JP5735824B2 - 情報取得装置及び情報取得方法 - Google Patents
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Description
検出部101は、テラヘルツ波を検出する部分である。検出部101における検出手法として、テラヘルツ波の電界強度の変化による電流の変化を検出する手法がある。この手法として、励起光照射時の光伝導性の変化より、テラヘルツ波の電界強度に対応した電流を検出する手法がある。この様な電流を検出する手段として、半導体膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した素子(本明細書では光伝導素子とも呼ぶ)が適用できる。また、電気光学効果を用いてテラヘルツ波の電場を検出する手法や磁気光学効果を用いてテラヘルツ波の磁場を検出する手法がある。電気光学効果を用いて電場を検出する手法として、偏光スプリッターと電気光学結晶を用いた手段が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法として、偏光スプリッターと磁気光学結晶を用いた手法が適用できる。ここでは、検出部101として光伝導素子を用いた例を中心に説明する。
波形構築部102は、検出部101の出力を参照しテラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。テラヘルツ波は多くの場合ピコ秒以下のパルス波形であるため、実時間での取得が困難である。そのため、多くの場合、テラヘルツ波のパルス幅よりも短いパルス幅を有するパルス光でサンプリング計測を行う。検出部101として光伝導素子を用いる場合、サンプリングに用いるパルス光は上述した励起光である。励起光は、フェムト秒のパルス幅を有するパルス光である。テラヘルツ波のサンプリング計測は、検出部101に到達するテラヘルツ波と検出部101に到達する励起光のタイミングを調整して行う。多くの場合、励起光が検出部101に到達する時間を調整する。励起光のタイミングの調整手法として、励起光を発生するレーザ光源について、励起光の発生するタイミングを調整する手法がある。例えば、変調信号を発生する信号源を用いて、レーザ光源の繰り返し周波数を変調する手段がある。また、励起光のタイミングの調整手法として、励起光の伝搬長を調整し、励起光が検出部101に到達するタイミングを調整する手法がある。例えば、レーザ光源の繰り返し周波数を固定し、折り返し光学系を有するステージ(遅延光学部)で励起光の伝搬長を機械的に調整する手段がある。これらの手段は、イメージングを行う際の画像取得時間や測定精度等、装置に求められる仕様に応じて適宜選択されるものである。波形構築部102では、検出部101に到達するテラヘルツ波と励起光の時間差をモニタし、この時間差に応じた検出部101の出力をプロットすることでテラヘルツ波の時間波形を構築する。
変調部103は、物体108からのテラヘルツ波109を空間変調する部分である。具体的には、情報を画像化する物体108の水平方向の画素情報について空間変調を行う。画像化する物体の情報としては、水平方向の情報と奥行方向の情報があり得る。奥行方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向の情報であり、テラヘルツ波の時間波形の情報がこれに対応する。水平方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の情報である。言い換えると、テラヘルツ波の時間波形を構築する際の時間軸について、時間軸を或る時間に固定し、観察領域内のテラヘルツ波の強度分布をモニタした情報に相当する。また、空間変調とは、可視化される各画素について、物体108と検出部101の間の伝搬距離を各々変化させることをいう。言い換えると、画素毎にテラヘルツ波の伝搬時間を調整していることに相当する。変調部103は、物体からのテラヘルツ波109を空間変調するための変調領域112を有する。
ここで、w0は、各画素領域に対応する物体108上の場所から出射した直後のテラヘルツ波について、1/e2の強度の等高線の半径である。w(D)は、ビーム径w0を有するテラヘルツ波が距離D伝搬し、各画素領域に入射するテラヘルツ波について、1/e2の強度の等高線の半径である。λは、テラヘルツ波の波長である。ここで、画素領域のサイズは、半径w0の円を内接する四角形状と仮定すると、画素領域には、半径w(D)のテラヘルツ波が入射する。この入射するテラヘルツ波のビーム径は、画素領域よりも大きく、この画素領域に収まらない領域を重なり領域と定義する。つまり、物体108から各画素領域に到達するテラヘルツ波のビーム径が、式(1)に従って広がるとすると、重なり領域の成分が隣接する画素領域に漏れ出し、画素領域間の情報が重なる。各画素領域について、隣接する画素領域からのテラヘルツ波の重なり領域の割合Aを定めると、w(D)は次式のように定義できる。
w(D)=(1+0.01A)w0 式(2)
式(1)と式(2)より、望ましい画素領域のサイズ2w0は、重なり領域Aで定義される割合と物体108から変調部103の変調領域112までの実効的な距離Dによって次式のように求めることができる。そして、画素領域のサイズは、この2w0を包括する領域であればよい。
w0 2=Dλ/{π[(1+0.01A)2−1]1/2} 式(3)
図1の説明に戻る。調整部105は、変調部103が使用した変調パターンを参照し、テラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整する部分である。具体的には、使用した変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算する。そして、この時、時間量に基づいて、波形構築部102に記憶された第1のテラヘルツ波の第1の時間波形と第2のテラヘルツ波の第2の時間波形の時間軸上の位置を調整する。本明細書では、調整された第1の時間波形を第3の時間波形と呼び、調整された第2の時間波形を第4の時間波形と呼ぶ。調整部105は、この第3の時間波形と第4の時間波形を出力する。
(2)変調部103は図1(a)における第1のテラヘルツ波110を出射する。ここで、第1の変調パターン401は、dt1からdt9の画素領域を1つずつ含むため、9つのパルス列が出射する。
(3)検出部101は第1のテラヘルツ波110を検出し、波形構築部102は第1の時間波形403を構築する。
(4)調整部105は、使用した第1の変調パターン401を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第1の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はdt7である。
(5)調整部105は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部103を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
(6)調整部105はステップ(5)で求めた時間量に基づき、波形構築部102に記憶された第1の時間波形403の時間軸上の位置を調整し、第3の時間波形405を算出する。具体的には、ステップ(5)で求めた時間量分、第1の時間波形403の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。ここでは、変化量dt7に対応する時間量だけシフトする。
(7)図4(a)において変調部103の変調領域112の位置を調整し、第2の変調パターン402の位置にテラヘルツ波を照射する。
(8)変調部103は図1(a)における第2のテラヘルツ波111を出射する。ここで、第2の変調パターン402は、dt1からdt9の画素領域を1つずつ含むため、9つのパルス列が出射する。
(9)検出部101は第2のテラヘルツ波111を検出し、波形構築部102は第2の時間波形404を構築する。
(10)調整部105は、使用した第2の変調パターン402を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第2の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はdt2である。
(11)調整部105は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部103を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
(12)調整部105はステップ(11)で求めた時間量に基づき、波形構築部102に記憶された第2の時間波形404の時間軸上の位置を調整し、第4の時間波形406を算出する。具体的には、ステップ(12)で求めた時間量分、第2の時間波形404の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。
再び図1の説明に戻る。モニタ部104は、上述した変調部103の状態をモニタし、使用している変調パターンを確定する部分である。例えば、モニタ部104は、これまで説明した透過型もしくは反射型の変調部103にあるドライバ(203、303)の制御状態から、使用している変調パターンを確定する。また、変調領域112の状態をカメラや3次元測定器で測定し、その結果より、使用している変調パターンを確定してもよい。この様に、ここでは、モニタ部104によって変調部103の状態をモニタし、モニタ結果より、調整部105が参照する変調パターンを確定している。常時、モニタ部104の状態より変調パターンを確定することで、使用した変調パターンとは異なる変調パターンで時間波形の時間軸上の位置を調整することを防止することができる。そのため、装置の動作が安定するという効果を奏する。
加算部106は、調整部105から得られた第3の時間波形405と第4の時間波形406を加算する部分である。装置構成によっては、これらの時間波形の加算平均を取得してもよい。本明細書では、単純な加算を含むこうした処理を加算処理と呼ぶ。ここでは、加算平均をする態様で説明する。この作業は、画像化する画素毎に行われる。具体的には、画素に対応する画素領域の第3の時間波形405と第4の時間波形406を取得し、これを加算平均する。複数の時間波形を加算平均すると、信号が重なる部分が強調され、ノイズのようなランダムに発生する信号は互いに打消しあって平坦化する。その結果、信号のSN比が、加算回数の平方根に比例して改善される。本装置では、調整部105によって、着目する画素領域の信号が同じ時間軸上の位置に出現するように調整されている。そのため、着目する画素領域以外の信号の時間軸上の位置は、調整部105の調整量に従って様々な位置に配置される。その結果、着目する画素領域の信号が強調されその他の信号が平坦化することで、着目する画素領域の信号を抽出する。この様子を図4(c)に示す。これまで説明した様に、図4では、変調パターンのうち、中心の画素領域の信号に着目している。図4(b)で算出された第3の時間波形405と第4の時間波形406を加算平均すると、加算平均後の時間波形407は、重なり合う部分の信号が強調される。
画像構成部107は、加算部106で求められた時間波形より、物体108の画像化を行う部分である。具体的には、画像構成部107は、各画素領域からの時間波形について、画像化を行う画素に配置する。そして、各時間波形の時間軸を距離に換算し、物体108の奥行方向の情報として、三次元像を構成する。ここで、画像構成部107で物体108を画像化する際、予め測定された装置の参照信号を用いて逆畳み込み演算を行い、奥行方向の分解を改善する工程を含んでいてもよい。例えば、この参照信号は、物体108を設置する位置に鏡を設置し、物体108がない場合のテラヘルツ波の時間波形とする。また、測定する物体108の外形に略等しい反射物を設置し、この時のテラヘルツ波の時間波形を参照信号としてもよい。参照信号を求める際、これまで説明した変調部103を用いて、各画素領域の参照信号を求めてもよい。
(実施形態1)
図5は、実施形態1の画像形成装置及び方法の概略構成図である。ここでは、これまで説明した装置構成に対し、発生部501、レーザ源502、遅延光学部503が加わる構成である。図5の様に、この画像形成装置は、物体108に対してテラヘルツ波が反射する反射型の装置構成となっている。
実施形態2を説明する。本実施形態では、変調部103が用いる変調パターンの同定を行う部分が異なる。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図6は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。実施形態1との違いは、モニタ部104の替わりにパターン記憶部601が用いられている点である。
実施形態3を説明する。本実施形態では、発生部と検出部を共通化している。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図7は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。これまでの実施形態との違いは、発生部と検出部を共通化し発生検出部701としている点である。
Claims (11)
- 時間領域分光法により物体の情報を取得する情報取得装置であって、
前記物体からのテラヘルツ波を検出する検出部と、
前記検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部と、
前記物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の画素毎に前記検出部に至るまでのテラヘルツ波の伝搬距離を第1の変調パターンで空間変調した第1のテラヘルツ波と前記画素毎に前記伝搬距離を第2の変調パターンで空間変調した第2のテラヘルツ波とを逐次出射する変調部と、
前記第1のテラヘルツ波の第1の時間波形及び前記第2のテラヘルツ波の第2の時間波形のそれぞれの時間軸上の位置を調整する調整部であって、前記第1の変調パターンによる着目する画素のテラヘルツ波の前記伝搬距離の変化量に基づいて前記第1の時間波形の時間軸上の位置を調整した第3の時間波形と、前記第2の変調パターンによる前記着目する画素のテラヘルツ波の前記伝搬距離の変化量に基づいて前記第2の時間波形の時間軸上の位置を調整した第4の時間波形とを取得する調整部と、
前記第3の時間波形と前記第4の時間波形とを加算処理する加算部と、を有する
ことを特徴とする情報取得装置。 - 前記調整部は、前記第3の時間波形における前記着目する画素の信号の時間軸上の位置と前記第4の時間波形における前記着目する画素の信号の時間軸上の位置とが同じになるように、前記第1の時間波形及び前記第2の時間波形の時間軸上の位置を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の情報取得装置。 - 前記第1の変調パターンと前記第2の変調パターンとは、前記第3の時間波形における前記着目する画素と異なる画素の信号の時間軸上の位置と前記第4の時間波形における前記着目する画素と異なる前記画素の信号の時間軸上の位置とが異なるように構成されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報取得装置。 - 前記変調部は、前記物体から前記検出部に至るテラヘルツ波の伝搬距離について空間変調を行う
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の情報取得装置。 - 前記変調部の状態をモニタし、該変調部の状態より変調パターンを出力するモニタ部をさらに有し、
前記調整部は、前記モニタ部から出力される変調パターンを参照してテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の情報取得装置。 - 前記変調部が用いる前記第1の変調パターン及び前記第2の変調パターンを予め記憶しているパターン記憶部をさらに有し、
前記調整部は、前記パターン記憶部が記憶する前記第1の変調パターン及び前記第2の変調パターンを参照して前記第1の時間波形及び前記第2の時間波形の時間軸上の位置を調整する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の情報取得装置。 - 前記変調部は、前記画素毎にテラヘルツ波の伝搬距離が異なるテラヘルツ波透過部材を含む
ことを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の情報取得装置。 - 前記変調部は、前記画素毎に前記物体からのテラヘルツ波の前記伝搬距離を調整するテラヘルツ波反射部材を含む
ことを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の情報取得装置。 - 前記検出部が検出するテラヘルツ波は、前記画素毎に前記伝搬距離が異なるテラヘルツ波パルスを含むパルス列である
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の情報取得装置。 - 前記変調部は、前記物体からのテラヘルツ波が前記検出部に至るまでの伝搬距離について空間変調を行い、
前記画素それぞれのサイズは、前記物体から出射した直後のテラヘルツ波の強度が最大値の1/e 2 となる等高線の半径w0の2倍以上であり、前記半径w0は、前記物体から前記変調部までの実効的な距離をD、テラヘルツ波の波長をλ、任意の画素からのテラヘルツ波における前記任意の画素からのテラヘルツ波と前記任意の画素と隣接する画素からのテラヘルツ波との重なり領域の割合をAとすると、
w0 2 =Dλ/{π[(1+0.01A) 2 −1] 1/2 }
である
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の情報取得装置。 - 時間領域分光法により物体の情報を取得する情報取得方法であって、
前記物体からのテラヘルツ波を検出部により検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける前記検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築ステップと、
前記物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の画素毎に前記検出部に至るまでのテラヘルツ波の伝搬距離を第1の変調パターンで空間変調した第1のテラヘルツ波と前記画素毎の前記伝搬距離を第2の変調パターンで空間変調した第2のテラヘルツ波とを逐次出射する変調ステップと、
前記第1のテラヘルツ波の第1の時間波形及び前記第2のテラヘルツ波の第2の時間波形のそれぞれの時間軸上の位置を調整する調整ステップであって、前記第1の変調パターンによる着目する画素のテラヘルツ波の前記伝搬距離の変化量に基づいて前記第1の時間波形の時間軸上の位置を調整した第3の時間波形と、前記第2の変調パターンによる前記着目する画素のテラヘルツ波の前記伝搬距離の変化量に基づいて前記第2の時間波形の時間軸上の位置を調整した第4の時間波形とを取得する調整ステップと、
前記第3の時間波形と前記第4の時間波形とを加算処理する加算ステップと、を有する
ことを特徴とする情報取得方法。
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