JP3709439B2 - テラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はテラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置および方法に関するものである。特に、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示する、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示するようにした画像表示装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツ電磁波を利用することにより、Ｘ線では不可能なプラスチック等の物体の検出が可能である。そのため、空港の安全チェック等においてＸ線にかわるものとして利用可能なものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２はテラヘルツ電磁波分光により試料を画像化する方法を原理的に示したものである。図１２において、５、６、７、８は反射鏡である（５は半透鏡である）。２１はテラヘルツ電磁波発生器であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長によりＧａＡｓエピタキシャル膜を形成し、その上にダイポールアンテナ２３とコプラナー伝送路（ＡｕＧe ／Ｎi ／Ａu ）２４を配設したものである。２６は入射ビームであって、レーザによる光パルスである。２７は半透鏡を透過したパルス光Ａである。２８は半透鏡で反射して時間τだけ遅延されたパルス光Ｂである。２９はテラヘルツ電磁波発生器で発生したテラヘルツ電磁波である。４０は測定対象の試料である。５３は時間遅延部であって、半透鏡５で反射したパルス光を時間τだけ遅延させるものである。６１はロックイン・アンプであって、テラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号を信号処理するものである。６２は画像処理部であって、ロックイン・アンプ６１から出力される信号をもとに画像化のための処理をするものである。
【０００４】
図１２の構成の動作を説明する。テラヘルツ電磁波発生器２１のダイポールアンテナは直流バイアスされる。パルス光Ａがテラヘルツ電磁波発生器２１のダイポールアンテナ２３の間隙に照射されると、ダイポールアンテナ２３からテラヘルツ電磁波が発生し、反射鏡６で反射したテラヘルツ電磁波２９は試料４０に入射される。テラヘルツ電磁波２９は試料４０を通過することにより、試料の材質に応じて電界強度、伝搬位相が変化する。試料４０を通過したテラヘルツ電磁波はテラヘルツ電磁波受信器２２のダイポールアンテナで受信される。一方、時間τだけ遅延したパルス光Ｂがテラヘルツ電磁波受信器２２のダイポールアンテナの間隙部分を照射する。テラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号は、テラヘルツ電磁波２９の電界強度がパルス光Ｂでサンプリングされたかたちになるので時間τにおけるテラヘルツ電磁波２９の電界強度に応じた大きさをもつ信号である。試料４０をｘ−ｙ方向に走査しさらに、試料４０のｘ−ｙ平面の各点において遅延時間τを変化させることにより、試料４０のτに対応するｚ座標におけるｘ−ｙ面での画像を得ることができる。本願発明の発明者は粉体中の異物を観測する検査装置を開発した（特許文献２参照）。
【０００５】
従来、テラヘルツ画像装置で物体を観測する場合、その表示モードは、時間領域での波形、例えば、振幅モード、到着時間もしくはメインピークの幅（パルス幅モードと称する）で従来は物体の画像表示をしていた。
【０００６】
図９、図１０、図１１は、図１のシステムを利用して、従来の観測方法により約０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波で粉体中の物体を観測した例を示す。
【０００７】
図９は、様々な表示モードでの粉砂糖の中の二つの物体を示す。左側に卵殻があり、右側にプラスチックの破片がある。左上画像（ａ）は定時間モード（一定時刻の一画面データをもとに画像表示する）観測したものである。粉体中の物体を画像化する時、この表示モードには本質的問題がある。粉体は上部より下部において密度が高い傾向があり、そのためパルス到着時間に上下で違いがあり物体を明瞭に画像表示することができない。下部半分（ａ）において、物体の画像は大部分白くなっている。画像の上部は黒くなっている。画像上部と下部で、位相もしくは時間差は、ほぼ０．５ＴＨｚ電磁波の半サイクル、即ち１ｐｓ程度の違いがある。これは、パルスＴＨｚ電磁波は粉体の垂直密度分布および局所変動を研究する有効な手段になることを意味するが、粉体中の物体の画像化を難しくする。
【０００８】
図９（ｂ）は図９（ａ）と同じ測定値をもとに振幅モードで表示したものであり、各サンプル位置においてパルス振幅のピークをマップしたものである。二つの物体の存在を図９（ａ）における場合よりも明確に画像化している。卵殻の破片はプラスチック破片および周囲の粉体より黒っぽく見える。これは、テラヘルツ電磁波の強い吸収により透過光が減少したことによる。
【０００９】
左下の図９（ｃ）は時間遅延モードであって、パルス最大値の到着時間での表示モードを示す。上記の粉体密度の垂直変化を補償するために、上部と下部の時間差をもとに求めたオフセット面を使用した。卵殻はプラスチック破片よりかなり薄かったが（それぞれ約０．４ｍｍと１．５ｍｍ）、二つの物体が同じ程度のパルス遅延を生じた。これは、卵殻の屈折率がプラスチックの屈折率より大きい（それぞれ約２．７と１．６）ことを反映している。
【００１０】
図９（ｄ）はパルス最大値の幅による表示モードでの画像表示である。両物体は背景に比べて黒っぽくなり、これはパルス幅が減少したことを表している。この理由は、テラヘルツ電磁波の高周波成分が粉体を透過しにくいことによるものと考えられる（図３参照）。
【００１１】
図１０（ａ）、（ｂ）は、プラスチックの小片とガラスの小片をテラヘルツ電磁波により撮影したものである。上部にプラスチック小片があり下部にガラス小片がある。図１０（ａ）は振幅モードであり、図１０（ｂ）は時間遅延モードである。
【００１２】
図１１は、小麦粉の中のケーブルクランプの画像を示す。図１１（ａ）はケーブルクランプのスケッチである。図１１（ｂ）, （ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、テラヘルツ電磁波による振幅モード、時間遅延モードおよびパルス幅モードによる画像である。図１１（ｂ）と（ｃ）における物体の背景に対するコントラストは高く、これは、テラヘルツ電磁波のビームが通過するプラスチック材料の部分の量が多いことを表している。これは、堅いプラスチック材料で作られたクランプのフック（右側）に特によく表れている。クランプの本体（左側）は空洞があり、そのため側面と底部の壁により強いコントラストが生じている。その空洞の上部は開いている。本体部分の底部にある孔は直径１．５ｍｍであり、粉体を通過するテラヘルツ電磁波の光学的解像度より小さいものであるが、画像ではっきりとあらわれている。クランプの底部は、実際より厚く画像表示されている。その理由は、箱の中に粉体を一様に満たすようにサンプルを振ったため、クランプが図１１（ａ）のスケッチの状態から紙面の水平軸を中心に回転したためと考えられる。図１１（ｃ）の時間遅延モードにおけるクランプ本体の頂部と中の暗部は、本体の中空部がおそらく小麦で薄い密度で満たされていることを示している。これは、パルス幅モード（ｄ）において確認でき、そこでは、周囲の小麦粉と同じようにパルス幅が減少している。
【特許文献１】
特表２０００−５１４５４９号公報
【特許文献２】
特開２００１−６６３７５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像表示装置は、物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅変化もしくは伝搬位相の変化量等をもとに、時間領域で振幅モード、時間遅延モード、パルス幅モード等で画像表示していた。そのようなモードでは、厚さおよび材質の異なる複数の物体の違いを厚さにかかわりなく材質の違いのみで表示することはできなかった。あるいは、物体の厚さの相違がはっきりとわかるように画像表示することはできなかった。
【００１４】
本発明は、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示する、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示するようにした画像表示装置および方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のテラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置は、物体にテラヘルツ電磁波を照射する照射手段と、物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信して電気信号に変換する受信手段と、該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と通過しないテラヘルツ電磁波の振幅を取得する手段と、伝搬時間の時間差を取得する手段と、該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の厚さに依存しないパラメータを求める手段と、物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータを求める手段の少なくとも一方の手段と、該パラメータに基づいて画像表示する画像表示手段とを備える。
【００１６】
また本発明のテラヘルツ電磁波による物体の画像表示方法は、物体にテラヘルツ電磁波を照射し、物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信し、該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と該物体を通過しないテラヘルツ電磁波の振幅および伝搬時間の時間差を取得し、該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の厚さに依存しないパラメータ、および物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータの少なくとも一方のパラメータを求め、該パラメータに基づいて画像表示する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、テラヘルツ電磁波を利用して粉体の物理的状態を観測するための実施の形態を示す。図１において、１は気密容器であって、テラヘルツ電磁波発生器２１、テラヘルツ電磁波受信器２２、凹面反射鏡１、凹面反射鏡２、凹面反射鏡３、凹面反射鏡４および試料４０を収納しているものである。テラヘルツ電磁波は水蒸気による吸収のため減衰が大きいのでできるだけ減衰の少ない状態で測定結果を得るためのものである。必要に応じて真空ポンプで真空にする。
【００１８】
２は励起光源であって、半導体レーザ等である。３はレーザ光源であって、励起光源２の励起光により駆動されてパルスレーザ光を発生するものであり、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ等である。レーザ光源３は７８０〜８００ｎｍ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓのパルス光を出力する。電気的駆動部５１により駆動されて、繰り返し周波数として、例えば１ｋＨｚでそのパルス光を発生する。
【００１９】
４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２は反射鏡であって、レーザ光源３で発生するレーザ光を反射するものである（５は半透鏡である）。３１、３２、３３、３４はそれぞれ凹面反射鏡１、凹面反射鏡２、凹面反射鏡３、凹面反射鏡４であって、軸はずし放物面鏡である。凹面反射鏡１はテラヘルツ電磁波発生器２１に焦点が合わされている。凹面反射鏡２、凹面反射鏡３は試料４０に焦点が合わされている。凹面反射鏡４はテラヘルツ電磁波受信器２２に焦点が合わされている。
【００２０】
２１はテラヘルツ電磁波発生器（テラヘルツ電磁波発生手段）であり、パルスレーザ光を受光してテラヘルツ電磁波を発生するものである。２２はテラヘルツ電磁波受信器（テラヘルツ電磁波受信手段）であって、テラヘルツ電磁波を照射された時に入射電界強度に応じた電気信号を発生するものである。１５はチョッパー（分周手段）であって、レーザ光源３から出力される光パルスをチョップするもので、例えば、１ｋＨｚの繰り替し周波数のパルスレーザ光を５００Ｈｚのパルス光Ａに変換するものである。チョッパーの代わりにシェーカ等により光パルスの光路長を低周波の振動数で変調する変調手段でもよい。
【００２１】
４０は試料であって、測定対象の物体が粉体中に埋もれているものであり、容器に収納されているものである。試料４０の容器の材料はテラヘルツ電磁波の吸収の小さいものであればどのようなものでも良く、例えばテラヘルツ電磁波を吸収しないプラスチックの容器で良い。５１は電気的駆動部であって、レーザ光源３およびチョッパー駆動部５２を電気的に駆動するものである。例えば、レーザ光源３から出力されるフェムト秒の光パルスを１ｋＨｚ周期で出力するように駆動するものである。５２はチョッパー駆動部であって、チョッパー１５を駆動するものである。チョッパー駆動部５２はレーザ光源３の出力に同期するように動作するものであって、例えば、電気的駆動部５１が１ｋＨｚ周期で光パルスを出力するようにレーザ光源３を駆動している時、チョッパー１５がパルス光Ａを５００Ｈｚでチョップするように駆動する。５３は時間遅延部であって、パルス光Ｂの光路長を変更するものである。６１はロックイン・アンプであって、チョッパー駆動部５２のチョップ周期の信号を参照信号として、テラヘルツ電磁波受信器２２の出力する電気信号を処理するものである。
【００２２】
図１（ｂ）は試料４０のｙ−ｚ面の断面を示す。図１（ｃ）は試料４０のｘ−ｙ面の断面図を示す。試料４０は載置台４１の上に置かれ、ｘ−ｙ面内を移動でき、テラヘルツ電磁波の照射が試料のｘ−ｙ面を走査するようにする。
【００２３】
図１（ａ）の構成の動作を説明する。レーザ光源３は電気的駆動部５１により電気的に駆動され、励起光源２の出力光により光学的に励起されて、波長が７８０〜８００ｎｍでパルス幅が１３０ｆｓのレーザパルス光を繰り返し周期１ｋＨｚで出力する。レーザ光源３で出力されたパルス光は凹面反射鏡４で反射され、さらにその一部は半透鏡５で反射されて、チョッパー１５でチョップされ、繰り返し周波数が５００Ｈｚのパルス光Ａとなって、反射鏡７で反射し、テラヘルツ電磁波発生器２１のアンテナの間隙を照射する。一方、レーザ光源３から出力されて、凹面反射鏡４で反射したパルス光の一部は半透鏡５を透過し、反射鏡８で反射し、さらに反射鏡９で反射して、時間遅延部５３の反射鏡１０と１１および反射鏡１２で反射し、テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナの間隙に照射される。
【００２４】
テラヘルツ電磁波発生器２１は、パルス光Ａを照射され、テラヘルツ電磁波を発生する。パルス光Ａが照射されるテラヘルツ電磁波発生器２１のアンテナの間隙は、凹面反射鏡１の焦点の位置にあるので、凹面反射鏡１で反射して凹面反射鏡１の光軸に平行な光線となり、凹面反射鏡２に入射される。凹面反射鏡２で反射したテラヘルツ電磁波は試料４０に入射され、試料の内部を伝搬して凹面反射鏡３に入射される。凹面反射鏡２と凹面反射鏡３の焦点はいずれも試料４０のｘ−ｙ面内にあり、試料を通過したテラヘルツ電磁波は凹面反射鏡３で反射しその光軸に平行に進んで、凹面反射鏡４に入射される。テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナの間隙は凹面反射鏡４の焦点の位置にあるので、凹面反射鏡４で反射したテラヘルツ電磁波はテラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナを照射する。
【００２５】
一方、レーザ光源３から出力されて、半透鏡５を通過したパルス光は時間遅延部５３で光路を時間τに相当する距離を遅延されてパルス光Ｂとなり、反射鏡１２で反射して、テラヘルツ電磁波受信器２２のプローブ光として、テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナ間隙を照射する。プローブ光（パルス光Ｂ）はパルスＡより時間τだけ遅れてテラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナ間隙を照射するので、テラヘルツ電磁波受信器２２からは時間τにおけるテラヘルツ電磁波の電界強度に応じた電気信号が出力される。時間τを連続的に変化させることにより、ｘ−ｙ面を通過するテラヘルツ電磁波の各時刻τでの電界強度を測定でき、電界強度の時間変化、伝搬位相を測定できる。
【００２６】
ロックイン・アンプ６１は、チョッパー周期信号を参照信号としてテラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号を処理し、画像処理部６２はロックイン・アンプ６１から出力されるテラヘルツ電磁波の強度について、τを変化させることにより得られた各ｚ座標毎の各ｘ−ｙ面の電界強度を画像データとして、メモリに保持する。さらに、画像処理部は測定目的に応じて、各座標間の電界強度の差、あるいはｚ軸方向での最大電界強度の差に基づいて伝搬時間の差（位相）等を求める処理をし、その結果をメモリに保持する。さらに、表示装置は画像処理された画像データを表示出力する。
【００２７】
図２は、ｘ−ｙ面内の走査とパルス光Ｂの時間遅延走査（ｚ軸方向の走査に相当する）のフローチャートである。（ａ）はｘ、ｙ、ｚ軸の走査のフローチャートである。（ｂ）は時間遅延走査（ｚ軸走査）の詳細フローチャートである。
【００２８】
図２（ａ）において、Ｓ１でｘ−ｙ面内の初期値を設定する。Ｓ２において、座標移動をする。Ｓ３で時間遅延走査をする（時間遅延の詳細は図２（ｂ）参照）。Ｓ４でｘ＝ｍ（ｍはｘ座標の最大値）か判定しｘ＝ｍでなければ、ｘの値を１加算して、Ｓ２以降の処理を繰り返す。Ｓ４でｘ＝ｍであれば、Ｓ５でｙ＝ｎ（ｙ座標の最大値）か判定する。ｙ＝ｎでなければＳ６でｘ＝１、ｙ＝ｙ＋１として、Ｓ２以降の処理を繰り返す。Ｓ５でｙ＝ｎであれば、Ｓ８において初期位置（ｘ−ｙ面の中央）に移動し、走査を終了する。
【００２９】
図２（ｂ）は、時間遅延走査の詳細フローチャートである（図２（ａ）のＳ３のフローチャート）。時間遅延走査は、標準モードと高速モードの二通りがあり、予めどちらで処理するかを定めておく。Ｓ３０で標準モードか高速モードかを選択する。標準モードであればＳ３１以降の方法で測定をし、標準モードでなければ高速モードとして、Ｓ４１以降の方法で測定する。
【００３０】
標準モードについて説明する。Ｓ３０で標準モードであれば、Ｓ３１で、ｚ＝１とする。Ｓ３２でｚ方向に移動する（時間遅延をする）。次にＳ３３で測定する。Ｓ３４でｚ＝ｋ（ｚ軸の最大値（最大遅延時間））であるか判定する。ｚ＝ｋでなければ、Ｓ３６でｚ＝ｚ＋１として、Ｓ３２以降の処理を繰り返す。Ｓ３４でｚ＝ｋであれば、Ｓ３５でｘ、ｙ座標の走査処理（図２（ａ）のＳ４以降の処理）をする。
【００３１】
次に高速モードの処理を説明する。Ｓ４１でｚ＝１にする。Ｓ４２で時間軸を連続的に遅延する。Ｓ４３で測定する。Ｓ４４でｚ＝ｋであるか判定する。ｚ＝ｋでなければ、Ｓ４７でｚ＝ｚ＋１として、Ｓ４３以降の処理を繰り返す。Ｓ＝４４でｚ＝ｋであれば、Ｓ４５で時間遅延部が初期位置に戻るのを待つ。さらにＳ４６でｘ、ｙ座標の走査処理をする。
【００３２】
図３は、粉の砂糖、小麦粉およびベビーパウダーについてテラヘルツ電磁波の透過率を測定したものである。砂糖については０．１ＴＨｚから０．３ＴＨｚで透過し、小麦粉については０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚで透過することが示されている。ベビーパウダーについては、０．１ＴＨｚ〜１．２ＴＨｚの範囲で透過することが示されている。図３から、砂糖については０．１ＴＨｚから０．３ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が物理的性状の測定に使用でき、小麦粉については０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が使用できる。また、ベビーパウダーについては、０．１ＴＨｚ〜１．２ＴＨｚの範囲のテラヘルツ電磁波が使用できる。
【００３３】
粉体中の物体により生じるテラヘルツ電磁波の到着時間と振幅の変化は、物体の屈折率と消衰係数にそれぞれ依存する。物体の厚さが既知の場合、屈折率と消衰係数は測定データから容易に決定できる。しかし、物体の厚さが不明の場合にはそれは不可能である。そこで、本発明者は粉体中の物体の厚さに依存しない量（パラメータ）をもとめ、それに基づいて画像表示するようにした。
【００３４】
物体を通過したテラヘルツ電磁波のパルスと物体を通過しないテラヘルツ電磁波のパルスの伝搬時間の時間差Δｔは次のようになる。
【００３５】
Δｔ＝ｔ−ｔ0 ＝Δn ｄ／ｃ （１）
ここに、Δｎ＝物体と粉体の屈折率の差であり、ｄは物体の厚さであり、ｃは真空中の光速度であり、添え字０は物体を通過しないパルスを表し、添え字のない変数は物体を透過するパルスについてのものであることを表す。振幅は、
Ａ／Ａ0 ＝exp(−Δk ωc ｄ／ｃ) （２）
である。ここに、Δｋは物体と粉体の消衰係数の差であり、ωc はテラヘルツ電磁波の中心角振動数であり、ここではスケーリング定数としてのみ使われている。式（２）では物体表面における反射による損失は無視している。しかし、この損失は （ｎ−ｎ0 ）2 ／（ｎ＋ｎ0 ）2 であり、通常、小さい値である（物質による屈折率の差は小さい）。例えば、プラスチックでｎ＝１．６であり、小麦粉、砂糖、粉砂糖でｎ＝１．３〜１．４である（但し、粉の密度に依存する。）振幅誤差は１% 以下である。
【００３６】
式（２）は次のように表される。
【００３７】
ｌｎ（Ａ0 ／Ａ） =Δk ωc ｄ／ｃ （３）
d の２つの線形方程式を得るため、次のパラメータＱを導入する。
【００３８】
【数３】
【００３９】
αは１、１．５等の任意に定める定数である。Ｑは物体の厚さｄに依存しない量である。
【００４０】
（１）と（３）を基に、
Ｐ2 ＝βωc Δｔln（Ａ0 ／Ａ）＝Δk Δn(ωc ／ｃ) 2 ｄ2
であるＰを導入する。βは１、１．５等の任意に定める定数である。このＰ2 は、厚さに強く依存し、材質による依存の程度は小さい量である。本発明は測定データ（Ａ0 、Ａ、ωc 、Δｔ）をもとにこのパラメータＱとＰ2 の値を求め、そのパラメータをもとに物体の画像表示をするようにした。
【００４１】
図４は、小麦粉中の３つのプラスチックのサンプルをテラヘルツ電磁波による測定結果をもとに、従来の振幅モード、時間遅延モード、およびパラメータＱ、Ｐ2 をもとに画像表示した例を示す。
【００４２】
左上、右上および下側に一つずつのプラスチックの小片がある。下側と右上の物体はポリオキシメチレン（ＰＯＭ）の小さい板である。上左の小片はアクリルニトリル−ブタジエン−スチロール コポリマ−（ＡＳＢ）の小さい板である。下側のＰＯＭ板の厚さは２．８ｍｍであり、上部の二つの板の厚さは１．０ｍｍである。
【００４３】
図４（ａ）は振幅モードであり、図４（ｂ）は時間遅延モードでの画像表示である。厚いＰＯＭ板は（ａ）と（ｂ）ともにコントラストがはっきりしているが、二枚の薄い板のコントラストは厚い板ほどはっきりしていない。図４（ｃ）において、Ｐ2 は明度で表現している。板が厚い程Ｐ2 の値は大きくなり、明るく（白く）表している。また、Ｑは赤から緑までの彩度で表している。緑側は大きいＱを表し、赤側が小さいＱを表している。図４（ｃ）ではＡＢＳは赤で表され、ＰＯＭは緑で表されている。図４（ｃ）から明らかなように、本発明によれば物体の厚さに関係なく物体の材質による違いがわかるように画像表示することが可能になる。
【００４４】
図５は、本発明のＱモードにより物体を画像表示した別の例を示す（但し、物体は粉体中に含まれていない）。ＰＯＭ棒の画像が画面の上部にあり、野球のホームベースの形状の二枚のＰＰ（ポリプロピレン）板（図６（ｂ）参照）の画像が画面の下側の左右にある。ＰＯＭの棒は厚さが左側から右側に向かって、１．５ｍｍから３．０ｍｍまで連続的に変化するものである（図６（ａ）参照）。二枚のＰＰ板は厚さがそれぞれ１．８ｍｍと２．８ｍｍであり、左側は薄い方であり、右側は厚い方である。
【００４５】
図５（ａ）は振幅モードで表示したものである。図５（ｂ）は時間遅延モードで表した画像である。右側に向かって厚さが厚くなり、明度が高くなる（白くなる）ように表している。ＰＯＭの画像では厚さの変化が画像で明度変化として表れている。ＰＰの画像では厚さの厚い方は白く表示されているが、厚さの薄い方は黒く表され、厚さの違いが表されている。図５（ｃ）はＱで表した画像である。ＰＯＭはピンクで表され、ＰＰは青く表され、材料の違いが明瞭に表示されている。
【００４６】
図６は、図５の画像化の対象になったＰＯＭ棒とＰＰ板の形状を示す。図６（ａ）はＰＯＭ棒であり、厚さが左側から右側に向かって、１．５ｍｍから３．０ｍｍまで連続的に変化している。図６（ｂ）は、ＰＰ板であり、厚さが１．８ｍｍと２．８ｍｍについて、画像化された。
【００４７】
図７は本発明の画像処理部のフローチャ−トを示す。
【００４８】
測定データを入力し保持する（Ｓ１）。さらに、Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc を求め、保持する（Ｓ２）。Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc によりＱを計算し、保持する（Ｓ３）。次に、Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc によりをＰ2 を計算し、保持する（Ｓ４）。Ｑに基づいて画像表示するか判定する（Ｓ５）。Ｓ５において、Ｑに基づく画像表示をするのであれば、Ｓ６において、Ｑの値に基づいて画像表示するための処理をする（Ｓ６）。Ｓ５において、Ｑに基づく画像表示をするのでなければ、Ｓ７において、Ｐ2 に基づいて画像表示するか判断する（Ｓ７）。Ｓ７において、Ｐ2 に基づいて画像表示するのであれば、Ｓ８においてＰ2 の値に基づいて画像表示するための処理をする。Ｓ９で画像表示をする。Ｓ６のＱの値に基づいて画像表示する方法は、例えば、Ｑの値に応じて画像表示する彩度を定めるものである。また。Ｓ８におけるＰ2 の値に基づいた画像表示は、例えば、Ｐ2 の値に応じて画像表示の明度（輝度）を定めるものである。
【００４９】
図８は、本発明の画像処理部の構成であり、ＣＰＵとメモリにより構成されるものである。図８において、６２は画像処理部である。８０は測定データ入力部であって、ロック・インアンプから送られてくる測定データを入力するものである。８１は測定データ保持部であって、測定データを保持するものである。測定データは、テラヘルツ電磁波の周波数９１、試料の位置と測定時間（時刻）に対応したテラヘルツ電磁波の信号値９２である。８２は演算部であり、最大振幅演算、時間遅延演算、Ｑ演算、Ｐ2 演算を行うものである。８３は演算データ保持部であって、最大振幅、時間遅延、Ｑ、Ｐ2 を保持するものである。８４は表示処理部であって、演算データをもとに画像表示データを作成するものである。８５は表示装置である。
【００５０】
測定データ保持部８１において、周波数９１は測定されたテラヘルツ電磁波の周波数をあらわす。位置−時間−信号値９２は測定されたテラヘルツ電磁波の試料における位置、測定時間（時刻）、信号値を表す。
【００５１】
演算部８２において、９３は最大振幅演算であって、試料を透過するテラヘルツ電磁波の振幅の最高値と最低値の差を求めるものである。９４は時間遅延演算部であって、物体を通過したテラヘルツ電磁波と物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波のパルス最大値の時間差を求めるものである。９５はＱ演算部であって、Ｑを物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、伝搬遅延時間（時間遅延）、ωc に基づいてＱを演算するものである。９６はＰ2 演算部であって、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＰ2 を演算するものである。
【００５２】
演算データ保持部８３において、最大振幅９７、時間遅延９８、Ｑ９９、Ｐ2 １００は、それぞれ最大振幅演算部９３、時間遅延演算部９４、Ｑ演算部９５、Ｐ2 演算部９６で演算されたデータを表す。表示処理部８４において、彩度付与１０１は画像表示するデータに彩度を付与する処理を表す。例えば、Ｑの値に応じてあらかじめ決められている彩度を付与する処理である。明度付与１０２は画像表示するデータに明度を付与する処理を表す。例えば、Ｐ2 の値に応じてあらかじめ決められている明度を付与する処理である。
【００５３】
図８の構成の動作を説明する。測定されたテラヘルツ電磁波の周波数、試料の位置、観測時間（時刻）に対応した信号値が入力され測定データ保持部に保持される。最大振幅演算部９３は、測定データをもとに試料を透過するテラヘルツ電磁波の振幅の最高値と最低値の差を求める時間遅延演算部９４は、測定データをもとに物体を通過したテラヘルツ電磁波と物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波のパルス最大値の時間差を求める。Ｑ演算部９５は、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＱを演算する。Ｐ2 演算部９６は、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＰ2 を演算するものである。
【００５４】
各演算部で測定されたデータは演算データ保持部８３に保持する。表示処理部８４は演算データ保持部８３に保持されている演算データをもとに表示装置８５に座像表示するデータを作成する。例えば、Ｑの値に応じてあらかじめ決められている彩度を付与する。また、Ｐ2 の値に応じてあらかじめ決められている明度を付与する。表示装置８５は表示処理部８４で作成された表示データを画像表示する。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示できる、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示することができる。特に、本発明は粉体中に埋もれている複数の物体をその材料の相違がわかるように表示することができる。あるいは、粉体中に埋もれている厚さの異なる複数の物体を厚さの違いがわかるように画像表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の試料の走査のフローチャートを示す図である。
【図３】テラヘルツ電磁波の各周波数における各種粉体の透過率を示す図である。
【図４】本発明で測定した物体の画像の例である。
【図５】本発明で測定した物体の画像の例である。
【図６】図５における物体の形状を表す図である。
【図７】本発明の画像処理部のフローチャートである。
【図８】本発明の画像処理部の構成である。
【図９】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１０】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１１】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１２】テラヘルツ電磁波分光により試料を画像化するための原理的説明図である。
【符号の説明】
１：気密容器
２：励起光源
３：レーザ光源
４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２: 反射鏡
１５：チョッパー
２１：テラヘルツ電磁波発生器
２２：テラヘルツ電磁波受信器
３１：凹面反射鏡１
３２：凹面反射鏡２
３３：凹面反射鏡３
３４：凹面反射鏡４
４０: 試料
４１: 載置台
４３：物体
５１：電気的駆動部
５２：チョッパー駆動器
５３：時間遅延部
６１：ロックイン・アンプ
６２：画像処理部
６３：表示装置
【発明の属する技術分野】
本発明はテラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置および方法に関するものである。特に、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示する、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示するようにした画像表示装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツ電磁波を利用することにより、Ｘ線では不可能なプラスチック等の物体の検出が可能である。そのため、空港の安全チェック等においてＸ線にかわるものとして利用可能なものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２はテラヘルツ電磁波分光により試料を画像化する方法を原理的に示したものである。図１２において、５、６、７、８は反射鏡である（５は半透鏡である）。２１はテラヘルツ電磁波発生器であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長によりＧａＡｓエピタキシャル膜を形成し、その上にダイポールアンテナ２３とコプラナー伝送路（ＡｕＧe ／Ｎi ／Ａu ）２４を配設したものである。２６は入射ビームであって、レーザによる光パルスである。２７は半透鏡を透過したパルス光Ａである。２８は半透鏡で反射して時間τだけ遅延されたパルス光Ｂである。２９はテラヘルツ電磁波発生器で発生したテラヘルツ電磁波である。４０は測定対象の試料である。５３は時間遅延部であって、半透鏡５で反射したパルス光を時間τだけ遅延させるものである。６１はロックイン・アンプであって、テラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号を信号処理するものである。６２は画像処理部であって、ロックイン・アンプ６１から出力される信号をもとに画像化のための処理をするものである。
【０００４】
図１２の構成の動作を説明する。テラヘルツ電磁波発生器２１のダイポールアンテナは直流バイアスされる。パルス光Ａがテラヘルツ電磁波発生器２１のダイポールアンテナ２３の間隙に照射されると、ダイポールアンテナ２３からテラヘルツ電磁波が発生し、反射鏡６で反射したテラヘルツ電磁波２９は試料４０に入射される。テラヘルツ電磁波２９は試料４０を通過することにより、試料の材質に応じて電界強度、伝搬位相が変化する。試料４０を通過したテラヘルツ電磁波はテラヘルツ電磁波受信器２２のダイポールアンテナで受信される。一方、時間τだけ遅延したパルス光Ｂがテラヘルツ電磁波受信器２２のダイポールアンテナの間隙部分を照射する。テラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号は、テラヘルツ電磁波２９の電界強度がパルス光Ｂでサンプリングされたかたちになるので時間τにおけるテラヘルツ電磁波２９の電界強度に応じた大きさをもつ信号である。試料４０をｘ−ｙ方向に走査しさらに、試料４０のｘ−ｙ平面の各点において遅延時間τを変化させることにより、試料４０のτに対応するｚ座標におけるｘ−ｙ面での画像を得ることができる。本願発明の発明者は粉体中の異物を観測する検査装置を開発した（特許文献２参照）。
【０００５】
従来、テラヘルツ画像装置で物体を観測する場合、その表示モードは、時間領域での波形、例えば、振幅モード、到着時間もしくはメインピークの幅（パルス幅モードと称する）で従来は物体の画像表示をしていた。
【０００６】
図９、図１０、図１１は、図１のシステムを利用して、従来の観測方法により約０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波で粉体中の物体を観測した例を示す。
【０００７】
図９は、様々な表示モードでの粉砂糖の中の二つの物体を示す。左側に卵殻があり、右側にプラスチックの破片がある。左上画像（ａ）は定時間モード（一定時刻の一画面データをもとに画像表示する）観測したものである。粉体中の物体を画像化する時、この表示モードには本質的問題がある。粉体は上部より下部において密度が高い傾向があり、そのためパルス到着時間に上下で違いがあり物体を明瞭に画像表示することができない。下部半分（ａ）において、物体の画像は大部分白くなっている。画像の上部は黒くなっている。画像上部と下部で、位相もしくは時間差は、ほぼ０．５ＴＨｚ電磁波の半サイクル、即ち１ｐｓ程度の違いがある。これは、パルスＴＨｚ電磁波は粉体の垂直密度分布および局所変動を研究する有効な手段になることを意味するが、粉体中の物体の画像化を難しくする。
【０００８】
図９（ｂ）は図９（ａ）と同じ測定値をもとに振幅モードで表示したものであり、各サンプル位置においてパルス振幅のピークをマップしたものである。二つの物体の存在を図９（ａ）における場合よりも明確に画像化している。卵殻の破片はプラスチック破片および周囲の粉体より黒っぽく見える。これは、テラヘルツ電磁波の強い吸収により透過光が減少したことによる。
【０００９】
左下の図９（ｃ）は時間遅延モードであって、パルス最大値の到着時間での表示モードを示す。上記の粉体密度の垂直変化を補償するために、上部と下部の時間差をもとに求めたオフセット面を使用した。卵殻はプラスチック破片よりかなり薄かったが（それぞれ約０．４ｍｍと１．５ｍｍ）、二つの物体が同じ程度のパルス遅延を生じた。これは、卵殻の屈折率がプラスチックの屈折率より大きい（それぞれ約２．７と１．６）ことを反映している。
【００１０】
図９（ｄ）はパルス最大値の幅による表示モードでの画像表示である。両物体は背景に比べて黒っぽくなり、これはパルス幅が減少したことを表している。この理由は、テラヘルツ電磁波の高周波成分が粉体を透過しにくいことによるものと考えられる（図３参照）。
【００１１】
図１０（ａ）、（ｂ）は、プラスチックの小片とガラスの小片をテラヘルツ電磁波により撮影したものである。上部にプラスチック小片があり下部にガラス小片がある。図１０（ａ）は振幅モードであり、図１０（ｂ）は時間遅延モードである。
【００１２】
図１１は、小麦粉の中のケーブルクランプの画像を示す。図１１（ａ）はケーブルクランプのスケッチである。図１１（ｂ）, （ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、テラヘルツ電磁波による振幅モード、時間遅延モードおよびパルス幅モードによる画像である。図１１（ｂ）と（ｃ）における物体の背景に対するコントラストは高く、これは、テラヘルツ電磁波のビームが通過するプラスチック材料の部分の量が多いことを表している。これは、堅いプラスチック材料で作られたクランプのフック（右側）に特によく表れている。クランプの本体（左側）は空洞があり、そのため側面と底部の壁により強いコントラストが生じている。その空洞の上部は開いている。本体部分の底部にある孔は直径１．５ｍｍであり、粉体を通過するテラヘルツ電磁波の光学的解像度より小さいものであるが、画像ではっきりとあらわれている。クランプの底部は、実際より厚く画像表示されている。その理由は、箱の中に粉体を一様に満たすようにサンプルを振ったため、クランプが図１１（ａ）のスケッチの状態から紙面の水平軸を中心に回転したためと考えられる。図１１（ｃ）の時間遅延モードにおけるクランプ本体の頂部と中の暗部は、本体の中空部がおそらく小麦で薄い密度で満たされていることを示している。これは、パルス幅モード（ｄ）において確認でき、そこでは、周囲の小麦粉と同じようにパルス幅が減少している。
【特許文献１】
特表２０００−５１４５４９号公報
【特許文献２】
特開２００１−６６３７５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像表示装置は、物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅変化もしくは伝搬位相の変化量等をもとに、時間領域で振幅モード、時間遅延モード、パルス幅モード等で画像表示していた。そのようなモードでは、厚さおよび材質の異なる複数の物体の違いを厚さにかかわりなく材質の違いのみで表示することはできなかった。あるいは、物体の厚さの相違がはっきりとわかるように画像表示することはできなかった。
【００１４】
本発明は、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示する、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示するようにした画像表示装置および方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のテラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置は、物体にテラヘルツ電磁波を照射する照射手段と、物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信して電気信号に変換する受信手段と、該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と通過しないテラヘルツ電磁波の振幅を取得する手段と、伝搬時間の時間差を取得する手段と、該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の厚さに依存しないパラメータを求める手段と、物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータを求める手段の少なくとも一方の手段と、該パラメータに基づいて画像表示する画像表示手段とを備える。
【００１６】
また本発明のテラヘルツ電磁波による物体の画像表示方法は、物体にテラヘルツ電磁波を照射し、物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信し、該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と該物体を通過しないテラヘルツ電磁波の振幅および伝搬時間の時間差を取得し、該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の厚さに依存しないパラメータ、および物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータの少なくとも一方のパラメータを求め、該パラメータに基づいて画像表示する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、テラヘルツ電磁波を利用して粉体の物理的状態を観測するための実施の形態を示す。図１において、１は気密容器であって、テラヘルツ電磁波発生器２１、テラヘルツ電磁波受信器２２、凹面反射鏡１、凹面反射鏡２、凹面反射鏡３、凹面反射鏡４および試料４０を収納しているものである。テラヘルツ電磁波は水蒸気による吸収のため減衰が大きいのでできるだけ減衰の少ない状態で測定結果を得るためのものである。必要に応じて真空ポンプで真空にする。
【００１８】
２は励起光源であって、半導体レーザ等である。３はレーザ光源であって、励起光源２の励起光により駆動されてパルスレーザ光を発生するものであり、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ等である。レーザ光源３は７８０〜８００ｎｍ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓのパルス光を出力する。電気的駆動部５１により駆動されて、繰り返し周波数として、例えば１ｋＨｚでそのパルス光を発生する。
【００１９】
４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２は反射鏡であって、レーザ光源３で発生するレーザ光を反射するものである（５は半透鏡である）。３１、３２、３３、３４はそれぞれ凹面反射鏡１、凹面反射鏡２、凹面反射鏡３、凹面反射鏡４であって、軸はずし放物面鏡である。凹面反射鏡１はテラヘルツ電磁波発生器２１に焦点が合わされている。凹面反射鏡２、凹面反射鏡３は試料４０に焦点が合わされている。凹面反射鏡４はテラヘルツ電磁波受信器２２に焦点が合わされている。
【００２０】
２１はテラヘルツ電磁波発生器（テラヘルツ電磁波発生手段）であり、パルスレーザ光を受光してテラヘルツ電磁波を発生するものである。２２はテラヘルツ電磁波受信器（テラヘルツ電磁波受信手段）であって、テラヘルツ電磁波を照射された時に入射電界強度に応じた電気信号を発生するものである。１５はチョッパー（分周手段）であって、レーザ光源３から出力される光パルスをチョップするもので、例えば、１ｋＨｚの繰り替し周波数のパルスレーザ光を５００Ｈｚのパルス光Ａに変換するものである。チョッパーの代わりにシェーカ等により光パルスの光路長を低周波の振動数で変調する変調手段でもよい。
【００２１】
４０は試料であって、測定対象の物体が粉体中に埋もれているものであり、容器に収納されているものである。試料４０の容器の材料はテラヘルツ電磁波の吸収の小さいものであればどのようなものでも良く、例えばテラヘルツ電磁波を吸収しないプラスチックの容器で良い。５１は電気的駆動部であって、レーザ光源３およびチョッパー駆動部５２を電気的に駆動するものである。例えば、レーザ光源３から出力されるフェムト秒の光パルスを１ｋＨｚ周期で出力するように駆動するものである。５２はチョッパー駆動部であって、チョッパー１５を駆動するものである。チョッパー駆動部５２はレーザ光源３の出力に同期するように動作するものであって、例えば、電気的駆動部５１が１ｋＨｚ周期で光パルスを出力するようにレーザ光源３を駆動している時、チョッパー１５がパルス光Ａを５００Ｈｚでチョップするように駆動する。５３は時間遅延部であって、パルス光Ｂの光路長を変更するものである。６１はロックイン・アンプであって、チョッパー駆動部５２のチョップ周期の信号を参照信号として、テラヘルツ電磁波受信器２２の出力する電気信号を処理するものである。
【００２２】
図１（ｂ）は試料４０のｙ−ｚ面の断面を示す。図１（ｃ）は試料４０のｘ−ｙ面の断面図を示す。試料４０は載置台４１の上に置かれ、ｘ−ｙ面内を移動でき、テラヘルツ電磁波の照射が試料のｘ−ｙ面を走査するようにする。
【００２３】
図１（ａ）の構成の動作を説明する。レーザ光源３は電気的駆動部５１により電気的に駆動され、励起光源２の出力光により光学的に励起されて、波長が７８０〜８００ｎｍでパルス幅が１３０ｆｓのレーザパルス光を繰り返し周期１ｋＨｚで出力する。レーザ光源３で出力されたパルス光は凹面反射鏡４で反射され、さらにその一部は半透鏡５で反射されて、チョッパー１５でチョップされ、繰り返し周波数が５００Ｈｚのパルス光Ａとなって、反射鏡７で反射し、テラヘルツ電磁波発生器２１のアンテナの間隙を照射する。一方、レーザ光源３から出力されて、凹面反射鏡４で反射したパルス光の一部は半透鏡５を透過し、反射鏡８で反射し、さらに反射鏡９で反射して、時間遅延部５３の反射鏡１０と１１および反射鏡１２で反射し、テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナの間隙に照射される。
【００２４】
テラヘルツ電磁波発生器２１は、パルス光Ａを照射され、テラヘルツ電磁波を発生する。パルス光Ａが照射されるテラヘルツ電磁波発生器２１のアンテナの間隙は、凹面反射鏡１の焦点の位置にあるので、凹面反射鏡１で反射して凹面反射鏡１の光軸に平行な光線となり、凹面反射鏡２に入射される。凹面反射鏡２で反射したテラヘルツ電磁波は試料４０に入射され、試料の内部を伝搬して凹面反射鏡３に入射される。凹面反射鏡２と凹面反射鏡３の焦点はいずれも試料４０のｘ−ｙ面内にあり、試料を通過したテラヘルツ電磁波は凹面反射鏡３で反射しその光軸に平行に進んで、凹面反射鏡４に入射される。テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナの間隙は凹面反射鏡４の焦点の位置にあるので、凹面反射鏡４で反射したテラヘルツ電磁波はテラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナを照射する。
【００２５】
一方、レーザ光源３から出力されて、半透鏡５を通過したパルス光は時間遅延部５３で光路を時間τに相当する距離を遅延されてパルス光Ｂとなり、反射鏡１２で反射して、テラヘルツ電磁波受信器２２のプローブ光として、テラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナ間隙を照射する。プローブ光（パルス光Ｂ）はパルスＡより時間τだけ遅れてテラヘルツ電磁波受信器２２のアンテナ間隙を照射するので、テラヘルツ電磁波受信器２２からは時間τにおけるテラヘルツ電磁波の電界強度に応じた電気信号が出力される。時間τを連続的に変化させることにより、ｘ−ｙ面を通過するテラヘルツ電磁波の各時刻τでの電界強度を測定でき、電界強度の時間変化、伝搬位相を測定できる。
【００２６】
ロックイン・アンプ６１は、チョッパー周期信号を参照信号としてテラヘルツ電磁波受信器２２から出力される電気信号を処理し、画像処理部６２はロックイン・アンプ６１から出力されるテラヘルツ電磁波の強度について、τを変化させることにより得られた各ｚ座標毎の各ｘ−ｙ面の電界強度を画像データとして、メモリに保持する。さらに、画像処理部は測定目的に応じて、各座標間の電界強度の差、あるいはｚ軸方向での最大電界強度の差に基づいて伝搬時間の差（位相）等を求める処理をし、その結果をメモリに保持する。さらに、表示装置は画像処理された画像データを表示出力する。
【００２７】
図２は、ｘ−ｙ面内の走査とパルス光Ｂの時間遅延走査（ｚ軸方向の走査に相当する）のフローチャートである。（ａ）はｘ、ｙ、ｚ軸の走査のフローチャートである。（ｂ）は時間遅延走査（ｚ軸走査）の詳細フローチャートである。
【００２８】
図２（ａ）において、Ｓ１でｘ−ｙ面内の初期値を設定する。Ｓ２において、座標移動をする。Ｓ３で時間遅延走査をする（時間遅延の詳細は図２（ｂ）参照）。Ｓ４でｘ＝ｍ（ｍはｘ座標の最大値）か判定しｘ＝ｍでなければ、ｘの値を１加算して、Ｓ２以降の処理を繰り返す。Ｓ４でｘ＝ｍであれば、Ｓ５でｙ＝ｎ（ｙ座標の最大値）か判定する。ｙ＝ｎでなければＳ６でｘ＝１、ｙ＝ｙ＋１として、Ｓ２以降の処理を繰り返す。Ｓ５でｙ＝ｎであれば、Ｓ８において初期位置（ｘ−ｙ面の中央）に移動し、走査を終了する。
【００２９】
図２（ｂ）は、時間遅延走査の詳細フローチャートである（図２（ａ）のＳ３のフローチャート）。時間遅延走査は、標準モードと高速モードの二通りがあり、予めどちらで処理するかを定めておく。Ｓ３０で標準モードか高速モードかを選択する。標準モードであればＳ３１以降の方法で測定をし、標準モードでなければ高速モードとして、Ｓ４１以降の方法で測定する。
【００３０】
標準モードについて説明する。Ｓ３０で標準モードであれば、Ｓ３１で、ｚ＝１とする。Ｓ３２でｚ方向に移動する（時間遅延をする）。次にＳ３３で測定する。Ｓ３４でｚ＝ｋ（ｚ軸の最大値（最大遅延時間））であるか判定する。ｚ＝ｋでなければ、Ｓ３６でｚ＝ｚ＋１として、Ｓ３２以降の処理を繰り返す。Ｓ３４でｚ＝ｋであれば、Ｓ３５でｘ、ｙ座標の走査処理（図２（ａ）のＳ４以降の処理）をする。
【００３１】
次に高速モードの処理を説明する。Ｓ４１でｚ＝１にする。Ｓ４２で時間軸を連続的に遅延する。Ｓ４３で測定する。Ｓ４４でｚ＝ｋであるか判定する。ｚ＝ｋでなければ、Ｓ４７でｚ＝ｚ＋１として、Ｓ４３以降の処理を繰り返す。Ｓ＝４４でｚ＝ｋであれば、Ｓ４５で時間遅延部が初期位置に戻るのを待つ。さらにＳ４６でｘ、ｙ座標の走査処理をする。
【００３２】
図３は、粉の砂糖、小麦粉およびベビーパウダーについてテラヘルツ電磁波の透過率を測定したものである。砂糖については０．１ＴＨｚから０．３ＴＨｚで透過し、小麦粉については０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚで透過することが示されている。ベビーパウダーについては、０．１ＴＨｚ〜１．２ＴＨｚの範囲で透過することが示されている。図３から、砂糖については０．１ＴＨｚから０．３ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が物理的性状の測定に使用でき、小麦粉については０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が使用できる。また、ベビーパウダーについては、０．１ＴＨｚ〜１．２ＴＨｚの範囲のテラヘルツ電磁波が使用できる。
【００３３】
粉体中の物体により生じるテラヘルツ電磁波の到着時間と振幅の変化は、物体の屈折率と消衰係数にそれぞれ依存する。物体の厚さが既知の場合、屈折率と消衰係数は測定データから容易に決定できる。しかし、物体の厚さが不明の場合にはそれは不可能である。そこで、本発明者は粉体中の物体の厚さに依存しない量（パラメータ）をもとめ、それに基づいて画像表示するようにした。
【００３４】
物体を通過したテラヘルツ電磁波のパルスと物体を通過しないテラヘルツ電磁波のパルスの伝搬時間の時間差Δｔは次のようになる。
【００３５】
Δｔ＝ｔ−ｔ0 ＝Δn ｄ／ｃ （１）
ここに、Δｎ＝物体と粉体の屈折率の差であり、ｄは物体の厚さであり、ｃは真空中の光速度であり、添え字０は物体を通過しないパルスを表し、添え字のない変数は物体を透過するパルスについてのものであることを表す。振幅は、
Ａ／Ａ0 ＝exp(−Δk ωc ｄ／ｃ) （２）
である。ここに、Δｋは物体と粉体の消衰係数の差であり、ωc はテラヘルツ電磁波の中心角振動数であり、ここではスケーリング定数としてのみ使われている。式（２）では物体表面における反射による損失は無視している。しかし、この損失は （ｎ−ｎ0 ）2 ／（ｎ＋ｎ0 ）2 であり、通常、小さい値である（物質による屈折率の差は小さい）。例えば、プラスチックでｎ＝１．６であり、小麦粉、砂糖、粉砂糖でｎ＝１．３〜１．４である（但し、粉の密度に依存する。）振幅誤差は１% 以下である。
【００３６】
式（２）は次のように表される。
【００３７】
ｌｎ（Ａ0 ／Ａ） =Δk ωc ｄ／ｃ （３）
d の２つの線形方程式を得るため、次のパラメータＱを導入する。
【００３８】
【数３】
αは１、１．５等の任意に定める定数である。Ｑは物体の厚さｄに依存しない量である。
【００４０】
（１）と（３）を基に、
Ｐ2 ＝βωc Δｔln（Ａ0 ／Ａ）＝Δk Δn(ωc ／ｃ) 2 ｄ2
であるＰを導入する。βは１、１．５等の任意に定める定数である。このＰ2 は、厚さに強く依存し、材質による依存の程度は小さい量である。本発明は測定データ（Ａ0 、Ａ、ωc 、Δｔ）をもとにこのパラメータＱとＰ2 の値を求め、そのパラメータをもとに物体の画像表示をするようにした。
【００４１】
図４は、小麦粉中の３つのプラスチックのサンプルをテラヘルツ電磁波による測定結果をもとに、従来の振幅モード、時間遅延モード、およびパラメータＱ、Ｐ2 をもとに画像表示した例を示す。
【００４２】
左上、右上および下側に一つずつのプラスチックの小片がある。下側と右上の物体はポリオキシメチレン（ＰＯＭ）の小さい板である。上左の小片はアクリルニトリル−ブタジエン−スチロール コポリマ−（ＡＳＢ）の小さい板である。下側のＰＯＭ板の厚さは２．８ｍｍであり、上部の二つの板の厚さは１．０ｍｍである。
【００４３】
図４（ａ）は振幅モードであり、図４（ｂ）は時間遅延モードでの画像表示である。厚いＰＯＭ板は（ａ）と（ｂ）ともにコントラストがはっきりしているが、二枚の薄い板のコントラストは厚い板ほどはっきりしていない。図４（ｃ）において、Ｐ2 は明度で表現している。板が厚い程Ｐ2 の値は大きくなり、明るく（白く）表している。また、Ｑは赤から緑までの彩度で表している。緑側は大きいＱを表し、赤側が小さいＱを表している。図４（ｃ）ではＡＢＳは赤で表され、ＰＯＭは緑で表されている。図４（ｃ）から明らかなように、本発明によれば物体の厚さに関係なく物体の材質による違いがわかるように画像表示することが可能になる。
【００４４】
図５は、本発明のＱモードにより物体を画像表示した別の例を示す（但し、物体は粉体中に含まれていない）。ＰＯＭ棒の画像が画面の上部にあり、野球のホームベースの形状の二枚のＰＰ（ポリプロピレン）板（図６（ｂ）参照）の画像が画面の下側の左右にある。ＰＯＭの棒は厚さが左側から右側に向かって、１．５ｍｍから３．０ｍｍまで連続的に変化するものである（図６（ａ）参照）。二枚のＰＰ板は厚さがそれぞれ１．８ｍｍと２．８ｍｍであり、左側は薄い方であり、右側は厚い方である。
【００４５】
図５（ａ）は振幅モードで表示したものである。図５（ｂ）は時間遅延モードで表した画像である。右側に向かって厚さが厚くなり、明度が高くなる（白くなる）ように表している。ＰＯＭの画像では厚さの変化が画像で明度変化として表れている。ＰＰの画像では厚さの厚い方は白く表示されているが、厚さの薄い方は黒く表され、厚さの違いが表されている。図５（ｃ）はＱで表した画像である。ＰＯＭはピンクで表され、ＰＰは青く表され、材料の違いが明瞭に表示されている。
【００４６】
図６は、図５の画像化の対象になったＰＯＭ棒とＰＰ板の形状を示す。図６（ａ）はＰＯＭ棒であり、厚さが左側から右側に向かって、１．５ｍｍから３．０ｍｍまで連続的に変化している。図６（ｂ）は、ＰＰ板であり、厚さが１．８ｍｍと２．８ｍｍについて、画像化された。
【００４７】
図７は本発明の画像処理部のフローチャ−トを示す。
【００４８】
測定データを入力し保持する（Ｓ１）。さらに、Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc を求め、保持する（Ｓ２）。Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc によりＱを計算し、保持する（Ｓ３）。次に、Ａ0 、Ａ、Δｔ、ωc によりをＰ2 を計算し、保持する（Ｓ４）。Ｑに基づいて画像表示するか判定する（Ｓ５）。Ｓ５において、Ｑに基づく画像表示をするのであれば、Ｓ６において、Ｑの値に基づいて画像表示するための処理をする（Ｓ６）。Ｓ５において、Ｑに基づく画像表示をするのでなければ、Ｓ７において、Ｐ2 に基づいて画像表示するか判断する（Ｓ７）。Ｓ７において、Ｐ2 に基づいて画像表示するのであれば、Ｓ８においてＰ2 の値に基づいて画像表示するための処理をする。Ｓ９で画像表示をする。Ｓ６のＱの値に基づいて画像表示する方法は、例えば、Ｑの値に応じて画像表示する彩度を定めるものである。また。Ｓ８におけるＰ2 の値に基づいた画像表示は、例えば、Ｐ2 の値に応じて画像表示の明度（輝度）を定めるものである。
【００４９】
図８は、本発明の画像処理部の構成であり、ＣＰＵとメモリにより構成されるものである。図８において、６２は画像処理部である。８０は測定データ入力部であって、ロック・インアンプから送られてくる測定データを入力するものである。８１は測定データ保持部であって、測定データを保持するものである。測定データは、テラヘルツ電磁波の周波数９１、試料の位置と測定時間（時刻）に対応したテラヘルツ電磁波の信号値９２である。８２は演算部であり、最大振幅演算、時間遅延演算、Ｑ演算、Ｐ2 演算を行うものである。８３は演算データ保持部であって、最大振幅、時間遅延、Ｑ、Ｐ2 を保持するものである。８４は表示処理部であって、演算データをもとに画像表示データを作成するものである。８５は表示装置である。
【００５０】
測定データ保持部８１において、周波数９１は測定されたテラヘルツ電磁波の周波数をあらわす。位置−時間−信号値９２は測定されたテラヘルツ電磁波の試料における位置、測定時間（時刻）、信号値を表す。
【００５１】
演算部８２において、９３は最大振幅演算であって、試料を透過するテラヘルツ電磁波の振幅の最高値と最低値の差を求めるものである。９４は時間遅延演算部であって、物体を通過したテラヘルツ電磁波と物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波のパルス最大値の時間差を求めるものである。９５はＱ演算部であって、Ｑを物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、伝搬遅延時間（時間遅延）、ωc に基づいてＱを演算するものである。９６はＰ2 演算部であって、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＰ2 を演算するものである。
【００５２】
演算データ保持部８３において、最大振幅９７、時間遅延９８、Ｑ９９、Ｐ2 １００は、それぞれ最大振幅演算部９３、時間遅延演算部９４、Ｑ演算部９５、Ｐ2 演算部９６で演算されたデータを表す。表示処理部８４において、彩度付与１０１は画像表示するデータに彩度を付与する処理を表す。例えば、Ｑの値に応じてあらかじめ決められている彩度を付与する処理である。明度付与１０２は画像表示するデータに明度を付与する処理を表す。例えば、Ｐ2 の値に応じてあらかじめ決められている明度を付与する処理である。
【００５３】
図８の構成の動作を説明する。測定されたテラヘルツ電磁波の周波数、試料の位置、観測時間（時刻）に対応した信号値が入力され測定データ保持部に保持される。最大振幅演算部９３は、測定データをもとに試料を透過するテラヘルツ電磁波の振幅の最高値と最低値の差を求める時間遅延演算部９４は、測定データをもとに物体を通過したテラヘルツ電磁波と物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波のパルス最大値の時間差を求める。Ｑ演算部９５は、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＱを演算する。Ｐ2 演算部９６は、物体を通過しなかったテラヘルツ電磁波の最大振幅、物体を通過したテラヘルツ電磁波の最大振幅、時間遅延、ωc に基づいてＰ2 を演算するものである。
【００５４】
各演算部で測定されたデータは演算データ保持部８３に保持する。表示処理部８４は演算データ保持部８３に保持されている演算データをもとに表示装置８５に座像表示するデータを作成する。例えば、Ｑの値に応じてあらかじめ決められている彩度を付与する。また、Ｐ2 の値に応じてあらかじめ決められている明度を付与する。表示装置８５は表示処理部８４で作成された表示データを画像表示する。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を利用して、物体の厚さに関わりなく物体の材質の相違が明確になるように画像表示できる、あるいは物体の厚さの相違が明確になるように画像表示することができる。特に、本発明は粉体中に埋もれている複数の物体をその材料の相違がわかるように表示することができる。あるいは、粉体中に埋もれている厚さの異なる複数の物体を厚さの違いがわかるように画像表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の試料の走査のフローチャートを示す図である。
【図３】テラヘルツ電磁波の各周波数における各種粉体の透過率を示す図である。
【図４】本発明で測定した物体の画像の例である。
【図５】本発明で測定した物体の画像の例である。
【図６】図５における物体の形状を表す図である。
【図７】本発明の画像処理部のフローチャートである。
【図８】本発明の画像処理部の構成である。
【図９】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１０】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１１】テラヘルツ電磁波による従来の表示モードの画像である。
【図１２】テラヘルツ電磁波分光により試料を画像化するための原理的説明図である。
【符号の説明】
１：気密容器
２：励起光源
３：レーザ光源
４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２: 反射鏡
１５：チョッパー
２１：テラヘルツ電磁波発生器
２２：テラヘルツ電磁波受信器
３１：凹面反射鏡１
３２：凹面反射鏡２
３３：凹面反射鏡３
３４：凹面反射鏡４
４０: 試料
４１: 載置台
４３：物体
５１：電気的駆動部
５２：チョッパー駆動器
５３：時間遅延部
６１：ロックイン・アンプ
６２：画像処理部
６３：表示装置
Claims (2)
- 容器に収容された粉体中の物体にテラヘルツ電磁波を照射する照射手段と，
物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信して電気信号に変換する受信手段と，
該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と該物体を通過しないテラヘルツ電磁波の振幅を取得する手段と，伝搬時間の時間差を取得する手段と，
該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の材質に依存するが，物体の厚さに依存しないパラメータをＱとした時，物体を通過しない時のテラヘルツ電磁波の振幅をＡ0 ，該物体を通過した時の振幅をＡ，該伝搬時間の時間差をΔｔ，粉体の透過テラヘルツ電磁波の中心角振動数をωc ，Δｋを物体と粉体との屈折率の差，Δｎを物体と粉体の消衰係数の差，αを任意の定数として，
Ｑ＝α（ln（Ａ0 ／Ａ））／（ωc Δｔ）＝αΔｋ／Δｎ
を求める手段と，
物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータをＰ2 としたとき，ｃを真空中の光の速度，ｄを物体の厚さ，βを任意の定数として，
Ｐ2 ＝βωc Δｔln（Ａ0 ／Ａ）＝ΔｋΔｎ（ωc ／ｃ）2 ｄ2
を求める手段と，
前記各パラメータを求める手段により得られたパラメータに基づいて画像処理を行う画像処理部と，画像処理された画像を表示する表示装置とを備えたことを特徴とするテラヘルツ電磁波による物体の画像表示装置。 - 容器に収容された粉体中の物体にテラヘルツ電磁波を照射し，
物体を通過したテラヘルツ電磁波を受信し，
該受信手段の出力をもとに該物体を通過したテラヘルツ電磁波の振幅と該物体を通過しないテラヘルツ電磁波の振幅を取得し，および伝搬時間の時間差を取得し，
該振幅および時間差に基づいてテラヘルツ電磁波が通過する物体の材質に依存するが，物体の厚さに依存しないパラメータをＱとした時，物体を通過しない時のテラヘルツ電磁波の振幅をＡ 0 ，該物体を通過した時の振幅をＡ，該伝搬時間の時間差をΔｔ，粉体の透過テラヘルツ電磁波の中心角振動数をω c ，Δｋを物体と粉体との屈折率の差，Δｎを物体と粉体の消衰係数の差，αを任意の定数として，
Ｑ＝α（ ln （Ａ 0 ／Ａ））／（ω c Δｔ）＝αΔｋ／Δｎ
を求め，
物体の厚さに対する依存性が大きくかつ材質についての依存性が小さいパラメータをＰ 2 としたとき，ｃを真空中の光の速度，ｄを物体の厚さ，βを任意の定数として，
Ｐ 2 ＝βω c Δｔ ln （Ａ 0 ／Ａ）＝ΔｋΔｎ（ω c ／ｃ） 2 ｄ 2
を求め，
前記各パラメータに基づいて画像処理を行って画像表示することを特徴とするテラヘルツ電磁波による物体の画像表示方法。
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