JP6271384B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、検査装置に関する。

現在、空港などで用いられている一般的なセキュリティシステムは、Ｘ線によって被検体が所持している物品を確認している。しかし、体にＸ線を透過させるため短時間とはいえ、被検体はＸ線に被ばくしてしまう。また、金属探知機を用いて検査を行う場合は、金属物の確認は可能であるが、比較的大きなものしか確認できないうえ、金属以外の物質や体内に所持している物までは特定することができないという問題点がある。また、比較的新しい手法として、テラヘルツ波を用いることで金属以外の物質も確認できる手法が利用されつつある。しかし、その手法においては、洋服程度であれば透過させることができるが、体内の確認までは行うことができないうえ、体表面での反射から体のラインがそのまま見えてしまうというプライバシーの問題があった。

特開２００９−１２５４５７号公報 特開２００９−１２５２５７号公報 特開２０１０−２０４０５５号公報 特開２００６−１４５５４１号公報

被検体を被ばくさせることなく、被検体の内部まで観察が可能な検査装置を提供する。

実施形態に係る検査装置は、パルスマイクロ波を送信可能な送信アンテナ装置と、マイクロ波を受信可能な受信アンテナ装置と、を備え、前記受信アンテナ装置は、前記送信アンテナ装置が送信し、人体を透過した透過波と、前記人体によって回折した回折波と、を受信可能であり、前記透過波及び前記回折波が時間的に分離されて受信される。前記透過波により前記人体の内部を検査し、前記回折波により前記人体の表面を検査する。
別の実施形態に係る検査装置は、パルスマイクロ波を送信し、前記パルスマイクロ波の反射波を受信可能な送受信部及び前記送受信部に接続された第１の指向性アンテナを有した送受信アンテナ装置と、マイクロ波を受信可能な受信部及び前記受信部に接続された第２の指向性アンテナを有した受信アンテナ装置と、を備える。前記受信アンテナ装置は、前記送受信アンテナ装置が送信し、人体を透過した透過波と、前記人体によって回折した回折波と、を受信し、前記透過波及び前記回折波が時間的に分離されて受信される。前記透過波により前記人体の内部を検査し、前記回折波により前記人体の表面を検査する。

図１は、第１の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。 図２（ａ）は、第１の実施形態に係る検査装置を示す概念図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸にパルスマイクロ波の強度をとって、パルスマイクロ波の照射プロファイルを例示するグラフであり、（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、回折波及び透過波の受信プロファイルを例示するグラフである。 図３は、第１の実施形態に係る検査装置の送信アンテナ装置から被検体に向けてパルスマイクロ波が照射されたときの電界の様子を例示するグラフである。 図４は、第２の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。 図５は、第３の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。 図６（ａ）は、第３の実施形態に係る検査装置を示す概念図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、反射波の受信プロファイルを例示するグラフであり、（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、回折波及び透過波の受信プロファイルを例示するグラフである。 図７は、第４の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。 図８は、第５の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。 図９は、第６の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る検査装置を示す概念図である。

図１に示すように、本実施形態に係る検査装置１においては、パルス状のマイクロ波、すなわちパルスマイクロ波２０を送信する送信部１１及び送信アンテナ１０を有する送信アンテナ装置１５が設けられている。また、指向性アンテナ１２と受信部１３を有する受信アンテナ装置１４が設けられている。指向性アンテナ１２の素子数は送信アンテナ１０の素子数よりも多い。なお、一般的にアンテナの指向性はアンテナ素子数に比例して高くなる。受信アンテナ１０と指向性アンテナ１２は対向するように配置されている。更に検査時には、送信アンテナ１０と指向性アンテナ１２の間に被検体αが配置される。被検体αは、例えば飛行機の乗客である。

指向性アンテナ１２は、超伝導材料からなる超伝導アンテナなどの指向性が高いアンテナを用いることが好ましい。超伝導アンテナは、イットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）、ランタン（Ｌａ）、タンタル（Ｔａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、鉛（Ｐｂ）などの元素を一種以上含む超伝導体膜を所望のアンテナパターン形状に加工したものである。加工には、例えば公知のリソグラフィー技術などの加工技術を用いる。超伝導アンテナは、例えばモノポール型、ダイポール型、クランク型や短形、円形、楕円形などのスパイラル型、Ｌ型、逆Ｆ型などのパターン形状に加工されていてもよい。また、グランドと信号面を同じ面にもつコプレーナ導波路型で構成され、１／４波長の整数倍の長さで構成されるアンテナ、又はグランドの一部にスロットを設けたスロット型アンテナでもよい。

指向性アンテナ１２としてより好ましくは、低損失誘電体基板上に超伝導アンテナ及び給電経路が設けられ、グランドパターンが形成された平面アンテナを積層させたアレイアンテナを用いることである。また、アレイアンテナとしては、エンドファイアアレイアンテナやブロードサイドアレイアンテナがより好ましい。

次に、本実施形態に係る検査装置１の動作について説明する。
図２（ａ）は、本実施形態に係る検査装置を示す概念図であり、（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸にパルスマイクロ波の強度をとって、パルスマイクロ波の照射プロファイルを例示するグラフであり、（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、回折波及び透過波の受信プロファイルを例示するグラフである。

本実施形態に係る検査装置１においては、図２（ａ）に示すように、送信アンテナ１０と指向性アンテナ１２の間に、被検体αを配置し検査を行う。受信アンテナ装置１４を起動させた上で、送信アンテナ装置１５から被検体αに向けて、パルスマイクロ波２０を照射する。これにより、指向性アンテナ１２に、透過波２１と回折波２２がそれぞれ入射し、受信部１３によって受信される。透過波２１は、被検体αを透過したパルスマイクロ波２０であり、回折波２２は被検体αによって回折したパルスマイクロ波２０である。

図２（ｂ）に示すように、送信アンテナ装置１５から送信されるパルスマイクロ波２０は、短時間（Δｔ）のみ照射される。照射されたパルスマイクロ波２０は被検体αを透過する透過波２１と被検体αによって回折した回折波２２に分かれる。このとき、被検体αの比誘電率と空気中の比誘電率の違いによって透過波２１と回折波２２で進行速度に差が出る。

パルスマイクロ波２０の速度は、パルスマイクロ波２０の速度をｖとし、光の速度をｃとし、パルスマイクロ波２０が透過する物質の比誘電率をＥｒとするとき、下記数式１で表される。

すなわち、パルスマイクロ波２０が透過する物質の比誘電率の値が大きいほどパルスマイクロ波２０の進行速度は遅くなる。したがって、透過波２１は、空気中の比誘電率よりも大きい比誘電率もつ被検体α、例えば人体などを透過する場合、回折波２２よりも進行速度は遅くなる。

図２（ｃ）に示すように、受信部１３は、指向性アンテナ１２によって受信されたマイクロ波シグナルを、透過波２１のシグナル２１ａと回折波２２のシグナル２２ａに時間的に分離して検出することができる。そして、それぞれのシグナルに対して所定の演算処理を施し、その結果を統合することにより、被検体αの画像を作成することができる。この画像は、被検体αが体内又は体外に所持する金属又は誘電体からなる物体の存在及びその形状等を示す。

パルスマイクロ波２０の照射時間（Δｔ）は、指向性アンテナ１２に受信された透過波２１と回折波２２を受信部１３によってシグナル２１ａとシグナル２２ａとして別々に検出できる程度の照射時間である。また、パルスマイクロ波２０の周波数帯及び強度は、被検体αを透過でき、透過波２１と回折波２２をそれぞれ受信部１３がシグナル２１ａ及び２２ａとして分離して検出できる程度の周波数帯及び強度である。

図３は、本実施形態に係る検査装置の送信アンテナ装置から被検体に向けてパルスマイクロ波が照射されたときの電界の様子を例示するグラフである。図３のグラフにおいては、濃淡が濃いほど電界強度が低いことを示している。
図３に示すように、被検体αにパルスマイクロ波２０を照射した場合、被検体αの後ろにも電界の発生が確認される。したがって、送信アンテナ１０から被検体αに向けて照射されたパルスマイクロ波２０が被検体αの後方に回折していると言える。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、マイクロ波を用いて被検体αの検査を行うことで、例えば被検体αが人体である場合、生体へ悪影響を及ぼす可能性のあるＸ線などの短波長帯の電磁波に人体を暴露させることなく検査することが可能となる。また、被検体αは空気の比誘電率と異なる比誘電率をもつため、被検体α内を透過している透過波２１と被検体αによって回折した回折波２２の進行速度には違いが生じる。例えば、被検体αが人体の場合では、空気中の比誘電率が１であり、人体の比誘電率が１７０程度であることから、空気中で測定を行うと回折波２２に比べて透過波２１の進行速度は約１３（√１７０）倍遅くなる。
本実施形態では、マイクロ波をパルス状に照射することによって、被検体αを透過した透過波２１と被検体αによって回折した回折波２２を受信アンテナ装置１４によって別々に検出することが可能になる。これにより、透過波２１を検出することで被検体α内部の検査を行い、回折波２２を検出することで被検体αの表面の検査を行うことができる。
例えば、被検体αが体内に金属などを保持している場合、金属が存在している部分では、パルスマイクロ波２０が反射され、その他の部分では、パルスマイクロ波２０は透過する。したがって、被検体αを透過したパルスマイクロ波２０である透過波２１を検出することで、被検体α内部の金属検査を行うことが可能である。

本実施形態によれば、生体に悪影響を及ぼす可能性のある短波長帯の電磁波に被検体αを暴露させることなく、被検体αの内部まで検査することができる。また、透過波２１によって被検体αの内部の検査を行いつつ、回折波２２によって体表面の検査も行うことができる。更に、回折波２２が指向性アンテナ１２に到達するまでの時間から被検体αの大まかな体格を推定することもできる。

次に、第２の実施形態について説明する。
図４は本実施形態に係る検査装置を示す概念図である。
図４に示すように、本実施形態に係る検査装置２においては、例えば、複数の受信素子が設けられており、各受信素子の検出信号に所定の位相差を付与することにより複数の方向からパルスマイクロ波２０を受信できる可変指向性アンテナ１２ｖ及び受信部１３ｖを有する可変受信アンテナ装置１４ｖが設けられている。可変指向性アンテナ１２ｖの素子数は、送信アンテナ１０の素子数よりも多い。可変受信アンテナ装置１４ｖは上下方向に移動することができる。また、可変指向性アンテナ１２ｖを中心とした円弧上に、複数の送信アンテナ１０が配置されている。
被検体αを検査するとき、被検体αは、可変指向性アンテナ１２ｖと送信アンテナ１０の間に配置される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
複数の送信アンテナ装置１５からパルスマイクロ波２０が被検体αに照射されると、被検体を通過する透過波２１及び回折波２２が可変受信アンテナ装置１４ｖに受信される。
可変指向性アンテナ１２ｖを用いることによって、複数の送信アンテナ装置１５から送信されるパルスマイクロ波のシグナルを受信部で検出することができる。このとき、可変指向性アンテナ１２ｖの指向性が高いほど高精度の検査情報を得ることができる。また、可変受信アンテナ装置１４ｖを上下方向に移動させることで、パルスマイクロ波２０によって被検体αを上下方向に走査することができる。これにより、被検体αのより広範囲にわたる検査情報を取得することができる。

本実施形態によれば、複数の送信アンテナ装置１５及び可変受信アンテナ装置１４ｖを用いることで、被検体αの全体又は任意の部分を指向性を絞ったビームで走査することができる。これにより、被検体αのより広範囲にわたる検査情報を取得することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る検査装置を示す概念図である。
図５に示すように、本実施形態に係る検査装置３は、前述の第１の実施形態に係る検査装置（図１参照）と比較して、送信アンテナ装置１５の代わりに、送受信アンテナ装置１７が設けられている点が異なっている。送受信アンテナ装置１７においては、パルスマイクロ波２０を送信すると共に受信も可能な送受信部１６が設けられており、送受信部１６には、反射波２３を受信できる第１の指向性アンテナである指向性アンテナ１２ａが接続されている。また、指向性アンテナ１２ａに対向するように、受信アンテナ装置１４の指向性アンテナ１２(第２の指向性アンテナ)が設けられている。

次に、本実施形態に係る検査装置３の動作について説明する。
図６（ａ）は、本実施形態に係る検査装置を示す概念図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、反射波の受信プロファイルを例示するグラフであり、（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に受信強度をとって、回折波及び透過波の受信プロファイルを例示するグラフである。

本実施形態においては、図６（ａ）に示すように、送受信アンテナ装置１７から被検体αに向けてパルスマイクロ波２０が照射される。照射されたパルスマイクロ波２０は、被検体αを透過した透過波２１と被検体αによって回折した回折波２２と、被検体αによって反射された反射波２３に分かれる。
透過波２１と回折波２２は、第１の実施形態と同様に受信アンテナ装置１４によって受信される。反射波２３は、送受信アンテナ装置１７によって受信される。

図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、指向性アンテナ１２ａに受信された反射波２３は、シグナル２３ａとして送受信部１６に検出される。また、透過波２１及び回折波２２は、第１の実施形態と同様に受信アンテナ装置１４によって、シグナル２１ａ及び２２ａとして時間的に分離されて検出される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、透過波２１を検出することで被検体α内の検査を行い、回折波２２を検出することで被検体αの表面の検査を行うことができる。更に、送受信アンテナ装置１７によって、反射波２３を検出することで被検体αの表面の検査に加えて位置情報を取得することができる。反射波２３を検出することで得られた検査情報によって、被検体αの正確な位置情報を得ることが可能となり、回折波２２を受信することで得られた検査情報と反射波２３を受信することで得られた検査情報を組み合わせることで、より検査の精度を向上させることができる。

本実施形態によれば、透過波２１、回折波２２及び反射波２３を送受信アンテナ装置１７及び受信アンテナ装置１４により受信することで、より高精度の検査情報を得ることができる。

次に、第４の実施形態について説明する。
図７は本実施形態に係る検査装置を示す概念図である。
図７に示すように、本実施形態に係る検査装置４においては、上下方向又は左右方向に移動可能な可変受信アンテナ装置１４ｖが設けられている。また、複数の送受信部１６及び複数の指向性アンテナ１２を有する送受信アンテナ装置１７ｐが設けられている。送受信アンテナ装置１７ｐの送受信部１６及び指向性アンテナ１２は、上下方向にそれぞれ積み重ねられるように配置されている。
可変指向性アンテナ１２ｖと指向性アンテナ１２ａは対向するように設けられており、被検体αを検査するとき、被検体αは、送受信アンテナ装置１７ｐの可変指向性アンテナ１２ｖと可変受信アンテナ装置１４ｖの指向性アンテナ１２ａの間に配置されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、透過波２１を検出することで被検体α内の検査を行い、回折波２２を検出することで被検体αの表面の検査を行うことができる。また、送受信アンテナ装置１７ｐによって、反射波２３を検出することで、被検体αの表面の精密な検査を行うと共に、被検体αの位置情報を取得することができる。更に、可変受信アンテナ装置１４ｖを上下方向又は左右方向に移動させることで、指向性を絞ったビームによる被検体αの走査を行うことができる。これにより、可変受信アンテナ装置１４ｖを機械的に移動させながら行うパルスマイクロ波２０による走査と、例えばフェーズドアレイのような電子的に指向性を絞ることが可能なビーム走査を組み合わせて被検体αの検査を行うことができる。

本実施形態によれば、可変受信アンテナ装置１４ｖを用いることにより被検体αの広範囲にわたる検査情報を取得することができる。また、複数の指向性アンテナ１２ａによって反射波２３を受信することで、より高精度に被検体αの検査を行うことができる。

次に、第５の実施形態について説明する。
図８は本実施形態に係る検査装置を示す概念図である。
図８に示すように、本実施形態に係る検査装置５においては、送受信アンテナ装置１７ｐが設けられている。また、複数の受信部１１及び複数の指向性アンテナ１２を有する受信アンテナ装置１４ｐが設けられている。受信アンテナ装置１４ｐの受信部１１及び指向性アンテナ装置１２は、上下方向にそれぞれ積み重なるように配置されている。
複数の指向性アンテナ１２ａと複数の指向性アンテナ１２は対向するように設けられている。被検体αを検査するとき、被検体αは、指向性アンテナ１２ａと指向性アンテナ１２の間に配置される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、複数の送受信アンテナ装置１７ｐから送信されたパルスマイクロ波２０を複数の受信アンテナ装置１４ｐによって受信することで、指向性アンテナ１２を移動させることなく被検体αを広範囲にわたって検査することができる。

本実施形態によれば、指向性アンテナ１２及び受信部１１を移動させることなく、より高精度に被検体αの検査を行うことができる。

次に、第６の実施形態について説明する。
図９は本実施形態に係る検査装置を示す概念図である。
図９に示すように、本実施形態に係る検査装置６においては、受信アンテナ装置１４ｐ及び送受信アンテナ装置１２ｆが設けられている。送受信アンテナ装置１２ｆは、複数の送信部１１、１１ａ、１１ｂ及び１１ｃを有する。送信部１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、送信部１１とは異なる周波数のパルスマイクロ波２０ａ，２０ｂ、２０ｃを送信できる。また。送受信アンテナ装置１２ｆは、複数の指向性アンテナ１２ａを有している。
複数の指向性アンテナ１２ａは、指向性アンテナ１２と対向するように設けられている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、各送信部１１、１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが送信するパルスマイクロ波２０、２０ａ，２０ｂ、２０ｃの周波数がそれぞれ異なるため周波数毎の情報を受信部１３に伝えることができる。これにより、被検体αの内部のどの深さに金属などの物品が存在しているかを知ることができる。

本実施形態によれば、生体に悪影響を及ぼす可能性のある短波長帯の電磁波に被検体αを暴露させることなく、被検体αを３次元的に検査することができる。

以上説明した実施形態によれば、被検体αを被ばくさせることなく、被検体αの内部まで観察が可能な検査装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。

１０：送信アンテナ、１１：送信部、１２、１２ａ：指向性アンテナ、１２ｆ：送受信アンテナ装置、１２ｖ：可変指向性アンテナ、１３：受信部、１４、１４ｐ：受信アンテナ装置、１４ｖ：可変受信アンテナ装置、１５：送信アンテナ装置、１６：送受信部、１７、１７ｐ：送受信アンテナ装置、２０：パルスマイクロ波、２１：透過波、２２：回折波、２３：反射波、２１ａ、２２ａ、２３ａ：シグナル、α：被検体

Claims (9)

1. パルスマイクロ波を送信可能な送信アンテナ装置と、
   マイクロ波を受信可能な受信アンテナ装置と、
   を備え、
   前記受信アンテナ装置は、前記送信アンテナ装置が送信し、人体を透過した透過波と、前記人体によって回折した回折波と、を受信可能であり、前記透過波及び前記回折波が時間的に分離されて受信され、
   前記透過波により前記人体の内部を検査し、
   前記回折波により前記人体の表面を検査する検査装置。
2. 前記送信アンテナ装置は複数設けられており、
   各前記送信アンテナ装置は、
   前記パルスマイクロ波を生成する送信部と、
   前記送信部に接続され、前記パルスマイクロ波を照射する送信アンテナと、
   を有し、
   前記受信アンテナ装置は、
   任意の方向から前記パルスマイクロ波を受信可能な可変指向性アンテナと、
   前記可変指向性アンテナに接続された受信部と、
   を有し、
   前記可変指向性アンテナは、その受信方向を変化させることにより、前記複数の送信アンテナ装置から出力された前記パルスマイクロ波を順次受信する請求項１記載の検査装置。
3. 前記送信アンテナの素子数よりも前記可変指向性アンテナの素子数の方が多い請求項２記載の検査装置。
4. パルスマイクロ波を送信し、前記パルスマイクロ波の反射波を受信可能な送受信部及び前記送受信部に接続された第１の指向性アンテナを有した送受信アンテナ装置と、
   マイクロ波を受信可能な受信部及び前記受信部に接続された第２の指向性アンテナを有した受信アンテナ装置と、
   を備え、
   前記受信アンテナ装置は、前記送受信アンテナ装置が送信し、人体を透過した透過波と、前記人体によって回折した回折波と、を受信し、前記透過波及び前記回折波が時間的に分離されて受信され、
   前記透過波により前記人体の内部を検査し、
   前記回折波により前記人体の表面を検査する検査装置。
5. 前記送受信アンテナ装置において、前記送受信部及び前記第１の指向性アンテナがそれぞれ複数設けられており、
   前記第２の指向性アンテナは、受信方向を変化させられる可変指向性アンテナである請求項４記載の検査装置。
6. 前記第２の指向性アンテナは上下方向又は左右方向へ移動可能な請求項４または５に記載の検査装置。
7. 前記送受信アンテナ装置には、前記送受信部及び前記第１の指向性アンテナがそれぞれ複数設けられており、
   前記受信アンテナ装置には、前記受信部及び前記第２の指向性アンテナがそれぞれ複数設けられている請求項４記載の検査装置。
8. 複数の前記送受信部から送信されるパルスマイクロ波うち、少なくとも一つの前記送受信部から送信されるパルスマイクロ波の周波数が他の送信部から送信されるパルスマイクロ波の周波数と異なる請求項４〜７いずれか１つに記載の検査装置。
9. 前記第１の指向性アンテナ及び前記第２の指向性アンテナの少なくともいずれかは超伝導材料を含んでいる請求項４〜８のいずれか１つに記載の検査装置。