JP5979774B2 - イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームの光軸の位置を補正できる光軸位置補正装置およびイメージング装置に関するものである。

テラヘルツ波帯(０．１〜１０ＴＨｚ)は、イメージング、センシング、セキュリティ、通信など多くの分野でその応用性が期待されている。テラヘルツ波は光の直進性を有するとともにプラスチック、紙、ゴム、木材、セラミックなど物質への透過性があり、安全な非破壊検査としての応用が期待されている。テラヘルツ波の発生・検出技術の飛躍的な進歩によって、その分光法であるテラヘルツ分光にも脚光が集まってきており、新しい化学センシング法や非破壊イメージング方法としての可能性が探求されている（非特許文献１）。また、ギガヘルツ（GHz）帯の電波に比べ高い周波数分解能があることから、イメージングの空間分解能や無線通信の通信速度を上げることが可能となる。ションとしてIT応用（無線通信など）、農業・食品応用、セキュリティ応用（隠匿物検査、郵便物非破壊検査など）、バイオ・メディカル応用、環境計測応用、宇宙計測応用、工業応用（LSI不良解析、新材料開発など）の分野が挙げられている。

テラヘルツ分光を用いることで、医薬品の結晶多形（結晶格子の分子配列や構造に違いのある２つ以上の結晶形が存在するもの、非特許文献２、３）の識別が可能で注目されている。この結晶多形の分子配列や構造の違いによって溶解性、形態、吸湿性といった化学的、物理的な安定性が異なるため、水等への溶解挙動が大きく異なり、医薬品の薬効が結晶多形によって大きく変化することが知られている。そのため、結晶多形の問題は、医薬品開発を行う上で不可欠であり、また販売される医薬品の品質管理としても重要な因子である。結晶多形は、通常、粉末Ｘ線、固体ＮＭＲ（Solid-state Nuclear Magnetic Resonance ）、示差走査熱計量、フーリエ変換型赤外分光法、近赤外分光法、ラマン分光法等で測定することができるが、解析は複雑でさらに、その二次元的な分布（結晶多形の成分や濃度の分布）を知ることは難しかった。最近では、テラヘルツ波を小さい部分に照射し、マッピングしながら分光することで、結晶多形の二次元分布の定性定量分析を行うことは可能となってきている（非特許文献３、図１）。一般的なテラヘルツ分光はフェムト秒の超短パルスレーザー光などが分光イメージ装置内に導かれ、光伝導アンテナなどでテラヘルツ波に変換される。光伝導アンテナは光伝導スイッチともよばれ、テラヘルツ波の発生器あるいは検出器として用いられる。光伝導アンテナの微小領域に、レンズを用いて光伝導膜をフェムト秒の超短パルスレーザーから光照射し、光伝導膜中の自由電子を励起する。自由電子を加速させるために、電極を設け、電極間に電圧をかけることによって自由電子を加速させ、テラヘルツ電磁波パルスを発生させる。しかし、フェムト秒の超短パルスレーザー光などのビームの光軸の安定性が十分でないため、光伝導膜のアンテナから放出されるテラヘルツ波（パルス）の強度には変動があり、テラへルツ分光イメージにおける定量性の精度は５−１０％程度であり、１％以下の精度が求められている。

KATSUHIRO AJITO, YUKO UENO, IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 1, NO. 1,SEPTEMBER 2011. Pp.293-300.「THz Chemical Imaging for Biological Applications」 テラヘルツ波新産業, 斗内政吉監修，シーエムシー出版，２０１１年．「結晶多形の最新技術と応用展開‐多形現象の基礎からデータベース情報まで‐」，シーエムシー出版，2005年． Molecular Crystal and Liquid Crystals. VOL 538, 「TerahertzSpectroscopic Imaging of Polymorphic Forms in Pharmaceutical Crystals」 KATSUHIRO AJITO, YUKO UENO, HO-JIN SONG,EMI TAMECHIKA, AND NAOYA KUKUTSU,２０１１年．

フェムト秒の超短パルスレーザー光などのビームの光軸の安定性が十分でなく、光伝導膜から放出されるテラヘルツ波の強度には変動があるため、テラへルツ分光イメージにおける定量性の精度は５−１０％程度であり、１％以下の精度が求められている。つまり、定量精度の高いテラヘルツ波のイメージング装置が求められる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ビームの光軸の位置を補正できる光軸位置補正装置およびイメージング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、光源から出力されるビームを光学的に処理し処理後のビームを出力する光軸位置補正装置と、前記光軸位置補正装置から出力されるビームにより得られる光を検体に照射する手段と、前記検体を経た光により画像を生成する手段とを備え、前記光軸位置補正装置は、前記光源から出力されるビームを反射させる第１ミラーと、前記第１ミラーで反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第１ビームスプリッタと、前記第１ビームスプリッタを通過したビームの光軸の位置を検出する第１検出器と、前記第１ビームスプリッタで反射したビームを反射させる第２ミラーと、前記第２ミラーで反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第２ビームスプリッタと、前記第２ビームスプリッタを通過したビームの光軸の位置を検出する第２検出器と、前記第１、第２検出器で検出されるビームの位置が予め定められた位置に一致するように前記第１、第２ミラーの向きをサンプリング周波数以上の速さで制御するフィードバック回路とを備え、前記光軸位置補正装置は、前記第２ビームスプリッタで反射したビームを出力するようになっており、前記第１、第２検出器で検出されるビームの位置が予め定められた位置になった場合には、前記第２ビームスプリッタで反射したビームの光軸の位置が予め定められた位置に一致するように構成されていることを特徴とするテラヘルツ波のイメージング装置をもって解決手段とする。

本発明に係る光軸位置補正装置およびイメージング装置よれば、ビームの光軸の位置を補正することができる。

本実施の形態に係る光軸位置補正装置を含むイメージング装置の構成を示す機能ブロック図である。 光軸位置補正装置１１の構成を示す機能ブロック図である。 イメージング装置１および旧来のイメージング装置により得た画像の一例を示す図である。 画像におけるノイズの大きさを測定した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る光軸位置補正装置を含むイメージング装置の構成を示す機能ブロック図である。

イメージング装置１は、ここでは、微量の不純物を含む可能性のある錠剤である検体Ｄの内部の画像を出力する装置であり、いわゆる非破壊検査装置である。

イメージング装置１は、光源２から出力されるビームを光学的に処理し処理後のビームを出力する光軸位置補正装置１１と、光軸位置補正装置１１から出力されるビームをパルス状の平行光に変換するパルス発生器１２と、平行光を検体Ｄ内のスポットに集光する集光レンズ１３と、検体Ｄを通過して放射状に広がる光を平行光に変換するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４による変換後の平行光により画像を生成する画像化装置１５と、検体Ｄを収める容器Ｄ１を載置するためのステージ１６と、検体Ｄを通過する光の光軸と垂直な方向におけるステージ１６の位置を調整するステージ位置調整装置１７と、検体Ｄを通過する光の光軸の方向におけるステージ１６の位置を調整するステージ位置調整装置１８とを備える。

つまり、イメージング装置１は、光軸位置補正装置１１と、光軸位置補正装置１１から出力されるビームにより得られる光（集光された光）を検体Ｄに照射する手段（パルス発生器１２および集光レンズ１３）と、検体Ｄを経た光（コリメートレンズ１４による変換後の平行光）により画像を生成する手段（コリメートレンズ１４および画像化装置１５）とを備える。

制御装置３は、画像化装置１５で生成される画像や画像を得るためのスペクトルや透過率などを蓄積して記憶し、また、パルス発生器１２の動作を制御するものである。

なお、図示しないが、旧来のイメージング装置は、光軸位置補正装置１１を備えず、光源２から出力されるビームをパルス発生器１２で受光する構成となっている。

図２は、光軸位置補正装置１１の構成を示す機能ブロック図である。

光軸位置補正装置１１は、光源２から出力されるビームを反射させる第１ミラー１１１と、第１ミラー１１１で反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第１ビームスプリッタ１１２と、第１ビームスプリッタ１１２を通過したビームの光軸の位置を検出する第１検出器１１３と、第１ビームスプリッタ１１２で反射したビームを反射させる第２ミラー１１４と、第２ミラー１１４で反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第２ビームスプリッタ１１５と、第２ビームスプリッタ１１５を通過したビームの光軸の位置を検出する第２検出器１１６と、第１検出器１１３、第２検出器１１６で検出されるビームの位置が予め定められた位置に一致するように第１、第２ミラー１１１、１１４の向きを制御するフィードバック回路１１７とを備え、第１検出器１１３、第２検出器１１６で検出されるビームの位置が予め定められた位置になった場合には、第２ビームスプリッタ１１５で反射したビームの光軸の位置が予め定められた位置、（具体的には、パルス発生器１２の受光領域の中心点の位置）に一致するように構成されている。

第１、第２ミラー１１１、１１４は、例えば、金やアルミナでビームを反射させるものである。

前述のように、光源２から出力されるビームの波長は、例えば、１００ｎｍ以上であり、このようなビームは、第１ビームスプリッタ１１２、第２ビームスプリッタ１１５を通過すると波長が変化する。よって、仮に、第１ビームスプリッタ１１２を通過したビームを第２ビームスプリッタ１１５に導き、第２ビームスプリッタ１１５を通過したビームを出力した場合には、この出力されるビームの波長は、光源２から出力されるビームの波長とは異なってしまう。一方、第１検出器１１３、第２検出器１１６は、波長とは関係なく、ビームの光軸の位置を検出すればよい。よって、ここでは、第１ビームスプリッタ１１２、第２ビームスプリッタ１１５を通過したビームを、第１検出器１１３、第２検出器１１６に導くようにしている。

光軸位置補正装置１１は、第２ビームスプリッタ１１５で反射したビームを出力し、パルス発生器１２は、光軸位置補正装置１１から出力されるビームをパルス状の平行光に変換する。

第１検出器１１３、第２検出器１１６のそれぞれ（以下、検出器という）は、例えば、ビームを受光する受光面を有し、受光面は中心点をもつ。受光面は、中心点を境に、縦横でそれぞれ２分割され、つまり、４分割されている。

イメージング装置１にあっては、検出器により受光されるビームの光軸が中心点にあると、パルス発生器１２により受光されるビームの光軸が、パルス発生器１２の受光領域の中心点にくるようになっている。そうなっている場合には、画像化装置１５で受光される光の位置が画像化に最適な位置と一致するように、予めパルス発生器１２の位置、集光レンズ１３の位置、コリメートレンズ１４の位置、画像化装置１５の位置などが調整されている。

しかし、光源２から出力されるビームは、外的要因（温度など）により向きを変えるので、その場合、検出器で受光されるビームの光軸の位置は受光面の中心点にならない。

例えば、光伝導アンテナを利用したパルス発生器１２では、受光領域の直径が５μｍ程度なので、仮に、光軸位置補正装置１１がなく、光源２から出力されるビームが向きを変えると、ビームは受光領域から外れてしまう。

そこで、検出器、フィードバック回路１１７は、以下のように機能する。

検出器は、４分割された各受光面で受光したビームの強度を信号によりフィードバック回路１１７に通知する。各受光面で受光したビームの強度が互いに等しい場合、ビームの光軸は中心点にあることになる。

第１、第２ミラー１１１、１１４のそれぞれ（以下、ミラーという）は、例えば、信号により、直交する２方向のそれぞれの方向（例えば、図２の紙面に平行な方向と垂直な方向）に対する向きを変えることができる（２軸駆動）ようになっている。

フィードバック回路１１７は、信号により通知される、各受光面で受光したビームの強度が互いに等しくない場合は、信号によりミラーの向きを変えて、ビームの強度が互いに等しくなるようにする。

これにより、検出器により受光されるビームの光軸は、検出器の受光面の中心点に位置することとなる。つまり、光軸位置補正装置１１から出力されるビームの光軸は、パルス発生器１２の受光領域の中心点に位置することとなる。

なお、ミラーは、１軸駆動としてもよい。例えば、第１ミラー１１１は、例えば、図２の紙面に平行な方向に対する向きを変えられ、第２ミラー１１４は、例えば、図２の紙面に垂直な方向に対する向きを変えられるようにしてもよい。

また、光源２から第１検出器１１３までの距離と、光源２から第２検出器１１６までの距離を比較すると、後者の方が長い。よって、光源２から出力されたビームの光軸が同じだけ向きを変えたとしても、第２検出器１１６で受光するビームの光軸のずれの方が、第１検出器１１３で受光するビームの光軸のずれよりも大きい。よって、まず、第１ミラー１１１と第１検出器１１３で粗く光軸調整を行い、その後に、第２ミラー１１４と第２検出器１１６で微調整を行うのが好ましい。

また、光源２から第２検出器１１６までの距離を、光源２からパルス発生器１２までの距離に等しくすることで、第２検出器１１６で受光するビームの光軸がずれていなければ、パルス発生器１２で受光するビームの光軸もずれていないことになるので、第２検出器１１６をそのように配置するのが好ましい。

テラヘルツ波を用いた測定では、通常、１ＫＨｚでサンプリングを行うので、ミリ秒のオーダーで、第１、第２ミラー１１１、１１４を制御することが重要である。すなわち、サンプリング周波数に応じて、同等かそれ以上の速さで、これらのミラーを制御することにより、パルス発生器１２で受光されるビームの光軸の位置を、サンプリング周波数に応じた速さで補正することができる。

図１に戻り、光源２から出力されるビームのパルス幅は、例えば、１０フェムト秒（ｆｓ）であり、ビームの波長は、１００ｎｍ以上である。

パルス発生器１２は、例えば、光伝導アンテナを利用したものである。パルス発生器１２から光軸位置補正装置１１へ戻る戻り光は無視できる。つまり、パルス発生器１２は励起光のみを利用する。

集光レンズ１３から出力される光は、検体Ｄ内のスポットに集光される。スポットの大きさは、光の開口数と波長によって定まる。光軸に垂直な方向におけるスポットの大きさは、開口数に反比例し、波長に比例する。光軸の方向におけるスポットの大きさは、開口数の二乗に反比例し、波長に比例する。

パルス発生器１２が光伝導アンテナを利用したものである場合、画像化装置１５にも光伝導アンテナが利用される。

画像化装置１５は、瞬間的には、検体Ｄのスポットにある成分の特性を反映した光を受光し、この光の強度や位相、つまり、特性を反映した強度や位相を検出する。

具体的には、画像化装置１５は、光の強度や位相の時間変化を検出し、得られた時間波形をフーリエ変換し、変換後に得られる、ビームの強度や位相のスペクトルを数値化し、つまり、透過率や吸収率など得る。

画像化装置１５に、電気光学結晶、ボロメータ、ショットキーバリアダイオードなどを利用する場合は、分光器を付加し、上記のようにスペクトルを測定する。制御装置３は、スペクトルや透過率などを蓄積して記憶する。

こうして、１つのスポットについて透過率などの値が得られるが、ステージ位置調整装置１７は、ステージ１６を光軸に垂直な方向に走査させる。

画像化装置１５は、走査中のときどきで、つまり、光軸に垂直な方向における複数のスポットの位置で、それも２次元の広がりをもつ複数のスポットの位置で、スポットの値を得る。つまり、画像化装置１５は、検体Ｄについての２次元の画像（透過率の分布画像など）を得る。

例えば、ステージ位置調整装置１８は、２次元の画像が得られたら、ステージ１６を光軸の方向に走査し、画像化装置１５は、光軸の方向における複数の位置で、２次元の画像を得る。つまり、画像化装置１５は、検体Ｄの内部の立体的な画像（いわゆる３次元画像）を得ることができる。

例えば、画像の濃さは、検体Ｄの透過率を反映し、吸収率は、透過率に相反する。

透過率と透過率については、ランベルト・ベールの法則から、式（１）の関係が成立する。

Ａ＝ｌｏｇ（Ｔ／１００）＝αＬＣ （１）
ここで、ｆはビームの周波数、Ｔは透過率、Ａは吸収率、αは吸収係数、Ｌは検体Ｄを構成する該当成分の硬さ、Ｃは同成分の濃度である。

例えば、透過率Ｔは、スポットのスペクトルから得られる実測値であり、これを式（１）に代入することで、スポットでの吸収率Ａが求められる。また、前述のように、ステージ１６を走査することで、吸収率Ａの２次元や３次元の分布やその中でのピーク値が得られる。これは、該当成分の検体Ｄでの分布やピーク値を表すものである。こうして、検体Ｄを構成する各成分の吸収率を表す画像が構成される。

図３は、イメージング装置１および旧来のイメージング装置により得た画像の一例を示す図である。

本実施例においては、光源２から出力されるビームのパルス幅は、１０フェムト秒（ｆｓ）とし、ビームの波長は、８００ｎｍとした。

パルス発生器１２、画像化装置１５は、低温成長のＧａＡｓから成る光伝導アンテナを利用するものとした。パルス発生器１２から出力されるビームは、いわゆるテラヘルツ波とした。集光レンズ１３は、プラスチックのものとした。検体Ｄは、ファモチジンを含む胃薬の錠剤とした。

画像化装置１５は、受光した光の強度、位相のそれぞれを示す電流値の時間変化を検出し、得られた時間波形をフーリエ変換するようにした。画像化装置１５は、フーリエ変換により得た強度や位相のスペクトルからスポットの透過率を得た。そして、ステージ１６を光軸と垂直な方向に走査することで、画像化装置１５は、光軸と垂直な方向における透過率の分布を示す画像を得た。

ファモチジンは、主に２つの結晶多形を有し、一方をＡ型結晶、他方をＢ型結晶という。本実施例では、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤と、ポリエチレンの錠剤の内部をイメージング装置１と旧来のイメージング装置のそれぞれで得た。各錠剤の直径は７ｍｍ程度、厚さは１ｍｍ程度である。

まず、図３（ａ）について説明する。

Ｂ型結晶は、１．２ＴＨｚに吸収特性のピークがあり、一方、Ａ型結晶とポリエチレンは１．２ＴＨｚのビームを吸収しない。よって、光源２から出力されるビームの周波数を１．２ＴＨｚとすると、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤の１つに、Ａ型結晶の不純物が混在している場合、その錠剤の画像においては、その不純物の部分の透過率だけが高く、画像が薄くなる。Ｂ型結晶から作成した他方の錠剤の画像には、そのような部分がなく、つまり、Ａ型結晶の不純物が存在していないことになる。ポリエチレンの錠剤の画像は、Ａ型結晶と同様に、１．２ＴＨｚのビームを吸収しないので、不純物の部分と同様な濃度を全体にもつ画像となる。

一方、旧来のイメージング装置では、例えば、ビームの光軸がずれており、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤のいずれの画像においても、不純物が映されなかった。

次に、図３（ｂ）について説明する。

Ａ型結晶は、１．６ＴＨｚに吸収特性のピークがあり、一方、Ｂ型結晶とポリエチレンは１．６ＴＨｚのビームを吸収しない。よって、光源２から出力されるビームの周波数を１．６ＴＨｚとすると、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤の１つに、Ａ型結晶の不純物が混在している場合、画像においては、その不純物の部分の透過率だけが低く、画像が濃くなる。Ｂ型結晶から作成した他方の錠剤の画像には、そのような部分がなく、つまり、Ａ型結晶の不純物が存在していないことになる。ポリエチレンの錠剤の画像は、Ｂ型結晶と同様に、１．６ＴＨｚのビームを吸収しないので、不純物のない方の錠剤の画像と同様な画像となる。

一方、旧来のイメージング装置では、例えば、ビームの光軸がずれており、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤のいずれの画像においても、不純物が映されなかった。

すなわち、本実施例の測定の結果、Ｂ型結晶から作成した２つの錠剤の１つに、Ａ型結晶の不純物が混在していることがわかり、例えば、画像の濃度を比較することで、不純物の濃度が約１％であることがわかった。

図４は、画像におけるノイズの大きさを測定した結果を示す図である。

図４（ａ）は、旧来のイメージング装置で検体Ｄである錠剤の断面を２回画像化し、２回目の画像のノイズを測定したときのものである。図のように、大きなノイズが確認された。

図４（ｂ）は、イメージング装置１で、例えば、ビームが１５ｍｍ進行したときのずれの角度を１０μラジアンより小さくすることで、同じように、２回目の画像のノイズを測定したときのものである。図のように、ノイズが低減され、ノイズの揺らぎも低減されていることが、確認された。

以上のように、本実施の形態においては、光軸位置補正装置１１を設けたことで、光源２から出力されるビームの光軸の位置が変動した場合であっても、パルス発生器１２の受光領域でビームを受光することができ、そのような場合であっても、検体Ｄの画像を得ることができる。

なお、集光レンズ１３に代えて、パルス発生器１２から出力されるビームを反射させ、且つ、検体Ｄ内のスポットに集光する軸外放物面鏡を用いてもよい。

また、コリメートレンズ１４に代えて、検体Ｄを通過したビームを反射させ、且つ、平行なパルス状のビームに変換する軸外放物面鏡を用いてもよい。

軸外放物面鏡は、平行光を無収差で焦点（スポット）に集光させる、または、焦点（スポット）から出て放射状に広がるビームを平行光に変換する非球面鏡である。

また、検体Ｄを通過したビームを画像に変換するのでなく、検体Ｄで反射したビームを画像に変換してもよい。

１ イメージング装置
２ 光源
３ 制御装置
１１ 光軸位置補正装置
１２ パルス発生器
１３ 集光レンズ
１４ コリメートレンズ
１５ 画像化装置
１１１ 第１ミラー
１１２ 第１ビームスプリッタ
１１３ 第１検出器
１１４ 第２ミラー
１１５ 第２ビームスプリッタ
１１６ 第２検出器
１１７ フィードバック回路
Ｄ 検体

Claims (1)

1. 光源から出力されるビームを光学的に処理し処理後のビームを出力する光軸位置補正装置と、
   前記光軸位置補正装置から出力されるビームにより得られる光を検体に照射する手段と、
   前記検体を経た光により画像を生成する手段と
   を備え、
   前記光軸位置補正装置は、
   前記光源から出力されるビームを反射させる第１ミラーと、
   前記第１ミラーで反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第１ビームスプリッ
   タと、
   前記第１ビームスプリッタを通過したビームの光軸の位置を検出する第１検出器と、
   前記第１ビームスプリッタで反射したビームを反射させる第２ミラーと、
   前記第２ミラーで反射したビームの一部を反射し一部を通過させる第２ビームスプリッ
   タと、
   前記第２ビームスプリッタを通過したビームの光軸の位置を検出する第２検出器と、
   前記第１、第２検出器で検出されるビームの位置が予め定められた位置に一致するように前記第１、第２ミラーの向きをサンプリング周波数以上の速さで制御するフィードバック回路と
   を備え、
   前記光軸位置補正装置は、
   前記第２ビームスプリッタで反射したビームを出力するようになっており、
   前記第１、第２検出器で検出されるビームの位置が予め定められた位置になった場合には、前記第２ビームスプリッタで反射したビームの光軸の位置が予め定められた位置に一致するように構成され、
   前記光源から前記第１検出器での距離より前記光源から前記第２検出器までの距離の方が長く、前記第１検出器で検出されるビームの位置の調整を先に行い、前記第２検出器で検出されるビームの位置の調整を後に行う
   ことを特徴とするテラヘルツ波のイメージング装置。