JP5354971B2 - イメージング方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、周波数３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のいわゆるミリ波からテラヘルツ波と呼ばれる周波数領域の電磁波（これ以後、テラヘルツ波と呼ぶ）を用いるイメージング方法及びイメージング装置に関するものである。
近年、テラヘルツ波を利用した技術開発が盛んである。特に様々な物質に対するテラヘルツ波の透過性を生かした、イメージングへの応用が期待されている。
特許文献１では、テラヘルツ波を用いた物体内部の可視化方法に関する技術を開示している。特許文献１によれば、パルス状のテラヘルツ波を物体の一点に照射し、物体を透過したテラヘルツ波を検出し、かつ物体を移動させることで、物体の透視画像が得られる。
また、手荷物や所持品以外に、封書などの検査方法も提案されている。特許文献２には、封書に同封されている麻薬などの禁止薬物を検査する方法が開示されている。麻薬などの禁止薬物がテラヘルツ帯に有する特徴的な吸収スペクトルなどを利用し、封書等を開封せずに内部の物質を同定すると言う方法である。
特登録０３３８７７２１号公報 特開２００４−２８６７１６号公報
テラヘルツ波を用いた物体内部の可視化を人に適用した場合に、被服を通して皮膚表面で反射・散乱されたテラヘルツ波を検出して画像化することになるので、プライバシー侵害の懸念がある。
何も描かれていない紙と、紙の上に鉛筆やインクで文字などが描かれた部分では、テラヘルツ波に対する透過率が異なる。このため、テラヘルツ波によって封書などを開封せずに麻薬等を検査する方法を用いた場合、封書内の手紙の文字が読めてしまう場合もあり、これもまたプライバシーの侵害や、あるいは検閲へとつながる恐れがある。
このように、テラヘルツ波を用いるイメージングには、可視化する必要のある部分が可視化されると同時に、可視化すると不都合な部分まで可視化されてしまうという課題がある。そこで、本発明ではイメージングを行う際に、可視化する必要のある部分のみを可視化し、可視化すると不都合な部分は可視化しないイメージング方法およびイメージング装置を提供する。
本発明に係るイメージング方法は、テラヘルツ波を用いてイメージングするための方法であって、検査対象を透過または反射したテラヘルツ波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する工程と、前記検査対象を透過あるいは反射した前記テラヘルツ波の中心波長と異なる中心波長を持つ電磁波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する工程と、前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を光学的に除去あるいは電気的な演算処理により減算する演算工程と、を含むことを特徴とする。
また別の本発明に係るイメージング方法は、テラヘルツ波を用いてイメージングするための方法であって、テラヘルツ波を発生させる工程と、前記発生させる工程にて発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて得る、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する工程と、前記第１のフーリエ変換像の空間周波数フィルタとして用いる周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する工程と、
前記第１のフーリエ変換像と前記第２のフーリエ変換像とを演算する演算工程と、を含み
前記演算工程は、予め保存している性別、年齢、国籍ごとの平均的人物の体形から、検査対象に対応する体形の像を読み出す工程と、前記検査対象に対応する体形の像をフーリエ変換する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本願発明に係るイメージング装置は、テラヘルツ波を用いてイメージングするための装置であって、検査対象を透過または反射したテラヘルツ波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する手段と、前記検査対象を透過あるいは反射した前記テラヘルツ波の中心波長と異なる中心波長を持つ電磁波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する手段と、前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を光学的に除去あるいは電気的な演算処理により減算する手段と、を有することを特徴とする。
また、別の本発明に係るイメージング装置は、テラヘルツ波を用いてイメージングするための装置であって、テラヘルツ波を発生させる手段と、前記発生させる手段にて発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて得る、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する手段と、前記第１のフーリエ変換像の空間周波数フィルタとして用いる周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する手段と、前記第１のフーリエ変換像と前記第２のフーリエ変換像とを演算する演算手段と、を有し、前記演算手段は、予め保存している性別、年齢、国籍ごとの平均的人物の体形から、検査対象に対応する体形の像を読み出す手段と、前記検査対象に対応する体形の像をフーリエ変換する手段と、を有することを特徴とする。
本発明により、イメージングを行う際に、必要のある部分だけを可視化し、可視化すると不都合な部分は可視化しないことが可能になり、手荷物や所持品、封書などの検査において、プライバシーや通信の秘密を保護することができる。
本実施形態に係るテラヘルツ波を用いてイメージングするための方法は、以下の工程を有する。すなわち、
（ａ）テラヘルツ波を発生させる工程
（ｂ）前記発生させる工程で発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて得た、前記検査対象の第１のフーリエ変換像を取得する工程
（ｃ）前記第１のフーリエ変換像の空間周波数フィルタとして用いる第２のフーリエ変換像を取得する工程
（ｄ）前記第１のフーリエ変換像と前記第２のフーリエ変換像を演算する工程
なお、本明細書において、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の一部を含む電磁波をテラヘルツ波と呼ぶ。テラヘルツ波は、物質を透過する性質を有し、特に無極性分子で構成される物質に対する透過率が高いことを特徴とする。また、テラヘルツ波の周波数帯域は、物質固有のスペクトルが現れる周波数帯域でもある。
以下に、（ａ）から（ｄ）の工程について、詳述する。
（ａ）テラヘルツ波を発生する工程
テラヘルツ波を発生させるものとして、ガンダイオードや量子カスケードレーザなどが上げられる。
また、光伝導素子にレーザ光を照射することにより、テラヘルツ波を発生させることができる。このとき、上記レーザ光がパルス状である場合、テラヘルツの周波数帯域を含むパルス波が発生する。また、周波数の異なる２つのレーザ光を合成した光を光伝導素子に照射する場合、テラヘルツの周波数帯域を含む連続波が発生する。ここで、前記合成した光は、２つのレーザ光が有する周波数の差に相当する周波数を有する波となる。レーザ光の周波数を異ならせるには、周波数シフタなどを用いる。
ここで、本発明はこれらに限るものではない。なお、上記については、実施例で詳述する。
（ｂ）第１のフーリエ変換像を取得
テラヘルツ波を発生させる工程の後に、前記発生させたテラヘルツ波をコリメートする工程を含むことが好ましい。これにより、精度良く前記第１のフーリエ変換像を光学的に取得することができる。前記発生させたテラヘルツ波を平行光線にコリメートするには、テフロン（登録商標）やポリエチレン等の樹脂で作成したレンズを用いることができる。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記については、後述する実施例１で詳述する。
また、前記第１のフーリエ変換像を取得する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。まず、前記にて発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて前記検査対象の実像を光学的に取得する工程である。そして、前記実像を電気的な演算処理によりフーリエ変換する工程である。これにより、前記第１のフーリエ変換像を電気的に取得することができる。なお、上記については、後述する実施例５で詳述する。
（ｃ）第２のフーリエ変換像を取得
前記第２のフーリエ変換像を取得する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。まず、可視光により検査対象の実像を取得する工程である。また、前記実像を２値化した像を取得する工程である。そして、前記２値化した像を電気的な演算処理によりフーリエ変換する工程である。これにより、前記第２のフーリエ変換像を電気的に取得することができる。なお、上記については、後述する実施例１で詳述する。
また、前記第２のフーリエ変換像を取得する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。まず、前記第１のフーリエ変換像を取得するために発生させた第１のテラヘルツ波とは中心周波数が異なる第２のテラヘルツ波を発生させる工程である。そして、前記第２のテラヘルツ波が検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波のフーリエ変換像を光学的に取得する工程である。これにより、複数の物質が混ざっているものから、ある周波数に特定の指紋スペクトルを有する物質を容易に抽出することができる。なお、上記については、後述する実施例２で詳述する。
さらに、前記第２のフーリエ変換像を取得する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。まず、予め保存している性別、年齢、国籍ごとの平均的人物の体形から、検査対象に対応する体形を読み出す工程である。前記検査対象に対応する体形をフーリエ変換する工程である。これにより、新たに検査対象から像を取得しなくても、前記第２のフーリエ変換像を取得することができる。
（ｄ）演算する工程
前記演算する工程は、前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を演算することが好ましい。特に減算することが好ましい。規格化して減算したり、適当な重み付けをして減算したりしても良い。光学的に演算しても良い。これについては、後述する実施例３で詳述する。
また、前記演算する工程は、前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を電気的な演算処理により減算することが好ましい。これについては、後述する実施例で詳述する。
（その他）
なお、本実施形態に係るイメージング方法は、前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を演算する工程により取得される像の逆フーリエ変換像を取得する工程を更に含むことが好ましい。
以下に、上記実施形態に係るテラヘルツ波を用いたイメージング方法の実施例を詳述する。
（実施例１：可視光像の２値化のフーリエ変換像で空間周波数フィルタ）
実施例１に係るイメージング方法及び装置について図面を用いて説明する。図１は実施例１によるイメージング方法のシステムを模式図で表したものである。
コヒーレントなテラヘルツ波を発生させる光源１１から出射したテラヘルツ波は、テラヘルツ波照射光学系１２を介して平行光線にコリメートされ、検査対象１３に照射される。検査対象１３で反射・散乱・回折されたテラヘルツ波（透過電磁波及び反射電磁波のうち少なくとも一種のテラヘルツ波）は、フーリエ変換光学系１４を通じてフーリエ変換面１４ａ上にフーリエ変換像を形成する。フーリエ変換光学系１４は一つ以上のレンズ又はミラー及びそれらを組み合わせたもので構成される。以後、フーリエ変換光学系１４の具体的構成には主にレンズを例示して述べるが、同様の機能を持つミラーを用いても良い。フーリエ変換面１４ａに検出器１５を設置し、検査対象１３のテラヘルツ波フーリエ変換像を撮影・取得する。
取得されたフーリエ変換像は、検査対象１３の空間的フーリエ変換像である。像の中心付近に低周波の空間周波数成分が分布し、像の周縁部に高周波の空間周波数成分が分布する。取得されたフーリエ変換像は、電子的情報としてコンピュータ１６に送られ、空間周波数フィルタリング演算工程として電子的に空間周波数フィルタリング処理される。フィルタリング処理の内容は、検査対象によって異なる。代表的な検査対象に対する具体的なフィルタリング処理方法は後述する。
フィルタリング処理された画像情報は、そのまま表示部へ送られ、検査者が見られるようディスプレイ上に写される。また、フィルタリング処理された画像情報をそのまま表示しても検査者が判断困難な場合は、前記コンピュータ１６にて画像情報を電子的に逆フーリエ変換演算し、それを表示部で表示しても良い。また、空間周波数フィルタリング処理された情報及び逆フーリエ変換演算された情報を、データベースと照合し、検査対象１３内部に存在する物体の形状や物質などを同定し、検査者が危険物体などを発見するのを補助する。
テラヘルツ光源１１やテラヘルツ検出器１５、また空間周波数フィルタリング演算工程における演算内容は、検査対象や目的に応じて最適なものを選択する。そこで検査対象１３として人物を想定し、その人物がセラミック等非金属製刃物を所持しているかもしれない場合を想定して更に具体的に説明する。
テラヘルツの光源１１には、０．１ＴＨｚ程度の周波数の電磁波を発生する、Ｇｕｎｎダイオードを用いる。光源１１から出射したテラヘルツ波は、テラヘルツ波照射光学系１２で直径３０ｃｍ程度の平行ビームにコリメートされる。テラヘルツ波照射光学系１２には、テフロン（登録商標）やポリエチレンなどの樹脂で作製したレンズを用いても良いし、ミラーを用いても良い。あるいは、Ｇｕｎｎダイオードをアレイ化し、各ダイオードの位相をそろえてテラヘルツ波を発生させることで、直接コリメートされたコヒーレントなテラヘルツ波を発生させるフェーズドアレイ方式を用いても良い。
コリメートされたテラヘルツ波は検査対象１３に照射される。コリメートされたテラヘルツ波の直径は３０ｃｍ程度であり、検査対象１３の全身を照射することは出来ないので、検査対象１３の一部分を照射する。テラヘルツ波は検査対象１３の被服を透過し、被服内部の皮膚等で反射・散乱される。反射・散乱されたテラヘルツ波は、フーリエ変換光学系１４を経て、検査対象１３の被服内部の空間的フーリエ変換像をフーリエ変換面１４ａに結像する。
テラヘルツ波の検出器１５にショットキーダイオードと受信アンテナをアレイ化した検出素子などを用いる。一例として、一素子３×３ｍｍの検出素子を６４×６４にアレイ化した、一辺が２０ｃｍ程度のアレイアンテナ型検出器が挙げられる。このアレイアンテナ型検出器で空間周波数０．２ｍｍ−１（空間分解能５ｍｍ）程度までを含むテラヘルツフーリエ変換像を得るために必要な、フーリエ変換光学系１４について述べる。
空間周波数をｕ（単位：ｍｍ−１）、フーリエ変換光学系の焦点距離をｆ（単位：ｍｍ）、テラヘルツ波の波長λ（単位：ｍｍ）とし、フーリエ変換面における光軸からの距離（像の高さに相当）をｙ（単位：ｍｍ）とする。これら値の間には、以下の関係式が成り立つことが知られている。
ｕ＝ｙ／（λｆ）
今、ｕ＝０．２（すなわち空間分解能が５ｍｍ程度）、ｙ＝１００（アレイアンテナ型検出器の中心から周縁部までの距離）、λ＝３とすると、フーリエ変換光学系１４に必要な焦点距離は１６７ｍｍとなる。フーリエ変換光学系１４を一枚の単レンズで構成するのであれば、レンズの前側焦点に検査対象１３を配置し、レンズの後側焦点に検出器１５を配置するいわゆるｆ−ｆ配置をすることでフーリエ変換像が得られる。検査対象に人を想定した場合、検査対象に圧迫感を与えたり、場合によっては凹凸のある検査対象１３と衝突したりする場合もある。また、装置構成によってはテラヘルツ波照射光学系１２と干渉する場合もある。
上記の問題が生じないよう、レンズの焦点距離をより長く、例えば５０ｃｍ（５００ｍｍ）とした場合について述べる。同一の大きさのアレイアンテナである検出器１５を用いるのであれば、ｕ＝ｙ／（λｆ）の式より、空間周波数は約６．７×１０−３ｍｍ−３、つまり空間分解能にして１５０ｍｍ程度となる。空間周波数０．２に相当する部分は、光軸から約３０ｃｍ離れた位置に現れる。この領域に渡って検出器１５をそれだけ広くスキャンすれば十分高い空間周波数成分まで取得することが出来る。また以下に、より短時間にフーリエ変換像取得を行うための手法について述べる。
検査対象１３とフーリエ変換光学系１４との距離を保ち、かつ検出器１５の大きさに実用上充分な空間周波数まで含まれるサイズのフーリエ変換像を形成させるために、フーリエ変換光学系１４は複数のレンズ群を組み合わせた構造にする。
そしてその複数のレンズ群の最前面（最も検査対象１３に近い光学面）と検査対象１３までの距離の方が、レンズ群最後面（最も検出器１５に近い光学面）から検出器１５までの距離より長くなる組み合わせの光学系にする。なお、レンズでなくミラーを用いても良い。また、複数のレンズ群の最前面（最も検査対象１３に近い光学面）と検査対象１３までの距離をフロントフォーカスという。また、レンズ群最後面（最も検出器１５に近い光学面）から検出器１５までの距離をバックフォーカスという。
例えば、焦点距離５０ｃｍ程度の凸レンズを第１レンズとして検査対象１３から１００ｃｍ離れた距離に配置する。そして、焦点距離１５ｃｍ程度の凸レンズを第２レンズとして第一レンズから１１５ｃｍ離れた位置に配置し、テラヘルツ検出器１５を第２レンズから１５ｃｍ離れた位置に配置する。第１レンズと第２レンズの２枚を持ってテラヘルツフーリエ変換光学系１４とすることもできる。これは、第１レンズを検査対象１３の像をリレーするリレーレンズとして用いている。
例として、検査対象１３を人物とし、その腕の部分にテラヘルツ波を照射した場合を考える。図２の（ａ）は、仮にテラヘルツ波を用いて長袖を着た人物の腕の実像を観察した場合の模式図である。これは、図１の像面１４ｂに検出器１５を設置した場合に相当する。半透明に映る衣服２１ａを通して、腕２２ａが見える。図２の（ｂ）は、同じく長袖を着た人物の腕の実像を仮にテラヘルツ波を用いて観察した模式図である。腕に非金属製折りたたみカッターナイフをゴムバンド２３で巻いて袖に下に隠している状況を模している。図では、腕２２ｂに巻いたゴムバンド２３が白で表されている（簡単のため折りたたみカッターナイフは描かない）。
図２の（ｃ）は、人物の腕（ナイフ・ゴムバンド所持せず）を図１のテラヘルツ光学系で観察して得られるフーリエ変換像（１４ａに検出器１５を設置）である。図２の（ｄ）は、人物の腕（ナイフ・ゴムバンドを所持）を図１のテラヘルツ光学系で観察して得られるフーリエ変換像（１４ａに検出器１５を設置）である。皮膚とゴムバンドではテラヘルツ波の反射率が異なる。ここでは、ゴムバンドの方が皮膚より反射率が高いと仮定する。光学的に得られるフーリエ変換像では、像の中心に直流成分（画像上で全面に渡り均一な成分）が現れ、像の周縁部ほど空間周波数の高周波成分が現れる。図２の（ｃ）と（ｄ）では、（ｄ）の像の方がより広がっているが、これはゴムバンドが腕より小さい（すなわち高空間周波数である）ことによる。中心付近の像は腕のフーリエ変換像であり、広がっている像はゴムバンドのフーリエ変換像である。
得られたフーリエ変換像は、図１のブロック図「空間周波数フィルタリング工程」で処理される。空間周波数フィルタリング工程でいかなるフィルタを用いるかは、検査対象や目的に応じて適切に選択する必要がある。本実施例では、検査対象１３の可視光像（可視光線による像）を撮像する可視光用カメラ１７を用いて、以下に述べる方法でフィルタリングを行う。可視光用カメラ１７は、市販のデジタルカメラなどを用いても良い。
図３の（ａ）は、検査対象１３である前記人物の腕を、可視光用カメラ１７で撮像し、２値化したものを模式的に現した図である。可視像であるため衣服の内側は見えない。背景を黒とし、衣服を白とした。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）をコンピュータを用いてフーリエ変換して得た像である。２値化とフーリエ変換する一連の作業は、図１の空間周波数フィルタ取得工程に相当する。この図３の（ｂ）を、空間周波数フィルタとして用い、テラヘルツフーリエ変換像である図２の（ｃ）及び（ｄ）と差分を取る。
図４の（ａ）は、ナイフを所持しない腕のテラヘルツフーリエ変換像（図２（ｃ））から、可視像のフーリエ変換像（図３（ｂ））を減算処理した図である。図４の（ｂ）は、ナイフを所持した腕のテラヘルツフーリエ変換像（図２（ｄ））から、可視像のフーリエ変換像（図３（ｂ））を減算処理した図である。図４の（ａ）（ナイフ・ゴムバンドを所持しない腕）は、中心付近に僅かに象が残るのみであるが、一方図４の（ｂ）（ナイフ・ゴムバンドを所持する腕）は、横長の像が残る。
こうして得られた空間周波数フィルタ処理された図（図４の（ａ）又は（ｂ））を、図１の表示部に表示する。表示部には、市販の液晶ディスプレイなどを用いればよい。検査者は空間周波数フィルタ処理され、表示された像から、検査対象１３の内部（この場合衣服内部）に何かを隠し持っているかどうかを判断する。衣服内部に何も隠し持っていなければ、表示された像は図４の（ａ）のようにほぼ何も映らないが、衣服内部に腕より小さいものを隠し持っていれば、図４の（ｂ）のように何らかの像が写る。空間周波数領域で現された図４（ａ）、（ｂ）のような図では、人物の身体的特徴を掴むのはにわかには困難であるため、プライバシーの侵害にはあたらないが、一方で衣服内部に物体を所持しているかどうかは的確に判断できる。
検査者の推測・判断を支援するために、特定を行う物品に関するテラヘルツ波によるフーリエ変換画像のデータを予め収集してデータベース化しておき、データベースを用いてテンプレートマッチング処理などを行うことが好ましい。検査対象の内部にある物品の形状または構成物質を高精度に同定することができる。データベースを更新することによって新たな物品の識別への対応も容易にできる。
また、図４（ａ）、（ｂ）のような空間周波数フィルタ処理された像を、コンピュータを用いて逆フーリエ変換しても良い。図１のブロック図における「逆フーリエ変換演算工程」がそれにあたる。図４（ａ）、（ｂ）を逆フーリエ変換した像は、それぞれ図４の（ｃ）と（ｄ）である。ナイフ・ゴムバンドを所持しない腕の逆フーリエ変換像である図４の（ｃ）では、ほぼ何も映っていないのに対し、ナイフ・ゴムバンドを所持する腕の逆フーリエ変換像である図４の（ｄ）には、ゴムバンドの実像４１が現れる。ここで注意すべきは、検査対象０３の腕は図４の（ｄ）には現れていないことである。可視像とのフィルタリング処理により、検査対象１３の腕は除去されたからである。これにより、検査者が図４の（ｄ）を見ても検査対象１３の身体的特徴を掴むことは出来ず、プライバシーの侵害にはあたらない。一方で衣服内部に物体を所持しているかどうかは的確に判断できる。
ここでも、逆フーリエ変換像に関してコンピュータによるデータベースとのテンプレートマッチング処理などで、検査者の推測・判断を支援する工程を行っても良い。こうして、検査対象の内部にある物品の形状または構成物質を高精度に同定することができる。
本実施例では、検査対象が人物の場合を想定した。人物の身体と衣服は、大きさがそれほど違わない。一方で人物が何かを衣服内部に隠し持つ場合は、当然隠し持つ物体は身体や衣服よりもサイズが小さい。そこで可視光の像をフーリエ変換した像を空間周波数フィルタとして用いることで、人物の身体を打ち消すことに特徴がある。
なお、本実施例では空間周波数フィルタとして可視光の像を用いたが、他の方法もある。例えば、検査対象１３の性別・人種や年齢などから、人物の平均的人物の体格を予めデータベースに保管しておき、人物の平均的体格のフーリエ変換像をフィルタとして用いることもできる。
なお、本実施例では光源としてＧｕｎｎダイオードを用いた場合で述べたが、コヒーレントな光源であればこれに限ることはない。例えば、ＢＷＯ（Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｗａｖｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：後進波発振器）やＱＣＬ（Ｑｕａｎｔｕｍ ＣａｓｃａｄｅＬａｓｅｒ：量子カスケードレーザ）、テラヘルツパラメトリック発振器などを用いても良い。また、検出器にもショットキーダイオードアレイに限らず、マイクロボロメータアレイ等を用いても良い。検出器は検査時間短縮のためにはアレイ検出器を用いるのが望ましいが、点検出器をテラヘルツフーリエ変換像上でスキャンしても良い。なお、前記検出器が前記フーリエ変換像に対する前記空間周波数フィルタリングを兼ねるように構成してもよい。
本実施例では検査対象１３の腕の部分だけを検査した例を示したが、当然腕を調べた後は胴体や足など他の部分も順次調べていくことで、検査対象１３の全身を検査することができる。上述の説明では、コリメートされたテラヘルツ波の直径を３０ｃｍとした。
但し、充分な強度のテラヘルツ波を発生させ、かつ直径の大きいレンズ・ミラー等の光学系を用いれば、直径２ｍ程度にテラヘルツ波をコリメートし、検査対象０３の全身のテラヘルツフーリエ変換像を得ても良い。そうすることで、全身の検査を一度に行うことができる。
（実施例２：第２の電磁波のフーリエ変換像で空間周波数フィルタ）
実施例２は、検査対象が麻薬や爆発物など特定の物質を所持しているかどうかを検査する方法である。よく知られているように、麻薬や爆発物はテラヘルツ波帯に特徴的な吸収スペクトルを有しており、指紋スペクトルと呼ばれる。従来技術である散乱Ｘ線を用いた透視では、検査対象が非金属の何かを有していることは分かっても、それがただのプラスチックかそれともプラスチック爆弾かを見極めるのは困難である。一方、テラヘルツ波を用いれば、指紋スペクトルを分析することでプラスチックかプラスチック爆弾かを見極めることはできる。
例えばプラスチック爆弾の主な成分であるＲＤＸ（ｈｅｘａｈｙｄｒｏ−１，３，５−ｔｒｉｎｉｔｒｏ−１，３，５−ｔｒｉａｚｉｎｅ）は、図５に示すように０．８ＴＨｚ付近に吸収スペクトルを持つ。
なお、図５は、Ｈａｉ−Ｂｏ ＬｉｕらのＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．１４，ｐ．４１５（２００６）のＦｉｇ．３（ｃ）より引用した。同文献のタイトルは、“Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ＲＤＸ ｂｙ ＴＨｚ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”である。
ここでは、吸収スペクトルのピークである０．８ＴＨｚと、吸収スペクトルの裾野である１．０ＴＨｚでは、０．８ＴＨｚの方が約２倍の大きい吸収率を持ち、反射率も０．８ＴＨｚのほうが２倍近く大きい。
そこで図６のように、テラヘルツ波の光源６１ａ、６１ｂに２つの異なる中心周波数のテラヘルツ波を発生させる素子を用いる。これは例えば互いに異なる発振波長を有するＱＣＬを二つ並べたものを用いる。または波長可変光源であるテラヘルツ波パラメトリック発振器を用いてもよい。あるいは、波長切り替え可能なテラヘルツ帯ガスレーザでも良い。
まず、検出したい物質であるＲＤＸに対して反射率が高い０．８ＴＨｚのテラヘルツ波（第１の電磁波６１、あるいは第１のテラヘルツ波）光源６１ａから検査対象６３に照射し、テラヘルツ波フーリエ変換像を得る。検査対象６３は実施例１と同様長袖を着用しており、ＲＤＸ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； トリメチレントリニトロアミン）を主成分とする爆薬を腕に巻いているとする。実施例１と同様にテラヘルツ波照射光学系６２を用いてテラヘルツ波をコリメートして検査対象６３の腕に照射し、フーリエ変換光学系６４を経てテラヘルツ波検出器６５を用いてフーリエ変換像は得られる。図８の（ａ）が、０．８ＴＨｚのテラヘルツ波を用いて、仮に検出器６５を６４ｂの位置に設置した場合に得られる、実像である。プラスチック爆弾８３ａが白く映っている。図８の（ｃ）が、検出器６５を６４ａのフーリエ変換面に設置して得られたフーリエ変換像である。
次いで、光源を光源６１ｂ切り替え、１．０ＴＨｚのテラヘルツ波（第２の電磁波、あるいは第２のテラヘルツ波）を用いて同様にフーリエ変換像を得る。図８の（ｂ）が、１．０ＴＨｚのテラヘルツ波を用いて、仮に検出器６５を６４ｂの位置に設置した場合に得られる、実像である。プラスチック爆弾８３ｂが白く映っているが、８３ａよりは薄く映っている。図８の（ｄ）が、検出器６５を６４ａのフーリエ変換面に設置して得られたフーリエ変換像である。
フーリエ変換光学系６４について述べる。検出器６５の中心から周縁部までの大きさを１０ｍｍ、波長を０．３ｍｍとし、空間周波数２ｍｍ−１（空間分解能０．５ｍｍ）までが検出できるようなフーリエ変換のためのレンズ焦点距離は、１６．７ｍｍである。空間周波数０．２ｍｍ−１（空間分解能５ｍｍ）までが検出できるためのレンズ焦点距離は、１６７ｍｍである。よってやはりこの場合も焦点距離が長いリレーレンズと組み合わせて、フロントフォーカスをバックフォーカスより長く設定した複数のレンズ群で構成したフーリエ変換光学系を用いるのが望ましい。
また焦点距離を固定しておくと、０．８ＴＨｚと１．０ＴＨｚでは、フーリエ変換像の大きさが異なる。例えば、空間周波数０．２ｍｍ−１（空間分解能５ｍｍ）までが検出できるようなフーリエ変換のためのレンズ焦点距離は、１ＴＨｚでは１６７ｍｍである。また、０．８ＴＨｚでは１３３ｍｍである。そこで、焦点距離を変えるための機構を設けて焦点距離を可変にし、０．８ＴＨｚと１．０ＴＨｚでフーリエ変換像の大きさが等しくなるような構造のフーリエ変換光学系６４を用いる。例えばフーリエ変換光学系を一つの凸レンズと一つの凹レンズの組み合わせとし、両レンズ間距離を調整することで焦点距離可変なフーリエ変換光学系とする。
例えば図７に示すように、検査対象から１００ｃｍ離れた位置に焦点距離５０ｃｍの凸レンズを配置し、これをリレーレンズ７１とする。リレーレンズ７１から１００ｃｍ離れた位置に焦点距離６０ｍｍの凸レンズ７２を配置し、凸レンズ７２から２８ｍｍ離れた位置に焦点距離５０ｍｍの凹レンズ７３を配置する。凸レンズ７２と凹レンズ７３が組み合わさることで、焦点距離１６６．７ｍｍのフーリエ変換レンズとして作用する。この組み合わせのときに、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ波を用いてフーリエ変換像を得る。
次いで、凸レンズ７２と凹レンズ７３の間の距離を３２．５ｍｍに変更する。レンズ間距離を変更することで、焦点距離１３３．３ｍｍのフーリエ変換レンズとして作用し、周波数０．８ＴＨｚのテラヘルツ波を用いてフーリエ変換像を得る。焦点距離を帰ることで、テラヘルツ波の周波数を変更しても、検出器上でフーリエ変換像の大きさを一定に保つことができる。
焦点距離を変える機構として本実施例では、フーリエ変換レンズを二つのレンズを機械的に移動する機構を用いて相対的にレンズどうしの距離を変える機構を採用した。レンズどうしの距離を変える機構としては、レンズをレンズホルダー７４（ａ）、（ｂ）に保持し、レンズホルダー７４（ａ）、（ｂ）を光学レール７５に保持し、スライドさせる。図では、各部の特徴を明瞭に記すため、必ずしも実際の寸法の比とは一致しない。
またフーリエ変換光学系６４と検査対象６３の相対的距離を光軸方向及び光軸と垂直な方向で変化させる機構を有しているとなおよい。例えば、フーリエ変換光学系を車輪付き三脚に設置しても良い。焦点距離可変機構とフーリエ変換光学系６４と検査対象６３の相対的距離を光軸方向及び光軸と垂直な方向で変化させる機構の両方を有する態様も好ましい。
本実施例では、１．０ＴＨｚのテラヘルツ波で得られたフーリエ変換像を空間周波数フィルタとする。すなわち、１．０ＴＨｚのテラヘルツ波で得られたフーリエ変換像を、図６における空間周波数フィルタ取得工程に送る。
０．８ＴＨｚのテラヘルツ波で得られたフーリエ変換像は、図６の空間周波数フィルタ演算工程にて前記１．０ＴＨｚのテラヘルツ波で得られたフーリエ変換像と減算処理される。減算処理された結果が、図８の（ｅ）である。また図８の（ｅ）を逆フーリエ変換演算工程で逆変換したものが、図８の（ｆ）である。プラスチック爆弾８４が映っているのが分かる。図８の（ｅ）又は（ｆ）は表示部にて検査者に表示される。検査対象６３がＲＤＸを有しているか否かの判断を支援するために、データベースが有する情報と照らし合わせることもできる。
皮膚や衣服のテラヘルツ波に対する反射率は、０．８ＴＨｚと１．０ＴＨｚのように比較的接近した周波数においては大きな違いはない。検査対象６３が有する物質が、単なるプラスチックで出来ている場合、０．８ＴＨｚと１．０ＴＨｚで反射率に大きな違いは無いため、得られる２つのフーリエ変換像はほぼ同じ物となる。このため、減算処理をすると互いに打ち消しあって全面でほぼ値がゼロの真っ暗な像となる。一方、検査対象６３が有する物質が０．８ＴＨｚと１．０ＴＨｚで反射率が大きく異なるＲＤＸのような物質を持っている場合には、図８の（ｄ）のように反射率が異なる物体だけが実像として得られる。
また、更に多くの周波数のテラヘルツ波を用いて、より正確に物質の同定を行うこともできる。例えば３つ又は４つの異なる周波数のテラヘルツ波（第３の電磁波、第４の電磁波）を用いることで、正確さが向上する。
即ち、ＲＤＸ以外にもたまたま０．８ＴＨｚ近傍に吸収ピークを有する物質が存在するかもしれない。但し、１．３５ＴＨｚや１．５ＴＨｚとその近傍の周波数で同様の工程を行い、両方の周波数においても像が得られた場合、検査対象がＲＤＸを有している可能性が極めて高くなる。一方で０．８ＴＨｚの場合にのみ像が得られた場合は、たまたま０．８ＴＨｚに吸収ピークを有する別の物質である可能性が高い。こうした物質の同定は、コンピュータ６６における「形状・物質同定工程」にて行う。
本実施例でも、検査対象の衣服内部の実像を可視化せずに、検知したい物質のみを抽出して可視化できるため、プライバシーの侵害にならない。また本実施例では、プラスチック爆弾など指紋スペクトルに基づく特定の物質だけを抽出して可視化できるため、検査としての効果がより高い。
（実施例３：透過型）
実施例３を、図９を用いて説明する。
検査対象９３として、麻薬や爆薬が同封されているかもしれない封書を想定する。テラヘルツ波の光源９１（例えば３．０ＴＨｚのガスレーザ）から出射したテラヘルツ波を、照明光学系９２で平行光にコリメートする。コリメートされたテラヘルツ波は、検査対象９３に照射される。散乱・透過したテラヘルツ波はフーリエ変換光学系９４を経て検出器９５にて検査対象９３のフーリエ変換像を結ぶ。
封書中の手紙に鉛筆やトナー、インクで描かれた文字部分で散乱されたテラヘルツ波は、高空間周波数成分として得られたフーリエ変換像の周縁部分に回折される。一方封書内に仕込まれた麻薬や爆薬は、文字などに比べれば大きいサイズであるが、封書全体よりは小さいサイズであることが予想さる。その場合、中程度の空間周波数成分としてフーリエ変換像の中心からやや離れた付近に現れる。封書全体の回折像は、フーリエ変換像の中心に現れる。そこで、空間周波数フィルタ９６を用いて光学的に高空間周波数成分と低空間周波数成分を除去する。空間周波数フィルタ９６には、輪状の金属板９８などを用いる。これは、いわゆるバンドパスフィルタである。あるいは、検出器９５に単一素子の検出器を用い、中空間周波数成分が回折する部分にのみ検出器を配置した輪状の検出器アレイ９９を用いても良い。これは、空間周波数フィルタと検出器が一体化した一つの形態と言える。
光学的に空間周波数フィルタリング処理され、検出器９５で検出されたテラヘルツフーリエ変換像は、コンピュータ９７を通じてそのまま表示部で検査者に対して表示される。または、あるいはコンピュータを用いて逆フーリエ変換し（逆フーリエ変換演算工程）、その後表示部で検査者に対して表示される。
あるいは、逆フーリエ変換演算工程での逆フーリエ変換を、コンピュータで行わずに光学的に行ってもよい。すなわち、図１０のように逆フーリエ変換光学系１０７を用いても良い。
（実施例４：差周波を有する連続波を発生）
実施例４を、図１１を用いて説明する。
半導体レーザ１１１ａ及び１１１ｂから出射したレーザ光は、光ファイバー１１２ａ及び１１２ｂを通って結合器１１３にて合波される。合波されたレーザ光は光ファイバー１１４を通って光伝導素子１１５に入射される。ここで光伝導素子１１５は、テラヘルツ波の発生に一般的に用いられる、低温成長ガリウムヒ素などの化合物半導体上に一対の電極を有する素子であり、電極対は典型的には５μｍの間隙を有して対向している。レーザ光を間隙に照射し、電極対に１０Ｖ程度の電圧を照射することで、２つの半導体レーザ１１１ａ及び１１１ｂのレーザ光の周波数差に相当するテラヘルツ波が発生する。例えば、１１１ａから出射するレーザ光を７８０ｎｍ、１１１ｂから出射するレーザ光を７７８ｎｍとすると、１ＴＨｚの周波数のテラヘルツ波が光伝導素子１１５から発生する。この方法は、いわゆる差周波発生法、またはビート法などと呼ばれている。
差周波発生法で発生したテラヘルツ波は、コヒーレントな連続光であることが特徴である。また、半導体レーザの一方（例えば１１１ａ）を外部共振器付波長可変レーザとすることで、発生するテラヘルツ波の周波数を変更することが出来る。
発生したテラヘルツ波１１６は、レンズ１１７を用いてコリメートされ、検査対象へ照射される。検査対象へ照射した後は、例えば実施例１と同様の方法でフーリエ変換像を得る。
本実施例の方法では、テラヘルツ波の周波数を連続的に可変できるため、それぞれ異なる吸収スペクトルを有する様々な物質の検知に有効である。
（実施例５：電気光学サンプリング法）
実施例５を、図１２を用いて説明する。
再生増幅モードロックチタンサファイアレーザ１２１０から出射したレーザ光はビームスプリッターにて二つに分けられ、一方は光伝導素子１２０２に入射する。光伝導素子から発生したパルス状テラヘルツ波は、レンズ１２０３にてコリメートされた後に検査対象１２０４を照射する。検査対象１２０４にて散乱されたテラヘルツ波は、レンズ１２０５及び１２１０を経て、厚さ２ｍｍ程度のＺｎＴｅ結晶１２１１上にフーリエ変換像を形成する。一方ビームスプリッターにて分けられたもう一方のレーザ光は、時間遅延器１２０６を経てレンズ１２０７、偏光子１２０８を通り、ペリクル１２０９でテラヘルツ波と合流する。レンズ１２１０を経てＺｎＴｅ結晶１２１１を透過したレーザ光は、テラヘルツ波による電気光学効果により、一部が楕円偏光となる。検光子１２１２を経ることでレーザ光の強弱はテラヘルツ波の強弱を反映したものとなる。レーザ光の強弱をＣＣＤカメラ１２１３にて撮影することで、テラヘルツ波の２Ｄ像を得ることができる。この方法は、いわゆる電気光学サンプリング法（またはＥＯサンプリング法）と呼ばれる方法である。
ＥＯサンプリング法を用いて、検査対象１２０４のフーリエ変換像を光学的に取得する。ＥＯサンプリング法で用いるテラヘルツ波はパルス状であり、典型的には０．３〜３．０ＴＨｚ程度の周波数を含む広帯域なテラヘルツ波である。時間遅延器１２０６を用いることでテラヘルツ波の時間波形を得ることができ、それを周波数領域へフーリエ変換することで周波数スペクトルを取得できる（空間的フーリエ変換ではない）。このため、ＥＯサンプリング法を用いることで、広い周波数領域に渡るフーリエ変換像を得ることができる。
（実施例６：実像を電気的な演算処理により空間的フーリエ変換を行う）
また、図１３のようにＺｎＴｅ結晶１３１を、検査対象１３２からの散乱テラヘルツ波の実像が得られる箇所に配置することで、ＥＯサンプリング法により検査対象１３２の実像のテラヘルツ像が得られる。これを直接表示部で表示せず、電子的演算処理を用いて空間的フーリエ変換を行ない、その後に空間周波数フィルタリングなどの処理を施した後に、表示部で表示することができる。
この方法では、電子的にフーリエ変換する過程で様々なフィルタ（ハミングフィルタやハニングフィルタなど）を施すことができ、よりノイズを低減させることができるという点で有効である。
イメージング方法と装置の模式図 実像とフーリエ変換像模式図 空間周波数フィルタ模式図 フィルリング処理後模式図 ＲＤＸの吸収・反射スペクトル イメージング方法と装置の模式図 焦点距離可変の模式図 実像とフーリエ変換像、フィルタ処理後の模式図 光学的フィルタを用いた模式図 光学的逆フーリエ変換光学系を用いた模式図 差周波発生方式を用いる場合の模式図 ＥＯサンプリング法を用いる場合の模式図 ＥＯサンプリング法を用いて実像を電子的にフーリエ変換する場合の模式図
符号の説明
１１，６１ａ，６１ｂ，９１，１０１ 光源
１２，６２，９２，１０２ テラヘルツ波照明光学系
１３，６３，９３，１０３、１２０３、１０３ 検査対象
１４，６４，９４，１０４ フーリエ変換光学系
１４ａ，６４ａ フーリエ変換面
１４ｂ，６４ｂ 実像面
１５，６５，９５，１０５ 検出器
１６，６６，９７ コンピュータ
１７ 可視光用カメラ
２１ａ，２１ｂ，８１ａ，８１ｂ 衣服
２２ａ，２２ｂ，８１ａ，８２ｂ 腕
２３，４１ ゴムバンド
８３ａ，８３ｂ，８４ プラスチック爆弾
９６ 空間周波数フィルタ
９８ 金属板空間周波数フィルタ
９９ 輪状配置検出器
１０１ 逆フーリエ変換光学系

Claims (7)

  1. テラヘルツ波を用いてイメージングするための方法であって、
    検査対象を透過または反射したテラヘルツ波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する工程と、
    前記検査対象を透過あるいは反射した前記テラヘルツ波の中心波長と異なる中心波長を持つ電磁波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する工程と、
    前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を光学的に除去あるいは電気的な演算処理により減算する演算工程と、を含む
    ことを特徴とするイメージング方法。
  2. 前記第２のフーリエ変換像を取得する工程は、
    可視光により検査対象の実像を取得する工程と、
    前記実像を２値化した像を取得する工程と、
    前記２値化した像を電気的な演算処理によりフーリエ変換する工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載のイメージング方法。
  3. 前記第２のフーリエ変換像を取得する工程は、
    前記第１のフーリエ変換像を取得するために発生させた第１のテラヘルツ波とは中心周波数が異なる第２のテラヘルツ波を発生させる工程と、
    検査対象を透過あるいは反射した前記第２のテラヘルツ波の周波数空間におけるフーリエ変換像を光学的に取得する工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のイメージング方法。
  4. テラヘルツ波を用いてイメージングするための方法であって、
    テラヘルツ波を発生させる工程と、
    前記発生させる工程にて発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて得る、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する工程と、
    前記第１のフーリエ変換像の空間周波数フィルタとして用いる周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する工程と、
    前記第１のフーリエ変換像と前記第２のフーリエ変換像とを演算する演算工程と、を含み
    前記演算工程は、
    予め保存している性別、年齢、国籍ごとの平均的人物の体形から、検査対象に対応する体形の像を読み出す工程と、
    前記検査対象に対応する体形の像をフーリエ変換する工程と、を含む
    ことを特徴とするイメージング方法。
  5. 前記演算工程により取得される像の実空間における逆フーリエ変換像を取得する工程を含む
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  6. テラヘルツ波を用いてイメージングするための装置であって、
    検査対象を透過または反射したテラヘルツ波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する手段と、
    前記検査対象を透過あるいは反射した前記テラヘルツ波の中心波長と異なる中心波長を持つ電磁波を用いて、前記検査対象の周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する手段と、
    前記第１のフーリエ変換像から前記第２のフーリエ変換像を光学的に除去あるいは電気的な演算処理により減算する手段と、を有する
    ことを特徴とするイメージング装置。
  7. テラヘルツ波を用いてイメージングするための装置であって、
    テラヘルツ波を発生させる手段と、
    前記発生させる手段にて発生し、且つ検査対象を透過あるいは反射したテラヘルツ波を用いて得る、前記検査対象の周波数空間における第１のフーリエ変換像を取得する手段と、
    前記第１のフーリエ変換像の空間周波数フィルタとして用いる周波数空間における第２のフーリエ変換像を取得する手段と、
    前記第１のフーリエ変換像と前記第２のフーリエ変換像とを演算する演算手段と、を有し、
    前記演算手段は、
    予め保存している性別、年齢、国籍ごとの平均的人物の体形から、検査対象に対応する体形の像を読み出す手段と、
    前記検査対象に対応する体形の像をフーリエ変換する手段と、を有する
    ことを特徴とするイメージング装置。
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