WO2017104020A1

WO2017104020A1 - 測定装置及び方法

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Publication number: WO2017104020A1
Application number: PCT/JP2015/085222
Authority: WO
Inventors: 田中　博之; 孝典落合
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Also published as: JP6538198B2; JPWO2017104020A1

Abstract

測定装置（１）は、電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子（１６ａ）を含む検出部（１６）と、電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部（２０）と、を備える。制御部は、電磁波の測定に先立って、バイアス電圧値を順次変更して、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特定し、特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する。

Description

測定装置及び方法

　本発明は、例えばテラヘルツ波等の電磁波を測定する測定装置及び方法の技術分野に関する。

　この種の装置として、例えば、非対象の順方向及び逆方向電流電圧特性を有し、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作するテラヘルツ発振検出素子を備える装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１３－００５１１５号公報

　特許文献１には、テラヘルツ発振検出素子に印加されるバイアス電圧をどのように設定するかは開示されていない。すると、温度等の動作環境の変化に起因して、バイアス電圧が変化、或いはテラヘルツ発振検出素子の特性が変化した場合に、装置の検出動作の安定性を保つことが困難になる可能性があるという技術的問題点がある。

　本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、検出動作の安定性を図ることができる測定装置及び方法を提供することを課題とする。

　本発明の測定装置は、上記課題を解決するために、電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、前記電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、電磁波の測定に先立って、前記バイアス電圧値を順次変更して、前記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特定し、前記特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する。

　本発明の測定方法は、上記課題を解決するために、電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、前記電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部と、を備える測定装置における測定方法であって、前記制御部が、電磁波の測定に先立って、前記バイアス電圧値を順次変更して、前記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特定する特定工程と、前記特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する設定工程と、を備える。

　本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施例に係るテラヘルツ波計測装置の構成を示す概略構成図である。第１実施例に係るテラヘルツ波計測装置の要部を示すブロック図である。第１実施例に係るテラヘルツ波検出素子の電流電圧特性の一例を示す特性図である。第１実施例に係るテラヘルツ波検出素子のバイアス電圧と検出感度との関係の一例を示す特性図である。第１実施例に係る測定用のバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。第２実施例に係るテラヘルツ波計測装置の要部を示すブロック図である。第２実施例に係る測定用のバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

　本発明の測定装置及び方法に係る実施形態について説明する。

　（測定装置）
　実施形態に係る測定装置は、電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、該電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部とを有する。電磁波検出素子が対象とする電磁波は、典型的には、テラヘルツ波であるが、例えばマイクロメートル波やミリメートル波等であってもよい。

　ここで、本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、電磁波検出素子は、電流電圧特性が非線形となる非線形領域に相当する範囲内のバイアス電圧が印加された場合に、検出素子として機能する。他方で、非線形領域に相当するバイアス電圧の範囲は比較的狭いため、バイアス電圧を精度良く制御する必要がある。また、電磁波検出素子の検出感度は、バイアス電圧が高くなるにつれて上昇するが、検出感度が最大となるバイアス電圧値を超えると急激に検出感度が低下する。

　そこで本実施形態では、制御部により、電磁波の測定に先立って、バイアス電圧を順次変更して（典型的には、バイアス電圧値を徐々に高くして）、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が特定される。更に、制御部により、該特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値が設定される。

　本実施形態に係る「所定電圧」は、例えば、制御部によるバイアス電圧値の設定誤差や、電磁波の測定中の温度変化等の環境変化の当該測定装置への影響等を考慮して、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な値として設定されている。

　本実施形態の測定装置によれば、電磁波の測定に先立って（典型的には、毎測定前に）、測定用のバイアス電圧値が設定されるので、常に、最適なバイアス電圧を電磁波検出素子に印加することができる。この結果、当該測定装置の検出動作の安定性を図ることができる。

　本実施形態に係る測定装置の一態様では、当該測定装置は、電磁波を発生する発生部を更に備える。そして、制御部は、電磁波の測定に先立って、電磁波を発生するように発生部を制御すると共に、バイアス電圧値を順次変更し、検出部による前記電磁波の検出値が最大となるバイアス電圧値を、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として特定する。

　或いは、本実施形態に係る測定装置の他の態様では、当該測定装置は、バイアス電圧値を電磁波検出素子に印加した際に、電磁波検出素子に流れるバイアス電流値を測定するバイアス電流測定部を更に備える。そして、制御部は、測定されたバイアス電流値が極大となるバイアス電圧値を、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として特定する。

　これらの態様によれば、比較的容易にして、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特定することができる。

　本実施形態に係る測定装置の他の態様では、電磁波はテラヘルツ波である。

　この態様では、電磁波検出素子は、共鳴トンネルダイオードであってよい。

　このように構成すれば、当該測定装置により、電磁波の一例としてのテラヘルツ波を好適に測定することができる。

　（測定方法）
　実施形態に係る測定方法は、電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部と、を備える測定装置における測定方法である。当該測定方法は、制御部が、電磁波の測定に先立って、バイアス電圧値を順次変更して、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特定する特定工程と、制御部が、特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する設定工程と、を備える。

　本実施形態に係る測定方法によれば、上述した実施形態に係る測定装置と同様に、測定装置の検出動作の安定性を図ることができる。尚、本実施形態に係る測定方法においても、上述した実施形態に係る測定装置の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

　本発明の測定装置に係る実施例を、図面に基づいて説明する。以下の実施例では、本発明の測定装置の一例として、テラヘルツ波計測装置を挙げる。また、本発明に係る電磁波の一例として、テラヘルツ波を挙げる。

　＜第１実施例＞
　本発明の測定装置に係る第１実施例について、図１乃至図５を参照して説明する。

　（装置構成）
　第１実施例に係るテラヘルツ波計測装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施例に係るテラヘルツ波計測装置の構成を示す概略構成図である。図２は、第１実施例に係るテラヘルツ波計測装置の要部を示すブロック図である。

　図１において、テラヘルツ波計測装置１は、テラヘルツ波送受信部（即ち、撮像ヘッド部）１０、信号処理・制御部２０、バイアス電圧生成部２１、信号増幅器２２及びスキャン機構３０を備えて構成されている。

　テラヘルツ波送受信部１０は、発生部１１、コリメートレンズ１２、ビームスプリッタ１３、対物レンズ１４、集光レンズ１５、並びに検出部１６を備えて構成されている。

　発生部１１は、テラヘルツ波発生素子１１ａ及びホーンアンテナ１１ｂを備えて構成されている。検出部１６は、テラヘルツ波検出素子１６ａ及びホーンアンテナ１６ｂを備えて構成されている。

　テラヘルツ波発生素子１１ａ及びテラヘルツ波検出素子１６ａ各々には、バイアス電圧生成部２１により生成されるバイアス電圧が印加されている。テラヘルツ波発生素子１１ａには、所定の参照信号に基づいて変調されたバイアス電圧が印加される。この結果、発生部１１からは、一定の周波数で変調されたテラヘルツ波が出射される。

　発生部１１から出射されたテラヘルツ波は、コリメートレンズ１２、ビームスプリッタ１３及び対物レンズ１４を介して、測定対象物９０に照射される。該測定対象物９０により反射されたテラヘルツ波は、対物レンズ１４、ビームスプリッタ１３及び集光レンズ１５を介して、検出部１６に入射する。検出部１６からは、入射したテラヘルツ波に応じた受信信号が出力される。

　スキャン機構３０は、信号処理・制御部２０からの駆動信号に基づいて、テラヘルツ波送受信部１０を駆動する。スキャン機構３０は、更に、テラヘルツ波送受信部１０から照射されるテラヘルツ波の照射位置をモニタするための撮像位置信号を生成する。

　信号処理・制御部２０は、検出部１６から出力された受信信号を、信号増幅器２２を介して受信する。測定対象物９０が当該テラヘルツ波計測装置１により測定される際は、信号処理・制御部２０は、検出部１６から出力された受信信号から生成されたテラヘルツ波受信データ信号と、スキャン機構により生成された撮像位置信号とに基づいて、マッピングされたテラヘルツ波イメージ画像を生成する。

　尚、発生部１１は、テラヘルツ波発生素子１１ａ及びホーンアンテナ１１ｂが複数個アレイ状に配列されていてよい。同様に、検出部１６も、テラヘルツ波検出素子１６ａ及びホーンアンテナ１６ｂが複数個アレイ状に配列されていてよい。また、ホーンアンテナに代えて、半球状や超半球状のシリコンレンズが用いられてもよい。

　尚、ビームスプリッタ１３に代えて、例えばハーフミラーや、偏光子及び１／４波長板の組合せ、等を適用可能である。

　ここで、図２に示すように、バイアス電圧生成部２１及びテラヘルツ波検出素子１６ａは、バイアス・ティ回路２３を介して、互いに電気的に接続されている。信号増幅器２２及びテラヘルツ波検出素子１６ａも、バイアス・ティ回路２３を介して、互いに電気的に接続されている。

　テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧は直流電圧である。他方で、テラヘルツ波検出素子１６ａから出力される受信信号は交流信号（電圧）である。テラヘルツ波検出素子１６ａとバイアス・ティ回路２３との間では、バイアス電圧に起因する直流成分と、受信信号に起因する交流成分とが合成されている。バイアス・ティ回路２３では、受信信号に起因する交流成分のみが抜き出され、該抜き出された交流成分が受信信号として信号増幅器２２に入力される。

　（テラヘルツ波検出素子）
　次に、テラヘルツ波検出素子１６ａについて、図３及び図４を参照して説明を加える。図３は、第１実施例に係るテラヘルツ波検出素子の電流電圧特性の一例を示す特性図である。図４は、第１実施例に係るテラヘルツ波検出素子のバイアス電圧と検出感度との関係の一例を示す特性図である。

　本実施例では、テラヘルツ波検出素子１６ａとして、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）が用いられている。

　共鳴トンネルダイオードは、テラヘルツ帯で動作する半導体素子として注目されている。共鳴トンネルダイオードは、その動作領域の電流電圧特性に、微分負性抵抗特性を示す微分負性抵抗領域を有する（図３の、点Ｂ～点Ｃの範囲参照）。共鳴トンネルダイオードは、更に、微分負性抵抗領域付近で強い非線形特性を示す非線形領域を有する（図３の、点Ａ～点Ｂの範囲参照）。

　共鳴トンネルダイオードは、微分負性抵抗領域に該当するバイアス電圧が印加された際に、テラヘルツ波発生素子として機能する。他方で、共鳴トンネルダイオードは、非線形領域に該当するバイアス電圧が印加された際に、テラヘルツ検出素子として機能する。

　図３からわかるように、非線形領域は、比較的狭い電圧範囲に限られるため、共鳴トンネルダイオードがテラヘルツ波検出素子として安定して動作するためには、精度良くバイアス電圧を制御する必要がある。

　ここで、共鳴トンネルダイオードが、テラヘルツ波検出素子として機能する場合の検出感度について、図４を参照して説明する。尚、図４における点Ａ及び点Ｂは、図３における点Ａ及び点Ｂに対応している。

　図４からわかるように、共鳴トンネルダイオードの検出感度は、バイアス電圧が高くなるにつれて高くなる。しかしながら、バイアス電圧が、点Ｂに相当する電圧（つまり、検出感度が最大となる電圧）を超えると、共鳴トンネルダイオードの検出感度は急激に失われる。即ち、共鳴トンネルダイオードは、テラヘルツ波検出素子として機能しなくなる。

　理想的には、共鳴トンネルダイオードに、点Ｂに相当する電圧をバイアス電圧として印加すれば、検出感度を最大とすることができる。しかしながら、測定中に、例えば温度変化等の環境変化が生じ、印加されているバイアス電圧が揺らいだ場合、或いは共鳴トンネルダイオードの特性が変化した場合に、共鳴トンネルダイオードがテラヘルツ波検出素子として機能しなくなる可能性がある。

　そこで本実施例では、共鳴トンネルダイオードがテラヘルツ波検出素子として安定して機能するように、検出感度が最大となる電圧よりも低い電圧（図４の、点Ｄ～点Ｅの範囲に相当する電圧）に、バイアス電圧が設定される。このように構成すれば、テラヘルツ波検出素子１６ａの動作の安定性と、良好な検出感度との両立を図ることができる。

　（バイアス電圧の設定処理）
　次に、本実施例における、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧の設定処理について、図５のフローチャートを参照して具体的に説明する。尚、以降の説明では、テラヘルツ波発生素子１１ａにバイアス電圧が印加され、発生部１１からテラヘルツ波が出射され、検出部１６（テラヘルツ波検出素子１６ａ）にテラヘルツ波が入射しているものとする。

　図５において、信号処理・制御部２０は、測定対象物９０の測定に先立って、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧を初期化するように、バイアス電圧生成部２１を制御する（ステップＳ１０１）。

　次に、信号処理・制御部２０は、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧を、現在値から所定値ΔＶ１だけ増加するように、バイアス電圧生成部２１を制御する（ステップＳ１０２）。このとき、信号処理・制御部２０は、テラヘルツ波検出素子１６ａから出力された受信信号を、バイアス・ティ回路２３及び信号増幅器２２を介して受信し、受信信号の信号振幅を検出する（ステップＳ１０３）。

　次に、信号処理・制御部２０は、前回検出された信号振幅と今回検出された信号振幅とを比較して、信号振幅が低下したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、信号振幅は、テラヘルツ波検出素子１６ａの検出感度に相当する。図４に示すように、バイアス電圧を、低電圧側から高電圧側へ変化させた場合、検出感度が最大となる電圧を超えるまでは、検出感度は単調に増加するが、検出感度が最大となる電圧を超えると検出感度は急激に低下する。つまり、信号振幅が低下した場合とは、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されたバイアス電圧が、検出感度が最大となる電圧を超えた場合を意味する。尚、前回検出された信号振幅の初期値は、例えばゼロ等とすればよい。

　信号振幅が低下したと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、信号処理・制御部２０は、バイアス電圧を、現在値から所定値ΔＶ２だけ小さくするように、バイアス電圧生成部２１を制御する（ステップＳ１０５）。このステップＳ１０５の処理で設定されたバイアス電圧が、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加される測定時のバイアス電圧である。

　他方で、信号振幅が低下していないと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、信号処理・制御部２０は、上述したステップＳ１０２の処理を再び実行する。

　所定値ΔＶ１は、例えば、当該バイアス電圧の設定処理にかかる時間や、バイアス電圧生成部２１の電圧誤差等を考慮して適宜設定すればよい。所定値ΔＶ２は、例えば、所定値ΔＶ１や、テラヘルツ波検出素子１６ａに係る電圧－検出感度特性等を考慮して適宜設定すればよい。

　当該バイアス電圧の設定処理は、典型的には、毎測定前に行われる。この結果、テラヘルツ波検出素子１６ａの検出動作の安定性、ひいては、テラヘルツ波計測装置１の動作の安定性を図ることができる。

　本実施例に係る「テラヘルツ波検出素子１６ａ」、「検出部１６」、「信号処理・制御部２０」及び「発生部１１」は、夫々、本発明に係る「電磁波検出素子」、「検出部」、「制御部」及び「発生部」の一例である。

　＜第２実施例＞
　本発明の測定装置の第２実施例について、図６及び図７を参照して説明する。第２実施例では、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧の設定処理の一部が異なっている以外は、上述した第１実施例と同様である。よって、第２実施例について、第１実施例と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図６及び図７を参照して説明する。図６は、第２実施例に係るテラヘルツ波計測装置の要部を示すブロック図である。図７は、第２実施例に係る測定用のバイアス電圧の設定処理を示すフローチャートである。

　（装置構成）
　本実施例に係るテラヘルツ波計測装置は、テラヘルツ波検出素子１６ａに流れるバイアス電流を測定するバイアス電流測定部２４を備える。バイアス電流測定部２４は、測定したバイアス電流値を示す信号を信号処理・制御部２０に送信する。本実施例に係る「バイアス電流測定部２４」は、本発明に係る「バイアス電流測定部」の一例である。

　（バイアス電圧の設定処理）
　次に、本実施例における、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されるバイアス電圧の設定処理について、図７のフローチャートを参照して具体的に説明する。上述した第１実施例では、検出部１６にテラヘルツ波が入射している状態で、バイアス電圧の設定処理が行われたが、本実施例では、検出部１６にテラヘルツ波が入射していなくてもよい。

　図７において、ステップＳ１０２の処理と並行して、信号処理・制御部２０は、バイアス電流測定部２４からのバイアス電流値を示す信号を受信する（ステップＳ２０１）。次に、信号処理・制御部２０は、前回測定されたバイアス電流値と今回測定されたバイアス電流値とを比較して、バイアス電流が低下したか否かを判定する（ステップＳ２０２）。

　ここで、図３に示すように、バイアス電圧を、低電圧側から高電圧側へ変化させた場合、検出感度が最大となる電圧（即ち、点Ｂに相当する電圧）を超えるまでは、バイアス電流は単調に増加するが、検出感度が最大となる電圧を超えるとバイアス電流は低下する。つまり、バイアス電流が低下した場合とは、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加されたバイアス電圧が、検出感度が最大となる電圧を超えた場合を意味する。尚、前回測定されたバイアス電流値の初期値は、例えばゼロ等とすればよい。

　バイアス電流が低下したと判定された場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、信号処理・制御部２０は、バイアス電圧を、現在値から所定値ΔＶ２だけ小さくするように、バイアス電圧生成部２１を制御する（ステップＳ１０５）。このステップＳ１０５の処理で設定されたバイアス電圧が、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加される測定時のバイアス電圧である。

　他方で、バイアス電流が低下していないと判定された場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、信号処理・制御部２０は、上述したステップＳ１０２の処理を再び実行する。

　本実施例では、バイアス電流測定部２４により、テラヘルツ波検出素子１６ａの電流電圧特性を測定することができる。このため、特に、検出部１６にテラヘルツ波が入射していない状態であっても、テラヘルツ波検出素子１６ａに印加される測定時のバイアス電圧を適切に設定することができる。

　本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置及び方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

　１…テラヘルツ波計測装置、１０…テラヘルツ波送受信部、１１…発生部、１６…検出部、１６ａ…テラヘルツ波検出素子、２０…信号処理・制御部、２１…バイアス電圧生成部、２２…信号増幅器、２３…バイアス・ティ回路、２４…バイアス電流測定部、３０…スキャン機構

Claims

　電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、
　前記電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、電磁波の測定に先立って、前記バイアス電圧値を順次変更して、前記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特定し、前記特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する
　ことを特徴とする測定装置。
　前記電磁波を発生する発生部を更に備え、
　前記制御部は、前記電磁波の測定に先立って、前記電磁波を発生するように前記発生部を制御すると共に、前記バイアス電圧値を順次変更し、前記検出部による前記電磁波の検出値が最大となるバイアス電圧値を、前記検出感度が最大となるバイアス電圧値として特定する
　ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
　前記バイアス電圧値を前記電磁波検出素子に印加した際に、前記電磁波検出素子に流れるバイアス電流値を測定するバイアス電流測定部を更に備え、
　前記制御部は、前記測定されたバイアス電流値が極大となるバイアス電圧値を、前記検出感度が最大となるバイアス電圧値として特定する
　ことを特徴とする請求項１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乃至３のいずれか一項に記載の測定装置。
　前記電磁波検出素子は、共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
　電流電圧特性に非線形性を有する電磁波検出素子を含む検出部と、前記電磁波検出素子に印加されるバイアス電圧値を制御する制御部と、を備える測定装置における測定方法であって、
　前記制御部が、電磁波の測定に先立って、前記バイアス電圧値を順次変更して、前記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特定する特定工程と、
　前記制御部が、前記特定されたバイアス電圧値より所定電圧だけ低い測定用のバイアス電圧値を設定する設定工程と、
　を備えることを特徴とする測定方法。