JP5837203B2 - 非ヘテロダイン式放射線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、アンテナシステムに関し、特に、アンテナどうしが結合されたアンテナアレイに関する。

撮像装置は、電磁放射を検出するためにアンテナを使用することがある。撮像装置は、科学的な設備、監視装置、ターゲッティング装置、及び軍事応用を含む多くの用途にとって有用である。電磁放射を検出するためにアンテナを使用する撮像装置の一例は、ミリメートル波撮像装置である。ミリメートル波撮像装置は、例えば、ヒトの衣服の下に隠された対象を検出するための全身撮像装置として、使用されてよい。

なお、幾つかの撮像装置は、撮像装置の大きさ及び重さを増大させるヘテロダイン式センサを使用することがある。

一実施形態に従って、非ヘテロダイン式放射線撮像装置は、接地面層を有する基板を有する。放射線撮像装置は、放射入力を受けるよう動作する複数のアンテナ素子を更に有する。複数の支持要素の夫々は、複数のアンテナ素子の夫々を基板へ機械的に結合する。複数のエネルギ検出部は、複数のアンテナ素子によって受信される放射入力を測定するよう動作する。

本開示の特定の実施形態は、一以上の技術的利点を提供することができる。一実施形態の技術的利点には、アンテナ素子の撮像アレイを構成する能力がある。一実施形態の技術的利点にはまた、アンテナ素子の薄くて軽量な撮像アレイを提供する能力がある。一実施形態の技術的利点にはまた、異なる環境に適合し且つ増大した視野を提供することができるアンテナ素子の可塑性の又は曲げられた撮像アレイを提供する能力がある。

本開示の特定の実施形態は、上記の利点のうちの一部又は全てを含むか、又は全く含まないことがある。一以上の他の技術的利点は、本願の明細書、特許請求の範囲及び図面から当業者に容易に理解されるであろう。

一実施形態に従うアンテナアレイを備える非ヘテロダイン式撮像装置のブロック図を示す。 一実施形態に従う図１のアンテナアレイの部分断面図を示す。 一実施形態に従ってボールグリッドアレイにおいて配置される支持要素を備える図１のアンテナアレイの例となる部分断面図を示す。 一実施形態に従って導電接着剤から成る支持要素を備える図１のアンテナアレイの例となる部分断面図を示す。 一実施形態に従って微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リーフスプリング接触に相当する支持要素を備える図１のアンテナアレイの例となる部分断面図を示す。 一実施形態に従って平面基板を備える図１のアンテナアレイの例の斜視図を示す。 一実施形態に従って非平面基板を備える図１のアンテナアレイの例の斜視図を示す。

本発明並びにその特徴及び利点のより完全な理解を提供するよう、添付の図面に関連した以下の記載が参照される。

実施形態の実施例が以下で説明されるが、様々な実施形態が、現在知られていようとなかろうと多数の技術を用いて実施されてよいことが、最初に理解されるべきである。本開示は、以下で説明される例となる実施、図面、及び技術に決して制限されるべきでない。

ヘテロダイン検出は、基準周波数の放射との非線形混合により放射線を検出する方法である。ヘテロダイン検出において、ある周波数にある関心のある信号は、基準周波数で設定される基準“局所発振器”と混合される。ヘテロダイン検出の望ましい結果は、関心のある信号と基準周波数との間の差周波数である。この差周波数は、基準周波数で発振しながら、関心のある原信号の情報（振幅、位相、及び周波数変調）を搬送してよい。しかし、そのようなヘテロダイン検出器は極めて大きくなりうる。他方で、非ヘテロダイン検出器は、より小さく及び／又はより軽い検出システムを可能にする直接検出技術を用いてよい。直接検出システムでは、受信された信号は、局所発振器によらずに直接にベースバンド信号へ変換される。

特定の実施形態の技術は、アンテナ素子のアレイを備える非ヘテロダイン検出システムを提供する能力を認める。ヘテロダイン部品の大きさ及び重さがアンテナアレイの構成を実現不可能にするヘテロダインシステムと異なり、非ヘテロダインシステムは、アンテナ素子のアレイの構成を可能にすることができる。例えば、局所発振器のようなヘテロダイン部品を除去することは、検出システムの重さ及びサイズを減らして、アンテナ素子のアレイを可能にすることができる。

図１は、一実施形態に従う非ヘテロダイン式撮像装置１００のブロック図である。非ヘテロダイン式撮像装置１００は、放射入力１１０を受けて、センサ出力１５０を生成してよい。放射入力１１０は、あらゆる電磁信号を含み、無線周波数、光、赤外線、又はマイクロ波信号を含むがこれらに限られない。非ヘテロダイン式撮像装置１００は、受けた放射入力１１０に基づきセンサ出力１５０を生成する。このセンサ出力１５０は、例えば、放射入力１１０に基づき画像を生成するよう画像形成システムによって使用されてよい。

表される実施形態では、非ヘテロダイン式撮像装置１００は、アンテナアレイ１２０、エネルギ検出部１３０、及びセンサエレクトロニクス１４０を有する。アンテナアレイ１２０は、一以上のアンテナ素子１２２を有してよい。幾つかの実施形態では、アンテナ素子１２２は、二次元配列のようなアレイにおいて配置される。

エネルギ検出部１３０の例は、検出される放射入力１１０を測定するよう動作する如何なる装置も含んでよい。エネルギ検出部１３０の例は、整流器及び光検出器を含んでよいがこれらに限られない。整流器の例は、ショットキーダイオードのようなダイオード整流器を含んでよい。光検出器は、光起電性、光導電性、及び焦電気性の検出器を含んでよい。光検出器の例は、ボロメータ及びバンドギャップ又は半導体検出器を含んでよい。ボロメータは、エネルギが吸収されるにつれて温度の上昇を検知することによって、動作することができる。例となるバンドギャップ又は半導体検出器は、自身が受ける赤外線束に比例して自身の電気抵抗の変化又は電子電流を生じさせることによって、動作する。水銀カドミウムテルル及びアンチモン化インジウムのような物質が、このような特性を有することができる。いずれの例でも、光検出器は、単一のアンテナ素子へ直接にではなく、複数のアンテナ素子からのマイクロストリップ給電ラインへ接続されてよい。

幾つかの実施形態において、撮像装置１００は、センサエレクトロニクス１４０を更に有してよい。センサエレクトロニクス１４０は、エネルギ検出部１３０からの測定を受け取ってセンサ出力１５０を生成するよう動作する如何なる装置も含んでよい。センサエレクトロニクス１４０は、前置増幅器、利得及びレベル補正、マルチプレクサ、並びにアナログ−デジタル変換回路を含んでよいがこれらに限られない。幾つかの実施形態において、センサエレクトロニクス１４０は、基板へ結合される又はその中の集積回路に組み込まれてよい。

図２は、一実施形態に従う図１のアンテナアレイ１２０の部分断面を示す。この例では、支持要素１２４がアンテナ素子１２２を基板１２６へ結合する。基板１２６は接地面１２８を有する。以下でより詳細に説明されるように、特定の実施形態の教示は、支持要素１２４が、アンテナ素子１２２と接地面１２８との間を略一様な距離に保つのを助けてよいと認める。加えて、特定の実施形態の教示は、支持要素１２４が、アンテナ素子１２２が異なる形状及び材料の基板（図４Ａ乃至４Ｂに関連して以下でより詳細に説明されるように、平面状の、曲げられた、及び可塑性の基板を含む。）へ結合されることを可能にしてよいと認める。

図２の表される例では、アンテナアレイ１２０は、支持要素１２４によって基板１２６へ結合されている複数のアンテナ素子１２２を有してよい。幾つかの実施形態において、基板１２６は、接地面１２８を有してよい。接地面１２８は、アンテナ素子１２２のための近接反射点として動作してよい。基板１２６及び接地面１２８に関する更なる詳細は、図４Ａ乃至４Ｂに関連して以下で提供される。

表される例では、アンテナ素子１２２は、接地面１２８からある距離だけ離されてよい。幾つかの状況において、非ヘテロダイン式撮像装置１００は、アンテナ素子１２２が接地面１２８から略一様な距離で保たれていない場合に、焦点がずれてしまうことがある。従って、特定の実施形態の教示は、支持要素の使用が、アンテナ素子１２２と接地面１２８との間の略一様な距離を保つのを助けると認める。

一例となる実施形態では、支持要素１２４は、アンテナ素子１２２と接地面１２８との間の距離をアンテナ素子１２２の中心波長の約４分の１に等しく保つような大きさにされてよい。一例において、アンテナアレイ１２０は、１から１０ミリメートルの間の波長を有する信号を検出するよう構成されるミリメートル波撮像装置において使用されてよい。そのようなミリメートル波撮像装置は、例えば、ヒトの衣服の下に隠された対象を検出するために使用される全身撮像装置として、使用されてよい。ミリメートル波撮像装置の例では、支持要素１２４は、基板１２６の接地面から２５０から２５００ミクロンの間にアンテナ素子１２２を保ってよい。一例となる実施形態では、アンテナ素子１２２は、基板１２６の接地面から５００ミクロンに保たれてよい。

幾つかの実施形態において、支持要素１２４は、アンテナ素子１２２と基板１２６との間に機械的結合に加えて電気的結合を提供してよい。幾つかの実施形態において、アンテナアレイ１２０は、アンテナ素子１２２ごとに２つの支持要素１２４を有してよい。例えば、２つの別個の支持要素１２４を設けることは、アンテナ素子１２２とエネルギ検出部１３０との間の回路を閉じるようにアンテナ素子１２２への２つの電気的接続を可能にする。他の実施形態では、１つの支持要素１２４のみが、夫々のアンテナ素子１２２と基板１２６との間に設けられる。幾つかの例では、単一の支持要素１２４が、アンテナ素子１２２への複数の電気的接続を提供してよい。他の実施形態において、支持要素１２４は、アンテナ素子１２２への単一の電気的接続を提供してよく、アンテナ素子１２２への更なる電気的接続は、他の部品によって提供されてよい。

支持要素１２４の例は、様々な異なる材料及び構造を含んでよい。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、異なる支持要素１２４を備えるアンテナアレイ１２０の３つの例を示す。図３Ａにおいて、アンテナアレイ１２０ａは、ボールグリッドアレイにおいて配置される支持要素１２４ａを特徴とする。ボールグリッドアレイは、集積回路に使用される表面実装パッケージ化の一種である。幾つかの実施形態において、ボールグリッドアレイは、ガリウムヒ素又はシリコンのような材料を使用してよい。図３Ｂにおいて、アンテナアレイ１２０ｂは、導電接着剤から成る支持要素１２４ｂを特徴とする。特定の実施形態の教示は、導電接着剤が、アンテナ素子１２２と基板１２６との間の機械的接続に加えて、アンテナ素子１２２と基板１２６との間の導電接続を提供してよいと認める。導電接着剤の例は、等方性導電接着剤及び異方性導電接着剤を含んでよいがこれらに限られない。等方性導電接着剤は、全ての方向において等しく導電性を有してよく、一方、異方性導電接着剤は、特定の方向においてのみ導電性を有してよい。図３Ｃは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リーフスプリング接触に相当する支持要素１２４ｃを特徴とするアレイ１２０ｃを示す。ＭＥＭＳは一般的に、電気によって駆動され得る様々な小さな機械装置の技術をいう。ＭＥＭＳ技術は、多数の異なる材料及び製造技術を用いて実施され得る。ＭＥＭＳ材料の例は、シリコン、ポリマー、及び金属を含んでよいがこれらに限られない。図３Ａ乃至３Ｃの例に加えて、支持要素１２４の更なる例は、インジウム又はその合金のような金属を用いて形成され得る金属冷間溶接、半田接続、ソケット接続、及び圧力接触を含んでよいがこれらに限られない。

図４Ａ及び４Ｂは、例となる実施形態に従うアンテナアレイ１２０の斜視図を示す。特定の実施形態の教示は、平面状の、曲げられた、及び／又は可塑性の基板１２６について、アンテナ素子１２２と接地面１２８との間の略一様な距離を保つ能力を認める。

図４Ａの例において、基板１２６は、アンテナ素子１２２の二次元配列を支持する平面基板である。図４Ｂの例において、基板１２６は、アンテナ素子１２２の二次元配列を支持する湾曲基板である。図４Ｂにおいて、基板１２６は、基板１２６が端部１２６ａと端部１２６ｂとの間で略均一な円弧を形成するように曲げられている。幾つかの実施形態において、基板１２６は、端部１２６ａが端部１２６ｂに近接して管状構造を形成するように、寸法決めされて曲げられてよい。例えば、幾つかの実施形態において、基板１２６は、３６０度近い視野において放射線検出を提供するように列に沿って曲がるよう構成されてよい。

基板１２６は、アンテナ素子１２２へ物理的な支持を提供するのに適した如何なる材料を有してもよい。一例となる実施形態では、基板１２６は印刷回路基板である。幾つかの実施形態において、基板１２６は誘電体から成る。基板１２６のための材料の例には、セラミック、ポリマー、ポリアミド、過フッ化炭化水素、及びエポキシ積層板材料があるがこれらに限られない。

幾つかの実施形態において、基板１２６は剛体材料から構成される。他の実施形態において、基板１２６は、フレキシブル印刷配線基板のような可塑性材料から構成され、この材料は、基板１２６の湾曲が基板１２６にひびを入れることなく変更されることを可能にする。特定の実施形態の教示は、可塑性材料からの基板１２６の製造が、基板１２６が様々な環境に適応することを可能にしてよいと認める。一例として、可塑性基板１２６は、列の直径及び／又は曲率にかかわらず様々な列に沿って巻かれてよい。

幾つかの実施形態において、基板１２６は接地面１２８を有してよい。接地面１２８は、アンテナ要素１２２のための近接反射点として動作してよい。幾つかの実施形態において、接地面１２８は、金又は銅の層のような金属層から形成されてよい。例えば、接地面１２８は、印刷回路基板１２６上の金メッキ銅層から形成されてよい。幾つかの実施形態において、印刷回路基板１２６は、夫々のアンテナ素子１２２が接地面１２８へ電気的に接続する開口を有してよい。

変更、追加、又は省略が、本発明の適用範囲から外れることなしに、ここで記載されるシステム及び装置に対して行われてよい。システム及び装置の構成要素は、一体化又は分離されてよい。更に、システム及び装置の動作は、より多い、より少ない、又は他の構成要素によって実行されてよい。方法は、より多い、より少ない、又は他のステップを有してよい。加えて、ステップは如何なる適切な順序においても実行されてよい。

幾つかの実施形態が詳細に図示及び記載されてきたが、置換及び代替が、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲から逸脱することなしに可能であることが認識されるであろう。

Claims (19)

1. 接地面層が配置される表面を有し、第１の端部及び該第１の端部の反対にある第２の端部を備え、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記表面が略均一な円弧を形成するように曲げられる基板と、
   ミリメートル波の放射入力を受けるよう構成される複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子の夫々を前記基板へ機械的及び電気的に夫々結合し、前記接地面層から前記ミリメートル波の放射入力の約４分の１波長離して前記複数のアンテナ素子を保つ複数の支持要素と、
   前記複数のアンテナ素子の夫々によって受信される前記ミリメートル波の放射入力を測定するよう夫々動作する複数のエネルギ検出部と
   を有する非ヘテロダイン式ミリメートル波放射線撮像装置。
2. 接地面層が配置される表面を有する可塑性の基板と、
   放射入力を受けるよう動作する複数のアンテナ素子と、
   複数の支持要素と、
   前記複数のアンテナ素子によって受信される前記放射入力を測定するよう動作する複数のエネルギ検出部と
   を有し、
   前記複数の支持要素の夫々の支持要素は、夫々のアンテナ素子が前記接地面層から所定の距離だけ離されることを確かにしながら、前記複数のアンテナ素子の夫々を前記基板へ機械的及び電気的に結合する、非ヘテロダイン式放射線撮像装置。
3. 前記複数の支持要素は、夫々のアンテナ素子と前記接地面層との間に略均一な間隔を設ける、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記複数の支持要素は、前記複数のアンテナ素子を前記接地面層から２５０乃至２５００ミクロンに保つ、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
5. 前記基板は非平面である、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
6. 前記基板は、第１の端部と、該第１の端部の反対にある第２の端部とを有し、
   前記基板は、前記第１の端部が前記第２の端部に近接するように曲げられる、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
7. 前記基板は、第１の端部と、該第１の端部の反対にある第２の端部とを有し、
   前記基板は、該基板が前記第１の端部と前記第２の端部との間に略均一な円弧を形成するように曲げられる、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
8. 前記基板は、第１の端部と、該第１の端部の反対にある第２の端部とを有し、
   前記基板は、該基板が平面形状から非平面形状へ曲げられるよう動作可能であるように可塑性がある、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
9. 前記エネルギ検出部は整流回路を有する、
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
10. 前記エネルギ検出部は光検知素子を有する、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
11. 前記基板は誘電体から構成される、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
12. 前記複数の支持要素は複数の金属冷間溶接を有する、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
13. 前記複数の支持要素は複数の導電接着パッチを有する、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
14. 前記複数の支持要素は複数の半田付け接続を有する、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
15. 前記複数の支持要素は複数のソケットコネクタを有する、
    請求項２に記載の放射線撮像装置。
16. 非ヘテロダイン式撮像アレイの複数のアンテナ素子で放射入力を受けるステップと、
    前記複数のアンテナ素子の夫々のアンテナ素子を、接地面層が配置される表面を有する可塑性の基板へ、夫々のアンテナ素子が前記接地面層から所定の距離だけ離されることを確かにしながら機械的に結合するステップと、
    前記複数のアンテナ素子によって受信される前記放射入力を測定するステップと
    を有する方法。
17. 前記複数のアンテナ素子の夫々のアンテナ素子を前記基板へ機械的に結合するステップは、前記接地面層から略一様な距離で前記アンテナ素子を保つステップを更に有する、
    請求項１６に記載の方法。
18. 前記基板は、第１の端部と、該第１の端部の反対にある第２の端部とを有し、
    前記基板は、該基板が前記第１の端部と前記第２の端部との間に略均一な円弧を形成するように曲げられる、
    請求項１６に記載の方法。
19. 前記基板は、第１の端部と、該第１の端部の反対にある第２の端部とを有し、
    前記基板は、該基板が平面形状から非平面形状へ曲げられるよう動作可能であるように可塑性がある、
    請求項１６に記載の方法。

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