JP6643799B2 - センサ、及び、これを用いた情報取得装置 - Google Patents

センサ、及び、これを用いた情報取得装置 Download PDF

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Description

本発明は、テラヘルツ波の発生及び検出を行うセンサ、及び、これを用いた情報取得装置に関する。
近年、テラヘルツ波（本明細書では、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を通信、セキュリティー、医療などの産業分野へ応用するための研究開発が行われている。テラヘルツ波は、物質透過性と直進性を備え、物体からの反射信号や透過信号により、物体の内部情報を高分解能で取得することが出来る。そのため、様々な非破壊及び非侵襲の検査技術が開発されている。
これまで、テラヘルツ波の発生及び検出には超短パルスレーザ又は高強度磁場、極低温環境などが必要であったため、センシングやイメージングを実現する測定装置は大型で複雑な構成となっていた。そこで、このような測定装置の小型化及び軽量化を実現する手段として、特許文献１は、テラヘルツ波を発生する発生素子及びテラヘルツ波を検出する検出素子に半導体ダイオードを用いたイメージングシステムを開示している。検出素子は、被検体を透過した又は被検体で反射したテラヘルツ波を検出して、被検体の透過像又は反射像を取得する。また、特許文献２は、テラヘルツ波の発信部、受信部及びテラヘルツ波と空間とを結合するアンテナを同一基板上に集積してモジュール化した小型のセンサを開示しており、測定装置の携帯性を向上させている。
特開２００６−１４５５１３号公報 特開２００５−２０３０４号公報
発信部から放射されたテラヘルツ波は、センサの発信部とセンサの受信部との間の光路中に配置されている光学部材で反射したり、光学部材及び被検体等の間で多重反射したりすることがある。このような反射テラヘルツ波が、半導体ダイオード等のコヒーレンス特性の良い半導体素子を集積した小型のセンサの発信部に入射すると、発信部の出力不安定化を生じることがある。すなわち、反射テラヘルツ波がセンサの発信部に入射して発生素子の特性が変化し、センサの発信部の出力が不安定化することがある。
上記課題に鑑み、本発明は、センサの発信部とセンサの受信部との間の光路中に配置されている光学部材及び被検体等で反射したテラヘルツ波の影響を低減できるセンサ及びそれを用いた情報取得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センサは、電磁波の発信及び受信を行うセンサであって、基板と、電磁波を発生する発生素子、及び前記発生素子が発生した第１の偏波方向の電磁波を放射する第一のアンテナ、を有する発信部と、前記第１のアンテナから放射された電磁波の偏波方向を変更する偏波変換部と、前記第１の偏波方向と異なる第二の偏波方向の電磁波を受信する第二のアンテナ、及び前記第二のアンテナが受信した電磁波を検出する検出素子と、を有する受信部と、を有し、前記発信部と前記受信部とは、前記基板上に配置されていることを特徴とする。
本発明の一側面としてのセンサは、センサの発信部とセンサの受信部との間の光路中に配置されている光学部材及び被検体等で反射したテラヘルツ波の影響を低減できる。
実施形態及び実施例１のセンサの構成を説明する図 （ａ）実施例１の第１の変形例のセンサの構成を説明する図、（ｂ）実施例１の第２の変形例のセンサの構成を説明する図 実施例１の第３の変形例のセンサの構成を説明する図 実施例１の第４の変形例のセンサの構成を説明する図 実施例３の情報取得装置の構成を説明する図 実施例４の情報取得装置の構成を説明する図 実施例２のセンサの構成を説明する図
（実施形態）
本実施形態に係るセンサ１００がテラヘルツ波を発生及び検出する様子について、図１（ｃ）を用いて説明する。図１（ｃ）はセンサ１００によるテラヘルツ波の発生及び検出を説明する図である。テラヘルツ波の周波数は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である。
センサ１００は、テラヘルツ波の発生及び検出を行って被検体の情報を電磁波で検知する、小型で解像度の高いセンサである。センサ１００は、基板１０３と、基板１０３上に集積された発信部１０１及び受信部１０２と、偏波変換部１０４とを備える。発信部１０１は、第一の偏波１０７を発生する。本実施形態では、第一の偏波１０７は、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波で、直線偏波であるとする。発信部１０１の第一のアンテナ１０５（以下、「アンテナ１０５」と呼ぶ）から放射された第一の偏波１０７は、偏波変換部１０４によってその偏波方向が変更される。その結果、第一の偏波１０７は、円偏波又は楕円偏波成分を含むテラヘルツ波（第三の偏波）１０９に変換されて被検体１３０に照射される。
ここで、本明細書の「偏波方向」とは、テラヘルツ波の電場の振動方向のことである。また、本明細書の「偏波方向を変更する」は、直線偏波を楕円偏波、円偏波に変更すること、及び、直線偏波を直線偏波のまま、その角度だけ変更することを含むと定義する。なお、直線偏波とは、偏波面が一つの平面に限られた偏波である。楕円偏波とは、電界（または磁界）ベクトルが時間とともに回転するような偏波であり、円偏波は、テラヘルツ波の進行方向に垂直な平面上に電界ベクトルの先端を投影したときその軌跡が円になる偏波である。
被検体１３０で反射した第三の偏波１０９は、再び偏波変換部１０４でその偏波方向を変更され、直線偏波であるテラヘルツ波（第二の偏波）１０８に変換される。このとき、第二の偏波１０８の偏波方向は、第一の偏波１０７の偏波方向と交差する。なお、第二の偏波１０８の偏波方向と第一の偏波１０７の偏波方向とは、直交することが望ましい。以降の説明では、第一の偏波１０７の偏波方向を第一の偏波方向、第二の偏波１０８の偏波方向を第二の偏波方向と呼ぶ。
ここで、発信部１０１のアンテナ１０５は、第一の偏波方向を有するテラヘルツ波と選択的に結合するが、第一の偏波方向と交差する第二の偏波方向のテラヘルツ波とは結合しない構成となっている。また、受信部１０２の第二のアンテナ１０６（以下、「アンテナ１０６」と呼ぶ）は、偏波変換部１０４で変換された第二の偏波方向のテラヘルツ波と結合して、テラヘルツ波１０８を選択的に受光する構成となっている。よって、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。
また、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の一部が、検出したい第二の偏波１０８と干渉して受信部１０２で検出されることを低減できる。よって、受信部１０２の検出信号の強度の変動等が抑制される。
本実施形態では、第一の偏波１０７及び第二の偏波１０８は、直線偏波であり、第一の偏波方向と第二の偏波方向とが交差する構成としている。しかし、これに限らず、第一の偏波１０７の偏波状態と第二の偏波１０８の偏波状態とが異なっていればよい。その場合、発信部１０１のアンテナ１０５が第一の偏波１０７の偏波状態のテラヘルツ波と選択的に結合し、受信部１０２のアンテナ１０６が第二の偏波１０８の偏波状態のテラヘルツ波と選択的に結合するように構成すればよい。
ここで、「アンテナ１０５が第一の偏波１０７と選択的に結合する」とは、アンテナ１０５に第一の偏波１０７と第一の偏波１０７と偏波状態が異なる偏波が照射された場合、アンテナ１０５は第一の偏波１０７とより効率よく結合することを指す。同様に、「アンテナ０１６は第二の偏波１０８と選択的に結合する」は、アンテナ１０７が、第二の偏波１０８と偏波状態が異なる偏波よりも、第二の偏波１０８と効率良く結合することを指す。すなわち、アンテナ１０５は、第二の偏波１０８よりも第一の偏波１０７と効率良く結合するように構成されている。また、アンテナ１０６は、第一の偏波１０７よりも第二の偏波１０８と効率良く結合するように構成されている。
センサ１００の構成について図１（ａ）、図１（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）は、センサ１００の構成を説明する断面図、図１（ｂ）はセンサ１００の上面図である。上述した通り、センサ１００は、発信部１０１と、受信部１０２と、基板１０３と、偏波変換部１０４とを備える。発信部１０１と受信部１０２とは、同一基板上（基板１０３上）に並んで配置されている。発信部１０１及び受信部１０２が、電気的な制御で電磁波を発生又は検出する電流注入型の構成であれば、センサ１００の小型化に好適である。
センサ１００は、発信部１０１と受信部１０２とを、同一基板上に１対又は複数対配置することができる。発信部１０１と受信部１０２とは、基板１０３の底面からの高さが共通の面上に配置してもよいし、基板１０３の底面からの高さが異なる面に配置されていてもよい。発信部１０１と受信部１０２との距離及び隣り合う受信部１０２同士の距離は、短い方が良く、好ましくは発生及び検出で用いるテラヘルツ波１０７〜１０９の波長の２倍以下に設定する。これにより、被検体１３０にテラヘルツ波を照射して、被検体１３０で反射したテラヘルツ波を受信部１０２で受信することにより、より高い解像度で検出できる。
センサ１００が複数の発信部１０１と複数の受信部１０２を備えている場合、発信部１０１と受信部１０２の配置はどの様な形態でも良い。一例として、１つの発信部１０１と１つの受信部１０２とを対応させて交互に配列する形態がある。他の例としては、１つの発信部１０１と複数の受信部１０２とを対応させて配列する形態、複数の発生部１０１と１つの受信部１０２とを対応させて配列する形態、などがある。また、発生するテラヘルツ波の周波数及び検出可能なテラヘルツ波の周波数がそれぞれ異なる複数の発信部１０１と複数の受信部１０２とを集積して、広い周波数範囲でセンシング可能な構成のセンサにする構成も可能である。
基板１０３の材料は、センサ１００の用途に応じて選定すればよい。基板１０３の材料の具体例としては、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体、又は、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂などを用いることができる。
発信部１０１は、第一の偏波方向の直線偏波である第一の偏波１０７を発振する。発信部１０１は、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発生する発生素子としての半導体層１１１と、第一の偏波方向のテラヘルツ波と結合するアンテナ１０５とを有する。半導体層１１１は、テラヘルツ波領域で利得を持つ負性抵抗素子（微分負性抵抗素子）を使用できる。もしくは、半導体層１１１は、サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層である量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ）等を使用できる。本実施形態の半導体層１１１は負性抵抗素子であり、電流電圧特性において電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負の抵抗をもつ領域が現れる素子である。
負性抵抗素子は、典型的には、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又はエサキダイオード、ガンダイオード、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子が好適である。また、タンネットダイオード又はインパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系電ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などを用いても良い。さらに、超伝導体を用いたジョセフソン素子の負性抵抗を用いても良い。以下では、テラヘルツ帯で動作する代表的な負性抵抗素子であるＲＴＤを半導体層１１１に用いた場合を例にして説明を進める。
アンテナ１０５は、第一の偏波方向のテラヘルツ波と結合するアンテナで、共振器及び放射器として機能する。アンテナ１０５は、マイクロストリップアンテナ又はスロットアンテナ、半波長ダイポールアンテナ、ループアンテナ、折返しダイポールアンテナなどの偏波依存性のあるアンテナを用いる。本実施形態では、アンテナ１０５として、テラヘルツ波帯における共振器であり、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ共振器の一種であるパッチアンテナを用いた例について説明する。
アンテナ１０５は、パッチ導体１１３と、接地導体１１５と、誘電体層１１６とを有する。誘電体１１６は、パッチ導体１１３と接地導体１１５との間に配置されている。ここで、「誘電体」とは、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が１ｋΩ・ｍ以上の材料が好適である。具体例としては、樹脂、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。
半導体層１１１は、パッチ導体１１３と接地導体１１５との間に配置されている。半導体層１１１が、パッチ導体１１３及び接地導体１１５のそれぞれと電気的に接続されることにより、アンテナ１０５と負性抵抗素子とが電気的に接続されている。よって、発信部１０１は、パッチアンテナ１０５と半導体層１１１とが集積されたアクティブアンテナを有する構成であり、パッチ導体１１３のｙ軸方向の幅が周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波に対してλ／２共振器となるような長さに設定される。
発信部１０１は、アンテナ１０５及び半導体層１１１としての負性抵抗素子のリアクタンスを組み合わせた並列共振回路の共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振する。半導体層１１１は、パッチ導体１１３の重心からｙ軸方向にシフトした位置に配置されており、これによりアンテナ１０５は、その偏波方向がｙ軸方向である第一の偏波を基板１０３と垂直方向の上方（＋ｚ軸方向）に放射する。
半導体層１１１としての負性抵抗素子に供給するバイアス電圧を調整するためのバイアス回路は、不図示の電源と配線１１７とを有する。電源（不図示）は、半導体層１１１の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、半導体層１１１の負性抵抗領域から選択される。バイアス電圧は、配線１１７から半導体層１１１の負性抵抗素子に供給される。
配線１１７は、アンテナ１０５に定在する周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節となる位置に配置されることが好ましい。この時、配線１１７は、周波数ｆＴＨｚ付近の周波数帯で高インピーダンスとなる。ここで、「アンテナ１０５に定在する周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電解の節となる位置」とは、アンテナ１０５に定在する周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が１桁程度低下する位置のことである。典型的には、アンテナ１０５に定在する周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、最大電界強度の１／ｅ２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。アンテナ１０５と電源（不図示）との間に低周波の寄生発振を抑制するためのシャント抵抗や並列容量を配置してもよい。
受信部１０２は、その偏波方向が第二の偏波方向であるテラヘルツ波（第二の偏波）の受信及び検出を行う。ここで、センサ１００においては、第二の偏波方向は、第一の偏波方向と交差する。受信部１０２は、第二の偏波を受信するアンテナ１０６と、アンテナ１０６が受信したテラヘルツ波を検出する検出素子１１２と、を有する。
検出素子１１２は、アンテナ１０６で受光したテラヘルツ波を検出して、テラヘルツ波を電気信号に変換する。検出素子１１２としては、種々のものが使用出来る。例えば、整流素子は、１ＴＨｚ以上の周波数で動作する素子が実現可能な素子として知られている。特に、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ）は、テラヘルツ波帯で機能し、かつ、室温で動作するので、検出素子１１２に好適である。また、整流素子は、テラヘルツ波の周波数領域においてキャリアの非線形性を有する半導体でも良く、例えば、ＲＴＤの電流電圧特性において電圧変化に伴い電流の非線形性が生じる領域を用いることも出来る。
また、テラヘルツ波の検出素子１１２として、熱型検出素子及び量子型検出素子もある。熱型検出素子としては、マイクロボロメータ（ａ−Ｓｉ、ＶＯｘなど）、焦電素子（ＬｉＴａＯ３、ＴＧＳなど）、ゴーレイセルなどがある。こうした熱型検出素子は、電磁波のエネルギーによる物性変化を熱に変換し、熱による温度変化を熱起電力又は抵抗などに変換して電磁波を検出する素子である。
量子型検出素子としては、真性半導体素子（ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）光伝導素子など）又は不純物半導体素子などがある。こうした量子型検出素子は、電磁波をフォトンとして捕らえ、バンドギャップの小さい半導体の光起電力或いは抵抗変化を検出する素子である。以下、本実施形態では、テラヘルツ波帯で動作する代表的な検出素子であるＳＢＤを検出素子１１２に用いた場合を例にして説明を進める。
検出素子１１２としてのＳＢＤは、基板側からオーミック金属、高キャリア濃度半導体、低キャリア濃度半導体、ショットキー金属の順に積層された構造を有する。パッチ導体１１４と接地導体１１６は、それぞれショットキー金属（不図示の）とオーミック金属（不図示の）に電気的に接続されており、ＳＢＤの整流電流の取り出しや、電圧制御を可能とする。検出素子１１２のｘ軸方向における位置及び検出素子１１２であるＳＢＤの構造を調整することで、アンテナ１０６のインピーダンスと検出素子１１２のインピーダンスとのインピーダンス整合を調整する。
アンテナ１０６は、アンテナ１０５と同じようにマイクロストリップアンテナ、スロットアンテナ、半波長ダイポールアンテナ、ループアンテナ、折返しダイポールアンテナなどの偏波依存性のあるアンテナを用いる。本実施形態は、アンテナ１０６としてパッチアンテナを用いた例について説明する。
アンテナ１０６は、パッチ導体１１４と接地導体１１６と誘電体１２１とを有する。誘電体１２１は、パッチ導体１１４と接地導体１１６との間に配置されている。すなわち、パッチ導体１１４及び接地導体１１６の二導体で挟まれている。アンテナ１０６は、パッチ導体１１４のｘ軸方向の幅が周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波に対してλ／２共振器となるような長さに設定される。
検出素子１１２は、パッチ導体１１４と接地導体１１６との間に配置されており、パッチ導体１１４及び接地導体１１６のそれぞれと電気的に接続されることにより、アンテナ１０６と結合している。また、検出素子１１２は、パッチ導体１１４の中心からｘ軸方向にシフトした位置に配置されており、これにより、アンテナ１０６の共振方向である第二の偏波を選択的に受光可能な構成となっている。言い換えると、アンテナ１０６は、アンテナ１０５と結合する第一の偏波方向と交差する第二の偏波方向の偏波と高効率で結合する構成となっている。
検出素子１０２は、アンテナ１０６で受信した偏波方向がｘ軸方向である第二の偏波１０８としての周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を整流して電気信号に変換することにより、第二の偏波１０８を検出する。受信部１０２からの電気信号は、電気配線１１９で伝送されて集積電子回路（不図示）で処理される。本実施形態の第二の偏波１０８は、基板１０３表面と垂直な方向に上方から、アンテナ１０６に対して−ｘ軸方向に入射する。
偏波変換部１０４は、第一の偏波１０７の偏波方向を変更する第一の変換部及び第三の偏波１０９の偏波方向を変更する第二の変換部として機能する。すなわち、本実施形態では、第一の変換部と第二の変換部とが一体に構成されている。本実施形態では、１／４波長板を用いる。
１／４波長板１０４は、発信部１０１及び受信部１０２と被検体１３０との間に配置されている。すなわち、１／４波長板１０４は、テラヘルツ波が発信部１０１から発信されてから被検体１３０に到達するまでの伝搬経路上と、テラヘルツ波が被検体１３０で反射してから受信部１０２に入射するまでの伝搬経路上と、に配置されている。
１／４波長板１０４の結晶軸は、第一の偏波及び第二の偏波の光軸（すなわちｚ軸方向）に対して回転する方向に設定される。また、１／４波長板１０４の結晶軸は、発信部１０１から放射された第一の偏波１０７が、被検体１３０で反射され、第一の偏波の偏波方向と交差する第二の偏波１０８として受信部１０２に入射するような方向に設定される。
１／４波長板１０４の材料としては、Ｘ−カット水晶が良く知られている。また、非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯｘ、ＬｉＴａＯｘ、ＮｂＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＣｄＴｅなどを用いることもできる。また、１／４波長板１０４の表面にポリエチレン又はバリレンなどのＡＲコートを配置して、１／４波長板１０４へ入射するテラヘルツ波１０７、１０９の反射を抑制する構成にしても良い。
発信部１０１のアンテナ１０５から放射された第一の偏波１０７は、第一の変換部としての１／４波長板１０４によって円偏波又は楕円偏波成分を含むテラヘルツ波１０９に変換される。テラヘルツ波１０９は、１／４波長板１０４から射出した後、被検体１３０に照射される。被検体１３０で反射したテラヘルツ波１０９は、第一の変換部と一体となっている第二の変換部としての１／４波長板１０４に入射して、第二の偏波１０８に変換される。受信部１０２のアンテナ１０６は、第二の偏波１０８の偏波状態のテラヘルツ波と結合するように設定されているため、第二の偏波１０８を受光し、検出素子１１２により整流されて電気信号に変換される。
このとき、アンテナ１０６は、１／４波長板１０４で変換された第二の偏波１０８を選択的に受光するための偏波フィルタの役割も有している。すなわち、第二の偏波１０８以外のテラヘルツ波が検出素子１１２に入射することを低減できるため、外部で反射したテラヘルツ波の干渉による影響が低減され、検出素子１１２における検出信号の強度の変動を低減できる。
また、発信部１０１のアンテナ１０５は、第一の偏波１０７の偏波状態のテラヘルツ波と選択的に結合し、第一の偏波方向と交差する第二の偏波方向とは結合しない偏波フィルタの役割も有している。このため、被検体１３０や外部の部材で反射して戻ってきた第二の偏波１０８が、発信部１０１に入射することを抑制できる。したがって、センサ１００では、外部で反射したテラヘルツ波の干渉による発信部の出力不安定化が抑制される。
特に、第一の偏波及び第二の偏波を直線偏波として、第一の偏波の電界方向を、１／４波長板１０４のｆａｓｔ軸又はｓｌｏｗ軸に対して４５度の角度をなす方向に設定すれば、より顕著な効果が期待できるため好適である。ここで、１／４波長板１０４は、複屈折性を有する結晶であり、屈折率が結晶方位により異なるため、入射した直線偏波の振動方向によって伝搬速度が異なる。したがって、上記説明において、ｆａｓｔ軸は、屈折率が小さく、入射した直線偏波が速く進む振動方向の結晶方位であり、ｓｌｏｗ軸は、屈折率が大きく、入射した直線偏波が遅く進む振動方向の結晶方位を意味する。
このとき、第一の偏波１０７は、１／４波長板１０４内でｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸の方向に９０度の位相差が生じるため、１／４波長板１０４から出射されるテラヘルツ波（第三の偏波）１０９は円偏波となる。また、被検体１３０で反射した第三の偏波１０９は、１／４波長板１０４で９０度の位相差がついた直線偏波に変換され、１／４波長板１０４を通過した後の第二の偏波１０８は、第一の偏波の偏波方向に対して９０度回転した直線偏波となる。このとき、アンテナ１０５と結合して送信されるテラヘルツ波の偏波方向とアンテナ１０６が受信するテラヘルツ波の偏波方向とは直交しており、偏波フィルタとしてより効果的に働く。
したがって、上述したように、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。
また、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。
（実施例１）
上述の実施形態のセンサ１００の構成について、より具体的に説明する。センサ１００は、周波数ｆＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚのテラヘルツ波の発信及び受信を行うセンサである。
発信部１０１の半導体層１１１は、ＲＴＤである。本実施例で用いたＲＴＤは、例えば、基板１０３上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。なお、本実施例の基板１０３は、ＩｎＰ基板を用いる。多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層で、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープ層としておく。
この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧Ｉ（Ｖ）特性において、ピーク電流密度は２８０ｋＡ／ｃｍ２であり、約０．７Ｖ以上約０．９Ｖ以下が微分負性抵抗領域となる。半導体層１１１としてのＲＴＤが約２μｍΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、微分負性抵抗−２０Ωが得られる。
アンテナ１０５は、半導体層１１１のＲＴＤと、パッチ導体１１３の一辺が約２００μｍの正方形のパッチアンテナとを含む。パッチ導体１１３と接地導体１１４との間には、誘電体１２１として約３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）を配置した。
パッチ導体１１３と接地導体１１５との間には、半導体層１１１としての直径２μｍのＲＴＤが配置されており、パッチ導体１１３及び接地導体１１５と電気的に接続されている。ＲＴＤ１１１は、パッチ導体１１３の重心から共振方向であるｙ軸方向に８０μｍシフトした位置に配置した。アンテナ１０６は、偏波方向がｙ軸方向のテラヘルツ波と結合する構成となっており、発信部１０１は、偏波方向がｙ軸方向で且つ周波数ｆＴＨｚが０．４５ＴＨｚのテラヘルツ波を＋ｚ軸方向に放射する。
受信部１０２は、アンテナ１０６と検出素子１１２とを有する。検出素子１１２は、ＳＢＤを含む。本実施例で用いたＳＢＤ１１２は、基板１０３上にエピタキシャル成長したｎ−ＩｎＰ（〜１０１７ｃｍ−３）／ｎ＋ＩｎＰを含む半導体層にメタルを成膜した構造である。半導体層の高さは、約１００ｎｍとした。具体的には、ｎ−ＩｎＰ側にショットキー電極である約３０ｎｍのＮｉを成膜し、ｎ＋ＩｎＰ側にオーミック電極であるＴｉ／Ｐｄ／Ａｕを成膜した構造で、ＳＢＤ１１２は約２μｍのメサ構造とした。
アンテナ１０６は、一辺が約２００μｍの正方形のパッチ導体１１４と接地導体１１６とで誘電体層１２１を挟んだ構造である。また、アンテナ１０６は、パッチ導体１１４と接地導体１１６との間に検出素子１１２が配置されており、パッチアンテナとして動作する。誘電体１２１には、約３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）を用いている。
パッチ導体１１４と接地導体１１６との間には、２μｍのメサ構造に形成されたＳＢＤを含む受信部１１２が配置されており、パッチ導体１１４及び接地導体１１６と電気的に接続されている。検出素子１１２は、アンテナ１０６とのインピーダンス整合を考慮して、パッチ導体１１４の重心から共振方向であるｘ軸方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。受信部１０２は、偏波方向がｘ軸方向の周波数ｆＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚのテラヘルツ波が＋ｚ軸方向から入射されて受光する構成となっている。つまり、発生素子としての半導体層１１１は、パッチ導体１１３の重心からシフトした位置に配置されており、検出素子１１２は、パッチ導体１１４の重心からシフトした位置に配置されている。このとき、半導体層１１１とパッチ導体１１３の重心とを結ぶ直線と、検出素子１１２とパッチ導体１１４の重心とを結ぶ直線とが交差するように構成する。これにより、センサ１００においては、受信部１０２のアンテナ１０６と結合する偏波の偏波方向と、発信部１０１のアンテナ１０５と結合する偏波の偏波方向とが交差する構成となる。
１／４波長板１０４は、周波数ｆＴＨｚが０．４５ＴＨｚのテラヘルツ波に対して１／４波長板となる構成である。１／４波長板１０４は、１００μｍ厚のｘカット水晶に、１μｍ厚のバリレンからなるＡＲコートが被覆されている構成であり、基板１０２の表面から３ｍｍ離した位置に設置されている。
本実施例のセンサ１００は、以下のように作製される。まず、基板１０３上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法又は有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、基板１０３側から順に、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ、ＲＴＤとなるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ、ＳＢＤとなるｎ−ＩｎＰ／ｎ＋ＩｎＰ層をエピタキシャル成長する。
つぎに、ＲＴＤを含む半導体層１１１の領域のｎ−ＩｎＰ／ｎ＋ＩｎＰ層を除去した後、直径が２μｍとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。続いて、ＳＢＤを含む検出素子１１２の領域に２μｍ角のメサ構造をエッチングで形成する。ここで、エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。また、フォトリソグラフィを用いてもよい。
続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体１１５、１１６を形成する。スピンコート法とドライエッチングを用いて誘電体１２１であるＢＣＢによる埋め込みを行う。リフトオフ法によりＲＴＤを含む半導体層１１１のメサ上にはＴｉ／Ｐｄ／Ａｕのパッチ導体１１３を形成し、ＳＢＤを含む検出素子１１２のメサ上にはＮｉ／Ａｕのパッチ導体１１４を形成する。最後に、ワイヤーボンディングなどで配線１１７、１１９と電源（不図示）と集積回路（不図示）とを接続し、機械実装によりｘカット水晶板を精度良く基板１０３に実装して、センサ１００は完成する。
本実施例では、半導体層１１１であるＲＴＤとして、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁のＲＴＤについて説明してきた。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであってもよい。例えば、２重障壁量子井戸構造を有するＲＴＤや、４重以上の多重障壁量子井戸を有するＲＴＤを用いてもよい。検出素子１１２としてのＳＢＤも同様に、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、Ｓｉ系などの半導体で構成される構造を用いることが出来る。上述の構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。
また、その材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／及びＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ
本実施例のセンサ１００の動作について説明する。発信部１０１のアンテナ１０５から放射された第一の偏波のテラヘルツ波１０７は、１／４波長板１０４によって円偏波のテラヘルツ波１０９に変換される。被検体１３０に反射した円偏波のテラヘルツ波１０９は、１／４波長板１０４内で第一の偏波に対して直交する第二の偏波のテラヘルツ波１０８に変換される。発信部１０１のアンテナ１０５は、第一の偏波と選択的に結合するが、偏波方向が直交する第二の偏波とは結合しない構成となっている。また、受信部１０２のアンテナ１０６は、第二の偏波のテラヘルツ波１０８を選択的に受光する構成となっている。
よって、本実施例のセンサ１００によれば、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。
また、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるセンサを実現できる。
ここからは、本実施例のセンサ１００の変形例について図２〜図４を用いて説明する。なお、上述のセンサ１００と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図２（ａ）は、センサ１００の第１の変形例であるセンサ３００の構成を説明する図である。センサ２００は、偏波変換部としての１／４波長板１０４が、発信部１０１及び受信部１０２とともに基板１０３上に実装されている。具体的には、１／４波長板１０４は、スペーサ２２５、２２６を用いて、発信部１０１から発信されたテラヘルツ波の伝搬経路上及び受信部１０２に入射するテラヘルツ波の伝搬経路上に配置されている。このような構成にすることにより、１／４波長板１０４と発信部１０１及び受信部１０２との間の距離を調整して、不要な干渉をさらに低減することができる。また、センサ２００の発信部１０１や受信部１０２が、被検体１３０等に接触して、汚れる懸念が低減される。
図２（ｂ）は、センサ１００の第２の変形例であるセンサ３００の構成を説明する図である。センサ３００は、第一の変換部３０４と第二の変換部３０５とを有する偏波変換部３１０を備える。第一の変換部３０４及び第二の変換部３０５は、１／４波長板である。第１の変換部３０４は、発信部１０１から発生した第一の偏波１０７が被検体に到達するまでに伝搬する伝搬経路上に配置されている。第二の変換部３０５は、被検体で反射したテラヘルツ波１０９が受信部１０２に入射するまでに伝搬する伝搬経路上に配置されている。本実施例では、第一の変換部３０４は発信部１０１のパッチ導体１１３上に配置されており、第二の変換部３０５は受信部１０２のパッチ導体１１４上に配置されている。
また、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるセンサを実現できる。本変形例の構成によれば、センサ３００は、センサ１００より小型に構成できる。
図３は、センサ１００の第３の変形例であるセンサ４００の構成を説明する図である。センサ４００は、発信部４０１と受信部４０２とが基板上に重ねて配置されており、発信部４０１の上に受信部４０２が配置されている。そして、発信部４０１から発信されたテラヘルツ波の伝播経路上及び受信部４０２に入射するテラヘルツ波の伝搬経路上に偏波変換部としての１／４波長板１０４が配置されている。
このとき、発信部４０１の第一のアンテナ４０５（以下、「アンテナ４０５」と呼ぶ）は、導体４１３と、接地導体４１５と、導体４１３と導体４１５との間に配置されている第一の誘電体４１１とを有する。受信部４１２の第二のアンテナ４０６（以下、「アンテナ４０６」と呼ぶ）は、パッチ導体４１４と、導体４１３と、パッチ導体４１４と導体４１３との間に配置されている第二の誘電体４１６とを有する。すなわち、導体４１３は、アンテナ４０５のパッチ導体とアンテナ４０６の接地導体とを兼任している。
このように、発信部４０１の上に受信部４０２が配置されている（スタックされている）構成においても、１／４波長板１０４とアンテナ４０５、４０６の偏波選択性を有する。そのため、発信部４０１と受信部４０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるセンサを実現できる。また、このような構成は、高解像力の小型のセンサとして好適である。
図４は、センサ１００の第４の変形例であるセンサ５００の構成を説明する図である。センサ５００は、発信部５０１の第一のアンテナ５０５（以下、「アンテナ５０５」と呼ぶ）及び受信部５０２の第二のアンテナ５０６（以下、「アンテナ５０６」と呼ぶ）として、スロットアンテナを用いている。すなわち、センサ５００は導体５０３を有し、アンテナ５０５、５０６は導体５０３に設けられた開口を含むスロットアンテナである。この場合、アンテナ５０５としての開口の長手方向とアンテナ５０６としての開口の長手方向とが交差するように構成する。これにより、アンテナ５０５は、第二の偏波１０８よりも第一の偏波１０７と効率よく結合し、アンテナ５０６は、第一の偏波１０７よりも第二の偏波１０８と効率よく結合する。また、センサ５００は、レンズ５１６と偏波変換部としての１／４波長板５０４とを有する。発信部５０１及び受信部５０２は、アンテナ５０５、５０６の構成以外は前述の実施形態と同様である。
レンズ５１６及び１／４波長板５０４は、発信部５０１から発信されたテラヘルツ波の伝搬経路上及び受信部５０２に入射するテラヘルツ波の伝搬経路上に配置されている。発信部５０１のアンテナ５０５は、ｙ軸方向に偏波するテラヘルツ波を基板５０３側に放射し、Ｓｉレンズ５１６を介して１／４波長板５０４に入射される。その後、不図示の被検体に照射され、被検体で反射したテラヘルツ波は、１／４波長板５０４でｘ軸方向に偏波するテラヘルツ波に変換されて、Ｓｉレンズ５１６及び基板５０３を介して受信部５０２のアンテナ５０６に受光し検出される。
このように、センサ１００では、アンテナ１０５及び１０６としてパッチアンテナを利用していたが、その他のアンテナを用いてもよい。例えば、マイクロストリップアンテナ、スロットアンテナ、半波長ダイポールアンテナ、ループアンテナ、折返しダイポールアンテナなどの偏波依存性のあるアンテナを用いることが出来る。
よって、上述の第１から第４の変形例に記載のセンサは、発信部と受信部との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体等で反射したテラヘルツ波が、発信部に入射することを低減できる。その結果、発生部の発生素子の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部と受信部との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるセンサを実現できる。
（実施例２）
本実施例のセンサ８００について図７を参照して説明する。図７は、センサ８００の構成を説明する図である。実施例１の偏波変換部３１０は、発信部の第一のアンテナと結合する第一の偏波１０７の偏波方向を変更する第一の変換部と、テラヘルツ波の偏波方向を変更して受信部の第二のアンテナと結合する第二の偏波１０８に変換する第二の変換部とを有していた。すなわち、第一の変換部と第二の変換部とを用いて第一の偏波１０７を第二の偏波１０８に変換していた。それに対し、本実施例のセンサ８００は、発信部から発信された第一の偏波１０７の偏波方向を変更することにより得られたテラヘルツ波を受信部で受信する。なお、上述のセンサ１００と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
センサ８００は、第一の偏波１０７の偏波方向を変更して第二の偏波１０８に変換する偏波変換部８０４を有する。偏波変換部８０４は、発信部１０１から発信されたテラヘルツ波の偏波方向を変更できるように、発信部１０１のパッチ導体１１３の上部に配置されている。本実施例では、偏波変換部８０４として１／４波長板を用いる。
この場合、例えば、発信部１０１のアンテナ１０５を円偏波と結合する構成として、受信部１０２のアンテナ１０６を任意の方向の直線偏波と結合する構成とする。このような構成にすることにより、発信部１０１は第一の偏波１０７として円偏波を発信する。第一の偏波１０７は、偏波変換部８０４で任意の方向の直線偏波（第二の偏波）１０８に変換されて被検体に照射される。被検体で反射した第二の偏波は、アンテナ１０６と結合するため、受信部１０２の検出素子１１２で検出される。
なお、本実施例では偏波変換部８０４を発信部１０１側に設けているが、受信部１０２側に設けてもよい。また、アンテナ１０５が円偏波と結合し、アンテナ１０６が直線偏波と結合する構成となっているが、逆の構成としてもよい。
本実施例のセンサ８００によれば、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるセンサを実現できる。
（実施例３）
本実施例では、被検体６０２の情報を取得する情報取得装置６００（以下、「装置６００」と呼ぶ）について説明する。図５は、装置６００の構成を説明する図である。図５では、被検体６０２として人の大腿を用い、被検体６０２の情報として被検体６０２の画像を取得する場合を例として示した。
装置６００は、プローブ６０１と、情報取得部６５５（以下、「取得部６５５」と呼ぶ）と、を有する。プローブ６０１は、内部にセンサ１００を有する。センサ１００の発信部１０１及び受信部１０２は、被検体６０２と対向するように配置されており、発信部１０１が発信したテラヘルツ波は、プローブ６０１から射出して、被検体６０２に照射される構成となっている。被検体６０２で反射したテラヘルツ波は、再度プローブ６０１に入射して、その内部に配置されているセンサ１００の受信部１０２で検出される。
受信部１０２の検出結果は、装置６５５に送信される。取得部６５５は、受信部１０２の検出結果を処理して、被検体６０２の情報を取得する。取得部６５５は、ＣＰＵ、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータ等を用いればよく、プローブ６０１とケーブル等で接続されている。しかし、プローブ６０１と取得部６５５とは、両者の間でデータの送付及び受信を行うことができればよく、無線で接続される等の構成であってもよい。
被検体６０２は、大腿に限らず、接触可能な生体の組織であり得る。例えば、外科手術により露出した生体組織等である。テラヘルツ波は、癌組織と正常組織との違いを識別することが出来るので、プローブ６０１は、患者の癌の存在を調べるのに使用できる。
また、プローブ６０１のように被検体に接触して使用する構成では、測定を行う際に被検体と接触させる窓部６０３を設けて、窓部６０３を介して被検体６０２にテラヘルツ波を照射するとよい。また、偏波変換部１０４を窓部６０３として用いてもよい。窓部６０３と被検体６０２とを接触させることにより被検体６０２の表面が平面になり、被検体６０２で反射したテラヘルツ波が受信部１０２で精度よく検出できるようになる。また、窓部６０３を設けることにより、プローブ６０１と被検体６０２とが接触することによってプローブ６０１に汚れが付着するのを抑制できる。
窓部６０３の材料は、テラヘルツ波をよく透過する、すなわち、テラヘルツ波に対して透明なものを用いる。プローブ６０１が窓部６０３と接触している部材を有する場合は、窓部６０３の誘電率は、窓部６０３と接触している部材の誘電率に出来るだけ近いことが望ましい。これにより、窓部６０４と窓部６０３と接触している部材との間におけるインピーダンス不整合が防止できる。また、窓部６０３の誘電率は、被検体６０２の誘電率と異なることが望ましい。これにより、被検体６０２と窓部６０３との界面における反射率を比較的大きくすることができ、受信部１０２に入射するテラヘルツ波の強度が減少することを抑制してＳ／Ｎ比を向上できる。
装置６００の水平方向における解像度は、センサ１００の基板１０３上に集積された隣り合う受信部１０２間の距離で決まる。システム６００は、被検体６０２に接触させて用いる他に、被検体から離して使うこともできる。例えば、手術により露出した生体組織を被検体６０２として測定を行う場合は、被検体６０２が敏感な状態であるため、装置６００と被検体６０２とを離して用いることが望ましい。ただし、装置６００を被検体６０２の表面に接触させて測定を行う方が、接触させない場合よりも、取得される被検体６０２の情報の精度及び取得した被検体６０２の画像の解像度等を向上できる。
上述のような装置６００においても、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、安定したテラヘルツ波を得られるプローブを実現できる。
（実施例４）
センサ１００を用いた情報取得装置７１０（以下、「装置７１０」と呼ぶ）について、図６を参照して説明する。図６は、装置７１０を説明する図である。装置７１０は、被検体７３０に線状にテラヘルツ波７０９を照射して、被検体７３０で反射したテラヘルツ波７０９を検出するラインセンサ７００と、情報取得部７５５（以下、「取得部７５５」と呼ぶ）とを有する。
ラインセンサ７００は、複数のセンサ１００を有し、複数のセンサ１００それぞれの発信部１０１及び受信部１０２が、被検体７３０に対向するように、アレイ状に配置されている。ラインセンサ７００は、テラヘルツ波７０９をベルトコンベア７５１上に配置されている被検体７３０に照射し、被検体７３０で反射したテラヘルツ波７０９を受信する。このとき、被検体７３０で反射したテラヘルツ波７０９は、ラインセンサ７００が有する１／４波長板１０４によって、テラヘルツ波７０９の偏波方向（第一の偏波方向）と交差する偏波方向の第二の偏波に変換される。
取得部７５５は、ラインセンサ７００の受信部１０３の検出結果を用いて、被検体７３０中の異物の有無、及び、被検体７３０の状態、特性等の情報を取得する装置で、ＣＰＵ、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータである。ここでは、被検体７３０の異物の例として、虫７５２、髪の毛７５３、アルミ７５４などを挙げているがこれに限らない。取得部７５５は、被検体７３０中の異物の有無の判定、及び、被検体７３０の状態、特性等の取得等を行い、その結果を、工程を管理するシステムへフィードバックする。
装置７１０は、被検体７３０として、例えば食品、医薬品、化学材料等の生産工程における粉体、ペレット、フィルムなどの成型品、又は、紙、ビニール等で包装された最終製品の情報の取得や異物の検査を行う検査システムとして使用できる。
ここで、本実施例では、ラインセンサ７００は、非接触型として説明したが、もちろん接触型であっても良い。また、ベルトコンベア７５１を挟んでラインセンサ７００を対向して配置し、被検体７３０で反射したテラヘルツ波７０９を受信してセンシングするような構成にしてもよい。
本実施例の装置７１０によれば、複数のセンサ１００それぞれの発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波が、発信部１０２に入射することを低減できる。その結果、発生部１０１の発生素子１１１の特性が変化し、テラヘルツ波を発生する発生素子１１１の出力の不安定化を低減できる。さらに、発信部１０１と受信部１０２との間のテラヘルツ波の光路中に配置されている光学部材（不図示）及び被検体１３０等で反射したテラヘルツ波の干渉によって受信部１０２の検出信号の強度が変動することも抑制できる。そのため、小型で且つ解像力が高く、高速で高感度な検査システムが実現される。
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。
上述の実施形態及び各実施例は、本発明の用紙の範囲内で組み合わせることも可能である。例えば、上述の実施例１では、センサ１００の変形例について説明したが、それぞれの変形例を組み合わせることができる。また、実施例３ではセンサ１００を有する装置６００について説明し、実施例４ではセンサ１００を用いた装置７００について説明したが、実施例１、２に記載のセンサを組み合わせて用いてもよく、センサの構成は、用途及び使用環境等に応じて選択すればよい。

Claims (18)

  1. テラヘルツ波の発信及び受信を行うセンサであって、
    基板と、
    テラヘルツ波を発生する発生素子、及び前記発生素子が発生した第一の偏波方向のテラヘルツ波を放射する第一のアンテナ、を有する発信部と、
    前記第一のアンテナから放射されたテラヘルツ波の偏波方向を変更する偏波変換部と、前記第一の偏波方向と異なる第二の偏波方向のテラヘルツ波を受信する第二のアンテナ、及び前記第二のアンテナが受信したテラヘルツ波を検出する検出素子と、を有する受信部と、を有し、
    前記発信部と前記受信部とは、前記基板上に配置されており、
    前記第一のアンテナは、第一の導体と、第二の導体と、前記第一の導体と前記第二の導体との間に配置されている第一の誘電体と、を有し、
    前記第二のアンテナは、第三の導体と、第四の導体と、前記第三の導体と前記第四の導体との間に配置されている前記第二の誘電体と、を有し、
    前記発生素子は、前記第一の導体と前記第二の導体との間で且つ前記第一の導体の重心からシフトした位置に配置されており、
    前記検出素子は、前記第三の導体と前記第四の導体との間で且つ前記第三の導体の重心からシフトした位置に配置されており、
    前記発生素子と前記第一の導体の重心とを結ぶ直線と、前記検出素子と前記第三の導体の重心とを結ぶ直線とは、交差する
    ことを特徴とするセンサ。
  2. 前記偏波変換部は、前記発生素子が発生したテラヘルツ波の偏波方向を前記第一の偏波方向から第三の偏波方向に変更する第一の変換部と、前記第三の偏波方向を前記第二の偏波方向に変更する第二の変換部と、を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記第一の変換部と前記第二の変換部とは、一体である
    ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
  4. 前記第一の変換部は、テラヘルツ波が前記発信部から発信されてから被検体に到達するまでの伝搬経路上に配置されており、
    前記第二の変換部は、テラヘルツ波が前記被検体で反射してから前記受信部に入射するまでの伝搬経路上に配置されている
    ことを特徴とする請求項２又は３に記載のセンサ。
  5. 前記偏波変換部は、テラヘルツ波が前記発信部から発信されてから被検体に到達するまでの伝搬経路上、又は、テラヘルツ波が前記被検体で反射してから前記受信部に入射するまでの伝搬経路上に配置されている
    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センサ。
  6. 前記第一の偏波方向のテラヘルツ波及び前記第二の偏波方向のテラヘルツ波は、直線偏波であり、前記第一の偏波方向と前記第二の偏波方向とは交差する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ。
  7. 前記第一の偏波方向と前記第二の偏波方向とは、直交する
    ことを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
  8. 前記偏波変換部は、１／４波長板を含み、
    前記１／４波長板は、結晶軸が前記第一の偏波方向のテラヘルツ波の光軸及び前記第二の偏波方向のテラヘルツ波の光軸に対して回転する方向になるように配置されている
    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センサ。
  9. 前記１／４波長板は、ｆａｓｔ軸及びｓｌｏｗ軸と前記第一の偏波方向及び前記第二の偏波方向とがなす角が４５度となるように配置されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
  10. 複数の前記受信部を有し、
    隣り合う前記受信部同士の距離、又は、隣り合う前記発信部と前記受信部との距離は、前記第一の偏波方向のテラヘルツ波及び前記第二の偏波方向のテラヘルツ波の波長の２倍以下であ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センサ。
  11. 前記偏波変換部は、前記発信部及び前記受信部の上に集積されている
    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センサ。
  12. 前記第一の誘電体と、前記第二の誘電体とは同一の誘電体である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センサ。
  13. 前記発信部は、前記基板の上に配置されており、
    前記受信部は、前記発信部の上に配置されている
    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センサ。
  14. 前記受信部は、前記基板の上に配置されており、
    前記発信部は、前記受信部の上に配置されている
    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センサ。
  15. 前記発生素子は負性抵抗素子を含む
    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センサ。
  16. 前記検出素子は、整流素子を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のセンサ。
  17. 前記整流素子は、ショットキーバリアダイオードである
    ことを特徴とする請求項１６に記載のセンサ。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のセンサと、
    前記センサの検出結果を用いて被検体の情報を取得する情報取得部と、を有することを特徴とする情報取得装置。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8571614B1 (en) 2009-10-12 2013-10-29 Hypres, Inc. Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits
US10222416B1 (en) 2015-04-14 2019-03-05 Hypres, Inc. System and method for array diagnostics in superconducting integrated circuit
JP2017075923A (ja) * 2015-10-16 2017-04-20 パイオニア株式会社 計測装置
US10804850B2 (en) * 2017-08-26 2020-10-13 Innovative Micro Technology Gas sensor using mm wave cavity
DE102018125050A1 (de) * 2018-10-10 2020-04-16 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Sensor
CN109449545B (zh) * 2018-12-19 2024-02-13 桂林电子科技大学 一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器
JP7286389B2 (ja) * 2019-04-15 2023-06-05 キヤノン株式会社 無線通信装置、無線通信システムおよび通信方法
JP7413672B2 (ja) * 2019-07-25 2024-01-16 日本電気株式会社 アンテナ装置、無線送信機、無線受信機、及び無線通信システム
US11879722B2 (en) * 2020-02-27 2024-01-23 Iida Co., Ltd. Method and system for estimating convergence of changes in dimensions of molded article over time
CN114070907B (zh) * 2020-07-30 2024-03-26 荣耀终端有限公司 镜头装饰组件及电子设备

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4339660A (en) * 1980-05-15 1982-07-13 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik Reflection light barrier apparatus for recognizing both strongly and weakly reflecting objects
US5227800A (en) * 1988-04-19 1993-07-13 Millitech Corporation Contraband detection system
JPH0887755A (ja) * 1994-09-13 1996-04-02 Sony Corp 光学装置
JP2000278039A (ja) * 1999-03-19 2000-10-06 Hitachi Cable Ltd 偏波共用アンテナ
GB2359716B (en) * 2000-02-28 2002-06-12 Toshiba Res Europ Ltd An imaging apparatus and method
WO2004008196A1 (ja) * 2002-07-13 2004-01-22 Autocloning Technology Ltd. 偏光解析装置
JP2004177198A (ja) 2002-11-26 2004-06-24 Hitachi Ltd 電磁波画像処理装置
KR100787988B1 (ko) * 2003-06-25 2007-12-24 캐논 가부시끼가이샤 고주파 전기 신호 제어 장치 및 센싱 시스템
JP4012125B2 (ja) * 2003-06-25 2007-11-21 キヤノン株式会社 電磁波制御装置およびセンシングシステム
US7123185B2 (en) * 2004-04-14 2006-10-17 Safeview, Inc. Enhanced surveilled subject imaging
JP2006145513A (ja) 2004-11-17 2006-06-08 Semiconductor Res Found ダイオード発振素子を用いたイメージングシステムおよびイメージング方法
JP4235251B2 (ja) * 2006-11-10 2009-03-11 パナソニック株式会社 偏波切換・指向性可変アンテナ
JP4662070B2 (ja) * 2006-11-30 2011-03-30 日本無線株式会社 ２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナおよび複直交偏波通信システム
JP5125858B2 (ja) * 2008-08-01 2013-01-23 ソニー株式会社 光学遅延装置
KR20130001969A (ko) * 2011-06-28 2013-01-07 한국전자통신연구원 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 방법 및 장치
EP2618128A1 (en) * 2012-01-19 2013-07-24 Canon Kabushiki Kaisha Detecting device, detector, and imaging apparatus using the same
US9244163B2 (en) * 2012-05-17 2016-01-26 Farrokh Mohamadi Integrated ultra wideband, wafer scale, RHCP-LHCP arrays
WO2014133098A1 (ja) * 2013-02-28 2014-09-04 シナノケンシ株式会社 情報読取素子およびそれを用いた情報読取装置
US9234797B1 (en) * 2013-03-05 2016-01-12 Exelis, Inc. Compact THz imaging detector with an integrated micro-spectrometer spectral tuning matrix
JP6214201B2 (ja) * 2013-05-02 2017-10-18 キヤノン株式会社 画像取得装置
US9307159B2 (en) * 2014-03-04 2016-04-05 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Polarization image processing apparatus

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