WO2017109864A1

WO2017109864A1 - 測定装置及びホーンアンテナアレイ

Info

Publication number: WO2017109864A1
Application number: PCT/JP2015/085866
Authority: WO
Inventors: 孝典落合; 田中　博之; 達也河野; 敏晴江塚
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29

Abstract

測定装置（１）は、対象物（９０）に電磁波を照射する照射部（１１）と、該対象物からの電磁波を検出する検出部（１６）と、を備える。検出部は、複数のホーンアンテナ（１６ｂ）を有する。複数のホーンアンテナ各々の開口の長手方向と検出部に入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている。

Description

測定装置及びホーンアンテナアレイ

　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、及び該測定装置の一部を構成するホーンアンテナアレイの技術分野に関する。

　この種の装置が備えるアンテナアレイとして、例えば、導波管に連通するホーンが複数形成されているアンテナアレイが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０－６２９９４号公報

　装置の設計段階では、測定すべき電磁波が検出部に垂直に入射すると仮定されていることが多い。実際には、例えば対象物表面での乱反射や、検出部の配置誤差等に起因して、測定すべき電磁波が検出部に対し斜入射する場合がある。この場合、電磁波の斜入射により検出感度が低下す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、検出感度の低下を抑制することができる測定装置及びホーンアンテナアレイ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、対象物に電磁波を照射する照射部と、前記対象物からの電磁波を検出する検出部と、を備え、前記検出部は、複数のホーンアンテナを有し、前記複数のホーンアンテナ各々の開口の長手方向と前記検出部に入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、前記複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている。

　本発明のホーンアンテナアレイは、上記課題を解決するために、複数のホーンアンテナを備え、前記複数のホーンアンテナ各々の開口の長手方向と入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、前記複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている。

　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。

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。実施例に係る検出部の構成の一例を示す斜視図である。実施例に係る検出部の構成の他の一例を示す斜視図である。実施例に係る発生部の構成の一例を示す斜視図である。実施例に係る発生部の構成の他の一例を示す斜視図である。検出部のチルトと信号レベルとの関係の一例を示す図である。検出部のチルトと信号レベルとの関係を、ホーンアンテナの開口のサイズ毎に示す図である。実施例の第１変形例に係る検出部の構成を示す斜視図である。実施例の第２変形例に係る検出部の構成を示す斜視図である。

　本発明の測定装置及びホーンアンテナアレイ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、対象物に電磁波を照射する照射部と、該対象物からの電磁波を検出する検出部とを備える。検出部は、複数のホーンアンテナを有している。ここで「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、検出部に電磁波が斜入射する場合、電磁波の入射方向が該電磁波の偏波方向に傾いている場合のほうが、該入射方向が該偏波方向とは異なる方向に傾いている場合に比べて、検出感度（即ち、受信信号レベル）の低下の程度が大きい。ホーンアンテナの開口を大きくすると、検出部に電磁波が斜入射する場合であっても検出感度の低下を抑制することができるが、開口が大き過ぎると電磁波の受信効率が低下する。

　そこで本実施形態では、ホーンアンテナの開口が、例えば長方形、楕円形等の長手方向が存在するような形状とされている。そして、各ホーンアンテナの開口の長手方向が、検出部に入射する電磁波の偏波方向と揃うように、複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている。

　ホーンアンテナの開口の長手方向が、検出部に入射する電磁波の偏波方向と揃うように配置されることにより、検出部に電磁波が斜入射する場合であっても検出感度の低下を抑制することができる。ホーンアンテナの開口が、長手方向が存在するような形状であることにより、受信効率の低下も抑制することができる。更に、複数のホーンアンテナが少なくとも１次元にアレイ状に配置されているので、受信効率の向上を図ることができる。

　尚、「ホーンアンテナの開口の長手方向と、電磁波の偏波方向とが揃う」とは、長手方向と偏波方向とが平行である場合に限らず、長手方向が偏波方向から大なり小なりずれた場合も含む概念である。

　本実施形態に係る測定装置の一態様では、検出部は、入射する電磁波の光路の複数のホーンアンテナの上流側に配置され、入射する電磁波を集光するレンズを有する。

　この態様では、レンズは、電磁波の入射方向から平面的に見て複数のホーンアンテナを覆うシリンドリカルレンズであってよい。

　この態様では、複数のホーンアンテナ各々のホーン形状の開き角度は、レンズの見込角と対応していてよい。

　この態様によれば、検出部により電磁波を比較的効率的に受信することができ、実用上非常に有利である。尚、「ホーン形状の開き角度とレンズの見込角とが対応」とは、開き角度と見込角とが一致する場合に限らず、開き角度が見込角よりも微小角度だけ大きい又は小さい場合も含む概念である。

　本実施形態に係る測定装置の他の態様では、照射部は、複数のホーンアンテナの配列方向に応じて配列された複数の電磁波発生素子を有する。

　或いは、本実施形態に係る測定装置の他の態様では、照射部を、複数のホーンアンテナの配列方向に沿う方向に走査させる走査手段を備える。

　これらの態様によれば、対象物の測定を比較的短時間で行うことができるので、実用上非常に有利である。

　（ホーンアンテナアレイ）
　実施形態に係るホーンアンテナアレイは、複数のホーンアンテナを備える。該複数のホーンアンテナは、各ホーンアンテナの開口の長手方向と、各ホーンアンテナに入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、少なくとも１次元のアレイ状に配置されている。

　本実施形態に係るホーンアンテナアレイは、上述した実施形態に係る測定装置と同様に、検出感度の低下を抑制することができる。

　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。

　（装置構成）
　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を参照して説明する。図１は、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、制御・信号処理部２０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、シリンドリカルレンズ１２、１４及び１５、ビームスプリッタ１３、並びに検出部１６を備えて構成されている。制御・信号処理部２０は、バイアス生成部２１、信号増幅部２２、ロックイン検出部２３、画像処理部２４及びスキャナ部２５を備えて構成されている。尚、本実施例に係る「発生部１１」は、本発明に係る「照射部」の一例である。

　ここで、検出部１６について、図２及び図３を参照して説明を加える。図２は、実施例に係る検出部の構成の一例を示す斜視図である。図３は、実施例に係る検出部の構成の他の一例を示す斜視図である。

　図２及び図３に示すように、検出部１６は、複数のテラヘルツ波検出素子１６ａと、該複数のテラヘルツ波検出素子１６ａ各々に設けられた複数のホーンアンテナ１６ｂとを備えて構成されている。複数のテラヘルツ波検出素子１６ａ及び複数のホーンアンテナ１６ｂは、１次元アレイ状に配列されている。図２及び図３に示すように、ホーンアンテナ１６ｂの開口は長方形に形成されている。この開口形状については、後で詳述する。

　尚、複数のテラヘルツ波検出素子１６ａ及び複数のホーンアンテナ１６ｂは、２次元アレイ状に配列されていてもよい。複数のホーンアンテナ１６ｂの配列は、本発明に係る「ホーンアンテナアレイ」の一例である。

　次に、発生部１１について、図４及び図５を参照して説明を加える。図４は、実施例に係る発生部の構成の一例を示す斜視図である。図５は、実施例に係る発生部の構成の他の一例を示す斜視図である。

　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。発生部１１は、図４に示すように、複数のテラヘルツ波発生素子１１ａと、該複数のテラヘルツ波発生素子１１ａ各々に設けられた複数のホーンアンテナ１１ｂとを備えて構成されていてよい。この場合、複数のテラヘルツ波発生素子１１ａ及び複数のホーンアンテナ１１ｂは、検出部１６のテラヘルツ波発生素子１６ａ及びホーンアンテナ１６ｂの配列方向に対応するように、配列されている。

　或いは、発生部１１は、図５に示すように、１つのテラヘルツ波発生素子１１ａと、１つのホーンアンテナ１１ｂと、該テラヘルツ波発生素子１１ａ及びホーンアンテナ１１ｂを一体として、検出部１６のテラヘルツ波発生素子１６ａ及びホーンアンテナ１６ｂの配列方向に沿って、走査させるスキャン機構１１ｃと、を備えて構成されていてよい。本実施例に係る「スキャン機構１１ｃ」は、本発明に係る「走査手段」の一例である。

　尚、発生部１１のホーンアンテナ１１ｂ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。発生部１１は、１つのテラヘルツ波発生素子１１ａと、１つのホーンアンテナ１１ｂと、テラヘルツ波発生素子１１ａから出射されたテラヘルツ波の光路上に配置されたポリゴンミラー及びＦθレンズと、を備えて構成されていてもよい。

　再び図１に戻り、発生部１１のテラヘルツ波発生素子１１ａ、及び検出部１６のテラヘルツ波検出素子１６ｂには、バイアス生成部２１によりバイアス電圧が印加される。具体的には、テラヘルツ波発生素子１１ａには、ロックイン検出部２３におけるロックイン検出に用いられる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。他方、テラヘルツ波検出素子１６ａには、直流のバイアス電圧が印加される。

　発生部１１（テラヘルツ波発生素子１１ａ）からは、バイアス電圧に応じて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、シリンドリカルレンズ１２、ビームスプリッタ１３及びシリンドリカルレンズ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、シリンドリカルレンズ１４、ビームスプリッタ１３及びシリンドリカルレンズ１５を介して、検出部１６に入射する。

　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。

　スキャン機構３０は、スキャナ制御部２５からの駆動信号に基づいて、テラヘルツ波送受信部１０を、測定対象物９０に沿って平面的に駆動する。この際、スキャナ制御部２５は、テラヘルツ波送受信部１０からの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。

　検出部１６は、入射したテラヘルツ波（即ち、変調されたテラヘルツ波）に応じた受信信号を出力する。具体的には、検出部１６は、テラヘルツ波検出素子１６ａに入射したテラヘルツ波に起因して発生した、該入射したテラヘルツ波の振幅に比例する電流を、電流電圧変換した後に、受信信号として出力する。ここで、テラヘルツ波検出素子１６ａにより検出される、テラヘルツ波に起因する電流は微弱であるため、本実施例では、ロックイン検出部２２によるロックイン検出が行われる。

　ロックイン検出部２３は、参照信号を用いて、検出部１６から出力された受信信号から、該参照信号の周波数とは異なる周波数成分（即ち、ノイズ成分）を除去して、テラヘルツ波に起因する時間波形信号を高感度・高精度に検波する。

　画像処理部２４は、ロックイン検出部２３により検波された時間波形信号と、スキャナ制御部２５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。

　（チルトによる影響）
　測定対象物に照射された電磁波が、該測定対象物の表面で乱反射され、検出部に斜めに入射した場合や、検出部の配置誤差に起因して該検出部が入射する電磁波に対し傾いて配置された場合、この相対的な傾き（チルト）により、検出部からの受信信号の信号レベルが低下する。

　チルトによる信号レベルの低下について、図６及び図７を参照して具体的に説明する。図６は、検出部のチルトと信号レベルとの関係の一例を示す図である。図７は、検出部のチルトと信号レベルとの関係を、ホーンアンテナの開口のサイズ毎に示す図である。尚、図６及び図７は、周波数が３００ＧＨｚ（ギガヘルツ）の電磁波（即ち、ミリメートル波）を用いた実験結果に基づいている。

　図６の上段に示すように、検出部は、検出素子と、一辺がａの正方形の開口を有するホーンアンテナと、を備えて構成されている。ここでは、図６の上下方向を「垂直方向」と、図６の左上から右下への方向を「水平方向」と称する。

　この検出部に、水平直線偏波の電磁波が入射するものとする。検出部が入射する電磁波に対して垂直方向にチルトしている場合、チルト角度と受信信号の信号レベルとの関係は、図６のグラフに黒正方形で示すようになる。他方、検出部が入射する電磁波に対して水平方向にチルトしている場合、チルト角度と受信信号の信号レベルとの関係は、図６のグラフに黒三角形で示すようになる。

　図６のグラフからわかるように、検出部が電磁波の偏波方向に沿う方向（ここでは、水平方向）にチルトしている場合のほうが、検出部が電磁波の偏波方向に交わる方向（ここでは、垂直方向）にチルトしている場合に比べて、信号レベルの低下の程度が大きい。

　次に、ホーンアンテナの開口のサイズによる信号レベルの低下の違いについて説明する。１辺が３．９ｍｍ（ミリメートル）の正方形の開口を有するホーンアンテナに、水平直線偏波の電磁波が入射した場合、水平方向のチルト角と受信信号の信号レベルとの関係は、図７のグラフに黒正方形で示すようになる。１辺が５．０ｍｍの正方形の開口を有するホーンアンテナに、水平直線偏波の電磁波が入射した場合、水平方向のチルト角と受信信号の信号レベルとの関係は、図７のグラフに黒三角形で示すようになる。

　図７のグラフからわかるように、ホーンアンテナの開口のサイズが大きいほど、信号レベルの低下の程度は抑制される。ただし、ホーンアンテナの開口のサイズが大き過ぎると受信効率が低下してしまう。このため、ホーンアンテナの開口のサイズは、入射する電磁波の波長以上で、ある程度大きいことが望ましい。

　（ホーンアンテナの開口形状）
　上記「チルトによる影響」の内容を踏まえて、本実施例に係る検出部１６のホーンアンテナ１６ｂの開口は、長手方向が存在するような形状とされている（図２、図３参照）。

　ホーンアンテナの開口の形状を正方形とし、単に、１辺の長さを大きくしただけでは、図６のグラフに示すような、電磁波の偏波方向へのチルトか、そうでないかによって、信号レベルの低下の程度に差が生じる。そこで、電磁波の偏波方向に対応する開口の辺の長さを、電磁波の偏波方向に交わる方向に対応する開口の辺の長さよりも長くすれば、電磁波の偏波方向へのチルトか否かにかかわらず、チルトに起因する信号レベルの低下を同程度とすることができる。

　そして、検出部１６に入射するテラヘルツ波の偏波方向と、ホーンアンテナ１６ｂの開口の長手方向とが揃うように、検出部１６を配置すれば、チルトによる受信信号の信号レベルの低下を抑制することができる。

　図２に示す検出部１６は、テラヘルツ波が、垂直直線偏波（即ち、偏波方向が図２の上下方向）である場合に、チルトによる受信信号の信号レベルの低下を好適に抑制することができる。

　他方で、図３に示す検出部１６は、テラヘルツ波が、水平直線偏波（即ち、偏波方向が図３の左上から右下への方向）である場合に、チルトによる受信信号の信号レベルの低下を好適に抑制することができる。

　尚、ホーンアンテナ１６ｂの開口の形状は、長方形に限らず、例えば楕円形等であってもよい。

　検出部１６に入射するテラヘルツ波の偏波方向は、発生部１１及び光学系（即ち、ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズ１２、１４及び１５等）の特性から予め特定可能である。逆に言えば、検出部１６に入射するテラヘルツ波の偏波方向を、発生部１１及び光学系の構成により変更することができる。

　このため、例えば製品に混入している異物を検査する場合等、比較的高い解像度が要求される場合には、検出部１６に入射するテラヘルツ波を垂直直線偏波として、図２に示すように、テラヘルツ波検出素子１６ａを比較的密に配列すればよい。他方で、例えばボディスキャナ等、比較的広い範囲の比較的短時間での検査が要求される場合には、検出部１６に入射するテラヘルツ波を水平直線偏波として、図３に示すように、テラヘルツ波検出素子１６ａを比較的広範囲に配列すればよい。

　本実施例では、シリンドリカルレンズ１２及び１４、並びにビームスプリッタ１３を介して、測定対象物９０にテラヘルツ波が照射されるが、発生部１１から出射されたテラヘルツ波が直接、測定対象物９０に照射される構成であってもよい。

　＜第１変形例＞
　次に、本実施例の第１変形例に係る検出部１６について、図８を参照して説明する。図８は、実施例の第１変形例に係る検出部の構成を示す斜視図である。

　図８において、本変形例に係る検出部１６は、ホーンアンテナ１６ｂのテラヘルツ波入射側に、シリンドリカルレンズを備える。このように構成すれば、検出部１６の受信効率を向上させることができ、実用上非常に有利である。

　ここで特に、シリンドリカルレンズの見込角と、ホーンアンテナ１６ｂの開口の長手方向についてのホーン形状の開き角度とをほぼ同じにすることにより、シリンドリカルレンズにより集光されたテラヘルツ波を各ホーンアンテナ１６ｂにより効率良く取り込むことができる。

　尚、図８は、図１における検出部１６及びシリンドリカルレンズ１５の斜視図である。シリンドリカルレンズ１５は、図８に示すような、テラヘルツ波の入射方向から平面的に見て複数のホーンアンテナ１６ｂを覆う１つのシリンドリカルレンズであってもよいし、各ホーンアンテナ１６ｂに個別に設けられてもよい。シリンドリカルレンズの材質は、対象とする電磁波の周波数に応じて適宜選択されてよい。例えばミリメートル波等、波長の比較的長い電磁波では、ポリスチレン樹脂のような誘電体のシリンドリカルレンズを使用してもよい。

　＜第２変形例＞
　次に、本実施例の第２変形例に係る検出部１６について、図９を参照して説明する。図９は、実施例の第２変形例に係る検出部の構成を示す斜視図である。

　図９において、本変形例に係る検出部１６では、垂直方向（即ち、図９の上下方向）が開口の長手方向であるホーンアンテナ１６ｂと、水平方向（即ち、図９の左上から右下への方向）が開口の長手方向であるホーンアンテナ１６ｂとが交互に配列されている。

　このように構成すれば、垂直直線偏波のテラヘルツ波が検出部１６に入射する場合にも、水平直線偏波のテラヘルツ波が検出部１６に入射する場合にも、チルトによる受信信号の信号レベルの低下を抑制することができる。

　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ホーンアンテナアレイ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、１１ａ…テラヘルツ波発生素子、１１ｂ、１６ｂ…ホーンアンテナ、１６…検出部、１６ａ…テラヘルツ波検出素子、２０…制御・信号処理部、３０…スキャン機構

Claims

　対象物に電磁波を照射する照射部と、
　前記対象物からの電磁波を検出する検出部と、
　を備え、
　前記検出部は、複数のホーンアンテナを有し、
　前記複数のホーンアンテナ各々の開口の長手方向と前記検出部に入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、前記複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている
　ことを特徴とする測定装置。
　前記検出部は、前記入射する電磁波の光路の前記複数のホーンアンテナの上流側に配置され、前記入射する電磁波を集光するレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
　前記レンズは、電磁波の入射方向から平面的に見て前記複数のホーンアンテナを覆うシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
　前記複数のホーンアンテナ各々のホーン形状の開き角度は、前記レンズの見込角と対応していることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
　前記照射部は、前記複数のホーンアンテナの配列方向に応じて配列された複数の電磁波発生素子を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の測定装置。
　前記照射部を、前記複数のホーンアンテナの配列方向に沿う方向に走査させる走査手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の測定装置。
　複数のホーンアンテナを備え、
　前記複数のホーンアンテナ各々の開口の長手方向と入射する電磁波の偏波方向とが揃うように、前記複数のホーンアンテナは少なくとも１次元のアレイ状に配列されている
　ことを特徴とするホーンアンテナアレイ。