JP2006145513A

JP2006145513A - ダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法

Info

Publication number: JP2006145513A
Application number: JP2004365025A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Toru Kurabayashi; 徹倉林; Hiroki Makabe; 浩樹真壁
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】物体に電磁波を照射しその透過あるいは反射画像を得るイメージングしシステムおよびそのイメージング方法に関し、透過率の異なる特定物質のイメージングを可能にすることによって、生体組織中の微小な病巣の識別検査や梱包物の非開封による内部検査等に有効な装置およびその方法を提供する。
【解決手段】大型化、複雑化あるいは高価格化する従来技術の欠点を解決すべく、タンネットダイオードを用いてシステムを小型・軽量化するとともに１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚ（１ＴＨｚ）の広範囲の周波数領域で波長選択し、さらにレンズ等を用いて集光された部分の近くにテーパ型の微小開口部を置き、用いる電磁波の波長以下の空間分解能を実現することを特長とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、物体に電磁波を照射しその透過あるいは反射画像を得るイメージングしシステムおよびそのイメージング方法に関する。

近年、その応用が注目されているテラヘルツ電磁波（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）は、光の周波数と電波の周波数の境界に当たる。光の周波数はおよそ３０−１０００ＴＨｚであるのに対して、マイクロ波やミリ波などの電波の周波数は０．１ＴＨｚ以下の周波数を持っている。この周波数のギャップを埋めるのがＴＨｚ波帯である。テラヘルツ発生においては、その原理的方法に基づきテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚＴｉｍｅ−ＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＴＨｚ−ＴＤＳ）、ＬｉＮｂＯ_３結晶内のフォノンを利用したテラヘルツパラメトリック発振器（ＴＨｚＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌａｔｏｒ；ＴＨｚ−ＴＰＯ）、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生（ＴＨｚＤｉｆｆｅｒｅｎｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＴＨｚ−ＤＦＧ）、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの半導体デバイスを用いたテラヘルツ電磁波発生方法が実現されている。これらの技術は大出力のレーザ、大型の強力マグネット、あるいは極低温などいずれかの要素を必要とし、これらを用いたイメージングシステムは装置が大型で複雑になり、装置構成要が高価になるばかりでなく、多数の調整機構を必要とするため、生体サンプルのテラヘルツイメージングの有効性が認められながら、医療現場への普及など実用化の面で問題があった。

本発明では、発振素子としてダイオード発振素子を用いることにより、上述のようなイメージングシステムを小型・軽量化するものであり、上述のパラメトリック発振器、半導体結晶を用いた差周波発生器、ｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザを用いたテラヘルツイメージングシステムの大型化、複雑化あるいは高価格化といった問題点を解決するものである。

上記問題を解決するために、本願発明では発振素子としてタンネットダイオードを用い、１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚ（１ＴＨｚ）の発振周波数を、素子構造および共振器構造を選ぶことにより作り分けている。タンネットダイオードはトンネル注入走行時間効果（ＴｕｎｎｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｔＴｉｍｅ）を利用した負性抵抗ダイオードのことであり、基本波による高出力室温連続発振で高い周波数安定性と出力安定性が得られる素子である。タンネットダイオードの発振周波数を選ぶことにより、透過率の異なる特定の物質に対するイメージングを行うことが可能となり、透過および反射によるイメージングにより特定成分の分布を画像化することが可能になる。

本願発明は、大型化、複雑化あるいは高価格化する従来技術の欠点を除くためになされたものであって、タンネットダイオードを用いてシステムを小型・軽量化するとともに広範囲の周波数領域で波長選択し、さらにレンズ等を用いて集光された部分の近くにテーパ型の微小開口部を置き、用いる電磁波の波長以下の空間分解能を実現することを特長とする。

本発明のダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法は、基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０〜１０００ＧＨｚの範囲から波長選択し、小型・軽量化を実現するとともに、単一直流電源による駆動が可能であることから制御部を簡略化し、前記電磁波のレンズ等による集光部付近にテーパ型の微小開口部を置き、用いる電磁波の波長以下の空間分解能を実現することを可能にする。これによって、被測定物の高分解能透過画像、あるいは表面付近の反射画像を得ることができ、被測定物の内部構造を高分解能で画像化できる。特に医療現場において、採取した生体組織のイメージングに適用すると、光学顕微鏡や肉眼による表面からの観察では見えない生体組織の内部構造を投影した画像を得ることができるので、生体組織中の微小な病巣の識別が可能となり、生体組織中の微小な癌組織の発見などの医療診断に有効である。

本発明によるイメージングシステムに用いるダイオード発振素子の共振器構造を図１に示した。共振器は金属製の共振器基本構造１にステム２、スライディングショート３、バイアスピン４、方形導波路５、ホーンアンテナ６、石英スタンドオフ７、ダイオード素子８、および金リボン９によって形成される。石英スタンドオフ７、およびダイオード素子８の底面側はステム２上に圧着され、それぞれの上面側は金リボン９によって接続される。バイアスピン４はλ／４のチョーク構造を有し、スタンドオフ７に接するように設置され、ダイオード素子８に必要な直流バイアスを供給する。バイアスピン４と石英スタンドオフ７の接点付近と、スライディングショート３で囲む空間長で共振器を形成し、共振器に蓄えられた電磁波は方形導波路５を通してホーンアンテナ６より外部に出力される。

タンネットダイオードの素子構造は図２に示したようにｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶８１に低濃度電子密度のＧａＡｓｎ⁻層８２、さらに高濃度電子密度のＧａＡｓｎ^＋層８３、その上に高濃度正孔密度のＧａＡｓｐ^＋層８４をエピタキシャル成長により形成する。エピタキシャル成長された後は基板８１を１０〜５０μｍ程度まで薄く加工し、ｐ^＋層８４側をステム２に接するようにボンディングされ、共振器構造内に設置される。

ダイオード発振素子により基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０〜１０００ＧＨｚの範囲で作製できる。例えばＷＲ０３（０．８６４ｍｍ×０．４３２ｍｍ）では周波数レンジが２２０〜３２５ＧＨｚであり、発振の中心周波数が２２０〜３２５ＧＨｚの範囲にある電磁波発生器を構成し、ダイオードに印加する直流バイアス値を制御することにより中心周波数に対し１０から２０％程度の周波数制御が実現されている。これまでに試作したタンネットダイオードでは２２０ＧＨｚで出力０ｄＢｍ（１ｍＷ）、３２０ＧＨｚで−１０ｄＢｍ（０．１ｍＷ）程度である。

前記ダイオード発振素子を可変波長電磁波発生源として用いた、イメージングシステムを図３に示す。可変波長電磁波発生源１０として、タンネットダイオード発振素子のほかに、ガンダイオードやインパットダイオードなどのダイオード発振素子を用いることもできる。可変波長電磁波発生源１０より発生した所定周波数の電磁波は自由空間に放射され、光学レンズ１１によって集光され、微小開口１２によってさらに小さな光束にされ、試料１３に照射される。

レンズの材質としては、所望の周波数の電磁波が透過する材料である必要があり、石英、ポリエチレン、あるいは透過性の樹脂材料が用いられる。試料１３は通常、表面平坦な薄膜状であり、試料駆動機構１６によりｘｙ平面で操作され、各部分における透過電磁波は再びレンズ１１を通して集光され、検出器１４で検出される。検出器としては、広い波長感度特性をもつショットキーバリアダイオード検出器やＳｉボロメータ、あるいは焦電検知器などが用いられる。検出器１４からの信号は、試料駆動装置からの位置情報と共に信号処理部１５で処理される。微弱な信号検出では、可変波長電磁波発生源１０におけるタンネットダイオードを所定のパルスで駆動し、信号処理部でロックイン検出することも可能である。

図４に示すように、微小開口１２の開口部穴の直径をｄとすると、微小開口を通過する電磁波のカットオフ波長λ_Ｃとの間には通常

数１

λ_Ｃ＝１．７１ｄ
の関係が成り立ち、λ_Ｃよりも短い波長の電磁波が通過できる。

しかし、実際は集光等により微小開口部付近での電磁波の強度を上げることによりλ_Ｃよりも長い波長の電磁波が相当量透過する。すなわち言い換えれば、波長λに対しｄ＝λ／１．７１よりも小さい穴系でも、近接場光としての性質をもつ電磁波が透過する。

このように電磁波の近接場効果を利用することで、イメージングの空間分解能はほぼ穴系と等しくなるので、電磁波の波長できまる空間分解能よりも高い分解能のイメージングが可能になる。ただし、穴系程度の空間分解能を得るためには微小開口１２と試料１３の距離が数分の１波長程度まで接近している必要がある。図４に示したのは、微小開口１２と試料１３の距離が数分の１波長程度以下の距離を保つことを実現した装置構造の説明図である。すなわち、微小開口１２を固定し、微小開口１２と試料１３をバネ１７で接続する。バネ１７は試料１３の形状や硬さなどによってバネ定数（バネ強度）を変える。この方法によって、微小開口１２と試料１３は比較的弱い接触を保ちつつ試料１３を操作するので、高い空間分解能を保ちつつイメージングを行うことが可能になる。また、試料１３に多少の凹凸があっても、微小開口先端形状が凹凸に追随し、試料の走査が行われるので分解能が損なわれることが少ない。

図５に示したのは本発明におけるイメージングに用いる微小開口１２の形状を示してある。１２ａはテーパ型円形導波管型微小開口、１２ｂは平板型微小開口、１２ｃは方形導波管型微小開口の例である。それぞれ、金属材料を用いて作製されており、１２ｃでは、微小開口形状がスリット状になっている。

図６に示したのは試料の反射を検出することを特徴とする、ダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法を示す説明図である。テラヘルツ電磁波検査システムである。試料１３が電磁波を透過しにくい場合や、試料１３の表面近傍の形状や組成に付随した情報を得ようとする場合は、実施例１に示した透過特性よりも反射測定によるイメージングの場合の方が有効である。このため反射測定では、可変波長電磁波発生源１０より発生した所定周波数の電磁波を、光学レンズ１１ａによって平行光線とし、ビームスプリッタ１７を透過させて、レンズ１１ｂにより集光して微小開口１２を通し試料１３の方面に照射される。試料１３と微小開口は前述のように、その距離が使用電磁波の波長の数分の１以下になるように接近された状態で試料１３は走査される。試料１３の表面近傍で反射した電磁波は、微小開口から入射と逆の経路をたどり、レンズ１１ｂを通過し平行光線となりビームスプリッタ１７で反射し、レンズ１１ｃによって集光されて検出器１４で検出される。検出器としては、広い波長感度特性をもつショットキーバリアダイオード検出器やＳｉボロメータ、あるいは焦電検知器などが用いられる。検出器１４からの信号は、試料駆動装置からの位置情報と共に信号処理部１５で処理される。微弱な信号検出では、可変波長電磁波発生源１０におけるタンネットダイオードを所定のパルスで駆動し、信号処理部でロックイン検出することも可能である。レンズの材質としては、所望の周波数の電磁波が透過する材料である必要があり、石英、ポリエチレン、あるいは透過性の樹脂材料が用いられる。試料１３は通常、表面平坦な形状であるが、表面に多少の凹凸があっても、微小開口先端形状が凹凸に追随し試料の走査が行われるので分解能が損なわれることが少ない。

ダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法による生体試料の測定例を示す。切り出した病理生体切片はホルマリン処理後、エタノール処理を行い、脂肪分および水分が除去される。この後１〜５ｍｍの厚みでスライスされ室温乾燥により、薄膜化した生体試料となる。

また、別の方法では病理生体切片はホルマリン処理後、エタノール処理を行った後、パラフィン包埋処理が行われ、１〜５ｍｍの厚みでスライスされ、薄膜化した生体試料となる。

両サンプルについて本発明のダイオード発振素子を用いたイメージングシステムにより透過イメージングを行った。用いたダイオード発振素子の周波数は６０ＧＨｚ、２００ＧＨｚ、４００ＧＨｚである。特に２００ＧＨｚで透過イメージングを行った場合に、癌化した細胞組織と正常細胞の境界を明確にイメージングできることがわかり、癌細胞の層形成、細胞間橋、さらには癌巣の中心部の角化組織などが観察可能であることがわかった。図７は生体組織の表面からの観察形状１８、裏面からの観察形状１９、および本発明による透過イメージング画像２０である。透過イメージング画像２０には、表面からの観察形状１８と裏面からの観察形状１９の重ね合わせ以外の癌組織に付随した構造が見られる。

以上により、本願のイメージング装置および方法を適用すると、光学顕微鏡や肉眼による表面からの観察では見えない生体組織の内部構造を投影した画像を得ることができるので、生体組織中の微小な病巣の識別が可能となり、生体組織中の微小な癌組織の発見などの医療診断に非常に有効である。また、生体以外でも、包装された食品の内部、封筒の内部、あるいはＩＣカードやＩＣタグ等の樹脂に埋め込まれた電子回路部品の検査にも有効である。このため、梱包物の非開封による内部検査が可能なことから郵便物等の危機管理に関しても重要な手法となる。

ダイオード発振素子の共振器構造の概略図である。タンネットダイオードの素子構造概略図である。ダイオード発振素子を用いた透過イメージングシステムの概略図である。微小開口と試料を接近させその距離を一定に保つことを実現した装置構造を示す概略図である。微小開口の形状を示す概略図である。試料の反射を検出することを特徴とする、ダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法を示す概略図である。生体試料の透過イメージングを示す概略図である。

符号の説明

１…共振器基本構造
２…ステム
３…ライディングショート
４…バイアスピン
５…方形導波路
６…ホーンアンテナ
７…石英スタンドオフ
８…ダイオード素子
９…金リボン
８１…ｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶
８２…ＧａＡｓｎ⁻層
８３…ＧａＡｓｎ^＋層
８４…ＧａＡｓｐ^＋層
１０…可変波長電磁波発生源
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…レンズ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…微小開口
１３…試料
１４…検出器
１５…信号処理部
１６…試料駆動機構
１７…バネ
１８…生体組織の表面からの観察形状
１９…生体組織の裏面からの観察形状
２０…生体組織透過イメージング画像

Claims

ダイオード発振素子およびその共振器構造によって構成される３０−１０００ＴＨｚの範囲の所定周波数の電磁波発生源を用い、前記電磁波の集光手段と、電磁波の波長以下の寸法の開口部からなる微小開口部を具備し、試料位置を走査しながら試料微小部分に前記電磁波を照射し電磁波の透過強度あるいは反射強度を測定し、前記試料の透過あるいは反射イメージング画像を得ることにより試料中の透過率の異なる特定の物質の分布を画像化することを特徴とするダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法。
前記ダイオード発振素子が、ガンダイオード、インパットダイオード、あるいはタンネットダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法。
前記微小開口部の形状が、テーパ型円形導波管型、平板型、あるいは方形導波管型微小開口のいずれかであることを特徴とするダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法。
前記試料が、病理生体切片であることを特徴とするダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法。