(57)【要約】【課題】低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができるテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法を提供する。【解決手段】レーザ光を発するレーザダイオード１と、レーザダイオード１により発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割するビームスプリッタ２と、第１レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振アンテナ５と、第２レーザ光に基づいた検出タイミングでテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波受信アンテナ８と、テラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース５８を参照することにより測定対象物１００の粒径を推定するデータ保持部５２、データ処理部５６とを備える。【選択図】図１
2011153856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、
前記光分割部により発せられた第１レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振部と、
前記光分割部により発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振部により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波発振部と前記テラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出部により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定部と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。
【請求項２】
前記光分割部により発せられた第２レーザ光に時間遅延を与える時間遅延部を備えることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。
【請求項３】
前記推定部は、前記信号強度データに基づいて特徴量を算出する際に、平均値、標準偏差、最大値、ピーク値、ＲＭＳ、波形率、衝撃指数、波高率、歪度、及び尖り度の少なくとも１つを特徴量として算出することを特徴とする請求項２記載のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ波発振部と前記テラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波路中に所定の周波数帯のテラヘルツ波のみを通過させる光学フィルタを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ波検出部は、アナログフィルタとデジタルフィルタとの少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置。
【請求項６】
レーザダイオードからレーザ光を発するレーザ光発生ステップと、
前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割ステップと、
前記光分割ステップにより発せられた第１レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振ステップと、
前記光分割ステップにより発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振ステップにより発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出ステップと、
前記テラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出ステップにより生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定ステップと、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波を用いた粒径測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いて測定対象の粒径を測定する粒径測定装置及び粒径測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波と光波のちょうど中間領域にあるテラヘルツ波に注目が集まりつつある。テラヘルツ波は、送受信が困難なことから利用が遅れていた。しかし、最近のレーザ及び半導体技術の進歩等によりテラヘルツ波の利用が可能となってきた。学術分野により違いがあるが、テラヘルツ波は、波長で３０μｍ〜３ｍｍ、振動数では１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの領域を指す。
【０００３】
特許文献１には、電磁波分光により粉体の物理的状態を観測することを目的とするテラヘルツ電磁波による粉体物性測定装置及び方法が記載されている。このテラヘルツ電磁波による粉体物性測定装置は、粉体を保持する手段と、粉体にテラヘルツ電磁波を照射する照射手段と、粉体を通過したテラヘルツ電磁波を受信して電気信号に変換する受信手段と、該受信手段の出力をもとに該粉体を通過するテラヘルツ電磁波の粉体の各位置での伝搬時間の差もしくは振幅の差を取得する手段と、該差に基づいて表示装置に粉体の特徴を表示するための画像処理をする画像処理手段とを備えている。
【０００４】
この粉体物性測定装置は、粉体自体の物性あるいは物理的状態を測定して画像化する装置であり、例えばテラヘルツ電磁波の透過率を測定することにより粉体の種類を識別し、あるいはテラヘルツ電磁波の屈折率を測定することにより粉体の充填率を推測することができる。
【０００５】
特許文献２には、水封筒、カプセル、容器等に収容された粉体、気泡等の産卵物を開封することなく非破壊で検出するテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置が記載されている。このテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置と、該テラヘルツ波を被検査物に照射するテラヘルツ波照射装置と、被検査物を透過したテラヘルツ波の直進成分をカットし散乱成分の強度を検出する散乱強度検出装置とを備えている。さらに、テラヘルツ波照射装置は、発生したテラヘルツ波を平行光に変換するレンズと、該平行光の断面形状を被検査物より小さく制限して対象物に向けて照射する絞りとからなり、散乱強度検出装置は、被検査物を直進して透過したテラヘルツ波を途中で遮光し、被検査物で散乱したテラヘルツ波を所定の位置に集光する共焦点光学系と、該集光位置のテラヘルツ波の強度を検出する散乱強度検出器とからなる。
【０００６】
このテラヘルツ波を用いた散乱物検出装置によれば、被検査物を透過したテラヘルツ波の直進成分をカットし、散乱成分の強度を検出できるので、例えば粒径に応じた散乱強度を検出することにより粉体の識別を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−６１４５５号公報
【特許文献２】特開２００６−７１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、テラヘルツ波を用いて構造物中の粒子径を測定する場合には、スペクトル幅が広くピークパワーが大きいといった理由によりフェムト秒レーザを用いるのが一般的であるが、高コストであるという問題点がある。
【０００９】
また、従来の測定装置は、対象の粒径を測定するに際して透過率（＝（サンプルのＦＦＴ結果／リファレンスのＦＦＴ結果）＊１００）を使用するのが一般的であるが、透過率を計算するためにはリファレンスとサンプルとの両方の信号強度を測定し、いずれもフーリエ変換を行った後に周波数毎に算出する必要があり、信号処理に手間がかかるという問題点がある。なお、リファレンスとは、測定対象物を何も設置しない状態で行った測定結果を指す。
【００１０】
図１２は、従来の測定装置の動作を示すフローチャート図である。従来の測定装置は、最初にリファレンスの時間波形（時間に対する信号強度）を測定する（ステップＳ１）。次に、従来の測定装置は、測定対象物（サンプル）を設置した場合における時間波形を測定する（ステップＳ２）。ここで、図１３は、従来の測定装置により測定されたサンプル（粒径６０５μｍ）とリファレンスの時間波形図の１例である。
【００１１】
次に、従来の測定装置は、リファレンスとサンプルについてＦＦＴ解析を行う（ステップＳ３）。ここで、図１４は、従来の測定装置により測定されたサンプル（粒径６０５μｍ）とリファレンスの時間波形に対して行ったフーリエ変換結果を示す図である。
【００１２】
次に、従来の測定装置は、周波数毎の透過率を計算する（ステップＳ４）。すなわち、従来の測定装置は、図１４のＦＦＴ変換結果に基づいて、所定の周波数におけるサンプルとリファレンスの任意強度を抽出し、上述した式に基づいて透過率を算出する。なお、リファレンスのフーリエ変換後における周波数に対する任意強度は、予めデータベースに記憶された値を用いてもよい。
【００１３】
例えば、図１４に示すフーリエ変換後のサンプルの時間波形から、０．１８３ＴＨｚの周波数に対する任意強度が１２７である場合に、データベースに基づいてリファレンスの０．１８３ＴＨｚの周波数に対する任意強度が２５９であったとすると、従来の測定装置は、（１２７／２５９）＊１００＝４９[％]のように透過率を算出することができる。
【００１４】
次に、従来の測定装置は、算出した透過率をデータベースと照合する（ステップＳ５）。図１５は、０．１８３ＴＨｚの周波数において予め測定した粒径に対する透過率を示す図である。また、図１６は、０．１８３ＴＨｚの周波数において予め測定した粒径に対する透過率の結果に基づいて作成したデータベースを示す表である。従来の測定装置は、例えば算出した透過率が４９％である場合に、図１６に示すデータベースと照合することにより、粒径が６０５[μｍ]であることを導き出すことができる。
【００１５】
最後に、従来の測定装置は、導出した粒径（６０５[μｍ]）を表示装置に表示して処理を終了する（ステップＳ６）。
【００１６】
以上説明したように、従来の測定装置は、リファレンスとサンプルの両方の信号強度に対してフーリエ変換を行う必要があり、さらにデータベースによらずにリファレンスを毎回測定する場合には、測定の度にリファレンスとサンプルの両方についてデータをとる必要があり、手間がかかるという問題点がある。
【００１７】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができるテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を発するレーザダイオードと、前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、前記光分割部により発せられた第１レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振部と、前記光分割部により発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振部により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波発振部と前記テラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出部により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定方法は、上記課題を解決するために、レーザダイオードからレーザ光を発するレーザ光発生ステップと、前記レーザダイオードにより発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割ステップと、前記光分割ステップにより発せられた第１レーザ光が照射されることによりテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発振ステップと、前記光分割ステップにより発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングで前記テラヘルツ波発振ステップにより発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成するテラヘルツ波検出ステップと、前記テラヘルツ波路中に測定対象物を設置した場合の前記テラヘルツ波検出ステップにより生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベースを参照することにより前記測定対象物の粒径を推定する推定ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができるテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波発振アンテナの詳細な構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナの詳細な構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の動作を示すフローチャート図である。
【図５】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置により得られた特徴量を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置において測定対象物の粒径を変えた場合の平均値及び透過率を示す図である。
【図７】本発明の実施例２の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナの詳細な構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成の１例を示す図である。
【図９】本発明の実施例２の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成の１例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成の１例を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３の形態のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成の１例を示す図である。
【図１２】従来の粒径測定装置の動作を示すフローチャート図である。
【図１３】従来の粒径測定装置により測定されたサンプルとリファレンスの時間波形図の１例である。
【図１４】従来の粒径測定装置により測定されたサンプルとリファレンスの時間波形に対して行ったフーリエ変換結果を示す図である。
【図１５】従来の粒径測定装置において０．１８３ＴＨｚの周波数で予め測定した粒径に対する透過率を示す図である。
【図１６】従来の粒径測定装置において０．１８３ＴＨｚの周波数で予め測定した粒径に対する透過率の結果に基づいて作成したデータベースを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。図１を参照して、粒径測定装置の構成を説明する。本実施例の粒径測定装置は、レーザダイオード１、ビームスプリッタ２、ミラー３、レンズ４、テラヘルツ波発振アンテナ５、放物面ミラー６，７、テラヘルツ波受信アンテナ８、レンズ９、ミラー１０、時間遅延機構１１、ミラー１２、信号発生器５０、ロックインアンプ５１、データ保持部５２、表示装置５３、データ処理部５６、制御部５７、及びデータベース５８により構成される。
【００２４】
なお、レーザダイオード１、ビームスプリッタ２、ミラー３，１０，１２、レンズ４，９、テラヘルツ波発振アンテナ５、テラヘルツ波受信アンテナ８、放物面ミラー６，７、時間遅延機構１１、及び後述する測定対象物１００は、同一平面状にあるものとする。
【００２５】
レーザダイオード１は、レーザ光を発する。このレーザ光は、数ピコ秒以下で強度が変化している。また、レーザ光の波長は、後述するテラヘルツ波発振アンテナ５及びテラヘルツ波受信アンテナ８の低温成長ガリウムヒ素基板を励起できる波長であればよく、例えば７８０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度である。さらに、レーザダイオード１によるレーザ出力強度は、エミッタ側に約３０ｍＷ、ディテクタ側に約１０ｍＷ出力する強度があればよい。
【００２６】
ビームスプリッタ２は、本発明の光分割部に対応し、レーザダイオード１により発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する。
【００２７】
ミラー３は、ビームスプリッタ２により発せられた第１レーザ光を所定の方向に反射する。
【００２８】
レンズ４は、ミラー３により反射された第１レーザ光を集光する。
【００２９】
テラヘルツ波発振アンテナ５は、本発明のテラヘルツ波発振部に対応し、ビームスプリッタ２により発せられた第１レーザ光がミラー３及びレンズ４を介して照射されることによりテラヘルツ波を発振する。
【００３０】
図２は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波発振アンテナ５の詳細な構成を示す図である。図２に示すように、テラヘルツ波発振アンテナ５は、シリコンレンズ２５に低温成長ガリウムヒ素基板２２が設けられた構成となっており、低温成長ガリウムヒ素基板２２上の電極２０に信号発生器５０が接続されている。電極２０は、例えばダイポール、ボウタイ等の形状を有しており、材質として主に金が用いられる。また、シリコンレンズ２５は、半球レンズあるいは超半球レンズを用いたものである。さらに、黒丸で示されたレーザ光２３は、ギャップ２１に照射される第１レーザ光の照射箇所を示したものである。
【００３１】
信号発生器５０は、テラヘルツ波発振アンテナ５に電圧を印加し、繰り返し周波数として、例えば１１ｋＨｚでテラヘルツ波を変調する。
【００３２】
放物面ミラー６，７は、テラヘルツ波発振アンテナ５により発振されたテラヘルツ波をテラヘルツ波受信アンテナ８に導くためのミラーである。この放物面ミラー６，７は、テラヘルツ波の減衰がないものであればよく、例えば金属（鉄、アルミ等）が挙げられる。可動ステージは２０μｍ以下でステップするステージであればよい。
【００３３】
テラヘルツ波受信アンテナ８は、本発明のテラヘルツ波検出部に対応し、ビームスプリッタ２により発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングでテラヘルツ波発振アンテナ５により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成する。テラヘルツ波受信アンテナ８は、テラヘルツ波を受信できる装置であればよく、例えばシリコンボロメータ等が挙げられる。
【００３４】
図３は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナ８の詳細な構成を示す図である。図３に示すように、テラヘルツ波受信アンテナ８は、テラヘルツ波発振アンテナ５と同様の構成を有しており、シリコンレンズ２５に低温成長ガリウムヒ素基板２２が設けられている。ただし、テラヘルツ波受信アンテナ８の低温成長ガリウムヒ素基板２２上の電極２０には、信号発生器５０の代わりにロックインアンプ５１が接続されている。
【００３５】
ミラー１２は、ビームスプリッタ２により発せられた第２レーザ光を所定の方向に反射し、時間遅延機構１１内部に導く。
【００３６】
時間遅延機構１１は、本発明の時間遅延部に対応し、ビームスプリッタ２により発せられミラー１２を介して入射された第２レーザ光に時間遅延を与える。また、制御部５７は、時間遅延機構１１内部のミラーを移動させることにより、時間遅延量を制御することができる。この制御部５７は、表示装置５３と一体的に設置されていてもよい。時間遅延機構１１に要求される仕様の１例を挙げると、時間遅延機構１１は、内部ミラーの移動範囲が２ｃｍ以上５ｃｍ以下あればよい。その移動速度は、最大で２０ｋｐｐｓ（Ｐｕｌｓｅ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）、最小で１ｋｐｐｓであればよい。また、移動ピッチは１０μｍ毎に動作すればよく、移動精度は０．０１５ｍｍであればよい。
【００３７】
ミラー１０は、時間遅延機構１１により発せられた第２レーザ光を所定の方向に反射する。
【００３８】
レンズ９は、ミラー１０により反射された第２レーザ光を集光する。なお、ビームスプリッタ２、ミラー３，１０，１２、及びレンズ４，９は、レーザダイオード１によるレーザ光の出力強度に耐えることができ、且つレーザ光の強度に変化を与えないものがよい。
【００３９】
ロックインアンプ５１は、信号発生器５０の参照信号に同期して、テラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号を増幅する。なお、ロックインアンプ５１は、電流増幅が１０８程あればよい。また、電圧電源は５０Ｖ以下を印加できるものであればよい。
【００４０】
データ保持部５２及びデータ処理部５６は、本発明の推定部に対応し、テラヘルツ波発振アンテナ５とテラヘルツ波受信アンテナ８との間のテラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース５８を参照することにより測定対象物１００の粒径を推定する。
【００４１】
ここで、本発明の「特徴量」は、テラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合の信号強度データのみから算出できる量を指すものとする。したがって、従来技術として説明した「透過率」は、テラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置しない場合の信号強度データも必要となるため、本発明の「特徴量」には該当しない。
【００４２】
なお、推定部（データ保持部５２及びデータ処理部５６）は、信号強度データに基づいて特徴量を算出する際に、平均値、標準偏差、最大値、ピーク値、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）、波形率、衝撃指数、波高率、歪度、及び尖り度の少なくとも１つを特徴量として算出する。特徴量の詳細については後述する。
【００４３】
個々の構成について述べると、データ保持部５２は、テラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データを保持する。また、データ処理部５６は、データ保持部５２に保持された信号強度データに基づいて特徴量を算出し、データ保持部５２を介してデータベース５８を参照することにより測定対象物１００の粒径を推定する。
【００４４】
データベース５８は、予め調べた特徴量に対応する粒径のデータを保持する。このデータベース５８に保持されたデータは、例えば粒径が既知のガラスビーズ等を使用して予め測定を行い、平均値等の特徴量と粒径との関係を調べて作成したものである。
【００４５】
表示装置５３は、ロックインアンプ５１による出力された検出信号に基づく信号強度データや、推定部（データ保持部５２及びデータ処理部５６）が推定した粒径を表示するための装置である。
【００４６】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図４は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の動作を示すフローチャート図である。なお、データベース５８には、既に特徴量とそれに対応する粒径のデータが保持されているものとする。
【００４７】
最初に、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、図１３に示すようなサンプルの時間波形を測定する（ステップＳ１１）。具体的に説明すると、ユーザは、測定対象物１００をテラヘルツ波路中に設置する。測定対象物１００は、粒状物や粉体物であり、ポリカーボネイト等のケースに収納されている。
【００４８】
レーザダイオード１は、レーザ光を発する（レーザ光発生ステップ）。ビームスプリッタ２は、レーザダイオード１により発せられたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する（光分割ステップ）。ここで、第１レーザ光は、テラヘルツ波発振アンテナ２に向かうエミッタ側のレーザ光である。第２レーザ光は、テラヘルツ波受信アンテナ８に向かうディテクタ側のレーザ光である。
【００４９】
エミッタ側のレーザ光（第１レーザ光）は、レンズ４により集光され、テラヘルツ波発振アンテナ５に照射される。第１レーザ光が照射されたテラヘルツ波発振アンテナ５は、信号発生器５０により電圧を印加されることで、テラヘルツ波を発振する（テラヘルツ波発振ステップ）。
【００５０】
発振したテラヘルツ波は、放物面ミラー６，７で反射し、テラヘルツ波受信アンテナ８に照射される。一方、ディテクタ側のレーザ光（第２レーザ光）は、エミッタ側と同様にテラヘルツ波受信アンテナ８に照射される。
【００５１】
このとき、ビームスプリッタ２からテラヘルツ波発振アンテナ5を経てテラヘルツ波受信アンテナ８までの光学距離と、ビームスプリッタ２からテラヘルツ波受信アンテナ８までの距離が一致するように光学部品を設置する。
【００５２】
テラヘルツ波発振アンテナ５から発振するテラヘルツ波はパルスであり、パルス幅は数ピコ秒のため一つのパルスを一回で受信する測定装置はない。そこで、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波発振アンテナ５にテラヘルツパルスを繰り返し送信させておき、時間遅延機構１１の光学距離を変えることで時間遅延を発生させ、テラヘルツパルスの各箇所を順に測定することでテラヘルツパルスを測定する。
【００５３】
テラヘルツ波受信アンテナ８は、ビームスプリッタ２により発せられた第２レーザ光に基づいた検出タイミングでテラヘルツ波発振アンテナ５により発振されたテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた検出信号を生成する（テラヘルツ波検出ステップ）。
【００５４】
具体的には、第２レーザ光がテラヘルツ波受信アンテナ８のギャップ２１に照射されることで電子が励起し、そこにテラヘルツ波が照射されることで、電極２０に微小電流が流れる。ロックインアンプ５１は、信号発生器５０と同期をとるとともに、この微小電流を検出信号として検出して増幅する。
【００５５】
次に、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置は、特徴量を計算し（ステップＳ１２）、データベースと照合する（ステップＳ１３）。具体的には、データ保持部５２及びデータ処理部５６は、テラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース５８を参照することにより測定対象物１００の粒径を推定する（推定ステップ）。
【００５６】
ここで、特徴量の例として、平均値、標準偏差、最大値、ピーク値、ＲＭＳ、波形率、衝撃指数、波高率、歪度、尖り度について説明する。
【００５７】
まず、平均値は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形に基づいて、絶対値総和をデータ点で割った値である。
【数１】
2011153856.tif 000003
【００５８】
標準偏差は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形に基づいて、以下に示す（２）式を計算したものである。
【数２】
2011153856.tif 000004
【００５９】
最大値は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形から絶対値の最大値をとったものである。
【００６０】
ピーク値は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形から絶対値の大きい順に１０個目までの平均値をとったものである。
【数３】
2011153856.tif 000005
【００６１】
ＲＭＳは、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形から以下に示す（４）式を計算したものである。
【数４】
2011153856.tif 000006
【００６２】
歪度は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形から以下に示す（５）式を計算したものである。
【数５】
2011153856.tif 000007
【００６３】
尖り度は、放物面ミラー６，７の間に測定対象物１００を設置した状態での時間波形から以下に示す（５）式を計算したものである。
【数６】
2011153856.tif 000008
【００６４】
さらに、有次元パラメータの特徴量のみならず、上述した式で得られた値を用いて、無次元パラメータの特徴量である波形率、衝撃指数、及び波高率を求めることができる。ここで、波形率＝標準偏差／平均値である。また、衝撃指数＝ピーク値／標準偏差である。さらに、波高率＝ピーク値／平均値である。
【００６５】
一方、上述したように、ユーザは、予め粒径と各特徴量との関係を測定しておき、データベース５８を作成しておく。サンプル（測定対象物１００）の測定が終了すると、データ処理部５６は、データ保持部５２に保持された信号強度データから上述した特徴量を算出し、算出した特徴量とデータベース５８とを照合して粒径を推定する。
【００６６】
最後に、表示装置５３は、推定部（データ保持部５２及びデータ処理部５６）が推定した粒径をディスプレイ等に表示する（ステップＳ１４）。
【００６７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係るテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法によれば、低コストであり、且つ手間をかけずに迅速に粒径を測定することができる。
【００６８】
すなわち、本実施例の粒径測定装置及び粒径測定方法は、従来のような高コストのフェムト秒レーザを用いる代わりにレーザダイオード１を使用しているため、装置を低コストに抑えることができるという利点を有する。
【００６９】
ここで、図５は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置により得られた特徴量を示すグラフであり、横軸は粒径である。図５に示すように、いずれの有次元パラメータの特徴量も測定対象物１００の粒径が大きくなるにつれて減少する傾向を示しており、粒径の判別が可能であるといえる。すなわち、図５の実験結果は、本実施例の粒径測定装置のように高コストのフェムト秒レーザを用いる代わりにレーザダイオード１を使用したとしても、特徴量に有意差があるため粒径の測定が十分に可能であることを示している。
【００７０】
また、従来の測定装置は、対象の粒径を測定するに際して透過率を使用するので、測定対象物を何も設置しない状態でのリファレンスとサンプルとの両方の信号強度を測定し、いずれもフーリエ変換を行った後に周波数毎に算出する必要があり、信号処理に手間がかかるという問題点があった。これに対し、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、算出した特徴量に基づいて粒径を推定するので、従来のような測定対象物を何も設置しない状態でのリファレンスの測定が不要であり、さらにフーリエ変換を行う必要も無いので信号処理を簡素化できるという利点がある。
【００７１】
図６は、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置において測定対象物１００の粒径を変えた場合の平均値及び透過率を示す図である。図６に示すように、透過率と平均値とは、いずれも測定対象物１００の粒径が大きくなるにつれて減少する傾向を示している。すなわち、図６の実験結果は、本実施例の粒径測定装置のように透過率の代わりに特徴量として平均値を採用したとしても、透過率を使用する従来の装置と同等のレベルで粒径の測定が可能であることを示している。よって、本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置及び粒径測定方法は、従来の装置と同等レベルの測定が可能でありながら、信号処理を簡素化できる分、手間をかけずに迅速に粒径を測定することができる。
【実施例２】
【００７２】
次に、本発明の実施例２のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成について説明する。本実施例の粒径測定装置は、アナログフィルタ５５、デジタルフィルタ５４、及び光学フィルタ１３の少なくとも１つを備える点で実施例１と異なる。具体的には、テラヘルツ波受信アンテナ８は、アナログフィルタ５５とデジタルフィルタ５４との少なくとも１つを備える。また、光学フィルタ１３を備える場合には、本実施例の粒径測定装置は、テラヘルツ波発振アンテナ５とテラヘルツ波受信アンテナ８との間のテラヘルツ波路中に所定の周波数帯のテラヘルツ波のみを通過させる光学フィルタ１３を備える。
【００７３】
図７は、アナログフィルタ５５を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置におけるテラヘルツ波受信アンテナ８ａの詳細な構成を示す図である。実施例１のテラヘルツ波受信アンテナ８と異なる点は、アナログフィルタ５５が電極２０に接続されている点である。
【００７４】
図８は、デジタルフィルタ５４を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例１の粒径測定装置と異なる点は、テラヘルツ波受信アンテナ８とロックインアンプ５１との間にデジタルフィルタ５４が設けられている点である。
【００７５】
図９は、光学フィルタ１３を備える場合の本実施例のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例１の粒径測定装置と異なる点は、テラヘルツ波路中に光学フィルタ１３が設けられている点である。なお、光学フィルタ１３の設置箇所は、テラヘルツ波発振アンテナ５からテラヘルツ波受信アンテナ８までのテラヘルツ波路中であればどこでもよく、測定対象物１００の前後を問わない。
【００７６】
本実施例において、光学フィルタ１３、アナログフィルタ５５、及びデジタルフィルタ５４は、いずれも０．２５ＴＨｚ以下が通過するフィルタであるものとする。
【００７７】
その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００７８】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的には、実施例１の粒径測定装置の動作と同様である。しかしながら、テラヘルツ波受信アンテナ８がアナログフィルタ５５とデジタルフィルタ５４との少なくとも１つを備えている場合には、生成した検出信号に対してノイズフィルタの役割を果たすので、ロックインアンプに入力される検出信号は、ノイズ成分が除去された信号となる。また、光学フィルタ１３を備えている場合には、テラヘルツ波に対してノイズフィルタの役割を果たすので、テラヘルツ波受信アンテナ８は、ノイズ成分が除去されたテラヘルツ波を受信することができる。
【００７９】
その他の作用は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８０】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る粒径測定装置によれば、実施例１と同様の効果を得ることができるのみならず、テラヘルツ波あるいは検出信号のノイズ成分を除去することにより、粒径に応じた特徴量の差がはっきり出るので、より容易且つ正確に粒径を判別することができる。なお、ユーザは、本実施例のようなフィルタを追加した構成とする場合には、フィルタ有りの場合のデータベースを予め作成しておく必要がある。
【実施例３】
【００８１】
図１０は、本発明の実施例３のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の構成を示す図である。実施例１の構成と異なる点は、データ処理部５６、時間遅延機構１１及び制御部５７を備えていない点である。
【００８２】
その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８３】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的には、実施例１の粒径測定装置の動作と同様である。しかしながら、時間遅延機構１１が設置されていないため、本実施例の粒径測定装置は、第２レーザ光に対して時間遅延を与えることができず、時間波形を得ることができない。したがって、テラヘルツ波受信アンテナ８による検出信号は、テラヘルツ波の１点での強度を示すものとなる。
【００８４】
データ保持部５２は、本発明の推定部に対応し、テラヘルツ波発振アンテナ５とテラヘルツ波受信アンテナ８との間のテラヘルツ波路中に測定対象物１００を設置した場合のテラヘルツ波受信アンテナ８により生成された検出信号に基づく信号強度データのみから特徴量を算出し、特徴量に対応する粒径のデータを保持するデータベース５８を参照することにより測定対象物１００の粒径を推定する。
【００８５】
ここで、データ保持部５２は、特徴量として信号強度データをそのまま使用する。すなわち、本実施例の粒径測定装置は、平均値等の計算処理を経て特徴量を算出するわけではないので、データ処理部５６が不要な構成となっている。
【００８６】
なお、データベース５８は、予め調べた信号強度に対応する粒径のデータを保持する。このデータベース５８に保持されたデータは、例えば粒径が既知のガラスビーズ等を使用して予め測定を行い、信号強度と粒径との関係を調べて作成したものである。
【００８７】
上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係る粒径測定装置によれば、実施例１と同様の効果を得ることができるのみならず、データ処理部５６、時間遅延機構１１及び制御部５７が不要となるため、低コスト化を実現することができる。すなわち、本発明を実現するに際し、時間遅延機構１１は必ずしも必須の構成ではないといえる。
【００８８】
また、図１１は、本発明の実施例３のテラヘルツ波を用いた粒径測定装置の別の構成例を示す図であり、光学フィルタ１３がさらに設けられている。このような構成とすることにより、実施例２と同様に、より容易且つ正確に粒径を判別することができる。また、実施例２で説明したように、アナログフィルタ５５あるいはデジタルフィルタ５４を備えることもでき、実施例２と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明に係る粒径測定装置は、テラヘルツ波を用いて測定対象の粒径を測定する粒径測定装置及び粒径測定方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１      レーザダイオード
２      ビームスプリッタ
３      ミラー
４      レンズ
５      テラヘルツ波発振アンテナ
６，７  放物面ミラー
８，８ａ  テラヘルツ波受信アンテナ
９      レンズ
１０    ミラー
１１    時間遅延機構
１２    ミラー
１３    光学フィルタ
２０    電極
２１    ギャップ
２２    低温成長ガリウムヒ素基板
２３    レーザ光
２５    シリコンレンズ
５０    信号発生器
５１    ロックインアンプ
５２    データ保持部
５３    表示装置
５４    デジタルフィルタ
５５    アナログフィルタ
５６    データ処理部
５７    制御部
５８    データベース
１００  測定対象物
【図１】
2011153856.tif 000009
【図２】
2011153856.tif 000010
【図３】
2011153856.tif 000011
【図４】
2011153856.tif 000012
【図５】
2011153856.tif 000013
【図６】
2011153856.tif 000014
【図７】
2011153856.tif 000015
【図８】
2011153856.tif 000016
【図９】
2011153856.tif 000017
【図１０】
2011153856.tif 000018
【図１１】
2011153856.tif 000019
【図１２】
2011153856.tif 000020
【図１３】
2011153856.tif 000021
【図１４】
2011153856.tif 000022
【図１５】
2011153856.tif 000023
【図１６】
2011153856.tif 000024