JP2019526812A - 撮像および通信のためのアップコンバージョンシステム - Google Patents
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Abstract
ミリ波（ＭＭＷ）放射およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の少なくとも１つである信号源放射を検出するように構成されたグロー放電デバイス（ＧＤＤ）と、信号源放射の吸収の結果、ＧＤＤによって放出される可視光における強度変化を測定するように構成された光検出器とを含むアップコンバージョンシステム。システムは任意選択的に、光検出器に動作可能に結合されたプロセッサを含む。プロセッサは、光検出器によって捕捉された画像を分析し、画像に基づいて信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される。【選択図】図１Ｃ
Description
本出願は、参照によってその内容の全体が本願に組み込まれる、２０１６年７月１７日に出願された米国特許仮出願第６２／３６３，２６９号の優先権の利益を主張するものである。
本発明は、ミリ波およびテラヘルツ波を可視光にアップコンバートする分野に関する。
ミリ波（ＭＭＷ）およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の使用は、特に分光法および撮像の分野において、近年ますます増加している。医療、通信、国土安全保障、物質科学、および宇宙工学におけるますます多くの用途がＭＭＷおよびＴＨｚ放射帯に基づく。
異なる種類の様々な検出器が様々な産業で用いられる。ボロメータ検出器および他の熱検出器は非常に感度が高くあり得るが速度が遅く、走査対象のリアルタイムビデオレート撮像を妨げる。半導体検出器は非常に感度が高く高速であるが、非常に高価でもある。グロー放電小型ネオン指示器ランプは安価であるが、半導体検出器よりも感度が低い。しかし、グロー放電小型ネオン指示器ランプは雑音が多くあり得るが、ＧＤＤの内部電子増幅がこれを補償する。これらの検出器における検出方法は、多くの場合、入射ミリ波またはテラヘルツ波の電界によって生じる電流の変化を測定することを伴う。
通信において、データトラフィックは指数関数的に増加し、インターネットプロトコルトラフィックは、近日中に、毎月１００エクサバイト超えに到達すると予想される。オンラインサービスの利用可能性の増加によってモバイルユーザの利用が促進され、その結果、最も早く成長しているデータトラフィックの増加は、無線チャネルを介したものである。これらの無線チャネルは、各基地局間、基地局とエンドユーザデバイスとの間、各エンドユーザデバイス間などの多数の接続リンクを含む。自律車両間の通信の実現は、ＭＭＷ通信および膨大なデータレートを必要とする。これらのリンクの場合、より高い無線伝送速度が必要とされる。そのようなネットワーク容量における増加および膨大な無線データレートを可能にするために、搬送波周波数は、電磁スペクトルのＭＭＷ部分（３０〜３００ＧＨｚ）まで徐々に増加している。歴史的に見て、無線通信に関して、使用された搬送周波数は帯域幅要件を満たすために、たとえば６０ＧＨｚおよび約７０ＧＨｚ〜９５ＧＨｚおよびそれ以上など、昨今発展したＭＭＷ周波数におけるより広いスペクトル帯まで増加している。
関連技術およびそれに関する欠点の上記例は、例示的であって排他的ではないことが意図される。関連技術の他の欠点は、本明細書を閲読し図面を考察することにより当業者に明らかになる。
以下の実施形態およびその態様は、典型的かつ例示的であることが意図され、範囲を限定することは意図されないシステム、ツール、および方法と関連して説明され示される。
実施形態によると、ミリ波（ＭＭＷ）放射およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の少なくとも１つである信号源放射を検出するように構成されたグロー放電デバイス（ＧＤＤ）と、信号源放射の吸収の結果、ＧＤＤによって放出される可視光における強度変化を測定するように構成された光検出器とを備えるアップコンバージョンシステムが提供される。
特定の実施形態において、アップコンバージョンシステムは、物体によってＧＤＤへ反射されるように、信号源放射を物体へ向けて放出するように構成された放射源を更に備える。
特定の実施形態において、アップコンバージョンシステムは、信号源放射を信号ビームおよび参照ビームに分割するように構成されたビームスプリッタを更に備え、信号ビームおよび参照ビームは、可視光を生成するためにＧＤＤによって吸収される。
特定の実施形態において、放射源は、信号源放射の周波数を経時的に変調するように構成され、周波数における差は、光検出器によって測定されるＧＤＤの画像の各画素の距離を示し、物体の３次元画像の構成を可能にする。
特定の実施形態において、放射源は、信号源放射によって生じる可視光と、ＧＤＤへ供給されるバイアス電流によって生じる可視光とを区別するために、信号源放射の振幅変調を変調するように構成される。
特定の実施形態において、アップコンバージョンシステムは、光検出器に動作可能に結合されたプロセッサを更に備え、プロセッサは、光検出器によって捕捉された画像を分析し、画像に基づいて信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される。
特定の実施形態において、アップコンバージョンシステムは、無線通信受信機として動作するように構成される。
実施形態によると、グロー放電デバイス（ＧＤＤ）に光検出器を向けることと、ＧＤＤがミリ波（ＭＭＷ）放射およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の少なくとも１つを吸収した結果、ＧＤＤから放出される可視光を捕捉するために光検出器を動作させることとを備える方法が提供される。
特定の実施形態において、方法は、物体によってＧＤＤへ反射されるように、信号源放射を放射源から物体へ向けて放出することを更に備える。
特定の実施形態において、方法は、信号源放射の周波数を経時的に変調し、周波数における差が、光検出器によって測定されるＧＤＤの画像の各画素の距離を示すようにすることと、示された距離に基づいて、物体の３次元画像を構成することとを更に備える。
特定の実施形態において、方法は、信号源放射によって生じる可視光と、ＧＤＤへ供給されるバイアス電流によって生じる可視光とを区別するために、信号源放射の振幅を変調することを更に備える。
特定の実施形態において、方法は、ビームスプリッタを用いて信号源放射を信号ビームおよび参照ビームに分割することを更に備え、信号ビームおよび参照ビームは、可視光を生成するためにＧＤＤによって吸収される。
特定の実施形態において、方法は、光検出器に動作可能に結合されたプロセッサを提供することと、光検出器によって捕捉された画像を分析し、画像に基づいて信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するためにプロセッサを動作させることとを更に備える。
特定の実施形態において、方法は、光検出器、ＧＤＤ、およびプロセッサを無線通信受信機として用いることを更に備える。
上述した典型的な態様および実施形態に加えて、更なる態様および実施形態が、図面を参照し、以下の詳細な説明を考察することによって明らかになる。
典型的な実施形態は参照図面に示される。図内に示される構成要素および特徴の寸法は、一般に提示の利便性および明確性のために選択され、必ずしも一定の比率で拡大縮小して示されるものではない。図面を以下に記載する。
本明細書において、従来とは異なる方法でグロー放電検出器（ＧＤＤ）を用いるミリ波およびテラヘルツ波検出システムが開示される。当該技術において既知であるように、ＧＤＤの出力を電気的に読み取るのではなく、本システムは、ＧＤＤがミリ波およびテラヘルツ波を感知すると同時にＧＤＤによって放出される光を撮像することによって、ＧＤＤの出力を光学的に読み取る。すなわち、本検出システムは、ミリ波およびテラヘルツ波の可視光へのアップコンバージョンに基づく。ただし、いくつかの実施形態において、ＧＤＤ出力の電気的読取りが光学的読取りを補完する。
このアップコンバージョンシステムは、たとえば無線通信システム、撮像システムなど、様々な実装において動作するように構成され得る。たとえば無線通信システムにおいて使用される場合、本検出システムは、ＭＭＷおよび／またはＴＨｚ信号の無線受信機としての機能を果たす。撮像目的で使用される場合、検出システムは、標的に照射するＭＭＷおよび／またはＴＨｚ放射エミッタも含んでよく、その後システムは、標的からの反射を受け取り、分析する。
任意選択的に、光検出器は、ＧＤＤによる発光の画像を捕捉するように構成された電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである。
特定の実施形態において、光検出器は、焦点面アレイ（ＦＰＡ）であってよい。ＦＰＡは、発光から検出されたＧＤＤ画素に基づいて画像を構成してよい。画像は、ＧＤＤによって放出された発光における光検出器の測定に従って構成され得る。画像は、ＧＤＤに入射するＭＭＷ／ＴＨｚ放射を示し得る、ＧＤＤのグローの表示を提供してよい。特定の実施形態において、ＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラによって捕捉された可視光からのそのような応答は、ＧＤＤからの電流出力を測定することによって電気的に導出された値よりも大きくなり得る。
特定の実施形態において、ＭＭＷ／ＴＨｚ放射は、標的物体に向けられ、ＧＤＤへ反射される信号ビームであってよい。参照ビームは、ＧＤＤに集束され得る。ＧＤＤは、両方のビームを混合してよく、差周波数の信号がＧＤＤによって電子的に放出され得る。また、ＧＤＤの発光は、差周波数で変調され得る。その結果、ヘテロダイン信号が可視光周波数にアップコンバートされ得る。１つのビームをチャープしてその周波数を時間とともに変化させることによって、差周波数は、電子的にも光学的にも、同じ速度で時間とともに変化し得る。その結果、差周波数は、各ＧＤＤ画素に関する距離を示してよい。各ＧＤＤ吸収に関する差周波数を測定することによって、各画素における距離情報が決定され、それによって３次元画像が得られる。これは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダとして知られる。ＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラによって検出されるＧＤＤ発光は、可視光にアップコンバートされるＭＭＷ／ＴＨｚ３次元画像を提供してよく、これは、ＧＤＤ電流出力の電子的検出と比較して高い感度および速度を伴う。
１．システムの一般的説明
１．システムの一般的説明
図１Ａ〜１Ｅは、主題事項のいくつかの典型的な実施形態に係るアップコンバージョンシステムを示す。
図１Ａを参照すると、アップコンバージョンシステム１００が示される。アップコンバージョンシステム１００は、ＭＭＷおよび／またはＴＨｚ波放射を検出するように構成され得るグロー放電検出器（ＧＤＤ）１２０を備えてよい。アップコンバージョンシステム１００は、ＧＤＤ１２０から放出された可視光を測定し得る光検出器１３０を備えてよい。特定の実施形態において、光検出器１３０は、ＧＤＤ１２０によって放出された可視光の画像を捕捉するように構成された電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラであってよい。ＧＤＤ１２０は、通信送信機１３６からの通信入力を受信してよい。通信送信機は、本明細書で図１Ｂおよび図１Ｅにおいて詳しく説明されるように、ＧＤＤ１２０によって検出され得るＭＭＷおよび／またはＴＨｚ放射において通信入力を伝送してよい。ＧＤＤ１２０は、光入力を検出してよい。光入力は、物体１５３に向けて放射源１１０によって放出されたＭＭＷおよび／またはＴＨｚ放射であってよく、本明細書で図１Ｃ〜１Ｄにおいて詳しく説明されるように、物体１５３からＧＤＤ１２０へ反射してよい。
ＧＤＤ１２０の検出機構は、ＧＤＤ１２０のランプの２つの電極間の電流のわずかな変化に従って動作してよい。電流変化は、ＧＤＤ１２０に入射する、たとえばＭＭＷ／ＴＨｚ放射などの電磁放射の電界によって生じ得る。ＭＭＷ／ＴＨｚ放射によるＧＤＤ１２０のバイアス電流における変化に関する式は、以下のとおりであってよい。
式中、
は内部信号増幅を示し、ｑは電子電荷であり、Ｖは平均電子速度であり、ｎは電子密度であり、Ｖｉはガスイオン化電位であり、ｍは電子質量であり、τは電流変化をもたらす時間応答であり、τｉは電子とガス原子とのイオン化衝突の間の時間であり、η０は自由空間インピーダンスであり、ＰＤは検出器における入射ＭＭＷ／ＴＨｚ放射電力密度であり、ｖは電子中性原子弾性衝突頻度であり、ωは電磁放射周波数であり、ｔｄはアノードへの平均電子ドリフト時間であり、νｉはイオン化衝突頻度であってよい。支配的メカニズムは、拡散電流ではなく高度なカスケードイオン化であってよく、高度なカスケードイオン化機構は電流を増加させ得るが、拡散電流機構は電流を減少させる。式（１）は、ωおよびｖが等しい時に最大であってよい。ＧＤＤ１２０は、入射ＭＭＷ／ＴＨｚ放射の偏波を感知可能であってよい。特定の実施形態において、ＭＭＷ／ＴＨｚ放射は、高速エンベロープ検出を必要とし得る。そのような用途の例は、飛行時間の測定、レーダ検出、短パルスの直接検出、リアルタイム撮像などを含んでよい。ＧＤＤ１２０内部のプラズマの応答時間は、ピコ秒オーダーであり得るが、この応答時間は、電子回路によって約１マイクロ秒（μｓ）に制限される。
ＧＤＤ１２０の光偏波感度は、側面構成、正面構成などに構成され得る。最大検出値は、ＤＣ電界がＭＭＷ／ＴＨｚ電界の方向にある場合に得られ得る。最小検出値は、ＤＣ電界およびＭＭＷ／ＴＨｚ電界が互いに直交する場合に得られ得る。最小検出値は、最大検出値の３０％であってよい。ＭＭＷ／ＴＨｚ周波数が、波長が電極幾何学寸法のオーダーであるようなものである場合、プラズマによる吸収および顕著な応答性の増加が生じ得る。
アップコンバージョンシステム１００のシステムＮＥＰの計算は、式（２）を用いて計算され得る。
式中、Ｖｎは雑音電圧を示し、Ｐｓ＿ｍｉｎは、直接検出における最小検出信号電力を示し、Ｂは帯域幅を示し、Ｒは、上述したような検出システムの応答性を示してよい。
雑音電圧は、約１３０ナノボルト（ｎＶ）／√Ｈｚで測定され得る。アップコンバージョンシステム１００のＮＥＰは、約１．３ナノワット（ｎＷ）／√Ｈｚと計算され得る。光検出器１３０を用いるＮＥＰは、入射ＥＭ波がＧＤＤ１２０の狭小「正面」ではなくＧＤＤ１２０の全体側面を照明した場合、約１０ｎＷ／√Ｈｚと測定されたＧＤＤ１２０の電子的検出を用いるＮＥＰよりも低いオーダーであってよい。
２．通信システムにおける使用
２．通信システムにおける使用
特定の実施形態において、アップコンバージョンシステム１００は、無線通信システムにおいて動作するように構成され得る。最も急速に成長している通信は無線チャネルによるものであり、モバイルユーザはますますオンラインサービスの利用を増やしている。そのようなネットワーク容量における増加は、各基地局間、基地局とエンドユーザデバイスとの間、各エンドユーザデバイス間などの多数の接続リンクにおける更に高い無線伝送速度を必要とする。高い無線データレートを可能にするために、搬送波周波数は、電磁スペクトルのＭＭＷ部分まで増加され得る。
特定の実施形態に係るアップコンバージョンシステム１００を示す図１Ｂを参照する。アップコンバージョンシステム１００は、たとえばＧＤＤ１２０の電極間のＧＤＤプラズマ断面にわたってＧＤＤ１２０への放射を集束させるように構成された軸外し放物面鏡（ＯＰＭ）１２５およびレンズ１２７を備えてよい。レンズ１２７は、ポリエチレン（ＰＥ）レンズであってよい。任意選択的に、第１の光学レンズ１３５および第２の光学レンズ１４５は、ＧＤＤ１２０によって放出された可視光を光検出器１３０によって正確に捕捉されるように方向付けるために、ＧＤＤ１２０と光検出器１３０との間に構成され得る。
図１Ｅを参照すると、ＧＤＤ１２０による発光強度の変化は、変調されたＭＭＷ放射によって生じ得る。発光強度は、ＧＤＤ１２０に隣接して設けられた光検出器１３０によって測定され得る。光検出器１３０は、光検出器１３０によって得られたデータをフィルタリングするために増幅チェーンに連結され得る。増幅チェーンは、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１９１、演算増幅器（ＡＭＰ）１９２、および低雑音増幅器（ＬＮＡ）を備えてよい。ＴＩＡ１９１は限られた帯域幅を有してよく、インピーダンス整合のために使用される。ＬＮＡ１９３は、ＴＩＡ１９１とは対照的に５０ｏｈｍの入力インピーダンスを有してよく、高出力インピーダンスを有してよい。特定の実施形態において、放射源１１０は、ＧＤＤ１２０によって受け取られ得る放射の形式で、たとえば通信データなどの信号を伝送する基地局であってよい。特定の実施形態において、ＴＩＡ１９１は、ＴＩＡ１９１の感度およびビットレート出力を高めるように構成され得るアバランシェフォトダイオード（不図示）と結合され得る。特定の実施形態において、インピーダンス整合素子は、感度およびビットレートを高めるために増幅チェーンに結合され得る。
この信号は、最大約１０ミリアンペア（Ｍａ）、たとえば５〜１０Ｍａの範囲内などのＧＤＤバイアス電流、１２ＭＨｚでの方形波変調で得られてよく、放射源１１０は、１００ＧＨｚのＭＭＷ搬送周波数として構成され得る。ＧＤＤ１２０において、直流バイアス電流によってプラズマをブレークダウンした後、ＭＭＷ放射は、プラズマにおける脱励起および再結合速度を増加させ、それによってＧＤＤ１２０の照明強度が増加し得る。たとえば信号源放射１４４など、ＭＭＷ放射の振幅変調は、ＧＤＤ１２０のバイアス光と信号光とを区別するために必要とされ得る。信号光は変調され、バイアス光は変調されなくてよい。交流（ＡＣ）結合は、ＡＣ信号を、より強いＤＣバイアスから分離するために用いられ得る。ＤＣ電圧は、ＭＭＷ放射を伴わないＧＤＤ光の結果として生じ得る。
３．撮像システムにおける使用
３．撮像システムにおける使用
主題事項のいくつかの典型的な実施形態に係るアップコンバージョンシステム１００の他の実施形態を示す図１Ｃを参照する。ＯＰＭ１２５は、放射源１１０と物体１５３との間の放射経路に沿って配置され得る。ＯＰＭ１２５は、物体１５３に向かって放出される放射が入射放射、たとえば信号源放射１４４であるように構成され得る。物体１５３から反射する放射は、球面鏡１５５に向かって進んでよい。物体１５３から反射する放射は、球面鏡１５５に対して様々な角度で進んでよい。球面鏡１５５から反射する放射は、ＧＤＤ１２０に向かって進み、ＧＤＤ１２０は、物体１５３から反射した放射を受け取ってよい。任意選択的に、ＧＤＤ１２０は結像面に設けられる。球面鏡１５５から進む放射を受け取ると、ＧＤＤ１２０は、可視光を放出してよい。ＧＤＤ１２０に到達する光は、放射がＧＤＤ１２０に到達する角度に従って様々な強度を有してよい。可視光は、光検出器１３０によって捕捉される。光検出器１３０は、ＧＤＤ１２０によって放出された可視光の強度の変化を検出するためにＧＤＤ１２０付近に配置され得る。特定の実施形態において、ＧＤＤ１２０はＧＤＤ焦点アレイ（ＦＰＡ）であってよく、これによって、光検出器がＧＤＤ画素を検出し同時に撮像することが可能である。画像は、ＧＤＤ１２０に入射するＭＭＷ／ＴＨｚ放射を示し得る、ＧＤＤのグローの表示を提供してよい。任意選択的に、ＧＤＤ１２０がＦＰＡとして機能しない場合、画像は、物体平面に水平および垂直に物体１５３を走査することによって取得され得る。ＧＤＤ可視光放出は、たとえばＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラなどの光検出器１３０によって検出され、可視光にアップコンバートされるＭＭＷ／ＴＨｚ３次元画像を提供してよい。
ＧＤＤ１２０を介した放射の可視光へのアップコンバージョンは、放射源１１０、たとえば低周波数源からの放射を１００ＧＨｚへ増加させ得る。ＭＭＷ／ＴＨｚ変調信号は、ほぼ基本モードのガウスビームを生成し得る円錐ホーンアンテナによって自由空間に結合され得る。ＧＤＤの光は、光検出器１３０へ向けられ得る。
特定の実施形態に係る、参照ビームを利用するアップコンバージョンシステム１００を示す図１Ｄを参照する。アップコンバージョンシステム１００は、ビームスプリッタ１７８を備えてよい。アップコンバージョンシステム１００は、信号源における周波数変調を提供し、撮像システムにおける物体の深さまたは標的への距離の決定のための伝搬遅延測定を可能にするための周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダとして構成され得る。特定の実施形態において、ＦＭＣＷレーダおよび信号源放射１４４は、ビームスプリッタ１７８を介して２つのビームに分割され得る。第１のビーム、たとえば信号ビーム１４２は、物体１５３に向かって入射し、反射信号ビーム１４２としてＧＤＤ１２０へ反射され得る。第２のビーム、たとえば参照ビーム１４３は、検出器に直接入射してよい。信号ビーム１４２または参照ビーム１４３のいずれかは、周波数変調、たとえばチャープされてよく、信号ビームおよび参照ビームに関する伝搬時間差（Δｔ）はビート周波数（ｆｂ）をもたらし得る。その周波数は一定であり、画像記録の各インスタントにおける物体１５３からの距離に比例してよい。
特定の実施形態において、参照ビーム１４３は、ＧＤＤ１２０に集束され得る。ＧＤＤ１２０は、反射信号ビーム１４１および参照ビーム１４３の干渉パターンを受け取り形成してよく、その結果、差周波数の信号がＧＤＤ１２０によって光学的に放出され得る。また、ＧＤＤ１２０の発光は、差周波数で変調され得る。その結果、ヘテロダイン信号は可視光にアップコンバートされ得る。周波数が時間とともに変化するように１つのビームをチャープすることによって、差周波数は、電子的にも光学的にも、同じ速度で時間とともに変化してよい。その結果、差周波数は、各ＧＤＤ画素に関する範囲を示してよい。各ＧＤＤ吸収に関する差周波数を測定することによって、各画素における距離情報が決定され、それによって３次元画像が得られる。これは、周波数変調連続波レーダ、たとえばＦＭＣＷレーダとして知られる。ＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラによって検出されたＧＤＤ発光は、可視光にアップコンバートされるＭＭＷ／ＴＨｚ３次元画像を提供してよく、これは、ＧＤＤ電流出力の電子的検出と比較して高い感度および速度を伴う。その結果生じる光検出器による測定は、以下で詳述するように、無線通信および撮像において用いるために実行され得る。
ビート周波数（ｆｂ）によると、物体の距離／範囲（Ｒ）は、以下のように計算され得る。
式中、ｆＳＲは掃引速度、たとえばチャープ勾配を示し、Δｆは全周波数スイング、たとえばチャープ帯域幅を示し、Ｒは信号ビームと参照ビームとの光路差（ＯＰＤ）を示し、ＴＳはチャープ掃引時間を示し、ｃは光の速度を示してよい。
深さ分解能はδＲと示され、（３）に従って計算され得る。ビート周波数分解能δｆｂを用いると、最小分解可能周波数偏差は、δｆｂ≒１／ＴＳである。したがって、深さ分解能は以下のように表され得る。
式中、δＲは、最小認識可能画像深さ（深さ分解能）であってよい。したがって、周波数スイングが大きいほど、良好な深さ分解能が実現され得る。
特定の実施形態において、高電力マイクロ波源放射は、ＧＤＤ１３０のランプに可視光を生成してよい。ランプアレイにわたるランプにおける照明の範囲は、マイクロ波強度に依存してよい。したがって、光検出器１３０によってマイクロ波分布が捕捉され得る。ＧＤＤ１２０は、撮像システムにおいて画素を生成するために分析され得る光を放出してよい。特定の実施形態において、ＭＭＷ撮像技術は、Ｃｓ‐Ｘｅ直流放電の陽光柱から放出された可視光を利用してよい。ＭＭＷ放射は、ＧＤＤ１３０の大きく均一な陽光柱窓に向かって入射してよく、陽光柱光強度の変化をもたらし得る。特定の実施形態において、アップコンバージョンシステム１００の最小検出可能ＭＭＷ電力密度は、約０．８μｓの応答時間を伴って、３５ＧＨｚ放射に関して１平方センチメートルごとに１ワットのオーダーであってよく、１０マイクロ秒の時間スロットに関する空間分解能は３ｍｍであった。
４．実験結果
４．実験結果
実験結果が示すように、アップコンバージョンシステム１００の応答性が、ＧＤＤ断面における入力ＭＭＷ／ＴＨｚ電力ならびに光検出器１１０からの出力信号電圧を測定することによって計算され得る。ＭＭＷ／ＴＨｚ焦電アレイカメラ（不図示）は、入力ＭＭＷ／ＴＨｚ電力を測定および計算するように構成された。ＭＭＷ／ＴＨｚ絶対電力計は、ビーム電力を測定するように構成された。ＧＤＤ断面に入射する合計ＭＭＷ／ＴＨｚ放射電力は、８００μＷと計算された。光検出器出力からの検出信号は７６ｍＶであり、その結果、１０ミリアンペアのＧＤＤバイアス電流を有する１００ＧＨｚの検出システムに関して９５ボルト／ワットの応答性がもたらされた。比較すると、（増幅器を有さない）電子回路からの検出信号は、２５メガボルト（Ｍｖ）と測定され、その結果、同じＧＤＤバイアス電流を有する１００ＧＨｚの電子的検出システムに関して３１Ｖ／Ｗの応答性がもたらされた。よって、光アップコンバージョンは電子的検出よりも応答性が高かった。
経路長は０．５５メートル（ｍ）であった。信号源放射１４４はビームスプリッタ１７８によって、平面金属鏡である物体１５３へ向けられた。物体１５３による反射信号ビーム１４１は、レンズ１２７を介してＧＤＤ１２０に集束された。経路長は１．６２ｍであった。参照ビーム１４３と信号ビーム１４２との間の経路は１．０７ｍであった。ＧＤＤ１２０によるヘテロダイン検出の結果、差周波数、たとえばビート周波数ｆｂは、反射信号ビーム１４１および反射ビーム１４３のＯＰＤ、たとえばＲに比例して得られた。
チャープ帯域幅は、ＭＭＷ／ＴＨｚ源、たとえば放射源１１０の出力において約Δｆ＝３ＧＨｚであり、０．９ミリ秒（ｍｓ）のチャープ掃引時間ＴＳ（変調信号は、９０％のデューティサイクルを有する１ｋＨｚのこぎり歯信号）は、ｆＳＲ＝３ＭＨｚ／μｓのチャープ率、δｆｂ＝１ＫＨｚのビート周波数分解能、および往復経路がないシナリオの場合、０．１ｍのＯＰＤ分解能（往復経路がないシナリオの場合、距離分解能（δＲ）は０．０５ｍ）をもたらした。
実験中の、増幅器を用いない電子的検出とアップコンバージョン法を用いた光検出との比較を示す図３を参照する。たとえば光および電気など、両方の検出方法の応答性は、ＤＣバイアス電流に従って変化し得る。また、ＧＤＤ１２０のＤＣ電流が高いほど、アップコンバージョンシステム１００の応答性は良好である。これは、バイアス電流に対する電子中性原子衝突頻度の増加による、中性原子へのエネルギ伝達を介したＭＭＷ／ＴＨｚ放射吸収の増加に起因してよく、ＭＭＷ／ＴＨｚエネルギが電子運動エネルギを増加させ、それによって中性原子を励起またはイオン化する。これは、脱励起および再結合速度、したがってＧＤＤ１２０の照明強度を変化させる。結果的に、ＭＭＷ／ＴＨｚ放射の振幅変調は、ＧＤＤ１２０のバイアス光と信号光とを区別するために必要となる。
実験におけるアップコンバージョン撮像結果を示す図４を参照する。物体１５３は、「Ｆ」字形金属物体であった。物体１５３の走査を得るために、物体１５３は、ジャックおよびリニアステージを用いて、各方向に、たとえば水平および垂直に１センチメートルずらされた。物体１５３は、水平に１〜１０ポイントおよび垂直に１〜１２ポイントの範囲にわたりずらされ、その結果、物体１５３の画像が走査および取得された。その結果は、物体１５３の形状を明確に正しい寸法で示す。ある程度の低強度ぶれ値を低減するために、試行錯誤によって閾値を決定し、閾値を下回る全ての画素をゼロに設定するために、画像処理が実行された。
図１Ｃのアップコンバージョンシステム１００を用いたＦＭＣＷ実験に関する検出信号を示す図５Ａ〜５Ｂを参照する。図５Ａは、光検出器１３０の出力の結果を示す。図５Ｂは、光検出器１３０から提供された出力の平均を示すために、ＧＤＤ１２０の電子回路に接続された増幅器出力からの電子的検出に関する結果を示す。信号Ａは検出信号を表し、信号Ｂは、トリガとして機能するのこぎり歯変調信号を表す。また、ＧＤＤミクサとして小型ネオン指示器ランプを有するＦＭＣＷは、電子ヘテロダイン検出およびアップコンバージョン光ヘテロダイン検出の両方のために働く。両方の検出プロセスは、自由電子および中性気体原子の励起およびその結果生じるイオン化衝突プロセスから得られる。これらは、電流の増加とともに、ＧＤＤ発光をもたらす脱励起および再結合をもたらす。
実験に関して、ＧＤＤバイアス電流は１０ｍＡであり、１ＫＨｚの方形波変調および１００ＧＨｚのＭＭＷ／ＴＨｚ周波数を伴った。光検出器１３０出力からの検出信号は、７６ｍＶと測定された。正面構成ではなくＧＤＤ１２０の側面構成が用いられた。プラズマ相互作用深さは、電極厚さに対応する１ｍｍではなく電極長さに対応する約１ｃｍであるため、正面構成における感度は概ね、より良好なオーダーである。
検出信号の周波数成分を示す、オシロスコープによって記録されたＦＭＣＷ信号の生データは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて分析された。図１０は、図９に示すＦＭＣＷ実験に関する検出信号ＡのＦＦＴを示す。ＦＦＴは、検出信号からｆｂの周波数成分を分離するために用いられた。ＦＦＴによると、両方の検出方法に関するビート周波数は１２．７ＫＨｚであることが分かる。この周波数は、１．１４３ｍのＯＰＤに対応し、上記で行われたＯＰＤ計算と優れて一致し、予想される周波数およびＯＰＤ分解能の範囲内である。ＦＦＴに示される他の主要周波数成分は、約１ＫＨｚの変調信号周波数である。
本発明のアップコンバージョンシステム１００の最小検出信号電力は、式（２）に従って（ＮＥＰと光検出器帯域幅の平方根とを乗算すると）約１．３マイクロワット（μＷ）であることが分かった。本発明のアップコンバージョンシステムの最小検出可能ＭＭＷ／ＴＨｚ電力密度は、（最小検出信号電力を検出器の面積で割ると）１μＷ／平方センチメートル（ｃｍ２）のオーダーであることが分かった。
主題事項のいくつかの典型的な実施形態に係る、アップコンバージョンの周波数応答のグラフ表現を示す図２を参照する。グラフ２００は、１６ＭＨｚまでの変調周波数を示す。検出信号は、検出信号の周波数が高い値のＴＩＡ１９１帯域幅に近づくにつれ著しく減衰する。これは、ＧＤＤ１２０ではなく増幅チェーン帯域幅に起因する。
比較すると、アップコンバージョンを用いる雑音等価電力（ＮＥＰ）が電子的検出におけるＮＥＰより概ね低いオーダーであること、および応答性が電子的検出よりも３倍良好であり得ることが示される。特定の実施形態において、アップコンバージョンシステム１００は、ＧＤＤ１２０の並列チャネルによってデータレートを高めるように構成され得る。任意選択的に、この帯域幅とともに（ＱＰＳｋ、ＱＡＭなどといった）コヒーレント変調法が用いられる場合、変調方法に依存して、数十メガビット以上を変調することが可能である。
実験結果は、ＧＤＤ１２０および光検出器１３０を有するアップコンバージョンシステム１００がＭＭＷ／ＴＨｚ撮像のために役立ち得ることを示す。結果は、ＧＤＤの電子的検出と比較した場合、提示した方法を用いる応答時間の改善を示す。ＮＥＰは、ＧＤＤ１２０の電子的検出におけるＮＥＰよりも低いオーダー、および電子的検出よりも３倍良好であり得る応答性を有してよい。
実験結果のフレームワークにおいて述べられた様々なデバイスおよび方法は、本発明の実施形態を形成する。
本出願を通して、本発明の様々な実施形態が範囲の形式で提示され得る。範囲の形式での説明は単に利便性および簡略性のためであり、本発明の範囲における不動の制限として解釈されてはならないことを理解すべきである。したがって、範囲の記載は、その範囲内の可能な部分範囲および個々の数値の全てを明確に開示したものとして解釈すべきである。たとえば１〜６といった範囲の記載は、たとえば１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６などの部分範囲、およびたとえば１、２、３、４、５、および６といったその範囲内の個々の数字を明確に開示したものと見なされなくてはならない。これは、範囲の幅にかかわらず適用される。
本明細書において数的範囲が示される場合常に、数的範囲は、示された範囲内の任意の参照数字（分数または整数）を含むことが意図される。第１に示す数と第２に示す数との「間の領域／範囲」および第１に示す数「から」第２に示す数「までの領域／範囲」という表現は、本明細書において相互置換的に用いられ、第１および第２に示す数およびそれらの間の全ての分数および整数を含むことが意図される。
本発明は、システム、方法、および／またはコンピュータプログラム製品であってよい。コンピュータプログラム製品は、本発明の態様をプロセッサに実行させるためのコンピュータ可読プログラム命令を有する非一時的コンピュータ可読記憶媒体（または複数の媒体）を含んでよい。たとえばプロセッサは、光検出器によって捕捉された画像を分析し、画像に基づいて信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するために、光検出器に動作可能に結合され得る。この計算は、上述した撮像および／または通信システムの動作を容易にする。
コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行デバイスによって用いるための命令を保持および格納することができる有形デバイスであってよい。コンピュータ可読記憶媒体は、たとえば電子ストレージデバイス、磁気ストレージデバイス、光ストレージデバイス、電磁ストレージデバイス、半導体ストレージデバイス、または上記の任意の適切な組み合わせであってよいが、これに限定されない。コンピュータ可読記憶媒体の更なる具体例の非包括的一覧は、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブルコンパクトディスク読取専用メモリ（ＣＤ‐ＲＯＭ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、メモリスティック、フロッピーディスク、命令が記録された機械的符号化デバイス、および上記の任意の適切な組み合わせを含む。コンピュータ可読記憶媒体は、本明細書で用いられる場合、たとえば無線波または他の自由伝搬する電磁波、導波管または他の伝送媒体を通って伝搬する電磁波（たとえば光ファイバケーブルを通過する光パルス）、またはワイヤを通って伝送される電気信号のように、それ自体が一時的な信号として解釈されるものではない。正しくは、コンピュータ可読記憶媒体は、非一時的（すなわち不揮発性）媒体である。
本明細書で説明されるコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読記憶媒体からそれぞれのコンピューティング／処理デバイスへ、あるいはたとえばインターネット、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、および／または無線ネットワークなどのネットワークを介して外部コンピュータまたは外部ストレージデバイスへダウンロードされ得る。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、無線伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイコンピュータ、および／またはエッジサーバを備えてよい。各コンピューティング／処理デバイスにおけるネットワークアダプタカードまたはネットワークインタフェースは、ネットワークからコンピュータ可読プログラム命令を受信し、それぞれのコンピューティング／処理デバイス内のコンピュータ可読記憶媒体に格納するためにコンピュータ可読プログラム命令を転送する。
本発明の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、機械命令、機械依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはたとえばＪａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向型プログラミング言語およびたとえば「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語など従来の手続き型プログラミング言語を含む１または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかであってよい。コンピュータ可読プログラム命令は、ユーザのコンピュータにおいて全体的に、ユーザのコンピュータにおいて部分的に、スタンドアロンソフトウェアパッケージとして、一部がユーザのコンピュータおよび一部が遠隔コンピュータにおいて、または全体的に遠隔コンピュータまたはサーバにおいて実行してよい。後者のシナリオにおいて、遠隔コンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意の種類のネットワークを介してユーザのコンピュータに接続されてよく、あるいは、（たとえばインターネットサービスプロバイダを用いてインターネットによって）外部コンピュータとの接続がなされてよい。いくつかの実施形態において、たとえばプログラマブル論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはプログラマブル論理アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路は、本発明の態様を実行するために、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を用いて電子回路を個人化することによってコンピュータ可読プログラム命令を実行してよい。
本発明の態様は、本明細書において、本発明の実施形態に係る方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図および／またはブロック図を参照して説明される。フローチャート図および／またはブロック図の各ブロック、およびフローチャート図および／またはブロック図内のブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実装され得ることが理解される。
コンピュータ可読プログラム命令は、機械を生成するための汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供されてよく、コンピュータまたは他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令は、フローチャートおよび／またはブロック図の１または複数のブロックに記載された機能／行動を実装するための手段を生成する。これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ、プログラマブルデータ処理装置、および／または他のデバイスに、特定の方式で機能するように指示することができるコンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよく、命令を格納したコンピュータ可読記憶媒体は、フローチャートおよび／またはブロック図の１または複数のブロックに記載された機能／行動の態様を実装する命令を含む製品を備える。
コンピュータ読取可能プログラム命令は、一連の動作ステップがコンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイスにおいて実行され、コンピュータ実行プロセスを生成するように、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他のデバイスにロードされてもよく、それによってコンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイスにおいて実行する命令は、フローチャートおよび／またはブロック図の１または複数のブロックに記載された機能／行動を実装する。
図面におけるフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態に係るシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。この点に関して、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックは、記載された論理的機能（複数も可）を実装するための１または複数の実行可能命令を備えるモジュール、セグメント、または命令の一部を表してよい。いくつかの代替の実装において、ブロック内に示される機能は、図内に示された順序以外で生じてよい。たとえば、連続して示される２つのブロックは、実際はほぼ同時に実行されてよく、あるいはブロックは、関連する機能に依存して、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図内のブロックの組み合わせは、記載された機能または行動を実行する、または専用ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせを実行する専用ハードウェアベースシステムによって実装され得ることにも留意する。
本発明の様々な実施形態の説明は、例示目的で提示されたが、開示された実施形態に限定されることまたは包括的であることは意図されない。当業者には、説明された実施形態の範囲および主旨から逸脱することなく、多数の修正例および変形例が明らかである。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実用的応用、または市場に存在する技術に対する技術的改善を最適に説明するように、あるいは当業者が本明細書に開示された実施形態を理解することを可能にするように選択されたものである。
Claims (14)
- ミリ波（ＭＭＷ）放射およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の少なくとも１つである信号源放射を検出するように構成されたグロー放電デバイス（ＧＤＤ）と、
前記信号源放射の吸収の結果、前記ＧＤＤによって放出される可視光における強度変化を測定するように構成された光検出器と
を備えるアップコンバージョンシステム。 - 物体によって前記ＧＤＤへ反射されるように、前記信号源放射を前記物体へ向けて放出するように構成された放射源
を更に備える、請求項１に記載のアップコンバージョンシステム。 - 前記信号源放射を信号ビームおよび参照ビームに分割するように構成されたビームスプリッタを更に備え、前記信号ビームおよび参照ビームは、前記可視光を生成するために前記ＧＤＤによって吸収される、請求項１に記載のアップコンバージョンシステム。
- 前記放射源は、前記信号源放射の周波数を経時的に変調するように構成され、前記周波数における差は、前記光検出器によって測定される前記ＧＤＤの画像の各画素の距離を示し、前記物体の３次元画像の構成を可能にする、請求項２に記載のアップコンバージョンシステム。
- 前記放射源は、前記信号源放射によって生じる可視光と、前記ＧＤＤへ供給されるバイアス電流によって生じる可視光とを区別するために、前記信号源放射の振幅変調を変調するように構成される、請求項１に記載のアップコンバージョンシステム。
- 前記光検出器に動作可能に結合されたプロセッサを更に備え、前記プロセッサは、前記光検出器によって捕捉された画像を分析し、前記画像に基づいて前記信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアップコンバージョンシステム。
- 前記システムは、無線通信受信機として動作するように構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアップコンバージョンシステム。
- グロー放電デバイス（ＧＤＤ）に光検出器を向けることと、
前記ＧＤＤがミリ波（ＭＭＷ）放射およびテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の少なくとも１つを吸収した結果、前記ＧＤＤから放出される可視光を捕捉するために前記光検出器を動作させることと
を備える方法。 - 物体によって前記ＧＤＤへ反射されるように、前記信号源放射を放射源から前記物体へ放出すること
を更に備える、請求項８に記載の方法。 - 前記信号源放射の周波数を経時的に変調し、前記周波数における差が、前記光検出器によって測定される前記ＧＤＤの画像の各画素の距離を示すようにすることと、
前記示された距離に基づいて、前記物体の３次元画像を構成することと
を更に備える、請求項９に記載の方法。 - 前記信号源放射によって生じる可視光と、前記ＧＤＤへ供給されるバイアス電流によって生じる可視光とを区別するために、前記信号源放射の振幅を変調すること
を更に備える、請求項９に記載の方法。 - ビームスプリッタを用いて前記信号源放射を信号ビームおよび参照ビームに分割することを更に備え、前記信号ビームおよび参照ビームは、前記可視光を生成するために前記ＧＤＤによって吸収される、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記光検出器に動作可能に結合されたプロセッサを提供することと、
前記光検出器によって捕捉された画像を分析し、前記画像に基づいて前記信号源放射の少なくとも１つのパラメータを計算するために前記プロセッサを動作させることと
を更に備える、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法。 - 前記光検出器、前記ＧＤＤ、および前記プロセッサを無線通信受信機として用いることを更に備える、請求項８および請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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