JP2011153856A - Device and method for measurement of particle size using terahertz wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いて測定対象の粒径を測定する粒径測定装置及び粒径測定方法に関する。 The present invention relates to a particle size measuring apparatus and a particle size measuring method for measuring the particle size of a measurement object using terahertz waves.
近年、電波と光波のちょうど中間領域にあるテラヘルツ波に注目が集まりつつある。テラヘルツ波は、送受信が困難なことから利用が遅れていた。しかし、最近のレーザ及び半導体技術の進歩等によりテラヘルツ波の利用が可能となってきた。学術分野により違いがあるが、テラヘルツ波は、波長で30μm〜3mm、振動数では100GHz〜10THzの領域を指す。 In recent years, attention has been focused on terahertz waves in the middle region between radio waves and light waves. The use of terahertz waves has been delayed because transmission and reception are difficult. However, the use of terahertz waves has become possible due to recent advances in laser and semiconductor technologies. Although there are differences depending on the academic field, the terahertz wave indicates a region of 30 μm to 3 mm in wavelength and 100 GHz to 10 THz in frequency.
特許文献1には、電磁波分光により粉体の物理的状態を観測することを目的とするテラヘルツ電磁波による粉体物性測定装置及び方法が記載されている。このテラヘルツ電磁波による粉体物性測定装置は、粉体を保持する手段と、粉体にテラヘルツ電磁波を照射する照射手段と、粉体を通過したテラヘルツ電磁波を受信して電気信号に変換する受信手段と、該受信手段の出力をもとに該粉体を通過するテラヘルツ電磁波の粉体の各位置での伝搬時間の差もしくは振幅の差を取得する手段と、該差に基づいて表示装置に粉体の特徴を表示するための画像処理をする画像処理手段とを備えている。
この粉体物性測定装置は、粉体自体の物性あるいは物理的状態を測定して画像化する装置であり、例えばテラヘルツ電磁波の透過率を測定することにより粉体の種類を識別し、あるいはテラヘルツ電磁波の屈折率を測定することにより粉体の充填率を推測することができる。 This powder physical property measuring device is a device that measures and images the physical properties or physical state of the powder itself, and for example, identifies the type of powder by measuring the transmittance of the terahertz electromagnetic wave, or the terahertz electromagnetic wave The powder filling rate can be estimated by measuring the refractive index.
特許文献2には、水封筒、カプセル、容器等に収容された粉体、気泡等の産卵物を開封することなく非破壊で検出するテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置が記載されている。このテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置と、該テラヘルツ波を被検査物に照射するテラヘルツ波照射装置と、被検査物を透過したテラヘルツ波の直進成分をカットし散乱成分の強度を検出する散乱強度検出装置とを備えている。さらに、テラヘルツ波照射装置は、発生したテラヘルツ波を平行光に変換するレンズと、該平行光の断面形状を被検査物より小さく制限して対象物に向けて照射する絞りとからなり、散乱強度検出装置は、被検査物を直進して透過したテラヘルツ波を途中で遮光し、被検査物で散乱したテラヘルツ波を所定の位置に集光する共焦点光学系と、該集光位置のテラヘルツ波の強度を検出する散乱強度検出器とからなる。
このテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置によれば、被検査物を透過したテラヘルツ波の直進成分をカットし、散乱成分の強度を検出できるので、例えば粒径に応じた散乱強度を検出することにより粉体の識別を行うことができる。 According to the scatterer detection apparatus using the terahertz wave, the straight component of the terahertz wave that has passed through the inspection object can be cut and the intensity of the scatter component can be detected. Thus, the powder can be identified.
しかしながら、テラヘルツ波を用いて構造物中の粒子径を測定する場合には、スペクトル幅が広くピークパワーが大きいといった理由によりフェムト秒レーザを用いるのが一般的であるが、高コストであるという問題点がある。 However, when measuring the particle size in a structure using terahertz waves, it is common to use a femtosecond laser because of its wide spectral width and high peak power, but it is expensive. There is a point.
また、従来の測定装置は、対象の粒径を測定するに際して透過率(=(サンプルのFFT結果/リファレンスのFFT結果)*100)を使用するのが一般的であるが、透過率を計算するためにはリファレンスとサンプルとの両方の信号強度を測定し、いずれもフーリエ変換を行った後に周波数毎に算出する必要があり、信号処理に手間がかかるという問題点がある。なお、リファレンスとは、測定対象物を何も設置しない状態で行った測定結果を指す。 In addition, the conventional measuring apparatus generally uses the transmittance (= (FFT result of the sample / FFT result of the reference) * 100) when measuring the particle size of the object, but calculates the transmittance. For this purpose, it is necessary to measure the signal intensities of both the reference and the sample, and to calculate them for each frequency after performing Fourier transform, and there is a problem that it takes time for signal processing. In addition, a reference refers to the measurement result performed in the state in which no measurement object is installed.
図12は、従来の測定装置の動作を示すフローチャート図である。従来の測定装置は、最初にリファレンスの時間波形(時間に対する信号強度)を測定する(ステップS1)。次に、従来の測定装置は、測定対象物(サンプル)を設置した場合における時間波形を測定する(ステップS2)。ここで、図13は、従来の測定装置により測定されたサンプル(粒径605μm)とリファレンスの時間波形図の1例である。
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of a conventional measuring apparatus. The conventional measuring apparatus first measures a reference time waveform (signal strength with respect to time) (step S1). Next, the conventional measuring apparatus measures a time waveform when a measurement object (sample) is installed (step S2). Here, FIG. 13 is an example of a time waveform diagram of a sample (
次に、従来の測定装置は、リファレンスとサンプルについてFFT解析を行う(ステップS3)。ここで、図14は、従来の測定装置により測定されたサンプル(粒径605μm)とリファレンスの時間波形に対して行ったフーリエ変換結果を示す図である。
Next, the conventional measuring apparatus performs FFT analysis on the reference and the sample (step S3). Here, FIG. 14 is a diagram showing a result of Fourier transform performed on a sample (
次に、従来の測定装置は、周波数毎の透過率を計算する(ステップS4)。すなわち、従来の測定装置は、図14のFFT変換結果に基づいて、所定の周波数におけるサンプルとリファレンスの任意強度を抽出し、上述した式に基づいて透過率を算出する。なお、リファレンスのフーリエ変換後における周波数に対する任意強度は、予めデータベースに記憶された値を用いてもよい。 Next, the conventional measuring apparatus calculates the transmittance for each frequency (step S4). That is, the conventional measuring apparatus extracts arbitrary intensities of the sample and reference at a predetermined frequency based on the FFT conversion result of FIG. 14, and calculates the transmittance based on the above-described equation. Note that a value stored in advance in a database may be used as the arbitrary intensity with respect to the frequency after the Fourier transform of the reference.
例えば、図14に示すフーリエ変換後のサンプルの時間波形から、0.183THzの周波数に対する任意強度が127である場合に、データベースに基づいてリファレンスの0.183THzの周波数に対する任意強度が259であったとすると、従来の測定装置は、(127/259)*100=49[%]のように透過率を算出することができる。 For example, from the time waveform of the sample after Fourier transform shown in FIG. 14, when the arbitrary intensity for the frequency of 0.183 THz is 127, the arbitrary intensity for the frequency of 0.183 THz of the reference is 259 based on the database. Then, the conventional measuring apparatus can calculate the transmittance as (127/259) * 100 = 49 [%].
次に、従来の測定装置は、算出した透過率をデータベースと照合する(ステップS5)。図15は、0.183THzの周波数において予め測定した粒径に対する透過率を示す図である。また、図16は、0.183THzの周波数において予め測定した粒径に対する透過率の結果に基づいて作成したデータベースを示す表である。従来の測定装置は、例えば算出した透過率が49%である場合に、図16に示すデータベースと照合することにより、粒径が605[μm]であることを導き出すことができる。 Next, the conventional measuring apparatus collates the calculated transmittance with a database (step S5). FIG. 15 is a diagram showing the transmittance with respect to the particle diameter measured in advance at a frequency of 0.183 THz. FIG. 16 is a table showing a database created based on the result of transmittance with respect to the particle diameter measured in advance at a frequency of 0.183 THz. For example, when the calculated transmittance is 49%, the conventional measuring apparatus can derive that the particle size is 605 [μm] by collating with the database shown in FIG.
最後に、従来の測定装置は、導出した粒径(605[μm])を表示装置に表示して処理を終了する(ステップS6)。 Finally, the conventional measuring device displays the derived particle size (605 [μm]) on the display device and ends the process (step S6).
以上説明したように、従来の測定装置は、リファレンスとサンプルの両方の信号強度に対してフーリエ変換を行う必要があり、さらにデータベースによらずにリファレンスを毎回測定する場合には、測定の度にリファレンスとサンプルの両方についてデータをとる必要があり、手間がかかるという問題点がある。 As described above, the conventional measuring apparatus needs to perform Fourier transform on the signal intensity of both the reference and the sample, and when measuring the reference every time regardless of the database, every measurement is performed. There is a problem that it is necessary to collect data for both the reference and the sample, which is troublesome.
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができるテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-described problems of the prior art, and is a low-cost particle size measuring apparatus and particle size measurement using a terahertz wave that can quickly measure the particle size without trouble. It is an object to provide a method.
本発明に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を発するレーザダイオードと、前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する光分割部と、前記光分割部により発せられた第1レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振部と、前記光分割部により発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振部により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波発振部と前記テラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出部により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a particle size measuring apparatus using terahertz waves according to the present invention includes a laser diode that emits laser light, and laser light emitted by the laser diode as first laser light and second laser light. And a second laser beam emitted from the light divider. The light divider that divides the terahertz wave by being irradiated with the first laser beam emitted from the light divider, and the second laser beam emitted from the light divider. A terahertz wave detecting unit that detects a terahertz wave oscillated by the terahertz wave oscillating unit at a detection timing based on the terahertz wave, and generates a detection signal corresponding to the intensity of the detected terahertz wave, the terahertz wave oscillating unit, and the terahertz wave A signal based on the detection signal generated by the terahertz wave detection unit when a measurement object is installed in the terahertz waveguide between the detection unit and the detection unit. Calculating a feature from only the intensity data, characterized by comprising a estimation unit for estimating the particle size of the object to be measured by reference to the database that holds the data of the particle size corresponding to the feature quantity.
本発明に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定方法は、上記課題を解決するために、レーザダイオードからレーザ光を発するレーザ光発生ステップと、前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する光分割ステップと、前記光分割ステップにより発せられた第1レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振ステップと、前記光分割ステップにより発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振ステップにより発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出ステップと、前記テラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出ステップにより生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定ステップとを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a particle size measurement method using a terahertz wave according to the present invention includes a laser light generation step of emitting laser light from a laser diode, and a laser light emitted by the laser diode as a first laser light. Splitting into a second laser beam, a terahertz wave oscillation step for oscillating a terahertz wave when irradiated with the first laser beam emitted in the light splitting step, and the light splitting step. A terahertz wave detecting step for detecting a terahertz wave oscillated by the terahertz wave oscillating step at a detection timing based on the second laser light and generating a detection signal corresponding to the intensity of the detected terahertz wave; The detection generated by the terahertz wave detection step when a measurement object is placed on A feature amount is calculated only from signal intensity data based on the signal, and an estimation step of estimating the particle size of the measurement object by referring to a database holding data on the particle size corresponding to the feature amount is provided. And
本発明によれば、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができるテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a particle size measuring apparatus and a particle size measuring method using a terahertz wave that can be measured at low cost and can be quickly measured without trouble.
以下、本発明のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a particle size measuring apparatus and a particle size measuring method using a terahertz wave according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。図1を参照して、粒径測定装置の構成を説明する。本実施例の粒径測定装置は、レーザダイオード1、ビームスプリッタ2、ミラー3、レンズ4、テラヘルツ波発振アンテナ5、放物面ミラー6,7、テラヘルツ波受信アンテナ8、レンズ9、ミラー10、時間遅延機構11、ミラー12、信号発生器50、ロックインアンプ51、データ保持部52、表示装置53、データ処理部56、制御部57、及びデータベース58により構成される。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a particle size measuring apparatus using a terahertz wave according to a first embodiment of the present invention. With reference to FIG. 1, the structure of the particle size measuring apparatus will be described. The particle size measuring apparatus according to the present embodiment includes a
なお、レーザダイオード1、ビームスプリッタ2、ミラー3,10,12、レンズ4,9、テラヘルツ波発振アンテナ5、テラヘルツ波受信アンテナ8、放物面ミラー6,7、時間遅延機構11、及び後述する測定対象物100は、同一平面状にあるものとする。
The
レーザダイオード1は、レーザ光を発する。このレーザ光は、数ピコ秒以下で強度が変化している。また、レーザ光の波長は、後述するテラヘルツ波発振アンテナ5及びテラヘルツ波受信アンテナ8の低温成長ガリウムヒ素基板を励起できる波長であればよく、例えば780nm〜830nm程度である。さらに、レーザダイオード1によるレーザ出力強度は、エミッタ側に約30mW、ディテクタ側に約10mW出力する強度があればよい。
The
ビームスプリッタ2は、本発明の光分割部に対応し、レーザダイオード1により発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する。
The
ミラー3は、ビームスプリッタ2により発せられた第1レーザ光を所定の方向に反射する。
The
レンズ4は、ミラー3により反射された第1レーザ光を集光する。
The lens 4 condenses the first laser light reflected by the
テラヘルツ波発振アンテナ5は、本発明のテラヘルツ波発振部に対応し、ビームスプリッタ2により発せられた第1レーザ光がミラー3及びレンズ4を介して照射されることによりテラヘルツ波を発振する。
The terahertz
図2は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波発振アンテナ5の詳細な構成を示す図である。図2に示すように、テラヘルツ波発振アンテナ5は、シリコンレンズ25に低温成長ガリウムヒ素基板22が設けられた構成となっており、低温成長ガリウムヒ素基板22上の電極20に信号発生器50が接続されている。電極20は、例えばダイポール、ボウタイ等の形状を有しており、材質として主に金が用いられる。また、シリコンレンズ25は、半球レンズあるいは超半球レンズを用いたものである。さらに、黒丸で示されたレーザ光23は、ギャップ21に照射される第1レーザ光の照射箇所を示したものである。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the terahertz
信号発生器50は、テラヘルツ波発振アンテナ5に電圧を印加し、繰り返し周波数として、例えば11kHzでテラヘルツ波を変調する。
The
放物面ミラー6,7は、テラヘルツ波発振アンテナ5により発振されたテラヘルツ波をテラヘルツ波受信アンテナ8に導くためのミラーである。この放物面ミラー6,7は、テラヘルツ波の減衰がないものであればよく、例えば金属(鉄、アルミ等)が挙げられる。可動ステージは20μm以下でステップするステージであればよい。
The parabolic mirrors 6 and 7 are mirrors for guiding the terahertz wave oscillated by the terahertz
テラヘルツ波受信アンテナ8は、本発明のテラヘルツ波検出部に対応し、ビームスプリッタ2により発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングでテラヘルツ波発振アンテナ5により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成する。テラヘルツ波受信アンテナ8は、テラヘルツ波を受信できる装置であればよく、例えばシリコンボロメータ等が挙げられる。
The terahertz
図3は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナ8の詳細な構成を示す図である。図3に示すように、テラヘルツ波受信アンテナ8は、テラヘルツ波発振アンテナ5と同様の構成を有しており、シリコンレンズ25に低温成長ガリウムヒ素基板22が設けられている。ただし、テラヘルツ波受信アンテナ8の低温成長ガリウムヒ素基板22上の電極20には、信号発生器50の代わりにロックインアンプ51が接続されている。
FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of the terahertz
ミラー12は、ビームスプリッタ2により発せられた第2レーザ光を所定の方向に反射し、時間遅延機構11内部に導く。
The mirror 12 reflects the second laser light emitted from the
時間遅延機構11は、本発明の時間遅延部に対応し、ビームスプリッタ2により発せられミラー12を介して入射された第2レーザ光に時間遅延を与える。また、制御部57は、時間遅延機構11内部のミラーを移動させることにより、時間遅延量を制御することができる。この制御部57は、表示装置53と一体的に設置されていてもよい。時間遅延機構11に要求される仕様の1例を挙げると、時間遅延機構11は、内部ミラーの移動範囲が2cm以上5cm以下あればよい。その移動速度は、最大で20kpps(Pulse per second)、最小で1kppsであればよい。また、移動ピッチは10μm毎に動作すればよく、移動精度は0.015mmであればよい。
The time delay mechanism 11 corresponds to the time delay unit of the present invention, and gives a time delay to the second laser light emitted from the
ミラー10は、時間遅延機構11により発せられた第2レーザ光を所定の方向に反射する。
The
レンズ9は、ミラー10により反射された第2レーザ光を集光する。なお、ビームスプリッタ2、ミラー3,10,12、及びレンズ4,9は、レーザダイオード1によるレーザ光の出力強度に耐えることができ、且つレーザ光の強度に変化を与えないものがよい。
The lens 9 condenses the second laser light reflected by the
ロックインアンプ51は、信号発生器50の参照信号に同期して、テラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号を増幅する。なお、ロックインアンプ51は、電流増幅が108程あればよい。また、電圧電源は50V以下を印加できるものであればよい。
The lock-in
データ保持部52及びデータ処理部56は、本発明の推定部に対応し、テラヘルツ波発振アンテナ5とテラヘルツ波受信アンテナ8との間のテラヘルツ波路中に測定対象物100を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース58を参照することにより測定対象物100の粒径を推定する。
The
ここで、本発明の「特徴量」は、テラヘルツ波路中に測定対象物100を設置した場合の信号強度データのみから算出できる量を指すものとする。したがって、従来技術として説明した「透過率」は、テラヘルツ波路中に測定対象物100を設置しない場合の信号強度データも必要となるため、本発明の「特徴量」には該当しない。
Here, the “feature amount” of the present invention refers to an amount that can be calculated only from signal intensity data when the
なお、推定部(データ保持部52及びデータ処理部56)は、信号強度データに基づいて特徴量を算出する際に、平均値、標準偏差、最大値、ピーク値、RMS(Root Mean Square)、波形率、衝撃指数、波高率、歪度、及び尖り度の少なくとも1つを特徴量として算出する。特徴量の詳細については後述する。
The estimation unit (the
個々の構成について述べると、データ保持部52は、テラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号に基づく信号強度データを保持する。また、データ処理部56は、データ保持部52に保持された信号強度データに基づいて特徴量を算出し、データ保持部52を介してデータベース58を参照することにより測定対象物100の粒径を推定する。
To describe each configuration, the
データベース58は、予め調べた特徴量に対応する粒径のデータを保持する。このデータベース58に保持されたデータは、例えば粒径が既知のガラスビーズ等を使用して予め測定を行い、平均値等の特徴量と粒径との関係を調べて作成したものである。
The
表示装置53は、ロックインアンプ51による出力された検出信号に基づく信号強度データや、推定部(データ保持部52及びデータ処理部56)が推定した粒径を表示するための装置である。
The
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図4は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の動作を示すフローチャート図である。なお、データベース58には、既に特徴量とそれに対応する粒径のデータが保持されているものとする。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the particle size measuring apparatus using the terahertz wave of this embodiment. It is assumed that the
最初に、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、図13に示すようなサンプルの時間波形を測定する(ステップS11)。具体的に説明すると、ユーザは、測定対象物100をテラヘルツ波路中に設置する。測定対象物100は、粒状物や粉体物であり、ポリカーボネイト等のケースに収納されている。
First, the particle size measuring apparatus using the terahertz wave of the present embodiment measures the time waveform of the sample as shown in FIG. 13 (step S11). Specifically, the user installs the measuring
レーザダイオード1は、レーザ光を発する(レーザ光発生ステップ)。ビームスプリッタ2は、レーザダイオード1により発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する(光分割ステップ)。ここで、第1レーザ光は、テラヘルツ波発振アンテナ2に向かうエミッタ側のレーザ光である。第2レーザ光は、テラヘルツ波受信アンテナ8に向かうディテクタ側のレーザ光である。
The
エミッタ側のレーザ光(第1レーザ光)は、レンズ4により集光され、テラヘルツ波発振アンテナ5に照射される。第1レーザ光が照射されたテラヘルツ波発振アンテナ5は、信号発生器50により電圧を印加されることで、テラヘルツ波を発振する(テラヘルツ波発振ステップ)。
The laser light (first laser light) on the emitter side is collected by the lens 4 and applied to the terahertz
発振したテラヘルツ波は、放物面ミラー6,7で反射し、テラヘルツ波受信アンテナ8に照射される。一方、ディテクタ側のレーザ光(第2レーザ光)は、エミッタ側と同様にテラヘルツ波受信アンテナ8に照射される。
The oscillated terahertz wave is reflected by the parabolic mirrors 6 and 7 and applied to the terahertz
このとき、ビームスプリッタ2からテラヘルツ波発振アンテナ5を経てテラヘルツ波受信アンテナ8までの光学距離と、ビームスプリッタ2からテラヘルツ波受信アンテナ8までの距離が一致するように光学部品を設置する。
At this time, the optical components are installed so that the optical distance from the
テラヘルツ波発振アンテナ5から発振するテラヘルツ波はパルスであり、パルス幅は数ピコ秒のため一つのパルスを一回で受信する測定装置はない。そこで、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波発振アンテナ5にテラヘルツパルスを繰り返し送信させておき、時間遅延機構11の光学距離を変えることで時間遅延を発生させ、テラヘルツパルスの各箇所を順に測定することでテラヘルツパルスを測定する。
Since the terahertz wave oscillated from the terahertz
テラヘルツ波受信アンテナ8は、ビームスプリッタ2により発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングでテラヘルツ波発振アンテナ5により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成する(テラヘルツ波検出ステップ)。
The terahertz
具体的には、第2レーザ光がテラヘルツ波受信アンテナ8のギャップ21に照射されることで電子が励起し、そこにテラヘルツ波が照射されることで、電極20に微小電流が流れる。ロックインアンプ51は、信号発生器50と同期をとるとともに、この微小電流を検出信号として検出して増幅する。
Specifically, the second laser light is applied to the
次に、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、特徴量を計算し(ステップS12)、データベースと照合する(ステップS13)。具体的には、データ保持部52及びデータ処理部56は、テラヘルツ波路中に測定対象物100を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース58を参照することにより測定対象物100の粒径を推定する(推定ステップ)。
Next, the particle size measuring apparatus using the terahertz wave of the present embodiment calculates a feature amount (step S12) and collates it with a database (step S13). Specifically, the
ここで、特徴量の例として、平均値、標準偏差、最大値、ピーク値、RMS、波形率、衝撃指数、波高率、歪度、尖り度について説明する。 Here, an average value, standard deviation, maximum value, peak value, RMS, waveform rate, impact index, crest factor, skewness, and kurtosis will be described as examples of feature amounts.
まず、平均値は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形に基づいて、絶対値総和をデータ点で割った値である。
標準偏差は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形に基づいて、以下に示す(2)式を計算したものである。
最大値は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形から絶対値の最大値をとったものである。
The maximum value is obtained by taking the maximum absolute value from the time waveform in a state where the measuring
ピーク値は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形から絶対値の大きい順に10個目までの平均値をとったものである。
RMSは、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形から以下に示す(4)式を計算したものである。
歪度は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形から以下に示す(5)式を計算したものである。
尖り度は、放物面ミラー6,7の間に測定対象物100を設置した状態での時間波形から以下に示す(5)式を計算したものである。
さらに、有次元パラメータの特徴量のみならず、上述した式で得られた値を用いて、無次元パラメータの特徴量である波形率、衝撃指数、及び波高率を求めることができる。ここで、波形率=標準偏差/平均値である。また、衝撃指数=ピーク値/標準偏差である。さらに、波高率=ピーク値/平均値である。 Furthermore, not only the feature quantity of the dimensional parameter but also the waveform ratio, the impact index, and the crest factor, which are the feature quantities of the dimensionless parameter, can be obtained using the values obtained by the above-described formula. Here, the waveform rate = standard deviation / average value. Also, impact index = peak value / standard deviation. Furthermore, crest factor = peak value / average value.
一方、上述したように、ユーザは、予め粒径と各特徴量との関係を測定しておき、データベース58を作成しておく。サンプル(測定対象物100)の測定が終了すると、データ処理部56は、データ保持部52に保持された信号強度データから上述した特徴量を算出し、算出した特徴量とデータベース58とを照合して粒径を推定する。
On the other hand, as described above, the user previously measures the relationship between the particle size and each feature amount, and creates the
最後に、表示装置53は、推定部(データ保持部52及びデータ処理部56)が推定した粒径をディスプレイ等に表示する(ステップS14)。
Finally, the
上述のとおり、本発明の実施例1の形態に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法によれば、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができる。 As described above, according to the particle size measuring apparatus and the particle size measuring method using the terahertz wave according to the form of the first embodiment of the present invention, the particle size is measured quickly and without cost. be able to.
すなわち、本実施例の粒径測定装置及び粒径測定方法は、従来のような高コストのフェムト秒レーザを用いる代わりにレーザダイオード1を使用しているため、装置を低コストに抑えることができるという利点を有する。
That is, since the particle size measuring apparatus and the particle size measuring method of the present embodiment use the
ここで、図5は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置により得られた特徴量を示すグラフであり、横軸は粒径である。図5に示すように、いずれの有次元パラメータの特徴量も測定対象物100の粒径が大きくなるにつれて減少する傾向を示しており、粒径の判別が可能であるといえる。すなわち、図5の実験結果は、本実施例の粒径測定装置のように高コストのフェムト秒レーザを用いる代わりにレーザダイオード1を使用したとしても、特徴量に有意差があるため粒径の測定が十分に可能であることを示している。
Here, FIG. 5 is a graph showing the characteristic amount obtained by the particle size measuring apparatus using the terahertz wave of the present embodiment, and the horizontal axis is the particle size. As shown in FIG. 5, the feature quantities of any dimensional parameters tend to decrease as the particle size of the
また、従来の測定装置は、対象の粒径を測定するに際して透過率を使用するので、測定対象物を何も設置しない状態でのリファレンスとサンプルとの両方の信号強度を測定し、いずれもフーリエ変換を行った後に周波数毎に算出する必要があり、信号処理に手間がかかるという問題点があった。これに対し、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波路中に測定対象物100を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、算出した特徴量に基づいて粒径を推定するので、従来のような測定対象物を何も設置しない状態でのリファレンスの測定が不要であり、さらにフーリエ変換を行う必要も無いので信号処理を簡素化できるという利点がある。
In addition, since the conventional measuring apparatus uses the transmittance when measuring the particle size of an object, it measures the signal intensity of both the reference and the sample with no object to be measured, both of which are Fourier transforms. There is a problem in that it is necessary to calculate for each frequency after the conversion, and it takes time to process the signal. On the other hand, the particle size measuring apparatus of the present embodiment calculates the feature amount only from the signal intensity data based on the detection signal generated by the terahertz
図6は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置において測定対象物100の粒径を変えた場合の平均値及び透過率を示す図である。図6に示すように、透過率と平均値とは、いずれも測定対象物100の粒径が大きくなるにつれて減少する傾向を示している。すなわち、図6の実験結果は、本実施例の粒径測定装置のように透過率の代わりに特徴量として平均値を採用したとしても、透過率を使用する従来の装置と同等のレベルで粒径の測定が可能であることを示している。よって、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法は、従来の装置と同等レベルの測定が可能でありながら、信号処理を簡素化できる分、手間をかけずに迅速に粒径を測定することができる。
FIG. 6 is a diagram showing an average value and transmittance when the particle diameter of the
次に、本発明の実施例2のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成について説明する。本実施例の粒径測定装置は、アナログフィルタ55、デジタルフィルタ54、及び光学フィルタ13の少なくとも1つを備える点で実施例1と異なる。具体的には、テラヘルツ波受信アンテナ8は、アナログフィルタ55とデジタルフィルタ54との少なくとも1つを備える。また、光学フィルタ13を備える場合には、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波発振アンテナ5とテラヘルツ波受信アンテナ8との間のテラヘルツ波路中に所定の周波数帯のテラヘルツ波のみを通過させる光学フィルタ13を備える。
Next, the configuration of the particle size measuring apparatus using the terahertz wave according to the second embodiment of the present invention will be described. The particle size measurement apparatus of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that it includes at least one of an
図7は、アナログフィルタ55を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナ8aの詳細な構成を示す図である。実施例1のテラヘルツ波受信アンテナ8と異なる点は、アナログフィルタ55が電極20に接続されている点である。
FIG. 7 is a diagram showing a detailed configuration of the terahertz
図8は、デジタルフィルタ54を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例1の粒径測定装置と異なる点は、テラヘルツ波受信アンテナ8とロックインアンプ51との間にデジタルフィルタ54が設けられている点である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a particle size measuring apparatus using a terahertz wave according to the present embodiment when the
図9は、光学フィルタ13を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例1の粒径測定装置と異なる点は、テラヘルツ波路中に光学フィルタ13が設けられている点である。なお、光学フィルタ13の設置箇所は、テラヘルツ波発振アンテナ5からテラヘルツ波受信アンテナ8までのテラヘルツ波路中であればどこでもよく、測定対象物100の前後を問わない。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a particle size measuring apparatus using a terahertz wave according to the present embodiment when the optical filter 13 is provided. The difference from the particle size measuring apparatus of Example 1 is that an optical filter 13 is provided in the terahertz waveguide. The installation location of the optical filter 13 may be anywhere in the terahertz waveguide from the terahertz
本実施例において、光学フィルタ13、アナログフィルタ55、及びデジタルフィルタ54は、いずれも0.25THz以下が通過するフィルタであるものとする。
In the present embodiment, the optical filter 13, the
その他の構成は、実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的には、実施例1の粒径測定装置の動作と同様である。しかしながら、テラヘルツ波受信アンテナ8がアナログフィルタ55とデジタルフィルタ54との少なくとも1つを備えている場合には、生成した検出信号に対してノイズフィルタの役割を果たすので、ロックインアンプに入力される検出信号は、ノイズ成分が除去された信号となる。また、光学フィルタ13を備えている場合には、テラヘルツ波に対してノイズフィルタの役割を果たすので、テラヘルツ波受信アンテナ8は、ノイズ成分が除去されたテラヘルツ波を受信することができる。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. Basically, the operation is the same as that of the particle size measuring apparatus of the first embodiment. However, when the terahertz
その他の作用は、実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other operations are the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
上述のとおり、本発明の実施例2の形態に係る粒径測定装置によれば、実施例1と同様の効果を得ることができるのみならず、テラヘルツ波あるいは検出信号のノイズ成分を除去することにより、粒径に応じた特徴量の差がはっきり出るので、より容易且つ正確に粒径を判別することができる。なお、ユーザは、本実施例のようなフィルタを追加した構成とする場合には、フィルタ有りの場合のデータベースを予め作成しておく必要がある。 As described above, according to the particle size measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention, not only can the same effect as the first embodiment be obtained, but also the terahertz wave or the noise component of the detection signal can be removed. As a result, the difference in the feature amount according to the particle diameter is clearly shown, so that the particle diameter can be determined more easily and accurately. In addition, when setting it as the structure which added the filter like a present Example, the user needs to produce the database in case a filter exists beforehand.
図10は、本発明の実施例3のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例1の構成と異なる点は、データ処理部56、時間遅延機構11及び制御部57を備えていない点である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a particle size measuring apparatus using terahertz waves according to the third embodiment of the present invention. The difference from the configuration of the first embodiment is that the
その他の構成は、実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的には、実施例1の粒径測定装置の動作と同様である。しかしながら、時間遅延機構11が設置されていないため、本実施例の粒径測定装置は、第2レーザ光に対して時間遅延を与えることができず、時間波形を得ることができない。したがって、テラヘルツ波受信アンテナ8による検出信号は、テラヘルツ波の1点での強度を示すものとなる。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. Basically, the operation is the same as that of the particle size measuring apparatus of the first embodiment. However, since the time delay mechanism 11 is not installed, the particle size measuring apparatus of the present embodiment cannot give a time delay to the second laser beam and cannot obtain a time waveform. Therefore, the detection signal from the terahertz
データ保持部52は、本発明の推定部に対応し、テラヘルツ波発振アンテナ5とテラヘルツ波受信アンテナ8との間のテラヘルツ波路中に測定対象物100を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ8により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース58を参照することにより測定対象物100の粒径を推定する。
The
ここで、データ保持部52は、特徴量として信号強度データをそのまま使用する。すなわち、本実施例の粒径測定装置は、平均値等の計算処理を経て特徴量を算出するわけではないので、データ処理部56が不要な構成となっている。
Here, the
なお、データベース58は、予め調べた信号強度に対応する粒径のデータを保持する。このデータベース58に保持されたデータは、例えば粒径が既知のガラスビーズ等を使用して予め測定を行い、信号強度と粒径との関係を調べて作成したものである。
Note that the
上述のとおり、本発明の実施例3の形態に係る粒径測定装置によれば、実施例1と同様の効果を得ることができるのみならず、データ処理部56、時間遅延機構11及び制御部57が不要となるため、低コスト化を実現することができる。すなわち、本発明を実現するに際し、時間遅延機構11は必ずしも必須の構成ではないといえる。
As described above, according to the particle size measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention, not only the same effects as those of the first embodiment can be obtained, but also the
また、図11は、本発明の実施例3のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の別の構成例を示す図であり、光学フィルタ13がさらに設けられている。このような構成とすることにより、実施例2と同様に、より容易且つ正確に粒径を判別することができる。また、実施例2で説明したように、アナログフィルタ55あるいはデジタルフィルタ54を備えることもでき、実施例2と同様の効果を得ることができる。
Moreover, FIG. 11 is a figure which shows another structural example of the particle size measuring apparatus using the terahertz wave of Example 3 of this invention, and the optical filter 13 is further provided. By adopting such a configuration, the particle diameter can be determined more easily and accurately as in the second embodiment. Further, as described in the second embodiment, the
本発明に係る粒径測定装置は、テラヘルツ波を用いて測定対象の粒径を測定する粒径測定装置及び粒径測定方法に利用可能である。 The particle size measuring device according to the present invention can be used in a particle size measuring device and a particle size measuring method for measuring the particle size of a measurement object using terahertz waves.
1 レーザダイオード
2 ビームスプリッタ
3 ミラー
4 レンズ
5 テラヘルツ波発振アンテナ
6,7 放物面ミラー
8,8a テラヘルツ波受信アンテナ
9 レンズ
10 ミラー
11 時間遅延機構
12 ミラー
13 光学フィルタ
20 電極
21 ギャップ
22 低温成長ガリウムヒ素基板
23 レーザ光
25 シリコンレンズ
50 信号発生器
51 ロックインアンプ
52 データ保持部
53 表示装置
54 デジタルフィルタ
55 アナログフィルタ
56 データ処理部
57 制御部
58 データベース
100 測定対象物
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する光分割部と、
前記光分割部により発せられた第1レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振部と、
前記光分割部により発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振部により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波発振部と前記テラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出部により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定部と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。 A laser diode that emits laser light;
A light splitting section for splitting the laser light emitted by the laser diode into a first laser light and a second laser light;
A terahertz wave oscillating unit that oscillates a terahertz wave by being irradiated with the first laser light emitted by the light splitting unit;
Terahertz wave detection for detecting a terahertz wave oscillated by the terahertz wave oscillating unit at a detection timing based on the second laser light emitted by the light splitting unit and generating a detection signal corresponding to the intensity of the detected terahertz wave And
The feature amount is calculated only from the signal intensity data based on the detection signal generated by the terahertz wave detection unit when a measurement object is installed in the terahertz waveguide between the terahertz wave oscillation unit and the terahertz wave detection unit. An estimation unit that estimates the particle size of the measurement object by referring to a database that holds data on the particle size corresponding to the feature amount;
A particle size measuring apparatus using a terahertz wave.
前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光とに分割する光分割ステップと、
前記光分割ステップにより発せられた第1レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振ステップと、
前記光分割ステップにより発せられた第2レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振ステップにより発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出ステップと、
前記テラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出ステップにより生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定ステップと、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波を用いた粒径測定方法。 A laser beam generation step of emitting laser beam from the laser diode;
A light splitting step for splitting the laser beam emitted by the laser diode into a first laser beam and a second laser beam;
A terahertz wave oscillating step of oscillating a terahertz wave by being irradiated with the first laser light emitted by the light splitting step;
Terahertz wave detection for detecting the terahertz wave oscillated by the terahertz wave oscillating step at a detection timing based on the second laser light emitted by the light splitting step and generating a detection signal corresponding to the intensity of the detected terahertz wave Steps,
A database that calculates feature amounts only from signal intensity data based on the detection signal generated by the terahertz wave detection step when a measurement object is placed in the terahertz waveguide, and holds data of particle sizes corresponding to the feature amounts An estimation step of estimating the particle size of the measurement object by referring to
A particle size measuring method using a terahertz wave.
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