(57)【要約】【課題】  被測定試料の電磁波に対する透過率の２次元分布を高い精度で測定することができるシンプルな構造の透過型電磁波イメージング装置を提供する。【解決手段】  電磁波放射素子をアレイ状に配置した電磁波放射源２と、各電磁波発生素子が放射する電磁波の位相を独立に調整する電磁波信号発生・位相調整部１と、電磁波放射源２の前方距離ｆの位置に配置され、電磁波を被測定試料６に照射する焦点距離ｆの第１のコリメートレンズ４と、被測定試料６を透過した電磁波を集光する第２のコリメートレンズ７と、電磁波の集光位置に検出面８ａを有する電磁波検出部８と、検出された電磁波の強度に基づいて被測定試料６に対する電磁波の透過率の２次元分布を測定する演算制御記憶部１１とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の被測定試料に対する透過率の２次元分布を測定し、その結果から被測定試料の物理的、化学的性質の２次元分布を可視化する透過型電磁波イメージング装置において、
電磁波信号を発生する電磁波信号発生手段と、
この電磁波信号発生手段で発生した前記電磁波信号を複数に分配する分配手段と、
この分配手段で分配された電磁波信号をそれぞれ位相調整する位相調整手段と、
この位相調整手段で位相調整された電磁波信号を受けて電磁波を放射する複数の電磁波放射素子をアレイ状に配置した電磁波放射源と、
前記電磁波放射源から電磁波の放射方向に所定の焦点距離だけ前方に設置され、前記電磁波放射源から放射された電磁波をコリメートする第１のコリメート光学系と、
この第１のコリメート光学系を出射した後、前記被測定試料を透過した電磁波を収束する第２のコリメート光学系と、
この第２のコリメート光学系から電磁波の進行方向に前記第２のコリメート光学系の焦点距離だけ前方に設置され、前記第２のコリメート光学系で収束された電磁波を検出する電磁波検出手段と、
前記位相調整手段で調整される位相調整量を制御することにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の前記被測定試料表面上での照射位置を走査させ、前記電磁波検出手段で検出した電磁波の強度に基づいて前記被測定試料に対する電磁波の透過率の２次元分布を測定する演算制御手段と
を備えたことを特徴とする透過型電磁波イメージング装置。
【請求項２】
穴を１つ有し、この穴以外の位置では電磁波を透過しない位相調整量較正板を前記被測定試料の設置位置に設置した状態で、前記演算制御手段は、前記位相調整手段で位相量を調整した電磁波を前記電磁波放射源から放射し、前記穴を通過した電磁波を前記電磁波検出手段で検出し、この検出した電磁波の強度が最大値を得るときの位相量を前記穴の位置における位相調整量とし、それぞれ異なる位置に前記穴が設けられた複数の前記位相調整量較正板を用いたときに前記電磁波検出手段で検出した電磁波の強度が最大値を得るときの位相量をそれぞれの前記穴の位置における位相調整量として記憶することを特徴とする請求項１に記載の透過型電磁波イメージング装置。
【請求項３】
前記演算制御手段は、事前に測定した前記電磁波放射源から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータを記憶し、この放射プロファイルデータ用いて前記被測定試料に対する電磁波の透過率の２次元分布データに対する逆畳み込み演算を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型電磁波イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の電磁波に対する透過率の２次元分布を測定して、非破壊で被測定試料の物理的、化学的性質の２次元分布を明らかにする透過型電磁波イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の透過型電磁波イメージング装置として、例えば特許文献１に開示されたものがある。図５は従来の透過型電磁波イメージング装置を示す構成図である。
【０００３】
図５に示す透過型電磁波イメージング装置は、測定室１０１と、テラヘルツパルス光源１０２と、測光光学系１０３Ａ, １０３Ｂと、Ｘ−Ｙステージ１０４と、被測定試料１０５と、テラヘルツパルス検出部１０６と、計測・記憶部１０７と、データ処理部１０８と、演算部１０９と、画像処理部１１０とを備える。
【０００４】
テラヘルツパルス光源１０２から発生したテラヘルツパルス光は、測光光学系１０３Ａにより集光光束となり被測定試料１０５の一点に照射され、被測定試料１０５を透過し、測光光学系１０３Ｂで集光されてテラヘルツパルス検出部１０６に入射する。
【０００５】
Ｘ−Ｙステージ１０４は、被測定試料１０５を載置し、被測定試料１０５の２次元投影画像を得るためのＸ−Ｙ走査をする。Ｘ−Ｙ走査に応じてテラヘルツパルス検出部１０６は透過パルス光を順次検出し、電場強度の信号を計測・記憶部１０７へ送出する。
【０００６】
計測・記憶部１０７は、１画素毎にテラヘルツパルス光の電界強度の時系列信号を計測し、記憶する。データ処理部１０８は、１画素毎に時系列信号をフーリエ変換し、周波数スペクトルに変換する演算を行い、分光透過率を算出する。
【０００７】
演算部１０９は、分光透過率の周波数依存性から、被測定試料１０５の特徴的なパラメータを算出する。画像処理部１１０は、演算部１０９で得られた各画素に対応する数値データを用いてコンピュータで再構成して２次元画像化する。
【特許文献１】特開２００２−５８２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図５に示す透過型電磁波イメージング装置は、テラヘルツパルス光を試料表面上の一点に集光させる構造であるため、被測定試料がテラヘルツパルス光の光軸上で前後した場合、テラヘルツパルス光が透過する被測定試料上の断面積が大きく変化する。また、ステージ動作による振動発生が測光光学系の位置ずれを誘発することがある。このため測定精度が低下するという問題があった。
【０００９】
この測定精度の低下を防ぐには、Ｘ−Ｙステージの走査機構に高い位置精度が要求される。また、ステージ動作による位置ずれを防ぐためには、走査機構に高い剛性を持たせる必要がある。このため複雑な可動機構が必要となり、装置の構成が複雑になるという問題があった。
【００１０】
さらに、集光ビームを用いるため、被測定試料が厚くなるとテラヘルツパルス光が透過する被測定試料上の断面積が試料表面と裏面とで大きく変化する。このため試料厚さに制約が生じる。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、被測定試料の電磁波に対する透過率の２次元分布を高い精度で測定することができ、測定できる試料の厚さに制約がなく、シンプルな構造の透過型電磁波イメージング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電磁波の被測定試料に対する透過率の２次元分布を測定し、その結果から被測定試料の物理的、化学的性質の２次元分布を可視化する透過型電磁波イメージング装置において、電磁波信号を発生する電磁波信号発生手段と、この電磁波信号発生手段で発生した前記電磁波信号を複数に分配する分配手段と、この分配手段で分配された電磁波信号をそれぞれ位相調整する位相調整手段と、この位相調整手段で位相調整された電磁波信号を受けて電磁波を放射する複数の電磁波放射素子をアレイ状に配置した電磁波放射源と、前記電磁波放射源から電磁波の放射方向に所定の焦点距離だけ前方に設置され、前記電磁波放射源から放射された電磁波をコリメートする第１のコリメート光学系と、この第１のコリメート光学系を出射した後、前記被測定試料を透過した電磁波を収束する第２のコリメート光学系と、この第２のコリメート光学系から電磁波の進行方向に前記第２のコリメート光学系の焦点距離だけ前方に設置され、前記第２のコリメート光学系で収束された電磁波を検出する電磁波検出手段と、前記位相調整手段で調整される位相調整量を制御することにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の前記被測定試料表面上での照射位置を走査させ、前記電磁波検出手段で検出した電磁波の強度に基づいて前記被測定試料に対する電磁波の透過率の２次元分布を測定する演算制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、穴を１つ有し、この穴以外の位置では電磁波を透過しない位相調整量較正板を前記被測定試料の設置位置に設置した状態で、前記演算制御手段は、前記位相調整手段で位相量を調整した電磁波を前記電磁波放射源から放射し、前記穴を通過した電磁波を前記電磁波検出手段で検出し、この検出した電磁波の強度が最大値を得るときの位相量を前記穴の位置における位相調整量とし、それぞれ異なる位置に前記穴が設けられた複数の前記位相調整量較正板を用いたときに前記電磁波検出手段で検出した電磁波の強度が最大値を得るときの位相量をそれぞれの前記穴の位置における位相調整量として記憶することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、前記演算制御手段は、事前に測定した前記電磁波放射源から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータを記憶し、この放射プロファイルデータ用いて前記被測定試料に対する電磁波の透過率の２次元分布データに対する逆畳み込み演算を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電磁波を放射する複数の電磁波放射素子をアレイ状に配置し、それぞれの電磁波放射素子が放射する電磁波の位相を調整することにより被測定試料に当たる電磁波の位置を２次元走査するので、被測定試料を載置したステージが移動することによる振動、試料の位置ずれなどがなくなり、被測定試料の電磁波に対する透過率の２次元分布を高い精度で測定することができる。また、集光ビームを用いないため、測定できる試料の厚さに制約がない。
【００１６】
さらに、複雑な可動機構の排除が可能となり、シンプルな構造の透過型電磁波イメージング装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の透過型電磁波イメージング装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の透過型電磁波イメージング装置を示す構成図である。
【００１８】
図１において、電磁波信号発生・位相調整部１は電磁波信号を発生し、その位相を独立に制御して供給する。
【００１９】
電磁波放射源２は電磁波信号発生・位相調整部１から供給される電磁波を放射する。電磁波放射源２には電磁波放射素子がアレイ状に配置され、電磁波放射源マウンタ３に搭載されている。
【００２０】
第１のコリメートレンズ４は電磁波放射源２から放射される電磁波ビームを平行ビームにコリメートする。第１のコリメートレンズ４の焦点距離をｆとすると、第１のコリメートレンズ４は電磁波放射源２から電磁波放射方向にｆの位置に設置される。
【００２１】
試料台５は被測定試料６を載置する。試料台５の中央には穴が設けられ、第１のコリメートレンズ４から到来する放射電磁波ビームが透過するようになっている。
【００２２】
第２のコリメートレンズ７は被測定試料６を透過した電磁波ビームを一点に収束させる。
【００２３】
電磁波検出部８は第２のコリメートレンズ７から到来する電磁波ビームを検出する。第２のコリメートレンズ７の焦点距離をｆ’とすると、電磁波検出部８の検出面８ａが第２のコリメートレンズ７から電磁波進行方向にｆ’の位置になるように設置される。
【００２４】
測定室９は電磁波放射源２、電磁波放射源マウンタ３、第１のコリメートレンズ４、試料台５、被測定試料６、第２のコリメートレンズ７、電磁波検出部８を収納し、電磁波の通過する空間を覆うようになっている。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換部１０は電磁波検出部８で検出した電磁波信号をデジタルデータに変換して出力する。
【００２６】
演算制御記憶部１１は電磁波信号発生・位相調整部１を制御して電磁波放射源２が放射する電磁波の被測定試料表面上での照射位置を走査させる。また、電磁波検出部８で検出される電磁波の強度と被測定試料６を電磁波が透過する位置との関係を記憶し、電磁波の走査終了後、電磁波の透過強度の２次元等高線図を表示させる。さらに、事前に測定し記憶しておいた電磁波放射源２から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータを用いて、被測定試料６に対する電磁波の透過率の２次元分布データに対する逆畳み込み演算を行う。
【００２７】
図２は図１に示す透過型電磁波イメージング装置の電磁波放射源を示す構成図である。図２に示すように電磁波放射源２は、半導体基板２１と、半導体基板２１上に形成された低誘電体層２２と、低誘電体層２２上に形成された３行×３列の電磁波放射素子アレイ２３とを備える。電磁波放射素子アレイ２３を構成する電磁波放射素子２３１〜２３９には、例えばパッチアンテナを用いる。
【００２８】
図３は図１に示す透過型電磁波イメージング装置の電磁波信号発生・位相調整部を示す構成図である。図３に示すように電磁波信号発生・位相調整部１は、所望の周波数で発振する高周波発振器１２と、高周波発振器１２から発せられた高周波信号を分配する分配器１３と、分配器１３で分配された高周波信号をそれぞれ別々に位相調整する位相調整器１４１〜１４９とを備える。高周波発振器１２、分配器１３、電磁波放射源２の各要素は同軸配線１５で電気的に接続され、同軸配線１５は被覆１６で束ねられる。位相調整器１４１〜１４９は位相量制御線１７で演算制御記憶部１１に接続され、位相量制御線１７は被覆１８で束ねられる。
【００２９】
ここで、本実施の形態の透過型電磁波イメージング装置の動作を説明する。まず、高周波発振器１２は高周波の電磁波信号を発生し、分配器１３に出力する。分配器１３は高周波発振器１２から入力された電磁波信号を９チャンネルに分配し、位相調整器１４１〜１４９にそれぞれ出力する。
【００３０】
次いで、位相調整器１４１〜１４９は、演算制御記憶部１１からの制御指示に基づいて、分配器１３から入力された電磁波信号の位相をそれぞれ独立に調整し、位相調整した電磁波信号を電磁波放射源２に供給する。そして、電磁波放射源２は電磁波を第１のコリメートレンズ４に放射する。
【００３１】
アレイ状に並べられた電磁波放射素子２３１〜２３９から放射された電磁波は互いに干渉し合い、特定の方向にのみ強く放射される。そこで、各電磁波放射素子２３１〜２３９を励起する位相を制御することによってその干渉波の放射分布を制御する。
【００３２】
位相調整器１４１〜１４９で調整される位相量は、電磁波放射素子２３１〜２３９から放射される電磁波が第１のコリメートレンズ４の任意の一点に絞られて向かうように、演算制御記憶部１１で制御される。
【００３３】
第１のコリメートレンズ４は、電磁波放射源２から放射される電磁波ビームを平行ビームにコリメートし、被測定試料６に照射する。電磁波放射源２は第１のコリメートレンズ４の焦点に位置している。したがって、電磁波放射源２から放射される電磁波はどの方向に向かったとしても、第１のコリメートレンズ４で絞られた平行ビームとしてコリメートされ、被測定試料６に向かうことになる。
【００３４】
そして、第２のコリメートレンズ７は、被測定試料６を透過した電磁波ビームを一点に収束させる。次いで、電磁波検出部８は、第２のコリメートレンズ７から到来する電磁波ビームを検出する。
【００３５】
ここで、第２のコリメートレンズ７に入射する電磁波は絞られた平行ビームであり、電磁波検出部８の検出面８ａは第２のコリメートレンズ７の焦点の位置に設置されている。したがって、被測定試料６のいずれの位置を透過した電磁波も必ず電磁波検出部８の検出面８ａに到達する。
【００３６】
次いで、Ａ／Ｄ変換部１０は、電磁波検出部８で検出した電磁波信号をデジタルデータに変換して演算制御記憶部１１に出力する。
【００３７】
そして、演算制御記憶部１１は、電磁波信号発生・位相調整部１を制御して電磁波放射源２が放射する電磁波の被測定試料６の表面上での照射位置を走査させる。また、電磁波検出部８で検出される電磁波の強度と被測定試料６を電磁波が透過する位置との関係を記憶し、電磁波の走査終了後、電磁波の透過強度の２次元等高線図を表示させる。
【００３８】
さらに、演算制御記憶部１１は、事前に測定して記憶した電磁波放射源から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータを用いて、被測定試料の２次元透過率分布データに対する逆畳み込み演算を行う。
【００３９】
演算制御記憶部１１は、電磁波放射源から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータｈ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換関数Ｈ（ξ，η）の逆関数Ｈ−１（ξ，η）を求める。また、電磁波信号発生・位相調整部１の位相量調整で得られた被測定資料の２次元透過率分布データｉ´（ξ，η）のフーリエ変換関数Ｉ´（ξ，η）を求める。
【００４０】
そして、演算制御記憶部１１は、下記に示す（数式１）の関係から放射電磁波ビームのビーム径や電磁波放射素子アレイ２３から放射されるサイドローブの影響を除いた高い空間分解能の被測定資料の２次元透過率分布データｉ（ｘ，ｙ）を演算により得る。
【数１】
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【００４１】
ここで、位相調整器１４１〜１４９で与える位相調整量を求める方法について説明する。図４は位相調整量較正用金属板を示す図である。図４に示すように、位相調整量較正用金属板５１は小さな穴５２を１つ有し、この穴５２以外の場所では電磁波を透過しない。
【００４２】
そして、穴５２が特定の位置Ａにくるように位相調整量較正用金属板５１を試料台５に設置し、この状態で電磁波放射源２から電磁波を放射させ、電磁波検出部８でその強度を検出する。
【００４３】
位相調整器１４１〜１４９のそれぞれに与える位相調整量を変化させると、電磁波放射源２から放射される電磁波の空間プロファイルが変化するため、電磁波検出部８で検出される電磁波強度は変化する。
【００４４】
電磁波検出部８で検出される電磁波強度が最大値を得るとき、与えた位相調整量は、位相調整量較正用金属板５１の穴５２の位置に電磁波が向かうように電磁波放射源２の電磁波放射素子２３１〜２３９から放射される電磁波が第１のコリメートレンズ４の一点に絞られて放射されていると考えることができる。
【００４５】
したがって、このとき与えた位相調整量を演算制御記憶部１１に記憶し、位相調整器１４１〜１４９で与える位相調整量をこの演算制御記憶部１１に記憶された位相調整量に設定すれば、必ず試料台５上の位置Ａに電磁波を集中させることができる。
【００４６】
したがって、事前に異なる位置に穴を設けた位相調整量較正用金属板５１を複数準備しておき、それらを試料台５上に設置し、各穴の位置に対応して電磁波検出部８で検出される電磁波強度が最大値となる位相調整量を演算制御記憶部１１に記憶しておけば、試料台５に設置された被測定試料６に対する電磁波の透過強度の２次元等高線図を得るために、位相調整器１４１〜１４９で与えるべき位相調整量が事前に分かっていることになる。
【００４７】
このように本実施の形態の透過型電磁波イメージング装置によれば、電磁波放射素子２３１〜２３９が放射する電磁波の位相を制御することにより、測定中に被測定試料６の位置を動かすことなく被測定試料６に当たる収束電磁波ビームの位置を２次元走査することが可能となる。したがって、被測定試料６の位置を動かすための従来のＸ−Ｙステージが不要となり、ステージが移動することによる振動、試料の位置ズレなどがなくなり、精度の高い測定が実現できる。また、複雑な可動機構の排除が可能となり、小型でシンプルな構造の試料室を採用でき、システムのコストダウンも可能となる。さらに、集光ビームを用いないため、測定できる試料の厚さに制約がない。
【００４８】
また、事前に測定した電磁波放射源２から放射される電磁波の各放射方向の放射プロファイルデータを用いて、被測定試料６の２次元透過率分布データに対する逆畳み込み演算を行うことで、高い空間分解能で被測定試料６の２次元透過率分布データを得ることが可能となる。
【００４９】
また、通常１つの電磁波放射素子から放射されるビームは拡散的に広がるため、コリメートビームにするには別途光学系が必要になるが、本実施の形態では電磁波放射源２に電磁波放射素子２３１〜２３９をアレイ状に配置したので、そのような光学系が不要で構成が簡単になる。さらに、１つの電磁波放射素子から取り出せるパワーは限られているが、アレイ化によるパワー合成で得られるパワーを稼ぐことができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、電磁波信号発生・位相調整部１は高周波発振器１２と位相調整器１４１〜１４９とを備え、放射電磁波を電磁波放射源２へ供給する方式としたが、これに限るものではない。
【００５１】
例えば、電磁波発振・位相調整回路を集積した半導体基板を用いて位相制御された電磁波を電磁波放射素子アレイ２３の裏面から直接給電する方式を用いてもよい。この場合、電磁波信号発生・位相調整部１は電磁波発生及び位相調整に変わって、半導体基板上の電磁波発振・位相調整回路への電源供給及び位相調整用制御信号の供給を行うことになる。
【００５２】
別の例としては、電磁波放射源２に位相調整された光ビート信号を供給し、電磁波放射源２を構成する各電磁波放射素子２３１〜２３９で光電変換を行い、電磁波を発生させ、得られた電磁波を各電磁波放射素子２３１〜２３９から放射させる方式を用いても良い。この場合、電磁波信号発生・位相調整部１は電磁波発生及び位相調整に変わって、光ビート信号波発生及び光ビート信号の位相調整を行うことになる。
【００５３】
また、電磁波放射素子アレイ２３を形成するアンテナの配列も３行３列に限るものではなく、何行何列でもよい。また、アンテナの形状もパッチアンテナに限るものではなく、ダイポール、ログペリなどほかの形状でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態の透過型電磁波イメージング装置を示す構成図である。
【図２】図１に示す透過型電磁波イメージング装置の電磁波放射源を示す構成図である。
【図３】図１に示す透過型電磁波イメージング装置の電磁波信号発生・位相調整部を示す構成図である。
【図４】位相調整量較正用金属板を示す図である。
【図５】従来の透過型電磁波イメージング装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    電磁波信号発生・位相調整部
２    電磁波放射源
３    電磁波放射源マウンタ
４    第１のコリメートレンズ
５    試料台
６    被測定試料
７    第２のコリメートレンズ
８    電磁波検出部
８ａ    検出面
９    測定室
１０    Ａ／Ｄ変換部
１１    演算制御記憶部
１２    高周波発振器
１３    分配器
１４１〜１４９    位相調整器
２１    半導体基板
２２    低誘電体層
２３    電磁波放射素子アレイ
２３１〜２３９    電磁波放射素子
５１    位相調整量較正用金属板
５２    穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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