JP2017067631A

JP2017067631A - 検出装置及び検出方法

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Publication number: JP2017067631A
Application number: JP2015194020A
Authority: JP
Inventors: 光彬湯川; Mitsuyoshi Yukawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】従来よりも精度の高い検出を行うことができる検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】被検物１０６中の異物を検査する検査装置１００であって、テラヘルツ波を発生する発生部１０１と、複数の異なる散乱角における被検物からのテラヘルツ波の散乱波を検出する検出部１０３と、検出部の検出結果に基づいて被検物中に異物が含まれているか否かを判定する判定部１０４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置及び検出方法に関する。

粉末状の試料を被検物として、被検物中に含まれる異物を検出することは、例えば食品製造業界等において、最終的な製品の品質を向上するうえで重要である。粉末状の試料から異物を検出する方法として、可視光やＸ線などの電磁波を試料に照射する検出手法がある。

電磁波を用いた検出方法では、被検物の高い透過性と異物の吸収、散乱による非透過性を組み合わせて利用することで異物の有無を判別する。例えば特許文献１には、異物として混入するプラスチックが、被検物である食品、例えばレーズン、とは異なる透過率スペクトルを示すことを利用し、レーズンに照射された光の透過光強度から異物混入の有無を判別することが記載されている。異なる波長を持つ複数の光を用いることで検出精度を上げることも可能である。

また、特許文献２では、リチウムイオン二次電池内の電極合剤層を含む活物質にテラヘルツ波を照射し、活物質で散乱した散乱波を集光して測定した強度から、電極合剤層に混入した金属異物を検出する。

特開２００５−２３３７２４公報特許第５６１５９４１号公報

しかしながら、先行文献１の検出装置では、近赤外外を用いているため、被検物が粉末状の試料の場合は被検物による光散乱が強く、電磁波がほとんど透過しない。よって試料の内部まで光が届かず試料中の異物を検出することができないことがある。また、先行文献２の検出装置では、散乱波のうち、例えば散乱角が約８３度以上１２３度以下の狭い領域の散乱波を集光してその強度を検出している。散乱波の一部を利用しているため、異物の形状によっては検出器に到達する散乱波が弱く、その結果、異物を検出できないことがある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、従来よりも精度の高い検出を行うことができる検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての検出装置は、被検物中の異物を検査する検査装置であって、テラヘルツ波を発生する発生部と、複数の異なる散乱角における前記被検物からのテラヘルツ波の散乱波を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記被検物中に異物が含まれているか否かを判定する判定部と、を有することを特徴とする。

本発明の検出装置によれば、従来よりも精度の高い検出を行うことができる。

第１の実施形態の検出装置の構成を説明する模式図。第１の実施形態の検出装置の構成の一例を説明する模式図。テラヘルツ波の強度変調を説明する模式図。第１の実施形態の検出方法のフローチャート。第１の実施形態における、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションに用いたモデルを説明する模式図。第１の実施形態のＦＤＴＤ法による粒子からの散乱波の強度分布の計算結果を示す図。第１の実施形態のＦＤＴＤ法による粒子の位置を変化させた場合の粒子からの散乱波の強度分布の計算結果を示す図。第１の実施形態のＦＤＴＤ法による、屈折率又は形状を変化させた場合の粒子からの散乱波の強度分布の計算結果を示す図。第１の実施形態における、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションに用いたモデルを説明する模式図。第２の実施形態におけるＦＤＴＤ法による散乱体からの散乱波の強度分布の計算結果。第２の実施形態の検出装置の構成を説明する模式図。第３の実施形態の検出装置の構成を説明する模式図。第３の実施形態の検出方法のフローチャート。

粉体状の試料を被検物として、その被検物の内部の情報を得るためには、粉体による散乱の影響が小さい電磁波を利用する必要がある。そのため、先行技術２のように、波長が長いテラヘルツ波を用いて検出を行う方法は、粉体状の試料の検査に有効である。なお、本明細書における「テラヘルツ波」は、周波数が３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波である。以下、本発明の実施形態の一例を説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の検出装置１００（以下、「装置１００」と呼ぶ）について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、装置１００の構成を示す図である。装置１００は、発生部１０１、検出器アレイ（検出部）１０３（以下、「アレイ１０３」と呼ぶ）、処理部１０４を有する。被検物１０６は、粉末状の試料であり、搬送部（伝送路）１０２によって搬送される。

発生部１０１は、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波１０５を発生する。発生部１０１としては、共鳴トンネルダイオード（ＲｅｓｏｎａｎｔＴｕｎｎｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ：ＲＴＤ）を用いる。また、発生部１０１は、量子カスケードレーザ（ＱｕａｎｔｕｍＣａｓｃａｄｅＬａｓｅｒ：ＱＣＬ）、ガンダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、ナノ秒パルスレーザと非線形光学結晶とを有する発生装置、等も利用できる。

発生部１０１で発生したテラヘルツ波１０５は、テラヘルツ波１０５の周波数帯域で透過率の高いレンズ又は放物面鏡等の光学素子を利用することによって、ほぼ平行光となって被検物１０６に照射される。なお、テラヘルツ波１０５を平行光に変換する構成に限らず、被検物１０６上（被検物上）の集光位置に集光したビームや、ビーム形状が楕円形状としてもよい。光学素子は、必要に応じて追加してもよい。

被検物１０６は、伝送路１０２によって搬送される。被検物１０６を搬送方法としては、図１（ａ）に示したように、伝送路１０２として、テラヘルツ波１０５を透過するベルトコンベアを用い、ベルトコンベア上に被検物１０６を配置して搬送する方法がある。これに限らず、テラヘルツ波１０５を透過させる素材でできたパイプ中を被検物１０６が移動する方法等もある。その他にも、図２（ｂ）に示したように、伝送路２１２によって搬送した被検物１０６を伝送路２１２から自由落下させて別の伝送路２１３に移動する形態でもよい。その場合、自由落下中の被検物１０６にテラヘルツ波１０５を照射して検出のための測定を行う。なお、本実施形態では、テラヘルツ波１０５の照射位置が固定されている状態で粉体１０６を移動してテラヘルツ波１０５の照射位置と被検物１０６との相対位置を変更している。しかし、上述の構成に限らず、図２（ａ）に示したように被検物１０６の位置は動かさず発生部１０１が移動して照射位置と被検物１０６との相対位置を変更する構成でもよい。

本実施形態では異物からの散乱光を異物検出に用いるため、被検物１０６による散乱光が弱く、異物１０７からの散乱光の方が強いこと望ましい。よって、被検物１０６を構成する粒子の粒径は、典型的には、テラヘルツ波１０５の波長λの１／１０以下であることが好ましい。また、異物１０７からの散乱光を検出可能な強度で得るためには、異物１０７の粒径は、典型的には波長λ以上であることが好ましい。なお、本明細書における「粒径」は、その粒子を包含する最小の球の直径であると定義する。被検物１０６中に特性の異なる複数の粒子が含まれている場合には、複数の粒子のうち最も大きい粒子の粒径が上記の条件を満たすことが望ましい。

アレイ１０３は、被検物１０６に照射されたテラヘルツ波１０５が被検物１０６で散乱された後の散乱波のうち、被検物１０６及び伝送路１０２を透過した散乱波（前方散乱波）１０８を検出する検出部である。具体的には、アレイ１０３は、複数の検出素子が並んで配置されているアレイ状の検出部であり、被検物１０６からの前方散乱波１０８を、散乱角毎に検出する。なお、本明細書において、「散乱波」は、特に記載がなければ、被検物１０６で散乱されたテラヘルツ波と被検物１０６を透過したテラヘルツ波（透過波）とを含むと定義する。本実施形態では、前方散乱波１０８を検出するアレイ１０３のみを配置している。これに限らず、図１（ｂ）に示したように、被検物１０６からの散乱波のうち伝送路１０２の発生部１０１側に散乱した散乱波（後方散乱波）１１２を検出する別の検出器アレイ１１１を更に有する構成にしてもよい。また、アレイ１０３は、透過波を検出しない構成や、後方散乱波のみを検出する構成にしてもよい。

アレイ１０３は、複数の検出素子が一列に並んで配置されている１次元型アレイでもよいし、複数の検出素子が並んでいる列を複数列有している複数の検出素子が２次元的に配置されている２二次元アレイでもよい。２次元アレイ型の場合は、複数の検出素子を伝送路１０２の被検物１０６が配置されている面に平行な平面状に配置したものでもよいし、複数の検出素子を球面状又は円柱状に配置したものでもよい。特定の散乱角度領域の散乱波の強度のみで異物の有無の判別が可能な場合は、アレイ１０３は、判別に必要な散乱角度領域のみの散乱波を検出できるように複数の検出素子を配置した形態でもよい。検出素子としては、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、プラズモニック検出器、ボロメーター、焦電検出器などを利用できる。

装置１００は、アレイ１０３によるテラヘルツ波の検出におけるＳＮ比を向上させるために、テラヘルツ波に強度変調を加え、アレイ１０３の検出結果である出力信号をロックインアンプ１１０に送って復調信号を得ている。具体的には、電圧発生器１０９が、発生部１０１に電圧を印加することにより、その電圧値に応じた強度のテラヘルツ波１０５が得られる。印加電圧を正弦波や矩形波などの一定周波数を有する信号とすることで、同じ周波数で強度変調されたテラヘルツ波１０５を得ることができる。そして、アレイ１０３の検出信号をロックインアンプ１１０に入力し、電圧発生器１０９の出力信号で復調することで検出信号を得ることができる。得られた信号は、ロックインアンプ１１０から処理部１０４に送信され、異物の有無の判定に用いられる。なお、十分なＳＮ比がとれていたり、特に必要のない場合は、電圧発生器１０９及びロックインアンプ１１０を持たない構成にしてもよい。

テラヘルツ波に強度変調を加える方法としては、例えばテラヘルツ波の伝搬経路中に光学チョッパーを配置する方法がある。その他に、例えば発生部１０１にＲＴＤ等を用いた場合は、図３（ａ）に示したように特定の電圧を印加した時にテラヘルツ波を放射するため、適当な周波数の矩形波信号を印加電圧として用いることで出力されるテラヘルツ波に強度変調をかけることもできる。

変調した印加電圧と出力されるテラヘルツ波との時間変化を図３（ｂ）に示した。図３（ｂ）は、変調信号として、ＲＴＤからの放射テラヘルツ波が最大となる電圧をＶ_ｍａｘとしたときに最大値がＶ_ｍａｘとなる周波数ｆ_１の矩形波を用いた場合の、テラヘルツ波の強度の時間変化を示す図である。Ｖ_ｍａｘの電圧を印加した時出力されるテラヘルツ波の強度をＩ_ｍａｘとすると、出力されるテラヘルツ波の強度も同じ周波数ｆ_１の矩形波になり、最大値はＩ_ｍａｘ、最小値は０となる。

図３（ｃ）では平均電圧がＶ_ｍａｘとなる周波数ｆ_２の正弦波をＲＴＤの印加電圧に利用した場合のテラヘルツ波の強度について示した。印加電圧がＶ_ｍａｘから離れるに従ってテラヘルツ波の強度が弱くなるため、図３（ｃ）に示したようテラヘルツ波の強度の時間変化は正弦波を示す。また、正弦波の１周期の間に印加電圧がＶ_ｍａｘとなる回数は２回であるため、テラヘルツ波強度の時間変化の周期は１／（２×ｆ_２）であることが分かる。よって検出器アレイ１０３からの信号を周波数２×ｆ_２で復調することで、処理部１０４は、検出信号（検出結果）が得られる。正弦波の振幅が大きいほどテラヘルツ波が出力される時間が短くなり、また正弦波の振幅が小さすぎると出力されるテラヘルツ波の強度変化が得られないため、復調した信号強度が最大となる正弦波の振幅を選択するのがよい。

処理部１０４は、検出器アレイ１０３の検出結果を用いて散乱波の空間分布を取得し、異物の有無の判定、すなわち異物の検出を行う判定部である。また、処理部１０４は、異物の特性として、例えば異物の屈折率が予め分かっていればその粒径を取得することもできる。さらに、処理部１０４は、装置１００の各構成の動作を制御する。

処理部１０４は、ＣＰＵ、メモリ等の記憶デバイス、及び入出力部等を備えたコンピュータである。なお、処理部１０４としては、コンピュータに限らず、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）、特定アプリケーション向け集積回路（ＡＳＩＣ）などを用いてもよい。処理部１０４の各機能を分けて行う構成としてもよい。

続いて、装置１００を用いて被検物１０６中に含まれている異物を検出するための検出方法の手順について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は本実施形態の検出方法のフローチャートである。

まず、伝送路１０２が動作を開始する（Ｓ１０１）。次に発生部１０１が被検物である粉体１０６にテラヘルツ波の照射を開始する（Ｓ１０２）。発生部１０１がテラヘルツ波の照射を開始すると、伝導路１０２によって伝送されてきた粉体１０６にテラヘルツ波が照射される。粉体１０６に照射されたテラヘルツ波は、粉体１０６で散乱する。その散乱波及び透過波をアレイ１０３が検出する（Ｓ１０３）。その後、処理部１０４が、アレイ１０３の検出結果を用いて取得した散乱波の強度分布を用いて、被検物１０６内のテラヘルツ波１０５の照射領域に条件を満たさない被検物が含まれているか否かを判定する（Ｓ１０４）。ステップＳ１０４は、具体的には、被検物１０６内に異物が含まれているか否かを判定する。異物の有無の判定方法の詳細については後述する。

処理部１０４で異物ありと判定された場合は、処理部１０４は不図示の除去部を制御して、粉体１０６から異物の除去を行う（Ｓ１０５）。異物を除去する方法としては、異物のみを除去することは困難であるため、異物があると判定された領域に圧縮空気を吹き付けて試料１０６とともに飛ばして除去するなどの方法を用いる。異物除去後、処理部１０４は、粉体１０６の伝送を続けるか否かを判定し（Ｓ１０６）、搬送を続ける場合は散乱波の検出（Ｓ１０３）に戻る。粉体１０６の搬送が終了した場合は、処理部１０４は検査を終了する。

検出方法のステップＳ１０４において異物の有無の判定方法について説明する。図４（ｂ）は、判定方法の一例のフローチャートである。図４（ｂ）に示した方法では、まず、処理部１０４が、ステップＳ１０３におけるアレイ１０３の検出結果のうち、特定の散乱角における散乱波の強度を取得し（Ｓ１０４１）、取得した特定の散乱角における強度と閾値とを比較する（Ｓ１０４２）。ステップＳ１０４２で比較した結果から、条件を満たすか否かを判定する。例えば、強度が閾値より高い場合は異物ありと判定し、閾値以下の場合は異物なしと判定する。

判定方法について、図６を参照して説明する。図６は、解析によって、異物に見立てた粒子４０１からの散乱波の散乱角の違いによる強度分布をシミュレーションした計算結果である。解析手法としては、有限要素時間領域差分法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄ：ＦＤＴＤ法）と呼ばれる解析法がある。ＦＤＴＤ法は、セルに分割された空間を伝搬する電磁波分布について、マクスウェル方程式に従って電磁波の伝搬を逐次計算する解析法である。有限の空間中を伝搬した電磁波分布から無限遠方解、即ち光散乱角度分布を求めることができる。

ここで、シミュレーションには、図５に示したようなモデルを用いて行った。モデルの空間全体（以下、モデル空間）は、ｘ軸方向が２５ｍｍ、ｙ軸方向が２５ｍｍ、ｚ軸方向が１５ｍｍの長さを有する直方体である。図５に示したように、直方体の頂点の１つが原点と一致しており、モデル空間である直方体の重心の座標は（１２．５、１２．５、７．５）である。このとき、粒子４０１に対して矢印４０２方向に照射される入射波の波長や粒子４０１の粒径よりもセルを細かく設定する必要がある。計算における入射波の波長は１ｍｍ、偏波はｙ軸と平行であるとした。また、粒子４０１が数ｍｍ程度の粒径を有する球であると設定した。以上の条件から、セルは一辺５０μｍの立方体とした。つまり、モデル空間におけるセル数はｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれ５００、５００、３００とした。

入射波は、上述したように波長１ｍｍ（周波数は０．３ＴＨｚ）であると仮定した。また、入射波は、断面の強度分布がガウス型のビームであり、ビームウエスト位置における直径を１０ｍｍに設定した。入射波の直径は、強度が強度の最大値の１／ｅ^２となる領域の直径であると定義する。この場合、入射波のビームの広がり角度は１．８度であり、ほぼ平行光とみなすことができる。入射波は、矢印４０２方向、すなわちｚ方向に伝搬する。

図６（ａ）、図６（ｂ）には、異なる条件で計算した計算結果を、ｚ軸の正の方向から見た強度分布として、（２）〜（４）式を満たす散乱角（θ、φ）を用いた極座標表示によって表した。後述の図６、図７及び図１０も、同様の方法で強度を示している。図５にも示したように、散乱角θはｚ軸と散乱波がなす角の大きさで、散乱角φは散乱波のｘｙ平面方向成分とｘ軸とがなす角の大きさである。

まず、粒子４０１としての誘電体の球を、モデル空間内に１つ配置した場合の、粒子４０１で散乱した散乱波の強度分布を計算した。計算の際、粒子４０１は屈折率１．６を有し、光吸収はないものとした。また、粒子４０１と入射波とは、粒子４０１の中心（重心）、ビームウエストの中心及びモデル空間の重心が一致するように配置して計算を行った。その計算結果を、図６（ａ）に示した。また、図６（ｂ）に、粒子４０１が存在しない場合の散乱波の強度分布の計算結果を示した。

さらに、粒子４０１が存在する場合と存在しない場合のそれぞれにおける、θと散乱波の強度との関係をプロットした関係図を図６（ｃ）に示した。なお、図６（ｃ）には、φに関しての情報は記載しておらず、φが異なっていてもθが同じであれば同じθ上にプロットしている。図６（ｃ）の縦軸の強度は、粒子４０１からの散乱波の各散乱角における強度を、粒子４０１が存在しない場合の散乱波の散乱角θ＝０度の成分で規格化したものである。

粒子４０１が存在する時と存在しない時とを比較すると、例えばθが約１０度以上の領域において、散乱波の強度に１０００倍以上の差が得られていることが分かる。具体的には、θが約１０度以上の領域における粒子４０１が存在する場合の散乱波の強度は、θが約１０度以上の領域における粒子４０１が存在しない場合の散乱波の強度の１０００倍以上である。

また、被検物に見立てた粒子４０１がランダムに配置された層（以下「粉末層」と呼ぶ）からの散乱波の強度について、上述の手法と同じ手法で計算した結果を図６（ｄ）に示した。図６（ｄ）は、θと粉末層からの散乱波の強度との関係をプロットした図である。なお、被検物１０６としての粉末の粒子の典型的な粒径は１００μｍ程度であるため、同程度の粒径を有する粉体の堆積層による散乱波の強度を計算した。粒子が小さいほど、また、波長が長いほど粒子からの散乱波の強度は弱くなる。本実施形態では、直径２００μｍ、厚さ３ｍｍの粉末を含む粉末層に入射波が入射した場合の散乱波の強度分布をＦＤＴＤ法で計算した。

図６（ｄ）において、縦軸の強度は、粉末層からの散乱波の各散乱角における強度を、粒子４０１が存在しない場合の散乱波の散乱角θ＝０度の成分で規格化したものである。透過率は、粉末層からの散乱波のθ＝０における強度と、粉末層が存在しない場合の散乱波のθ＝０における強度と、の比から、入射波の透過率を求めることができる。本実施形態の計算から、粒子４０１を透過したテラヘルツ波の透過率は約９８％であった。θが１０度以上における散乱波の強度は、図６（ｃ）に示した粒子４０１からの散乱波の強度の約１／１０００であり、粉末層からの散乱が、異物に見立てた粒子４０１からの散乱よりも十分小さいことが分かる。すなわち、本実施形態において、散乱波の強度分布を用いて異物の存在を推定することができる程度に、被検物１０６からの散乱波の強度と異物からの散乱波の強度との間に差があると言える。

よって、粒子４０１のような異物１０７が被検物１０６中に存在しない場合の散乱波の強度を、計算又は実際に測定することによって求め、それをアレイ１０３の検出結果と比較すれば、異物の有無を判定できると考えられる。例えば、異物を含まない被検物１０６のみの試料からの散乱波の特定の散乱角における強度、又は特定の散乱角における強度の最大値に所定の数値を加えた値を、ステップＳ１０４２における閾値として用いる。その場合、測定値が閾値を超える場合は異物あり、閾値以下の場合は異物なしと判定する。閾値としては、上述の値に限らず、例えば異物を含まない粉体１０６からの散乱波の強度の複数回の測定結果から取得した特定の散乱角における強度の最大値又は平均値、あるいは最大値又は平均値に所定の数値を加えた値等を用いることができる。

異物の有無の判定方法の別の一例について、図４（ｃ）を参照して説明する。図４（ｃ）は、判定方法の別の一例のフローチャートである。判定方法としては、まず、ステップＳ１０３で取得したアレイ１０３の検出結果から、強度分布中の第１の範囲内の散乱波の強度の合計値（第１の合計値）と、強度分布中の第２の範囲内の散乱波の強度の合計値（第２の合計値）と、を取得する（Ｓ１０４３）。このとき、第１の範囲と第２の範囲とは、重複しないことが望ましい。その後、取得した第１の合計値と第２の合計値とを比較して差を取得し（Ｓ１０４４）、その差と閾値とを比較して、条件を満たすか否かを判定する（Ｓ１０４５）。具体的には、例えば、処理部１０４はステップＳ１０４４で取得した差が閾値より大きければ異物ありと判定し、差が閾値以下であれば異物なしを判定する。

この判定方法について、図７を参照して詳細を説明する。図７は、被検物及び異物がテラヘルツ波の照射位置に対して移動した場合の、散乱波の強度分布の変化を計算した結果を示す図である。計算の手法は上述と同様でＦＤＴＤ法を用いた。このとき、粒子４０１の中心（粒子４０１としての球の中心）とビーム中心とが一致する位置からφ＝０度側（＋ｘ軸方向）へ移動した場合の強度分布の変化を求めた。粒子４０１の中心の移動量の最大値は、ビームウエスト半径に相当する５ｍｍとした。図７（ａ）は移動量が０ｍｍの場合、図７（ｂ）は移動量が１ｍｍの場合、図７（ｃ）は移動量が２．５ｍｍの場合、図７（ｄ）は移動量が５ｍｍの場合の強度分布の計算結果である。

粒子４０１の中心がビーム中心にある場合、即ち移動量が０ｍｍの場合に散乱波の強度が最大となり、粒子４０１がビーム中心から離れるほど散乱波の強度が小さくなることが分かる。また、ｘ軸方向の散乱波の強度分布を見ると、移動量が大きいほど、＋ｘ方向つまりφ＝０度方向、と−ｘ方向つまりφ＝１８０度方向、とで強度分布に違いが現れることが分かる。これは粒子４０１の移動によって生じる粒子４０１と照射されるテラヘルツ波１０５との空間対称性の変化が、散乱波１０８の強度分布の対称性に影響していることを示している。このような強度分布の非対称性を、異物検出に利用できる。

図７（ｅ）に、移動量が０ｍｍの時のφ＝０度における散乱波の強度とθとの関係を示した。また、図７（ｅ）には、粒子４０１が存在しない場合の強度を実線で、粉末層からの散乱波の強度を破線で示した。θが７度以上の場合、粉体層からの散乱波の強度よりも粒子４０１からの散乱波の強度が大きい。

７度≦θ≦１２度の領域において、粒子４０１で散乱した散乱波の強度の合計値は、入射波の強度の合計値の約０．２％であった。すなわち、入射波の強度の合計値が約１ｍＷであった場合、アレイ１０３で検出される散乱波の強度の合計値は約２μＷである。アレイ１０３に用いる検出素子の一例であるＳＢＤなどは、１００ｐＷ／√Ｈｚ程度の雑音等価パワー（ＮｏｉｓｅＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＰｏｗｅｒ：ＮＥＰ）を有する。ノイズの大きさＩ_{ｎｏｉｓｅ}は（５）式で強度に換算される。なお、アレイ１０３における検出時間をτとする。

検出時間τが１ｍｓであるすると、（５）式より、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}は約１ｎＷとなる。粒子４０１からの散乱波は約２μＷであるため、ＳＮ比が２０００程度となり、粒子４０１からの散乱波を検出することができると言える。よって、図４（ｂ）に示したような、特定の散乱角における強度の値と閾値との比較から、異物の有無の判定を行うこともできる。このとき、例えば、閾値として入射波の強度の０．０１％（１００ｎＷ相当）の値を用いる。

図７（ｆ）は、粒子４０１の移動量が５ｍｍの時の、φ＝０度及びφ＝１８０度のそれぞれにおける散乱波の強度とθとの関係を示した図である。図７（ｆ）から、７度≦θ≦１２度の範囲の散乱波の強度が、φの値によって異なることが分かる。すなわち、上述した通り、粒子４０１が移動することによって散乱波の強度分布の空間対称性が変化している。任意のφにおける７度≦θ≦１２度の範囲内の散乱波の強度の合計値を計算すると、φ＝０度の場合の強度の合計値は０．２μで、φ＝１８０度の場合の強度の合計値はと０．６μＷである。よって、φ＝０度、１８０度のそれぞれにおける散乱光の強度の差は０．４μＷ程度のため検出可能である。

このことから、散乱波の強度分布の非対称性を用いて、異物の有無の判定を行うことができる。本実施形態では、第１の合計値として散乱角がφ＝０度、７度≦θ≦１２度の第１の範囲内の測定値の合計値を用い、第２の合計値として散乱角がφ＝１８０度、７度≦θ≦１２度の第２の範囲内の測定値の合計値を用いる。そして、第１の合計値と第２の合計値との差の絶対値と閾値とを比較する。絶対値と閾値との比較の結果、条件を満たす場合は異物あり、条件を満たさない場合は異物なしと判定する。例えば、絶対値と閾値との差の絶対値が閾値よりも大きい場合は異物あり、差の絶対値が閾値より小さい場合は異物なしと判定する。

閾値は、異物１０７が存在するために強度分布がビーム中心を通るｙ軸を対称軸として非対称となった場合に、対称軸より＋ｘ方向の領域内の第１の合計値と、対称軸より−ｘ方向の領域内の第２の合計値と、の差が検出可能な大きさであればよい。例えば、上述の条件の場合、閾値は０．１μＷ程度であれば良い。閾値は、予め上述のＦＤＴＤ法等の計算から求めておけばよい。以上、判定方法の一例について、説明した。

伝送路１０２上の粉末層（粉末１０６の層）の厚さが不均一だと、粉末１０６が厚い部分にテラヘルツ波が照射された時は、異物検出においてノイズである粉末層からの散乱波の強度が大きくなり、ＳＮ比の低下が起こりうる。しかし、上述の２つの判定方法において、粉末１０６によるテラヘルツ波の散乱波の強度は弱く、粉末層の厚さの変化が検出に与える影響は大きくない。

具体的には、例えば、上述したように厚さ３ｍｍの粉末層がある場合、テラヘルツ波の透過率は約９８％である。仮に、透過率が厚さに対して幾何級数的に減る、即ち厚さが３ｍｍ増加すると透過率が０．９８倍になると仮定すると、厚さが３０ｍｍへと増加した場合のテラヘルツ波の透過率は８２％になる。このように、透過波の強度の減少は顕著でない。このとき、近似的に粉末層からの散乱波の強度が粉末層の厚さに比例すると仮定すると、散乱波の強度は約１０倍になる。上述したように、粉末層の厚さが３ｍｍの場合はＳＮ比が約１０００であったので、粉末層の厚さの数１０ｍｍ程度増加が検出に与える影響は軽微である。

装置１００を用いて検出したい物体（対象物）は、粒径、形状及び屈折率などの特性が様々であることが多い。例えば、製造過程の粉体食品に混入する異物は、特定の種類に限定されない。このように特性が異なる複数の種類の物体の検出について、説明する。

まず、粒子４０１の屈折率の違いによる散乱波の強度分布の違いについて述べる。図８（ａ）に、０度≦θ≦４５度の範囲における、粒子４０１の屈折率を変化させて計算した散乱波の強度とθとの関係を示した。具体的には、図８（ａ）は、図６（ｃ）等と同じように、横軸をθ、縦軸を散乱波の強度として、各屈折率における計算結果をプロットしたものであり、φに関する情報は省いている。計算に用いたシミュレーションのモデルは、図５に示したモデルと同じである。計算では、粒子４０１の屈折率を、それぞれ１．３、１．６、２．０とした。

粒子４０１の屈折率が１．３、１．６、２．０の場合のそれぞれについて、θが約１０度の位置に散乱波の強度のピークがあるが、屈折率１．３の粒子からの散乱波の強度は、屈折率１．６又は２．０の粒子からの散乱波の強度と比較して小さい。また、θが１０度以上では、散乱波の強度の極小値、極大値を与えるθが屈折率によって異なっている。しかし、いずれも粒子がない場合の散乱波の強度と比べると大きく、上述の判定方法で異物の有無を判定できることが分かる。よって、様々な屈折率の異物を検出可能である。

また、粒子４０１の形状の違いによる散乱波の強度分布の違いについて述べる。図８（ｂ）に、０度≦θ≦４５度の範囲における、粒子４０１の形状を変化させて計算した散乱波の強度とθとの関係を示した。具体的には、図８（ｂ）は、図６（ｃ）等と同じように、横軸をθ、縦軸を散乱波の強度として、各形状における計算結果をプロットしたものであり、φに関する情報は省いている。計算には、粒子４０１の形状として、上述の直径４ｍｍの球以外に、立方体と及び八面体を設定した。いずれも、粒子４０１の重心がビームウエストの中心と一致しているものとして計算を行った。立方体は、１辺が４ｍｍで、各面がｘ軸、ｙ軸、ｚ軸と垂直に交わるように配置される。八面体は、モデル空間の重心を原点として８つの各頂点がｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にあり、各頂点と原点との距離を２ｍｍと設定する。球、立方体及び八面体のそれぞれは、屈折率が１．６の吸収のない誘電体とする。

図８（ｂ）から、粒子４０１の形状によって、散乱波の強度が極大となる散乱角、及び角散乱角における散乱波の強度等、散乱のされ方にも違いがあることが分かる。この違いは、粒子の形状の違いを反映している結果であり、例えば周囲とは異なる形状を有する異物の検出に利用できる。また、粒子の形状によっては散乱波の強度があまり大きくない場合があるが、特定の散乱角においては、試料１０６及び別の粒子からの散乱波の強度と、それらとは形状が異なる粒子からの散乱波の強度と、の差が大きくなることがある。そのため、特定の散乱角における強度について閾値との比較を行えば、異物を検出することができる。また、被検物１０６に含まれる粒子の粒径と異物１０７の粒径とに違いがなく、形状のみが異なる場合等でも、特定の散乱角における強度の比較から形状の異なる異物１０７を検出することができる。

本実施形態では、照射波としてビームウエストの直径が１０ｍｍのテラヘルツ波を用いたが、散乱波の強度を大きくするために、光学系にレンズを追加するなどの変更を加えてビームウエストの直径を小さくしてもよい。

異物１０７がテラヘルツ波１０５のビームの中に存在すると、アレイ１０３は異物１０７からの散乱波を検出する。そのため、異物１０７が照射波のビーム中を通過することによって生じるアレイ１０３における信号変動の周期をｔとすると、ｔは（１）式で表すことができる。なお、異物１０７上におけるテラヘルツ波１０５の照射領域の異物１０７の搬送方向における距離をｄ、異物１０７の搬送速度をｖとする。
ｔ＝ｄ／ｖ（１）

周期ｔよりも短いもしくは長い時間の検出信号変動は雑音であると考えられる。雑音を除去するために、ロックインアンプが出力する検出信号に対して、周期ｔを含む周波数領域の信号の通し、それ以外の信号を除去するバンドパスフィルタを追加するとよい。バンドパスフィルタによるノイズの除去は、アレイ１０３の検出結果としての信号が、アレイ１０３から処理部１０４に送信される間に行われることが望ましい。

以上、本実施形態の装置１００の構成を述べた。装置１００は、試料１０６からの散乱波を異なる複数の散乱角毎に検出して強度分布を取得する。試料１０６中に粒子４０１のような異物からの散乱波の強度は、試料１０６のみの領域からの散乱波の強度と比較して大きいため、強度分布から試料１０６中の異物の有無を判定することができる。装置１００は、異なる複数の散乱角毎に散乱波の強度を取得するため、異物の屈折率、形状及び粒径等の特性の違いによって散乱のされ方が変化しても検出することができる。以上のことから、装置１００によれば、従来よりも精度の高い検出が可能である。

また、特性の違いによって、テラヘルツ波が散乱される様子に違いがあるため、その違いを、異物の特性の特定に利用できる。

先行文献２の検出装置では、狭い領域内の散乱波を集光してその強度を検出していた。よって、異物の形状又は配置によっては、上述したように散乱のされ方が変化して、検出器に届く散乱波が非常に弱くなり、散乱波を検出できないことがある。また、散乱波を集光する構成の場合、より広い領域内の散乱波を集光しようとすると光学系が複雑になる。本実施形態の場合は、そのような光学系を設ける必要がなく、装置の小型化にも貢献できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の検出装置について、図１１を参照して説明する。図１１は、本実施形態の検出装置の検出部の構成を説明する模式図である。本実施形態の検出装置は、第１の実施形態とは検出部の構成が異なっており、毛髪等の細長い繊維状の物体の検出により適した構成である。なお、上述の実施形態とものと同じ構成には同じ符番を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の検出装置は、不図示の発生部と、検出器アレイ（検出部）１００５と、処理部１０４と、ストッパー１００８と、を有する。搬送部１０２によって搬送されている粉末上の試料１０６に、不図示の発生部からのテラヘルツ波１０５を照射し、試料１０６からの散乱波を検出器アレイ１００５が検出する。不図示の発生部は、第１の実施形態の発生部１０１と同様の構成である。

検出器アレイ１００５は、複数の検出素子１００１が球面状に配置されている、球面は、テラヘルツ波１００２の試料１０６への照射位置におけるビーム径の中心を中心とした球面であることが望ましい。ストッパー１００８は、試料からの散乱波の一部を遮断し、検出器アレイ１００５に到達するのを防ぐ。

ここで、図１０を参照して、繊維状の物体が存在する場合の散乱波の様子について説明する。図１０は、直線状の物体に見立てた誘電体の円柱のモデルにテラヘルツ波を照射した場合の散乱波の強度分布をＦＤＴＤ法で計算した計算結果を示す図である。図９に、この計算に用いたモデルの模式図を示した。モデル空間の大きさは、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のそれぞれの長さが２５ｍｍ、２５ｍｍ、１０ｍｍとし、各セルが１辺２５μｍの立方体とした。テラヘルツ波（入射波）の設定は、第１の実施形態と同様とした。入射波は、散乱体８０１に対して矢印８０２方向に照射される。本実施形態では、直線状の物体に見立てた誘電体を散乱体８０１として、散乱体８０１からの散乱波の強度分布を計算している。散乱体８０１は、直径１００μｍ、高さ（長さ）１０ｍｍの円柱形状で、屈折率を１．６、吸収係数を０とした。また、散乱体８０１の重心はビームウエスト中心と一致し、かつ散乱体８０１の円柱の軸がｙ軸と一致するように配置した。偏波については円柱軸と平行、円柱軸と垂直となる２つの場合について計算した。

図１０（ａ）は偏波方向がｘ軸に平行の場合、すなわち偏波方向と円柱軸とが直交する場合の計算結果で、図１０（ｂ）は偏波方向がｙ軸に平行の場合、すなわち偏波方向と円柱軸とが平行である場合の計算結果である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）のそれぞれは、第１の実施形態と同じように、散乱波の強度分布を極座標表示で示した。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）のどちらにおいても、θによらずφが０度及び１８０度の領域で、他の領域よりも強度が強い。これは、テラヘルツ波１００２が散乱体８０１で散乱されて、円柱を中心に円柱軸に対して垂直な方向に同心円状に広がっているということである。この特徴的な強度分布は、散乱体８０１の円柱形状を反映したものであり、毛髪等のような繊維状の異物の検出に利用することが可能である。強度分布において、ｙ偏波の場合の方がｘ偏波の場合よりも散乱波の強度が２倍程度以上大きいため、ｙ偏波を用いるほうが好ましい。しかし、偏波の違いによって、散乱のされ方に大きな違いは見られないため、いかなる偏波方向のテラヘルツ波を用いてもよい。散乱波の強度が小さい散乱角と散乱波の強度が大きい散乱角との間で強度を比較すると、約１０００倍の差があることから、散乱波が強い角度と弱い角度のコントラストは十分にあると言える。

上述のような特徴的な強度分布を取得するために、アレイ１００５は、より広範囲に散乱した散乱波を検出できるように、球面状に検出素子１００１が配置されている。アレイ１００５の検出結果は、散乱波１００４の検出信号として処理部１０４に送られる。処理部１０４は、取得したアレイ１００５の検出結果から、上述のステップＳ１０４４と同様に、任意の領域における強度の合計値を求める。

被検物１０６及び伝送路を透過した透過波１００７は、図１０に示した結果から散乱波１００４より１０００倍以上の強度を持つ。アレイ１００５を構成する検出素子の飽和光量が同じであり、各検出素子が散乱波１００４を検出できる程度の感度を有する場合は、検出素子の飽和を避けるために、透過波のみをストッパーで遮断して検出されないようにする。また、透過波を含む散乱角θが１０度以下の散乱波を遮断したい場合、アレイ１００５において、θが１０度以下の領域には検出素子１００１を配置しない構成でもよい。

φ＝０度もしくは１８０度において、θが１０度以上の散乱波全ての強度は、入射波の強度を１ｍＷとするとおよそ６μＷになると思われる。第１の実施形態の検出器アレイ１０３の検出結果におけるノイズは強度に換算すると約１ｎＷであった。本実施形態の検出器アレイ１００５も同じ検出素子を用いて構成すると、被検物１０６からの散乱波を、ＳＮ比１０００以上で検出することが可能である。

このように、装置１００によれば、従来よりも精度の高い検出が可能である。また、繊維状の物体の検出の精度を向上できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の検出装置１１００（以下、「装置１１００」と呼ぶ）について図１２を参照して説明する。図１２は、装置１１００の構成を説明する模式図である。複数の発生部１１０１、伝送路１０２、検出器アレイ（検出部）１１０３（以下、「アレイ１１０３」と呼ぶ）、電圧発生器１１０５、ロックインアンプ１１０９、処理部１０４を有する。なお、上述の実施形態と同じ構成には、上述の実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。装置１１００は、発生部１１０１の構成が上述の実施形態と異なり、第１の実施形態よりも広範囲にテラヘルツ波１１０４を照射する構成となっている。

複数の発生部１１０１は、伝送路１０２による被検物１０６の搬送方向と垂直な方向に並んで配置されており、それぞれの発生部１１０１からのテラヘルツ波が被検物１０６の異なる位置に照射される。そのため、単一の発生部１０１を有する場合と比較して、被検物１０６の広い範囲にテラヘルツ波を照射できる。複数の発生部１１０１のそれぞれから照射されたテラヘルツ波１１０４の散乱波１１０８をアレイ１１０３で検出し、処理部１０４が異物の有無の判定を行う。なお、透過波の強度を測定するだけで異物１０７の検出が可能であれば、アレイ１１０３は、各発生部１１０１からのテラヘルツ波１１０４の透過波を検出できる構成にしてもよい。複数の発生部１１０１のそれぞれは、第１の実施形態の発生部１０１と同様の構成である。

装置１１００における検出方法について、図１３を参照して説明する。図１３は、本実施形態における検出方法の一例を説明するフローチャートである。

まず、伝送路１０２が被検物１０６の搬送を開始する（Ｓ２０１）。その後、複数の発生部１１０１が被検物にテラヘルツ波１１０４を照射する（Ｓ２０２）。被検物１０６で散乱された散乱波１１０８をアレイ１１０３で検出する（Ｓ２０３）。続いて、処理部１０４が、発生部１１０１ごとに分離された検出器アレイ１１０３の検出結果を取得する（Ｓ２０４）。

ここで、処理部１０４における検出結果の分離について説明する。装置１１００では、複数の発生部１１０１のそれぞれから発生したテラヘルツ波が、単一のアレイ１１０３で検出される。そのため、ロックインアンプ１１０９を用いて、アレイ１１０３の検出結果を発生部１１０１毎に分離する必要がある。また、処理部１０４の処理によって、検出結果の分離を行ってもよい。

分離方法としては、発生部１１０１に変調電圧信号を印加することで強度変調のかかったテラヘルツ波を得られる場合、印加する変調電圧信号である矩形波や正弦波等の周波数を、発生部１１０１ごとに変えればよい。例えば、ｉ番目の発生部１１０１に周波数ｆｉの変調信号を印加すると周波数ｆｉの強度変調されたテラヘルツ波が出射される。そのため、アレイ１１０３の各検出素子からの検出信号を周波数ｆｉで復調することで、ｉ番目の発生部からの信号を単独で取得することができる。この方法に必要な検出素子の数は、必要な散乱角度領域の強度分布を取得するために必要な数だけで十分であり、発生部の数が増えたとしても変わらない。

このように、複数の周波数の変調信号を発生部１１０１の駆動に用いることによって、複数の発生部１１０１それぞれからのテラヘルツ波１１０４の検出信号を分離することが可能である。処理部１０４は、分離した検出信号を取得する。

その後、処理部１０４は、取得した検出結果を用いて、異物の有無の判定を行う（Ｓ２０５）。異物の判定には、上述の判定方法と同様の方法である。その後の処理は、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。

以上、装置１１００によれば、従来よりも精度の高い検出を行うことができる。また、複数の発生部１１０１を有することにより、第１の実施形態と比較して、伝送路１０２によって搬送される被検物１０６に対するテラヘルツ波の照射範囲を広げることができる。そのため、より多くの被検物１０６を一度に測定することができるようになる。

また、本実施形態では、複数の発生部１１０１を有し、複数の発生部１１０１のそれぞれが発生するテラヘルツ波の強度変調周波数を異なる構成としている。アレイ１１０３が出力する検出値分布をある特定の発生部の強度変調周波数で復調することで、他の発生部が発したテラヘルツ波の信号を除去し、該当する発生部が発したテラヘルツ波のみの散乱分布を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の各実施形態の検出方法では、検出方法の各ステップのうち、いくつかのステップを並行して行ったり、必要に応じて順番を入れ替えたりすることが可能である。具体的には、第１の実施形態を例にとると、ステップＳ１０３が終了した後、処理部１０４は、ステップＳ１０４〜Ｓ１０５の動作と並行して、ステップＳ１０６を行い、検査を続ける必要がある場合はステップＳ１０３に戻って測定を行う構成でもよい。

１０１発生部
１０３検出部
１０４処理部

Claims

被検物中の異物を検査する検査装置であって、
テラヘルツ波を発生する発生部と、
複数の異なる散乱角における前記被検物からのテラヘルツ波の散乱波を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記被検物中に異物が含まれているか否かを判定する判定部と、を有する
ことを特徴とする検出装置。
前記被検物は、複数の粒子を含む粉体である
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記複数の粒子のそれぞれの粒径は、前記発生部が発生するテラヘルツ波の波長の１／１０以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
前記検出部は、複数の異なる散乱角における前記被検物からのテラヘルツ波の散乱波の強度を検出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の検出装置。
前記判定部は、前記検出部の検出結果のうちの特定の散乱角における散乱波の検出結果と、閾値と、を比較することにより、前記被検物中に異物が含まれているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の検出装置。
前記判定部は、前記検出部の検出結果のうちの第１の範囲内に含まれる複数の散乱角のそれぞれにおける散乱波の検出結果の合計値と、前記検出部の検出結果のうちの第２の範囲内に含まれる複数の散乱角のそれぞれにおける散乱波の検出結果の合計値と、を比較することにより、前記被検物中に異物が含まれているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の検出装置。
前記検出部は、前記被検物からの前記テラヘルツ波の散乱波のうち前方散乱波を検出する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の検出装置。
前記被検物からの前記テラヘルツ波の散乱波のうち後方散乱波を検出する前記検出部と異なる検出部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の検出装置。
一列に並んで配置されている複数の前記発生部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の検出装置。
前記検出部は、アレイ状に配置されている複数の検出素子を有し、
前記複数の検出器のそれぞれが検出する散乱波の散乱角が、異なる
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の検出装置。
前記検出部の検出結果としての信号が前記検出部から前記判定部に送信される間に、周期ｔの周波数を含む周波数領域の信号を通過させるバンドパスフィルタを有する
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の検出装置。
ｔ＝ｄ／ｖ（１）
前記被検物上における前記発生部からのテラヘルツ波の照射領域の前記被検物の搬送方向における距離をｄ、前記被検物の搬送速度をｖとする。
前記発生部は、共鳴トンネルダイオードを含む
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の検出装置。
前記検出部は、ショットキーバリアダイオードを含む
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の検出装置。
前記発生部が発生するテラヘルツ波の周波数と異なる周波数のテラヘルツ波を発生する発生部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の検出装置。
前記判定部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被検物に異物が含まれているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の検出装置。
被検物中の異物を検査する検査方法であって、
テラヘルツ波を発生する発生ステップと、
複数の異なる散乱角における前記被検物からのテラヘルツ波の散乱波を検出する検出ステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づいて前記被検物中に異物が含まれているか否かを判定する判定ステップと、を有する
ことを特徴とする検出方法。