JP2011047797A

JP2011047797A - 電波利用型画像生成装置

Info

Publication number: JP2011047797A
Application number: JP2009196542A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Ajito; 克裕味戸; Naoya Kukutsu; 直哉久々津; Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】干渉縞のない鮮明な透視画像をイメージング可能な電波利用型画像生成装置を提供することを課題とする。
【解決手段】光増幅器１により自然放出光を発生し、フォトダイオード等の光電変換器４により自然放出光の光信号を特定周波数の電気信号に変換して、放射用アンテナ５から電波として空中に放射して測定物体３０に照射し、その測定物体３０を透過した透過電波や測定物体３０で反射した反射電波を用いて透視画像をイメージングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電波を利用して物体のイメージングを行う技術に関する。

近年、安心・安全な社会の実現に向けて、それをサポートするための技術開発に関心が高まっている。従来より、空港や鉄道駅等の手荷物検査を非開封で行う技術が存在し、そのような検査技術には主としてＸ線が用いられているが、最近になって、このＸ線と同様に物体を透過する能力のあるミリ波（周波数：３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）やテラヘルツ波（周波数：１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）といった電波を利用して、物体をイメージングする技術が注目されている（非特許文献１、２参照）。

ミリ波やテラヘルツ波等の電波は、Ｘ線よりも波長が長いため低空間分解能であるが、Ｘ線のように物体をイオン化するほど高エネルギーでないため、人体に与える影響は低く安全であることが知られている。また、テラヘルツ波の周波数領域には、多くの物質にその物質固有の吸収波長（吸収周波数）があるため、物体の像情報だけでなく、物体を構成している材料の同定が可能であるという特徴がある。

このような電波を利用した従来のイメージング装置について説明する。図３は、従来のイメージング装置の構成を示す図である。このイメージング装置は、光技術を用いて電波を発生するものであり、第１の波長可変光源１５ａから波長λ_１の光信号と第２の波長可変光源１５ｂから波長λ_２の光信号とを出力し、光カップラ１６により合波して、合波後の光信号に対して、周波数ｆ_ｍの低周波電気信号で駆動されている光変調器３により強度変調を与えた後に、光電変換器４に導出する。光電変換器４は、それら２つの光信号の波長差に応じた周波数ｆ_０（光の波長を１．５５μｍとした場合、波長差１ｎｍで１２５ＧＨｚ）の電気信号を生成し、放射用アンテナ５から電波として空中に放射し、第１のレンズ６及び第２のレンズ７を通じて測定物体３０に照射する。その後、測定物体３０を通過又は反射した電波の強度や位相を検出し、イメージングするようになっている。

また、電波としてミリ波が利用される場合には、電気信号の発生側にガンダイオードを用い、検出側にショットキーバリアダイオードを用いて測定物体をイメージングする方法もある。

「ミリ波イメージング技術によるコンクリート構造物診断」、ＮＴＴ技術ジャーナル、2008年12月、p.25-28 味戸克裕、外３名、「Terahertz Images of Biological Molecules: Frequency Dependence of Spatial Resolution Using a Tunable Terahertz Laser Source」、Japanese Journal of Applied Physics、Vol.47、No.2、2008年、p.1315-1320

図４は、前述のガンダイオードとショットキーバリアダイオードを用いて測定された測定物体の透視画像である。同図（ａ）に示された測定物体は、内部に液体を入れたポリエチレン製の容器であり、その容器中央部は手前側に盛り上がるような曲面になっている。電波は測定物体の表面や裏側だけでなく、測定物体と各アンテナとの間に配置された各レンズで反射し、更にこのような電波はコヒーレンス性が高く互いに干渉し合うため、同図（ｂ）に示す透視画像には干渉縞が観測されている。なお、一般に、独立した２つの波長可変光源の周波数ゆらぎは１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度であるが、これは、波長差を０．８ｎｍとすると１００ＧＨｚに対して０．０１〜０．００１％のゆらぎに相当し、十分コヒーレントな電波であると言える。

また、液体の上層面（「液体面」と記載した部分）も観測されているが、干渉縞の影響により上層面の位置を見分けにくくなっている。１００ＧＨｚの周波数（波長３ｍｍ）のミリ波を用いた場合には、原理的にその波長程度の空間分解能が得られるが、干渉縞もちょうど波長のオーダー（半波長を屈折率で割った値）の濃淡となって現れるため、鮮明な透視画像を得ることが困難なものとなっている。

すなわち、ミリ波等の高周波電波を利用することにより測定対象のイメージング画像を得ることができるが、その電波のコヒーレンス性の影響により干渉縞ができるため、鮮明な透視画像を得ることができないという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、干渉縞のない鮮明な透視画像をイメージング可能な電波利用型画像生成装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、自然放出光を発生する光発生手段と、発生した前記自然放出光の光信号を特定周波数の電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号を電波として空中に放出して、測定対象である物体に照射する電波放出手段と、前記物体を通過した電波又は前記物体で反射した電波を検出する電波検出手段と、検出された前記電波に基づいて画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、前記電気信号の特定周波数が、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数帯に含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、干渉縞のない鮮明な透視画像をイメージング可能な電波利用型画像生成装置を提供することができる。

本実施の形態に係るイメージング装置の構成を示す図である。従来のイメージング装置により得られた透視画像と本実施の形態に係るイメージング装置により得られた透視画像との比較を示す図である。従来のイメージング装置の構成を示す図である。従来のイメージング装置により得られたミリ波透視画像を示す図である。

以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係るイメージング装置の構成を示す図である。このイメージング装置１００は、光増幅器１と、信号発生器２と、光変調器３と、光電変換器４と、放射用アンテナ５と、第１のレンズ６と、第２のレンズ７と、第３のレンズ８と、第４のレンズ９と、検出用アンテナ１０と、電気信号検出器１１と、電気増幅器１２と、ロックイン増幅器１３と、画像生成部１４とを備えている。以下、これら各部が備える機能について詳細に説明する。

光増幅器１は、自然放出光を発生し、発生させた自然放出光の光信号を増幅して出力する機能を有しており、図３に示した従来のイメージング装置２００と異なって第１の波長可変光源１５ａや第２の波長可変光源１５ｂがないため、インコヒーレントな雑音源として動作することになる。

信号発生器２は、周波数ｆ_ｍ（１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度）の低周波電気信号を発生し、光変調器３及びロックイン増幅器１３に対して出力する機能を有している。

光変調器３は、信号発生器２から出力された周波数ｆ_ｍの低周波電気信号を用いて、光増幅器１から出力された光信号に対して強度変調を与える機能を有している。これにより、光信号は周波数ｆ_ｍの強度変調を受けることになる。なお、このような光変調器３としては、例えば、光チョッパーや電気光学効果を利用したものを用いることができる。

光電変換器４は、光変調器３により強度変調が与えられた光信号を電気信号に変換する機能を有し、放射用アンテナ５は、光電変換器４により変換された電気信号を電波として空中に放射する機能を有し、ここで放射される電波の周波数はミリ波帯（３０ＧＨｚ前後〜３００ＧＨｚ前後）やテラヘルツ波帯（１００ＧＨｚ前後〜１０ＴＨｚ前後）の周波数である。また、このような周波数は、光電変換器４の動作周波数帯域と放射用アンテナ５の動作周波数帯域とで決定される。例えば、放射用アンテナ５として導波管に結合したホーンアンテナを用いた場合には、ホーンアンテナがハイパスフィルターとして作用するため電波の下限周波数が設定されることになり、一方、光電変換器４としてフォトダイオードやフォトコンダクタを用いた場合には、フォトダイオードやフォトコンダクタの動作周波数が上限として設定されることになる。

第１のレンズ６は、放射用アンテナ５の近傍に配置され、放射用アンテナ側を平面とし他方側を凸面とする平凸型の形状を備え、放射用アンテナ５から放射された電波を束ねて略平行にする機能を有している。

第２のレンズ７は、第１のレンズ６に対向して配置され、第１のレンズ側を凸面とし他方側を平面とする平凸型の形状を備え、第１のレンズ６を通過した電波を細く絞って集束させた後に測定物体３０に照射する機能を有している。

第３のレンズ８は、測定物体３０を間に挟んで第２のレンズ７に対向して配置され、第２のレンズ側を平面とし他方側を凸面とする平凸型の形状を備え、測定物体３０を透過した透過電波又は測定物体３０で反射した反射電波を束ねて略平行にする機能を有している。

第４のレンズ９は、第３のレンズ８に対向するよう検出用アンテナ１０の近傍に配置され、第３のレンズ側を凸面とし他方側を平面とする平凸型の形状を備え、第３のレンズ８を通過した透過電波又は反射電波を細く絞って集束させて検出用アンテナ１０に導く機能を有している。

検出用アンテナ１０は、第４のレンズ９を通過した透過電波又は反射電波を受信する機能を有し、電気信号検出器１１は、検出用アンテナ１０で受信した透過電波又は反射電波の強度や位相の変化を検出する機能を有している。なお、このような電気信号検出器１１としては、例えば、ショットキーバリアダイオードを用いることができる。

電気増幅器１２は、電気信号検出器１１により検出された透過電波又は反射電波を増幅し、ロックイン増幅器１３は、信号発生器２で出力された低周波電気信号を用いて、増幅後の透過電波又は反射電波から変調周波数ｆ_ｍの信号を同期検波する機能を有している。特に、検出された電波の強度が弱い場合に、この同期検波が効果的であると言える。

画像生成部１４は、測定物体３０に集束された電波の位置が移動されるに従って逐次検出された透過電波又は反射電波の強度や位相の変化に基づいて透過画像を生成し、画面に表示するイメージング機能を有している。なお、このような画像生成部１４は、ＣＰＵ等の演算処理装置やメモリ等の記憶装置を備えたコンピュータにより構成可能なものであり、プログラムによって実行される。

すなわち、本実施の形態に係るイメージング装置１００は、測定対象である測定物体３０を第２のレンズ７と第３のレンズ８との間に配置した後に、光増幅器１により自然放出光を発生させ、光電変換器４により自然放出光の光信号をミリ波帯やテラヘルツ波帯内における特定周波数の電気信号に変換させた後に放射用アンテナ５から電波として空中に放射し、第１のレンズ６及び第２のレンズ７を利用して放射電波を細く絞って測定物体３０に照射する（Ｓ１）。その後、測定物体３０を透過した電波や測定物体３０で反射した電波を再び第３のレンズ８で捉えて検出用アンテナ１０に導き、電気信号検出器１１で透過電波や反射電波の強度や位相変化を検出する（Ｓ２）。測定物体上に集束された電波の位置を移動させながらＳ１及びＳ２の処理を逐次行うことにより、画像生成部１４により測定物体の透視画像をイメージングする（Ｓ３）。

続いて、上述した機能及び処理を有するイメージング装置１００における測定結果について、従来のイメージング装置２００の測定結果と比較して説明する。図２は、従来のイメージング装置（コヒーレント光源）により得られた透視画像と本実施の形態に係るイメージング装置（インコヒーレントな雑音源）により得られた透視画像との比較を示す図である。なお、コヒーレント光源に基づく電波の周波数は１００ＧＨｚであり、雑音源に基づく電波の周波数帯域は９０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚである。また、測定対象は、同図（ａ）に示すように皮製のケースにカッターナイフの刃を入れたものである。同図（ｂ）から明らかのように、コヒーレント光源を用いた場合には、ケースの表裏で電波が干渉して干渉縞が生じるために、カッターナイフのエッジがボケていることを把握することができる。一方、同図（ｃ）に示された雑音源による電波を用いた場合には、解像度（波長：３ｍｍ）を損なうことなく、より鮮明な画像が得られていることを把握することはできる。

なお、図２に示した測定結果では、本実施の形態に係るイメージング装置における電波の周波数帯域が９０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚであって、対応する波長が３ｍｍ内外に保たれているため、波長で決まる空間分解能に影響を与えないという効果を得ることができる。仮に、光電変換器４で変換された電気信号を１０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚの周波数帯域の放射用アンテナ５から放射してイメージングした場合には、空間分解能は低周波数側の１０ＧＨｚで決まる３０ｍｍに劣化することになる。従って、所望の空間分解能を得るために、光電変換器４と放射用アンテナ５との間に電気フィルタを挿入することにより、確実に周波数帯域を制限するようにすることも可能である。また、このような電気フィルタに代えて、光信号の段階で周波数を制限する光フィルタを用いることも可能である。例えば、０．８ｎｍ幅の光フィルタを光増幅器１の後段に配置することにより、１００ＧＨｚの周波数帯域を得ることができる。

このように、本実施の形態によれば、光増幅器１により自然放出光を発生し、フォトダイオード等の光電変換器４により自然放出光の光信号を特定周波数の電気信号に変換して、放射用アンテナ５から電波として空中に放射して測定物体３０に照射し、その測定物体３０を透過した透過電波や測定物体３０で反射した反射電波を用いて透視画像をイメージングするので、干渉縞のない鮮明が透視画像を得ることができる。これは、自然放出光とフォトダイオード等の光電変換器４によって生成される電波はコヒーレンス性が低くて干渉が生じないため、そのような干渉縞のない透視画像を得ることが可能となる。また、光増幅器１のみが光源であるため、従来のように高価な波長可変光源を用いる必要がなく、イメージング装置全体のコストを大幅に下げることも可能となる。

１…光増幅器（光発生手段）
２…信号発生器
３…光変調器
４…光電変換器（光電変換手段）
５…放射用アンテナ（電波放出手段）
６…第１のレンズ
７…第２のレンズ
８…第３のレンズ
９…第４のレンズ
１０…検出用アンテナ
１１…電気信号検出器（電波検出手段）
１２…電気増幅器
１３…ロックイン増幅器
１４…画像生成部（画像生成手段）
１５ａ…第１の波長可変光源
１５ｂ…第２の波長可変光源
１６…光カップラ
３０…測定物体
１００…本実施の形態のイメージング装置（電波利用型画像生成装置）
２００…従来のイメージング装置
Ｓ１〜Ｓ３…ステップ

Claims

自然放出光を発生する光発生手段と、
発生した前記自然放出光の光信号を特定周波数の電気信号に変換する光電変換手段と、
前記電気信号を電波として空中に放出して、測定対象である物体に照射する電波放出手段と、
前記物体を通過した電波又は前記物体で反射した電波を検出する電波検出手段と、
検出された前記電波に基づいて画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする電波利用型画像生成装置。
前記電気信号の特定周波数は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数帯に含まれていることを特徴とする請求項１に記載の電波利用型画像生成装置。