JP7346238B2

JP7346238B2 - 測定装置及び測定方法

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Inventors: 真奈田中; 秀樹小林; 博之田中
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Description

本発明は、電磁波測定装置に関し、特に、テラヘルツ帯の周波数帯域を有する電磁波を測定する電磁波測定装置に関する。

例えば、０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚの周波数帯域にわたって分布するテラヘルツ帯の電磁波（以下、単にテラヘルツ波と称する）を検出する測定装置の電磁波検出素子として、共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode）が知られている。テラヘルツ波検出素子は、電圧電流特性に非線形領域を有する素子であり、当該非線形領域に相当するバイアス電圧を印加された場合に検出素子として機能する。

また、テラヘルツ波検出素子は、非線形領域内のバイアス電圧値によってテラヘルツ波の検出感度が大きく変化することが知られている。それ故、テラヘルツ波検出素子を高感度かつ安定性のある検出感度で動作させるには、最適なバイアス電圧値を精度良く制御する必要がある。

例えば、特許文献１には、テラヘルツ波検出素子に所定の電磁波が照射されている状態でテラヘルツ波検出素子に印加するバイアス電圧値を順次変更し、テラヘルツ波の検出値が最大となるバイアス電圧値を特定し、当該特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い電圧値を測定用のバイアス電圧として設定するテラヘルツ波測定装置が開示されている。また、テラヘルツ波検出素子に所定の電磁波が照射されていない状態では、テラヘルツ波検出素子に流れる直流電流を測定するバイアス電流測定部により、バイアス電流値が最大となるバイアス電圧値を特定し、当該特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い電圧値を測定用のバイアス電圧として設定するテラヘルツ波測定装置が開示されている。

特許６５３８１９８号公報

しかし、上記のテラヘルツ波測定装置においては、最適なバイアス電圧値を制御するために所定の電磁波を照射させるか、所定の電磁波を照射させない場合には、テラヘルツ波検出素子に流れる直流のバイアス電流を測定するために、テラヘルツ波測定時には使用しない直流電流計を追加する必要があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、所定の電磁波を照射させることなく、また追加の電流検出素子を設けることなく、テラヘルツ波測定時に電磁波検出素子に印加すべき適切なバイアス電圧を精度よく設定することができる電磁波測定装置を提供することを目的の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、電磁波を測定する測定装置であって、電圧電流特性に非線形領域を有する電磁波検出素子と、前記電磁波検出素子に供給するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射する状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第１信号に基づいて、前記電磁波を測定する測定部と、を備え、前記電圧制御部は、前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射しない状態で前記バイアス電圧の電圧値を順次変更し、前記測定部は、前記電圧制御部により前記電圧値が変更されるごとに、前記電磁波が入射しない状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第２信号の振幅値を複数回取得して前記振幅値に関する統計量を算出し、前記電圧制御部は、前記統計量が所定条件を満たす際の前記バイアス電圧の電圧値に応じて、前記電磁波の測定時の前記バイアス電圧の電圧値を設定することを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、電圧電流特性に非線形領域を有する電磁波検出素子を備え、電磁波を測定する測定装置における測定方法であって、前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射しない状態で、前記電磁波検出素子に供給するバイアス電圧の電圧値を順次変更する第１電圧制御工程と、前記第１電圧制御工程において前記電圧値が変更されるごとに、前記電磁波が入射しない状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第２信号の振幅値を複数回取得して前記振幅値に関する統計量を算出する測定工程と、前記統計量が所定条件を満たす際の前記バイアス電圧の電圧値に応じて、前記電磁波の測定時の前記バイアス電圧の電圧値を設定する第２電圧制御工程と、を有することを特徴とする。

本発明による電磁波測定装置１００の構成を示すブロック図である。テラヘルツ波検出素子のバイアス電圧とテラヘルツ波検出素子に流れる電流との関係の１例を示す特性図である。テラヘルツ波検出素子に所定のテラヘルツ波が照射されている状態でのテラヘルツ波検出素子のバイアス電圧に対するテラヘルツ波検出素子の検出振幅値との関係の１例を示す特性図である。本発明の実施例１におけるテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されない状態でのバイアス電圧に対するノイズ信号の振幅値の平均値の関係を示すグラフである。本発明の実施例１におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。本発明の実施例２におけるテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されない状態でのバイアス電圧に対するノイズ信号の振幅値の標準偏差の関係を示すグラフである。本発明の実施例２におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。本発明の実施例３におけるテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されない状態でのバイアス電圧に対するノイズ信号の振幅値の平均値の微分値の関係を示すグラフである。本発明の実施例３におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。本発明の実施例４におけるテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されない状態でのバイアス電圧に対するノイズ信号の振幅値の平均値、標準偏差及び微分値の関係を示すグラフである。本発明の実施例４におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。本発明の変形例１の電磁波測定装置１００Ａを示すブロック図である。本発明の変形例２の電磁波測定装置１００Ｂを示すブロック図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、本実施例による電磁波測定装置１００の構成を示すブロック図である。

電磁波測定装置１００は、テラヘルツ波検出素子１０、バイアスティ２０、アンプ３０、信号検出部４０、バイアス電圧印加部５０を有しており、バイアスティ２０は、テラヘルツ波検出素子１０とバイアス電圧印加部５０とを接続し、アンプ３０はバイアスティ２０と信号検出部４０の間に挿入される。

また、電磁波測定装置１００は、信号検出部４０及びバイアス電圧印加部５０に接続された制御部６０を有する。

制御部６０は、信号処理部６１及びバイアス電圧制御部６２を有する。

電磁波検出素子としてのテラヘルツ波検出素子１０は典型的には共鳴トンネルダイオードであり、所定のバイアス電圧が印加された際に、照射されるテラヘルツ波の強度に応じた電流が流れる。

バイアスティ２０は、高周波回路において伝送経路に影響を与えることなくバイアス電圧印加部５０から入力された電圧をバイアス電圧としてテラヘルツ波検出素子１０に供給し、且つテラヘルツ波検出素子１０に流れる電流の交流成分に対応する信号をアンプ３０へと供給する役割を果たす。

アンプ３０は、例えば、１つの入力端が接地電位に接続されたオペアンプである。アンプ３０は、バイアスティ２０から供給されたテラヘルツ波検出素子１０からの信号を増幅して検出信号として信号検出部４０に出力する。

信号検出部４０は、例えば高速Ａ／Ｄコンバータを含んで構成され、アンプ３０が出力する検出信号の振幅値を検出する。

バイアス電圧印加部５０は、例えば可変直流電圧源であり、バイアス電圧制御部６２の指令に基づいてテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧を、バイアスティ２０を介してテラヘルツ波検出素子１０に供給する。

測定部としての信号処理部６１は、信号検出部４０が検出した検出信号の振幅値（以下、検出振幅値と称する）を取得し、後述する所定の処理を行う。

電圧制御部としてのバイアス電圧制御部６２は、バイアス電圧印加部５０に対してテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧の電圧値を可変に制御するように指令する。

電磁波測定装置１００は、テラヘルツ波検出素子１０に照射されるテラヘルツ波の強度を測定する際のモードである通常モードで動作可能である。この通常モードにおいては、信号処理部６１は、テラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が入射した際に信号検出部４０において検出される検出振幅値に対応する信号である第１信号を取得し、テラヘルツ波検出素子１０に照射されたテラヘルツ波の強度測定の処理を行う。言い換えれば、電磁波測定装置１００は、通常モードにおいては、テラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が入射した際に、テラヘルツ波検出素子１０に流れる電流の交流成分の変化に応じて、テラヘルツ波検出素子１０に入射したテラヘルツ波の強度を測定する。

また、電磁波測定装置１００は、当該通常モードにおいてテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧を決定するためのモードであるバイアス電圧設定モードで動作可能である。具体的には、バイアス電圧設定モードにおいては、テラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されない状態において信号検出部４０において検出される信号（以下、第２信号又はノイズ信号と称する）の検出振幅値を測定して、通常モードにおいてテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧を決定する。ノイズ信号とは、テラヘルツ波が入射されない状態においてテラヘルツ波検出素子１０にて検出される高周波信号である。

このバイアス電圧設定モードでの動作は、例えば、電磁波測定装置１００に電源が投入された際に実行されてもよい。また、このバイアス電圧設定モードでの動作は、通常モードでの動作が所定期間継続した際に行われてもよい。すなわち、バイアス電圧設定モードでの動作が一定期間ごとに行われてもよい。また、このバイアス電圧設定モードでの動作は、通常モードでの動作が実行される度に、当該通常モードでの動作の直前に実行されてもよい。

上述のように、電磁波測定装置１００は、例えば、テラヘルツ波の測定を行う通常モードに先立ち、バイアス電圧設定モードで動作する。このバイアス電圧設定モードにおいては、テラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が入射されない状態において、テラヘルツ波検出素子１０がテラヘルツ波を検出するためのバイアス電圧を決定するためのバイアス電圧設定処理が実行される。

バイアス電圧の設定処理では、バイアス電圧制御部６２がテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧を順次変更させ、信号処理部６１が当該バイアス電圧を順次変更された際のそれぞれにおいて、信号検出部４０が検出するノイズ信号の検出振幅値を一定期間に渡って複数回取得し、当該複数回取得された振幅値に統計処理を施し、種々の統計量を算出する。さらに、信号処理部６１は、上記統計量が所定条件を満たす際のバイアス電圧を特定し、当該特定されたバイアス電圧をテラヘルツ波測定時におけるテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧としてバイアス電圧制御部６２に設定させる。すなわち、当該特定されたバイアス電圧が、通常モードの際にバイアス電圧印加部５０がテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧として設定される。

言い換えれば、信号処理部６１は、テラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が入射しない状態で、バイアス電圧制御部６２に対してテラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧の電圧値を順次変更させる。信号処理部６１は、バイアス電圧制御部６２によりバイアス電圧値が変更されるごとに、信号検出部４０が検出する第２信号の振幅値を複数回取得して当該振幅値に関する統計量を算出する。信号処理部６１は、当該算出された統計量が所定条件を満たす際のバイアス電圧の電圧値に応じて、バイアス電圧制御部６２に対してテラヘルツ波の測定時にテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧の電圧値を設定させる。

次に、図２及び３を用いてテラヘルツ波検出素子の電気的特性について説明する。

図２は、テラヘルツ波検出素子のバイアス電圧とテラヘルツ波検出素子に流れる電流との関係の１例を示す特性図である。

テラヘルツ波検出素子は、図２に示すように、正バイアスの電圧を印加していくと、印加電圧に伴って線形的に電流が流れることが知られている（点ａ－ｂ間）。しかし、所定の電圧領域では、非線形領域が現れることが知られている（点ｂ－ｃ間）。さらに印加電圧を高くすると、印加電圧に伴って電流が減少する微分負性抵抗領域が現れることが知られている（点ｃ－ｄ間）。テラヘルツ波検出素子は、非線形領域に相当するバイアス電圧を印加された場合に電磁波検出素子として機能する。

図３は、テラヘルツ波検出素子１０に所定のテラヘルツ波が照射されている状態でのテラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧と、信号検出部４０において検出されたテラヘルツ波検出素子１０の検出振幅値との関係の一例を示す特性図である。

テラヘルツ波検出素子は、図３に示すように、正バイアスの電圧を低電圧から高めていくと、所定のバイアス電圧値（ＶＮＬ１）から検出振幅値が増加し、検出感度が最大となるバイアス電圧値（ＶＮＬ２）を超えると急激に検出振幅値が低下する。すなわち、適正なバイアス電圧の範囲は比較的狭い。

よって、バイアス電圧値を印加する印加部の設定誤差やテラヘルツ波検出素子の温度による特性変化を考慮して、電磁波の測定中に電磁波検出素子の検出感度が最大となるバイアス電圧値を超えないように、テラヘルツ波検出素子に印加するバイアス電圧値は検出信号がピークを示すバイアス電圧値（ＶＮＬ２）よりも低いバイアス電圧値を印加することが好ましい。

次いで、図４及び５を用いて、実施例１の電磁波測定装置１００において、通常モード時のバイアス電圧を、ノイズ信号の振幅値の平均値を用いて設定するバイアス電圧設定処理について説明する。

図４は、本発明の実施例１の電磁波測定装置１００において、テラヘルツ波検出素子１０にバイアス電圧が印加され且つテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されていない状態で、信号検出部４０を介して信号処理部６１が取得したノイズ信号の統計量としての振幅値の平均値を示すグラフである。図４においては、横軸をバイアス電圧、縦軸を振幅値の平均値としている。

図４におけるテラヘルツ波が照射されない状態でのノイズ信号の振幅値の平均値は、複数のバイアス電圧の各々を印加した際に、信号処理部６１において信号検出部４０が検出する第２信号としてのノイズ信号の振幅値を複数回取得して平均値を算出したものを用いている。

本願発明者の研究において、テラヘルツ波が照射されない状態でバイアス電圧を変化させた場合の、テラヘルツ波検出素子１０におけるノイズ信号の変化と、テラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波の検出感度の変化には一定の相関があることが判明している。

図４に示すように、本発明に係るテラヘルツ波検出素子１０の第２信号の振幅値の平均値がピーク値となる際のバイアス電圧値は、テラヘルツ波照射時の検出感度がピークとなるバイアス電圧（ＶＮＬ２）よりもやや高電圧となっている。図４に示すような関係から、テラヘルツ波が照射されない状態であっても、バイアス電圧に対する第２信号の振幅値をそれぞれのバイアス電圧で複数回取得し、平均値を統計量として算出することで、テラヘルツ波検出素子１０に好適なバイアス電圧を特定することが可能となる。

実施例１によれば、第２信号であるノイズ信号の振幅値の平均値のピーク値に対応するバイアス電圧又は当該ピーク値に対応するバイアス電圧から所定値だけ小さい電圧値をテラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０バイアス電圧として設定することで、高い検出感度を有するテラヘルツ波検出素子１０として動作させることが可能となる。

上記所定値は、バイアス電圧印加部５０が供給するバイアス電圧の設定誤差、電磁波測定装置１００の動作時における素子又は環境の温度変化の影響等を考慮し、テラヘルツ波検出素子１０の検出動作電圧範囲の最大電圧（ＶＮＬ２）を超えないような値に設定されることが好ましい。

図５は、実施例１におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

制御部６０の信号処理部６１は、テラヘルツ波の測定に先立って、テラヘルツ波発生部からテラヘルツ波が射出されない状態において、テラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧の設定処理を実行するかを判定する（ステップＳ１０１）。すなわち、ステップＳ１０１において、信号処理部６１は、電磁波測定装置１００をバイアス電圧設定モードで動作させるか否かを判定するモード判定を行う。

当該バイアス電圧の設定処理は、電磁波測定装置１００に電源が投入された後の最初の測定前に、毎測定前に、電磁波測定装置１００の稼働時間毎に、所定の回数の測定が行われる度に、テラヘルツ波検出素子１０の所定の温度変化が発生した際に実行されてもよい。また、当該バイアス電圧の設定処理は、電磁波測定装置１００を操作する作業者の操作を受けて実行されてもよい。

すなわち、例えば、このモード判定は、バイアス電圧の設定処理を行う上記条件を満たすか否かを判定する。

バイアス電圧の設定処理を実行すると判定された場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、バイアス電圧制御部６２は、対してテラヘルツ波検出素子１０に印加されるバイアス電圧を初期化する（ステップＳ１０２）。

次に、バイアス電圧制御部６２は、第１電圧制御工程として、バイアス電圧印加部５０に対してテラヘルツ波検出素子１０に印加されるバイアス電圧を現在の電圧値からΔＶだけ増加させる（ステップＳ１０３）。この時、信号処理部６１は、測定工程として、信号検出部４０が検出する第２信号の振幅値を複数回取得し、その平均値を統計量として算出する（ステップＳ１０４）。

次に、信号処理部６１は、前回算出された統計量と今回算出された統計量を比較し、前回算出された統計量がバイアス電圧に対するピーク値であるかを判定する（ステップＳ１０５）。なお、ピーク値であるかの判定は、今回算出された統計量が前回算出された統計量よりも小さくなる、所定の変化量以上小さくなる又は前回の統計量から所定の割合以上小さくなる等の判定基準が設定される。

前回のバイアス電圧における統計量がピーク値であると判定された場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、信号処理部６１は、第２電圧制御工程として、ピーク値に対応するバイアス電圧又は当該バイアス電圧から所定値だけ低い電圧値をテラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧としてバイアス電圧制御部６２に設定させる（ステップＳ１０６）。

次に、バイアス電圧制御部６２は、バイアス電圧印加部５０に対して当該設定されたバイアス電圧の供給を開始するように制御する（ステップＳ１０７）。

前回のバイアス電圧における統計量がピーク値であると判定されない場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、信号処理部６１は、ステップＳ１０２の処理を再び実行させるようにバイアス電圧制御部６２を制御する。

ステップＳ１０１において、バイアス電圧の設定処理を実行すると判定されない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、信号処理部６１はバイアス電圧の設定処理を実行せず、前回使用されたバイアス電圧を供給させるようにバイアス電圧制御部６２に指令し、バイアス電圧制御部６２はバイアス電圧印加部５０に対して当該バイアス電圧の供給を開始させる（ステップＳ１０７）。

このステップＳ１０７の実行後、電磁波測定装置１００は、テラヘルツ波検出素子１０に入射したテラヘルツ波を検出する通常モードでの動作を開始する。

上記のバイアス電圧制御部６２が増加させる電圧値ΔＶは、当該バイアス電圧の設定処理にかかる時間、バイアス電圧印加部５０が供給するバイアス電圧の設定誤差又は供給するバイアス電圧の分解能を考慮して設定することが好ましい。

また、上記所定値は、バイアス電圧印加部５０が供給するバイアス電圧の設定誤差、電磁波測定装置１００の動作時における素子又は環境の温度変化の影響等を考慮し、テラヘルツ波検出素子１０の検出動作電圧範囲の最大電圧（ＶＮＬ２）を超えないような値に設定されることが好ましい。

なお、ステップＳ１０５において、信号処理部６１は、所定のバイアス電圧領域全ての統計量を算出した後、取得された統計量のグラフ又は一覧からピーク値に対応するバイアス電圧を選択してもよい。

また、ステップＳ１０５において、信号処理部６１は、統計量に所定の閾値を設けておき、当該統計量が所定の閾値を最初に超えたバイアス電圧値をテラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧としてバイアス電圧制御部６２に設定させてもよい。

また、テラヘルツ波検出素子１０におけるノイズ信号は、広範囲の周波数成分を有している。信号処理部６１は、ノイズ信号から所定の周波数成分を抽出し、当該抽出された交流信号を第２信号として測定し、ノイズ信号の振幅値の平均値を統計量として算出しても良い。

本願発明のバイアス電圧の設定処理を実行することにより、テラヘルツ波検出素子１０の動作の安定化をすることが可能となる。また、テラヘルツ波が照射されない状態におけるノイズ信号に基づくバイアス電圧設定であれば、テラヘルツ波検出素子への電磁波の照射のムラや干渉等の影響を受けないため、複数のテラヘルツ波検出素子のバイアス調整も可能である。

次に、図６及び７を用いて、実施例２の電磁波測定装置１００において、通常モード時のバイアス電圧を、ノイズ信号の振幅値の標準偏差を用いて設定するバイアス電圧設定処理について説明する。

図６は、本発明の実施例１の電磁波測定装置１００において、テラヘルツ波検出素子１０にバイアス電圧が印加され且つテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されていない状態で、信号検出部４０を介して信号処理部６１が取得したノイズ信号の統計量としての振幅値の標準偏差を示すグラフである。図６においては、横軸をバイアス電圧、縦軸を振幅値の標準偏差としている。

図６におけるテラヘルツ波が照射されない状態でのノイズ信号の標準偏差は、複数のバイアス電圧の各々を印加した際に、信号処理部６１において信号検出部４０が検出する第２信号としてのノイズ信号の振幅値を複数回取得して標準偏差を算出したものを用いている。

標準偏差は、データや確率変数のばらつきを表す数値の１つである。ノイズ信号は、バイアス電圧に応じた特定範囲でランダムに発生する。それ故、標準偏差が大きくなれば、発生しているノイズ信号のランダム性が大きくなることを意味する。

図６に示すように、本発明に係るテラヘルツ波検出素子１０の、テラヘルツ波が照射されない状態での第２信号の振幅値の標準偏差がピーク値となるバイアス電圧は、テラヘルツ波照射時の検出感度がピークとなるバイアス電圧ＶＮＬ２とほぼ同等の値である。図６に示すような関係から、テラヘルツ波が照射されない状態であっても、バイアス電圧に対する第２信号の振幅値をそれぞれのバイアス電圧で複数回取得し、標準偏差を統計量として算出することで、テラヘルツ波検出素子１０に好適なバイアス電圧を特定することが可能となる。

これにより、実施例２の電磁波測定装置１００において、実施例１と同様の効果を得ることが可能となる。

図７は、実施例２におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

実施例２におけるバイアス電圧の設定処理は、実施例１の設定処理と基本的に同じ処理であるが、Ｓ２０４において信号処理部６１が算出する統計量が標準偏差を算出する点で異なる。それ以外のステップＳ１０１～１０３及びステップＳ１０５～１０７の処理は実施例１と同様であるため説明は割愛する。

実施例２において、バイアス電圧の設定処理のステップＳ１０３の処理が実行された後、信号処理部６１は、信号検出部４０が検出する第２信号の振幅値を複数回取得し、その標準偏差を統計量として算出する（ステップＳ２０４）。

実施例２のバイアス電圧の設定処理は、ステップＳ２０４が実行された後、上記で算出された標準偏差に基づいて、ステップＳ１０５及びステップＳ１０６でピーク値に対応するバイアス電圧値を確定させ、テラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧をバイアス電圧制御部６２に設定させる。

次に、図８及び９を用いて、実施例３の電磁波測定装置１００において、通常モード時のバイアス電圧を、ノイズ信号の振幅値のバイアス電圧の変化に対する微分値を用いて設定するバイアス電圧設定処理について説明する。

図８は、本発明の実施例１の電磁波測定装置１００において、テラヘルツ波検出素子１０にバイアス電圧が印加され且つテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されていない状態で、信号検出部４０を介して信号処理部６１が取得したノイズ信号の統計量としての振幅値の平均値の、バイアス電圧に対する微分値を示すグラフである。図８においては、横軸をバイアス電圧、縦軸を上記微分値としている。

図８におけるテラヘルツ波が照射されない状態でのノイズ信号の振幅値の平均値のバイアス電圧に対する微分値は、複数のバイアス電圧の各々を印加した際に、信号処理部６１において信号検出部４０が検出する第２信号としてのノイズ信号の振幅値を複数回取得して平均値を算出し、当該平均値のバイアス電圧に対する微分値を算出したものを用いている。すなわち、ここでいう微分値とは、ノイズ信号の振幅値の平均の、バイアス電圧に対する勾配を示す。

図８に示すように、本発明に係るテラヘルツ波検出素子１０の、テラヘルツ波が照射されない状態での第２信号の振幅値の平均値の微分値がピーク値となるバイアス電圧は、テラヘルツ波照射時の検出感度がピークとなるバイアス電圧ＶＮＬ２よりやや低電圧となっている。図８に示すような関係から、テラヘルツ波が照射されない状態であっても、バイアス電圧に対する第２信号の振幅値をそれぞれのバイアス電圧で複数回取得し、上記微分値を統計量として算出することで、テラヘルツ波検出素子１０に好適なバイアス電圧を特定することが可能となる。

これにより、実施例３の電磁波測定装置１００においても、実施例１及び２と同様の効果を得ることが可能となる。

図９は、実施例３におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

実施例３におけるバイアス電圧の設定処理は、実施例１の設定処理と基本的に同じ処理であるが、Ｓ３０４において信号処理部６１が算出する統計量が、ノイズ信号の振幅値の平均値の、バイアス電圧に対する微分値を算出する点で異なる。それ以外のステップＳ１０１～１０３及びステップＳ１０５～１０７の処理は実施例１と同様であるため説明は割愛する。

実施例３においては、ステップＳ１０３の処理が実行された後、信号処理部６１は、信号検出部４０が検出する第２信号の振幅値を複数回取得し、前回算出された平均値と今回算出された平均値及びΔＶに基づいて微分値を統計量として算出する（ステップＳ３０４）。

実施例３のバイアス電圧の設定処理は、ステップＳ３０４で算出された微分値に基づいて、テラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧をバイアス電圧制御部６２に設定させる。

次に、図１０及び１１を用いて、実施例４の電磁波測定装置１００において、通常モード時のバイアス電圧を、複数の統計量を用いて設定するバイアス電圧設定処理について説明する。

図１０は、本発明の実施例１の電磁波測定装置１００において、テラヘルツ波検出素子１０にバイアス電圧が印加され且つテラヘルツ波検出素子１０にテラヘルツ波が照射されていない状態で、信号検出部４０を介して信号処理部６１が取得したノイズ信号の統計量として実施例１～３で挙げた全ての統計量を示すグラフである。図１０においては、横軸をバイアス電圧、左縦軸を振幅値の平均値及び標準偏差、右縦軸を微分値としている。

テラヘルツ波検出素子１０は、素子の種別又は個体差により、テラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波の検出感度のピークに対応するバイアス電圧と、第２信号の振幅値の平均値、標準偏差及び微分値のピーク値に対応するバイアス電圧との関係は一様ではない。

それ故、上記の統計量のうち最も統計量のピーク値に対応するバイアス電圧値が低かったものを基準として、テラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧として設定する。

図１０に示すように、本発明に係るテラヘルツ波検出素子１０の、テラヘルツ波が照射されない状態での第２信号の振幅値の平均値、標準偏差及び平均値の微分値のそれぞれがピーク値となるバイアス電圧は、低電圧側から微分値、標準偏差、平均値の順で表れる。

また、テラヘルツ波照射時の検出振幅値がピーク値となるバイアス電圧ＶＮＬ２に対して、微分値は低電圧側、標準偏差はほぼ同等の電圧値、平均値は高電圧側のバイアス電圧に表れる。図１０に示すような関係から、ピーク値となるバイアス電圧が最も低かった微分値の統計量を選択することで、テラヘルツ波検出素子１０に好適なバイアス電圧を特定することが可能となる。

実施例４によれば、様々な種類のテラヘルツ波検出素子を用いた場合においても、第２信号の振幅値の平均値、標準偏差及び微分値のピーク値に対応するバイアス電圧のうち、最も低いバイアス電圧又は最も低いバイアス電圧から所定値だけ小さい電圧値をテラヘルツ波測定時のバイアス電圧として設定することで、高い検出感度を有するテラヘルツ波検出素子として動作させることが可能となる。

図１１は、実施例４におけるテラヘルツ波検出素子１０のテラヘルツ波測定時に印加するバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

実施例４におけるバイアス電圧の設定処理は、実施例１の設定処理と基本的に同じ処理であるが、ステップＳ４０４において信号処理部６１が算出する統計量が実施例１～３の全ての統計量を算出する点で異なる。また、ステップＳ４０５において全ての統計量のピーク値に対応するバイアス電圧を判定する点で異なる。それ以外のステップＳ１０１～１０３及びステップＳ１０６～１０７の処理は実施例１と同様であるため説明は割愛する。

実施例３においては、ステップＳ１０３実行後、信号処理部６１は、信号検出部４０が検出する第２信号の振幅値を複数回取得し、平均値、標準偏差及び微分値を統計量として算出する（ステップＳ４０４）。

次に、信号処理部６１は、前回算出された統計量と今回算出された統計量を比較し、前回算出された統計量の全てがバイアス電圧に対するピーク値であるかを判定する（ステップＳ４０５）。なお、ピーク値であるかの判定は、今回算出された統計量が前回算出された統計量よりも小さくなる、所定の変化量以上小さくなる又は前回の統計量から所定の割合以上小さくなる等の判定基準が設定される。

前回のバイアス電圧における統計量のいずれかがピーク値であると判定された場合（ステップＳ４０５：Ｙｅｓ）、信号処理部６１は、ピーク値に対応するバイアス電圧又は当該バイアス電圧から所定値だけ低い電圧値をテラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧としてバイアス電圧制御部６２に設定させる（ステップＳ１０６）。

前回のバイアス電圧における統計量のいずれかがピーク値であると判定されない場合（ステップＳ４０５：Ｎｏ）、信号処理部６１は、ステップＳ１０２の処理を再び実行させるようにバイアス電圧制御部６２を制御する。

実施例４のバイアス電圧の設定処理は、ステップＳ４０４で算出された平均値、標準偏差及び微分値に基づいて、ステップＳ４０５及びステップＳ１０６でピーク値に対応するバイアス電圧値を確定させ、テラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧をバイアス電圧制御部６２に設定させる。

なお、ステップＳ４０５において、信号処理部６１は、所定のバイアス電圧領域全ての統計量を算出した後、取得された全ての統計量のグラフ又は一覧からピーク値に対応するバイアス電圧を選択してもよい。

[変形例１]
また、ステップＳ４０５において、信号処理部６１は、統計量のそれぞれに所定の閾値を設けておき、当該統計量のいずれかが所定の閾値を最初に超えたバイアス電圧値をテラヘルツ波測定時のテラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧としてバイアス電圧制御部６２に設定させてもよい。

振幅偏移変調方式（Amplitude Shift Keying：以下、ＡＳＫ）を用いた電磁波測定装置の場合、所定の変調周波数を有する駆動信号に基づいて、例えば、テラヘルツ発生源となるテラヘルツ波発生素子（図示せず）によって断続的に発振されたテラヘルツ波を検出するために、ロックインアンプを用いる必要がある。

図１２は、本発明の変形例１の電磁波測定装置１００Ａを示すブロック図である。

変形例１における電磁波測定装置１００Ａの構成は、実施例１～４の電磁波測定装置１００と基本的に同じ構成であるが、アンプ３０と信号検出部４０の間にロックインアンプ７０及び切り替えスイッチ８０を有する部分が実施例１～４の電磁波測定装置１００とは異なる。

切り替えスイッチ８０は、入力側にロックインアンプ７０からの出力信号とアンプ３０からの出力信号が接続されており、バイアス電圧設定モードにおいて、信号処理部６１からの切り替え信号に基づいてロックインアンプ７０をバイパスするように切り替える。

ロックインアンプ７０は、テラヘルツ波発生源を駆動する駆動信号に基づく参照信号が入力される。駆動信号と同じタイミングで断続的に入力される信号の位相が同期した信号のみを抽出して周波数変換を行い、時間的に平均化することで、交流の検出信号の強度を直流の出力信号に変換して出力し、信号中のノイズの影響を低減させる。

すなわち、ロックインアンプ７０は、ランダムな信号波形を有するテラヘルツ波検出素子１０のノイズ信号を低減してしまい、当該ノイズ信号の信号検出部４０による検出が困難となる。

これに対応するため、信号処理部６１は、テラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧の設定処理を実行する前に切り替えスイッチ８０に切り替え信号を供給し、ロックインアンプ７０をバイパスするように指令する。

その後、信号処理部６１及びバイアス電圧制御部６２は、実施例１～４に挙げたバイアス設定処理を実行する。

バイアス電圧の設定処理を実行し、テラヘルツ波の測定時にテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧値が確定された後、信号処理部６１は切り替えスイッチ８０に切り替え信号を供給し、ロックインアンプ７０からの出力信号が供給されるように切り替えスイッチ８０を切り替えさせる。

これにより、ロックインアンプ７０を介して信号処理を行う、すなわちロックインアンプ７０を有する電磁波測定装置１００Ａにおいても、バイアス電圧設定モードにおいて、テラヘルツ波検出素子１０の検出信号がロックインアンプ７０をバイパスして信号検出部４０に入力する構成とすることで、実施例１～４のバイアス電圧の設定処理を実行することも可能となる。

[変形例２]
図１３は、本発明の変形例２の電磁波測定装置１００Ｂを示すブロック図である。
変形例２における電磁波測定装置１００Ｂの構成は、変形例１と基本的に同じ構成であるが、ロックインアンプ７０Ａの位相検波器７１をバイパスする切り替えスイッチ８０Ａがロックインアンプ７０Ａ内に設けられている部分において変形例１とは異なる。

ロックインアンプ７０Ａは、位相検波器７１及びローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）７２を有している。位相検波器７１は、ＡＳＫの変調信号を参照信号として用いて、アンプ３０が出力した信号と乗算することで、変調周波数で断続的に入力される交流信号の実効値となる直流信号を生成し、不要帯域をＬＰＦ７２でカットして出力する。これによりロックインアンプ７０Ａは、駆動信号と同じタイミングで断続的に入力される信号の位相が同期した信号のみを抽出して周波数変換を行い、時間的に平均化することで、交流の検出振幅値を直流の出力信号に変換して出力し、信号中のノイズの影響を低減させる。

すなわち、ロックインアンプ７０Ａは、ランダムな信号波形を有するテラヘルツ波検出素子１０のノイズ信号を低減してしまい、当該ノイズ信号の信号検出部４０による検出が困難となる。

これに対応するため、信号処理部６１は、テラヘルツ波検出素子１０のバイアス電圧の設定処理を実行する前に切り替えスイッチ８０Ａに切り替え信号を供給し、ロックインアンプ７０Ａの位相検波器７１をバイパスするように指令する。

その後、信号処理部６１及びバイアス電圧制御部６２は、ノイズ信号の広範囲の周波数成分のうちＬＰＦ７２を通過する周波数帯域のノイズ信号を用いて、実施例１～４に挙げたバイアス電圧の設定処理を実行する。

バイアス電圧の設定処理を実行し、テラヘルツ波の測定時にテラヘルツ波検出素子１０に印加するバイアス電圧値が確定された後、信号処理部６１は切り替えスイッチ８０Ａに切り替え信号を供給し、ロックインアンプ７０Ａからの出力信号が供給されるように切り替えスイッチ８０Ａを切り替えさせる。

これにより、ロックインアンプ７０Ａを介して信号処理を行う電磁波測定装置１００Ｂにおいても、変形例１の電磁波測定装置１００Ａと同等の効果を得ることが可能となる。

本発明によれば、テラヘルツ波測定時に使用しない直流電流計を用意することなく、テラヘルツ波測定時に使用する検出装置を用いて測定することで、テラヘルツ波測定時の検出電流である第１信号を感度よく検出可能となるバイアス電圧を精度よく設定することが可能となる。

また、テラヘルツ波が照射されない状態でのテラヘルツ波検出素子１０における検出信号である第２信号（ノイズ信号）を測定に用いてテラヘルツ波測定時におけるバイアス電圧を精度よく設定することが可能となる。

１００電磁波測定装置
１０テラヘルツ波検出素子
２０バイアスティ
３０アンプ
４０信号検出部
５０バイアス電圧印加部
６０制御部
６１信号処理部
６２バイアス電圧制御部
７０ロックインアンプ
７１位相検波器
７２ＬＰＦ
８０切り替えスイッチ

Claims

電磁波を測定する測定装置であって、
電圧電流特性に非線形領域を有する共鳴トンネルダイオードからなる電磁波検出素子と、
前記電磁波検出素子に供給するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射する状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第１信号に基づいて、前記電磁波を測定する測定部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射しない状態で前記バイアス電圧の電圧値を順次変更し、
前記測定部は、前記電圧制御部により前記電圧値が変更されるごとに、前記電磁波が入射しない状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第２信号の振幅値を複数回取得して前記振幅値に関する統計量を算出し、
前記電圧制御部は、前記統計量が所定条件を満たす際の前記バイアス電圧の電圧値に応じて、前記電磁波の測定時の前記バイアス電圧の電圧値を設定することを特徴とする測定装置。
前記統計量は、前記第２信号の振幅値を複数回取得した際の前記振幅値の平均値である振幅平均値、前記振幅値の標準偏差、又は前記バイアス電圧の変化に対する前記振幅平均値の勾配であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記電圧制御部は、前記電圧制御部が前記バイアス電圧の電圧値を順次変更した際に前記統計量が最大値を示したときの前記バイアス電圧の電圧値を特定し、特定した当該電圧値を前記電磁波の測定時のバイアス電圧の電圧値として設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記電圧制御部は、前記電圧制御部が前記バイアス電圧の電圧値を順次変更した際に前記統計量が最大値したときの前記バイアス電圧の電圧値から所定値だけ小さい電圧値を特定し、特定した当該電圧値を前記電磁波の測定時のバイアス電圧の電圧値として設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記電圧制御部は、前記電圧制御部が前記バイアス電圧の電圧値を順次変更した際に前記統計量が所定の閾値を超えたときの前記バイアス電圧の電圧値を特定し、特定した当該電圧値を前記電磁波の測定時のバイアス電圧の電圧値として設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記電磁波は、テラヘルツ波であることを特徴とする請求項１－５のいずれか１つに記載の測定装置。
前記第１信号から特定の位相を有する信号を抽出して出力するロックインアンプを更に備え、
前記測定部は、前記電磁波の測定の際には前記ロックインアンプからの出力に基づいて前記電磁波の強度を測定し、前記統計量を算出する際には前記ロックインアンプを機能させずに取得した前記第１信号に基づいて前記電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項１－６のいずれか１つに記載の測定装置。
電圧電流特性に非線形領域を有する共鳴トンネルダイオードからなる電磁波検出素子を備え、電磁波を測定する測定装置における測定方法であって、
前記電磁波検出素子に前記電磁波が入射しない状態で、前記電磁波検出素子に供給するバイアス電圧の電圧値を順次変更する第１電圧制御工程と、
前記第１電圧制御工程において前記電圧値が変更されるごとに、前記電磁波が入射しない状態で前記電磁波検出素子に流れる電流の交流成分に対応する第２信号の振幅値を複数回取得して前記振幅値に関する統計量を算出する測定工程と、
前記統計量が所定条件を満たす際の前記バイアス電圧の電圧値に応じて、前記電磁波の測定時の前記バイアス電圧の電圧値を設定する第２電圧制御工程と、
を有することを特徴とする測定方法。