JP2016219586A - 光伝導アンテナ、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波の利用効率を高めることができる光伝導アンテナを提供する。【解決手段】本発明に係る光伝導アンテナ１００は、光伝導層１０と、光伝導層１０の第１面１２の上方に位置し、光伝導層１０に電圧を印加する第１電極２０および第２電極３０と、を含み、光伝導層１０の第１面１２と反対側の第２面１４は、凸面である。【選択図】図１

Description

本発明は、光伝導アンテナ、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置に関する。

近年、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。

このテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置は、例えば、サブピコ秒（数百フェムト秒）程度のパルス幅をもつ光パルスを発生させる光パルス発生装置と、光パルス発生装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナ（Ｐｈｏｔｏ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ：ＰＣＡ）と、を有している。

例えば特許文献１には、テラヘルツ波発生部となる光伝導膜が、テラヘルツ波に対してレンズ作用をなす基材上に形成されていることが記載されている。

特開２００２−２２３０１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光伝導アンテナでは、光伝導膜とレンズ基材との間に界面が生じるため、光の損失が発生し、テラヘルツ波の利用効率が低下する場合がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる光伝導アンテナを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の光伝導アンテナを含むテラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置を提供することにある。

本発明に係る光伝導アンテナは、
光伝導層と、
前記光伝導層の第１面の上方に位置し、前記光伝導層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
を含み、
前記光伝導層の前記第１面と反対側の第２面は、凸面である。

このような光伝導アンテナでは、光伝導層の第２面は、レンズとして機能することができ、テラヘルツ波を集光させることができる。そのため、このような光伝導アンテナでは、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材との間に界面が存在せず、界面において光の損失が発生しない。したがって、このような光伝導アンテナでは、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記凸面は、球面の一部であってもよい。

このような光伝導アンテナでは、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記凸面は、半球面であってもよい。

このような光伝導アンテナでは、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第１電極および前記第２電極の間に、前記第１面の面内方向に沿って所定の間隔を有するギャップ部が設けられ、
前記凸面の中心は、前記第１面上、かつ、前記ギャップ部において前記第１電極および前記第２電極に対して等距離となる位置に設けられていてもよい。

このような光伝導アンテナでは、半球面である第２面の中心を含む領域に光パルスを照射することにより、第２面においてテラヘルツ波を平行光にすることができる。

本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第１面と、前記第１電極および前記第２電極と、の間に、絶縁層が設けられていてもよい。

このような光伝導アンテナでは、耐圧を向上させることができる。

本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
を含む。

このようなテラヘルツ波発生装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

本発明に係るカメラは、
光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む。

このようなカメラでは、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。

本発明に係るイメージング装置は、
光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む。

このようなイメージング装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。

本発明に係る計測装置は、
光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む。

このような計測装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。

本発明に係る計測装置において、
前記テラヘルツ波検出部は、本発明に係る光伝導アンテナを含んで構成されていてもよい。

このような計測装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。

本実施形態に係る光伝導アンテナを模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る光伝導アンテナを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光伝導アンテナを模式的に示す平面図。 本実施形態の変形例に係る光伝導アンテナを模式的に示す断面図。 本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を模式的に示す図。 本実施形態に係るイメージング装置を示すブロック図。 本実施形態に係るイメージング装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。 テラヘルツ波検出装置を模式的に示す平面図。 テラヘルツ波検出装置のテラヘルツ波検出素子を模式的に示す断面図。 テラヘルツ波検出装置のテラヘルツ波検出素子を模式的に示す平面図。 対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。 対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図。 本実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 本実施形態の変形例に係る計測装置を模式的に示す図。 本実施形態の変形例に係る計測装置のテラヘルツ波検出部の構成を模式的に示す図。 本実施形態に係るカメラを示すブロック図。 本実施形態に係るカメラを模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 光伝導アンテナ
まず、本実施形態に係る光伝導アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００を模式的に示す断面図である。図３は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００を模式的に示す平面図である。なお、図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

光伝導アンテナ１００は、図１〜図３に示すように、光伝導層１０と、第１電極２０と、第２電極３０と、を含む。以下では、一例として、テラヘルツ波発生装置を構成する光伝導アンテナ１００について説明する。光伝導アンテナ１００は、光パルスＰが照射されてテラヘルツ波Ｔを発生する。

なお、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルスのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は、特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。また、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。

光伝導層１０は、光パルスＰが照射されてテラヘルツ波Ｔを発生する。光伝導層１０の材質は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓである。光伝導層１０は、第１面１２と、第２面１４と、を有している。

光伝導層１０の第１面１２は、平坦な面である。図３に示す例では、第１面１２の形状は、平面視において（光伝導層１０と電極２０，３０との積層方向からみて）、円形である。第１面１２の直径は、例えば、１ｃｍ以上５ｃｍ以下である。図示の例では、第１面１２は、電極２０，３０と接している。

光伝導層１０の第２面１４は、第１面１２と反対側の面である。第２面１４は、第１面１２に接続されている。第２面１４は、凸面である。具体的には、第２面１４は、球面の一部であり、図示の例では半球面である。ここで、「半球面」とは、球面を有する球体を、その中心を通る平面によって２つの部分に分けたときに、一方の部分を構成する球面の一部である。第２面１４の中心Ｃは、第１面１２上に設けられている。ここで、「第２面１４の中心Ｃ」とは、第２面１４までの距離が等しい点であり、図示の例では、第２面１４の中心Ｃの位置は、第１面１２の中心の位置と同じである。第２面１４の中心Ｃは、第２面１４の焦点となることができる。第２面１４は、レンズとして機能することができ、テラヘルツ波Ｔを集光させることができる。図２に示す例では、第２面１４は、テラヘルツ波Ｔを平行光として射出している。

第１電極２０および第２電極３０は、第１面１２の上方に（図示の例では第１面１２上に）位置している。電極２０，３０は、光伝導層１０に電圧を印加する電極である。電極２０，３０は、光伝導層１０とオーミックコンタクトしていてもよい。

第１電極２０は、図３に示すように、第１電圧印加部２２と、第１パッド部２４と、第１ライン部２６と、を有している。第２電極３０は、第２電圧印加部３２と、第２パッド部３４と、第２ライン部３６と、を有している。

第１電圧印加部２２および第２電圧印加部３２は、光伝導層１０に電圧を印加する部分である。電圧印加部２２，３２の間に、第１面１２の面内方向に沿って所定の間隔Ｄを有するギャップ部２が設けられている。間隔Ｄの大きさは、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下であり、具体的には、５μｍ程度である。第２面１４の中心Ｃは、平面視において、ギャップ部２において（ギャップ部２に設けられ）電極２０，３０に対して等距離となる位置に設けられている。電圧印加部２２，３２の形状は、平面視において、矩形である。すなわち、光伝導アンテナ１００は、ダイポール型のＰＣＡである。

第１パッド部２４および第２パッド部３４は、外部配線（図示せず）と接続される部分である。図示の例では、パッド部２４，３４の平面形状は、矩形である。パッド部２４，３４の各々は、例えば、２つ設けられている。

第１ライン部２６は、第１電圧印加部２２と第１パッド部２４とを接続している。第２ライン部３６は、第２電圧印加部３２と第２パッド部３４とを接続している。ライン部２６，３６は、平面視において、帯状の形状を有している。第１電圧印加部２２は、第１ライン部２６から、第１ライン部２６の長手方向と直交する方向であって、第２電極３０側に突出している。第２電圧印加部３２は、第２ライン部３６から、第２ライン部３６の長手方向と直交する方向であって、第１電極２０側に突出している。

次に、光伝導アンテナ１００の動作について説明する。電極２０，３０により光伝導層１０に電圧を印加した状態で、電極２０，３０間に（電圧印加部２２，３２間に）光パルスＰを照射する。光パルスＰは、例えば、第２面１４の中心Ｃを含む領域に照射される。

光パルスＰの照射によって、光伝導層１０中にキャリア（例えば電子）が瞬時に生成する。生成したキャリアは、電極２０，３０により印加された電圧によって加速されて光伝導層中を移動し（走行し）、光伝導層１０中に瞬間的に電流（光電流）が流れる。そして、光電流の時間変化に比例した強度を有するテラヘルツ波Ｔが発生する。光電流の時間変化は、光伝導層１０のキャリア移動度に比例する。したがって、光伝導アンテナ１００には、光伝導層１０のキャリア移動度に比例した強度を有するテラヘルツ波Ｔが発生する。

発生したテラヘルツ波Ｔは、光伝導層１０内を進行し、第２面１４において集光されて、外部に射出される。図２に示す例では、テラヘルツ波Ｔは、第２面１４において平行光となって射出されている。

光伝導アンテナ１００は、例えば、以下の特徴を有する。

光伝導アンテナ１００では、光伝導層１０の第２面１４は、凸面である。第２面１４は、レンズとして機能することができ、テラヘルツ波Ｔを集光させることができる。そのため、光伝導アンテナ１００では、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材との間に界面が存在せず、界面において光の損失が発生しない。したがって、光伝導アンテナ１００では、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。その結果、光伝導アンテナ１００では、例えば、テラヘルツ波の高出力化を図ることできる。

例えば、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材とを別々の部材で形成する場合は、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材との間に空気層が形成されやすい。この場合、発生したテラヘルツ波は、テラヘルツ波が発生する層と空気層との境界、および空気層とレンズ基材との境界を通過するので、２つの境界において屈折率の違いからテラヘルツ波の損失が生じる。

さらに、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材とを別々の部材で形成する場合は、例えば、テラヘルツ波が発生する層を薄く形成するため、機械的強度が低下することがあるが、光伝導アンテナ１００では、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材とが一体に形成されているため、機械的強度を大きくすることができ、信頼性を向上させることができる。

光伝導アンテナ１００では、第２面１４は、半球面であり、第２面１４の中心Ｃは、第１面１２上、かつ、ギャップ部２において電極２０，３０に対して等距離となる位置に設けられている。そのため、光伝導アンテナ１００では、第２面１４の中心Ｃを含む領域に光パルスＰを照射することにより、第２面１４においてテラヘルツ波Ｔを平行光にすることができる。

なお、上記では、第２面１４が球面の一部である例について説明したが、テラヘルツ波Ｔを集光させることができれば、第２面１４は、非球面であってよい。

また、上記では、ダイポール型の光伝導アンテナ１００について説明したが、本発明に係る光伝導アンテナは、いわゆるボウタイ型であってもよい。

２． 光伝導アンテナの製造方法
次に、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

まず、図２に示すように、第１面１２および第２面１４を有する光伝導層１０を形成する。光伝導層１０は、例えば、半絶縁性基板を研削して形成する。次に、光伝導層１０の第１面１２に電極２０，３０を形成する。電極２０，３０は、例えば、インクジェット法やメタルマスク印刷法によって形成される。これにより、電極２０，３０を、例えば真空蒸着法およびリフトオフ法の組合せにより形成する場合に比べて、工程の簡略化を図ることができる。

以上の工程により、光伝導アンテナ１００を製造することができる。

光伝導アンテナ１００の製造方法では、テラヘルツ波が発生する層とレンズ基材との位置合わせを行う工程を含んでいないので、工程を簡素化することができ、歩留まりを向上させることができる。

３． 光伝導アンテナの変形例
次に、本実施形態の変形例に係る光伝導アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図４は、本実施形態の変形例に係る光伝導アンテナ２００を模式的に示す断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る光伝導アンテナ２００において、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した光伝導アンテナ１００では、図２に示すように、電極２０，３０は、光伝導層１０の第１面１２に接していた。これに対し、光伝導アンテナ２００では、図４に示すように、電極２０，３０は、第１面１２と離間しており、第１面１２と電極２０，３０との間には、絶縁層４０が設けられている。図示の例では、絶縁層４０は、第１面１２および電極２０，３０に接している。

絶縁層４０は、例えば、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、またはこれらの積層体である。絶縁層４０は、光パルスＰの少なくとも一部を透過させることができる。電極２０，３０は、絶縁層４０を介して、光伝導層１０に電圧を印加することができる。平面視において、絶縁層４０の形状は、第１面１２の形状と同じであってもよい。絶縁層４０は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法によって形成される。

光伝導アンテナ２００では、第１面１２と電極２０，３０との間に、絶縁層４０が設けられている。そのため、光伝導アンテナ２００では、例えば光伝導アンテナ１００に比べて、耐圧を向上させ、リーク電流を低減させることができる。その結果、光伝導アンテナ２００では、消費電力を低減させることができる。さらに、信頼性を向上させることができる。

４． テラヘルツ波発生装置
次に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置について、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００の構成を模式的に示す図である。

テラヘルツ波発生装置１０００は、図５に示すように、光パルス発生装置１０１０と、本発明に係る光伝導アンテナと、を含む。以下では、本発明に係る光伝導アンテナとして、光伝導アンテナ１００を用いた例について説明する。

光パルス発生装置１０１０は、励起光である光パルス（例えば図１および図２に示す光パルスＰ）を発生する。光パルス発生装置１０１０は、発生した光パルスを光伝導アンテナ１００に照射する。光パルス発生装置１０１０が発生させる光パルスの幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。光パルス発生装置１０１０としては、例えば、フェムト秒ファイバーレーザー、チタンサファイヤレーザー、半導体レーザー等を用いる。

光伝導アンテナ１００は、上記のとおり、光パルスが照射されて、テラヘルツ波を発生することができる。

テラヘルツ波発生装置１０００では、光伝導アンテナ１００を含むため、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

５． イメージング装置
次に、本実施形態に係るイメージング装置について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るイメージング装置１１００を示すブロック図である。図７は、本実施形態に係るイメージング装置１１００のテラヘルツ波検出部１１２０を模式的に示す平面図である。

イメージング装置１１００は、図６に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射され、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏの画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部１１３０と、を含む。

テラヘルツ波発生部１１１０としては、本発明に係るテラヘルツ波発生装置を用いることができる。ここでは、本発明に係るテラヘルツ波発生装置として、テラヘルツ波発生装置１０００を用いた場合について説明する。

テラヘルツ波検出部１１２０は、図７に示すように、複数の画素１１２２を含む。図示の例では、画素１１２２の形状は、正方形である。画素１１２２は、マトリックス状に配置されている。画素１１２２の数は、特に限定されない。画素１１２２は、複数のテラヘルツ波検出装置９００（テラヘルツ波検出装置９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄ）により構成されている。

図８は、テラヘルツ波検出部１１２０の画素１１２２を構成するテラヘルツ波検出装置９００を模式的に示す平面図である。図９は、テラヘルツ波検出装置９００のテラヘルツ波検出素子９０２を模式的に示す断面図である。図１０は、テラヘルツ波検出装置９００のテラヘルツ波検出素子９０２を模式的に示す平面図である。なお、図９は、図１０のＩＸ−ＩＸ線断面図である。また、便宜上、図８では、テラヘルツ波検出素子９０２を簡略化して図示している。

テラヘルツ波検出装置９００は、図８〜図１０に示すように、基板９１０と、テラヘルツ波検出素子９０２と、を含む。テラヘルツ波検出素子９０２は、変換部９３０と、吸収部９６０と、を含む。さらに、テラヘルツ波検出素子９０２は、柱部９１６，９１８と、メンブレン９２０と、配線層９４０，９４２と、コンタクト部９４４，９４６と、絶縁層９５０と、を含むことができる。

基板９１０は、支持基板９０３と、層間絶縁層９０４と、第１保護層９０６と、を有している。

テラヘルツ波検出素子９０２は、基板９１０上に設けられている。テラヘルツ波検出素子９０２は、複数設けられることができるが、その数は特に限定されない。テラヘルツ波検出素子９０２は、例えば、マトリックス状に配列される。

柱部９１６，９１８は、メンブレン９２０を支持している。なお、基板９１０上であって、複数のテラヘルツ波検出素子９０２の周囲には、枠部９１９が設けられていてもよい。

メンブレン９２０は、柱部９１６，９１８によって、基板９１０の上方に支持されている。図示の例では、メンブレン９２０の下には、第２保護層９０８が設けられている。メンブレン９２０は、支持部９２２と、腕部９２４ａ，９２４ｂと、固定部９２６ａ，９２６ｂと、を有している。支持部９２２は、変換部９３０および吸収部９６０を支持することができる。第１腕部９２４ａは、支持部９２２と第１固定部９２６ａとを連結している。第２腕部９２４ｂは、支持部９２２と第２固定部９２６ｂとを連結している。腕部９２４ａ，９２４ｂおよび支持部９２２は、基板９１０と離間して設けられている。固定部９２６ａ，９２６ｂは、柱部９１６，９１８上に設けられている。

変換部９３０は、吸収部９６０にて発生した熱を電気信号に変換することができる。変換部９３０は、金属層９３２と、焦電体層９３４と、金属層９３６と、を有している。焦電体層９３４の材質は、焦電効果を発揮することができる誘電体（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））である。

変換部９３０では、焦電体層９３４の焦電効果に応じて、金属層９３２，９３６に電流が流れる。すなわち、焦電体層９３４の温度変化に応じて、焦電体層９３４の電気分極量の変化分が、焦電流として金属層９３２，９３６に流れる。つまり、変換部９３０は、焦電センサーである。このように、変換部９３０は、温度変化を、電気信号に変換することができる。

第１配線層９４０は、金属層９３２および第１コンタクト部９４４に接続されている。第１コンタクト部９４４は、第１コンタクトホール９１２に設けられている。第２配線層９４２は、金属層９３６および第２コンタクト部９４６に接続されている。第２コンタクト部９４６は、第２コンタクトホール９１４に設けられている。

コンタクト部９４４，９４６は、例えば支持基板９０３上に設けられた図示しない回路部と電気的に接続されている。そのため、焦電体層９３４の焦電効果に応じて金属層９３２，９３６に流れる電流（電気信号）は、回路部に至ることできる。回路部では、該電気信号からテラヘルツ波を検出することができる。絶縁層９５０によって、金属層９３２と第２配線層９４２とを電気的に分離することができる。

吸収部９６０は、変換部９３０上に設けられている。吸収部９６０は、金属層９３６と、誘電体層９６２と、金属構造体９６４と、を有している。金属構造体９６４および金属層９３６は、誘電体層９６２を挟んでいる。金属構造体９６４は、メタマテリアルである。ここで、「メタマテリアル」とは、電磁波（テラヘルツ波）の波長に比べて十分に小さい単位構造（具体的には金属構造体９６４）が周期的に配列されていて、電磁波に対して均質な媒質として振舞うように構成された人工物質のことである。メタマテリアルは、単位構造の構造・配置によって、自由にその物性値（誘電率・透磁率）を調整することができる。

吸収部９６０では、テラヘルツ波を吸収して熱を発生させることができる。具体的には、吸収部９６０にテラヘルツ波が照射されると、例えば電界の振動方向が所定の方向（図１５に示すＸ方向）であるテラヘルツ波の偏波は、金属構造体９６４と金属層９３６との間の誘電体層９６２に侵入し、金属構造体９６４と金属層９３６との間で多重反射する。これにより、誘電体層９６２に誘電損失が生じ、熱が発生する。吸収部９６０において発生した熱は、変換部９３０に伝わり、変換部９３０にて電気信号に変換される。このようにして、テラヘルツ波検出装置９００では、テラヘルツ波を電気信号として検出することができる。

図７に示すテラヘルツ波検出装置９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄは、互いに異なる波長のテラヘルツ波を選択的に検出することができる。具体的には、テラヘルツ波検出装置９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄにおいて、図９および図１０に示す金属構造体９６４の形状および大きさの少なくとも一方は、異なっており、これにより、テラヘルツ波検出装置９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄは、互いに異なる波長のテラヘルツ波を吸収することができる。すなわち、各画素１１２２において、４つの波長のテラヘルツ波を検出することができる。

なお、ここでは、テラヘルツ波検出部１１２０の画素１１２２を構成するテラヘルツ波検出装置として、テラヘルツ波検出装置９００を用いた例について説明したが、テラヘルツ波検出装置の構成は、これに限定されない。例えば、テラヘルツ波検出装置として、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルターと、当該フィルターを通過した目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部と、を備えたものを用いてもよい。

次に、イメージング装置１１００の使用例について説明する。図１１は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図１２は、対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図である。

まず、分光イメージングの対象となる対象物Ｏが、３つの物質Ａ、Ｂ、およびＣで構成されているとする。イメージング装置１１００は、この対象物Ｏの分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部１１２０は、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出することとする。

また、テラヘルツ波検出部１１２０の各画素１１２２においては、テラヘルツ波検出装置９００ａおよびテラヘルツ波検出装置９００ｂを使用する。テラヘルツ波検出装置９００ａにおいて検出される波長（吸収される波長）をλ１、テラヘルツ波検出装置９００ｂにおいて検出される波長（吸収される波長）をλ２とし、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２とする。このとき、その強度α２と強度α１の差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、テラヘルツ波検出装置９００ａにおいて検出される波長λ１、およびテラヘルツ波検出装置９００ｂで検出される波長λ２が設定されている。

図１１に示すように、物質Ａにおいては、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１との差分（α２−α１）は、正値となる。また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、零となる。また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、負値となる。

イメージング装置１１００により、対象物Ｏの分光イメージングを行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部１１３０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。

画像形成部１１３０においては、前記検出結果に基づいて、テラヘルツ波検出装置９００ｂにおいて検出されたテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、テラヘルツ波検出装置９００ａにおいて検出されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１と、の差分（α２−α１）を求める。そして、対象物Ｏのうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。

また、画像形成部１１３０では、図１２に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部１１３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置１１００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各部質の分布測定とを同時に行うことができる。

なお、イメージング装置１１００の用途は、上記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部１１３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。

イメージング装置１１００では、テラヘルツ波の利用効率を高めることができ、テラヘルツ波の高出力化を図ることできる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、イメージング装置１１００は、高い検出感度を有することができる。

６． 計測装置
次に、本実施形態に係る計測装置について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係る計測装置１２００を示すブロック図である。以下、本実施形態に係る計測装置１２００において、本実施形態に係るイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

計測装置１２００は、図１３に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射され、対象物Ｏを透過するテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏを計測する計測部１２１０と、を含む。

次に、計測装置１２００の使用例について説明する。計測装置１２００により、対象物Ｏの分光計測を行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で検出する。この検出結果は、計測部１２１０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。

計測部１２１０においては、前記検出結果から、各画素１１２２を構成するテラヘルツ波検出装置９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄにおいて検出されたテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物Ｏの成分およびその分布の分析等を行う。

計測装置１２００では、テラヘルツ波の利用効率を高めることができ、テラヘルツ波の高出力化を図ることできる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、計測装置１２００は、高い検出感度を有することができる。

７． 計測装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る計測装置について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態の変形例に係る計測装置１２５０を模式的に示す断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る計測装置１２５０において、本実施形態に係る計測装置１２００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

上述した計測装置１２００では、図７〜図１０および図１３に示すように、テラヘルツ波検出部１１２０は、メタマテリアルである金属構造体９６４を有するテラヘルツ波検出装置９００を含んでいた。これに対し、計測装置１２５０では、図１４に示すように、本発明に係る光伝導アンテナを有しているテラヘルツ波検出部１１２１を含む。以下では、本発明に係る光伝導アンテナとして、光伝導アンテナ１００を用いた例について説明する。

計測装置１２５０は、図１４に示すように、光伝導アンテナ１００および光パルス発生装置１０１０を有しているテラヘルツ波発生装置１０００（テラヘルツ波発生部）と、光伝導アンテナ１００を有しているテラヘルツ波検出部１１２１と、ビームスプリッター１２６０と、光路長変更部１２７０と、ミラー１２８０，１２８１，１２８２，１２８３，１２８４，１２８５，１２８６，１２８７，１２８８と、を含む。計測装置１２５０では、テラヘルツ時間領域分光法（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて、テラヘルツ波の発生および検出を行う。

ビームスプリッター１２６０は、光パルス発生装置１０１０で発生した光パルスを、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに分割する。図１４に示す例では、ビームスプリッター１２６０は、光パルス発生装置１０１０から射出された光パルスの一部を反射させてポンプ光Ｌ１とし、光パルス発生装置１０１０から射出された光パルスの一部を透過させてプローブ光Ｌ２とする。

ミラー１２８０は、ビームスプリッター１２６０で反射されたポンプ光Ｌ１を、テラヘルツ波発生装置１０００の光伝導アンテナ１００に導く。

テラヘルツ波発生装置１０００の光伝導アンテナ１００（光伝導アンテナ１００ａ）は、ポンプ光Ｌ１が照射されることによりテラヘルツ波を発生する。ポンプ光Ｌ１が第２面１４の中心Ｃを含む領域を照射することにより、光伝導アンテナ１００ａは、テラヘルツ波を平行光として射出することができる。

ミラー１２８１，１２８２は、光伝導アンテナ１００ａから射出されたテラヘルツ波を、対象物Ｏに導く。ミラー１２８２は、ミラー１２８１で反射した平行光であるテラヘルツ波を、集光させて対象物Ｏに導くことができる。ミラー１２８２は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。

ミラー１２８５は、ビームスプリッター１２６０を透過したプローブ光Ｌ２を、光路長変更部１２７０に導く。

光路長変更部１２７０は、プローブ光Ｌ２の光路長を変化させて、プローブ光Ｌ２がテラヘルツ波検出部１１２１の光伝導アンテナ１００に入射するタイミングを制御する。光路長変更部１２７０は、可動ミラー１２７２，１２７４と、ミラー駆動部１２７６と、を有している。光路長変更部１２７０は、ミラー駆動部１２７６によって、可動ミラー１２７２，１２７４を移動させることにより、プローブ光Ｌ２の光路長を変化させることができる。これにより、プローブ光Ｌ２に光学的な時間遅延を生じさせ、プローブ光Ｌ２が光伝導アンテナ１００ｂを照射するタイミングを制御することができる。

ミラー１２８６，１２８７，１２８８は、可動ミラー１２７４で反射したプローブ光Ｌ２を、テラヘルツ波検出部１１２１に導く。

テラヘルツ波検出部１１２１の光伝導アンテナ１００（光伝導アンテナ１００ｂ）は、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出する。光伝導アンテナ１００ｂは、プローブ光Ｌ２が照射されたときに、テラヘルツ波を検出する。すなわち、光伝導アンテナ１００ｂは、プローブ光Ｌ２によって、テラヘルツ波を検出するタイミングが制御される。図１５は、テラヘルツ波検出部１１２１の構成を模式的に示す図である。光伝導アンテナ１００ｂでは、電極２０，３０間に、テラヘルツ波が照射され、同時に、プローブ光Ｌ２が照射されると、テラヘルツ波の強度（振動電場）に応じた電流が流れる。

ここで、計測装置１２５０の動作原理について説明する。計測装置１２５０では、図１４に示すように、光パルス発生装置１０１０が光パルスを射出すると、ビームスプリッター１２６０によって、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに分割される。ポンプ光Ｌ１は、光伝導アンテナ１００ａを照射し、光伝導アンテナ１００ａからテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、ミラー１２８１，１２８２を介して、対象物Ｏを照射し、対象物Ｏを透過する。対象物Ｏを透過したテラヘルツ波は、ミラー１２８３において平行光となり、１２８４を介して、光伝導アンテナ１００ｂを照射する。図示の例では、テラヘルツ波は、光伝導アンテナ１００ｂの第２面１４の中心Ｃを照射している。ミラー１２８３は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。

一方、プローブ光Ｌ２は、ミラー１２８５を介して、光路長変更部１２７０に入射する。光路長変更部１２７０からのプローブ光Ｌ２は、ミラー１２８６，１２８７，１２８８を介して、光伝導アンテナ１００ｂを照射する。

ここで、光路長変更部１２７０は、ミラー駆動部１２７６によって可動ミラー１２７２，１２７４を連続的に移動させることで、プローブ光Ｌ２の光路長を変化させ、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路差を連続的に変化させる。これにより、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との間に光学的な時間遅延が生じる。光伝導アンテナ１００ｂが、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路差に応じた遅延時間でテラヘルツ波を検出することにより、テラヘルツ波の異なる位置（位相）において、テラヘルツ波の強度（振動電場）に応じた信号（電流）を取得することができる。この信号をプロットすることで、テラヘルツ波の時間経過が記録され、横軸がプローブ光Ｌ２の遅延時間、縦軸が信号強度（電流値）で示されるテラヘルツ波の時間波形を得ることができる。該テラヘルツ波の時間波形に基づいて、例えば、図示せぬ計測部は、対象物Ｏの成分の分析等を行う。

計測装置１２５０では、テラヘルツ波を平行光として射出することができる光伝導アンテナ１００ａを含んで構成されている。そのため、ミラー１２８１の設計を容易にすることができる。さらに、計測装置１２５０では、平行光であるテラヘルツ波を光伝導アンテナ１００ｂの第２面１４に照射することにより、テラヘルツ波を第２面１４の中心Ｃに集中させることができる。そのため、テラヘルツ波の利用効率を高めることができる。

なお、対象物Ｏを支持するステージ（図示せず）を移動させることで、対象物Ｏにおけるテラヘルツ波の照射領域を変更し、当該領域ごとにテラヘルツ波の時間波形を取得することにより、対象物Ｏのイメージングを行うことができる。

８． カメラ
次に、本実施形態に係るカメラについて、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施形態に係るカメラ１３００を示すブロック図である。図１７は、本実施形態に係るカメラ１３００を模式的に示す斜視図である。以下、本実施形態に係るカメラ１３００において、本実施形態に係るイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

カメラ１３００は、図１６および図１７に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から出射され、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波または対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果を記憶する記憶部１３０１と、を含む。そして、これらの各部１１１０，１１２０，１３０１は、カメラ１３００の筐体１３１０に収められている。また、カメラ１３００は、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像）させるレンズ（光学系）１３２０と、テラヘルツ波発生部１１１０で発生したテラヘルツ波を筐体１３１０の外部へ出射させるための窓部１３３０と、を備える。レンズ１３２０や窓部１３３０は、テラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部１３３０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としてもよい。

次に、カメラ１３００の使用例について説明する。カメラ１３００により、対象物Ｏを撮像する際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をレンズ１３２０によってテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部１３０１に送出され、記憶される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。

カメラ１３００では、テラヘルツ波の利用効率を高めることができ、テラヘルツ波の高出力化を図ることできる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、カメラ１３００は、高い検出感度を有することができる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…ギャップ部、１０…光伝導層、１２…第１面、１４…第２面、２０…第１電極、２２…第１電圧印加部、２４…第１パッド部、２６…第１ライン部、３０…第２電極、３２…第２電圧印加部、３４…第２パッド部、３６…第２ライン部、４０…絶縁層、１００，１００ａ，１００ｂ，２００…光伝導アンテナ、９００，９００ａ，９００ｂ，９００ｃ，９００ｄ…テラヘルツ波検出装置、９０２…テラヘルツ波検出素子、９０３…支持基板、９０４…層間絶縁層、９０６…第１保護層、９０８…第２保護層、９１０…基板、９１２…第１コンタクトホール、９１４…第２コンタクトホール、９１６，９１８…柱部、９１９…枠部、９２０…メンブレン、９２２…支持部、９２４ａ…第１腕部、９２４ｂ…第２腕部、９２６ａ…第１固定部、９２６ｂ…第２固定部、９３０…変換部、９３２…金属層、９３４…焦電体層、９３６…金属層、９４０…第１配線層、９４２…第２配線層、９４４…第１コンタクト部、９４６…第２コンタクト部、９５０…絶縁層、９６０…吸収部、９６２…誘電体層、９６４…金属構造体、１０００…テラヘルツ波発生装置、１０１０…光パルス発生装置、１１００…イメージング装置、１１１０…テラヘルツ波発生部、１１２０，１１２１…テラヘルツ波検出部、１１２２…画素、１１３０…画像形成部、１２００…計測装置、１２１０…計測部、１２５０…計測装置、１２６０…ビームスプリッター、１２７０…光路長変更部、１２７２，１２７４…可動ミラー、１２７６…ミラー駆動部、１２８０，１２８１，１２８２，１２８３，１２８４，１２８５，１２８６，１２８７，１２８８…ミラー、１３００…カメラ、１３０１…記憶部、１３１０…筐体、１３２０…レンズ、１３３０…窓部

Claims (10)

1. 光伝導層と、
   前記光伝導層の第１面の上方に位置し、前記光伝導層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
   を含み、
   前記光伝導層の前記第１面と反対側の第２面は、凸面である、ことを特徴とする光伝導アンテナ。
2. 前記凸面は、球面の一部である、ことを特徴とする請求項１に記載の光伝導アンテナ。
3. 前記凸面は、半球面である、ことを特徴とする請求項２に記載の光伝導アンテナ。
4. 前記第１電極および前記第２電極の間に、前記第１面の面内方向に沿って所定の間隔を有するギャップ部が設けられ、
   前記凸面の中心は、前記第１面上、かつ、前記ギャップ部において前記第１電極および前記第２電極に対して等距離となる位置に設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の光伝導アンテナ。
5. 前記第１面と、前記第１電極および前記第２電極と、の間に、絶縁層が設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
6. 光パルスを発生する光パルス発生装置と、
   前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
   を含む、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
7. 光パルスを発生する光パルス発生装置と、
   前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
   前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
   を含む、ことを特徴とするカメラ。
8. 光パルスを発生する光パルス発生装置と、
   前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
   前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
   を含む、ことを特徴とするイメージング装置。
9. 光パルスを発生する光パルス発生装置と、
   前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
   前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
   を含む、ことを特徴とする計測装置。
10. 前記テラヘルツ波検出部は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナを含んで構成される、ことを特徴とする請求項９に記載の計測装置。

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