JP2520197B2 - 被写体像のｓ／ｎ比を改良する装置 - Google Patents
被写体像のｓ／ｎ比を改良する装置Info
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- G01N2201/069—Supply of sources
- G01N2201/0696—Pulsed
- G01N2201/0697—Pulsed lasers
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、撮像特に半不透
明ランダム媒体の内部または後方に隠れた被写体、なら
びに不透明、透明もしくは半透明のいずれかの被写体の
形成された像のＳ／Ｎ比を改良する方法および装置に関
する。
明ランダム媒体の内部または後方に隠れた被写体、なら
びに不透明、透明もしくは半透明のいずれかの被写体の
形成された像のＳ／Ｎ比を改良する方法および装置に関
する。
【０００２】観測したいと思う多くの被写体は、ある種
類の無秩序な媒体の内部または後方に隠されている。例
をあげると、胸部内の腫瘍、半導体の欠陥、および海や
雲の中または煙の中の被写体などである。上記の方法お
よび装置は医学、電子工学、軍事および商業の分野に適
用される。
類の無秩序な媒体の内部または後方に隠されている。例
をあげると、胸部内の腫瘍、半導体の欠陥、および海や
雲の中または煙の中の被写体などである。上記の方法お
よび装置は医学、電子工学、軍事および商業の分野に適
用される。
【０００３】
【従来の技術】光線パルスがランダム媒体を経て伝搬す
る場合、いくらかの光線は複雑に散乱される。光線の複
雑な散乱は、信号の強度を弱めかつランダムに散乱され
た光線で起こる信号の雑音を増加する。複雑に散乱され
た光線による信号の減少および雑音の増加は、光学的に
厚みのあるランダム媒体を通して見ることができない主
な理由である。つまり、像の質を良くするために散乱光
線の雑音を減少する必要がある。
る場合、いくらかの光線は複雑に散乱される。光線の複
雑な散乱は、信号の強度を弱めかつランダムに散乱され
た光線で起こる信号の雑音を増加する。複雑に散乱され
た光線による信号の減少および雑音の増加は、光学的に
厚みのあるランダム媒体を通して見ることができない主
な理由である。つまり、像の質を良くするために散乱光
線の雑音を減少する必要がある。
【０００４】次に本発明に関する特許としては：ジェイ
・エム・マーレック（Ｊ．Ｍ．Ｍａａｒｅｋ）らによる
「異種生物学的媒体におけるレーザ・トモスコピイ（Ｔ
ｏｍｏｓｃｏｐｙ）のシミュレーション」と題する記事
の１９８６年７月号４０７〜４１４頁の「英国の医学お
よび生物学（Ｍｅｄ＆Ｂｉｏ）とコンピュータ」；米国
特許第４，０９９，０６０号；同第４，２０３，０３７
号；同第４，０６６，９０１号；同第４，２０７，８９
２号；同第４，５１５，１６５号；同第４，５７０，６
３８号；および同第４，２１２，３０６号などがある。
・エム・マーレック（Ｊ．Ｍ．Ｍａａｒｅｋ）らによる
「異種生物学的媒体におけるレーザ・トモスコピイ（Ｔ
ｏｍｏｓｃｏｐｙ）のシミュレーション」と題する記事
の１９８６年７月号４０７〜４１４頁の「英国の医学お
よび生物学（Ｍｅｄ＆Ｂｉｏ）とコンピュータ」；米国
特許第４，０９９，０６０号；同第４，２０３，０３７
号；同第４，０６６，９０１号；同第４，２０７，８９
２号；同第４，５１５，１６５号；同第４，５７０，６
３８号；および同第４，２１２，３０６号などがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、半不
透明ランダム媒体の内部または後方に隠された被写体の
形成された像のＳ／Ｎ比を改良するための新しいかつ改
良された技法を提供することである。
透明ランダム媒体の内部または後方に隠された被写体の
形成された像のＳ／Ｎ比を改良するための新しいかつ改
良された技法を提供することである。
【０００６】本発明の１つの面により、著しく散乱した
半不透明で無秩序な媒体の内部または後方に隠れた、被
写体、すなわち不透明、透明または半透明のいずれかの
被写体の形成された像の鮮明度は空間制限撮像、時間制
限撮像あるいは空・時制限撮像により改良される。空間
制限撮像においては、被写体の小部分が瞬時に照射され
る。散乱光線は空間雑音フィルタを通過する。像の面上
の、照射された被写体の部分に対応する像部分の位置で
アパーチャは始動する。全体像は被写体を部分ごとに走
査することにより得られかつ対応する部分像で信号を同
時に記録することによって得られる。時間制限撮像で
は、被写体の情報を含むパルスの非散乱（すなわち弾
道）部分は、起高速レーザ・パルスおよび時間制限装置
を使用して雑音を含む他の（すなわち散乱された）部分
から一時的に分離される。時間制限の概念は、光線パル
スの非散乱（弾道）部分が媒体を通して直接伝わり、か
つ直線から逸れて散乱しすなわち長い距離を伝わるそれ
らの部分より早く到達する原理を基本にしている。空・
時制限撮像と呼ばれる、空間制限および時間制限撮像の
組合せは最も散乱した光線を除去し、結果としてより高
いＳ／Ｎ比を伴う像を作る。本発明のもう１つの面とし
て、弾道光線と散乱光線との間の分離時間を増すことで
さらに改良することができる。その１つの方法はランダ
ム媒体を厚くすることで達成される。もう１つの方法は
ランダム媒体内の小さな散乱を導くことで達成される。
もう１つの方法は媒体の吸収された色素を導くことで達
成される。もう１つの方法は、ランダム媒体の吸収スペ
クトルにある光線のための波長を使用することで達成さ
れる。Ｓ／Ｎ比も、散乱と非散乱との間の分離時間を増
加するようにさらにランダムなランダム媒体を作るこ
と、または散乱の発生を減じるようによく整えられたラ
ンダム媒体を作ることの双方またはそのいずれか一方に
より改良される。
半不透明で無秩序な媒体の内部または後方に隠れた、被
写体、すなわち不透明、透明または半透明のいずれかの
被写体の形成された像の鮮明度は空間制限撮像、時間制
限撮像あるいは空・時制限撮像により改良される。空間
制限撮像においては、被写体の小部分が瞬時に照射され
る。散乱光線は空間雑音フィルタを通過する。像の面上
の、照射された被写体の部分に対応する像部分の位置で
アパーチャは始動する。全体像は被写体を部分ごとに走
査することにより得られかつ対応する部分像で信号を同
時に記録することによって得られる。時間制限撮像で
は、被写体の情報を含むパルスの非散乱（すなわち弾
道）部分は、起高速レーザ・パルスおよび時間制限装置
を使用して雑音を含む他の（すなわち散乱された）部分
から一時的に分離される。時間制限の概念は、光線パル
スの非散乱（弾道）部分が媒体を通して直接伝わり、か
つ直線から逸れて散乱しすなわち長い距離を伝わるそれ
らの部分より早く到達する原理を基本にしている。空・
時制限撮像と呼ばれる、空間制限および時間制限撮像の
組合せは最も散乱した光線を除去し、結果としてより高
いＳ／Ｎ比を伴う像を作る。本発明のもう１つの面とし
て、弾道光線と散乱光線との間の分離時間を増すことで
さらに改良することができる。その１つの方法はランダ
ム媒体を厚くすることで達成される。もう１つの方法は
ランダム媒体内の小さな散乱を導くことで達成される。
もう１つの方法は媒体の吸収された色素を導くことで達
成される。もう１つの方法は、ランダム媒体の吸収スペ
クトルにある光線のための波長を使用することで達成さ
れる。Ｓ／Ｎ比も、散乱と非散乱との間の分離時間を増
加するようにさらにランダムなランダム媒体を作るこ
と、または散乱の発生を減じるようによく整えられたラ
ンダム媒体を作ることの双方またはそのいずれか一方に
より改良される。
【０００７】図面の中の同様な参照記号は、同様な部品
を表わす。
を表わす。
【０００８】
【実施例】被写体１０の像形成における複雑な散乱光の
雑音源は、第１図の光線によって分類されかつ表示され
る。ランダム媒体１１を通過する被写体１０からの光
は、光線１および光線１´の２つの部分に分けられる。
光線１´は光線１を除くすべての入射光線を含む。
雑音源は、第１図の光線によって分類されかつ表示され
る。ランダム媒体１１を通過する被写体１０からの光
は、光線１および光線１´の２つの部分に分けられる。
光線１´は光線１を除くすべての入射光線を含む。
【０００９】ランダム媒体の平板を通るすべての可能な
弾道は次のように分類される： ａ−非散乱光； ｂ−直線通路からそれて散乱するが媒体を出ると光線ａ
と同じ通路に沿って媒体から散乱される； ｃ−散乱しかつＸ1 の位置に達する； ｄ−散乱しかつ光線（ａ）と平行に進む； ｅ−他のすべての散乱光；および ｆ−他の光線から散乱されかつ媒体の外部では光線ａと
同じ通路に沿って散乱される光。
弾道は次のように分類される： ａ−非散乱光； ｂ−直線通路からそれて散乱するが媒体を出ると光線ａ
と同じ通路に沿って媒体から散乱される； ｃ−散乱しかつＸ1 の位置に達する； ｄ−散乱しかつ光線（ａ）と平行に進む； ｅ−他のすべての散乱光；および ｆ−他の光線から散乱されかつ媒体の外部では光線ａと
同じ通路に沿って散乱される光。
【００１０】被写体１０が平面波によって照射される場
合、Ｘ1 における主な雑音は光線１´ｅから来る。この
雑音を除去するために、１対のレンズ１３および１５か
ら成る空間フィルタ１２ならびに焦点位置に設置された
アパーチャ１７が使用される。前方向から散乱される光
が除去されかつ形成された像が記録装置１９によって記
録されることが第２図に示されている。しかし、位置Ｘ
1 で光線１´ｆおよび１ｂである２つの雑音源が依然と
して存在する。
合、Ｘ1 における主な雑音は光線１´ｅから来る。この
雑音を除去するために、１対のレンズ１３および１５か
ら成る空間フィルタ１２ならびに焦点位置に設置された
アパーチャ１７が使用される。前方向から散乱される光
が除去されかつ形成された像が記録装置１９によって記
録されることが第２図に示されている。しかし、位置Ｘ
1 で光線１´ｆおよび１ｂである２つの雑音源が依然と
して存在する。
【００１１】第３図および第４図で、光線１´および１
ｄからの雑音を除去するための空間制限撮像に関する配
置が示されている。ランダム媒体に入射しないように、
光線１´による雑音は、光線１´自体をふさぐことで除
去される。この除去は、光線１のみが媒体を通過できあ
るいは光線１のみが媒体を照射し得るアパーチャ２１を
設置したり光線１のみが媒体を照射し得ることによって
達成することができる。光線１の直進方向よりも複雑に
屈折する散乱光は、コリメートされたレンズ１３および
１５ならびに焦点位置におけるアパーチャ１７によって
除去され得る。雑音光線１ｄは、第３図に示されるよう
に記録装置の直前に設置されたアパーチャ２３、あるい
は第４図に示されるようにコリメート・レンズ１３およ
び１５ならびにアパーチャ１７よりも前方にアパーチャ
２５を設置することによって除去され得る。不要な複雑
散乱光およびある入射光線をこのように減少させること
によって、像の鮮明度が有意義に改良される。それにも
かかわらず、光線１ｂで表わされる最も弱い雑音は残
る。
ｄからの雑音を除去するための空間制限撮像に関する配
置が示されている。ランダム媒体に入射しないように、
光線１´による雑音は、光線１´自体をふさぐことで除
去される。この除去は、光線１のみが媒体を通過できあ
るいは光線１のみが媒体を照射し得るアパーチャ２１を
設置したり光線１のみが媒体を照射し得ることによって
達成することができる。光線１の直進方向よりも複雑に
屈折する散乱光は、コリメートされたレンズ１３および
１５ならびに焦点位置におけるアパーチャ１７によって
除去され得る。雑音光線１ｄは、第３図に示されるよう
に記録装置の直前に設置されたアパーチャ２３、あるい
は第４図に示されるようにコリメート・レンズ１３およ
び１５ならびにアパーチャ１７よりも前方にアパーチャ
２５を設置することによって除去され得る。不要な複雑
散乱光およびある入射光線をこのように減少させること
によって、像の鮮明度が有意義に改良される。それにも
かかわらず、光線１ｂで表わされる最も弱い雑音は残
る。
【００１２】空間制限撮像の基本的な原理は、被写体の
小部分を照射し、前方向から散乱された複雑な散乱光か
らフィルタされ、かつ対応した像の位置に到達した信号
が記録される。像は全被写体を部分ごとに走査した後に
作られる。
小部分を照射し、前方向から散乱された複雑な散乱光か
らフィルタされ、かつ対応した像の位置に到達した信号
が記録される。像は全被写体を部分ごとに走査した後に
作られる。
【００１３】前述の空間制限撮像システムにおいては、
光線１ｂで表わされる雑音は除去することができない。
この雑音は著しく散乱する媒体においては重要であり得
ない。これを表示するために、光線１ａと1 ｂとの間の
相対強度が時間分解される。実験設定は第５図の装置３
１に示され、かつ実測結果は第６（ａ）図および第６
（ｂ）図の２つの画像で表わされる。装置３１において
衝突パルス・モード・ロックされたレーザ３３からのパ
ルスのビームは、１対のビーム分割器３５および３７に
よって３つの部分に分割される。１つの部分３９は、１
対のミラー４１および４３で偏向され、次にアパーチャ
４５およびサンプル４７を通過し、それから分割器５０
を経てレンズ４９によってストリーク・カメラ５１の入
力端に撮像される。出力端で形成されたストリーク像
は、シリコン強化目標（ＳＩＴ）検出器５３によって電
気信号に変換され、それからコンピュータ５７に供給さ
れる。レーザ３３からのビームのもう１つの部分５９
は、１対のミラー６１および６３から偏向され、かつス
トリーク・カメラ５１の基準パルスとして使用される。
レーザ３３からのパルスの第３部分６５は、ホトダイオ
ード６７に当たり、ストリーク・カメラ５１内の偏向回
路（図示されていない）をトリガするのに用いられるト
リガ信号を発生させる。２つの画像の白色の程度は画像
に当たる光の強さを決定する。水平および垂直軸は、そ
れぞれ時間および角度軸である。小さな白点は光線１ａ
からの信号に相当する。幅広い白い分布は、大きな時間
および角度の分布を有する散乱された信号に相当する。
時間的に前方向（角度＝０ミニラジアン）に散乱された
光の強さは、画像に白線でトレースされる。第１のピー
クは基準パルスであり、第２のピークは弾道パルス（光
線１ａ）であり、かつ角度および時間の幅広い分布は、
散乱パルス（光線１ｂ）に相当する。光線１ｂの強さの
時間集積された強さは弾道部分１ａよりも大きくなるこ
とがある。光線１ｂからのこの大きな雑音は、空間制限
撮像を暗くする。時間制限は光線１ａをより多く選出で
き、かつ像の鮮明度を高める。
光線１ｂで表わされる雑音は除去することができない。
この雑音は著しく散乱する媒体においては重要であり得
ない。これを表示するために、光線１ａと1 ｂとの間の
相対強度が時間分解される。実験設定は第５図の装置３
１に示され、かつ実測結果は第６（ａ）図および第６
（ｂ）図の２つの画像で表わされる。装置３１において
衝突パルス・モード・ロックされたレーザ３３からのパ
ルスのビームは、１対のビーム分割器３５および３７に
よって３つの部分に分割される。１つの部分３９は、１
対のミラー４１および４３で偏向され、次にアパーチャ
４５およびサンプル４７を通過し、それから分割器５０
を経てレンズ４９によってストリーク・カメラ５１の入
力端に撮像される。出力端で形成されたストリーク像
は、シリコン強化目標（ＳＩＴ）検出器５３によって電
気信号に変換され、それからコンピュータ５７に供給さ
れる。レーザ３３からのビームのもう１つの部分５９
は、１対のミラー６１および６３から偏向され、かつス
トリーク・カメラ５１の基準パルスとして使用される。
レーザ３３からのパルスの第３部分６５は、ホトダイオ
ード６７に当たり、ストリーク・カメラ５１内の偏向回
路（図示されていない）をトリガするのに用いられるト
リガ信号を発生させる。２つの画像の白色の程度は画像
に当たる光の強さを決定する。水平および垂直軸は、そ
れぞれ時間および角度軸である。小さな白点は光線１ａ
からの信号に相当する。幅広い白い分布は、大きな時間
および角度の分布を有する散乱された信号に相当する。
時間的に前方向（角度＝０ミニラジアン）に散乱された
光の強さは、画像に白線でトレースされる。第１のピー
クは基準パルスであり、第２のピークは弾道パルス（光
線１ａ）であり、かつ角度および時間の幅広い分布は、
散乱パルス（光線１ｂ）に相当する。光線１ｂの強さの
時間集積された強さは弾道部分１ａよりも大きくなるこ
とがある。光線１ｂからのこの大きな雑音は、空間制限
撮像を暗くする。時間制限は光線１ａをより多く選出で
き、かつ像の鮮明度を高める。
【００１４】信号および雑音は異なった時間に起こるの
で、一方は一時的（すなわち時間）に制限しかつ信号と
してパルスの弾道部分のみを記録することができる。こ
の分離は、現在のストリーク・カメラ技術および非線形
光学的方法によって簡単に達成することができる。つま
り、光線１ｂにより表わされる雑音は事実上減少させる
ことができる。
で、一方は一時的（すなわち時間）に制限しかつ信号と
してパルスの弾道部分のみを記録することができる。こ
の分離は、現在のストリーク・カメラ技術および非線形
光学的方法によって簡単に達成することができる。つま
り、光線１ｂにより表わされる雑音は事実上減少させる
ことができる。
【００１５】空・時制限撮像は、空・時制限撮像の記録
装置が散乱光の信号成分を一時的に制限すること以外は
空間制限撮像（第３図および第４図）に似ている。主に
信号（１ａ）から成る光パルスの前縁が測定される。こ
れは像の鮮明度を事実上改良させる。
装置が散乱光の信号成分を一時的に制限すること以外は
空間制限撮像（第３図および第４図）に似ている。主に
信号（１ａ）から成る光パルスの前縁が測定される。こ
れは像の鮮明度を事実上改良させる。
【００１６】上述の２つの原理は、散乱光からの可能な
雑音のいくら（空間制限）、あるいは大部分（空・時制
限）を取り除きかつそれによって像の鮮明度を改良す
る。完全な撮像システムは、それを成功させるためにい
くつかの追加段階を要求する。まず、被写体の微小部分
が照射され、さらに像の面の対応する像位置に入る光信
号は検出され、かつ記録され、それから空間制限フィル
タを通過後に記録される。この信号はコンピュータのメ
モリに記憶される。全被写体は部分ごとに走査されかつ
像の面上の対応する部分の信号は記録されかつ記憶され
る。この走査は被写体自体の移動または音響変調による
光学的偏向によって、あるいは照射スポットおよび検出
スポットの動きを同期させることによって行うことがで
きる。それから像はすべての記憶された信号から再生さ
れかつ画像はビデオ・スクリーンに写し出される。その
画像はさらに、コンピュータのメモリ内の像と比較する
ことによって分析および診断などのために使用すること
ができる。
雑音のいくら（空間制限）、あるいは大部分（空・時制
限）を取り除きかつそれによって像の鮮明度を改良す
る。完全な撮像システムは、それを成功させるためにい
くつかの追加段階を要求する。まず、被写体の微小部分
が照射され、さらに像の面の対応する像位置に入る光信
号は検出され、かつ記録され、それから空間制限フィル
タを通過後に記録される。この信号はコンピュータのメ
モリに記憶される。全被写体は部分ごとに走査されかつ
像の面上の対応する部分の信号は記録されかつ記憶され
る。この走査は被写体自体の移動または音響変調による
光学的偏向によって、あるいは照射スポットおよび検出
スポットの動きを同期させることによって行うことがで
きる。それから像はすべての記憶された信号から再生さ
れかつ画像はビデオ・スクリーンに写し出される。その
画像はさらに、コンピュータのメモリ内の像と比較する
ことによって分析および診断などのために使用すること
ができる。
【００１７】第７図のブロック図は本発明で教示された
典型的な撮像システムの１つを表わす。持続波または超
高速レーザ・パルスはレーザ光源７１から発生され、か
つ被写体が内部に隠れている媒体７３に入射する。複雑
な散乱光は、第３図および第４図に説明した形の空間制
限雑音フィルタ７５に当る。光学ファイバ７７は非散乱
（弾道）光および散乱光を集束するために使用される。
集束ファイバ７７は被写体の照射部分に対応する像部分
に設置され、かつ信号は集束されさらに検出器７９に導
かれる。被写体１０の完全な像を得るために、全被写体
１０を点ごとに移動しかつ走査し、さらに像部分の対応
する信号が集束されるように矢印Ｄで示される通り光学
ファイバ７７を移動する必要がある。被写体１０の照射
部分と集束された信号との間の相関性を確立するよう
に、光源７１およびファイバ７７は、コンピュータ化さ
れた記録装置８１のコンピュータでモニタされる制御器
８３によって照射および集束の位置で同期される。音響
工学偏向変調器（図示されていない）も被写体の異なる
位置にビームを偏向するのに用いることができる。ま
た、選択部分を、もう１つの音響工学偏向器によって集
束しかつ偏向することができる。これはバー・コード読
出し器に似ている。走査は被写体１０だけの位置を変え
るだけでも可能である。被写体１０の立体情報は、被写
体を回転するような走査の追加角度により得ることがで
きる。光学ファイバ７７で集束された信号は検出器に送
られるが、その場合、強さは装置８３のコンピュータで
測定されかつそれに記憶される。
典型的な撮像システムの１つを表わす。持続波または超
高速レーザ・パルスはレーザ光源７１から発生され、か
つ被写体が内部に隠れている媒体７３に入射する。複雑
な散乱光は、第３図および第４図に説明した形の空間制
限雑音フィルタ７５に当る。光学ファイバ７７は非散乱
（弾道）光および散乱光を集束するために使用される。
集束ファイバ７７は被写体の照射部分に対応する像部分
に設置され、かつ信号は集束されさらに検出器７９に導
かれる。被写体１０の完全な像を得るために、全被写体
１０を点ごとに移動しかつ走査し、さらに像部分の対応
する信号が集束されるように矢印Ｄで示される通り光学
ファイバ７７を移動する必要がある。被写体１０の照射
部分と集束された信号との間の相関性を確立するよう
に、光源７１およびファイバ７７は、コンピュータ化さ
れた記録装置８１のコンピュータでモニタされる制御器
８３によって照射および集束の位置で同期される。音響
工学偏向変調器（図示されていない）も被写体の異なる
位置にビームを偏向するのに用いることができる。ま
た、選択部分を、もう１つの音響工学偏向器によって集
束しかつ偏向することができる。これはバー・コード読
出し器に似ている。走査は被写体１０だけの位置を変え
るだけでも可能である。被写体１０の立体情報は、被写
体を回転するような走査の追加角度により得ることがで
きる。光学ファイバ７７で集束された信号は検出器に送
られるが、その場合、強さは装置８３のコンピュータで
測定されかつそれに記憶される。
【００１８】例えば、検出器７９は、光電子増倍管、Ｓ
ＩＴまたはビデオ・カメラと結合されたストリーク・カ
メラ、あるいはＳＩＴまたはビデオ・カメラと結合され
たカー（Ｋｅｒｒ）セルを含むことがある。
ＩＴまたはビデオ・カメラと結合されたストリーク・カ
メラ、あるいはＳＩＴまたはビデオ・カメラと結合され
たカー（Ｋｅｒｒ）セルを含むことがある。
【００１９】検出器７９が光電子増倍管またはそれと相
等品である場合、その装置は空間制限形の装置である。
他方では、検出器がストリーク・カメラの組み合わせま
たはカー・セルの組み合わせもしくは同等品の組み合わ
せである場合、その装置は空間制限および時間制限形の
装置である。検出器７９の出力は、処理および記録のた
めのコンピュータ８１に導かれる。コンピュータ８１お
よび光源７１は、コンピュータ８１からの命令を受ける
制御器８３によって制御される。完全な像は、１回の完
全な走査または何回もの完全な走査後で再構成すること
ができる。
等品である場合、その装置は空間制限形の装置である。
他方では、検出器がストリーク・カメラの組み合わせま
たはカー・セルの組み合わせもしくは同等品の組み合わ
せである場合、その装置は空間制限および時間制限形の
装置である。検出器７９の出力は、処理および記録のた
めのコンピュータ８１に導かれる。コンピュータ８１お
よび光源７１は、コンピュータ８１からの命令を受ける
制御器８３によって制御される。完全な像は、１回の完
全な走査または何回もの完全な走査後で再構成すること
ができる。
【００２０】ストリーク・カメラと一体となるもう１つ
の多面的な空・時制限装置９１は第８図に示される。こ
の装置は、２つのスリット（またはアパーチャ）９３お
よび９５、レンズ９７、ならびに移動ステージ９９を含
む。スリット９３および９５ならびに撮像レンズ９７
は、直線伝達から散乱されたすべての光がストリーク・
カメラ１０３の入力スリットまたはアパーチャ１０１に
よって遮断されるランダム媒体１０５の内部にある被写
体１０は超高速レーザ・パルスで照射される。散乱光は
ストリーク・カメラ１０３によって一時的に分散され
る。出力ストリーク像はＳＩＴ１０７で電気信号に変換
され、さらにコンピュータ１０９に導びかれる。ステー
ジ９９は、コンピュータ１０９で制御される制御器１１
１によって制御される。非散乱信号に対応する送信パル
スの前部のみがコンピュータ１０９に記録される。それ
から被写体１０の部分の次の線または点部分は、ランダ
ム媒体１０５の移動あるいはアパーチャ９３および９５
のいずれかによって照射さることができる。音響光学偏
向器（図示されていない）は装置と一体になりかつ被写
体を測定するために使用することができる。弾道信号
は、再び測定されかつコンピュータ１０９に記憶され
る。コンピュータ・ソフトウェアは、記録された信号と
照射された被写体の部分とを相関させる。１回の完全な
走査後、像はコンピュータ・ソフトウェアから再構成さ
れる。
の多面的な空・時制限装置９１は第８図に示される。こ
の装置は、２つのスリット（またはアパーチャ）９３お
よび９５、レンズ９７、ならびに移動ステージ９９を含
む。スリット９３および９５ならびに撮像レンズ９７
は、直線伝達から散乱されたすべての光がストリーク・
カメラ１０３の入力スリットまたはアパーチャ１０１に
よって遮断されるランダム媒体１０５の内部にある被写
体１０は超高速レーザ・パルスで照射される。散乱光は
ストリーク・カメラ１０３によって一時的に分散され
る。出力ストリーク像はＳＩＴ１０７で電気信号に変換
され、さらにコンピュータ１０９に導びかれる。ステー
ジ９９は、コンピュータ１０９で制御される制御器１１
１によって制御される。非散乱信号に対応する送信パル
スの前部のみがコンピュータ１０９に記録される。それ
から被写体１０の部分の次の線または点部分は、ランダ
ム媒体１０５の移動あるいはアパーチャ９３および９５
のいずれかによって照射さることができる。音響光学偏
向器（図示されていない）は装置と一体になりかつ被写
体を測定するために使用することができる。弾道信号
は、再び測定されかつコンピュータ１０９に記憶され
る。コンピュータ・ソフトウェアは、記録された信号と
照射された被写体の部分とを相関させる。１回の完全な
走査後、像はコンピュータ・ソフトウェアから再構成さ
れる。
【００２１】パルスの弾道成分によって形成された像の
解像度は、回折波すなわち照射のアパーチャのサイズな
らびに光の波長によって左右される。この解像度は、複
雑な散乱光のない被写体の一般的な撮像の解像度と同じ
解像度である。可視放射線を用いると、解像度はマイク
ロメータ程度である。この解像度は小さな粒子の撮像を
可能にする。パルスの拡散成分は、検出装置の時間解像
内で弾道成分と一時的に重複する。この重複は、雑音を
増加しかつ像の解像度を低下させる。重複区域内の拡散
成分の強さが弾道成分に匹敵するかあるいはそれより大
きい場合、被写体は識別できないものと思われる。拡散
成分と弾道成分との間の一時的な分離は、媒体を厚く
し、散乱の密度を高め、かつ散乱の大きさを減少したり
ランダム媒体への光の波長より小さな粒子を導入するこ
とで増加することができる。像の鮮明度も、媒体をより
ランダムにしたりランダムでなくす（すなわち順序よく
する）ことによって改良することができる。これらの場
合、弾道パルスの強さは減少するが、時間解像中の拡散
パルスと弾道パルスとの相対強さを増加させる。この相
対強さの増加は像の鮮明度を高める。
解像度は、回折波すなわち照射のアパーチャのサイズな
らびに光の波長によって左右される。この解像度は、複
雑な散乱光のない被写体の一般的な撮像の解像度と同じ
解像度である。可視放射線を用いると、解像度はマイク
ロメータ程度である。この解像度は小さな粒子の撮像を
可能にする。パルスの拡散成分は、検出装置の時間解像
内で弾道成分と一時的に重複する。この重複は、雑音を
増加しかつ像の解像度を低下させる。重複区域内の拡散
成分の強さが弾道成分に匹敵するかあるいはそれより大
きい場合、被写体は識別できないものと思われる。拡散
成分と弾道成分との間の一時的な分離は、媒体を厚く
し、散乱の密度を高め、かつ散乱の大きさを減少したり
ランダム媒体への光の波長より小さな粒子を導入するこ
とで増加することができる。像の鮮明度も、媒体をより
ランダムにしたりランダムでなくす（すなわち順序よく
する）ことによって改良することができる。これらの場
合、弾道パルスの強さは減少するが、時間解像中の拡散
パルスと弾道パルスとの相対強さを増加させる。この相
対強さの増加は像の鮮明度を高める。
【００２２】ある薄いかつ軽量な散乱するランダム媒体
では、拡散部分は検出装置の一時的な解像中にパルスの
弾道部分と一時的に重複する。この重複は、像の解像度
を低下させる。像の解像度を改良するために、ミクロン
単位の解像度は拡散成分から弾道成分を解像する必要が
ある。これは上述のいかなる方法によっても達成するこ
とができる：
では、拡散部分は検出装置の一時的な解像中にパルスの
弾道部分と一時的に重複する。この重複は、像の解像度
を低下させる。像の解像度を改良するために、ミクロン
単位の解像度は拡散成分から弾道成分を解像する必要が
ある。これは上述のいかなる方法によっても達成するこ
とができる：
【００２３】媒体を厚くすることによって像の鮮明度を
高めることは、光源からの距離Ｚと共に弾道および拡散
成分の強さを減少する方法を調べることで理解すること
ができる。
高めることは、光源からの距離Ｚと共に弾道および拡散
成分の強さを減少する方法を調べることで理解すること
ができる。
【００２４】弾道パルスの強さは次の式で与えられる：
【数１】 Ｉb （Ｚ）＝ｅ-Z/lt δ（ ） （１） ただし、ｌｔは送信装置通路長さである。
【００２５】拡散パルスは次の式で与えられる：
【数２】 ただし、Ｄ＝ｖｌｔ／３は拡散係数であり、かつｖは媒
体内の光の速度である。弾道パルスの強さは距離（Ｚ）
と共に指数的に減少するが、拡散成分は距離の２乗（Ｚ
2 ）と共に指数的に減少することに注目されたい。した
がって、その距離が与えられた時間間隔で増加するにつ
れて、拡散強さは、弾道強さよりも速く減少する。つま
り、解像時間内での弾道強さと拡散強さとの比は、媒体
の厚さと共に増加する。この比Ｉｂ／Ｉｄが大きいほど
像の鮮明度が高くなる。
体内の光の速度である。弾道パルスの強さは距離（Ｚ）
と共に指数的に減少するが、拡散成分は距離の２乗（Ｚ
2 ）と共に指数的に減少することに注目されたい。した
がって、その距離が与えられた時間間隔で増加するにつ
れて、拡散強さは、弾道強さよりも速く減少する。つま
り、解像時間内での弾道強さと拡散強さとの比は、媒体
の厚さと共に増加する。この比Ｉｂ／Ｉｄが大きいほど
像の鮮明度が高くなる。
【００２６】光源からの異なる距離における弾道強さと
拡散強さとの比（Ｉｂ／Ｉｄ）の変化は、２つの例で表
わされる。ｌｔ＝１００μｍおよびｌｔ＝１０００μｍ
を有する２つの媒体による結果が第９図に表わされる表
で示される。媒体の厚さ（Ｚ）が厚くなるにつれて比が
相対変化するので、Ｚ＝ｌｔの場合にその比を１まで正
規化する。拡散強さは、検出器の時間解像内の散乱パル
スの最初の部分で測定された、全時間総合強さである。
拡散強さは時間解像の中ごろの時間で計算された値によ
って提供される。拡散強さは、代表的なストリーク・カ
メラに関する１０ｐｓの中ごろであるｔ＝５ｐｓで計算
される。
拡散強さとの比（Ｉｂ／Ｉｄ）の変化は、２つの例で表
わされる。ｌｔ＝１００μｍおよびｌｔ＝１０００μｍ
を有する２つの媒体による結果が第９図に表わされる表
で示される。媒体の厚さ（Ｚ）が厚くなるにつれて比が
相対変化するので、Ｚ＝ｌｔの場合にその比を１まで正
規化する。拡散強さは、検出器の時間解像内の散乱パル
スの最初の部分で測定された、全時間総合強さである。
拡散強さは時間解像の中ごろの時間で計算された値によ
って提供される。拡散強さは、代表的なストリーク・カ
メラに関する１０ｐｓの中ごろであるｔ＝５ｐｓで計算
される。
【００２７】第９（ａ）表は、ｌｔ＝１００μｍの場合
にいろいろな距離Ｚで計算された比（Ｉｂ／Ｉｄ）を表
にする。これはＺ＝ｌｔ＝１００μｍにおける比の正規
化による。Ｚが増加するにつれて、比（Ｉｂ／Ｉｄ）は
初期減少するがそれから急速に増加する。この比の初期
減少は、下記の拡散式の指数係数を解くことによって理
解することができる：
にいろいろな距離Ｚで計算された比（Ｉｂ／Ｉｄ）を表
にする。これはＺ＝ｌｔ＝１００μｍにおける比の正規
化による。Ｚが増加するにつれて、比（Ｉｂ／Ｉｄ）は
初期減少するがそれから急速に増加する。この比の初期
減少は、下記の拡散式の指数係数を解くことによって理
解することができる：
【数３】 （Ｚ／ｌｔ）が係数Ｚ／（４ｖｔ／３）によって測定さ
れることに注目されたい。この係数Ｚ／（４ｖｔ／３）
が１未満の場合、その比を１未満にすることができる。
拡散強さはＺの増加につれて弾道強さより速く増加す
る。Ｚと共に増加する比に対して、Ｚ／（４ｖｔ／３）
は１よりも大きくなるべきである。その臨界値は下式の
通りである：
れることに注目されたい。この係数Ｚ／（４ｖｔ／３）
が１未満の場合、その比を１未満にすることができる。
拡散強さはＺの増加につれて弾道強さより速く増加す
る。Ｚと共に増加する比に対して、Ｚ／（４ｖｔ／３）
は１よりも大きくなるべきである。その臨界値は下式の
通りである：
【数４】 ＺC ＝４ｖｔ／３ （４） Ｚ＞Ｚｃの場合は、弾道強さと拡散強さとの比は、Ｚの
増加と共に増加する。第９（ａ）表に提供された例とし
て、ｔ＝５ｐｓであり、またｖは水中の光速度であり、
そのときＺｃ＝１５００μｍである。この臨界値は、第
９（ａ）表内の計算されたデータと一致する。Ｚ＜５０
０μｍについては、その比は１未満であり；Ｚ＞１５０
０μｍでは、その比はＺと共に迅速に増加する。これら
の表現は、弾道強さが、撮像される被写体と検出器との
間のＺｃよりも厚みのあるランダム媒体の平板に導くこ
とによって拡散強さに関連して増加される。
増加と共に増加する。第９（ａ）表に提供された例とし
て、ｔ＝５ｐｓであり、またｖは水中の光速度であり、
そのときＺｃ＝１５００μｍである。この臨界値は、第
９（ａ）表内の計算されたデータと一致する。Ｚ＜５０
０μｍについては、その比は１未満であり；Ｚ＞１５０
０μｍでは、その比はＺと共に迅速に増加する。これら
の表現は、弾道強さが、撮像される被写体と検出器との
間のＺｃよりも厚みのあるランダム媒体の平板に導くこ
とによって拡散強さに関連して増加される。
【００２８】パルス形状に微小粒子を加える効果は、厚
さ１０mmの平板ランダム媒体を通って伝達された後のパ
ルスの角度および時間情報を示す第６（ａ）図ならびに
第６（ｂ）図に表示された２つの画像で最も良く理解さ
れる。ランダム媒体は水中に停止したラテックス・ビー
ズから成っている。第６（ａ）図の画像は、水中速度
（＝０．４６５）の波長と比較して小さい直径ｄ＝０．
３３のラテックス・ビーズの場合である。弾道パルスは
第６（ａ）図の中で拡散パルスから明らかに分離されて
いることに注目されたい。対照的に、弾道パルスおよび
拡散パルスは、直径（ｄ＝１５．８）のラテックス・ビ
ーズの場合である第６図の（ｂ）画像では分離されてい
ない。これらのパルス（弾道および拡散）は検出装置で
解像する８ｐｓで共に降下する。微小粒子の付加は弾道
パルスと拡散パルスとの間の分離時間、およびスペクト
ル解像度を増加する。大きな粒子媒体に、より小さな粒
子を導入することでその期待が持てる。弾道パルスと拡
散パルスとの間の分離時間を効果的に増加する。これは
弾道成分をより良好に測定できかつより良い撮像機能を
もたらすことができる。
さ１０mmの平板ランダム媒体を通って伝達された後のパ
ルスの角度および時間情報を示す第６（ａ）図ならびに
第６（ｂ）図に表示された２つの画像で最も良く理解さ
れる。ランダム媒体は水中に停止したラテックス・ビー
ズから成っている。第６（ａ）図の画像は、水中速度
（＝０．４６５）の波長と比較して小さい直径ｄ＝０．
３３のラテックス・ビーズの場合である。弾道パルスは
第６（ａ）図の中で拡散パルスから明らかに分離されて
いることに注目されたい。対照的に、弾道パルスおよび
拡散パルスは、直径（ｄ＝１５．８）のラテックス・ビ
ーズの場合である第６図の（ｂ）画像では分離されてい
ない。これらのパルス（弾道および拡散）は検出装置で
解像する８ｐｓで共に降下する。微小粒子の付加は弾道
パルスと拡散パルスとの間の分離時間、およびスペクト
ル解像度を増加する。大きな粒子媒体に、より小さな粒
子を導入することでその期待が持てる。弾道パルスと拡
散パルスとの間の分離時間を効果的に増加する。これは
弾道成分をより良好に測定できかつより良い撮像機能を
もたらすことができる。
【００２９】第１０（ａ）図は、ランダム媒体１２１お
よびピンホール１２３を通る光の作用を示す。
よびピンホール１２３を通る光の作用を示す。
【００３０】第１０（ｂ）図は、微小粒子の一様なラン
ダム媒体の平板１２５を、撮像すべき平板１２１に隠さ
れた被写体（図示されていない）からの散乱光の通路に
導き、（１）弾道パルスと拡散パルスとの間の一時的な
分離、ならびに（２）弾道強さと拡散強さとの比を増加
させる。この追加のランダム媒体は、弾道部分に関して
パルスの拡散部分を遅延させるので、それらはさらに検
出装置の解像度内で一時的に分離することができる。平
板の厚さはＺｃよりも大でなければならない。平板は、
光の波長よりはるかに小さい散乱体から成るべきであ
る。微小散乱体は、拡散パルスと弾道パルスとの間の一
時的分離を増加するように、すべての方向に光を散乱す
る。この方法は、撮像能力を改良するように、弾道部分
と拡散部分との間の一時的な距離を増す。被写体が流体
形の媒体の内側に隠されているならば、媒体のランダム
度は媒体自体にある微小散乱体を導入することによって
増すことができる。この方法も、媒体を伝搬してから弾
道パルスと拡散パルスとの間の一時的な分離を増すとと
もに、弾道部分の選択が行われているならば像の鮮明像
度を改良する。
ダム媒体の平板１２５を、撮像すべき平板１２１に隠さ
れた被写体（図示されていない）からの散乱光の通路に
導き、（１）弾道パルスと拡散パルスとの間の一時的な
分離、ならびに（２）弾道強さと拡散強さとの比を増加
させる。この追加のランダム媒体は、弾道部分に関して
パルスの拡散部分を遅延させるので、それらはさらに検
出装置の解像度内で一時的に分離することができる。平
板の厚さはＺｃよりも大でなければならない。平板は、
光の波長よりはるかに小さい散乱体から成るべきであ
る。微小散乱体は、拡散パルスと弾道パルスとの間の一
時的分離を増加するように、すべての方向に光を散乱す
る。この方法は、撮像能力を改良するように、弾道部分
と拡散部分との間の一時的な距離を増す。被写体が流体
形の媒体の内側に隠されているならば、媒体のランダム
度は媒体自体にある微小散乱体を導入することによって
増すことができる。この方法も、媒体を伝搬してから弾
道パルスと拡散パルスとの間の一時的な分離を増すとと
もに、弾道部分の選択が行われているならば像の鮮明像
度を改良する。
【００３１】上述の通り、空間フィルタは信号の同一線
方向から散乱される光を除去する。強く散乱する媒体に
おいては、ランダム媒体を通ってから弾道信号と同じ方
向に進む複雑散乱光のかなりの部分がある。弾道信号と
同じ方向にランダム媒体から出るこの複雑散乱光は、空
間フィルタによって除去することはできない。本発明の
もう１つの特徴により、吸収色素をランダム媒体に導く
ことは、複雑散乱光から生じる雑音を弾道信号に関して
大幅に減少させることができる。Ｓ／Ｎ比は、この吸収
法を用いて一定の大きさの程度だけ事実上増加させるこ
とができる。
方向から散乱される光を除去する。強く散乱する媒体に
おいては、ランダム媒体を通ってから弾道信号と同じ方
向に進む複雑散乱光のかなりの部分がある。弾道信号と
同じ方向にランダム媒体から出るこの複雑散乱光は、空
間フィルタによって除去することはできない。本発明の
もう１つの特徴により、吸収色素をランダム媒体に導く
ことは、複雑散乱光から生じる雑音を弾道信号に関して
大幅に減少させることができる。Ｓ／Ｎ比は、この吸収
法を用いて一定の大きさの程度だけ事実上増加させるこ
とができる。
【００３２】ランダム媒体により強く吸収される光の波
長を選択することによって、生物学的および医学的媒体
を含むランダム媒体を通して見る能力を改良するのにも
吸収法を使用することができる。
長を選択することによって、生物学的および医学的媒体
を含むランダム媒体を通して見る能力を改良するのにも
吸収法を使用することができる。
【００３３】吸収撮像法の基本原理は、複雑散乱光が媒
体内でランダム通過を受け、つまり弾道信号の通路長さ
よりも長い通路長さにわたって進むという事実に基づい
ている。弾道信号がランダム媒体の平板を横切る距離
は、平板の厚さに等しい。より長い通路長さを進む光は
より強い減衰の恐れがある。つまり、ランダム媒体に色
素を導入することは、弾道部分にわたって複雑散乱光の
成分を優先的に吸収する。
体内でランダム通過を受け、つまり弾道信号の通路長さ
よりも長い通路長さにわたって進むという事実に基づい
ている。弾道信号がランダム媒体の平板を横切る距離
は、平板の厚さに等しい。より長い通路長さを進む光は
より強い減衰の恐れがある。つまり、ランダム媒体に色
素を導入することは、弾道部分にわたって複雑散乱光の
成分を優先的に吸収する。
【００３４】平らな超高速パルスが吸収境界を持つラン
ダム媒体の平板上に正常に入射するとき、拡散原理によ
り予測される平板の反対側の１点に出る散乱パルスの一
時的なプロファイルは下記の式で表わされる
ダム媒体の平板上に正常に入射するとき、拡散原理によ
り予測される平板の反対側の１点に出る散乱パルスの一
時的なプロファイルは下記の式で表わされる
【数５】 ただし、Ｄ＝ｒＬｔｌ3 は拡散係数、ｄ＝Ｚ＋２ＺO ，
ＺO ＝０．７１Ｌｔ，Ｖは光子の速度、Ｚは平板の厚
さ、。Ｌb は運動平均自由通路、Ｌa は吸収長さであ
る。拡散光の合計強さは、Ｏから∝までの時間に関して
式（１）を積分することにより得られる。その量は
ＺO ＝０．７１Ｌｔ，Ｖは光子の速度、Ｚは平板の厚
さ、。Ｌb は運動平均自由通路、Ｌa は吸収長さであ
る。拡散光の合計強さは、Ｏから∝までの時間に関して
式（１）を積分することにより得られる。その量は
【数６】 によって与えられる。送信された光は全方向に散乱され
るので、立体角の分数内で散乱される光の強さは下記の
式で与えらる。
るので、立体角の分数内で散乱される光の強さは下記の
式で与えらる。
【数７】 他方では、距離Ｚを横切る弾道信号の強さは下記の式に
よって減少される。
よって減少される。
【数８】 ただしＬs は光子散乱の平均自由通路である。
【００３５】第１１図は、本発明の吸収の特徴を試験す
るのに用いられる実験的なセットアップの概略図を示
す。８０ｆｓの超高速レーザ・パルスは、衝突するパル
ス・モード・ロック式色素レーザ装置１４１から８２Ｍ
ｚの繰返率で発生された。レーザ電力は５mWであった
し、レーザ波長は６２０mmを中心としていた。ビームは
１対のビーム分割器１４９および１５１によって３つの
部分１４３、１４５ならびに１４７に分割された。部分
１４７はミラー１５３から偏向されて、拡大器１５５に
よってビーム直径４mmから３５mmまで拡大された。拡大
されたレーザ・ビームの中央部分は、ミラー１５６によ
り偏向され、かつ直径５０mmおよび厚さ１０mmの円筒形
ガラス・セル１５７にあるランダム媒体のアパーチャ１
５６−１を通って入射された。ランダム媒体は、水中に
支持されかつ直径０．０９１μｍの濃度１０％のラテッ
クス・ビーズから成っていた。セルから散乱された光子
は失われた。直径２mmのブラック・ピンホール１６１は
セル１５７の反対側の中央に置かれた。４ミリラジアン
以内で前方向にあるこのピンホールから出る光子の一時
的分布は、同期ストリーク・カメラ１６３によって測定
された。レンズ１６５は、ストリーク・カメラの入力ス
リットの上にピンホール１６１を撮像した。入射ビーム
の直径は２０mmにセットされた（ビーム直径のそれ以上
の増加は散乱した光子のパルス・プロファイルを変えな
い。）つまり、測定された散乱パルスのプロファイル
は、ランダム媒体の厚さが１０個を越える移動平均自由
通路であるとき、式（１）によって説明することができ
る。
るのに用いられる実験的なセットアップの概略図を示
す。８０ｆｓの超高速レーザ・パルスは、衝突するパル
ス・モード・ロック式色素レーザ装置１４１から８２Ｍ
ｚの繰返率で発生された。レーザ電力は５mWであった
し、レーザ波長は６２０mmを中心としていた。ビームは
１対のビーム分割器１４９および１５１によって３つの
部分１４３、１４５ならびに１４７に分割された。部分
１４７はミラー１５３から偏向されて、拡大器１５５に
よってビーム直径４mmから３５mmまで拡大された。拡大
されたレーザ・ビームの中央部分は、ミラー１５６によ
り偏向され、かつ直径５０mmおよび厚さ１０mmの円筒形
ガラス・セル１５７にあるランダム媒体のアパーチャ１
５６−１を通って入射された。ランダム媒体は、水中に
支持されかつ直径０．０９１μｍの濃度１０％のラテッ
クス・ビーズから成っていた。セルから散乱された光子
は失われた。直径２mmのブラック・ピンホール１６１は
セル１５７の反対側の中央に置かれた。４ミリラジアン
以内で前方向にあるこのピンホールから出る光子の一時
的分布は、同期ストリーク・カメラ１６３によって測定
された。レンズ１６５は、ストリーク・カメラの入力ス
リットの上にピンホール１６１を撮像した。入射ビーム
の直径は２０mmにセットされた（ビーム直径のそれ以上
の増加は散乱した光子のパルス・プロファイルを変えな
い。）つまり、測定された散乱パルスのプロファイル
は、ランダム媒体の厚さが１０個を越える移動平均自由
通路であるとき、式（１）によって説明することができ
る。
【００３６】ビーム部分１４５は、ビーム分割器１４５
−３により１対のミラー１４５−１および１４５−２か
ら偏向され、かつ基準パルスとして使用された。ビーム
部分１４３は、ストリーク・カメラ１６３のトリガ信号
を発生させたホトダイオードに供給された。ストリーク
・カメラ１６３の出力は、処理のためにコンピュータ１
６９に供給されるＳＩＴ１６７によって電気信号に変換
される。合成像は、ビデオ・モニタ１７１に表示され
る。
−３により１対のミラー１４５−１および１４５−２か
ら偏向され、かつ基準パルスとして使用された。ビーム
部分１４３は、ストリーク・カメラ１６３のトリガ信号
を発生させたホトダイオードに供給された。ストリーク
・カメラ１６３の出力は、処理のためにコンピュータ１
６９に供給されるＳＩＴ１６７によって電気信号に変換
される。合成像は、ビデオ・モニタ１７１に表示され
る。
【００３７】ランダム媒体に追加される染料を吸収する
異なる量の信号および拡散光の時間解像プロファイルは
第１２図に示されている。Ｏｐｓの時間における微小ピ
ークは弾道信号である。この弾道信号光は、前方向に進
行する複雑散乱光のコヒーレントな干渉量から生じる。
弾道信号成分は、複雑散乱光の大きな一時的分布によっ
て時間的に続く。第１２図の曲線（ａ）において、拡散
光成分の全強さは、弾道信号の強さの１３０倍以上大き
い。そのような曇り媒体を通して見ることは不可能であ
る。光子移動平均自由通路は、例えば式（１）に合致す
ることから第１２図の曲線における実験結果まで０．５
５ｍｍであることが発見された。このランダム平板は
（Ｚ／１ｔ＝１０ｍｍ／０．５５ｍｍ）＝１８の移動平
均自由通路厚さである。
異なる量の信号および拡散光の時間解像プロファイルは
第１２図に示されている。Ｏｐｓの時間における微小ピ
ークは弾道信号である。この弾道信号光は、前方向に進
行する複雑散乱光のコヒーレントな干渉量から生じる。
弾道信号成分は、複雑散乱光の大きな一時的分布によっ
て時間的に続く。第１２図の曲線（ａ）において、拡散
光成分の全強さは、弾道信号の強さの１３０倍以上大き
い。そのような曇り媒体を通して見ることは不可能であ
る。光子移動平均自由通路は、例えば式（１）に合致す
ることから第１２図の曲線における実験結果まで０．５
５ｍｍであることが発見された。このランダム平板は
（Ｚ／１ｔ＝１０ｍｍ／０．５５ｍｍ）＝１８の移動平
均自由通路厚さである。
【００３８】第１２図の曲線（ｂ）、（ｃ）、及び
（ｄ）はいくつかの顕著な特徴を示す。送信されたパル
ス・プロファイルは、ランダム媒体内の吸収染料の量を
増すことによって変化する。拡散散乱光は、より長い距
離を進む遅れた時間の拡散散乱光は、より多く減衰され
る。拡散光の強さは、染料がより多く追加されるにつれ
て一段と迅速に減少する。これらの媒体からの吸収長さ
は、染料溶液（その中にビーズが入っていない）を作る
ことによって実験的に得られた。染料溶液の伝達はスペ
クトロ光度計によって測定された。第１２図の曲線
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に対応するこれら
の染料溶液の百分率伝達はそれぞれ、１００、９２．
５、８０．６および６２．４％である。対応する吸収長
さはそれぞれ、００、１２７、４６および２１ｍｍとな
るように計算される。第１２図の曲線（ｄ）は、拡散光
の強さが第１２図の曲線（ａ）に比較して信号強度に関
して事実上減少されることを示す。第１２図の曲線
（ｄ）の場合、拡散光の全強度は弾道信号の強度に等し
い。弾道部分は拡散部分以上に強められる。
（ｄ）はいくつかの顕著な特徴を示す。送信されたパル
ス・プロファイルは、ランダム媒体内の吸収染料の量を
増すことによって変化する。拡散散乱光は、より長い距
離を進む遅れた時間の拡散散乱光は、より多く減衰され
る。拡散光の強さは、染料がより多く追加されるにつれ
て一段と迅速に減少する。これらの媒体からの吸収長さ
は、染料溶液（その中にビーズが入っていない）を作る
ことによって実験的に得られた。染料溶液の伝達はスペ
クトロ光度計によって測定された。第１２図の曲線
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に対応するこれら
の染料溶液の百分率伝達はそれぞれ、１００、９２．
５、８０．６および６２．４％である。対応する吸収長
さはそれぞれ、００、１２７、４６および２１ｍｍとな
るように計算される。第１２図の曲線（ｄ）は、拡散光
の強さが第１２図の曲線（ａ）に比較して信号強度に関
して事実上減少されることを示す。第１２図の曲線
（ｄ）の場合、拡散光の全強度は弾道信号の強度に等し
い。弾道部分は拡散部分以上に強められる。
【００３９】拡散信号と信号強度との鮮明度比較は下記
のにように提供される。強力に散乱する媒体では、拡散
成分の送信パルスは、移動平均自由通路Ｌｔおよび吸収
長さＬａによって式（１）のような拡散理論で予測する
ことができる。吸収長さは、より強い吸収染料が媒体に
追加されるにつれて減少する。第１３図は、吸収長さが
∝、１２７、４６および２１mmである第１２図に示され
た場合に対応する（１）式の理論的プロットを示す。拡
散光の強度は、特に時間的に遅れて到達する光子につい
て急速に減少する。
のにように提供される。強力に散乱する媒体では、拡散
成分の送信パルスは、移動平均自由通路Ｌｔおよび吸収
長さＬａによって式（１）のような拡散理論で予測する
ことができる。吸収長さは、より強い吸収染料が媒体に
追加されるにつれて減少する。第１３図は、吸収長さが
∝、１２７、４６および２１mmである第１２図に示され
た場合に対応する（１）式の理論的プロットを示す。拡
散光の強度は、特に時間的に遅れて到達する光子につい
て急速に減少する。
【００４０】持続波レーザを用いるランダム媒体の内側
に隠れた被写体の撮影では、信号の光の強度と比較され
た拡散光の全（時間積分された）強度に関心が持たれ
る。拡散光（雑音）および信号の全強度は第１４図にプ
ロットされている。吸収長さが減少（吸収が増加）する
につれて、拡散光の強度は信号光の速度よりもはるかに
速く減少する。使用される散乱パラメータは移動平均自
由通路＝０．５５mmおよび平板厚さＺ＝１００mmであ
り、これは実験結果に相当する。吸収長さは１０００mm
〜５mmの範囲で変化される。これらの制限内で、拡散強
度は７×１０-6から５×１０21まで、すなわち１０15の
倍数だけ低下する。弾道成分の対応する強度低下は、１
×１０-8から１×１０-9まで減少し、すなわち１０の部
数だけ低下するに過ぎない。吸収長さが１０００mmから
５mmまで変化するとき、（弾道）信号対（拡散）雑音比
が１０14の倍数だけ増加する。弾道信号と拡散光との間
のこの大量の利得は、強く散乱するランダム媒体におけ
る像の鮮明度を事実上増加することができる。
に隠れた被写体の撮影では、信号の光の強度と比較され
た拡散光の全（時間積分された）強度に関心が持たれ
る。拡散光（雑音）および信号の全強度は第１４図にプ
ロットされている。吸収長さが減少（吸収が増加）する
につれて、拡散光の強度は信号光の速度よりもはるかに
速く減少する。使用される散乱パラメータは移動平均自
由通路＝０．５５mmおよび平板厚さＺ＝１００mmであ
り、これは実験結果に相当する。吸収長さは１０００mm
〜５mmの範囲で変化される。これらの制限内で、拡散強
度は７×１０-6から５×１０21まで、すなわち１０15の
倍数だけ低下する。弾道成分の対応する強度低下は、１
×１０-8から１×１０-9まで減少し、すなわち１０の部
数だけ低下するに過ぎない。吸収長さが１０００mmから
５mmまで変化するとき、（弾道）信号対（拡散）雑音比
が１０14の倍数だけ増加する。弾道信号と拡散光との間
のこの大量の利得は、強く散乱するランダム媒体におけ
る像の鮮明度を事実上増加することができる。
【００４１】つまり、拡散雑音はランダム媒体内の吸収
により弾道信号に関して事実上減少し得ることが分か
る。信号に関して雑音を減少するこの吸収は、ランダム
または生物医学媒体に隠れた被写体の像の鮮明度を改良
するために重要である。吸収を増加するために、生物媒
体により吸収されたり、吸収染料を媒体に導入したり、
またはその両方を行うことにより吸収される光の波長を
選ぶことができる。
により弾道信号に関して事実上減少し得ることが分か
る。信号に関して雑音を減少するこの吸収は、ランダム
または生物医学媒体に隠れた被写体の像の鮮明度を改良
するために重要である。吸収を増加するために、生物媒
体により吸収されたり、吸収染料を媒体に導入したり、
またはその両方を行うことにより吸収される光の波長を
選ぶことができる。
【００４２】また、媒体がよりランダムに作られている
ならば、弾道光と拡散光との間の時間分離は増加され、
その結果、時間制限装置のＳ／Ｎ比を改良する。さら
に、媒体がより順序正しく（すなわちランダムでなく）
作られるならば、散乱光が少なくなり、したがってＳ／
Ｎ比はより大きくなる。
ならば、弾道光と拡散光との間の時間分離は増加され、
その結果、時間制限装置のＳ／Ｎ比を改良する。さら
に、媒体がより順序正しく（すなわちランダムでなく）
作られるならば、散乱光が少なくなり、したがってＳ／
Ｎ比はより大きくなる。
【００４３】この発明に使用された照射する放射線が可
視光に制限されず、むしろ無線波、赤外線、紫外線、Ｘ
線およびガンマ光線のような他の形の電磁放射線である
かもしれない。
視光に制限されず、むしろ無線波、赤外線、紫外線、Ｘ
線およびガンマ光線のような他の形の電磁放射線である
かもしれない。
【００４４】
【発明の効果】本発明の実施例は模範的なものに過ぎな
いようにされ、当業者は本発明の主旨から逸脱せずにそ
れをいろいろに変更しかつ変形することができるはずで
ある。このようなすべての変更および変形は、特許請求
の範囲に規定されるような本発明の適用範囲外であるよ
うにされる。
いようにされ、当業者は本発明の主旨から逸脱せずにそ
れをいろいろに変更しかつ変形することができるはずで
ある。このようなすべての変更および変形は、特許請求
の範囲に規定されるような本発明の適用範囲外であるよ
うにされる。
【図１】ランダム媒体を通る光の通路を示す概略図。
【図２】本発明による空間フィルタの概略図。
【図３】本発明による空間制限装置の概略図。
【図４】第３図に示される装置の変形の概略図。
【図５】ランダム媒体の平板を伝搬してから、超高速レ
ーザ・パルスの角度および一時的分布を調べるのに用い
られる実験装置の概略図。
ーザ・パルスの角度および一時的分布を調べるのに用い
られる実験装置の概略図。
【図６】第５図の実験装置を用いてランダム媒体の１０
mmの平板を伝搬する光パルスの角度および一時的動作を
それぞれ示すオシロ波形、写真は散乱光の角度情報およ
び一時的情報の両方を表示するストリーク・カメラによ
って写真が撮影されている。第１白色スポットはプリパ
ルスからのものであり、第２スポットはコヒーレント成
分であり、非コヒーレント成分は広角および一時的領域
にわたって広がる。曲線は前方向±／ｍｒａｄに散乱さ
れる電波について時間に対する強度を示す。ランダム媒
体は水中に支持されるラテックス・ビーズから成る。画
像（ａ）、ｄ＝０．３３μｍ、密度ｎ＝９．５×１０16
ｍ-3、ｎδs Ｚ＝２４；画像（ｂ）、ｄ＝１５．８μ
ｍ、ｎ＝４．７×１０12ｍ-3、ｎδs Ｚ＝１９。
mmの平板を伝搬する光パルスの角度および一時的動作を
それぞれ示すオシロ波形、写真は散乱光の角度情報およ
び一時的情報の両方を表示するストリーク・カメラによ
って写真が撮影されている。第１白色スポットはプリパ
ルスからのものであり、第２スポットはコヒーレント成
分であり、非コヒーレント成分は広角および一時的領域
にわたって広がる。曲線は前方向±／ｍｒａｄに散乱さ
れる電波について時間に対する強度を示す。ランダム媒
体は水中に支持されるラテックス・ビーズから成る。画
像（ａ）、ｄ＝０．３３μｍ、密度ｎ＝９．５×１０16
ｍ-3、ｎδs Ｚ＝２４；画像（ｂ）、ｄ＝１５．８μ
ｍ、ｎ＝４．７×１０12ｍ-3、ｎδs Ｚ＝１９。
【図７】本発明による撮像装置のブロック図。
【図８】ストリーク・カメラ装置と直結される空・時制
限撮像装置の図。
限撮像装置の図。
【図９】いろいろな距離での弾道強度と拡散強度との比
の変化を示す表の図面。
の変化を示す表の図面。
【図１０】空間解像度を増加するためにランダム媒体の
平板をどのように導くか、また像のＳ／Ｎ比の大きさを
どのように改良するかを示す概略図。
平板をどのように導くか、また像のＳ／Ｎ比の大きさを
どのように改良するかを示す概略図。
【図１１】本発明の吸収特徴を調べるのに用いられる実
験的なセットアップの概略図。
験的なセットアップの概略図。
【図１２】異なる吸収色素濃度で直径０．０９１μｍの
ラテックス・ビーズの１０％濃度の厚さ１０mmのランダ
ム媒体の平板を通る送信されたパルスのプロファイルの
グラフ。これらの媒体の吸収長さは（ａ）∝、（ｂ）１
２７、（ｃ）４６および（ｄ）２１mmである。
ラテックス・ビーズの１０％濃度の厚さ１０mmのランダ
ム媒体の平板を通る送信されたパルスのプロファイルの
グラフ。これらの媒体の吸収長さは（ａ）∝、（ｂ）１
２７、（ｃ）４６および（ｄ）２１mmである。
【図１３】移動平均自由通路０．５５mmの厚さ１０mmの
ランダム媒体の平板を通る送信されたパルスのプロファ
イルの理論的プロット。媒体の吸収長さは（ａ）∝、
（ｂ）１２７、（ｃ）４６、および（ｄ）２１mm。
ランダム媒体の平板を通る送信されたパルスのプロファ
イルの理論的プロット。媒体の吸収長さは（ａ）∝、
（ｂ）１２７、（ｃ）４６、および（ｄ）２１mm。
【図１４】ｆ＝２×１０-4、およびｌ＝０．５５mmを用
いて異なる吸収長さを有する媒体の全拡散光および信号
強度の理論的予測のグラフ。
いて異なる吸収長さを有する媒体の全拡散光および信号
強度の理論的予測のグラフ。
１，１ａ〜１ｆ 光線 １１ 媒体 １２ フィルタ １３、１５ レンズ １７ アパーチャ １９ 像記録装置 ５１ ストリーク−カメラ ５３ ＳＩＴ（シリコン強化目検検出器） ５７ コンピュータ
フロントページの続き (72)発明者 ロバート アール．アルファノ アメリカ合衆国ニューヨーク州，ブロン クス，インデペンデンス アベニュー 3777 (56)参考文献 特開 昭62−277538（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−26555（ＪＰ，Ａ) 米国特許4807637（ＵＳ，Ａ) 米国特許4515165（ＵＳ，Ａ)
Claims (13)
- 【請求項１】 半不透明ランダム媒体の内部または後方
にある被写体の像を形成する装置であって、前記媒体を
介して前記被写体を照射する放射線源と、前記媒体から
の放射線を受信する時間制限検出器とを含み、前記時間
制限検出器によって受信された放射線は散乱放射線と非
散乱放射線とを含み、かつ該散乱放射線は前記非散乱放
射線から一時的に分離されているところの前記装置にお
いて、前記媒体からの散乱された放射線と散乱されてい
ない放射線との間の時間分離を増大する手段を備えたこ
とを特徴とする装置。 - 【請求項２】 前記時間分離を増大する手段は、前記被
写体と前記時間制限検出器との間に設置された半不透明
ランダム媒体の平板を含むことを特徴とする請求項１記
載の装置。 - 【請求項３】 前記時間分離を増大する手段は、前記半
不透明ランダム媒体自体に微小散乱体を導入したことを
特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項４】 前記検出器によって受信された放射線の
性質を改良する吸収色素をさらに含み、該色素は前記半
不透明ランダム媒体の中に存在することを特徴とする請
求項１記載の装置。 - 【請求項５】 前記放射線源は前記半不透明ランダム媒
体の吸収スペクトル内の波長または複数の波長をもつ放
射線を放射することを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項６】 半不透明ランダム媒体の内部または後方
に隠れた被写体の像を形成するシステムであって、 （ａ） 前記被写体を照射して、前記被写体から非散乱
放射線及び散乱放射線を放射させるための光源と、（ｂ） 前記被写体から放射される前記非散乱放射線と
前記散乱放射線との間の時間分離を増大させるための手
段と、 （ｃ） 前記被写体からの放射線を、非散乱放射線を優
先的に選択するために空間的に濾波する手段と、（ｄ） 前記空間的に濾波された放射線を検出し、該空
間的に濾波された放射線を一時的に制限するストリーク
カメラと、及び （ｅ） 該ストリークカメラの出力を処理しかつ記録す
るコンピュータ装置と、 を備えたことを特徴とする前記システム。 - 【請求項７】 半透明ランダム媒体の内部または後方に
ある被写体の像を形成する装置であって、 （ａ） 前記半透明ランダム媒体を介して前記被写体を
放射線ビームで照射して、前記被写体から非散乱放射線
及び散乱放射線を放射させる手段と、（ｂ） 前記被写体から放射される前記非散乱放射線と
前記散乱放射線との間の時間分離を増大させるための手
段と、（ｃ） 前記被写体から放射された放射線を検出し、そ
の像を形成し、該被写体から受信した放射線を一時的に
制限するためのストリークカメラと、（ｄ） 該ストリークカメラの前にある雑音フィルタ
と、及び （ｅ） 前記被写体からの放射線を空間的に制限する、
前記ストリークカメラの前にある空間ゲートとを備えた
ことを特徴とする前記装置。 - 【請求項８】 前記半不透明ランダム媒体からの放射線
を集束し、その集束された放射線を前記検出器に向ける
ための集束装置をさらに備えたことを特徴とする請求項
７記載の装置。 - 【請求項９】 半不透明ランダム媒体の内部または後方
にある被写体の像を形成する装置であって、 （ａ） 前記半透明ランダム媒体を介して前記被写体を
放射線ビームで照射して、前記被写体から非散乱放射線
及び散乱放射線を放射させる光源および第１の光ファイ
バと、（ｂ） 前記被写体から放射される前記非散乱放射線と
前記散乱放射線との間の時間分離を増大させるための手
段と、 （ｃ） 前記被写体から放射された放射線を検出し、そ
の像を形成するための検出器であって、前記被写体から
受信した放射線を一時的に制限するようになっている時
間制限型の検出器と、（ｄ） 該検出器の前にある雑音フィルタと、及び （ｅ） 前記被写体からの放射線を集束し、その集束さ
れた光を前記検出器に向ける第２の光ファイバと、を備
えたことを特徴とする前記装置。 - 【請求項１０】 前記検出器はストリークカメラである
ことを特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】 前記ストリークカメラの出力を記録す
るＳＩＴカメラをさらに備えたことを特徴とする請求項
１０記載の装置。 - 【請求項１２】 半不透明ランダム媒体の内部または後
方にある被写体の像を形成する装置であって、 （ａ） 前記半透明ランダム媒体を介して前記被写体を
放射線ビームで照射して、前記被写体から非散乱放射線
及び散乱放射線を放射させる手段と、（ｂ） 前記被写体から放射される前記非散乱放射線と
前記散乱放射線との間の時間分離を増大させるための手
段と、 （ｃ） 前記被写体から放射された放射線を検出し、そ
の像を形成するための検出器であって、前記被写体から
受信した放射線を一時的に制限するようになっている時
間制限型の検出器と、及び （ｄ） 前記半不透明ランダム媒体からの放射線を集束
し、その集束された放射線を前記検出器に向けるため
の、前記半不透明ランダム媒体に対して移動可能な集束
装置と、を備えたことを特徴とする前記装置。 - 【請求項１３】 照射と集束の位置を同期させる制御器
をさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載の装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US489942 | 1983-04-29 | ||
| US07/489,942 US5140463A (en) | 1990-03-08 | 1990-03-08 | Method and apparatus for improving the signal to noise ratio of an image formed of an object hidden in or behind a semi-opaque random media |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0556982A JPH0556982A (ja) | 1993-03-09 |
| JP2520197B2 true JP2520197B2 (ja) | 1996-07-31 |
Family
ID=23945924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3010971A Expired - Lifetime JP2520197B2 (ja) | 1990-03-08 | 1991-01-31 | 被写体像のｓ／ｎ比を改良する装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5140463A (ja) |
| EP (1) | EP0446028A3 (ja) |
| JP (1) | JP2520197B2 (ja) |
Families Citing this family (51)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5467122A (en) * | 1991-10-21 | 1995-11-14 | Arete Associates | Underwater imaging in real time, using substantially direct depth-to-display-height lidar streak mapping |
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| US5303710A (en) * | 1992-11-03 | 1994-04-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus for imaging an object in or through a scattering medium using coherent anti-Stokes Raman scattering |
| US5270853A (en) * | 1992-11-30 | 1993-12-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for imaging an object in or through a scattering medium by using multiple-wave mixing |
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| US5936233A (en) * | 1998-02-26 | 1999-08-10 | The Curators Of The University Of Missouri | Buried object detection and neutralization system |
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