(57)【要約】本発明は材料の選択された特性の分布を測定する装置に関し、この装置は電磁放射のエミッターとさらに少なくとも１つの第１のセンサーとからなる。エミッターは、選択された周波数レンジの電磁放射を材料に向けて発し、材料から来る選択された周波数レンジの電磁放射を検知する。検知された電磁放射はエミッターから発せられたものである。この装置は、また空間における材料の位置に関する３次元的画像外形情報を発する手段と（ａ）このセンサーから情報を受ける、（ｂ）この情報を処理する及び（ｃ）前記特性の分布についての情報を含む信号を発する分析器を含む。本発明はまた材料の選択された特性の分布を測定するシステム及び方法に関する。
2004520568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンベア手段（１７）の一側部に配され前記コンベア上に載置された材料（１６）に向かって特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射（１８）を発するエミッター（１２）と、このエミッターに対して前記コンベアの反対側に位置し、エミッターから発せられ前記材料を通過した前記特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射（１９）を検知する少なくとも１つのセンサー（１３）と、各選択された周波数の振幅及び／又はフェーズとからなる前記電磁放射（１８、１９）に関する情報を受けるために配された分析器（１４）とからなる前記物質の選択された特性の分布を測定するための装置（１０；６０）において、さらに前記材料の３次元的外形を得るために前記分析器に情報を送るために配された画像装置（１５；６１−６３）を含み、前記分析器は受信した情報に基づいて前記材料中の選択された特性分布を計算するために配されていることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記画像装置が前記材料の３次元的外形に関する情報を記憶したメモリー（１５）であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記画像装置は画像処理装置（６３）に接続された少なくとも１つの画像センサー（６１、６２）からなり、前記少なくとも１つの画像センサーは前記材料の像を検知し、この像は前記画像処理装置で前記材料の３次元的外形に処理されることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの画像センサーは、光学波長で反射性の画像を検知することを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの画像センサーが、ビデオカメラであることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
前記画像センサーが音波の反射性、透過性及び伝播速度の像を検知することを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの画像センサーが、超音波像装置であることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項８】
前記分析器に前記材料の選択された特性を得るためにメモリーに記憶された予め測定された結果を内挿するための手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の測定装置。
【請求項９】
前記分析器に前記材料の誘電分布を計算しこの誘電分布を前記材料の選択された特性分布に変換する手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の測定装置。
【請求項１０】
前記誘電分布を計算する手段が誘電率が変わらないと仮定される前記材料内の領域を決める３次元的モデル（２０、３０）と、前記モデルを材料の３次元的外形に当てはめる手段とからなり、これにより誘電分布が得られることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
【請求項１１】
前記誘電分布を選択された特性分布に変換する手段が設けられていることを特徴とする請求項９又は１０記載の測定装置。
【請求項１２】
（ａ）コンベア（１７）の一側部に配されたエミッター（１２）から前記コンベア上の材料（１６）に向かって選択された周波数レンジの電磁放射（１８）を発する工程と、
（ｂ）前記このエミッターに対して前記コンベアの反対側に位置するセンサー（１３）でエミッターから発せられ前記材料を通過した前記特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射（１９）を検知する工程と、
（ｃ）前記電磁放射（１８、１９）に関する各選択された周波数で振幅及び／又はフェーズからなる情報情報を分析器（１４）に送信する工程と、からなる前記材料の選択された特性を測定する方法において、さらに前記材料の３次元的外形を得るための情報を前記分析器に送信する工程と、前記分析器中の前記情報を分析することによって前記材料中の選択された特性分布を計算する工程を含む測定方法。
【請求項１３】
選択された特性分布を計算する工程がメモリーに記憶された予め測定された結果を内挿する工程からなることを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
【請求項１４】
前記選択された特性分布を計算する工程が電磁放射（１８、１９）に関する情報を使用して前記材料の誘電分布を計算する工程と、誘電分布を前記材料中の選択された特性分布に変換する工程とからなることを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
【請求項１５】
誘電分布を計算する前記工程が誘電関数が変わらないと仮定される前記材料内の領域を決める３次元的モデル（２０、３０）を供する工程と、画像装置（１５；６１−６３）によって得られた３次元的外形に前記モデルを当てはめる工程とからなることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項１６】
材料の温度、密度及び／又は水分含有量を計算するために使用される前記材料の前記誘電及び磁力特性の情報を得るために請求項１２乃至１５いずれかに記載の方法に基づいて測定データを評価する請求項１乃至１１いずれかに記載の装置からなるシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、物質中の選択された特性の分布を測定するための装置に関し、特に電磁放射を検出することによって物質の密度、水分量及び温度などの特性の空間的分布を物質と接触することなく且つ物質を破壊することなく測定する装置に関する。本発明はまたそのような測定の方法及びシステムに関する。
【０００２】
多くの産業上の工程は、温度、水分量及び密度などの物質特性の測定に依存している。これらの物性を厳密に監視することによって作業効率を向上させ且つ製品の品質を改良することができる。もしこのような測定が、物質を破壊せず且つ物質と接触せずに許容できる正確性をもって迅速に行えれば、さらなる利益が得られる。
【０００３】
その一例として食料品の加熱工程中の温度分布の測定が挙げられる。ここでは温度分布をオンラインで監視することによってバクテリアが完全に除去されていない冷えた部分が発生するのを防ぎ又は完全にバクテリアを除去するのに必要な最小限の時間で加熱するのに役立つ。その結果、加熱時間及びエネルギー消費を減少させ且つ生産ラインの処理量を増加することができる。
【０００４】
物質の特性は、従来物質を破壊（サンプルセパレーション、ピーキング）して測定されているが、物質の誘電性反応を評価することによって送られた電磁放射を分析することによって測定することもできる。電磁放射を使用する測定は、通常、物質と接触せず且つ物質を破壊することなく行える。
【０００５】
温度分布、水分含有量及び密度などの物質特性を測定するのに好適な電磁放射の周波数領域は、水分の吸収が大きすぎず且つ波長が適正な空間的分解（ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を確実に行えるのに充分短い低マイクロ波である。上記物質特性の測定は、物質の分極性（ｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙ）に基づいて物質の誘電性反応を分析することによって行われる。物質サンプルの誘電性データは、通常、電磁波の反射及び伝動（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）特性又はこれらの組み合わせの分析によって得られる。物質特性の分布を得るためには、物質の誘電性反応の３次元像を測定しなければならない。これを行うにはマイクロ波検知装置と物質サンプルを互いに移動させなければならない。
【０００６】
単独の測定周波数又は照射周波数のいずれかを利用する従来の機器は、周波数インターバル（ＦＭＣＷ）内で掃引され、平均遅延時間が得られたデータから算出される。
【０００７】
多数のアンテナ位置間の単独の周波数（又は小さい帯域）の電磁照射の送波又は物質サンプルを利用した誘電画像形成（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）は、従来、空間分解を得るために移行（ｓｈｉｆｔ）及び回転され又は２次元に移行される。これらのデータに基づいて誘電画像形成は、例えばよく知られている分極性源の位置及び強度が、繰り返し工程で得られるＣＳＩ（ｃｏｎｔｒａｓｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ）法によって得られる。
【０００８】
当業者によく知られている技術、即ち以下に述べるＣＳＩを利用する場合、電磁像が、誘電像の未知の誘電機能を算出するのに使用される。
【０００９】
まず始めにマクスウェル方程式（１９６１年、Ｍｃ． Ｇｒａｗ Ｈｉｌｌ社より刊行された「Ｔｉｍｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ」と題された本でＲ． Ｒ． Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎが説明している）では、誘電率が単位系（ｕｎｉｔｙ）と異なるすべての領域において、電磁場は、分極による拘束電荷を生じさせると仮定している。これらの拘束電荷は、電場自体によって発生させられ、電場と共に振動し、別の電流成分を生じさせ、これは
【数１】
2004520568.tif 000003
で表され、この式中、電流密度はｊであり、電場はｕであり、物質の誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）がεであり、バックグラウンドの誘電率はεｂで表される。ｐ及びｑが測定ギャップの２次元断面において２つの位置ベクトルであると仮定する。Ｄは物質サンプルの断面を含む領域（ｄｏｍａｉｎ）である。ベクトルｑは電磁放射の発生源を表す。測定空間の電場間の接続（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）の一般的な関係は、その電流にグリーン関数の定義を当てはめることによって正式に得られる：
【数２】
2004520568.tif 000004
上記電流密度関数（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｅｌａｔｉｏｎ）を導入し、得られた積分値を２分する：
【数３】
2004520568.tif 000005
ここで、第１の項はバックグラウンドの誘電応答のみが存在する場合の電場を表し、第２の項は分極、即ち誘電率によって発生する場を表す。バックグラウンドのみが存在する時の場は、入射場（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｆｉｅｌｄｓ）ｕｉｎｃと呼ばれている。放射源から入射する観測ポイントでの場は、１９９９年４月に刊行された「ＩＥＥＥ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍａｇａｚｉｎｅ」に掲載されたＰ． Ｍ． Ｖａｎ ｄｅｎ Ｂｅｒｇ、Ｂ． Ｊ． Ｋｏｏｊ、Ｒ． Ｅ． Ｋｌｅｉｎｍａｎ等による「Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｉｓｉｃｈ−Ｄａｔａ ＩＩＩ」と題された論文の２７頁から３２頁によると次のように表される
【数４】
2004520568.tif 000006
ここでＧは次のように表される電磁的問題の２次元グリーン関数を表し、
【数５】
2004520568.tif 000007
そして分極関数χは次のように物質ε及びバックグラウンドεｂの誘電関数に依存する
【数６】
2004520568.tif 000008
散乱場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄｓ）ｆを定義すると直接、次の式が得られる
【数７】
2004520568.tif 000009
これからすべてのポイントｒでの散乱場の積分方程式が決まる。
【数８】
2004520568.tif 000010
この関係は、ｒがアンテナの位置に等しく且つＦｉ（ｒ）が、周波数ｆ：
ｋ＝（２π／ｃ）・ｆの与えられた波動ベクトルの散乱場の測定値である場合、正確に満たされる。領域Ｄの内部のポイントのＦｉ（ｒ）の値は、ほぼ満たされる。従って上記の関係は、場Ｆｉ（ｒ）と極性χ（ｒ）の［Ｋ・Ｑ］ｘ［Ｋ・Ｑ］で表される非線形マトリックスの問題になるｋベクトルの集合Ｋと内部ポイントの集合Ｑのために解決されなければならない。
【００１０】
マトリックス形状において状態方程式（ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ）はｕ ＝ ｕｉｎｃ ＋ Ｇχｕとなり、一方周波数関数は、Ｆ ＝ Ｇχｕとなる。
コントラスト源ψ＝ χ・ｕを導入すると上記関数は、Ｋの測定周波数いずれかのすべての内部ポイントＱにおいて、ψ＝ χｕｉｎｃ ＋ χＧψとなり、Ｋの測定周波数のいずれかの単独のアンテナ位置において、Ｆ ＝ Ｇψとなる。
【００１１】
共役勾配の方法を用いることによって上記問題を解決するコントラストとコントラスト源のシーケンスが得られる。
【００１２】
本発明の装置はマイクロ波放射を用いて得られる送信測定値に含まれる誘電及び磁力情報に基づいて物質中の温度、水分量及び密度の空間分布を測定するために設計されている。
【００１３】
本発明は測定されたデータからのこのような情報を解析する次の２つの方法を提供する。
（ａ）  温度、密度及び水分プロフィールをこれらプロフィールが予め知られている以前測定された物質サンプル間で内挿することによって得る。測定結果は内挿によって得られたデータベースに最も合致するものを採用する。
（ｂ）  上記プロフィールは、誘電及び磁力特性のすでに知られている分布となる反散乱問題（ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ）を直接計算することによって得られる。所望のパラメータの関数として誘電及び磁力特性の依存性モデルに基づいて、これら特性のマップを直接得る。
【００１４】
ここで提案する装置は、１つの機械的走査次元（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）のみを使用するものであってもよい。多重アンテナ及び多数の周波数を使用することによって誘電画像の２次元断面が得られる。この計算工程は、分極源の位置及び強度が複数の周波数で送信された電磁場に基づいて反復工程において得られるコントラスト源イタレーションに関連した新規な方法を必要とする。これによりアンテナパターンは、周波数依存性でなければならず、基本的に２次元アプローチとなるサンプルの断面に向けられると推定される。
【００１５】
誘電パラメータの計算を促進するために誘電特性が１次定数にある領域は、少なくとも２つの異なる観点から得られたビデオ画像を重なる画像領域で評価することによって得られる。これらのビデオ画像から材料サンプルの誘電構造の理にかなった推定を行うことができる。また別法として、超音波像を同じ目的で使用することができあるいは材料サンプルの３次元画像をメモリーに蓄えてもよい。
【００１６】
本発明の目的は、従って物に触れず且つ破壊することなくその特性の空間的分布を測定する装置を提供することである。
【００１７】
本発明ではこの目的は、コンベア手段の一側部に配され、コンベア上に載置された材料に向かって特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を発するエミッターと、このエミッターに対してコンベアの反対側に位置し、エミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する少なくとも１つのセンサーと、各選択された周波数の振幅及び／又はフェーズとからなる電磁放射に関する情報を受けるために配された分析器とからなる物質の選択された特性の分布を測定するための装置において、さらに材料の３次元的外形を得るために分析器に情報を送るために配された画像装置を含み、この分析器は受信した情報に基づいて材料中の選択された特性分布を計算するために配されていることを特徴とする測定装置によって達成される。
【００１８】
この目的は、（ａ）コンベアの一側部に配されたエミッターからコンベア上の材料に向かって選択された周波数レンジの電磁放射を発する工程と、
（ｂ）このエミッターに対してコンベアの反対側に位置するセンサーでエミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する工程と、
（ｃ）これら電磁放射に関する各選択された周波数で振幅及び／又はフェーズからなる情報情報を分析器送信する工程と、からなる材料の選択された特性を測定する方法において、さらに材料の３次元的外形を得るための情報を分析器に送信する工程と、分析器中の情報を分析することによって材料中の選択された特性分布を計算する工程を含む測定方法及び材料の温度、密度及び／又は水分含有量を計算するために使用される材料の誘電及び磁力特性の情報を得るために上記方法に基づいて測定データを評価する上記装置からなるシステムによって達成される。
【００１９】
本発明の利点は、マイクロ波反射及び伝達測定の組み合わせと材料の３次元的外形によって空間的に分析された材料の特性分布の測定をオンラインで迅速に行うことができる。
【００２０】
従来、材料サンプルの温度と密度は、材料サンプルの特定の部分をプローブすることによって測定される。この方法により、製品管理の程度を向上させる製造においてすべての材料サンプルを完全にオンラインで監視することができる。
【００２１】
測定の正確性は、一定の間隔を置いて測定される既に知られている成分及び温度分布を有する較正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）サンプルによって確認される。これによりサンプルがその異なるいくつかの部位で測定された後、サンプル内の温度をプローブにより測定し、その測定温度を機械によって測定された値と比較すればよい。追加の確認工程として、同じ工程をサンプルが例えば冷えた場合に繰り返すことができる。
【００２２】
本発明の利点をまとめると、必要最低限の人的干渉で誘電体の水分量及び温度分布を誘電体を破壊せず、誘電体に進入せずそして誘電体と接触せずに迅速且つ自動的に測定することができるということである。この測定方法は、製品の大きさ、形状及び位置の変化に対して影響を受けない。
【００２３】
本発明のその他の特徴を本発明の原理を例示する以下に説明する好ましい態様を参照して詳述する。
【００２４】
図１に示すように本発明の第１の態様による測定装置１０の主要部は、マイクロ波発生器１１と送信アンテナ１２と受信アンテナ１３と分析器１４である。これら主要部は材料サンプル１６の特性（水分量、密度及び温度）の分布を分析するために共に稼動する。サンプルはコンベア１７によって搬送され、このコンベアはリニアモーター上に取り付けられたスライドテーブルからなり、送信アンテナ１２と受信アンテナ１３との間の測定ギャップ内に配されている。
【００２５】
発生器１１は送信アンテナ１２に接続され、電磁放射を発生させる。この電磁放射は、送信アンテナ１２から受信アンテナ１３へと送信される。材料サンプル１６は送信アンテナ１２と受信アンテナ１３の間に置かれ、送信された電磁放射の少なくとも１部が材料サンプルを通過する。電磁放射は信号１８として送信され、各信号は第１の振幅とフェーズ（ｐｈａｓｅ）及びある周波数領域内で異なる周波数を有する。
【００２６】
発生器１１はまた分析器１４にも接続され、各送信された信号１８の振幅及び周波数に関する情報がこの分析器１４に送られる。
【００２７】
送信された信号１８は材料サンプル１６の少なくとも１部を通過し、第２の振幅とフェーズを有する受信信号１９として受信アンテナ１３によって受信される。第２の振幅とフェーズは、各異なる周波数の第１の振幅とフェーズと異なる場合がある。
【００２８】
受信アンテナ１３は、分析器１４に接続され、分析器は受信信号１９に関する情報を受け取る。分析器１４は各送信された周波数の送信信号の振幅とフェーズと対応する受信信号の振幅とフェーズを比較する。
【００２９】
各送信アンテナ１２は、材料サンプル１６を部分的に衝突し且つ流れる一組の選択された周波数の電磁放射を発射するように設計されている。各受信アンテナ１３は、送信アンテナ１２から発射され且つ材料サンプルによって少なくとも部分的に送信及び反射された電磁放射を受信するように設計されている。受信アンテナ１３は材料サンプル１６を走査することができる１つ以上の位置に設置してもよい。
【００３０】
分析器１４は未処理のデータと使用者の間のインターフェースの役割を果たす。分析器１４の出力は、密度、水分含有量及び／又は温度として材料サンプルの特性の３次元映像から構成される。
【００３１】
送信アンテナ１２と受信アンテナ１３との間のマイクロ波の減衰と実行時間（ｒｕｎ ｔｉｍｅ）（又はマイクロ波出力波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｗａｖｅ）のフェーズ及びダンピング）についての情報は、分析器１４で計算される。選択された周波数組の各周波数で且つ選択された１組の送受信アンテナ対で材料サンプル１６の特定のポイントでこのような計算が行われる。
【００３２】
本発明のこの態様では、材料サンプル１６の形状は知られているものと仮定し、材料サンプルの３次元像は分析器１４に接続されたメモリー１５に記憶される。この３次元像は、コンベア１７上の材料サンプルの各測定位置の断面像を計算するために使用される。３次元像が知られている材料の例は、管内でギャップを通過する流体又はキャンディーバーなどの決まった形状を有するサンプルである。
【００３３】
材料サンプル１６に沿った全ての測定位置での全ての周波数でのダンピング及びフェーズの測定結果は、当業者にとって自明の電磁画像を決定するために使用されるが、これは本発明の主要部ではないので、これらの工程についてはここでは説明しない。メモリーからの位置情報は、材料サンプル１６の３次元的外形を説明する３次元表面位置データとしてセーブされる。
【００３４】
材料の水分含有量、密度及び温度などの材料特性は、次に説明する材料特性分布の内挿（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）によって得られる。
【００３５】
一組の材料サンプルが参照として予め測定されたと仮定する。そのデータ群をその大きさのまま又はデータを小さくするために変換した形で記憶する。これらの材料の測定されるパラメータの分布は知られている。これらパラメータ分布は、異なる温度、温度分布、密度及び水分含有量分布である。これら参照製品の測定の抽出パラメータは、高次元ベクター空間（ｈｉｇｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｅｃｔｏｒ ｓｐａｃｅ）においてポイントを形成する。この空間の各ポイントに決定されるパラメータの特定の分布が参照測定値の隣接するポイントを内挿することによって関連づけられる。ある知られていない製品の測定結果は、このベクター空間の別のポイントに関連づけられる。測定されるパラメータ分布が、ベクター空間のある特定の領域で知られているので、測定ポイントに関連づけられた分布によって測定結果が与えられる。
【００３６】
一方、材料分布を直接計算することも適用可能である。
【００３７】
材料サンプルの誘電構造の３次元モデルと共にこの３次元画像が、材料の（未知の）誘電率が変わらないと仮定することができる測定ギャップ内の領域を定めるために使用される。図２はチキン２０のモデルを例示し、図３はパン３０のモデルを例示している。
【００３８】
各モデルは誘電率が一定であると仮定されるいくつかの領域２１，３１からなる。これらモデルの領域の数をｘとｙ座標の関数、ε（ｘ、ｙ）として誘電率のカーブを滑らかに且つ滑らかになり過ぎないように材料の特性を得る工程中であっても調整してもよい。
【００３９】
図３の領域は、同心円３２によって分割され、複数のマッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）ポイントＰ１−Ｐ１４が、外方の同心円３３に配置されている。各マッピングポイント間の距離は、等間隔であるのが好ましい。
【００４０】
適当なモデルが、サンプル材料、この例ではパンの３次元像に適用される。図４はｘ軸とｙ軸と共にパンの３次元像の断面４０を例示する。パンの外形は、線４１で示され、この線はメモリーに記憶された３次元表面位置データから得られ、図３のマッピングポイントＰ１−Ｐ１４が、外形線４１にマッピングされている。図３の同心円３２は、図４に線４２で示される外形形状が、誘電率が一定と推定される領域４３にパンの断面を分割した後、調節される。
【００４１】
以下に図２及び３で説明したモデルで示したような誘電率が、一定の領域を予測するＣＳＩの簡単な方法を説明する。
【００４２】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から始めると、誘電率が一定である領域の位置が、予め知られている場合、つぎのように解式工程をかなり単純化することができる。
【数９】
2004520568.tif 000011
ここでＧは再度、次の式で表される電磁問題の２次元グリーン関数を表す
【数１０】
2004520568.tif 000012
そして極性χｎは、次のように領域Ｄｎとバックグラウンドεｂで一定である材料εの誘電率に依存する
【数１１】
2004520568.tif 000013
【００４３】
明らかに上記工程は、コントラスト源の数から考慮された異なる領域の数へとマトリックスのサイズを小さくしている。
【００４４】
上記のことから全てのポイントｒでの散乱電場の類似の微分方程式が得られる
【数１２】
2004520568.tif 000014
【００４５】
この関係で一般的な場合においてと同じような解式工程が適用される。
【００４６】
次に説明するのは、周波数に依存しない極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【００４７】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から開始すると、誘電率が一定である領域の位置が予め知られている場合、解式工程を次のようにかなり単純化することができる。
【数１３】
2004520568.tif 000015
【００４８】
上述の工程と類似する工程において、その関係は誘電率が一定であると仮定される領域を導入することによって次のように単純化される
【数１４】
2004520568.tif 000016
ここでＧは、再度、次の式で表される電磁問題の２次元グリーン関数を表す
【数１５】
2004520568.tif 000017
そして極性χｎは、次のように領域Ｄｎとバックグラウンドεｂで一定である材料の誘電率εに依存する
【数１６】
2004520568.tif 000018
【００４９】
波数ベクトルｋは、εｒ，ｂ、μｒ，ｂによって与えられるバックグラウンド媒体での波の伝播定数となるように定義される
【数１７】
2004520568.tif 000019
【００５０】
上記から全てのポイントｒでの散乱電場の類似の周波数依存の微分方程式が得られる
【数１８】
2004520568.tif 000020
【００５１】
この関係で一般の場合においてと同じような解式工程が適用される。
【００５２】
下記に説明するのは周波数に依存する極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【００５３】
極性の周波数依存度の一次近似値は、測定周波数を２つのグループ、即ち低周波数グループと高周波数グループにグループ分けすることによって得られる。上記で説明した計算工程は、２度繰り返され、得られた極性値の違いがその周波数依存度の測定値となる。
【００５４】
誘電データに基づいて材料パラメータを計算するために密度、温度及び水分量として材料パラメータ間の相関が必要になる。ほとんどの用途では、水の誘電率の温度依存性は次のモデルで表される（Ａ． Ｋｒａｓｚｅｗｓｋｉによる”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｑｕａｍｅｔｒｙ”と題され、ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ １９９５年版に掲載された実験データから抽出された）
【数１９】
2004520568.tif 000021
【００５５】
単純な容量的混合相関（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｍｉｘｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ）に基づいた方法によって、誘電率の実際及び仮想の部分が独立した座標とした図５に示す誘電チャートが与えられる
【数２０】
2004520568.tif 000022
【００５６】
明らかに複合誘電面における全てのポイントは、乾燥状態にある基準材料の誘電特性が、顕著に変わらないとき、特有の水分含有量と材料温度を表す。特有の密度−温度のプロットは、水分含有量が均一の場合、得られる。
【００５７】
材料サンプル１６の誘電率の空間分布からその密度分布、水分含有量及び温度は、水モデル（式１参照）及び混合相関（式２参照）を適用することによって容易に得られる。この評価のこの部分を図５に略式に示し、完全な計算工程を図７にチャートで示している。
【００５８】
誘電率の仮想部分Ｉｍ（ε）は図５の第１軸を形成し、誘電率の実際の部分Ｒｅ（ε）は第１軸に垂直な第２軸を形成する。実際部分を正とし、仮想部分を負とする。水分を含まない全ての材料は、いわゆるεｄｒｙとして表される特定の誘電率を有し、この誘電率は材料によって５０ポイントと５１ポイントの間を変動し、これらのポイントは実際部分のみを有する。一方、４℃の温度の純水は、実際部分と仮想部分の両方からなる誘電率５２を有し、水の温度が上昇すると水は純水が９９℃の温度で誘電率５４を有するポイントへと曲線５３をなぞって移動する。いくらかでも水を含む材料の誘電定数の実際部分は、温度の上昇ともに減少し、仮想部分は温度の上昇とともに増加する。例示のため水分含有量が２５、５０及び７５％の場合を破線で示した。
【００５９】
誘電値５５の例を図５に示す。この誘電値５５は、ポイント５２、５４間を延びる曲線５３と、ポイント５４とεｄｒｙの間を延びる直線と、εｄｒｙとポイント５２の間を延びる直線によって境界が定められた領域内に位置する。上述のように水分含有量が一定で温度が上昇すれば、誘電率の値は矢印５６にて示すようにグラフの左へと移動し、水分含有量が一定で温度が下がれば、矢印５７にて示すように右へと移動する。一方、温度が一定で水分含有量が減ると、誘電値５５は矢印５８にて示すようにεｄｒｙの方へ移動し、温度が一定で水分含有量が増えると、誘電値５５は矢印５９にて示すようにεｄｒｙから離れるように移動する。
【００６０】
各限定された領域４３において、算出又は推定された誘電率は、水分含有量及び温度に直接変換される。
【００６１】
図６は本発明の第２の態様による測定装置６０を例示する。この態様は、メモリー１５がビデオ画像構造に置き換えられ、これが２つのビデオカメラ６１、６２からなり、これらカメラが分析器１４に接続された評価ユニット６３にそれぞれ接続されている以外、図１を参照して説明した第１の態様と同じ部材からなる。
【００６２】
各ビデオカメラは、材料サンプルの像を連続的に撮る。得られた画像は、評価ユニット６３に送られ、そこで公知の技術を使用して３次元映像が製せられる。得られた３次元画像は、第１の態様のメモリーに記憶されたものと類似している。
【００６３】
ビデオ画像を使用することによって、システムの適応性が広がり、これにより形状が知られていない又は水分含有量及び／又は温度によって形状が変化する材料サンプルにもこの測定装置を使用することが可能になる。
【００６４】
上記評価において、ビデオ画像を使用する最大の理由は、材料サンプルの誘電率の分布を得るための計算工程における未知数を減らすことである。このように計算時間を短縮することは、測定工程を迅速化する上で必要である（少なくとも現代の可能な計算能力において）。この好ましい態様において、材料サンプルは容易にビデオ画像化することができる。もしそうでない場合、別の解決策として超音波画像を使用してもよい。もしサンプル材料が、非常に単純な形状寸法を有するあるいは測定される材料サンプルが非常に類似している場合、図１で説明したような上述の計算工程を行うためにこれらサンプル材料の余分な画像形成は必要ない。
【００６５】
測定ギャップ内の材料サンプルの誘電画像（２次元断面の）の計算は、上述した反散乱問題を解決することによって達成される。
【００６６】
ビデオカメラ６１、６２は、測定ギャップの一部を画像形成する。これらカメラの位置は、材料サンプル１６が測定ギャップ内に位置する３次元画像の再生（ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）ができるように選択される。
【００６７】
材料サンプルの各位置において、測定ギャップ内の同じ位置の３次元画像は、ビデオカメラ６１、６２によって撮られた像に基づいて計算される。
【００６８】
さらに光学的画像に含まれる位置情報は、測定下の誘電構造を最初に推測するのに材料構造の先行知識と共に使用される。これにより誘電画像計算工程の未知数の数を劇的（約２オーダー）に減らすことができ且つ計算を速く行うことができる。
【００６９】
図７は本発明の装置の完全な計算工程を略式に示している。
【００７０】
図１と図６を参照して説明したように分析器への入力データは、マイクロ波送信測定値、即ち、放射信号１８（使用された各周波数の振幅とフェーズ）に関する情報と検出信号１９（対応する周波数の振幅とフェーズ）からなる。この情報が計算工程７１に入力される。
【００７１】
材料サンプル１６のイメージ外形に関する情報も必要であり、工程７２に入力される。イメージ外形の予め決められた解像度（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）が、計算工程を開始するのに使用される。解像度は、以下に述べるように計算結果に応じて上下させてもよい。測定ギャップ１６の材料サンプルの位置に関する情報もまた７２の工程に入力される。
【００７２】
７２からの情報は、目的の形状寸法（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）７３を構築するために使用される。例えば図３で説明したようなモデルは、その後、誘電率が一次、即ち一定であると仮定される領域を決めるのに使用される。使用される領域の数は、モデルに設定されている。選択されたモデル、この場合モデル３０は、同心円を図４で説明したように目的の形状寸法の結果に合わせることによって材料サンプル１６内に領域を設定するために使用され、これは７４で行われる。
【００７３】
７４からの形状寸法的仮定及び７１からのマイクロ波送信測定の結果は、その後、各領域７５内で誘電率を計算するために使用される。この計算工程は、本明細書で説明済みである。
【００７４】
もう１つ別の情報、即ち材料に水が全く含まれない、材料サンプル１６の誘電定数εｄｒｙが、誘電定数を水分含有量及び／又は温度に変換するのに必要となる。この情報は、文献又は類似の材料サンプルで以前測定したものから得られる（工程７６）。
【００７５】
この情報は、図５で説明したような誘電率及び水分含有量と温度間の相関を定義する方程式を設定するために使用される（工程７７）。
【００７６】
７５からの各領域内の得られた誘電率は、その後、７８で水分含有量及び温度に変換される。
【００７７】
計算工程が良好に構築されたらその後の工程は必要なくなるが、ほとんどの場合、理にかなわない結果がでるのを防ぐために必要になる。
【００７８】
７９では、得られた温度及び水分含有量が適正であるかどうか、即ち温度がゼロを超える、Ｔ＞０であり、水分含有量がゼロを超える、ＣＨ２０＞０（Ｉｍ（ε）＜０）で且つ水分含有量が１００％未満の場合、ＣＨ２０＜１００％となるかどうかの確認が行われる。
【００７９】
もしこれらのいずれかの条件が満たされない場合、計算工程は８０を介してフィードバックされ、そこで材料サンプルの位置が更新される。図６で説明したようにビデオカメラを使用した場合、材料サンプルの新しいイメージ外形が、工程７４、７５及び７８を繰り返すために使用される。イメージ外形情報が図１で説明したようにメモリーに予め記憶されている場合、計算工程は材料のサイズに応じて微調整を行ったり、材料の外形を変形させたり、一方向に材料を移動させたり、工程７４、７５及び７８を繰り返してもよい。
【００８０】
７９において情報の適正に問題がなければ、工程は８１へと続き、そこで材料サンプルの断面に亘る誘電率を説明するカーブの平滑性が調べられる。誘電率が滑らか過ぎたり又は充分滑らかでない場合、工程は８２を介してフィードバックされ、そこでイメージ外形の解像度が変えられる。その後、確認工程７９、８１が再度行われる前に工程７３、７４、７５及び７８が繰り返される。
【００８１】
計算する領域の数を増やしたり又は減らしたりするために７４で使用されたモデルの領域の数を変えることも可能である。
【００８２】
カーブの平滑性が許容できる場合、工程は８３へと進み、そこで材料の新しい乾燥誘電率、εｄｒｙがこの工程の計算結果に応じて計算される。計算された乾燥誘電率、εｄｒｙが、使用された乾燥誘電率、εｄｒｙ、ｐｒｉｏｒに対応しない場合、その誘電率は８４で更新され、確認工程７９、８１が再度行われる前に工程７６、７７及び７９の誘電率の移動が行われる。
【００８３】
８３で問題が無ければ、計算工程は水分含有量及び／又は温度として結果を提示する。
【００８４】
図７で説明した計算工程は、通常測定ギャップの材料サンプルの位置で行われる。計算工程が終了すると材料サンプル１６が載っているコンベア手段１７は新しい場所へと移動し、そこで別の測定が行われる。εｄｒｙ、領域の数、材料の位置などに関する最新の情報は、本工程を促進するために次の位置で使用される。
【００８５】
本発明のさらなる態様において、図７で説明したような１回の処理で材料サンプル内の３次元的温度又は水分分布を設定できるようにするために複数の受信アンテナを使用してもよい。
【００８６】
図７の計算工程は誘電定数が一定と推察される領域を確立するためモデルが使用されている態様のみを説明している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の装置の第１の態様の概略図。
【図２】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測された鶏肉の誘電モデルを示すチャート。
【図３】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測されたパンの誘電モデルを示すチャート。
【図４】
図３から誘電モデルが写像されたパンの断面図。
【図５】
誘電特性から水分、密度及び温度データを得るための評価方法を示す略式チャート。
【図６】
本発明の装置の第２の態様を示す略図。
【図７】
計算工程全体のフローチャート。
【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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