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特許7555597アンテナデバイス、ビームステアリングシステム、レーダ装置、及びレーダ装置を用いたセンサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-13
(45)【発行日】2024-09-25
(54)【発明の名称】アンテナデバイス、ビームステアリングシステム、レーダ装置、及びレーダ装置を用いたセンサ
(51)【国際特許分類】
H01Q 21/08 20060101AFI20240917BHJP
H01Q 13/22 20060101ALI20240917BHJP
H01Q 13/26 20060101ALI20240917BHJP
G01S 7/02 20060101ALI20240917BHJP
G01S 13/34 20060101ALI20240917BHJP
【ＦＩ】
H01Q21/08
H01Q13/22
H01Q13/26
G01S7/02 210
G01S13/34
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021514922
(86)(22)【出願日】2020-04-10
(86)【国際出願番号】 JP2020016117
(87)【国際公開番号】W WO2020213525
(87)【国際公開日】2020-10-22
【審査請求日】2023-04-04
(31)【優先権主張番号】P 2019078858
(32)【優先日】2019-04-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、総務省、戦略的情報通信研究開発推進事業（ＳＣＯＰＥ）、「圧縮センシングに基づくテラヘルツレーダーチップの研究開発」に係る委託業務、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】門内 靖明
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００７／０２６７９２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－２０２８３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】MURANO, Kosuke, et al.，Low-Profile Terahertz Radar Based on Broadband Leaky-Wave Beam Steering，IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，Volume 7, Issue 1，2016年12月01日，Pages 60-69
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ ２１／０８
Ｈ０１Ｑ １３／２２
Ｈ０１Ｑ １３／２６
Ｇ０１Ｓ ７／０２
Ｇ０１Ｓ １３／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射端を有する導波路と、前記導波路に接続される第１アンテナ、及び第２アンテナと、
を有し、
前記第１アンテナは、前記第１アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第１信号光と、前記第２アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第２信号光の少なくとも一方を前記第１アンテナ内で前記入射端への戻り光が生じない方向に受信し、受信した信号と、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光とを合波し、
前記第１信号光、前記第２信号光、前記戻り光、及び、前記第１参照光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、アンテナデバイス。
【請求項2】
前記第１アンテナと前記第２アンテナは異なる方向に向けられており、前記第１アンテナは、前記第２アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた前記第２信号光と、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光とを合波し、
前記第２アンテナは、前記第１アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた前記第１信号光と、前記第２アンテナから放射されずに前記第２アンテナ内に留まる第２参照光とを合波し、
前記第２参照光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、請求項１に記載のアンテナデバイス。
【請求項3】
前記第１アンテナと前記第２アンテナは同じ方向に向けられており、前記第１アンテナは、前記第１信号光と前記第２信号光を受信し、前記第１信号光と前記第２信号光を、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光と合波し、
前記第２アンテナは、前記第１信号光と前記第２信号光を受信し、前記第１信号光と前記第２信号光を、前記第２アンテナから放射されずに前記第２アンテナ内に留まる第２参照光と合波し、
前記第２参照光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、請求項１に記載のアンテナデバイス。
【請求項4】
前記第１アンテナに反射板が設けられており、前記第１アンテナを伝搬する光波の一部は前記反射板によって第１の方向へ放射され、前記第１アンテナは、前記第１の方向から戻ってくる前記第１信号光を前記入射端への戻り光が生じない方向に受信して、前記第１参照光と合波し、
前記光波の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、請求項１に記載のアンテナデバイス。
【請求項5】
少なくとも前記第１アンテナは、放射されずに前記第１アンテナ内に留まる前記第１参照光と、前記第１アンテナから放射される放射光との割合を調整する放射率調整機構を有し、
前記放射光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナデバイス。
【請求項6】
前記第１アンテナと前記第２アンテナは、速波線路型または遅波線路型の導波路上に構成されるアンテナである、請求項１～５のいずれか１項に記載のアンテナデバイス。
【請求項7】
少なくとも前記第１アンテナは、速波線路型の導波路の一部が前記放射率調整機構で置き換えられた当該導波路であり、前記放射率調整機構は、２以上の開口が前記導波路の伝搬方向に配置されており、前記開口の間隔、及び前記開口の径またはサイズが使用波長よりも短い、請求項５に記載のアンテナデバイス。
【請求項8】
少なくとも前記第１アンテナは、遅波線路型の導波路の一部が前記放射率調整機構で置き換えられた当該導波路であり、前記放射率調整機構は回折格子である、請求項５に記載のアンテナデバイス。
【請求項9】
少なくとも前記第１アンテナは、漏れ波アンテナの一部が前記放射率調整機構で置き換えられた当該漏れ波アンテナであり、前記放射率調整機構は、前記漏れ波アンテナの伝搬方向に沿って延設された一つの開口であり、前記開口の幅は使用波長よりも短い、請求項５に記載のアンテナデバイス。
【請求項10】
少なくとも前記第１アンテナは、誘電体で構成される誘電体導波路の一部が前記放射率調整機構で置き換えられた当該導波路であり、前記放射率調整機構は、当該誘電体導波路に形成されるグレーティングカプラである、請求項５に記載のアンテナデバイス。
【請求項11】
請求項１～１０のいずれか１項に記載のアンテナデバイスと、前記入射端に接続される周波数掃引または広帯域発光が可能な光源と、
を有し、
前記周波数掃引される光、又は、前記広帯域発光の光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、ビームステアリングシステム。
【請求項12】
周波数掃引または広帯域発光が可能な光源と、前記光源からの光波を入力する導波路と、
前記導波路に接続される第１アンテナと、
前記導波路に接続される第２アンテナと、
前記第１アンテナの出力端と、前記第２アンテナの出力端の少なくとも一方に接続される検出器と、
前記検出器の出力に接続されるプロセッサと、
を有し、
前記第１アンテナは、前記第１アンテナから放射され外部で反射された第１信号光と前記第２アンテナから放射され外部で反射された第２信号光の少なくとも一方を、前記光源への戻り光が生じない方向に受信し、
前記検出器に、前記受信した光波と、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光が入力され
前記プロセッサは、前記検出器の出力に基づいて物体の位置および速度を推定し、
前記周波数掃引される光、前記広帯域発光の光、前記第１信号光、前記第２信号光、前記戻り光、前記受信した光波、及び、前記第１参照光の周波数帯は、テラヘルツ、赤外光、又は可視光の周波数帯である、レーダ装置。
【請求項13】
前記検出器は、前記第１アンテナの出力端に接続され、前記第１信号光と前記第１参照光の重ね合わせを入力として受けとる、請求項１２に記載のレーダ装置。
【請求項14】
前記検出器は、前記第１アンテナの出力端に接続される第１検出器と、前記第２アンテナの出力端に接続される第２検出器とを含み、前記プロセッサは、前記第１検出器の出力と前記第２検出器の出力に接続され、
前記第１検出器に、前記第１参照光と、前記第２アンテナから放射され外部で反射された第２信号光が入力されて前記第２信号光が検波され、
前記第２検出器に、前記第２アンテナから放射されずに前記第２アンテナ内に留まる第２参照光と、前記第１信号光が入力されて前記第１信号光が検波され、
前記プロセッサは、前記第１検出器の出力と前記第２検出器の出力に基づいて前記物体の位置および速度を推定する、
請求項１２に記載のレーダ装置。
【請求項15】
前記第１アンテナの出力端と前記第２アンテナの出力端に接続される合成器、を有し、
前記検出器は、前記合成器の出力に接続される第１検出器と第２検出器を含み、
前記プロセッサは、前記第１検出器の出力と前記第２検出器の出力に接続され、
前記第１アンテナから前記合成器に、前記第１信号光と、前記第１参照光と、前記第２アンテナから放射され外部で反射された第２信号光とを含む第１受信信号が入力され、
前記第２アンテナから前記合成器に、前記第１信号光と前記第２信号光と前記第２アンテナから放射されずに前記第２アンテナ内に留まる第２参照光とを含む第２受信信号が入力され、
前記合成器は前記第１受信信号と前記第２受信信号をアナログ合成し、前記第１検出器と前記第２検出器に、前記第１受信信号と前記第２受信信号の和成分と差成分を供給する、
請求項１２に記載のレーダ装置。
【請求項16】
前記プロセッサは、所定範囲の周波数を掃引し、前記所定範囲の全帯域の掃引結果を一度に用いて前記物体の方向と距離を計算して第１推定値を決定し、
前記所定範囲を複数の区間に分割した各帯域で前記物体の前記方向と前記距離を計算して第２推定値を決定し、
前記第１推定値と前記第２推定値に基づいて前記物体の前記位置と前記速度を決定する、
請求項１２～１５のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項17】
前記光源は広帯域発光が可能な光源であり、前記検出器は、周波数分解可能な検出器である、
請求項１２～１６のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項18】
前記第１アンテナ、前記第２アンテナ、前記検出器の組が複数配置され、前記プロセッサは、すべての検出器からの出力に基づいて前記物体の位置及び速度を推定する、請求項１２～１７のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項19】
請求項１２～１８のいずれか１項に記載のレーダ装置を用いて非接触に対象物の形状、変位、及び状態の少なくともひとつを推定するセンサ。
【請求項20】
前記対象物に振動を印加する加振器、をさらに有し、前記レーダ装置は前記振動の印加の下で、前記対象物で反射された反射信号を受信し、
前記プロセッサは、前記反射信号に基づいて前記対象物の内部状態を計測する、
請求項１９に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ビームステアリングが可能なアンテナ技術と、これを利用したレーダ装置、及びセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、７６ＧＨｚ帯をはじめとするミリ波を用いたレーダが車載応用をはじめ急速に普及している。ミリ波レーダは車や人の有無を大まかに検出することが可能であるが、測距の精度はそれほど高くない。一方、光波（近赤外光）を用いたレーザレーダは指向性の強いビームで高精度の測距が可能であるが、天候や遮蔽等の影響を受けやすい。
【0003】
電波と光波の間のテラヘルツ波を用いることで、ミリ波よりも一桁以上高い分解能で物体を検知、判別するとともに、必要なアンテナサイズを一桁以上、小型化することができる。
【0004】
テラヘルツレーダの実現に向けて技術的な障壁となるのは、ビーム走査の困難さと、送受信波の分離の困難さである。ビーム走査が困難なのは、現時点で低損失かつ集積可能な移相器がないからである。送受信波の分離が困難なのは、現時点で低損失かつ高アイソレーションのサーキュレータがないからである。汎用的なテラヘルツレーダは未だ実現されておらず、研究開発等の目的で、大掛かりな光学系や反射鏡を組み合わせて、機械駆動でビーム走査している。
【0005】
移相器や機械駆動を用いることなくビーム走査をするために、マイクロストリップベースの漏れ波アンテナを用いて、一定の角度範囲にビーム走査するテラヘルツレーダが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【文献】Murano, K. et al. "Low-Profile Terahertz Radar Based on Broadband Leaky-Wave Beam Steering", IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 7, 1-10 (2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記の漏れ波アンテナを用いたテラヘルツレーダは、一本の漏れ波アンテナを用い、受信器と発振器が同じ位置に配置される。そのため、サーキュレータもしくは方向性結合器が必要となり、サイズとコストが増大する。また、一本の漏れ波アンテナのビーム走査角度範囲だけでは不十分な場合がある。
【0008】
本発明は、小型かつ集積可能な構成で、より広い角度に渡るビーム走査に適したアンテナデバイスと、これを用いたレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を実現するため、実施形態では、１本または２本以上のアンテナを使用する。
【0010】
本発明のひとつの態様では、アンテナデバイスは、入射端を有する導波路と、前記導波路に接続される第１アンテナ、及び第２アンテナを有し、
前記第１アンテナは、前記第１アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第１信号と前記第２アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第２信号の少なくとも一方を、前記第１アンテナ内で前記入射端への戻り光が生じない方向に受信し、受信した信号と、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光とを合波する。
前記第１アンテナは、前記第１アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第１信号と前記第２アンテナから放射され外部で反射されて戻ってきた第２信号の少なくとも一方を、前記第１アンテナ内で前記入射端への戻り光が生じない方向に受信し、受信した信号と、前記第１アンテナから放射されずに前記第１アンテナ内に留まる第１参照光とを合波する。
【発明の効果】
【0011】
上記の構成により、小型かつ集積が容易で、より広い角度に渡るビーム走査に適したアンテナ構造が実現する。このアンテナ構造を用いたテラヘルツレーダは、ミリ波レーダと比較して高い分解能を有する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】実施形態の速波線路型アンテナの基本概念を説明する図である。
【図1B】実施形態の遅波線路型アンテナの基本概念を説明する図である。
【図2】実施形態のアンテナデバイスの外観を示す図である。
【図3】速波線路型アンテナの放射原理を説明する図である。
【図4】アンテナデバイスに適用される放射率調整機構を示す図である。
【図5】実施形態のアンテナデバイスの本体内部の導波路構造を説明する図である。
【図6B】本体に放射率調整機構を載せた状態を示す図である。
【図6C】本体にカバーをかぶせた状態を示す図である。
【図8】放射率調整フィルムのパターン例を示す図である。
【図9】放射率調整フィルムの周期構造を示す図である。
【図10】放射率調整フィルムを用いたアンテナデバイスの放射例を示す模式図である。
【図11】実施形態のアンテナを用いたレーダ装置の模式図である。
【図12】レーダ動作の原理を説明する図である。
【図13】レーダ装置の測距の原理を説明する図である。
【図14】ホモダイン検波の原理を説明する図である。
【図15】周波数掃引による放射パターンのシミュレーション結果の図である。
【図16】実測されたアンテナの放射パターンを示す図である。
【図17】実施形態のアンテナの放射方向とビーム幅の理論値と実験値を示す図である。
【図19】物体の変位が微小な場合の検出方法を説明する図である。
【図20】物体の変位が微小な場合のＴｏＦ法の困難性を説明する図である。
【図21】物体の変位が微小な場合の実施形態の測距手法を説明する図である。
【図22】物体の変位が微小な場合の実施形態の測距手法を説明する図である。
【図23】実施形態のレーダ装置と加振器を組み合わせたセンサの模式図である。
【図24】実施形態のレーダ装置を利用した心拍計測のセットアップを示す模式図である。
【図25A】実施形態のレーダシステムによる心拍計測結果を示す図である。
【図25B】別の被験者のレーダシステムによる心拍計測結果を示す図である。
【図26】位置決定のあいまいさを説明する図である。
【図27】位置決定のあいまいさを説明する図である。
【図28】位置決定のあいまいさを解決する手法を説明する図である。
【図29】実施形態のレーダ装置で行われる信号処理のフローチャートである。
【図31】レーダ装置の変形例１であり、１本のアンテナを用いた構成例である。
【図32】レーダ装置の変形例２であり、同じ方向を向く２本のアンテナを用いた構成例である。
【図33】レーダ装置の変形例３であり、２本のアンテナ出力を合成して１つの受光器で受信する構成例である。
【図34】レーダ装置の変形例４であり、ハイブリッドカプラを介して２つの受光器で受信する構成例である。
【図35】レーダ装置の変形例５であり、反射板を用いた構成例である。
【図36】反射板付きのアンテナデバイスの構成例である。
【図37】レーダ装置の変形例６であり、２本のアンテナを有するアンテナデバイスに反射板を組み合わせた構成例である。
【図38】レーダ装置の変形例７であり、異なる方向を向いたアンテナに迂回路を組み合わせた構成例である。
【図39】レーダ装置の変形例８であり、同じ方向を向いたアンテナに迂回路を組み合わせた構成例である。
【図40】実施形態と変形例の構成と機能をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
実施形態では、単一、または２本以上の漏れ波アンテナを、互いに異なる方向、または同じ方向に組み合わせることで、簡単な構成でビームの走査範囲を拡張する。受信器と発振器を別々に配置することが可能になり、サーキュレータ等の送受信波の分離手段が不要になって、小型化が実現される。一つの構成例では、放射率調整機構を用いることで、ホモダイン検波の効率を高める。実施形態のアンテナデバイスは、レーダ装置、心拍／脈拍計測等の生体センサ、測定対象物の機械的性質を測定するセンサ、あるいは手指のジェスチュア認識などに良好に適用される。
【0014】
＜アンテナデバイスの基本構造＞
図１Ａと図１Ｂは、実施形態のアンテナの基本概念を説明する図である。図１Ａは速波線路型のアンテナデバイス２０Ａを用いたビームステアリングシステム１０Ａの模式図、図１Ｂは遅波線路型のアンテナデバイス２０Ｂを用いたビームステアリングシステム１０Ｂの模式図である。図１Ａ、及び図１Ｂでは、２本のアンテナを異なる方向に向けた構成例を示す。
図１Ａと図１Ｂは、実施形態のアンテナの基本概念を説明する図である。図１Ａは速波線路型のアンテナデバイス２０Ａを用いたビームステアリングシステム１０Ａの模式図、図１Ｂは遅波線路型のアンテナデバイス２０Ｂを用いたビームステアリングシステム１０Ｂの模式図である。図１Ａ、及び図１Ｂでは、２本のアンテナを異なる方向に向けた構成例を示す。
【0015】
図１Ａで、アンテナデバイス２０Ａは、入射端となる第１ポートＰ１から延びる導波路１１と、導波路１１から第１の方向に延びる第１アンテナ１２と、導波路１１から第１の方向と異なる第２の方向に延びる第２アンテナ１３を有する。第１の方向と第２の方向は、ビーム走査範囲を広げる観点から、１８０°互いに逆方向であってもよいが、検知対象となる物体の性質、位置、挙動等によっては、必ずしも１８０°逆方向でなくてもよい。たとえば、１２０°の角度で別方向に延びるアンテナであってもよい。検知対象の物体の構造異方性あるいは屈折率異方性を検出する観点から、電場の振動方向が直交するように９０°の角度で配置されていてもよい。
【0016】
第１アンテナ１２の端部は、受信器としての第１検出器１５が接続されている。第２アンテナ１３の端部に、受信器としての第２検出器１６が接続されている。アンテナデバイス２０Ａは、周波数可変発振器１４に接続される第１ポートと、第１検出器１５及び第２検出器１６に接続される２つのポートを有する、３ポート構成である。
【0017】
図１Ａ及び図１Ｂの例では、発振器として周波数可変発振器１４を用い、受信器として一般的な光検出器を用いているが、この例に限定されない。後述するように、発振器として広帯域発振器を用い、受信器として周波数分解が可能な検出器を用いることができる。
【0018】
ビームステアリングシステム１０Ａは、アンテナデバイス２０Ａと周波数可変発振器１４を含む。周波数可変発振器１４で周波数を掃引することにより、アンテナデバイス２０Ａから放射されるビームをｘｚ面内で走査する。周波数可変発振器１４の周波数帯は、たとえば、中赤外領域から電磁波領域までをカバーするテラヘルツ帯（波長が３μｍ～３ｍｍ）であるが、これに限定されない。テラヘルツ波に替えて、またはテラヘルツ波に加えて、近赤外光や可視光の周波数帯を用いてもよい。
【0019】
ビームステアリングシステム１０Ａの動作は以下のとおりである。周波数可変発振器１４から出力される光波（たとえばテラヘルツ波）は、導波路１１を伝搬して分岐され、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３に入射する。第１アンテナ１２を伝搬する光波の一部は、第１アンテナ１２から漏れ出て、放射光ＤＲ１として放射される。残りの光は、第１アンテナ１２から放射されずに、ローカル光ＬＯ１として第１アンテナ１２内に留まり、第１検出器１５に入射して第１参照信号として用いられる。
【0020】
放射光ＤＲ１は、放射角θで放射される。放射角θは、光波の伝搬方向の法線と放射光ＤＲ１の放射方向が成す角度である。放射光ＤＲ１は、進行方向に向かって放射され、伝搬方向からみて鋭角から直角の範囲で放射される。
【0021】
第１アンテナ１２から放射された放射光ＤＲ１は、環境内に存在する物体で反射され、反射信号ＲＳ１として、第２アンテナ１３で受信される。
【0022】
同様に、周波数可変発振器１４から出力される光波（たとえばテラヘルツ波）のうち、第２アンテナ１３を伝搬する光波の一部は、第２アンテナ１３から漏れ出て、放射光ＤＲ２として空中に放射される。放射光ＤＲ２の放射方向も、伝搬方向に対して鋭角を成す。光の他の部分は第２アンテナ１３から放射されずに、ローカル光ＬＯ２として第２アンテナ１３内に留まり、第２検出器１６に入射して第２参照信号として用いられる。
【0023】
第２アンテナ１３から放射された放射光ＤＲ２は、環境内に存在する物体で反射され、反射信号ＲＳ２として、第１アンテナ１２で受信される。
【0024】
第１アンテナ１２で、同じ周波数の反射信号ＲＳ２と、第１参照光として用いられるローカル光ＬＯ１が合波され、第１検出器１５で混合されて反射信号ＲＳ２がホモダイン検波される。第２アンテナ１３で、同じ周波数の反射信号ＲＳ１と、第２参照光として用いられるローカル光ＬＯ２が合波され、第２検出器１６で混合されて反射信号ＲＳ１がホモダイン検波される。このとき、漏れ波アンテナである第１アンテナ１２は、反射信号ＲＳ２を、光源すなわち周波数可変発振器１４への戻り光が生じない方向に受信し、第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯ１と合波する。漏れ波アンテナである第２アンテナ１３は、反射信号ＲＳ１を、光源すなわち周波数可変発振器１４への戻り光が生じない方向に受信し、第２アンテナ１３内に留まるローカル光ＬＯ２と合波する。第１検出器１５と第２検出器１６は、たとえば、ショットキーバリアダイオードのような非線形素子であってもよい。
【0025】
周波数可変発振器１４で周波数が掃引されると、ｘｚ面内で放射光ＤＲ１と放射光ＤＲ２の放射角θが変化して、別の走査方向に放射される。次の放射角θでも、第１検出器１５で反射信号ＲＳ２が第１参照信号（ローカル光ＬＯ１）と混合されてホモダイン検波される。第２検出器１６で反射信号ＲＳ１が第２参照信号（ローカル光ＬＯ２）と混合されてホモダイン検波される。この構成により、ビーム走査とホモダイン検波を実現することができる。
【0026】
後述するように、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３において、アンテナから放射される放射光と、放射されずにアンテナ内に留まる参照光（またはローカル光ＬＯ）の割合は調整可能である。
【0027】
図１Ｂの遅波線路型のアンテナデバイス２０Ｂは、アンテナデバイス２０Ａと同様に、３ポート構成である。アンテナデバイス２０Ｂは、第１ポートＰ１から延びる導波路１１と、導波路１１から第１の方向に延びる第１アンテナ１２Ａと、第１の方向と異なる第２の方向に延びる第２アンテナ１３Ａを有する。第１アンテナ１２Ａの端部が第２ポート、第２アンテナ１３Ａの端部が第３ポートになる。
【0028】
図１Ｂの（ｂ）に示すように、第１アンテナ１２Ａは、第１検出器１５まで延びる主導波路１２０と、回折格子１２６を有する。主導波路１２０と回折格子１２６は、たとえばポリマーフィルム上の導電パターンとして形成されてもよい。図示は省略するが、第２アンテナ１３Ａも、第１アンテナ１２Ａと同様に、第２検出器１６に至る主導波路と、回折格子を有する。
【0029】
回折格子１２６は、一例として、ｘ方向に延びる主導波路１２０の両側に互い違いに設けられるｙ方向の枝パターンで形成される。枝パターンのピッチＰは、アンテナを伝搬する光波を回折させることのできる間隔に設定されている。枝線路の長さｌは、後述するように、主導波路１２０を導波する導波光と、空中に放射される放射光のパワー比が適切な比率になるように設計されている。
【0030】
回折格子１２６は、金属ストリップ以外に、突起、スリットなどで形成されてもよい。また、枝パターンだけではなく、ラダーパターン、コルゲートパターン、ミアンダパターンなど、光波を回折することのできる任意のパターンを採用してもよい。
【0031】
回折格子１２６は、光波を主導波路１２０に沿って一定の位相遅延分布で空中に放射する。回折格子１２６によって、図１Ｂの（ａ）に示すように、第１アンテナ１２Ａから放射される放射光ＤＲ１は、伝搬方向と反対方向に放射角θで放射される。放射方向は、伝搬方向と鈍角を成す。同様に、第２アンテナ１３Ａから放射される放射光ＤＲ２は、第２アンテナ１３Ａに設けられた回折格子によって、伝搬方向と反対方向に放射角θで放射される。放射方向は、伝搬方向と鈍角を成す。
【0032】
アンテナデバイス２０Ｂを用いたビームステアリングシステム１０Ｂの動作は以下のとおりである。周波数可変発振器１４から出力される光波は、導波路１１を伝搬して分岐され、第１アンテナ１２Ａと第２アンテナ１３Ａに入射する。
【0033】
第１アンテナ１２Ａを伝搬する光波の一部は、第１アンテナ１２Ａから漏れ出て、伝搬方向の後方に放射光ＤＲ１として放射される。光の他の部分は第１アンテナ１２Ａから放射されずに第１アンテナ１２Ａ内に留まり（ローカル光ＬＯ１）、第１検出器１５に入射して第１参照光として用いられる。
【0034】
第１アンテナ１２Ａから伝搬方向と逆方向に放射された放射光ＤＲ１は、環境内に存在する物体で反射され、反射信号ＲＳ１として、第２検出器１６の側から第２アンテナ１３Ａに入射する。反射信号ＲＳ１は、第２アンテナ１３Ａの回折格子１２６によって、第２検出器１６に向かって伝搬する。
【0035】
同様に、第２アンテナ１３Ａを伝搬する光波の一部は、第２アンテナ１３Ａから漏れ出て、伝搬方向の後方に放射光ＤＲ２として放射される。光の他の部分は第２アンテナ１３Ａから放射されずに第２アンテナ１３Ａ内に留まり（ローカル光ＬＯ２）、第２検出器１６に入射して第２参照光として用いられる。
【0036】
第２アンテナ１３Ａから伝搬方向と逆方向に放射された放射光ＤＲ２は、環境内に存在する物体で反射され、反射信号ＲＳ２として、第１検出器１５の側から第１アンテナ１２Ａに入射する。反射信号ＲＳ２は、第１アンテナ１２Ａの回折格子１２６によって、第１検出器１５に向かって伝搬する。
【0037】
第１検出器１５で、同じ周波数の反射信号ＲＳ２と第１参照光（ローカルＬＯ１）が混合され、ホモダイン検波される。第２検出器１６で、同じ周波数の反射信号ＲＳ１と第２参照光（ローカルＬＯ２）が混合され、ホモダイン検波される。
【0038】
周波数可変発振器１４で周波数が掃引されると、放射光ＤＲ１，ＤＲ２の放射角θが変化して別の走査方向に放射される。次の放射角θでも、第１検出器１５で反射信号ＲＳ２はローカル光ＬＯ１と混合されてホモダイン検波され、第２検出器１６で反射信号ＲＳ１はローカル光ＬＯ２と混合されてホモダイン検波される。この構成により、ビーム走査とホモダイン検波を実現することができる。
【0039】
速波線路型のアンテナデバイス２０Ａは、周波数可変発振器１４から出力された光波のほぼ全部を放射光とローカル光に配分することができ、損失が小さい。ただし、導波路１１、第１アンテナ１２、及び第２アンテナ１３を導波管で構成するため、アンテナデバイス２０Ｂと比較して嵩張る。
【0040】
遅波線路型のアンテナデバイス２０Ｂは、ポリマーフィルム上の導電パターン等として形成することができ、アンテナデバイス２０Ａと比較して薄型かつ小型のデバイスになるが、遅波線路により多少の損失が発生する。
【0041】
アンテナデバイス２０の用途、許容される作製条件等に応じて、アンテナデバイス２０Ａと２０Ｂのいずれの構成を採用してもよい。アンテナデバイス２０Ａと２０Ｂのいずれもビームステアリングに適している。
【0042】
図２は、アンテナデバイス２０の外観を示す。以下の説明では、図１Ａのアンテナデバイス２０Ａを例にとって説明するが、ホモダイン検波とビームステアリングの原理は、図１Ｂのアンテナデバイス２０Ｂにも同様に当てはまる。
【0043】
アンテナデバイス２０は、本体２１の内部に、導波路Ａ、導波路Ｂ、及び導波路Ｃが形成されており、カバー２５で覆われている。導波路Ａは、図１Ａの導波路１１に対応し、たとえばＥＩＡ規格の導波管（ＷＲ２．２）である。導波路Ｂは、図１Ａの第１アンテナ１２に対応する。導波路Ｃは、図１Ａの第２アンテナ１３に対応する。
【0044】
導波路Ａの入力端は、図１Ａの第１ポートＰ１に相当し、周波数可変発振器１４に接続される。導波路Ｂの端部は導波路Ｄで出射端に接続され、第１検出器１５と接続される。導波路Ｃの端部は導波路Ｅで出射端に接続され、第２検出器１６と接続される。
【0045】
本体２１の上面とカバー２５にはスリットが形成されており、スリットから漏れ波が放射される。
【0046】
図３は、速波線路型のアンテナデバイス２０Ａの放射原理を示す。ここでは、一対のアンテナのうち第１アンテナ１２を例にとるが、第２アンテナ１３も、伝搬方向が逆になるだけで、構成と放射原理は同じである。
【0047】
第１アンテナ１２は位相速度が光速度を上回る導波路（たとえば金属導波管）１２３で形成されている。電場Ｅの振動方向と平行な面１２２にスリット１２１を設けると、周波数によって決まる方向に指向性の放射が生じる（図中、放射光「ＤＲ１」で表示）。残りの成分はローカル光ＬＯ１として第１アンテナ内に留まり、上述したように第１参照光として用いられる。なお、ローカル光ＬＯ１はＴＥ１０モードであるため、導波路１２３内においてｘｚ面内で多重反射を繰り返しながら伝搬する。
【0048】
放射角θは、
θ＝ｓｉｎ-1（Ｋg／Ｋ０）
で決まる。ここで、Ｋ０は空中での波数、Ｋgは導波路１２３中での波数である。
θ＝ｓｉｎ-1（Ｋg／Ｋ０）
で決まる。ここで、Ｋ０は空中での波数、Ｋgは導波路１２３中での波数である。
【0049】
【0050】
上記の２つの式は、アンテナから放射されずにアンテナ内に留まるローカル光ＬＯと放射光ＤＲの間で位相整合条件が満たされていることを前提としている。
【0051】
実施形態の一つの特徴として、アンテナから放射される放射光と、放射されずにアンテナ内に留まって参照光として用いられる光の割合を調整可能にする放射率調整機構を各アンテナに設ける。検出器で反射信号ＲＳをホモダイン検波するには、検波に適したパワーのローカル光ＬＯを参照光として検出器に入射する必要がある。検出器に到達する前に光波が過度に放射されてしまうと、検出器に入射するローカル光ＬＯのパワーが不十分になって、反射信号ＲＳの検波が困難になるからである。
【0052】
放射率機構は導波路に沿って一定比率の開口部を設けることで構成される。図４は、放射率調整機構の一例としてのフィルム２２の模式図である。フィルム２２は、たとえば導波路１２３のスリット１２１の上に配置される。フィルム２２は、キャリアフィルム２２１と、キャリアフィルム２２１の一方の面に形成される金属パターン２２２を有する。フィルム２２は、金属パターン２２２が形成された面を、本体２１の面１２２に対向させて配置される。
【0053】
キャリアフィルム２２１は、使用波長、たとえばテラヘルツ波に対して透明なフィルムであり、たとえば、ポリマーフィルムを用いることができる。ノンドープのシリコン、テフロン（登録商標）、石英等の薄いプレートを用いてもよい。
【0054】
金属パターン２２２は、使用波長、たとえばテラヘルツ波に対して不透明な材料で形成されており、たとえば、銅、銀、金、アルミニウム、インジウム、スズ、亜鉛等が用いられる。金属パターン２２２は、周期的な開口またはグリッド２２３を有する。このパターンは、金属薄膜をフォトリソグラフィ等でパターニングすることで形成される。
【0055】
グリッド２２３は、電場の振動方向と平行な方向に延びるグリッドである。図４の構成例ではグリッド２２３は周期的に形成されているが、回折格子と異なり、波長よりも十分に小さい周期で形成されている。そのためグリッド２２３の開口部は、ＴＥ１０モードとして伝搬するローカル光ＬＯ１に対してカットオフ状態となり、ローカル光ＬＯ１を導波路１２３内により閉じ込めて放射率を下げることに寄与する。グリッド２２３の周期と幅は、一例として、放射光と導波光の成分を半々（１対１）に分けるように設定されるが、この比率に限定されない。
【0056】
金属パターン２２２は必ずしもキャリアフィルム２２１の裏面の全面に形成されていなくてもよい。ｘｚ面以外へのテラヘルツ波の漏れを抑制するためには、スリット１２１に対応する位置にだけグリッド２２３が形成されていればよい。この詳細については、後述する。
【0057】
金属パターン２２２は必ずしも周期的でなくてもよい。例えば、グリッド２２３の開口部の大きさ、形、個数等が波長よりも十分小さい範囲で不均一に変化していてもよい。また、導波路１２３のスリット１２１の幅を調整することによっても放射率を調整することができる。この場合、スリット１２１自体が放射率調整機構の役割を果たすので、フィルム２２の金属パターン２２２は不要であるが、導波路１２３を保護する目的でフィルム２２が用いられてもよい。
【0058】
放射率調整機構としては、３Ｄプリントや射出成形で導波路上に開口部を一体成型したものを用いてもよい。
【0059】
図１Ｂの遅波線路型のアンテナデバイス２０Ｂの場合、放射量の調整は、回折格子１２６の枝線路の長さｌによって調整可能であり、必ずしも放射率調整機構としてフィルム２２を設けなくてもよい。
【0060】
図５は、実施形態のアンテナデバイス２０の本体内部の波動伝搬を説明する図である。本体２１の高さ方向（ｚ方向）に延びる導波路Ａの下端は、周波数可変発振器１４に接続される第１ポートＰ１であり、所望の帯域の光波が入力される。導波路Ａの断面での幅Ｗは、たとえば５７０μｍ、長さは２８５μｍである。
【0061】
導波路Ａは、その上端で、第１アンテナ１２となる導波路Ｂと、第２アンテナ１３となる導波路Ｃに分岐する。導波路Ｂと導波路Ｃは本体２１の上端に形成される溝であり、導波路の高さｈ（すなわち溝の深さ）は、たとえば４００～４５０μｍである。この溝がスリット２５１付きのカバー２５で覆われることで、導波管が形成される。
【0062】
分岐点で、カバー２５の底面側に設けられた突起２１５によってＴジャンクション２１４が形成され、導波路Ｂと導波路Ｃに分かれる。突起２１５の高さは数十μｍ～１００μｍ程度、伝搬方向（ｘ方向）の幅ｄは３００μｍ程度である。
【0063】
導波路Ｂを導波した光波は、第１検出器１５との接続ポートである第２ポートＰ２から第１検出器１５に入射する。導波路Ｃを導波した光波は、第２検出器１６との接続ポートである第３ポートＰ３から第２検出器１６に入射する。
【0064】
図５の例では、本体２１の上面近傍の導波路Ｂと導波路Ｃは、本体２１の内部でＬ字型に曲がる導波路Ｄと導波路Ｅによって第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３に接続されているが、この例に限定されない。第２ポートＰ２と第３ポートＰ３は、導波路Ｂと導波路Ｃが直線で接続される位置に配置されてもよい。
【0065】
【0066】
本体２１内でＴジャンクション２１４の両側に延びる第１アンテナ１２と第２アンテナ１３の上部に、フィルム２２のグリッド２２３のパターン（図４参照）と、カバー２５のスリット２５１が位置する。
【0067】
図６Ｂの（ａ）は、本体２１の上面２１ｔに放射率調整機構を構成するフィルム２２が配置された状態の斜視図、図６Ｂの（ｂ）は、フィルム２２の概略斜視図である。上述のように、キャリアフィルム２２１の裏面（本体２１の上面２１ｔと対向する面）に、周期的なグリッド２２３を有する金属パターン２２２が形成されている。グリッド２２３の幅と、グリッド２２３とグリッド２２３の間の開口のサイズを調整することで、空中に放射される放射光ＤＲのパワーと、第１アンテナ１２及び第２アンテナ１３をそのまま導波するローカル光ＬＯのパワーの比率を調整できる。
【0068】
図６Ｃは、本体２１にカバー２５をかぶせた状態を示す斜視図である。本体２１とカバー２５の間には、放射率調整機構を構成するフィルム２２が配置されている。フィルム２２の金属パターン２２２の開口から放射される漏れ波は、カバー２５のスリット２５１から空中に放射される。
【0069】
【0070】
図８は、放射率調整機構を構成するフィルム２２の金属パターン２２２の例を示す。図８（Ａ）の金属パターン２２２Ａは、伝搬方向であるｘ方向に繰り返されるストライプ２２３Ａのパターンを有する。各ストライプ２２３Ａは、キャリアフィルム２２１の幅方向（ｙ方向）の全体にわたって形成されている。金属パターン２２２Ａにより、放射光をストライプの間から、導波光に対する所望のパワー比で取り出せるが、各ストライプ２２３Ａが金属線路として働いて、ｙ方向へ漏れが生じるおそれがある。
【0071】
図８（Ｂ）では、ｙ方向への漏れを防止するために、金属パターン２２２Ｂは、ラダーパターン２２４を形成するグリッド２２３Ｂを有する。グリッド２２３Ｂのｙ方向（電場の振動方向）の長さを一定範囲に制限することで、本体２１の面１２２とキャリアフィルム２２１の間、あるいはキャリアフィルム２２１とカバー２５の間にエアギャップがあっても、ｙ方向に光波が漏れ出るのを防止できる。
【0072】
【0073】
ｘ方向に反復される周期構造は、以下を同時に満たすように決定される。
（１）一次回折波が生じない程度にストライプの周期Ｔを小さくすること、すなわち、グリッド２２３のパターンが回折格子として機能しないようにすること；
（２）放射光のパワーと、検出器に到達する導波光（ローカル光）のパワーの比率を１：１またはそれに近い比率になるように、開口幅ｐと、ストライプ幅ｑの割合が調整されていること；及び
（３）ストライプのグリッド２２３によって生じる金属損失を抑制すべく、ストライプ幅ｑを小さくしすぎないこと。
（１）一次回折波が生じない程度にストライプの周期Ｔを小さくすること、すなわち、グリッド２２３のパターンが回折格子として機能しないようにすること；
（２）放射光のパワーと、検出器に到達する導波光（ローカル光）のパワーの比率を１：１またはそれに近い比率になるように、開口幅ｐと、ストライプ幅ｑの割合が調整されていること；及び
（３）ストライプのグリッド２２３によって生じる金属損失を抑制すべく、ストライプ幅ｑを小さくしすぎないこと。
【0074】
上記の条件を満たすように、一例として、開口幅ｐを１４０μｍ、ストライプ幅ｑを９０μｍ、周期Ｔを２３０μｍに設計する。レーザ描画による金属パターンを顕微鏡観察すると、±２μｍ程度の誤差で、ほぼ設計通りに加工されていることがわかる。
【0075】
図１０は、本体２１のスリットに放射率調整機構（たとえば上述したフィルム２２）を設けたときのアンテナ動作を説明する図である。導波路１１から導波路Ｂに導波した光波のうち、ほぼ半分が放射光ＤＲ１として空中に放射され、ほぼ半分がローカル光ＬＯ１としてアンテナ内に留まって第２ポートＰ２に至る。
【0076】
同様に、導波路１１から導波路Ｃに導波した光波のうち、ほぼ半分が放射光ＤＲ２として空中に放射され、ほぼ半分がローカル光ＬＯ２としてアンテナ内に留まって第３ポートＰ３に至る。
【0077】
放射光ＤＲ１が環境内の物体で反射されて、放射方向と同じ方向から戻ってきた反射信号ＲＳ１は、導波路Ｃを通って第３ポートＰ３へ導波する。放射光ＤＲ２が環境内の物体で反射されて、放射方向と同じ方向から戻ってきた反射信号ＲＳ２は、導波路Ｂを通って第２ポートＰ２へ導波する。
【0078】
これにより、第２ポートＰ２では、ローカル光ＬＯ１と反射信号ＲＳ２が得られ、第３ポートＰ３では、ローカル光ＬＯ２と反射信号ＲＳ１が得られる。第２ポートＰ２と第３ポートＰ３に検出器または受信器を接続することで、反射信号ＲＳ２と反射信号ＲＳ１はローカル光ＬＯ１とＬＯ２をそれぞれ第１参照光及び第２参照光として用いてホモダイン検波される。
【0079】
＜レーダ装置への適用＞
図１１は、アンテナデバイス２０を用いたレーダ装置１００の模式図である。レーダ装置は、アンテナデバイス２０と、アンテナデバイス２０の第１ポートに接続される周波数可変発振器１４と、アンテナデバイス２０の第２ポート及び第３ポートにそれぞれ接続される第１検出器１５及び第２検出器１６と、第１検出器１５と第２検出器１６の出力に接続されるプロセッサ３０を有する。周波数可変発振器１４もプロセッサ３０に接続されて掃引周波数と掃引のタイミングが制御される。
図１１は、アンテナデバイス２０を用いたレーダ装置１００の模式図である。レーダ装置は、アンテナデバイス２０と、アンテナデバイス２０の第１ポートに接続される周波数可変発振器１４と、アンテナデバイス２０の第２ポート及び第３ポートにそれぞれ接続される第１検出器１５及び第２検出器１６と、第１検出器１５と第２検出器１６の出力に接続されるプロセッサ３０を有する。周波数可変発振器１４もプロセッサ３０に接続されて掃引周波数と掃引のタイミングが制御される。
【0080】
アンテナデバイス２０は、この例では、互いに異なる方向に組み合わせられた第１アンテナ１２と第２アンテナ１３を有する。第１アンテナ１２と第２アンテナ１３は、漏れ波アンテナ（ＬＷＡ：Leaky-Wave Antenna）であり、速波線路型、遅波線路型のいずれであってもよい。
【0081】
周波数可変発振器１４は、電子回路であってもよいし可変波長レーザであってもよい。周波数可変発振器１４とアンテナデバイス２０の間に、周波数逓倍器３１が挿入されてもよい。発振器として広帯域発振器を用い、第１検出器１５、及び第２検出器１６として周波数分解が可能な検出器を用いてもよい。
【0082】
第１検出器１５と第２検出器１６は、たとえばショットキーバリアダイオードであり、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明したように、ローカル光ＬＯを参照光として用いて環境内の物体からの反射信号ＲＳをホモダイン検波する。
【0083】
プロセッサ３０は、第１検出器１５と第２検出器１６による検波結果を用いて、物体の位置（距離と方向）を算出する。
【0084】
図１２は、レーダ動作の原理を説明する図である。第１ポートＰ１から入力された光波は分岐して、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３に伝搬する。第１アンテナ１２から放射される放射光の方向に物体ＯＢ１が存在すると、物体ＯＢ１で反射された光は、放射光と平行な方向に反射されて、第２アンテナ１３で受信される。第２アンテナ１３から放射される放射光の方向に物体ＯＢ２が存在すると、物体ＯＢ２で反射された光は、放射光と平行な方向に反射されて、第１アンテナ１２で受信される。
【0085】
第１アンテナ１２の端部に接続される第２ポートＰ２で、放射されずに第１アンテナ１２内に留まるローカル光と、物体ＯＢ２で反射された反射信号が得られる。第２アンテナ１３の端部に接続される第３ポートＰ３で、放射されずに第２アンテナ１３内に留まるローカル光と、物体ＯＢ１で反射された反射信号が得られる。
【0086】
図１１に戻って、プロセッサ３０による信号処理の一例を説明する。環境内に物体が無いときの背景信号をあらかじめ取得して、プロセッサ３０の内部または外部のメモリに保存しておく。周波数可変発振器１４で周波数を掃引しながら、第１検出器１５と第２検出器１６の出力電圧を取得する。第１検出器１５と第２検出器１６の出力電圧の各々と、背景信号との差分をとって、各検出器の出力の周波数スペクトルを得る。
【0087】
図１３の左図は、検出器で取得される周波数スペクトルの一例である。一対の検出器で空間の半分ずつをカバーし、それぞれで得られた周波数スペクトルが統合される。横軸が掃引される周波数、縦軸が検出器の出力電圧である。アンテナデバイス２０から放射されるビーム角は図１７のように周波数とともに変化するので、周波数スペクトルのピーク位置から、物体の方向を算出できる。第１検出器は放射光ＤＲ１のある側の空間中の物体を、第２検出器は放射光ＤＲ２のある側の空間中の物体を、それぞれ検出する。
【0088】
この周波数スペクトルを逆フーリエ変換（ＩＦＴ：Inverse Fourier Transform）して絶対値をとることで、図１３の右図のように時間軸上の反射信号が得られる。図１３の横軸は時間、縦軸は検出器の出力電圧である。反射信号のピークを与える時刻から、たとえばタイム・オブ・フライト（ＴｏＦ）法に基づいて物体までの往復の伝搬時間を計算し、光の速度を乗算して２で割ることで、距離が算出される。
【0089】
一度の周波数掃引によって、方向と距離が決まり、物体の２次元的な位置（たとえばｘｚ面内での位置）が決まる。
【0090】
物体が複数の異なる方向・距離に存在する場合には、複数のピークを読み分けることでそれぞれを定位可能である。また、様々な波形のスペクトル・反射信号のデータを蓄積して機械学習を行うことで、より複雑な物体の形状を機械によって識別することができる。
【0091】
互いに異なる方向を向く第１アンテナ１２と第２アンテナ１３に、第１検出器１５と第２検出器をそれぞれ接続することで、±５０°～±６０°、すなわち１００°～１２０°の角度範囲をカバーすることができる。
【0092】
周波数掃引とＩＦＴを高速に繰り返すことで、リアルタイムに物体の位置を特定することができる。掃引される周波数範囲と周波数間隔は、それぞれ距離分解能と最大測距可能距離を決めるため、用途に応じて達成したい計測範囲、空間分解能、及び計測時間の兼ね合いから、最適な値を決めることができる。特に、物体を継続的にトラッキングする場合は、掃引周波数の範囲と間隔を動的に変更してもよい。これにより、掃引に要する時間を短縮し、より高速の計測が可能になる。なお、図１９以降を参照して後述するように、物体の変位が小さいときは、受信信号の位相差に基づいて正確に変位を測定することができる。
【0093】
【0094】
図１４は、第１検出器１５と第２検出器１６のそれぞれで行われるホモダイン検波の原理を説明する図である。第１検出器１５に着目して説明する。第２ポートＰ２で得られる光波のうち、導波路Ｂを導波した参照波（ローカル光）の電界振幅をψ１、外部で反射されて戻ってきた信号波（反射信号）の電界振幅をψ２とする。
【0095】
検出器に到達する電界強度は式（１）で表される。
【0096】
【数1】
【0097】
第１検出器１５と第２検出器１６は、２乗検波特性を持つ非線形素子であり、角周波数ωのときの検出器の出力電圧Ｖは式（２）で表される。
【0098】
【数2】
【0099】
図１５は、周波数掃引による放射パターンの数値シミュレーション結果である。このシミュレーション結果は、電場の瞬時値の絶対値の大きさを表わしている。
【0100】
周波数を３３０ＧＨｚ、３６０ＧＨｚ、５００ＧＨｚと掃引することで、ビームの走査角を放射面に対してほぼ直角（放射角θはほぼゼロ）から、放射角θ＝６０°近くにまで変化させることができる。
【0101】
図１６は、実測されたアンテナの放射パターンを示す。図１６（Ａ）は、図１４のｘｚ面での放射パターン、図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）の放射パターンの各ビームの断面を示す。図１５のシミュレーション通りに放射されていることが確認される。
【0102】
図１７は、実施形態のアンテナデバイスの放射方向とビーム幅の理論値と実験値を示す図である。図１７（Ａ）の横軸は周波数、縦軸は放射角度である。周波数を掃引して高周波にするほど、ビームの放射角（法線からの角度）は大きくなる。実線の理論値と、データ点（ここではエラーバーは誤差ではなく図１６（ａ）のビーム広がり角度の半値幅を表す）で示す実験値はよくフィットしている。
【0103】
図１７（Ｂ）は、図１７の理論値の計算で用いたモデルである。導波管の高さａを４４０μｍ、フィルム２２の厚さｄを５０μｍ、フィルム２２の屈折率をｎ、導波管内部を多重反射しながら伝搬する際の軌跡に沿った方向の波数を空中と同じＫ0とする（このように定義することで導波管の伝搬軸に沿った方向の波数ＫｇはＫｇ＝Ｋ0・ｓｉｎθとなる）。
【0104】
このモデルで、ビーム放射方向θは、
θ＝ｓｉｎ-1［１－（（π＋φ）／２Ｋ0・ａ）2］1/2
で表される。この式を用いて、図１３のような周波数スペクトル強度が最大となる周波数を、物体の方向に読み替えることができる。φは、導波路内の波動がグリッド反射されるときの位相変化を表わし、導波管の高さａ、フィルムの厚さｄ、屈折率ｎ等によって決まるパラメータである。このモデルでは、
φ＝π－０．２０２（ラジアン）
に設定される。ビーム幅θwは、
θw＝２π／Ｋ0・Ｌ・ｃｏｓθ
で求められる。Ｌはアンテナと物体との間の距離である。
θ＝ｓｉｎ-1［１－（（π＋φ）／２Ｋ0・ａ）2］1/2
で表される。この式を用いて、図１３のような周波数スペクトル強度が最大となる周波数を、物体の方向に読み替えることができる。φは、導波路内の波動がグリッド反射されるときの位相変化を表わし、導波管の高さａ、フィルムの厚さｄ、屈折率ｎ等によって決まるパラメータである。このモデルでは、
φ＝π－０．２０２（ラジアン）
に設定される。ビーム幅θwは、
θw＝２π／Ｋ0・Ｌ・ｃｏｓθ
で求められる。Ｌはアンテナと物体との間の距離である。
【0105】
【0106】
図１８は、図１Ｂの遅波線路型のアンテナデバイスの変形例である。アンテナデバイス２０Ｃは、光源４４に接続される導波路１１と、導波路１１から第１の方向に分岐する第１アンテナ１２Ｂと、第２の方向に分岐する第２アンテナ１３Ｂを有する。第１アンテナ１２Ｂと第２アンテナ１３Ｂは、グレーティングカプラで形成される。
【0107】
グレーティングカプラは、たとえば、光ファイバやシリコン導波路の表面に波長程度の周期構造を形成することで得られる。グレーティングカプラを互いに逆向き、または異なる方向に向けて配置することで、アンテナデバイス２０Ｃが実現される。
【0108】
ビームステアリングシステム１０Ｃは、アンテナデバイス２０Ｃと、アンテナデバイス２０Ｃの第１ポートＰ１に接続される光源４４を含む。光源４４で周波数を掃引することで、アンテナ１２Ｂ及び１３Ｂから放射される放射光ＤＲ１及びＤＲ２をｘｚ面内で走査することができる。
【0109】
第１アンテナ１２Ｂのアンテナ端は、第１受光器４５に接続されている。第２アンテナ１３Ｂのアンテナ端は、第２受光器４６に接続されている。
【0110】
光源４４、第１受光器４５、及び第２受光器４６として、ＳＳＯＣＴ（Swept Source Optical Coherent Tomography:単一波長を掃引する方式）や、ＳＤＯＣＴ（Spectral Domain Optical Coherent Tomography：広帯域波長を分光する方式）で用いられる素子をそのまま用いることができる。
【0111】
ＳＳＯＣＴで用いられる素子として、波長可変レーザを光源４４に用い、フォトダイオードを受光器４５及び４６に用いることができる。ＳＤＯＣＴで用いられる素子として、スーパールミネセントダイオードを光源４４に用い、ＣＣＤ分光器を受光器４５及び４６に用いることができる。この場合、走査されるビームは必ずしもテラヘルツ波でなくてよく、赤外光、可視光等であってもよい。ＳＤＯＣＴは、広帯域な信号を一度に送ることでアンテナデバイス２０から各方向に同時にビームを飛ばし、計測を高速化できる。
【0112】
第１受光器４５及び第２受光器４６でのホモダイン検波の原理は、上述したとおりである。第１受光器４５及び第２受光器４６の出力をプロセッサに接続することで、広いビーム走査角度を持つ小型のレーダ装置が実現される。
【0113】
図１～図１８を参照して説明した実施形態では、アンテナで受光される信号光ＲＳと、アンテナに留まる参照光（ローカル光ＬＯ）の周波数が等しいという前提で、ホモダイン検波を行っていた。これは、周波数掃引速度がそれほど早くない場合に妥当する。
【0114】
周波数掃引速度が上がると、遠方で反射されて戻ってくる信号光と、発信器から出力された直後の参照光の間で、周波数差が生じる。その場合は、ヘテロダイン検波となる。検出器または受光器から出力される交流信号（干渉信号）の周波数を検出することで、対象物までの距離を同定することができる。このときの測距の手法は、周波数変調連続波（Frequency Modulation Continuous Wave：ＦＭＣＷ）レーダと同じ手法である。実施形態のアンテナデバイスとレーダ装置は、ヘテロダイン検波にも適用可能である。
【0115】
＜微小な変位の検出＞
図１９～図２２は、物体の変位が微小な場合の検出法を説明する図である。図１９で、物体ＯＢが位置Ａから位置Ｂへ、ΔＲだけ変位する場合、物体ＯＢからの反射信号は、ｃｏｓ［ωｔ－（２ωＲ／ｃ）］から、ｃｏｓ［ωｔ－（２ω（Ｒ＋ΔＲ）／ｃ）］に変化する。
図１９～図２２は、物体の変位が微小な場合の検出法を説明する図である。図１９で、物体ＯＢが位置Ａから位置Ｂへ、ΔＲだけ変位する場合、物体ＯＢからの反射信号は、ｃｏｓ［ωｔ－（２ωＲ／ｃ）］から、ｃｏｓ［ωｔ－（２ω（Ｒ＋ΔＲ）／ｃ）］に変化する。
【0116】
変位ΔＲが微小な場合、図２０のように、位置Ａと位置Ｂから得られた受信信号をＩＦＴして時間領域のスペクトル（絶対値）を取得しても、ピーク位置の区別がつきにくく、ＴｏＦで距離を算出することが困難である。
【0117】
そこで、図２１のように、ＩＦＴの位相に着目する。なお、図２０と図２１で、ＩＦＴ前の受信信号は、背景信号を差し引いた検出器（ダイオード）出力である。図２０及び図２１で、位置Ａのスペクトルは図１３のスペクトルと同じデータである。
【0118】
理論的にＴｏＦ法で区別できるのは、およそΔＲ＝ｃ／２ＦWまでである。ここで、ｃは光速度、ＦWは受信したレーダ信号の帯域幅である。図２０の例で、受信信号の帯域幅ＦWはおよそ８０ＧＨｚなので、ΔＲが１．８ｍｍ以下では読み取ることができない。
【0119】
【0120】
図２２は、図２１のＩＦＴ信号の位相差Δφを示す。図２０と異なり、位相差のピークが明確に現れている。このピーク位置から、変位前の基準となる距離を算出することができる。この手法を、「位相敏感検出」と呼ぶ。
【0121】
図２２の横軸の「時間」を変位前の基準距離Ｒに読み替え、縦軸の「位相差」を変位に読み替える。変位ΔＲは、位相差Δφを用いて、
ΔＲ＝（－ｃ／２ω0）Δφ
で計算される。ここで、ω0は受信したレーダ信号の中心角周波数である。図２２で、ω0は４５０ＧＨｚなので、ΔＲは約－０．１２ｍｍである。マイナス符号は、物体がレーダに近づいていることを示す。
ΔＲ＝（－ｃ／２ω0）Δφ
で計算される。ここで、ω0は受信したレーダ信号の中心角周波数である。図２２で、ω0は４５０ＧＨｚなので、ΔＲは約－０．１２ｍｍである。マイナス符号は、物体がレーダに近づいていることを示す。
【0122】
図２０と比較して、測定の分解能が向上している。このように、受信信号の位相差を利用することで、微小な変位を検知することができる。微小な変位は、物体の外部から与えられてもよい。
【0123】
＜非接触型のセンサへの適用＞
図２３は、実施形態のレーダ装置１００と加振器５１を組み合わせたセンサ５０の模式図である。物体ＯＢを外部から加振して、振動や弾性波を計測することで、物体ＯＢの硬さの測定や、内部の探傷が可能になる。
図２３は、実施形態のレーダ装置１００と加振器５１を組み合わせたセンサ５０の模式図である。物体ＯＢを外部から加振して、振動や弾性波を計測することで、物体ＯＢの硬さの測定や、内部の探傷が可能になる。
【0124】
従来の振動センサでは、対象物の表面が露出している場合に限られていた。実施形態のセンサ５０は、テラヘルツ帯のレーダ装置１００を用いることで、物体ＯＢの表面が露出していなくても、能動的に振動を計測することができる。テラヘルツ波は、プラスチックや布を透過するからである。
【0125】
振動は、外部から物体ＯＢに与えてもよい。加振器５１として、電磁波（または光）を照射する光源、超音波を照射する超音波源などを用いることができる。光音響的な加振、またはフォトメカニカルな加振は、遠隔から非接触で物体ＯＢに印加することができる。あるいは、物体ＯＢに振動体を接触させて加振してもよい。
【0126】
センサ５０を用いることで、物体の内部の振動状況や、物性状況の検査が可能になる。医療分野で生体内の状況を把握するのに利用可能である。また、着衣の状態で、肩こりの具合や四肢の筋肉の硬さの測定が可能になる。
【0127】
加振器５１とビームステアリングシステム１０は、レーダ装置１００のプロセッサ３０に接続されている。プロセッサ３０による制御の下で、加振器５１とビームステアリングシステム１０は、同期して動作するのが望ましい。プロセッサ３０はメモリ３０１を有する。メモリ３０１は、加振器５１が物体ＯＢに加えた振動に関する情報と、振動を加えた後のレーダ装置１００の第１検出器１５、及び第２検出器１６（図１１参照）の出力を対応付けて記録してもよい。
【0128】
図２４、図２５Ａ、及び図２５Ｂは、図２１及び図２２に示した微小変位の検出を生体センサに適用した例を示す。ここでは、図１１の構成に基づく周波数掃引型の発振器と検出器を用いている。レーダ装置１００は、生体センサの外、ジェスチュアセンサ等の非接触センサとして使用可能である。
【0129】
図２４は、図２１及び図２２の位相敏感検出に基づく心拍測定を示す。被験者は、着衣のまま、胸部がレーダ装置１００から約４５°の角度で約２０ｃｍの距離に位置するように座っている。レーダ装置１００で反射波を取得し、ＩＦＴ位相差を求めることで、直接、心拍に伴う胸部の微小変化を測定する。比較として、あらかじめ心電図測定器で心電図（ＥＣＧ：electrocardiogram）を取得しておく。
【0130】
図２５Ａは、被験者Ａのレーダ測定結果（丸印）と心電波形（実線）を示す。図２５Ｂは、別の被験者Ｂのレーダ測定結果（丸印）と心電波形（実線）を示す。グラフの左側の縦軸がＥＣＧの電圧、右側の縦軸が実施形態のＩＦＴ位相差である。いずれの被験者においても、心電図波形と同期した胸部変位が観測されている。
【0131】
図２２と同様に、測定された位相差は、
ΔＲ＝（－ｃ／２ω0）Δφ
により、変位に読み替えることができる。この例では、ΔＲは胸部の変位（レーダ装置１００に近づくときがマイナス符号）、ｃは光速度、ω0は掃引帯域幅の中心角周波数、Δφは周波数掃引信号のＩＦＴの胸部距離における位相の１時刻前との差分地である。この例で、ω0＝２π×４４０ＧＨｚであり、Δφを３０ｍｓ毎に取得し、ＥＣＧ発生直後に約４０μｍの胸部変位を実測している。
ΔＲ＝（－ｃ／２ω0）Δφ
により、変位に読み替えることができる。この例では、ΔＲは胸部の変位（レーダ装置１００に近づくときがマイナス符号）、ｃは光速度、ω0は掃引帯域幅の中心角周波数、Δφは周波数掃引信号のＩＦＴの胸部距離における位相の１時刻前との差分地である。この例で、ω0＝２π×４４０ＧＨｚであり、Δφを３０ｍｓ毎に取得し、ＥＣＧ発生直後に約４０μｍの胸部変位を実測している。
【0132】
実施形態のレーダ装置は、生体センサに好適に適用できることがわかる。また、心拍／脈拍だけではなく、まばたき、頭部の揺れなど、その他のバイタルサインや、ヘルスケアモニタリング、あるいは手指のジェスチュア認識にも適用可能である。
【0133】
＜位置決定のあいまいさの解消＞
図２６と図２７は、レーダ測距における配置決定のあいまいさを説明する図である。図２６において、２つの物体ＯＢ１とＯＢ２が配置Ａの位置関係にある場合と、配置Ｂの位置関係にある場合を考える。周波数の掃引結果を一括処理するだけでは、図２７に示すように、配置Ａと配置Ｂで得られる信号が同じになり、両者を区別することが困難になる。この場合は、図１３を参照して述べたように、なんらかの方法で複数のピークを読み分けることが必要である。
図２６と図２７は、レーダ測距における配置決定のあいまいさを説明する図である。図２６において、２つの物体ＯＢ１とＯＢ２が配置Ａの位置関係にある場合と、配置Ｂの位置関係にある場合を考える。周波数の掃引結果を一括処理するだけでは、図２７に示すように、配置Ａと配置Ｂで得られる信号が同じになり、両者を区別することが困難になる。この場合は、図１３を参照して述べたように、なんらかの方法で複数のピークを読み分けることが必要である。
【0134】
この問題を解決するために、実施形態では、一括処理法と分割スキャン法を組み合わせて、角度θと距離ｒの正しい組み合わせを特定する。
【0135】
図２８は、分割スキャン法の模式図である。周波数の掃引範囲を所定の方向にＮ区間に分割する。分割された区間ごとに個別にＩＦＴを行って、物体の有無と距離ｒを検出する。
【0136】
図２９は、実施形態のレーダ装置で行われる信号処理のフローチャートである。この処理フローは、プロセッサ３０によって実行される。まず、周波数掃引の範囲と分割数Ｎを決定する（Ｓ１０１）。決定された周波数掃引の全範囲をビーム走査する（Ｓ１０２）。受信された反射信号の全周波数範囲を一括してＩＦＴして、物体の方向θと距離ｒを算出する（Ｓ１０３）。一括処理で得られる結果を「結果Ａ」とする。
【0137】
一方、得られた周波数スペクトルに対し、Ｎ個に分割された周波数区間ごとにＩＦＴを行って、物体の方向θと距離ｒを算出する（Ｓ１０４）。分割処理で得られる結果を「結果Ｂ」とする。ステップＳ１０３とＳ１０４の処理は順序不同であり、並列処理が可能な場合は同時に行ってもよい。結果Ａと結果Ｂの積をとることで、物体の最終的な位置（方向と距離）が特定される（Ｓ１０５）。
【0138】
図３０は、図２９のステップＳ１０３～１０５で得られる信号の図である。図３０の（ａ）は、ステップＳ１０３で得られた結果Ａである。周波数スペクトルを一括ＩＦＴして、角度情報θ１、θ２と、距離情報ｒ１、ｒ２が得られる。このままの状態では、角度と距離の正しい組み合わせが不明である。
【0139】
図３０の（ｂ）は、ステップＳ１０４で得られた結果Ｂである。周波数スペクトルを分割区間ごとにＩＦＴして求めた位置情報の一部を示す。角度θ１を含む周波数区間の計算結果では、距離ｒ２を含む一定の範囲で信号が得られている。他方、角度θ２を含む周波数区間では距離情報は得られていない。
【0140】
図３０の（ｃ）は、ステップＳ１０５で得られる信号である。結果Ａと結果Ｂを乗算することで、正しい位置情報を示す（θ１，ｒ２）の組み合わせが特定される。
【0141】
ステップＳ１０４の分割スキャンでは、分割された周波数区間ごとに物体の有無と距離を検出するため、位置関係のあいまいさは回避できる。しかし、周波数帯が狭くなるため、各周波数区間で奥行き方向の分解能が、最悪で１／Ｎまで低下する。そこで、分割スキャンから得られた計算結果と、一括処理した位置計算結果（位置関係のあいまいさは残るが、奥行き方向の分解能は高い）との積をとる。これにより、奥行き方向の分解能の低下を防ぎつつ、位置関係のあいまいさを解消することができる。
【0142】
＜至近距離の計測用のアンテナ配置例＞
図３１～図３４は、至近距離の計測に適したアンテナ配置例を示す。図１Ａ、図１Ｂ、及び図１８のアンテナ配置は、対象物までの距離を概ね数十ｃｍと想定している。この程度の距離であれば、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３の各々と、対象物との間の角度は、ほぼ等しくなる。したがって、第１アンテナ１２から出射された波の再帰性後方散乱を第２アンテナ１３で受信することが容易である（図１Ａ，図１Ｂ参照）。
図３１～図３４は、至近距離の計測に適したアンテナ配置例を示す。図１Ａ、図１Ｂ、及び図１８のアンテナ配置は、対象物までの距離を概ね数十ｃｍと想定している。この程度の距離であれば、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３の各々と、対象物との間の角度は、ほぼ等しくなる。したがって、第１アンテナ１２から出射された波の再帰性後方散乱を第２アンテナ１３で受信することが容易である（図１Ａ，図１Ｂ参照）。
【0143】
対象物が極近傍（たとえば、数ｃｍ以下、より好ましくは１ｃｍ以下の距離）にある場合、再帰性後方散乱は十分に生じず、鏡面反射状の成分が増す。そこで、至近距離の計測に適したアンテナ配置を提案する。
【0144】
（アンテナ配置例１）
図３１は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ａのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ａは、第１アンテナ１２、または第２アンテナ１３のいずれか１本のアンテナを用いる。図３１の例では、第１アンテナ１２のみが使用される。第１アンテナ１２から放射された光波は、物体ＯＢ３で反射されて、反射信号ＲＳとして第１アンテナ１２で受信される。物体ＯＢ３は、第１アンテナ１２の至近距離にあるため、物体ＯＢ３での反射は鏡面反射に近い成分が支配的になる。
図３１は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ａのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ａは、第１アンテナ１２、または第２アンテナ１３のいずれか１本のアンテナを用いる。図３１の例では、第１アンテナ１２のみが使用される。第１アンテナ１２から放射された光波は、物体ＯＢ３で反射されて、反射信号ＲＳとして第１アンテナ１２で受信される。物体ＯＢ３は、第１アンテナ１２の至近距離にあるため、物体ＯＢ３での反射は鏡面反射に近い成分が支配的になる。
【0145】
第１アンテナ１２は、物体ＯＢ３で反射された反射信号ＲＳを、光源すなわち周波数可変発振器１４への戻り光が生じない方向に受信し、第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯと合波する。合波された信号は、受光器４７で受信され、プロセッサ３０で処理される。
【0146】
この構成は、単一のアンテナを用いるので、使用アンテナに割り当てられる光強度が高くなる。周波数可変発振器１４の消費電力を低減することができる。
【0147】
（アンテナ配置例２）
図３２は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｂのアンテナ配置を示す。この構成では、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３が同じ方向に向けられて使用される。第１アンテナ１２は、第２アンテナ１３から放射されて戻る反射信号ＲＳ２だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ１も積極的に利用する。第２アンテナ１３は、第１アンテナ１２から放射されて戻る反射信号ＲＳ１だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ２も積極的に利用する。
図３２は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｂのアンテナ配置を示す。この構成では、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３が同じ方向に向けられて使用される。第１アンテナ１２は、第２アンテナ１３から放射されて戻る反射信号ＲＳ２だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ１も積極的に利用する。第２アンテナ１３は、第１アンテナ１２から放射されて戻る反射信号ＲＳ１だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ２も積極的に利用する。
【0148】
第１アンテナ１２で受信された反射信号ＲＳ１とＲＳ２は第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯ１と合波され、受光器４５で受信される。第２アンテナ１３で受信された反射信号ＲＳ１とＲＳ２は第２アンテナ１３内に留まるローカル光ＬＯ２と合波され、受光器４６で受信される。受光器４５と４６による検出結果は、プロセッサ３０で処理される。
【0149】
この構成は、反射信号を有効に利用するので受信強度が高くなり、計測精度が向上する。この構成では、受光器４５と４６で検出された信号をデジタル変換することで、デジタル差動計測に適用し得る。
【0150】
（アンテナ配置例３）
図３３は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｃのアンテナ配置を示す。この構成では、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３が同じ方向に向けられて使用され、単一の受光器４７で受信される。図３２と同様に、第１アンテナ１２は、第２アンテナ１３から放射されて戻る反射信号ＲＳ２だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ１も積極的に利用する。第２アンテナ１３は、第１アンテナ１２から放射されて戻る反射信号ＲＳ１だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ２も積極的に利用する。図３２と異なるのは、第１アンテナ１２で得られる信号と第２アンテナ１３で得られる信号は重ね合わされて、１つの受光器４７で検波される点である。
図３３は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｃのアンテナ配置を示す。この構成では、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３が同じ方向に向けられて使用され、単一の受光器４７で受信される。図３２と同様に、第１アンテナ１２は、第２アンテナ１３から放射されて戻る反射信号ＲＳ２だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ１も積極的に利用する。第２アンテナ１３は、第１アンテナ１２から放射されて戻る反射信号ＲＳ１だけではなく、自アンテナから放射されて戻った反射信号ＲＳ２も積極的に利用する。図３２と異なるのは、第１アンテナ１２で得られる信号と第２アンテナ１３で得られる信号は重ね合わされて、１つの受光器４７で検波される点である。
【0151】
受光器４７で検波される信号には、第１アンテナ１２で受信された信号と第２アンテナ１３で受信された信号の、和と差を含むビート成分が含まれる。ビート信号から差のみを取り出したいときは、アナログローパスフィルタを通す等してもよい。
【0152】
（アンテナ配置例４）
図３４は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｄのアンテナ配置を示す。この構成は、第１アンテナ１２で得られる信号と第２アンテナ１３で得られる信号を、ハイブリッドカプラ、マジックティ、ラットレースカプラ等の合成器５５でアナログ合成して、２つの信号に分離する。２つの信号、たとえば、第１アンテナ１２で得られる信号Ａと、第２アンテナ１３で得られる信号Ｂの和（Ａ＋Ｂ）と差（Ａ－Ｂ）を、受光器４５と受光器４６で検出する。
図３４は、至近距離で用いられるレーダ装置１００Ｄのアンテナ配置を示す。この構成は、第１アンテナ１２で得られる信号と第２アンテナ１３で得られる信号を、ハイブリッドカプラ、マジックティ、ラットレースカプラ等の合成器５５でアナログ合成して、２つの信号に分離する。２つの信号、たとえば、第１アンテナ１２で得られる信号Ａと、第２アンテナ１３で得られる信号Ｂの和（Ａ＋Ｂ）と差（Ａ－Ｂ）を、受光器４５と受光器４６で検出する。
【0153】
図３２の構成では、受信された２つの信号がデジタル変換されてから差または和が計算されるが、図３４のように、アナログ合成結果をデジタル変換するほうが、直流オフセットの影響がなく高精度に計測できる。２つの信号の差をとる構成は、３次元計測や差動計測に適用可能である。
【0154】
図３１～図３４の構成により、至近距離の計測が可能になる。たとえば、レーダ装置１００を組み込んだピンバッジ型のセンサを衣服の胸部に取り付けて、心拍等を計測することができる。テラヘルツ波であれば衣服を透過するので、着衣での非接触の計測が可能になる。図３２～図３４において、後述するように、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３から異なる周波数と位相の光波を放射してもよい。この場合は、ノイズを低減することができる。
【0155】
【0156】
（アンテナ配置例５）
図３５は、レーダ装置１００Ｅのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ｅは、１本のアンテナ（たとえば、第１アンテナ１２）と、反射板５６を用いる。第１アンテナ１２は速波線路を有する。光源、たとえば周波数可変発振器１４から出力され、第１アンテナ１２を伝搬する光波は、第１アンテナ１２の速波線路から漏れ出て、反射板５６で反射され、放射される（放射光ＤＲ）。遠方の対象物で反射されて戻る反射光ＲＳは、第１アンテナ１２に入射する。第１アンテナ１２に入射した反射光ＲＳは、周波数可変発振器１４への戻らない方向に伝搬し、第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯと合波される。反射光ＲＳとローカル光ＬＯが重ね合わされた信号は、受光器４７で検波される。
図３５は、レーダ装置１００Ｅのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ｅは、１本のアンテナ（たとえば、第１アンテナ１２）と、反射板５６を用いる。第１アンテナ１２は速波線路を有する。光源、たとえば周波数可変発振器１４から出力され、第１アンテナ１２を伝搬する光波は、第１アンテナ１２の速波線路から漏れ出て、反射板５６で反射され、放射される（放射光ＤＲ）。遠方の対象物で反射されて戻る反射光ＲＳは、第１アンテナ１２に入射する。第１アンテナ１２に入射した反射光ＲＳは、周波数可変発振器１４への戻らない方向に伝搬し、第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯと合波される。反射光ＲＳとローカル光ＬＯが重ね合わされた信号は、受光器４７で検波される。
【0157】
この構成により、１つの受光器４７で、片側空間を計測することができる。
【0158】
図３６は、反射板５６を設けたアンテナデバイス２０Ｅの模式図である。図３６の（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。アンテナデバイス２０の第１アンテナ１２は、スリット１２１と導波路１２３を有する。ＴＥ１０モードの光波は、導波路１２３を伝搬し、伝搬光の一部はスリット１２１から角度θで漏れ出る。漏れ波は反射板５６で反射され、放射光ＤＲとして放射される。
【0159】
放射光ＤＲは、遠方で反射されて反射光ＲＳが第１アンテナ１２に戻る。反射光ＲＳはスリット１２１から導波路１２３に入射し、ローカル光ＬＯと重ね合わされ、受光器４７で検波される（図３５参照）。検出された信号の処理は、図１３を参照して説明したとおりである。この構成により、単一の受光器４７で片側空間を計測することができる。
【0160】
第１アンテナ１２に、図４に示す放射率調整機構が設けられている場合も、漏れ波を反射板５６で反射して、放射光ＤＲとすることができる。
【0161】
（アンテナ配置例６）
図３７は、レーダ装置１００Ｆのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ｆは、反射板５６を使用する構成と、図３４のアナログ合成受信を組み合わせたものである。同じ方向を向く第１アンテナ１２と第２アンテナ１３に、反射板５７と反射板５８がそれぞれ設けられている。
図３７は、レーダ装置１００Ｆのアンテナ配置を示す。レーダ装置１００Ｆは、反射板５６を使用する構成と、図３４のアナログ合成受信を組み合わせたものである。同じ方向を向く第１アンテナ１２と第２アンテナ１３に、反射板５７と反射板５８がそれぞれ設けられている。
【0162】
第１アンテナ１２の漏れ波は反射板５７で反射され、放射光ＤＲ１となる。第２アンテナ１３の漏れ波は反射板５８で反射され、放射光ＤＲ２となる。放射光ＤＲ１は遠方の物体で反射され反射光ＲＳ１がレーダ装置１００Ｆに戻ってくる。反射光ＤＲ２は同じ物体で反射されて反射光ＲＳ２がレーダ装置１００Ｆに戻ってくる。
【0163】
反射光ＲＳ１とＲＳ２は、第１アンテナ１２に入射し、第１アンテナ１２内に留まるローカル光ＬＯ１と重ね合わされる。第１アンテナ１２で受信された第１信号はローカル光ＬＯ１とともに、ハイブリッドカプラ等の合成器５５に入力される。反射光ＲＳ１とＲＳ２は、第２アンテナ１３に入射し、第２アンテナ１３内に留まるローカル光ＬＯ２と重ね合わされる。第２アンテナ１３で受信された第２信号は、ローカル光ＬＯ２とともに合成器５５に入射する。
【0164】
合成器５５は第１アンテナ１２から得られる信号と第２アンテナ１３から得られる信号をアナログ合成し、２つの信号（第１信号と第２信号の和、および差）を出力する。合成器５５の２つの出力は、受光器４５と４６でそれぞれ検波される。
【0165】
この構成では、同一方向への放射光の強度を高め、他方のアンテナから放射された光波の反射信号も利用することで、検出感度を高めることができる。
【0166】
＜迂回路を設ける構成＞
図３８と図３９は、アンテナデバイスに迂回路を設けて、２本のアンテナから放射される放射光の周波数と位相を異ならせる構成を示す。図３８のレーダ装置１００Ｇにおいて、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３は異なる方向に向けられている。反射光ＲＳとローカル光ＬＯの干渉の態様は、図１Ａと同様である。レーダ装置１００Ｇでは、周波数可変発振器１４と第２アンテナ１３の間に、長さｌの迂回路１１１ａが設けられている。
図３８と図３９は、アンテナデバイスに迂回路を設けて、２本のアンテナから放射される放射光の周波数と位相を異ならせる構成を示す。図３８のレーダ装置１００Ｇにおいて、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３は異なる方向に向けられている。反射光ＲＳとローカル光ＬＯの干渉の態様は、図１Ａと同様である。レーダ装置１００Ｇでは、周波数可変発振器１４と第２アンテナ１３の間に、長さｌの迂回路１１１ａが設けられている。
【0167】
図３９のレーダ装置１００Ｈにおいて、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３は、同じ方向に向けられている。反射光ＲＳとローカル光の干渉の態様は、図３２と同様である。周波数可変発振器１４と第２アンテナ１３の間に、長さｌの迂回路１１１ｂが設けられている。
【0168】
発信器の掃引周波数ｆを時間ｔの関数としてｆ（ｔ）と表す。長さｌの迂回路１１１を伝搬する光波の位相速度をｖとすると、迂回路１１１でｌ／ｖの時間遅れが生じる。このとき、放射光ＤＲ１（及びローカル光ＬＯ１）の周波数はｆ（ｔ）と表され、
放射光ＤＲ２（及びローカル光ＬＯ２）の周波数はｆ（ｔ－ｌ／ｖ）と表される。
放射光ＤＲ２（及びローカル光ＬＯ２）の周波数はｆ（ｔ－ｌ／ｖ）と表される。
【0169】
両者を混合すると、差周波数Δｆ＝ｆ（ｔ）－ｆ（ｔ－ｌ／ｖ）の交流信号が得られる。周波数が既知の狭帯域交流信号なので、ノイズを減らして測定することができる。
【0170】
＜その他のアンテナ構成例＞
上述したアンテナ配置例は、相互に組み合わせ可能である。２本のアンテナを用いるすべての構成において、迂回路１１１の構成を適用して、２つのアンテナから異なる周波数と位相の光波を放射してもよい。これによりノイズを低減することができる。２本のアンテナを用いるすべての構成において、アナログ合成受信を適用してもよい。これによりアナログ差動計測が可能になる。図３２の至近距離計測の構成に反射板５６を設けて、至近距離以外の計測構成とし、アナログ合成せずに受信してもよい。この場合は、デジタル差動計測が可能になる。放射率調整機構は、いずれのアンテナ配置にも適用可能である。
上述したアンテナ配置例は、相互に組み合わせ可能である。２本のアンテナを用いるすべての構成において、迂回路１１１の構成を適用して、２つのアンテナから異なる周波数と位相の光波を放射してもよい。これによりノイズを低減することができる。２本のアンテナを用いるすべての構成において、アナログ合成受信を適用してもよい。これによりアナログ差動計測が可能になる。図３２の至近距離計測の構成に反射板５６を設けて、至近距離以外の計測構成とし、アナログ合成せずに受信してもよい。この場合は、デジタル差動計測が可能になる。放射率調整機構は、いずれのアンテナ配置にも適用可能である。
【0171】
図３２～図３４の至近距離計測で、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３を異なる方向に向けてもよい。この場合、計測範囲が２倍に広がる。至近距離であっても測定範囲が広いときは、２本のアンテナを異なる方向に向けるほうが、測定効率が改善される。その場合に、２本のアンテナから放射する光波の周波数と位相は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【0172】
図４０は、実施形態のアンテナ構成をまとめた表である。実施形態のアンテナデバイス２０を用いたレーダ装置１００は、至近距離での計測と、至近距離以外の計測の両方に適用可能である。至近距離での計測とは、鏡面的な反射成分が支配的に受信される場合をいう。至近距離以外の計測とは、再帰性の後方散乱が支配的に受信される場合をいう。
【0173】
至近距離での計測と、至近距離以外の計測の両方で、使用するアンテナ数は、１本であってもよいし、２本以上を用いてもよい。至近距離計測で１本のアンテナを用いる構成（図３１参照）では、最小限の構成で至近距離の変位を計測することができる。
【0174】
至近距離計測で、同じ方向に向けた２本以上のアンテナを用いる場合は、他のアンテナから放射され戻ってきた反射光ＲＳを積極的に計測に活用することができる。各アンテナで受信されローカル光と重ね合わされた光波をアナログ合成する構成では、アナログ差動計測が実現される。アンテナ間で周波数と位相が異なる光波を用いることで、ノイズを低減することができる。至近距離計測で異なる方向を向くアンテナを用いるときは、計測範囲を拡大することができる。
【0175】
至近距離以外の計測で、反射板と組み合わせた１本のアンテナを用いる構成（図３５）では、単一の受信器で片側空間を計測することができる。同じ方向に向けた２本以上のアンテナを反射板と組み合わせることで、３次元計測が可能になる。各アンテナで得られる信号は受光器で検出される前にアナログ合成されてもよいし、各受光器で検波されてデジタル変換された後に合成処理されてもよい。異なる方向に向けられた２本以上のアンテナを用いる構成では、反射板や機械駆動なしにコンパクトなレーダ装置が実現される。
【0176】
以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、第１アンテナ１２と第２アンテナ１３をＩＴＯ，ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＩＧＺＯ等の透明導電薄膜で形成してもよい。透明導電薄膜に形成される回折パターンを調整することで、遅波線路型のアンテナデバイスにすることができる。また、第１アンテナと第２アンテナは光ファイバ等の誘電体導波路上に形成されたグレーティングカプラであってもよい。このグレーティングカプラの少なくとも一部を放射率調整機構として機能させてもよい。
【0177】
放射率調整機構として、複数の開口がアンテナの伝搬方向に配置された構成を用いる場合、開口パターンは必ずしも周期的である必要はなく、複数の開口が不規則またはランダムに配置されていてもよい。各開口は必ずしも長方形の開口である必要はなく、円、多角形、楕円形、三日月型、半円型、円弧などの開口の配列であってもよい。ただし、開口の間隔、及び開口の幅と長さ（または径）は使用波長よりも小さく設定される。
【0178】
放射率調整機構として、漏れ波アンテナの伝搬方向に沿った一本の開口またはスリットを利用する場合、開口またはスリットの幅を、使用波長よりも小さく設定する。開口またはスリットの幅は一定であってもよいし、可変であってもよい。たとえば、使用波長よりも小さい範囲内で、伝搬方向に進むにつれて幅が広がる逆テーパ形状のスリットを用いてもよい。
【0179】
いずれの場合も、上述した実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、
（１）漏れ波アンテナでビーム走査することで、位相シフタが不要になり、機械駆動を用いずにビームステアリング及びレーダ装置を実現できる。
（２）異なる方向を向いた少なくとも２つの漏れ波アンテナを組み合わせる構成では、入力点と出力点を空間的に分離できるので、サーキュレータが不要になり、コンパクトなレーダ装置が構成される。
（３）発振器、受信器、アンテナ、干渉系（検波）の全体を導波路ベースで構成する構成例では、必要最小限の素子でフラットな集積化が可能になり、システム内での伝送損失を最小にすることができる。
（１）漏れ波アンテナでビーム走査することで、位相シフタが不要になり、機械駆動を用いずにビームステアリング及びレーダ装置を実現できる。
（２）異なる方向を向いた少なくとも２つの漏れ波アンテナを組み合わせる構成では、入力点と出力点を空間的に分離できるので、サーキュレータが不要になり、コンパクトなレーダ装置が構成される。
（３）発振器、受信器、アンテナ、干渉系（検波）の全体を導波路ベースで構成する構成例では、必要最小限の素子でフラットな集積化が可能になり、システム内での伝送損失を最小にすることができる。
【0180】
第１アンテナ、第２アンテナ、第１検出器、第２検出器の組を複数配置して、立体画像を生成するレーダ装置を構成してもよい。この場合、すべての検出器の出力はプロセッサ３０に入力されて、物体の位置及び速度が生成される。複数のアンテナデバイスを並べることで、あるアンテナデバイスからの光をその他のアンテナデバイスで受信して解析し、物体の３次元的な位置と速度を知ることができる。
【0181】
光源は、アンテナデバイスごとに設けられてもよいし、すべてのアンテナデバイスに共通の一つの光源を用いてもよい。異なる方向に延びる第１アンテナと第２アンテナを有するアンテナデバイス２０としては、上述した実施例のどのアンテナデバイスを用いてもよい。
【0182】
実施形態のアンテナデバイスとレーダ装置は、小型で高い分解能を有し、自動車よりも小さな移動体であるドローンやウェアラブル端末に搭載することが可能である。３ポートアンテナ構成により広範囲にビームを走査して、空間認識に基づく着陸支援、ジェスチュア認識、非接触心拍測定等の非接触センサ等に応用できる。
【0183】
本出願は、２０１９年４月１７日に出願された日本国特許出願第２０１９－０７８８５８号に基づいて、その優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を含む。
【符号の説明】
【0184】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ ビームステアリングシステム
１１ 導波路
１２、１２Ａ、１２Ｂ 第１アンテナ
１３、１３Ａ、１３Ｂ 第２アンテナ
１４ 周波数可変発振器（光源）
１５、１６ 検出器
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｅ アンテナデバイス
２１ 本体
２２ フィルム（放射率調整機構）
２２１ キャリアフィルム
２２２ 金属パターン
２２３ グリッド
２５ カバー
２５１ スリット
３０ プロセッサ
３０１ メモリ
４４ 光源
４５ 第１受光器
４６ 第２受光器
５０ センサ
５１ 加振器
１００、１００Ａ～１００Ｈ レーダ装置
１２１ スリット
１２６ 回折格子
Ｐ１ 第１ポート（入射端）
Ｐ２ 第２ポート
Ｐ３ 第３ポート
１１ 導波路
１２、１２Ａ、１２Ｂ 第１アンテナ
１３、１３Ａ、１３Ｂ 第２アンテナ
１４ 周波数可変発振器（光源）
１５、１６ 検出器
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｅ アンテナデバイス
２１ 本体
２２ フィルム（放射率調整機構）
２２１ キャリアフィルム
２２２ 金属パターン
２２３ グリッド
２５ カバー
２５１ スリット
３０ プロセッサ
３０１ メモリ
４４ 光源
４５ 第１受光器
４６ 第２受光器
５０ センサ
５１ 加振器
１００、１００Ａ～１００Ｈ レーダ装置
１２１ スリット
１２６ 回折格子
Ｐ１ 第１ポート（入射端）
Ｐ２ 第２ポート
Ｐ３ 第３ポート
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25A】
【図25B】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】