JP6843600B2 - 画像取得装置、これを用いた画像取得方法及び照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を用いた画像取得装置及びこれを用いた画像取得方法、及び照射装置に関する。

テラヘルツ波は、典型的には０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚの範囲のうち任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この周波数帯域には、生体分子や樹脂をはじめとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。これに加え、可視光や赤外光と比較して波長が長いため、散乱の影響を受け難く、多くの物質に対し強い透過性を有している。また、ミリ波と比較して波長が短いため、空間分解能が高くなる。

これらの特徴を活かして、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術、ミリ波（典型的には３０ＧＨｚから３００ＧＨｚ）に替わる高分解能の透過イメージング技術、分光を伴うイメージング技術等への応用が期待されている。例えば、公共の場所でのボディチェックや監視カメラ等の秘匿物検査技術への応用が検討されている。

特許文献１には、テラヘルツ波照射装置を用いた画像取得装置として、点光源とみなせるテラヘルツ波の発生素子からのテラヘルツ波ビームを被写体に拡大照射し、複数の検出器アレイでテラヘルツ波を受信する形態が記載されている。

特開２００６−８１７７１

人体の皮膚構造は、数１０μｍから数１００μｍの凹凸を有する。これに対しテラヘルツ波の波長は、数１０μｍから数１００μｍと皮膚構造と同等か、または大きな値を示す。このため、被写体に人体が含まれる場合、テラヘルツ波を用いたイメージングは、可視光に代表される散乱を用いた散乱イメージングではなく、正反射を用いた正反射イメージングとなる。より詳細には、テラヘルツ波に対し人体の皮膚構造は滑らかな反射物とみなせることができ、人体が有する曲面に対するテラヘルツ波の入射位置及び角度によって、テラヘルツ波の正反射波の方向が決定される。

例えば、特許文献１に記載されるような点光源を利用してテラヘルツ波を照射する画像取得装置を用いて人体のイメージングを試みると、テラヘルツ波の正反射波の方向によっては、テラヘルツ波の正反射波が検出器アレイに到達しないことがある。そのため、画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素と検出できない画素が発生することがある。テラヘルツ波を検出できない画素の割合が多くなるに従い被写体の形状に関する情報が少なくなるため、取得した画像から被写体の詳細な形状を推定することは容易ではない。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたもので、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することを目的とする。

本発明の一側面としての画像取得装置は、テラヘルツ波を用いて被写体の画像を取得する画像取得装置であって、テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、前記発生部からのテラヘルツ波を結像面に結像する照射光学系と、前記被写体で反射したテラヘルツ波を結像する結像光学系と、複数の画素を含み、前記結像光学系からのテラヘルツ波を検出するセンサと、を有し、前記発生部は、前記照射光学系の物体面に配置されており、前記複数の発生素子は、前記発生部において隣り合っており且つ前記被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波のビームと前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波のビームとが、前記結像面において重複する重複領域を有することを特徴とする。

本発明の一側面としての画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。

第１の実施形態の画像取得装置の構成を説明する模式図。 第１の実施形態の画像取得装置の別の構成の一例を説明する模式図。 点光源の配置例を説明する模式図。 第２の実施形態の画像取得装置の構成を説明する模式図。 第３の実施形態の画像取得装置の別の構成を説明する模式図。 第４の実施形態の画像取得装置の走査部の構成を説明する模式図。 第４の実施形態の画像取得装置の走査部の別の構成の一例を説明する模式図。 第４の実施形態の画像取得装置の整形部の構成を説明する模式図。 第４の実施形態の画像取得装置の走査部の別の構成の一例を説明する模式図。 第１の実施形態の画像取得装置のビーム分布の計算例を説明する模式図。 第１の実施形態の画像取得装置の点光源の間隔とビーム分布の重なる割合の関係を説明する図。 第４の実施形態の画像取得方法を説明するフロー図。 電磁波の背景雑音及び大気減衰を説明する図。

以降の各実施形態は、テラヘルツ波を照射するための照射装置及びこれを用いた画像取得装置について記載する。まず、テラヘルツ波について説明する。

図１３は、マイクロ波からテラヘルツ波帯における地球に飛来する太陽由来の背景雑音（放射束密度）と、テラヘルツ波帯の大気減衰量の周波数スペクトルの例を示したものである。背景雑音のうち、マイクロ波帯からミリ波帯にかけて観測される盛り上がり部分の雑音は、太陽活動の状態によって変化する。図１３に示すように、マイクロ波帯からミリ波帯では、背景雑音が増加する場合がある。さらにマイクロ波帯からミリ波帯では、人間の活動に伴う人工的な雑音、及び天候や大気の状態に伴う雑音類が、環境雑音として重畳される。

近年、ミリ波帯を中心とした通信技術や、ミリ波帯の電磁波を使用した電波天文観測が盛んになっていることから、電波法により、０．２７５ＧＨｚより低い周波数帯は利用目的が細かく割り当てが行われている。また、天体観測にも使用される帯域であるため、ミリ波帯は電波法により、出力できる電界強度に強い制限を設けている。

ミリ波を用いた画像取得装置を構築する場合、背景雑音の増加及び利用可能なミリ波の出力制限のため、信号のＳＮ比が小さく、乗算器を用いた周波数変換技術を用いた検出を行うことが多い。また、使用する電磁波の波長が長いため、イメージセンサを含む光学系が大きくなり、電気的にも光学的にも画像取得装置が大型化する恐れがある。用途によっては、十分なＳＮ比が確保できず、イメージセンサの画素サイズを大きくする必要があるため、得られる画像は被写体の全体的な輪郭にとどまり、被写体の詳細な形状を直接的に判別することは難しいことがある。

ミリ波カメラの画像をより高精細にするため、テラヘルツ波を用いた画像取得装置が考えられる。テラヘルツ波を用いた画像取得装置では、ミリ波よりも高い出力の光源を用いることができること、利用可能な周波数の選択性が高いこと、波長が短くなることで装置を小型化できること等が期待できる。

また、図１３のテラヘルツ波帯の大気減衰量のスペクトルをみても分かるように、部分的に大気減衰が小さい領域（「大気の窓」と呼ぶ）があるため、大気の窓に相当する電磁波を選択することで大きな信号の減衰を回避できると考えられる。

以降の各実施形態では、このようなテラヘルツ波を用いた画像取得装置と画像取得方法、及び画像取得装置に用いる照射装置について述べる。以降の各実施形態は、上述したように、正反射イメージングとなるテラヘルツ波の画像取得装置であっても、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することを目的とする。このような課題は、ミリ波を用いた画像取得装置でも潜在的に発生している。しかし、被写体全体の輪郭のイメージングを行うミリ波を用いた画像取得装置よりも高分解能なテラヘルツ波を用いた画像取得装置を用いて、被写体の形状をより高精度にイメージングする際に、より顕在化する課題である。

（第１の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００１について、図１を参照して説明する。図１は、画像取得装置１００１の構成を説明する模式図である。

画像取得装置１００１は、検出部１００、第１の照射装置（第１の照射部）１１０、第２の照射装置（第２の照射部）１２０、第１の支持部１１８、第２の支持部１１９、モニタ部１３０、及び処理部１７０、を有する。

第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０のそれぞれは、テラヘルツ波を被写体１４０に照射する。なお、本実施形態では、画像取得装置１００１が第１の照射部１１０と第２の照射部１２０との２つの照射部（照射装置）を有しているが、照射部の数はこれに限らず、１つでもよいし２つ以上であってもよい。第１の照射部１１０から発生するテラヘルツ波は第１の照射波１５３として被写体１４０に照射される。また、第２の照射部１２０から発生するテラヘルツ波は、第２の照射波１５４として被写体１４０に照射される。

第１の照射波１５３、第２の照射波１５４のそれぞれからのテラヘルツ波の周波数は、周波数の割り当てが行われていない０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有するか、単一の周波数であることが好ましい。被写体１４０として人体を含む場合、多くの衣服類は１ＴＨｚまで高い透過性を有するため、秘匿物の検査等に用いる場合には０．３ＴＨｚ以上１ＴＨｚ以下の周波数範囲がより好ましい。

第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０のそれぞれは、テラヘルツ波を発生する発生部１１２と照射光学系１１１とを少なくとも有する。なお、以降の説明では、第１の第１の照射部１１０について説明するが、第２の照射部１２０についても同様の構成である。

発生部１１２は、テラヘルツ波を発生する第１の発生素子１１３、第２の発生素子１１４を含む複数の発生素子を有し、複数の発生素子が配置面１１７に沿って配置されている面光源である。

複数の発生素子のそれぞれは、その大きさが検出部１００までの距離に比べて小さく、点とみなせるテラヘルツ波源とみなすことができ、以降、これを点光源と呼ぶ。これを換言すると、検出部１００が画像として分解できる大きさと同程度か、この大きさよりも小さいテラヘルツ波源である。この場合、点光源から発生するテラヘルツ波は、１点から放射状に発生するとみなせる。配置面１１７については、後述する。以降の説明では、第１の発生素子１１３及び第２の発生素子１１４を含む複数の発生素子のそれぞれを「点光源」、複数の発生素子を有する発生部を「面光源」と呼ぶ。

複数の点光源のそれぞれは、共鳴トンネルダイオードのような半導体素子型のテラヘルツ波発生素子、又は光スイッチング、差周波光を利用する光励起型のテラヘルツ波発生素子等が適用できる。

また、複数の点光源のそれぞれは、大気とのインピーダンス整合やテラヘルツ波の発生効率改善のため、アンテナ構造を有していることが望ましい。アンテナの大きさは使用する波長と同程度に設計される。

以降の説明では、具体例として、複数の点光源に含まれる第１の点光源１１３と第２の点光源１１４について説明する。第１の点光源１１３は、第１のテラヘルツ波１５６を発生する点光源であり、第２の点光源１１４は、第２のテラヘルツ波１５７を発生する点光源である。第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とは、照射光学系１１１の結像面において一部が重なり合う重複領域を有するように構成されている。

この場合、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間の距離は、第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７に含まれる波長のうちの最長波長から求められる距離以上となるように配置されることが好ましい。具体的には、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間の距離は、第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７に含まれる波長のうちの最長波長に対応するアンテナの遠方界以上の長さとなるように配置される。なお、第１のテラヘルツ波１５６の波長と第２のテラヘルツ波１５７の波長とは、同じであっても異なっていてもよい。

ここで、本明細書における「遠方界」とは、点光源１１３、１１４のそれぞれが孤立しているとみなせる距離である。遠方界には様々な表現方法があるが、例えば、アンテナ径をＤ、テラヘルツ波の波長をλとすると、２Ｄ^２／λ以上の距離である。より好ましくは、無限遠とみなせる３２Ｄ^２／λ程度に各点光源を離して配置することが望ましい。第２の点光源１１４を第１の点光源１１３の遠方界に相当する位置に配置することで、各点光源を独立した光源とみなすことができ、点光源間の相互作用の影響が無視できるため動作が安定化する。

例えば、点光源１１３、１１４のアンテナとしてダイポールアンテナやパッチアンテナのような半波長アンテナ（Ｄ＝λ／２）を使用する場合、遠方界は、０．５λ以上と計算できる。特に、無限遠とみなせる距離は８λ以上と計算できる。第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７が０．５ＴＨｚ（λ＝０．６ｍｍ）のテラヘルツ波である場合、遠方界は０．３ｍｍ、無限遠とみなせる距離は４．８ｍｍである。使用するテラヘルツ波が複数の波長を有する場合、λはテラヘルツ波の最長波長とする。

照射光学系１１１は、結像機能を有する光学系である。詳細には、照射光学系１１１の物体面１１６に配置した面光源１１２から発生した第１の照射波１５３を、照射光学系１１１の結像面１１５に収束させる。物体面１１６は、照射光学系１１１の物体側の結像面である。なお、第１の照射波１５３は、少なくとも第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７を含むテラヘルツ波の集合波である。集合波に含まれるテラヘルツ波は、面光源１１２を構成する点光源の数だけ存在する。

照射光学系１１１としては、レンズのような透過型の光学素子又はミラーのような反射型の光学素子等を１つ又は複数組み合わせて構成することができる。例えば、図１の画像取得装置１００１では、直線１５０を光軸とする照射光学系１１１を１枚のレンズで構成している。照射光学系１１１としてレンズを用いる場合、レンズの材料は、使用するテラヘルツ波に対する損失が小さいものを使用することが好ましい。例えば、テフロン（登録商標）や高密度ポリエチレン（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）が挙げられる。照射光学系１１１の設計は、可視光の手法が適用できる。

照射光学系１１１の構成は、上述の透過型のものに限らず、例えば図２のように、照射光学系１１１として、ミラーを用いる反射型の照射光学系２１１を用いてもよい。図２の画像取得装置１００２の照射光学系２１１は、各点光源からのテラヘルツ波を反射するミラーとして、直線２５０を光軸とする軸外し放物面形状を有するミラーを用いている。ただし、ミラーの構成はこれに限定されない。

なお、画像取得装置１００２では、照射光学系２１１の構成に合わせて、面光源２１２は、物体面２１６と交差する配置面２１７に複数の点光源を配置している。照射光学系２１１を経た第１の点光源１１３からの第１のテラヘルツ波２５６と第２の点光源１１４からの第２のテラヘルツ波２５７とを含む第１の照射波２５３が結像面２１５で結像され、被写体１４０に照射される。第２の照射部２２０も同様の構成であり、第２の照射部２２０からの第２の照射波２５４が被写体１４０に照射される。

照射光学系１１１として図１のような透過型の光学素子を用いると、面光源１１２と照射光学系１１１を同軸上に配置できる。このため、各照射部１１０、１２０の構築時に、アライメントの精度確保が容易になる。また、同軸上に配置することで、設置スペースを小さくすることができ、照射部１１０、１２０が小型化できる。

照射光学系１１１として、図２のような反射型の光学素子を用いると、テラヘルツ波が光学素子を透過する際の損失を低減でき、第１の照射波１５３及び第２の照射波１５４の出力の減少を低減できる。また、透過型にくらべ、反射型の光学系は大型化が容易であるため、照射光学系１１１のテラヘルツ波受光面積を大きくすることができ、テラヘルツ波の取り込み効率を向上することができる。

検出部１００はテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波用のカメラである。画像取得装置１００１では、第１の照射部１１０と第２の照射部１２０のそれぞれは、第１の支持部１１８、第２の支持部１１９を用いて検出部１００に固定され、一体化している。第１の支持部１１８と第２の支持部１１９とのそれぞれは、第１の照射部１１０及び第２の照射部１２０の姿勢を調整するための姿勢調整用可動部を有していてもよい。

検出部１００は、複数の画素に区切られたセンサ１０２と、センサ１０２の撮像面にテラヘルツ波である被写体１４０からの反射波１５５を結像させる結像光学系１０１と、を有する。反射波１５５は、被写体１４０で反射した第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とを含む。

センサ１０２の各画素はアレイ状又はマトリクス状に区画されており、各画素に対しテラヘルツ波を検出する検出素子が配置される。複数の検出素子は、ボロメータのような熱型の検出素子、又はショットキーバリアダイオードのような半導体型の検出素子等が適用できる。センサ１０２の出力信号を参照してテラヘルツ波画像が構成される。

大気とのインピーダンス整合やテラヘルツ波の検出効率の向上のため、センサ１０２の検出素子のそれぞれは、アンテナ構造を有することが望ましい。アンテナの大きさは、画像取得装置１００１で使用する波長と同程度に設計される。画像を高速に取得することが求められる場合、検出素子として半導体型の検出素子を用いることが望ましい。

結像光学系１０１は、結像光学系１０１の物体面に配置された被写体１４０の像をセンサ１０２に結像する光学系であり、レンズ、ミラー等の光学素子を用いることができる。なお、画像取得装置１では結像光学系１０１として直線１５１を光軸とする１枚のレンズを用いているが、結像光学系１０１の構成はこれに限らず、複数の光学素子を用いてもよい。レンズで構成する場合、使用するテラヘルツ波に対する損失が小さい材料を用いることが好ましい。例えば、テフロンや高密度ポリエチレン（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）が使用できる。結像光学系１０１の設計は、可視光の手法が適用できる。

被写体１４０からの反射波１５５は、検出部１００で検出され、検出部１００の検出結果は処理部１７０に送られる。処理部１７０は、検出部１００の検出結果を用いて画像を取得する。処理部１７０としては、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータ等の処理装置を用いることができる。可視化に係る処理は、処理部１７０においてソフトウェアで処理してもよいし、処理部１７０の処理の一部の機能を論理回路などのハードウェアで代替することもできる。なお、処理部１７０は汎用のコンピュータで構成してもよいし、ボードコンピュータやＡＳＩＣのような専用のハードウェアで構成してもよい。また、処理部１７０は検出部１００内部に搭載されていてもよい。

処理部１７０で形成された画像情報に基づき、モニタ部１３０で被写体の画像を表示することができる。なお、モニタ部１３０は、処理部１７０としてのコンピュータのモニタであってもよいし、画像を表示するために用意されたものでもよい。

図１（ｂ）は、照射光学系１１１の結像面１１５の一部の様子を示す模式図である。結像面１１５では、結像面１１５に収束される第１のテラヘルツ波１５６の第１のビーム分布１５８の一部と第２のテラヘルツ波１５７の第２のビーム分布１５９の一部とが重複する重複領域を有する。面光源１１２は、第１のビーム分布１５８の一部と第２のビーム分布１５９の一部とが重複するよう、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔や配置が調整されていることが好ましい。

このような構成にすることにより、被写体１４０の領域に対し、第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とが異なる方向から照射される。その結果、第１のテラヘルツ波１５６と第２のテラヘルツ波１５７とのそれぞれは、被写体１４０で入射角度に等しい反射角度で反射し、それぞれ被写体１４０に対して異なる方向に伝搬する。このことにより、被写体４０の領域から反射する第１のテラヘルツ波１５６及び第２のテラヘルツ波１５７を疑似的に散乱波とみなすことができるようになる。

このとき、結像面１１５では、第１のビーム分布１５８と第２のビーム分布１５９との重複領域と、センサ１０２の複数の画素のうちの少なくとも１つの画素に対応する結像面１１５での観察領域１６０と、が重なっていることが望ましい。

これにより、検出部１００のセンサ１０２の各画素は、観察領域１６０について複数の方向からの正反射光を取り込むことができるためテラヘルツ波を検出できない画素の割合を下げることが可能となる。その結果、検出部１００の検出結果を用いて、従来よりも正確な画像を得ることができる。また、得られた画像から被写体１４０の形状を推定することが従来よりも容易となる。

複数の点光源は、配置面１１７に沿って配置される。配置面１１７は平面でもよいし曲面を有していてもよい。また、配置面１１７は、照射光学系１１１の物体面１１６と同じ面でもよいし、交差していてもよい。第１の照射部１１０は、配置面１１７の形状や物体面１１６に対する配置面１１７の姿勢を調整することにより、各点光源と照射光学系１１１との距離を調整し、被写体１４０に照射するテラヘルツ波の収差を調整する。テラヘルツ波の収差の調整により、点光源からのテラヘルツ波のビーム分布の重複領域を調整し、観察領域１６０との重なり具合を調整することを可能とする。

ここで、照射光学系１１１は有限の大きさであるため、配置面１１７の形状や物体面１１６に対する配置面１１７の姿勢によっては、照射光学系１１１の光学素子によってテラヘルツ波の一部がけられる、いわゆるケラレが発生する可能性がある。このケラレにより、例えば、被写体１４０に到達するテラヘルツ波の出力が低下する可能性がある。このようなケラレを低減するために、図３のように、点光源３１３、３１４を含む複数の点光源のそれぞれから放射されるテラヘルツ波のビームパターン（放射パターン）の指向軸と、照射光学系３１１の光軸とが一点で交わるように構成することが好ましい。

なお、本明細書における点光源の指向軸とは、点光源からのテラヘルツ波の指向特性の中心軸であり、具体的には、点光源から最も強度が大きいテラヘルツ波が射出される方向を示す直線である。例えば、点光源の重心を中心として、半径が異なる複数の同心円上においてテラヘルツ波の強度が最も強い位置を結んだ直線等である。

例えば、図３に示したように、面光源３１２に含まれる点光源３１３の放射パターン３６０の指向軸３６１と、点光源３１４の第２の放射パターン３６２の第２の指向軸３６３と、照射光学系３１１の光軸と、は同じ位置で交わるように配置されている。このような配置により、各点光源から発生するテラヘルツ波を照射光学系３１１の光学的に有効な領域内部に収めることができる。そのため、照射光学系３１１によるケラレを低減し、被写体１４０に到達するテラヘルツ波の出力低減を抑制することができる。

なお、本実施形態では、指向軸３６１と照射光学系３１１の光軸とが交わる位置と、指向軸３６３と照射光学系３１１の光軸とが交わる位置と、が同じ位置になっているが、この構成に限らない。すなわち、指向軸３６１、３６３のそれぞれは、互いに異なる位置で照射光学系３１１の光軸と交わっていてもよい。

また、複数の点光源のそれぞれからのテラヘルツ波は、被写体１４０に対し同時に照射することが望ましい。また、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の出力を変調する場合、両点光源は同期して被写体１４０に照射される出力が切替えられることが望ましい。

図１０（ｂ）と（ｃ）は、図２の画像取得装置１００２における結像面２１５に結像される面光源２１２からの複数のテラヘルツ波のビームパターンを幾何光学的に計算した例である。具体的には、面光源２１２を構成する複数の点光源を開始点として、結像面２１５までの光線を追跡した。

図１０（ａ）は、計算に使用した面光源２１２を構成する点光源の配置を説明する図である。面光源２１２は、面光源２１２の中心部に間隔ｄで配置されている点光源［１］〜［９］と、面光源２１２の外周に沿って配置されている点光源［１０］〜［１７］とを有するものと仮定し、計算に使用した。中心部の点光源［１］〜［９］は、テラヘルツ波のビーム分布の重なりを確認するために使用し、外周部の点光源［１０］〜［１７］は、収差によるビーム分布の最大広がりを確認するために使用する。

計算の簡略化のため、ここでは、面光源２１２が、中心部に配置されている９つの点光源［１］〜［９］と外周部に配置されている８つの点光源［１０］〜［１７］とを有しているが、点光源の個数や配置する位置はこれに限定されない。例えば、間隔ｄで点光源をマトリクス状に配置する場合、面光源２１２の外周の一辺の長さをＬとする時、面光源２１２は、（Ｌ／ｄ＋１）×（Ｌ／ｄ＋１）の点光源を有してもよい。

計算に用いた条件を示す。図１０（ａ）は、面光源２１２の一辺の長さＬを１００ｍｍとした。テラヘルツ波として、０．５ＴＨｚの周波数を対象とする場合、波長λは０．６ｍｍである。点光源のアンテナとして半波長アンテナを用い、アンテナ径Ｄを０．３ｍｍとした。この時の、アンテナの遠方界は０．３ｍｍ（λ／２）以上であり、無限遠とみなせる遠方界は４．８ｍｍ（８λ）以上である。

照射光学系２１１としては、一般的な衛星放送用のパラボラアンテナを用いるものとする。パラボラアンテナの開口部分の長手方向の長さを５２０ｍｍ、短手方向の長さを４６０ｍｍ、開口部から底部までの深さを５０ｍｍとした。パラボラアンテナの軸上焦点距離は２３４ｍｍ、軸はずし角度は５５．６度、軸外焦点距離は２９９ｍｍとした。

照射光学系２１１としてのパラボラアンテナの軸外焦点は、面光源２１２から照射光学系２１１に至るテラヘルツ波の入射軸２５０上に存在する。また、照射光学系２１１の開口部の傾きは、入射軸２５０に対し、６２．２度である。入射軸２５０は、幾何光学的には光軸に相当する。物体面２１６は、入射軸２５０に対し垂直な面である。物体面２１６は、入射軸２５０に沿う方向に配置される。詳細には、物体面２１６は、軸外焦点位置に対し照射光学系２１１から離れる方向に約８５ｍｍの位置に配置する。面光源２１２は、物体面２１６と配置面２１７とが交差するように、物体面２１６付近に配置される。なお、配置面２１７と物体面２１６とを同じにしてもよい。

このような第１の照射部２１０を用いると、第１の照射波２５３は、照射光学系２１１より約１３４０ｍｍの位置に結像され、テラヘルツ波が被写体１４０に照射される。上述したように、面光源２１２の外周の一辺の長さＬを１００ｍｍとする時、被写体１４０に照射される第１の照射波２５３は、約３５０ｍｍ×３５０ｍｍとなる。計算では、パラボラアンテナの開口部の有効径は８０％とした。なお、第２の照射部２２０は、第１の照射部２１０と同じ構成である。

図１０（ｂ）は、点光源の間隔ｄをアンテナに対し無限遠とみなせる距離４．８ｍｍ（８λ）としたときの、面光源２１２の中心部分の点光源［１］〜［９］のそれぞれからのテラヘルツ波の結像面２１５におけるビーム分布を計算したものである。ここで、横軸（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ／ｍｍ）は図２におけるＸ方向に相当し、縦軸（Ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｍｍ）は図２におけるＹ方向に相当する。

図１０に示したように、各テラヘルツ波のビーム分布は、パラボラアンテナの収差の影響で上に凸の形状に拡がっている。また、中心に配置されている点光源［５］からのテラヘルツ波のビームに対し、点光源［５］の周囲の点光源［１］〜［４］、［６］〜［９］からのテラヘルツ波のビームが重複していることが確認できる。これにより、反射波１５５を疑似的に散乱光として扱うことが可能となる。この重複部分に検出部１００のセンサ１０２の画素の観察領域１６０を重ねることで、重複部分で反射した疑似的な散乱波である反射波１５５を検出することができる。

ここで、結像光学系１０１として外径１２０ｍｍ、曲率半径約１００ｍｍのレンズを用い、センサ１０２と結像光学系１０１との距離を２２４ｍｍと仮定する。この時、結像光学系１０１と被写体１４０との距離は約１２００ｍｍであり、第１の照射部２１０と被写体１４０との距離とほぼ等しくすることができる。センサ１０２の画素サイズを、面光源２１２の波長程度の０．５ｍｍとすると、観察領域１６０のサイズは、約２．６ｍｍとなる。図１０（ｂ）をみても、各ビーム分布の重複領域（図１０中に円で示した領域は、観察領域１６０のサイズよりも大きい。そのため、重複領域は観察領域１６０を含むことができることがわかる。なお、結像光学系１０１の形状は非球面を有していてもよい。

図１０（ｃ）は、点光源の間隔ｄを１９．２ｍｍ（３２λ）としたときの、点光源［１］〜［１７］のそれぞれからのテラヘルツ波のビーム分布の計算結果を示す図である。図中の番号は、計算に使用した図１０（ａ）の点光源の番号に対応する。図１０（ｃ）によると、中心に配置されている点光源［５］からのテラヘルツ波のビームと、点光源［５］の周囲の点光源［１］〜［４］、［６］〜［９］からのテラヘルツ波のビームとが、２か所で重複していることが確認できる。詳細には、点光源［５］からのテラヘルツ波のビームと、点光源［４］、［６］のそれぞれからのテラヘルツ波のビームとが重複している。

面光源２１２の外側部分の点光源［１０］〜［１７］からのテラヘルツ波のビーム分布は、照射光学系２１１の収差の影響により中心部の点光源［１］〜［９］のビーム分布と比較して大きく分布していることがわかる。このため、より多くの点光源のビーム分布を観察領域１６０に重複させることが可能となる。

ここで、隣接する点光源からのテラヘルツ波の重複率について説明する。本明細書における「重複率」とは、中心に配置されている点光源と隣接する点光源からのテラヘルツ波のビームの数Ａに対する、中心部のビームと重複する領域の数Ｂの比Ｂ／Ａであり、隣接ビーム分布が重なる割合である。点光源の間隔ｄが距離４．８ｍｍ（８λ）である図１０（ｂ）の態様では、重複率は１である。点光源の間隔ｄが距離１９．２ｍｍ（３２λ）である図１０（ｃ）の態様では、重複率が０．２５である。

図１１は、面光源２１２の中心部分について、隣接する点光源の間隔ｄに対する隣接ビームの重複率をプロットしたものである。図１１に示したように、無限遠とみなせる遠方界８λまでは、隣接する点光源からのテラヘルツ波のビームはすべて重なり、８λを超えるとビームが重なる割合が減少することが分かる。そして、３２λを超えるとほとんどのビームが重ならなくなり、３６λで各ビーム分布が孤立する。

以上のことから、テラヘルツ波帯において疑似散乱光を形成するために望ましい第１の点光源１１３と第２の点光源１１４との間隔は、波長λで規定する遠方界の値で定義できることが分かる。具体的には、図１０（ｃ）より、テラヘルツ波の波長領域においては、疑似散乱光を形成するためには、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔ｄは、０．５λ以上３６λ以下であることが望ましい。より望ましくは、第１の点光源１１３と第２の点光源１１４の間隔ｄは、０．５λ以上８λ以下である。なお、照射部２１０、２２０及び検出部１００の構成は、上述の構成に限定されるものではなく、画像取得装置に使用する部品、及び観察する被写体１４０の形状に合わせて適宜設計される。

このような構成により、被写体に対し、複数の方向からテラヘルツ波を照射することで、カメラのセンサを構成する各画素は、複数の方向からの正反射光を取り込むことができる。このことにより、観察領域から反射するテラヘルツ波を疑似的に散乱光とみなすことができる。このため、テラヘルツ波を検出できない画素の割合を下げることができる。そのため、テラヘルツ波を用いた取得した画像の分解能が向上し、被写体の形状の推定が容易となることが期待できる。

（第２の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００３について、図４を参照して説明する。図４は、画像取得装置１００３の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００３は、第１の実施形態の画像取得装置１００２と照射部４１０、４２０の配置が異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図４において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。

第１の実施形態の画像取得装置１００１、１００２では、照射部１１０、１２０、２１０、２２０と検出部１００とは、第１の支持部１１８及び第２の支持部１１９により一体化されていた。それに対し、本実施形態の画像取得装置１００３では、第１の照射部４１０は第１の保持部４１８で保持されており、検出部１００とは独立に配置されている。また、第２の照射部４２０は第２の保持部４１９で保持されており、検出部１００とは独立に配置されている。第１の保持部４１８と第２の照射部４２０は、第１の照射部４１０と第２の照射部４２０の姿勢を保持することに加え、姿勢を調整する姿勢調整機構を有していてもよい。

本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。

また、本実施形態のような構成によれば、画像取得装置１００３は、第１の照射部４１０及び第２の照射部４２０の配置の自由度が向上するため、画像取得装置の適用範囲を広げることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００４の構成について、図５を参照して説明する。図５は、画像取得装置１００４の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００４は、照射部５１０と検出部１００との位置関係が上述の実施形態と異なる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。

具体的には、画像取得装置１００４の照射部５１０は、検出部１００の背部に配置されている。これを換言すると、結像光学系１０１と照射光学系５１１とは、面光源５１２を挟んで対向して配置されており、照射部５１０は、検出部１００の光軸と略同軸上に配置されている。

この時、照射部５１０の照射光学系５１１は反射型であることが望ましく、照射光学系５１１の有効な光学領域は、検出部１００の断面サイズよりも十分大きいことが望ましい。また、照射部５１０と検出部１００は一体化してもよく、分離して配置してもよい。このような構成によれば、画像取得装置１００４を小型化することができる。

本実施形態においても、照射部５１０の点光源からの第１のテラヘルツ波５５６と第２のテラヘルツ波５５７とが、照射光学系５１１の結像面において重複領域を有するように構成する。これにより、本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。

（第４の実施形態）
本実施形態の画像取得装置１００５について、図６を参照して説明する。図６は、画像取得装置１００５の構成を説明する模式図である。画像取得装置１００５は、上述の実施形態の画像取得装置に、テラヘルツ波を走査する構成を加えたものである。ここでは、第１の実施形態の画像取得装置１００２に、テラヘルツ波を走査する機構を加えたものを一例として述べる。なお、上述の実施形態と共通する構成については、図５において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。

第１の実施形態の画像取得装置１００２は、テラヘルツ波を走査する機構を含まず、被写体１４０に照射するテラヘルツ波の方向はほぼ固定されている、又は不図示の姿勢制御部により照射部２１０、２２０の姿勢を制御して照射波の方向を変更する。それに対し、本実施形態では、第１の照射部２１０、第２の照射部２２０及び検出部１００の姿勢を一体に変更することにより、照射波を走査する走査部６９０を加える。そのため、被写体１４０に対するテラヘルツ波の入射角度及び照射範囲を変更することができる。センサ１０２の各画素の観察領域１６０に入射するテラヘルツ波の入射角度を変更できるため、観察領域１６０からのテラヘルツ波の反射角度も変更される。

走査部６９０としては、仰角や方位角（回転角）を調整する角度調整ステージ、又は、画像取得装置１００２の位置を調整する直動ステージ等が適用できる。本実施形態では、走査部６９０として、仰角を調整する回転ステージを用いる。図６（ａ）、図６（ｂ）に示したように、走査部６９０により第１の照射部２１０、第２の照射部２２０及び検出部１００の姿勢を一体で調整することで、被写体１４０に対する第１の照射波２５３と第２の照射波２５４の照射位置及び照射角度をできる。

ここで、図６（ａ）の状態を第１の状態、図６（ｂ）の状態を第２の状態とする。画像取得装置１００５では、第１の状態における検出部１００の検出結果と、第２の状態における検出部１００の検出結果と、を取得して、それぞれの検出結果から画像を得る。それらの画像を合成することで、結果として各観察領域１６０から反射する各点光源からのテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができ、より散乱光に近い状態を得ることができる。

なお、走査部６９０の構成はこれに限るものではない。例えば、図７に示したように、走査部６９０として、第１の支持部１１８及び第２の支持部１１９のそれぞれに設けられた姿勢変更部７９０を用いることもできる。姿勢調整部７９０は、第１の照射部２１０、第２の照射部２２０の姿勢を変更する機構である。姿勢変更部７９０により、第１の照射部２１０及び第２の照射部２２０のそれぞれの仰角を変更・調整することで、第１の照射波２５３及び第２の照射波２５４を、走査方向７９１に走査する。このような姿勢変更部７９０は、第２の実施形態の画像取得装置１００３の、第１の保持部４１８、第２の保持部４１９の少なくとも一方に組み込む態様も可能である。

本実施形態の画像取得装置１００５を用いて画像を取得する方法を、図１２を参照して説明する。ここで、照射波の被写体１４０への入射角度は走査部６９０により調整され、少なくとも第１の入射角度と第２の入射角度とを含む。この入射角度の数は、測定者が必要に応じて設定するこが可能で、また、測定モードに応じて予め決定されていてもよい。以降の説明では、第１の照射波２５３に着目して説明するが、その他の照射波でも同様の処理を行えばよい。

測定が開始されると、走査部６９０は、被写体１４０に対する照射波２５３の入射角度が第１の入射角度になるように、姿勢を調整する（Ｓ１２０１）。そして、この状態で、被写体１４０に照射波２５３を照射し、被写体１４０からの反射波１５５を検出部１００で検出した検出結果を用いて第１の画像を取得する（Ｓ１２０２）。第１の画像のデータＤ１２０１は、処理部の記憶手段に記憶される。次に、走査部６９０は、被写体１４０に対する照射波２５３の入射角度が第２の入射角度になるように姿勢を調整する（Ｓ１２０３）。

この状態で、被写体１４０に照射波２５３を照射し、被写体１４０からの反射波１５５を検出部１００で検出した検出結果を用いて第２の画像を取得する（Ｓ１２０４）。この第２の画像のデータＤ１２０２は、処理部の記憶手段に記憶される。この処理を、設定した入射角度の数だけ行い、複数の画像を取得する。

その後、処理部は、不図示の記憶部に記憶された第１の画像のデータＤ１２０１と第２の画像のデータＤ１２０２を呼び出し、画像の合成処理を行う（Ｓ１２０５）。このような方法により、各観察領域１６０から反射するテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができるため、より散乱光に近い状態を得ることができる。この結果、テラヘルツ波を検出できない画素の割合を低下することができる。その結果、従来よりも分解能が高い画像を得ることができ、得られた画像から被写体の形状を容易に推定できることが期待できる。なお、合成した画像は、モニタ部１３０に表示することができる。

なお、本実施形態で説明した画像取得方法はその一例であり、各ステップの順は変更可能である。また、複数のステップを同時に行ってよい。さらに、ステップＳ１２０２のような画像を取得する工程を省略して、異なる複数の姿勢のそれぞれで取得した検出部１００の検出結果から、ステップＳ１２０４で得られる画像の情報を取得してもよい。

また、これまで説明した画像取得装置では、第１のテラヘルツ波（１５６、２５６）と第２のテラヘルツ波（１５７、２５７）とを含む第１の照射波（１５３、２５３）は、図１（ｂ）のように円形の平面状に被写体１４０に結像している。しかし、これに限らず、第１の照射波１５３、２５３を、線状に収束することも可能である。例えば、図８に示したように、照射光学系２１１と被写体１４０との間に、照射光学系２１１の光軸（入射軸２５０）上に整形部８５４を配置し、第１の照射波２５３を線状のビーム分布を有する照射波８５３とすることができる。

整形部８５４は、照射光学系２１１又は結像光学系１０１の一方の軸と、この軸に垂直な他方の光学系の軸の曲率が異なる光学素子が適用でき、例えば、シリンドリカルレンズやシリンドリカルミラーが適用できる。図８は、整形部８５３として、テラヘルツ波を透過するシリンドリカルレンズを用いている。なお、整形部８５３によって整形される照射波の形状は線状に限るものではなく、円状や四角形状等でもよい。

このように、テラヘルツ波である第１の照射波２５３のビーム形状を集束させ被写体１４０に照射することで、観察領域１６０に照射されるテラヘルツ波の出力を上げることができる。そのため、画像取得装置１００６が取得するテラヘルツ波のＳＮ比が向上し、テラヘルツ波を用いて取得した被写体の画像の諧調が改善する。

画像取得装置が上述の整形部８５４を有する場合、図９のように、整形部８５４の姿勢を制御する走査部９９０を有していてもよい。例えば、図９では、走査部９９０は、整形部８５４の仰角を調整することで、照射波８５３を走査方向９９１に走査することができる。

このような構成により、被写体１４０の観察領域１６０から反射する各点光源から照射されるテラヘルツ波の反射角度成分を増やすことができ、より散乱光に近い状態を得ることができる。これにより、本実施形態の画像取得装置によれば、テラヘルツ波を用いた画像取得装置において、テラヘルツ波を検出できる画素の減少を低減することができる。この結果、テラヘルツ波を検出できない画素の割合が下がるため、得られたテラヘルツ波画像から被写体の形状を推定することが容易となることが期待できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。また、上述の各実施形態の画像取得装置の各構成はお互いに組み合わせて使用できる。したがって、上述の各実施形態における様々な技術を適宜組み合わせて新たな画像取得装置を構成してもよく、そのような様々な組み合わせによる画像取得装置も本発明の範疇に属する。

１０１ 結像光学系
１０２ センサ
１１０ 第１の照射部（第１の照射装置）
１１１ 照射光学系
１１２ 発生部（面光源）
１１３ 第１の発生素子（第１の点光源）
１１４ 第２の発生素子（第２の点光源）
１１５ 結像面
１１６ 物体面
１１７ 配置面
１５６ 第１のテラヘルツ波
１５７ 第２のテラヘルツ波
１００１ 画像取得装置

Claims (15)

1. テラヘルツ波を用いて被写体の画像を取得する画像取得装置であって、
   テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、
   前記発生部からのテラヘルツ波を結像面に結像する照射光学系と、
   前記被写体で反射したテラヘルツ波を結像する結像光学系と、
   複数の画素を含み、前記結像光学系からのテラヘルツ波を検出するセンサと、を有し、
   前記複数の発生素子は、前記発生部において隣り合っており且つ前記被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、
   前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波のビームと前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波のビームとが、前記結像面において重複する重複領域を有する
   ことを特徴とする画像取得装置。
2. 前記重複領域は、前記結像面において前記複数の画素の少なくとも１つに対応する観察領域と重なっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
3. 前記発生部の少なくとも一部は、前記照射光学系の物体面に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像取得装置。
4. 前記配置面と前記物体面とは、交差する
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像取得装置。
5. 前記配置面は、曲面を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の画像取得装置。
6. 前記第１の発生素子は、前記第１のテラヘルツ波の放射パターンの第１の指向軸と前記照射光学系の光軸とが交差するように配置されており、
   前記第２の発生素子は、前記第２のテラヘルツ波の放射パターンの第２の指向軸と前記照射光学系の光軸とが交差するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像取得装置。
7. 前記照射光学系と前記結像光学系とは、前記発生部を挟んで同軸上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像取得装置。
8. 前記第１のテラヘルツ波及び前記第２のテラヘルツ波に含まれる波長のうちの最長波長をλとすると、前記第１の発生素子と前記第２の発生素子との間隔は、０．５λ以上３６λ以下である
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像取得装置。
9. 前記第１の発生素子と前記第２の発生素子との間隔は、０．５λ以上８λ以下である
   ことを特徴とする請求項８に記載の画像取得装置。
10. 前記被写体に入射する前記発生部からのテラヘルツ波の入射角度を、第１の入射角度から第２の入射角度に変更する走査部と、
    前記第１の入射角度における前記検出するセンサの検出結果と、前記第２の入射角度における前記検出するセンサの検出結果とを用いて、前記被写体の画像を取得する処理部と、をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像取得装置。
11. 前記照射光学系は、透過型の光学素子を含む
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像取得装置。
12. 前記照射光学系は、反射型の光学素子を含む、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像取得装置。
13. 前記発生部からのテラヘルツ波は、０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を含む
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の画像取得装置。
14. 前記発生部からのテラヘルツ波は、０．３ＴＨｚ以上１ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を含む
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像取得装置。
15. テラヘルツ波を発生する複数の発生素子が配置面に配置されている発生部と、
    前記発生部からのテラヘルツ波を結像面に収束する照射光学系と、を有し、
    前記複数の発生素子は、前記発生部において隣り合っており且つ被写体に対する照射角度が異なる第１の発生素子と第２の発生素子とを少なくとも含み、
    前記第１の発生素子からの第１のテラヘルツ波のビームと前記第２の発生素子からの第２のテラヘルツ波のビームとが、前記結像面において重複する重複領域を有する
    ことを特徴とする照射装置。

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