JP2007017419A - ダイオード発振素子を用いた建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 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、システムを小型・軽量化し、さらに使用する電磁波の波長選択により、物質中の電磁波透過能を向上したイメージングを実現し、建材および建造物の構造欠陥や異物の検出に利用する。
【解決手段】発振素子としてタンネットダイオードを用い、１０ＧＨｚから３００ＧＨｚ（１ＴＨｚ）の発振周波数を用いた反射イメージングにより、大型建材や、大型建造物まで適応できるイメージング方法およびイメージングシステムに関し、発振器ユニットと検出器ユニットを一体化し、これをスキャンするシステムの採用により、木材やコンクリート壁、建造物やトンネル内壁の内部構造欠陥や異物の混入を簡便に観察できる。
また発振周波数を選ぶことにより、物質中の電磁波透過能を制御し、表面から奥深く存在する建造物内部構造をイメージングできる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、建材および建造物に電磁波を照射しその反射画像を得るイメージング方法およびイメージングシステムに関する。

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（ＴＨｚ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；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（ＴＨｚ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ；ＴＨｚ−ＴＰＯ）、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生（ＴＨｚ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；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、テラヘルツイメージングの有効性が認められながら、製造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１０ＧＨｚから３００ＧＨｚ（１ＴＨｚ）の発振周波数を持つ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・軽量化し、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し、さらにイメージングに用いる波長選択により、物質中の電磁波透過能を向上したイメージングを可能にする。

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３００ＧＨｚ（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（Ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｔＴｉｍｅ）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。本願では１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数範囲を用いた、いわゆるテラヘルツ波領域よりも長波長領域を利用することで、建材等の材質に対する電磁波の透過性を高めることが可能である。

本願発明は、反射イメージングにより大型建材や、大型建造物まで適応できるイメージング方法およびイメージングシステムに関するものであり建材をスキャンして異物混入や内部構造欠陥を観察できるほか、大型建造物に関しては被測定物をスキャンする変わりに、光源および検出器ユニットを一体化しスキャンするシステムの採用により、固定した建造物の内部構造欠陥を簡便に観察できることを特長としている。

本発明のダイオード発振素子を用いたイメージング方法およびイメージングシステムは、基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０〜３００ＧＨｚ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長焦点化あるいは平行ビーム化により被測定物の高分解能透過画像、あるいは被測定物深部からの反射画像を得ることができ、また導波路径までビーム径を絞れることから高分解能の画像化を実現できる。特に波長を選ぶことにより、材料に対する電磁波の進入深さを制御でき建材および建造物の内部構造を投影した画像を得ることができるので、外部から観察不能な異物混入や内部構造欠陥の識別が可能となり、安全管理や、材質検査、あるいは現場における建造物検査などに有効である。

タンネットダイオードの素子構造は図１に示したようにｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶８１に低濃度電子密度のＧａＡｓ ｎ⁻層８２、さらに高濃度電子密度のＧａＡｓ ｎ^＋層８３、その上に高濃度正孔密度のＧａＡｓ ｐ^＋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１０〜３００ＧＨｚの範囲で作製できる。例えばＷＲ１２（３．０９９ｍｍ×１．５４９ｍｍ）を基準にした導波管共振器構造では発振周波数レンジが６０〜９０ＧＨｚであり、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可能である。これまでに試作したタンネットダイオードでは７０ＧＨｚで出力１７ｄＢｍ（５０ｍＷ）程度である。このようにして、適した導波管サイズと共振器構造、さらには適したダイオード構造を選ぶことにより、１０〜３００ＧＨｚの範囲で発振する任意のタンネットダイオードを作製できる。

図３に示したのは乾燥した板状コンクリートの厚みに対する透過電磁波強度を測定した結果である。用いた電磁波は６５ＧＨｚであり、検出器はショットキーバリアダイオード検出器（ＳＢＤ）を用いている。図中、透過率は、ダイオード発振素子の出力Ｉ_０に対し、厚さｔのコンクリート透過強度をＩｔとした場合Ｉ_０／Ｉｔで表され、吸光度はｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉｔ）で表される。電磁波の周波数として６５ＧＨｚを用いた場合、１００ｍｍの厚みのコンクリートを透過する電磁は強度の測定が可能であり、１００ｍｍの厚みのコンクリートの透過画像が得られている。また、コンクリートの含水率の増加によって電磁波透過強度が減衰することから、コンクリート中の含水率を測定することも可能である。

図４に示したのは各種板状木材の厚みに対する透過電磁波強度を測定した結果である。用いた電磁波は６５ＧＨｚであり、検出器はショットキーバリアダイオード検出器（ＳＢＤ）を用いている。図中、吸光度はダイオード発振素子の出力Ｉ_０に対し、厚さｔの木材透過強度をＩｔとした場合ｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉｔ）で表される。これより、各種木材の材質によって吸光度が異なること、および１００ｍｍ以上の厚みで透過する電磁は強度測定が可能であった。また各種木材によって吸光度が異なることから、複数の木材を組み合わせた建材の継ぎ目などの検出も可能である。また用いる電磁波を２００ＧＨｚとした場合には同質の木材の透過能は約１／２であり、５０ｍｍ程度の木材に関しては透過することが確認されている。

図５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。ダイオード発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は素子に付随したホーンアンテナを通して自由空間に放射され、ダイオード発振素子１０の出口付近に設置された光学レンズ１１によって長焦点集光あるいは平行ビーム化され、ビームスプリッタ１８を透過させて、物体１２に照射される。本システムでは、ダイオード発振素子１０、光学レンズ１１、ビームスプリッタ１８、レンズ１１および検出器１５を一体化した、プローブ１９を駆動機構１７で走査することに特徴がある。プローブ１９から放出される電磁波は、物体１２の内部および表面付近で微小なビーム径の状態で照射され、ビーム径はダイオード発振素子１０に付随のホーンアンテナ出力端の内径程度であり、ほぼ波長オーダーである。

物体１２に照射される電磁波は、物体１２の内部および表面付近で微小なビーム径の状態で照射され、ビーム径はダイオード発振素子１０に付随のホーンアンテナ出力端の内径程度であり、ほぼ波長オーダーである。物体１２中の１３は内部構造欠陥、１４は異物を模式的に表したものであり、異物１４には鉄筋やボルトなどの構造上必要な物体なども該当する。

プローブ１９を走査することにより走査画像を得ることができるので物体１２は走査する必要がない。したがって建造物などの固定した物体や巨大な物体に対して、本システムである。物体１２の各部分における反射電磁波強度はレンズ１１を通して集光され、検出器１５で検出される。検出器としては、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１５からの透過強度信号は、駆動装置からの位置情報と共に信号処理部１６で処理される。微弱な信号検出では、ダイオード発振素子１０を所定のパルス電流で駆動し、信号処理部でロックイン検出することも可能である。物体１２の内部および内部構造により反射した電磁波は、入射と逆の経路をたどり、ビームスプリッタ１８で反射し、レンズ１１によって集光されて検出器１５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１５からの反射強度信号は、駆動装置からの位置情報と共に信号処理部１６で処理される。微弱な信号検出では、ダイオード発振素子１０を所定のパルス電流で駆動し、信号処理部でロックイン検出することも可能である。

図６はプローブ１９を円筒状の建造物の反射イメージングに適用した例である。プローブ１９は法線方向（ｒ）駆動機構２０、回転方向（θ）駆動機構２１、および長さ方向（Ｚ）駆動機構２２によってｒ−θ−Ｚスキャンされ、各部の反射画像を得る。このため、被測定物は正確な円筒形である必要はなく、本システムによれば立ち木や四角柱の木材、あるいはパイプ上の建材などに対しても外周より反射画像を取得することが可能である。木材のイメージングでは外部から観察できない節の画像やひび割れ状況を画像化できる。

図７は円筒状建造物の内部に設置され反射イメージングを行うことを目的とした実施例である。プローブ１９は法線方向（ｒ）駆動機構２４、回転方向（θ）駆動機構２５、および長さ方向（Ｚ）駆動機構２６によって物体内部においてｒ−θ−Ｚスキャンされ、壁面からの反射イメージングが行われる。被測定物は正確な円筒形である必要はなく、たとえばトンネル内のコンクリート壁面における内部ひび割れ状況や、バイプ上構造物の壁面における内部構造欠陥や異物混入などを、内部より反射画像により調査できる。

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、肉眼による表面からの観察では見えない建材および建造物の内部構造を投影した反射画像を得ることができるので、建材および建造物の内部の異物混入や構造欠陥の識別が可能となり、またトンネル内壁や、木材等の非平面の建材および建造物に対しても、壁面の内部構造を観察できるので、安全検査や定期検査の新たな手段として非常に有効である。また、建材および建造物以外でも、包装された食品の内部、封筒の内部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６５ＧＨｚ電磁波の板状コンクリートの厚みに対する透過特性測定結果である。 ダイオード発振素子を用いた６５ＧＨｚ電磁波の各種板状木材の厚みに対する透過特性測定結果である。 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。 柱状物質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を示す説明図である。 中空の柱状（パイプ状）物質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を示す説明図である。

符号の説明

１…共振器基本構造
２…ステム
３…ス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…ＧａＡｓ ｎ⁻層
８３…ＧａＡｓ ｎ^＋層
８４…ＧａＡｓ ｐ^＋層
１０…ダイオード発振素子
１１…レンズ
１２…物体
１３…内部構造欠陥
１４…異物
１５…検出器
１６…信号処理部
１７…駆動機構
１８…ビームスプリッタ
１９…プローブ
２０、２４…法線方向（ｒ）駆動機構
２１、２５…回転方向（θ）駆動機構
２２、２６…長手方向（Ｚ）駆動機構
２３…柱状物質
２７…中空の柱状（パイプ状）物質

Claims (6)

1. 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１０−３００ＧＨｚの範囲の所定周波数の電磁波発生源を用い、前記電磁波の発生手段、集光手段、ビーム分割手段、および検出手段を組み合わせ一体化しプローブとし、前記プローブを走査することにより、試料表面および内部からの電磁波の反射強度を測定し、前記試料の反射イメージング画像を得ることにより試料中の異物や構造欠陥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建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。
2. 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建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。
3. 前記試料が、非平面を含む柱状であり、前記プローブが物体表面に対し、法線方向（ｒ）、回転方向（θ）、および長さ方向（Ｚ）に走査され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建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。
4. 前記試料が柱状木材であることを特徴とする請求項３に記載のダイオード発振素子を用いた建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。
5. 前記試料が、非平面を含む中空のパイプであり、前記プローブが中空内部より物体表面に対し、法線方向（ｒ）、回転方向（θ）、および長さ方向（Ｚ）に走査され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建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。
6. 前記試料がトンネル内壁面であることを特徴とする請求項５に記載のダイオード発振素子を用いた建材および建造物のイメージング方法およびイメージングシステム。

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