WO2018097035A1 - 画像取得装置、これを用いた画像取得方法及び照射装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an image acquisition device using a terahertz wave, an image acquisition method using the same, and an irradiation device.
- a terahertz wave is typically an electromagnetic wave having a component in an arbitrary frequency band within a range of 0.3 THz to 30 THz.
- this frequency band there are many characteristic absorptions derived from structures and states of various substances including biomolecules and resins.
- the wavelength is longer than that of visible light or infrared light, it is hardly affected by scattering and has a strong permeability to many substances.
- the wavelength is shorter than that of the millimeter wave, the spatial resolution is increased.
- Patent Document 1 as an image acquisition device using a terahertz wave irradiation device, a subject is expanded and irradiated with a terahertz wave beam from a terahertz wave generating element that can be regarded as a point light source, and terahertz waves are received by a plurality of detector arrays. The form is described.
- An image acquisition apparatus is an image acquisition apparatus that acquires an image of a subject using terahertz waves, and a generation unit in which a plurality of generation elements that generate terahertz waves are arranged on an arrangement surface; An irradiation optical system that forms an image of the terahertz wave from the generation unit on an imaging surface, an imaging optical system that forms an image of the terahertz wave reflected from the subject, and a plurality of pixels.
- a sensor for detecting a terahertz wave wherein the generator is disposed on an object plane of the irradiation optical system, and the plurality of generator elements are adjacent to each other in the generator and A first generation element and a second generation element having different irradiation angles, and a first terahertz wave beam from the first generation element and a second terahertz wave from the second generation element.
- beam But is characterized by having an overlap area overlapping in the image plane.
- FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an image acquisition device according to a first embodiment.
- 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an image acquisition device according to a first embodiment.
- FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of another configuration of the image acquisition device according to the first embodiment.
- the schematic diagram explaining the example of arrangement of a point light source.
- the schematic diagram explaining the structure of the image acquisition apparatus of 2nd Embodiment.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of calculation of beam distribution of the image acquisition apparatus according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of calculation of beam distribution of the image acquisition apparatus according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of calculation of beam distribution of the image acquisition apparatus according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of calculation of beam distribution of the image acquisition apparatus according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of calculation of beam distribution of the image acquisition apparatus according to the first embodiment.
- the human skin structure has irregularities of several tens to several hundreds of micrometers.
- the wavelength of the terahertz wave is several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m, which is equal to or larger than the skin structure.
- imaging using terahertz waves is not regular scattering imaging using scattering typified by visible light, but regular reflection imaging using regular reflection.
- the human skin structure can be regarded as a smooth reflector with respect to terahertz waves, and the direction of the terahertz wave regular reflection wave is determined by the incident position and angle of the terahertz wave with respect to the curved surface of the human body. .
- each of the following embodiments aims to reduce a decrease in pixels that can detect a terahertz wave in an image acquisition device using the terahertz wave.
- an irradiation apparatus for irradiating a terahertz wave and an image acquisition apparatus using the irradiation apparatus will be described.
- terahertz waves will be described.
- FIG. 13 shows an example of the frequency spectrum of the sun-derived background noise (radiant flux density) flying from the microwave to the earth in the terahertz wave band and the atmospheric attenuation in the terahertz wave band.
- background noise the noise of the rising portion observed from the microwave band to the millimeter wave band varies depending on the state of solar activity.
- background noise may increase from the microwave band to the millimeter wave band.
- artificial noise associated with human activities and noise associated with weather and atmospheric conditions are superimposed as environmental noise.
- the signal-to-noise ratio of the signal is small due to an increase in background noise and the limited output of millimeter waves, and detection is performed using a frequency conversion technique using a multiplier. There are many cases. Moreover, since the wavelength of the electromagnetic wave to be used is long, the optical system including the image sensor becomes large, and there is a possibility that the image acquisition apparatus becomes large both electrically and optically. Depending on the application, a sufficient signal-to-noise ratio cannot be ensured, and the pixel size of the image sensor needs to be increased. Therefore, the obtained image remains in the overall outline of the subject, and the detailed shape of the subject is directly discriminated. It can be difficult.
- An image acquisition device using a terahertz wave is conceivable in order to make the image of the millimeter wave camera more precise.
- An image acquisition device using terahertz waves can be expected to be able to use a light source with a higher output than millimeter waves, to have high selectivity of available frequencies, and to be able to miniaturize the device by shortening the wavelength. .
- Atmospheric window a region where the atmospheric attenuation is small. It is thought that the attenuation of a large signal can be avoided by selecting.
- each of the following embodiments aims to reduce a decrease in the number of pixels that can detect a terahertz wave even in a terahertz wave image acquisition device that performs specular reflection imaging.
- Such a problem also potentially occurs in an image acquisition apparatus using millimeter waves.
- imaging the shape of a subject with higher accuracy using an image acquisition device that uses terahertz waves with higher resolution than an image acquisition device that uses millimeter waves to image the contour of the entire subject it becomes more obvious. It is a problem to become.
- FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of the image acquisition apparatus 1001.
- the image acquisition device 1001 includes a detection unit 100, a first irradiation device (first irradiation unit) 110, a second irradiation device (second irradiation unit) 120, a first support unit 118, and a second support unit. 119, a monitor unit 130, and a processing unit 170.
- Each of the first irradiation unit 110 and the second irradiation unit 120 irradiates the subject 140 with a terahertz wave.
- the image acquisition device 1001 includes two irradiation units (irradiation devices), the first irradiation unit 110 and the second irradiation unit 120, but the number of irradiation units is not limited thereto. 1 may be sufficient and two or more may be sufficient.
- the terahertz wave generated from the first irradiation unit 110 is irradiated to the subject 140 as the first irradiation wave 153.
- the terahertz wave generated from the second irradiation unit 120 is irradiated to the subject 140 as the second irradiation wave 154.
- the frequency of the terahertz wave from each of the first irradiation wave 153 and the second irradiation wave 154 has a component in an arbitrary frequency band within a range of 0.3 THz to 30 THz where no frequency is assigned. Or a single frequency.
- a frequency range of 0.3 THz to 1 THz is more preferable.
- Each of the first irradiation unit 110 and the second irradiation unit 120 includes at least a generation unit 112 that generates a terahertz wave and an irradiation optical system 111.
- the first first irradiation unit 110 will be described, but the second irradiation unit 120 has the same configuration.
- the generation unit 112 has a plurality of generation elements including a first generation element 113 and a second generation element 114 that generate a terahertz wave, and the plurality of generation elements are arranged along the arrangement surface 117. It is.
- Each of the plurality of generating elements is smaller than the distance to the detection unit 100 and can be regarded as a terahertz wave source that can be regarded as a point.
- this is referred to as a point light source.
- it is a terahertz wave source that is about the same size as the detection unit 100 that can be decomposed as an image or smaller than this size.
- the terahertz wave generated from the point light source is generated radially from one point.
- the arrangement surface 117 will be described later.
- each of the plurality of generation elements including the first generation element 113 and the second generation element 114 is referred to as a “point light source”, and the generation unit including the plurality of generation elements is referred to as a “surface light source”.
- Each of the plurality of point light sources can be applied to a semiconductor element type terahertz wave generating element such as a resonant tunnel diode, or an optically excited terahertz wave generating element using optical switching or difference frequency light.
- a semiconductor element type terahertz wave generating element such as a resonant tunnel diode, or an optically excited terahertz wave generating element using optical switching or difference frequency light.
- each of the plurality of point light sources has an antenna structure for impedance matching with the atmosphere and improvement of generation efficiency of terahertz waves.
- the size of the antenna is designed to be the same as the wavelength used.
- the first point light source 113 is a point light source that generates a first terahertz wave 156
- the second point light source 114 is a point light source that generates a second terahertz wave 157.
- the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157 are configured to have an overlapping region in which a part of each irradiation region overlaps.
- the distance between the first point light source 113 and the second point light source 114 is equal to or greater than the distance obtained from the longest wavelength among the wavelengths included in the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157. It is preferable to arrange so that. Specifically, the distance between the first point light source 113 and the second point light source 114 corresponds to the longest wavelength among the wavelengths included in the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157.
- the antenna is arranged to be longer than the far field of the antenna. Note that the wavelength of the first terahertz wave 156 and the wavelength of the second terahertz wave 157 may be the same or different.
- the “far field” in this specification is a distance at which each of the point light sources 113 and 114 can be regarded as isolated.
- the distance is 2D2 / ⁇ or more. More preferably, it is desirable to arrange the point light sources at a distance of about 32D2 / ⁇ that can be regarded as infinity.
- the far field can be calculated as 0.5 ⁇ or more.
- the distance that can be regarded as infinity can be calculated as 8 ⁇ or more.
- the far field is 0.3 mm and the distance that can be regarded as infinity is 4.8 mm.
- ⁇ is the longest wavelength of the terahertz wave.
- the irradiation optical system 111 is an optical system that irradiates a subject with a terahertz wave.
- the irradiation optical system 111 of this embodiment has an imaging function. Specifically, the irradiation optical system 111 generates a first irradiation wave 153 generated from the surface light source 112 disposed on the object surface 116 of the irradiation optical system 111. The image is converged on the image plane 115.
- the object plane 116 is an image plane on the object side of the irradiation optical system 111.
- the first irradiation wave 153 is a collective wave of terahertz waves including at least the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157. There are as many terahertz waves included in the collective wave as the number of point light sources constituting the surface light source 112.
- the irradiation optical system 111 can be configured by combining one or a plurality of transmissive optical elements such as lenses or reflective optical elements such as mirrors.
- the irradiation optical system 111 having the straight line 150 as the optical axis is configured by a single lens.
- a lens it is preferable to use a lens material that has a small loss with respect to the terahertz wave to be used. Examples include Teflon (registered trademark) and high-density polyethylene (High Density Polyethylene).
- a visible light technique can be applied.
- the configuration of the irradiation optical system 111 is not limited to the transmission type described above, and a reflection type irradiation optical system 211 using a mirror may be used as the irradiation optical system 111 as shown in FIG.
- the irradiation optical system 211 of the image acquisition apparatus 1002 in FIG. 2 uses a mirror having an off-axis paraboloidal shape with the straight line 250 as the optical axis as a mirror that reflects the terahertz wave from each point light source.
- the configuration of the mirror is not limited to this.
- the surface light source 212 has a plurality of point light sources arranged on the arrangement surface 217 intersecting with the object surface 216 in accordance with the configuration of the irradiation optical system 211.
- the first irradiation wave 253 including the first terahertz wave 256 from the first point light source 113 and the second terahertz wave 257 from the second point light source 114 that has passed through the irradiation optical system 211 is formed on the imaging plane 215.
- An image is formed and irradiated on the subject 140.
- the second irradiation unit 220 has the same configuration, and the subject 140 is irradiated with the second irradiation wave 254 from the second irradiation unit 220.
- the surface light source 112 and the irradiation optical system 111 can be arranged on the same axis. For this reason, it is easy to ensure alignment accuracy when the irradiation units 110 and 120 are constructed. Moreover, by installing on the same axis
- the irradiation optical system 111 When a reflective optical element as shown in FIG. 2 is used as the irradiation optical system 111, loss when the terahertz wave passes through the optical element can be reduced, and the output of the first irradiation wave 153 and the second irradiation wave 154 is achieved. Can be reduced. Further, since the reflective optical system can be easily increased in size as compared with the transmissive type, the terahertz wave receiving area of the irradiation optical system 111 can be increased, and the terahertz wave capturing efficiency can be improved.
- the detection unit 100 is a terahertz wave camera that detects terahertz waves.
- each of the first irradiation unit 110 and the second irradiation unit 120 is fixed to and integrated with the detection unit 100 using the first support unit 118 and the second support unit 119.
- Each of the first support unit 118 and the second support unit 119 may have a posture adjustment movable unit for adjusting the postures of the first irradiation unit 110 and the second irradiation unit 120. .
- the detection unit 100 includes a sensor 102 divided into a plurality of pixels, and an imaging optical system 101 that forms an image of a reflected wave 155 from the subject 140 that is a terahertz wave on the imaging surface of the sensor 102.
- the reflected wave 155 includes a first terahertz wave 156 and a second terahertz wave 157 reflected by the subject 140.
- Each pixel of the sensor 102 is partitioned into an array or a matrix, and a detection element for detecting a terahertz wave is arranged for each pixel.
- a thermal detection element such as a bolometer or a semiconductor detection element such as a Schottky barrier diode can be applied to the plurality of detection elements.
- a terahertz wave image is constructed with reference to the output signal of the sensor 102.
- each of the detection elements of the sensor 102 has an antenna structure for impedance matching with the atmosphere and improvement of terahertz wave detection efficiency.
- the size of the antenna is designed to be approximately the same as the wavelength used in the image acquisition device 1001. When it is required to acquire an image at high speed, it is desirable to use a semiconductor detection element as the detection element.
- the imaging optical system 101 is an optical system that forms an image of the subject 140 arranged on the object plane of the imaging optical system 101 on the sensor 102, and optical elements such as lenses and mirrors can be used.
- the image acquisition apparatus 1 uses a single lens having the straight line 151 as the optical axis as the imaging optical system 101.
- the configuration of the imaging optical system 101 is not limited to this, and a plurality of optical elements are used. Also good.
- a lens it is preferable to use a material that has a small loss with respect to the terahertz wave to be used.
- Teflon or high density polyethylene (High Density Polyethylene) can be used.
- a visible light method can be applied to the design of the imaging optical system 101.
- the reflected wave 155 from the subject 140 is detected by the detection unit 100, and the detection result of the detection unit 100 is sent to the processing unit 170.
- the processing unit 170 acquires an image using the detection result of the detection unit 100.
- a processing device such as a computer including a CPU (Central Processing Unit), a memory, a storage device, and the like can be used.
- the processing related to visualization may be processed by software in the processing unit 170, or a part of the processing of the processing unit 170 may be replaced by hardware such as a logic circuit.
- the processing unit 170 may be configured by a general-purpose computer, or may be configured by dedicated hardware such as a board computer or ASIC. Further, the processing unit 170 may be mounted inside the detection unit 100.
- the monitor unit 130 may be a monitor of a computer as the processing unit 170 or may be prepared for displaying an image.
- FIG. 1B is a schematic diagram showing a part of the imaging surface 115 of the irradiation optical system 111.
- a part of the first beam distribution (first irradiation region) 158 of the first terahertz wave 156 and the second beam distribution of the second terahertz wave 157 converged on the imaging plane 115.
- (First irradiation region) It has an overlapping region overlapping with a part of 159.
- the interval and arrangement of the first point light source 113 and the second point light source 114 are adjusted so that a part of the first beam distribution 158 and a part of the second beam distribution 159 overlap. It is preferable.
- the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157 are irradiated from different directions onto the region of the subject 140.
- each of the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157 is reflected by the subject 140 at a reflection angle equal to the incident angle, and propagates in different directions with respect to the subject 140, respectively.
- the first terahertz wave 156 and the second terahertz wave 157 reflected from the region of the subject 40 can be regarded as pseudo scattered waves.
- the imaging plane 115 the overlapping area of the first beam distribution 158 and the second beam distribution 159 and the imaging plane 115 corresponding to at least one pixel among the plurality of pixels of the sensor 102. It is desirable that the observation area 160 overlaps.
- each pixel of the sensor 102 of the detection unit 100 can capture specularly reflected light from a plurality of directions with respect to the observation region 160, the ratio of pixels that cannot detect the terahertz wave can be reduced. As a result, it is possible to obtain an image that is more accurate than before by using the detection result of the detection unit 100. In addition, it is easier than ever to estimate the shape of the subject 140 from the obtained image.
- a plurality of point light sources are arranged along the arrangement surface 117.
- the arrangement surface 117 may be a flat surface or a curved surface. Further, the arrangement surface 117 may be the same surface as the object surface 116 of the irradiation optical system 111 or may intersect.
- the first irradiation unit 110 adjusts the distance between each point light source and the irradiation optical system 111 by adjusting the shape of the arrangement surface 117 and the posture of the arrangement surface 117 with respect to the object surface 116, and irradiates the subject 140 with terahertz. Adjust the wave aberration. By adjusting the aberration of the terahertz wave, the overlapping region of the beam distribution of the terahertz wave from the point light source can be adjusted, and the overlapping state with the observation region 160 can be adjusted.
- the irradiation optical system 111 since the irradiation optical system 111 has a finite size, a part of the terahertz wave is applied by the optical element of the irradiation optical system 111 depending on the shape of the arrangement surface 117 and the posture of the arrangement surface 117 with respect to the object surface 116. So-called vignetting may occur. Due to this vignetting, for example, the output of the terahertz wave that reaches the subject 140 may be reduced. In order to reduce such vignetting, as shown in FIG.
- the directivity axis of the beam pattern (radiation pattern) of the terahertz wave emitted from each of the plurality of point light sources including the point light sources 313 and 314, and the irradiation optical system It is preferable that the optical axis 311 intersects at one point.
- the directivity axis of the point light source in this specification is the central axis of the directivity characteristic of the terahertz wave from the point light source, and specifically indicates the direction in which the highest intensity terahertz wave is emitted from the point light source. It is a straight line. For example, a straight line connecting positions where the intensity of terahertz waves is strongest on a plurality of concentric circles having different radii with the center of gravity of the point light source as the center.
- the directivity axis 361 of the radiation pattern 360 of the point light source 313 included in the surface light source 312, the second directivity axis 363 of the second radiation pattern 362 of the point light source 314, and the irradiation optics The optical axis of the system 311 is arranged so as to intersect at the same position.
- the terahertz wave generated from each point light source can be contained within the optically effective region of the irradiation optical system 311. Therefore, vignetting by the irradiation optical system 311 can be reduced, and reduction in output of the terahertz wave reaching the subject 140 can be suppressed.
- the position where the directional axis 361 and the optical axis of the irradiation optical system 311 intersect is the same position as the position where the directional axis 363 and the optical axis of the irradiation optical system 311 intersect.
- the configuration is not limited to this. That is, each of the directivity axes 361 and 363 may intersect the optical axis of the irradiation optical system 311 at a position different from each other.
- the terahertz wave from each of the plurality of point light sources is irradiated onto the subject 140 at the same time.
- the outputs of the first point light source 113 and the second point light source 114 are modulated, it is desirable that both point light sources are switched so that the output of the object 140 is synchronized.
- FIGS. 10B and 10C are examples in which a plurality of terahertz wave beam patterns from the surface light source 212 imaged on the imaging surface 215 in the image acquisition apparatus 1002 in FIG. 2 are calculated geometrically. Specifically, light rays up to the imaging plane 215 were traced using a plurality of point light sources constituting the surface light source 212 as starting points.
- FIG. 10A is a diagram for explaining the arrangement of the point light sources constituting the surface light source 212 used for the calculation.
- the surface light source 212 includes point light sources [1] to [9] arranged at a distance d in the center of the surface light source 212 and point light sources [10] to [17] arranged along the outer periphery of the surface light source 212. ] And used in the calculation.
- the central point light sources [1] to [9] are used to confirm the overlap of the terahertz wave distribution, and the outer peripheral point light sources [10] to [17] are the maximum spread of the beam distribution due to aberration. Used to confirm.
- the surface light source 212 includes nine point light sources [1] to [9] arranged at the center and eight point light sources [10] to [10] arranged at the outer periphery. 17], however, the number of point light sources and the arrangement positions are not limited thereto.
- the point light sources are arranged in a matrix at intervals d
- the surface light source 212 is (L / d + 1) ⁇ (L / d + 1) point light source. You may have.
- the length L of one side of the surface light source 212 is 100 mm.
- the wavelength ⁇ is 0.6 mm.
- a half-wavelength antenna was used as the point light source antenna, and the antenna diameter D was set to 0.3 mm.
- the far field of the antenna is 0.3 mm ( ⁇ / 2) or more, and the far field that can be regarded as infinity is 4.8 mm (8 ⁇ ) or more.
- the irradiation optical system 211 a general satellite dish for satellite broadcasting is used.
- the length of the opening of the parabolic antenna was 520 mm, the length in the short direction was 460 mm, and the depth from the opening to the bottom was 50 mm.
- the parabolic antenna had an on-axis focal length of 234 mm, an off-axis angle of 55.6 degrees, and an off-axis focal length of 299 mm.
- the off-axis focal point of the parabolic antenna as the irradiation optical system 211 exists on the incident axis 250 of the terahertz wave from the surface light source 212 to the irradiation optical system 211.
- the inclination of the opening of the irradiation optical system 211 is 62.2 degrees with respect to the incident axis 250.
- the incident axis 250 corresponds to the optical axis geometrically.
- the object plane 216 is a plane perpendicular to the incident axis 250.
- the object plane 216 is arranged in a direction along the incident axis 250.
- the object plane 216 is disposed at a position of about 85 mm in a direction away from the irradiation optical system 211 with respect to the off-axis focal position.
- the surface light source 212 is disposed in the vicinity of the object plane 216 such that the object plane 216 and the arrangement plane 217 intersect.
- the arrangement surface 217 and the object surface 216 may be the same.
- the first irradiation wave 253 is imaged at a position of about 1340 mm from the irradiation optical system 211, and the subject 140 is irradiated with the terahertz wave.
- the first irradiation wave 253 irradiated to the subject 140 is about 350 mm ⁇ 350 mm.
- the effective diameter of the opening of the parabolic antenna is 80%.
- the second irradiation unit 220 has the same configuration as the first irradiation unit 210.
- FIG. 10B shows the terahertz from each of the point light sources [1] to [9] at the center of the surface light source 212 when the distance d between the point light sources is 4.8 mm (8 ⁇ ) that can be regarded as infinity with respect to the antenna.
- This is a calculation of the beam distribution on the wave imaging plane 215.
- the horizontal axis (Horizontal / mm) corresponds to the X direction in FIG. 2
- the vertical axis (Vertical / mm) corresponds to the Y direction in FIG.
- the beam distribution of each terahertz wave spreads upward in a convex shape due to the influence of the parabolic antenna aberration.
- the terahertz wave beam from the point light source [5] arranged at the center the terahertz from the point light sources [1] to [4] and [6] to [9] around the point light source [5] is used. It can be confirmed that the wave beams overlap. Thereby, the reflected wave 155 can be handled as scattered light in a pseudo manner.
- a reflected wave 155 that is a pseudo scattered wave reflected by the overlapping portion can be detected.
- the imaging optical system 101 a lens having an outer diameter of 120 mm and a curvature radius of about 100 mm is used as the imaging optical system 101, and the distance between the sensor 102 and the imaging optical system 101 is 224 mm.
- the distance between the imaging optical system 101 and the subject 140 is about 1200 mm, and can be made substantially equal to the distance between the first irradiation unit 210 and the subject 140.
- the pixel size of the sensor 102 is 0.5 mm, which is about the wavelength of the surface light source 212
- the size of the observation region 160 is about 2.6 mm.
- the overlapping area of each beam distribution (area indicated by a circle in FIG. 10) is larger than the size of the observation area 160. Therefore, it can be seen that the overlapping region can include the observation region 160.
- the imaging optical system 101 may have an aspheric shape.
- FIG. 10C is a diagram showing a calculation result of the beam distribution of the terahertz wave from each of the point light sources [1] to [17] when the distance d between the point light sources is 19.2 mm (32 ⁇ ).
- the numbers in the figure correspond to the numbers of the point light sources in FIG. 10A used for the calculation.
- the terahertz wave beam overlaps at two locations. Specifically, the terahertz wave beam from the point light source [5] and the terahertz wave beam from each of the point light sources [4] and [6] overlap.
- the beam distribution of the terahertz waves from the point light sources [10] to [17] in the outer portion of the surface light source 212 is the same as the beam distribution of the point light sources [1] to [9] in the center due to the influence of the aberration of the irradiation optical system 211. It can be seen that the distribution is large. For this reason, it becomes possible to overlap the beam distribution of more point light sources in the observation region 160.
- the “overlap ratio” is the ratio B / B of the number B of regions overlapping with the central beam to the number A of terahertz beams from the point light source adjacent to the central point light source. A, where adjacent beam distributions overlap.
- the overlapping rate is 1.
- the overlapping rate is 0.25.
- FIG. 11 is a plot of the overlapping rate of adjacent beams with respect to the distance d between adjacent point light sources for the central portion of the surface light source 212. As shown in FIG. 11, it can be seen that all of the terahertz wave beams from adjacent point light sources overlap until far field 8 ⁇ , which can be regarded as infinity, and the ratio of overlapping beams decreases when the distance exceeds 8 ⁇ . And when 32 ⁇ is exceeded, most of the beams do not overlap, and each beam distribution is isolated at 36 ⁇ .
- the distance between the first point light source 113 and the second point light source 114 desirable for forming pseudo-scattered light in the terahertz wave band can be defined by a far field value defined by the wavelength ⁇ . .
- the distance d between the first point light source 113 and the second point light source 114 is 0.5 ⁇ or more and 36 ⁇ .
- the following is desirable. More preferably, the distance d between the first point light source 113 and the second point light source 114 is not less than 0.5 ⁇ and not more than 8 ⁇ .
- the configurations of the irradiation units 210 and 220 and the detection unit 100 are not limited to the above-described configurations, and are appropriately designed according to the parts used in the image acquisition apparatus and the shape of the subject 140 to be observed.
- each pixel constituting the sensor of the camera can capture specularly reflected light from a plurality of directions.
- the terahertz wave reflected from the observation region can be regarded as pseudo scattered light.
- the proportion of pixels that cannot detect terahertz waves can be reduced. Therefore, it can be expected that the resolution of the acquired image using the terahertz wave is improved and the shape of the subject can be easily estimated.
- FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the configuration of the image acquisition device 1003.
- the image acquisition device 1003 is different from the image acquisition device 1002 of the first embodiment in the arrangement of the irradiation units 410 and 420.
- the same number is attached
- the irradiation units 110, 120, 210, and 220 and the detection unit 100 are integrated by the first support unit 118 and the second support unit 119.
- the first irradiation unit 410 is held by the first holding unit 418 and is arranged independently of the detection unit 100.
- the second irradiation unit 420 is held by the second holding unit 419 and is arranged independently of the detection unit 100.
- the first holding unit 418 and the second irradiation unit 420 may include a posture adjustment mechanism that adjusts the posture in addition to holding the postures of the first irradiation unit 410 and the second irradiation unit 420. Good.
- the image acquisition device of the present embodiment in the image acquisition device using terahertz waves, it is possible to reduce a decrease in pixels that can detect terahertz waves.
- the image acquisition device 1003 increases the degree of freedom of arrangement of the first irradiation unit 410 and the second irradiation unit 420, and thus expands the application range of the image acquisition device. be able to.
- FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the configuration of the image acquisition device 1004.
- the image acquisition device 1004 is different from the above-described embodiment in the positional relationship between the irradiation unit 510 and the detection unit 100.
- the same number is attached
- the irradiation unit 510 of the image acquisition device 1004 is disposed on the back of the detection unit 100.
- the imaging optical system 101 and the irradiation optical system 511 are disposed to face each other with the surface light source 512 interposed therebetween, and the irradiation unit 510 is disposed substantially coaxially with the optical axis of the detection unit 100. ing.
- the irradiation optical system 511 of the irradiation unit 510 is desirably a reflection type, and the effective optical area of the irradiation optical system 511 is desirably sufficiently larger than the cross-sectional size of the detection unit 100.
- the irradiation part 510 and the detection part 100 may be integrated, and you may arrange
- the first terahertz wave 556 and the second terahertz wave 557 from the point light source of the irradiation unit 510 are configured to have overlapping regions on the imaging plane of the irradiation optical system 511.
- FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the configuration of the image acquisition device 1005.
- the image acquisition device 1005 is obtained by adding a configuration for scanning terahertz waves to the image acquisition device of the above-described embodiment.
- a mechanism for scanning terahertz waves is added to the image acquisition apparatus 1002 of the first embodiment.
- the same number is attached
- the image acquisition apparatus 1002 does not include a mechanism for scanning the terahertz wave, and the direction of the terahertz wave applied to the subject 140 is substantially fixed, or the irradiation unit 210, The direction of the irradiation wave is changed by controlling the posture 220.
- the scanning part 690 which scans an irradiation wave is added by changing the attitude
- an angle adjustment stage that adjusts an elevation angle and an azimuth angle (rotation angle), a linear movement stage that adjusts the position of the image acquisition apparatus 1002, and the like can be applied.
- a rotary stage that adjusts the elevation angle is used as the scanning unit 690.
- the scanning unit 690 integrally adjusts the postures of the first irradiation unit 210, the second irradiation unit 220, and the detection unit 100, so that the first irradiation wave with respect to the subject 140 is obtained.
- the irradiation position and irradiation angle of 253 and the second irradiation wave 254 can be changed.
- the state of FIG. 6A is a first state
- the state of FIG. 6B is a second state.
- the image acquisition device 1005 acquires the detection result of the detection unit 100 in the first state and the detection result of the detection unit 100 in the second state, and obtains an image from each detection result. By combining these images, the reflection angle component of the terahertz wave from each point light source reflected from each observation region 160 can be increased as a result, and a state closer to scattered light can be obtained.
- the configuration of the scanning unit 690 is not limited to this.
- a posture changing unit 790 provided in each of the first support unit 118 and the second support unit 119 can be used as the scanning unit 690.
- the posture adjustment unit 790 is a mechanism that changes the postures of the first irradiation unit 210 and the second irradiation unit 220.
- the posture changing unit 790 By changing and adjusting the elevation angles of the first irradiation unit 210 and the second irradiation unit 220 by the posture changing unit 790, the first irradiation wave 253 and the second irradiation wave 254 are changed in the scanning direction 791.
- Such an attitude changing unit 790 may be incorporated in at least one of the first holding unit 418 and the second holding unit 419 of the image acquisition apparatus 1003 of the second embodiment.
- the incident angle of the irradiation wave on the subject 140 is adjusted by the scanning unit 690 and includes at least the first incident angle and the second incident angle.
- the number of incident angles can be set by the measurer as necessary, and may be determined in advance according to the measurement mode.
- the first irradiation wave 253 will be described. However, the same processing may be performed for other irradiation waves.
- the scanning unit 690 adjusts the posture so that the incident angle of the irradiation wave 253 with respect to the subject 140 becomes the first incident angle (S1201).
- the object 140 is irradiated with the irradiation wave 253, and a first image is acquired using the detection result obtained by detecting the reflected wave 155 from the object 140 by the detection unit 100 (S1202).
- the first image data D1201 is stored in the storage unit of the processing unit.
- the scanning unit 690 adjusts the posture so that the incident angle of the irradiation wave 253 with respect to the subject 140 becomes the second incident angle (S1203).
- the object 140 is irradiated with the irradiation wave 253, and a second image is acquired using the detection result obtained by detecting the reflected wave 155 from the object 140 by the detection unit 100 (S1204).
- the second image data D1202 is stored in the storage unit of the processing unit. This process is performed for the set number of incident angles to obtain a plurality of images.
- the processing unit calls the first image data D1201 and the second image data D1202 stored in the storage unit (not shown), and performs image composition processing (S1205).
- image composition processing S1205
- step S1202 the image acquisition method described in this embodiment is an example, and the order of each step can be changed. A plurality of steps may be performed simultaneously. Further, the step of acquiring an image as in step S1202 may be omitted, and information on the image obtained in step S1204 may be acquired from the detection results of the detection unit 100 acquired in each of a plurality of different postures.
- the first irradiation wave (153, 253) including the first terahertz wave (156, 256) and the second terahertz wave (157, 257) is the same as that shown in FIG.
- the image is formed on the subject 140 in a circular plane.
- the present invention is not limited to this, and the first irradiation waves 153 and 253 can be converged linearly.
- a shaping unit 854 is disposed on the optical axis (incident axis 250) of the irradiation optical system 211 between the irradiation optical system 211 and the subject 140, and the first irradiation wave 253 is generated.
- An irradiation wave 853 having a linear beam distribution can be obtained.
- the shaping unit 854 can be applied with an optical element in which the curvature of one axis of the irradiation optical system 211 or the imaging optical system 101 is different from that of the other optical system perpendicular to this axis.
- an optical element for example, a cylindrical lens or a cylindrical mirror Applicable.
- a cylindrical lens that transmits a terahertz wave is used as the shaping unit 853.
- the shape of the irradiation wave shaped by the shaping unit 853 is not limited to a linear shape, and may be a circular shape, a rectangular shape, or the like.
- the output of the terahertz wave irradiated on the observation region 160 can be increased. Therefore, the SN ratio of the terahertz wave acquired by the image acquisition apparatus 1006 is improved, and the gradation of the image of the subject acquired using the terahertz wave is improved.
- the image acquisition apparatus may include a scanning unit 990 that controls the posture of the shaping unit 854 as illustrated in FIG.
- the scanning unit 990 can scan the irradiation wave 853 in the scanning direction 991 by adjusting the elevation angle of the shaping unit 854.
- the reflection angle component of the terahertz wave emitted from each point light source reflected from the observation region 160 of the subject 140 can be increased, and a state closer to scattered light can be obtained.
- the image acquisition apparatus of this embodiment in the image acquisition apparatus using a terahertz wave, it is possible to reduce a decrease in pixels that can detect the terahertz wave. As a result, the proportion of pixels that cannot detect the terahertz wave decreases, and it can be expected that the shape of the subject can be easily estimated from the obtained terahertz wave image.
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Abstract
テラヘルツ波を用いて画像を取得する画像取得装置１００１であって、テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面１１７に配置されている発生部１１２と、テラヘルツ波を被写体に照射する照射光学系１１１と、被写体で反射したテラヘルツ波を結像する結像光学系１０１と、複数の画素を含むセンサ１０２と、を有し、複数の発生素子は、被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子１１３と第２の発生素子１１４とを少なくとも含み、第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波１５６の前記被写体における照射領域と第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波１５７の前記被写体における照射領域とが、重複する重複領域を有する画像取得装置。
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いた画像取得装置及びこれを用いた画像取得方法、及び照射装置に関する。
テラヘルツ波は、典型的には０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚの範囲のうち任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この周波数帯域には、生体分子や樹脂をはじめとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。これに加え、可視光や赤外光と比較して波長が長いため、散乱の影響を受け難く、多くの物質に対し強い透過性を有している。また、ミリ波と比較して波長が短いため、空間分解能が高くなる。
これらの特徴を活かして、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術、ミリ波（典型的には３０ＧＨｚから３００ＧＨｚ）に替わる高分解能の透過イメージング技術、分光を伴うイメージング技術等への応用が期待されている。例えば、公共の場所でのボディチェックや監視カメラ等の秘匿物検査技術への応用が検討されている。
特許文献１には、テラヘルツ波照射装置を用いた画像取得装置として、点光源とみなせるテラヘルツ波の発生素子からのテラヘルツ波ビームを被写体に拡大照射し、複数の検出器アレイでテラヘルツ波を受信する形態が記載されている。
本発明の一側面としての画像取得装置は、テラヘルツ波を用いて被写体の画像を取得する画像取得装置であって、テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、前記発生部からのテラヘルツ波を結像面に結像する照射光学系と、前記被写体で反射したテラヘルツ波を結像する結像光学系と、複数の画素を含み、前記結像光学系からのテラヘルツ波を検出するセンサと、を有し、前記発生部は、前記照射光学系の物体面に配置されており、前記複数の発生素子は、前記発生部において隣り合っており且つ前記被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波のビームと前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波のビームとが、前記結像面において重複する重複領域を有することを特徴とする。
人体の皮膚構造は、数１０μｍから数１００μｍの凹凸を有する。これに対しテラヘルツ波の波長は、数１０μｍから数１００μｍと皮膚構造と同等か、または大きな値を示す。このため、被写体に人体が含まれる場合、テラヘルツ波を用いたイメージングは、可視光に代表される散乱を用いた散乱イメージングではなく、正反射を用いた正反射イメージングとなる。より詳細には、テラヘルツ波に対し人体の皮膚構造は滑らかな反射物とみなせることができ、人体が有する曲面に対するテラヘルツ波の入射位置及び角度によって、テラヘルツ波の正反射波の方向が決定される。
例えば、特許文献１に記載されるような点光源を利用してテラヘルツ波を照射する画像取得装置を用いて人体のイメージングを試みると、テラヘルツ波の正反射波の方向によっては、テラヘルツ波の正反射波が検出器アレイに到達しないことがある。そのため、画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素と検出できない画素が発生することがある。テラヘルツ波を検出できない画素の割合が多くなるに従い被写体の形状に関する情報が少なくなるため、取得した画像から被写体の詳細な形状を推定することは容易ではない。
かかる課題を鑑み、以降の各実施形態は、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することを目的とする。
以降の各実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。
以降の各実施形態は、テラヘルツ波を照射するための照射装置及びこれを用いた画像取得装置について記載する。まず、テラヘルツ波について説明する。
図１３は、マイクロ波からテラヘルツ波帯における地球に飛来する太陽由来の背景雑音（放射束密度）と、テラヘルツ波帯の大気減衰量の周波数スペクトルの例を示したものである。背景雑音のうち、マイクロ波帯からミリ波帯にかけて観測される盛り上がり部分の雑音は、太陽活動の状態によって変化する。図１３に示すように、マイクロ波帯からミリ波帯では、背景雑音が増加する場合がある。さらにマイクロ波帯からミリ波帯では、人間の活動に伴う人工的な雑音、及び天候や大気の状態に伴う雑音類が、環境雑音として重畳される。
近年、ミリ波帯を中心とした通信技術や、ミリ波帯の電磁波を使用した電波天文観測が盛んになっていることから、電波法により、０．２７５ＧＨｚより低い周波数帯は利用目的が細かく割り当てが行われている。また、天体観測にも使用される帯域であるため、ミリ波帯は電波法により、出力できる電界強度に強い制限を設けている。
ミリ波を用いた画像取得装置を構築する場合、背景雑音の増加及び利用可能なミリ波の出力制限のため、信号のＳＮ比が小さく、乗算器を用いた周波数変換技術を用いた検出を行うことが多い。また、使用する電磁波の波長が長いため、イメージセンサを含む光学系が大きくなり、電気的にも光学的にも画像取得装置が大型化する恐れがある。用途によっては、十分なＳＮ比が確保できず、イメージセンサの画素サイズを大きくする必要があるため、得られる画像は被写体の全体的な輪郭にとどまり、被写体の詳細な形状を直接的に判別することは難しいことがある。
ミリ波カメラの画像をより高精細にするため、テラヘルツ波を用いた画像取得装置が考えられる。テラヘルツ波を用いた画像取得装置では、ミリ波よりも高い出力の光源を用いることができること、利用可能な周波数の選択性が高いこと、波長が短くなることで装置を小型化できること等が期待できる。
また、図１３のテラヘルツ波帯の大気減衰量のスペクトルをみても分かるように、部分的に大気減衰が小さい領域（「大気の窓」と呼ぶ）があるため、大気の窓に相当する電磁波を選択することで大きな信号の減衰を回避できると考えられる。
以降の各実施形態では、このようなテラヘルツ波を用いた画像取得装置と画像取得方法、及び画像取得装置に用いる照射装置について述べる。以降の各実施形態は、上述したように、正反射イメージングとなるテラヘルツ波の画像取得装置であっても、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することを目的とする。このような課題は、ミリ波を用いた画像取得装置でも潜在的に発生している。しかし、被写体全体の輪郭のイメージングを行うミリ波を用いた画像取得装置よりも高分解能なテラヘルツ波を用いた画像取得装置を用いて、被写体の形状をより高精度にイメージングする際に、より顕在化する課題である。
（第１の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００１について、図１を参照して説明する。図１は、画像取得装置１００１の構成を説明する模式図である。
本実施形態の画像取得装置１００１について、図１を参照して説明する。図１は、画像取得装置１００１の構成を説明する模式図である。
画像取得装置１００１は、検出部１００、第１の照射装置（第１の照射部）１１０、第２の照射装置（第２の照射部）１２０、第１の支持部１１８、第２の支持部１１９、モニタ部１３０、及び処理部１７０、を有する。
第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０のそれぞれは、テラヘルツ波を被写体１４０に照射する。なお、本実施形態では、画像取得装置１００１が第１の照射部１１０と第２の照射部１２０との２つの照射部（照射装置）を有しているが、照射部の数はこれに限らず、１つでもよいし２つ以上であってもよい。第１の照射部１１０から発生するテラヘルツ波は第１の照射波１５３として被写体１４０に照射される。また、第２の照射部１２０から発生するテラヘルツ波は、第２の照射波１５４として被写体１４０に照射される。
第１の照射波１５３、第２の照射波１５４のそれぞれからのテラヘルツ波の周波数は、周波数の割り当てが行われていない０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有するか、単一の周波数であることが好ましい。被写体１４０として人体を含む場合、多くの衣服類は１ＴＨｚまで高い透過性を有するため、秘匿物の検査等に用いる場合には０．３ＴＨｚ以上１ＴＨｚ以下の周波数範囲がより好ましい。
第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０のそれぞれは、テラヘルツ波を発生する発生部１１２と照射光学系１１１とを少なくとも有する。なお、以降の説明では、第１の第１の照射部１１０について説明するが、第２の照射部１２０についても同様の構成である。
発生部１１２は、テラヘルツ波を発生する第１の発生素子１１３、第２の発生素子１１４を含む複数の発生素子を有し、複数の発生素子が配置面１１７に沿って配置されている面光源である。
複数の発生素子のそれぞれは、その大きさが検出部１００までの距離に比べて小さく、点とみなせるテラヘルツ波源とみなすことができ、以降、これを点光源と呼ぶ。これを換言すると、検出部１００が画像として分解できる大きさと同程度か、この大きさよりも小さいテラヘルツ波源である。この場合、点光源から発生するテラヘルツ波は、１点から放射状に発生するとみなせる。配置面１１７については、後述する。以降の説明では、第１の発生素子１１３及び第２の発生素子１１４を含む複数の発生素子のそれぞれを「点光源」、複数の発生素子を有する発生部を「面光源」と呼ぶ。
複数の点光源のそれぞれは、共鳴トンネルダイオードのような半導体素子型のテラヘルツ波発生素子、又は光スイッチング、差周波光を利用する光励起型のテラヘルツ波発生素子等が適用できる。
また、複数の点光源のそれぞれは、大気とのインピーダンス整合やテラヘルツ波の発生効率改善のため、アンテナ構造を有していることが望ましい。アンテナの大きさは使用する波長と同程度に設計される。
以降の説明では、具体例として、複数の点光源に含まれる第１の点光源１１３と第２の点光源１１４について説明する。第１の点光源１１３は、第１のテラヘルツ波１５６を発生する点光源であり、第２の点光源１１４は、第２のテラヘルツ波１５７を発生する点光源である。第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とは、互いの照射領域の一部が重なり合う重複領域を有するように構成されている。
この場合、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間の距離は、第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７に含まれる波長のうちの最長波長から求められる距離以上となるように配置されることが好ましい。具体的には、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間の距離は、第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７に含まれる波長のうちの最長波長に対応するアンテナの遠方界以上の長さとなるように配置される。なお、第１のテラヘルツ波１５６の波長と第２のテラヘルツ波１５７の波長とは、同じであっても異なっていてもよい。
ここで、本明細書における「遠方界」とは、点光源１１３、１１４のそれぞれが孤立しているとみなせる距離である。遠方界には様々な表現方法があるが、例えば、アンテナ径をＤ、テラヘルツ波の波長をλとすると、２Ｄ２／λ以上の距離である。より好ましくは、無限遠とみなせる３２Ｄ２／λ程度に各点光源を離して配置することが望ましい。第２の点光源１１４を第１の点光源１１３の遠方界に相当する位置に配置することで、各点光源を独立した光源とみなすことができ、点光源間の相互作用の影響が無視できるため動作が安定化する。
例えば、点光源１１３、１１４のアンテナとしてダイポールアンテナやパッチアンテナのような半波長アンテナ（Ｄ＝λ／２）を使用する場合、遠方界は、０．５λ以上と計算できる。特に、無限遠とみなせる距離は８λ以上と計算できる。第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７が０．５ＴＨｚ（λ＝０．６ｍｍ）のテラヘルツ波である場合、遠方界は０．３ｍｍ、無限遠とみなせる距離は４．８ｍｍである。使用するテラヘルツ波が複数の波長を有する場合、λはテラヘルツ波の最長波長とする。
照射光学系１１１は、テラヘルツ波を被写体に照射する光学系である。本実施形態の照射光学系１１１は、結像機能を有し、詳細には、照射光学系１１１の物体面１１６に配置した面光源１１２から発生した第１の照射波１５３を、照射光学系１１１の結像面１１５に収束させる。物体面１１６は、照射光学系１１１の物体側の結像面である。なお、第１の照射波１５３は、少なくとも第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７を含むテラヘルツ波の集合波である。集合波に含まれるテラヘルツ波は、面光源１１２を構成する点光源の数だけ存在する。
照射光学系１１１としては、レンズのような透過型の光学素子又はミラーのような反射型の光学素子等を１つ又は複数組み合わせて構成することができる。例えば、図１の画像取得装置１００１では、直線１５０を光軸とする照射光学系１１１を１枚のレンズで構成している。照射光学系１１１としてレンズを用いる場合、レンズの材料は、使用するテラヘルツ波に対する損失が小さいものを使用することが好ましい。例えば、テフロン（登録商標）や高密度ポリエチレン（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）が挙げられる。照射光学系１１１の設計は、可視光の手法が適用できる。
照射光学系１１１の構成は、上述の透過型のものに限らず、例えば図２のように、照射光学系１１１として、ミラーを用いる反射型の照射光学系２１１を用いてもよい。図２の画像取得装置１００２の照射光学系２１１は、各点光源からのテラヘルツ波を反射するミラーとして、直線２５０を光軸とする軸外し放物面形状を有するミラーを用いている。ただし、ミラーの構成はこれに限定されない。
なお、画像取得装置１００２では、照射光学系２１１の構成に合わせて、面光源２１２は、物体面２１６と交差する配置面２１７に複数の点光源を配置している。照射光学系２１１を経た第１の点光源１１３からの第１のテラヘルツ波２５６と第２の点光源１１４からの第２のテラヘルツ波２５７とを含む第１の照射波２５３が結像面２１５で結像され、被写体１４０に照射される。第２の照射部２２０も同様の構成であり、第２の照射部２２０からの第２の照射波２５４が被写体１４０に照射される。
照射光学系１１１として図１のような透過型の光学素子を用いると、面光源１１２と照射光学系１１１を同軸上に配置できる。このため、各照射部１１０、１２０の構築時に、アライメントの精度確保が容易になる。また、同軸上に配置することで、設置スペースを小さくすることができ、照射部１１０、１２０が小型化できる。
照射光学系１１１として、図２のような反射型の光学素子を用いると、テラヘルツ波が光学素子を透過する際の損失を低減でき、第１の照射波１５３及び第２の照射波１５４の出力の減少を低減できる。また、透過型にくらべ、反射型の光学系は大型化が容易であるため、照射光学系１１１のテラヘルツ波受光面積を大きくすることができ、テラヘルツ波の取り込み効率を向上することができる。
検出部１００はテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波用のカメラである。画像取得装置１００１では、第１の照射部１１０と第２の照射部１２０のそれぞれは、第１の支持部１１８、第２の支持部１１９を用いて検出部１００に固定され、一体化している。第１の支持部１１８と第２の支持部１１９とのそれぞれは、第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０の姿勢を調整するための姿勢調整用可動部を有していてもよい。
検出部１００は、複数の画素に区切られたセンサ１０２と、センサ１０２の撮像面にテラヘルツ波である被写体１４０からの反射波１５５を結像させる結像光学系１０１と、を有する。反射波１５５は、被写体１４０で反射した第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とを含む。
センサ１０２の各画素はアレイ状又はマトリクス状に区画されており、各画素に対しテラヘルツ波を検出する検出素子が配置される。複数の検出素子は、ボロメータのような熱型の検出素子、又はショットキーバリアダイオードのような半導体型の検出素子等が適用できる。センサ１０２の出力信号を参照してテラヘルツ波画像が構成される。
大気とのインピーダンス整合やテラヘルツ波の検出効率の向上のため、センサ１０２の検出素子のそれぞれは、アンテナ構造を有することが望ましい。アンテナの大きさは、画像取得装置１００１で使用する波長と同程度に設計される。画像を高速に取得することが求められる場合、検出素子として半導体型の検出素子を用いることが望ましい。
結像光学系１０１は、結像光学系１０１の物体面に配置された被写体１４０の像をセンサ１０２に結像する光学系であり、レンズ、ミラー等の光学素子を用いることができる。なお、画像取得装置１では結像光学系１０１として直線１５１を光軸とする１枚のレンズを用いているが、結像光学系１０１の構成はこれに限らず、複数の光学素子を用いてもよい。レンズで構成する場合、使用するテラヘルツ波に対する損失が小さい材料を用いることが好ましい。例えば、テフロンや高密度ポリエチレン（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）が使用できる。結像光学系１０１の設計は、可視光の手法が適用できる。
被写体１４０からの反射波１５５は、検出部１００で検出され、検出部１００の検出結果は処理部１７０に送られる。処理部１７０は、検出部１００の検出結果を用いて画像を取得する。処理部１７０としては、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータ等の処理装置を用いることができる。可視化に係る処理は、処理部１７０においてソフトウェアで処理してもよいし、処理部１７０の処理の一部の機能を論理回路などのハードウェアで代替することもできる。なお、処理部１７０は汎用のコンピュータで構成してもよいし、ボードコンピュータやＡＳＩＣのような専用のハードウェアで構成してもよい。また、処理部１７０は検出部１００内部に搭載されていてもよい。
処理部１７０で形成された画像情報に基づき、モニタ部１３０で被写体の画像を表示することができる。なお、モニタ部１３０は、処理部１７０としてのコンピュータのモニタであってもよいし、画像を表示するために用意されたものでもよい。
図１Ｂは、照射光学系１１１の結像面１１５の一部の様子を示す模式図である。結像面１１５では、結像面１１５に収束される第１のテラヘルツ波１５６の第１のビーム分布（第１の照射領域）１５８の一部と第２のテラヘルツ波１５７の第２のビーム分布（第１の照射領域）１５９の一部とが重複する重複領域を有する。面光源１１２は、第１のビーム分布１５８の一部と第２のビーム分布１５９の一部とが重複するよう、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔や配置が調整されていることが好ましい。
このような構成にすることにより、被写体１４０の領域に対し、第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とが異なる方向から照射される。その結果、第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とのそれぞれは、被写体１４０で入射角度に等しい反射角度で反射し、それぞれ被写体１４０に対して異なる方向に伝搬する。このことにより、被写体４０の領域から反射する第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７を疑似的に散乱波とみなすことができるようになる。
このとき、結像面１１５では、第１のビーム分布１５８と第２のビーム分布１５９との重複領域と、センサ１０２の複数の画素のうちの少なくとも１つの画素に対応する結像面１１５での観察領域１６０と、が重なっていることが望ましい。
これにより、検出部１００のセンサ１０２の各画素は、観察領域１６０について複数の方向からの正反射光を取り込むことができるためテラヘルツ波を検出できない画素の割合を下げることが可能となる。その結果、検出部１００の検出結果を用いて、従来よりも正確な画像を得ることができる。また、得られた画像から被写体１４０の形状を推定することが従来よりも容易となる。
複数の点光源は、配置面１１７に沿って配置される。配置面１１７は平面でもよいし曲面を有していてもよい。また、配置面１１７は、照射光学系１１１の物体面１１６と同じ面でもよいし、交差していてもよい。第１の照射部１１０は、配置面１１７の形状や物体面１１６に対する配置面１１７の姿勢を調整することにより、各点光源と照射光学系１１１との距離を調整し、被写体１４０に照射するテラヘルツ波の収差を調整する。テラヘルツ波の収差の調整により、点光源からのテラヘルツ波のビーム分布の重複領域を調整し、観察領域１６０との重なり具合を調整することを可能とする。
ここで、照射光学系１１１は有限の大きさであるため、配置面１１７の形状や物体面１１６に対する配置面１１７の姿勢によっては、照射光学系１１１の光学素子によってテラヘルツ波の一部がけられる、いわゆるケラレが発生する可能性がある。このケラレにより、例えば、被写体１４０に到達するテラヘルツ波の出力が低下する可能性がある。このようなケラレを低減するために、図３のように、点光源３１３、３１４を含む複数の点光源のそれぞれから放射されるテラヘルツ波のビームパターン（放射パターン）の指向軸と、照射光学系３１１の光軸とが一点で交わるように構成することが好ましい。
なお、本明細書における点光源の指向軸とは、点光源からのテラヘルツ波の指向特性の中心軸であり、具体的には、点光源から最も強度が大きいテラヘルツ波が射出される方向を示す直線である。例えば、点光源の重心を中心として、半径が異なる複数の同心円上においてテラヘルツ波の強度が最も強い位置を結んだ直線等である。
例えば、図３に示したように、面光源３１２に含まれる点光源３１３の放射パターン３６０の指向軸３６１と、点光源３１４の第２の放射パターン３６２の第２の指向軸３６３と、照射光学系３１１の光軸と、は同じ位置で交わるように配置されている。このような配置により、各点光源から発生するテラヘルツ波を照射光学系３１１の光学的に有効な領域内部に収めることができる。そのため、照射光学系３１１によるケラレを低減し、被写体１４０に到達するテラヘルツ波の出力低減を抑制することができる。
なお、本実施形態では、指向軸３６１と照射光学系３１１の光軸とが交わる位置と、指向軸３６３と照射光学系３１１の光軸とが交わる位置と、が同じ位置になっているが、この構成に限らない。すなわち、指向軸３６１、３６３のそれぞれは、互いに異なる位置で照射光学系３１１の光軸と交わっていてもよい。
また、複数の点光源のそれぞれからのテラヘルツ波は、被写体１４０に対し同時に照射することが望ましい。また、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の出力を変調する場合、両点光源は同期して被写体１４０に照射される出力が切替えられることが望ましい。
図１０Ｂと図１０Ｃは、図２の画像取得装置１００２における結像面２１５に結像される面光源２１２からの複数のテラヘルツ波のビームパターンを幾何光学的に計算した例である。具体的には、面光源２１２を構成する複数の点光源を開始点として、結像面２１５までの光線を追跡した。
図１０Ａは、計算に使用した面光源２１２を構成する点光源の配置を説明する図である。面光源２１２は、面光源２１２の中心部に間隔ｄで配置されている点光源［１］～［９］と、面光源２１２の外周に沿って配置されている点光源［１０］～［１７］とを有するものと仮定し、計算に使用した。中心部の点光源［１］～［９］は、テラヘルツ波のビーム分布の重なりを確認するために使用し、外周部の点光源［１０］～［１７］は、収差によるビーム分布の最大広がりを確認するために使用する。
計算の簡略化のため、ここでは、面光源２１２が、中心部に配置されている９つの点光源［１］～［９］と外周部に配置されている８つの点光源［１０］～［１７］とを有しているが、点光源の個数や配置する位置はこれに限定されない。例えば、間隔ｄで点光源をマトリクス状に配置する場合、面光源２１２の外周の一辺の長さをＬとする時、面光源２１２は、（Ｌ／ｄ＋１）×（Ｌ／ｄ＋１）の点光源を有してもよい。
計算に用いた条件を示す。図１０Ａは、面光源２１２の一辺の長さＬを１００ｍｍとした。テラヘルツ波として、０．５ＴＨｚの周波数を対象とする場合、波長λは０．６ｍｍである。点光源のアンテナとして半波長アンテナを用い、アンテナ径Ｄを０．３ｍｍとした。この時の、アンテナの遠方界は０．３ｍｍ（λ／２）以上であり、無限遠とみなせる遠方界は４．８ｍｍ（８λ）以上である。
照射光学系２１１としては、一般的な衛星放送用のパラボラアンテナを用いるものとする。パラボラアンテナの開口部分の長手方向の長さを５２０ｍｍ、短手方向の長さを４６０ｍｍ、開口部から底部までの深さを５０ｍｍとした。パラボラアンテナの軸上焦点距離は２３４ｍｍ、軸外し角度は５５．６度、軸外焦点距離は２９９ｍｍとした。
照射光学系２１１としてのパラボラアンテナの軸外焦点は、面光源２１２から照射光学系２１１に至るテラヘルツ波の入射軸２５０上に存在する。また、照射光学系２１１の開口部の傾きは、入射軸２５０に対し、６２．２度である。入射軸２５０は、幾何光学的には光軸に相当する。物体面２１６は、入射軸２５０に対し垂直な面である。物体面２１６は、入射軸２５０に沿う方向に配置される。詳細には、物体面２１６は、軸外焦点位置に対し照射光学系２１１から離れる方向に約８５ｍｍの位置に配置する。面光源２１２は、物体面２１６と配置面２１７とが交差するように、物体面２１６付近に配置される。なお、配置面２１７と物体面２１６とを同じにしてもよい。
このような第１の照射部２１０を用いると、第１の照射波２５３は、照射光学系２１１より約１３４０ｍｍの位置に結像され、テラヘルツ波が被写体１４０に照射される。上述したように、面光源２１２の外周の一辺の長さＬを１００ｍｍとする時、被写体１４０に照射される第１の照射波２５３は、約３５０ｍｍ×３５０ｍｍとなる。計算では、パラボラアンテナの開口部の有効径は８０％とした。なお、第２の照射部２２０は、第１の照射部２１０と同じ構成である。
図１０Ｂは、点光源の間隔ｄをアンテナに対し無限遠とみなせる距離４．８ｍｍ（８λ）としたときの、面光源２１２の中心部分の点光源［１］～［９］のそれぞれからのテラヘルツ波の結像面２１５におけるビーム分布を計算したものである。ここで、横軸（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ／ｍｍ）は図２におけるＸ方向に相当し、縦軸（Ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｍｍ）は図２におけるＹ方向に相当する。
図１０に示したように、各テラヘルツ波のビーム分布は、パラボラアンテナの収差の影響で上に凸の形状に拡がっている。また、中心に配置されている点光源［５］からのテラヘルツ波のビームに対し、点光源［５］の周囲の点光源［１］～［４］、［６］～［９］からのテラヘルツ波のビームが重複していることが確認できる。これにより、反射波１５５を疑似的に散乱光として扱うことが可能となる。この重複部分に検出部１００のセンサ１０２の画素の観察領域１６０を重ねることで、重複部分で反射した疑似的な散乱波である反射波１５５を検出することができる。
ここで、結像光学系１０１として外径１２０ｍｍ、曲率半径約１００ｍｍのレンズを用い、センサ１０２と結像光学系１０１との距離を２２４ｍｍと仮定する。この時、結像光学系１０１と被写体１４０との距離は約１２００ｍｍであり、第１の照射部２１０と被写体１４０との距離とほぼ等しくすることができる。センサ１０２の画素サイズを、面光源２１２の波長程度の０．５ｍｍとすると、観察領域１６０のサイズは、約２．６ｍｍとなる。図１０Ｂをみても、各ビーム分布の重複領域（図１０中に円で示した領域）は、観察領域１６０のサイズよりも大きい。そのため、重複領域は観察領域１６０を含むことができることがわかる。なお、結像光学系１０１の形状は非球面を有していてもよい。
図１０Ｃは、点光源の間隔ｄを１９．２ｍｍ（３２λ）としたときの、点光源［１］～［１７］のそれぞれからのテラヘルツ波のビーム分布の計算結果を示す図である。図中の番号は、計算に使用した図１０Ａの点光源の番号に対応する。図１０Ｃによると、中心に配置されている点光源［５］からのテラヘルツ波のビームと、点光源［５］の周囲の点光源［１］～［４］、［６］～［９］からのテラヘルツ波のビームとが、２か所で重複していることが確認できる。詳細には、点光源［５］からのテラヘルツ波のビームと、点光源［４］、［６］のそれぞれからのテラヘルツ波のビームとが重複している。
面光源２１２の外側部分の点光源［１０］～［１７］からのテラヘルツ波のビーム分布は、照射光学系２１１の収差の影響により中心部の点光源［１］～［９］のビーム分布と比較して大きく分布していることがわかる。このため、より多くの点光源のビーム分布を観察領域１６０に重複させることが可能となる。
ここで、隣接する点光源からのテラヘルツ波の重複率について説明する。本明細書における「重複率」とは、中心に配置されている点光源と隣接する点光源からのテラヘルツ波のビームの数Ａに対する、中心部のビームと重複する領域の数Ｂの比Ｂ／Ａであり、隣接ビーム分布が重なる割合である。点光源の間隔ｄが距離４．８ｍｍ（８λ）である図１０Ｂの態様では、重複率は１である。点光源の間隔ｄが距離１９．２ｍｍ（３２λ）である図１０Ｃの態様では、重複率が０．２５である。
図１１は、面光源２１２の中心部分について、隣接する点光源の間隔ｄに対する隣接ビームの重複率をプロットしたものである。図１１に示したように、無限遠とみなせる遠方界８λまでは、隣接する点光源からのテラヘルツ波のビームはすべて重なり、８λを超えるとビームが重なる割合が減少することが分かる。そして、３２λを超えるとほとんどのビームが重ならなくなり、３６λで各ビーム分布が孤立する。
以上のことから、テラヘルツ波帯において疑似散乱光を形成するために望ましい第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間隔は、波長λで規定する遠方界の値で定義できることが分かる。具体的には、図１０Ｃより、テラヘルツ波の波長領域においては、疑似散乱光を形成するためには、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔ｄは、０．５λ以上３６λ以下であることが望ましい。より望ましくは、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔ｄは、０．５λ以上８λ以下である。なお、照射部２１０、２２０及び検出部１００の構成は、上述の構成に限定されるものではなく、画像取得装置に使用する部品、及び観察する被写体１４０の形状に合わせて適宜設計される。
このような構成により、被写体に対し、複数の方向からテラヘルツ波を照射することで、カメラのセンサを構成する各画素は、複数の方向からの正反射光を取り込むことができる。このことにより、観察領域から反射するテラヘルツ波を疑似的に散乱光とみなすことができる。このため、テラヘルツ波を検出できない画素の割合を下げることができる。そのため、テラヘルツ波を用いた取得した画像の分解能が向上し、被写体の形状の推定が容易となることが期待できる。
（第２の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００３について、図４を参照して説明する。図４は、画像取得装置１００３の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００３は、第１の実施形態の画像取得装置１００２と照射部４１０、４２０の配置が異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図４において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の画像取得装置１００３について、図４を参照して説明する。図４は、画像取得装置１００３の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００３は、第１の実施形態の画像取得装置１００２と照射部４１０、４２０の配置が異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図４において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
第１の実施形態の画像取得装置１００１、１００２では、照射部１１０、１２０、２１０、２２０と検出部１００とは、第１の支持部１１８及び第２の支持部１１９により一体化されていた。それに対し、本実施形態の画像取得装置１００３では、第１の照射部４１０は第１の保持部４１８で保持されており、検出部１００とは独立に配置されている。また、第２の照射部４２０は第２の保持部４１９で保持されており、検出部１００とは独立に配置されている。第１の保持部４１８と第２の照射部４２０は、第１の照射部４１０と第２の照射部４２０の姿勢を保持することに加え、姿勢を調整する姿勢調整機構を有していてもよい。
本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。
また、本実施形態のような構成によれば、画像取得装置１００３は、第１の照射部４１０及び第２の照射部４２０の配置の自由度が向上するため、画像取得装置の適用範囲を広げることができる。
（第３の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００４の構成について、図５を参照して説明する。図５は、画像取得装置１００４の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００４は、照射部５１０と検出部１００との位置関係が上述の実施形態と異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の画像取得装置１００４の構成について、図５を参照して説明する。図５は、画像取得装置１００４の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００４は、照射部５１０と検出部１００との位置関係が上述の実施形態と異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
具体的には、画像取得装置１００４の照射部５１０は、検出部１００の背部に配置されている。これを換言すると、結像光学系１０１と照射光学系５１１とは、面光源５１２を挟んで対向して配置されており、照射部５１０は、検出部１００の光軸と略同軸上に配置されている。
この時、照射部５１０の照射光学系５１１は反射型であることが望ましく、照射光学系５１１の有効な光学領域は、検出部１００の断面サイズよりも十分大きいことが望ましい。また、照射部５１０と検出部１００は一体化してもよく、分離して配置してもよい。このような構成によれば、画像取得装置１００４を小型化することができる。
本実施形態においても、照射部５１０の点光源からの第１のテラヘルツ波５５６と第２のテラヘルツ波５５７とが、照射光学系５１１の結像面において重複領域を有するように構成する。これにより、本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。
（第４の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００５について、図６を参照して説明する。図６は、画像取得装置１００５の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００５は、上述の実施形態の画像取得装置に、テラヘルツ波を走査する構成を加えたものである。ここでは、第１の実施形態の画像取得装置１００２に、テラヘルツ波を走査する機構を加えたものを一例として述べる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の画像取得装置１００５について、図６を参照して説明する。図６は、画像取得装置１００５の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００５は、上述の実施形態の画像取得装置に、テラヘルツ波を走査する構成を加えたものである。ここでは、第１の実施形態の画像取得装置１００２に、テラヘルツ波を走査する機構を加えたものを一例として述べる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
第１の実施形態の画像取得装置１００２は、テラヘルツ波を走査する機構を含まず、被写体１４０に照射するテラヘルツ波の方向はほぼ固定されている、又は不図示の姿勢制御部により照射部２１０、２２０の姿勢を制御して照射波の方向を変更する。それに対し、本実施形態では、第１の照射部２１０、第２の照射部２２０及び検出部１００の姿勢を一体に変更することにより、照射波を走査する走査部６９０を加える。そのため、被写体１４０に対するテラヘルツ波の入射角度及び照射範囲を変更することができる。センサ１０２の各画素の観察領域１６０に入射するテラヘルツ波の入射角度を変更できるため、観察領域１６０からのテラヘルツ波の反射角度も変更される。
走査部６９０としては、仰角や方位角（回転角）を調整する角度調整ステージ、又は、画像取得装置１００２の位置を調整する直動ステージ等が適用できる。本実施形態では、走査部６９０として、仰角を調整する回転ステージを用いる。図６Ａ、図６Ｂに示したように、走査部６９０により第１の照射部２１０、第２の照射部２２０及び検出部１００の姿勢を一体で調整することで、被写体１４０に対する第１の照射波２５３と第２の照射波２５４の照射位置及び照射角度を変更できる。
ここで、図６Ａの状態を第１の状態、図６Ｂの状態を第２の状態とする。画像取得装置１００５では、第１の状態における検出部１００の検出結果と、第２の状態における検出部１００の検出結果と、を取得して、それぞれの検出結果から画像を得る。それらの画像を合成することで、結果として各観察領域１６０から反射する各点光源からのテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができ、より散乱光に近い状態を得ることができる。
なお、走査部６９０の構成はこれに限るものではない。例えば、図７に示したように、走査部６９０として、第１の支持部１１８及び第２の支持部１１９のそれぞれに設けられた姿勢変更部７９０を用いることもできる。姿勢調整部７９０は、第１の照射部２１０、第２の照射部２２０の姿勢を変更する機構である。姿勢変更部７９０により、第１の照射部２１０及び第２の照射部２２０のそれぞれの仰角を変更・調整することで、第１の照射波２５３及び第２の照射波２５４を、走査方向７９１に走査する。このような姿勢変更部７９０は、第２の実施形態の画像取得装置１００３の、第１の保持部４１８、第２の保持部４１９の少なくとも一方に組み込む態様も可能である。
本実施形態の画像取得装置１００５を用いて画像を取得する方法を、図１２を参照して説明する。ここで、照射波の被写体１４０への入射角度は走査部６９０により調整され、少なくとも第１の入射角度と第２の入射角度とを含む。この入射角度の数は、測定者が必要に応じて設定することが可能で、また、測定モードに応じて予め決定されていてもよい。以降の説明では、第１の照射波２５３に着目して説明するが、その他の照射波でも同様の処理を行えばよい。
測定が開始されると、走査部６９０は、被写体１４０に対する照射波２５３の入射角度が第１の入射角度になるように、姿勢を調整する（Ｓ１２０１）。そして、この状態で、被写体１４０に照射波２５３を照射し、被写体１４０からの反射波１５５を検出部１００で検出した検出結果を用いて第１の画像を取得する（Ｓ１２０２）。第１の画像のデータＤ１２０１は、処理部の記憶手段に記憶される。次に、走査部６９０は、被写体１４０に対する照射波２５３の入射角度が第２の入射角度になるように姿勢を調整する（Ｓ１２０３）。
この状態で、被写体１４０に照射波２５３を照射し、被写体１４０からの反射波１５５を検出部１００で検出した検出結果を用いて第２の画像を取得する（Ｓ１２０４）。この第２の画像のデータＤ１２０２は、処理部の記憶手段に記憶される。この処理を、設定した入射角度の数だけ行い、複数の画像を取得する。
その後、処理部は、不図示の記憶部に記憶された第１の画像のデータＤ１２０１と第２の画像のデータＤ１２０２を呼び出し、画像の合成処理を行う（Ｓ１２０５）。このような方法により、各観察領域１６０から反射するテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができるため、より散乱光に近い状態を得ることができる。この結果、テラヘルツ波を検出できない画素の割合を低下することができる。その結果、従来よりも分解能が高い画像を得ることができ、得られた画像から被写体の形状を容易に推定できることが期待できる。なお、合成した画像は、モニタ部１３０に表示することができる。
なお、本実施形態で説明した画像取得方法はその一例であり、各ステップの順は変更可能である。また、複数のステップを同時に行ってよい。さらに、ステップＳ１２０２のような画像を取得する工程を省略して、異なる複数の姿勢のそれぞれで取得した検出部１００の検出結果から、ステップＳ１２０４で得られる画像の情報を取得してもよい。
また、これまで説明した画像取得装置では、第１のテラヘルツ波（１５６、２５６）と第２のテラヘルツ波（１５７、２５７）とを含む第１の照射波（１５３、２５３）は、図１Ｂのように円形の平面状に被写体１４０に結像している。しかし、これに限らず、第１の照射波１５３、２５３を、線状に収束することも可能である。例えば、図８に示したように、照射光学系２１１と被写体１４０との間に、照射光学系２１１の光軸（入射軸２５０）上に整形部８５４を配置し、第１の照射波２５３を線状のビーム分布を有する照射波８５３とすることができる。
整形部８５４は、照射光学系２１１又は結像光学系１０１の一方の軸と、この軸に垂直な他方の光学系の軸の曲率が異なる光学素子が適用でき、例えば、シリンドリカルレンズやシリンドリカルミラーが適用できる。図８は、整形部８５３として、テラヘルツ波を透過するシリンドリカルレンズを用いている。なお、整形部８５３によって整形される照射波の形状は線状に限るものではなく、円状や四角形状等でもよい。
このように、テラヘルツ波である第１の照射波２５３のビーム形状を集束させ被写体１４０に照射することで、観察領域１６０に照射されるテラヘルツ波の出力を上げることができる。そのため、画像取得装置１００６が取得するテラヘルツ波のＳＮ比が向上し、テラヘルツ波を用いて取得した被写体の画像の諧調が改善する。
画像取得装置が上述の整形部８５４を有する場合、図９のように、整形部８５４の姿勢を制御する走査部９９０を有していてもよい。例えば、図９では、走査部９９０は、整形部８５４の仰角を調整することで、照射波８５３を走査方向９９１に走査することができる。
このような構成により、被写体１４０の観察領域１６０から反射する各点光源から照射されるテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができ、より散乱光に近い状態を得ることができる。これにより、本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。この結果、テラヘルツ波を検出できない画素の割合が下がるため、得られたテラヘルツ波画像から被写体の形状を推定することが容易となることが期待できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。また、上述の各実施形態の画像取得装置の各構成はお互いに組み合わせて使用できる。したがって、上述の各実施形態における様々な技術を適宜組み合わせて新たな画像取得装置を構成してもよく、そのような様々な組み合わせによる画像取得装置も本発明の範疇に属する。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
本願は、２０１６年１１月２８日提出の日本国特許出願特願２０１６－２３０６０６を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
Claims (17)
- テラヘルツ波を用いて画像を取得する画像取得装置であって、
テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、
前記発生部からのテラヘルツ波を被写体に照射する照射光学系と、
前記被写体で反射したテラヘルツ波を結像する結像光学系と、
複数の画素を含み、前記結像光学系からのテラヘルツ波を検出するセンサと、を有し、
前記複数の発生素子は、前記被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、
前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波の前記被写体における照射領域と前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波の前記被写体における照射領域とが、重複する重複領域を有する
ことを特徴とする画像取得装置。 - 前記重複領域は、前記照射光学系の結像面において前記複数の画素の少なくとも１つに対応する観察領域と重なっている
ことを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。 - 前記発生部の少なくとも一部は、前記照射光学系の物体面に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像取得装置。 - 前記配置面と前記物体面とは、交差する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記配置面は、曲面を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の画像取得装置。 - 前記第１の発生素子は、前記第１のテラヘルツ波の放射パターンの第１の指向軸と前記照射光学系の光軸とが交差するように配置されており、
前記第２の発生素子は、前記第２のテラヘルツ波の放射パターンの第２の指向軸と前記照射光学系の光軸とが交差するように配置されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記照射光学系と前記結像光学系とは、前記発生部を挟んで同軸上に配置されている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記複数の発生素子のうち隣り合う２つの発生素子のそれぞれからのテラヘルツ波に含まれる波長のうちの最長波長をλとすると、前記２つの発生素子の間隔は、０．５λ以上３６λ以下である
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記２つの発生素子の間隔は、０．５λ以上８λ以下である
ことを特徴とする請求項８に記載の画像取得装置。 - 前記第１の発生素子と前記第２の発生素子とは、隣り合って配置されている
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記被写体に入射する前記発生部からのテラヘルツ波の入射角度を、第１の入射角度から第２の入射角度に変更する走査部と、
前記第１の入射角度における前記検出部の検出結果と、前記第２の入射角度における前記検出部の検出結果とを用いて、前記被写体の画像を取得する処理部と、をさらに有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記照射光学系は、透過型の光学素子を含む
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記照射光学系は、反射型の光学素子を含む、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記発生部からのテラヘルツ波は、０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を含む
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - 前記発生部からのテラヘルツ波は、０．３ＴＨｚ以上１ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を含む
ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の画像取得装置。 - テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、
前記発生部からのテラヘルツ波を被写体に照射する照射光学系と、を有し、
前記複数の発生素子は、前記被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、
前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波の前記被写体における照射領域と前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波の前記被写体における照射領域とが、重複する重複領域を有する
ことを特徴とする照射装置。 - 第１の発生素子から第１のテラヘルツ波を発生する第１の発生ステップと、
第２の発生素子から第２のテラヘルツ波を発生する第２の発生ステップと、
前記第１のテラヘルツ波及び前記第２のテラヘルツ波を被写体に収束する収束ステップと、
前記被写体で反射した前記第１のテラヘルツ波及び前記第２のテラヘルツ波を結像する結像ステップと、
前記結像ステップで結像した前記第１のテラヘルツ波及び前記第２のテラヘルツ波を検出する検出ステップと、を有し、
前記第１のテラヘルツ波と前記第２のテラヘルツ波とが、前記被写体において重複する
ことを特徴とする画像取得方法。
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