JP7270267B2 - テラヘルツ反射撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、特に分析対象物の近くに配置されるプローブを使用した、反射撮像技術に関する。これに関連して、本発明は、テラヘルツ波の適用を探索する。

テラヘルツ（ＴＨｚ）波の範囲は、ミリ波と可視光との間である。テラヘルツ波は、約３００ＧＨｚ～数ＴＨｚの周波数の範囲とするのが定説である。この範囲内の波は、無線周波数特性および光学特性の両方を有し、特に、アンテナによって送受信され、シリコンレンズなどの光学系によって集束され得る。

ＴＨｚ波は、Ｘ線の悪影響を伴わずに、特定の対象物を通過する特性を有する。医用撮像では、ＴＨｚ波は、例えば、癌組織を検出するために使用される。このような癌組織は、ＴＨｚ範囲内の健常組織とは異なる吸収特性および反射特性を有するためである。

論文（「Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｈａｎｄｈｅｌｄ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｐｕｌｓｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅ ｂｅｎｉｇｎ ａｎ ｍａｌｉｇｎａｎｔ ｂｒｅａｓｔ ｔｉｓｓｕｅ」、Ｍａａｒｔｅｎ Ｒ．Ｇｒｏｏｔｅｎｄｏｒｓｔおよびその他、８巻、６号、２０１７年６月１日、Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２９３２）は、超音波プローブと同様に、患者の皮膚の上を移動して、皮膚を波反射によって分析するように設計された手持ち式プローブを開示している。

ＴＨｚ波は、プローブの外側で生成されたフェムト秒レーザパルスを介してプローブ内で実現され、光ファイバを通してプローブの内側に配置された光伝導送受信機へと誘導される。結果として得られた０．１～１．８ＴＨｚのパルスは、その後、送受信機とプローブの端部に存在する石英窓との間の振動ミラーによって誘導され、２６個の画素を４Ｈの周波数で１５×２ｍｍの領域において段階的に走査する。走査の各ステップにおいて、反射されたＴＨｚパルスは、対応する画素によって受信機に戻される。

このような手持ち式プローブは、複雑で高価な光技術を使用する。さらに、約０．６ｍｍの画素ピッチは、比較的低い解像度を提供する。この解像度は、ミラー駆動機構の精度と、テラヘルツ波の比較的長い波長とに依存する。０．６ｍｍの画素ピッチは、使用されるパルスの最低周波数（ここでは０．１ＴＨｚ）および１．２ｍｍの波長に対する空気中のアッベ回折限界にほぼ対応する。

したがって、このようなシステムは、わずか１５×２ｍｍの画像センサを実装するために扱いにくく高価な機器を必要とし、大部分の本質は、必要なレーザビームを生成するための機器によって占められる。

近年では、ＴＨｚ受信機および送信機は、同じチップ上に組み込まれた電子回路によって十分に利用可能である半導体技術を使用して成功裏に実現されている。

したがって、ＴＨｚ受信機は、半導体チップ上でアレイ内にグループ化されて、コンパクトな画像センサを形成する。例えば、研究論文（「Ａ １ ｋ－Ｐｉｘｅｌ Ｖｉｄｅｏ Ｃａｍｅｒａ ｆｏｒ ０．７－１．１ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｉｍａｇｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ６５－ｎｍ ＣＭＯＳ」、Ｒｉｃｈａｒｄ Ａｌ Ｈａｄｉ，Ｈａｎｉ Ｓｈｅｒｒｙおよびその他、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、４７巻、１２号、２０１２年１２月）は、完全に６５ｎｍＣＭＯＳ技術で製造されたＴＨｚ受信機を含む画像センサを開示している。受信機は、受動素子およびトランジスタの周波数（共通ソース接続）があまり制限されない構成を使用することによってトランジスタの動作周波数よりも高い周波数で信号を処理することができる。特に、電力検出構成が使用され、すなわち、ＴＨｚ波がアンテナ上で受信され、得られたアンテナ信号がコンデンサを信号振動のピーク値まで充電するために整流される。ホモダイン受信機として知られるこのような受信機は、位相情報を提供せず、振幅情報のみを提供する。

半導体技術、特にＣＭＯＳに組み込み可能なＴＨｚ送信機を設計することも可能になった。この送信機の１つの問題は、トランジスタの動作周波数よりも高い周波数を有するＴＨｚ信号を生成することであった。この問題は、いわゆる調波発振器を使用することによって克服された。このような発振器は、この技術に対応できる周波数で動作し、ＴＨｚ範囲で使用可能な高調波を生成する。米国特許第９０８３３２４号明細書は、このような発振器を開示している。

組み込み可能なＴＨｚ受信機および送信機のさらなる情報は、２０１３年にヴッパータール（Ｗｕｐｐｅｒｔａｌ）大学で発表されたＨａｎｉ ＳｈｅｒｒｙおよびＲｉｃｈａｒｄ Ａｌ Ｈａｄｉによる論文の中で見つけることができる。

半導体チップ上へのＴＨｚ要素の組み込み実現可能性が実証されているにもかかわらず、例えば、上述のＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓの論文に記載されているプローブに代わり得るコンパクトな反射センサを提供することは可能ではなかった。

全般的には、半導体技術において一体的に実現可能なテラヘルツ撮像システム用のセンサであって、分析対象物に対して平行に配向されるように構成された、テラヘルツ放射線を通す半導体材料の平坦基板と、基板上でアレイ内に配置された複数のテラヘルツ放射線受信機とを備えるセンサを開示する。センサは、レンズレスであり、基板上に配置された少なくとも１つのテラヘルツ放射線送信機を備え、そのことにより、送信機によって放射された放射線が分析対象物上で受信機に向けて反射されるようにする。

アレイのピッチは、基板内の放射線の波長の少なくとも１／２であり得、送信機は、アレイ内の受信機と置き換えられ得る。

受信機は、同じ局部発振器上で同期されたヘテロダイン受信機であり得、そのことにより、各々の受信機は、送信機からの受信放射線の伝播距離を表す位相情報を提供する。

受信機および送信機は、六角形構成を有し、ハニカムマトリクス内に配置され得る。

センサは、アレイ内に均等に分布した複数の送信機を備え得る。

センサは、対象物に当てられ、対象物から一定距離の位置でセンサを維持するように構成された管状支持体を備え得る。

基板は、基板内のテラヘルツ放射線の波長の１／２以下の厚さを有し得、金属層を含む活性面と、分析対象物に向けて配向されるように構成された背面とを備える。そして、受信機および送信機の各々は、活性面の金属層に形成された環状アンテナであって、基板内のテラヘルツ放射線の波長の少なくとも１／２の平均円周を有する環状アンテナと、複数の金属層で積層された金属パターンから形成された、受信機または送信機の周辺でアンテナを囲むガードリングとを含み得る。

ガードリングは、導体トラックと受信機および送信機を制御するための電子部品とを収容するキャビティを形成するように構成された金属パターンを備え得る。

レンズレス反射テラヘルツ撮像方法は、上述のようなセンサを使用し、送信機を作動させるステップと、送信機の作動に応答して受信機によって生成された信号を測定して周波数領域の画像を形成するステップと、周波数領域の画像に逆フーリエ変換を施して空間領域画像を生成するステップとを含み得る。

別のレンズレス反射テラヘルツ撮像方法は、上述のようなセンサを使用し、送信機を順に１つずつ作動させて異なる角度から分析対象物の同じ領域を照射するステップと、一連の各々の作動に応答して受信機によって生成された信号を測定して周波数領域の個々の画像を形成するステップと、複数の周波数領域画像を処理して拡張空間領域画像を生成するステップとを含み得る。

複数の画像は、受信機によって提供される振幅情報のみを使用して、タイコグラフィー技術によって処理され得る。

複数の画像は、受信機によって提供される振幅情報および位相情報を使用して、合成開口顕微鏡技術によって処理され得る。

添付図面に関連する以下の非限定的な説明において、実施形態について述べる。

分析対象物の平坦領域の取得の異なる段階におけるＴＨｚ反射イメージャの一実施形態の概略側面図である。 分析対象物の平坦領域の取得の異なる段階におけるＴＨｚ反射イメージャの一実施形態の概略側面図である。 分析対象物の平坦領域の取得の異なる段階におけるＴＨｚ反射イメージャの一実施形態の概略側面図である。 送信機構造の一例を示す、図１Ａ～図１Ｃのイメージャの概略正面図である。 図２Ａのイメージャによって照射された領域の集合を示す図である。 ハニカムマトリクス内に配置された六角形の送信機画素および受信機画素を含むＴＨｚ反射イメージャの別の実施形態の概略正面図である。 代替のハニカムイメージャの概略正面図である。 半導体技術において生成された六角形画素の一実施形態の拡大上面図である。 図５の画素構成の一例の断面図である。

これまでは、ＴＨｚ送信機およびＴＨｚ受信機のチップは、特に伝送によって分析される対象物の両側に配置された、分離デバイスで使用するものと考えられてきた。この構成では、各々のデバイスは、チップ寸法と比較して比較的扱いにくくもある高価なシリコンレンズを備えている。

先行技術において数個の送信機のアレイをチップ上に組み込むことが提案されている場合、これは、多かれ少なかれ送信機を同時に作動させることによって、発光強度（ひいては、消費電力）を測定条件に適合させるためにのみ行われている（Ｒｉｃｈａｒｄ Ａｌ Ｈａｄｉの論文）。

反射モードでのチップ上のＴＨｚ受信機の使用は、先行技術ではあまり重視されていない。なぜなら、最も一般的な受信機である電力検出器は、位相情報を提供せず、このことが、上述のＩＥＥＥの論文に示されているように、分析対象物の鏡面反射に関連する問題を引き起こすためである。

それにもかかわらず、本明細書では、反射モードでチップ上の受信機のアレイを使用し、同じチップ上の受信機間に送信機を組み込むことを提案する。このような構成は、一見して、既成の規則に反するものと思われる。実際に、隣接する無線周波数領域および光領域では、送信機が隣接する受信機を妨害する（クロストークまたは寄生反射）ため、送信機を受信機のすぐ近くに配置することは考えられない。

ＴＨｚ波は、半導体チップ内に比較的容易に封じ込めることができ、後述するように簡易な手段で擾乱問題を制御することができることが分かる。結果として、チップ上における送信機および受信機の並置は、基本的な処置がとられれば、妨害を引き起こすことがない。さらに、送信機および受信機は、ピッチを乱すことなくアレイ内で任意の方法で混合され得るように、同じ寸法にされ得る。

ＴＨｚ範囲の鏡面反射は、実際には、電力検出器（距離評価のための位相情報を提供しない）を使用する場合であっても、偽陽性になるという問題がある。実際に、いくつかの用途では、ＴＨｚ波は、例えば癌組織検出用途に対応するＴＨｚ波の反射率によって領域を識別することができるので、反射放射線量の情報のみが重要であり得る。

さらに、得られるイメージャは、ここでは、後述するように、他の領域で使用されるレンズレス撮像技術が都合良く適用可能であると思われるので、レンズなしで使用するために検討される。このことにより、イメージャは、例えば、１センチメートルのオーダーの距離で、反射による近接対象物の解析に特に適したものとなり、ひいては、要求される電力が低電力であるため、送信機の設計が容易になる。

図１Ａ～図１Ｃは、分析対象物１２の平坦領域の異なる段階の取得におけるＴＨｚ反射イメージャ１０の一実施形態の概略側面図である。

特に図１Ａに示されるように、イメージャ１０は、アレイ内に配置された複数の画素を含む半導体材料の平坦基板上に形成される。アレイ内の画素列は、正方形で示されている。白い正方形は受信機を表し、灰色の正方形は送信機を表している。例えば、画素の５つに１つは、送信機である。

画素アレイ１０は、対象物１２とは反対の上方を向いた、基板のいわゆる活性面上に形成される。背面と呼ばれる基板のより厚い部分１４は、対象物１２に面している。実際に、ＴＨｚ受信機は、より良好な感度を有し、送信機は、基板のより厚い側でより強い信号を生成する。

イメージャは、好ましくはＴＨｚ波を反射しない材料で作られた管状支持体１６によって、対象物１２から一定の距離で保持され得る。このことにより、分析される領域に適用され得るペン型プローブが形成される。

一実施形態では、送信機画素は、順に１つずつ作動され、図１Ａ～図１Ｃは、左から順に画素列の最初の３つの送信機が作動する様子を示している。

図１Ａでは、画素列の第１の送信機画素（左端から５番目）が作動される。第１の送信機画素は、送信機の構造に応じて９０°の開き角に達し得る（一例として、約６０°の開き角が示されている）放射円錐Ｃ内でＴＨｚ波を送信する。円錐は、対象物の表面上に円板を形成し、この円板は、対称円錐でイメージャに跳ね返される。イメージャは、通常は送信機を中心として対象物によって受信された円板の２倍の直径を有する円板を受信する。

作動送信機がコヒーレントスポット光源として挙動するので、イメージャによって受信された円板は、対象物１２上の照射領域の空間フーリエ変換またはホログラムである。このホログラムは、作動送信機から見て対象物の３次元空間表現の逆フーリエ変換による再構成を可能にする振幅および位相の情報を含む。

対象物内に存在する材料の性質に応じて、ＴＨｚ波は、様々な程度で送信され、吸収され、または反射され得る。したがって、ＴＨｚ波は、対象物の透過面を通過し、より深い所に存在する材料によって反射され得る。対象物は、癌組織について調査されている患者の皮膚であり得、癌組織は、健常組織よりも高い反射係数を有するので、反射分析によって識別され得る。

受容体の力を借りてホログラムの位相情報を利用することができれば、反射組織の３次元表現を再構成することができる。あるいは、いくつかの用途では、分析対象物の特異的特性を明らかにし得る位相情報のみを使用することが可能である。

ホログラムの振幅情報のみを利用することができる場合、例えば、受信機が電力検出器である場合、反射層の投影がさらに得られ、その結果、多かれ少なかれ反射領域を検出し、ひいては、癌組織の輪郭を検出することが可能になる。

図示されている構成において、６０°の開き角では、イメージャ平面内に受信された円板はイメージャ全体をカバーしない、すなわち、イメージャ画素が十分に活用されない。ホログラムの精度を向上させるためには、イメージャの全ての画素が使用されることが好ましい。これは、線Ｃ２で表されているように、円錐開き角を増加させることで達成され得、その結果、イメージャから最も遠い画素が対象物の照射円板の縁部から反射された光線を受信する。あるいは、イメージャは対象物から離されることにより、円板が距離に比例して拡大され得る。

イメージャの中心に配置された単一の送信機の場合、イメージャの直径の１／２以下の直径を有する円板を観察することが可能である。イメージャの前方の対象物の領域全体をカバーするためには、図示されているように、複数の送信機がイメージャ全体にわたって分布した状態で使用され得る。しかしながら、イメージャによって取り込まれた画像内で複雑な干渉を処理することになるので、複数の送信機を同時に作動させることは行われない。

したがって、図１Ａ～図１Ｃに示されているように、画素列内の最初の３つの送信機について、送信機を１つずつ順に作動させ、イメージャによって取り込まれた生成画像を別々に記憶することが想定される。

図２Ａは、図１Ａのスケールにおいて、前方から見た例示的なイメージャに対するこの作動シーケンスの拡張を示しており、送信機は、１行１列につき５つに１つの割合で分布している。

図２Ｂは、図２Ａのスケールにおいて、図２Ａの全ての送信機の作動の結果として対象物１２上で観察された円板の集合を示す。点線の正方形は、イメージャのエッジが付与された実際の観察領域を示す。

フーリエ領域におけるイメージャによって取り込まれた画像の得られた集合は、照射領域全体の画像を再構成するために、または対象物のレンダリングを改善するために、他の分野で既知の技術を使用して処理され得ることが分かる。

今説明した例において取り込まれた画像内の唯一の振幅情報は、位相情報を取得するためにＸ線撮像において使用される、いわゆるタイコグラフィー技術によって処理され得る。したがって、観察中の対象物の空間表現は、再構成され得る（ここでは、Ｘ線の透過ではなく反射によって観察される）。

最も多い数の放射円錐の交差部における対象物の領域は、これらの領域が最も多い数の角度から照射されるので、より良好な３次元レンダリングを提供する。図２Ｂに示されている例では、これらの領域は、アレイの９つの中央送信機画素に面している領域である。

したがって、３次元レンダリングを改善するために、送信角度が拡大され得る、またはイメージャが対象物から離され得る。このことにより、放射円錐の交差領域が広がり、対象物の関心中心領域が全ての円錐の交差部に位置する最適な構成が得られる。当然のことながら、受信機の受信角度は考慮され得、ＴＨｚ範囲では、受信機および送信機は、最大９０°の同様の送信角度および受信角度をもたらす同様の構造を有する。

送信機画素の数は、３次元レンダリングを改善するために増加され得る。しかしながら、各々の送信機画素は、アレイ内の受信機画素と置き換えられるので、イメージャによって取り込まれた画像は、その位置で「黒い」画素を有する。このような黒画素の値は、隣接する受信機画素から補間され得る。送信機の数を増加させることによって得られた改善と、受信機画素の数の減少によりイメージャによって生成されるディーテールの消失との間でトレードオフが達成され得る。

図１Ａに示されている構成では、イメージャは、対象物から既知の距離にある。このことにより、受信機の座標および作動送信機の座標に応じて、各々の受信機に到達する放射線の入射角を算出することができる。受信機および送信機の既知の感度および電力のローブに基づいて、測定強度を補正し、送信機および受信機の円錐の有効角を大きくすることができる。

受信機が位相測定を可能にする場合、合成開口顕微鏡（ＳＡＭ）と呼ばれる技術が使用され得る。このような技術は、例えば、論文（「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」、Ｔｅｒｒｙ Ｔｕｒｐｉｎおよびその他、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、２５６６Ｂ－３４巻、１９９５年７月、サンディエゴ）に記載されている。この技術は、異なる角度の視点および各視点において取得された奥行き（位相）情報から観察対象物の正確な３次元表現を再構築することを目的としている。位相情報は波長または画素ピッチによって制限されないので、位相測定の精度につながる解像度を有する３次元表現を再構成することが可能である。３次元表現から、解像度がアッベ回折限界または画素ピッチを超えるスライスが抽出され得る。

ＴＨｚ範囲では、位相は電子回路を用いて直接測定され得るが、顕微鏡の光領域では、位相は２つのコヒーレントビームの干渉によって測定されることに留意されたい。したがって、上述のＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ論文においては、分析対象物から反射されたレーザビームと干渉する主レーザビームであって、機械システムを利用して多数の角度で順に対象物を照射するコヒーレント光源によって放射される主レーザビームを生成するための複雑な光学系が開示されている。

したがって、ＳＡＭ技術の使用は、位相を測定することができるＴＨｚ受信機、例えば、ヘテロダイン受信機の使用を伴う。論文（「Ａ Ｆｕｌｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ３２０ ＧＨｚ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｉｎ １３０ ｎｍ ＳｉＧｅ ＢｉＣＭＯＳ」、Ｃｈｅｎ Ｊｉａｎｇおよびその他、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、５１巻、１１号、２０１６年１１月）およびＨａｎｉ Ｓｈｅｒｒｙの論文は、半導体技術におけるヘテロダインＴＨｚ受信機の実装を記載している。ヘテロダイン受信機は、固定局部発振器からの信号と受信されたＴＨｚ信号とを混合して、チップ上で利用され、位相情報を搬送し得る中間周波数（周波数差）信号を生成する。局部発振器信号は、中間周波数が０にならないようにわずかにオフセットされた周波数を選択することによって、送信機（例えば、調波発振器）の信号と同じ方法で生成され得る。これは、同じ構造であるが、オフセットを達成するために異なる電圧が供給される２つの発振器を使用することによって達成され得る。同じ基準周波数を使用するが、異なる増倍率を有する２つの位相ロックループを使用することも可能である。

そして、中間周波数信号は、受信されたＴＨｚ信号の振幅に比例する振幅と、測定される位相に等しい位相とを有する。次いで、全てのイメージャの受信機は、同期し、位相を測定するための同じ基準を有するように、同じ局部発振器から供給される。

図３は、ＴＨｚ反射イメージャの別の実施形態の概略正面図である。イメージャは、ハニカムマトリクス内に配置された六角形の送信機および受信機の画素を含む。マトリクスは、３本の主軸（０°（水平軸）、１２０°、２４０°）に沿った隣接画素のラインを含む。各主軸に沿って、６つのうち１つの画素が送信機画素である。送信機画素はさらに、それぞれが六角形の頂点に配置された他の６つの最も近い送信機画素から等距離であるように、マトリクス内に分布している。

画素の六角形構成は、検討中のＴＨｚ送信機およびＴＨｚ受信機の構造に特によく適合している。実際に、送信機および受信機は、以下で説明するように、リングアンテナを基本としたものであり得、六角形構造は、リングアンテナを収容するために正方形構造よりもコンパクトである。さらに、マトリクスは、ハニカム状であるので、画素間の所与のピッチに対してより多くの画素を収容することができる。これらの組み合わされた特徴は、結果として、所与のピッチについて、正方形アレイよりも著しく高い解像度をもたらし、斜め線のより良好なレンダリングをもたらす。

さらに、ハニカム構造により、意図された用途において、より精度が良くなる。送信機Ｅに関して示されるように、対象物の表面が実質的に平坦であると仮定して、送信機Ｅは、送信機Ｅおよび同心円状に送信機Ｅを取り囲む受信機に向けて反射される円錐内で放射する。リングは、等しい強度のリングと考えられ得、強度の値は、送信機の電力放射ローブに従って、中心から半径方向に減少する。各リングは、図示されているように、リングに近似する六角形の輪郭を形成する隣接画素に含まれ得る。このことにより、特に、空間フーリエ変換特有の同心円パターンのより良好なレンダリング、および入射角に応じた強度補正係数のより均一な適用が可能になる。

ハニカムマトリクスの画素を制御することは、正方形マトリクスの画素と比較して、特有の問題を引き起こさない。一例として図示されているように、各々の０°のラインの画素は行ラインＲＯＷによって制御され得、隣接する９０°の対角の各対に属する画素は列ラインＣＯＬによって制御され得る。アレイ内のＴＨｚ受信機およびＴＨｚ送信機の特定の管理は既知であり、ここではこれ以上詳細には説明しない。

図４は、ハニカムマトリクス内の送信機の分布の別の例を示す。図３では、各々の送信機は、３つの完全な同心六角形によって囲まれているが、ここでは、各々の送信機は、５つの完全な同心六角形によって取り囲まれている。

図５は、半導体技術、例えば、６５ｎｍＣＭＯＳで製造された六角形画素の一実施形態の拡大部分上面図である。送信機画素Ｔｘは、４つの隣接する受信機画素Ｒｘによって取り囲まれた状態で示されている。この図内の要素は、一例として、約６００ＧＨｚで動作するように設計されたイメージャに対して実質的に縮尺通りに描かれている。図面から分かるように、受信機および送信機の両方の全ての画素は、サイズが同じである。

６００ＧＨｚの周波数は、空気中の０．５ｍｍの波長に対応する。画素は、シリコン基板に組み込まれ、この場合、波長は約０．６の増倍率で減少し、波長をシリコン内では約０．３ｍｍに低減する。さらに、許容可能な利得損失で解像度を２倍増加させることが可能であるので、わずか波長の１／２で、すなわち０．１５ｍｍで動作してもよい。したがって、送信機および受信機のアンテナは、この波長で動作するように寸法決めされる。この場合のアンテナ５０は環状であり、つまり、アンテナの平均円周が少なくとも動作波長、すなわち０．１５ｍｍに等しいことを意味する。

リングは、例えば、本技術の最終金属層においてエッチングされ、１０μｍの幅、すなわち、６４μｍの外径および５４μｍの内径を有する。

さらに、画素間の誘導結合または容量結合による電気的擾乱の横方向伝搬を防止するために、各々の画素は、周辺ガードリング５２（円形、またはここでは六角形であり得る）を含む。アンテナは、動作波長（０．１５ｍｍ）にほぼ等しい平均直径を有する大部分が無金属の領域の中心に位置する。したがって、ガードリングの内縁は、アンテナリングの外縁から少なくとも３８μｍ離れている。ガードリングは、さらに３０μｍの幅を有し、本技術によって推奨される金属／空隙比を満たすように構成される。したがって、画素は、六角形の２本の対辺間の幅２００μｍを有し、値は、０°、１２０°、２４０°の３本の各々の軸に沿ったピッチに対応する。

図６は、図５の画素の断面図である。画素は、半導体基板６０（ここでは、シリコン製）の活性面上に形成される。最終金属層でエッチングされたアンテナ５０は、基板の上面と同一平面上にある。この上面は、通常、パッシベーション層（図示せず）で覆われている。ガードリング５２は、図示されているように、ビアを介して相互接続された本技術の全ての金属層（６５ｎｍＣＭＯＳでは７層）で積層された金属パターンを使用して、深さ方向に延長され得る。ビアは、スクリーニング機能を実現するピッチで、各画素の周囲に配置され得る。

基板６０の厚さは、基板の背面におけるＴＨｚ波、特に送信機によって生成された波（隣接する受信機を妨害し得る）の内部反射を制限するように選択され得る。これは、シリコン内の波長の１／２以下、すなわち０．１５ｍｍの厚さで実現される。

ガードリングおよび特定の基板厚さの選択は、ＴＨｚ範囲において、受信機のアレイ内への送信機の組み込みから生じ得る任意の干渉問題を克服する。

これらのガードリングのうちの１つのガードリングの壁に関して図示されているように、金属パターンは、キャビティ６２を形成するように構成され得る。キャビティ６２は、画素を制御するための導体トラックおよび電子部品を収容し得る。実際には、２つの隣接するガードリングの幅は、６０μｍのオーダーであり、これは、６５ｎｍの技術では、画素を局所的に利用するのに必要な導体および電子部品の大多数を収容するのに十分な空間を形成する。この構成により、光学特性を妨げることになるアンテナ周辺の空き領域における金属導体の数を厳密に最小限まで減らすことができる。

Claims (11)

1. 半導体技術において一体的に実現可能なテラヘルツ撮像システム用センサであって、前記センサは、
   分析領域（１２）と、
   前記分析領域（１２）からある距離に位置する、テラヘルツ放射線を通す半導体材料の平坦基板（６０）であって、前記基板と前記分析領域との間にはレンズが全く間挿されていない、平坦基板（６０）と、
   前記基板上のアレイ（１０）内に配置された複数のテラヘルツ放射線受信機と、
   前記基板上に配置されたテラヘルツ放射線の少なくとも１つのコヒーレントスポット光源であって、前記基板と前記分析領域との間の距離は、放射円錐（Ｃ）に従って前記送信機によって放射された放射線が、ホログラムである円板に従って前記受信機のアレイ上で前記分析領域によって反射されるようなものである、コヒーレントスポット光源と、
   前記受信機のアレイによって受信されたホログラムに逆フーリエ変換を施すための手段と、
   を備える、センサ。
2. 前記アレイのピッチは、前記基板内の放射線の波長の少なくとも１／２であり、前記コヒーレントスポット光源は、前記アレイ内の受信機と置き換えられる、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記受信機は、同じ局部発振器上で同期されたヘテロダイン受信機であり、そのことにより、各々の受信機は、前記コヒーレントスポット光源からの前記受信放射線の伝播距離を表す位相情報を提供する、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記受信機および前記コヒーレントスポット光源は、六角形構成を有し、ハニカムマトリクス内に配置される、請求項２に記載のセンサ。
5. 各コヒーレントスポット光源が複数の受信機によって最も近い隣接するコヒーレントスポット光源から分離されるように前記アレイ内に均等に分布している複数のコヒーレントスポット光源を備える、請求項２に記載のセンサ。
6. 分析する対象物に当てられ、前記対象物から一定の距離に前記センサを維持するように構成された管状支持体（１６）を備える、請求項２に記載のセンサ。
7. 前記基板は、前記基板内のテラヘルツ放射線の波長の１／２以下の厚さを有し、
   金属層を含む活性面と、
   前記分析領域に向けて配向されるように構成された背面と、
   を備え、
   前記受信機および前記コヒーレントスポット光源の各々は、
   前記活性面の金属層に形成された環状アンテナ（５０）であって、前記基板内のテラヘルツ放射線の波長の少なくとも１／２の平均円周を有する環状アンテナ（５０）と、
   複数の金属層で積層された金属パターンから形成された、前記受信機または前記コヒーレントスポット光源の周辺で前記アンテナを囲むガードリング（５２）と、
   を含む、請求項２に記載のセンサ。
8. 前記ガードリング（５２）は、導体トラックと、前記受信機および前記コヒーレントスポット光源を制御するための電子部品とを収容するキャビティ（６２）を形成するように構成された金属パターンを備える、請求項７に記載のセンサ。
9. 請求項５に記載のセンサを使用するレンズレス反射テラヘルツ撮像方法であって、
   前記コヒーレントスポット光源を順に１つずつ作動させて、異なる角度から前記分析領域の同じ領域を照射するステップと、
   前記センサによって受信された周波数領域内の結果として得られた画像を収集するステップと、
   前記周波数領域内の結果として得られた画像を処理して、拡張空間領域画像を生成するステップと、
   を含む、方法。
10. 前記結果として得られた画像は、前記受信機によって提供された振幅情報のみを使用して、タイコグラフィー技術によって処理される、請求項９に記載の方法。
11. 前記結果として得られた画像は、前記受信機によって提供された振幅情報および位相情報を使用して、合成開口顕微鏡技術によって処理される、請求項９に記載の方法。

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