(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数の信号を生成する信号発生部と、
前記所定の周波数の信号を入力して電波を生成する電波源を有し、移動している対象物へ前記電波を照射する回折波発生部と、
前記電波源による電波照射により前記対象物で生じた回折波のうち所定平面に到達した電波において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第２方向についての総和を表すデータを、前記第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記検出部から出力された前記所定平面上の前記第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、前記所定平面に検波面を有し、該検波面において前記電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、
前記複数のアンテナが、前記第１方向および前記第２方向に並設され、前記第２方向に並設された前記複数のアンテナからの出力は合波され、前記第２方向についての総和を表すデータとして前記演算部に出力される、観察装置。
【請求項２】
前記信号発生部から前記所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第１参照電波を生成する第１参照電波発生部を更に備え、
前記検出部が、前記検波面において、前記対象物で生じた回折波と前記第１参照電波とをヘテロダイン干渉させる請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記信号発生部から前記所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第１参照信号を生成する第１参照信号発生部を更に備え、
前記検出部が、前記第２方向のアンテナの出力の総和と前記第１参照信号とをヘテロダイン干渉させる請求項１に記載の観察装置。
【請求項４】
前記対象物で生じた回折波のうち、前記対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第２参照信号を生成する第２参照信号発生部を更に備え、
前記検出部が、第２方向のアンテナの出力の総和と前記第２参照信号とをヘテロダイン干渉させる請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
前記対象物で生じた回折波のうち、前記対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第２参照電波を生成する第２参照電波発生部を更に備え、
前記検出部が、前記検波面において、前記対象物で生じた回折波と前記第２参照電波とをヘテロダイン干渉させる請求項１に記載の観察装置。
【請求項６】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記所定の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項７】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記所定の周波数の信号を変調器で変調した信号の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項３〜６の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項８】
前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項１〜７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項９】
前記回折波発生部が、広帯域の電波を生成する電波源を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記回折波発生部が、前記電波としてパルス波を生成することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物に電波を照射して、対象物から生じる回折波に基づいて、対象物を観察する装置が知られている。例えば、対象物の強度像・位相像を観察する技術として、非特許文献１には、ミリ波を用いたイメージング装置が開示されている。この装置では、コンクリート構造物表層をミリ波で走査し、反射した電波の反射強度に基づいてコンクリート構造物内部の透視像を得ている。
【０００３】
また、非特許文献２には、複数の角度から平面電波を対象物に全面照射し、その回折波を空間的に異なる位置において検波して得られた複数の回折分布又は回折像からフーリエ回折定理（Fourier Diffraction Theorem）を用いることにより、３次元または２．５次元の対象物内の媒質定数、複素屈折率分布を断層像として得る回折トモグラフィに関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】永妻忠夫、“ミリ波イメージング技術と構造物診断への応用”、ＮＴＴ技術ジャーナル、電気通信協会／日本電信電話株式会社、２００６年６月、第１８巻、第６号、ｐ．２５−２８
【非特許文献２】原田治行、“３次元回折トモグラフィの再構成法”、電子情報通信学会総合大会講演論文集、１９９５年、１、ｐ．２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１，２に記載された技術を用いた装置では、対象物は静止している状態であることが必要である。特に、上記非特許文献１記載の装置では、ミリ波の走査面に対して、対象物であるコンクリート構造体は相対的に移動することになるため、対象物において生じる反射波はドップラーシフトを受け、取得される像にひずみが生ずることになる。したがって、これらの装置で、ＳＮを向上させつつ、移動している対象物の強度像・位相像を得るには、フレームレートが高く高速測定が可能な検波器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に複数枚の画像を得ることが必要である。しかし、対象物が十分静止していると見做し得る時間内に複数回検出するには、高周波回路が必要となり、回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、信号取得レートが低い検波器を用いる場合であっても、移動している対象物の像（インピーダンス分布、複素屈折率分布）を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観察装置は、所定の周波数の信号を生成する信号発生部と、所定の周波数の信号を入力して電波を生成する電波源を有し、移動している対象物へ電波を照射する回折波発生部と、電波源による電波照射により対象物で生じた回折波のうち所定平面に到達した電波において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、第２方向についての総和を表すデータを、第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、検出部から出力された所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備えることを特徴とする。ここで第１方向は、対象物の移動方向に垂直な方向であり、第２方向は対象物の移動方向に平行な方向である。
【０００８】
本発明の観察装置では、移動している対象物は、電波源により電波が照射されて、回折波を発生させる。その回折波は、散乱方向に応じた量のドップラーシフトを受ける。その回折波は、検出部により検波される。所定平面に到達した電波において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向とする。所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向についての総和を表すデータが、第１方向の各位置について各時刻に検出部から出力される。演算部では、検出部から出力された所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換と、第１方向に関する１次元フーリエ変換と、が行われて得られたデータが対象物の像として得られる。なお、上記電波とは、テラヘルツ波を含むものである。
【０００９】
本発明の観察装置では、検出部が、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第１方向および第２方向に並設され、第２方向のアンテナは、その出力側で電気的に接続されてもよい。
【００１０】
本発明の観察装置では、検出部が、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第１方向および第２方向に並設され、演算部が、第２方向のアンテナの出力の総和を得る各出力総和器を備えてもよい。
【００１１】
本発明の観察装置では、信号発生部から所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第１参照電波を生成する第１参照電波発生部を更に備え、検出部が、検波面において、対象物で生じた回折波と第１参照電波とをヘテロダイン干渉させてもよい。
【００１２】
本発明の観察装置では、信号発生部から所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第１参照信号を生成する第１参照信号発生部を更に備え、検出部が、第２方向のアンテナの出力の総和と第１参照信号とをヘテロダイン干渉させてもよい。
【００１３】
本発明の観察装置では、対象物で生じた回折波のうち、対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第２参照信号を生成する第２参照信号発生部を更に備え、検出部が、第２方向のアンテナの出力の総和と第２参照信号とをヘテロダイン干渉させてもよい。
【００１４】
本発明の観察装置では、対象物で生じた回折波のうち、対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第２参照電波を生成する第２参照電波発生部を更に備え、検出部が、検波面において、対象物で生じた回折波と第２参照電波とをヘテロダイン干渉させてもよい。
【００１５】
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、所定の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００１６】
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、所定の周波数の信号を変調器で変調した信号の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００１７】
本発明の観察装置では、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うこととしてもよい。
【００１８】
本発明の観察装置では、回折波発生部が、広帯域の電波を生成する電波源を有することとしてもよい。また、回折波発生部が、前記電波としてパルス波を生成することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、信号取得レートが低い検波器を用いる場合であっても、移動している対象物の像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。
【図２】第１実施形態に係る観察装置の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成の別の一例を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成の別の一例を示す図である。
【図７】第２実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成の別の一例を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成の別の一例を示す図である。
【図９】第３実施形態に係る観察装置の構成を示す図である。
【図１０】第４実施形態に係る観察装置の構成を示す図である。
【図１１】乗算器を用いたヘテロダイン検波器の構成を示す図である。
【図１２】第５実施形態に係る観察装置の構成を示す図である。
【図１３】第６実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成を示す図である。
【図１４】第６実施形態に係る観察装置の演算部の演算器構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に電波（テラヘルツ波を含む）が照射された際に生じるドップラーシフト効果を利用し、特に、対象物で生じた回折波の進行方向とドップラーシフト量との間に一定の関係が存在することを利用して、対象物の像を取得するものである。初めに、図１を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得について原理的な事項について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系およびｕｖ座標系が示されている。ξ軸およびｕ軸は、互いに平行である。η軸およびｖ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。
【００２４】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直な方向に進む電波Ｌ０が対象物２に照射されるとする。この電波Ｌ０は例えば平面波である。対象物２に電波Ｌ０が照射されることにより生じる回折波Ｌ１〜Ｌ３は、様々な方向に進み、また、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する回折波Ｌ１は、周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない回折波Ｌ２は、周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する回折波Ｌ３は、周波数が低くなる。これらの回折波Ｌ１〜Ｌ３は、ｕｖ平面に到達する。
【００２５】
速度ベクトルＶで移動する対象物２に周波数ω０をもつ電波を照射したときに、対象物２で生じる回折波を静止観測点で観測すると、ドップラー効果によるドップラーシフト周波数ωｄが加わった回折波の周波数は、下記（１）式で表される。（１）式では、対象物２への入射単位ベクトルをｓ０とし、対象物２で生じた回折波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをｓとしている。
【００２６】
【数１】
0005878335.tif 000002
【００２７】
例えば、電波源が、静止している観測者に向かって速度Ｖで移動している場合を考える。この場合、移動物体自体から電波を発しているため、入射ベクトルｓ０は０としてよい。また散乱単位ベクトルｓと速度ベクトルＶとがなす角度は０度であるから、散乱単位ベクトルｓと速度ベクトルＶの内積は単に速さ｜Ｖ｜となる。したがって、この場合、（１）式は（２）式で表すことができ、観測者は、元の周波数ω０よりも（|Ｖ|／ｃ）ω０だけ高い周波数を観測することとなる。
【００２８】
【数２】
0005878335.tif 000003
【００２９】
また、（１）式において、電波の速さｃに比べて速さ|Ｖ|は十分小さい場合、（３）式が導かれる。（３）式において、λは電波の波長を表す。（３）式はドップラーシフト量ωｄは、（ｓ−ｓ０）と移動物体の速度ベクトルＶの内積に比例することを表している。
【００３０】
【数３】
0005878335.tif 000004
【００３１】
（３）式より、速度Ｖと入射ベクトルｓ０が一定の場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数は散乱角と一対一で対応することがわかる。したがって、そのドップラーシフト周波数での波の複素振幅値は、回折波のその散乱角における複素振幅値を与える。回折波の最大検波角をθｍａｘとすれば、得られるドップラーシフト周波数の最大値は±ＢＷである。ＢＷを（４）式に示す。
【００３２】
【数４】
0005878335.tif 000005
【００３３】
ところで、回折波の検波面を無限遠方においたときに得られる回折波パターンが対象物の角度スペクトルとして得られる。これは無限遠方での第１次ボルン近似式である（５）式により確かめられる。
【００３４】
【数５】
0005878335.tif 000006
【００３５】
上記（５）式において、ｆ１（ｓ，ｓ０）は散乱強度(scattering amplitude)であり、Ｆは散乱ポテンシャルである。ベクトルＫは２π(ｓ−ｓ０)／λである。λは電波の波長を表す。（５）式は散乱ポテンシャルＦをベクトルｒ空間でフーリエ変換された結果がＫ空間での散乱強度ｆ１になることを表している。Ｋ空間とは角度スペクトルまたは空間周波数Ｋそのものである。電波の場合、対象物外での電波の速度をｃ０、対象物内の電波の速度分布をｃ（ｒ）とすれば、散乱ポテンシャルＦは以下の（６）式で表される。
【００３６】
【数６】
0005878335.tif 000007
【００３７】
すなわち物体の空間周波数Ｋが、フランフォーファー回折面に現れる。また空間周波数Ｋは、速度Ｖとの内積によりドップラーシフト周波数ωｄに変換される。以上、２つのことから、対象物の空間周波数スペクトルは、ドップラーシフト周波数スペクトルに現れることがわかる。
【００３８】
（第１実施形態）
本実施形態の観察装置１は、以上に説明した原理に基づいて、対象物２の像を取得するものである。図２は、第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、図２に示すように、信号発生部ＳＧ、回折波発生部１０、検出部２０、および演算部３０を備える。
【００３９】
信号発生部ＳＧは、電波を発生させるための信号を生成する手段であり、周波数ω０の正弦波ｓｉｎ（ω０ｔ）の信号を回折波発生部１０に出力する。
【００４０】
回折波発生部１０は、信号発生部ＳＧから信号を入力して電波を生成し、対象物２へ電波を照射して回折波を発生させる手段である。回折波発生部１０は、トランスデューサ１２を備える。トランスデューサ１２は、信号発生部ＳＧから信号を入力して電波を生成し、移動している対象物へ電波を照射する。トランスデューサ１２は、複数のアンテナから構成され、各アンテナに信号発生部ＳＧからの信号が入力される。トランスデューサ１２に用いられるアンテナとしてはパラボラアンテナ、ボウタイアンテナ、ダイポールアンテナ、テーパードスロットアンテナ等の種々のアンテナを用いることができる。アンテナは平面形状であり、トランスデューサ１２から出力される電波の波長の半分程度の寸法を有することが好ましい。各アンテナに入力される信号は、対象物２に平面波が入射されるように位相関係が所定の量に保たれている。トランスデューサ１２は、複数のアンテナにより平面波を出力し、この平面波を対象物２へ照射する。本実施形態では、各アンテナに同一の位相を有する正弦波が入力される。このため、トランスデューサから出力される電波は、図２に示すＺ軸方向に進行する平面波となる。なお、隣り合うアンテナに入力される信号の位相差が一定量の場合、Ｚ軸に対して、位相差の量に応じた角度を有する平面波が出射される。なお、本明細書において、ξ軸方向、ｕ軸方向、Ｘ軸方向、第１方向は互いに平行な向きであり、η軸方向、ｖ軸方向、Ｙ軸方向、第２方向は、互いに平行な向きである。
【００４１】
トランスデューサ１２は、この平面波を対象物２へ照射する。平面波が対象物２に照射されると、対象物２において様々な方向に散乱する回折波が生じる。対象物２で生じた回折波は、検出部２０に到達する。
【００４２】
対象物２はξη平面上で−η方向（図２における−Ｙ方向）に移動しているものとすると、検出部２０に到達した回折波において対象物２の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第１方向は、ξ軸に平行なｕ方向（図２におけるＸ方向）である。この第１方向に直交する第２方向は、η軸に平行なｖ方向（図２におけるＹ方向）である。検出部２０は、検波面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向（ｖ方向）についての総和を表すデータを、第１方向（ｕ方向）の各位置について各時刻に出力することができる。
【００４３】
検出部２０は、複数のＹ方向に延在するトランスデューサｄｎにより構成される。トランスデューサｄｎは、検出部２０に到達した電波を受波し、電気信号に変換する手段である。検出部２０では、Ｘ方向に向かってＮ個のトランスデューサｄｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）が並設されている。図２では、そのうち一つのトランスデューサｄｎを示している。各トランスデューサは、物理的にはＹ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)（ｍ＝１，２，…，Ｍ）により構成されている。すなわち、アンテナｄｎ(ｍ)は、第１方向（Ｘ方向）および第２方向（Ｙ方向）に並設されている。各アンテナｄｎ(ｍ)は、電波を受波して電気信号に変換する。各アンテナｄｎ(ｍ)が検出部２０の１つの画素に相当し、各アンテナｄｎ(ｍ)が検波面を形成する。本実施形態では、検出部２０の検波面は、対象物２のフランフォーファー回折像面または結像面のいずれでもないフレネル回折像面に配置されている。
【００４４】
Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)は、出力側で電気的に接続されている。各トランスデューサｄｎは、各アンテナｄｎ（ｍ）からの出力信号ｉｎ(ｍ)（ｔ）を電気的な接続により合波し、時刻毎に変数ｍについて１からＭまで総和された信号ｉｎ（ｔ）を出力する。すなわち、本実施形態では、アンテナｄｎ(ｍ)が２次元に配置されているが、各アンテナｄｎ（ｍ）のＹ軸方向の電気的接続により、Ｙ軸方向に長尺なトランスデューサｄｎが、Ｘ軸方向に並設された１次元トランスデューサと同様の構成を有する。各トランスデューサｄｎにおいて出力される信号ｉｎ（ｔ）を（７）式に示す。
【００４５】
【数７】
0005878335.tif 000008
【００４６】
演算部３０は、検出部２０から出力された信号ｉｎ（ｔ）について所定の演算を行って対象物２の像を得る。この演算内容について以下に説明する。
【００４７】
演算部３０は、各トランスデューサｄｎから出力される信号ｉｎ（ｔ）を取得し、（８）式に示すように、この信号ｉｎ（ｔ）について時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行う。（８）式においてωは時間周波数を表す変数であり、ＦＴｔは、時刻変数ｔに関するフーリエ変換の演算を表す記号である。
【００４８】
【数８】
0005878335.tif 000009
【００４９】
検出部２０の各トランスデューサｄｎには、種々の周波数を有する散乱波が入射する。したがって、検出部２０において検出される電波は、種々の周波数成分を含むものとなる。ここで、（８）式のように、信号ｉｎ（ｔ）を時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換すると、検出部２０の検波面がフラウンフォーファ回折像面に配置された場合に得られる周波数分布と同様の周波数分布が得られる。すなわち、フレネル面に配置される検出部２０により検出された不規則な周波数分布が、信号ｉｎ（ｔ）が時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換により、規則的な周波数分布に変換される。
【００５０】
以降、信号Ｉｎ（ω）をＩ（ｎ，ω）と表記する。変数ｎは、トランスデューサｄｎの第１方向の位置を表す。（８）式により得られた信号Ｉ（ｎ，ω）には、トランスデューサ１２から出射された電波の周波数ω０を中心にドップラースペクトルが含まれている。演算部３０は、信号Ｉ（ｎ，ω）から時間周波数ω０を中心に最大ドップラーシフト周波数ＢＷ（（４）式）を前後に含むように周波数領域を切り出し（（９）式）、位置ｎにおけるドップラーシフト周波数スペクトルI（ｎ，ωｄ）を得る。なお、（９）式は、右辺のＩ（ｎ，ω−ω０）を周波数［−ＢＷ〜ＢＷ］の範囲で切り出す操作を表している。
【００５１】
【数９】
0005878335.tif 000010
【００５２】
ドップラーシフト周波数スペクトルI（ｎ，ωｄ）は、対象物２のＹ方向の空間周波数スペクトルを表す。対象物２のフランフォーファー回折像をＧと表記すると、（９）式は（１０）式のように表すことができる。
【００５３】
【数１０】
0005878335.tif 000011
【００５４】
（１０）式において、ＦＴｎは変数ｎに関するフーリエ変換を表す。またＨ（ｘ）はＸ方向の２次位相（Quadratic phase）である。ここで、ｘは第１方向と平行な方向であり、フランフォーファー回折像面上の座標を表す。２次位相Ｈは、検出部２０の配置される位置により決まる値であり、検出部２０の検波面が対象物２のフランフォーファー回折像面（ｘ−ｙ面）に配置された場合には、２次位相Ｈ（ｘ）は１となる。本実施形態では、検出部２０の検波面は、フランフォーファー回折像面または結像面のいずれでもない位置に配置される。この場合、像のボケがこの２次位相Ｈ（ｘ）として現れる。この２次位相Ｈ（ｘ）は、対象物２を測定する前にあらかじめ測定して得ることができる値である。
【００５５】
演算部３０は、（１１）式に示すように、（１０）式の左辺を２次位相Ｈ（ｘ）で除算した後に、位置変数ｘ、および時間周波数変数ωｄにてフーリエ変換することにより、対象物２の複素振幅像ｇを得る。（１１）式において、ＦＴ（ｘ，ωｄ）は、位置変数ｘおよび時間周波数変数ωｄに関するフーリエ変換を表している。
【００５６】
【数１１】
0005878335.tif 000012
【００５７】
図３は、以上のような演算処理を行う本実施形態における演算部３０の構成を示す図である。演算部３０は、第１フーリエ変換部３１と、特定領域切出部３４と、第２フーリエ変換部３２と、第３フーリエ変換部３３とを備える。第１フーリエ変換部３１は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｉｎ（ｔ）について時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（８）式）を行う。特定領域切出部３４は、この１次元フーリエ変換で得られた信号Ｉ（ｎ，ω）から時間周波数ω０を中心に最大ドップラーシフト周波数ＢＷ（上記（４）式）を前後に含むように周波数領域を切り出す（上記（９）式）。第２フーリエ変換部３２は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１１）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部３３は、第１の第４フーリエ変換部３３Ａ、２次位相除算部３６、及び第２の第４フーリエ変換部３３Ｂを備えている。第１の第４フーリエ変換部３３Ａ及び第２の第４フーリエ変換部３３Ｂは、変数ｘに関するフーリエ変換（上記（１１）式の変数ｘに関するフーリエ変換）、又は変数ｘに関する逆フーリエ変換を行う。２次位相除算部３６は、（１１）式に示すように、第１の第３フーリエ変換部３３Ａから出力されるデータを２次位相Ｈ（ｘ）で除算する。フーリエ変換部に着目すると、本実施例では、演算部３０が時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部３１と、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部３２と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部３３とを備えている。なお、第２フーリエ変換部３２、第１の第４フーリエ変換部３３Ａおよび第２の第４フーリエ変換部３３Ｂの位置は入れ替えても良い。第２フーリエ変換部３２と第３フーリエ変換部３３は、時間周波数ωｄおよび変数ｘに関する２次元フーリエ変換部を構成する。
【００５８】
以上のような構成により、本実施形態の観察装置１は、信号取得レートが低い検出部２０を用いる場合であっても移動している対象物２の像を高感度に得ることができる。たとえば、Ｙ方向にＭ個、Ｘ方向にＮ個の画素を有する２次元検出器に比べＭ倍の速度で高速に、移動している対象物２の像を得ることができる。また、本実施形態の観察装置１では、Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても、個々のアンテナが検波する信号を分離することができる。その結果、照射電波を走査することなく２次元回折像を得ることができる。
【００５９】
（第２実施形態）
第２実施形態の観察装置１Ａは、第１実施形態の観察装置１と比較しての検出部および演算部の構成が異なる。それ以外の点は第１実施形態と同じ構成を備える。
【００６０】
本実施形態に係る検出部は、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第１方向および第２方向に並設される。具体的には、検出部は、Ｍ個のアンテナｄｎ(ｍ)がＹ方向（第２方向）に並んで構成される。第２方向に並んだｍ番目のアンテナｄｎ(ｍ)は、各位置において検出されたデータを各時刻に出力する。本実施形態に係る検出部では、Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)は、出力側で電気的に接続されていない。
【００６１】
演算部３０Ａは、第１フーリエ変換部３１と、特定領域切出部３４と、第２フーリエ変換部３２と、第３フーリエ変換部３３とに加え、Ｙ方向にＭ個並んだ検出部の出力を入力し、第１から第Ｍまでの第２方向のアンテナｄｎ(ｍ)の出力の総和を出力する演算器である各出力総和器３５を備える。各出力総和器３５は、様々な位置に配置することができる。演算部３０Ａの演算器構成の一例を図４に示す。図４に示すように、各出力総和器３５が、第１フーリエ変換部３１の前段に配置される場合、各出力総和器３５は、Ｍ個のアンテナｄｎ(ｍ)が出力するＭ個の信号を所定の時間間隔で取得し、所定の時間間隔毎にＭ個の信号の総和を算出し、結果を第１フーリエ変換部３１に出力する。その後段は、第１実施形態の演算部３０と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。
【００６２】
各出力総和器３５が第１フーリエ変換部３１と第２フーリエ変換部３２との間に配置される場合の演算部３０Ａの演算器構成を図５および図６に示す。図５に示すように各出力総和器３５が第１フーリエ変換部３１と特定領域切出部３４との間に配置される場合、演算部３０Ａでは、Ｍ個のアンテナｄｎ(ｍ)からの出力について時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行うＭ個の第１フーリエ変換部３１１〜３１Ｍが配置され、第１フーリエ変換部３１１〜３１Ｍの後段に第１フーリエ変換部３１１〜３１Ｍからの出力の総和を出力する各出力総和器３５が配置される。その後段に配置される特定領域切出部３４以降は、第１実施形態の演算部３０と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。
【００６３】
図６に示すように各出力総和器３５が特定領域切出部３４と第２フーリエ変換部３２との間に配置される場合、演算部３０Ａでは、Ｍ個の第１フーリエ変換部３１１〜３１Ｍからの出力について周波数の切り出しを行うＭ個の特定領域切出部３４１〜３４Ｍが配置され、特定領域切出部３４１〜３４Ｍの後段に特定領域切出部３４１〜３４Ｍからの出力の総和を出力する各出力総和器３５が配置される。その後段に配置される第２フーリエ変換部３２以降は、第１実施形態の演算部３０と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。
【００６４】
各出力総和器３５が第２フーリエ変換部３２の後段に配置される場合の演算部３０Ａの演算器構成を図７および図８に示す。図７に示すように各出力総和器３５が第２フーリエ変換部３２と第３フーリエ変換部３３との間に配置される場合、演算部３０Ａでは、Ｍ個の特定領域切出部３４１〜３４Ｍからの出力について時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換を行うＭ個の第２フーリエ変換部３２１〜３２Ｍが配置され、第２フーリエ変換部３２１〜３２Ｍの後段に第２フーリエ変換部３２１〜３２Ｍからの出力の総和を出力する各出力総和器３５が配置される。その後段に配置される第３フーリエ変換部３３は、第１実施形態の演算部３０と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。
【００６５】
図８に示すように各出力総和器３５が第３フーリエ変換部３３の後段に配置される場合、演算部３０Ａでは、Ｍ個の第３フーリエ変換部３３１〜３３Ｍの後段に第３フーリエ変換部３３１〜３３Ｍからの出力の総和を出力する各出力総和器３５が配置される。
【００６６】
次に、各出力総和器３５の出力について説明する。各出力総和器３５が第１フーリエ変換部３１と第２フーリエ変換部３２の間にある場合、各出力総和器３５は、（１２）式に示すように、時間周波数ω（＝ω０＋ωｄ）毎にＭ個の前段の演算器からの出力の総和を得る。ここでＩｎ（ｍ）（ω）は、第１フーリエ変換部３１のＹ方向にｍ番目に配置されたアンテナｄｎ(ｍ)の出力データｉｎ（ｍ）（ｔ）を時刻変数ｔに関してフーリエ変換した第１フーリエ変換部３１の出力信号を表している。フーリエ変換の線形性により（１２）式中辺のフーリエ演算子ＦＴｔは、総和演算子Σと交換可能であることから、（１２）式最右辺を得る。
【００６７】
【数１２】
0005878335.tif 000013
【００６８】
（１２）式において、最右辺の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換演算子ＦＴｔが作用する項は、Ｍ個のアンテナｄｎ(ｍ)が出力する波形ｉｎ（ｍ）（ｔ）の１〜Ｍまでの総和ｉｎ（ｔ）を表している。すなわち、演算部３０Ａが備える各出力総和器３５は、第１実施形態における検出部２０が出力する信号を時間変数ｔに関してフーリエ変換した信号を出力する。したがって、第２実施形態は、第１実施形態に示す、Ｙ方向の総和を各時刻に出力する検出部２０の一部を演算部３０Ａに含む構成であるといえる。
【００６９】
一方、各出力総和器３５が第２フーリエ変換部３２より後段にある場合、各出力総和器３５は、（１３）式に示すように、時刻毎にＭ個の前段の演算器からの出力の総和を得る。ここでiｎ（ｍ）（ｔ）は、第ｍの第２フーリエ変換部３２ｍの出力を表している。また、iｎ（ｍ）（ｔ）の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換は、Iｎ（ｍ）（ωｄ）と表す。（１３）式の右辺の１次元フーリエ変換演算子ＦＴω−１が作用する項は、第２フーリエ変換部３２ｍの出力である。したがって、特定領域切出部３４の入力は（１４）式左辺に示される周波数ω０だけ周波数シフトした信号Ｉｎ（ｍ）（ω０＋ωｄ）である。さらに（１４）式の最右辺は、Ｍ個の検出部が出力する波形ｉｎ（ｍ）（ｔ）の１〜Ｍまでの時刻毎の総和を表している。すなわち、演算部３０Ａに設けた各出力総和器３５の出力は、第１実施形態における検出部２０が出力する信号と一致することから、第２実施形態は、第１実施形態の第２方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部２０の一部を演算部３０Ａに含む構成であるといえる。
【００７０】
【数１３】
0005878335.tif 000014
【００７１】
【数１４】
0005878335.tif 000015
【００７２】
また、各出力総和器３５が、第１フーリエ変換部３１の前段にある場合は、（１５）式に示すように、時刻毎にＭ個の前段の検出部２０Ａからの出力の総和を得る。ここで、ｉｎ（ｍ）（ｔ）は、Ｙ方向に並んだＭ個の検出部２０Ａのうち、Ｙ方向にｍ番目に並んだ出力を表している。（１５）式の右辺は、Ｍ個の検出部が出力する波形ｉｎ（ｍ）（ｔ）の１〜Ｍまでの総和を表している。すなわち、演算部３０Ａが備える各出力総和器３５の出力は、第１実施形態における検出部２０が出力する信号と一致することから、第２実施形態は、第１実施形態のＹ方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部２０の一部を、演算部３０Ａに含む構成であるといえる。
【００７３】
【数１５】
0005878335.tif 000016
【００７４】
（第３実施形態）
【００７５】
第１、２実施形態では、対象物２で生じた回折波を直接検出部２０、２０Ａで検波する構成を示した。第３実施形態は、ヘテロダイン計測を用いて、対象物２で生じた回折波を検波する構成について説明する。ヘテロダイン計測とは、対象物２の情報を含んだ回折波に既知の参照波を乗算器で乗算した信号を検波する方法である。特に、乗算後の出力に含まれる差周波数成分を用いることが多い。差周波数成分は、物体波と参照波との差の周波数成分である。このような、差周波数成分を用いることで、低周波数領域において演算を行うことができるので、アナログ的にもデジタル的にも信号処理が容易になるという利点がある。またヘテロダイン計測は、物体波と参照波との差信号を得ることから、対象物による変調成分のみを強調するという作用があり、微小信号変化の検波にも利用される計測方法である。
【００７６】
図９に、第３実施形態の観察装置１Ｂの構成を示す。観察装置１Ｂは、信号発生部ＳＧ、回折波発生部１０、検出部２０Ｂ、演算部３０Ｂ、および参照電波発生部４０（第１参照電波発生部）を備えている。信号発生部ＳＧ、および回折波発生部１０は、第１または第２実施形態で説明した構成と同じである。
【００７７】
検出部２０Ｂは、複数のＹ方向に延在するトランスデューサｄｎに加え、自乗検波器２１とローパスフィルタ２２を備えている。また、演算部３０Ｂの構成は、第１実施形態で説明した演算部３０とほぼ同様の構成であるが、特定領域切出部３４が切り出す中心周波数が、ω０でなくΩである点で演算部３０と異なる。
【００７８】
参照電波発生部４０は、信号発生部ＳＧから所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号を変調器で変調した後に、当該変調後の信号から参照電波（第１参照電波）を生成する。参照電波発生部４０は、信号発生部ＳＧが出力する正弦波を信号ｒ（ｔ）として取得する。参照電波発生部４０は、周波数シフター４１とトランスデューサ４２とを備える。周波数シフター４１は周波数ω０のサイン波を周波数ω０＋Ωへと遷移させる。
【００７９】
トランスデューサ４２は、周波数シフター４１から出力される周波数ω０＋Ωの正弦波を取得し、電波を発生させる。トランスデューサ４２は、回折波発生部１０が備えるトランスデューサ１２と同様なものであり、複数のアンテナから構成され、対象物２に平面波が入射するように各アンテナへの入力信号の位相関係が所定の量に保たれている。本実施形態では、各アンテナに同一の位相を有する正弦波が入力されている。このため、トランスデューサ４２から出力される電波は、平面波となる。なお、各アンテナに入力される信号の位相差が一定量の場合、Ｚ軸に対して位相差の量に応じた角度を有する平面波が出射される。
【００８０】
以上のように構成された観察装置１Ｂでは、検出部２０Ｂが、回折波発生部１０において対象物２から生じた回折電波と、参照電波発生部４０からの参照電波を受波する。回折電波は、ドップラー効果の影響を受けることにより、ドップラーシフト周波数ωｄだけ遷移し、周波数ω０＋ωｄを有する。この回折電波の信号はｓｉｎ（ω０＋ωｄ）ｔとする。これを第１の波と呼ぶ。一方、参照電波発生部４０から発せられる電波は、周波数ω０＋Ωを有する。この参照電波の信号を、ｓｉｎ（ω０＋Ω）ｔとする。これを第２の波と呼ぶ。このような第１の波と第２の波とが検出部２０Ｂに入力されることにより、これらの波の重ね合わせた信号が検出部２０Ｂのトランスデューサｄｎから出力される。
【００８１】
検出部２０Ｂのトランスデューサｄｎの後段には自乗検波器２１と、ローパスフィルタ２２が設けられている。自乗検波器２１は、（１６）式のように、第１の波と第２の波の和を自乗して、出力する。（１６）式右辺の第３項は、（１７）式のように分解することができる。よって、自乗検波器２１の出力は、第１の波および第２の波の和周波差２ω０＋Ω＋ωｄと、第１の波および第２の波の差周波数Ω−ωｄを含む項に分解することができる。ローパスフィルタ２２は、自乗検波器２１の出力のうち、差周波成分のみを抜き出して演算部３０Ｂへ出力する。ローパスフィルタ２２から出力される信号ｉｎ（ｔ）は、周波数Ωを中心としてドップラーシフト周波数ωｄを前後に含む。このようにして、検出部２０Ｂが、検波面において、対象物２で生じた回折波と参照電波とをヘテロダイン干渉させる。
【００８２】
【数１６】
0005878335.tif 000017
【００８３】
【数１７】
0005878335.tif 000018
【００８４】
演算部３０Ｂは、検出部２０Ｂの出力に対して、所定の演算を行うことにより対象物２の像を得る。すなわち、演算部３０Ｂは、第１フーリエ変換部３１により時間波形ｉｎ（ｔ）を時刻変数ｔに関してフーリエ変換してＩｎ（ω）を出力する。特定領域切出部３４は、周波数Ωを中心に最大ドップラーシフト周波数ＢＷ（上記（４）式）を前後に含む周波数領域を切り出す。この処理を数学的に表すと、（１８）式のようになる。
【００８５】
【数１８】
0005878335.tif 000019
【００８６】
特定領域切出部３４の後段において行われる演算、および演算器構成は、上記第１、第２実施形態と同様であるため、説明は省略する。以上のような演算を行うことにより、対象物２の像を得ることができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、検出部２０Ｂのトランスデューサｄｎは、第１実施形態と同様のものを用いた。すなわち、検出部２０Ｂは、Ｙ方向に延在するトランスデューサｄｎがＸ軸方向に並設された１次元トランスデューサを備えるものとして説明した。ただし、検出部２０Ｂは、このような構成に限定されるものではない。例えば、検出部２０Ｂのトランスデューサｄｎは、第２実施形態で説明したＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)がＹ方向（第２方向）に並んで構成され、Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)は、出力側で電気的に接続されていないものであってもよい。この場合、演算部３０Ｂは、第２実施形態で説明した演算部３０Ａ（図４〜８）のように、１〜Ｍまでの総和を得る各出力総和器３５を備える必要がある。
【００８８】
（第４実施形態）
第３実施形態では、参照電波発生部４０で生成された参照電波を第２の波として検出部２０Ｂに入力した。本実施形態は、電波とは異なる波を検出部に入力するものである。
【００８９】
図１０に、第４実施形態の観察装置１Ｃの構成を示す。本実施形態の観察装置１Ｃは、第３実施形態の観察装置１Ｂが備える検出部２０Ｂ、参照電波発生部４０に代えて、検出部２０Ｃ、第１参照信号発生部４０Ｃを備えている。検出部２０Ｃは、入力信号の和を計算する和算器２３をトランスデューサｄｎと自乗検波器２１の間に備えている。検出部２０Ｃおよび第１参照信号発生部４０Ｃ以外の構成は、第３実施形態の観察装置１Ｂと同じである。
【００９０】
第１参照信号発生部４０Ｃは、周波数シフター４１を備えるが、トランスデューサ４２を備えていない点で、第３実施形態の参照電波発生部４０と異なる。第１参照信号発生部４０Ｃは、信号発生部ＳＧが出力する正弦波を信号ｒ（ｔ）として入力し、入力した信号を周波数シフター４１で変調して第１参照信号を生成する。周波数シフター４１は周波数ω０の正弦波を周波数ω０＋Ωへと遷移させる。周波数ω０＋Ωをもつ第１参照信号ｒ’（ｔ）を第２の波として生成し、検出部２０Ｃに出力する。
【００９１】
回折波発生部１０において対象物から生じた回折波は、第１の波として検出部２０Ｃに出力される。一方、第１参照信号ｒ’（ｔ）は、第２の波として検出部２０Ｃの和算器２３に出力される。和算器２３は、第１の波と第２の波を時刻毎に和算し、その結果を時刻毎に自乗検波器２１に出力する。すなわち、和算器２３は、第３実施形態において、アンテナｄｎで第１の波と第２の波が合波することと同等の作用を有する。検出部２０Ｃにおいて、和算器２３の後段に配置される自乗検波器２１以降の処理は、第３実施形態と同じである。このように、検出部２０Ｃは、第２方向のアンテナの出力の総和と第１参照信号ｒ’（ｔ）とをヘテロダイン干渉させている。
【００９２】
なお、和算器２３、自乗検波器２１およびローパスフィルタ２２をまとめてヘテロダイン検波器２４と称する。ヘテロダイン検波器２４は、図１１に示すように乗算器２１Ａおよびローパスフィルタ２２から構成でもよい。この構成の場合、第１の波および第２の波ｒ’（ｔ）が乗算器２１Ａに入力される。乗算器において、（１７）式に示す第１と第２の波の和周波数および差周波数が現れる。すなわち乗算器２１Ａは、和算器２３と自乗検波器２１をあわせたものと同等の役割を果たす。その結果、乗算器２１Ａおよびローパスフィルタ２２から構成されるヘテロダイン検波器２４（図１１）は、和算器２３、自乗検波器２１およびローパスフィルタ２２から構成されるヘテロダイン検波器２４（図１０）と、同じ信号を出力する。
【００９３】
なお、本実施形態では、検出部２０Ｃのトランスデューサｄｎは、第１実施形態と同様のものを用いた。すなわち、検出部２０Ｃは、複数のＹ方向に延在するトランスデューサｄｎとして説明した。ただし、検出部２０Ｃは、このような構成に限定されるものではない。例えば、検出部２０Ｃのトランスデューサｄｎは、第２実施形態で説明したＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)がＹ方向（第２方向）に並んで構成され、Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナｄｎ(ｍ)は、出力側で電気的に接続されていないものであってもよい。この場合、演算部３０Ｃは、第２実施形態で説明した演算部３０Ａ（図４〜８）のように、１〜Ｍまでの総和を得る各出力総和器３５を備える必要がある。
【００９４】
（第５実施形態）
第３、４実施形態では、信号発生部ＳＧが生成する正弦波を参照信号源として、参照電波発生部４０、参照信号発生部４０Ｃがそれぞれ参照電波、参照信号を生成し、出力する構成を示した。第５実施形態の観察装置１Ｄは、回折波を参照信号の信号発生源とする点で、第３、４実施形態と異なる。それ以外の点は、第３、４実施形態と同じである。
【００９５】
対象物２の無限遠方または無限遠方とみなされるほど十分離れた位置で対象物２から生じる回折波を観察すれば、対象物２のフランフォーファー回折像を得る。フランフォーファー回折像における像の中心の波は、０次回折波と呼ばれる。フランフォーファー回折像の中心には散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波が現れる。したがって０次回折波および０次回折波とみなされる回折波は、対象物２による散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波である。このような、対象物２による散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波を略０次回折波と呼ぶこととする。
【００９６】
略０次回折波とは、散乱方向の単位ベクトルｓと対象物２の速度ベクトルＶが略直交するとき、（３）式に示すドップラーシフト周波数ωｄが略０となる散乱単位ベクトルｓを持つ回折波のことである。上記第３実施形態および第４実施形態で説明した第２の波は、対象物２に照射されていない波であるため、ドップラーシフト周波数ωｄが０の波であるといえる。したがって、略０次回折波は、参照波である第２の波として利用できる。
【００９７】
図１２に、第５実施形態の観察装置１Ｄの構成を示す。観察装置１Ｄでは、回折波発生部１０および検出部２０との間にアンテナｄｒを備えている。第４実施形態では、参照電波発生部４０Ｃが信号発生部ＳＧからの信号を入力しているのに対し、本実施形態では、第２参照信号発生部４０Ｄがアンテナｄｒからの信号を入力する点で、第４実施形態と異なる。それ以外の点は、第４実施形態と同じである。
【００９８】
つまり、第２参照信号発生部４０Ｄは、対象物２のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに周波数シフター４１で変調した信号である第２参照信号を生成する。そして、検出部２０において、第２方向のアンテナの出力の総和と第２参照信号とをヘテロダイン干渉させる。以下、具体的に説明する。
【００９９】
アンテナｄｒは、対象物２から十分離れた面に配置される。アンテナｄｒは、回折波発生部１０から出力された回折電波を受信し、電気信号に変換した出力信号ｒ（ｔ）を出力する。アンテナｄｒは、対象物２の電波によるフランフォーファー回折像またはフランフォーファー回折像面とみなせる位置であって、その像の中心に配置されているため、アンテナｄｒが検波する波は略０次回折波とみなすことができる。したがって、アンテナｄｒが出力する波形ｒ（ｔ）は、第２の波として利用可能である。アンテナｄｒは、出力信号ｒ（ｔ）を第２参照信号発生部４０Ｄに出力する。第２参照信号発生部４０Ｄは、周波数シフター４１により周波数ω-０の正弦波を周波数ω０＋Ωへと遷移させたうえで、周波数ω０＋Ωをもつ第２参照信号ｒ’（ｔ）を第２の波として、検出部２０に出力する。検出部２０以降の処理は、第４実施形態と同じであるため、説明は省略する。
【０１００】
上記のように、本実施形態では、アンテナｄｒで受信した回折電波を電気信号に変換し、検出部２０へ第２の波として出力している。ここで、アンテナｄｒで受信した回折電波を周波数シフター（第２参照電波発生部）により周波数ω-０の正弦波を周波数ω０＋Ωへと遷移させたうえで、アンテナにより電波（第２参照電波）に変換し、電波として第２の波を検出部２０のトランスデューサｄｎに出力してもよい。この場合、第３実施形態と同様に、第１の波と第２の波とが検出部２０に入力されることにより、これらの波の重ね合わせた信号が検出部２０のトランスデューサｄｎから出力される。この場合、検出部２０以降の処理は、第３実施形態と同じであるため、説明は省略する。
【０１０１】
以上のように、本実施形態に係る観察装置１Ｄでは、ヘテロダイン計測において参照信号源を信号発生部ＳＧから得るのでなく、物体からの回折波のうちドップラー周波数偏移を受けていない略０次回折波を信号ｒ（ｔ）として利用している。このように、略０次回折波を参照波として用いることにより、第３および第４実施形態と同様にヘテロダイン計測を行うことができる。
【０１０２】
（第６実施形態）
上記第１〜第５実施形態では、検出部の検波面が、対象物２のフレネル回折像面に配置されている場合について説明した。本実施形態では、検出部の検波面が、対象物２のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合の演算器構成を、検出部の検波面が、対象物２のフレネル回折像面に配置されている第１実施形態の演算器３０と比較して説明する。なお、誘電体レンズ等を用いることにより、検出部の検波面に形成される対象物２の像を、フレネル回折像、フランフォーファー回折像、物体像に相互に変換することが可能である。
【０１０３】
検出部の検波面が、対象物２のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合には、上記第１〜第５実施形態と比較して演算器の構成が異なる。図１３は、検出部の検波面が、対象物２のフランフォーファー回折像面に配置されている場合の演算器構成を示している。この場合の演算器３０Ｆは、図１３に示すように、第１実施形態における演算器３０と比較して、第３フーリエ変換部３３が、第１の第４フーリエ変換部３３Ａのみにより構成される点で異なり、その他の構成は同じである。この第１の第４フーリエ変換部３３Ａは、変数ｘに関するフーリエ変換（上記（１１）式の変数ｘに関するフーリエ変換）を行う。
【０１０４】
図１４は、検出部の検波面が、対象物２の結像面に配置されている場合の演算器構成を示している。この場合の演算器３０Ｇは、図１４に示すように、第３フーリエ変換部３３が、第１の第４フーリエ変換部３３Ａ、２次位相除算部３６、及び第２の第４フーリエ変換部３３Ｂを備えている。すなわち、この演算器３０Ｇの構成は、第１実施形態における演算器３０と等しい。第１の第４フーリエ変換部３３Ａ及び第２の第４フーリエ変換部３３Ｂは、変数ｘに関するフーリエ変換（上記（１１）式の変数ｘに関するフーリエ変換）、又は変数ｘに関する逆フーリエ変換を行う。２次位相除算部３６は、（１１）式に示すように、第１の第４フーリエ変換部３３Ａから出力されるデータを２次位相Ｈ（ｘ）で除算する。
【０１０５】
フーリエ変換部に着目すると、演算部３０Ｆ，３０Ｇのいずれにおいても、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部３１と、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部３２と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部３３とを備えている。なお、第２フーリエ変換部３２と第３フーリエ変換部３３の位置は入れ替えても良い。対象物２のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合には、本実施形態の演算器構成を、第２〜５実施形態に適用することができる。例えば、検出部の検波面が、対象物２のフランフォーファー回折像面に配置されている場合、第２実施形態の演算部３０Ａの第３フーリエ変換部３３（図４〜８）に代えて、本実施形態の演算部３０Ｆの第３フーリエ変換部３３（図１３）を用いることとしてもよい。同様に、検出部の検波面が、対象物２の結像面に配置されている場合、第２実施形態の演算部３０Ａの第３フーリエ変換部３３（図４〜８）に代えて、本実施形態の演算部３０Ｇの第３フーリエ変換部３３（図１４）を用いることとしても良い。
【０１０６】
なお、検出部の検波面が、対象物２の結像面に配置されている場合、式（１１）中の２次位相Ｈ（ｘ）は実質１と見なすことができる。また、第１の第４フーリエ変換部３３Ａ及び第２の第４フーリエ変換部３３Ｂが互いに打ち消しあう演算を行うことから、実質的には、演算部３０Ｇの第３フーリエ変換部３３では演算が行われていないこととなる。しかしながら、検出部の検波面が、対象物２の結像面に配置されていることにより、検出部において得られる像は、空間的に第１方向に関する１次元フーリエ変換が行われたものである。観察装置全体としてみれば第１方向に関する１次元フーリエ変換が行われているといえる。
【０１０７】
このような構成により、本実施形態の観察装置においても、信号取得レートが低い検出部を用いる場合であっても移動している対象物２の像を高感度に得ることができる。また、本実施形態の観察装置では、Ｙ方向に向かって並設されるＭ個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても、個々のアンテナが検波する信号を分離することができる。その結果、照射電波を走査することなく２次元回折像を得ることができる。たとえば、Ｙ方向にＭ個、Ｘ方向にＮ個の画素を有する２次元検出器に比べＭ倍の速度で高速に、移動している対象物２の像を得ることができる。更に、検出部の検波面が、対象物２のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合においても、対象物２の像を適切に得ることができる。
【０１０８】
（変形例）
以上説明した、第１〜第６実施形態の観察装置では、検出部の検波面が、第１方向と第２方向とで同じ種類の回折像面に配置される実施形態について説明した。しかし、検出部の検波面は、第１方向と第２方向に結像作用の異なる誘電体レンズ等により、第１方向と第２方向とで異なる種類の回折像面が形成された面に配置されてもよい。この場合、観察装置では、第１方向に形成される回折像面に対応した演算器が用いられる。
【０１０９】
例えば、検出部の検波面が、第１方向において対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置された場合、第１実施形態の演算器３０を用いることで、対象部２の像を得ることができる。また、検出部の検波面が、第１方向において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置された場合、第６実施形態の演算器３０Ｆを用いることで、対象部２の像を得ることができる。したがって、検出部の検波面が、第１方向と第２方向に結像作用の異なる誘電体レンズ等により、第１方向と第２方向とで異なる種類の回折像面が形成された面に配置された場合であっても、以上で説明した、演算部３０，３０Ｆ，３０Ｇにより、対象部２の像を得ることができる。
【０１１０】
以上説明した、第１〜第６実施形態の観察装置では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えることとしても良い。そして、演算部は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うこととしても良い。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、検出部の撮影タイミングを図ってもよい。
【０１１１】
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、検波面の回折波到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、例えば、検出部の検波面の一部に対象物２の移動速度を求めるためのアンテナが独立して設けられていてもよい。
【０１１２】
以上の説明では、ξη平面上で対象物２が一方向に移動する場合について説明した。本発明は、ξη平面に垂直なζ方向に対象物２が往復移動する場合にも適用可能である。この場合、検波面において径方向にドップラーシフトが生じるので、周方向に画素構造を有し各画素が放射状に延在する検出器が用いられる。
【０１１３】
以上の説明では、対象物の像を、入射波と同じ方向に回折する透過波を検出部で取得する実施形態を主に示したが、入射波の方向と反対方向に回折する波である反射波で取得してもよいことは、明らかである。電波源として、ドップラーシフト量を感度よく検出する上では、単一周波数を有する電波の利用が考えられるが、これに限定されない。例えば、広帯域周波数を含む電波を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。各周波数成分のドップラーシフトを計測するためには、広帯域の電波として、各周波数成分間の位相関係が一定であるものを用いることが考えられる。このような電波源として、例えばパルス波を用いることができる。
【０１１４】
上記第１〜第６実施形態では、入射波ベクトルｓ０は、Ｚ軸に平行であり、速度Ｖとの内積が０であるから、（８）式はωｄ＝ｋ・Ｖと表した。ただし、入射波ベクトルｓ０はＺ軸に平行ではなくてもよい。この場合、種々の入射方向ｓ０にて波を入力し、その回折波を検出部で取得し、演算部にて入射方向ｓ０毎のI（ｎ，ωｄ）を得て、フーリエ回折定理（Fourier diffraction theorem）やフーリエ断層定理（Fourier slice theorem）により３次元像複素振幅を復元することもできる。入射波ｓ０の入射角の制御は回折波発生部のトランスデューサを構成する複数のアンテナからの位相を制御することで、平面波の入射角を変化させることができる。
【０１１５】
上記実施形態の観察装置によれば、信号取得レートが低い検出部を用いる場合であっても移動している対象物２の像を高感度に得ることができる。たとえば、Ｙ方向にＭ個、Ｘ方向にＮ個の画素を有する２次元検出器に比べＭ倍の速度で高速に、移動している対象物２の像を得ることができる。またY方向に向かって並設されるＭ個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても，個々のアンテナが検波する信号を分離することができ、照射電波を走査することなく結果２次元回折像を得ることができる。
このとき、変調周波数に対応した画像が直接得られるため、画像を実時間表示することも可能となる。さらに、チップ内演算機能カメラを用いれば、速度の再構成画像を検出器から直接出力することも可能である。
【０１１６】
上記実施形態の観察装置によれば、対象物２の移動方向のセンサーアレイ数を減らすことができ、システムの安価小型化が実現するのと同時に、受波後のアナログ−デジタル変換の際の量子化ノイズ、オペアンプ等のノイズ重畳の低減が図ることができる。そのため、精度のよくイメージングを行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１１７】
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…観察装置、１０…回折波発生部、１２…トランスデューサ、２０，２０Ｂ，２０Ｃ…検出部、２１…自乗検波器、２１Ａ…乗算器、２２…ローパスフィルタ、２３…和算器、２４…ヘテロダイン検波器、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…演算部、３１…第１フーリエ変換部、３２…第２フーリエ変換部、３３…第３フーリエ変換部、３３Ａ，３３Ｂ…第４フーリエ変換部、３４…特定領域切出部、３５…各出力総和器、３６…２次位相除算部、４０…参照電波発生部、４０Ｃ…第１参照信号発生部、４０Ｄ…第２参照信号発生部、４１…周波数シフター、４２…トランスデューサ、ＳＧ…信号発生部。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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