(57)【要約】  基板（１１ｂ、１１ｃ）を備えた反射手段が、周波数が３×１０9Ｈｚと１０13Ｈｚとの間にある電磁放射線を選択的に反射し、例えば、放射線（１２）が入射するようにされた高抵抗率のシリコン層と、電荷キャリアを生成するために、例えば波長が５μｍと１００ｎｍとの間にある電磁放射線で基板面を照射することにより、層内で電荷キャリアを選択的に生成して放射線を反射するための手段をと含む。反射手段は撮像装置の一部を形成することができ、この撮像装置では、同軸構成の反射手段を通過する放射線により撮像対象のシーンを照射し、反射された放射線を反射要素が受光する間に反射領域をその表面全体にわたって走査してシーンから反射された放射線流を作り出し、この放射線流を検出し、使用してディスプレイを駆動する。走査スポット以外の反射手段の領域からの反射により生み出されるノイズを交差偏光器によって低減することができ、基板には、これらの偏光器を形成するとともに走査構成を単純化するために溝を設けることができる。他の用途は、化学的特徴を検出するためのものである。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が３×１０9Ｈｚと１０13Ｈｚとの間にある、シーンを照射するための電磁放射線源と、
前記シーンから反射された前記放射線が入射するように構成された半導体材料を備えた反射手段と、
前記反射手段の表面全体にわたり、電荷キャリアを選択的に生成して反射性を有するようになる領域を走査するためのスキャナと、
前記反射手段から反射された前記放射線を受光するように位置決めされた検出器と、
を備えた検出装置であって、前記放射線源は、前記反射手段を介して前記シーンを照射するように構成される、
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
電荷キャリアが生成されない領域における前記反射手段からの反射を低減させるための偏光器を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記放射線源から送出される前記放射線を１つの状態に偏光するための手段と、
前記状態に偏光された放射線の前記検出器における受光を遮断するための手段と、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記反射手段が一対の基板を備える、
ことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項５】
前記基板が、前記シーンからの放射線が該基板上に２５°未満の入射角で入射するように方向付けられる、
ことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記スキャナが、個々の基板の表面上のそれぞれのストリップを選択的に照射するための手段を含む、
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記ストリップが互いに直交する、
ことを特徴とする請求項６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記基板が、前記ストリップを定める溝付きの表面を有する、
ことを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
【請求項９】
前記溝の深さが、前記照射放射線の４分の１波長の奇数倍である、
ことを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記ストリップの幅が、前記照射放射線の半波長の倍数である、
ことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記ストリップの幅が、前記照射放射線の１波長の２分の１である、
ことを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
個々のストリップの表面を照射するための別個の光源が設けられる、
ことを特徴とする請求項６から請求項１１のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１３】
個々の光源が、前記基板の材料を通じて個々のストリップを後ろから照射するように構成される、
ことを特徴とする請求項１２に記載の検出装置。
【請求項１４】
前記放射線源がコヒーレントな電磁放射線を放出するように構成され、前記検出器の出力が振幅及び位相情報を得るように構成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１５】
前記半導体材料がシリコンである、
ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１６】
前記シリコンの抵抗率が少なくとも５ｋオーム−ｃｍである、
ことを特徴とする請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１７】
前記シリコンの抵抗率が少なくとも５０ｋオーム−ｃｍである、
ことを特徴とする請求項１６に記載の検出装置。
【請求項１８】
前記半導体材料の厚さが５ｍｍ未満である、
ことを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１９】
前記半導体材料の前記厚さが１ｍｍ未満である、
ことを特徴とする請求項１８に記載の検出装置。
【請求項２０】
前記半導体材料の前記厚さが０．５ｍｍ未満である、
ことを特徴とする請求項１９に記載の検出装置。
【請求項２１】
前記半導体材料が、支持体上に堆積された２５μｍ厚未満のエピタキシャル層である、
ことを特徴とする請求項２０に記載の検出装置。
【請求項２２】
前記半導体材料の厚さが、前記放射線源の波長の４分の１波長の整数である、
ことを特徴とする請求項１８から請求項２１のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２３】
電荷キャリアを選択的に生成するための前記手段が、電荷キャリアを前記半導体材料に注入する手段を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２４】
電荷キャリアを選択的に生成するための前記手段が、波長が５μｍと１００ｎｍとの間にある電磁放射線で前記半導体材料を選択的に照射するための手段を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２５】
前記波長が、８００ｎｍと１０００ｎｍとの間にある、
ことを特徴とする請求項２４に記載の検出装置。
【請求項２６】
撮像装置である、
ことを特徴とする請求項１から請求項２５のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２７】
セキュリティ検査装置の一部を形成する、
ことを特徴とする請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２８】
前記シーンの吸収特性を検出するように構成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２９】
シーンに対応する前記振幅及び位相情報を異なる位相シフトにおいて比較し、前記シーンにわたる誘電率の変化に関する情報を作成できるようにする位相シフト手段を含む、
ことを特徴とする請求項２８に記載の検出装置。
【請求項３０】
前記放射線源が、２つの異なる周波数で動作するレーザを備え、前記検出器が、前記２つの周波数における帰還パワーの比率を比較するように構成される、
ことを特徴とする請求項２８に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は検出装置に関し、特に３×１０9Ｈｚから１０13Ｈｚに及ぶ電磁スペクトルの領域で動作する検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＨｚ（テラヘルツ）周波数帯（１０10Ｈｚ〜１０13Ｈｚ）内の電磁放射線は、衣服などの可視線を通さない材料を通過するので、隠れた物体の検出に有用である。赤外線放射と同様に、人々はこのような放射線を自然に放出しており、この自然に放出される放射線を使用して人物の画像を形成し、この人物が携行する隠れた物体を明らかにすることができる。この放射線は、周波数が可視線の周波数と比較的近いので、レンズを使用して放射線の焦点を合わせることができる。受動的に生成される光線に依拠せずに、対象物を放射線で能動的に照射することにより、画像をさらに改善することができる。
【０００３】
１つの提案（１９７０年３月３１日、４月１日及び２日にブルックリン工科大学におけるサブミリメートル波に関するシンポジウムにおいて示された、米国ニュージャージー州フォートモンマスの米国陸軍電子司令部電子部品実験所のＲ．Ｃ．Ｈｏｆｅｒ、Ｈ．Ｊａｃｏｂｓ、及びＪ  Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒによる「サブミリメートル及びミリメートル波画像の可視表示」）では、提案されたシステムの全体構成を示す図１に示すように、物体１が、７０ＧＨｚで動作するクライストロン２からの放射線で照射される。物体から反射されて戻る放射線が、誘電材料からなるレンズ３により半導体パネル４上に合焦される。画像を見るために、光により照射されているときにはクライストロンからの放射線を通さず、照射されていないときにはこの放射線を通すというパネルの半導体特性を利用する。このため、走査機構５が、別様に照射されるパネル上の小さな影の領域を走査する。検出器６が、走査される影に対応する放射線を受光することにより順次信号を生成し、この信号から物体１の画像を再現することができる。図２は、図１の構成の解像プロセスをより詳細に示す図である。走査機構５は、垂直方向に互いに徐々に増加して変位する規則的に間隔をおいた不透明な部分８を含む連続テープを、投影器７の前で走らせることにより動作する。結果として生じる影９が、レンズ１０により半導体パネル４上に合焦され、これを走査機構がラスタ形式で走査する。
【０００４】
図３に示す別の提案（Ｈ．Ｊａｃｏｂｓ、Ｒ．Ｃ．Ｈｏｆｅｒ、Ｇ．Ｍｏｒｒｉｓによる、「霧透過性撮像装置への提案」、１９６６年６月、ＩＥＥＥ会報第５４巻、第６刊、９０７頁）では、ワイヤメッシュを裏打ちした半導体パネル４を、光５のフライングスポットにより片面を走査して、局所的伝導率、従ってそのもう片方の面に作用するミリメートル波放射線への反射率を増加させ、このような放射線を反射する物体の画像をこのようにして走査する。撮像される物体２ａが照射器２からのミリメートル波により照射され、反射された放射線がレンズ３によりパネル４上に合焦され、そこからの反射光線がホーン６により受光され、検出器６ａに供給される。この画像はディスプレイ６ｄ上で見られ、このディスプレイ６ｄは、検出器６ａから増幅器６ｃを介して検出信号を受信し、フライングスポットの走査に関する情報を提供する入力部６ｂを有する。なお、これらの著者は、透過ゲルマニウム系に関する自らの研究に基づいて、必要な反射率を実現するためにはかなり厚い半導体層が必要であると考えていた。本発明の範囲内において、この見識が誤っていたことを示す。
【０００５】
光学的に生成された光キャリアに起因すると考えられる、テラヘルツ放射線を反射する高抵抗半導体材料の特性が単独で示されている（Ｌ  Ｆｅｋｅｔｅ、Ｊ．Ｙ．Ｈｌｉｎｋａ、Ｆ  Ｋａｄｌｅｃ及びＰ  Ｋｕｚｅｌ、並びにＰ  Ｍｏｕｎａｉｘによる「高抵抗半導体のテラヘルツ反射率の能動的光学制御」、２００５年８月１日、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻第１５号）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｒ．Ｃ．Ｈｏｆｅｒ、Ｈ．Ｊａｃｏｂｓ、及びＪ  Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ著、「サブミリメートル及びミリメートル波画像の可視表示」１９７０年３月３１日、４月１日及び２日、サブミリメートル波に関するシンポジウム、ブルックリン工科大学
【非特許文献２】Ｈ．Ｊａｃｏｂｓ、Ｒ．Ｃ．Ｈｏｆｅｒ、Ｇ．Ｍｏｒｒｉｓ著、「霧透過性撮像装置への提案」、１９６６年６月、ＩＥＥＥ会報第５４巻、第６刊、９０７頁
【非特許文献３】Ｌ  Ｆｅｋｅｔｅ、Ｊ．Ｙ．Ｈｌｉｎｋａ、Ｆ  Ｋａｄｌｅｃ及びＰ  Ｋｕｚｅｌ、並びにＰ  Ｍｏｕｎａｉｘ著、「高抵抗半導体のテラヘルツ反射率の能動的光学制御」、２００５年８月１日、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻第１５号
【非特許文献４】Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、第３３巻、１９６４年３月、第２６４号７２５頁〜７２９頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、周波数が３×１０9Ｈｚと１０13Ｈｚとの間にある、シーンを照射するための電磁放射線源と、シーンから反射された放射線が入射するように構成された半導体材料を備えた反射手段と、反射手段の表面全体にわたり、電荷キャリアを選択的に生成して反射性を有するようになる領域を走査するためのスキャナと、反射手段から反射された放射線を受光するように位置決めされた検出器とを備えた検出装置を提供し、上記放射線源は、反射手段を介してシーンを照射するように構成される。
【０００８】
これにより、検出装置を小型にするとともに光学収差を最小にすることが可能になる。
【０００９】
検出装置が、電荷キャリアを生成しない領域全体にわたって反射手段からの反射を低減させる偏光器を含むという利点を有する。偏光器をこのように使用することにより、信号対ノイズ比を改善できるようになる。
【００１０】
反射手段が一対の基板を備え、スキャナが個々の基板の表面上のそれぞれのストリップを選択的に照射するための手段を含むという利点を有する。これにより、走査を単純化できるようになる。
【００１１】
反射手段が半導体材料、例えばシリコンであるという利点を有する。シリコンは、キャリアの寿命が長く、従って高効率な光伝導体であると考えられるので、このような材料の抵抗率は５００オーム−ｃｍを超えることができ、５ｋオーム−ｃｍを超えることが有益であり、５０ｋオーム−ｃｍを超えることが好ましい。反射手段は、多くの半導体又は表層であってもよい。
【００１２】
電荷キャリアの生成によって反射手段が動作可能となることにより、シーンから反射された放射線の方向が変化する。熱的に、電気的に、又は光学的に、或いはこれらの組み合わせにより電荷キャリアを生成することができる。例えば、キャリアを電気的に生成するために、基板にバイアスをかけるとともに、注入器又は注入器の配列を設けることができる。しかしながら、好ましい形態では、使用する半導体材料にもよるが、５μｍと１００ｎｍとの間にある波長の電磁放射線（光学放射線）で基板を選択的に照射することにより電荷キャリアが生成される。
【００１３】
スキャナは機械的スキャナであってもよく、或いは各々が基板の要素を照射するように構成された多くの光源を備えていてもよい。走査は、ラスターパターンで、或いは受け取ったシーンから得られる画像に応じたパターンで行うことができる。
【００１４】
３×１０9Ｈｚ〜１０11Ｈｚの周波数の場合、検出装置を、例えば空中プラットフォームにおいて誘導目的で使用することができ、１０10Ｈｚ〜１０13Ｈｚの周波数の場合、検出装置を、例えば武器又は爆発物の存在に関して人物を検査するための検査目的で使用することができる。第１の目的には撮像装置が望ましいが、対象物の吸収特性又はその他の化学的特徴が断定される第２の目的には撮像装置は不必要となる。
【００１５】
電磁放射線源は連続波であってもよいが、用途によっては放射線をパルス化することが望ましい場合もある。
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施する方法について一例として詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の検出装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１の検出装置の走査構成をより詳細に示す図である。
【図３】第２の従来技術の検出装置の全体構成を示す図である。
【図４】本発明の検出装置における使用に適した反射手段を断面で示す光線図である。
【図５】本発明による第１の検出装置の概略図である。
【図６】本発明による第２の検出装置の概略図である。
【図７】図６の移相器の動作を説明する図である。
【図８】本発明による第３の検出装置の概略図である。
【図９ａ】図８に示す反射手段の一方の正面図である。
【図９ｂ】図９ａに示す反射手段の平面図である。
【図９ｃ】図９ｂに示す反射手段の断面図である。
【図１０】図８に示す反射手段の拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面全体を通じて、同様の部分には同様の参照番号を付与している。
【００１９】
本発明の検出装置は様々な用途を有する。レーダー周波数（３×１０9Ｈｚから１０11Ｈｚ）の場合、検出装置を誘導システムの一部として、或いはその他のレーダー用途のために使用することができる。ミリメートル周波数（１０10Ｈｚから１０13Ｈｚ）の場合、検出装置をセキュリティ検査に使用することができる。化学的特徴の検出の場合、検出装置が、照射されるシーンの画像を形成する必要はない。多くのセキュリティ検査用途では画像を得ることが望ましく、図面を参照しながら以下で説明する本発明の実施形態は撮像装置である。
【００２０】
図４を参照すると、本発明の検出装置での使用に適した反射手段が、高抵抗率の（すなわち５ｋオーム−ｃｍよりも大きい）シリコン半導体材料からなる平面基板１１を備える。基板の厚さは、到来する放射線の周波数に応じて異なる。厚さは１００μｍよりも大きくなりがちであるが、５００μｍ、１０００μｍ、及び５０００μｍの厚さを使用した。シリコン表面におけるファブリペロー反射を最小化するために、厚さを、到来するミリメートル放射線の周波数における整数の半波長厚となるように構成することもできる。臨界波長における複数のビーム干渉に起因して、周囲の媒体とは誘電率が異なる任意の誘電材料の平面厚がエタロンとして動作することができる。以下では、光学手段又はその他の手段により誘導される電荷変位の層が固有の反射率を生み出すだけではなく、実効誘電率、従って全有効厚を変更することにより、全反射率を増加又は低下させるようにエタロンを調整することもできる。
【００２１】
周波数が１０10Ｈｚと１０13Ｈｚとの間にある放射線１２が基板上に入射し、基板を光学放射線で照射しない場合には同じ方向１３に透過される。基板を光学放射線１４で照射した場合、到来する放射線１２は、基板により方向１５に沿って反射される。従って、光学放射線を断続的に切り換えることにより、反射手段が反射モードと透過モードとの間で切り替えられる。
【００２２】
図４は、基板の小さな要素を示すものである。基板のパターン線は示していない。基板照射ビームは、ラスター走査などの何らかの望ましい走査パターンで基板のパターン線全体にわたって走査される。従って、基板上に合焦される到来放射線の画像を分析し、次に画像の個々の要素に対応する順次ビームに変換し、視覚ディスプレイを駆動できる単純な検出器を使用できるようにする。
【００２３】
光学放射線が降り注ぐ基板面には、照射する放射線の波長の４分の１波長反射防止層１６が設けられ、被覆の屈折率はシリコンの屈折率の平方根、すなわち約１．８５である。
【００２４】
反射効果の根底にあるメカニズムは、光学的励起が高密度の電子雲又は電子「プラズマ」を発生させた結果、正にイオン化した原子の周期的配列が半導体格子内で生じることであると考えられる。この電子プラズマと、高周波の反射に関与し実際に電荷変位の周期的配列を形成するイオンの周期的配列とへの電荷分裂により、到来する電波面により横方向並びに縦方向のコヒーレンスを確立できるようになる。可視光に相当するエネルギーは、半導体材料のバンドギャップよりも大きい必要がある。シリコンにおける条件は、キャリアの生成時に大部分が再結合しないようなものでなければならない。従って、エネルギー準位を禁止ギャップの中心に置く不純物を含まない比較的純粋なシリコン結晶を使用する必要がある。
【００２５】
真性シリコンが適している。例えば、抵抗率が１００Ｋオーム−ｃｍを超えるシリコンを真性と見なすことができる（Ｎ型のキャリア密度は、立方センチメートル当たり約１×１０10となる）。不純物が存在しないことにより散乱中心が存在しなくなるので、この材料のキャリア寿命は長いと予想される。
【００２６】
好適な光学放射線源の例として、タングステンフィラメントランプ、赤色又は近ＩＲのＬＥＤ、或いは固体レーザが挙げられる。これにより、１μｍの近赤外線から０．７μｍの可視を僅かに越える周波数範囲が与えられ、シリコンとの好ましい光学放射線の動作範囲は８５０ｎｍから９５０ｎｍである。この動作範囲は、使用する特定の半導体の吸収端の位置に依存する。吸収端より上では半導体は透明であり、光学放射線との相互作用は非常に弱い。
【００２７】
照射放射線が入射する基板表面は、反射防止被覆１６を施すことによりその反射率を低減するように処理されるが、これの代わりに、或いはこれに加えて、選択的エッチングにより形成される逆ピラミッド形の窪みで表面を被覆することができる。このような窪みは、より多くの光を基板に入射できるようにする。
【００２８】
好適な基板材料の一例に、６０ｋオーム−ｃｍのＮ型シリコンがある。このシリコンは、Ｐ型シリコンから開始して、リンで逆ドーピングすることにより作成される。このシリコンは、リンが多めになるように若干過補償される。基板の高抵抗率シリコンは、大部分が伝導帯の底部を下回る４０ミリ電子ボルトの浅いドナー準位を有するＮ型である。このことは、このドナー準位にある電子が、１．２４／０．０４＝３１ミクロンの波長により伝導帯に容易に励起されることを意味する。この波長は、電荷を効率的に作り出す赤外線放射よりも大幅に長いが、ドナー準位が室温でイオン化されることになり、シリコン原子の数と比較するとはるかに少ないドナーしか存在しない。従って、より多くの電荷を加えるための主なメカニズムは、バンドギャップを跨ぐ励起によるものとなる。
【００２９】
代替の材料として、リチウム補償シリコン、すなわち、リチウムイオンが残留ホウ素不純物及びあらゆる欠陥部又は断裂部と結合するように処理されたシリコンが挙げられる。通常の抵抗率は、１００ｋオーム−ｃｍよりも大きくなる。この場合も、主なメカニズムは、価電子帯から得られる電子のバンドギャップを跨ぐ励起である。
【００３０】
他の高抵抗率シリコン材料を使用することができ、その他の半導体材料、例えばＧａＡｓを使用することもできる。必要であれば、到来する放射線の内部反射を防ぐように設計された（到来する放射線の周波数の）４分の１波長の反射防止層で基板の裏面を被覆することができる。このような被覆は、誘電体、又は半導体の平均屈折率の平方根である平均屈折率を有する誘電体層の積み重ねで構成される。別の代替として、内部反射された放射線をビーム１５から分離するために、基板の裏面を楔形にし、すなわち前面に対して平行ではなく傾斜させることができる。
【００３１】
電荷キャリアは、基板の大半において光学放射線により生成されるが、代わりに電極等の電気手段により生成することもでき、シリコン基板の表面全体にわたる反射領域を走査するために、これらの電極を配列の形で構成することができる。
【００３２】
図５を参照すると、第１の撮像装置が、図４を参照しながら説明したシリコン基板１１を使用しており、この基板は、個別素子の配列又は連続シートのいずれであってもよい。ガンダイオード発振器１８により生成され、導波管ホーンアンテナ１９により放射される１０10Ｈｚ〜１０13Ｈｚの範囲内の電磁放射線（ミリメートル）により、撮像する対象物１７が照射される。複合広角レンズ系３１が、対象物から反射されて戻る放射線を、基板１１における反射を通じて受光ホーン２４の合焦面上に合焦する。
【００３３】
ＬＥＤの配列３２が光学電磁放射線のフライングスポットを作り出し、この場合（近赤外線における他の波長を使用することもできるが）波長８００ｎｍ〜９５０ｎｍの放射線が生成され、これがシリコン基板１１の、ミリメートル放射線が入射する側と反対側に合焦される。さらに各列のＬＥＤを連続して照射することにより、光学放射線のフライングスポットが基板をラスター走査するようになる。瞬間的なスポットにより反射される、対応するミリメートル放射線の連続した流れが受光ホーン２４により受光され、ディスプレイ２９に画像が作成される。
【００３４】
図４を参照しながら説明した方法では、スポットが入射するにつれて、今度はシリコン基板の個々の領域が、ミリメートル放射線を透過する状態からこの放射線を反射する状態へと変化する。受光ホーン２４は、結果として生じるミリメートル放射線１５の連続した流れを受光し、これをサンプリング検出器２５に供給し、この出力がフィルタ２６によりフィルタリングされ、増幅器２７により増幅される。デジタルインターフェイス２８を介して、走査コントローラ３０を使用してビデオ画像がディスプレイ２９に示される。
【００３５】
基板を通じて対象物１７を同軸上に照射することにより、光のフライングスポットがなければその領域の全てにわたってシリコン基板１１がミリメートル放射線に対して透明を保つという事実を利用している。このミリメートル放射線がレンズ系３１を介して対象物１７を照射し、対象物から反射される放射線が、同じレンズ系３１により、シリコン基板１１による反射を通じてホーン２４の合焦面内に合焦される。シリコン基板は、連続シート又は個別素子の配列のいずれであってもよい。
【００３６】
シリコン基板の光学的に照射される面に、図４に示す被覆１６のような反射防止被覆を施すことができ、これが逆の面に作用するミリメートル放射線に影響を及ぼすことはない。また、バイアス電源１１ａによりバイアスをかけ、例えば電極配列とともに近赤外線放射に対する半導体配列の感度を高めることができる。
【００３７】
放射線源１８の周波数は、１２５ＧＨｚのガンダイオード発振器及び×２の乗算器１８ａから得られた２５０ＧＨｚであってもよい。必要であれば、乗算器は省いてもよい。９４ＧＨｚなどのより低い動作周波数を使用することもできる。
【００３８】
フライングスポットを電子走査する代わりに、例えば、Ｎｉｐｋｏｗディスクスキャナ、又はＭｉｈａｌｙ−Ｔｒｕａｂミラードラム、或いは水平及び垂直の走査を行う同期発振ミラーのシステムを使用して、必要であれば機械的に走査を行うことができる。
【００３９】
重要な点は、透過放射線がレンズの口径のほぼ全体に及ぶ点である。このことは、照射系の口径数を維持する上で不可欠である。受光系は、ビームスプリッタ表面の小さな領域を選択的に励起することにより走査される。この走査は、受光した口径のレイリーの分解能を与えるために解像の原理を使用する。レイリーの理論に従って、選択領域の最小サイズは動作波長においてλ／２となる。
【００４０】
受光チャネルの解像を行うために、半導体ビームスプリッタの表面の一部を励起して、この領域内に過剰なキャリアを生成する。この励起は、光学的に、又は電気的に、或いはこれら２つの組み合わせで実施することができる。これまでに、半導体の切り替えられる透過率又は反射率のいずれかに基づいて半導体シャッターを作り出すための数多く試みが行われてきた。ほとんどが、材料の大半において従来のＤｒｕｄｅ／Ｄｅｂｙｅのモデル化を使用した実験的観測の結果を説明しようと試みてきたものである。本発明の場合、実験上の証拠が、反射率に関する限りＤｒｕｄｅ／Ｄｅｂｙｅのモデルは正しくないことを裏付けている。反射率は、僅か数ミクロン厚の層である励起表面に非常に近いキャリア励起の結果である。材料の大半における減衰はフォノン散乱に起因する。キャリア励起のみに起因する局所反射率は５３％を大きく超えることはなく、この反射率は半導体の厚さとは無関係である。これにより、良好な反射率（−３ｄＢの変換損失）を与えるが励起領域の外側では透過における減衰損失が常に低いビームスプリッタの設計が可能になる。ｎ＝１、３、５等として、非励起時のビームスプリッタの厚さをｎλ／４に近づけた場合、背面の反射においてλ／２の位相変化が存在し、反射光線において２×λ／４の総経路長変化が存在するため、前面の総反射率が高められる。従って、前面の反射位相がλとなり、反射光線が入射光線に加えられ、総反射率が高められる。
【００４１】
しかしながら、厚さを、ｎ＝２、４、６等として偶数のｎλ／４にした場合には逆のことが発生し、反射光線の位相変化は、入射光線とは逆に前面でλ／２となり、反射率は減少する。
【００４２】
励起される反射層及び照射される面に近いその封じ込めの性質を理解することにより、薄い半導体ビームスプリッタの使用が可能になり、この結果、ビームスプリッタの厚さを通じた屈折により、系内に導入される光学収差が最小限に抑えられる。
【００４３】
図６を参照すると、第２の撮像装置は、受光ホーンアンテナ２４の出力が同相チャネルと直交チャネルとに分かれ、ガンダイオードからの放射線のコヒーレントな性質を利用して、対象物の異なる部分から反射される放射線とは異なるいずれかの振幅差及び位相差を測定できるようにするという点で第１の撮像装置と異なる。従って、この実施形態では１９０ＧＨｚに調整されたガンダイオード発振器１８が、ハイブリッド結合器３４を介して送出ホーン１９に供給を行う。ハイブリッド結合器は、ミリメートル信号の一部を局所的な発振器信号として混合器３５に供給し、同相チャネル及び直交チャネルを、受光ホーン２４により集光される反射及び走査されたミリメートル放射線から回収できるようにする。個々のチャネルには、エイリアシング防止低域通過フィルタ２６ａ、２６ｂ及び増幅器２７ａ、２７ｂが設けられる。信号プロセッサ及び走査制御体３６が、ディスプレイ３８を駆動するデジタルインターフェイス３７へ信号を出力する。
【００４４】
対象物が、誘電率の異なる隣接領域１７ａ、１７ｂを有する複合表面をその構造内に含む場合、反射するミリメートル放射線は、１７ａ、１７ｂを外向き方向に１度、及び戻る方向に１度というように２度通過していることになる。これらの層の個々の横断は、領域１７ａを通過する放射線と領域１７ｂを通過する放射線とを比較した場合、これらの間に位相差を生じる。例えば、領域１７ａの誘電率が、１つの完全な波長がこの領域の厚さに正確に対応するようなものであるとすれば、領域１７ｂ内には１つの完全な波長よりも長い、又は短いものが対応することになる。
【００４５】
ここで、移相器３９の１つの設定の場合の遷移時の混合器の出力における何らかの振幅の変化を、移相器の別の設定の場合の振幅の変化と比較すると、位相差顕微鏡が異なる位相シフトの振幅変化を使用して観察サンプルにわたる屈折率変化に関する情報をもたらすのと同じ方法で、この比較を使用して遷移時の誘電率変化に関する情報を得ることができる。例えば、移相器の２つの異なる設定は、領域１７ａを通過するミリメートル波列に関してはピークとトラフとの間の差異に対応することができるが、領域１７ｂを通過する波列に関しては異なる点の間の差異に対応することができ、この結果異なる相対振幅が生じる。
【００４６】
信号処理及び走査制御ユニット３６は、対象物の個々の増分部分からのミリメートル放射線の振幅及び位相の比較を可能にし、２つの隣接領域間の位相差の検出を可能にする。この情報は、混合器への局所的な発振器供給における移相器３９の選択的動作により、位相差顕微鏡と同じ方法で対象物に関する情報をもたらす。
【００４７】
移相器３９は、周波数領域におけるいずれかの点において局所的な発振器位相の少なくとも±９０°の連続的な変化を可能にする。従って、いずれかの周波数における経路長変化に起因する画像コントラストを±λ／４だけ変化させることができ、或いは全体の変化が、例えば９４ＧＨｚにおいて画像の口径にわたり約２ｍｍで、波長が減少するにつれてより高い周波数において比例的に変化してもよい。経路長の全体的なプログラム可能な変化は、全体的な周波数偏位に伴う波長の相対的偏移によりもたらされる。
【００４８】
図７を参照することにより、移相器の動作を理解することができる。この図は簡略化したベクトル図であり、図中、ＯＡなどのベクトル長が帰還信号の振幅を表し、ＯＡを半径とする円の外周に位置する点がＯＡに対するベクトルの相対位相を表す。ＯＡが、ゼロ吸収を有するとともに範囲の変化に起因する相対位相の偏移以外に相対位相の偏移のない経路に沿って反射されるゼロ次放射を表す場合、点Ｐ１に位置するベクトルは、ＯＡに対して角φだけ位相が偏移し、ＯＡとＯＰ1との間の差分だけ振幅が偏移する。この差分が、直交検出器からの２つのチャネルにおける出力に反映される。信号成分の相対振幅を測定可能なコントラストに変換するために、ホモダイン混合器における送出位相と基準位相との間に位相シフトが導入される。この位相差が正確に９０°である場合、ゼロ位相において平均ベクトルＯＣを背景の大きさとして利用することにより、基準ベクトルが送出ベクトルに先行するか、或いは遅延するかに応じて原点をＯ1又はＯ2へと偏移させる。ここでＯＣとＯ1Ｃ又はＯ2Ｃとのベクトル和が、経路長の差分に比例する振幅の差分に変換され、画像の各部を明るく又は暗くする。画像と背景との間の効果的なコントラストは、２つのベクトルＯ1Ｃ又はＯ2Ｃの場合で明らかに逆になる。しかしながら、画像の異なる部分において明るさと暗さとの間の比率が異なる割合で変化する場合、この変化は相対的経路長の差分、従ってこれらの領域間の屈折率の差分に正比例する。本発明の非常に重要な側面は、走査反射手段を使用することにより、単純なＦＭＣＷレーダーに見られるような、受光器における大きな漏れ信号の負担を伴わずに、対象物を照射するゼロ次放射線と、反射されタイミングを再調整された信号との両方が正確に同じ光学収差を受けることを確実できるという点である。漏れ信号は、走査されるスポットサイズの、走査される総面積及びビームスプリッタの内在的指向性に対する割合で減少し、これがダイナミックレンジ全体を大幅に改善する。
【００４９】
このシステムは、線１８ａに沿ったガンダイオード発振器１８の周波数変調を使用して、視野内の材料の誘電率の変化を撮像し、差動的に測定できるようにする十分な分散を実現することもできる。５００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの十分な周波数偏位では、対象物の輝きに対する補償を使用することもでき、著しく湾曲した表面又は急激な誘電率の変化を常に撮像できるようになる。
【００５０】
特定の誘電率の変化又は誘電率の値を識別するようにスキャナをプログラムすることが可能になる。
【００５１】
この実施形態の場合、反射走査手段を省き、画像全体の小さな領域にわたる放射線を選択的に検出する検出器を使用することが可能になる。
【００５２】
説明した撮像装置の欠点は、電子ガス層により非照射領域は反射的にはならないが、それにも関わらず基板において屈折率の変化が存在し、この屈折率の変化が、反射防止層によって部分的にしか補償できない反射を生み出すので、半導体基板の反射フライングスポット照射領域から受光ホーン２４において受光される信号が、基板の非照射領域からの反射という形のノイズを伴うことである。図８から図１０を参照すると、第３の撮像装置は、１つの代わりに２つの反射半導体基板を使用することにより第２の撮像装置とは異なり、これにより、使用する基板を走査する改善された方法、並びに他の利点が実現される。
【００５３】
まず走査方法について説明する。ガンダイオード発振器１８からの放射線によりシーン１７が照射される。図５及び図６の単一の高抵抗率シリコン半導体基板１１が、一対の高抵抗率シリコン半導体基板１１ｂ及び１１ｃに置き換えられるので、対象物１７から帰還するミリメートル放射線の経路が折り重なる。これにはいくつかの利点がある。
【００５４】
第１の利点は、レンズ系３１、３１ａから戻って受光されるシーンの画像全体にわたり反射スポットを走査する単純化した方法にある。半導体基板１１ｂ、１１ｃの各々には、一連の等間隔を開けた溝４０が設けられる。個々の基板の一方の端部には、溝４０の個々の側面上に位置する個々の表面ストリップ４２に一連のＬＥＤ４１が１つずつ設けられ（図９ａ）、その出力が表面ストリップ４２に向けられる。そこから、この出力が、非常に薄いクロム層４３により、基板の底部に形成されたミラーに反射される。この結果、個々のＬＥＤ４１が、このＬＥＤからの光による繰り返し反射によって、関連するストリップ４２の表面をその長さ全体に沿って下側から照射する。しかしながら、個々のＬＥＤは、その隣接するストリップの表面しか照射せず、その他のストリップの表面は照射しない。実際には、ＬＥＤは個々のストリップの個々の端部に配列されるが、図９ａにはストリップの左手端のＬＥＤのみを示している。ストリップ４２が直角に配列されることにさらに留意されたい（図１０）。例えば、ストリップ４２は、図８の基板１１ｂでは垂直に延び、基板１１ｃでは水平に延びてもよい。図１０に示すように、基板１１ｂの近い方の縁から３番目の垂直ストリップが照射され、基板１１ｃの水平ストリップの上から３番目のストリップが照射される。
【００５５】
送出ホーン１９が、基板１１ｂの領域全体を通じてシーン１７を照射し、反射した放射線が、基板１１ｂ及び１１ｃの領域全体に作用することが理解できよう。しかしながら、シーンのうち、ストリップの照射に起因してホーン２４が受光する領域は、基板１１ｂ上の３番目の垂直ストリップの照射により特定される水平範囲と、基板１１ｃ上の３番目のストリップ４２の照射により特定される垂直範囲とを有する領域のみである。１つの水平ストリップ及び１つの垂直ストリップを一度に照射することによりシーンの全領域を走査できることが明らかであろう。従って、例えば、まず最上部の水平ストリップ、並びに垂直ストリップの各々を照射することによりシーンを走査することができる。その後、上から２番目の水平ストリップ、並びに垂直ストリップの各々を照射することができ、以降同様に続く。
【００５６】
従って、ＬＥＤ配列を使用する場合と比較して走査が単純化される。
【００５７】
図６及び図８の撮像装置の１つではなく２つの反射基板の付設は、同様に他の利点ももたらす。
【００５８】
照射領域に起因して受光ホーン２４で受光される信号に加え、受光ホーンは、各基板の表面の空気／半導体界面における屈折率の変化により生じる各基板の領域全体からの反射も受光する。ホーン１９から送出される放射線は平面偏光され、シーンから反射される放射線も同様にほぼ平面偏光されることに留意されたい。このため、受光ホーン２４の前に交差偏光器を配置し、或いはホーン自体に偏光器を組み込むことにより、この望ましくない反射を受光放射線から除去できると考えるかもしれない。残念ながら、基板表面における反射は反射に多少の楕円率を導入し、この結果、このようにして導入された直交成分は、ホーン２４におけるあらゆるこのような交差偏光器を通過することになる。
【００５９】
導入される楕円率の量は、基板上のミリメートル放射線の入射角によって決まる。Ｆ  Ｈ  Ｓｍｉｔｈによる発見によれば、入射角が小さい程、導入される楕円率の量は小さくなることが判明している（Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、第３３巻、１９６４年３月、第２６４号７２５頁〜７２９頁）。図８では、基板１１ｂと基板１１ｃとの間に含まれる角度は４５°であり、放射線の個々の基板への入射角は２２．５°である。従って２つの反射基板を有することの利点の１つは、上記により、入射角が４５°である最初の２つの撮像装置の場合よりも導入される楕円率を小さくすることができる点である。
【００６０】
また、溝４０によって、基板１１ｂ、１１ｃが一対の交差した反射波長板を形成することにより、基板自体が言及した交差偏光作用を生じるようになる。図１０の基板１１ｂに降り注ぐ放射線は垂直偏光される形で反射され、基板１１ｃ上に降り注ぐ放射線放射線は水平偏光される形で反射される（照射されるストリップの交差部から反射される放射線は基板により偏光されない）。ストリップが延びる方向に対して直角方向となる表面のストリップの幅は、ミリメートル放射線の半波長の整数倍、好ましくは１波長の２分の１であり、溝４０の深さは、ミリメートル放射線の４分の１波長の奇数倍、好ましくは深さが４分の１波長である。この深さは、半波長ストリップ幅の倍数とともに、表面から溝の底部に至るまでの基板層を４分の１波長の反射防止層として機能させる。これが、反射において導入される望ましくない楕円成分の強度を低減させる役割を果たす。この４分の１波長の深さにより、ストリップの表面から反射される放射線と溝の底部から反射される放射線とが相殺され、個々の板上でこの層内に残される半導体材料の総体積が、層内の有効屈折率を溝の下の基盤半導体の屈折率の平方根に低減させるのに十分であることにより、この層が整合層として機能するようになる。ストリップの幅は、ミリメートル放射線の波長の半分未満でなければならず、さもなければ装置全体の挿入損失が急激に増加する。
【００６１】
レンズ系３１、３１ａは、視野を平坦化するために負の要素３１ａを含み、基板１１ｂ、１１ｃの非照射領域からの傾斜反射、従って開口部全体にわたる偏光差を低減させる。このような要素を図５及び図６の撮像装置内に設けることもできる。
【００６２】
図５、図６、及び図８の撮像装置は全て、同軸照射が光学ビームスプリッタの公知の誘導能力を利用して照射源と受光経路との間の内在的な分離をもたらすという利点を有する。これは、図５及び図６の単プレート設計に対してだけでなく、図８の二重プレート設計にも当てはまる。−５０ｄＢを超える分離が即座に行われ、この分離は、マイクロストリップ又は導波管におけるより従来的なミリメートル波分波器から得られる分離よりもかなり良好である。反射手段を介した対象物の照射は入射放射線の約５０％を失い、この損失が直交する終端ポートにおいて吸収され、図８の実施形態では２つの能動的走査ストリップの領域の遮蔽に起因してさらなる損失が生じる。この実施形態の場合、２５０ＧＨｚのミリメートル放射線の個々のストリップにおける通常の幅は１．２ｍｍ幅となる。４０×４０の配列を仮定すると、これにより６０ｍｍ×６０ｍｍの総プレートサイズが得られる。従って照射される２つのストリップによる遮断は、合計２５０ＧＨｚの照射領域の約４％、又は撮像器の開口部全体にわたる約０．２ｄＢの追加の挿入損失となる。
【００６３】
必要であれば、本発明の範囲から逸脱せずにこれらの撮像装置に修正を加えることができる。従って、ＲＨ円形偏光を送達しＬＨ円形偏光を受光するために、図５及び図６の実施形態に１／４波長プレートを使用することができる。これにより、基板１１の非照射領域からの反射効果が低減することになる。これらを送達及び受光ホーン１９、２４の前に配置し、或いは実際にこれらのホーンに組み込み、基板の非照射領域からの楕円成分を低減するように位置合わせすることができる。
【００６４】
図８の第３の撮像装置の基板１１ｂ、１１ｃでは導入される楕円率が小さく、交差偏光器をホーン１９、２４の前に配置し、或いは内部に組み込むこともでき、この場合、基板は内部に溝のない平面であってもよい。しかしながら、ＬＥＤの配列３２などの何らかの他の手段により照射光学ビームの走査を行うことが必要となる。基板１１ｂ、１１ｃの非照射領域からの望ましくない反射は、基板の前面のみならず後面からも生じるので（個々の場合に屈折率の変化が存在する）、基板１１ｃを楔形に構成して、非照射領域に起因する後面からの反射を受光ホーン２４の視野から外すようにすることによりこの反射を軽減することができる。
【００６５】
基板１１ｂ、１１ｃは、図５及び図６の撮像装置において使用され、図４で説明したような基板１１と同様の体積組成の高抵抗率半導体からなるものであってもよいが、反射のための条件を発生させる光学的励起電子ガスは表面近くの現象であるため、代わりに基板が、ストリップ４２に封じ込められ、別の層上にエピタキシャル堆積された高抵抗率半導体のみからなる（例えば、２５μｍと５μｍとの間、好ましくは１０μｍ厚の）非常に薄い層を備えることもできる。他方の層は、半導体特性のない透明層であってもよい。基板が、能動層としてエピタキシャル堆積された薄い高抵抗率半導体層と、支持体として別の層とを備える同じ構成を図５及び図６において使用することもできる。
【００６６】
説明した撮像装置は、セキュリティ検査の目的に使用することができる。この一方、像を形成せず、代わりに対象物の吸収特性を調べる検出装置も本発明の範囲内にある。このような装置は、高い周波数（１０11〜１０13Ｈｚ）で動作する傾向にあり、長距離で使用できるようにより狭いビームとなる。このような装置は、図５から図８の撮像器の修正版であってもよいが、走査は、例えば８ピクセル平方などの粗い量子化のものとなる。図７を参照しながら説明した位相検出により、或いは異なる周波数で動作する一対の量子カスケードレーザを照射源として使用することにより、吸収特性を特定することができる。これらのレーザからの放射線はパルス化される。異なる周波数における帰還パワーの比率により、照射対象物の吸収を特定できるようになり、爆発物などの品目を検出できるようになる。基板における走査は、常に１つのピクセルのみが反射を行い、従って反射手段を介して透過に対して遮断されることになるので、撮像のためではなく、反射手段を介して対象物を照射できるようにするために使用される。これにより、第１の撮像器において示したのと同じ解像原理を使用できるようになり、従ってこの装置においてレイリーの分解能に対する同じ改善が与えられる。従って、レーザビームの送出及び帰還の両方に１組の光学素子を使用することによりコスト削減を実現することができる。
【００６７】
説明した撮像器とともに、このような狭ビームによる化学的特徴の検出を使用することができる。
【００６８】
低いマイクロ波周波数では、説明した撮像器を、航空機が運ぶ誘導システムにおいて使用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１１ｂ、１１ｃ  高抵抗率シリコン半導体基板
１７  対象物
１８  ガンダイオード発振器
１９  送出ホーン
２４  受光ホーン
２６ａ、２６ｂ  エイリアシング防止低域通過フィルタ
２７ａ、２７ｂ  増幅器
３１、３１ａ  複合広角レンズ系
３５  混合器
３６  信号プロセッサ及び走査制御体
３７  デジタルインターフェイス
３８  ディスプレイ
３９  移相器
【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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2010523961.tif 000016
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