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図面 (11)

課題

高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出する。

解決手段

イメージング方法は、2つの周波数電磁波を被測定物照射する電磁波照射テップ(S100,S103)と、被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップ(S101,S104)と、2つの周波数の電磁波の位相を検出する位相検出ステップ(S102,S105)と、2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップ(S106)と、位相差算出ステップの算出結果と2つの周波数の周波数間隔Δfとから、被測定物の比誘電率ε2を算出する比誘電率算出ステップ(S107)とを含む。周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差θnoise、想定される比誘電率ε2の最小値ε2min、想定される比誘電率ε2の最大値ε2max、許容可能な比誘電率ε2の最大誤差率αから、予め適切な値に設定される。

概要

背景

近年、物品製造メーカにおいては、製品検査重要度増している。特に、食品の製造メーカにおいては、加工食品への異物混入により、会社の信頼性低下や出荷停止など、業績を逼迫する状況になる場合も生じている。製品出荷検査の段階で、製品への異物混入を検出して、異物混入した製品の出荷を未然に防ぐことが望ましい。しかしながら、既存の検出装置であるイメージング装置は、金属の検出は可能であるが、昆虫や、製品とは異なる食品などの有機物質を高い精度で検出することはできないという問題点があった。

物体の厚さもしくは比誘電率の値を取得する光路長イメージング装置は、透過する電磁波の周波数および計測した位相の情報により、物体の厚さもしくは比誘電率を算出する。以下の式(1)に従って位相θを観測することで、物体中の光路長(√(εr)×L)を得ることが可能である。物体中の光路長は、物体の厚さLと物体の比誘電率εrとからなるパラメータであり、厚さLが既知であれば比誘電率εrを求めることができ、誘電率εrが既知であれば厚さLを求めることが可能である。式(1)のfは物体に照射する電磁波の周波数、cは光速である。

従来の光路長イメージング装置は、1つの周波数の電磁波の位相情報から物体中の光路長を得ていた。ある光路長の位相は用いる電磁波の周波数に比例して増加するが、現実測定器は0〜2πの範囲でしか位相を検出することができない。2πを超えた位相は図9(A)のように折り返される。

図9(A)は、周波数f1の電磁波を用いて位相θを観測しようとしたときに、2πで位相の折り返しが起こるため、観測結果の電磁波の位相θsample1が適切な値ではないことを示している。このように、光路長イメージング装置において、正確な光路長を得るためには位相が2πを超えない範囲で、物体に照射する電磁波の周波数を選択する必要があった。

しかし、実際には光路長イメージングにおける空間分解能は周波数が高いほど良いため、高周波の電磁波を用いることが多い。言い換えると高周波の電磁波を用いる場合、図9(B)のように得られる光路長の最大値に制限があった。図9(B)は、電磁波の周波数f1が高くても、物体中の光路長が短い場合には適切な位相の値θsample2が得られるが、光路長が長くなると、位相θが2πを超えて適切な値が得られなくなることを示している。

以上のような周波数と位相の問題を解決する方法として、図10(A)のように2つ以上の周波数の電磁波を使って位相をアンラップしながら位相の傾きから光路長を得る光路長イメージング方法がある(非特許文献1参照)。アンラップとは、位相θを連続した値に線形化する処理のことを言う。

図10(A)の例では、3つの周波数f1,f2,f3の電磁波を使って観測した位相θをアンラップ処理する様子を示している。このような複数の周波数の電磁波を使うイメージング方法は、式(2)で表すことができ、位相が2πを超えた範囲でも物体中の光路長を得ることができる。

位相のアンラップは、具体的には、前後の周波数の位相変化が±π以上あったときに位相を±2π(2πの加算または減算)する処理であるが、周波数間の位相変化が2π以上あったときに対応できないため、間隔が狭い複数の周波数の電磁波を使用する必要がある。しかしながら、用いる周波数の数と帯域が増加するほどイメージング装置の構成が複雑になる。そのため、イメージング装置の構成の簡略化のために間隔が狭い周波数を2つのみ用いることが望ましい。

しかし、現実的には図10(B)、図10(C)のように測定環境等による位相誤差が存在するため、周波数間隔が狭いと光路長の精度が大きく悪化する可能性がある。図10(B)の例は、2つの周波数f1,f2の電磁波を使って電磁波の位相θを観測する例を示しているが、図10(B)の100の部分を拡大した図10(C)によると、観測される電磁波の位相θに測定環境等に影響される乱れがあり、この乱れが位相誤差になることが分かる。

このように、2つの周波数の電磁波を用いた光路長イメージングでは、位相誤差、周波数間隔、光路長精度の三者の関係が明らかになっていなかった。そのため光路長イメージングにより高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出できないという問題点があった。

概要

高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出する。イメージング方法は、2つの周波数の電磁波を被測定物に照射する電磁波照射テップ(S100,S103)と、被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップ(S101,S104)と、2つの周波数の電磁波の位相を検出する位相検出ステップ(S102,S105)と、2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップ(S106)と、位相差算出ステップの算出結果と2つの周波数の周波数間隔Δfとから、被測定物の比誘電率ε2を算出する比誘電率算出ステップ(S107)とを含む。周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差θnoise、想定される比誘電率ε2の最小値ε2min、想定される比誘電率ε2の最大値ε2max、許容可能な比誘電率ε2の最大誤差率αから、予め適切な値に設定される。

目的

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、2つの周波数の電磁波を用いる光路長イメージングにおいて、高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

2つの周波数電磁波を被測定物照射する電磁波照射テップと、前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、この位相差算出ステップの算出結果と前記2つの周波数の周波数間隔Δfと前記被測定物の既知の厚さLと背景物質の既知の比誘電率ε1とから、前記被測定物の比誘電率ε2を算出する比誘電率算出ステップとを含むことを特徴とするイメージング方法

請求項2

請求項1記載のイメージング方法において、前記周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差をθnoise、想定される比誘電率ε2の最小値をε2min、想定される比誘電率ε2の最大値をε2max、許容可能な比誘電率ε2の最大誤差率をα、光速をcとしたとき、を満たすことを特徴とするイメージング方法。

請求項3

2つの周波数の電磁波を被測定物に照射する電磁波照射ステップと、前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、この位相差算出ステップの算出結果と前記2つの周波数の周波数間隔Δfと背景物質の既知の比誘電率ε1と前記被測定物の既知の比誘電率ε2とから、前記被測定物の厚さLを算出する厚さ算出ステップとを含むことを特徴とするイメージング方法。

請求項4

請求項3記載のイメージング方法において、前記周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差をθnoise、想定される厚さLの最小値をLmin、想定される厚さLの最大値をLmax、許容可能な厚さLの最大誤差率をα、光速をcとしたとき、を満たすことを特徴とするイメージング方法。

請求項5

請求項1乃至4のいずれか1項に記載のイメージング方法において、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態と、前記背景物質と前記被測定物とがある状態のそれぞれで1回ずつ前記位相の測定を行い、前記位相差算出ステップは、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された第1の周波数の電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された前記第1の周波数の電磁波の位相との差である第1の位相変化を算出すると共に、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された第2の周波数の電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された前記第2の周波数の電磁波の位相との差である第2の位相変化を算出し、前記第1の位相変化と前記第2の位相変化との差を、前記2つの周波数の電磁波の位相差とするステップを含むことを特徴とするイメージング方法。

技術分野

0001

本発明は、2つの周波数電磁波を用いて物体の厚さあるいは比誘電率を測定するイメージング方法に関するものである。

背景技術

0002

近年、物品製造メーカにおいては、製品検査重要度増している。特に、食品の製造メーカにおいては、加工食品への異物混入により、会社の信頼性低下や出荷停止など、業績を逼迫する状況になる場合も生じている。製品出荷検査の段階で、製品への異物混入を検出して、異物混入した製品の出荷を未然に防ぐことが望ましい。しかしながら、既存の検出装置であるイメージング装置は、金属の検出は可能であるが、昆虫や、製品とは異なる食品などの有機物質を高い精度で検出することはできないという問題点があった。

0003

物体の厚さもしくは比誘電率の値を取得する光路長イメージング装置は、透過する電磁波の周波数および計測した位相の情報により、物体の厚さもしくは比誘電率を算出する。以下の式(1)に従って位相θを観測することで、物体中の光路長(√(εr)×L)を得ることが可能である。物体中の光路長は、物体の厚さLと物体の比誘電率εrとからなるパラメータであり、厚さLが既知であれば比誘電率εrを求めることができ、誘電率εrが既知であれば厚さLを求めることが可能である。式(1)のfは物体に照射する電磁波の周波数、cは光速である。

0004

0005

従来の光路長イメージング装置は、1つの周波数の電磁波の位相情報から物体中の光路長を得ていた。ある光路長の位相は用いる電磁波の周波数に比例して増加するが、現実測定器は0〜2πの範囲でしか位相を検出することができない。2πを超えた位相は図9(A)のように折り返される。

0006

図9(A)は、周波数f1の電磁波を用いて位相θを観測しようとしたときに、2πで位相の折り返しが起こるため、観測結果の電磁波の位相θsample1が適切な値ではないことを示している。このように、光路長イメージング装置において、正確な光路長を得るためには位相が2πを超えない範囲で、物体に照射する電磁波の周波数を選択する必要があった。

0007

しかし、実際には光路長イメージングにおける空間分解能は周波数が高いほど良いため、高周波の電磁波を用いることが多い。言い換えると高周波の電磁波を用いる場合、図9(B)のように得られる光路長の最大値に制限があった。図9(B)は、電磁波の周波数f1が高くても、物体中の光路長が短い場合には適切な位相の値θsample2が得られるが、光路長が長くなると、位相θが2πを超えて適切な値が得られなくなることを示している。

0008

以上のような周波数と位相の問題を解決する方法として、図10(A)のように2つ以上の周波数の電磁波を使って位相をアンラップしながら位相の傾きから光路長を得る光路長イメージング方法がある(非特許文献1参照)。アンラップとは、位相θを連続した値に線形化する処理のことを言う。

0009

図10(A)の例では、3つの周波数f1,f2,f3の電磁波を使って観測した位相θをアンラップ処理する様子を示している。このような複数の周波数の電磁波を使うイメージング方法は、式(2)で表すことができ、位相が2πを超えた範囲でも物体中の光路長を得ることができる。

0010

0011

位相のアンラップは、具体的には、前後の周波数の位相変化が±π以上あったときに位相を±2π(2πの加算または減算)する処理であるが、周波数間の位相変化が2π以上あったときに対応できないため、間隔が狭い複数の周波数の電磁波を使用する必要がある。しかしながら、用いる周波数の数と帯域が増加するほどイメージング装置の構成が複雑になる。そのため、イメージング装置の構成の簡略化のために間隔が狭い周波数を2つのみ用いることが望ましい。

0012

しかし、現実的には図10(B)、図10(C)のように測定環境等による位相誤差が存在するため、周波数間隔が狭いと光路長の精度が大きく悪化する可能性がある。図10(B)の例は、2つの周波数f1,f2の電磁波を使って電磁波の位相θを観測する例を示しているが、図10(B)の100の部分を拡大した図10(C)によると、観測される電磁波の位相θに測定環境等に影響される乱れがあり、この乱れが位相誤差になることが分かる。

0013

このように、2つの周波数の電磁波を用いた光路長イメージングでは、位相誤差、周波数間隔、光路長精度の三者の関係が明らかになっていなかった。そのため光路長イメージングにより高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出できないという問題点があった。

先行技術

0014

Yan Zhang,et al.,“Terahertz multiwavelength phase imaging without 2π ambiguity”,Proc. of SPIE,Vol.6616,66163L,2007

発明が解決しようとする課題

0015

以上のように、従来の2つの周波数の電磁波を用いる光路長イメージングでは、2つの周波数の周波数間隔を最適に選択する条件が明らかになっていなかったため、高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出することができないという課題があった。

0016

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、2つの周波数の電磁波を用いる光路長イメージングにおいて、高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出することを目的とする。

課題を解決するための手段

0017

本発明のイメージング方法は、2つの周波数の電磁波を被測定物に照射する電磁波照射テップと、前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、この位相差算出ステップの算出結果と前記2つの周波数の周波数間隔Δfと前記被測定物の既知の厚さLと背景物質の既知の比誘電率ε1とから、前記被測定物の比誘電率ε2を算出する比誘電率算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明のイメージング方法の1構成例において、前記周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差をθnoise、想定される比誘電率ε2の最小値をε2min、想定される比誘電率ε2の最大値をε2max、許容可能な比誘電率ε2の最大誤差率をα、光速をcとしたとき、



を満たすことを特徴とするものである。

0018

また、本発明のイメージング方法は、2つの周波数の電磁波を被測定物に照射する電磁波照射ステップと、前記被測定物を透過した電磁波を検出する電磁波検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出ステップと、前記2つの周波数の電磁波の位相差を算出する位相差算出ステップと、この位相差算出ステップの算出結果と前記2つの周波数の周波数間隔Δfと背景物質の既知の比誘電率ε1と前記被測定物の既知の比誘電率ε2とから、前記被測定物の厚さLを算出する厚さ算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明のイメージング方法の1構成例において、前記周波数間隔Δfは、想定される最大位相誤差をθnoise、想定される厚さLの最小値をLmin、想定される厚さLの最大値をLmax、許容可能な厚さLの最大誤差率をα、光速をcとしたとき、



を満たすことを特徴とするものである。

0019

また、本発明のイメージング方法の1構成例は、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態と、前記背景物質と前記被測定物とがある状態のそれぞれで1回ずつ前記位相の測定を行い、前記位相差算出ステップは、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された第1の周波数の電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された前記第1の周波数の電磁波の位相との差である第1の位相変化を算出すると共に、前記背景物質のみがあって前記被測定物がない状態で測定された第2の周波数の電磁波の位相と前記背景物質と前記被測定物とがある状態で測定された前記第2の周波数の電磁波の位相との差である第2の位相変化を算出し、前記第1の位相変化と前記第2の位相変化との差を、前記2つの周波数の電磁波の位相差とするステップを含むことを特徴とするものである。

発明の効果

0020

本発明によれば、電磁波照射ステップと、電磁波検出ステップと、位相検出ステップと、位相差算出ステップと、比誘電率算出ステップとを含むイメージング方法において、2つの周波数の周波数間隔Δfを適切な値に設定することにより、被測定物の比誘電率ε2を高い精度で検出することができる。

0021

また、本発明では、電磁波照射ステップと、電磁波検出ステップと、位相検出ステップと、位相差算出ステップと、厚さ算出ステップとを含むイメージング方法において、2つの周波数の周波数間隔Δfを適切な値に設定することにより、被測定物の厚さLを高い精度で検出することができる。

図面の簡単な説明

0022

本発明の光路長イメージング装置で用いる光学系の構成を説明する図である。
本発明における2つの周波数の電磁波の位相差の正負について説明する図である。
本発明の第1の実施の形態に係る光路長イメージング装置の構成を示すブロック図である。
本発明の第1の実施の形態に係る光路長イメージング装置の動作を説明するフローチャートである。
従来の光路長イメージング装置および本発明の第1の実施の形態に係る光路長イメージング装置により被測定物の比誘電率を計算した結果を示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係る光路長イメージング装置の構成を示すブロック図である。
本発明の第2の実施の形態に係る光路長イメージング装置の動作を説明するフローチャートである。
従来の光路長イメージング装置および本発明の第2の実施の形態に係る光路長イメージング装置により被測定物の厚さを計算した結果を示す図である。
1つの周波数の電磁波を用いる従来の光路長イメージングの問題点を説明する図である。
複数の周波数の電磁波を用いる従来の光路長イメージングの問題点を説明する図である。

実施例

0023

[発明の原理
本発明では、2つの周波数の電磁波を用いる光路長イメージングにおいて、2つの周波数を特定の間隔とすることにより、高い精度で物体の厚さあるいは比誘電率を検出することを可能にする。

0024

まず、被測定物の比誘電率ε2を求める比誘電率イメージングを行う場合について、本発明で導出した周波数間隔Δfの選択条件について説明する。図1のように電磁波放射器1および検出器2の位置が固定され、比誘電率ε1が既知の背景物質10の中に、厚さLが既知で、比誘電率ε2が未知の被測定物11を置いた場合に、被測定物11の比誘電率ε2を得ることを考える。

0025

電磁波放射器1から、周波数fが既知の2つの電磁波を被測定物11に照射し、背景物質10および被測定物11を透過した電磁波を検出器2で検出して、この電磁波の位相を測定する。測定は、被測定物11がある場合と被測定物11がなく背景物質10のみがある場合で2回行う。その2回の位相の測定結果の差分をとることで被測定物11による正味の位相変化θsampleを得ることができる。この位相変化θsampleをは式(3)で表される。式(3)のcは光速である。

0026

0027

被測定物11の比誘電率ε2は、2つの周波数f1,f2の電磁波の位相差Δθsampleと周波数間隔Δf=f2−f1とを用いて式(4)で求めることができる。位相差Δθsampleは、周波数f1の電磁波の位相変化θsampleと周波数f2の電磁波の位相変化θsampleとの差である。

0028

0029

ここで、式(4)で比誘電率ε2を得ることができる周波数間隔Δfの条件を考える。本発明で新たに明らかにする周波数f1と周波数f2との間隔Δfの最小条件は以下の3つのパラメータによって束縛される。この3つのパラメータは、(I)測定環境等による最大位相誤差θnoise、(II)得られる可能性がある未知の比誘電率ε2の最小値ε2min、(III)許容可能な比誘電率の最大誤差率αである。これらのパラメータは式(5)の関係を満たす必要がある。

0030

0031

式(5)より導かれる周波数間隔Δfの最小条件は、式(6)のように表すことができる。

0032

0033

周波数間隔Δfの最大条件は、被測定物11の得られる可能性がある最大の比誘電率ε2maxによって束縛され、式(7)の条件に収まっている必要がある。

0034

0035

この式(7)は、周波数f2の電磁波の位相θ(f2)と周波数f1の電磁波の位相θ(f1)との位相差Δθが2πを超えないという条件から導出される。
位相差Δθは基本的には図2(A)のように正の数であるが、用いる周波数によっては図2(B)のように位相差Δθが負になる場合がある。位相差Δθが負になる場合、式(7)の条件を満たしている限り、Δθ+2πとしてアンラップ処理することで正しい値を得ることが可能である。

0036

したがって、2つの周波数f1,f2の電磁波を使って比誘電率イメージングを行う場合、周波数間隔Δfは、式(6)、式(7)より、式(8)の条件に収まっている必要がある。

0037

0038

次に、被測定物の厚さLを求める厚さイメージングを行う場合について、本発明で導出した周波数間隔Δfの条件を説明する。図1と同様に電磁波放射器1および検出器2の位置が固定され、比誘電率ε1が既知の背景物質10の中に、比誘電率ε2が既知で、厚さLが未知の被測定物11を置いた場合に、被測定物11の厚さLを得ることを考える。上記の比誘電率イメージングと同様の測定原理により、被測定物11の厚さLは式(9)で得ることができる。

0039

0040

本発明で新たに明らかにする周波数f1と周波数f2との間隔Δfの最小条件は以下の3つのパラメータによって束縛される。この3つのパラメータは、(I)測定環境等による最大位相誤差θnoise、(II)得られる可能性がある未知の厚さLの最小値Lmin、(III)許容可能な厚さLの最大誤差率αである。これらのパラメータは式(10)の関係を満たす必要がある。

0041

0042

式(10)より導かれる周波数間隔Δfの最小条件は、式(11)のように表すことができる。

0043

0044

周波数間隔Δfの最大条件は、被測定物11の得られる可能性がある最大の厚さLmaxによって束縛され、式(12)の条件に収まっている必要がある。

0045

0046

この式(12)は、周波数f2の電磁波の位相θ(f2)と周波数f1の電磁波の位相θ(f1)との位相差Δθが2πを超えないという条件から導出される。
したがって、2つの周波数f1,f2の電磁波を用いて厚さイメージングを行う場合、周波数間隔Δfは式(11)、式(12)より、式(13)の条件に収まっている必要がある。

0047

0048

[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図3は本発明の第1の実施の形態に係る光路長イメージング装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、比誘電率イメージングを行う光路長イメージング装置の例である。本実施の形態の光路長イメージング装置は、2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射する電磁波放射器1と、被測定物11を透過した電磁波を検出する検出器2と、検出器2の検出結果に基づいて被測定物11の比誘電率ε2を導出する比誘電率導出部3とから構成される。

0049

比誘電率導出部3は、2つの周波数f1,f2の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出部30と、2つの周波数f1,f2の電磁波の位相差を算出する位相差算出部31と、位相差算出部31の算出結果と2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfと被測定物11の既知の厚さLと背景物質10の既知の比誘電率ε1とから、被測定物11の比誘電率ε2を算出する比誘電率算出部32と、比誘電率算出部32の算出結果を出力する算出結果出力部33とを備えている。

0050

図4は本実施の形態の光路長イメージング装置の動作を説明するフローチャートである。まず、比誘電率ε1が既知の背景物質10のみがあって被測定物11がない状態で電磁波放射器1は、2つの周波数f1,f2の電磁波を背景物質10に照射する(図4ステップS100)。

0051

検出器2は、背景物質10を透過した2つの周波数f1,f2の電磁波を検出する(図4ステップS101)。
比誘電率導出部3の位相検出部30は、ステップS101の検出器2の検出結果から、周波数f1の電磁波の位相と周波数f2の電磁波の位相とを検出する(図4ステップS102)。なお、電磁波の位相を検出する技術は、既存の測定器を使用して実現できる周知の技術である。

0052

次に、光路長イメージング装置を使用するユーザは、比誘電率ε1が既知の背景物質10の上部(または背景物質10の内部)に、厚さLが既知で、比誘電率ε2が未知の被測定物11を配置する。
電磁波放射器1は、このように被測定物11が配置された状態で、背景物質10および被測定物11に2つの周波数f1,f2の電磁波を照射する(図4ステップS103)。

0053

検出器2は、背景物質10および被測定物11を透過した2つの周波数f1,f2の電磁波を検出する(図4ステップS104)。
比誘電率導出部3の位相検出部30は、ステップS104の検出器2の検出結果から、周波数f1の電磁波の位相と周波数f2の電磁波の位相とを検出する(図4ステップS105)。

0054

続いて、比誘電率導出部3の位相差算出部31は、ステップS102で得られた周波数f1の電磁波の位相とステップS105で得られた周波数f1の電磁波の位相との差である位相変化θsample1を算出すると共に、ステップS102で得られた周波数f2の電磁波の位相とステップS105で得られた周波数f2の電磁波の位相との差である位相変化θsample2を算出し、この位相変化θsample1と位相変化θsample2との差を、2つの周波数f1,f2の電磁波の位相差Δθsampleとする(図4ステップS106)。

0055

比誘電率導出部3の比誘電率算出部32は、位相差算出部31が算出した位相差Δθsampleと2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfと被測定物11の既知の厚さLと背景物質10の既知の比誘電率ε1とを用いて、式(4)により被測定物11の比誘電率ε2を算出する(図4ステップS107)。

0056

比誘電率導出部3の算出結果出力部33は、比誘電率算出部32の算出結果を出力する(図4ステップS108)。具体的には、算出結果出力部33は、例えば比誘電率算出部32が算出した被測定物11の比誘電率ε2を表示したり、比誘電率ε2の情報を外部に送信したりする。以上のようにして、本実施の形態の光路長イメージング装置の動作が終了する。

0057

本実施の形態では、従来との比較のため、1例として図5(A)の可視平面画像で示すように、被測定物11として、サイズが15mm角シリコンプラスチック、紙を用いた。シリコンの厚さLは1.6mm、プラスチックの厚さLは1mm、紙の厚さLは1.6mmである。シリコンの比誘電率ε2の真値は12、プラスチックの比誘電率ε2の真値は3、紙の比誘電率ε2の真値は2である。

0058

ここでは、電磁波放射器1としてホーンアンテナを用いて電磁波を被測定物11に照射し、被測定物11を透過した電磁波の近傍界の位相を測定する。
本発明で提案した式(8)を用いて、適応可能な2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfを算出すると以下のようになる。
30GHz<Δf<76GHz ・・・(14)

0059

式(14)の周波数間隔Δfの最大条件および最小条件の算出の際に用いた被測定物11の最大誘電率εmaxは12、被測定物11の最小誘電率εminは2、背景物質10の比誘電率ε1は1、被測定物11の厚さLは1.6mm、位相誤差θnrefは2°、最大許容誤差αは0.1とした。

0060

図5(B)は従来技術に基づいて設定した周波数間隔Δf=80GHz(f1=250GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、図3図4で説明した光路長イメージングにより被測定物11の比誘電率ε2を計算した結果を示す図である。図5(B)および図5(C)、図5(D)では、各被測定物11の面内の比誘電率ε2の分布色分けで示している。

0061

シリコンからなる被測定物11、プラスチックからなる被測定物11、紙からなる被測定物11の面内の比誘電率ε2のRMS(Root Mean Square)誤差はそれぞれ93%、3.6%、3.5%であった。シリコンからなる被測定物11で比誘電率ε2のRMS誤差が大きくなっているのは、周波数間隔Δf=80GHzが式(14)に示した最大条件Δf=76GHzから外れているため、比誘電率ε2を正しく測定することができていないからである。

0062

図5(C)は従来技術に基づいて設定した周波数間隔Δf=1GHz(f1=329GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、図3図4で説明した光路長イメージングにより被測定物11の比誘電率ε2を計算した結果を示す図である。

0063

シリコンからなる被測定物11、プラスチックからなる被測定物11、紙からなる被測定物11の面内の比誘電率ε2のRMS誤差はそれぞれ36%、125%、99%であった。周波数間隔Δf=1GHzが式(14)に示した最小条件Δf=30GHzから外れているため、比誘電率ε2の誤差が大きくなっている。

0064

図5(D)は式(14)の範囲内の周波数間隔Δf=40GHz(f1=290GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、本実施の形態の光路長イメージングにより被測定物11の比誘電率ε2を計算した結果を示す図である。

0065

本実施の形態によれば、シリコンからなる被測定物11、プラスチックからなる被測定物11、紙からなる被測定物11の面内の比誘電率ε2のRMS誤差はそれぞれ4%、5.8%、3.4%であり、最大許容誤差α=10%の中に入っている。このように、本実施の形態では、図5(B)に示した結果に比べて比誘電率ε2の最大誤差を1/16にすることができ、また図5(C)に示した結果に比べて比誘電率ε2の最大誤差を1/26にすることができた。

0066

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図6は本発明の第2の実施の形態に係る光路長イメージング装置の構成を示すブロック図であり、図3と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、厚さイメージングを行う光路長イメージング装置の例である。本実施の形態の光路長イメージング装置は、電磁波放射器1と、検出器2と、検出器2の検出結果に基づいて被測定物11の厚さLを導出する厚さ導出部4とから構成される。

0067

厚さ導出部4は、2つの周波数f1,f2の電磁波のそれぞれの位相を検出する位相検出部40と、2つの周波数f1,f2の電磁波の位相差を算出する位相差算出部41と、位相差算出部41の算出結果と2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfと背景物質10の既知の比誘電率ε1と被測定物11の既知の比誘電率ε2とから、被測定物11の厚さLを算出する厚さ算出部42と、厚さ算出部42の算出結果を出力する算出結果出力部43とを備えている。

0068

図7は、本実施の形態の光路長イメージング装置の動作を説明するフローチャートである。図7のステップS100,S101の処理は第1の実施の形態で説明したとおりであるので、説明は省略する。
厚さ導出部4の位相検出部40は、位相検出部30と同様に、ステップS101の検出器2の検出結果から、周波数f1の電磁波の位相と周波数f2の電磁波の位相とを検出する(図7ステップS102)。

0069

次に、光路長イメージング装置のユーザは、比誘電率ε1が既知の背景物質10の上部(または背景物質10の内部)に、比誘電率ε2が既知で、厚さLが未知の被測定物11を配置する。
電磁波放射器1は、このように被測定物11が配置された状態で、背景物質10および被測定物11に2つの周波数f1,f2の電磁波を照射する(図7ステップS103)。

0070

検出器2は、背景物質10および被測定物11を透過した2つの周波数f1,f2の電磁波を検出し(図7ステップS104)、位相検出部40は、位相検出部30と同様に、ステップS104の検出器2の検出結果から、周波数f1の電磁波の位相と周波数f2の電磁波の位相とを検出する(図7ステップS105)。

0071

厚さ導出部4の位相差算出部41は、位相差算出部31と同様に、2つの周波数f1,f2の電磁波の位相差Δθsampleを算出する(図7ステップS106)。
厚さ導出部4の厚さ算出部42は、位相差算出部41が算出した位相差Δθsampleと2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfと背景物質10の既知の比誘電率ε1と被測定物11の既知の比誘電率ε2とを用いて、式(9)により被測定物11の厚さLを算出する(図7ステップS109)。

0072

厚さ導出部4の算出結果出力部43は、厚さ算出部42の算出結果を出力する(図7ステップS110)。具体的には、算出結果出力部43は、例えば厚さ算出部42が算出した被測定物11の厚さLを表示したり、厚さLの情報を外部に送信したりする。こうして、本実施の形態の光路長イメージング装置の動作が終了する。

0073

本実施の形態では、従来との比較のため、1例として図8(A)の可視平面画像で示すように、被測定物11として、比誘電率ε2が2.7、サイズが10mm角のプラスチックを用いた。3つのプラスチックの厚さLの真値はそれぞれ2mm、4mm、6mmである。

0074

第1の実施の形態と同様に、電磁波放射器1としてホーンアンテナを用いて電磁波を被測定物11に照射し、被測定物11を透過した電磁波の近傍界の位相を測定する。
本発明で提案した式(13)を用いて、適応可能な2つの周波数f1,f2の周波数間隔Δfを算出すると以下のようになる。
26GHz<Δf<77GHz ・・・(15)

0075

式(15)の周波数間隔Δfの最大条件および最小条件の算出の際に用いた被測定物11の最大厚さLmaxは6mm、被測定物11の最小厚さLminは2mm、被測定物11の誘電率ε2は2.7、背景物質10の誘電率ε1は1、位相誤差θnrefは2°、最大許容誤差αは0.1とした。

0076

図8(B)は従来技術に基づいて設定した周波数間隔Δf=80GHz(f1=250GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、図6図7で説明した光路長イメージングにより被測定物11の厚さLを計算した結果を示す図である。図8(B)および図8(C)、図8(D)では、各被測定物11の面内の厚さLの分布を色分けで示している。

0077

厚さL=2mmの被測定物11、厚さL=4mmの被測定物11、厚さL=6mmの被測定物11の面内の厚さLのRMS誤差はそれぞれ2.1%、1.1%、95%であった。厚さL=6mmの被測定物11で厚さLのRMS誤差が大きくなっているのは、周波数間隔Δf=80GHzが式(2)から導き出される最大条件Δf=77GHzから外れているため、厚さLを正しく測定することができていないからである。

0078

図8(C)は従来技術に基づいて設定した周波数間隔Δf=2GHz(f1=328GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、図6図7で説明した光路長イメージングにより被測定物11の厚さLを計算した結果を示す図である。

0079

厚さL=2mmの被測定物11、厚さL=4mmの被測定物11、厚さL=6mmの被測定物11の面内の厚さLのRMS誤差はそれぞれ38%、31%、34%であった。周波数間隔Δf=2GHzが最小条件Δf=26GHzから外れているため、厚さLの誤差が大きくなっている。

0080

図8(D)は式(15)の範囲内の周波数間隔Δf=40GHz(f1=290GHz、f2=330GHz)の2つの周波数f1,f2の電磁波を被測定物11に照射して、本実施の形態の光路長イメージングにより被測定物11の厚さLを計算した結果を示す図である。

0081

厚さL=2mmの被測定物11、厚さL=4mmの被測定物11、厚さL=6mmの被測定物11の面内の厚さLのRMS誤差はそれぞれ5.1%、3.4%、3.2%であり、最大許容誤差α=10%の中に入っている。このように、本実施の形態では、図8(B)に示した結果に比べて厚さLの最大誤差を1/18にすることができ、また図8(C)に示した結果に比べて厚さLの最大誤差を1/7にすることができた。

0082

第1の実施の形態で説明した比誘電率導出部3は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。同様に、第2の実施の形態で説明した厚さ導出部4は、コンピュータによって実現することができる。これらのコンピュータのCPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第1、第2の実施の形態で説明した処理を実行する。

0083

本発明は、電磁波を用いて物体の厚さあるいは比誘電率を測定する光路長イメージングに適用することができる。

0084

1…電磁波放射器、2…検出器、3…比誘電率導出部、4…厚さ導出部、30,40…位相検出部、31,41…位相差算出部、32…比誘電率算出部、33,43…算出結果出力部、42…厚さ算出部。

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