従来技術の手法では、１つのＴＨｚアレイ検出器を利用し、物体を通過する又は反射するＴＨｚエネルギを検出し、その経時的収集エリア（区域）に達する。この撮像システムは、大きな検出器のアレイの撮像を得るために、高い空間的ディテール（分解能）を有する大きなエリアを必要とする。同様に、従来のＴＨｚシステムによって高い空間分解能を得るためには、ＴＨｚビームは小さなビーム・サイズを有していなければならず、このために、撮像できる区域が減少する。

以上の問題点に基づいて、隠蔽兵器や爆発物を検出するために従来の光学素子及び検出器を用いたテラヘルツ場面の撮像システム及び方法の改良が求められていることは明らかである。また、ＴＨｚアレイ状検出器を用いずに、ＴＨｚ画像を形成し、画像を何倍にも鮮鋭にできることが望ましい。

以下の摘要は、開示する実施形態に独特な革新的特徴の一部の理解を促進するために提示するのであり、余すところのない説明であることは意図していない。実施形態の種々の態様の完全な認識は、明細書全体、特許請求の範囲、図面、及び要約書を全体として捕らえることによって得ることができる。
上記したように、本発明の一態様は、改良した隠蔽兵器検出方法及びシステムを提供することである。
本発明の別の態様は、従来の光学素子及び検出器を利用して、潜在的な隠蔽兵器携行者のＴＨｚ（テラヘルツ）場面を撮像するための、改良した方法及びシステムを提供することである。

前述の態様並びにその他の目的及び利点は、ここに記載するようにして達成することができる。従来の光学素子及び検出器を用いて、ＴＨｚ場面を撮像することにより、隠蔽兵器及び爆発物を検出する方法及びシステムを提供する。２つの異なる波長を有する光子場を、チョッパを通過させて波長選択ミラーに向けて送ることができる。可視又はＩＲ範囲に波長を有する光ビームを可視光子アレイ検出器に向けて送る。同様に、ＴＨｚ範囲に波長を有する光ビームをターゲットに送ることができ、ターゲットの中にある物体によって反射及び／又は吸収する。反射又は透過光は、任意のフィルタを通過して背景光を除去し、次いで非撮像検出器に入射する。可視光子アレイ検出器は、信号が非撮像検出器に達したときにのみ「オンに切り替わる」。可視光子アレイ検出器を非撮像検出器と結合することができ、ＴＨｚ光子によって照明される場面の画像を登録する。

可視光子アレイ検出器の画素はＴＨｚ光子の波長よりも遥かに小さいため、画像を何倍にも鮮鋭にすることができるＴＨｚ画像を可視光子アレイ検出器によって検出するために、アップコンバージョン・クリスタルを検出器経路に配置することができる。同様に、２つの異なる波長を有する光子場を発生するために、ダウンコンバージョン・クリスタルを用いることができる。ダウンコンバージョン・クリスタル及びポンプ・レーザは、ターゲットにおけるＴＨｚビームのラスタ・スキャンを可能にするために、ジンバルで支えたプラットフォーム上に配置することができる。第１波長を有する光子場は、可視光又はＩＲ（赤外線）範囲内、そして他方はＴＨｚ範囲内にすることができる。このような方法及びシステムは、衣服を通して隠蔽兵器を撮像し、ＴＨｚスペクトル帯に独特のスペクトル・フィンガープリント（指紋)を有する化学薬物（例えば、爆発物）を撮像するために用いることができ、その使用は完全に安全である。

添付図面では、同様の参照番号は別個の図全体において同一又は機能的に同様の要素を指し、明細書に含まれその一部をなす。更に、図面は、実施形態を示し、詳細な説明と共に、ここに開示する実施形態を説明する役割を果たす。
これらの非限定的な例において論ずる特定の値及び構成は、変更することができ、少なくとも１つの実施形態を例示するために引用するに過ぎず、その範囲を限定することを意図するのではない。

図１を参照すると、隠蔽兵器及び爆発物を検出するための相関ゴースト撮像システム１００のブロック図が示されており、好適な実施形態を実施する際に用いるために構成することができる。尚、ここに開示する方法及びシステムは、ＴＨＺ撮像の使用を拠り所としており、衣服を通じて隠蔽兵器を撮像し、爆発物を撮像するために用いることができるものである。図１に示すように、システム１００は、チョッパ１１０、波長選択ミラー１２０、ターゲット１３０、非撮像検出器１７０、及び可視光子アレイ検出器１６０を含むことができる。矢印１９０は、異なる２つの波長を有する光子場(photon field)のチョッパ１１０への流れ、次いで交互に光子場１９０を透過及び反射する波長選択ミラー１２０への流れを示す。

一方の波長の光子場１９０は、可視光子アレイ検出器１６０に向けて送られる。これは、第２ミラー又はその他の既知の光学素子によって促進することができる。他方の光ビームは、波長選択ミラー１２０を通過してターゲット１３０に向かい、ターゲット１３０において物体から反射し、及び／又はターゲット１３０における物体によって吸収される。反射又は透過した光は、続いて任意のフィルタ１４０を通過して背景光を除去し、更に非撮像検出器１７０に入射する。非撮像検出器１７０は、照明源を検出器１７０の表面に対して垂直な１つの面から変位させる角度に比例する振幅を有する出力信号を発生する。検出器１７０は、照明の激発(burst)又は変動には感応せず、出力信号を示す高精度で不変の角度を提示し続ける。可視光子アレイ検出器１６０は、同期検出器１８０を採用することによって、信号が非撮像検出器１７０に達したときにのみ「オン」となり、ターゲット１３０の画像を登録する。

図２を参照すると、好適な実施形態による、隠蔽兵器及び爆発物を検出するための相関ゴースト撮像装置２００のシステム図が示されている。尚、図１〜図５においては、同一又は同様の部分又は要素は、全体的に同じ参照番号によって示されている。光子場１９０、例えば、異なる２つの波長を有する平行光ビームが、チョッパ１１０を通過して、波長感応、即ち、半銀めっきミラー(half-silvered mirror)１２０に向けて送られる。チョッパ１１０は、機械式デバイス又はＬｉＮｂＯ_３のような光電デバイス、あるいは光子場を変調することができるその他の技術であれば、任意のものでよい。光ビームの１つ、例えば、図２に示すようなテラヘルツ・ビーム２１０が続いて波長選択ミラー１２０を通過して、ターゲット１３０に向かう。他方の光ビーム、例えば、図２に示すような可視光ビーム２２０が、可視光子場検出器１５０に向けて送られる。

ミラー１５０及び／又は屈折要素（図示せず）を、可視光子アレイ検出器１５０に向かう経路に沿って配置することができる。可視光子アレイ検出器１５０は、放射線を検知することができるセンサ・セルのアレイを備えている。セルは、セル間の対応パターンを通じて区別可能なビットマップ画像を形成するように接続されている。形成される各ビットマップ画像は、画像画素の検出を示す１つ以上のセルの組み合わせを、このような検出を示していないアレイ・セルの場の中に含む。対応のパターンは、アレイにおける他のセルの動作の禁止の１つ、又はアレイにおける他のセルに対する動作の指示の１つとすることができる。

可視光子アレイ検出器１５０は、例えば、市販のビデオ・カメラの中にあるような、従来のＣＣＤ（電荷結合素子）アレイ２６０とすることができる。チョッパ１１０を離れた可視光ビーム２２０の各バーストが、ＣＣＤアレイ２６０における１つの画素２７０に向かって進むように、光学素子を制御することができる。ＣＣＤアレイ２６０における異なる画素２７０は、波長感応ミラー１２０に達する前に可視光ビーム２２０を送出し直す(redirect)ことによって、又は光ビーム２１０及び２２０双方が波長選択ミラー１２０を離れた後にこれらを同時に相関的に送出し直すことによって、照明することができる。

ターゲット１３０に向かって進むＴＨｚビーム２１０は、ターゲット１３０において示されているような、銃２３０及び／又は爆発物２４０のような物体から反射する。反射又は透過光２５０は、任意のフィルタ１４０、例えば、狭いバンドパス・フィルタを通過して背景光を除去し、次いで非撮像検出器１７０、例えば、バケット検出器(bucket detector)に入射する。同期検出器１８０を用いてＴＨｚ光子２１０によって照明されるターゲット１３０の画像を登録することによって、ＣＣＤアレイ２６０をバケット検出器１７０と結合する。

図３を参照すると、検出器経路にアップコンバージョン・クリスタル３１０を利用した相関ゴースト撮像装置３００の模式図が示されており、代替実施形態として実施することができる。尚、図１〜図５において、同一又は同様の部分又は要素は、全体的に同じ参照番号によって示されている。ターゲット１３０からの反射又は透過光２５０は、アップコンバージョン・クリスタル３１０に、ＣＣＤアレイ２６０によるＴＨｚビーム２１０の検出のために、注入光子(pump photon)３２０と共に送ることができる。

図４を参照すると、光源経路にダウンコンバージョン・クリスタル４１０を利用した相関ゴースト撮像装置４００の模式図が示されており、代替実施形態として実施することができる。ダウンコンバージョン・クリスタル４１０は、２つの異なる波長２１０及び２２０を有する光子場１９０を発生するために用いることができる。ダウンコンバージョン・クリスタル４１０及びポンプ・レーザ４２０は、ターゲット１３０におけるＴＨｚビーム２１０のラスタ・スキャンを可能にするために、ジンバルで支えたプラットフォーム４３０上に配置することができる。第１波長を有する光子場１９０は、可視光又はＩＲ（赤外線）範囲内、そして他方はＴＨｚ範囲内にすることができる。

図５を参照すると、好適な実施形態にしたがって隠蔽兵器及び爆発物を検出する方法５００の論理動作ステップを示す上位概念の動作フロー・チャートが示されている。ブロック５１０に示すように、２つの異なる波長２１０及び２２０を有する光子場は、チョッパ１１０を通過して、波長選択ミラー１２０に向けて送ることができる。その後、ブロック５２０に示すように、結果的に得られた光ビームは、可視光又はＩＲ範囲２２０に波長を有し、可視光子アレイ検出器１６０に送ることができる。その後、ブロック５３０に示すように、ＴＨｚ範囲２１０に波長を有する光ビームをターゲット１３０に向けて送ることができ、ターゲット１３０において物体２３０及び２４０によって反射及び／又は吸収される。次に、ブロック５４０に記載するように、反射又は透過ビーム２５０を任意のフィルタ１４０に通過させることによって、背景光を除去することができる。次いで、ビーム２５０を非撮像検出器１７０に送る。ブロック５５０に示すように、可視光子アレイ検出器１６０上にターゲット１３０の画像を取り込むために、非撮像検出器１７０を可視光子アレイ検出器１６０と結合することができる。

以上のように、本発明による方法及びシステムは、衣服を通して隠蔽兵器を撮像し、ＴＨｚスペクトル帯に独特のスペクトル指紋(fingerprint)を有する化学薬物（例えば、爆発物）を撮像するために用いることができ、その使用は完全に安全であることを認めることができるであろう。ここに記載したテラヘルツ撮像方法は、従来の撮像技法に伴う問題の多くに対処する。この方法の主な優位性は、１つの非撮像ＴＨｚ受光器を可視光子アレイ検出器と結合することによって、ＴＨｚ画像を取り込むことができることである。可視光子検出器の画素は、ＴＨｚ光子の波長よりも遥かに小さいため、通常の回折制限光学素子(diffraction-limited optics)よりも画像を何倍にも鮮鋭にすることができる。

以上に開示した特徴及び機能ならびにその他の特徴及び機能、あるいはその代替物の変形を多くの他の異なるシステム又は用途に妥当に合体してもよいことは認められるであろう。また、現在では未だ予測又は予期できない種々の代替物、変更、変形、又は改善も、今後当業者によって行うことができ、これらも特許請求の範囲に包含されることを意図している。

本発明の好適な実施形態を実施する際に使用するために構成することができる、隠蔽兵器及び爆発物を検出するための、相関ゴースト撮像システムのブロック図を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、隠蔽兵器及び爆発物を検出するための相関ゴースト撮像装置のシステム図を示す。 本発明の代替実施形態にしたがって実施することができる、検出器経路にアプコンバージョン・クリスタルを利用した相関ゴースト撮像装置のシステム図を示す。 本発明の代替実施形態にしたがって実施することができる、光源経路にダウンコンバージョン・クリスタルを利用した相関ゴースト撮像装置のシステム図を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、隠蔽兵器及び爆発物を検出する方法の論理動作ステップを示す動作フロー・チャートである。

符号の説明

１１０ チョッパ
１２０ 波長選択ミラー
１３０ ターゲット
１４０ 狭帯域通過フィルタ
１５０ ミラー
１６０ 可視光子アレイ検出器
１７０ 非撮像検出器
１８０ 同期検出器

Claims (4)

1. 潜在的な隠蔽兵器携行者のＴＨｚ（テラヘルツ）場面を撮像する方法であって、
   可視光ビーム及びテラヘルツ・ビームを有する光子場のシーケンスを、チョッパを通過させて波長選択ミラーに向けて送出し、前記複数の光子場を交互に透過及び反射するステップと、
   前記可視光ビームを、屈折要素を通過させて撮像アレイに向けて伝送し、前記テラヘルツ・ビームをターゲットに向けて伝送し、前記ターゲットにおける複数の物体によって吸収及び／又は反射させ、次いで非撮像検出器に送るステップと、
   前記撮像アレイ上に前記ターゲットの画像を取り込むために、前記非撮像検出器を前記撮像アレイと結合するステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記撮像アレイはＣＣＤ（電荷結合素子）アレイであることを特徴とする方法。
3. 潜在的な隠蔽兵器携行者のＴＨｚ（テラヘルツ）場面を撮像するシステムであって、
   可視光ビーム及びテラヘルツ・ビームを有する複数の光子場を受光し、前記複数の光子場を波長選択ミラーに送出するように構成されているチョッパと、
   前記可視光ビームを、屈折要素を通過させて撮像アレイに向けて伝送し、前記テラヘルツ・ビームをターゲットに向けて伝送し、前記ターゲットと関連付けた複数の物体によって吸収及び／又は反射させることによって、前記複数の光子場を交互に透過及び反射するように構成されている波長選択ミラーであって、前記テラヘルツ・ビームの反射部分を非撮像検出器が受光するようにする波長選択ミラーと、
   テラヘルツ・ビームを受光するように構成されている非撮像検出器と、
   前記非撮像検出器と結合されている撮像アレイであって、前記ターゲットの画像を取り込むように構成されている撮像アレイと、
   を備えていることを特徴とするシステム。
4. 潜在的な隠蔽兵器携行者のＴＨｚ（テラヘルツ）場面を撮像するシステムであって、
   可視光ビーム及びテラヘルツ・ビームを有する複数の光子場を発生するように構成されているダウンコンバージョン・クリスタルと、
   可視光ビーム及びテラヘルツ・ビームを有する前記複数の光子場を受光し、該複数の光子場を波長選択ミラーに向けて送出するように構成されているチョッパと、
   前記可視光ビームを更に屈折要素を通過させて撮像アレイに向けて伝送し、前記テラヘルツ・ビームをターゲットに向けて伝送し、前記ターゲットと関連付けた複数の物体によって吸収及び／又は反射させることによって、前記複数の光子場を交互に透過及び反射するように構成されている波長選択ミラーであって、前記テラヘルツ・ビームの反射部分を非撮像検出器が受光する、波長選択ミラーと、
   テラヘルツ・ビームを受光するように構成されている非撮像検出器と、
   前記検出器と前記波長選択ミラーとの間に配置され、前記撮像アレイによる前記ＴＨｚビーム画像の検出を容易にするアップコンバージョン・クリスタルと、
   前記非撮像検出器と結合されている撮像アレイであって、前記ターゲットの画像を取り込むように構成されている、撮像アレイと、
   を備えていることを特徴とするシステム。

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