JP2011179989A - 電磁波波面整形素子及びそれを備えた電磁波イメージング装置、並びに電磁波イメージング方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電磁波10に対して波面整形を行うための電磁波波面整形素子1であって、半導体23と、当該半導体23上に形成される絶縁体22と、当該絶縁体22上にアレイ状に形成される複数の電極21と、前記複数の電極21と前記半導体23との各間に所定の印加電圧をそれぞれ付与するとともに、前記印加電圧をそれぞれ制御するための電圧印加手段3と、を具備し、前記半導体23にパルスレーザー光9が入射した際に、前記電圧印加手段3により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極21に対応する前記半導体23のパルスレーザー光入射面23aから発生する電磁波10の放射強度を制御する。
【選択図】図1
Description
電磁波に対して波面整形を行うための電磁波波面整形素子であって、
半導体と、
当該半導体上に形成される絶縁体と、
当該絶縁体上にアレイ状に形成される複数の電極と、
前記複数の電極と前記半導体との各間に所定の印加電圧をそれぞれ付与するとともに、前記印加電圧をそれぞれ制御するための電圧印加手段と、を具備し、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射強度を制御する電磁波波面整形素子である。
請求項1に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する手段と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射して、当該検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する手段と、を有する電磁波イメージング装置である。
請求項2に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置に適用する電磁波イメージング方法であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する照射工程と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射する電磁波放射工程と、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射強度を制御する電磁波制御工程と、
前記検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する電磁波検出工程と、を有する電磁波イメージング方法である。
前記電磁波検出工程により検出された電磁波に基づいて画像処理をする画像処理工程をさらに有する電磁波イメージング方法である。
電磁波に対して波面整形を行うための電磁波波面整形素子であって、
半導体と、
当該半導体上に形成される絶縁体と、
当該絶縁体上にアレイ状に形成される複数の電極と、
前記複数の電極と前記半導体との各間に所定の印加電圧をそれぞれ付与するとともに、前記印加電圧をそれぞれ制御するための電圧印加手段と、を具備し、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向する電磁波波面整形素子である。
前記電圧印加手段は、
前記複数の電極への前記印加電圧のON又はOFFをそれぞれ制御し、前記印加電圧が付与された電極からなる所定のパターンを形成させることで、当該所定のパターンを形成した電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向する電磁波波面整形素子である。
請求項5または請求項6に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する手段と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射するとともに、前記発生する電磁波の放射方向を偏向することで検査対象物を走査し、当該検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する手段と、を有する電磁波イメージング装置。
請求項7に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置に適用する電磁波イメージング方法であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する照射工程と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射する電磁波放射工程と、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向し、前記検査対象物を走査する電磁波走査工程と、
前記検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する電磁波検出工程と、を有する電磁波イメージング方法。
前記電磁波検出工程により検出された電磁波に基づいて画像処理をする画像処理工程をさらに有する電磁波イメージング方法。
電磁波イメージング装置20は、検査対象物30に対してパルス電磁波10を放射し、検査対象物30を透過もしくは反射してきたパルス電磁波10の解析を行うことで検査対象物30の非破壊検査・計測を行う装置であり、例えば、検査対象物30に含まれる内容物の化学成分の分光特性や物理的な形状等をマップや画像として取得すること(イメージング)が可能である。電磁波イメージング装置20は、電磁波波面整形素子1、照射装置(光学系)、検出・変換装置4、及び制御・解析装置8等を備える。以下、装置構成の詳細及び測定原理について説明する。
すなわち、電圧印加手段3は、電極21、21、・・・に対して所定の電圧をそれぞれ印加する(バイアスの制御をする)ことが可能であり、必要に応じて電極21、21、・・・と半導体23との間に電圧をそれぞれ印加することができるようになっている。これにより、電極21、21、・・・の直下となる半導体23内の空乏層の幅を制御することができる。
なお、電極の数、形状、配置パターンは、特に本実施例に限定するものではなく、検査対象物の組成・形状・大きさ等により適宜変更してもかまわない。
ここで、図2に示すように、電極21、21、・・・の横方向における配列番号を1〜4とし、縦方向の配列記号をA〜Dと便宜上定める。
つまり、本実施例のMOS構造を有する電磁波波面整形素子1による電磁波強度制御の原理について図5を用いて順に説明すると、1)電圧印加手段3によりmetal−Si(電極21−半導体23)間にバイアス電圧を印加する(金属膜の仕事関数の変化が起こる)、2)半導体23(Si層)における空乏層電界が変化する、3)瞬時電流が変化、4)発生する電磁波(テラヘルツ波)の電界強度も変化、という流れに従って電磁波の放射強度を制御することを可能とするのである。
なお、パルスレーザー光9の方向を変更するために使用した鏡等の構成は、本実施形態に限定するものではなく、各構成部品の配置を考慮して、例えば更に鏡の数を増やす等適宜構成を変更してもかまわない。
また、このパルスレーザー光9の波長は、300ナノメートル(300nm=0.3μm)以上、2ミクロン(2μm)以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが0.1mW以上、10W以下であり、パルス幅が1フェムト秒(1fs=0.001ps)以上、10ピコ秒(10ps)以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光9を用いることにより、半導体23に大きな影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。また、特にパルスレーザー光9としてフェムト秒レーザー光を使用することで、高い時間分解能による時間分解計測が可能となり、検査対象物30をリアルタイムで観測可能となる。なお、半導体23に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約10ピコ秒と見積ることができる。また、フェムト秒レーザーを使用することで、レーザーによる加熱の悪影響を最小限に抑えることができるという効果がある。
すなわち、時間遅延手段15は、前記プローブ光L1の光路長を調整するための可動鏡15aを周期的に移動させることで所定時間間隔の時間遅延量を付与したプローブ光L1を前記検出・変換装置4(後述する検出素子19)に入射することができる。
すなわち、制御・解析装置8は、前記検出・変換装置4の変換手段にて変換した電圧信号から、検査対象物30に含まれる内容物(被検出物質)の有無の検出(定性的な測定)、内容物の定量的な測定、内容物の分光計測による物質の特定、並びに、検出されたパルス電磁波10の振幅強度(電圧値)の時系列波形を用いた所定の解析といった解析処理、当該解析処理結果に基づく画像処理、及び所定のフーリエ変換等の演算処理を行う装置である。また、本実施例では、制御・解析装置8は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とする画像表示部を有するコンピュータであり、図示せぬ制御信号線を介して、照射装置(光学系)、検出・変換装置4、パルスレーザー光源2及び、電極21に所定の電圧を付与するための電圧印加手段3の制御も併せて行うものである。
具体的には、各電極21、21、・・・の印加電圧を変化させることで、絶縁体22表面の電荷が変化し、当該各電極21、21、・・・の存在する位置に対応する半導体23の入射面23aから発生するパルス電磁波10の波面整形を行うことができる。当該波面整形(変調)されたパルス電磁波10を検査対象物30に照射し、検査対象物30を透過もしくは反射したパルス電磁波10を検出して、透過(もしくは反射)後のパルス電磁波10を制御・解析装置8内の記憶装置に記憶している物質固有の電磁波周波数データベース(例えば、テラヘルツ波振動数データベース)と照合し、内容物の物質を特定することが可能となる。このように、電磁波イメージング装置20を、いわゆる非破壊検査装置として利用可能となる。
以上の装置構成及び原理によって、検査対象物30のイメージングが行われる。
電磁波検出工程S40(プローブ光照射工程、時系列波形生成工程)が終了したら、次に画像処理工程S50に進む。
図8は、テラヘルツ波強度と印加電圧の関係(バイアス依存性)を示したものである。図8に示すグラフは、電磁波波形整形素子1の電極としてAuの代わりにTi(チタン)を用いて電磁波波形整形素子を構成し、半導体23にパルスレーザー光9を照射し、チタン電極と半導体23(Si)間に直流バイアスを印加した際のテラヘルツ波強度を計測したものであり、横軸が印加電圧(バイアス電圧)[V]、縦軸はテラヘルツ波強度(任意単位)である。図8に示すように、テラヘルツ波強度と印加電圧(バイアス電圧)とはほぼリニアな関係を示し、テラヘルツ波強度は印加電圧(バイアス電圧)に依存することを確認した。この結果から、電圧印加手段3により電極21に付与する印加電圧を制御することで、放射されるパルス電磁波10を制御することが可能であることが確認できた。
以上の実験結果により、電磁波波面整形素子1が有する電極21への印加電圧の制御により、テラヘルツ波の放射強度(発生強度)を制御することが可能であることを実証できた。
図9は、本実施例の電磁波イメージング装置20において、検出素子19の代わりにCCDカメラを配置した別実施例である。この別実施例によれば、電磁波波面制御素子1から発生したパルス電磁波10を検査対象物30に放射し、検査対象物30を透過したパルス電磁波10をCCDカメラで取得することができる。
図10は、本実施例の電磁波イメージング装置20において、検出素子19の代わりに集光手段である凹面鏡と検出器を配置するとともに、電磁波波面整形素子1の入射面23a近傍に複数のレンズを配置した別実施例である。この別実施例によれば、電磁波波面制御素子1から発生したパルス電磁波10を検査対象物30に照射し、検査対象物30を透過したパルス電磁波10を凹面鏡で集光して検出を行い、所定の画像処理によりイメージングすることができる。
通常、パルス電磁波によるイメージングは、パルス電磁波を発生する素子自体を駆動手段により動かして、走査することでイメージング画像を取得する。本発明によれば、上記電磁波波形整形素子1を用いて、電磁波波形整形素子1を動かさずに固定した状態で、イメージングを行うことが可能であることを図及びシミレーション結果により説明する。
図11は、電極の形状を横長型にした場合と、電極の形状を縦長型にした場合の各々において、パルスレーザー光9を所定の入射角度で半導体に入射し、半導体の入射面から発生するテラヘルツ波を示したものである。図11(a)では、パルスレーザー光9が所定の角度にて入射することで、横長の電極の長手方向(右方向)に行くに従って、パルスレーザー光9の到達時間の遅延が起こり、レーザー到達地点各部において発生するテラヘルツ波において位相が異なる現象が起こる(いわゆる、フェーズドアレイ効果が働く)。この複数の異なる位相同士が干渉を起こして、その干渉効果により発生するテラヘルツ波の発生方向が決定されることになる。一方、図11(b)では、パルスレーザー光9が所定の角度にて入射するが、電極が縦長であるため、電極の短手方向は短く、その結果パルスレーザー光9の到達時間の遅延はほとんど起こらず、レーザー到達地点各部において発生するテラヘルツ波において位相は同じままである(フェーズドアレイ効果が働かない)。その結果としてテラヘルツ波は、入射面に対してほぼ垂直方向に発生することになる。
上記図11で示した結果により、テラヘルツ波の発生パターンを変えることでレーザー入射角固定のままテラヘルツ波の放射方向を制御することが可能であることがわかった。換言すれば、電磁波波形整形素子1において、上述したように、電圧印加手段3により複数の電極21への前記印加電圧をそれぞれ制御して、横長型の発生パターンや縦長型の発生パターン等、テラヘルツ波の発生パターンを適宜変えることで、レーザー入射角固定のままテラヘルツ波の放射方向を制御することが可能であることがわかった。つまり、本実施例の電磁波波形整形素子1においては、前記半導体23にパルスレーザー光9が入射した際に、前記電圧印加手段3により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極21に対応する前記半導体23のパルスレーザー光9の入射面23aから発生するパルス電磁波10の放射方向を偏向することができる。次では、さらに詳細にテラヘルツ波の発生パターンとテラヘルツ波の伝播方向との関係を説明する。
次に、テラヘルツ波の発生パターン(印加電圧パターン)を制御することにより、テラヘルツ波の伝播方向を所定の方向に偏向することができるかをテラヘルツ波伝播シミュレーションにより検証した。
テラヘルツ波伝播シミュレーションでは、電磁波波形整形素子1の電極21を想定して、電極サンプルを図12の左図に示すように、縦5×横5のアレイ状に配列された電極(放射ブロックという)のパターンとし、ひとつの電極に相当する1ブロック:90μm×90μm、ブロック間は10μmとしている。図12の左図において、白色ブロックは印加電圧ONを示しており、黒色ブロックは印加電圧OFFの状態を示している。また、図12の右図に示すように、電磁波波形整形素子の半導体に対して入射させるパルスレーザー光は、入射角:45°、波源:球面波の正弦波、波長:300μmである。
横長型においては、y−z平面では位相の変化を生じていないが、x−z平面ではテラヘルツ波の伝播方向を示す右斜め上方の位相パターン(濃色のグラデーション部分)が発生していることが確認できる。
一方、縦長型においては、y−z平面ではテラヘルツ波の伝播方向を示す上方の位相パターン(濃色のグラデーション部分)が発生していることが確認できるが、x−z平面では特に伝播方向に指向性がない。
横長型、縦長型の各印加電圧パターンにおいては、シミュレーション結果においても前述した図11で示した予想と同様の結果が得られた。
右斜め型においては、y−z平面及びx−z平面のそれぞれにおいてテラヘルツ波の伝播方向を示す右斜め上方の位相パターン(濃色のグラデーション部分)が発生していることが確認できる。
一方、左斜め型においては、y−z平面ではテラヘルツ波の伝播方向を示す左斜め上方の位相パターンが発生していることが確認できるが、x−z平面では右斜め上方の位相パターン(濃色のグラデーション部分)が発生していることが確認できる。
以上のシミュレーション結果からテラヘルツ波放射パターンによってテラヘルツ波の伝播方向が変わることを確認できた。
8 制御・解析装置
9 パルスレーザー光
10 パルス電磁波
21 電極
22 絶縁体
23 半導体
30 検査対象物
Claims (9)
- 電磁波に対して波面整形を行うための電磁波波面整形素子であって、
半導体と、
当該半導体上に形成される絶縁体と、
当該絶縁体上にアレイ状に形成される複数の電極と、
前記複数の電極と前記半導体との各間に所定の印加電圧をそれぞれ付与するとともに、前記印加電圧をそれぞれ制御するための電圧印加手段と、を具備し、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射強度を制御することを特徴とする電磁波波面整形素子。 - 請求項1に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する手段と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射して、当該検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する手段と、を有することを特徴とする電磁波イメージング装置。 - 請求項2に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置に適用する電磁波イメージング方法であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する照射工程と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射する電磁波放射工程と、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射強度を制御する電磁波制御工程と、
前記検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する電磁波検出工程と、を有することを特徴とする電磁波イメージング方法。 - 前記電磁波検出工程により検出された電磁波に基づいて画像処理をする画像処理工程をさらに有することを特徴とする請求項3に記載の電磁波イメージング方法。
- 電磁波に対して波面整形を行うための電磁波波面整形素子であって、
半導体と、
当該半導体上に形成される絶縁体と、
当該絶縁体上にアレイ状に形成される複数の電極と、
前記複数の電極と前記半導体との各間に所定の印加電圧をそれぞれ付与するとともに、前記印加電圧をそれぞれ制御するための電圧印加手段と、を具備し、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向することを特徴とする電磁波波面整形素子。 - 前記電圧印加手段は、
前記複数の電極への前記印加電圧のON又はOFFをそれぞれ制御し、前記印加電圧が付与された電極からなる所定のパターンを形成させることで、当該所定のパターンを形成した電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向することを特徴とする請求項5に記載の電磁波波面整形素子。 - 請求項5または請求項6に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する手段と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射するとともに、前記発生する電磁波の放射方向を偏向することで検査対象物を走査し、当該検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する手段と、を有することを特徴とする電磁波イメージング装置。 - 請求項7に記載した電磁波波面整形素子を備えた電磁波イメージング装置に適用する電磁波イメージング方法であって、
前記半導体のパルスレーザー光入射面に前記パルスレーザー光を照射する照射工程と、
前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波を検査対象物に放射する電磁波放射工程と、
前記半導体にパルスレーザー光が入射した際に、前記電圧印加手段により前記印加電圧をそれぞれ制御することで、前記印加電圧が付与された電極に対応する前記半導体のパルスレーザー光入射面から発生する電磁波の放射方向を偏向し、前記検査対象物を走査する電磁波走査工程と、
前記検査対象物を透過もしくは反射した電磁波を検出する電磁波検出工程と、を有することを特徴とする電磁波イメージング方法。 - 前記電磁波検出工程により検出された電磁波に基づいて画像処理をする画像処理工程をさらに有することを特徴とする請求項8に記載の電磁波イメージング方法。
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