(57)【要約】【課題】高速走査が可能で安価なマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いたイメージング装置を提供する。【解決手段】送信装置から電磁波をターゲット５０に向けて放射し、ターゲット５０を透過した電磁波を複数の検波器１２を備えた測定装置で検波する。これにより、一度に多くの電磁波の強度を測定することができるので、高速走査が可能となる。また、複数の検波器１２の出力信号をスイッチ１３で順次切り換える。これにより、単一チャネル入力のロックインアンプ１４を電磁波強度の測定に用いることができるので、安価な電磁波イメージング装置を提供することができる。【選択図】図１
2007121211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置からマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波をターゲットに向けて放射し、該電磁波のターゲットに対する応答性を測定装置が測定する電磁波イメージング装置であって、
前記送信装置は、
マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を発生する発生手段と、
発生した電磁波をターゲットに向けて放射する放射手段と、を有し、
前記測定装置は、
ターゲットを透過または反射した電磁波を検波する複数の検波器と、
各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチと、
前記スイッチからの出力信号が単一チャネルで入力されるロックインアンプと
を有することを特徴とする電磁波イメージング装置。
【請求項２】
前記放射手段は、前記ロックインアンプが位相感応検波可能な周波数の信号で電磁波を変調するものであって、前記スイッチの立ち上がり時間と立下り時間を含む切り換えに要する総時間を前記信号の周期よりも長くしたこと
を特徴とする請求項１記載の電磁波イメージング装置。
【請求項３】
マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を発生するステップと、
発生した電磁波をターゲットに向けて放射するステップと、
ターゲットを透過または反射した電磁波を複数の検波器で検波するステップと、
検波した各々の電磁波の強度を順次切り換えて出力するステップと、
順次切り換えて出力される電磁波の強度を単一チャネル入力のロックインアンプで計測するステップと
を有することを特徴とする電磁波イメージング方法。
【請求項４】
前記電磁波を放射するステップは、前記ロックインアンプが位相感応検波可能な周波数の信号で電磁波を変調するものであって、前記電圧値を順次切り換えるステップにおいて、切り換え開始から切り換え完了までに要する総時間を前記信号の周期よりも長くしたことを特徴とする請求項３記載の電磁波イメージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いたイメージング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージングは、ターゲットの電磁波に対する応答性を２次元の画像によって可視化することが目的である。一般に市販されているデジタルカメラなどがその典型例である。
【０００３】
２次元の画像は細かい画素の集合であり、縦横それぞれｍ，ｎの解像度を有する画像の画素の総数はｍ×ｎ個となる。単一の受光素子を用いて撮像する場合、受光素子をｍ×ｎ回ほど移動走査する必要がある。したがって、１００×１００画素程度の画像でも移動走査の回数が１００００回となり、撮像に時間を要する。
【０００４】
縦横それぞれｍ，ｎの解像度を有する画像を撮像するために、光学系の撮像装置の場合は、ｍ×ｎ個の受光素子をあらかじめ２次元に配列したアレイを用いて撮像時間の短縮を行っている。また、スキャナ装置のように、ｍ個の受光素子を一列に配置して、ｎ回の移動走査を行う方式もある。
【０００５】
マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いてイメージングを行う場合、ターゲットへ向けて電磁波を照射し、その反射波または透過波を検波するアクティブ方式か、ターゲットから自発的に放射される電磁波を検波するパッシブ方式が取られる。いずれの方式にしても、光学系の撮像装置と同様に、電磁波を検波する検波器をアレイ化することによって撮像時間を短縮できる。
【０００６】
一般に、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波の検波器としては、ショットキーダイオードなどが用いられている。ショットキーダイオードの整流作用により検波された電磁波の強度は電圧値に変換される。ショットキーダイオードは、サブミリメートル以下のサイズであり、複数個並べることによってイメージング用の検波器アレイを実現することができる。
【０００７】
ミリ波を用いたイメージング装置として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。
【特許文献１】特開２００１−５０９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いたイメージングの場合は、検波器をアレイ化する際に信号を並列計測する方法が問題となる。
【０００９】
単純な電圧測定ならば、市販のマルチチャネル入力の電圧計で測定することができるが、ターゲットにおいて反射または透過した電磁波を検波したショットキーダイオードの電圧出力は、数ミリボルト程度のレンジでＳ／Ｎ比が悪く、電圧計で直接計測することが困難である。
【００１０】
このようなＳ／Ｎ比の悪い信号を測定する計測器として、位相感応検波方式のロックインアンプが知られている。ロックインアンプは所望の電磁波周波数が既知である場合に、ノイズに埋もれた信号を取り出すのに有効である。しかし、市販のロックインアンプは単一チャネル入力であり、検波器のアレイ化には対応できない。また、マルチチャネル入力のロックインアンプを実現したとしても、高価で規模の大きなものになる。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、複数の検波器からの出力信号について高速走査が可能で、安価な、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いたイメージング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電磁波イメージング装置は、送信装置からマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波をターゲットに向けて放射し、その電磁波のターゲットに対する応答性を測定装置が測定する電磁波イメージング装置であって、送信装置は、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を発生する発生手段と、発生した電磁波をターゲットに向けて放射する放射手段とを有し、測定装置は、ターゲットを透過または反射した電磁波を検波する複数の検波器と、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチと、スイッチからの出力信号が単一チャネルで入力されるロックインアンプとを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、送信装置からマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波をターゲットに向けて放射し、ターゲットにおいて反射または透過した電磁波をアレイ化した複数の検波手段で検波することにより、一度に多くの電磁波の強度を順次測定することができるので、高速走査が可能となる。また、複数の検波手段の出力をスイッチで切り換えることにより、市販の単一チャネル入力のロックインアンプを電磁波の強度の測定に用いることができるので、安価な電磁波イメージング装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の検波器からの出力信号について高速走査が可能で、安価な、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を用いたイメージング装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本実施の形態における電磁波イメージング装置の構成を示す模式図である。同図の電磁波イメージング装置は、電磁波発振器２３、低周波信号器２４、変調器２２および送信アンテナ２１を含む送信装置と、複数の受信アンテナ１１、受信アンテナ１１の各々に接続された検波器１２、スイッチ１３およびロックインアンプ１４を含む測定装置と、表示器３１を有する。
【００１６】
送信装置は、ターゲット５０に向けてマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を放射する。具体的には、電磁波発振器２３により出力されたマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を、変調器２２において低周波信号器２４からの出力信号で変調し、送信アンテナ２１より自由空間に放射する。なお、低周波信号器２４からの出力信号は、ロックインアンプ１４が位相感応検波可能な周波数の低周波信号である。
【００１７】
電磁波発振器２３には、例えば、マイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を発生するＧＵＮＮ発振器を用いる。低周波信号器２４には、ロックインアンプ１４が位相感応検波可能な範囲の周波数信号を出力することができるシンセサイザを用いる。変調器２２は、電磁波発振器２３の出力を低周波信号器２４からの出力信号で変調するものであり、ＰＩＮスイッチ等を用いて実現する。送信アンテナ２１には、例えば、ホーンアンテナや平面スロットアンテナを用いる。
【００１８】
測定装置は、ターゲット５０を透過したマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波を受信し、電磁波の強度を測定して、表示器３１に出力するものである。具体的には、送信装置において放射された電磁波のうちターゲット５０を透過した電磁波は、複数の受信アンテナ１１により受信され、受信された電磁波の強度は、受信アンテナ１１の各々に接続された検波器１２の作用により電圧値に変換される。検波器１２の各々の出力は、スイッチ１３により順次切り換えられ、ロックインアンプ１４により順次計測される。電磁波強度の計測に際して、送信装置の低周波信号器２４からの出力信号がロックインアンプ１４の参照信号として用いられるので、ロックインアンプ１４に内蔵されたローパスフィルタにより高周波ノイズを除去した上で、低周波信号器２４の出力信号で変調された電磁波の信号を取り出すことができる。また、低周波信号器２４からの出力信号は、スイッチ１３を切り換えるタイミングの決定に用いられる。そして、計測結果は、表示器３１に出力される。
【００１９】
受信アンテナ１１には、例えば、ホーンアンテナや平面スロットアンテナを用い、受信アンテナ１１のそれぞれに検波器１２を接続する。受信アンテナ１１を一次元アレイ型に配置し、ターゲット面に対して平行に一軸走査することにより、市販のオフィススキャナのようにイメージングをすることが可能である。
【００２０】
検波器１２には、ショットキーダイオードを用いる。ショットキーダイオードの整流作用により、受信アンテナ１１で受信された電磁波の強度は電圧値に変換される。スイッチ１３には、複数の検波器１２からの出力信号を任意に選択できるような電子回路式の切り換えスイッチを用いる。電子回路式の信号切り換えスイッチを用いることにより、４００マイクロ秒以下の切り換え速度を実現できるので、例えば、１００個の検波器１２を並べて検波器アレイを構成しても、４０ミリ秒程度の時間ですべての検波器１２の出力を順次切り換えることができる。
【００２１】
ロックインアンプ１４には、市販の単一チャネル入力の位相感応検波式ロックインアンプを用いる。
【００２２】
表示器３１には、例えば、パーソナルコンピュータを用いて、測定装置から送られてくる測定結果を、例えば、２次元の画像に可視化する。また、プロッタ等を用いて紙などに直接画像をプリントしてもよい。
【００２３】
次に、図２に示す本実施の形態のタイミング図、図３に示す比較例のタイミング図を参照して、図１に示す電磁波イメージング装置のスイッチ１３の状態とロックインアンプ１４によって計測される信号強度について説明する。
【００２４】
各図は、図１に示す電磁波イメージング装置において、スイッチ１３が検波器１２からの出力信号を順次切り換えて出力する際に、第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１を選択している状態から、第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２を選択する状態に切り換えるときのタイミング図であり、スイッチ１３の状態Ｓａと、第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１と第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２と、スイッチ１３からの出力信号Ｓｃと、ロックインアンプ１４によって計測された信号強度Ｓｄを示している。
【００２５】
ここで、スイッチ１３の立下りに要する時間をΔｔ１、スイッチ１３の立ち上がりに要する時間をΔｔ２、スイッチ１３の立下り時間Δｔ１と立ち上がり時間Δｔ２を含む切り換えに要する総時間をΔＴ、ロックインアンプ１４の参照信号として入力する低周波信号器２４からの出力信号の周波数をｆとする。
【００２６】
図２は、本実施の形態における、スイッチ１３を第ｉ番目の検波器１２の出力信号Ｓｂ１から第ｉ＋１番目の検波器１２の出力信号Ｓｂ２に切り換えるときのタイミング図である。具体的には、図２（ａ）は、スイッチ１３の状態Ｓａを示している。図２（ｂ）は、隣り合う第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１と第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２を示している。図２（ｃ）は、スイッチ１３からの出力信号Ｓｃを示している。図２（ｄ）は、ロックインアンプ１４によって計測された信号強度Ｓｄを示している。
【００２７】
本実施の形態においては、図２（ａ）で示すように、スイッチ１３を第ｉ番目の検波器１２から第ｉ＋１番目の検波器１２に切り換える際に、スイッチ１３の切り換えに要する総時間（ΔＴ）を低周波信号器２４からの出力信号の周期（１／ｆ）より長くする。このとき、Δｔ１≠０、Δｔ２≠０となるように、スイッチ１３の立下り、立ち上がりを緩やかに行うとよい。ΔＴを１／ｆよりも長くすることによって、ロックインアンプ１４によって計測される信号強度Ｓｄは図２（ｄ）で示すようになり、ショットノイズが低減される。
【００２８】
なお、ΔＴを長くしすぎると、アレイ化した検波器１２のすべての出力を測定する時間が増大し、高速走査を行うことが困難になる。例えば、検波器１２を１００個並べて、ΔＴを１秒とした場合は、すべての検波器１２の出力を測定するためには１００秒以上の時間を必要とする。
【００２９】
続いて、比較例のスイッチ１３の切り換えタイミングとロックインアンプ１４によって計測される信号強度について図３を用いて説明する。図３は、スイッチ１３を第ｉ番目の検波器１２から第ｉ＋１番目の検波器１２に切り換える際に、単純にΔＴ＜＜１／ｆとスイッチ切換時間（ΔＴ）が低周波信号器２４からの出力信号の周期（１／ｆ）よりも短い条件で切り換えるときのタイミング図である。
【００３０】
図３（ａ）は、スイッチ１３の状態を示している。図３（ｂ）は、隣り合う第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１と第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２を示している。図３（ｃ）は、スイッチ１３からの出力信号Ｓｃを示している。図３（ｄ）は、ロックインアンプ１４によって計測された信号強度Ｓｄを示している。
【００３１】
スイッチ１３が、図３の符号３０１で示す状態のときには、第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１が選択されており、図３の符号３０２で示す状態のときには、第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２が選択されている。図３（ｃ）で示すように、スイッチ１３からの出力信号Ｓｃは、選択されている検波器１２からの出力信号に対応したものとなる。
【００３２】
ここで、スイッチ１３を単純に高速切換すると、図３（ｃ）の符号３０３で示す部分のように、スイッチ１３からの出力信号Ｓｃは第ｉ番目から第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号に対応したものに瞬時に切り換わるので、第ｉ番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ１と第ｉ＋１番目の検波器１２からの出力信号Ｓｂ２が重畳し、ロックインアンプ１４のにより計測される信号強度Ｓｄは図３（ｄ）で示すようになり、ショットノイズが入る。
【００３３】
これに対し、本実施の形態では、ΔＴを１／ｆよりも長くすることによって、ロックインアンプ１４により計測される信号強度Ｓｄは図２（ｄ）で示すようになり、ショットノイズが低減される。
【００３４】
したがって、本実施の形態によれば、送信装置から電磁波をターゲット５０に向けて放射し、ターゲット５０を透過した電磁波を複数の検波器１２を備えた測定装置で検波することにより、一度に多くの電磁波の強度を測定することができるので、高速走査が可能となる。また、複数の検波器１２からの出力信号をスイッチ１３で順次切り換えることにより、単一チャネル入力のロックインアンプ１４を電磁波強度の測定に用いることができるので、安価な電磁波イメージング装置を提供することができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、電磁波を変調した低周波信号器２４からの出力信号をロックインアンプ１４の参照信号として用いて、スイッチ１３の切り換えに要する総時間を低周波信号器２４からの出力信号の周期よりも長くしたことにより、ロックインアンプ１４で計測される信号強度Ｓｄに現れるショットノイズを低減することが可能となる。
【００３６】
なお、本実施の形態においては、ターゲット５０に対して送信アンテナ２１と受信アンテナ１１を対向させ、ターゲット５０に向けて放射した電磁波のうち透過した電磁波を測定する透過型イメージング装置であるが、ターゲットに対して送信アンテナ２１と受信アンテナ１１を同じ側に設置すれば、放射した電磁波の反射波を測定する反射型イメージング装置も実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施の形態における電磁波イメージング装置の構成を示す模式図である。
【図２】一実施の形態におけるスイッチの切り換えと計測される信号強度を示すタイミング図である。
【図３】比較例のスイッチの切り換えと計測される信号強度を示すタイミング図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…受信アンテナ
１２…検波器
１３…スイッチ
１４…ロックインアンプ
２１…送信アンテナ
２２…変調器
２３…電磁波発振器
２４…低周波信号器
３１…表示器
５０…ターゲット
【図１】
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【図２】
2007121211.tif 000004
【図３】
2007121211.tif 000005