JPH03501055A - ミリメートル波画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、視野内の物体によって反射または放出されたミリメートル波長の放射 線を検出し、それに対応する信号と画像を形成するための装置と方法に関するも のである。

発明の背景 視野内の物体によって反射または放出されたミリメートル波（波長が約１ω〜１ 卸、すなわち、周波数が約３０〜３００ＧＦｌｚの範囲の放射線）を検出し、そ れに対応した画像、その他の有用信号を作ることは多くの用途において要望され ている。

その理由は主としてミリメートル波が可視光や赤外放射線等の空気中の水滴によ って完全には減衰されないためである。

例えば、可視光線は濃霧によって完全に減衰されるため、航空機の着陸・離陸は 濃霧の時にはできなくなり、旅行者にとっては極めて不都合である。これに対し てミリメートル波は煙、化学物質の雲、埃等の粒径がミリメートル以下の不利な 環境下でも透過していく。

マイクロ波と比較したミリメートル波の別の利点は、放射線の波長がより短いた めに、大部分の部品、特にアンテナを大幅に小さくすることができる点にある。

従って、小型のアンテナが要求される種々の適用、例えば航空機、自動車、船舶 、宇宙船等においてはミリメートル波を用いるのが好ましい。また、ミリメート ル波はマイクロ波やラジオ波を用いた場合には一般に不可能である画像を形成で きだけ十分に短い波長である。

ミリメートル波画像システムが現在用いられていない理由はいつくかある。その １つは、ミリメートル波センサを用いた画像を作るには視野に対してセンサを物 理的または電気的に走査する必要があると考えられていたからである。センサを アジマス、上下方向あるいはその両方に物理的に移動させる物理的走査装置は複 雑で、故障し易い。また、電気過走査も複雑で、ミリメートル波の周波数では電 子的な位相シフト技術やスイッチング技術を必要とし、これらの技術は複雑でか なり難しい。

今日までに提案されている電気的走査装置は放射線源をアパーチャーブレーンの アレーにして、１つのエミッタから次のエミッタへ位相の違う放射線を放出する ものである。このような「位相−アレーｊ方式はスコルニク（Ｓｋｏｌｎｉｋ） の「レーダ方式入門（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｒａｄａｒ　Ｓｙｓｔ ｅｍｓ）、Ｈの特に第８章２７８〜３４２頁に記載されている。要約すると、各 放射線源から送られた信号は外部に向かって異なる方向に広がり、視野内の物体 から反射された放射線は信号検出器部品で検出され、検出された放射線の位相を 用いて反射物体の方位角と照準角を測定する。

このような位相−アレ一方式はその性質上から複雑であり、その複雑さはミリメ ートル波方式に固有な高周波数によってさらに複雑になる。

受信信号の周波数を信号処理に好都合なより低い周波数に小さくする公知の方法 の１つは、受信信号を一般にそれと同じ周波数の局部発振器信号と混合すること である。周知のように、この「混合」によって和信号と差動信号が発生する。

例えば、スコルニク（Ｓｋｏｌｎｉｋ）は８２頁でダイオード、その他の非直線 要素をレーダ装置で用いて、エコー信号と送信器信号の一部とをヘテロダインに して差動信号すなわち「うなり音」にすることを記載している。この差動信号の 周波数は小さくなるので、従来の電気回路設計と技術とを用して処理することが できる。しかし、ミリメートル波の局部発振器信号は導波管またはトランスミッ ションライン技術を用いて受信信号と結合しなければならず、これは実現不可能 ではないが、この要求によってミリメートル波受信器は単一の画像素子に限定さ れ、従って、物体のビデオ画像を作るには、上記のような機械的または電気的な 走査を行わなければ成らなかった。

しかし、上記のように、いずれの走査方法も画像装置をかなり複雑にする。また 、ミリメートル波のエネルギーをエミッタから視野に送って視野をイルミネート するのが好ましい。

しかし、現在のところ、十分に強い受信信号を出せる強力な発振器を作るのは難 しく、ミリメートル波の出力源としてはガン（Ｇｕｎｎ）ダイオード発振器等の ソリンドステートのミリメートル波源に限定されている。

ミリメートル波の放射線に応答するアンテナ素子を焦点面アレーに構成すること ができることを示唆する文献は公知である。例えば、ジレスビイ（Ｇｉｌｌｅｓ ｐｉｅ）達の「ミリメートルラインアストロノミー用アレー検出器（Ａｒｒａｙ 　Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｆｏｒＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　Ｌｉｎｅ　Ａｓｔｒｏｎ ｏｍｙ）」アストロノミイ　アストロフィジック（Ａｓｔｒｃｎ、　Ａｓｔｒｏ ｐｈｙｓ、）、７３号、１４〜１８頁、１９７９年を参照。この文献には、ミＩ Ｊメｉトル波放射線検出器に共通に接続された素子アレーが示されている。この 素子アレーでは、カサグレン（Ｃａｓｓｅｇｒａ　ｉｎ）望遠鏡の主ミラーの中 心フィード区域から局部発振器信号が導入される。この文献でジレスビイ達が認 めているように、この方法で素子アレー全体で局部発振器信号を均一にするのが 極めて離しい。

その他、多重感知素子を別々に配置した焦点アレーを用いて、最終画像にする方 式を記載した文献もある。例えば、イングベツソン（Ｙｎｇｖｅｓｓｏｎ）達の 「エンドフヤイアレセブタアレーを用いたミリメートル波画像装置（Ｍｉｌｌｉ ｍａｔｅｒ　賀ａｖｅＩｍａｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｗｉｔｈ　Ａｎ　Ｅｎｄ ｆｉｒｅ　Ｒｅｃｅｐｔｏｒ　Ａｒｒａｙ）Ｊ　、　第１０回赤外線・ミリメー トル波国際会ｋｉ！　（１０ｔｈ　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅ ｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　Ｗａｖｅｓ ）、１９８５年を参照。これに類する他の文献も公知である。この文献では、５ ×５すなわち２５個の素子の焦点面アレーが提案されており、このアレーでは各 素子が受信したミリメートル波エネルギーの整流とスーパーヘテロダイン信号検 出用の互いに離されたアンテナ素子に接続されたダイオードを含んでいる。イン グベッソン達は、アレーの各素子の互いに離されたアンテナ要素の間のスロット を横切って延びたスロットを低域フィルタの目的で用いているが、イングベッソ ン達の文献にはカサグレン（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）望遠鏡、その他の反射望遠 鏡の設計しか示しておらず、局部発振器信号はアパーチャを通って反射器に導入 されている。この構造は前記のジレスビイ達の文献の場合と同様に、イルミネー ションの均一性に問題がある。また、このようなカサグレン望遠鏡の構造は、ミ リメートル波検出法が要望されている多くの用途にとって最適のものではなく、 大型で、製作が難しく、物理的なハンドリングに対して敏感であるという欠点が ある。従って、よりコンパクトで、より簡単な構造がめられているのは明らかで ある。

発明の要旨 本発明の第１実施例では、複数のガン（Ｇｕｎｎ）ダイオードまたはミリメート ル波エネルギーを放出する他の発振器からのエネルギーが、混合器／検出器複合 素子のアレーと視野との間の光路内で偏波グリッドまたは周波数−選択性の透過 ／反射表面へ送られる。この光路はコリニア−である必要はない。

視野内の物体から放出または反射されたミリメートル波の放射線はレンズを通過 し、場合によってはさらに高域フィルタと透過／反射表面とを通過した後、アレ ーの各混合器／検出器素子によって局部発振器信号と結合される。従って、局部 発振器信号を視野からの信号と結合するのに導波管または他の複雑な転送ライン 技術は不必要である。各混合器はショットキーダイオードまたはアレーの各混合 器／検出器素子のアンテナ部材を構成する平坦な導体を横切って直接形成された その他の非線形デバイスで構成することができる。この非線形デバイスで混合さ れた後の差信号は中間周波数になり、公知の技術で処理、例えば増幅され、視野 の可視の画像を作るのに用いられる。

本発明の好ましい第２実施例では、発振器信号がミリメートル波放射線で視野を 照らすのに用いられる。この場合には、放射源からの直線偏波されたミリメート ル波エネルギー出力が偏波グリッドによって主部分と小部分に分割され、偏波グ リッドで反射された主部分はレンズを通って、好ましくはさらに４分の１波長板 を通って視野の方へ送られて、照明ビームとなって視野の物体上に投射される。

発振器信号の他の部分は偏波グリッドを通過し、ねじり反射器によって反射され 、適切に偏波されて偏波グリッドに戻り、混合器／検出器アレーへ向けて反射さ れ、局部発振器信号となる。視野内の物体で反射された照明ビームは上記レンズ と、４分の１波長板と、偏波グリッドとを再度通過して、混合器／検出器素子の アレー上に投射され、局部発振器信号と結合れる。アレー〇容素子からの差の周 波数信号は画像形成用に用いることができる。

アレーからのこの出力信号は画像形成用以外の別の目的に直接利用することがで きる。例えば、連続した各瞬間での各センサからの信号出力の振幅変動を用いて 視野内を移動する物体を検出することができ、また、アレーの全ての混合器／検 出器素子に対して同時に運動を検出することよって、デバイス全体の運動を測定 することができる。従って、本発明のミリメートル波センサ装置は種々の移動感 知法の用途、例えば衝突防止、ナビゲーション等で利用することができる。本発 明装置にって提供されるこれら以外の出力信号処理方法および用途も本発明の範 囲内である。

図面の簡単な説明 本発明は添付図面を参照した以下の説明からより明らかになろう。

第１図は本発明の第１実施例のセンサの画像形成アレーの混合器／検出器素子の １つのブロック図であり、第２図は本発明の第２実施例の各画像形成アレーの混 合器／検出器素子の第１図と同様なブロック図であり、第３図は第１実施例おけ る本発明の画像形成装置の光学的配置の全体図であり、 第４図は本発明の第２実施例による第３図と同様な図面であり、 第５図は本発明の第２実施例で用いるねじり反射器の詳細図であり、 第６図は、画像を形成するのに用いられる入射ミリメートル波放射線に露出され る焦点面混合器／検出器アレーの端部の斜視図であり、 第７図は本発明の混合器／検出器アレーに接続された回路の突出部の概念図であ り、 第８図は画像形成アレーの各混合器／検出器素子で用いられるショットキー型混 合用ダイオードの横断面図であり、第９図はミＩＪメートル波信号を出すのに用 いらアバ−チア−面を有する放射源アレーの一部の全体図であり、第１０図は第 ９図の線１．０−１０に沿った放射源アレーの素子の横断面図である。

好ましい具体例の説明 第１図は、本発明の第１実施例の混合器／検出器素子８の各々に用いられる個々 の信号処理要素のブロック図であり、第２図は本発明の第２実施例で用いられる 各混合器／検出器素子８の同様なブロック図である。第２実施例では上記素子に 到達する信号が別の方法で送られる。各図面において共通の要素には同じ参照番 号が付けである。

第４図では、アンテナ１０が視野（ＦＯＶ）内の物体から反射または放射された ミＩＪメートル波信号１２と、局部発振器２６からの局部発振器信号１４とを受 ける。これら両方の信号は混合器１６で結合され、その差信号は周波数ｌｆｓｉ ｇ　ｒＬ。１でビデオ周波数増幅器またはラジオ周波数増幅器１８に供給される 。

増幅された差動信号は、アレーの他の同一素子８からの多数の同様な信号と一緒 に、画像形成用またはその他の目的の信号処理回路２２へ送られる。

さらに詳しく言えば、第１図に概略的に図示した混合器／検出器素子８が多数個 が検出器アレーの形に配置されている。

各混合器／検出器素子８の出力は、受信信号１２の周波数と局部発振器信号１４ の周波数と差を表す周波数を有する信号であり、この信号の振幅は受信信号１２ の振幅にほぼ比例している。

各混合器／検出器素子８から出る信号出力は視野の一部に対応しており、画像を 形成する場合には、各混合器／検出器素子８が画像の特定の画の素子（以下画素 と呼ぶ）に対応することになる。すなわち、本発明では多重素子アレーを用いる ので、完全な一つの像を形成するのに物理的走査や電気的走査は必要がない。例 えば、各画像形成素子すなわち混合器／検出器素子８を素子アレーの一連のアレ ーに沿って単に順番に調べる（ｉｌｔｒｒｏｇａｔｅ）だけで、通常のラスター 走査式のビデオ画像を作ることができる。

第２図は本発明の第２実施例を示す第１図と同様な図である。この第２実施例で は、局部発振器信号を出す発振器２６によって与えられるエネルギーを視野を照 らす（ｉ　ｌｌｕｍｉｎａｔｅ）のにも用いている。この第２実施例でも、各混 合器／検出器素子８はアンテナ１０を有し、このアンテナが局部発振器信号１４ と視野からの信号１２とを受ける。混合器１６は局部発振器信号１４と受信信号 １２とを結合させる。周波数がｌｆａ＋ｇ　ｒＬ。１であるその差信号はビデオ 周波数増幅器またはラジオ周波数増幅器１８に送られ、その出力はアレーの他の 同一混合器／検出器素子８からの多数の同様な信号と一緒に、画像形成用または その他の目的の信号処理回路２２へ送られて、例えば画像を作るのに用いられる 。

第２図の実施態様では、発振器２６によって供給されたエネルギ−３４０大部分 は、視野への照明ビーム２４として送られる。

すなわち、特に、発振器２６によって作られたミリメートル波のエネルギー信号 は直線偏波されて、偏波グリッド２８によって主要部分２４と小部分３０とに分 割される。主要部分２８は偏波グリッド２８で反射された後に照明ビームとして 用いられる。

小部分３０は発振器２６の全信号エネルギー出力の約１０％を含んでおり、この 小部分３０は偏波グリッド２８を通過した後、反射器３２で反射される。この反 射器３２は偏向面を９０度回転させて偏波グリッド２８上に戻す。この偏波グリ ッド２８はこの偏波を混合器／検出器素子８のアレーに向かって反射する。従っ て、小部分３０は局部発振器信号１４となって、視野から反射された信号１２と 結合される。通常、こうして送られてくる照明信号は時間の関数で周波数がスィ ーブされ、反射信号が受信された時には、局部発振器信号がわずかに異なった周 波数になっている。従って、差信号はゼロではない。

上記のように、本発明の第２実施例では（放出アレーの設計によっては第１実施 例の場合にも）、発振器２６によって放出されたミリメートル波エネルギー３４ は直線偏波される。従って、このミリメートル波エネルギー３４は偏波グリッド ２８のような偏波応答装置によって簡単に主部分２４と小部分３０に分けられる 。この電磁ビームの小部分３０が入射する反射器３２は９０度だけ偏波面を変え る「ツイスト反射器」にすることができ、従って、この小部分３０が再度偏波グ リッド２８に入射した時には参照番号３６で示すように反射される。既に述べた ように、この小部分３０は次いで局部発振器信号１４として混合器／検出器素子 ８に入射して視野１２から反射された信号１２と混合される。

従って、第２図の実施例では、発振器２６からのエネルギー３４は、物体を照ら す照明ビーム２４として用いられると同時に視野１２から反射された信号１２と 混合される局部発振器信号１４として用いられる。

第３図は、第１図を参照して説明した本発明の第１実施例の第１の実施態様の光 学的配置を示している。本発明のこの実施例では、局部発振器２６がミリメート ル波エネルギーの直線偏波ビームを出し、この直線偏波ビームは偏波グリッド２ ８で反射される。この偏波グリッド２８と局部発振器２６についてと以下で詳細 に説明する。この実施例では、局部発振器のエネルギー１４がグリッド２８によ って直接反射されて、混合器／検出器素子８のアレー３６へ送られる。この構造 についても以下で詳細に説明する。視野内の物体から反射または放射された入射 放射線３８はレンズ４０と、好ましくはさらに高域フィルタ４２とを通った後、 上記のようにして反射された局部発振器のエネルギー１４とアレー３６中で結合 される。図示した光路は視野からアレー３６まで真っ直ぐであるが、必ずしもこ うする必要ははない。既に述べたように、アレー３６の混合器／検出器素子８中 での局部発振器エネルギー１４と視野からの信号３８との混合の結果、和信号と 差動信号ができる。一般には、この差信号を用いて参照番号２２セ示すような画 像生成処理を行う。

本発明の第１実施例の第２の実施態様では、上記のグリッド２８を有する偏波選 択的透過／反射面の代わりに、周波数選択的透過／反射面、例えば二色性反射器 ／高域フィルタ（以下ｒＤＲ／ＨＰＦ」とよぶ）が用いられる。すなわち、この ＤＲ／ＨＰＦの周波数選択性特性によって、視野からの周波数ｆ　ｓｌ、の信号 ３８はこのＤＲ／ＨＰＦを通って送られるが、周波数ｆ　ＬＯ（＜　ｆ　ｓｔｑ 　）の局部発振器信号３４はこのＤＲ／ＨＰＦで反射される。このＤＲ／ＨＰＦ は本出願人が市販しているものを入手できる。

このＤＲ／ＨＰＦは局部発振器信号３４をより効率的に反射し、同じシステムで より低電力の発振器２６を用いることができるため、本発明の第１の実施態様の 偏波グリッドより基本的に好ましい。また、偏波グリッドの代わりにＤＲ／ＨＰ Ｆを用いると、高域フィルタ４２が不要になる。さらに、ＤＲ／ＨＰ　Ｆを使用 すると、局部発振器信号を直線偏波にする必要がなく、発振器２６の設計が低コ ストになる。

第４図に図示した本発明の第２実施例は一般に第３図に図示した第１実施例の第 ４の実施態様に類似しており、共通の部品には同じ参照番号を付けである。すな わち、視野内の物体から反射した入射放射線３８はレンズ４０と、フィルタ４２ と、下記で説明する１７４波長板４６と、偏波グリッド２８とを通過した後、ミ リメートル波放射源２６から出される局部発振器信号と結合される。しかし、こ の場合には、放射源２６から放出された放射線３４は偏波グリッド２８によって 主部分２４と小部分３０とに分割され、主部分２４（これは、好ましくはミリメ ートル波エネルギーの約９０％を含む）は、参照番号４８で図示したように外部 に出て、ミリメートル波の放射線で視野を照らす。

放射源２６から放出された放射線３４の残りの小部分３０はねじり反射器５０に 入射する。このねじり反射器５０（詳細は第５図で説明する）は直線偏波された 入射エネルギーの偏波面を９０度回転させる特性を有している。従って、このね じり反射器５０で反射された小部分３０が偏波グリッド２８に入射した時には、 この小部分３０は混合器／検出器アレー３６に向かって反射される局部発振器信 号１４となって、視野内の物体から反射された後に入って来る照明ビーム３８と 結合する。

本発明のこの実施例では、発振器２６の出すエネルギー３４は視野の照明と、局 部発振器信号１４として用いられる。放射線２６から放出されたミリメートル波 エネルギー３４の分割は、以下で説明する偏向特性特性を有する偏波グリッド２ ８によって行われる。また、この偏波グリッドはエネルギー３４の小部分３０を 局部発振器信号１４として再度アレー３６の方へ送って、反射されたエネルギー と混合するのにも用いられている。

次に、第３図および第４図に図示した装置の個々の要素を説明する。上記のレン ズ４０はゴールドスミス（Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ）達、Ｊｏｕｒｎａｌ）”、１９ ８４年７月に記載されたものである。フィルタ４２は一般にゴールドスミスの「 近似光学装置の設計」　１マイクロ波装置設計者ハンドブック　（Ｔｈｅ　Ｍｉ ｃｒｏｗａｖｅ　５ｙｓｔｅｎ＋Ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）’、 第５版、１９８７年に記載されているものである。このフィルタ４２は金属プレ ートで、この金属プレートにはドリルで孔がアレー状に開けられていて、ミリメ ートル波の周波数の高域フィルタの役目をする。

偏波グリッド２８は誘電体を介して互いに間隔を開けて平行に配置された一連の 導体によって構成されている。特に好ましい実施態様では、上記導体は空気で互 いに平行に配置された、例えば金がコーティングされたタングステンのワイヤで ある。これほど高価ではない代用品は、誘電性基板、例えばマイラー（Ｍｙｌａ ｒ）（登録商標）Ｍ上にホトリトグラフによって導体ストリップを形成したもの である。各導体４４０間隔は、放射源２６から放射されたミリメートル波の波長 の約５分の１以下である。このグリッド２８は導体の方向に直角な直線偏向の電 界成分を通し、この方向と平行な成分は反射する。導体を放射線の偏向面の方向 に対して角度を付けた場合には、対応する部分が通過し、残りの部分は反射する 。

本発明の第２実施例では、偏波グリッドを一つの周波数のエネルギーの反射器お よび伝播器として用いているので、上記の偏波グリッド２８の代りにＤＲ／ＨＰ Ｆを用いることはできないということは当業者は明らかである。従って、直線偏 波エネルギー源と一緒に偏波選択的グリッド２８を用いている。

既に述べたように、本発明の第２実施例では、偏波グリッド２８とレンズ４０と の間に一般に１７４波長板４６が挿入されている。この１／４波長板４６は放射 源２６から放射された直線偏向した入射波を円偏向の波に変換する公知の構成要 素である。画像を形成すべき物体からの反射特性は円偏向波の方が直線偏向波よ りもより好ましく、例えば、直線偏向波は物体の特定の向きに応じて非対称的に 反射するが、円偏向波はより均一な反射特性を有している。物体から来る円偏向 波の反射は上記１７４波長板４６が再度直線偏向波に戻されてるので、偏波グリ ッド２８を通過する。従って、実質的な電磁波の減衰はない。

１７４波長板４６は結晶性サファイアで製造できるが、レキソライ）　（Ｒｅｘ ｏｌｉｔｅ）　（商標）等の誘電体に適当な溝を機械加工することによって製造 することもできる。

第４図では概念的に示したねじり反射器５０は第５図に詳細に図示しである。こ のねじり反射器５０はアレー状に配置された一般に多数の凹状素子または皿形素 子によって構成されている。このアレー中の素子の数は放射源２６を形成するミ リメートル波放出器中のアレーの素子の数に等しいのが好ましい。

アレー５０中の凹状素子の形は、放射源２６の上記素子によって放射された発散 ビームが、偏波グリッド２８から反射後に混合器／検出器のアレー３６の表面上 の対応区域上で焦点を結ぶような形になっている。

第５図に概念的に図示したように、ねじり反射器５０は誘電体基板５６で構成さ れ、この誘電体基板５６の背面は導体層５８で被覆されており、その前面は入射 波の偏波方向に対して４５度の方向を向いた導体材料の一連のストリップ３６で 被覆されている。この誘電体基板５６の電気的厚さは波長の４分の１であるので 、誘電体を通る波長の有効移動距離は波長の２分の１である。従って、ストリッ プ６０で直接反射した入射エネルギー成分５９は入射エネルギーから位相が１８ ０度ずれる。これは入射ビームの偏波方向が９０度回転することに相当する。従 って、ねじり反射器５０に入射するビーム３０　（これはグリッド２８を通過し てきたもの）は偏波グリッド２８に対して９０度回転する。回転されたビームが 再度グリッド２８に入射した時には、アレー３６上で反射される。ねじり反射器 ５０の凹状素子は正方形で、１つの素子が上記の放射源２６の放出器の１つに対 応するようなモザイク状になっているのが好ましい。

第６図は、受信器アレー３６の一部分の斜視図であり、第７図はアレー３６の個 々の混合器／検出器素子を構成する導体６８が形成されている基板７０の平面図 である。アレー３６は参照番号６６で示した複数の実質的に同一な混合器／検出 器素子で構成れている。各混合器／検出器素子６６は２つの導体アンテナ素子６ ８で構成されており、各アンテナ素子はアルミナ板７０上板上に直接形成されて いる。このアルミナ板７０は正確に間隔が決定されたスペーサ一部材７２を介し て互いに隔てられている。アンテナ素子６８の好ましい実施態様は第７図に概念 的に示し、である。図示したように、導体のアンテナ素子６８は、アレー内に（ 入射放射線は図の端部で受信される）一定の距離だけ延びた平行な部分７３と、 指数曲線に沿って互いに接近する湾曲部分７４と、スロット７６によって互いに 分離されてさらに一定の距Ｍだけ延びた部分とによって構成されている。このよ うなアンテナ素子は当業界では［エンドファイヤー　トラベリング　ウニイブ　 スロットアンテナ（ｅｎｄｆｉｒｅ　ｔｒａｖｅｌｌ−ｉｎｇ　ｗａｖｅ　５ｌ ｏｔ　ａｎｔｅｎｎａ）Ｊとよばれており、ギプソン（Ｐ、　Ｊ。

Ｇｉｂｓｏｎ）が「ビバルディアンテナ（Ｔｈｅ　Ｖｉｖａｌｄｉ　Ａｅｒｉａ ｌ）Ｊヨーロッパマイクロ会議予稿集（Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｕｒｏｐ ｅａｎ　Ｍｉｃ。

Ｃｏｎｆ、）、ブライトン、イギリス、１９７９年、１０１〜１０５頁に最初に 記載している。

好ましい実施態様では、スロット７６の両側には、それと直角に２つの補助的ス ロット７８が形成されている。これらのスロット７８は、混合によって形成され た局部発振器信号と検出信号との「和」を反射すると同時に、これらの「差」を 通過させるラジオ周波数チョークを構成している。各アンテナ素子６８は、混合 機能を有する非直線回路素子８０、例えばダイオードと対になっている。このダ イオード８０は、各素子の２つの導体部品６８の間、すなわち、スロット７６を 直接横切るように物理的に配置されているのが好ましい。以下で説明する好まし 実施態様では、ダイオード８０は接続リード線なしに基板７０上に直接形成され ている。

局部発振器信号と視野からの信号はダイオード８０によって混合され、スロット ７８によって構成されたＲＦチョークによって濾過された後、残った差の周波数 信号が、かなり「はっきりした」中間周波数信号としてアレー３６の各素子６６ と組み合された周知の増幅器８２によって増幅される。既に述べたように、増幅 器８２からの出力信号は直接画像形成処理回路またはその他の信号処理回路２２ へ供給される。

本発明装置の一実施例では、上記検出器３６が素子６６を１００×１００に並べ たアレーであり、従って、アレ−３６全体で同一の混合器／検出器素子がｉｏ、 　ｏｏｏ個ある。この数は視野の画像を形成するのに十分な分解能を与える数で ある。

第８図は、各アンテナ素子６６を構成する導体６８が形成されている基板７０上 に直接形成された上記混合用ダイオード８０の１つの横断面図である。この実施 態様では、ダイオード８０は金のポンディングパッド８４．８５を有し、このパ ッドは半絶縁性（Ｓｌ）のＧａＡｓ基板８８内のバイアス部８６を通って延びて いる。

また、この金のポンディングパッド８４．８５は基板８８の反対側に形成された 補助的金電極９０．９２と接触している。この電極９０．９２は実際のダイオー ド構造の上に載っている。このダイオード構造は半絶縁性ＧａＡｓ基板８８と接 触したｎ”−ＧａＡｓの第１層９４を有し、この層の上には、ｎ−ＧａＡｓの層 ９６が形成されている。この層９６の上にはショットキー金属の層９８が形成さ れている。好ましい実施態様ではこの金属はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。

ショットキー金属層９８は電極９２と直接接触しており、従ってポンディングパ ッド８４と接触している。ｎ”−ＧａＡｓの層９４は他の電極９０と接触してお り、従って、ＡｕＧｅ／Ｎｉのオーミック層９３を介して他方のポンディングパ ッド９０と接触している。

また、各層の間の空間１００と１０２には絶縁／パッシベーション材料の５ｉＯ ｚ／５ｉｓＮ＜が充填されている。特に好ましい実施態様では、空間１００．１ ０２にはさらに、電極９２とＧａＡｓ層９３．９４との間、すなわちショットキ ー金属９８の周囲に、エアギャップが設けられている。このエアギャップにはＳ ｉＯ，／５ｉｓＮ。

を充填してもしなくてもよい。このエアギャップは混合用ダイオード８０の寄生 容量を小さくするという利点がある。

また、半導体材料とその製造技術がさらに発展した場合には、増幅器８２の機能 を混合器／検出器ダイオード８０と一緒に集積することも可能である。そのため にはミリメートル波で作動可能な増幅器の開発が必要である。そのようなデバイ スでは、単一の半導体素子内で混合と増幅との機能を遂行できると考えられる。

これは、各混合器／検出器素子６６での信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を大幅に大き くできることが予想されるので、極めて望ましい。本出願の請求の範囲は、この ように改良されたデバイスが利用可能になった時には、それらのデバイスをも含 むものである。

第９図は、放出器アレー２６の一部分の正面図である。この放出器は本発明の上 記２つの実施例で受信信号と混合される信号を出し、本発明の第２実施例ではさ らに照明信号を出す。

既に述べたように、アレー２６は実質的に同一な素子１１２によって作られてい る。一般に、放出器アレー２６は２５Ｘ２５に配置された６２５個の同一の素子 １１２によって構成されている。アレー２６の個々の素子１１２はくその構造は 第１０図を用いて以下で説明する）、放射ホーンに接続された燐化インジウム（ ＩｎＰ）ガンダイオードまたは他の発振器によって構成されている。

アレー２６は、製造および組立てが便利なように、多数のサブアレー１１０に集 積して作られているのが好ましい。

第１０図は第９図の線１０−１０による横断面図であり、放射源アレー２６中の １つの素子１１２の詳細図である。各素子は放射ホーンの出力部と一体になった 直線状発振キャビティー１１４を有している。アクティブ素子はガンダイオード 素子１１６であり、その構造自体は通常のものである。上記キャビティー１１４ にはガンダイオード素子１１６に直流バイアスを与える放射円盤共振器１１８が 、それと同軸に配置されたＲＦチョーク構造体に沿って配置されいる。固定バッ クショート１１７は基本発振器の性能を最適化するのに使用れる。この型の素子 は当技術ではガンダイオード駆動式の「導波管キャビティー共振器」とよばれて いる。

第１Ｏ図から分かるように、ダイオード素子１１６は、ネジ部材１２０によって 共振器構造体内に１１９内に向かって押付けられている。ガンダイオード発振器 の中央周波数は共振器円盤１１８の直径によって決定され、周波数の微調節は機 械的なチューニングロッド１２４によって行うことができる。　ＩｎＰガンダイ オードのバイアス電圧を変えて、９５　ＧＨｚの前後で約±３００ＭＨｚだけ変 えることによって作動周波数でダイオードを駆動できるようになっている。必要 な場合には共振円盤１１８の近傍にサファイア等の誘電体材料を導入してさらに 追加の微調整を行うこともできる。このデバイス（本発明の第２実施例で用いら れているようなデバイス）の通常の連続波の放射出力レベルは９５ＧＨｚで単位 放出器当たり１００ｍＷである。

周波数との選択にはいくつかの設計上のトレードオフの関係がある。大気吸収特 性に応じて１．２Ｍ、　２ａｕ＋＋または３−の波長帯で操作する必要である。

開口部の寸法は波長が短くなる程小さくなり、アンテナの構成要素を小型化する ことができるが、波長が短くなるとそれに応じて周波数が高くなるため混合器の 特性が悪くなる。現在、最適な周波数は９４ＧＨｚ　（波長３闘）または１４０ 　Ｇｔｌｚ　（２ｍｍ）と考えられているが、さらに高性能の構成要素（特に混 合器）が使用可能になった場合には、この周波数を変えることができる。これら の周波数では、水蒸気に起因する減衰等の大気減衰のみが極めて長距離の画像シ ステムの場合に問題となるだけである。

以上、混合器／検出器素子アレーを有し、各混合器／検出器素子が視野の一部か ら反射された放射線と混合された局部発振器信号に対応した中間発振器信号出力 を出すミリメートル波画像形成デバイスを説明したが、本発明による上記混合器 ／検出器アレーは、［スターリングｊアレー、すなわち視野全体を画像化するた めに物理的また電気的な走査を必要としないアレーである。このアレー３６の各 混合器／検出器素子からの出力信号は、常にこのデバイスの視野の特定の部分、 すなわち画像の特定の「画素」に対応し対応している。例えば、アレー中の各混 合器／検出器素子に出力素子（例えば、ＬＥＤ）を接続して画像を形成すること 、すなわちビデオ画像等を直接形成することができる。

また、上記混合器／検出器素子によって作られた画像を従来のビデオスクリーン 等にディスプレイする場合には、アレーの素子の一列の素子を順次調べて、ビデ オディスプレイの第１の行を形成し、次に、アレーの次の列の各素子を調べてデ ィスプレイの次の行を形成し、このようにして、最後的に完全なラスター走査を 行う。このような画像形成力は当業者に周知である。

本発明による画像形成力と任意の各種の画像処理法、画像エンハンス法および解 析法、例えば渦巻き法、疑似着色法、公知の形状との比較による画像中の個々の 物体の同定法とを組合せて用いることができる。本発明では、スターリングｒレ ーによって画像信号を画素毎に与えることができるという事実によって、多くの 画像処理技術、特にフーリエ変換による画像処理技術が容易になる。これらの技 術は以下の請求の範囲によって除外されない限り本発明の範囲に入るものである 。

以上、本発明をいくつかの好ましい実施態様について詳細に説明したが、これれ の実施態様は例であって本発明を何ら限定するものではなく、本発明は添付の請 求の範囲によってのみ限定される。

ＢＩＡＳ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）３、特許出願人 名　称　ミリチック　コーポレーション代表者　ヒューニン、ジー、リチャード ４、代理人 ６、添付書類の目録 請求の範囲 １、視野に対して光路に沿って並べられたミリメートル波の混合器／検出器素子 （８）のアレー（３６）と、視野内の物体から放出または反射されたミリメート ル波の放射線を上記混合器／検出器のアレー（３６）上に収束する手段（４０） と、 上記光路の外ＩＪ置されたミリメートル波エネルギーのビーム（１４）を生成す る局部発振器手段（２６）と、このミリメートル波エネルギーのビーム（１４） を上記アレー（３６）上に送って、局部発振器信号で上記アレー（３６）の混合 器／検出器素子素子（８）を均一に照射すると同時に、収束された放射線（３８ ）を上記光路を通して上記混合器／検出器素子のアレー（３６）に入射させる透 過／反射表面手段（２８）と、によって構成させれ、上記アレー（３６）の各混 合器／検出器素子（８）が、局部発振器ビーム（１４）と視野の特定の部分から の収束された放射線（３８）とを検出・混合して、視野の上記部分に対応する出 力信号を出すようになっていることを特徴とするミリメートル波検出装置。

２、局部発振器手段（２６）によって生成したミリメートル波エネルギーの上記 ビームが直線偏波されていることを特徴とす請求項１に記載の装置。

３、局部発振器手段（２６）が上記エネルギーを上記光路中の上記手段（２８） の方へ送り、この手段（２８）が、局部発振器のビームを上記アレー（３６）へ 送ると同時に視野から受けた収束した放射線（３８）を通過させる偏波グリッド によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。

４．上記偏波グリッ、ド（２８）が、上記局部発振器手段（２６）から放射され たビームを主部分（２４）と小部分（３０）に分割し、主部分（２４）を照明ビ ームとして上記視野の方に送り、小部分（３０）！を局部発振器信号として上記 混合器／検出器アレー（３６）の方に送るように配置されていることを特徴とす る請求項３に記載の装置。

５、上記局部発振器信号の偏向面を回転させる手段（５０）を備えていることを 特徴とする請求項４に記載の装置。

６、上記の回転させる手段（５０）がねじり反射器であることを特徴とする請求 項５に記載の装置。

７、上記局部発振器手段（４６）がガンダイオードまたは他の発振器のアレーで あることを特徴とする請求項１に記載の装置。

８、上記アレー（３６）の混合器／検出器素子（８）の各々がエンドファイヤー 　トラベリングウェーブ　スロットアンテナ（６６）と非線形回路素子（８０） とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

９、上記非線形回路素子（８０）がショットキー障壁ダイオードであることを特 徴とする請求項８に記載の装置。

１０、上記アンテナ（６６）の各々が、誘電体基板（７０）上に互いに間隔を介 して配置された２つの平面導体（６８）によって構成され、これら２つの平面導 体の間には、視野と上記アレー（３６）との間の光学的軸線に沿って配置された スロワ）　（７６）が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。

１１、上記混合器／検出器素子（１８）がＲＦチョーク（７８）を有しているこ とを特徴とする請求項１０に記載の装置。

１２、上記ＲＦチョーク（７８）が各平面導体（６８）上に形成された一つ以上 のスロットによって構成され、このスロットが平面導体（６８）間の上記スロッ トに対して直角に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

１３、各混合器／検出器素子の上記ダイオード（８０）が平面基板（８８）上に 形成されており、このダイオードのアクティブ半導体部材（９８）は導体部分（ ９２，９０＞と接触し、各ダイオード°（８０）のアクティブ部材（９８）は、 上記導体部分（９２，９０）を上記平面導体（６８）に直接接続することによっ て平面導体に接続されて１４、上記混合器／検出器素子（８）に対応して視野内 の物体の画像を形成するための手段（２２）が組み合わされており、この画像は 、各々が上記検出器／混合器素子の１つに対応した多数の画素によって形成され ていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

１５、視野を照明するためのミリメートル波放射源（２６）と組み合わされた請 求項１に記載の装置。

１６、以下の段階によって構成されることを特徴とする視野の画像を生成する方 法： 視野内の物体から反射または放出されたエネルギー（１２）をミリメートル波エ ネルギーに感応する混合器／検出器素子（８）のアレー（３６）上に収束して、 視野とこのアレー（３６）との間に延びた光路を画成し、 ミリメートル波エネルギーに局部発振器信号（３４）を生成し、この局部発振器 信号（３４）を上記混合器／検出器素子に送るために上記光路内に配置された手 段（２８）に上記局部発振器信号（３４）を送り、 収束されたエネルギー（１２）を上記アレー（３６）中の混合器／検出器素子（ ８）で局部発振器信号（１４）と混合（１６）　Ｌ、この混合段階後に生成した 信号を検出（１６）　Ｌ、、この検出信号を用い（２２）で、上記画像の個々の 画素が上記アレーの各混合器／検出器素子によって検出された信号に対応する画 像を形成する。

１７、局部発振器信号（３４）を上記アレー（３６）に送ると同時に収束された エネルギーを通過させる上記の段階が、視野とアレー　（３６）との間の光路に 配置された透過／反射表面手段（２８）によって行われることを特徴とする請求 項１６に記載の方法。

１８、局部発振器信号を主部分（２４）と小部分（３０）に分け、この主部分（ ２４）を照明信号として視野へ送り、小部分（３０）を上記局部発振器信号（１ ４）としてアレー（３６）の方向に送る段階をさらに含むことを特徴とする請求 項１６に記載の方法。

国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．視野に対して光路に沿って並べられたミリメートル波混合器／検出器素子（ ８）のアレー（３６）と、上記混合器／検出器アレー（３６）上に上記視野内の 物体から放出または反射されたミリメートル波放射線を収束する手段（４０）と 、 ミリメートル波エネルギービーム（１４）を生成するための上記光路の外に配置 された局部発振器手段（２６）と、上記ミリメートル波エネルギービームをアレ ー（３６）上に送ると同時に、収束された放射線（３８）を上記光路を通して上 記混合器／検出器アレー（３６）に入射させるための上記光路上に設けられた透 過／反射表面手段（２８）と、によって構成され、上記アレー（３６）の各混合 器／検出器素子（８）が上記局部発振器手段のビーム（１４）と上記視野の特定 の部分からの収束された放射線（３８）とを検出・混合してこの視野の上記部分 に対応した出力信号を出すようになっていることを特徴とするミリメートル波検 出装置。
2. ２．上記局部発振器手段（２６）によって生成した上記ミリメートル波エネルギ ービームが直線偏波されることを特徴すとる請求項１に記載の装置。
3. ３．上記局部発振器手段（２６）が上記エネルギーを上記光路の方に向ける上記 手段（２８）の方に向け、この手段（２８）が局部発振器手段ビームを上記アレ ー（３６）に向けると同時に上記視野から受けた収束した放射線（３８）を通過 させることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ４．上記偏波グリッド（２８）が、上記局部発振器手段（２６）から放射された ビームを主部分（２４）と小部分（３０）に分割し、主部分（２４）を照明ビー ムとして上記視野の方に送り、小部分（３０）を局部発振器信号として上記混合 器／検出器アレー（３６）の方に送るように配置されていることを特徴とする請 求項３に記載の装置。
5. ５．上記局部発振器信号の偏向面を回転させる手段（５０）を備えていることを 特徴とする請求項４に記載の装置。
6. ６．上記の回転させる手段（５０）がねじり反射器であることを特徴とする請求 項５に記載の装置。
7. ７．上記局部発振器手段（４６）がガンダイオードまたは他の発振器のアレーで あることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. ８．上記アレー（３６）の混合器／検出器素子（８）の各々がエンドファイヤー トラベリングウェーブスロットアンテナ（６６）と非線形回路素子（８０）とに よって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. ９．上記非線形回路素子（８０）がショットキー障壁ダイオードであることを特 徴とする請求項８に記載の装置。
10. １０．上記アンテナ（６６）の各々が、誘電体基板（７０）上に互いに間隔をあ けて配置された２つの平面導体（６８）によって構成され、これら２つの平面導 体の間には、視野と上記アレー（３６）との間の光学的軸線に沿って配置された スロット（７６）が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. １１．上記混合器／検出器素子（１８）がＲＦチョーク（７８）を有しているこ とを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. １２．上記ＲＦチョーク（７８）が各平面導体（６８）上に形成された一つ以上 のスロットによって構成され、このスロットが平面導体（６８）間の上記スロッ トに対して直角に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. １３．各混合器／検出器素子の上記ダィオード（８０）が平面基板（８８）上に 形成されており、このダイオードのアクティブ半導体部材（９８）は導体部分（ ９２，９０）と接触しており、各ダイオード（８０）のアクティブ部材（９８） は上記導体部分（９２，９０）を上記平面導体（６８）に直接接続することによ って平面導体に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
14. １４．上記混合器／検出器素子（８）に対応して視野内の物体の画像を形成する ための手段（２２）が組み合わされており、この画像は、各々が上記検出器／混 合器素子の１つに対応した多数の画素によって形成されていることを特徴とする 請求項１に記載の装置。
15. １５．視野を照明するためのミリメートル波放射源（２６）と組み合わされた請 求項１に記載の装置。
16. １６．以下の段階によって構成されることを特徴とする視野の画像を生成する方 法： 視野内の物体から反射または放出されたエネルギー（１２）をミリメートル波エ ネルギーに感応する混合器／検出器素子（８）のアレー（３６）上に収束して、 視野とこのアレー（３６）との間に延びた光路を画成し、 ミリメートル波エネルギーの局部発振器信号（３４）を生成し、この局部発振器 信号（３４）を上記混合器／検出器素子に送るために上記光路内に配置された手 段（２８）に上記局部発振器信号（３４）を送り、 上記アレー（３６）中の混合器／検出器素子（８）で、収束されたエネルギー（ １２）を反射された局部発振器信号（１４）と混合（１６）し、 この混合段階後に生成した信号を検出（１６）し、この検出信号を用い（２２） て、上記画像の個々の画素が上記アレーの各混合器／検出器素子によって検出さ れた信号に対応する画像を形成する。
17. １７．局部発振器信号（３４）を上記アレー（３６）に送ると同時に収束された エネルギーを通過させる上記の段階が視野とアレー（３６）との間の光路に配置 された透過／反射表面手段（２８）によって行われることを特徴とする請求項１ ６に記載の方法。
18. １８．局部発振器信号を主部分（２４）と小部分（３０）に分け、この主部分（ ２４）を照明信号として視野ヘ送り、小部分（３０）を上記局部発振器信号（１ ４）としてアレー（３６）の方向に送る段階をさらに含むことを特徴とする請求 項１６に記載の方法。