(57)【要約】放射検出装置２００は、放射検出器２１０およびレンズ装置２１８を備える。レンズ装置２１８は、偏波素子２２０および光学補正器２２２を備える。光学補正器２２２は、好ましくは、偏波素子２２０と放射検出器２１０の間に配置され、レンズ装置中に存在する光学収差を補正するように設計された少なくとも１つの面を有する。光学補正器は、偏波素子の機械的支持体となるように構成されることができる。光学補正器２２２は、装置２００の回折限界偏波受容角を増大させるように構成される。
2006527379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射検出器とレンズ装置とを備える放射検出装置であって、レンズ装置が、偏波素子および光学補正器を備え、偏波素子が、第１の偏波の放射を選択的に透過させ、第２の偏波の放射を選択的に反射するように構成され、光学補正器が、第１および第２の面を有し、第１および第２の面のうち少なくとも一方が、レンズ装置中に存在する収差を補正するように形成される、放射検出装置。
【請求項２】
光学補正器が、その表面上で偏波素子を支持するように構成される請求項１に記載の放射検出装置。
【請求項３】
光学補正器が、物理的に偏波素子と放射検出器の間に配置される請求項１または２に記載の放射検出装置。
【請求項４】
光学補正器の最も後ろの面が非球面または球面である請求項３に記載の放射検出装置。
【請求項５】
光学補正器が、約３０ｇ／ｌの密度を有する材料で製作される請求項１から４のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項６】
光学補正器が、１．００１〜２の屈折率を有する材料で製作される請求項１から５のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項７】
光学補正器と放射検出器の間に配置されたさらなる光学補正器が設けられる請求項１から６のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項８】
さらなる光学補正器が、楕円形の断面で、非球面、平面、または球面形状のプロファイルの前面を備える請求項７に記載の放射検出装置。
【請求項９】
さらなる光学補正器が、前面のプロファイルとは異なるプロファイルの後面を備える請求項７または８に記載の放射検出装置。
【請求項１０】
さらなる光学補正器が、プラスチック材料で製作される請求項７から９のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項１１】
さらなる光学補正器が、プラスチックフォーム材料で製作される請求項７から１０のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項１２】
放射検出器が、画像化放射検出器である請求項１から１１のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項１３】
偏波素子が、第２の偏波を有する放射を集束するように構成される請求項１から１２のいずれかに記載の放射検出装置。
【請求項１４】
放射検出装置が、ミリ波放射を検出するように構成される請求項１から１３のいずれかに記載の放射検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射検出装置に関する。より詳細には、限定的ではないが、本発明はミリ波放射、マイクロ波放射、および／またはテラヘルツ周波数の放射用の放射検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ワイヤの偏波グリッドミラーをミリ波画像化システムの集束素子として用いることが知られている。たとえば、本発明者らの同時係属中のＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＧＢ０２／００７４５を参照されたい。ここで図１を参照すると、従来技術のミリ波長画像化システム１００は、ある特定の偏波の放射１０４を透過させその他の偏波の放射を反射する、湾曲した偏波グリッド１０２を備える。放射１０４ａのわずか一部分、通常は１０％未満しか、受信アレイ１０８の給電（ｆｅｅｄ）ホーン開口１０６に入射しない。しかし、放射のこのわずかな部分は集束されておらず、また受信するには不適切な偏波であるため浪費される。それ以外の放射１０４ｂは、通常四分の一波長板またはフェライトである偏波回転装置１０７を通過し、非球面回転ミラー１１０から反射される。グリッド１０２は、９０°回転された偏波放射１０４ｃを給電ホーン開口１０６の位置にある焦点へと反射させる。
【０００３】
しかし、こうしたシステムは、長距離を見るには十分であるが、たとえば人用のトレーラの画面表示などいくつかの応用例において回折限界像を提供するための十分に短い距離では、１つの動作で十分に広い視野を提供しない。
【０００４】
画像化システムのサイズは一般に、使用される自由空間放射波長によって決まる。この波長は通常約１ｍｍから１０ｍｍであり、そこにおける大気吸収窓の存在、必要とされる解像度、必要とされるスポットサイズ、および動作範囲により、特に３ｍｍから１０ｍｍが適する。
【０００５】
アレイ素子は、いかなるミリ波画像化システムにおいても必須の高価な部品であり、アレイ素子のサイズまたは数を増大させると、こうした画像化システムのコストが著しく増大する。必要となるアレイ素子の数は、システムの視野に比例し、スポットサイズに反比例する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、放射検出器とレンズ装置とを備える放射検出装置が提供される。レンズ装置は偏波素子および光学補正器を備え、偏波素子は、第１の偏波の放射を選択的に透過させ、第２の偏波の放射を選択的に反射し、光学補正器は、第１および第２の面を有し、第１および第２の面の少なくとも一方がレンズ装置中に存在する収差を補正するように形成される。
【０００７】
光学補正器は、装置の回折限界入射受容角を増大させるように構成されることができる。収差を修正し、システムの入射受容角を増大させるように補正器の形状を設計する方法は、当分野の技術者には知られており、ここで詳細には説明されない。
【０００８】
本装置は、従来技術に勝る利点を有する。光学補正器の表面が適切な形状であるため、装置の受容角が増大されるので、より短い距離範囲（すなわち装置から対象物の距離）での視野がより広くなる。本装置は１０ｍを超える距離範囲でも利点を有することが理解されるが、本装置を短い距離範囲、通常１ｍから約１０ｍで使用することにより、より高い解像度が実現され、またはより小さい光学素子が使用されることが可能になる。これにより、大きい対象物、たとえばトレーラまたは人間を、高解像度の単一パスで画面表示することができ、それによって装置のスループットが増大される。
【０００９】
光学補正器は、好ましくは、通常補正器の前面上にある偏波素子のための機械的支持体となるように構成されることができるが、偏波素子を支持するために背面が代わりに使用されることもできる。このようにして、その支持表面は、偏波素子の必要とされる形状と共形になる。偏波素子は、複数本のほぼ平行な金属ワイヤを含み得るワイヤグリッドとすることができる。偏波素子は、第１の偏波の放射を選択的に透過させ、第２の偏波の放射を選択的に反射させるように構成されることができる。偏波素子によって反射された放射は、偏波素子によって集束されることができる。偏波素子による集束を実施するために、偏波素子の形状に球面または非球面の曲率が適用されることができる。
【００１０】
光学補正器の非平面状の非支持面は、非球面または球面状とすることができる。本明細書では、「非球面」という語は、光学特性を変化させるための球面からのずれを意味すると考えられるべきである。レンズ装置中、特に集束偏波装置の湾曲した表面に存在する収差を補正するために光学補正器の非支持面を使用すると、より高い曲率を使用することができ、したがって、光学システムの視野をより広くすることが容易になる。
【００１１】
偏波素子が光学補正器によって支持されることにより、装置が小型化され、偏波素子が反射された放射を集束するのに望ましい光学プロファイルに維持される。
【００１２】
光学補正器は、たとえばポリエチレンなどのプラスチック材料製である。この材料はプラスチックフォーム材料、通常は発泡ポリスチレンでよい。好ましくは、光学補正器は約３０ｇ／ｌの密度を有する材料で製作される。光学補正器は、１．００１〜２の屈折率を有する材料で製作され得るが、この屈折率は１０またはそれ以上に高くすることもできる。好ましくは、この材料は約１．０１７８の反射率を有する。
【００１３】
光学補正器の形成にプラスチックフォーム材料を使用すると、軽量の光学補正器が製作され得る。
【００１４】
光学補正器と放射検出器の間に配置された、さらなる光学補正器が形成され得る。さらなる光学補正器は、断面が楕円形または矩形の前面（すなわち正面図）、および、非球形、平面、または球面状のプロファイルを有することができる。入射ビームの収差を最低限に抑えるために、楕円形断面を有することが好ましい。さらなる光学補正器は、前面のプロファイルとは異なるプロファイルの後面を有することができる。
【００１５】
さらなる光学補正器は、放射検出器の回折限界受容角をさらに増大させるように構成されることができる。
【００１６】
さらなる光学補正器は、たとえばポリエチレンなどのプラスチック材料で製作され得る。この材料は、通常発泡ポリスチレンであるプラスチックフォーム材料、または中実のプラスチック材料でよい。この材料は１．００１〜２の屈折率を有することができ、好ましい実施形態では、材料は１．４〜２の屈折率を有する。あるいは、材料は２以上の屈折率を有することができる。
【００１７】
放射線検出器は、画像化放射検出器でよく、１列の検出素子を備えることができる。この装置は、ミラーを備えることができ、ミラーは、平面、球面、または非球面状とすることができる。放射検出器は、光学補正器とミラーの間に配置されることができる。ミラーは、回転するように構成されることができ、偏波素子および光学補正器を通過した放射を反射するように構成されることができる。偏波素子は、偏波素子を以前に通過したときの偏波と直交する偏波の放射を、検出器に集束するように構成されることができる。
【００１８】
本放射検出装置は、ミリ波放射を検出するように構成されることができる。
【００１９】
次に本発明は、単なる例示として添付の図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
ここで図２を参照すると、リアルタイムパッシブスキャン式ミリ波画像放射計２００は、走査装置２０２、集束レンズ装置２０４、および、検出器２１０に通常は導波管で連結されたアンテナ給電アレイ２０６を備えている。
【００２１】
走査装置２０２は、平面状のまたはわずかに湾曲した反射板（ミラー）２１２を備え、反射板２１２は、軸２１４の周りで回転可能に取り付けられ、軸２１４に対する垂直線に対して約３．７５°の角度θで傾斜している。集束レンズ装置２０４は、集束反射鏡（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｄｉｓｈ）２１８および光学補正器２２２を備える。光学補正器２２２は、集束反射鏡２１８のための機械的支持体として働く。反射鏡２１８は、光学補正器／支持体２２２の前面２２２ａ上に取り付けられた偏波選択反射素子２２０（たとえばワイヤグリッド）を備える。通常ミアンダーライン構造（ｍｅａｎｄｅｒｌｉｎｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である四分の一波長板２１６が、集束レンズ装置２０４と給電アレイ２０６の後方の検出器２１０との間の光路内にあるが、物理的に、補正器２２２と給電アレイ２０６の間には配置されない。
【００２２】
補正器／支持体２２２は、非平面、非球面状の前面および後面２２２ａ、ｂを有し、光学補正器として働く。支持体２２２は通常、たとえば発泡ポリスチレンのようなプラスチックフォーム材料などのプラスチック材料製であり、通常は検出される放射に対して透過性がある。補正器／支持体２２２を形成するために、約３０ｇ／ｌの密度を有する高密度プラスチックフォーム材料が使用され得る。あるいは、補正器／支持体２２２を形成するためにポリエチレンが使用され得る。補正器／支持体２２２に使用される材料の典型的な屈折率は、１．００１〜１．５２の範囲内であり、たとえば、３０ｇ／ｌのポリスチレンフォームの屈折率は１．０１７８である。補正器／支持体２２２の前面は、偏波反射装置２２０によって必要とされる曲率に一致する曲率を有するように形成される。したがって偏波反射装置は、補正器／支持体２２２の前面上に直接配置されることができる。後面２２２ｂは、偏波反射装置の形状による制約を受けず、したがって必要に応じて、レンズ装置２０４中の収差を補正するように形成されることができる。
【００２３】
補正器／支持体２２２は、広い視野から受け取られる放射のためのさらなる収差補正を行う。
【００２４】
入射放射２２５ａは偏波反射素子２２０によって直線偏波される。この偏波反射素子は通常、垂直線に対して９０°または０°傾斜したワイヤを備えており、したがって、電界ベクトルによって定義され垂直線に対して０°または９０°（グリッド内のワイヤの線から９０°）の平面偏波を有する放射の成分が、支持体２２２を透過するようになる。２２５ｂで示されるこの直線偏波された放射は、ミアンダーラインプレート２１６に衝突する。プレート２１６は、反射素子２２０上のワイヤの方向に対して（したがって放射２２５ｂの偏波に対して）４５°傾斜したミアンダーラインの、速い軸および遅い軸を有する。ミアンダーラインプレート２１６を出た放射２２５ｃは円偏波され、反射板２１２から反射されて放射２２５ｄとなる。この放射２２５ｄは、放射２２５ｃと逆方向に円偏波される。放射２２５ｄは、ミアンダーラインプレート２１６に衝突すると、変換されて、直線偏波された放射、すなわち、放射２２５ｂに対して９０°回転された偏波面を有する放射２２５ｅに戻される。放射２２５ｅは、集束反射鏡２１８の反射素子２２０に衝突すると反射され、給電アレイ２０６上に集束される。
【００２５】
反射板２１２がθだけ傾斜すると、アンテナの走査角度が４θとなる。
【００２６】
アンテナ給電アレイ２０６は通常、ホーンの列、またはその他のタイプの給電素子を有する。各ホーンは、通常は導波管によって検出チャネルに接続される。単一の検出素子が、プレート２１２が回転するにつれて、円形走査パターンを観察する。
【００２７】
各ホーンの出力は増幅器に供給され、増幅器は検出器に出力する。検出器による出力のデジタル化後、デジタル化された信号がマイクロプロセッサへと送られ、マイクロプロセッサはこれらの信号を処理して、ディスプレイに表示される画像を形成する。
【００２８】
この光学構成は、いわゆる円錐走査システムである。これは、このシステムの指定された開口および視野の場合、特に小さい。
【００２９】
図３を参照すると、本発明による放射検出装置の第２の実施形態は、上記で図２を参照して説明された第１の実施形態とほぼ同様である。したがって、同様の部品には３００番台の同様の参照番号を付す。
【００３０】
さらなる光学補正器３５０が、補正器／支持体３２２とアンテナ給電アレイ３０６の間に配置されている。さらなる光学補正器３５０は通常、その幅が給電アレイ３０６の１５０％であるが、このサイズは、さらなる光学補正器３５０のその他の光学構成要素に対する相対位置、およびシステムの視野によって決まり、また、好ましくは、集束された放射が全てさらなる光学補正器３５０を通過するように定められることが理解されよう。好ましい実施形態では、さらなる光学補正器３５０は、そのサイズが最小化され、それによって入射放射のオブスキュレーションが最低限に抑えられるように、検出器２１０に非常に接近しており（通常約３０ｍｍ以内）、あるいはそれと接触させることもできる。さらなる光学補正器３５０は、断面が楕円形または長方形であり、非球面プロファイルの前面３５０ａ、および非球面または平面状のプロファイルの後面３５０ｂを有するが、どちらの面も、所与の光学設計にとって望まれるように、非球面、球面、または平面とすることができる。通常、各面のプロファイルはそれぞれ異なる。
【００３１】
光学補正器３５０は、さらに別の収差修正を行い、それによって図２を参照して説明された実施形態よりも、さらに視野を拡大することを可能にする。
【００３２】
光学補正器３５０は通常、たとえば発泡ポリスチレンのようなプラスチックフォーム材料などのプラスチック材料製であり、通常は検出される放射に対して透過性がある。光学補正器３５０を形成するために、密度約３０ｇ／ｌの高密度プラスチックフォーム材料が使用されることができる。あるいは、光学補正器３５０を形成するためにポリエチレンが使用され得る。光学補正器３５０に使用される材料の典型的な屈折率は１．４〜２の範囲内にあるが、２より大きくてもよい。
【００３３】
ここで図４ａ〜図４ｅを参照すると、点広がり関数（ｐｏｉｎｔ  ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、画像化装置の視野内での固定された点光源に対するシステムの応答の測度である。理想的な装置では、点広がり関数は、正規化された強度が１のδ関数である。しかし画像化装置には回折限界があるので明らかにこれは現実の装置では不可能であり、点広がり関数は、理想的に給電される装置の場合に、ほぼｓｉｎｃ２θの従属性を示す。しかし、給電が先細の応答パターンおよびその装置の応答は、上記従属性とガウス分布の間のどこかになる。
【００３４】
光学装置は、強度が正規化された点広がり関数（いわゆるシュトレール強度比）のピーク値が０．８を超えると、画像化装置が良好な光学的特性を有することを示しているとみなされ、１．０だと収差がないシステムとなる。このようなシステムは、「回折限界がある」とも言われる。
【００３５】
図４のグラフは、本発明による放射検出装置の光学システムのシミュレーションから得られた結果である点広がり関数を示す。
【００３６】
図４ａは、光学軸上の点広がり関数４０２ａ、ｂを示しており、０．９を超える正規化された強度、および狭いピーク幅を示すが、どちらもこの画像化装置が高品質であることを示している。
【００３７】
図４ｂは、画像化装置の全視野の２５％に相当する、光学軸から４８１ｍｍ離れたところでの点広がり関数４０４ａ、ｂを示しており、０．９を超える正規化された強度、および狭いピーク幅を示すが、どちらもこの画像化装置が高品質であることを示している。
【００３８】
図４ｃは、画像化装置の全視野の５０％に相当する、光学軸から９６１ｍｍ離れたところでの点広がり関数４０６ａ、ｂを示しており、０．９を超える正規化された強度、および狭いピーク幅を示すが、どちらもこの画像化装置が高品質であることを示している。
【００３９】
図４ｄは、画像化装置の全視野の７５％に相当する、光学軸から１４４０ｍｍ離れたところでの点広がり関数４０８ａ、ｂを示しており、０．９を超える正規化された強度、および狭いピーク幅を示すが、どちらもこの画像化装置が高品質であることを示している。
【００４０】
図４ｅは、画像化装置の全視野に相当する、光学軸から１９２０ｍｍ離れたところでの点広がり関数４１０ａ、ｂを示しており、０．８を超える正規化された強度、および狭いピーク幅を示すが、どちらもこの画像化装置が高品質であることを示している。
【００４１】
したがって、本発明による画像化装置を使用すると、図１で詳細が説明され、ミリ波画像化装置に特に適するものとして示された従来技術の装置など、現在の画像化装置によって実現可能な視野を最高で５０％上回る視野で、質の高い画像を実現することができる。
【００４２】
本発明は、ミリ波走査画像化装置を参照しながら説明されてきたが、放射検出装置の分野でより広い用途を有し、いかなる特定の波長または検出構成にも限定されないことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来技術のミリ波放射画像化装置を示す図である。
【図２】本発明による放射検出装置の第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明による放射検出装置の第２の実施形態を示す図である。
【図４ａ】距離範囲が６．３１ｍのときの全視野が１９２０ｍｍ×３８４０ｍｍ（縦横比２：１）であり、放射波長が９ｍｍである、本発明による放射検出装置のシミュレートされた点広がり関数の２次元プロット、ならびにそれらの対応する３次元プロットである。
【図４ｂ】距離範囲が６．３１ｍのときの全視野が１９２０ｍｍ×３８４０ｍｍ（縦横比２：１）であり、放射波長が９ｍｍである、本発明による放射検出装置のシミュレートされた点広がり関数の２次元プロット、ならびにそれらの対応する３次元プロットである。
【図４ｃ】距離範囲が６．３１ｍのときの全視野が１９２０ｍｍ×３８４０ｍｍ（縦横比２：１）であり、放射波長が９ｍｍである、本発明による放射検出装置のシミュレートされた点広がり関数の２次元プロット、ならびにそれらの対応する３次元プロットである。
【図４ｄ】距離範囲が６．３１ｍのときの全視野が１９２０ｍｍ×３８４０ｍｍ（縦横比２：１）であり、放射波長が９ｍｍである、本発明による放射検出装置のシミュレートされた点広がり関数の２次元プロット、ならびにそれらの対応する３次元プロットである。
【図４ｅ】距離範囲が６．３１ｍのときの全視野が１９２０ｍｍ×３８４０ｍｍ（縦横比２：１）であり、放射波長が９ｍｍである、本発明による放射検出装置のシミュレートされた点広がり関数の２次元プロット、ならびにそれらの対応する３次元プロットである。
【図１】
2006527379.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
2006527379.tif 000009
【図４ｅ】
2006527379.tif 000010
【国際調査報告】
2006527379.tif 000011
2006527379.tif 000012
2006527379.tif 000013
2006527379.tif 000014
2006527379.tif 000015