(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各周波数で想定される最大位相誤差をθnoise、被測定物の想定される最大比誘電率をεeff＿max、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の間隔Δｆが
【数１】
0006533187.tif 000006
を満たすｍ個（ｍは３以上の整数、ｎは１以上（ｍ−１）以下の整数）の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を前記被測定物に照射する電磁波照射ステップと、
前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、
前記ｍ個の周波数の電磁波のそれぞれの位相変化を検出する位相検出ステップと、
隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、
この位相差算出ステップで算出した位相差が負の場合にｆn+1以降の各周波数の電磁波の位相変化のそれぞれに２πを加算して更新する処理を、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１まで繰り返す更新ステップと、
ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最低の周波数ｆ1と周波数ｆ1の電磁波の位相変化とｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最高の周波数ｆmと周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化と前記被測定物の既知の厚さＬとから、前記被測定物の比誘電率εrを算出する比誘電率算出ステップとを含むことを特徴とする誘電率評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の誘電率評価方法において、
背景物質のみがあって前記被測定物がない状態と、前記背景物質と前記被測定物とがある状態のそれぞれで１回ずつ前記位相検出ステップを行い、
前記位相差算出ステップは、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された電磁波の位相との差である位相変化を周波数毎に算出し、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相変化θnとθn+1との差を、これら周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差とするステップを含み、
前記更新ステップは、前記位相差算出ステップで算出した位相差が負の場合にｆn+1以降の各周波数の電磁波の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmのそれぞれに２πを加算して更新する処理を、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１まで繰り返すステップを含み、
前記比誘電率算出ステップは、周波数ｆ1と周波数ｆ1の電磁波の位相変化θ1と周波数ｆmと周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化φmと前記被測定物の既知の厚さＬとから、前記被測定物の比誘電率εrを算出するステップを含むことを特徴とする誘電率評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の周波数の電磁波を用いて物体の比誘電率を測定する誘電率評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物品の製造メーカにおいては、製品検査の重要度が増している。特に、食品の製造メーカにおいては、加工食品への異物混入により、会社の信頼性低下や出荷停止など、業績を逼迫する状況になる場合も生じている。製品の出荷検査の段階で、製品への異物混入を検出して、異物が混入した製品の出荷を未然に防ぐことが望ましい。しかしながら、既存の検出装置であるイメージング装置は、金属の検出は可能であるが、昆虫や、製品とは異なる食品などの有機物質を高い精度で検出することはできないという問題点があった。
【０００３】
物体の比誘電率の値を取得する誘電率評価方法は、物体を透過する電磁波の周波数および計測した位相の情報により、物体の比誘電率を算出する。比誘電率を求めることができれば、物体への異物の混入を検出することが可能になる。一方、物体を透過した電磁波の位相を観測すれば、この位相と電磁波の周波数とから、物体中の光路長を得ることが可能である。物体中の光路長は、物体の厚さと物体の比誘電率とからなるパラメータであり、物体の厚さが既知であれば比誘電率を求めることができる。
【０００４】
従来の誘電率評価方法は、電磁波放射器から、周波数が既知の２つの電磁波を被測定物に照射し、被測定物を透過した電磁波を検出器で検出して、この電磁波の位相を測定する（非特許文献１参照）。測定は、図７（Ａ）に示すように電磁波放射器１００と検出器１０１との間に被測定物がない場合と、図７（Ｂ）に示すように被測定物１０２がある場合の２回行う。
【０００５】
まず、図７（Ａ）の構成で２つの異なる周波数ｆ1とｆ2の電磁波が空気を透過した後の位相θ1＿airとθ2＿airを測定する。次に、図７（Ｂ）の構成で２つの異なる周波数ｆ1とｆ2の電磁波が被測定物１０２を透過した後の位相θ1＿sampleとθ2＿sampleを測定し、被測定物１０２がない場合の測定結果との位相変化θ1＝θ1＿sample−θ1＿air、θ2＝θ2＿sample−θ2＿airを算出する。これら位相変化θ1，θ2の差分である位相差θ2−θ1は式（１）で表される。この式（１）により被測定物１０２の比誘電率εrを算出することができる。式（１）におけるＬは被測定物１０２の厚さ、ｃは光速である。
【０００６】
【数１】
0006533187.tif 000002
【０００７】
図８に示すように、測定される電磁波の位相変化θは電磁波の周波数ｆに比例して増加するが、現実の測定器は０〜２πの範囲でしか位相を測定できないため、位相変化θについても実際の位相変化の量を算出することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Liangliang Zhang，et al.，“Terahertz multiwavelength phase imaging without 2π ambiguity”，Optics letters，Vol.31，Issue 24，pp.3668-3670，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実際の測定環境には反射等による位相誤差が存在するため、高精度な誘電率評価を行うために、２周波の間隔Δｆ＝ｆ2−ｆ1をできるだけ拡げる必要がある。図９（Ａ）は、誘電率評価の誤差（比誘電率εrの算出誤差）が２周波の間隔Δｆの増大に伴って１／Δｆで減少するが、Δｆの上限に達すると急激に増大することを示している。図９（Ｂ）は、２周波の間隔Δｆが狭い場合を示しており、観測される電磁波の位相に、測定環境等に影響される乱れがあるため、この乱れが位相誤差になり、誘電率評価の誤差が大きくなることを示している。一方、図９（Ｃ）のように２周波の間隔Δｆが拡がると、位相誤差の影響が小さくなり、誘電率評価の誤差が小さくなるが、図９（Ｄ）のように２周波間の位相差が２π以上変化すると、測定不能となってしまう（図９（Ａ）のΔｆの上限）。以上のように、従来の誘電率評価方法では、２周波の間隔Δｆに上限が存在するため、高い精度で物体の比誘電率を検出することができないという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の周波数の電磁波を用いる誘電率評価方法において、高い精度で物体の比誘電率を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の誘電率評価方法は、各周波数で想定される最大位相誤差をθnoise、被測定物の想定される最大比誘電率をεeff＿max、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の間隔Δｆが
【数２】
0006533187.tif 000003
を満たすｍ個（ｍは３以上の整数、ｎは１以上（ｍ−１）以下の整数）の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を前記被測定物に照射する電磁波照射ステップと、前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、前記ｍ個の周波数の電磁波のそれぞれの位相変化を検出する位相検出ステップと、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、この位相差算出ステップで算出した位相差が負の場合にｆn+1以降の各周波数の電磁波の位相変化のそれぞれに２πを加算して更新する処理を、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１まで繰り返す更新ステップと、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最低の周波数ｆ1と周波数ｆ1の電磁波の位相変化とｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最高の周波数ｆmと周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化と前記被測定物の既知の厚さＬとから、前記被測定物の比誘電率εrを算出する比誘電率算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の誘電率評価方法の１構成例は、背景物質のみがあって前記被測定物がない状態と、前記背景物質と前記被測定物とがある状態のそれぞれで１回ずつ前記位相検出ステップを行い、前記位相差算出ステップは、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された電磁波の位相との差である位相変化を周波数毎に算出し、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相変化θnとθn+1との差を、これら周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差とするステップを含み、前記更新ステップは、前記位相差算出ステップで算出した位相差が負の場合にｆn+1以降の各周波数の電磁波の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmのそれぞれに２πを加算して更新する処理を、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１まで繰り返すステップを含み、前記比誘電率算出ステップは、周波数ｆ1と周波数ｆ1の電磁波の位相変化θ1と周波数ｆmと周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化φmと前記被測定物の既知の厚さＬとから、前記被測定物の比誘電率εrを算出するステップを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ｍ個の周波数の電磁波に関して位相接続を行うことで、周波数間隔の上限を拡張することが可能となり、被測定物の比誘電率εrを高い精度で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の複数周波数による位相変化測定を説明する図である。
【図２】本発明の位相接続処理を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る誘電率評価装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る誘電率評価装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の測定対象となる被測定物の１例を説明する図である。
【図６】従来の誘電率評価方法および本発明の実施の形態に係る誘電率評価方法における誘電率評価誤差を計算した結果を示す図である。
【図７】従来の誘電率評価方法で用いる光学系の構成を説明する図である。
【図８】従来の誘電率評価方法における電磁波の周波数と位相変化との関係を示す図である。
【図９】従来の誘電率評価方法の問題点を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［発明の原理］
従来の誘電率評価方法において、２周波の間隔Δｆの上限は、位相ジャンプによる不連続点の存在に起因する。したがって、この不連続点を接続することにより、２周波の間隔Δｆの上限を拡張することが可能である。本発明では、図１のように隣接する周波数の間隔Δｆ＝ｆn+1−ｆnが以下の式（２）を満たすｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆn，ｆn+1，・・・，ｆm-1，ｆmで位相変化検出を行う（ｍは３以上の整数、ｎは１以上（ｍ−１）以下の整数）。このとき、電磁波の周波数ｆnにおいて検出した位相変化をθnとする。図１の丸印は位相変化のサンプリング点（位相変化測定点）を示している。
【００１６】
【数３】
0006533187.tif 000004
【００１７】
上記と同様に、Ｌは被測定物の厚さ、ｃは光速であり、θnoiseは各周波数での想定される最大位相誤差である。式（２）は、最大位相誤差θnoiseを考慮した時に、隣接周波数間の位相差が２π以上変化しないための条件を示している。εeff＿maxは被測定物がとりうる実効的な比誘電率の最大値である。本発明により誘電率評価を行う場合、θnoise，εeff＿maxについては、予め設定した固定値を使用する。
【００１８】
次に、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相変化θnとθn+1間の差分を算出し、算出した差分が負の場合には、θn+1以降の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmの全てに２πを加算して更新する。差分が０以上の場合には、位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmの全てに０を加算すればよい。すなわち、差分が０以上の場合には値の更新は不要である。以上のような更新ステップを、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１まで繰り返す。ｎ＝ｍ−１までの更新ステップが完了した後の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmを、φn+1，φn+2，・・・，φmとする。更新後の周波数と位相変化の関係を図２に示す。なお、周波数ｆ1の電磁波の位相変化θ1は更新の対象とならないため、φ1とせず、θ1のままとしている。このように更新ステップを行うことで、図２のように電磁波の周波数に比例して位相変化が直線的に増加する特性にすることを、本発明では位相接続と呼ぶ。
【００１９】
次に、位相接続の終了後、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最低の周波数ｆ1と、周波数ｆ1の電磁波の位相変化θ1と、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最高の周波数ｆmと、周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化φmとを用いて、以下の式（３）により被測定物の比誘電率εrを算出する。
【００２０】
【数４】
0006533187.tif 000005
【００２１】
こうして、本発明では、複数の周波数の電磁波に関して位相接続を行うことで、２周波の間隔Δｆの上限を拡張することが可能となり、被測定物の比誘電率εrを高い精度で検出することが可能となる。
【００２２】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図３は本発明の実施の形態に係る誘電率評価装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の誘電率評価装置は、ｍ個（ｍは３以上の整数）の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を被測定物１１に照射する電磁波放射器１と、被測定物１１を透過した電磁波を検出する検出器２と、検出器２の検出結果に基づいて被測定物１１の比誘電率εrを算出する比誘電率評価部３とから構成される。
比誘電率評価部３は、位相検出部３０と、位相差算出部３１と、更新処理部３２と、比誘電率算出部３３と、算出結果出力部３４とを備えている。
【００２３】
図４は本実施の形態の誘電率評価装置の動作を説明するフローチャートである。まず、比誘電率ε1が既知の背景物質１０のみがあって被測定物１１がない状態で電磁波放射器１は、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を背景物質１０に照射する（図４ステップＳ１００）。
【００２４】
上記のとおり、隣接する２つの周波数の間隔Δｆ＝ｆn+1−ｆnは式（２）を満たしている。このとき、各周波数での最大位相誤差θnoiseについては、測定環境等に影響される乱れを考慮して、想定される値を予め設定しておけばよい。また、本実施の形態では、食品における異物混入検出などの用途を想定しているので、実効的な比誘電率の最大値εeff＿maxについても、異物の最大誘電率を考慮して、想定される値を予め設定しておけばよい。また、本実施の形態では、被測定物１１の厚さＬは既知の値である。
【００２５】
検出器２は、背景物質１０を透過したｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を検出する（図４ステップＳ１０１）。
比誘電率評価部３の位相検出部３０は、ステップＳ１０１の検出器２の検出結果から、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波のそれぞれの位相を検出する（図４ステップＳ１０２）。なお、電磁波の位相を検出する技術は、既存の測定器を使用して実現できる周知の技術である。
【００２６】
次に、誘電率評価装置を使用するユーザは、比誘電率ε1が既知の背景物質１０の上部（または背景物質１０の内部）に、厚さＬが既知で、比誘電率εrが未知の被測定物１１を配置する。
電磁波放射器１は、このように被測定物１１が配置された状態で、背景物質１０および被測定物１１にｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を照射する（図４ステップＳ１０３）。
【００２７】
検出器２は、背景物質１０および被測定物１１を透過したｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波を検出する（図４ステップＳ１０４）。
比誘電率評価部３の位相検出部３０は、ステップＳ１０４の検出器２の検出結果から、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmの電磁波のそれぞれの位相を検出する（図４ステップＳ１０５）。
【００２８】
続いて、比誘電率評価部３の位相差算出部３１は、ステップＳ１０２で得られた電磁波の位相とステップＳ１０５で得られた電磁波の位相との差である位相変化θを電磁波の周波数毎に算出し、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1（ｎは１以上（ｍ−１）以下の整数）の電磁波の位相変化θnとθn+1との差θn+1−θnを、２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差Δθとする（図４ステップＳ１０６）。このように、本実施の形態では、２回の位相の測定結果の差分をとることで得られる被測定物１１による正味の位相変化をθとする。位相差算出部３１は、以上のような位相差Δθの算出をｎ＝１からｎ＝ｍ−１までのそれぞれについて行う。
【００２９】
次に、比誘電率評価部３の更新処理部３２は、隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差Δθが負かどうかを判定し（図４ステップＳ１０８）、位相差Δθが負の場合には、θn+1以降の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmのそれぞれに２πを加算して更新する（図４ステップＳ１０９）。上記のとおり、位相差Δθが０以上の場合には、位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmのそれぞれに０を加算することになるので、位相差Δθが０以上の場合には位相変化の更新は不要である。このような更新ステップを、ｎ＝１から開始して、ｎを１ずつ増やしながら繰り返し行い（図４ステップＳ１０７〜Ｓ１１０）、ｎ＝ｍ−１まで処理を終えた時点で（図４ステップＳ１１１においてＹＥＳ）、更新処理部３２の動作が終了する。上記のとおり、ｎ＝ｍ−１までの更新ステップが完了した後の位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmを、φn+1，φn+2，・・・，φmとする。
【００３０】
なお、ステップＳ１０９の処理を繰り返すことにより、位相変化θn+1，θn+2，・・・，θmが増大していくが、ステップＳ１０９の処理後においても隣接する２つの周波数ｆn，ｆn+1の電磁波の位相差Δθは変化しない。したがって、ステップＳ１０９の処理を１回行う度に位相差Δθを計算し直す必要はなく、位相差算出部３１の算出結果を基にステップＳ１０８の判定処理を行うようにすればよい。
【００３１】
比誘電率評価部３の比誘電率算出部３３は、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最低の周波数ｆ1と、位相差算出部３１が算出した周波数ｆ1の電磁波の位相変化θ1と、ｍ個の周波数ｆ1，ｆ2，・・・，ｆmのうちの最高の周波数ｆmと、更新処理部３２が算出した周波数ｆmの電磁波の更新後の位相変化φmと、被測定物１１の既知の厚さＬとを用いて、式（３）により被測定物１１の比誘電率εrを算出する（図４ステップＳ１１２）。
【００３２】
比誘電率評価部３の算出結果出力部３４は、比誘電率算出部３３の算出結果を出力する（図４ステップＳ１１３）。具体的には、算出結果出力部３４は、例えば比誘電率算出部３３が算出した被測定物１１の比誘電率εrを表示したり、比誘電率εrの情報を外部に送信したりする。以上のようにして、本実施の形態の誘電率評価装置の動作が終了する。
【００３３】
本実施の形態では、従来との比較のため、１例として図５に示すような比誘電率ε1＝３、厚さＬ1＝３０ｍｍの背景物質１０の中に比誘電率εr＝１０で厚さＬ＝１〜１０ｍｍの範囲の被測定物１１が入っている場合について本実施の形態の効果を説明する。この条件の場合、実効誘電率の最大値εeff＿maxは４．８８である。また、誘電体境界での反射により発生する最大位相誤差θnoiseが０．１ラジアンとすると、隣接する２つの周波数の間隔Δｆの最大値は式（２）を用いて８ＧＨｚと計算される。
【００３４】
式（１）を用いる従来の誘電率評価方法において、ｆ1＝３００ＧＨｚとｆ2＝３０８ＧＨｚの２周波を用いた場合の誘電率評価誤差（比誘電率εrの算出誤差）のシミュレーション結果を図６に示す。この場合、２周波の間隔Δｆは８ＧＨｚとなる。図６の点線６０が従来の誘電率評価方法で被測定物１１の比誘電率εrを算出した場合の誤差を示している。最大誤差は１４．５％であった。
【００３５】
一方、図６の実線６１は本実施の形態の誘電率評価方法で被測定物１１の比誘電率εrを算出した場合の誤差を示している。ここでは、ｆ1＝３００ＧＨｚ、ｆ2＝３０８ＧＨｚ、ｆ3＝３１６ＧＨｚ、ｆ4＝３２４ＧＨｚ、ｆ5＝３３０ＧＨｚの５つの周波を用いて、電磁波の最低周波数と最高周波数の周波数間隔を３０ＧＨｚまで拡張した。図６によれば、最大誤差を３．７％まで低減可能なことが分かる。
【００３６】
本実施の形態で説明した比誘電率評価部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。コンピュータのＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、電磁波を用いて物体の比誘電率を測定する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…電磁波放射器、２…検出器、３…比誘電率評価部、１０…背景物質、１１…被測定物、３０…位相検出部、３１…位相差算出部、３２…更新処理部、３３…比誘電率算出部、３４…算出結果出力部。
【図１】
0006533187.tif 000007
【図２】
0006533187.tif 000008
【図３】
0006533187.tif 000009
【図４】
0006533187.tif 000010
【図５】
0006533187.tif 000011
【図６】
0006533187.tif 000012
【図７】
0006533187.tif 000013
【図８】
0006533187.tif 000014
【図９】
0006533187.tif 000015