JP6748933B2

JP6748933B2 - テラヘルツ照射位置の可視化装置

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Publication number: JP6748933B2
Application number: JP2015087318A
Authority: JP
Inventors: 誠二福冨; タケル大橋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: JP2016205981A

Description

本発明は、テラヘルツ照射位置の可視化装置に関する。

テラヘルツ波を用いて非接触で塗装膜などの膜厚を計測する膜厚検査装置として、例えば特許文献１が既に開示されている。

特許文献１の膜厚の検査装置は、テラヘルツ波発生器と、テラヘルツ波を試料に照射する照射光学系と、反射したテラヘルツ波を検出し検出信号を出力するテラヘルツ波検出器と、参照信号を用いて検出信号を補正する制御装置とを備える。

また、レーザーを用いて３次元位置を表示する手段は、例えば特許文献２に開示されている。

特許文献２の形状計測装置は、レーザーマーカと水中カメラとを同方向に向けて固定した架台と、架台を各方向へ移動すると共にその移動に伴う位置データを送信する駆動機構と、架台の移動および姿勢の制御とレーザービームの照射制御を行うと共に、水中カメラにより撮像された画像を取得して計測部位の３次元データを生成する遠隔ユニットとを備える。

特開２０１２−２２５７１８号公報特開２００８−１１１７８０号公報

テラヘルツ波は、光と電波の中間領域である約３ｍｍから約３μｍの波長を有する電磁波である。そのため、テラヘルツ波の照射位置は目視できず、従来は照射位置（測定位置）を機械的に推定する必要があり、測定位置を正確に認識できなかった。

特許文献２では、レーザーマーカと水中カメラとを同方向に向けて、レーザービームの照射位置を水中カメラで撮影し、その画像から計測部位の３次元データを生成している。
しかし、テラヘルツ波の照射位置（例えば照射点）が３次元空間上にあり、その位置にテラヘルツ波の存在を示す物体（センサ、試料、など）がない場合には、その位置を正確に認識又は可視化することはできない。その結果、従来は、計測ポイントが不正確になる問題点があった。

また、機械的な位置検出用マーカー（例えば、反射体、線材、スリット、針の尖端、開口のある円板、など）で３次元空間上のテラヘルツ波の照射位置を目視可能に示すと、テラヘルツ波の特性（強度分布、波形など）に影響するおそれがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、テラヘルツ波の照射位置（例えば照射点）が３次元空間上にある場合でも、テラヘルツ波の特性に影響を与えることなく、その位置を正確に可視化することができるテラヘルツ照射位置の可視化装置を提供することにある。

本発明によれば、３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点で交差する可視光を出力する３次元ポインタを備え、
前記可視光は、複数の可視光線レーザーであり、
前記３次元ポインタは、前記可視光線レーザーを出力する１又は複数のレーザー装置であり、
前記可視光線レーザーのうち少なくとも１つは、前記テラヘルツ波の光軸に沿って前記照射点を通る、ことを特徴とするテラヘルツ照射位置の可視化装置が提供される。

複数の前記可視光線レーザーは、赤色、緑色、及び青色を含み、加法混色により前記照射点を白色に発光させる。

前記３次元ポインタは、前記可視光線レーザーを透過レーザーと反射レーザーとに分割するビームスプリッターと、
前記透過レーザーを前記照射点に向けて反射する反射ミラーと、を有し、
前記ビームスプリッターは、前記反射レーザーを前記照射点に向けて反射する。

さらに、前記テラヘルツ波の前記照射点の近傍を撮像する撮像装置を備える、ことが好ましい。

上記本発明によれば、３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点で交差する又は焦点を結ぶ可視光（例えば、レーザー又は発光源からの可視光）を出力する３次元ポインタを備えるので、可視光の交点又は焦点を目視で確認できる。これにより、テラヘルツ波の照射点を正確に認識することができ、照射点が明確になり、所望の計測位置のテラヘルツ波を測定することができる。
また、照射点を可視光のみで可視化するので、テラヘルツ波の特性への影響はほんどなく、かつ発光源を消すことで影響を完全に無くしてテラヘルツ波を測定することができる。

テラヘルツ分析装置の一例を示す図である。図１のテラヘルツ分析装置の主要部の構成図である。本発明の可視化装置の第１実施形態図である。本発明の可視化装置の第２実施形態図である。本発明の可視化装置の第３実施形態図である。本発明の可視化装置の第４実施形態図である。本発明の可視化装置の第５実施形態図である。本発明の可視化装置の第６実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、テラヘルツ分析装置の一例を示す図である。
この図において、１，２はレーザー、３は放射素子（エミッタ）、４ａ，４ｂは軸外し放物面鏡、５ａ，５ｂは反射ミラー、６は検出素子（デテクタ）、７は計測制御装置、８ａ，８ｂは集光レンズである。

レーザー１，２は、例えばフェトム秒ファイバレーザー、すなわち、高出力のパルスレーザーである。パルスレーザーの半値幅は例えば約１０^−１５ｓｅｃ（＝１０ｐｓｅｃ）のオーダである。

レーザー１は、複数の反射ミラーＭを介して集光レンズ８ａに入射し、集光レンズ８ａにより放射素子３に集光される。
また、レーザー２は、複数の反射ミラーＭを介して集光レンズ８ｂに入射し、集光レンズ８ｂにより検出素子６に集光される。レーザー２は、この例ではプローブ光である。

放射素子３は、例えば光伝導アンテナであり、レーザー１により数十ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を発生する。このテラヘルツ波は、反射ミラー５ａと軸外し放物面鏡４ａを介して照射点Ｆに集光される。

照射点Ｆを通過したテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡４ｂと反射ミラー５ｂを介して検出素子６に入射する。

検出素子６は、例えばテラヘルツ波検出器であり、レーザー２（プローブ光）が入射したときのテラヘルツ波の電場強度を計測制御装置７へ出力する。検出素子６は、レーザー２が入射した時点のみのテラヘルツ波を検出する。プローブ光の半値幅は、上述したように、例えば約１０^−１５ｓｅｃ（＝１０ｐｓｅｃ）のオーダである。

上述したテラヘルツ分析装置の構成により、照射点Ｆに試料Ｓを配置し、照射点Ｆを通過したテラヘルツ波の電場強度を計測制御装置７により検出することで、試料Ｓの物性（材質、厚さ、など）を分析することができる。

図２は、図１のテラヘルツ分析装置の主要部の構成図である。なおこの図において、放射素子３（エミッタ）、軸外し放物面鏡４ａ，４ｂ、反射ミラー５ａ，５ｂ、及び検出素子６（デテクタ）の配置は、図１と異なるが、それぞれの機能は同一である。

図３は、本発明によるテラヘルツ照射位置の可視化装置の第１実施形態図である。
本発明の可視化装置は、３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点Ｆで交差する可視光１１を出力する３次元ポインタ１０を備える。

図３において、可視光１１は、照射点Ｆで交差する複数（この例で２つ）の可視光線レーザー１２ａ，１２ｂである。また、３次元ポインタ１０は、可視光線レーザー１２ａ，１２ｂを出力する複数（この例で２つ）のレーザー装置２０ａ，２０ｂである。

なおこの構成の場合、可視光線レーザー１２ａ，１２ｂの交点は、自動的には照射点Ｆと一致しない。そのため、照射点Ｆの３次元位置を他の手段（例えば、機械的な位置検出用マーカーで予め決定しておき、その位置と可視光線レーザー１２ａ，１２ｂの交点が一致するように設定する必要がある。位置検出用マーカーはその後で撤去する。位置検出用マーカーは、例えば、反射体、線材、スリット、針の尖端、開口のある円板、などである。

レーザー装置２０ａ，２０ｂは、ＣＷレーザーであるのが好ましい。また、レーザー装置２０ａ，２０ｂは、固体レーザー、液体レーザー、ガスレーザー、半導体レーザー、その他のレーザー装置であってもよい。
複数の可視光線レーザーは、好ましくは、赤色（波長：約６２５−７４０ｎｍ）、緑色（波長：約５００−５６０ｎｍ）、及び青色（波長：約４４５−４８５ｎｍ）を含み、加法混色により照射点Ｆを白色に発光させるようになっている。

上述した第１実施形態の構成により、可視光線レーザー１２ａ，１２ｂが３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点Ｆで交差するので、照射点Ｆを可視光１１の交点として目視で確認できる。
また、赤色、緑色、及び青色を含む可視光線レーザー１２ａ，１２ｂにより、加法混色により照射点Ｆを白色に発光させることで、照射点Ｆを白く光らせることができ、照射点Ｆをより明確に目視で確認できる。

この例において、可視化装置は、さらに、テラヘルツ波の照射点Ｆの近傍を撮像する撮像装置１４を備える。
この撮像装置１４を用いて、テラヘルツ波の照射点Ｆの近傍の画像をディスプレイ装置（図示せず）に拡大表示することができ、照射点Ｆを容易に目視確認できる。

図４は、本発明の可視化装置の第２実施形態図である。
この図において、可視光１１は、照射点Ｆで交差する複数（この例で２つ）の可視光線レーザー１２ａ，１２ｂである。また、３次元ポインタ１０は、可視光線レーザー１２ｃを出力する単一のレーザー装置２０ｃを有する。

図４の３次元ポインタ１０は、さらにビームスプリッター２１と反射ミラー２２を有する。
ビームスプリッター２１は、可視光線レーザー１２ｃを透過レーザーａと反射レーザーｂとに分割する。反射レーザーｂは可視光線レーザー１２ｂである。ビームスプリッター２１は、反射レーザーｂ（可視光線レーザー１２ｂ）を照射点Ｆに向けて反射する。
反射ミラー２２は、透過レーザーａを照射点Ｆに向けて可視光線レーザー１２ａとして反射する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した第２実施形態の構成により、単一のレーザー装置２０ｃで可視光線レーザー１２ａ，１２ｂを発生させることができる。なお、ビームスプリッター２１と反射ミラー２２の位置は、上述した可視光線レーザー１２ａ，１２ｂと同様に予め位置検出用マーカーなどを用いて設定する必要がある。
第２実施形態の効果は、第１実施形態と同様である。

図５は、本発明の可視化装置の第３実施形態図である。
この例において３次元ポインタ１０は、可視光線レーザー１２ｄをテラヘルツ波の光軸に沿って出力するレーザー装置２０ｄと、可視光線レーザー１２ｄを照射点Ｆに集光させる集光光学系２３と、を有する。集光光学系２３は例えば凸レンズである。

この例において、可視光１１は、照射点Ｆで焦点を結ぶ可視光線レーザー１２ｄである。図５において、テラヘルツ照射位置の軸外し放物面鏡４ａに可視光線レーザー１２ｄを通す可視光窓９ａが設けられており、可視光線レーザー１２ｄは、可視光窓９ａを通ってテラヘルツ波の光軸に沿って集光され照射点Ｆに焦点を結ぶようになっている。可視光窓９ａは可視光線レーザー１２ｄを通す限りで貫通穴、透明体、半透明体、又はハーフミラーであるのがよい。

なお、レーザー装置２０ｄと集光光学系２３の位置は、予め位置検出用マーカーなどを用いて設定する必要がある。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した第３実施形態の構成により、可視光線レーザー１２ｄがテラヘルツ波の光軸に沿っているので、テラヘルツ波の光軸を可視化することができる。
また、この構成により、可視光線レーザー１２ｄが照射点Ｆに焦点を結ぶので、照射点Ｆを集光された可視光線レーザー１２ｄの焦点として精密に可視化できる。
その他の効果は、第１実施形態と同様である。

図６は、本発明の可視化装置の第４実施形態図である。
この図において、可視光１１は、照射点Ｆで交差する複数（この例で３つ）の可視光線レーザー１２ａ，１２ｂ，１２ｄである。また、３次元ポインタ１０は、可視光線レーザー１２ａ，１２ｂ，１２ｄを出力する複数（この例で３つ）のレーザー装置２０ａ，２０ｂ，２０ｄである。
なお、図５における集光光学系２３は省略されている。

この例において、３つの可視光線レーザー１２ａ，１２ｂ，１２ｄは、赤色Ｒ、緑色Ｇ、又は青色Ｂのレーザーであり、加法混色により照射点Ｆを白色に発光させるようになっている。
その他の構成は、第１、第３実施形態と同様である。

上述した構成により、赤色、緑色、及び青色の３つの可視光線レーザー１２ａ，１２ｂ，１２ｄにより、加法混色により照射点Ｆを白色に発光させることで、照射点Ｆを白く光らせることができ、照射点Ｆをより明確に目視で確認できる。
その他の効果は、第１、第３実施形態と同様である。

図７は、本発明の可視化装置の第５実施形態図である。
この図において、本発明の３次元ポインタ１０は、可視光１１を発光する発光源２４ａを有する。

この例で、発光源２４ａは、テラヘルツ波の放射素子３の放射点を囲む発光ダイオードである。発光源２４ａは、円形の単一発光ダイオード又は円形に配置された複数の発光ダイオードであるのがよい。
発光源２４ａ（発光ダイオード）から出た可視光１１は、テラヘルツ波の光軸に沿ってテラヘルツ波の光学系により照射点Ｆを囲む位置に集光する。すなわち、可視光１１は、反射ミラー５ａと軸外し放物面鏡４ａを介して照射点Ｆを囲む位置に集光される。

この例では、発光源２４ａが、テラヘルツ波の放射素子３を囲む位置にあるので、可視光１１の集光位置はテラヘルツ波の照射点Ｆを囲む位置となる。すなわち、この構成では、位置検出用マーカーを用いることなく、可視光１１の集光位置を照射点Ｆの近傍に自動的に設定することができる。
上述した第５実施形態の構成により、可視光１１が３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点Ｆを囲む位置に焦点を結ぶので、照射点Ｆを集光された可視光１１の焦点として精密に可視化できる。
なお、可視光１１の焦点を容易に目視できるように、照射点Ｆの周辺にドライアイス等でガスを形成したり、背景を暗くしたりしてもよい。

図８は、本発明の可視化装置の第６実施形態図である。
この例で、発光源２４ｂは、テラヘルツ波の放射素子３の放射点の鏡像位置に位置する発光ダイオードである。反射ミラー５ａは、発光源２４ｂからの可視光１１をテラヘルツ波の光軸に沿って通す可視光窓９ｂを有する。可視光窓９ｂは可視光１１を通す限りで貫通穴、透明体、半透明体、又はハーフミラーであるのがよい。
その他の構成と効果は、第５実施形態と同様である。

この例では、発光源２４ｂが、テラヘルツ波の放射素子３の放射点の鏡像位置に位置するので、可視光１１の集光位置はテラヘルツ波の照射点Ｆと一致する。すなわち、この構成では、位置検出用マーカーを用いることなく、可視光１１の集光位置を照射点Ｆの位置に自動的に設定することができる。
上述した第６実施形態の構成により、可視光１１が３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点Ｆに焦点を結ぶので、照射点Ｆを集光された可視光１１の焦点として精密に可視化できる。

なお、上述した第１〜第６実施形態は、それらを可能な範囲で組み合わせてもよい。この組み合わせにより、それぞれの効果を同時に得ることができる。

上述した本発明によれば、３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点Ｆで交差する又は焦点を結ぶ可視光１１（例えば、レーザー又は発光源からの可視光）を出力する３次元ポインタ１０を備えるので、可視光１１の交点又は焦点を目視で確認できる。これにより、テラヘルツ波の照射点Ｆを正確に認識することができ、照射点Ｆが明確になり、所望の計測位置のテラヘルツ波を測定することができる。
また、照射点Ｆを可視光１１のみで可視化するので、テラヘルツ波の特性への影響はほんどなく、かつ発光源を消すことで影響を完全に無くしてテラヘルツ波を測定することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ｆ照射点、Ｍ反射ミラー、１，２レーザー、３放射素子（エミッタ）、
４ａ，４ｂ軸外し放物面鏡、５ａ，５ｂ反射ミラー、
６検出素子（デテクタ）、７計測制御装置、８ａ，８ｂ集光レンズ、
９ａ，９ｂ可視光窓、１０３次元ポインタ、１１可視光、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ可視光線レーザー、１４撮像装置、
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄレーザー装置、
２１ビームスプリッター、２２反射ミラー、２３集光光学系、
２４ａ，２４ｂ発光源（発光ダイオード）

Claims

３次元空間上に位置するテラヘルツ波の照射点で交差する可視光を出力する３次元ポインタを備え、
前記可視光は、複数の可視光線レーザーであり、
前記３次元ポインタは、前記可視光線レーザーを出力する１又は複数のレーザー装置であり、
前記可視光線レーザーのうち少なくとも１つは、前記テラヘルツ波の光軸に沿って前記照射点を通る、ことを特徴とするテラヘルツ照射位置の可視化装置。
複数の前記可視光線レーザーは、赤色、緑色、及び青色を含み、加法混色により前記照射点を白色に発光させる、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ照射位置の可視化装置。
前記３次元ポインタは、前記可視光線レーザーを透過レーザーと反射レーザーとに分割するビームスプリッターと、
前記透過レーザーを前記照射点に向けて反射する反射ミラーと、を有し、
前記ビームスプリッターは、前記反射レーザーを前記照射点に向けて反射する、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ照射位置の可視化装置。
さらに、前記テラヘルツ波の前記照射点の近傍を撮像する撮像装置を備える、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テラヘルツ照射位置の可視化装置。