(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの実質的に平坦なボロメータ基板上に配置される二個以上の探知器、および電磁放射線を集めるとともに前記探知器に前記電磁放射線を合焦する光学要素を有する撮像システムであって、
前記探知器はアンテナと結合したボロメータからなり、前記アンテナは前記アンテナの感度が所定の制限値よりも短い波長において低下するように設計および寸法特定されており前記電磁放射線の波長帯域の選択に用いられ、
更に、アンテナ結合された前記ボロメータに向けられた放射線と前記探知器との結合を改良する少なくとも一つの調整要素を有し、
前記光学要素は、前記ボロメータ基板に対して前記電磁放射線の波長帯域を制限して供給する面を有することにより前記所定の制限値よりも短い波長を有する電磁放射線を除去して前記撮像システムに第二段階の波長選択性を付与することを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
前記調整要素が、ボロメータ基板の表面上に作成された反射防止層を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記調整要素が、ウェーブ・チューブ（wave tube）母体を含む ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記調整要素が、レンズを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記レンズの数が、アンテナと結合したボロメータ一個当たり一枚であることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記レンズが、ボロメータ基板内でのイオン打込みによって作成されることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記レンズが、エポキシ樹脂と粉末との混合物から作成され、また、前記粉末が一定の誘電定数を有する材料で構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
約１００μｍから約３ｍｍまでの波長を有する電磁放射線を探知するように寸法を合わせられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも一つのボロメータ基板が、少なくとも、アンテナと結合した複数のボロメータを備え、また、アンテナと結合した該ボロメータの少なくとも一個は、第一の波長域の電磁放射線を探知するように寸法を合わせられており、また、少なくとも一個は、第二の波長域の電磁放射線を探知するように寸法を合わせられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
三つ以上のボロメータ基板を備えることと、
該ボロメータ基板が、概して、ある一定の湾曲面の形状をした探知器表面を生じるようになっており、また、前記一定の湾曲面は実質的に前記光学要素（１１０）の焦点面であることとを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光学要素の表面の少なくとも一面が粗く、該表面の粗さが実質的にある所定値に等しいことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記光学要素が、レンズを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光学要素が、ミラーを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
撮像されるべき対象と、その背景との間のコントラストを高めるために冷たい表面を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
該冷たい表面は、液体窒素の容器を用いて作成され、また、該容器は、探知可能な波長帯域において実質的に透過性のある材料を含む断熱材を備えることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
撮像されるべき対象を照明するための放射源および拡散器を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波長およびサブミリ波長で実施する観測に関するもので、より詳しくはサブミリ波長域で機能する撮像法に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、隠された武器や、その他の密輸品の探索は、一般に金属探知器を使ったり、ボディチェックを実施したりして行われている。これらの方法にはいくつかの欠点がある。金属探知器は、誤った警報を発しがちであり、また爆発物や麻薬等の非金属物体は探知しない。一方、税関吏が実施するボディチェックは、長たらしく、うんざりするものである。Ｘ線、またはその他の電離放射線は、電離放射によって健康に害を及ぼすため、身体検査には使えない。検査対象者と検査者に無害な非接触検査法を要望する声が急速に高まりつつある。
【０００３】
検査対象者の非接触検査は、電磁放射または粒子放射を用いて実施されることが極めて多い。できるだけ安全な検査法を生み出すためには、放射線と人体組織との相互作用をできる限り小さくしなければならない。実際に、このような要件のために、電離放射、例えばＸ線、中性子、または荷電粒子等は使用できない。極く低エネルギーのＸ線の散乱は、ある程度までは使用されるが、それでもやはり健康に対する害が伴うので、人の検査に電離放射線を使用することについて、ちょっと考えて見ただけでも、そのようなシステムは使えない。超音波を応用した装置は完全に安全ではあるが、それによって得られる画質と解像度は十分には良くない。
【０００４】
人と物を検査するための、極めて有望な方法の一つは、サブミリ域の放射線を使用することである。この範囲の電磁スペクトルは、長波赤外放射線よびマイクロ波放射線の中間帯域の範囲内にある。この範囲内では、放射線は通常１００〜１０００μｍのオーダの波長と、０．３〜３ＴＨｚ（兆ヘルツ）の周波数と、１．２〜１２ｍｅＶの光子エネルギーを持つ。このスペクトル域では、衣服、紙、プラスチック、革等、大部分の誘電性物質はほとんど透過的である。比較的短い波長のおかげで、レンズ口径の比較的小さい光学部品を用いた場合でも、得られる解像度は回折によってほんど制約を受けない。この波長域の最大の特徴の一つは、たとえ検査対象が感知され得る放射線の源であっても、検査を全く放射能のない(inactive)システムを用いて実施できることである。
【０００５】
全ての物体は電磁放射線を発するものである。物体が発する、連続スペクトルに基づく放射線は、黒体放射線として知られている。放射強度は、物体の温度に依存するとともに、その物体がいかに有効に放射するかに極めて強く依存する。この有効性、すなわち放射率は、水を含む物質、例えば皮膚等の場合は１に近い。他方、金属は放射率がゼロに極めて近い。その他の物質の放射率は全て、これら両極端の間にあり、それらの物質の放射分析温度によって観測することができる。金属物体と多くのプラスチック物体は、その物体自身の温度に関係なく、放射分析において「熱く」表れたり、「冷たく」表れたりさせることができる。なぜならば、このような物体は、放射線をほとんど発せず、これらの物体に当たる熱放射線の大部分を反射するので、順々に「熱く」なったり、「冷たく」なったりすることができるからである。水を含む諸物質は、放射線を極めて有効に発し、またそれぞれ、熱放射線をほとんど反射せず、そのため、物体温度におけるこのような物質は、室温の他の諸物体に比べると、放射分析で「熱く」表れる。このような強度差は、高感度の探知器で測定することができ、また探知器母体を使って被測定物の映像を作成することができる。
【０００６】
サブミリ域で機能する探知器には、いくつかの異なった種類がある。ヘテロダイン方式および直接検波受信機に基づく無線技術の周波数波範囲は、現行技術では２００ＧＨｚ未満に制約されている。これら以外に、いくつかの異なった種類のボロメータ、ゴレイのセル (Golay's cell)、パイロ電気探知器等が利用できる。アンテナと結合したボロメータは、ＳＮ比が優れているので、撮像への応用に極めて適しており、また低い時定数のおかげで動作が速く、さらにまた製造コストが安い。このアンテナと結合したボロメータの波長域は全く自由に選ぶことができる。というのは、様々な波長における感度は、基本的にアンテナの設計によってのみ規定されるからである。
【０００７】
公知の技術は、一般に８０ＧＨｚから１４０ＧＨｚまでの範囲にわたって機能する。それは、これらの周波数を使えば在来のマイクロ波が使用できるからである。この種の解決法は、例えば次の記事：P.F.Goldsmith,C.-T.Hsieh,.R.Huguenin, J.Kapitzky, E.L.Moore,“Focal Plane Imaging Systems for Millimeter Wavelengths"（ミリ波長向けの焦点面結像システム）,IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol.41, no.10, Oct. 1993, pp.1664-1675、および特許出版物である米国特許第5,047,783号、および米国特許第5,227,800号に説明されている。またG.R.Huguenin, C.-T.Hsieh, J.Kapitzky, E.L.Moore, K.D.Stephen, A.S.Vickery, “Contraband detection through clothing by means of millimeter-wave imaging"（ミリ波撮像による、衣服を通しての禁制品探知）, Proceedings of Underground and Obscured Object Imaging and Detection, 15-16, Apr. 1994, Orlando, Florida, SPIE Proceedings series vol.1942, pp.117-128 は、スキャニング映像形成法を用い、９４ＧＨｚの周波数域で機能するシステムを開示している。在来のマイクロ波技術は、探知器が高価であり、従って大きな探知器母体の製造コストが極めて高くなるという欠点がある。その上、このような探知器は、電力消費量が大きい。この周波数域を用いる場合のもう一つの欠点は、比較的長い波長の結果、回折によって解像度が低目のレベルに制限されるという事実である。
【０００８】
図１に、アンテナと結合したボロメータ１０の基本構造を示す。このアンテナ付きボロメータ１０は、通常、電磁放射を受け取るための二つのアンテナ分岐１２を含むアンテナ要素、および受け取った電磁放射を熱に変換するためのボロメータ要素１１で構成される。電磁放射エネルギーによって生じるボロメータ要素１１の温度変化は、ボロメータ要素１１の抵抗変化によって検出される。ボロメータ要素を二個以上の部品で構成し、電磁放射エネルギーを熱エネルギーに変換する熱運動化抵抗と、熱運動化抵抗の温度ゲージが別個の部品になるようにすることもできる。
【０００９】
アンテナと付きボロメータは、原則として広帯域で作動するが、帯域幅はアンテナ要素の分岐１２の設計によって影響を受ける場合もある。従来の公知のアンテナ要素の解決法には多種多様のものがあり、図１に示した設計はその一例に過ぎない。図１に示すスパイラル形設計の他に、従来の公知のアンテナ要素としては、例えば対数周期アンテナ設計、ならびにアンギュラアンテナ、ダイポールアンテナ、ダブルダイポールアンテナ設計等がある。これらのアンテナ・タイプのうちのいくつかは、相補的な設計としても十分に機能する。このような相補的な設計としては、例えば、ダイポールアンテナを補完するスロットアンテナや、ダブルダイポールアンテナを補完するダブルスロットアンテナ等がある。アンテナ設計を選択すれば、アンテナ特性に影響を与えることができ、その結果、アンテナ付きボロメータの特性、例えば周波数帯域や指向性等に影響を与えることができる。
【００１０】
様々なボロメータ解決法、例えばボロメータに使われる材料は、P.L. Richards の展望風の記事：“Bolometers for infrared and millimeter waves"（赤外波およびミリ波向けのボロメータ）, Jounal of Applied Physics, 76 (1994) 1-24 に説明されている。集積回路の製造技術を利用して設計された別の種類のアンテナ解決法が、例えば G.M.Rebeiz の記事：“Millimeter-Wave and Terahertz Integrated Circuit Antennas"（ミリ波および１兆ヘルツ集積回路アンテナ）, Proceedings of the IEEE, Vol.80, No.11, November 1992, pp.1748-1769 に種々記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、サブミリ波帯域で機能する撮像システムを提供することにある。本発明の別の目的は、映像形成にスキャニングを必要としないシステムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、従来技術のシステムの解像度よりも高い解像度を有するシステムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、本発明の上記目的に則って、従来技術のシステムの電力消費よりも低い電力消費を有するシステムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、従来技術の映像形成法よりも簡単な映像形成システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の諸目的は、従来の集積回路製造技術を利用して、探知器基板上に一度に多数作成することができるアンテナ付きボロメータで構成された探知器を用いることによって、また、電磁放射線とボロメータとの結合を改良するために探知器基板または探知器表面にボロメータ・レンズ、またはその他の調整要素を設けることによって達成される。放射線は、ミラーまたはレンズを用いてボロメータに合焦させられるが、ボロメータは、好ましくは、これに当てられる電磁放射線の波長帯域の範囲を定める。
【００１３】
本発明のシステムは、
−  アンテナと結合したボロメータである二個以上の探知器と、
−  少なくとも一つの、実質的に平坦なボロメータ基板であって、その上に当該探知器が設けられたボロメータ基板と、
−  電磁放射線を集めるとともに、当該探知器にその電磁放射線を合焦させるための光学要素と、
−  上記少なくとも一つのボロメータ基板に向けられた放射線と当該探知器との結合を改良するための少なくとも一つの調整要素と、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によるシステムに用いられる探知器は、アンテナと結合したボロメータ、および波長選択性の光学部品を含む。探知器母体(matrix)は、撮像誤差を減らすために湾曲していることが好ましい。湾曲した探知器母体を作るために、探知器母体は複数の平坦な下位母体(submatrix)からまとめられていて、これらの下位母体は各々、アンテナと一体化されたボロメータを一個以上備えている。探知可能な周波数域は、なるべく二つの段階に限定され、第一段階は波長選択性の光学部品によって、第二段階はアンテナと結合したボロメータのアンテナ作動域によって限定されることが望ましい。ボロメータに入射放射線を合焦させるとともに、入射放射線とボロメータとの結合をできるだけ効果的にするために、ボロメータ基板をしっかりと固定して設けるか、または、ボロメータ母体の表面または内部にボロメータ・レンズ、または各ボロメータと一直線に並べられた相当光学要素を備える。
【００１５】
次に、例として示す推奨実施例、および添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
【００１６】
図面では、同じ部品は同じ参照番号で表示される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の一実施例の設計を示す。この適用例において、撮像さるべき対象と環境との間のコントラスト（濃淡の差）は、対象を放射源１１２および拡散器１１３で照明することによって、また対象がコールドボディ(cold body)１１１の放射線を反射できるようにしてやることによって改良することができる。能動的(active)照明なしに、またはコールドボディの使用に頼ることなしに、対象を受動的に(passively)撮像することもできる。対象から発せられ、反射され、または散乱された放射線は、波長選択性の放物面ミラー１１０を用いて集められる。ミラー１１０は、結像面に配置された探知器母体１０８に放射線を集中する。探知器母体１０８に当てられた放射線は、機械的チョッパまたは電気光学的なチョッパ１０９によって変調される。機械的チョッパ１０９は、例えば円形物体によって構成し、その周縁部にチョッピング(chopping) 用の凹部を設け、その物体が回転すると放射線が探知器によって観測されるようにすることができる。
【００１８】
電気光学的なチョッパ１０９としては、例えば、電荷密度が変調されるシリコン・ディスクを用いてもよい。このような解決法の機能は、サブミリ波長域におけるシリコン・ディスクの透過性が、主としてそのシリコン・ディスクの電荷密度に依存するという事実に基づいている。例えば、レーザ光、または何かその他の公知の電荷注入法を用いれば、シリコン・ディスク上に電荷を形成することができる。ディスク両端間のバイアス電位を切り換えると、結果として生じた電荷担体は電圧端子へ移行し、それによって電荷は放電する。したがって、シリコン・ディスクの電荷密度は、電荷を発生するレーザ光を変調することによって変調できる。
【００１９】
探知器母体の基板は、探知器に対向する基板面に基板レンズ１１５を、探知器ごとに一個づつ設けている。この実施例では、各探知器が一個の増幅器を備えているのではなく、単一増幅器、より具体的に言えば、一つのつながりの増幅器が、二個以上の探知器の出力信号を増幅する。この目的で、各探知器の出力信号はマルチプレクサ１０７に伝えられ、このマルチプレクサは、探知器出力信号を一度に一つ選んで増幅する。この一つのつながりの増幅器は、前置増幅器１０６とロックイン増幅器１０５を含むむことが望ましい。ロックイン増幅器も、チョッパ１０９の周波数と位相に追随し、チョッパ１０９の周波数に基本的に等しい周波数を持つ信号を増幅する。ロックイン増幅器による増幅の後で、信号は低域フィルタ１０４を通され、データ収集装置１０１に伝えられる。低域フィルタ１０４の代わりに、またはこれに付け加えて、このシステムは、当業者に周知の別の信号処理機能および方法を利用することもできる。例えば、データ収集装置１０１は、測定信号をディジタル形に変換するためのＡ／Ｄ変換器を備えたコンピュータであってもよい。データ収集装置１０１は、測定信号を記憶し、測定信号に基づいて対象の映像をそのデータ収集装置のディスプレイ上に作成することが望ましい。データ収集装置１０１は、データを処理するとともに、当業者に周知の画像処理機能を実行し、この収集装置のオペレータに示すべき映像を明らかにするためにも使うことができる。マルチプレクサ１０７、増幅器１０６、１０５、および低域フィルタ１０４から成る増幅器つながりの数を、二以上にして、増幅器の各つながりが一定の探知器グループの信号を増幅するようにすることもできる。ボロメータによって発生する信号は極めて弱く、通常、数ナノボルトであるため、前置増幅器１０６は低雑音レベルでなければならない。前置増幅器１０６は、低雑音電圧増幅器、例えば Ｂｕｒｔ−Ｂｒｏｗｎ ＩＮＡ 回路１０３、またはこれに相当する何か別の回路で構成してもよい。
【００２０】
放物面反射鏡１１０は、結像面上に検査対象１１４の種々の部分の映像を形成する。反射鏡１１０の目的の一つは、対象、より具体的には、様々な解像度要素、から発したり、反射したりする放射線を集めるために、できるだけ広い立体角を使うことである。光学的な放射線収集要素の表面積を最大化するために、低い口径比の光学部品を用いるのが最も好ましい。撮像さるべき対象は、例えば人間の場合のように、比較的大きいときもある。撮像距離は比較的短いことが望ましく、例えば人間を撮像する場合は、対象から放射されたり、反射されたりする放射線の収集をできるだけ効果的にするとともに、大気による吸収の影響を最少限に抑えるため、例えば３〜５メートルにするのが好ましい。これらの諸条件の結果、結像面に取り付けられた探知器母体は、比較的大きいことが望ましいことになる。光学軸からのずれによって生じる歪みを最小限に抑えるため、探知器平面は、好ましくは、湾曲させ、例えば放物面や双曲面にしてもよい。これらを応用する場合、探知器面の形状にかかわらず“detector plane"（探知器平面）という用語を使うが、この用語を使っても、概念が文字通り平坦な探知器平面だけに限定されることはない。反射鏡またはレンズ１１０の寸法に応じて、その焦点面（フォーカルプレーン）および探知器平面は、凸の場合もあるし凹の場合もある。このような探知器平面は、好ましくは、探知器母体を複数の下部母体（サブマトリックス）、例えば１０×１０の下部母体に分割し、各下部母体は若干の探知器、例えば８×８の探知器を備えるよう、まとめることができる。このような下部母体は、概して所望の表面を構成するように配置することができる。この種の設計の利点は、下部母体を互いに全く同じに、かつ平坦にすることができるため、その製造は簡単であるが、それにもかかわらず十分な精度で所望の形状の湾曲面を構成することが可能であるということである。下部母体は、探知器平面の所望形状によっては、四角形以外の形状にしてもよい。例えば、それ自体知られた方法であるが、測地学の球殻の場合と同様に、正多角形から球状キャップ形の探知器平面を作ることもできる。
【００２１】
図２に示すように、対象のコントラストは、能動的(active)照明によって改善することができる。照明が実施可能な放射源１１２の一つに、後進波発振器（ＢＷＯ）がある。照明が実施可能な、その他の放射源としては、例えば、ガン発振器、ガン発振器と周波数倍率器との種々の組み合わせ、ＩＭＰＡＴＴ発振器、種々のトランジスタ発振器、ならびに反射形クライストロン等のチューブラ発振器等がある。対象に当てられる放射線は、擾乱を与えるような輝度の反射放射線を減らすために拡散することが望ましい。本発明の一推奨実施例では、後進波発振器によって生じた放射線は、例えば誘電性平面を用いて散乱させることによって拡散される。その誘電性平面の内部または表面は、放射線の波長のオーダかまたはそれより僅かに短い直径を持つ小さな導体を備えている。そのような物体は、例えばサイズが０．１ないし１ｍｍの金属片を含むことができる。このような誘電性平面の寸法は、任意の特定の応用例の幾何学的形状によって決まる。本発明の別の一実施例では、直径が放射線の波長のオーダかまたはそれより僅かに短い開口、例えばサイズが０．１ ないし１ｍｍの開口を設けた有孔金属板を用いて、放射線が散乱されられる。
【００２２】
本発明の一推奨実施例では、放射源１１２、例えば後進波発振器の放射線は、一個以上のミラーまたはレンズによって物体上に合焦させられる。このような実施例では、放射源１１２は、好ましくは、ミラーまたはレンズ系の焦点にあり、それによって、もし望むなら、放射線を対象の小部分に合焦させることもでき、また、全対象まで拡散させることもできる。こうして、対象に当てられる放射線の源は、上記ミラーまたはレンズ系の直径に実質的に等しい直径を持つことになる。もし、ミラーまたはレンズ系のこの直径が対象の直径と同じオーダであれば、放射源、およびミラーまたはレンズ系によって行われる照明は、本質的に円滑であり、その結果、擾乱を与えるような高い輝度の反射放射線の数は、スポットライトに近い照明源を使う場合に発生する数よりも実質的に少なくなるはずである。
【００２３】
本発明の別の一推奨実施例では、放射源１１２の放射線は、表面の粗いミラーを用いて拡散される。このような実施例では、ミラーを２μｍないし１００μｍのオーダーのＲＭＳ粗さにして、サブミリ域の放射線がミラーから拡散的に反射するようにしてやることができる。
【００２４】
図２に示すように、対象の探知可能なコントラストを増す可能性のあるものの一つは、コールドボディの使用である。コールドボディを使用する根拠となる事実は、例えば、衣服の下に隠された対象は、主として、人の体温によって生じる放射と、周囲温度に応じて対象から反射する放射との差によって探知されるということである。探知可能な温度差は、例えばコールドボディを用いて、周囲温度、または周囲の一部分の温度を変えることによって大きくすることができる。そうすれば、検査対象がこのコールドボディの放射を反射するので、検査対象の探知可能なコントラストはよくなる。もし使用さるべきコールドボディの温度が０゜Ｃ未満であれば、水蒸気の凝固・氷結を予防するために、そのコールドボディをなるべく断熱すべきである。このような場合は、氷の層がこのシステムの作動を妨げることになる。なぜならば、氷の層は、その表面温度がコールドボディの温度よりも必然的に高いので、氷の表面は高い放射率を持ち、その結果、コールドボディと人体との温度差全体が活用できなくなるからである。このようなコールドボディは、液体窒素の断熱容器を用いて供給することができる。容器材料としては、例えば、厚さが１０〜２００ｍｍの細胞状ポリスチレン、またはこれに相当する材料等を用いてよいが、これらは同時に絶縁材としての役目も果たす。この断熱材は、サブミリ帯域内で透過性が高くなければならない。適切な断熱材の一つとして、例えばポリスチレン発泡樹脂製品があるが、別の多孔質誘電性材料も使用できる。また、断熱材としては、ポリマ薄膜、例えば厚さが３μｍ〜１００μｍのポリアミド薄膜等を十分な枚数用いるのもよい。
【００２５】
図３は、本発明のこのような推奨実施例を示す。この場合は、映像形成光学要素１１０は、ミラーではなく、レンズ１１０である。このようなレンズとしては、例えば、当業者に周知の従来型の凸レンズ、すなわちフレネルレンズ等がある。その他の点については、図３の実施例は、図２の実施例と類似の設計および機能を持つ。適切なレンズ材料としては、屈折率が空気の屈折率よりも高く、かつサブミリ波長域において透過が良好であるような材料のものであればよい。このような材料の例としては、ＰＴＦＥや若干のセラミック等が挙げられる。
【００２６】
図４は、下位母体ユニットの設計に関する解決法を、本発明の一推奨実施例によって示す。この下位母体ユニットは、一個以上の探知器を備えた探知器下位母体２００を含む。この探知器母体は、例えばフリップチップ接合によって、下位母体ユニットの残部に連結することができる。したがって、探知器下位母体２００は、確立さるべき結線ごとに接続点を設ける。すなわち、一般に、四点測定を採用する際は、探知器ごとに四接続点を設ける。四点測定の場合には、ボロメータの抵抗は、複数の導体のうちの第一の対に沿うバイアス電流を供給され、この抵抗を横切るバイアス電流によって生じる電圧が、導体の第二の対に沿って測定される。本発明のシステムでは、より簡単な二点測定を採用することも可能である。二点測定の場合には、バイアス電流は、抵抗を横切って作用する電圧を測定するために使われる導体対と同じ対に沿って、抵抗に供給される。しかしながら、四点測定の方が、より正確な抵抗測定法だということが分かっている。バイアス電流は、基本的に一定にして、その結果、バイアス電流によって生じる発熱効果も一定であるようにすることが望ましい。下位母体ユニットは、第一の面を持つ回路板２１０を備えている。この第一の面は、探知器下位母体に面しており、フリップチップ技術に見合った、ろう付きイーヤを、探知器下位母体の接続点と位置合わせして設けている。回路板２１０の別面は、マルチプレクサ１０７、ろう付きイーヤとマルチプレクサとの間の電気接点、および探知器用のバイアス電流導体を備えている。このバイアス電流導体は、マルチプレクサおよび、なるべく端子２２０、２２０’の第一の要素２２０を貫通しないことが望ましい。回路板２１０は、マルチプレクサ１０７に加えて、別の信号処理機能、例えばマルチプレクサ回路１０７の一部として、または別個の回路（図４には図示せず）として、フィルタや増幅器等を備えることもできる。こうして、探知器下位母体２００、回路板２１０、信号処理電子回路および回路板２１０に含まれる端子２２０は、下位母体ユニットの第一の部分を構成する。下位母体ユニットの第二の部分は、端子２２０、２２０’の第二の要素２２０’、一個以上の増幅器ユニット２３０、および第二の端子２４０で構成される。増幅器ユニット２３０は、図２に関連して説明した前置増幅器１０６、ロックイン増幅器１０５、およびフィルタまたはこれに相当する何か別の信号処理ユニット１０４を含むことが望ましい。増幅器ユニット２３０の個数は、一以上でもよく、例えば図４に示すように、二が好ましい。当然、増幅器ユニットの数は特定の適用例によって決まり、主として、探知器下位母体２００内の探知器の数、単一の増幅器ユニットに含まれる増幅器のつながりの数、ならびにマルチプレクサ１０７内の単一のつながりとなる増幅器のために多重伝送される出力信号を持つ探知器の数に依存する。本発明の設計は、一探知器当たり一シリーズのあるいは一列のつながりとなる増幅器を備えて、マルチプレクサ１０７を不要にすることも可能である。下位母体ユニットは、もし各増幅器ユニット２３０が前置増幅器１０６とロックイン増幅器１０５で構成された一つのつながりの増幅器しか含まなければ、各探知器当たり一個の増幅器を備えるようにしてもよい。下位母体ユニットは全部、端子２４０を用いて本装置の残部に接続することができる。このような、二部分から成る下位母体ユニット設計が望ましいが、それは、万一、探知器の一個が損傷を受けても、このような設計は、探知器下位母体２００を含む、当該下位母体ユニットの第一の部分に十分取って代わることができるからである。
【００２７】
図４に示した設計を実現するための最も好ましい方法は、増幅器ユニット２３０、端子２２０、２２０’、２４０および回路板２１０が、探知器下位母体２００と等しいかまたは、これより狭い幅を持つようにすることである。このような解決法によると、下位母体ユニットの横方向寸法は、基本的に探知器下位母体２００のみによって決まる。したがって、探知器下位母体どうしの間の無駄な空間は残らずに、二つの隣接する下位母体ユニットの最も外側の探知器の間のギャップが、単一の下位母体ユニット内の探知器どうしの間のギャップに実質的に等しくなるように、若干の下位母体ユニットを並べて取り付けることができる。
【００２８】
下位母体構造の使用によって得られる別の利点は、このような構造を用いれば大きな探知器下位母体を経済的にまとめることができるということである。アンテナ付きボロメータの製造方法は極めて微妙で注意を要するものであり、したがって、例えば６インチの半導体ディスクで多数の探知器を製造する場合、一枚のディスクが、最後には容易に数個のイナクティブな(inactive)探知器になってしまう。もし、このようなディスクを単一の要素として使用するならば、この製造方法では歩留まりが悪くなる。なぜならば、少しでもイナクティブな探知器が現れたら、ディスク全体が台無しになるからである。こういったディスクを下位母体に細分化する場合は、一個以上のイナクティブな探知器を持つような個々の下位母体は廃棄処分することができる。したがって、そのような半導体ディスクであっても、単一の大きな母体として使用するならば、その大部分を利用することが可能である。
【００２９】
本発明の別の一推奨実施例による下位母体では、上述の前置増幅器１０６、ロックイン増幅器１０５、フィルタ１０４等、全ての信号処理機能は、マルチプレクサ１０７と同じ回路板２１０に取り付けられる。この種の構造や設計が望ましいのは、これらの信号処理機能が極めて少数の超小型回路内に（例えば、マルチプレクサ１０７と同じ集積回路内であっても）集積される場合である。増幅器のつながりも、増幅器、例えば前置増幅器等のつながりの全体またはその一部が各探知器と接続するように、探知器と同じシリコン基板上に集積することもできる。
【００３０】
本発明の種々の実施例においては、図４に示した模範設計による下位母体ユニット以外の種類の下位母体ユニットを使用することも可能である。例えば、所要の増幅器およびフィルタ・アセンブリ１０４、１０５、１０６が極めて少数の超小型回路内に集積される場合は、下位母体ユニットはほとんど平坦であってよい。このような、ほとんど平坦な下位母体ユニットを簡単に使って、種々の湾曲した探知器平面をまとめることができる。
【００３１】
ロックイン増幅器を使用すれば、変調された広帯域ＴＨｚ帯領域の信号を極低雑音検出することが可能になる。変調周波数は、非冷却のボロメータによく見られる１／ｆ雑音を抑制するため、好ましくは３００Ｈｚを上回るべきである。本発明の一推奨実施例では、ボロメータ母体に当てられた放射線を変調するチョッパ１０９は、入射放射束を破断するための回転式または発振式の機械的シャッタを備えている。変調は、放射を定期的に抑制できる別の任意の手段によっても実施できる。対象を能動的に照明することができる、本発明のこのような実施例では、対象を照明する放射線に変調を施すことができ、したがって、チョッパ１０９または、これに相当する要素が対象１１４と放射源１１２との間に配置されている。図２に示した実施例では、チョッパ用の好ましい位置の一つが、後進波発振器１１２と拡散器１１３との間にある。放射源を変調できるこのような実施例では、別途のチョッパは必要でない。なぜならば、所要の放射変調は、放射源を制御することによって、例えば、独立した変調制御信号を用いることによって、または発振器の作動電圧をチョッピングすること等によって実現できるからである。
【００３２】
本発明の一推奨実施例によれば、このシステムにおける波長選択は、別途のフィルタ要素なしに、二段階方式で達成できる。第一に、探知器は、１００μｍ未満の波長でその感度が急激に低下するように設計することができる。このことは、アンテナ付きボロメータの場合には、当業者には周知のように、そのアンテナの設計および寸法特定によって達成できる。第二に、反射鏡１１０を、波長選択性を持つようにすることができる。反射鏡の波長選択性は、反射鏡表面を適当に凸凹に、例えば約１０μｍ程度に、できればランダムに凸凹にすることによって達成でき、その結果、１００μｍより短い波長は拡散風に反射するが、１００μｍより長い波長は鏡面反射する。別の一選択肢は、反射鏡１１０の反射面を導電性のメッシュまたは有孔板から製造して、その表面が波長選択性反射鏡として機能するようにすることである。長さが１００μｍ未満の波は、衣服やその他の誘電性の層を極めて透過しにくいので、１００μｍ未満の波長を用いて放射を無くすことが望ましい。
【００３３】
光学要素１１０が反射鏡１１０ではなく、レンズ１１０である場合は、そのレンズ１１０の表面を約１０μｍの凸凹になる程度に粗くすれば、このレンズを用いて等価な波長選択性を得ることができる。その結果、約１００μｍより短い波長は、表面を粗くした結果として、空気とレンズの界面からランダムな方向に屈折し、そのため、光学要素１１０は、このような波長ではレンズとしての役目を果たさない。
【００３４】
本発明の一推奨実施例では、反射鏡１１０またはレンズ１１０から来る放射線は、ボロメータ専用の準−光学的要素すなわち調整要素によって、アンテナ付きボロメータの各々に合焦させられる。このような要素は、ボロメータ基板に取り付けられたレンズか、またはその基板上に作られたレンズ（今後ボロメータ・レンズと呼ぶ）を含むことが望ましい。別の一選択肢は、ボロメータごとに一つのつウェーブ・チューブを持つウェーブ・チューブ母体を用いることである。光学要素の目的は、入射放射線とアンテナとの結合を最大限にすることと、種々の界面からの反射を最小限に抑えることと、 反射の結果として生じた、様々な基板状態における放射エネルギーの消費を減らすことである。このような光学要素は、好ましくは、ボロメータに対向する基板面に含まれるべきである。なぜならば、シリコン基板上にまとめられたアンテナ付きボロメータの方向性は、大きく基板の方に偏るからである。
【００３５】
本発明の一推奨実施例では、このような光学要素は、フィード・ホーン(feed horn)・アセンブリを使用する。このようなアセンブリの例としては、ボロメータと位置合わせされたボロメータ基板内で機械仕上げされ、その内部表面が蒸着やスパッタリングによって金属メッキされた円錐体が挙げられるが、この金属円錐体は入射放射線を探知器に集中させる。
【００３６】
ボロメータ・レンズは、ボロメータ探知器用基板と同じ材料から製造されることが望ましい。使用される基板材料が極めて高抵抗のシリコンの場合は、レンズの製造は、それでもやはり高価に付くことになる。その理由はとしては、大きな探知器母材を使用する場合は多数のレンズが必要になることが特に挙げられる。本発明の一推奨実施例では、ボロメータ・レンズは、高い誘電定数を持つ粉末と低い誘電定数を持つエポキシ樹脂との混合物から製造され、実質的に損失を生じない。この目的に適したエポキシ樹脂の中には、例えば “Styecast" エポキシ樹脂という商品名で知られたエポキシ樹脂がある。高い誘電定数を持つ粉末としては、例えば炭化珪素や二酸化チタン等がある。このような混合物を使用すれば、例えば対称形の球状液滴をボロメータ基板、またはＰＴＦＥ板上に直接射出することによってボロメータ・レンズを作ることができる。エポキシ樹脂は、その製造条件下で乾燥することができるし、また、乾燥過程を速めるため、射出された複数の液滴を別々に加熱乾燥することもできる。ＰＴＦＥ板を用いる場合は、仕上がったボロメータ・レンズは、板から取り外され、別々にボロメータ基板に接着剤で付けられる。ボロメータ・レンズの形状は、例えばその混合物の粘度を調節することにより、場合によればその混合物を希釈することにより、基板から射出ノズルまでの距離を調整することにより、そしてまた、加熱乾燥温度および射出圧の両方を用いて規定することができる。この製造方法によって、多量のボロメータ・レンズ製造のための空気圧式自動射出システムの使用が可能になる。
【００３７】
本発明の別の一推奨実施例では、基板の適当な範囲および深さにわたって、基板の誘電定数を変化させることによって、ボロメータ基板上にボロメータ・レンズが得られる。これは、例えばイオン打込み、または一つ以上の適当な要素、例えば酸素または窒素原子等を、基板内部で一波長以上の深さまで拡散させることによって実施できる。このような解決法は、基板から独立した光学要素は一切必要としないので、大きくコンパクト化できる方法である。
【００３８】
放射エネルギー消費表面状態の発生を無くすための一選択肢は、回折バイナリ光学部品を実装したボロメータ・レンズを基板表面に備えることである。これは、所望のレンズ・パターンに見合った、パターン成形による金属被覆を作るための従来の超小型回路製造技術を用いれば達成できる。
【００３９】
本発明のシステムに使用されるボロメータ・レンズとしては、例えば微細機械加工法によって作られ、本発明のシステムで十分に使用できる帯域幅を持つ、ほとんど平坦なフレネルレンズを用いてもよい。
【００４０】
ボロメータ・レンズの他に、放射エネルギー消費表面状態の発生を減らすために使用される調整要素にも、特別の反射防止用サンドウイッチ構造を用いてよい。このようなサンドウイッチ構造の作成は、ボロメータ基板表面上に複数の層を設け、基板からそれらの層を経て表面に進むにつれて、それらの層の誘電定数が次第に減小するようにすることによって実現できる。このようなサンドウイッチ構造では、単一の界面でも、各部の誘電定数の間に大した差はなく、したがって屈折率もあまり高くない。その結果、全反射は、例えば、基板とそのような層の第一層との間の界面では、基板と空気との間の界面での境界角よりも実質的に大きな境界角を持つ。このため、入射放射エネルギーと表面状態との結合は低下し、入射放射エネルギーと探知器との結合は向上する。誘電定数が表面の方に向かって段階的、あるいはほとんど連続的に減小して行くような表面層は、例えばイオン打込み、または一つ以上の適当な要素、例えば酸素または窒素原子等を、基板内で種々の深さまで拡散させることによっても実現できる。ボロメータ・レンズを用いて実施する解決法に関して、この種のアセンブリの持つ欠点は、このようなサンドウイッチ構造は、ボロメータより広い面積からは放射線をボロメータ上に集めて合焦しないということである。
【００４１】
本発明の一推奨実施例では、探知器母体は、電磁放射を二つ以上の波長域において探知する。このような探知器母体の設計は、共通の基板上に、多様な波長域向けに寸法を合わせられたボロメータを備えることによって実現できる。共通の結像面内における探知器の統合によって、同時撮像、ならびに二つ以上の波長域、例えば赤外域とサブミリ波長域において共通イメージフィールドへの合焦が可能になる。このような実施例では、ボロメータごとに割り当てられたボロメータ・レンズまたはこれに相当する光学要素は、当該ボロメータによって探知される波長帯域向けに最適化されることが好ましく、したがって、共通基板は二種類以上のボロメータ・レンズまたは相当光学要素を備えることもできる。
【００４２】
共通基板上における二つ以上の波長域のボロメータの統合化を採用すれば、アンテナ設計の際にアンテナの相互インダクタンスによって生じる問題を軽減することができる。例えば、第一の波長域向けに寸法を合わせられた二つのアンテナ要素の間に第二の波長域向けに寸法を合わせられたアンテナ要素があるとすれば、第一の波長域向けに寸法を合わせられたこれらのアンテナ要素の間の相互インダクタンスは、第二の波長域向けに寸法を合わせられたこのようなアンテナ要素が介在しない場合よりも低くなるはずである。
【００４３】
例えば、種々の波長域向けに最適化された、アンテナ付きボロメータのアンテナ要素は、形状は全く同じであるが寸法が異なったもの、例えば寸法のみによって自分自身の波長域向けに励振されるもの、とすることができる。アンテナ要素の波長域が様々に異なれば、アンテナ要素の種類も様々に異なってよい。例えば、第一の波長域が、集めらるべきエネルギーを最大化するために、撮像用にできるだけ広い波長帯域を必要とし、第二の波長域が、入射放射線の偏向に依存する応答を必要とするならば、第一の波長域用のアンテナ要素は、図１に示すようなスパイラル形要素でもよいが、第二の波長域用のアンテナ要素は、ダイポール形要素でよい。
【００４４】
共通基板は、共通の波長域において二つ以上の異なった映像を作成するために、共通の波長域向けに寸法を合わせられるが、一定の特徴に関しては互いに異なったアンテナ付きボロメータを備えることもできる。例えば、共通基板は、互いに直交する二方向に向けられ、ダイポールアンテナ要素が取り付けられたボロメータを設けることができ、それによって、異なった方向に向けられたこれらのボロメータは、異なった方向に偏向された放射線を受け取る。この種の探知器母材は、例えば、水平偏向した放射線によって第一の映像を作成し、垂直偏向した放射線によって第二の映像を作成できるような撮像システムを確立するのに使うことができる。
【００４５】
二つ以上の映像を作成する、本発明のこのような推奨実施例では、共通の画素に対応する異なった映像の探知器は、同一のボロメータ・レンズを利用することができる。上述の例では、第一の方向に向けられたシステム・ボロメータは水平偏向映像を作成し、第二の方向に向けられたボロメータは垂直偏向映像を作成する。このシステムは、一対のボロメータ当たり一枚のボロメータ・レンズを備えることができるが、この一対のボロメータは、共通の画素に対応するボロメータの、異なった方向に向けられたものから成る。
【００４６】
本発明のシステムは、従来技術に優るいくつかの利点を提供する。在来の無線技術、例えばヘテロダイン受信機の使用に基づく解決法に対して、本発明の長所の一つは、短い撮像用波長を使用できることであり、その結果、同一の光学部品を使った場合、より小さな回折角が得られることになる。その上、電力消費がかなり低く、１画素当たり１ワットのオーダーであるヘテオダイン受信機の消費電力に比べて、本発明による電力消費は、１画素当たりわずかコンマ数ミリワットに過ぎない。
【００４７】
アンテナ付きボロメータによる、大きな高密度実装の探知器母体の製造は、コストがより低く、また在来のＲＦ技術による製造に比べて信頼性が高い。探知器母体の探知器密度は、画質の見地から重大な要因である。なぜならば、光学部品の口径比は小さく、したがって結像軸からそれた方向に生じる歪みは、有用な像面の大きさを劇的に制約するからである。さらにまた、室温で黒体が発する黒体放射の強度は、サブミリ波長域内では密度の二乗に直接比例し、サブミリ波長域で作動するボロメータは、Rayleigh-Jeans（レーリー − ジーンズ）法則に従って、室温において対象を、１００ＧＨｚ域で機能する受信機に基づくＲＦ技術によって得られるものよりも輝度の高いものとして探知する。そういう訳で、アンテナ付きボロメータを利用する解決法は、受動的(passive)撮像において、より効果的なのである。
【００４８】
本発明のシステムは、室温で使用することができ、したがって、高価で精巧な冷却装置は不要である。
【００４９】
本発明のシステムは、武器や密輸品を探すためのみでなく、サブミリ帯域分光器法、金属の探知、誘電性材料の厚さおよび水分量の測定、地形測量、対象の温度解析、その他多くの応用分野に使用することができる。アンテナ付きボロメータは、その高速性によって、極めて高い映像速度を要求する応用分野での使用が可能になる。そのような注目すべき応用例の一つとして、標的へ自己誘導されるミサイル用イメージ・ヘッドがあるが、これは現在の技術では、赤外放射を探知する受動(passive)探知器を備えている。このような応用例で必要とされる像点の数は多くないが、映像周波数は極めて高くなければならない。このような誘導装置の能力は、サブミリ波長域を用いることによって改良することができる。なぜならば、サブミリ帯域での空気の透磁度（パーミアンス）は適度であり、またサブミリ波長域で行われる探知は、煙やたいまつ等の対抗手段に対しては、より鈍感なためである。というのは、サブミリ帯域の放射線は雨、霧、煙等を、赤外放射線よりも効果的に透過するからである。このようなイメージ・ヘッドの作動は、二つ以上の波長域用の探知器、例えば遠赤外域およびサブミリ波長域用の探知器を備えた探知器母体を使用することによって、さらに改良することができる。本発明のシステムは、鉱山や鉱山に類似した対象の受動的(passive)探知および能動的(active)探知にも利用することができる。この種の応用例でも、少なくとも二つの波長域用の探知器、例えば８ないし１２μｍの遠赤外域用およびサブミリ波長域用の探知器を利用することが望ましい。
【００５０】
前に述べた１００μｍないし１０００μｍの波長域は、有利な波長域の一例に過ぎない。しかしながら、この波長域の有利な諸特性は、いくらかこの範囲外にも広がるので、本発明はこの範囲のみに限定されない。同様に、本明細書ではサブミリ波長にしばしば言及したが、本発明は１ミリメートルより短い波長の使用に限定される訳ではない。これまで説明したサブミリ帯域の有利な特性は、厳密に１ミリメートルの波長より短い波長に限定されるのではなく、これより長い波長にも及ぶのである。例えば、約１００μｍから約３ｍｍまでの波長は、前のパラグラフで述べた応用例の場合に有用である。
【００５１】
以上、少しの実施例を参照しながら本発明を説明したが、本発明は、添付クレームに規定される本発明の概念の範囲内で、数多くの方法で変更できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナと結合したボロメータの基本設計を示す図である。
【図２】本発明の一実施例のための設計を示す図である。
【図３】本発明の別の一実施例のための設計を示す図である。
【図４】本発明の一実施例による下位母体のための設計を示す図である。
【符号の説明】
１０  アンテナと結合したボロメータ
１１  ボロメータ要素
１２  ボロメータのアンテナ要素分岐
１０１  データ収集装置
１０４  低域フィルタ
１０５  ロックイン増幅器
１０６  前置増幅器
１０７  マルチプレクサ
１０８  探知器母体
１０９  チョッパ
１１０  ミラーまたはレンズ
１１１  コールドボディ
１１２  放射源
１１３  拡散器
１１４  対象
１１５  基板レンズ
２００  探知器下部母体
２１０  回路板
２３０  増幅器ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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