JP5747453B2 - 電波イメージング方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に電波を照射して、試料のイメージングを行なう方法及び装置に関する。

近年、電波を使って安全に非破壊で、物体の内部を可視化するイメージング技術が、セキュリティ、土木工学、医学など様々な分野で期待されている。
特に、ミリ波は、炎や煙、水蒸気、ベニヤ板、石膏、ボード、壁、窓、カーテン、衣服、プラスチック、紙等の非金属を透過しやすいなど、テラヘルツ波と似た透過特性を有し、空間分解能は、テラヘルツ波とマイクロ波の間の数ｍｍであるので、実用的な様々な物体をイメージングの対象とできる。

物体から放射される電磁波を、ミリ波アンテナや増幅器、ショットキーダイオード検波器等を組み合わせた装置で検出し、画像化する受動型のイメージング装置がある。これによると、例えば、炎の奥にいる人物を映し出すことができる。
また、ミリ波を物体に照射し、その透過波または反射波を検出し画像化する能動型のイメージング装置も実用化されつつある。これによると、例えば、衣服に隠されたナイフを映し出しセキュリティ分野で寄与させられる。
ミリ波はまた、液相の水に敏感であるので、水分量や水溶液の凍結状態などを感度良く識別可能である。これによると、例えば、農作物や食品等の水分モニタリングや、冷凍食品や生体サンプル等の解凍過程観察などへの利用が期待される。

従来のイメージング技術としては、非特許文献１のようなファーフィールドイメージングと、非特許文献２のような近接場イメージングが挙げられる。
ファーフィールドイメージングは、空間伝搬させた電磁波を誘電体レンズ等で集光し、遠くにある試料をイメージすることが可能であるが、電磁波には回折限界があるため分解能は波長サイズが限界であり、電波においては高い分解能が望めない。また、近接場イメージングは、波長以下の表面イメージングが可能であるが、物質の内部など、アンテナから少し離れた位置の試料のイメージングは困難である。

電波によるイメージング技術に関する特許文献としては、ミリ波については特許文献１〜２、マイクロ波については特許文献３〜５がある。
特許文献４や５には、アナログフェイズドアレイやバイナリリフレクタアレイを用い、隣接するアンテナ素子間の間隔が電波の半波長になるように、アンテナ素子をアレイ内に密に配列して、空間解像度を高めることが開示されている。しかし、感度や分解能の点で十分とはいえない。
電波は光と比べて波長が長いだけでなく回折する性質を有するため、イメージングの分解能を十分向上させることができなかったことに対し、本発明者は、特許文献６で、分解能低下の原因を抑え、波長以下の高分解能で試料の透過イメージを取得することが可能な電波イメージング手段を開示した。

特許文献６に関連し、モノポールタイプのアンテナを用いたイメージング方法に関する従来技術には非特許文献３〜４、開口同軸プローブを用いたイメージング方法に関する従来技術には非特許文献５がある。
モノポールタイプのアンテナとレンズを使用し、試料からの反射波によりイメージングすることは開示されているが、アンテナ近傍の特性を考慮することやレンズの作用を考慮し高感度高分解能で小型の反射型イメージング装置が構築できることは開示されていなかった。

特開２００６−２５０７２４ 「物体透視装置」 特開２００６−２４２７８０ 「ミリ波イメージング装置」 特開平７−１３４１７４ 「マイクロ波イメージング装置」 米国特許出願１０／９９７４２２ 「A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation」 米国特許出願１０／９９７５８３ 「Broadband Binary Phased Antenna」 特開２００８−２３２６２４ 「電波イメージング方法及び装置」

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

そこで、本発明は、アンテナ近傍の特性を考慮することにより、小型で簡易な構成でありながらも、高感度高分解能で試料のイメージングを行える電波イメージング方法と、その方法を実施する装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の電波イメージング方法は、次の構成を備える。すなわち、試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える構成において、外部出力手段及び外部入力手段を金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナとすると共に、入力用レンズ及び出力用レンズを短焦点距離のレンズとし、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度になるように設定し、その電波強度の高められた領域に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出することを特徴とする。

ここで、出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、その入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、試料の透過信号によっても試料のイメージングを行なえるようにしてもよい。

試料に照射する電波としては、ミリ波が好適に使用できる。

電波源に広帯域光源を用い、周波数領域または時間領域のスペクトル多変量解析を行ってもよい。

また、本発明の電波イメージング装置は、試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備え、外部出力手段及び外部入力手段が金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナであると共に、入力用レンズ及び出力用レンズが短焦点距離のレンズであり、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度に設定され、その電波強度の高められた領域に試料が配置されることにより、試料からの直接波が高感度で検出されることを特徴とする。

ここで、出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、その入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、試料の透過信号による試料のイメージングも可能な構成にしてもよい。

電波の入出力にネットワークアナライザーを用い、外部出力手段と外部入力手段とが共用可能であると共に、出力用レンズと入力用レンズとが共用可能である構成にしてもよい。

外部出力手段及び外部入力手段としては、金属製の筒に囲まれた中心導体が照射電波の波長以下の長さのモノポールアンテナが有用に使用できる。

また、外部出力手段及び外部入力手段としては、中心導体が照射電波の波長以下の長さ突出した同軸コネクターも有用に使用できる。

試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な２次元方向へ移動させ、試料を２次元スキャンする試料保持手段を設け、２次元像の取得に寄与させてもよい。

本発明によると、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより電波強度を高めた領域に試料を配置し、試料からの直接波を高感度で検出するので、高感度高分解能で試料のイメージングを行える小型装置が得られる。

ポール状のアンテナ近傍における電波の強度分布特性を示す説明図 （ａ）レンズを付設しない場合 （ｂ）レンズを付設した場合 レンズを付設した金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナにおける試料からの反射波の角度特性を示す説明図 本発明による電波イメージング装置の概要を示す説明図 木板と石膏を重ねた試料をイメージした結果を示す写真

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態は、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であり、前記特許文献や従来公知の技術を適宜援用可能である。
本発明者は、特許文献６、非特許文献３〜４などの延長として、アンテナ近傍の特性を詳しく調査したことによって、金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナを用いた反射型イメージング装置の最適化方法を発見した。

図１は、ポール状のアンテナ近傍における電波の強度分布特性を示す説明図であり、図１（ａ）はレンズを付設しない場合、図１（ｂ）はレンズを付設した場合を示す。
同軸ケーブルなどのようにポール状のアンテナでは、図１（ａ）に示すように、アンテナ端部近傍のみ電波強度が高いが、図１（ｂ）に示すように、アンテナ端部近傍に短焦点距離のレンズを付設すると、そのレンズの収束特性に応じてレンズの端部から遠方に向かって、電波強度の高い領域を増大させられる。

図２は、レンズを付設した金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナにおいて、試料からの反射波の角度特性を示す説明図である。
試料からレンズ方向に向かわない反射波や、試料表面での散乱波は、レンズの収束特性により除くことができ、試料からの直接波が高感度で検出されるようになる。

そこで、電波強度の分布特性とレンズによる収束特性とを考慮し、レンズ端部から使用電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値全幅が電波の波長程度になるように設定し、その電波強度の高められた領域に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出することが可能になる。
通常、イメージングを行う場合は、空間分解能を高めるために集光光学系が用いられているが、集光光学系によると、試料からの散乱波等も同時に検出されてしまうため、空間的に直接波と分けることができなかった。時間領域で分解できない場合では、物質の状態を区別する精度など、試料の検知能が低下していた。それに対し、本発明では、集光光学系と同等の分解能で、かつ、平行光学系のように主に直接波を検出することができるため、敏感に物質の状態を区別することなど、高感度高分解能の検知が可能となる。

なお、本発明者による特許文献６、非特許文献３〜４の従来技術と比較すると、本発明では、金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナ近傍の特性を利用することにより反射型イメージングが可能になり、また、レンズを使用し、設置位置を最適化することにより高感度高分解能でイメージングできる領域を増大させられた。
また、検出時において、空間的に散乱波や傾斜面からの反射波を除くことができるため、周波数領域や時間領域のスペクトル全体の多変量解析を併用することによって、高感度高分解能で物質の状態を区別することなどが可能になった。周波数領域や時間領域のスペクトル多変量解析には、広帯域光源の使用が有用であり、時間領域においては、試料の深さ方向の情報も同時に得ることができ、３次元のイメージングを行うことが可能である。

図３は、本発明による電波イメージング装置の概要を示す説明図である。
本発明は、試料に電波を照射し、その反射信号を用いて試料のイメージングを行なうことを基本とする。透過信号を用いて試料のイメージングを行なうことも可能である。なお、本実施例では、透過信号を用いて試料のイメージングを行なう場合を図示する。反射信号を用いて試料のイメージングを行なう場合は、反射位置に同様のレンズが配置される。装置の要部としては、電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える。
図示の例では、ネットワークアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ８３６３Ｂ、１０ＭＨｚ−７０ＧＨｚ）を光源及び検出器として利用している。

ネットワークアナライザーは、一般には、回路や素子にマイクロ波等の高周波を出力し、回路からの反射や通過状態を計測して回路や素子の電気的特性を求める装置である。
ネットワークアナライザー内部に備わる信号源は、測定する範囲の周波数を掃引する。信号源と外部出力端子との間には、方向性結合器が備わる。試料は、２つの外部出力端子の間に配置される。信号源から試料に与えられた信号と、試料からの反射或いは透過信号が方向性結合器によって制御され、演算処理部で処理される。方向性結合器の端子に出力される信号は、振幅のみが検出されるタイプと振幅と位相の両方が検出されるタイプがある。位相も測れるタイプのベクトルネットワークアナライザーでは、試料の入出力部の反射或いは透過量と位相からＳパラメータを求めることができる。

ネットワークアナライザーの外部端子には、中心導体の突出したプラグ（オス）の配設された同軸コネクターを備える２本のプローブ（Ａｇｉｌｅｎｔ ８５１３３Ｅ、２．４ｍｍ）が接続される。コネクターのタイプとしては、ＢＮＣ、ＳＭＡタイプ、Ｎ型コネクターも利用可能である。
そのプローブの端部近傍には、シリコン製の半球レンズ（焦点距離６．３ｍｍ、屈折率３．４、径３０ｍｍ）が配設され、ミリ波出入の広がりが抑制される。レンズの配置はプローブの端部から６．８ｍｍだけ離れた位置に設定した。

また、２つのレンズを向かい合わせることで、試料からの反射波は送信ポートと同じポートで入力し、試料からの透過波はミラーを介して受信ポートで入力可能である。

試料を保持する部材に、信号の射出方向と略垂直な方向へ少なくとも移動可能にする機構を付設して、電波を試料の所望部位全体にわたって照射させ、試料を広範囲にイメージングできるようにしてもよい。そのように、試料を移動可能に支持する試料保持部材は、２軸や３軸ステージ移動機構など従来公知の部材が適宜利用できる。
そのようなステージの位置制御と、ネットワークアナライザー等の検出器の制御とを共用の制御装置で司り、イメージング画像表示するディスプレイ等を付設してもよい。

図４は、木板と石膏を重ねた試料を、本発明によるミリ波反射型装置（時間領域）で差分イメージした結果を示す写真である。
木板には金箔で十字状の模様が描かれていて、その上に石膏が（厚さ１３ｍｍ弱）積層されている。木板と石膏の間には、エアーギャップ（厚さｄ）があり、テンペラ画などの経年劣化モデルに相当する。

リファレンスデータとしては、エアーギャップが無い位置（Ａ点）における時間波形を使用した。エアギャップｄが０ｍｍのとき、Ａ点に比べてＢ点では、時間波形の差が大きくなった。これは、Ｂ点において数十ミクロンの隙間が生じていて、時間波形が多重反射や光路の変化等によって変わったことを示している。また、エアギャップｄが０．５及び１ｍｍでは、時間波形の差が更に大きくなった。エアギャップｄが大きくなるほど、多重反射だけでなく、ビーム径が広がることが反映され時間波形の差が大きくなるため、エアーギャップの存在が検出しやすくなる。
これらの結果から、本発明を用いることによって石膏と木板との間にエアーギャップが存在する様子を検出できる可能性があることが判明した。同様に、本発明によると、様々な物体をイメージングの対象とできる。

本発明によると、小型簡易な構成でありながらも、高感度高分解能で試料のイメージを得られるので、セキュリティ、土木工学、食品、医学、生化学分野など、幅広く活用でき産業上利用価値が高い。

Claims (10)

1. 試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう方法であって、
   電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備える構成において、
   外部出力手段及び外部入力手段を金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナとすると共に、入力用レンズ及び出力用レンズの双方を、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから試料に向かう方向でレンズの凸部の端部から電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値半幅の略２倍が電波の波長と等しくなるように設定し、
   入力用レンズ及び出力用レンズの双方の凸部の端部から起始し、電波の強度分布の半値半幅の略２倍が波長と等しく保たれている領域中に試料を配置することにより、試料からの直接波を高感度で検出する
   ことを特徴とする電波イメージング方法。
2. 出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる透過電波用入力用レンズと、その透過電波用入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを設け、
   試料の透過信号によって試料のイメージングを行なう
   請求項１に記載の電波イメージング方法。
3. 試料に照射する電波に、ミリ波を用いる
   請求項１または２に記載の電波イメージング方法。
4. 電波源に広帯域光源を用い、周波数領域または時間領域のスペクトル多変量解析を行う
   請求項１ないし３のいずれかに記載の電波イメージング方法。
5. 試料に電波を照射し、その反射信号によって試料のイメージングを行なう装置であって、
   電波を発生する電波源と、その電波源からの出力信号を外部へ放射する外部出力手段と、外部出力手段から放射された電波を収束させる出力用レンズと、出力用レンズから放射され試料によって反射された電波を受入すると共に収束させる入力用レンズと、入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とを少なくとも備え、
   外部出力手段及び外部入力手段が金属製の筒に囲まれたポール状のアンテナであると共に、入力用レンズ及び出力用レンズの双方が、アンテナ近傍における電波の強度分布特性とレンズによる収束特性とにより、レンズから試料に向かう方向でレンズの凸部の端部から電波の波長以上遠方まで、電波の強度分布の半値半幅の略２倍が電波の波長と等しく設定され、
   入力用レンズ及び出力用レンズの双方の凸部の端部から起始し、電波の強度分布の半値半幅の略２倍が波長と等しく保たれている領域中に試料が配置されることにより、試料からの直接波が高感度で検出される
   ことを特徴とする電波イメージング装置。
6. 出力用レンズから放射され試料を透過した電波を受入すると共に収束させる透過電波用入力用レンズと、その透過電波用入力用レンズから放射された電波を受入する外部入力手段と、その外部入力手段で受入した入力信号を処理して試料のイメージングを行なう演算処理手段とが備わり、
   試料の透過信号による試料のイメージングも可能である
   請求項５に記載の電波イメージング装置。
7. 電波の入出力にネットワークアナライザーが用いられ、
   外部出力手段と外部入力手段とが共用可能であると共に、出力用レンズと入力用レンズとが共用可能である
   請求項５または６に記載の電波イメージング装置。
8. 外部出力手段及び外部入力手段が、金属製の筒に囲まれた中心導体が照射電波の波長以下の長さのモノポールアンテナである
   請求項５ないし７のいずれかに記載の電波イメージング装置。
9. 外部出力手段及び外部入力手段が、中心導体が照射電波の波長以下の長さ突出した同軸コネクターである
   請求項５ないし７のいずれかに記載の電波イメージング装置。
10. 試料を支持すると共に、信号の射出方向と略垂直な２次元方向へ移動させ、試料を２次元スキャンする試料保持手段を備える
    請求項５ないし９のいずれかに記載の電波イメージング装置。

Images