JP7614899B2

JP7614899B2 - 検査装置

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Publication number: JP7614899B2
Application number: JP2021048693A
Authority: JP
Inventors: 景太朗内田
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: JP2022147452A; JP2025036699A; JP7836380B2

Description

本発明は、電磁波に基づき人の所持物を検査する検査装置の技術に関する。

検査対象の内部の様子を検査するスキャナとして、例えば空港等におけるボディチェックを行うためのボディスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２は、歩行者等の移動する物体（移動体）の位置を検知して、検知された位置に応じてテラヘルツ波の伝搬方向を切り替える移動体スキャナを開示している。

特開２０１５－３６６８０号公報特開２０１９－１９０９５１号公報

電磁波により物体を画像化する手法には、電磁波を物体に照射し、その透過波、又は反射波を検出して画像化するアクティブイメージングのほか、物体そのものから放射される電磁波を検出して画像化するパッシブイメージングがある。

例えば、テラヘルツ波は周波数が１００ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ未満程度の電磁波である。このテラヘルツ波は、上述したアクティブイメージングにも用いられるが、人体や所持物からそれぞれ微量に放射されているため、その放射量の違いを用いて隠し持った所持物を検出する、上述したパッシブイメージング型のウォークスルー所持物検査装置にも利用されている。

物体から放射される微弱なテラヘルツ波を受光するために、受光系は広帯域に対応する必要がある。しかし、レンズは色収差を持つことから広帯域には適さない。また、人の全身から放射される電磁波を一枚の放物面鏡で集めようとすると、相応の奥行きが必要となり、装置が大きくなり、省スペース化が図り難くなる。このことは、アクティブイメージングの場合でも同じである。

本発明の目的の一つは、本発明に係る複合鏡を用いない場合に比べて、集めた電磁波に基づき人の所持物を検査する検査装置を小さくすることである。

上述した課題を解決するため、本発明は、焦点距離が異なる複数の凹面鏡を光軸及び焦点のそれぞれが重なるように配置して、定数ｐ、ｃ1及び前記光軸からの距離を示す独立変数ｘを用いて表される
なる関数曲線を、該光軸を中心に回転させた曲面を有する複合鏡により集めた電磁波に基づき人の所持物を検査する検査装置、を第１の態様として提供する。

第１の態様の検査装置によれば、本発明に係る複合鏡を用いない場合に比べて、集めた電磁波に基づき人の所持物を検査する検査装置を小さくすることができる。

第１の態様の検査装置において、前記複合鏡は、前記人の動線を遮らないように配置されている、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様の検査装置によれば、複合鏡が人の動線を妨げることがない。

第１又は第２の態様の検査装置において、前記複合鏡は、前記焦点から見て隙間がない、という構成が第３の態様として採用されてもよい。

第３の態様の検査装置によれば、複合鏡を構成する複数の凹面鏡が互いに離れていても、焦点に届く反射光同士は連続している。

第１から第３の態様のいずれか１の検査装置において、前記焦点に配置した光学系により前記複合鏡が集めた電磁波を検知器に導く、という構成が第４の態様として採用されてもよい。

第４の態様の検査装置によれば、光学系は、焦点から検知器に電磁波を導く。

第４の態様の検査装置において、前記光学系はポリゴン鏡である、という構成が第５の態様として採用されてもよい。

第５の態様の検査装置によれば、ポリゴン鏡である光学系を回転させて検査対象を走査することにより広い範囲を検査することができる。

本発明の実施形態に係る検査システム９を上から見た例を示す平面図。検査装置１の高さ方向について説明する概念図。放物面鏡を説明するための図。検査装置１に収容されている複合鏡１１の例を示す図。複合鏡１１が長さＬｚの検査対象から放射される電磁波を検査する様子の例を示す図。複合鏡１１を構成する複数の凹面鏡の例を示す図。光学系１２にポリゴン鏡を用いた検査装置１の例を示す図。焦点Ｐから見て隙間がない複合鏡１１の例を示す図。一つの関数で表される複数の凹面鏡Ｍの形状の例を示す図。

＜実施形態＞
＜検査装置の構成＞
以下、図において、各構成が配置される空間をＸＹＺ右手系座標空間、又はｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表し、円の中に交差する２本の線を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表す。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を－ｘ方向という。ｙ、ｚ成分、及びＸ、Ｙ、Ｚ成分についても、ｘ成分と同様に定義される。

図１は、本発明の実施形態に係る検査システム９を上から見た例を示す平面図である。検査システム９は、通路を歩行する人Ｑの所持物を検査するシステムであり、通路の両側であって通路を遮らない位置に２つずつ、計４つの検査装置１を配置する。この通路は、ＸＹＺ右手系座標空間において、Ｙ軸方向に伸びる幅Ｗの通路であり、人Ｑが歩行する際の動線を含む。４つの検査装置１は、いずれも通路を遮らない位置に置かれているため、人Ｑの動線を遮ることがない。なお、図１において、－Ｚ方向は下向き、つまり、重力の方向であり、Ｘ軸方向は、通路の幅の方向である。

４つの検査装置１は、それぞれ人Ｑ、及びその所持物から方向Ｄに放射されるテラヘルツ波等の電磁波を受光（又は受波）する。人Ｑが＋Ｙ方向に歩行（移動）することにより、４つの検査装置１は、Ｙ軸方向、及びＸ軸方向（すなわち水平方向）に人Ｑ及びその所持物をスキャンする。また、４つの検査装置１は、人Ｑ及びその所持物の、Ｚ軸方向のスキャンを行う。

図２は、検査装置１の高さ方向について説明する概念図である。人Ｑが身につけている所持物は、例えば、図２に斜線で示す、膝上から首下までの範囲等に存在する。したがって、検査装置１は、上述した通路のある床面Ｇの上を歩行する人Ｑの膝の位置Ｈ１から、首の位置Ｈ２までの、Ｚ軸に沿った範囲を検査対象とする必要がある。この範囲の、Ｚ軸に沿った長さＬｚは、例えば１２００ミリメートルである。

図３は、放物面鏡を説明するための図である。図３に示すｘｙ平面には、原点Ｏを通る放物線が描かれている。この放物線は、従属変数ｙが独立変数ｘの二次関数で示されるときの、（ｘ，ｙ）を結んだ曲線である。ここでは、ｙ軸上に焦点Ｐをとり、そのｙ成分をｐとする。この場合、従属変数ｙは、以下の数式（１）で表される。

ｙ軸を中心にして、この放物線を回転して得られる曲面は、放物面である。この放物面の凹部が鏡になった部材が放物面鏡である。上述した電磁波を受ける方向Ｄが－ｙ方向になるようにこの放物面鏡を配置すると、方向Ｄに放射される平行光は、いずれも焦点Ｐに集められる。

放物面鏡により、焦点Ｐで受光する電磁波の入射角度の範囲が二直角、すなわち２πラジアンを超えると、入射光同士が向き合うことになり、これらを光学系でコリメート光（平行光）に変換して検知器に導くことが困難になる。したがって、一般に、この放物面鏡の端点Ｅ１、及び端点Ｅ２のそれぞれのｙ成分は、いずれも焦点Ｐのｙ成分であるｐを超えない。そして、例えば、端点Ｅ１、及び端点Ｅ２のそれぞれのｙ成分が焦点Ｐのｙ成分であるｐと同じである場合、端点Ｅ１から端点Ｅ２までの距離は４ｐである。

したがって、一枚の放物面鏡で、上述した長さＬｚを検査対象とする場合、その奥行きはＬｚ／４である。上述した長さＬｚが１２００ミリメートルである場合、放物面鏡の奥行きは３００ミリメートルとなる。つまり、一枚の放物面鏡で、例えば１２００ミリメートルの高さを検査対象とする場合、検査装置１は、奥行き方向が３００ミリメートルの放物面鏡を収容するだけの大きさが必要となる。

＜複合鏡の構成＞
図４は、検査装置１に収容されている複合鏡１１の例を示す図である。図５は、複合鏡１１が長さＬｚの検査対象から放射される電磁波を検査する様子の例を示す図である。上述した通り、検査装置１は、いずれも人Ｑの動線を遮ることがなく、複合鏡１１は、検査装置１に収容されている。したがって、図４、図５に示す複合鏡１１は、いずれも人Ｑの動線を遮ることがない。

図４には、－Ｚ方向に検査装置１の中身を見た図が示されている。ｘｙｚ右手系座標空間は、＋ｘ方向が＋Ｚ方向に一致し、－ｙ方向が電磁波を受光する方向Ｄに一致するように定められる。図４に示す検査装置１は、複合鏡１１、光学系１２、及び検知器１３を有する。

複合鏡１１の光軸Ｉは、方向Ｄと平行な方向に伸びている。光軸Ｉ上の焦点Ｐには、光学系１２が配置されている。この光学系１２は、例えば放物面鏡であり、複合鏡１１で集められた電磁波を、その進行方向が平行になるように調整し、光軸Ｉ上に配置された検知器１３に導く。すなわち、この光学系１２を有する検査装置１は、焦点に配置した光学系により複合鏡が集めた電磁波を検知器に導く検査装置の例である。

図５に示す通り、複合鏡１１のｙ軸方向の厚みは、長さＬｚの四分の一よりも薄い。これは、この複合鏡１１が一枚の放物面鏡ではなく、焦点距離が異なる複数の凹面鏡を、光軸Ｉ及び焦点Ｐのそれぞれが重なるように配置して形成されたものだからである。

＜複合鏡の詳細構成＞
図６は、複合鏡１１を構成する複数の凹面鏡の例を示す図である。図６には、ｙ軸を回転中心とする回転体である複合鏡１１を、ｙ軸を含むｘｙ平面で切断した断面が示されている。ｙ軸は、複合鏡１１の光軸Ｉに一致する。

この複合鏡１１は、複数の凹面鏡Ｍ₀、Ｍ₁、…、Ｍ_i、Ｍ_i+1、…（以下、これらを区別しない場合、単に凹面鏡Ｍという）を有する。

これら複数の凹面鏡Ｍの添字ｉは、０から始まる整数であり、添字ｉ＝０のとき、凹面鏡Ｍ₀は原点Ｏを含む。添字ｉが大きくなるほど、凹面鏡Ｍは、ｙ軸から遠ざかる。

凹面鏡Ｍ₀、Ｍ₁、…、Ｍ_i、Ｍ_i+1、…がｘｙ平面を通る曲線は、それぞれ独立変数ｘの関数ｆ₀（ｘ）、ｆ₁（ｘ）、…、ｆ_i（ｘ）、ｆ_i+1（ｘ）、…で表される。図６に示すこれら複数の関数は、いずれも共通の光軸Ｉ、及び焦点Ｐを有する放物線である。つまり、図６に示す複合鏡１１を構成する複数の凹面鏡Ｍは、ｙ軸を中心にして上述した放物線を、それぞれ回転させた曲面状の鏡、すなわち、放物面鏡である。

ｙ＝ｆ_i（ｘ）は、一般化すると、ｙ軸上のｙ座標がｙ_i（ｙ_i≦０）であり、焦点Ｐ（０，ｐ）を焦点とする放物線であるから、以下の式（２）で表される。なお、ｙ₀＝０であり、ｉ＝０，１，２，…（０から始まる整数）である。

図６に示す凹面鏡Ｍは、いずれも厚みｔ（ただし、ｔ＜ｐ）を超えないように切り取られている。つまり、凹面鏡Ｍのｙ座標は０以上、かつ、ｔ以下である。凹面鏡Ｍ₀は原点Ｏで、それ以外の凹面鏡Ｍ_i（ｉ≧１）は、それぞれの内周で、いずれもｘ軸と接している。

また、全ての凹面鏡Ｍは、それぞれの外周で、いずれもｙ＝ｔで示す直線と接している。そして、図６に示す複数の凹面鏡Ｍ_i（ｉ≧０）の外周のｘ座標は、いずれもその外側に隣接する凹面鏡Ｍ_i+1の内周のｘ座標と一致している。すなわち、これら複数の凹面鏡Ｍで構成される複合鏡１１は、ｙ軸方向から見て隙間がない。

ここで、式（２）で示されるｙ＝ｆ_i（ｘ）がｙ＝ｔで示す直線と接する点ａ_iのｘ座標をｘ_i（ｘ_i＞０）とする。この点ａ_iからｘ軸に降ろした垂線は、ｘ軸と点ｂ_i+1で交差する。この点ｂ_i+1は、ｙ＝ｆ_i+1（ｘ）がｘ軸と交差する点である。

また、図６に示す複数の凹面鏡Ｍのうち、凹面鏡Ｍ₀は内周がなく、それ以外の凹面鏡Ｍ_i（ｉ≧１）の内周は、ｙ座標が０である。

上述したとおり、ｙ＝ｆ_i（ｘ）は、点ａ_i（ｘ_i，ｔ）を通るので、式（２）にこれを代入してｘ_iをｐ，ｙ_i，ｔで表すと次の式（３）になる。

また、上述したとおり、ｙ＝ｆ_i+1（ｘ）は、点ｂ_i+1（ｘ_i，０）を通り、焦点Ｐ（０，ｐ）を有する。点ｂ_i+1（ｘ_i，０）と、焦点Ｐ（０，ｐ）との距離は、√（ｘ_i ²＋ｐ²）である。それゆえ、ｙ＝ｆ_i+1（ｘ）における準線は次の式（４）で示される。

この準線のｙ座標と、焦点Ｐのｙ座標との中点が、ｙ＝ｆ_i+1（ｘ）とｙ軸とが交差する点のｙ座標であるｙ_i+1に等しいから、ｙ_i+1は以下の式（５）で示される。

この式（５）に式（３）を適用すると、ｙ_iについての漸化式である次の式（６）が得られる。

上述した通り、ｙ₀＝０を式（６）に代入することにより、ｙ₀、ｙ₁、…、ｙ_i、ｙ_i+1、…が得られる。そして、これらを式（２）に代入することにより、凹面鏡Ｍを示す関数ｆ₀（ｘ）、ｆ₁（ｘ）、…、ｆ_i（ｘ）、ｆ_i+1（ｘ）、…がそれぞれ定まる。これら複数の凹面鏡Ｍは、光軸Ｉに沿って－ｙ方向に進む電磁波を反射して焦点Ｐに集める。

以上、説明した通り、検査システム９に備えられた４つの検査装置１は、焦点距離が異なる複数の凹面鏡Ｍを光軸Ｉ、及び焦点Ｐのそれぞれが重なるように配置した複合鏡１１を有する。この複合鏡１１は、図６に示す例では、光軸Ｉに沿った厚みがｐよりも薄いｔであるが、光軸Ｉに平行な電磁波を受光したときに、そのｘ座標がどこであっても、それらを焦点Ｐに集めることができる。したがって、本発明にかかる検査装置１は、複合鏡１１を用いない場合に比べて小さくなる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

＜変形例＞
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例は組み合わされてもよい。

＜１＞
上述した実施形態において、光学系１２は、複合鏡１１で集められた電磁波をコリメート化して検知器１３へ導く放物面鏡であったが、他の構成であってもよい。例えば、光学系１２は、ポリゴン鏡であってもよい。

図７は、光学系１２にポリゴン鏡を用いた検査装置１の例を示す図である。図７に示す光学系１２は、例えば、四角錐のポリゴン鏡であり、軸Ｊを中心に回転することで、Z軸方向（ｘ軸方向）に複合鏡１１を走査する。複合鏡１１で反射した電磁波は、光学系１２でさらに反射し、放物面鏡１４でさらに反射して検知器１３に導かれる。

＜２＞
上述した実施形態において、複合鏡１１はｙ軸方向から見て隙間がないように構成されていたが、焦点Ｐから見て隙間がなければよい。

図８は、焦点Ｐから見て隙間がない複合鏡１１の例を示す図である。図８に示す複合鏡１１は、ｘｙ平面において、焦点Ｐから凹面鏡Ｍの外周上の点へ伸ばした直線と、ｘ軸とが交差する点は、その凹面鏡Ｍの外側に配置される凹面鏡Ｍの内周上の点である。この構成であっても、－ｙ方向に進む電磁波は、複数の凹面鏡Ｍで反射されて焦点Ｐに集まる。そして、焦点Ｐから見て複合鏡１１に隙間はないので、集められる電磁波は離散しない。

＜３＞
上述した実施形態において、複数の凹面鏡Ｍの曲面形状は、互いに異なるｘｙ平面の関数ｆ₀（ｘ）、ｆ₁（ｘ）、…、ｆ_i（ｘ）、ｆ_i+1（ｘ）、…により定まっていたが、共通の関数ｆ（ｘ）により定まってもよい。

図９は、一つの関数で表される複数の凹面鏡Ｍの形状の例を示す図である。図９に示す複数の凹面鏡Ｍは、一つの関数ｆ（ｘ）をｙ軸方向に沿ってｔごとに切断した形状を有する。これら複数の凹面鏡Ｍは、いずれも下端がｘ軸に接するように平行移動した配置となっている。

この場合、複数の凹面鏡Ｍのいずれもが、－ｙ方向に入射する電磁波をその内周で反射して焦点Ｐ（０，ｐ）に導き、また、その外周で反射して点Ｐｔ（０，ｐ＋ｔ）に導く。

例えば、複合鏡１１のうち、ｘ座標がｘ_iの点は、凹面鏡Ｍ_iの外周上と凹面鏡Ｍ_i+1の内周上に存在する。これらの点の各凹面鏡Ｍにおける傾きは、それぞれ上述したｙ＝ｆ（ｘ）上のｘ座標がｘ_iの点における接線Ｔの傾きと一致する。したがって、これらの点において－ｙ方向に入射する電磁波は、接線Ｔに沿って配置された平面鏡によって反射される方向に反射される。

法線Ｎは、ｘ座標がｘ_iの点において、接線Ｔに垂直な線である。図９に示す入射角と反射角とは等しく、いずれも角度Φである。そして、角度Φを２倍した角度の余角は、ｘ軸と上述した反射方向とが成す角度θである。したがって、角度Φと角度θとの関係は、以下の式（７）で表される。

また、角度θは、ｐ，ｘ_iにより以下の式（８）で表される。

上述したｘ_iは全てのｘ（ｘ≧０）で成り立つ。また、上述した法線Ｎの傾きは－ｔａｎ（θ＋Φ）である。法線Ｎと接線Ｔとは直交し、接線Ｔの傾きは上述した関数ｆ（ｘ）の１次微分に等しい。したがって、この１次微分は、還元公式により以下の式（９）で表される。

この式（９）に式（７）、式（８）を適用し、ｘ_iをｘに置き換えると、以下の式（１１０）で表される常微分方程式が得られる。

この式（１０）を、ｘについて積分すると、以下の式（１１）で表される通り、微分方程式の解が得られる。なお、式（１１）におけるｃ₁は積分定数である。

この式（１１）に対して、上述した点を通ることによる境界条件を満たすように積分定数ｃ₁を決めると関数ｆ（ｘ）が定まる。

この場合、複合鏡１１は、厚みがｔであっても、－ｙ方向に放射される電磁波を受光したときに、そのｘ座標がどこであっても、それらを焦点Ｐから焦点Ｐｔまでの間に集めることができる。

１…検査装置、１１…複合鏡、１２…光学系、１３…検知器、１４…放物面鏡、９…検査システム。

Claims

焦点距離が異なる複数の凹面鏡を光軸及び焦点のそれぞれが重なるように配置して、定数ｐ、ｃ1及び前記光軸からの距離を示す独立変数ｘを用いて表される
なる関数曲線を、該光軸を中心に回転させた曲面を有する複合鏡により集めた電磁波に基づき人の所持物を検査する検査装置。
前記複合鏡は、前記人の動線を遮らないように配置されている
請求項１に記載の検査装置。
前記複合鏡は、前記焦点から見て隙間がない
請求項１又は２に記載の検査装置。
前記焦点に配置した光学系により前記複合鏡が集めた電磁波を検知器に導く
請求項１から３のいずれか１項に記載の検査装置。
前記光学系はポリゴン鏡である
請求項４に記載の検査装置。