JP4154388B2 - 被対象物を透過した電磁波の状態を検出するための検出装置 - Google Patents

Description

伝搬する電磁波の伝搬状態の変化を検出する技術に関し、検出した情報を用いて物質の計測・感知・分析を行う。

近年、いわゆるテラヘルツ波を応用した技術が注目されている。テラヘルツ波を利用した分光分析やイメージングなどが、産業応用として期待されている。

例えば、テラヘルツ波の応用分野として、Ｘ線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行なう技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キャリア濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。

中でもテラヘルツ波を用いて分光学的手法により物質を分析する方法として、テラヘルツ波を分析対象物質に照射し、透過あるいは反射したテラヘルツ波のスペクトルを得る方法が公知技術として知られている。

ところで、水は３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数領域に非常に強い吸収スペクトルを多数持っている。このため、例えば液体の水が入った厚さ１ミリの容器は、テラヘルツ波をほとんど完全に遮断してしまう。ゆえに、透過したテラヘルツ波から物質の情報を得るいわゆる透過分光が出来ない。

そこで水など非常に強い吸収スペクトル帯をテラヘルツ領域にもつ物質およびその中に含まれる分子などの吸収スペクトルや複素誘電率を求める方法として、非特許文献１に開示されているようなプリズムでの全反射時に発生するテラヘルツ波のエバネッセント波を用いる方法が知られている。これは、テラヘルツ波発生源から発せられたテラヘルツ波をプリズムの第一の面に入射させ、第二の面で全反射し、第三の面から出射したテラヘルツ波を検出器で検出し、第二の面でテラヘルツ波が全反射するに伴い発生するテラヘルツ波のエバネッセント波と相互作用するように第二の面上に試料を設置することで、試料を分光学的に分析する方法である。この方法では、固体・粉末・液体などの形態の試料を分析することができる。
第５１回応用物理学関係連合講演会予稿集２８ｐ−ＹＦ−７

非特許文献１の方法では空間光学系を用いているため、システムの小型化が困難であり、また光学調整が困難である。そこで、本発明はシステムの小型化や光学調整の容易な検出装置を提供するものである。

そこで、本発明は、
被対象物を透過した電磁波の状態を検出するための検出装置であって、
電磁波を発生するための発生手段と、
前記電磁波を伝送するための伝送路と、
前記電磁波を検出するための検出手段とを備え、
前記伝送路中で前記電磁波が分布する領域の一部に通路を有し、
前記発生手段により発生した電磁波が、前記通路中の被測定対象物を透過し、前記検出手段により前記電磁波の状態を検出する検出装置を提供するものである。

ここで、前記発生手段や前記検知手段は、１つでもいいが、複数設ければ測定精度が上がるのでより好ましい。

本発明により、微装置自体の小型化、光学調整の軽減が図れる。

以下に具体的に説明する。テラヘルツ波を導波する伝送路の内部（例えば導波路のコア、金属導波管（金属平行平板導波路を含む）の内部、伝送線路の接地線と信号線に挟まれた誘電体部分など）に、液体や紛体など流動性を持つ物質を導入できる流路を持つことが好ましいが、被対象物質を伝送路中に配置できる通路であればなんでもよい。前記流路は電磁波の伝搬方向と平行ではなく、また伝送路中における電磁が強く分布している領域を通るよう設置されていることが好ましい。前記伝送路を導波するテラヘルツ波と前記流路中にある流動性を持つ物質が相互作用し、前記流動性を持つ物質を透過したテラヘルツ波の伝搬状態・スペクトルが変化することを利用し、前記流動性物質を前記流路に導入する前後のテラヘルツ波の伝搬状態・スペクトルを比較することで、前記流動性物質の物性を調べたり、物質の同定を行ったりするものである。

前記流路のテラヘルツ波伝搬方向に対する厚さを十分薄くすることで、水など非常に強い吸収を持つ物質に対しても前記テラヘルツ波は前記試料を透過できるようにする。

前記伝送路として導波路を用いる場合は、導波路を構成するクラッドおよびコアの一部に空隙を設けることで流路としても良い。また前記伝送路として金属導波管を用いる場合は、金属導波管を構成する導波管内部の空洞内部に誘電体でできたパイプ状の中空部材を設けることで流路としても良いし、あるいは導波管内部が誘電体で満たされている場合は、前記誘電体の一部に空隙を設けることで流路としても良い。また前記伝送路として伝送線路を用いる場合は、伝送線路を構成する設置線と信号線の間の誘電体部分の一部に空隙を設けることで、流路としても良い。

前記伝送線路として金属導波管を用いる場合で、かつ金属導波管内部が空洞である場合は、空洞内部に誘電体でできたパイプ状の中空部材を設けることで流路とすることができる。この場合流路を構成するパイプ状の中空部材は低損失・低分散・低屈折率な誘電体であることが望ましい。また金属導波管内部を誘電体で満たし、前記誘電体の一部に空隙を設けることで流路とする場合は、前記誘電体は低損失・低分散・低屈折率であることが望ましい。この流路を設けることにより、微量の資料しか得られない場合でも測定可能になる。さらに、流路を外気から遮蔽した状態で設けることにより、外気に対し敏感に影響される物質のセンシングが可能になる。

テラヘルツ波は、外部から伝送路に結合させてもよいが、テラヘルツ波発生源を伝送路の一部に集積化させても良い。例えば導波路や導波管を用いる場合は、導波路や導波管の端面にテラヘルツ波発生源を集積化させても良いし、伝送線路を用いる場合は、伝送線路上にテラヘルツ波発生源を集積化させても良い。また同様に、伝送路を伝搬したテラヘルツ波を外部に放射させテラヘルツ波検出器でテラヘルツ波を検出しても良いが、テラヘルツ波検出器を伝送路の一部に集積化しても良い。この場合テラヘルツ波が空気中の水分の影響を受けないことや、光学調整が不要になることや、小型化が図れるといった利点がある。

テラヘルツ波発生源および発生方法として、低温成長ヒ化ガリウム上に形成された光伝導アンテナに電圧をかけフェムト秒レーザを照射する方法が一例として挙げられる。テラヘルツ波発生源の集積化の一例として、前記光伝導アンテナを例えば導波管の一端面に設置しても良い。またテラヘルツ検出器として、光伝導アンテナに電圧をかけずにフェムト秒レーザを照射し、電流を測定する方法が挙げられる。テラヘルツ波検出器の集積化の一例として、前記光伝導アンテナを導波管の単面のうちテラヘルツ波が透過して来る方の端面に設置しても良い。これにより、テラヘルツ波が空気中の水分の影響を受けることなく、センシングが可能になる。

またテラヘルツ波が透過して来る方の端面に電気光学効果をもつＥＯ結晶（例えばＺｎＴｅ）を設置し、ＥＯ結晶の結晶方位・テラヘルツ波の偏光方向を適切に選ぶことで、ＥＯ結晶の反射率や屈折率が偏光依存性を持って変化する現象を利用した公知の方法を用いても良い。

またテラヘルツ波発生源を集積化する方法の別の例として、非線形性を持った物質（たとえばＤＡＳＴ結晶）を導波管や導波路の内部や端面に設置しても良い。

また例えば血液のように別の場所から試料を採取する必要があるとき、被測定対象物を取得するための手段として採取器具（例えば注射針）と得られた被測定対象物を通路に接続するための接続手段として前記流路を別の流路（例えばチューブ）で接続することで、試料の採取と同時に試料を所定の位置に設置できる。また、流路中の試料は外気と接触する面積が小さいため、外気に影響されやすい試料を測定する上で有利である。

流動性試料に含まれる特定（一種類または複数種類）の粒子または分子をセンシングする場合、流路の一端から流動性試料を導入し、別の一端に特定の粒子または分子を透過せずその他の流動性物質（例えば水）を透過するフィルタ（例えば半透膜）を設けることで、センシング部における特定の粒子または分子の濃度を高めつつセンシングを行なうことができる。この方法では、試料の濃縮とセンシングを続けてまたは同時に行なうことができ、作業効率上有利である。

また、流路の壁面に特定（一種類または複数種類）の粒子または分子を吸着あるいは結合する物質を設置し、流動性物質に含まれる特定の粒子または分子を流路壁面に捉え、前記粒子または分子を吸着または結合したことによって前記流路壁面に設置された物質の複素誘電率や吸収スペクトルの変化から、流動性試料およびその中に含まれる粒子または分子のセンシングができる。

以下に、本発明による光学素子の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明による第一の実施例は、図１のような導波路および図２のような測定・感知・分析装置を提供するものである。以下詳細を図１および図２に示しながら説明する。平行平板導波路１０は、金属板１１ａおよび１１ｂが、ポリスチレン板１２を挟む構造となっている。前記ポリスチレン板１２には、空隙１３が設けられている。金属板１１ａと１１ｂの向かい合う面の間隔は約１００μｍである。また金属板１１ａと１１ｂの典型的な大きさは、ｘ方向、ｚ方向ともに１０ｍｍから２０ｍｍ程度である。空隙１３はｘ方向に約５０μｍである。空隙１３には、流体など流動性を持った試料を導入することができる。この例では、金属板１１ａ、１１ｂの間隔を１００μｍとしたが、これに限るものではない。また金属板１１ａおよび１１ｂに挟まれた部材としてポリスチレンを挙げたが、これに限るものではない。金属板１１ａおよび１１ｂに挟まれた部材としては、テラヘルツ波に対し吸収（損失）・分散が十分小さいものであれば、他の誘電体（樹脂や半導体）でも良い。また屈折率が１に近い方が望ましい。また金属板１１ａ、１１ｂの替わりに、導電率の高い半導体を用いても良い。

平行平板導波路１０を伝播するテラヘルツ波は空隙１３に導入された流動性を持つ試料と相互作用する。空隙１３に前記流動性試料導入する前後で、平行平板導波路１０を透過したテラヘルツ波のスペクトルが変化したり、伝搬状態が変化したりすることを利用して、前記流動性物質の計測・感知・分析ができる。

以下に、センシング系全体の説明を図２を用いてする。フェムト秒レーザ２０から発せられた１００ｆｓ（フェムト秒）程度のパルス幅を持つレーザ光をビームスプリッター２１で二つに光路を分け、一方を低温成長させたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）等で作製したバイアスされた光伝導アンテナ２２ａのギャップ部に照射してテラヘルツ波パルス２７を発生させる（光伝導アンテナの背面には高抵抗Ｓｉなどでできた半球レンズを密着させる）。テラヘルツ波パルス２７は放物面鏡２３ａ、高抵抗Ｓｉ（例えば１０ｋΩｃｍ）などで作られた半円筒レンズ２４ａを経て、平行平板導波路１０の第一端から平行平板導波路１０に結合する。テラヘルツ波パルスは平行平板導波路１０中の空隙１３中に導入された試料（図示せず）と相互作用した後、平行平板導波路１０の第二端から半円筒レンズ２４ｂ、放物面鏡２３ｂを経て光伝導アンテナ２２ｂに到達する。一方、ビームスプリッター２１で分けられたレーザ光のもう一方は、時間遅延器２８、ミラー２５などを経て光伝導アンテナ２２ｂにテラヘルツ波パルスと同時に到達する。このとき時間遅延器２８を用いて、時間遅延器２８を経て光伝導アンテナ２２ｂに到達したレーザ光と、平行平板導波路１０を経て光伝導アンテナ２２ｂに到達したテラヘルツ波パルスが到着するタイミングをずらすことで、テラヘルツ波パルスの波形が求められる。時間遅延器２８を経たフェムト秒レーザ光が光伝導アンテナ２２ｂに照射されると、フェムト秒レーザのパルス時間幅と光伝導アンテナ２２ｂを構成する半導体膜のキャリア寿命に応じた時間だけ、光伝導アンテナ２２ｂに電流が流れる。このときの電流の大きさは、光伝導アンテナ２２ｂに入射するテラヘルツ波２７の電場振幅の大きさを反映したものであることから、光伝導アンテナに流れる電流を計測することでテラヘルツ波パルス２７の波形が得られ、これをフーリエ変換することでテラヘルツ波パルス２７のスペクトルが得られる。

平行平板導波路はＴＥＭモードで電磁波を伝搬できる。ゆえに空隙１３に試料が存在しないときは、テラヘルツ波パルス２７は平行平板導波路１０の前後でパルス波形の形状を変えることなく平行平板導波路１０を伝搬する。すなわち空隙１３に試料が存在しない時は、平行平板導波路１０に入射する前のテラヘルツ波パルス２７の波形と、平行平板導波路１０を透過したあとのテラヘルツ波パルス２７の波形はほぼ相似である。

空隙１３はｘ方向に５０μｍ程度と十分薄いので、水などテラヘルツ波をよく吸収する試料が空隙１３を満たしていても、平行平板導波路１０を伝搬するテラヘルツ波は吸収し尽くされずに空隙１３を透過することが出来る。

次に、本実施例における計測の一例を、図３を用いて具体的に述べる。図３は、本発明の実施例によって得られるテラヘルツ波のスペクトルを模式的に表したものである。まず、図１における空隙１３に流動性試料を導入していない状態で、平行平板導波路１０を透過するテラヘルツ波の波形を記録し、フーリエ変換してパワースペクトル３０を求める。次に流動性試料を図１における空隙１３に導入した上で、平行平板導波路１０を透過したテラヘルツ波の波形を記録し、フーリエ変換したパワースペクトル３１を求める。パワースペクトル３１と３０の比を求めることで、流動性試料のテラヘルツ波に対する吸収スペクトル３２が求められる。

この方法では、空隙１３の容積が十分小さく、必要とする試料は微量であるので、高価な試料（例えば抗体を含む溶液）を検査する上で有利である。

またここでテラヘルツ波パルス発生方法として光伝導アンテナによる方法を挙げたが、他の方法（例えば非線形結晶にフェムト秒レーザを照射する方法や、パラメトリック発振を利用した方法）を用いても良い。また、検出方法も、例えば電気光学結晶を用いた公知の方法などを用いても良い。

本発明による第２の実施例は、図４に示すように、光伝導アンテナ３３ａ、３３ｂを平行平板導波路１０の両端に設けることである。ただし、光伝導アンテナ３３ａ、３３ｂには高抵抗Ｓｉなどでできた半球レンズ等は密着させない。この場合、テラヘルツ波空間伝搬光学系の光軸調整が不要になり、系の小型化が図れる。

光伝導アンテナ３３ａ、３３ｂは、典型的にはｙ方向とｚ方向に数ミリから１センチ程度の大きさの基板を持つ。金属板１１ａ、１１ｂ、およびポリスチレン板１２、空隙１３の典型的な大きさは、実施例１と同じであるが、金属板１１ａ、１１ｂのｙ方向の長さ（厚さ）を５ミリ程度以上にすることで、光伝導アンテナ２２ａ、２２ｂを平行平板導波路１０の両端に設けることを可能にする。

または図５のように、平行平板導波路１０の各々の端面に光伝導アンテナ３３ａ、および電気光学効果を持つ物質であるＥＯ結晶３４（例えばＺｎＴｅ）を設けてもよい。この場合、フェムト秒レーザを光伝導アンテナ３３ａに照射することによって発生したテラヘルツ波が空隙１３を透過した後ＥＯ結晶３４に到達し、到達したテラヘルツ波の電波の振幅に応じてＥＯ結晶３４のレーザ光に対する反射率が変化することでテラヘルツ波の振幅を求めるという公知の技術を用いてテラヘルツ波を検出する。

また平行平板導波路１０の一端に、光伝導素子３３ａの変わりにＤＡＳＴ結晶やＩｎＰなどの非線形光学結晶を設置してもよい。この場合、フェムト秒レーザを直接照射することでテラヘルツが発生する。

本発明第３の実施例を、図６に示し以下に説明する。平行平板導波路１０を構成する金属板１１ａ、１１ｂの間に、ポリスチレンなどテラヘルツ波に対し吸収・損失および分散が小さい材料で出来た中空部材４０を挟んだ構造である。この構造では、例えば中空部材４０の先にチューブ４１を接続し、チューブ４１の先に注射針４２を接続することで、人体から血液を採取と同時に導波路中へ導き、血液のテラヘルツ透過スペクトルを容易に得ることができる。

本実施例では、流動性試料の採取と試料の計測・感知・分析を連続して行なうことができる。

本発明による第４の実施例は、平行平板導波路の替わりに断面が方形または円形の導波管を用いたものである。図７に示したように、断面が方形の導波管中５０に流動性試料導入のための中空部材４０を設ける。方形導波管の断面の典型的な大きさは、ｘ方向、ｙ方向ともに１００μｍから２００μｍである。このような導波管を用いると、平行平板導波路に比べ小型化が図れる点で有利である。

また、伝送線路において信号線とグラウンドの間に流動性試料を導入できる空隙を設けてもよい。図８のように、伝送線路６０（図の例ではマイクロストリップライン）の信号線６１とグラウンド６２の間に流路６３を設けたものである。伝送線路中に流路を設けることで、同一基板上に試料導入流路とテラヘルツ導波部分（伝送線路）を一体化して作製することが出来、更なる小型化が図れる。

本発明による第５の実施例を、図９に示しながら以下に説明する。実施例１に示したような、空隙１３を持った平行平板導波路１０において、空隙１３の一部にフィルタ１４を設ける。空隙１３の一端でフィルタ１４が設置された側を空隙１３の第一端とし、第一端の反対の端を第二端とする。例えば体液中に含まれるある種のたんぱく質をセンシングする場合、水を透過し前記のある種のたんぱく質を透過しないフィルタ（例えば半透膜）を設置する。第二端より空隙１３中に体液を流しつづけることで、空隙１３中における前記ある種のたんぱく質の濃度は上昇し、前記ある種のたんぱく質の透過スペクトルを高感度に精度よく測定することができる。

この方法では、試料の高濃度化とセンシングが同一部分でできるため、試料の移し変えなどの手間が省ける。

本発明による第６の実施例を、図１０に示しながら以下に説明する。実施例１に示したような空隙１３を持った平行平板導波路１０において、空隙１３の内側に溶液中の特定な物質と特異的に結合もしくは吸着する物質１５（例えばビオチン）を施す。前記物質１５と特異的に結合する物質１６（例えばアビジン）を含む溶液を空隙１３に流す。水溶液中の前記物質１６が空隙１３の内側に施された前記物質１５に結合し、テラヘルツ波の周波数領域における前記物質１５の複素誘電率、吸収スペクトルが変化することを利用して物質のセンシングを高感度に行うことができる。この実施例の方法では、特定の物質のセンシングを高感度に行うことができるほか、透過テラヘルツ波のスペクトルから物質１５に非特異的に吸着する物質と特異的に吸着する物質を、区別することも可能である。

計測・感知・分析装置に用いる、流路を備えた平行平板導波路 計測・感知・分析装置 計測・感知・分析方法の模式図 両端に光伝導素子を設置した、流路を備えた平行平板導波路 一端に光伝導素子を設置し、別の一端にＥＯ結晶を設置した、流路を備えた平行平板導波路 試料採取機能と流路を備えた平行平板導波路 流路を備えた方形型導波管 流路を備えた伝送線路 フィルタを有した流路を備えたテラヘルツセンサ導波路 特定の物質に特異的に吸着・結合する物質を施した流路を備えたテラヘルツセンサ導波路

符号の説明

１０ 平行平板導波路
１１ａ，ｂ 金属板
１２ ポリスチレン板
１３ 空隙
１４ フィルタ
１５ 溶液中の物質と特異的に結合もしくは吸着する物質
１６ 水溶液中にあり、物質１５と特異的に結合もしくは吸着する物質
２０ フェムト秒レーザ
２１ ビームスプリッター
２２ａ，ｂ 光伝導アンテナ
２３ａ．ｂ 放物面鏡
２４ａ，ｂ 半円筒レンズ
２５ ミラー
２６ 時間遅延器
２７ テラヘルツ波パルス
３０ 空隙に試料がないときのテラヘルツ波スペクトル
３１ 空隙に試料があるときのテラヘルツ波スペクトル
３２ 空隙に試料があるときとないときのテラヘルツ波スペクトルの比
３３ａ，ｂ 光伝導アンテナ
３４ ＥＯ結晶
４０ 中空部材
４１ チューブ
４２ 注射針
５０ 方形導波管
６０ 伝送線路
６１ 信号線
６２ グラウンド
６３ 流路

Claims (2)

1. 被測定対象物を透過したテラヘルツ波を検出するための装置であって、テラヘルツ波を発生させるための発生手段と、
   前記テラヘルツ波を伝送するための金属導波管、金属平行平板導波路または伝送線路で構成されている伝送路と、
   前記伝送路を伝搬してきたテラヘルツ波を検出するための検出手段とを備え、前記伝送路をテラヘルツ波が伝搬する際に、前記伝送路でテラヘルツ波が分布する領域の一部に、前記被測定対象物を配置するための通路を有し、
   前記通路内に配置される前記被測定対象物を透過したテラヘルツ波を前記検出手段で検出し、前記通路に前記被測定対象物を導く注射針を備えることを特徴とする装置。
2. 前記通路が流路であることを特徴とする請求項１記載の装置。

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