(57)【要約】【課題】  テラヘルツ波の透過性は、被測定物の内部物質までの計測を可能にし、高い周波数分解能は、吸収特性から分子の結合エネルギーレベルで物質の違いを峻別し、また、テラヘルツ波の被爆による危険は殆んど無いので、安全で高精度・小型・低価格の計測装置及び方法を提供することが可能である。【解決手段】  被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置において、０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚの間のテラヘルツ波のうち、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が、被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示した検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置において、
０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚの間のテラヘルツ波のうち、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示した検量線から、被測定物の成分濃度を計測する手段を備えていることを特徴とするテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項２】
テラヘルツ波を殆んど吸収しないガス雰囲気になっていて、且つ、その中に、被測定物に照射されるテラヘルツ波のビームの形状・位置・強度・周波数などが自在に設定できる様にレンズ・反射鏡などが配置されている導波路を備えていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項３】
請求項１に記載した透過するテラヘルツ波を用いないで、被測定物から反射および散乱してくるテラヘルツ波の強度・偏光などを測定して、予め採ってある所定の検量線から、被測定物の成分濃度・成分密度・成分重量・水分量などを計測する手段を備えていることを特徴とするテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項４】
被測定物に対して、テラヘルツ波の出射側と反対側にテラヘルツ波の反射板を備えて、該反射板による１回以上反射を可能にする手段を備えていることを特徴とする請求項１，２記載のテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項５】
テラヘルツ波発生装置の構成に、ＹＡＧレーザ、クロムフォルステライトレーザ、回折格子、ＧａＰ結晶を用いていることを特徴とする請求項１，２，３、４記載のテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項６】
テラヘルツ波発生装置に少なくても１式のタンネットシステムを組み合わせて用いていることを特徴とする請求項１，２，３、４、５記載のテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項７】
被測定物の組成割合あるいは化学反応過程などの経時変化を１マイクロ秒より高速のサンプリングを可能にする手段を備えていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５記載のテラヘルツ波式計測装置及び方法
【請求項８】
特定周波数等で変調して暗号化されているテラヘルツ波指紋などを発信するテラヘルツ波発信手段と、該テラヘルツ波が照射されるとテラヘルツ波センサが作動して機能するテラヘルツ波暗号解読手段を、少なくても、１式備えていることを特徴とするテラヘルツ波シークレットシステム及び方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、非接触で密度・濃度・重量などを計測するテラヘルツ波式計測装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】  テラヘルツ波は未踏領域の電磁波だったために、その応用は殆んど進展していなかったが、最近、当発明者等によって、０．０１ＴＨｚ〜７．５ＴＨｚなどと広範囲の連続する周波数帯で、極めて周波数純度が高く、且つ、高エネルギーのテラヘルツ波が得られるようになった。従って、生体関連分子や高分子材料の骨格振動や分子構造における格子振動、局所振動の結合エネルギーによる吸収特性など、物質を区別する情報がテラヘルツ帯に存在することなどから、従来無かった新しい計測技術などが構築され、多くの分野で学術理論や産業技術などへの展開が期待されている。
【特許文献１】特開２００４−３１８０２８
【特許文献２】特願２００４−７５３００
【特許文献３】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１／６１６５
【特許文献４】Ａ  ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ＴＨｚ  ｓｐｅｃｔｒａ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ａｃａｄｅｍｙ，ｓｅｒ．Ｂ．Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．１（２００５））
【特許文献５】ＧａＰ  ＴＨｚ  ｗａｖｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ａｎｄ  ＴＨｚ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ｕｓｉｎｇ  Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ  ｌａｓｅｒｓ（Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｗｅｎｔｓ  ７６，１２３１０９（２００５））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  例えば、物質に含まれる特定の成分量を吸収特性から量る場合、赤外線は透過性がないために表面近傍の情報しか得られない場合が多い。また、マイクロ波の場合は透過性は良いが、空間分解能が悪く広帯域計測における高精度周波数分別も難しい。また、Ｘ線やガンマ線などは人体に危険があるので取り扱いが難しく、且つ、大型・高価な装置である。本発明の目的は、上記の欠点を除くテラヘルツ波の透過性は、被測定物の内部物質までの計測を可能にし、高い周波数分解能は、吸収特性から分子の結合エネルギーレベルで物質の違いを峻別し、また、テラヘルツ波の被爆による危険は殆んど無いので、安全で高精度・小型・低価格のテラヘルツ波式計測装置及び方法を提供することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  請求項１記載の発明は、被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置において、
０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚ間のテラヘルツ波のうち、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示した検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測する手段を備えていることを特徴とする。【０００５】  この発明によると、例えば、被測定物に２．０００ＴＨｚのテラヘルツ波を照射したとき、ａ成分の吸光度Ａ、ｂ成分の吸光度Ｂが、Ａ≫Ｂで測定され、２．００１ＴＨｚ照射したとき、ａ成分の吸光度Ａ’、ｂ成分の吸光度Ａ’が、Ａ’≪Ｂ’測定された場合において、ランベルト・ベールの法則を示す下記の数式１と数式２からａ成分濃度Ｎａとｂ成分濃度Ｎｂが計測される。【０００６】
【数１】
2007199044.tif 000003
【０００７】
【数２】
2007199044.tif 000004
【０００８】  上記の数式において、α、βは吸光係数、Ｌａ，Ｌｂは光路長（透過長）で、テラヘルツ波が透過する被測定物の寸法に相当している。
実用上、予め、吸光度と成分濃度の関係は検量線の形式で採ってあるので、測定された吸光度Ａ，Ｂ’から検量線図表をみて成分濃度Ｎａ、Ｎｂが計測されることになる。
一般に、吸光度Ｑは下記の数式３で定義されている。【０００９】
【数３】
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ｌ０はｂｌａｎｋ  ｃｅｌｌの透過光強度、ｌはｓａｍｐｌｅ  ｃｅｌｌの透過光強度である。【００１０】  成分濃度の計測について記述したが、例えば、水素結合による固有振動がこの特定周波数に合致しており、該吸光度が該成分の密度あるいは重量に直接対応している関係が該検量線に表れている場合において、該吸光度の測定により、非接触で被測定物の特定の構成分子の数や欠陥数などの一部分あるいは全部の密度、あるいは、重量の計測が可能となる。【００１１】  透過光の減衰特性について記述したが、偏光特性について、同様の計測装置に適用することも可能である。上記、数１〜数式は概念を説明したものであり、これに限られない。【００１２】  請求項２記載の発明は、テラヘルツ波を殆んど吸収しないガス雰囲気になっていて、且つ、その中に、被測定物に照射されるテラヘルツ波のビームの形状・位置・強度・周波数などが自在に設定できる様にレンズ・反射鏡などが配置されている導波路を備えていることを特徴とする。【００１３】  この発明によると、例えば、テラヘルツ導波路が不活性ガスなどを満たしているので、テラヘルツ波の減衰が少なくなり、前記処理前と比較して、１００倍以上テラヘルツ波出射部から離れた場所にある被測定物のテラヘルツ波特性を計測することが可能となる。【００１４】  また、レンズや反射鏡を用いて焦点位置の変更やビーム走査でテラヘルツ波特性の場所の違いや、ピンホールの開いたテレスコープ等を動かして近接場測定などの計測ができる。【００１５】  請求項３記載の発明は、請求項１に記載した透過するテラヘルツ波を用いないで、被測定物から反射および散乱してくるテラヘルツ波の強度・偏光などを測定して、予め採ってある所定の検量線から、被測定物の成分濃度・成分密度・成分重量・水分量などを計測する手段を備えていることを特徴とする。【００１６】  この発明によると、被測定物に向けて出射されたテラヘルツ波が、被測定物を介して出射側と同じ側に配置されたセンサに受信されるので、スペースファクターが有利になり計測装置が簡便化され、また、被測定物の片側状態に制約を受けないので、測定対象も大幅に増える。【００１７】  請求項４記載の発明は、被測定物に対して、テラヘルツ波の出射側と反対側にテラヘルツ波の反射板を備えて、該反射板による１回以上反射を可能にする手段を備えていることを特徴とする。【００１８】  この発明によると、請求項３の様なスペースファクターによる同様の効果があり、また、テラヘルツ波の被測定物の透過長がとれるので測定感度が上げられる他、数１、数３などを用いて煩雑になる検量線との照合作業を簡略化できる。【００１９】  請求項５記載の発明は、テラヘルツ波発生装置の構成に、ＹＡＧレーザ、クロムフォルステライトレーザ、回折格子、ＧａＰ結晶を用いていることを特徴とする。【００２０】  この発明によると、例えば、０．３ＴＨｚ〜７．５ＴＨｚなどと広範囲の連続する周波数帯で、極めて周波数純度が高く、且つ、高エネルギーのテラヘルツ波が得られるので、テラヘルツ波による学術上、産業上の計測対象が広がる。【００２１】  請求項６記載の発明は、テラヘルツ波発生装置に少なくても一式のタンネットシステムを組み合わせて用��ていることを特徴とする。【００２２】  この発明によると、タンネットがパワー及び周波数の安定度が１０−５以上で、周波数帯域がサブテラヘルツ領域なので、その分、特定周波数の吸収特性を用いて成分濃度などの計測できる領域が広がる。【００２３】  請求項７記載の発明は、被測定物の組成割合あるいは化学反応過程などの経時変化を１マイクロ秒より高速のサンプリングを可能にする手段を備えていることを特徴とする。【００２４】  この発明によると、例えば、ＹＡＧレーザ励起光を１０ナノ秒間クロムフォルステライト結晶に照射し、出てくる二波を、更に、ＧａＰ結晶に当て、二波の差周波である１ＴＨｚのテラヘルツ波を出射させて被測定物に照射する場合、１０，０００サイクルの電磁波が該化学反応に影響を与えることになる。従って、０．１ナノ秒の計測時間は、１００サイクルの情報を含んでいるので、位相・振幅などの変調・復調によって高速変化を捉えることが可能になる。【００２５】  請求項８記載の発明は、特定周波数等で変調して暗号化されているテラヘルツ波指紋などを発信するテラヘルツ波発信手段と、該テラヘルツ波が照射されるとテラヘルツ波センサが作動して機能するテラヘルツ波暗号解読手段を、少なくても、一式備えていることを特徴とする。【００２６】  この発明によると、例えば、通常、自然界に存在しない暗号化されたテラヘルツ波指紋が、該テラヘルツ波暗号解読手段で暗号解読されるので、高い確率で秘密が保持される様になる。
【発明の効果】
【００２７】  本発明によると、テラヘルツ波を照射し、被測定物が有している固有スペクトルを測定するので、非接触、非破壊で高速、且つ、分子レベルで構造の異なる物質の成分濃度が計測できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】  ０．０１ＴＨｚ〜７．５ＴＨｚなどと広範囲で連続している周波数帯の特定周波数で、極めて周波数純度が高く、且つ、高エネルギーのテラヘルツ波を、被測定物である生体関連分子や高分子材料などの骨格振動や分子構造における格子振動、局所振動の結合エネルギーによるスペクトルなどに合わせて照射して、その吸収特性から、例えば、製造途中にあるプラスチック容器中の生産物品質の良否を成分濃度から知ることが可能となった。
【実施例１】
【００２９】  図１は、本発明装置の１実施例で、水分量計測装置の概略図であって、Ｃ〜Ｃ３、Ｂ１、Ｄ４、Ｄ５、、Ｕは、図２と同様である。【００３０】  この例では、コンベアＴに載って運ばれてくる粉体肥料Ａに含まれる水分量ａ０を計測する場合を説明する。ＹＡＧレーザＣ１及びクロムフォルステライトレーザＣ２の励起光が回折格子Ｃ３を経て、ＧａＰ結晶Ｃ４から発生した高分解能・ハイパワーのテラヘルツ波Ｂ１が、反射鏡Ｄ１、テレスコープＤ２、レンズＤ３で粉体肥料Ａの所望の場所に照射されると、水分に吸収特性を有する波長で吸収され減衰したテラヘルツ波Ｂ２が、テラヘルツセンサＤ４で感知される。一方、ハーフミラーＤ６で分けたテラヘルツ波は校正用でテラヘルツセンサＤ５で検出される。図示していない光学機器・計測装置は、制御装置Ｅに入っている。また、テラヘルツ波発生装置Ｃは変化が±０．１℃以内の恒温室である。包装袋Ｆは水分量計測に用いる周波数でテラヘルツ波の減衰特性をもっていないものである。
水分でテラヘルツ波が吸収されて減衰しないように、導波管Ｕは乾燥した不活性ガスで常に満たされている。【００３１】  粉状肥料Ａに含まれる水分量ａ０を計測する場合、水による減衰が少なく粉状肥料の成分ａ１によって多く減衰する周波数の３．４００ＴＨｚを照射して、主に、粉状肥料の材料による吸光度Ａ’を測定する。この吸光度Ａ’を用いて、検量線から粉状肥料の密度を計測する。この場合、粉末の密度やサイズ、形状などによる特質も吸光度のかたちで測定される。また、水の吸収による減衰が多い周波数の３．６００ＴＨｚを前記３．４００ＴＨｚと同時にあるいは別に照射して吸光度を測定すると、前記、粉状肥料の吸光度Ａ’と、水分による吸光度Ａ’ｗが測定され、図１の下部に表した吸光度Ｑと成分濃度Ｎの関係を示す検量線ＮＬから粉状肥料に含まれる水分量ａ０が計測されることになる。３．４００ＴＨｚ照射による吸光度Ａ’の測定データは、該粉末の密度やサイズ、形状などの特質が含水量に多くの影響を与えることから、実用上、精度の高い検量線の設定を図って採ったものである。一般に用いられている静電容量式水分計や赤外線式水分計の問題点の多くは、この被測定物の密度などの状態パラメータの設定による検量線の設定精度が良くないことに起因しているからである。
【実施例２】
【００３２】  図２は、本発明装置の１実施例で、３種類の多機能繊維が混合してトータル密度が同じに編まれている布の中の、１種類の多機能繊維の密度およびその変化を計測する繊維密度計測装置の概略図である。【００３３】  この例では、多機能繊維で織られた布Ｈが矢印の方向へ高速に移動していて、該１種類の多機能繊維だけが吸収特性を有する固有周波数ｆｍのテラヘルツ波Ｂ１を照射すると、他２種類の多機能繊維により反射、散乱を繰り返して測定される分と該１種類による吸収≫反射＆散乱による分の総和のテラヘルツ波強度がテラヘルツ波センサＤ４で測定される。
１種類の多機能繊維の密度およびその変化は、高速にサンプリング測定されるデータを用いて、図２の下部に表した固有周波数ｆｍのテラヘルツ波Ｂ３の強度Ｉと成分密度Ｍの関係を示す検量線ＭＬから、該１種類の多機能繊維の密度ｍおよびその変化Δｍを計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】  ０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚの間の周波数範囲に被測定物を特定する分子結合エネルギーが存在れば、符合する周波数で該テラヘルツ波の吸収が生じ、その吸収度から成分濃度が計測されるので、広分野で生産工程や完成品の評価が非接触・非破壊で精密且つ高速にできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明装置の１実施例で、水分量の計測方法を説明した図である。（実施例１）
【図２】本発明装置の１実施例で、繊維密度の計測方法を説明した図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００３６】Ａ      粉体肥料
Ａ’    肥料の吸光度
Ａ’ｗ  水の吸光度
ａ０    水分量
ａ１    成分
Ｂ１    テラヘルツ波
Ｂ２    テラヘルツ波
Ｂ３    テラヘルツ波
Ｃ      テラヘルツ波発生装置
Ｃ１    ＹＡＧレーザ
Ｃ２    クロムフォルステライトレーザ
Ｃ３    回折格子
Ｃ４    ＧａＰ結晶
Ｄ１    反射鏡
Ｄ２    テレスコープ
Ｄ３    レンズ
Ｄ４    テラヘルツセンサ
Ｄ５    テラヘルツセンサ
Ｄ６    ハーフミラー
Ｅ      制御装置
Ｆ      包装袋
ｆｍ    固有周波数
Ｈ      布
Ｉ      テラヘルツ波強度
Ｎ      成分濃度
ＮＬ    検量線
Ｍ      成分密度
Ｍ１    検量線
ｍ      密度
Δｍ    密度変化
Ｑ      吸光度
Ｔ      コンベア
Ｕ      導波管
【図１】
2007199044.tif 000006
【図２】
2007199044.tif 000007