JP5747453B2 - Radio wave imaging method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、試料に電波を照射して、試料のイメージングを行なう方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for imaging a sample by irradiating the sample with radio waves.

近年、電波を使って安全に非破壊で、物体の内部を可視化するイメージング技術が、セキュリティ、土木工学、医学など様々な分野で期待されている。
特に、ミリ波は、炎や煙、水蒸気、ベニヤ板、石膏、ボード、壁、窓、カーテン、衣服、プラスチック、紙等の非金属を透過しやすいなど、テラヘルツ波と似た透過特性を有し、空間分解能は、テラヘルツ波とマイクロ波の間の数mmであるので、実用的な様々な物体をイメージングの対象とできる。
In recent years, imaging technology that visualizes the inside of an object safely and non-destructively using radio waves is expected in various fields such as security, civil engineering, and medicine.
In particular, millimeter waves have transmission characteristics similar to terahertz waves, such as being easy to transmit non-metal such as flame, smoke, water vapor, plywood, plaster, board, wall, window, curtain, clothes, plastic, paper, etc. Since the spatial resolution is several millimeters between the terahertz wave and the microwave, various practical objects can be imaged.

物体から放射される電磁波を、ミリ波アンテナや増幅器、ショットキーダイオード検波器等を組み合わせた装置で検出し、画像化する受動型のイメージング装置がある。これによると、例えば、炎の奥にいる人物を映し出すことができる。
また、ミリ波を物体に照射し、その透過波または反射波を検出し画像化する能動型のイメージング装置も実用化されつつある。これによると、例えば、衣服に隠されたナイフを映し出しセキュリティ分野で寄与させられる。
ミリ波はまた、液相の水に敏感であるので、水分量や水溶液の凍結状態などを感度良く識別可能である。これによると、例えば、農作物や食品等の水分モニタリングや、冷凍食品や生体サンプル等の解凍過程観察などへの利用が期待される。
There is a passive imaging device that detects and images an electromagnetic wave radiated from an object with a device combining a millimeter wave antenna, an amplifier, a Schottky diode detector, and the like. According to this, for example, a person in the back of a flame can be projected.
In addition, an active imaging apparatus that irradiates an object with millimeter waves and detects and images the transmitted or reflected waves is also being put into practical use. According to this, for example, a knife hidden in clothes can be projected and contributed to the security field.
Since millimeter waves are also sensitive to liquid phase water, it is possible to identify the amount of water and the frozen state of an aqueous solution with high sensitivity. According to this, it is expected to be used for, for example, water monitoring of agricultural products and foods, and observation of thawing processes of frozen foods and biological samples.

従来のイメージング技術としては、非特許文献1のようなファーフィールドイメージングと、非特許文献2のような近接場イメージングが挙げられる。
ファーフィールドイメージングは、空間伝搬させた電磁波を誘電体レンズ等で集光し、遠くにある試料をイメージすることが可能であるが、電磁波には回折限界があるため分解能は波長サイズが限界であり、電波においては高い分解能が望めない。また、近接場イメージングは、波長以下の表面イメージングが可能であるが、物質の内部など、アンテナから少し離れた位置の試料のイメージングは困難である。
Conventional imaging techniques include far-field imaging as in Non-Patent Document 1 and near-field imaging as in Non-Patent Document 2.
In far-field imaging, it is possible to collect a spatially propagated electromagnetic wave with a dielectric lens, etc., and image a distant sample. However, because the electromagnetic wave has a diffraction limit, the resolution is limited in wavelength size. In radio waves, high resolution cannot be expected. In addition, near-field imaging enables surface imaging at a wavelength or less, but it is difficult to image a sample at a position slightly away from the antenna, such as inside a substance.

電波によるイメージング技術に関する特許文献としては、ミリ波については特許文献1〜2、マイクロ波については特許文献3〜5がある。
特許文献4や5には、アナログフェイズドアレイやバイナリリフレクタアレイを用い、隣接するアンテナ素子間の間隔が電波の半波長になるように、アンテナ素子をアレイ内に密に配列して、空間解像度を高めることが開示されている。しかし、感度や分解能の点で十分とはいえない。
電波は光と比べて波長が長いだけでなく回折する性質を有するため、イメージングの分解能を十分向上させることができなかったことに対し、本発明者は、特許文献6で、分解能低下の原因を抑え、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを取得することが可能な電波イメージング手段を開示した。
Patent documents relating to imaging technology using radio waves include Patent Documents 1 and 2 for millimeter waves and Patent Documents 3 to 5 for microwaves.
In Patent Documents 4 and 5, analog phased arrays and binary reflector arrays are used, and the antenna elements are arranged closely in the array so that the spacing between adjacent antenna elements is half the wavelength of the radio wave. It is disclosed to enhance. However, it cannot be said that sensitivity and resolution are sufficient.
The radio wave has not only a wavelength longer than that of light but also has a property of diffracting, so that the resolution of imaging could not be sufficiently improved. Disclosed is a radio wave imaging means capable of acquiring a transmission image of a sample with high resolution below the wavelength.

特許文献6に関連し、モノポールタイプのアンテナを用いたイメージング方法に関する従来技術には非特許文献3〜4、開口同軸プローブを用いたイメージング方法に関する従来技術には非特許文献5がある。
モノポールタイプのアンテナとレンズを使用し、試料からの反射波によりイメージングすることは開示されているが、アンテナ近傍の特性を考慮することやレンズの作用を考慮し高感度高分解能で小型の反射型イメージング装置が構築できることは開示されていなかった。
Related to Patent Document 6, Non-Patent Documents 3 to 4 are related to conventional imaging methods using a monopole antenna, and Non-Patent Document 5 is related to an imaging method using an aperture coaxial probe.
Although it is disclosed to use a monopole type antenna and lens and image by reflected wave from the sample, it is highly sensitive, high resolution and small size reflection considering the characteristics of the antenna and the action of the lens. It has not been disclosed that a type imaging apparatus can be constructed.

特開2006−250724 「物体透視装置」JP 2006-250724 “Object fluoroscopy device” 特開2006−242780 「ミリ波イメージング装置」Japanese Patent Laid-Open No. 2006-242780 “Millimeter Wave Imaging Device” 特開平7−134174 「マイクロ波イメージング装置」Japanese Patent Laid-Open No. 7-134174 “Microwave Imaging Device” 米国特許出願10/997422 「A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation」US Patent Application 10/997422 “A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation” 米国特許出願10/997583 「Broadband Binary Phased Antenna」US Patent Application 10/99758 “Broadband Binary Phased Antenna” 特開2008−232624 「電波イメージング方法及び装置」JP 2008-232624 “Radio wave imaging method and apparatus”

David M. Sheen, Douglas L. McMakin, and Thomas E. Hall,“Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection,” IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 49, No. 9, p. 1581 (2001)David M. Sheen, Douglas L. McMakin, and Thomas E. Hall, “Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection,” IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 49, No. 9, p. 1581 (2001 ) Tatsuo Nozokido, Jongsuck Bae and Koji Mizuno, “Scanning Near-FieldMillimeter-Wave Microscopy Using a Metal Slit as a Scanning Probe,” IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 49, No. 3, p. 491 (2001)Tatsuo Nozokido, Jongsuck Bae and Koji Mizuno, “Scanning Near-Field Millimeter-Wave Microscopy Using a Metal Slit as a Scanning Probe,” IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 49, No. 3, p. 491 (2001) 水野 麻弥, "広帯域ミリ波イメージングシステム," 情報通信研究機構季報, vol. 54, pp. 45-50(2008)Maya Mizuno, "Broadband millimeter-wave imaging system," National Institute of Information and Communications Technology, vol. 54, pp. 45-50 (2008) Maya Mizuno, Kaori Fukunaga and Iwao Hosako, "PenetrationMonitoring of Fixation Solution into Tissues Using Millimeter Waves," The joint 33ndinternational conference on infrared and millimeter waves and the 16thinternational conference on Terahertz (IRMMW2008/THz2008), T5D14, (2008)Maya Mizuno, Kaori Fukunaga and Iwao Hosako, "PenetrationMonitoring of Fixation Solution into Tissues Using Millimeter Waves," The joint 33ndinternational conference on infrared and millimeter waves and the 16thinternational conference on Terahertz (IRMMW2008 / THz2008), T5D14, (2008) S. K. Dutta, C. P. Vlahacos, D. E. Steinhauer, Ashfaq S. Thanawalla, B. J.Feenstra, F. C. Wellstood, and Steven M. Anlage, "Imaging microwaveelectric fields using a near-field scanning microwave microscope, " Applied PhysicsLetters, vol. 74, pp. 156-8 (1999)SK Dutta, CP Vlahacos, DE Steinhauer, Ashfaq S. Thanawalla, BJFeenstra, FC Wellstood, and Steven M. Anlage, "Imaging microwaveelectric fields using a near-field scanning microwave microscope," Applied PhysicsLetters, vol. 74, pp. 156 -8 (1999)

そこで、本発明は、アンテナ近傍の特性を考慮することにより、小型で簡易な構成でありながらも、高感度高分解能で試料のイメージングを行える電波イメージング方法と、その方法を実施する装置を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides a radio wave imaging method capable of imaging a sample with high sensitivity and high resolution while taking a characteristic of the vicinity of an antenna into a small and simple configuration, and an apparatus for implementing the method. This is the issue.

上記課題を解決するために、本発明の電波イメージング方法は、次の構成を備える。すなわち、試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える構成において、外部出力手段及び外部入力手段を金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナとすると共に、入力用レンズ及び出力用レンズを短焦点距離のレンズとし、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度になるように設定し、その電波強度の高められた領域に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the radio wave imaging method of the present invention comprises the following arrangement. That is, a method of irradiating a sample with radio waves and imaging the sample by the reflected signal, a radio wave source that generates radio waves, an external output means for radiating an output signal from the radio wave source to the outside, and an external output An output lens that converges radio waves emitted from the means, an input lens that accepts and converges radio waves emitted from the output lens and reflected by the sample, and an external input that accepts radio waves emitted from the input lens And a pole-shaped antenna in which the external output means and the external input means are surrounded by a metal cylinder in a configuration comprising at least a means and an arithmetic processing means for processing an input signal received by the external input means to image a sample In addition, the input lens and the output lens are short focal length lenses, and the intensity distribution characteristics and relativity of radio waves in the vicinity of the antenna. By setting the sample so that the full width at half maximum of the radio wave intensity distribution is about the wavelength of the radio wave from the lens to the farther than the radio wave wavelength. It is characterized by detecting a direct wave from a sample with high sensitivity.

ここで、出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、その入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、試料の透過信号によっても試料のイメージングを行なえるようにしてもよい。   Here, the input lens that receives and converges the radio wave radiated from the output lens and transmitted through the sample, the external input means that receives the radio wave radiated from the input lens, and the input received by the external input means An arithmetic processing means for processing the signal and imaging the sample may be provided so that the sample can also be imaged by a transmission signal of the sample.

試料に照射する電波としては、ミリ波が好適に使用できる。   As the radio wave applied to the sample, millimeter waves can be preferably used.

電波源に広帯域光源を用い、周波数領域または時間領域のスペクトル多変量解析を行ってもよい。   A broadband light source may be used as the radio wave source, and spectral multivariate analysis in the frequency domain or time domain may be performed.

また、本発明の電波イメージング装置は、試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備え、外部出力手段及び外部入力手段が金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナであると共に、入力用レンズ及び出力用レンズが短焦点距離のレンズであり、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度に設定され、その電波強度の高められた領域に試料が配置されることにより、試料からの直接波が高感度で検出されることを特徴とする。   The radio wave imaging apparatus of the present invention is an apparatus that irradiates a sample with radio waves and images the sample by the reflected signal, and radiates a radio wave source that generates radio waves and an output signal from the radio wave source to the outside. External output means, an output lens for converging radio waves radiated from the external output means, an input lens for receiving and converging radio waves radiated from the output lens and reflected by the sample, and radiated from the input lens An external input means for receiving the received radio wave and an arithmetic processing means for imaging the sample by processing the input signal received by the external input means, and the external output means and the external input means are surrounded by a metal tube In addition to the pole-shaped antenna, the input lens and the output lens are lenses with a short focal length. The full width at half maximum of the radio wave intensity distribution is set to about the radio wave wavelength from the lens to the farther than the radio wave wavelength, and the sample is placed in the area where the radio wave intensity is increased. Thus, a direct wave from the sample is detected with high sensitivity.

ここで、出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、その入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、試料の透過信号による試料のイメージングも可能な構成にしてもよい。   Here, the input lens that receives and converges the radio wave radiated from the output lens and transmitted through the sample, the external input means that receives the radio wave radiated from the input lens, and the input received by the external input means Arithmetic processing means for processing the signal and imaging the sample may be provided so that the sample can be imaged by the transmission signal of the sample.

電波の入出力にネットワークアナライザーを用い、外部出力手段と外部入力手段とが共用可能であると共に、出力用レンズと入力用レンズとが共用可能である構成にしてもよい。   A network analyzer may be used for input / output of radio waves so that the external output means and the external input means can be shared, and the output lens and the input lens can be shared.

外部出力手段及び外部入力手段としては、金属製の筒に囲まれた中心導体が照射電波の波長以下の長さのモノポールアンテナが有用に使用できる。   As the external output means and the external input means, a monopole antenna whose center conductor surrounded by a metal tube has a length equal to or shorter than the wavelength of the irradiated radio wave can be used effectively.

また、外部出力手段及び外部入力手段としては、中心導体が照射電波の波長以下の長さ突出した同軸コネクターも有用に使用できる。   Further, as the external output means and the external input means, coaxial connectors in which the central conductor protrudes for a length equal to or shorter than the wavelength of the irradiation radio wave can be used effectively.

試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な2次元方向へ移動させ、試料を2次元スキャンする試料保持手段を設け、2次元像の取得に寄与させてもよい。   While supporting the sample, the sample may be moved in a two-dimensional direction substantially perpendicular to the signal emission direction, and a sample holding means for two-dimensionally scanning the sample may be provided to contribute to acquisition of a two-dimensional image.

本発明によると、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより電波強度を高めた領域に試料を配置し、試料からの直接波を高感度で検出するので、高感度高分解能で試料のイメージングを行える小型装置が得られる。   According to the present invention, the sample is placed in a region where the radio wave intensity is increased by the intensity distribution characteristic of the radio wave in the vicinity of the antenna and the convergence characteristic by the lens, and the direct wave from the sample is detected with high sensitivity. A small device capable of imaging a sample is obtained.

ポール状のアンテナ近傍における電波の強度分布特性を示す説明図 (a)レンズを付設しない場合 (b)レンズを付設した場合An explanatory diagram showing the intensity distribution characteristics of radio waves in the vicinity of a pole-shaped antenna (a) When no lens is attached (b) When a lens is attached レンズを付設した金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナにおける試料からの反射波の角度特性を示す説明図Explanatory drawing which shows the angle characteristic of the reflected wave from the sample in the pole-shaped antenna surrounded by the metal cylinder which attached the lens 本発明による電波イメージング装置の概要を示す説明図Explanatory drawing which shows the outline | summary of the radio wave imaging apparatus by this invention 木板と石膏を重ねた試料をイメージした結果を示す写真Photo showing the image of a sample of wood board and plaster

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態は、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であり、前記特許文献や従来公知の技術を適宜援用可能である。
本発明者は、特許文献6、非特許文献3〜4などの延長として、アンテナ近傍の特性を詳しく調査したことによって、金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナを用いた反射型イメージング装置の最適化方法を発見した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiment can be appropriately changed in design without departing from the gist of the present invention, and the above-mentioned patent documents and conventionally known techniques can be used as appropriate.
As an extension of Patent Document 6, Non-Patent Documents 3 to 4 and the like, the present inventor has investigated the characteristics in the vicinity of the antenna in detail, and thereby uses a reflection-type imaging apparatus using a pole-shaped antenna surrounded by a metal cylinder. I found an optimization method.

図1は、ポール状のアンテナ近傍における電波の強度分布特性を示す説明図であり、図1(a)はレンズを付設しない場合、図1(b)はレンズを付設した場合を示す。
同軸ケーブルなどのようにポール状のアンテナでは、図1(a)に示すように、アンテナ端部近傍のみ電波強度が高いが、図1(b)に示すように、アンテナ端部近傍に短焦点距離のレンズを付設すると、そのレンズの収束特性に応じてレンズの端部から遠方に向かって、電波強度の高い領域を増大させられる。
1A and 1B are explanatory views showing the intensity distribution characteristics of radio waves in the vicinity of a pole-shaped antenna. FIG. 1A shows a case where no lens is attached, and FIG. 1B shows a case where a lens is attached.
In a pole-shaped antenna such as a coaxial cable, the radio wave intensity is high only in the vicinity of the antenna end as shown in FIG. 1A. However, as shown in FIG. When a lens of a distance is attached, a region with a high radio wave intensity can be increased from the end of the lens to a distance according to the convergence characteristics of the lens.

図2は、レンズを付設した金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナにおいて、試料からの反射波の角度特性を示す説明図である。
試料からレンズ方向に向かわない反射波や、試料表面での散乱波は、レンズの収束特性により除くことができ、試料からの直接波が高感度で検出されるようになる。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing angle characteristics of a reflected wave from a sample in a pole-shaped antenna surrounded by a metal cylinder provided with a lens.
Reflected waves not directed to the lens direction from the sample and scattered waves on the sample surface can be removed by the convergence property of the lens, and direct waves from the sample are detected with high sensitivity.

そこで、電波強度の分布特性とレンズによる収束特性とを考慮し、レンズ端部から使用電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度になるように設定し、その電波強度の高められた領域に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出することが可能になる。
通常、イメージングを行う場合は、空間分解能を高めるために集光光学系が用いられているが、集光光学系によると、試料からの散乱波等も同時に検出されてしまうため、空間的に直接波と分けることができなかった。時間領域で分解できない場合では、物質の状態を区別する精度など、試料の検知能が低下していた。それに対し、本発明では、集光光学系と同等の分解能で、かつ、平行学系のように主に直接波を検出することができるため、敏感に物質の状態を区別することな、高感度高分解能の検知が可能となる。
Therefore, considering the distribution characteristics of the radio wave intensity and the convergence characteristics of the lens, the full width at half maximum of the radio wave intensity distribution is set to be about the wavelength of the radio wave from the end of the lens beyond the wavelength of the radio wave used. By arranging the sample in a region where the intensity is increased, a direct wave from the sample can be detected with high sensitivity.
Normally, when performing imaging, a condensing optical system is used to increase the spatial resolution. However, since the condensing optical system also detects scattered waves from the sample at the same time, it is spatially directly I could n’t separate it from the waves. In the case where it cannot be decomposed in the time domain, the detection ability of the sample, such as the accuracy of distinguishing the state of the substance, has been reduced. In contrast, in the present invention, with a resolution equivalent to the focusing optical system, and it is possible to detect predominantly direct wave as parallel light science-based, etc., such that sensitively distinguish the state of the material, High sensitivity and high resolution detection is possible.

なお、本発明者による特許文献6、非特許文献3〜4の従来技術と比較すると、本発明では、金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナ近傍の特性を利用することにより反射型イメージングが可能になり、また、レンズを使用し、設置位置を最適化することにより高感度高分解能でイメージングできる領域を増大させられた。
また、検出時において、空間的に散乱波や傾斜面からの反射波を除くことができるため、周波数領域や時間領域のスペクトル全体の多変量解析を併用することによって、高感度高分解能で物質の状態を区別することなどが可能になった。周波数領域や時間領域のスペクトル多変量解析には、広帯域光源の使用が有用であり、時間領域においては、試料の深さ方向の情報も同時に得ることができ、3次元のイメージングを行うことが可能である。
As compared with the prior arts of Patent Document 6 and Non-Patent Documents 3 to 4 by the present inventor, in the present invention, reflection imaging is performed by utilizing the characteristics in the vicinity of a pole-shaped antenna surrounded by a metal tube. In addition, by using a lens and optimizing the installation position, the area that can be imaged with high sensitivity and high resolution has been increased.
In addition, since scattered waves and reflected waves from inclined surfaces can be removed spatially during detection, by using multivariate analysis of the entire spectrum in the frequency domain and time domain, it is possible to detect substances with high sensitivity and high resolution. It became possible to distinguish the state. For multivariate analysis in the frequency domain and time domain, it is useful to use a broadband light source. In the time domain, information in the depth direction of the sample can be obtained simultaneously, and three-dimensional imaging can be performed. It is.

図3は、本発明による電波イメージング装置の概要を示す説明図である。
本発明は、試料に電波を照射し、その反射信号を用いて試料のイメージングを行なうことを基本とする。透過信号を用いて試料のイメージングを行なうことも可能である。なお、本実施例では、透過信号を用いて試料のイメージングを行なう場合を図示する。反射信号を用いて試料のイメージングを行なう場合は、反射位置に同様のレンズが配置される。装置の要部としては、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える。
図示の例では、ネットワークアナライザー(Agilent E8363B、10MHz−70GHz)を光源及び検出器として利用している。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of the radio wave imaging apparatus according to the present invention.
The present invention is basically based on irradiating a sample with radio waves and imaging the sample using the reflected signal. It is also possible to image the sample using the transmission signal. In this embodiment, a case where a sample is imaged using a transmission signal is illustrated. When imaging a sample using a reflection signal, a similar lens is disposed at the reflection position. The main parts of the device include a radio wave source that generates radio waves, an external output means that radiates an output signal from the radio wave source to the outside, an output lens that converges the radio waves emitted from the external output means, and an output An input lens that receives and converges a radio wave radiated from the lens and reflected by the sample, an external input unit that receives the radio wave radiated from the input lens, and a sample that processes the input signal received by the external input unit And at least arithmetic processing means for performing imaging.
In the illustrated example, a network analyzer (Agilent E8363B, 10 MHz-70 GHz) is used as a light source and a detector.

ネットワークアナライザーは、一般には、回路や素子にマイクロ波等の高周波を出力し、回路からの反射や通過状態を計測して回路や素子の電気的特性を求める装置である。
ネットワークアナライザー内部に備わる信号源は、測定する範囲の周波数を掃引する。信号源と外部出力端子との間には、方向性結合器が備わる。試料は、2つの外部出力端子の間に配置される。信号源から試料に与えられた信号と、試料からの反射或いは透過信号が方向性結合器によって制御され、演算処理部で処理される。方向性結合器の端子に出力される信号は、振幅のみが検出されるタイプと振幅と位相の両方が検出されるタイプがある。位相も測れるタイプのベクトルネットワークアナライザーでは、試料の入出力部の反射或いは透過量と位相からSパラメータを求めることができる。
In general, a network analyzer is a device that outputs high-frequency waves such as microwaves to circuits and elements, and measures the reflection and passage states from the circuits to determine the electrical characteristics of the circuits and elements.
The signal source provided in the network analyzer sweeps the frequency in the range to be measured. A directional coupler is provided between the signal source and the external output terminal. The sample is disposed between two external output terminals. A signal given to the sample from the signal source and a reflected or transmitted signal from the sample are controlled by the directional coupler and processed by the arithmetic processing unit. A signal output to the terminal of the directional coupler includes a type in which only amplitude is detected and a type in which both amplitude and phase are detected. In a vector network analyzer of a type that can also measure the phase, the S parameter can be obtained from the reflection or transmission amount and phase of the input / output part of the sample.

ネットワークアナライザーの外部端子には、中心導体の突出したプラグ(オス)の配設された同軸コネクターを備える2本のプローブ(Agilent 85133E、2.4mm)が接続される。コネクターのタイプとしては、BNC、SMAタイプ、N型コネクターも利用可能である。
そのプローブの端部近傍には、シリコン製の半球レンズ(焦点距離6.3mm、屈折率3.4、径30mm)が配設され、ミリ波出入の広がりが抑制される。レンズの配置はプローブの端部から6.8mmだけ離れた位置に設定した。
Two probes (Agilent 85133E, 2.4 mm) having a coaxial connector in which a plug (male) with a protruding central conductor is disposed are connected to an external terminal of the network analyzer. As the connector type, BNC, SMA type and N type connectors can also be used.
In the vicinity of the end of the probe, a silicon hemispherical lens (focal length 6.3 mm, refractive index 3.4, diameter 30 mm) is arranged to suppress the spread of the millimeter wave in and out. The lens arrangement was set at a position 6.8 mm away from the end of the probe.

また、2つのレンズを向かい合わせることで、試料からの反射波は送信ポートと同じポートで入力し、試料からの透過波はミラーを介して受信ポートで入力可能である。   Also, by facing the two lenses, the reflected wave from the sample can be input at the same port as the transmission port, and the transmitted wave from the sample can be input at the reception port via the mirror.

試料を保持する部材に、信号の射出方向と略垂直な方向へ少なくとも移動可能にする機構を付設して、電波を試料の所望部位全体にわたって照射させ、試料を広範囲にイメージングできるようにしてもよい。そのように、試料を移動可能に支持する試料保持部材は、2軸や3軸ステージ移動機構など従来公知の部材が適宜利用できる。
そのようなステージの位置制御と、ネットワークアナライザー等の検出器の制御とを共用の制御装置で司り、イメージング画像表示するディスプレイ等を付設してもよい。
A member that holds the sample may be provided with a mechanism that can move at least in a direction substantially perpendicular to the signal emission direction, and radio waves may be irradiated over the entire desired portion of the sample so that the sample can be imaged over a wide range. . As described above, a conventionally known member such as a biaxial or triaxial stage moving mechanism can be appropriately used as the sample holding member that movably supports the sample.
Such a stage position control and a control of a detector such as a network analyzer may be controlled by a common control device, and a display or the like for displaying an imaging image may be provided.

図4は、木板と石膏を重ねた試料を、本発明によるミリ波反射型装置(時間領域)で差分イメージした結果を示す写真である。
木板には金箔で十字状の模様が描かれていて、その上に石膏が(厚さ13mm弱)積層されている。木板と石膏の間には、エアーギャップ(厚さd)があり、テンペラ画などの経年劣化モデルに相当する。
FIG. 4 is a photograph showing a result of differential imaging of a sample in which a wooden board and gypsum are overlapped by a millimeter wave reflection type apparatus (time domain) according to the present invention.
A cross-shaped pattern is drawn with a gold leaf on the wooden board, and plaster (thickness less than 13 mm) is laminated on it. There is an air gap (thickness d) between the wood board and the plaster, which corresponds to an aged deterioration model such as a tempera.

リファレンスデータとしては、エアーギャップが無い位置(A点)における時間波形を使用した。エアギャップdが0mmのとき、A点に比べてB点では、時間波形の差が大きくなった。これは、B点において数十ミクロンの隙間が生じていて、時間波形が多重反射や光路の変化等によって変わったことを示している。また、エアギャップdが0.5及び1mmでは、時間波形の差が更に大きくなった。エアギャップdが大きくなるほど、多重反射だけでなく、ビーム径が広がることが反映され時間波形の差が大きくなるため、エアーギャップの存在が検出しやすくなる。
これらの結果から、本発明を用いることによって石膏と木板との間にエアーギャップが存在する様子を検出できる可能性があることが判明した。同様に、本発明によると、様々な物体をイメージングの対象とできる。
As reference data, a time waveform at a position where there is no air gap (point A) was used. When the air gap d was 0 mm, the time waveform difference was greater at point B than at point A. This indicates that a gap of several tens of microns has occurred at point B, and the time waveform has changed due to multiple reflections, changes in the optical path, and the like. Further, when the air gap d was 0.5 and 1 mm, the difference in time waveform was further increased. As the air gap d increases, not only multiple reflection but also the beam diameter increases, and the difference in time waveform increases. Therefore, it is easier to detect the presence of the air gap.
From these results, it has been found that by using the present invention, it is possible to detect the presence of an air gap between gypsum and a wooden board. Similarly, according to the present invention, various objects can be imaged.

本発明によると、小型簡易な構成でありながらも、高感度高分解能で試料のイメージを得られるので、セキュリティ、土木工学、食品、医学、生化学分野など、幅広く活用でき産業上利用価値が高い。     According to the present invention, a sample image can be obtained with high sensitivity and high resolution even though it is a small and simple configuration, and can be widely used in fields such as security, civil engineering, food, medicine, and biochemistry, and has high industrial utility value. .

Claims (10)

試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、
電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える構成において、
外部出力手段及び外部入力手段を金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナとすると共に、入力用レンズ及び出力用レンズの双方を、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから試料に向かう方向でレンズの凸部の端部から電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値半幅の略2倍が電波の波長と等しくなるように設定し、
入力用レンズ及び出力用レンズの双方の凸部の端部から起始し、電波の強度分布の半値半幅の略2倍が波長と等しく保たれている領域中に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出する
ことを特徴とする電波イメージング方法。
A method of irradiating a sample with radio waves and imaging the sample with the reflected signal,
A radio wave source that generates radio waves, an external output means that radiates an output signal from the radio wave source to the outside, an output lens that converges the radio waves radiated from the external output means, and a radiation emitted from the output lens and reflected by the sample Lens for receiving and focusing received radio waves, external input means for receiving radio waves radiated from the input lens, and arithmetic processing means for processing the input signal received by the external input means and imaging the sample In a configuration comprising at least
The external output means and the external input means are pole-shaped antennas surrounded by a metal cylinder, and both the input lens and the output lens are determined by the intensity distribution characteristics of the radio waves in the vicinity of the antenna and the convergence characteristics of the lenses. In the direction from the lens toward the sample, from the end of the convex portion of the lens to a distance greater than or equal to the wavelength of the radio wave, approximately twice the half width at half maximum of the radio wave intensity distribution is set equal to the wavelength of the radio wave,
By placing the sample in a region that starts from the end of the convex portion of both the input lens and the output lens, and where approximately half the half width of the radio wave intensity distribution is kept equal to the wavelength, A radio wave imaging method characterized by detecting a direct wave from a wave with high sensitivity.
出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる透過電波用入力用レンズと、その透過電波用入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、
試料の透過信号によって試料のイメージングを行なう
請求項1に記載の電波イメージング方法。
An input lens for a transmitted radio wave that receives and converges a radio wave radiated from the output lens and transmitted through the sample, an external input unit that receives the radio wave radiated from the input lens for the transmitted radio wave, and the external input unit Computation processing means for processing the received input signal and imaging the sample,
The radio wave imaging method according to claim 1, wherein the sample is imaged by a transmission signal of the sample.
試料に照射する電波に、ミリ波を用いる
請求項1または2に記載の電波イメージング方法。
The radio wave imaging method according to claim 1, wherein millimeter waves are used as radio waves irradiated to the sample.
電波源に広帯域光源を用い、周波数領域または時間領域のスペクトル多変量解析を行う
請求項1ないし3のいずれかに記載の電波イメージング方法。
The radio wave imaging method according to any one of claims 1 to 3, wherein a broadband light source is used as a radio wave source, and spectral multivariate analysis in a frequency domain or a time domain is performed.
試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、
電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備え、
外部出力手段及び外部入力手段が金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナであると共に、入力用レンズ及び出力用レンズの双方が、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから試料に向かう方向でレンズの凸部の端部から電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値半幅の略2倍が電波の波長と等しく設定され、
入力用レンズ及び出力用レンズの双方の凸部の端部から起始し、電波の強度分布の半値半幅の略2倍が波長と等しく保たれている領域中に試料が配置されることにより、試料からの直接波が高感度で検出される
ことを特徴とする電波イメージング装置。
A device that irradiates a sample with radio waves and images the sample using the reflected signal,
A radio wave source that generates radio waves, an external output means that radiates an output signal from the radio wave source to the outside, an output lens that converges the radio waves radiated from the external output means, and a radiation emitted from the output lens and reflected by the sample Lens for receiving and focusing received radio waves, external input means for receiving radio waves radiated from the input lens, and arithmetic processing means for processing the input signal received by the external input means and imaging the sample And at least
The external output means and the external input means are pole-shaped antennas surrounded by a metal tube, and both the input lens and the output lens have a radio wave intensity distribution characteristic near the antenna and a convergence characteristic by the lens. In the direction from the lens toward the sample, from the end of the convex portion of the lens to a distance greater than or equal to the wavelength of the radio wave, approximately twice the half width at half maximum of the radio wave intensity distribution is set equal to the wavelength of the radio wave,
By placing the sample in a region that starts from the ends of the convex portions of both the input lens and the output lens, and approximately twice the half-value half-width of the radio wave intensity distribution is kept equal to the wavelength, A radio wave imaging device characterized in that a direct wave from a sample is detected with high sensitivity.
出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる透過電波用入力用レンズと、その透過電波用入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とが備わり、
試料の透過信号による試料のイメージングも可能である
請求項5に記載の電波イメージング装置。
An input lens for a transmitted radio wave that receives and converges a radio wave radiated from the output lens and transmitted through the sample, an external input unit that receives the radio wave radiated from the input lens for the transmitted radio wave, and the external input unit Computational processing means for processing the received input signal and imaging the sample,
The radio wave imaging apparatus according to claim 5, wherein imaging of a sample by a transmission signal of the sample is also possible.
電波の入出力にネットワークアナライザーが用いられ、
外部出力手段と外部入力手段とが共用可能であると共に、出力用レンズと入力用レンズとが共用可能である
請求項5または6に記載の電波イメージング装置。
Network analyzers are used for radio input and output,
The radio wave imaging apparatus according to claim 5 or 6, wherein the external output means and the external input means can be shared, and the output lens and the input lens can be shared.
外部出力手段及び外部入力手段が、金属製の筒に囲まれた中心導体が照射電波の波長以下の長さのモノポールアンテナである
請求項5ないし7のいずれかに記載の電波イメージング装置。
The radio wave imaging apparatus according to any one of claims 5 to 7, wherein the external output unit and the external input unit are monopole antennas having a central conductor surrounded by a metal tube and having a length equal to or shorter than the wavelength of the irradiation radio wave.
外部出力手段及び外部入力手段が、中心導体が照射電波の波長以下の長さ突出した同軸コネクターである
請求項5ないし7のいずれかに記載の電波イメージング装置。
The radio wave imaging apparatus according to any one of claims 5 to 7, wherein the external output means and the external input means are coaxial connectors whose center conductor protrudes a length equal to or shorter than the wavelength of the irradiation radio wave.
試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な2次元方向へ移動させ、試料を2次元スキャンする試料保持手段を備える
請求項5ないし9のいずれかに記載の電波イメージング装置。
10. The radio wave imaging apparatus according to claim 5, further comprising a sample holding unit that supports the sample and moves the sample in a two-dimensional direction substantially perpendicular to the signal emission direction to perform two-dimensional scanning of the sample.
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