JP2009543036A - 撮像装置および方法 - Google Patents

Abstract

物品を検査するための装置であって、周期的な振幅変化を有する駆動信号を発生するように構成されるコントローラと、ソースビームを放出し、それにより、物品を照射するようにコントローラによって動作可能である放射線源であって、ソースビームが駆動信号の周期的な振幅変化に対応する周期的な振幅変化を有する電磁放射線のビームを含む、放射線源と、物品の少なくとも一部を通じて伝送されたソースビームの部分を検出するとともに、ソースビームの前記部分の振幅変化に対応する振幅変化を有する検出信号を発生するように構成される検出器とを備え、コントローラが、検出信号の振幅と基準信号の振幅との間の差に対応する差分値を生成するように構成される、物品を検査する装置。

Description

本発明は、物品の内部構造を調べるための撮像装置および方法に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、隠された対象物を撮像するための装置および方法に関する。

Ｘ線撮像システムなどの既存の技術は、食料製品および人体を含む様々な対象物の内部構造および特性を調べるために使用されてきた。しかしながら、Ｘ線（または、他の電離放射線）を使用するシステムは、健康および安全の様々な懸案事項に悩まされている。電離放射線は、組織および他の材料に対してダメージを引き起こし得ることで知られている。その結果、Ｘ線放射を使用する機器には、操作員および他の作業員が放射線に晒されないようにするための十分なスクリーニングが設けられなければならない。

また、Ｘ線システムのサイズは大きく、その結果、特定の製造状況に適さない。Ｘ線システムの更なる欠点は、Ｘ線撮像システムの比較的高いコストである。

物品の内部構造を撮像するためにテラヘルツ撮像システムも使用されてきた。しかしながら、これらのシステムを使用した含水サンプルの撮像は、水分子によるテラヘルツ周波数信号の高い減衰に起因して難しい。

本発明の第１の態様では、物品を検査する装置であって、周期的な振幅変化を有する駆動信号を発生するように構成されるコントローラと、ソースビームを放出し、それにより、物品を照射するようにコントローラによって動作可能である放射線源であって、ソースビームが駆動信号の周期的な振幅変化に対応する周期的な振幅変化を有する電磁放射線のビームを含む、放射線源と、物品の少なくとも一部を通じて伝送されたソースビームの部分を検出するとともに、ソースビームの前記部分の振幅変化に対応する振幅変化を有する検出信号を発生するように構成される、検出器とを備え、コントローラは、検出信号の振幅と基準信号の振幅との間の差に対応する差分値を生成するように構成される、物品を検査する装置が提供される。

本発明の実施形態に係る装置は、物品を電離放射線に晒すことなく物品の内部構造の画像を与えることができるという利点を有する。また、本発明の実施形態に係る装置は、Ｘ線撮像などの従来技術と関連付けられる電離放射線シールドまたは他の予防措置を必要としない。

また、本発明の実施形態に係る装置は、Ｘ線撮像システムよりもコストが低いという利点を有する。本発明の実施形態は、それらがＸ線撮像システムよりも低い電力を必要とし且つかなり携帯性が高いという更なる利点を有する。

基準信号は、駆動信号と同じ周波数を有する周期的な信号であることが好ましい。基準信号の振幅が駆動信号の振幅に対応することが好ましい。

装置は、基準信号と検出信号との間でホモダイニング機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成されてもよい。

基準信号は、駆動信号にほぼ対応することが好ましい。

本発明の実施形態では、検出信号が駆動信号に対応する基準信号と組み合わされ、それにより、駆動信号と検出信号との間の振幅の差に対応する信号が生成される。

装置は、基準信号と検出信号との間で自己相関機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成されることが好ましい。

装置は、基準信号と受信信号との間でロックイン検出機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成されることが好ましい。

駆動信号と同じ周波数を有する基準信号の使用は、駆動信号の周波数の任意の変化が基準信号の変化で正確に反映されるという利点を有する。したがって、駆動信号の周波数の変化とは略無関係に差分値を形成できる。駆動信号周波数の変化は、例えば、装置と関連するエレクトロニクスの温度の変化に起因して生じる場合がある。

これに代えてあるいはこれに加えて、基準信号は、駆動信号と異なる周波数を有する周期的な基準信号であってもよい。

装置は、基準信号と検出信号との間でヘテロダイニング機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成されてもよい。

したがって、本発明の実施形態において、検出信号は、駆動信号と異なる周波数を有する基準信号と組み合わされる。本発明の実施形態において、組み合わされた信号は、基準信号の周波数と検出信号の周波数との間の差に対応するビート周波数の信号を通過させるようになっているローパスフィルタに通される。

電磁放射線のビームは、７００〜２０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応することが好ましい。この範囲は、以下において、「近赤外」または「ＮＩＲ」放射線とも称される。

波長のこの範囲は、多くの材料が電磁放射線を比較的透過する範囲に対応する。すなわち、波長のこの範囲は、適度な長さの時間でサンプルの内部構造の検査を行なうことができるようにする十分な量の放射線がサンプルを通じて伝送される範囲に対応する。

また、波長のこの範囲は、水が電磁放射線を比較的透過する波長にも対応する。したがって、生体物質などの含水材料の内面の撮像が可能である。そのため、本発明の実施形態に係る装置は、含水材料を撮像できるテラヘルツ（ＴＨｚ）撮像技術などの従来技術を越える利点を有する。ＴＨｚ範囲の周波数の電磁信号は水によって多く吸収され、それにより、生体物質の内部構造の撮像が困難になる。ＴＨｚシステムは、その上にインクを伴わない紙とその上にインクを伴う紙との間など、乾燥材料間にコントラストを与えることができる能力を実証してきたが、それらのシステムは、生体物質においてコントラストを与えることができる能力を立証できなかった。

逆に、Ｘ線撮像システムは、生体物質においてコントラストを与えることができる能力を立証してきたが、比較的僅かな濃度の異なる材料を伴うサンプルにおいてコントラストを与えることができなかった。例えば、Ｘ線撮像システムは、その上にインクを伴う紙とその上にインクを伴わない紙との間を区別することができない。

７００〜約２０００ｎｍの周波数範囲は、電磁放射線がサンプルを通過するときのサンプルの加熱がかなりの度合いまで起こらないという利点を有する。

本発明の実施形態は、生体物質における嚢胞と腫瘍とを区別できる（すなわち、嚢胞と腫瘍との間を識別できるコントラストを与える）という利点を有する。

実質的に水で満たされた袋である嚢胞の場合、嚢胞は、電磁信号を散乱させず、むしろ信号を減衰させる。１μｍ程度のスケールで細胞構造を有する腫瘍または癌の場合には、電磁信号の散乱が起こる。サンプルと入射放射線との間の相互作用の違いにより、生物学的サンプルにおける特徴（嚢胞または腫瘍など）の性質のより正確な決定を行なうことができる。したがって、本発明の実施形態に係る装置は、嚢胞、腫瘍、および、身体の他の生物学的特徴の検出および特徴付けにおいて使用されてもよい。嚢胞と腫瘍との間を区別できるという重要性は、医師が所与の患者に関する医療処置の性質および相対的な緊急性を決定できるようにする場合に重要である。

したがって、本発明の実施形態は、患者の臨床的なスクリーニングおよび調査において大きな潜在的有用性を有する。

電磁放射線のビームは、７００〜１０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応してもよい。いくつかの実施形態では、電磁放射線のビームが８００〜９００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する。

周期的な振幅変化は方形波信号に対応することが好ましい。

これに代えてあるいはこれに加えて、周期的な振幅変化が正弦波信号に対応していてもよい。

装置は、検出器を被検査物品に対して移動させるようになっていてもよい。

これに代えてあるいはこれに加えて、装置は、被検査物品を検出器に対して移動させるようになっていてもよい。

これは、サンプルの複数の領域の検査を、対応する複数の検出器を設ける必要なく行なうことができるという利点を有する。したがって、サンプルを検査することが望ましいサンプルの領域へ検出器が移動されてもよく、また、放射線源によって伝送される信号の測定が行なわれてもよい。

本発明のいくつかの実施形態において、検出器に対する放射線源の相対的な位置は、検出器がサンプルに対して移動されるかどうかあるいはサンプルが検出器に対して移動されるかどうかにかかわらず、ほぼ不変のままである。

検出器は光検出素子を備えることが好ましい。

より好ましくは、検出器は光検出素子の配列を備える。

この特徴は、データの並行な収集を行なうことができるという利点を有する。すなわち、被検査物品と相互作用した放射線源からの電磁放射線の検出を複数の空間的に別個の場所でほぼ同時に行なうことができる。これは、データの連続収集の場合よりも迅速に、データを複数の空間的に別個の場所から収集できるという利点を有する。データの連続収集とは、データが１つの空間的な場所から収集された後に、第２の空間的な場所から収集されることを意味する。

配列は直線配列であってもよい。あるいは、配列が平面配列であってもよい。

平面配列は、検査を受ける物品または検出器を移動させる必要なく、二次元領域にわたってデータを得ることができるという利点を有する。

装置は、伝送モードで動作するように構成されてもよく、このモードでは、検出器は、被検査物品を通じて該物品の一方側から他方側へ伝送される電磁放射線のビームを検出するようになり、放射線源が設けられる側とほぼ反対のサンプルの側に検出器が設けられる。

これに代えてあるいはこれに加えて、装置は、反射モードで動作するように構成されてもよく、このモードでは、検出器は、被検査物品によって反射される電磁放射線のビームを検出するようになり、放射線源とほぼ同じ物品の側に検出器が設けられる。

反射には、物品の外面からの反射、および、基質と埋め込まれた粒子との間の界面などの物品の内部体積からの反射が含まれる。したがって、当業者であれば理解できるように、動作の反射モードは、検査を受ける物品の少なくとも一部を通じて伝送された電磁放射線の検出を含み、物品の外面から反射される電磁放射線の検出だけに限られない。

動作の反射モードの変形において、本発明のいくつかの実施形態では、試料を通じて伝送された電磁放射線を、元の試料を通じて、放射線源とほぼ同じ試料の側に設けられる検出器へと反射するために、１つ以上の反射要素が設けられる。

装置は、反射モードまたは伝送モードのいずれかで動作するように構成できてもよい。

装置は、反射モードおよび伝送モードで同時に動作するように構成できてもよい。

放射線源は、複数の波長の電磁放射線を放出するように構成されてもよい。

検出器は、複数の波長の電磁放射線を検出するように構成されてもよい。

複数の検出器が設けられてもよく、各検出器は、異なるそれぞれの波長または所定範囲の波長の電磁放射線を検出するように構成される。

この特徴は、サンプルによって吸収される放射線の量を放射線の波長に応じて略同時に測定するために装置を使用できるという利点を有する。

検出器が同調可能なフィルタを備えていてもよい。

これは、検出器に入射し且つそれぞれが複数の波長または所定範囲の波長を有する放射線の量を測定するために同じ検出器を使用できるという利点を有する。すなわち、検出器によって検出される電磁放射線の量の複数の測定を行なうとともに、測定間でフィルタの特性を変えることにより、波長に応じたサンプルによる信号の減衰の相対的な量を決定することができる。

前記波長のうちの少なくとも１つがサンプルの特性吸収波長に対応していてもよい。

この特徴は、材料の化学的組成または他の組成の解析を行なうことができるという利点を有する。すなわち、装置は、検査を受ける物品中に特定の材料、要素、または、化合物が存在するかどうかに関する決定を支援するために使用されてもよい。

放射線源がレーザ源であってもよい。レーザ源は、放射線源からの放射線のビームの視準が不要であるという利点を有する。本発明の実施形態では、線の形態を成すレーザンビームが供給され、線がサンプルにわたって走査され、それにより、レーザバーコード走査技術と同様の様式でサンプルの断面領域の画像が得られる。

本発明のいくつかの実施形態では、ＬＥＤまたは固体レーザなどの単一の放射線源が円筒レンズと組み合わせて使用され、それにより、比較的フラットな強度分布を有する直線ビームが生成される。すなわち、強度分布は、ほぼ非ガウスである。

放射線源および検出器のうちの少なくとも一方が光ファイバケーブルを備えていてもよい。

放射線源には光ファイバケーブルが設けられてもよく、該ケーブルは、被検査物品上に電磁放射線のビームを向けるようになっている。

これに代えてあるいはこれに加えて、検出器には、サンプルから検出器へと電磁放射線を方向付けるようになっている光ファイバケーブルが設けられてもよい。

本発明の第２の態様では、物品を検査する方法であって、周期的な振幅変化を有する駆動信号を発生させるステップと、駆動信号の周期的な振幅変化に対応する周期的な振幅変化を有する電磁放射線のソースビームを発生させるステップと、ソースビームの一部を被検査物品の少なくとも一部および検出器に通過させるステップと、検出器に通過されるソースビームの部分の振幅変化に対応する振幅変化を有する検出信号を発生させるステップと、検出信号の振幅と基準信号の振幅との間の差に対応する差分値を生成するステップとを含む、物品を検査する方法が提供される。

ソースビームは、７００〜２０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応することが好ましい。

より好ましくは、ソースビームは、７００〜１０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応することが好ましい。

ここで、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

本発明の第１の実施形態に係る装置の概略図を示す。 本発明の第１の実施形態に係る装置の概略図を示す。 本発明の第２の実施形態に係る装置の概略図を示す。 本発明の第３の実施形態に係る装置の概略図を示す。 （ａ）本発明の実施形態に係る装置を使用してサンプルから得られた画像を示す。（ｂ）画像の領域に対応するピクセル値を示す。 （ａ）本発明の実施形態に係る装置を使用して異なるサンプルから得られた画像を示す。（ｂ）画像の領域に対応するピクセル値を示す。 第２の実施形態に係る装置の動作の反射モードの概略図を示す。 第１の実施例に対応する一連の画像を示す。 第２の実施例に対応する一連の画像を示す。 第３の実施例に対応する一連の画像を示す。 第４の実施例に対応する一連の画像を示す。 第５の実施例に対応する一連の画像を示す。

本発明の第１の実施形態によれば、サンプルを検査するための装置１００が図１にほぼ概略的に示されている。装置は、ホモダインモードで動作するように構成されている。すなわち、駆動信号および基準信号が同じ信号発生器によって与えられる。

装置１００は、計算デバイス１０５と、基準（駆動）信号発生器１１０と、基準（駆動）信号増幅器１１５と、放射線源１２０と、放射線検出器１２５と、検出信号増幅・調整器１３０と、信号処理モジュール１３５とを備える。

基準信号発生器１１０は、１０ＭＨｚの周波数を有する周期的な方形波を発生させるように構成されている。他の周波数も有用であることは理解される。いくつかの実施形態では、方形波が１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの周期的な周波数を有する。

本発明のいくつかの実施形態において、計算デバイス１０５は、別個の基準信号発生器１１０の代わりに基準信号を発生させるように構成されている。

第１の実施形態に係る放射線源１２０は、約９００ｎｍの波長を有する電磁放射線を放出するように構成される固体発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスである。他の波長も有用である。

放射線検出器１２５は、二次元配列の検出素子を有する固体検出器である。第１の実施形態によれば、検出素子は固体ダイオードである。

他の検出素子も有用である。いくつかの実施形態では、検出器がＣＭＯＳ検出器である。本発明の他の実施形態では、ＣＣＤ検出器が使用される。本発明のいくつかの実施形態では、任意の適した市販の赤外線カメラが使用される。

二次元配列の検出素子が使用される場合、サンプルの画像を検出素子上に投影するためにレンズが設けられてもよい。

検出器１２５は、ほぼ９００ｎｍの波長を有する放射線だけをダイオードの配列に入射させることができるようになっている光学帯域通過フィルタを有する。他の波長に対応する帯域通過フィルタも有用である。

異なる値またはある範囲の値の波長を伝送するようになっている可変光学帯域通過フィルタも有用である。回折格子も有用である。調整可能な回折格子も有用である。

検出器１２５は、検出器１２５の各素子によって検出される電磁放射線の振幅変化に対応する検出信号を発生するように構成される。

増幅・調整器１３０は、検出器１２５によって発生される信号をそれが信号処理モジュール１３５へ送られる前に処理するようになっている。

増幅・調整器１３０は、信号処理モジュール１３５の前駆機能を果たすとともに、外部ノイズを除去するように構成されている。

増幅・調整器１３０は、基準信号発生器１１０によって発生される基準信号に同調される電気的な帯域通過フィルタである。増幅・調整器１３０は２つの主機能を有する。

第１に、増幅・調整器は、信号処理モジュール１３５によって行なわれる主信号回収プロセス（自己相関）前に検出信号の比較的粗いフィルタリングを行なう。

第２に、増幅・調整器１３０は、信号処理モジュールによって行なわれる自己相関をさもなければ妨げる高調波を除去する。

信号処理モジュール１３５には、基準信号発生器１１０によって発生される信号の供給と、増幅・調整器１３０による処理後の検出信号の供給とが与えられる。信号処理モジュール１３５は、２つの信号の自己相関を行なうとともに、検出器１２５の各要素毎に２つの信号の振幅の差に対応する出力を生成するように構成される。すなわち、信号処理モジュール１３５は、放射線源からサンプルの一部に通過される電磁信号の振幅の変動に対応する様式で変化する出力を与えるように構成されている。

自己相関および他のロックイン検出技術は、ノイズがほぼ無いデータを得ることができるようにするという利点を有する。すなわち、装置は、基準信号に対応しない検出信号周波数をフィルタ除去することができる。これにより、基準信号および検出信号の相対振幅のより正確な比較を行なうことができる。

基準信号と検出信号との間の振幅の差は小さいため、自己相関および他のロックイン検出技術などの小信号回収技術は、信号間の振幅の差を決定し、それにより、サンプルの一部に通過された電磁信号の振幅の変化を記録するための有益な手段を与える。

基準信号および検出信号が同じ周波数の信号であり、したがって、２つの信号の振幅の差を決定する際に他のホモダイニング技術も有用であることは理解される。

本発明のいくつかの実施形態では、ヘテロダイニング技術が使用される。本発明のいくつかの実施形態では、放射線源信号に対して異なる周波数の基準信号が使用される。

本発明のいくつかの実施形態では、基準信号が検出信号と混合されてビート信号が生成される。ビート信号の振幅の変化は、その後、検出信号の振幅の変化を測定するために使用されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、駆動信号の高調波周波数に対応する基準信号が使用される。これにより、高調波解析を行なうことができる。また、これにより、検査を受ける物品に関する情報を決定することができる。

ホモダイン技術を使用する本発明のいくつかの実施形態では、基準（駆動）信号が掃引周波数信号を与えるように構成される。すなわち、基準信号の周期的な周波数（基準信号が方形波信号、正弦波信号、または、任意の他の適切な信号に対応しているかどうかにかかわらず）は時間に応じて変化する。本発明のいくつかの実施形態では、基準信号がチャープされる。基準信号および検出信号の相対振幅の比較の質を高めるために、他の技術が使用されてもよい。

本発明の第１の実施形態によれば、アナログ回路を用いた単一周波数ロックインを使用して自己相関が行なわれる。アナログ回路は、基準信号および検出信号の振幅の小さな差に対して非常に高い感度を有するように構成されてもよく、それにより、物品の内部構造の高品質画像を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、自己相関がデジタルで行なわれることは理解される。自己相関のデジタル性能は、それがソフトウェアプログラムを実行するコンピュータを使用して行なわれてもよいという利点を有する。しかしながら、自己相関のデジタル性能は、自己相関が行なわれる前に検出信号のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換が必要とされるという欠点を有する。アナログ信号からデジタル信号への変換における検出信号の量子化のプロセスは、本質的に、情報の損失をもたらし、したがって、自己相関プロセスによって生じるデータの質の低下を生み出す。

本発明の他の実施形態において、装置は、様々な他のロックイン検出技術を含む他のタイプの小信号回収技術を使用するように構成される。例えば、標準的なマルチチャンネル解析器を使用することができ、あるいは、放射線源から独立した無関係のフリーランニング高同調フィルタを使用できる。前述したように、ヘテロダイニング技術も使用することができ、あるいは、ソフトウェアベースの信号閾値トリガ・平均化技術も使用できる。

図２は、コンベアベルト１９２によって装置を通過している物品１９０を解析するようになっている本発明の第１の実施形態の概略図である。

第１の実施形態によれば、基準信号発生器１１０、基準信号増幅器１１５、および、放射線源１２０が単一のハウジング１２２内に設けられる。同様に、放射線検出器１２５、放射線検出信号増幅・調整器１３０、および、信号処理モジュール１３５も単一のハウジング１２７内に設けられる。

図１に示される装置は、伝送モードで動作するようになっている。すなわち、装置は、検査されるべき物品を通じて伝送される電磁放射線のビームを検出器が検出するように構成されている。その結果、検出器１２５は、放射線源１２０に対して被検査物品の反対側に設けられる。

本発明の他の実施形態では、放射線源１２０および検出器１２５の相対的位置の異なる配置が考えられてもよい。

本発明の第２の実施形態に係る装置２００において、装置は、反射モードで動作するようになっている（図３）。すなわち、装置は、被検査物品から反射される電磁放射線のビームを検出器が検出するように構成される。

したがって、基準信号発生器、基準信号増幅器、放射線源、放射線検出器、放射線検出信号増幅・調整器、および、信号処理モジュールが単一のハウジング２２２内に設けられてもよい。放射線源および検出器は、検査されるべき物品２９０の互いに対して同じ側に位置されるように配置される。

いくつかの実施形態では、被検査サンプルの両側の位置に検出器が設けられ、それにより、動作の伝送モードまたは反射モードのいずれかあるいは両方を行なうことができることは理解される。

本発明の第３の実施形態に係る装置３００（図４）は手持ち式デバイスの形態を成す。装置３００は、サンプルをサンプルチャンバ３８０内へ挿入できるようになっている。チャンバ３８０内のサンプルの検査は、本発明の第１の実施形態の場合とほぼ同じ態様で行なわれる。手持ち式デバイスの形態を成すいくつかの実施形態では、デバイスが反射モードで動作するように構成される。

図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る装置によって得られる食品サンプルの一部の画像を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の円で囲まれた領域に対応する画像のピクセルの配列の一部の概略図である。各ピクセルが検出器１２５の検出素子に対応している。各ピクセル上には、そのピクセルに対応する検出素子によって生成される信号の振幅に対応する数値が被せられている。

図６（ａ）は、多孔質食品サンプルの一部の同じ装置によって得られた画像を示している。図６（ｂ）から分かるように、検出素子によって生成される信号の振幅の値は、一般に、図５の更に密度の高いサンプルの場合に生成される値よりも高い。これは、より多孔質なサンプルの場合、より少ない体積の食品材料が食品サンプルを構成し、それにより、サンプルの所与の厚さにおいて、放射線信号が相互作用できる食品の体積が減少されるためである。

前述したような反射モードまたは反射モードのバリエーションで動作する本発明の実施形態は、図７に概略的に示される配置にしたがって構成されてもよい。図７の実施形態では、図から分かるように、放射線源２２０によって発生されるビームの反射経路長を使用して、検査を受けるサンプル２９０の基質２９６に埋め込まれる粒子２９５の位置が決定される。

図７の装置は、互いに対して空間的に分離される検出素子２２６の配列を有する検出器２２５を使用して反射ビームの経路長を決定するように構成される。

本発明の実施形態に係る装置は、粒子の空間的位置を決定するために時間分解技術を使用しない。むしろ、本発明の実施形態は、サンプルの一部に通過された放射線源信号の振幅変化を決定するように構成される。放射線源信号の振幅は、物品を通り抜ける信号の経路長が増大するにつれて減少する。

しかしながら、当業者であれば分かるように、本発明のいくつかの実施形態では、時間分解技術が使用されてもよい。

本発明の実施形態に係る装置は、有機材料および無機材料、例えばガラス、プラスチック、木材、生体組織および死滅組織、生命体および死滅体、および、生体物質などを含む幅広い範囲の材料サンプルを検査するために使用されてもよい。

用途は、食料品などの物品中の異物の検出を含む。気孔率などの物品の特性を検査することもでき、また、サンプル中の密度変化のばらつきが特徴付けられてもよい。物品の品質、例えばスナックなどの食料品、および、ポテトチップ、シリアルバー、ビスケットおよびパンを含む他の商品の品質の決定を行なうこともできる。

身体の一部の検査を行なうこともできる。いくつかの実施形態において、装置は、骨サイズを測定して身体の１つ以上の骨の画像を与えるように構成される。骨折の検査も可能であり、本発明の実施形態を使用して得られる画像の画質はＸ線撮像技術に匹敵する。例えば、指、腕、膝、脚、胸、踵などの領域の骨折が検査されてもよい。

工場環境において、パッケージ内に収容された食品の量、充填高さ、食品品質、および、所与のタイプの１つ以上の汚染物質が存在するか否かなどのパッケージ食品の特徴を決定するためにパッケージ商品が検査されてもよい。

［実施例１］
図８（ａ）は、文字がその上に印刷された一枚の紙の形態を成す被検査サンプルの一部を示している。プラスチック材料から形成され且つ粉末状の物質を含む２つのバッグが紙の上に置かれている。図８（ｂ）は、封筒内への挿入のプロセス中における１回折り畳まれた１枚の紙を示している。図８（ｃ）は、密封後の封筒を示している。

図８（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る装置を使用して得られる図８（ｃ）のサンプルの画像である。可視光を通さない封筒内に紙が密封されるという事実にもかかわらず、紙上の文字を画像中ではっきりと見ることができ且つ読むことができる。

本発明の実施形態に係る装置において、生成された画像は、その後、文字をデータベースへ入力するために、光学式文字認識（ＯＣＲ）などの更なる画像処理技術を使用して処理される。

本発明の実施形態は、人および財産の安全に関する幅広い範囲の用途を見出す。例えば、本発明の実施形態は郵便仕分け室で利用されてもよく、その場合、郵便仕分け室を通過する郵便物の走査が行なわれてもよい。

郵便物の走査は、「爆弾」または「炭疽菌」という語など、組織に対する懸案行動に関連するキーワードを探し出すことを伴ってもよい。

本発明の実施形態に係る装置は、住所に関して郵便物を走査し且つコード情報を分類するように構成された既存のシステムと関連付けられてもよい。

本発明の実施形態に係る装置は、封筒、ハンドバッグ、または、スーツケースなどのパッケージ内における、あるいは、人間または動物の身体上または身体内で持ち運ばれる、違法薬物などの化学物質および銃器などの他の禁制品の存在を識別するために使用されてもよい。

［実施例２］
図９（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る装置を使用する撮像前の歯を示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）の写真と同じ視野方向から得られた同じ試料のロックイン近赤外線（ＮＩＲ）画像を示している。図９（ｃ）は、図９（ｂ）のデータから生成された対応する輪郭プロットを示している。

歯の周囲の部分に対して比較的高いコントラストの領域ＡがＮＩＲ画像においてはっきりと見える。この領域は、基準信号の振幅と検出信号の振幅との間の比較的低い差異に対応している。これは、領域Ａが比較的低い密度の領域に対応していることを示している。また、図示のように、歯のエナメル質と象牙質との間の境界Ｂは比較的暗いようにも見える。境界領域は、比較的低い密度の領域であることが知られている。

図９（ｄ）は、図９（ａ）の歯の切断部を示す写真である。図示のように、歯には虫歯の穴が存在する。虫歯の穴の位置は、図９（ｂ）および（ｃ）に示されるような歯の比較的低い密度の領域の位置に対応する。

［実施例３］
図１０（ａ）は、金属、プラスチック、綿、および、木材のいずれかを含む様々な材料から形成される４つの物品の写真を示している（ペン蓋Ａ、木製スティック上の綿棒Ｂ、ペーパークリップＣ、および、時計バッテリＤ）。物品は、図１０（ｂ）に示される段ボール箱内に包装する前の状態で示されている。

図１０（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る装置を使用する物品のＮＩＲ画像である。図１０（ｄ）は、逆のコントラストによる図１０（ｃ）の画像を示している。物品は、図１０（ｃ）、（ｄ）の画像においてはっきりと見える。

図示のように、ＮＩＲ撮像は、金属の他、通常はＸ線を透過する材料（例えば、プラスチック、木材、および、綿）を撮像することができる。

図１０（ｃ）の画像は、１ｍＷ未満の電力の近赤外線を生成するＮＩＲ源を使用して得られた。

［実施例４］
図１１（ａ）は、２切れの脂肪のない肉（豚肉）を示す写真である。この場合、一方の肉片（下側の肉片）上に置かれた一切れの豚肉皮Ｒが写真に示されている。

図１１（ｂ）は、上側の豚肉片が下側の肉片上に位置する状態で撮られた写真である。これにより、豚肉皮が２つの肉片間に「挟まれる」。

図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に示される構造のロックインＮＩＲ画像である。豚肉皮の存在を画像中ではっきりと見ることができる。皮が位置される領域は、基準信号と検出信号との間の振幅差が比較的大きい領域として示される。脂肪含有量が比較的高い豚肉皮は、脂肪含有量が比較的低いサンプルの部分よりも高い度合いまでＮＩＲ信号を弱める大きな割合の水を含む。

また、画像中には、豚肉皮自体の構造の変化も現れている。更に、図１１（ｃ）の「Ｐ」の領域など、他の部分よりも薄い豚肉サンプルの部分も、豚肉サンプルの残りの部分と比べてコントラストの変化を示している。

［実施例５］
図１２（ａ）は、Ｈｅｒｓｈｅｙ（商標）社によって製造されるチョコレートバーのＮＩＲ画像を示している。バーは、「ＨＥＲＳＨＥＹ’Ｓ」という語に対応する厚さ変動を有する。また、バーは、バー内に埋め込まれたアーモンドナッツも含む。

第１の実施形態に係る装置は、語「ＨＥＲＳＨＥＹ’Ｓ」に対応するバーの厚さ変動を区別できる十分な感度がある。文字は、画像中の明るい背景上に暗い字体として現れる。文字「Ｈ」が眼の指針として図１２（ａ）にラベル付けされている。

画像では、バー内に埋め込まれたアーモンドナッツもはっきりと見ることができる。ナッツは、図１２（ａ）中に「Ｎ」でラベル付けされている。

比較として、図１２（ｂ）は、ＴＨｚ撮像システムを使用して得られた同様のＨｅｒｓｈｅｙチョコレートバーの画像を示している。システムは、フェムト秒パルスレーザテラヘルツ源と過冷却検出器とを含む。

チョコレートバー内のアーモンドの存在は、文字「ＨＥＲＳＨＥ」と共に、図１２（ｂ）の画像中で認識できる。文字「Ｈ」が眼の指針として図１２（ｂ）にラベル付けされ、また、ナッツが「Ｎ」でラベル付けされている。

なお、本発明の第１の実施形態に係る装置は、図１２（ｂ）の画像を得るために使用されるＴＨｚ撮像システムよりもコストが約３オーダー低い。また、第１の実施形態に係る装置は、数百倍小さいとともに、維持コストがかなり低い。

本発明のいくつかの実施形態は、レンズなどの光学素子が不要であるという利点を有する。これは、いくつかの実施形態に係るシステムを構成するコストを低減するという利点を有する。

本発明のいくつかの実施形態に係る装置において、放射線源は、複数の波長のＮＩＲ放射線を放出するようになっている。放射線源は、同様に、複数の波長のＮＩＲ放射線を検出するとともに、所与の波長または所定範囲の波長の放射線の強度を測定するようになっている。

いくつかの実施形態に係る装置には、電子的に構成可能なフィルタ要素が設けられる。電子的に構成可能なフィルタ要素は、装置の検出器に入ることが許される放射線の波長をユーザが制御できるようになっている。

本発明のいくつかの実施形態では、一連の波長のＮＩＲ放射線を放出するように構成される放射線源が使用される。

本発明の実施形態において、本システムは、検出器と関連付けられる１つ以上のフィルタ要素を通過する放射線の波長を変えることにより、検出器によって検出される信号の振幅を波長に応じて記録するように構成される。いくつかの実施形態では、１つ以上のフィルタ要素が、検出器の代わりにあるいは検出器に加えて放射線源と関連付けられる。

いくつかの実施形態では、異なる波長のＮＩＲ放射線の同時検出または略同時検出を可能にするために、異なるそれぞれのフィルタを有する複数の検出器が設けられる。そのような実施形態では、複数の波長または所定範囲の波長の放射線を放出するように構成される放射線源が使用される。そのような実施形態は、物品のより急速な撮像を可能にするという利点を有する。物品の急速撮像は、コンベアベルトに沿って所定速度で移動する物品を解析するとき、あるいは、生きている対象物を撮像するときに特に重要となる。

本発明のいくつかの実施形態において、放射線源は、サンプルの一部にわたってビームを走査するように構成される。ビームは、点、線、または、広い面積のビームの形態をなしてもよい。線放射線源は、円筒レンズおよび線によって形成されてもよく、また、サンプルの一部にわたって走査されてもよい。

本発明の実施形態は、飛行時間解析システムで使用される変調周波数よりもかなり低い変調周波数で使用されてもよいことは理解される。

本明細書の説明および特許請求の範囲の全体にわたって、用語「備える」および「含む」、並びに、用語の変形、例えば「備える」および「備え」は、「を含むがこれらに限定されない」ことを意味し、また、他の部分、付加物、成分、整数またはステップを排除しようとするものではない（排除しない）。

本明細書の説明および特許請求の範囲の全体にわたって、単数形は、文脈がその他のことを要求していなければ、複数形を包含する。特に、限界のない物品が使用される場合、本明細書は、文脈がその他のことを要求していなければ、複数および単数を意図すると理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態、または、例に関連して説明される特徴、整数、特性、化合物、化学的な部分または基は、ここに記載される任意の他の態様、実施形態、または、実施例に対して適用できると理解されるべきである。ただし、適合しない場合を除く。

Claims (36)

1. 周期的な振幅変化を有する駆動信号を発生するように構成されるコントローラと、
   ソースビームを放出し、それにより、物品を照射するようにコントローラによって動作可能である放射線源であって、ソースビームが、駆動信号の周期的な振幅変化に対応する周期的な振幅変化を有する電磁放射線のビームを含む、放射線源と、
   物品の少なくとも一部を通じて伝送されたソースビームの部分を検出するとともに、ソースビームの前記部分の振幅変化に対応する振幅変化を有する検出信号を発生するように構成される検出器と
   を備え、前記コントローラは、検出信号の振幅と基準信号の振幅との間の差に対応する差分値を生成するように更に構成される、物品を検査する装置。
2. 前記基準信号は、前記駆動信号と同じ周波数を有する周期的な信号である請求項１に記載の装置。
3. 前記基準信号と前記検出信号との間で、ホモダイニング機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成される請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記基準信号が前記駆動信号にほぼ対応する請求項２または請求項３に記載の装置。
5. 前記基準信号は、前記駆動信号と異なる周波数を有する周期的な基準信号である請求項１に記載の装置。
6. 前記基準信号と前記検出信号との間でヘテロダイニング機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成される請求項５に記載の装置。
7. 前記基準信号と前記検出信号との間で自己相関機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成される請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記基準信号と前記受信信号との間でロックイン検出機能を果たし、それにより、差分値を生成するように構成される請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 電磁放射線のビームが、７００〜２０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
10. 前記電磁放射線のビームが、７００〜１０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する請求項９に記載の装置。
11. 前記電磁放射線のビームが、８００〜９００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する請求項１０に記載の装置。
12. 前記駆動信号および前記基準信号の周期的な振幅変化が、方形波信号に対応する請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記駆動信号の周期的な振幅変化および前記基準信号の周期的な振幅変化が、正弦波信号に対応する請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
14. 検出器を被検査物品に対して移動させるようになっている請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 被検査物品を検出器に対して移動させるようになっている請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記検出器が光検出素子を備える請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記検出器が光検出素子の配列を備える請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記配列が直線配列である請求項１７に記載の装置。
19. 前記配列が平面配列である請求項１７に記載の装置。
20. 伝送モードで動作するように構成され、このモードでは、検出器は、被検査物品を通じて伝送される電磁放射線のビームを検出するようになり、放射線源が設けられる側とほぼ反対のサンプルの側に検出器が設けられる請求項１〜１９のいずれかに記載の装置。
21. 反射モードで動作するように構成され、このモードでは、検出器は、被検査物品によって反射される電磁放射線のビームを検出するようになり、放射線源とほぼ同じ物品の側に検出器が設けられる請求項１〜２０のいずれかに記載の装置。
22. 反射モードまたは伝送モードのいずれかで動作するように構成できる請求項１〜２１のいずれかに記載の装置。
23. 前記放射線源は、複数の波長または所定範囲の波長の電磁放射線を放出するように構成される請求項１〜２２のいずれかに記載の装置。
24. 前記検出器は、複数の波長または所定範囲の波長の電磁放射線を検出するように構成される請求項１〜２３のいずれかに記載の装置。
25. 検出器が同調可能なフィルタを備える請求項２４に記載の装置。
26. 複数の検出器を備え、前記複数の検出器のそれぞれが対応する異なる波長を検出するように構成される請求項２４または請求項２５に記載の装置。
27. 前記波長のうちの少なくとも１つがサンプルの特性吸収波長に対応する請求項２４〜２６のいずれかに記載の装置。
28. 前記放射線源および前記検出器のうちの少なくとも一方が、光ファイバケーブルを備える請求項１〜２７のいずれかに記載の装置。
29. 前記放射線源には光ファイバケーブルが設けられ、前記ケーブルは、被検査物品上に電磁放射線のビームを向けるようになっている請求項２８に記載の装置。
30. 前記検出器には、サンプルから検出器へと電磁放射線を方向付けるようになっている光ファイバケーブルが設けられる請求項２８または請求項２９に記載の装置。
31. 前記基準信号の振幅が、前記駆動信号の振幅に対応する請求項１〜３０のいずれかに記載の装置。
32. 周期的な振幅変化を有する駆動信号を発生させるステップと、
    駆動信号の周期的な振幅変化に対応する周期的な振幅変化を有する電磁放射線のソースビームを発生させるステップと、
    ソースビームの一部を被検査物品の少なくとも一部および検出器に通過させるステップと、
    前記検出器に通過されるソースビームの部分の振幅変化に対応する振幅変化を有する検出信号を発生させるステップと、
    前記検出信号の振幅と前記基準信号の振幅との間の差に対応する差分値を生成するステップと
    を含む、物品を検査する方法。
33. 前記ソースビームが、７００〜２０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する請求項３２に記載の方法。
34. 前記ソースビームが、７００〜１０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線に対応する請求項３３に記載の方法。
35. 添付図面を参照して前述した装置とほぼ同様の装置。
36. 添付図面を参照して前述した方法とほぼ同様の方法。

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