(57)【要約】【課題】  衣服などの背後にある目的物を検出するために使用できる検出装置を、誘電体レンズと、ミリメートル波の放射に感度をもつ受信要素とによって構成する。従来技術による装置は、通例、走査光学系を用いて対象物のイメージを創り出している。これは大型で高価である。【解決手段】  本発明では、イメージを創ることなく、対象物の異なる部分について、スポット読み取りを行う。スポット読取値を処理して、所定の特性の読み取り値が観察されたならば、ユーザに指示を与える。代表的な特性としては、受信出力レベルの絶対値、及び異なる偏波についての出力レベルが用いられる。興味がある目的物が対象物中にある場合には、代表的にそうした特性が表れる。対象物の異なる領域から読取値を取得すべく、ビーム幅を変化させたり、ビーム角度を変化させたりなど、受信ビームを変更するための様々な方法も開示される。
2005537495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる物質を見分けるための検出装置であって、少なくともひとつの誘電体レンズ要素を有する光学装置と、受信要素とを備えた上記装置において、受信要素はミリメートル波の放射に対する感度をもち、光学装置は、対象物から入射したエネルギーを受信要素に集束させるように構成されていて、装置は異なる時刻における受信信号の出力を測定すべく適合していて、さらに対象物の別々の部分について測定すべく適合していて、測定に基づいて指示を提供することを特徴とする検出装置。
【請求項２】
装置は、対象物からの複数の偏波についての放射を測定すべく適合していることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
装置の内部において放射の偏波を変化させる手段が、光学装置に組み込まれていることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
受信要素は第１の偏波状態に対する感度をもち、偏波を変化させる手段は、第１の偏波状態に対して直交する放射の偏波を、これが第１の偏波状態になるように周期的に変化させることを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
【請求項５】
偏波を変化させる手段は、固定された４分の１波長板と、少なくともひとつの可動な４分の１波長板とを備えていて、（少なくともひとつの）可動な４分の１波長板の位置に従って、光学装置に入射した放射のうちのいずれの偏波が受信要素によって検出可能になるかが決定されることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
４分の１波長板は偏波要素に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
少なくともひとつの可動な４分の１波長板は、光学装置に入射した放射が少なくともひとつの可動な４分の１波長板に導かれ、少なくともひとつの４分の１波長板を通過した放射が、異なる角度位置において直交する速い軸に出会うように、回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の検出装置。
【請求項８】
４分の１波長板は、蛇行線構造を備えていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
装置は、受信要素に周期的に基準信号を与えるべく構成された、ミリメートル波の源を内部に含んでいることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１０】
内部のミリメートル波の源は、回転可能に取り付けられた放射吸収材料から構成されていて、これが、光学装置によって受けられる放射の経路を周期的に遮断することを特徴とする請求項９に記載の検出装置。
【請求項１１】
装置は、入射する放射が到来する方向を時間と共に変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１２】
装置は、直交する偏波について、連続的に測定するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。
【請求項１３】
装置は、直交する偏波における特定の方向について、連続的に測定するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の検出装置。
【請求項１４】
受けた放射の経路中には屈折要素が取り付けられていて、屈折要素は回転可能になっていて、回転位置が異なると、異なる方向からのエネルギーが受信要素へ通過するようになっていることを特徴とする請求項１１、１２、又は１３に記載の検出装置。
【請求項１５】
屈折要素は、プリズムから構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
【請求項１６】
屈折要素は、少なくともひとつの円錐の一部分を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
【請求項１７】
屈折要素は、平行平面板から構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
【請求項１８】
装置は、受けるビームのビーム幅を時間と共に変化させることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１９】
光学装置を構成している１又は複数のレンズ要素の焦点距離を変化させることによって、ビーム幅が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の検出装置。
【請求項２０】
１又は複数のレンズ要素の焦点距離を変化させる手段は、受けた放射の経路中のレンズを別のレンズに切り替える装置によって構成されていることを特徴とする請求項１９に記載の検出装置。
【請求項２１】
光学装置は、無限焦点望遠鏡を構成していることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
対象物からミリメートル波の放射を受信する手段によって、対象物中に存在する目的物を検出する方法であって、この方法が、
対象物の第１の部分からの放射について、第１の測定を行う段階と、
対象物の第２の部分からの放射について、続いて測定を行う段階と、
第１の測定による特性が、続く測定による特性と異なっている場合に、指示を提供する段階と、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２３】
観察される特性は、受信した出力レベルであることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
観察される特性として、直交する偏波についての出力レベルが用いられることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
入射した放射は、光学装置によって受信要素に集束することを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
光学装置は、入射する放射が到来する方向を時間と共に変化させるスキャン手段を備えていて、対象物の異なった部分に対して測定が行われることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
受信要素は、入射する放射の偏波に対して感度をもち、入射する放射の偏波を変更するための手段が組み入れられていることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置に関する。より詳しくは、本発明は、目的物の背景や目的物の周囲が異なった特性を有しているような状況において、特定の特性をもった目的物の存在を検出するための装置に関する。本発明は、特に、ミリメートル波の電磁放射を用いて、目的物を検出することを目的としている。
【背景技術】
【０００２】
従来、ミリメートル波の装置は、対象物からやって来る放射を用いて、対象物のイメージを生成していて、これは、可視光波長の放射を用いて対象物を記録する普通のカメラと類似したやり方になっている。これらの装置は、対象物の放射温度のイメージを生成する。そうした画像化装置で用いられる周波数は、１０ＧＨｚから約４００ＧＨｚまでの範囲である。周波数が低いと、解像度が貧弱になるという問題点が生じる一方で、周波数が高くなると、部品のコストによって装置は極めて高価になる。妥当なコストで小型の装置を求めると、アンテナのサイズが小さくなるために、解像度が低いという問題点はさらに悪化して、性能がはるかに低下する。こうした理由のために、ミリメートル波の画像化装置は、大型装置になる傾向がある。こうした装置のひとつは、ＰＣＴのＷＯ９８／４７０２０号に開示されていて、その好ましい実施形態として、受信要素のアレイを有するスキャン画像化装置が開示されている。対象とする領域における様々な部分から入射したミリメートル波の放射を、走査光学系によってこれらの受信要素に導いて、検出された放射を処理することで、対象物のイメージを生成している。走査のために、大きな回転反射鏡が用いられていて、その回転軸は、円板面の法線に対して傾斜している。
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ９８／４７０２０号
【０００４】
従来の別のミリメートル波の画像化装置においては、単一の受信要素が用いられ、様々な方向からの放射をこの受信要素上に走査して、時間をかけて対象物のイメージを構築している。これらの装置は一般に、パラボラアンテナを備えていて、その焦点には単一の受信要素が取り付けられている。パラボラアンテナは、対象物がラスター状にスキャンされるように、または、別の適当なパターンによってスキャンされるように取り付けられる。そうした装置では、しばしば、ひとつの走査を完了するまでに何分もかかる。装置における受信要素の数を減らせば、装置は安価になり、はるかに迅速にデザイン及び使用することができる。しかしながら、多数の受信要素によって生成されるのと同等なイメージを生成するためには、少数の受信要素のそれぞれが広い範囲の領域を走査しなければならない。これには時間がかかり、その間に対象物が変化してしまうだろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、完全画像を得る装置に比べて、はるかに簡易で、携帯可能で、動作が迅速であるような、目的物の検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、異なる物質を見分けるための検出装置であって、少なくともひとつの誘電体レンズ要素を有する光学装置と、受信要素とを備えた上記装置において、受信要素はミリメートル波の放射に対する感度をもち、光学装置は、対象物から入射したエネルギーを受信要素に集束させるように構成されていて、装置は異なる時刻における受信信号の出力を測定すべく適合していて、さらに対象物の別々の部分について測定すべく適合していて、測定に基づいて指示を提供することを特徴とする検出装置が提供される。
【０００７】
本発明によって提供される装置は、対象物のイメージを形成するものではなく、ただ単に、アンテナのビーム特性に従って対象物の特定の一部分から入射する、エネルギーや放射温度の１又は複数の測定値を得るものである。この読取値は、アンテナがどこに向けられているかに応じて変化するので、アンテナが向けられている領域についての放射温度をユーザに知らせることができる。装置は、特にミリメートル波の周波数において動作するのに適していて、かかる周波数においては、ｍｍ波の画像化装置に比べて、装置を特に小型化できると共に、リアルタイムの読取値を提供するように構成することができる。
装置は、人間の身体の放射温度を測定して、彼／彼女が何を所持しているかについて指示を提供するのに特に適しており、というのは、ほとんどの所持品の放射特性は、身体の放射特性とは異なっているからである。
【０００８】
好ましくは、アンテナと、受信要素と、指示手段とは、単一の簡単に携帯できるユニットに組み立てられていて、ユーザは簡便に身体の異なる部分を測定して、目標領域内における放射温度の変動について認識を得ることができる。
好ましくは、アンテナは、少なくともひとつの誘電体レンズ要素から構成される。より詳しくは、ひとつの実施形態におけるアンテナは、実質的に無限焦点望遠鏡が形成されるような、複数の複合レンズから構成されている。好ましくは、無限焦点望遠鏡から出た放射は、さらに別の誘電体レンズを用いることで、受信要素の上に集束する。変形例としては、アンテナは、対象物からの放射を受信要素に集束すべく構成された、１又は複数の鏡から構成しても良い。
【０００９】
本発明においては、較正要素を組み込んでも良い。較正要素は好ましくは、回転可能な円板から構成されていて、該円板は複数の領域に分割されて、そのうちの１又は複数の部分は受ける放射に対して実質的に透明になっていて、その他の１又は複数の部分は不透明になっており、不透明な領域は、関連する周波数の放射を吸収する材料から構成されている。
好ましくは、較正要素は、無限焦点望遠鏡における後部要素の背後に配置され、望遠鏡によってコリメートされた細い放射ビームの中に置かれる。
本発明は、ここまで述べただけでも、目標における異なる部分を見分けられて有用であるけれども、これだけでは、一般に、受信要素が要求する方位に対して直交する偏波をもった放射を検出することは出来ない。別の実施形態では、異なった偏波状態の放射を見分けられるように、検出装置の能力を高めている。かかる実施形態は、感偏波要素を備えていて、異なる偏波状態において、また、対象物の異なる部分について、対象物の放射温度を測定することができる。好ましくは、直交する偏波において、受けたエネルギーにはほとんど相違が存在せず、対象物の異なる部分について、または、対象物と較正円板の吸収要素との間において、同一の偏波において受けたエネルギーに依然として相違が検出される場合に、ユーザに指示を与える。この指示は、直交する偏波における相違が所定のしきい値未満であって、平行な偏波における相違が、対象物と較正円板の吸収要素との間において、または、対象物の異なる部分間において、所定のしきい値を越えるときに与えられる。このやり方によれば、金属の目的物を検出する能力を高めることができる。指示は、聴覚的、視覚的、又は触覚的などのいずれでも良く、アナログ又はデジタルのメータや、警報音、振動ユニットその他のあらゆる適当な指示手段を備えても良い。
【００１０】
感偏波要素は、入射する放射を単一の偏波に変換するために配置される。これは、１又は複数の４分の１波長板又はファラデー回転子から構成される。この構成によれば、２つの直交する偏波について、目的物の放射温度を測定することができる。さらに別の実施形態は、少なくとも２つの４分の１波長板を回転円板に取り付けられて含んでいて、円板が回転すると、それぞれの４分の１波長板が、順に、入射する放射の経路中に配置される。これらの円板は、較正要素が存在する場合には、該較正要素に取り付けられて、板は、回転可能な円板の実質的に透明な部分を占める。板は、少なくともひとつの対の速軸が互いに９０゜になるように配置される。また、実施形態は、回転板の後方に取り付けられた、固定された４分の１波長板を有している。いくつかの又はそれぞれの４分の１波長板の上部には、直線偏波子が設けられて、各偏波に対する識別を向上させる。
【００１１】
装置は、ユーザがアンテナを物理的に動かさなくても、ビームパターンを変えられるように構成されていて、別々の、隣接した、又は重なり合う、対象物の領域について、異なる読取値を記録することができる。これらの異なる領域の読取値を比較して、読取値の相違が所定のしきい値を越える場合には指示を与える。この実施形態は、異なる領域の読取値間の相違を参照して、装置を有効に較正するので、装置の内部には較正要素を必要としない。
かかる効果が得られるひとつの実施形態は、アンテナを物理的に動かさずに、アンテナのビームパターンを向け直す手段を有している。好ましくは、これは、ビームを円錐状にスキャンする手段から構成される。これは、回転可能なプリズムによって行われ、プリズムは無限焦点望遠鏡の後方において、該望遠鏡が発生させる狭いコリメートビーム中に取り付けられる。
さらに別の実施形態においては、アンテナの中にビーム幅を変化させる手段が組み入れられて、対象物のスポットサイズを変化させることができる。異なるサイズのビーム幅における放射温度の読取値を比較して、所定のしきい値を越える相違が見い出された場合に、指示を与える。
【００１２】
ビームパターンを変化させる変形例による実施形態においては、無限焦点望遠鏡を用いない代わりに、誘電体材料の平板をレンズの後方に回転可能に取り付けて、これをレンズによって集束した入射する放射の経路中に配置する。平板は、２つの主面が互いに平行になるように構成されていて、これらの面の法線は、平板の回転軸線に対してゼロでない角度に配置される。しかしながら、別の実施形態においては、無限焦点望遠鏡と、回転可能に取り付けられた誘電体材料の平板との双方を組み入れても良い。
本発明の第２の観点によれば、対象物からミリメートル波の放射を受信する手段によって、対象物中に存在する目的物を検出する方法であって、この方法が、
対象物の第１の部分からの放射について、第１の測定を行う段階と、
対象物の第２の部分からの放射について、続いて測定を行う段階と、
第１の測定による特性が、続く測定による特性と異なっている場合に、指示を提供する段階と、
を備えていることを特徴とする方法が提供される。
以下、本発明について、添付図面を参照しつつ例示的かつ詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態は、３つの誘電体レンズ要素１ａ，１ｂ，１ｃから構成されてなる、誘電体アンテナ１を有している。要素１ａと要素１ｂとによって無限焦点望遠鏡が形成されていて、要素１ａの入口に到達した平行ビームは、依然、平行なビームのままで、ただし直径が細くなって、要素１ｂの出口から伝達される。細められたビームは、較正要素２を通過した後、レンズ要素１ｃによって受信要素３上に集束し、受信要素は電磁信号を電線を通る電流に変換する。受信要素３は、受信ホーン３ａと、増幅器、及び／又は、ダウンコンバータ回路３ｂと、ダイオードなどの検波素子とを備えている。本発明の必須要件ではないけれども、本実施形態では、使用する部品の制約のために、受信要素３はひとつだけの方向の偏波に対して感度をもっている。この段階においては、信号は増幅された後に検波され、この検波された信号に基づいた指示をユーザに与える回路に通される。
【００１４】
コリメートされた入力ビームの直径は、要素１ａ及び１ｂの焦点距離に応じて、較正要素など装置における他の要素に都合が良いように、無限焦点望遠鏡１ａ及び１ｂによって設定される。レンズ要素１ａの直径は約１５０mmで、その焦点距離は１６８．７mmであり、一方、要素１ｂの直径は約４０mmで、その焦点距離は３６．５mmである。焦点要素１ｃの直径は３２mmで、焦点距離は２４．７mmである。この構成によれば、幅３２mmの平行なビームが、較正要素の位置に得られる。
【００１５】
レンズ要素１ａ，１ｂ，１ｃは、高密度ポリエチレンから作られていて、約８０〜１００ＧＨｚである装置の設計周波数において、その誘電率は約１．５０である。
本実施形態における較正要素は、４つの部分に分割された、回転可能な円板２から構成されている。これは図２に最も良く示されている。円板２は、入力ビームに関連して配置されていて、円板２が回転すると、異なる部分がビーム経路に介挿される。対向する２つの部分は、放射吸収材料４ａ及び４ｂで満たされていて、これらの部分は、アンテナ前方からの放射通路を遮断し、一方、残りの２つの部分は透明になっていて、アンテナ前方からの放射を受信要素へ自由に通過させる。放射吸収材料（ＲＡＭ）４ａ及び４ｂは、較正目的のための“ホットロード”として働くもので、これは周辺温度と同じ温度になっているから、自然に予測可能なレベルの放射を放出し、それを受信要素３によって検出することができる。この受信値は、検出回路において較正目的のために使用される。
【００１６】
較正円板は、受信要素におけるドリフトを修正するために使用される。このドリフトは代表的に、何秒から何十秒のオーダーの時間長さにわたって生じる。従って、本実施形態では、１秒間に数回の再較正が行われて、かかるドリフトや１／ｆノイズの影響を充分に打ち消すことができる。較正においては、ホットロードについての測定値から、対象物についての測定値を減算する。いかなる充分に遅く変動するドリフトも、この結果に対しては、無視できる影響しかもたない。モータ１００は、円板２を所定の速度にて回転させるように配置されている。回転円板にはセンサ（図示せず）が設けられていて、その回転位置を指示するので、装置は、ホットロードがいつビームを遮断するのかを知ることができる。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態においては較正円板は必要ではないことに留意されたい。ある種の実施形態において、好適に較正段階の必要性を解消できる代替的な方法については後述する。
ビームが較正装置２を通過する箇所において、ビームの幅は有限になっているので、ホットロードがビームの経路に出入りする移行時間も有限である。この時間中に検出されるエネルギーは、その一部分はホットロードから、一部分は対象物から入射したものになる。よって、この移行段階中に受信要素３が受信したエネルギーは無視される。
較正円板２の回転速度は、２５回転／秒になっていて、１秒間に最大で、５０回の較正と５０回の測定とが可能になっている。
【００１８】
図３には、本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態においては、入射する放射の偏波を基礎として、測定値を差別化している。較正円板の、元々は透明な領域に、感偏波要素５が取り付けられている。較正／偏波円板２の後方には、さらに別の感偏波要素６が配置されている。要素６の方位は固定されていて、これは、円板２の回転と共に回転するものではない。符号５０は、円板に対するビームの位置を示している。
図４は、円板２の部分断面図であって、感偏波要素５を詳しく示している。要素５はそれぞれ偏波子７を備えていて、その後方には、４分の１波長板８が取り付けられている。偏波子７は、関連する周波数範囲に適した間隔をもった、平行な導線の組から形成されている。代表的な構成としては、２５０ミクロンの厚さのＴＬＸ−９（入手先は、Taconic Advanced Dielectrics Division社、所在地は、136 Coonbrook Road, Petersburgh, NY12158, USA.）の基板上に、線幅１００ミクロン、ピッチ（間隔）３４１ミクロンの銅線の軌道を配置する。要素５ａは、偏波子７及び４分の１波長板８の方位を除き、要素５ｂと同一である。それぞれの要素、例えば５ａに関連する偏波子７は、互いに直交な偏波方向を有している。また、それぞれの要素５における４分の１波長板８の速軸も、互いに直交する方位に向けられている。
【００１９】
本実施形態において用いられている４分の１波長板は、蛇行線型の偏波ツイスタを構成している。図５は、８０〜１００ＧＨｚにおいて使用するのに適した、蛇行線構造の詳細を示している。矩形波状の一連の銅線の軌道をそれぞれ有しているような４枚の基板を、互いにサンドイッチして、これらの間にはブランクスペーサ板を配置して、中央の２枚の能動層の距離を調節する。外側の２枚の能動層９（グリッドタイプＡ）は、千分の１５インチの厚みで、内側の２枚の能動層１０（グリッドタイプＢ）は、千分の１０インチの厚みになっている。中央のスペーサ板１１は、千分の３．５インチの厚みになっている。基板９及び１０とスペーサ板１１とに用いられる材料は、前述したＴａｃｏｎｉｃ社から入手可能なＴＬＸ−９である。
【００２０】
本実施形態においては、固定された要素６（図４参照）も、形状を除けば符号８と同一の、蛇行線の４分の１波長板になっていて、その方位については、５ａ及び５ｂからの円偏波の放射を、受信装置のフィードホーンによって受けられる方向に対して平行である直線偏波に変換するように配置されている。
図６と表１は、それぞれの蛇行線パネルに形成されている軌道についての詳細を示していて、表１には、軌道の様々な要素について詳細な寸法を示しており、ｗ１とｗ２は線幅、ｂは間隔、ｈは高さ、ａはピッチである。
異なった動作周波数に対応する場合に蛇行線デザインに必要になる変更については、当業者に知られているので、ここでは詳しくは述べない。蛇行線について、さらに詳しくは、L. Young らの、 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol AP21, pp376-378, May 1973、及び R A Chu らの、 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol AP35, pp 652-661, June 1987を参照されたい。光学要素１１の蛇行線に代えて使用できるいくつかの別の装置についての詳細は、The International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol 2, No 3, 1981.に開示されている。
【００２１】
［表１］
＋−−−−＋−−−−−−−−−−−−−−−−−−−＋
｜        ｜          軌道寸法（ミクロン）        ｜
＋−−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋
｜        ｜  Ａ  ｜  Ｂ  ｜  Ｈ  ｜ ｗ１ ｜ ｗ２ ｜
＋−−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋
｜ Grid A ｜  294 ｜ 1396 ｜  380 ｜   60 ｜   41 ｜
＋−−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋
｜ Grid B ｜  436 ｜ 1396 ｜  592 ｜  108 ｜  141 ｜
＋−−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋−−−＋
【００２２】
使用に際しては、感偏波要素５は較正円板と共に回転し、よって周期的に、対象物から受ける放射ビームの経路の一部を形成する。受けたビームに対して要素５が正しく配置されているときだけに対象物からの放射を測定するように注意する。円板が回転し、ビームが完全に特定の要素５の中にあるとき、偏波要素の方位は回転によって変化する。この領域全体にわたるエネルギー測定値は、読み取り中に感偏波要素の方位が変化するために、誤差を生じさせる傾向がある。このため、ビームが各要素５の中央の領域を占めている時、円板の４５゜だけの回転にわたって読取値を積分する。
回転可能な要素５と固定された要素６との効果は、水平偏波をひとつの要素例えば５ａを用いて、また、垂直偏波を直交する要素例えば５ｂを用いて、受信要素が感度をもっている偏波に変換することである。これは以下のように行われる。対象物から入射する放射が、水平軸線上の平面偏波であると仮定する。この放射は、垂直偏波子をもつ要素に衝突した場合には、通過せず、従って検出されない。放射が他方の要素に衝突したとすると、放射は偏波子を通過して、４分の１波長板８ｂによって円偏波に変換される。この円偏波になった放射は、固定された４分の１波長板６を通過すると、直線偏波の放射に変換されて戻されて、（適切に配置された）受信要素を用いて検出される。
【００２３】
次に、対象物から垂直偏波の放射が放出されていると仮定する。この放射は、水平偏波子をもつ要素に衝突した場合には、止められて、従って検出されない。放射が他方の要素５に衝突したとすると、放射は４分の１波長板８ａを通過して、この場合にも円偏波に変換される。しかしながら、たとえ４分の１波長板８に入射する偏波が前の段落で述べた場合と比べて直交していたとしても、２つの回転可能な４分の１波長板８ａ及び８ｂの速軸が直交していることから、４分の１波長板８ａからの出力は、前の段落で述べた場合と同じ回転方向である円偏波の放射になる。従って、かかる放射が固定された４分の１波長板６を通過すると、この場合にも再び、受信要素が感度をもった方位の放射に変換される。
このようにして、円板２が１回転すると、２つの読取値が対象物から得られて、これらはそれぞれ異なった偏波になっている。それぞれの偏波についての読取値は比較され、これらの読取値に基づいてユーザに指示が与えられる。変形例としては、それぞれの偏波についてひとつずつの、２つの読取値を提供したり、２つの読取値を組み合わせて双方の偏波についての複合的な読取値を生成させても良い。
【００２４】
図７に良く示されている第３の実施形態によれば、装置を物理的に動かさずに、受けるビームの方向を変化させることができる。この構成によれば、対象物の複数の領域から迅速かつ正確に読取値を得ることができ、ユーザは装置を手動でそうした領域へ向ける必要はなく、これらの領域の測定値を簡単に比較することができる。本実施形態においては、較正要素２の前方に取り付けられた回転可能なプリズム１２によって方向を変化させる。プリズム１２が回転すると、プリズムの形状に応じて、受けたビームの方向は斜めにそれる。本発明においては、組み込まれているプリズム１２は、その回転軸に対して垂直な面に対し、約７．３゜に傾斜した表面を有している。これにより、ビームはプリズム１２にて合計約７．３゜のディザーを生じ、これは、無限焦点望遠鏡１ａ及び１ｂの反対側においては、合計約１．５゜のビームの動きに言い換えられる。これは受けるビームの電力半値ビーム幅と同じであり、プリズム１２がスキャンすると対象物の隣接する領域から測定値が得られる。
【００２５】
本実施形態においては、任意的事項としては、較正要素２を省略することができる。装置は、対象物の異なる部分について記録された読取値間の出力の相違を用いることで、受信要素内のドリフトの影響を除去するように構成することができる。しかしながら、依然として、円板は同じ位置に設けられて、４分の１波長板を保持するために用いられる。しかしながら、較正要素を残す場合には、較正円板が既知の放射温度になっているために、背景に比べて“冷たい”目的物と、背景に比べて“熱い”目的物とを見分けることができるという便宜がある。“冷たい”及び“熱い”という用語は、対象物の熱温度ではなくて、放射温度を意味していることを当業者は理解するだろう。
プリズム１２は、高密度ポリエチレンから形成されて、プリズム１２の外周に配置されたベアリングによって、ビームの経路中に回転可能に取り付けられる。プリズム１２は、較正要素２の回転速度の１／４の回転速度にて回転するように構成されている。これにより、プリズムの１回転あたり、８つの測定値が得られて、対象物１０１におけるスキャンパターン１３は図８に示すようになる。
【００２６】
変形例としては、較正円板２は、ｒを整数として、プリズム１２の回転速度の（ｒ＋０．５）倍の速度にて回転させても良い。これは、対象物について奇数の（あるいは重なり合った）領域が測定されることを意味し、プリズム１２が完全に２回転する間には、対象物のそれぞれの測定領域に関して、両方の偏波について測定が行われるという利益を有する。このことは、プリズムが２回転する間に測定される領域は（その他の要因が変化しないならば）正確に整列されることになるので、異なる偏波において測定される対象物の部分について測定値の精度を高める。従って、関心のある目的物の存否を決定する上で、識別のために偏波を用いる場合には、非整数の回転比を用いることが助けになる。この点に関して、別の非整数比でも利益が得られることは当業者には明らかであろう。また、整数の関係を用いる場合には、特定の重なった領域について連続的に測定するならば偏波を識別に用いることができるが、特定の領域についての連続する測定値は完全には整列していないため、性能が低くなるであろうことは、当業者には明らかだろう。
【００２７】
図９は、かかる回転速度の変更が、対象物から得られる測定値に与える影響を示している。上段の７つの円は、測定手順中の７つの異なる時刻における較正円板２を表している。図示の較正円板２は四分円に分割されていて、対向する２つの四分円２０３及び２０４に示された縞線は、感偏波要素がそれぞれ水平又は垂直の偏波のいずれかを通過させるように配置されていることを示している。小さい円２０５は、較正円板を通り抜ける、受けた放射を示していて、時刻ｔn において使用される偏波を示している。図示の如く、円板は、各時刻ｔn毎に、時刻ｔn-1に比べて、半回転だけ回転して、連続的な時間間隔毎に、交互の偏波が通り抜け、もって測定される。
較正円板２を示した７つのそれぞれの円の下段には、測定される対象物を表した２列の円２００がさらに示されている。各円２００において、白抜きされた小さい円２０１は、特定の時刻ｔn に測定が行われる対象物の箇所２００を表している。中段の列にある円２００は、プリズム１２がプリズムと同じ速度で回転する場合、つまりｒ＝１である場合に行われる測定を示している。このｒ値は、原理を示すために選択したものであって、実際には使用されることはない。対象物２００の特定の領域２０１が測定されるとき（例えばｔ＝０，２，４，６における下方領域）、測定は常に同一の偏波について行われていることが分かるだろう。
【００２８】
これと対照的に、ｒ＝１．５における状況が、下段の７つの円２００によって表されている。所定の領域２０１についての連続的な測定値は（時刻ｔ＝０，３，６における下方領域）、ここでは、交互の偏波について得られている。同じ箇所に対して交互の偏波にて測定することで、本願の別の場所に記載しているように、該箇所に存在している任意目的物の特性を識別する、より良い識別方法が得られる。
本発明の第４の実施形態は、ビームを変化させる別の手段を提供するもので、対象物の異なる領域について読取値を得て、これらの比較から出力を得るものである。図１０には本実施形態を示している。本実施形態では、前述の実施形態のように回転プリズムを用いてビーム方向を変化させる代わりに、レンズ１（図１参照）のパワー（度）を変化させることによって、ビーム幅を変化させている。レンズのパワーを変化させるために、可動なレンズ要素１ｄが組み込まれていて、これがレンズ１の焦点距離を変化させて、有効にズームレンズを形成している。レンズ要素１ｄは、モータ１４その他の手段によって、レンズ１の軸線に沿って直線的に動かされる。図１０には示していないけれども、複数のレンズ要素１ｄを異なる速度にて又は異なる方向へ向けて動かすことで、ズームレンズの性能を改善することができる。
【００２９】
従って、レンズ１から所定の距離だけ離れた対象物において、ビームがカバーするサイズはレンズの焦点距離の変化によって変化して、対象物をカバーする“スポット”は大きくなったり小さくなったりする。図１１に、この様子を示している。スポットサイズ１６を大きくするように調節したとき、ビームが向けられている対象物１０１に、小さいけれども高い反射率の目的物１５が存在したとすれば、受信される信号はそれに応じて妥当に強くなる。レンズを調節して小さいスポットサイズ１７にすると、受信信号は低くなって、このことから、目的物は、大きいスポット１８の領域内にあるが、小さいスポット１７の領域内にはなく、目的物１５とその周囲１０１とが異なる反射特性を有していることが明らかになる。この目的物１５については、さらに別の方法によって調べることができる。
【００３０】
図１２には、この実施形態による可変焦点レンズの代替的な構成を示している。本実施形態においては、レンズ１の全体的な焦点距離を変化させるために、複合レンズ１の１又は複数の要素を軸線方向に動かすのに代えて、それぞれが異なった強さをもつ別々のレンズ要素、例えば１８を、複合レンズ装置１の中に挿入する。これは同様な効果を奏するが、本実施形態においては、レンズ例えば１８が回転可能な円板１９に取り付けられるので、実現は容易である。それぞれの円板１９は、パワーが異なった４つのレンズ１８を保持していて、測定値を得るときには、それぞれの円板１９におけるひとつだけのレンズ１８が、受ける放射の経路中に配置される。複合レンズ１の焦点距離を変化させるには、円板１９を回転させて、正しいレンズ１８を放射経路中に配置させる。本実施形態は、２つの円板１９を有していて、それぞれが４つの独立したレンズ要素１８を備えている。円板１９は好ましくは、無限焦点レンズ要素１ｂ（断面図にて示している）の後方において、較正要素２の両側に取り付けられる。
【００３１】
使用に際しては、既知のビーム幅が得られるように選ばれたレンズ１８を用いて、１又は複数の測定値を得る。続いて、円板１９を回転させて別の対のレンズを選び、ビーム幅を別の既知の設定に変更する。この新たな設定において、１又は複数の測定値を得て、異なったビーム幅設定にて得られた測定値を比較する。
既存の複合レンズ装置に、レンズ要素を組み込んで、ズームレンズを形成するやり方の詳細は当業者に知られているので、ここでは、さらに詳しくは説明しない。ズームレンズの設計に関するさらに詳しい情報については、W. J. Smith, 'Modern lens design-a resource manual', Ch. 16.3 pp292-299, McGraw-Hill 1992.を参照されたい。
【００３２】
図１３には、第５の実施形態を示している。本実施形態においては、第２の実施形態において述べた感偏波要素５及び６と共に、第３の実施形態において述べたビームスキャン要素１２が組み込まれている。プリズムは、較正要素の回転速度の１／４の速度にて回転すべく構成されている。従って、プリズムが１回転すると、それぞれ偏波が交互になった、８つの測定値が得られる。
図１３の実施形態によれば、対象物中にある金属製の目的物に関して、より強力な識別を得ることができる。このために、対象物の２以上の領域について、直交する偏波において読取値を得る。対象物の異なる部分から同じ偏波について得られた読取値が、異なる出力の戻りを生じさせるならば、このことは対象物に目的物が存在していることを指示している。次に、直交した偏波についての読取値を調べる。これらの読取値が互いに同様であるならば、非視射角における金属の反射特性のために、目的物は金属製の性質である見込みが高い。同様のやり方で、直交する偏波について、適切に大きく異なる読取値を探索することで、装置は、非金属の目的物に対してより良い感度をもつように構成できる。そうした指示を用いて、さらに調査が必要である旨の警告をオペレータに対して与える。
【００３３】
図１４には、第５の実施形態におけるスキャンパターンを示している。それぞれの円の中の領域は、個別の測定において受けられるエネルギーの大部分を表していて、対象物上における電力半値ビームの形状に対応している。ここで、回転偏波要素のために、交互の偏波について交互にスキャンされていることが分かる。図示した円形である電力半値ビームの形状は、単なる近似的なものであり、というのは、実際には、各測定中に装置の要素が回転すると、個々のスキャン領域はわずかに楕円の形状になる。もっとも実際にはこれによる悪影響はない。
【００３４】
図１５ａは、ビームをスキャンするための代替的な手段を示していて、ここでは、第３の実施形態で述べた円錐形のスキャン装置に代えて、２つの別々の部分が設けられている。スキャンプリズム３００は、図７のプリズム１２に置き換えられたものである。このプリズム３００は、２つの部分３０１及び３０２を備えていて、使用中には軸線３０３を中心として回転し、約５０％の時間ずつ、各部分３０１及び３０２が入射する放射の経路中に配置される。部分３０１及び３０２の形状は、これらの部分が放射の経路中に完全に配置される持続時間中に、空間中の固定角度領域から、入射する放射３０３を受信要素（図示せず）に導くように形成されている。それぞれの部分は、異なる領域からの放射を導くように配置されている。それぞれの部分３０１及び３０２は、軸線３０３をもつ円錐の側面部分に似た形状になっているが、部分３０１と３０２とは互いに反転していて、異なる領域からの放射を受信要素に集束できるようになっている。
【００３５】
図１５ｂは、身体３０４を含む対象物上において得られるスキャンパターンを示している。図示の２つの領域３０５及び３０６から受けられる放射が受信要素に集束するが、これらはそれぞれスキャンプリズム３００の異なる部分３０１及び３０２に対応している。図示のスキャン構成は、前述の実施形態に比べてより効率的であるが、というのは、前述の実施形態に比べて、より長い角度回転時間にわたって、固定された領域からの放射を観察できるためである。長時間にわたって多くのエネルギーを受けられるので、装置のＳＮ比が向上する。
【００３６】
図１６は、図３に示した円板２に対する代替的な構成を示している。図３に示した感偏波要素５の動作は、固定された偏波要素６に対するその角度位置に依存していたので、有効な測定値が得られる窓の角度は比較的小さくなっていて、信号を積分できる時間の長さが短くなって、装置のＳＮ比は低下していた。図１６の実施形態では、改変した感偏波要素例えば３０８を有する円板３０７を組み込むことによって、かかる窓角度を大きくした。変形例による円板３０７は、図１６に示すように、多数の部分例えば３０８を有していて、これらが前述の円板２と同じ角度空間を占めている。従って、それぞれ部分例えば３０８は、より小さい角度範囲をカバーしていて、有効な測定が可能な窓角度にそれぞれの部分における多くの部分が配置されている点において、図４，５，６に関連して述べた大きな部分のうち中央部分だけが角度窓の中になる構成とは異なっている。
円板３０７は、４分の１波長板、例えば３０８を交互に配置されて有していて、これらが固定された要素６（図３参照）と組み合わせられることで、それぞれ水平及び垂直の偏波は、受信要素３（図１参照）が感度をもつ状態に変換される。
円板に必要な直径を小さくするために、円板３０７は、ビーム幅が小さくなる位置である、レンズ１ｃと受信要素３との間（図１参照）に取り付けても良く、これにより、感偏波要素の領域を小さくすることができる。
【００３７】
図１５に関連して述べた改変されたスキャン手段と、図１６に関連して述べた改変された感偏波要素の構成とを一緒に用いると、図７の実施形態においては２％であった装置のエネルギー収集効率を、約２０％にまで高めることができる。
さらに別の実施形態においては、図１５ａに示したプリズム３００と、図１６に示した感偏波要素の円板３０７とを、同一の軸に取り付けて、同じ速度で回転させることで、機械的な複雑さを低くすることができる。約２０％のスキャン効率が達成可能である。別の実施形態においては、感偏波要素の円板に奇数のセクタを設けて（特定の偏波を受けるセクタを、他方の偏波よりもひとつ余分に設ける。）、感偏波要素の円板がひとつのセクタの中心から隣接するセクタの中心へビームを動かす毎に、プリズムが半回転するように構成する。この実施形態においては、約３０％のスキャン効率が達成可能であるけれども、機械的な複雑化、つまりプリズムと円板とが別々の軸と駆動手段をもつために、コストがかかると共に、プリズムを極めて速く回転させるので、バランスや、空気抵抗、消費電力などの要件について潜在的な問題点につながる。
【００３８】
図１７は、無限焦点望遠鏡を用いずに、ビームをスキャンできるような、代替的な実施形態を示している。本実施形態では、光学装置が小型化するので、検出装置を小さくできる。レンズ２０はポリエチレンから作られ、平行面平板２１の前方に取り付けられる。平板２１は、モータ（図示せず）によって駆動されて、軸線２３を中心として回転するように取り付けられる。平行面２２のひとつの法線は、軸線２２に対して斜めに配置される。例えば、前述の実施形態の無限焦点望遠鏡に用いられていた前部レンズ１ａをそのままで用いるならば、高密度ポリエチレンの平行面平板の厚みを１６．９mmとして、装置の光軸に対して２０゜傾けて、装置の光軸を中心として回転させれば、前述の実施形態におけるプリズムと同等なスキャン機能が得られる。この平板のサイズは、光軸を中心とする直径２８．２mmのシリンダにちょうど収められて、平板の後面と光軸との交差点が、焦点面から１２．９mm前方に位置するように設定する。装置の焦点位置には、前述の実施形態と同様に、受信要素２４が取り付けられる。レンズ２０は、対象物からの放射を平板２１の平行面２２に導くように配置される。任意の与えられた瞬間に、対象物のどの箇所から来た放射が最終的に受信要素２４に焦点を結ぶのかについては、平板２１の中で生じる屈折効果のために、平板２１の位置によって定まる。対象物における上方部分からの放射がレンズ２０を通り抜けると、レンズ２０と平板２１との間の領域においては下半分へ向けて導かれる。平板が符号２１の位置にあるならば、放射をかかる下半分から受信要素２４へ導くように働く。逆に、対象物における下方部分からの放射は、レンズ２０と平板２１との間の領域においては上半分へ向けて導かれる。このとき平板２１が符号２１’の位置へ動いていれば、受信要素２４上に焦点が結ばれることになる。従って、平板２１を回転させることによって、受けるビームは円錐状にスキャンされる。
【００３９】
図１７の実施形態は、他の実施形態において説明した偏波依存性要素を含んでも良い。しかしながら、本実施形態においては、ビームは常に収斂しつつあるので、偏波依存性要素のサイズは、同要素の装置内における位置に応じて適切に定めなければならないことを当業者は認識するだろう。
図１８は、異なる偏波について対象物を測定するための、２つの代替的な方法を示している。これらはいずれも、受信要素の偏波依存性を頼りにしている。図１８ａが示しているひとつのアプローチにおいては、フィードホーン２６と受信要素（図示せず）とを含んでなる受信モジュール２５の全体は、モータ（図示せず）を用いた軸２８を中心として、測定間に９０゜回転し、これにより、２つの直交する偏波について測定できるようになっている。受信モジュール２５への電力及び信号線２７の伝達には、摺動リングが用いられる。
【００４０】
図１８ｂは、別の技術を示していて、フィードホーン２６はそれ自体で回転するように構成され、導波回転ジョイント２９を介して受信モジュール３０に結合されている。この実施形態においては、摺動リングを必要としないために、図１８ａの実施形態に比べて再現性の高い結果が得られるけれども、導波回転ジョイント２９は、当業者に良く知られているように（例えば、G. C. Southworth, 'Principles and applications of waveguide transmission', pp364-366, D. Van Nostrand Company Inc, 1950 を参照されたい）、ジョイント２９自体と２つの直線−円導波変換器３１及び３２とによって構成されるために、重量が重くなると共にバンド幅が制約されて、装置の感度は低下するだろう。
【００４１】
図１９は、身体上にある物質の識別度を高め、もって疑いのある目的物の存在を高い信頼性で指示するための手段を示している。図示の改変された受信手段（広義には図１の要素３と同等）は、受信ホーン３０９を備えていて、受信したエネルギーは増幅回路３１０に供給される。増幅器３１０の出力は、２つの経路３１１及び３１２に分けられる。経路３１１は、バンドパスフィルタ３１３を経由してから、検波手段３１４へ行く。経路３１２は、バンドパスフィルタ３１５を経由してから、検波手段３１６へ行く。フィルタ３１３は、例えば７５〜８０ＧＨｚなど、増幅器又は導波管のバンド幅の下端にある周波数の信号を最も強く通過させるように構成される一方、フィルタ３１５は、例えば１０５〜１１０ＧＨｚなど、増幅器又は導波管のバンド幅の上端にある周波数の信号を最も強く通過させるように構成される。これにより、それぞれの通過帯域にて受信したエネルギーを別々に検出することができ、よって比較することができる。
【００４２】
図２０に示すように、垂直入射に対する皮膚の反射率は、各周波数帯域毎に異なっている。実線３１７は、皮膚の反射率を表しているが、これは、破線３１８で示した水の反射率を大きく反映している。皮膚は、主として水から出来ているので、これは驚くべきことではない。線３１９で示した低い周波数帯においては、反射率は約０．３７５であるけれども、この反射率は、線３２０で示した高い周波数帯では、約０．３４に低下する。
従って、図１９に示した受信手段を組み入れるならば、与えられた瞬間における測定値を調べて、それぞれの周波数帯において、受信した電力にかかる差異が存するか否かを知ることができる。差異が存在しないならば、測定値は皮膚に由来するものではないことを意味し、金属その他の物質からの測定値である見込みが高い。この情報は、オペレータに警告を与えるか否かの任意の決定に供給したり、警告の誤動作率を低下させるために使用できる。
【００４３】
当業者は、本発明の範囲内において他の実施形態を考案できることを理解するだろう。従って、本発明は上述した実施形態に制限されるものではない。特に、偏波依存性要素や異なるスキャン手段など本願で開示した特徴は、明らかに各実施形態間において入れ替えることができ、与えられた実施形態におけるそれらの外観は、別の実施形態では使用できないという意味ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明による第１の実施形態を模式的に示している。
【図２】図２は、第１の実施形態における較正要素を模式的に示している。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態における、ある種の感偏波要素を模式的に示している。
【図４】図４は、第２の実施形態における感偏波要素の詳細を模式的に示している。
【図５】図５は、感偏波要素として用いられる蛇行線構造のデザインの詳細を模式的に示している。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態に組み入れられる蛇行線のデザインの詳細を模式的に示している。
【図７】図７は、第３の実施形態の特定の部分を模式的に示していて、受けるビームの方向を変化させる手段が組み入れられている。
【図８】図８は、対象物から受けるビームを変化させることで得られる、代表的なスキャンパターンを模式的に示している。
【図９】図９は、第３の実施形態におけるスキャン特性の変化の結果を模式的に示している。
【図１０】図１０は、受けるビーム幅を変化させる手段を備えた、第４の実施形態を模式的に示している。
【図１１】図１１は、対象物のビーム幅を変化させることで得られる効果を模式的に示している。
【図１２】図１２は、装置が受けるビーム幅を変化させるための別の手段を模式的に示している。
【図１３】図１３は、第５の実施形態を模式的に示していて、前述の実施形態と同様な、感偏波要素と、スキャン要素とが組み入れられている。
【図１４】図１４は、第５の実施形態におけるスキャン領域を模式的に示している。
【図１５ａ】図１５ａは、ビームをスキャンするための代替的な手段と、それにより得られるスキャンパターンとを示している。
【図１５ｂ】図１５ｂは、ビームをスキャンするための代替的な手段と、それにより得られるスキャンパターンとを示している。
【図１６】図１６は、変形例による感偏波要素の構成を示している。
【図１７】図１７は、無限焦点望遠鏡を用いない、別の実施形態を模式的に示している。
【図１８ａ】図１８ａは、異なる偏波の放射を測定するための代替的な方法を模式的に示している。
【図１８ｂ】図１８ｂは、異なる偏波の放射を測定するための代替的な方法を模式的に示している。
【図１９】図１９は、本発明と共に使用できる代替的な受信装置を模式的に示していて、目標物質の識別性を向上できるものである。
【図２０】図２０は、周波数に対する皮膚と水の反射率を示したグラフである。
【図１】
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【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１６】
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【図１７】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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