JP6706790B2 - テラヘルツ波イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ帯の電磁波を用いて被写体のイメージ像を取得するテラヘルツ波イメージング装置に関する。

近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）波とは、約０．１〜１０ＴＨｚ（波長３ｍｍ〜３０μｍ）の電磁周波数帯を指し、この周波数帯域は電波と光波の中間に位置している。そして、テラヘルツ波は、電波のように、紙、プラスチック、ビニール、繊維、半導体、脂肪、粉体、氷など様々な物質を透過できるとともに、光波のようにレンズやミラーで空間を自由に取り回すことができる。また、テラヘルツ波は電波帯に比べて波長が短いため、様々なイメージング用途に適した空間分解能を有している。

上述したようなテラヘルツ波の特性を利用することで、非接触・非破壊で被写体のイメージ像を得るテラヘルツ波イメージング装置が提案されている。例えば、２波長のテラヘルツ波を被写体に照射し、テラヘルツ波の吸収に波長依存性のある被写体であれば、波長による透過率の差分から被写体の透過イメージ像を得ることができるイメージング装置がある（特許文献１を参照）。

特開２００４−１０８９０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、２波長のテラヘルツ波を被写体に照射しなければならないので、手順が煩雑で、画像取得に要する時間が長くなってしまう。しかも、特許文献１に記載の発明では、生成したテラヘルツ波を被写体に照射する計測光と強度参照用の参照光とに分光し、計測光と参照光を同時に強度計測器へ導入する光学系が必要であるため、それだけ装置構造が複雑になるという問題もある。

そこで、本発明は、簡素な構造で簡便に被写体のイメージ像を取得できるテラヘルツ波イメージング装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部と、前記送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部と、前記受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部と、を備える。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置において、前記送信部は、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分と対応付けられる複数の送信アンテナを一次元もしくは二次元に配列して構成される送信手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号を、各々対応付けられた送信アンテナへ選択的に導く送信波伝送手段と、を含み、前記受信部は、前記被写体を経て到達した全ての周波数成分の信号を受信可能な位置に配置された受信アンテナを有する受信手段と、前記受信アンテナで受信した全ての信号を導く受信波伝送手段と、を含み、前記イメージ像取得部は、前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する送信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の送信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、を含むことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置において、前記送信部は、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分が含まれる信号を送信する送信アンテナを有する送信手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号の伝送タイミングを合わせて、前記送信アンテナへ導く送信波伝送手段と、を含み、前記受信部は、前記被写体を経て到達した信号を受信可能な位置へ、一次元もしくは二次元に配列された複数の受信アンテナで構成される受信手段と、前記受信手段の各受信アンテナで受信した信号から、各受信アンテナに対応させて設定した周波数成分のみを選択的に導く受信波伝送手段と、を含み、前記イメージ像取得部は、前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の受信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、を含むことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置において、前記送信部は、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分と対応付けられる複数の送信アンテナを一次元もしくは二次元に配列して構成される送信手段と、前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号を、各々対応付けられた送信アンテナへ選択的に導く送信波伝送手段と、を含み、前記受信部は、前記送信手段の各送信アンテナと対向状に配置された複数の受信アンテナを有する受信手段と、前記受信手段の各受信アンテナで受信した信号から、各受信アンテナが対向する送信アンテナの送信した周波数成分のみを選択的に導く受信波伝送手段と、を含み、前記イメージ像取得部は、前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の送信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、を含むことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、前記請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置において、前記送信部は、複数の周波数の光波を含む光信号を発生させる多周波光生成手段と、ポンプ光で励起させた非線形光学結晶に角度位相整合条件が満たされる角度でシード光を注入することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー光が発生し、各シード光に対応した周波数のテラヘルツ光が出射面より照射される光パラメトリック発生器と、前記多周波光生成手段にて生成した複数の周波数の光信号をシード光とし、それぞれの角度位相整合条件を満たす角度で同時に前記光パラメトリック発生器へ注入するアクロマティック光注入光学系と、前記光パラメトリック発生器の光出射面に形成され、各周波数のテラヘルツ光を夫々異なる角度へ放射させるモノリシックグレーティングカプラーと、前記モノリシックグレーティングカプラーより異なる角度で放射された全てのテラヘルツ光を受け、被写体の配置空部を介して受信部に結像させる結像光学系と、を含み、前記受信部および前記イメージ像取得部は、前記送信部からのテラヘルツ光を非線形光学結晶の入射面で受け、ポンプ光で励起された非線形光学結晶に各周波数のテラヘルツ光が入射することで、各テラヘルツ光の周波数に対応する波長のアイドラー光が、角度位相整合条件を満たす方向にそれぞれ発生する光パラメトリック検出器と、前記光パラメトリック検出器のアイドラー光出射面に配置され、各アイドラー光の輝点を画素情報とするイメージ像を取得する撮像手段と、を含むことを特徴とする。

本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置によれば、テラヘルツ帯の複数の周波数が、被写体を含む空間の検知部位に対応するので、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングすれば被写体のイメージ像を得ることができる。従って、簡素な構造で簡便に被写体のイメージ像を取得することが可能となる。

本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の第１実施形態の概略構成図である。 図１に示すテラヘルツ波イメージング装置の各部における周波数スペクトルである。 本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の第２実施形態の概略構成図である。 本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の第３実施形態の概略構成図である。 本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の第４実施形態の概略構成図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の実施形態につき説明する。

図１に示すのは、第１実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置１０の概略構成である。第１コム発生器１１、送信波伝送手段１２、一次元若しくは二次元に配列したｎ個の受信アンテナ（第１受信アンテナ１３ａ、第２受信アンテナ１３ｂ、第３受信アンテナ１３ｃ、第４受信アンテナ１３ｄ、…、第ｎ−２受信アンテナ１３ｎ−２、第ｎ−１受信１３ｎ−１、第ｎ受信アンテナ１３ｎ）によって、「テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部」を構成する。

また、受信アンテナ１４、受信信号処理部１５によって、「送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部」を構成する。また、受信信号処理部１５内の混合手段１５ａ、第２コム発生器１６、アンプ１７を介して混合手段１５ａからの低周波信号（後に詳述）を受ける画像処理手段１８によって、「受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部」を構成する。

第１コム発生器１１は、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ１で一定である。第１コム発生器１１は、周波数既知のレーザ光を離散的な多数のスペクトルに変換するものであり、図２（ａ）に示すように、周波数間隔ｆ１で離散的な周波数を得ることができる。なお、既存のコム発生器の各波長の出力は、中心波長から離れるにしたがって減衰してしまうので、各波長出力を均一化した信号を用いるようにしても良い。また、送信側多周波信号生成手段として、周波数逓倍器を用いても良い。

送信信号伝送手段１２は、フィルターバンク構造の伝送路で構成することにより、各周波数の信号を第１〜第ｎ送信アンテナ１３ａ〜１３ｎへ選択的に導くことができる。例えば、基準周波数ｆ０よりもｆ１だけ高い周波数成分（ｆ０＋ｆ１）のテラヘルツ波は第１アンテナ１３ａへ、ｆ０＋２ｆ１のテラヘルツ波は第２アンテナ１３ｂへ、ｆ０＋３ｆ１のテラヘルツ波は第３アンテナ１３ｃへ、ｆ０＋４ｆ１のテラヘルツ波は第４アンテナ１３ｄへ、…、ｆ０＋（ｎ−２）ｆ１のテラヘルツ波は第ｎ−２アンテナ１３ｎ−２へ、ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ波は第ｎ−１アンテナ１３ｎ−１へ、ｆ０＋ｎｆ１のテラヘルツ波は第ｎアンテナ１３ｎへ、それぞれ選択的に導かれる。

第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎは、一次元もしくは二次元に配列した高指向性のアンテナであり、少なくとも、被写体１００の配置領域を通過するまで、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎから放射された各周波数のテラヘルツ波は、隣接する周波数のテラヘルツ波と混信することがないようにする。斯くすれば、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎより被写体１００へ向けて放射された各周波数のテラヘルツ波は、何れも被写体１００の異なる部位へ照射されることとなり、被写体１００を経て受信部の受信アンテナ１４へ到達した各周波数のテラヘルツ波には、被写体１００の各部におけるテラヘルツ波の吸収・反射・透過率を反映した情報（振幅や位相の変化）が含まれる。

例えば、テラヘルツ帯の電磁波に対して透明（透過率が高い）素材の被写体１００にｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ波が照射される部位に不透過領域１００ａが存在している場合、ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ波は不透過領域１００ａで反射させられて受信部へ到達できないか、減衰させられて極端な強度低下が生じた状態となる。しかしながら、他の周波数のテラヘルツ波は、被写体１００を透過しても極端な減衰は無く、適度な強度を保持したまま受信部へ到達できる。従って、各周波数のテラヘルツ波が透過した被写体１００の各部位が透明か不透明かを、受信強度から推定できるのである。実際には、透明な被写体１００であっても透過減衰が生じるので、透明な被写体１００もイメージ像として得ることは可能であるが、説明を簡単にするため、以下では、異物混入などで生じた不透明領域１００ａの有無を判定できる二値化イメージ像を得るものとする。

なお、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎが二次元に配列されている場合は、一回のテラヘルツ波照射で被写体１００の全体像を得られるものの、全体の画素数はｎ個に制限されるため、十分な解像度が得られない場合もある。一方、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎが一次元に配列されている場合は、一列にｎ個の画素を割り当てられるので、イメージ像を高解像度化できる反面、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎより照射されるテラヘルツ波の照射列を少しずつ移動させて被写体１００を満遍なく走査しなければならないため、走査機構が複雑になる上にイメージングにかかる時間も長くなってしまう。よって、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎを一次元に配列するか、二次元に配列するかは、被写体のサイズや目的に応じて適宜に選択すれば良い。また、第１〜第ｎアンテナ１３ａ〜１３ｎから照射したテラヘルツ波が、被写体１００の各検知部をシャープに透過できない場合は、適宜な光学系を用いて各周波数のテラヘルツ波を収束させ、被写体１００へ照射するようにしても良い。

上記のようにして、被写体１００を経て受信部へ到達した各周波数のテラヘルツ波は、受信アンテナ１４によって一括受信される。受信信号処理部１５では、ｆ０＋ｆ１、ｆ０＋２ｆ１、ｆ０＋３ｆ１、ｆ０＋４ｆ１、…、ｆ０＋（ｎ−２）ｆ１、ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１、ｆ０＋ｎｆの周波数成分を含む受信信号を、受信波伝送手段１５ｂを介して混合手段１５ａへ導く。この混合手段１５ａには、第２コム発生器１６から周波数間隔ｆ２である複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号が入力される。

第２コム発生器１６は、周波数間隔ｆ１とは僅かに異なる周波数間隔ｆ２である複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ２で一定である。第２コム発生器１６は、前述した第１コム発生器１１と同様に、周波数既知のレーザ光を離散的な多数のスペクトルに変換するものであり、図２（ｂ）に示すように、周波数間隔ｆ２で離散的な周波数を得ることができる。なお、周波数間隔ｆ１とｆ２を僅かに異ならせるのは、周波数差に応じた低い周波数にダウンコンバートするためである。よって、ｆ１とｆ２の差周波数からｎｆ１とｎｆ２の差周波数までが低周波数帯（テラヘルツ帯に比べて低い周波数帯であり、例えばＲＦ帯、ＩＦ帯、ＡＦ帯など任意の周波数帯）になるよう、周波数間隔ｆ２を設定しておく。

混合手段１５ａには、テラヘルツ帯の受信信号と、第２コム発生器１６で生成したテラヘルツ帯の複数周波数信号が入力され（図２（ｃ）を参照）、高感度なスーパーヘテロダイン方式による周波数変換で、低周波数帯（例えば、ＩＦ帯）の信号として出力される（図２（ｄ）を参照）。ここで、｜ｆ２−ｆ１｜＝Δｆとすると、Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋ｆ１の被写体検知情報が、２Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋２ｆ１の被写体検知情報が、３Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋３ｆ１の検知情報が、４Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋４ｆ１の被写体検知情報が、…、（ｎ−２）Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−２）ｆ１の被写体検知情報が、（ｎ−１）Δｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１の被写体検知情報が、ｎΔｆの周波数にはテラヘルツ波ｆ０＋ｎｆの被写体検知情報がそれぞれ反映されている。例えば、不透過領域１００ａが透過経路となっているテラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１に対応する（ｎ−１）Δｆの周波数では、強度がほぼゼロである。

上記のようにして混合手段１５ａで得られた低周波数帯の信号（低周波信号）は、アンプ１７で適宜増幅され、画像処理手段１８へ供給される。この画像処理手段１８は、低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する送信アンテナ１３による検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定する。

例えば、図１中、受信アンテナ１４から被写体１００に向かって一番左側の検知部位が第１画素で、第１送信アンテナ１３ａのテラヘルツ波ｆ０＋ｆ１の被写体検知情報に対応し、その右側の検知部位が第２画素で、第２送信アンテナ１３ｂのテラヘルツ波ｆ０＋２ｆ１の被写体検知情報に対応し、その右側の検知部位が第３画素で、第３送信アンテナ１３ｃのテラヘルツ波ｆ０＋３ｆ１の被写体検知情報に対応し、…、その右側の検知部位が第ｎ−１画素で、第ｎ−１送信アンテナ１３ｎ−１のテラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１の被写体検知情報に対応し、その右側の検知部位が第ｎ画素で、第ｎ送信アンテナ１３ｎのテラヘルツ波ｆ０＋ｎｆ１の被写体検知情報に対応する場合、画像処理手段１８は、第ｎ−１画素のみ非透過領域で黒、ほかの画素は全て透過領域で白とした一次元のイメージ像を作成できる。無論、前述したように、各周波数の検知情報から得られる透過減衰を考慮して、白と黒の間を多段階調で表したグレースケール像を作成するようにしても良い。

なお、上述した第１実施形態のテラヘルツ波イメージング装置１０においては、送信部に複数の周波数を等間隔で発生させる第１コム発生器１１を用いたが、送信部より放射する複数のテラヘルツ波は等間隔で発生させなくても良く、各周波数成分が分離可能な程度に離れていれば良い。例えば、周波数間隔が規則性をもって変化してゆくような複数周波数を使っても良いし、周波数間隔がランダムに変化する複数周波数を用いても良い。但し、受信部では、受信したテラヘルツ波の各周波数をそれぞれ異なる低周波数に変換できる周波数をそれぞれ発生させる機能が必要になるため、送信部で発生させる周波数と受信部で発生させる周波数とを高精度に対応付けるような調整が必要となり、煩雑である。これに対して、第１実施形態のように、第１コム発生器１１と第２コム発生器１６とを用いて、送信部および受信部で発生させる複数周波数の間隔をｆ１とｆ２に定める手法によれば、簡便で高精度なダウンコンバートを実現できるという利点がある。

図３に示すのは、第２実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置２０の概略構成である。第１コム発生器２１、送信波伝送手段２２、受信アンテナ２３によって、「テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部」を構成する。

また、被写体１００を経て到達したテラヘルツ帯の信号を受信可能な位置へ、一次元もしくは二次元に配列された複数の受信アンテナ（例えば、第１受信アンテナ２４ａ、第２受信アンテナ２４ｂ、第３受信アンテナ２４ｃ、…、第ｎ−１受信アンテナ２４ｎ−１、第ｎ受信アンテナ２４ｎ）、受信信号処理部２５によって、「送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部」を構成する。また、受信信号処理部２５内の混合手段２５ａ、第２コム発生器２６、アンプ２７を介して混合手段２５ａからの低周波信号を受ける画像処理手段２８によって、「受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部」を構成する。

第１コム発生器２１は、第１実施形態の第１コム発生器１１と同じで、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ１で一定である。

送信信号伝送手段２２は、第１コム発生器２１で生成した全ての周波数信号（ｆ０＋ｆ１、ｆ０＋２ｆ１、ｆ０＋３ｆ１、…、ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１、ｆ０＋ｎｆ１のテラヘルツ波）を送信アンテナ２３へ導く。

一方、受信部にて、一次元もしくは二次元に配列された第１〜第ｎ受信アンテナ２４ａ〜２４ｎは、いずれも被写体１００の各検知部位を経て到達した信号を受信できる。ただし、これら第１〜第ｎ受信アンテナ２４ａ〜２４ｎでは、送信アンテナ２３から放射された全ての周波数を含んだ信号を受信することとなる。そこで、受信信号処理部２５の受信波伝送手段２５ｂには、第１〜第ｎ受信アンテナ２４ａ〜２４ｎに対応するフィルターバンクを設けて、第１〜第ｎ受信アンテナ２４ａ〜２４ｎに対応させて設定した周波数成分のみを選択的に混合手段２５ａへ導くものとした。

例えば、第１受信アンテナ２４ａからはｆ０＋ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第２受信アンテナ２４ｂからはｆ０＋２ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第３受信アンテナ２４ｃからはｆ０＋３ｆ１のテラヘルツ信号のみが、…、第ｎ−１受信アンテナ２４ｎ−１からはｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第ｎ受信アンテナ２４ｎからはｆ０＋ｎｆ１のテラヘルツ信号のみが、それぞれ混合手段２５ａに供給される。

第２コム発生器２６は、周波数間隔ｆ１とは僅かに異なる周波数間隔ｆ２である複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ２で一定である。なお、送信部からの複数周波数が等間隔で無い場合には、各送信周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる機能を、受信側多周波信号生成手段に持たせればよい。

混合手段２５ａには、テラヘルツ帯の受信信号と、第２コム発生器２６で生成したテラヘルツ帯の複数周波数信号が入力され、高感度なスーパーヘテロダイン方式による周波数変換で、低周波数帯（例えば、ＩＦ帯）の信号として出力される。

上記のようにして混合手段２５ａで得られた低周波数帯の信号（低周波信号）は、アンプ２７で適宜増幅され、画像処理手段２８へ供給される。この画像処理手段２８は、低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナ２４による検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定する。

例えば、図３中、第１受信アンテナ２４ａが被写体１００に臨む一番左側の第１検知部位が第１画素で、テラヘルツ波ｆ０＋ｆ１の被写体検知情報に対応し、第２受信アンテナ２４ｂが被写体１００に臨む第２検知部位が第２画素で、テラヘルツ波ｆ０＋２ｆ１の被写体検知情報に対応し、…、第ｎ−１受信アンテナ２４ｎ−１が被写体１００に臨む第ｎ−１検知部位が第ｎ−１画素で、テラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１の被写体検知情報に対応し、第ｎ受信アンテナ２４ｎが被写体１００に臨む第ｎ検知部位が第ｎ画素で、第ｎ受信アンテナ２３ｎの被写体検知情報に対応する場合、画像処理手段２８は、第ｎ−１画素のみ非透過領域で黒、ほかの画素は全て透過領域で白とした一次元のイメージ像を作成できる。

図４に示すのは、第３実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置３０の概略構成である。第１コム発生器３１、送信波伝送手段３２、一次元若しくは二次元に配列したｎ個の受信アンテナ（第１受信アンテナ３３ａ、第２受信アンテナ３３ｂ、第３受信アンテナ３３ｃ、…、第ｎ−１受信３３ｎ−１、第ｎ受信アンテナ３３ｎ）によって、「テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部」を構成する。

また、第１〜第ｎ送信アンテナ３３ａ〜３３ｎと対向状に配置された複数の受信アンテナ（第１受信アンテナ３４ａ、第２受信アンテナ３４ｂ、第３受信アンテナ３４ｃ、…、第ｎ−１受信アンテナ３４ｎ−１、第ｎ受信アンテナ３４ｎ）、受信信号処理部３５によって、「送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部」を構成する。また、受信信号処理部３５内の混合手段３５ａ、第２コム発生器３６、アンプ３７を介して混合手段３５ａからの低周波信号を受ける画像処理手段３８によって、「受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部」を構成する。

第１コム発生器３１は、第１，第２実施形態の第１コム発生器１１，２１と同様に、複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ１で一定である。

送信信号伝送手段３２は、フィルターバンク構造の伝送路で構成することにより、各周波数の信号を第１〜第ｎ送信アンテナ３３ａ〜３３ｎへ選択的に導くことができる。例えば、基準周波数ｆ０よりもｆ１だけ高い周波数成分（ｆ０＋ｆ１）のテラヘルツ波は第１アンテナ３３ａへ、ｆ０＋２ｆ１のテラヘルツ波は第２アンテナ３３ｂへ、ｆ０＋３ｆ１のテラヘルツ波は第３アンテナ３３ｃへ、…、ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ波は第ｎ−１アンテナ３３ｎ−１へ、ｆ０＋ｎｆ１のテラヘルツ波は第ｎアンテナ３３ｎへ、それぞれ選択的に導かれる。

第１〜第ｎアンテナ３３ａ〜３３ｎは、一次元もしくは二次元に配列した高指向性のアンテナであり、少なくとも、被写体１００の配置領域を通過するまで、第１〜第ｎアンテナ３３ａ〜３３ｎから放射された各周波数のテラヘルツ波は、隣接する周波数のテラヘルツ波と混信することがないようにする。斯くすれば、第１〜第ｎアンテナ３３ａ〜３３ｎより被写体１００へ向けて放射された各周波数のテラヘルツ波は、何れも被写体１００の異なる部位へ照射されることとなり、被写体１００を経て受信部の第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎへそれぞれ到達した各周波数のテラヘルツ波には、被写体１００の各部におけるテラヘルツ波の吸収・反射・透過率を反映した情報（振幅や位相の変化）が含まれる。

一方、受信部にて、第１〜第ｎ送信アンテナ３３ａ〜３３ｎと対向状に配置された第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎは、いずれも被写体１００の各検知部位を経て到達した信号を受信できる。しかも、これら第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎでは、対応する第１〜第ｎ送信アンテナ３３ａ〜３３ｎから放射された周波数のテラヘルツ波のみを受信することができる。とはいえ、被写体１００を透過した後に、各周波数のテラヘルツ波が拡散してしまい、対応する第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎとは異なるアンテナで受信されてしまう可能性もある。そこで、受信信号処理部３５の受信波伝送手段３５ｂには、第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎに対応するフィルターバンクを設けて、第１〜第ｎ受信アンテナ３４ａ〜３４ｎに対応させて設定した周波数成分のみを選択的に混合手段２５ａへ導くものとした。

例えば、第１受信アンテナ３４ａからはｆ０＋ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第２受信アンテナ３４ｂからはｆ０＋２ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第３受信アンテナ３４ｃからはｆ０＋３ｆ１のテラヘルツ信号のみが、…、第ｎ−１受信アンテナ３４ｎ−１からはｆ０＋（ｎ−１）ｆ１のテラヘルツ信号のみが、第ｎ受信アンテナ３４ｎからはｆ０＋ｎｆ１のテラヘルツ信号のみが、それぞれ混合手段３５ａに供給される。

第２コム発生器３６は、周波数間隔ｆ１とは僅かに異なる周波数間隔ｆ２である複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段であり、発生する周波数の間隔はｆ２で一定である。なお、送信部からの複数周波数が等間隔で無い場合には、各送信周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる機能を、受信側多周波信号生成手段に持たせればよい。

混合手段３５ａには、テラヘルツ帯の受信信号と、第２コム発生器３６で生成したテラヘルツ帯の複数周波数信号が入力され、高感度なスーパーヘテロダイン方式による周波数変換で、低周波数帯（例えば、ＩＦ帯）の信号として出力される。

上記のようにして混合手段３５ａで得られた低周波数帯の信号（低周波信号）は、アンプ３７で適宜増幅され、画像処理手段３８へ供給される。この画像処理手段３８は、低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナ３４ａ〜３４ｂによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定する。

例えば、図４中、第１受信アンテナ３４ａが被写体１００に臨む一番左側の第１検知部位が第１画素で、テラヘルツ波ｆ０＋ｆ１の被写体検知情報に対応し、第２受信アンテナ３４ｂが被写体１００に臨む第２検知部位が第２画素で、テラヘルツ波ｆ０＋２ｆ１の被写体検知情報に対応し、…、第ｎ−１受信アンテナ３４ｎ−１が被写体１００に臨む第ｎ−１検知部位が第ｎ−１画素で、テラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１の被写体検知情報に対応し、第ｎ受信アンテナ３４ｎが被写体１００に臨む第ｎ検知部位が第ｎ画素で、第ｎ受信アンテナ３４ｎの被写体検知情報に対応する場合、画像処理手段３８は、第ｎ−１画素のみ非透過領域で黒、ほかの画素は全て透過領域で白とした一次元のイメージ像を作成できる。

上述した第１〜第３実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置１０〜３０は、何れの送信部も、第１コム発生器１１〜３１で発生させた複数周波数のテラヘルツ波を各送信アンテナ１３〜３３へ導くものであったが、送信部の構成はこれらに限定されるものではない。例えば、複数の周波数を異なった角度へ向けて放射できる周波数走査型アンテナを送信部として用いることもできる。なお、第１，第３実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置１０，３０は、送信部より照射した複数の周波数が被写体１００の異なる部位を透過することで、各部位の検知情報を得るものであったが、適宜な光学系を用いて複数の周波数のテラヘルツ波を被写体１００の一点に照射すれば、被写体１００における検知部位（照射部位）の分光情報を得ることができるので、スペクトロスコピー装置へ転用できるという利点もある。

また、上述した第１〜第３実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置１０〜３０は、何れもテラヘルツ波の電波的性質を利用して被写体のイメージ像を取得するものであったが、テラヘルツ波（例えば、１ＴＨｚ以上の帯域）の光波的性質を利用して被写体のイメージ像を取得することも可能である。以下の説明では、便宜上、テラヘルツ波を光と呼ぶ場合もある。

図５に示すのは、第４実施形態に係るテラヘルツ波イメージング装置４０の概略構成である。図示を省略した光波源（複数の周波数の光波を含む光信号を発生させる多周波光生成手段）、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器４１、結像光学系４２によって、「テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部」を構成する。

また、送信部の結像光学系からの照射光が被写体１００の配置空部を経て到達する部位に配置される光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３は、「送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部」としての機能を備え、また、この光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３とＣＣＤカメラ等の撮像手段４４とが協働することで、「受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部」を構成する。

光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器４１は、ポンプ光によって励起される非線形光学結晶（例えば、ニオブ酸リチウム結晶）を用いた光パラメトリック発生器と、この光パラメトリック発生器へシード光を注入する角度を調整するアクロマティック光注入光学系と、光パラメトリック発生器の光出射面に形成されたモノリシックグレーティングカプラーよりなる。すなわち、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器４１によって、複数の周波数のテラヘルツ波を発生させると共に、周波数毎の異なる角度で放射することができるのである。なお、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器４１へ入射するシード光となる多周波の光信号は、光コム発生器等を用いることができる。

光パラメトリック発生器は、ポンプ光で励起させた非線形光学結晶に角度位相整合条件が満たされる角度でシード光を注入することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー光が発生し、シード光に対応した周波数のテラヘルツ光が出射面より照射される。この光パラメトリック発生器へ多波長のシード光を入射させるとき、各周波数の光がそれぞれの角度位相整合条件を満たす角度で同時に入射させるために必要となるのが、アクロマティック光注入光学系である。このアクロマティック光注入光学系とは、シード光の周波数（波長）が変わると回折角も変わることから、その回折角の変化をレンズ系でさらに調整し、必要な角度位相整合条件を満たすように、非線形光学結晶への入射角度をシード光の周波数毎に制御する光学系である。

例えば、多周波光生成手段によって異なる５０波長のシード光（例えば、１０６８．０ｎｍ，１０６８．１ｎｍ，１０６８．２ｎｍ，…，１０７２．７ｎｍ，１０７２．８ｎｍ，１０７２．９ｎｍ）を、アクロマティック光注入光学系を介してそれぞれの角度位相整合条件が満たされる角度で同時に非線形光学結晶に注入すると、異なる５０周波数（１．０５６ＴＨｚ，１．０８２ＴＨｚ，１．１０９ＴＨｚ，…，２．２８７ＴＨｚ，２．３１３ＴＨｚ，２．３３９ＴＨｚ）のテラヘルツ波が同時に発生する。

モノリシックグレーティングカプラーは、上記のように非線形光学結晶内で発生させた各周波数のテラヘルツ波を夫々異なる角度へ放射させるように、非線形光学結晶の光出射面に直接溝を彫って形成するものである。このモノリシックグレーティングカプラーを備えることで、複数の異なる周波数のテラヘルツ波は、周波数毎に異なる角度へ放射されることとなる。

上記のようにして周波数毎に異なる角度へ放射されたテラヘルツ波は、結像光学系４２によって集光され、被写体１００の配置空部を介して受信部に結像する。すなわち、放射角度の異なる各周波数のテラヘルツ波は、それぞれ被写体１００の異なる位置を通って受信部へ到達するので、被写体１００を経て受信部へそれぞれ到達した各周波数のテラヘルツ波には、被写体１００の各部におけるテラヘルツ波の吸収・反射・透過率を反映した情報（振幅や位相の変化）が含まれる。

例えば、図５中、角度θ１で放射されたテラヘルツ波ｆ０＋ｆ１の被写体検知情報を第１画素に対応させ、角度θ２で放射されたテラヘルツ波ｆ０＋２ｆ１の被写体検知情報を第２画素に対応させ、角度θ３で放射されたテラヘルツ波ｆ０＋３ｆ１の被写体検知情報を第３画素に対応させ、…、角度θｎ−１で放射されたテラヘルツ波ｆ０＋（ｎ−１）ｆ１の被写体検知情報を第ｎ−１画素に対応させ、角度θｎで放射されたテラヘルツ波ｆ０＋ｎｆ１の被写体検知情報を第ｎ画素に対応させるのである。

上記のようにして被写体１００の配置部位を経た各テラヘルツ波は、受信部の光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３へ至る。この光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３は、前述した光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器４１の光パラメトリック発生器と同様な構成の光パラメトリック検出器（非線形光学結晶を含む）を備え、この光パラメトリック検出器によって、被写体検知情報を持った各周波数のテラヘルツ波からアイドラー光を発生させ、これらのアイドラー光を各検知部位の画素情報として使うのである。

すなわち、ポンプ光で励起された非線形光学結晶の入射面（ポンプ光の入射面に直交する何れかの面）より複数の周波数のテラヘルツ波が入射すると、非線形光学結晶内で、各周波数に対応したアイドラー光（例えば、近赤外光）がそれぞれ角度位相整合条件を満たす方向に発生し、ポンプ光入射面と対向する面（アイドラー光出射面）よりアイドラー光が出射され、各アイドラー光は被写体１００の検知部位に対応して整列し、各アイドラー光の輝度が被写体１００の各検知部位における透過強度として反映される。

よって、光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３より射出された赤外領域のアイドラー光を、赤外線カメラ等の撮像手段４４で撮れば、被写体１００のイメージ像を得ることができる。なお、可視光領域のアイドラー光を発生させれば、光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３より出射されたアイドラー光をスクリーン等に投影することで可視化できる。また、結像光学系４２から被写体１００に照射される多周波のテラヘルツ光が一次元に配列されている場合は、光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３より一列分のイメージ像しか出力されないが、例えば結像光学系４２によって被写体１００に対する照射位置を変えながら順次走査してゆき、光注入型テラヘルツ波パラメトリック検出器４３より時系列に出力されるイメージ像を一括して同一平面上に投影すれば、二次元のイメージ像を得ることができる。

以上、本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置をいくつかの実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全てのテラヘルツ波イメージング装置を権利範囲として包摂するものである。

１０ テラヘルツ波イメージング装置（第１実施形態）
１１ 第１コム発生器
１２ 送信波伝送手段
１３ａ〜１３ｎ 第１〜第ｎ送信アンテナ
１４ 受信アンテナ
１５ 受信信号処理部
１５ａ 受信波伝送手段
１５ｂ 混合手段
１６ 第２コム発生器
１８ 画像処理手段
１００ 被写体
１００ａ 不透過領域

Claims (5)

1. テラヘルツ帯の複数周波数が含まれる送信波を、被写体に照射する送信部と、
   前記送信波が被写体を経て到達した信号を、周波数成分毎に異なる経路で送信された信号として受信する受信部と、
   前記受信部が受信した周波数成分毎の送信経路を、被写体を含む空間の検知部位に対応させ、各周波数成分の受信情報を各検知部位の画素情報としてマッピングするイメージ像取得部と、
   を備えるテラヘルツ波イメージング装置。
2. 前記送信部は、
   複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分と対応付けられる複数の送信アンテナを一次元もしくは二次元に配列して構成される送信手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号を、各々対応付けられた送信アンテナへ選択的に導く送信波伝送手段と、
   を含み、
   前記受信部は、
   前記被写体を経て到達した全ての周波数成分の信号を受信可能な位置に配置された受信アンテナを有する受信手段と、
   前記受信アンテナで受信した全ての信号を導く受信波伝送手段と、
   を含み、
   前記イメージ像取得部は、
   前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、
   前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、
   前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する送信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の送信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置。
3. 前記送信部は、
   複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分が含まれる信号を送信する送信アンテナを有する送信手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号の伝送タイミングを合わせて、前記送信アンテナへ導く送信波伝送手段と、
   を含み、
   前記受信部は、
   前記被写体を経て到達した信号を受信可能な位置へ、一次元もしくは二次元に配列された複数の受信アンテナで構成される受信手段と、
   前記受信手段の各受信アンテナで受信した信号から、各受信アンテナに対応させて設定した周波数成分のみを選択的に導く受信波伝送手段と、
   を含み、
   前記イメージ像取得部は、
   前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、
   前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、
   前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の受信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置。
4. 前記送信部は、
   複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる送信側多周波信号生成手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分と対応付けられる複数の送信アンテナを一次元もしくは二次元に配列して構成される送信手段と、
   前記送信側多周波信号生成手段により生成された各周波数成分の信号を、各々対応付けられた送信アンテナへ選択的に導く送信波伝送手段と、
   を含み、
   前記受信部は、
   前記送信手段の各送信アンテナと対向状に配置された複数の受信アンテナを有する受信手段と、
   前記受信手段の各受信アンテナで受信した信号から、各受信アンテナが対向する送信アンテナの送信した周波数成分のみを選択的に導く受信波伝送手段と、
   を含み、
   前記イメージ像取得部は、
   前記送信側多周波信号生成手段が発生させた各周波数との差周波数が各々異なる低周波数となる複数の周波数成分を含むテラヘルツ帯の信号を発生させる受信側多周波信号生成手段と、
   前記受信側多周波信号生成手段により発生させた多周波信号を局部発振波として、前記受信部で受信した多周波成分の信号と混合させる混合手段と、
   前記混合手段から得られる低周波信号に含まれる各周波数成分を、該当する受信アンテナによる検知部位の受信情報として用いることにより、検知部位の画素情報を決定し、前記複数の送信アンテナが配列された一次元もしくは二次元のイメージ像を作成する画像処理手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置。
5. 前記送信部は、
   複数の周波数の光波を含む光信号を発生させる多周波光生成手段と、
   ポンプ光で励起させた非線形光学結晶に角度位相整合条件が満たされる角度でシード光を注入することで、ノンコリニア位相整合条件を満たす方向にアイドラー光が発生し、各シード光に対応した周波数のテラヘルツ光が出射面より照射される光パラメトリック発生器と、
   前記多周波光生成手段にて生成した複数の周波数の光信号をシード光とし、それぞれの角度位相整合条件を満たす角度で同時に前記光パラメトリック発生器へ注入するアクロマティック光注入光学系と、
   前記光パラメトリック発生器の光出射面に形成され、各周波数のテラヘルツ光を夫々異なる角度へ放射させるモノリシックグレーティングカプラーと、
   前記モノリシックグレーティングカプラーより異なる角度で放射された全てのテラヘルツ光を受け、被写体の配置空部を介して受信部に結像させる結像光学系と、
   を含み、
   前記受信部および前記イメージ像取得部は、
   前記送信部からのテラヘルツ光を非線形光学結晶の入射面で受け、ポンプ光で励起された非線形光学結晶に各周波数のテラヘルツ光が入射することで、各テラヘルツ光の周波数に対応する波長のアイドラー光が、角度位相整合条件を満たす方向にそれぞれ発生する光パラメトリック検出器と、
   前記光パラメトリック検出器のアイドラー光出射面に配置され、各アイドラー光の輝点を画素情報とするイメージ像を取得する撮像手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波イメージング装置。

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