JP2014098668A

JP2014098668A - 測定装置

Info

Publication number: JP2014098668A
Application number: JP2012251527A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Togashi; 孝宏富樫
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-29

Abstract

【課題】測定装置の小型化や部材選択の幅を広げつつ、解像度を向上する。
【解決手段】測定装置（１、２、３、４）は、電磁波を出力する電磁波出力手段（１２、１３）と、出力された電磁波の一部を照射波として、対象物の一部に収束させる対物レンズ（２４）と、電磁波出力手段と対物レンズとの間の電磁波伝搬路上に配置され、出力された電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する出力された電磁波の他の部分を参照波として反射する反射手段（２３）と、照射波の対象物からの戻り波及び参照波を受信する電磁波受信手段（１４）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波等の電磁波を用いて、例えば対象物の三次元形状や、対象物までの距離等を測定する測定装置の技術分野に関する。

この種の装置を利用したテラヘルツ波イメージングの研究活動が活発化しており、例えば非破壊検査やセキュリティ分野等への応用が期待されている。他方で、テラヘルツ波は、可視光に比べて波長が長いためイメージングの解像度が低いという問題点がある。

この種の装置として、例えば、複数の電磁波放射源及び複数の受信機を備え、高解像度を実現可能なミリ波カメラが提案されている（特許文献１参照）。或いは、ＦＭ−ＣＷ法（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ：周波数変調による測定方法）を用いたテラヘルツカメラが提案されている（非特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１１／００４３４０３号明細書

Christian am Weg, et al. "Fast Active THz Cameras with Ranging Capabilities", J Infrared Milli Terahz Waves (2009) 30: 1281-1296.

特許文献１に記載の技術では、複数の受信機を用いることによって解像度を向上させているため、装置の小型化を図ることが困難であるという技術的問題点がある。非特許文献１に記載の技術には、電磁波の周波数を測定可能な受信機が必須であり、選択肢が少ないという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化や部材選択の幅を広げつつ、解像度を向上することができる測定装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の測定装置は、上記課題を解決するために、電磁波を出力する電磁波出力手段と、前記出力された電磁波の一部を照射波として、対象物の一部に収束させる対物レンズと、前記電磁波出力手段と前記対物レンズとの間の電磁波伝搬路上に配置され、前記出力された電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する前記出力された電磁波の他の部分を参照波として反射する反射手段と、前記照射波の前記対象物からの戻り波及び前記参照波を受信する電磁波受信手段と、を備える。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

実施例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。実施例に係る反射部材の一例を示す概念図である。周波数変調波形の一例である。ディテクタから出力される信号の具体例である。実施例の第１変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。実施例の第２変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。実施例の第３変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

本発明の測定装置に係る実施形態について説明する。

実施形態に係る測定装置は、電磁波を出力する電磁波出力手段と、前記出力された電磁波の一部を照射波として、対象物の一部に収束させる対物レンズと、前記電磁波出力手段と前記対物レンズとの間の電磁波伝搬路上に配置され、前記出力された電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する前記出力された電磁波の他の部分を参照波として反射する反射手段と、前記照射波の前記対象物からの戻り波及び前記参照波を受信する電磁波受信手段と、を備える。

例えば発信機等である電磁波出力手段は、例えばテラヘルツ波等の電磁波を出力する。該電磁波出力手段から出力された電磁波は、その一部が照射波として対物レンズにより対象物の一部に収束され、他の部分が参照波として反射手段により反射される。

本実施形態では特に、反射手段は、電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する電磁波（即ち、上記“電磁波の他の部分”）を反射する。このため、対物レンズには、電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分の周辺に対応する電磁波のみが、上記「電磁波の一部」として入射することとなる。

すると、例えば特開平２−１２６２５号公報にも記載されているように、超解像効果により対象物上のスポット径を小さくすることができる。即ち、電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分の電磁波を反射（又は遮蔽）しない場合に比べて、解像度を向上させることができる。

電磁波受信手段は、照射波の対象物からの戻り波及び参照波を受信する。ここで、電磁波出力手段から出力される電磁波は、周波数変調されており、当該計測装置は、該受信された戻り波及び参照波に基づいて、例えばＦＭ−ＣＷ法、ＳＳ−ＯＣＴ法（ＳｗｅｐｔＳｏｕｒｃｅＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｔＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）等の公知の測定方法により、例えば対象物に係る三次元形状、或いは、当該測定装置及び対象物間の距離や対象物の速度、等を測定する。

尚、電磁波出力手段から出力される電磁波に対して周波数変調を施すことに代えて又は加えて、対物レンズ及び反射手段間の距離を周期的に変更してもよい。対物レンズ及び反射手段間の距離を周期的に変更することにより、電磁波に対して周波数変調を施すことと同様の効果が得られることが判明している（例えば、Wenfeng Sun, et al., “Continues Wave Terahertz Phase Imaging”, Proc. of SPIE Vol. 7854 78543A-1参照）。

本実施形態に係る計測装置では、電磁波受信手段は、一つの受信機を備えてさえいればよいので、当該計測装置の小型化を比較的容易に図ることができる。また、その受信機として、例えばショットキーバリアダイオード、ＨＥＭＴ、単一走行ダイオード、共鳴トンネルダイオード、ボロメータ、ボロメータアレイ、焦電素子、ゴーレイセル等、多様な素子を用いることができる。

本発明の測定装置に係る実施例について、図面に基づいて説明する。

実施例に係る測定装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

図１において、測定装置１は、計算装置１１、発信機１２、エミッタ１３及びディテクタ１４を備えて構成されている。

発信機１２は、例えば三角波の周波数変調をかけて電磁波を生成し、エミッタ１３から発射する。エミッタ１３から発射される電磁波は、テラヘルツ波である。

エミッタ１３から発射された電磁波は、レンズ２１を介してハーフミラー２２に入射する。該ハーフミラー２２に入射した電磁波は、該ハーフミラー２２により反射される。該ハーフミラー２２により反射された電磁波は、反射部材２３に入射する。

ここで、反射部材２３について、図２を参照して説明を加える。図２は、実施例に係る反射部材の一例を示す概念図である。尚、図２は、反射部材の、電磁波の進行方向に垂直な面を示している。

図２に示すように、反射部材２３の中央部分には、電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する電磁波を反射するためのミラー２３ａが設けられている。反射部材２３において、ミラー２３ａの周囲は、電磁波を透過するようにポリエチレン等により構成されている。

再び図１に戻り、反射部材２３を透過した電磁波は照射波として、対物レンズ２４によりサンプル上に収束される。該サンプルにより反射された電磁波である戻り波は、対物レンズ２４、反射部材２３、ハーフミラー２２及びレンズ２５を介してディテクタ１４に入射する。また、反射部材２３のミラー２３ａにより反射された電磁波は、ハーフミラー２２及びレンズ２５を介して、参照波としてディテクタ１４に入射する。

ここで、ディテクタ１４に入射する戻り波と参照波とは互いに干渉するので、ディテクタ１４から出力される信号は、戻り波と参照波とが互いに干渉することにより生じる干渉波に対応している。干渉波の強度は、戻り波と参照波との光路（電磁波伝搬路）長に応じた周波数で変動（振動）する。

具体的に、図３に示すような三角波の周波数変調波形により、周波数変調を行って電磁波を生成する場合を例に挙げて説明する。尚、図３において、周波数ｆ１は３２０ＧＨｚであり、周波数ｆ２は２３０ＧＨｚであり、周期Ｔは２４０μｓである。

この場合、ディテクタ１４から出力される信号は、光路差が１０ｍｍの場合図４（ａ）に示すようになり、光路差が１５ｍｍの場合図４（ｂ）に示すようになり、光路差が３０ｍｍの場合図４（ｃ）に示すようになる。

計算装置１１により、干渉波の周波数が分析されれば、戻り波と参照波との光路長差がわかる。参照波の光路長は予めわかっているので、例えば、当該計測装置１からサンプルまでの距離がわかる。尚、距離の測定には、例えばＦＭ−ＣＷ法、ＳＳ−ＯＣＴ法等の公知の測定方法を適用可能であるので、ディテクタ１４から出力された信号に基づいて距離を測定する方法についての説明は割愛する。

本実施例では特に、反射部材２３により超解像効果が得られると共に、参照波を生成することができる。このため、参照波を生成するために別途部材を設ける必要がなく、当該測定装置１の小型化を図ることができる。

本実施例に係る「発信機１２」及び「エミッタ１３」は、本発明に係る「電磁波出力手段」の一例である。本実施例に係る「反射部材２３」及び「ディテクタ１４」は、夫々、本発明に係る「反射手段」及び「受信手段」の一例である。

＜第１変形例＞
実施例に係る測定装置の第１変形例について、図５を参照して説明する。図５は、図１と同趣旨の、実施例の第１変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

図５において、第１変形例に係る計測装置２は、ハーフミラー２２（図１参照）に代えて、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２６を備え、更に、該偏光ビームスプリッタ２６と反射部材２３との間に配置された４分の１波長板２７を備えて構成されている。

エミッタ１３から発射された電磁波は、偏光ビームスプリッタ２６により反射され、４分の１波長板２７により偏光された後に、反射部材２３に入射する。該反射部材２３により反射された参照波は、４分の１波長板２７により偏光された後に、偏光ビームスプリッタ２６を透過してディテクタ１４に入射する。戻り波も、４分の１波長板２７により偏光された後に、偏光ビームスプリッタ２６を透過してディテクタ１４に入射する。

＜第２変形例＞
実施例に係る測定装置の第２変形例について、図６を参照して説明する。図６は、図１と同趣旨の、実施例の第２変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

図６において、第２変形例に係る測定装置３は、反射部材２３を、電磁波の進行方向に沿って動かす（即ち、反射部材２３及び対物レンズ２４間の距離を変更する）アクチュエータ１５を更に備えて構成されている。

反射部材２３を動かすことにより戻り波の光路長を一定にして、ディテクタ１４から出力される信号の周波数を一定にすることができる。ディテクタ１４から出力される信号の周波数を固定できれば、電器回路の周波数帯域を狭くすることができるので、ＳＮＲ（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）を改善することができる。

また、アクチュエータ１５により反射部材２３を動かすことで、周波数変調と同様の効果が得られる。このため、エミッタ１３から発射される電磁波の周波数を固定しつつ、反射部材２３を周期的に動かしてもよい。

尚、本変形例に係る「アクチュエータ１５」は、本発明に係る「距離変更手段」の一例である。

＜第３変形例＞
実施例に係る測定装置の第３変形例について、図７を参照して説明する。図７は、図１と同趣旨の、実施例の第３変形例に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

図７において、第３変形例に係る測定装置４では、反射部材２３が、電磁波の進行方向に垂直な断面に対して角度を持つ反射面を有するミラー２３ｂを備えている。そして、測定装置４は、ミラー２３ｂにより反射された電磁波を反射するように配置されたミラー２８と、該ミラー２８を動かすアクチュエータ１６と、を更に備えて構成されている。

測定装置４では、上述の如く、戻り波と参照波との干渉を利用して、例えば当該測定装置４からサンプルまでの距離を測定している。このため、戻り波と参照波との光路長差が、エミッタ１３から発射される電磁波の可干渉距離よりも長くなると測定できなくなる。

しかしながら、本変形例では、ミラー２８を動かすことにより可干渉性の範囲を広げることができるので、測定装置４に比較的近いサンプルから、該測定装置４から比較的遠いサンプルまで測定することができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１、２、３、４…測定装置、１１…計算装置、１２…発信機、１３…エミッタ、１４…ディテクタ、１５、１６…アクチュエータ、２２…ハーフミラー、２３…反射部材、２３ａ、２３ｂ、２８…ミラー、２４…対物レンズ、２６…変更ビームスプリッタ、２７…４分の１波長板

Claims

電磁波を出力する電磁波出力手段と、
前記出力された電磁波の一部を照射波として、対象物の一部に収束させる対物レンズと、
前記電磁波出力手段と前記対物レンズとの間の電磁波伝搬路上に配置され、前記出力された電磁波の進行方向に垂直な断面における中央部分に対応する前記出力された電磁波の他の部分を参照波として反射する反射手段と、
前記照射波の前記対象物からの戻り波及び前記参照波を受信する電磁波受信手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
前記電磁波はテラヘルツ波であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記出力された電磁波は、周波数変調された電磁波であり、
当該測定装置は、前記電磁波受信手段により受信された戻り波及び参照波に基づいて、ＦＭ−ＣＷ法により、前記対象物に係る三次元形状又は、当該測定装置及び前記対象物間の距離並びに前記対象物の速度を測定する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記出力された電磁波は、周波数変調された電磁波であり、
当該測定装置は、前記電磁波受信手段により受信された戻り波及び参照波に基づいて、ＳＳ−ＯＣＴ法により、前記対象物に係る三次元形状又は、当該測定装置及び前記対象物間の距離並びに前記対象物の速度を測定する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記対物レンズ及び前記反射手段間の距離を周期的に変更する距離変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記出力された電磁波を反射すると共に、前記戻り波及び前記参照波を透過させる偏光ビームスプリッタと、
４分の１波長板と、
を更に備え、
前記出力された電磁波は、前記偏光ビームスプリッタ及び前記４分の１波長板を介して前記反射手段に導かれ、
前記戻り波及び前記参照波は、前記４分の１波長板及び前記偏光ビームスプリッタを介して前記電磁波受信手段に導かれる
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の測定装置。