(57)【要約】【課題】テラヘルツ波を用いた断層像撮影において断層像をより精度良く取得する。【解決手段】偏光制御器１６によりテラヘルツ波をＴＭ波に偏光して測定試料２に照射する。これにより、ＴＭ波は所定の角度（ブリュースター角）で入射させると反射率がゼロになるという性質を有するため、測定試料２の入射界面での反射の影響を低減し、断層像の精度を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が互いに異なる２つの連続光波を合波した光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、
前記テラヘルツ波をＴＭ波に偏光して被測定対象物に照射する偏光制御手段と、
前記被測定対象物を透過した前記テラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ波受信手段と、
前記被測定対象物の角度を変えて、前記被測定対象物を所定の方向に走査して得られた前記テラヘルツ波の強度の投影データから前記被測定対象物の断層像を再構成する信号処理手段と、
を有することを特徴とする断層像撮影装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は、前記投影データ中の前記被測定対象物のエッジを検出し、前記被測定対象物の外形に合わせて前記投影データを補正して前記断層像を再構成することを特徴とする請求項１記載の断層像撮影装置。
【請求項３】
前記被測定対象物の誘電率に合わせた材料で形成した容器に前記被測定対象物を封止して前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする請求項１又は２記載の断層像撮影装置。
【請求項４】
前記容器は、対向する面が平行で、常に入射角が６０度以下の面を有する外周を備えることを特徴とする請求項３記載の断層像撮影装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ波受信手段は、前記２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合波した参照光を入力して光電変換し、前記テラヘルツ波とホモダインミキシングして位相を検波し、
前記信号処理手段は、前記テラヘルツ波受信手段が検波した位相像を用いて前記断層像を再構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の断層像撮影装置。
【請求項６】
前記偏光制御手段がＴＥ波にも偏光することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の断層像撮影装置。
【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断層像を撮影する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、Ｘ線のような被曝をすることなく、内部構造を安全に可視化でき、指紋スペクトルを利用した複素誘電率分布の測定が可能である。光電気技術を用いて生成した連続波テラヘルツ光による誘電分光イメージングシステムが開発され、薬剤の２Ｄ分光イメージングに適用されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、３次元分光イメージングへの展開が検討されており、光技術によるパルス波テラヘルツ（Pulse-THz）を用いた誘電分光イメージングシステムが開発され、３Ｄ分光イメージングに成功している（非特許文献２，３参照）。３Ｄイメージングによる立体的な密度分布の取得は、製造工程へのフィードバックが可能である。例えば、薬剤には様々な形状があり、断層像の取得においては様々な擾乱が存在する。
【０００４】
特許文献１には、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムが開示されている。特許文献１の電磁波分光測定システムは、周波数の異なる２つの連続光波が合波された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合波した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。
【０００５】
テラヘルツ帯では、レンズを用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。ＣＴ（Computed Tomography）により断層像を撮影する際には、レンズ間に測定対象を挿入し、挿入位置を変化させて３６０度回転させ、角度、位置の２次元データを取得する。そして、取得した２次元データに対して、Ｘ線ＣＴで一般的な手法であるＦＢＰ（Filtered Back-Projection）法を用いることで、断層像の再構成や画像空間フィルタ等による断層像の高精細化を行う（非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Jae-Young Kim, et al.,“Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE transactions on terahertz science and technology, 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164
【非特許文献２】B. Ferguson, et al.,“Toward functional 3D T-ray imaging”, Physics in Medicine and Biology 47, Institute of Physics Publishing, 2002, pp.3735-3742
【非特許文献３】B. Recur, et al.,“Invectigation on reconstruction methods applied to 3D terahertz computed tomography”, Optics Express, Optical Society of America, 14 March 2011, Vol. 19, No. 6, pp. 5105-5117
【非特許文献４】田口正俊、“画像再構成法の基礎−ＦＢＰ法を学ぶ−”、第４２回核医学分科会、公益社団法人日本放射線技術学会、２００１年４月１日、pp.5-25
【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ＣＴに適用した場合、被測定対象物の入射界面での反射や回折、媒質内での屈折、入射ビーム強度分布等の影響によりＣＴ像が正確に取得できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波を用いた断層像撮影において断層像をより精度良く取得することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る断層像撮影装置は、周波数が互いに異なる２つの連続光波を合波した光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波をＴＭ波に偏光して被測定対象物に照射する偏光制御手段と、前記被測定対象物を透過した前記テラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ波受信手段と、前記被測定対象物の角度を変えて、前記被測定対象物を所定の方向に走査して得られた前記テラヘルツ波の強度の投影データから前記被測定対象物の断層像を再構成する信号処理手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
上記断層像撮影装置において、前記信号処理手段は、前記投影データ中の前記被測定対象物のエッジを検出し、前記被測定対象物の外形に合わせて前記投影データを補正して前記断層像を再構成することを特徴とする。
【００１２】
上記断層像撮影装置において、前記被測定対象物の誘電率に合わせた材料で形成した容器に前記被測定対象物を封止して前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする。
【００１３】
上記断層像撮影装置において、前記容器は、対向する面が平行で、常に入射角が６０度以下の面を有する外周を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記断層像撮影装置において、前記テラヘルツ波受信手段は、前記２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合波した参照光を入力して光電変換し、前記テラヘルツ波とホモダインミキシングして位相を検波し、前記信号処理手段は、前記テラヘルツ波受信手段が検波した位相像を用いて前記断層像を再構成することを特徴とする。
【００１５】
上記断層像撮影装置において、前記偏光制御手段がＴＥ波にも偏光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、テラヘルツ波を用いた断層像撮影において断層像をより精度良く取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態における断層像撮影装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】テラヘルツ波が測定試料に入射する様子を示す図である。
【図３】テラヘルツ波が大気から測定試料に入射するときのＴＥ波とＴＭ波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
【図４】テラヘルツ波が測定試料から大気へ出射する様子を示す図である。
【図５】テラヘルツ波が測定試料から大気へ出射するときのＴＥ波とＴＭ波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
【図６】ＴＥ波、ＴＭ波を測定試料に入射した際の、ある回転角度θにおいてＹ軸方向に走査したときの  透過強度を示すグラフである。
【図７】断層像を再構成する処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】測定試料を収納する測定試料カセットの例を示す図である。
【図９】測定試料を収納する測定試料カセットの別の例を示す図である。
【図１０】測定試料を収納する測定試料カセットのさらに別の例を示す図である。
【図１１】偏光制御器によりテラヘルツ波をＴＥ波に偏光する構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における断層像撮影装置の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す断層像撮影装置は、光源１１Ａ，１１Ｂ、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂ、カプラ１３Ａ，１３Ｂ、位相変調器１４、テラヘルツ波発生器１５、偏光制御器１６、テラヘルツ波受信器１７、位相検波増幅器１８、および信号処理部１９を備える。
【００２０】
光源１１Ａ，１１Ｂは、周波数が互いに異なる連続光波を出力する。以下、光源１１Ａから出力された連続光波を第１の光信号、光源１１Ｂから出力された連続光波を第２の光信号と称する。
【００２１】
スプリッタ１２Ａは、第１の光信号を２つに分波し、スプリッタ１２Ｂは、第２の光信号を２つに分波する。
【００２２】
カプラ１３Ａは、スプリッタ１２Ａで分波された第１の光信号とスプリッタ１２Ｂで分波された第２の光信号を合波する。カプラ１３Ａで合波された光信号は、テラヘルツ波発生器１５に入力される。
【００２３】
カプラ１３Ｂは、スプリッタ１２Ａで分波された第１の光信号と位相変調器１４で位相変調された第２の光信号を合波する。カプラ１３Ｂで合波された参照光は、テラヘルツ波受信器１７に入力される。
【００２４】
位相変調器１４は、スプリッタ１２Ｂとカプラ１３Ｂの間に配置され、外部からの制御信号により、スプリッタ１２Ｂで分波された第２の光信号の位相を電気的に変調する。
【００２５】
テラヘルツ波発生器１５は、カプラ１３Ａで合波された光信号を光電変換し、第１、第２の光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波（テラヘルツ波）を発生する。テラヘルツ波発生器１５には、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Uni-Traveling Carrier Photodiode）を用いる。
【００２６】
偏光制御器１６は、テラヘルツ波発生器１５が発生したテラヘルツ波をＴＭ波に偏光して測定試料２に照射する。偏光制御器１６には、ワイヤーグリッド偏光子を用いる。測定試料２に照射するテラヘルツ波は、例えば測定周波数を１ＴＨｚ、ビーム径を５００μｍとする。
【００２７】
テラヘルツ波受信器１７は、測定試料２を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、カプラ１３Ｂで合波された参照光を光電変換し、ホモダインミキシングしてテラヘルツ波を検波する。テラヘルツ波受信器１７には、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Photoconductive Antenna）を用いる。
【００２８】
位相検波増幅器１８は、テラヘルツ波受信器１７が検波したテラヘルツ波を増幅するとともに、位相を検出する。
【００２９】
信号処理部１９は、テラヘルツ波の振幅と位相を処理して測定試料２の断層像を得る。本実施例では、ｚ軸を中心として角度を変えてｙ軸方向にスキャンして振幅に関する２次元投影データを得て、得られたデータをフィルター処理した後に逆投影して断層像を再構成するＦＢＰ法を用いる。
【００３０】
測定試料２は、ｙ軸方向に移動可能で、ｚ軸を中心として回転可能な回転ステージ上に設置される。測定試料２は、例えば、曲面形状を有する錠剤、人間や動物から採取した溶液や個体である。
【００３１】
次に、ＴＥ波とＴＭ波に関して、測定試料に入射するときと測定試料から出射するときの入射角と反射率について説明する。
【００３２】
まず、テラヘルツ波が測定試料２に入射するときの入射角と反射率について説明する。図２は、テラヘルツ波が測定試料２に入射する様子を示す図である。図３は、大気（屈折率ｎ１＝１）から測定試料２（屈折率ｎ２＝１．４）に入射するときのＴＥ波とＴＭ波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
【００３３】
図２に示すように、大気から測定試料２に入射する際、電界が入射面に垂直なＴＥ波の場合はブリュースター角は存在しないが、電界が入射面に平行なＴＭ波の場合はブリュースター角が存在する。図３のグラフに示すように、ＴＭ波は入射角に対して入射面に対する反射率が小さく、入射角が８０度程度まで反射率は０．２以下である。
【００３４】
続いて、テラヘルツ波が測定試料２から出射するときの入射角と反射率について説明する。図４は、テラヘルツ波が測定試料２から出射する様子を示す図である。図５は、測定試料２（屈折率ｎ２＝１．４）から大気（屈折率ｎ１＝１）へ出射するときのＴＥ波とＴＭ波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
【００３５】
図５に示すように、測定試料２から大気へ出射するときは、全反射条件により入射角が４０度程度以上でほぼすべての電磁波が境界で反射されて、測定試料２から出射されない。境界で反射された電磁波は測定試料内で多重反射して出射されるが、これらは測定値の誤差の要因となる。
【００３６】
続いて、断面が楕円形の測定試料を走査したときのＴＥ波、ＴＭ波の透過強度について説明する。
【００３７】
図６は、ＴＥ波、ＴＭ波を測定試料に入射した際の、ある回転角度θにおいてＹ軸方向に走査したときの透過強度を示すグラフである。
【００３８】
テラヘルツ波は測定試料の入射面にて一部が反射される。透過したテラヘルツ波により得られた投影データはビーム強度分布関数で畳み込み積分されている。測定試料の断面が図６に示すように楕円形の場合、測定試料の中央では入射角がゼロとなり、中央から離れるに従って入射角が増加する。図６に示すように、ＴＥ波では、測定試料の中央の入射角ゼロから入射角が増加するに従って測定試料の表面における反射による損失が生じる。一方、ＴＭ波でも同様に反射による損失が生じるが、ＴＥ波に比べ、その影響は小さい。
【００３９】
次に、信号処理部がスキャンデータから断層像を再構成する処理について説明する。
【００４０】
図７は、断層像を再構成する処理の流れを示すフローチャートである。
【００４１】
まず、所定の角度範囲でｚ軸を中心とした回転角度θを変えて、ｙ軸方向に測定試料を移動させることでテラヘルツ波の入射位置Ｙを変化させて、投影データＩ（Ｙ，θ）を取得する（ステップＳ１１）。
【００４２】
続いて、測定試料の境界面での反射に起因する投影データのエッジをライン毎に検出し、外形の寸法が既知の測定試料の形状に合わせて、各ラインのエッジが揃うようにラインをシフトして投影データを補正する（ステップＳ１２）。
【００４３】
そして、投影データの変数Ｙ，θをｘ，ｙに逆ラドン変換し、物体関数ｆ（ｘ，ｙ）を取得することで測定試料のｘｙ平面における断層像を再構成する（ステップＳ１３）。
【００４４】
本断層像撮影装置で得られた断層像のエッジには、境界面での反射や回折により高損失領域が形成される。測定試料が円形の場合は、中央付近の値は反射や回折の影響が小さく、真値とみることができる。
【００４５】
次に、断層像の撮影時に測定試料を収納する測定試料カセットについて説明する。図５のグラフに示したように、測定試料から大気へ出射する際の界面反射の影響が大きいので、測定試料の形状に合わせて内部封止可能な、誘電率（屈折率）を測定試料に合わせた測定試料カセットを用いてもよい。
【００４６】
図８は、測定試料を収納する測定試料カセットの例を示す図である。測定試料カセット３は、誘電率を測定試料２に合わせた、測定試料２を内部封止する容器である。例えば、測定試料カセット３の材料には、比誘電率が４以下のポリミイド等のポリマー材料、石英、液晶ポリマーを用いる。測定試料カセット３の図８（ａ）における上面と底面は、テラヘルツ波の波長λに対して十分に平行度があり、例えばλ／１０以下である。図８（ｂ）に示すように、測定試料カセット３をｚ軸を中心に回転させた際も、出射界面での全反射は生じず、ＴＭ波のブリュースター角となる６０度までの範囲（−６０度〜６０度の範囲）で良好な透過特性を示す。
【００４７】
また、上記以外の範囲では、図９に示すような測定試料２を９０度回転させて収納する別の測定試料カセット３を用意し、３０度〜１５０度の範囲を測定してもよい。
【００４８】
図１０は、さらに別の測定試料カセット３を示す図である。同図のように測定試料カセット３の外周を正六角形としてもよい。この測定試料カセット３の対向する面の平行度は例えばλ／１０以下とする。図１０に示す測定試料カセット３は、入射角が６０度以下の面を常に有しているため、測定試料カセット３を取り替えることなく全周にわたって測定が可能である。なお、測定試料カセット３の外周は正六角形でなくても、対向する面が平行で、常に入射角が６０度以下の面を有する形状であればよい。
【００４９】
次に、位相像を用いる実施例について説明する。
【００５０】
テラヘルツ波の振幅のみを用いて測定試料の断層像を撮影した場合、測定試料のテラヘルツ波の吸収が小さく振幅の変化量が小さい場合は明瞭な断層像を撮影しにくいという問題がある。測定試料内に異なる誘電率の媒質が分布している場合は、位相を測定して位相像も含めた高コントラストの断層像を取得可能である。
【００５１】
本実施の形態では、第１の光信号と位相変調器１４で位相変調された第２の光信号を合波した参照光を用いて、ホモダイン検波方式とすることにより、測定試料２を透過したテラヘルツ波の位相を測定可能な構成とした。
【００５２】
図１１は、偏光制御器１６によりテラヘルツ波をＴＥ波に偏光する構成を示す図である。
【００５３】
図１１の構成を用いて、ＴＥ波とＴＭ波の両方を測定してもよい。ＴＥ波とＴＭ波の透過信号強度の比を取ることにより、光源の変動の影響を排除することができる。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、偏光制御器１６によりテラヘルツ波をＴＭ波に偏光して測定試料２に照射することにより、ＴＭ波は所定の角度（ブリュースター角）で入射させると反射率がゼロになるという性質を有するため、測定試料２の入射界面での反射の影響を低減し、断層像の精度を向上することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１１Ａ，１１Ｂ…光源
１２Ａ，１２Ｂ…スプリッタ
１３Ａ，１３Ｂ…カプラ
１４…位相変調器
１５…テラヘルツ波発生器
１６…偏光制御器
１７…テラヘルツ波受信器
１８…位相検波増幅器
１９…信号処理部
２…測定試料
３…測定試料カセット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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