(57)【要約】【課題】対象物に含まれる異物を好適に検出する。【解決手段】異物検出装置（１０）は、テラヘルツ波を対象物（５００）に向けて照射する照射手段（１１０）と、対象物を透過したテラヘルツ波を反射する反射手段（４００）と、対象物及び反射手段で反射されたテラヘルツ波を受信する受信手段（１６０）と、受信手段の受信結果に基づいて、対象物に含まれる異物（５１０）を検出するための検出情報を生成する生成手段（２５０）とを備える。また、照射部によって照射されるテラヘルツ波の焦点は、反射手段に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を対象物に向けて照射する照射手段と、
前記対象物を透過した前記テラヘルツ波を反射する反射手段と、
前記対象物及び前記反射手段で反射された前記テラヘルツ波を受信する受信手段と、
前記受信手段の受信結果に基づいて、前記対象物に含まれる異物を検出するための検出情報を生成する生成手段と
を備え、
前記照射部によって照射される前記テラヘルツ波の焦点は、前記反射手段に設定されている
ことを特徴とする異物検出装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記異物よりも高い反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記検出情報に基づいて前記異物の画像を生成する画像生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の異物検出装置。
【請求項４】
前記照射手段によって照射される前記テラヘルツ波と、前記受信手段で受信すべき前記テラヘルツ波を分離する分離手段を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項５】
前記照射手段によって照射される前記テラヘルツ波と、前記受信手段で受信すべき前記テラヘルツ波とは、前記対象物及び前記反射手段から見て、光軸が互いに異なる角度であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を利用して、対象物に含まれる異物を検出する異物検出装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波イメージングの研究開発が活発化しており、例えば非破壊検査等への応用に期待が寄せられている。例えば特許文献１では、テラヘルツ波を透過する第１部位及びテラヘルツを反射する第２部位からなる容器内に対象物を入れておき、テラヘルツ波によって得られる断層画像等から対象物に含まれる異物を検出するという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
対象物に異物が含まれている場合、異物の存在によって反射するテラヘルツ波が微弱となる。このため、対象物で反射されたテラヘルツ波を利用する検出方法では、検出精度が低くなってしまうという技術的問題点が生ずる。また、特許文献１のように反射部材を有する容器等を利用する場合であっても、テラヘルツ波の焦点が適切でなければ、反射したテラヘルツ波を効率的に検出することはできない。このため、反射部材で反射されたテラヘルツ波を利用したとしても、異物の検出精度を効果的に高めることはできない。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、対象物に含まれる異物を好適に検出することが可能な異物検出装置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】
【０００６】
上記課題を解決する異物検出装置は、テラヘルツ波を対象物に向けて照射する照射手段と、前記対象物を透過した前記テラヘルツ波を反射する反射手段と、前記対象物及び前記反射手段で反射された前記テラヘルツ波を受信する受信手段と、前記受信手段の受信結果に基づいて、前記対象物に含まれる異物を検出するための検出情報を生成する生成手段とを備え、前記照射部によって照射される前記テラヘルツ波の焦点は、前記反射手段に設定されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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２】変形例に係るテラヘルツ波送受信部の構成を示す概略構成図である。
【図３】テラヘルツ波送受信部から照射されるテラヘルツ波の光路を概念的に示す側面図である。
【図４】実施例に係るテラヘルツ波計測装置の撮像結果に生じるコントラストを示す概念図である。
【図５】比較例に係るテラヘルツ波計測装置の撮像結果に生じるコントラストを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜１＞
本実施形態に係る異物検出装置は、テラヘルツ波を対象物に向けて照射する照射手段と、前記対象物を透過した前記テラヘルツ波を反射する反射手段と、前記対象物及び前記反射手段で反射された前記テラヘルツ波を受信する受信手段と、前記受信手段の受信結果に基づいて、前記対象物に含まれる異物を検出するための検出情報を生成する生成手段とを備え、前記照射部によって照射される前記テラヘルツ波の焦点は、前記反射手段に設定されている。
【０００９】
本実施形態の異物検出装置によれば、その動作時には、照射手段から対象物に向けてテラヘルツ波が照射される。なお、テラヘルツ波とは、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波である。照射手段は、テラヘルツ波を照射するために、例えば光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Photo Conductive Antenna）や共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）等として構成される発生素子を含んで構成されている。
【００１０】
照射されたテラヘルツ波は、対象物で反射又は透過される。このうち、対象物を透過したテラヘルツ波は、反射手段で反射される。反射手段は、テラヘルツ波に対して高い反射率を有するもの（例えば、アルミ板）として構成されている。そして、対象物及び反射手段で反射されたテラヘルツ波は、受信手段において受信される。受信手段は、例えば光伝導アンテナや共鳴トンネルダイオードとして構成される受信素子を含んでいる。
【００１１】
受信手段でテラヘルツ波が受信されると、生成手段により受信結果に基づく検出情報が生成される。このようにして得られた検出情報を利用すれば、対象物に含まれる異物を検出することが可能となる。なお、ここでの「異物」とは、テラヘルツ波に対して対象物とは異なる特性を有するものであり、例えばテラヘルツ波による材料分析の対象物である粉末中に含まれるゴム等が挙げられる。
【００１２】
本実施形態では、対象物で反射されたテラヘルツ波だけでなく、反射手段で反射されたテラヘルツ波も利用して検出情報が生成される。このため、対象物で反射されたテラヘルツ波だけを利用する場合と比べて、異物の検出精度を高めることができる。即ち、対象物を透過したテラヘルツ波についても受信可能となるため、ＳＮ比を向上させることができ、結果として検出精度が高められる。
【００１３】
なお、対象物が異物を含んでいる場合には、異物による減衰等に起因して、対象物で反射されたテラヘルツ波が微弱となり易い。しかるに本実施形態では、上述したように、反射手段で反射されたテラヘルツ波も利用されるため、対象物に関する情報を有するテラヘルツ波を効率的に検出できる。この結果、対象物で反射されたテラヘルツ波が微弱であっても、好適に異物を検出することができる。
【００１４】
更に本実施形態では、照射部によって照射されるテラヘルツ波の焦点が、反射手段に設定されている。このため、反射手段で反射されたテラヘルツ波を効率的に検出できる。即ち、例えば焦点を対象物等に設定する場合と比べて、反射手段で反射されたテラヘルツ波の検出効率を高めることができる。よって、より効果的に異物の検出精度を高めることができる。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態に係る異物検出装置によれば、対象物に含まれる異物を好適に検出することができる。
【００１６】
＜２＞
本実施形態に係る異物検出装置の一態様では、前記反射手段は、前記異物よりも高い反射率を有する。
【００１７】
この態様によれば、反射手段で反射されるテラヘルツ波の割合を、異物で反射されるテラヘルツ波の割合よりも大きくすることができる。よって、反射手段で反射されたテラヘルツ波を利用することで得られる効果を更に高めることができる。即ち、より効果的に異物の検出精度を高めることができる。
【００１８】
＜３＞
本実施形態に係る異物検出装置の他の態様では、前記検出情報に基づいて前記異物の画像を生成する画像生成手段を更に備える。
【００１９】
この態様によれば、例えば対象物に対する平面的な走査が行われ、対象物の走査位置の各々に対応するテラヘルツ波の強度が検出情報として取得される。その後、画像生成手段では、記憶された各走査位置に対応する検出情報に基づき、対象物に含まれる異物の画像が生成される。なお、生成手段は、異物に加えて対象物の画像を生成してもよい。
【００２０】
本態様によれば、生成された異物の画像によって、より正確に異物を認識することが可能となる。
【００２１】
＜４＞
本実施形態に係る異物検出装置の他の態様では、前記照射手段によって照射される前記テラヘルツ波と、前記受信手段で受信すべき前記テラヘルツ波を分離する分離手段を更に備える。
【００２２】
この態様によれば、例えばビームスプリッタとして構成される分離手段により、照射手段によって照射されるテラヘルツ波と、受信手段で受信すべきテラヘルツ波（言い換えれば、対象物及び反射手段で反射されたテラヘルツ波）とが分離される。このため、照射手段によって照射されるテラヘルツ波と、受信手段で受信すべきテラヘルツ波との光路を一部共通化できる。従って、装置を構成する部品数の削減や装置の小型化等を実現することができる。
【００２３】
＜５＞
本実施形態に係る異物検出装置の他の態様では、前記照射手段によって照射される前記テラヘルツ波と、前記受信手段で受信すべき前記テラヘルツ波とは、前記対象物及び前記反射手段から見て、光軸が互いに異なる角度である。
【００２４】
この態様によれば、上述した分離手段等を用いずとも、確実にテラヘルツ波を照射及び受信することができる。従って、光学系の高度複雑化を回避することができ、装置構成を簡単化することが可能である。
【００２５】
本実施形態に係る異物検出装置の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
【実施例】
【００２６】
以下では、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本実施例では、本発明に係る異物検出装置がテラヘルツ波計測装置（具体的には、テラヘルツ波を計測対象物に照射することで各種計測や分析を行う装置）に適用される場合を例にとり説明する。
【００２７】
＜装置構成＞
先ず、図１を参照しながら、本実施例のテラヘルツ波計測装置の全体構成について説明する。ここに図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。
【００２８】
図１において、テラヘルツ波計測装置１０は、テラヘルツ波を計測対象物５００に照射すると共に、計測対象物５００から反射したテラヘルツ波（つまり、計測対象物５００に照射されたテラヘルツ波のうち反射されたもの）を検出する。
【００２９】
テラヘルツ波は、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電磁波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。テラヘルツ領域は、様々な物質が固有の吸収スペクトルを有する周波数領域である。従って、テラヘルツ波計測装置１００は、計測対象物５００に照射されたテラヘルツ波の周波数スペクトルを解析することで、計測対象物の特性を分析することができる。
【００３０】
計測対象物５００に照射されたテラヘルツ波の周波数スペクトルを取得するために、テラヘルツ波計測装置１０は、テラヘルツ時間領域分光法を採用している。テラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツ波を計測対象物５００に照射すると共に、計測対象物５００を透過した又は計測対象物から反射したテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換することで、当該テラヘルツ波の周波数スペクトル（つまり、周波数毎の振幅及び位相）を取得する方法である。
【００３１】
なお、テラヘルツ波のパルス幅（繰り返し周期は数十ピコ秒）は、サブピコ秒のオーダーのパルス幅であるがゆえに、当該テラヘルツ波の時間波形を直接的に検出することが技術的に困難である。そこで、テラヘルツ波計測装置１０は、例えば時間遅延走査に基づくポンプ・プローブ法等を採用して、テラヘルツ波の時間波形を間接的に検出してもよい。
【００３２】
図１に示すように、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０は、テラヘルツ波の照射及び検出を行うテラヘルツ波送受信部１００と、各種処理回路を有する信号処理部２００と、テラヘルツ波送受信部１００を駆動する走査機構３００と、テラヘルツ波に対する高い反射率を有する反射部４００とを備えている。以下では、各部の具体的な構成を、その動作と共に説明する。
【００３３】
テラヘルツ波計測装置１０の動作時には、テラヘルツ波発信部１１０からテラヘルツ波が発信される。テラヘルツ波発信部１１０は、「照射手段」の一具体例であり、例えば光伝導アンテナや共鳴トンネルダイオードとして構成される。テラヘルツ波発信部１１０には、バイアス生成部２１０で生成されたバイアス電圧が印加されており、バイアス電圧に応じたテラヘルツ波が発信される。
【００３４】
テラヘルツ波発信部１１０から発信されたテラヘルツ波は、コリメートレンズ１２０を介して、テラヘルツ波ビームとして出射される。出射されたテラヘルツ波ビームは、ビームスプリッタ１３０を透過し、対物レンズ１４０を介して計測対象物５００へ向けて照射される。ビームスプリッタ１３０は、「分離手段」の一具体例である。
【００３５】
テラヘルツ波送受信部１００から照射されたテラヘルツ波ビームは、計測対象物５００及び計測対象物５００に含まれる異物５１０、並びに反射部４００によって、テラヘルツ波送受信部１００へと反射される。なお、反射部４００は、「反射手段」の一具体例であり、計測対象物５００及び異物５１０を透過したテラヘルツ波ビームを反射する。反射部４００の反射率は特に限定されるものではないが、計測対象物５００に含まれる異物５１０の反射率より高いことが望ましい。反射部４００は、例えばアルミ板として構成されており、計測時には反射部４００上に計測対象物５００が配置される。
【００３６】
計測対象物５００及び反射部４００で反射したテラヘルツ波ビームは、対物レンズ１４０を介しビームスプリッタ１３０に入射する。ビームスプリッタ１３０に入射されたテラヘルツ波ビームは反射され、集光レンズ１５０を介して、テラヘルツ波受信部１６０に入射する。テラヘルツ波受信部１６０は、テラヘルツ波発信部１１０と同様に、光伝導アンテナや共鳴トンネルダイオードとして構成されている。
【００３７】
テラヘルツ波受信部１６０には、バイアス生成部２１０により生成されたバイアス電圧が印加されており、バイアス電圧に応じてテラヘルツ波が受信される。テラヘルツ波受信部１６０では、入射したテラヘルツ波の振幅に比例した電流が発生する。発生した電流は電流電圧変換され、計測対象物５００から反射されたテラヘルツ波の検出信号として、信号処理部２００に出力される。
【００３８】
信号処理部２００に入力された検出信号は、信号増幅部２２０において増幅され、ロックイン検出部２３０においてロックイン検出が行われる。ロックイン検出部２３０は、微弱な検出信号の中から必要な信号のみを抜き出すため、バイアス電圧に対応する参照信号を用いる。ロックイン検出部２３０では、テラヘルツ波の検出信号の参照信号とは異なる周波数のノイズ成分を除去、即ち検出信号と参照信号とを用いて同期検波をすることによって、時間波形信号を高感度・高精度に検波する。なお、ロックイン検出を用いない場合は、テラヘルツ波発信部１１０に、バイアス電圧として直流電圧を印加すればよい。
【００３９】
上述した検出信号の取得は、走査機構３００によるテラヘルツ波送受信部１００の駆動と共に実行される。走査機構３００は、テラヘルツ波送受信部１００を計測対象物５００に沿って平面的に（例えば、Ｘ方向及びＹ方向に）駆動する。走査機構３００の動作は、スキャナ駆動部２４０によって制御されている。走査機構３００による走査位置は、スキャナ駆動部２４０から画像処理部２５０に出力される構成となっている。
【００４０】
画像処理部２５０では、検波したテラヘルツ波の時間波形信号を一旦記憶装置等に取り込むなどして取得し、各種データ処理が行われる。具体的には、画像処理部２５０は、時間波形信号をフーリエ変換して周波数毎の振幅や位相を算出したり、様々な測定個所における時間波形信号を収集したりする。そして、画像処理部２５０では、これらのデータを用いて、計測対象物５００及び異物５１０のイメージング画像が生成される。画像処理部２５０は、「生成手段」及び「画像生成手段」の一具体例である。
【００４１】
異物検出部２６０では、画像処理部２５０において生成されたイメージング画像に基づいて、計測対象物５００に含まれる異物５１０が検出される。具体的な異物５１０の検出方法については、後に詳述する。
【００４２】
＜テラヘルツ波送受信部の変形例＞
次に、図２を参照しながら、テラヘルツ波送受信部の変形例について説明する。ここに図２は、変形例に係るテラヘルツ波送受信部の構成を示す概略構成図である。
【００４３】
図２に示すように、変形例に係るテラヘルツ波送受信部１１０ｂは、テラヘルツ波送信部１１０から照射されるテラヘルツ波ビームが通過する対物レンズ１４１と、計測対象物５００及び反射部４００で反射されたテラヘルツ波ビームが通過する対物レンズ１４２が異なる。即ち、比較例に係るテラヘルツ波送受信部１１０ｂでは、図１で示したテラヘルツ波送受信部１００のように、テラヘルツ波ビームの光路の一部が共通化されていない。このようにすれば、レンズ等の部材は増加するものの、ビームスプリッタ１３０（図１参照）等を設けずにすむため、光学系の構成を簡単化することができる。
【００４４】
＜異物検出方法＞
次に、図３を参照しながら、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０による異物５１０の検出方法について説明する。ここに図３は、テラヘルツ波送受信部から照射されるテラヘルツ波の光路を概念的に示す側面図である。
【００４５】
図３において、テラヘルツ波送受信部１００から照射されたテラヘルツ波ビームは、計測対象物５００（異物５１０を含む）において反射又は透過される。このうち、計測対象物５００を透過したテラヘルツ波ビームは、反射部４００で反射される。このため、テラヘルツ波送受信部１００では、計測対象物５００及び反射部４００で反射されたテラヘルツ波ビームが受信される。
【００４６】
この結果、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０では、計測対象物５００で反射されたテラヘルツ波ビームだけでなく、反射部４００で反射されたテラヘルツ波ビームも利用して検出信号が生成される。このため、計測対象物５００で反射されたテラヘルツ波ビームだけを利用する場合と比べて、異物５１０の検出精度を高めることができる。即ち、反射部４００を備えることにより、計測対象物５００を透過したテラヘルツ波ビームについても受信可能となるため、ＳＮ比を向上させることができ、結果として検出精度が高められる。
【００４７】
なお、計測対象物５００が異物５１０を含んでいる場合には、異物５１０による減衰等に起因して、計測対象物５００で反射されたテラヘルツ波ビームが微弱となり易い。これに対し本実施例では、上述したように、反射部４００で反射されたテラヘルツ波ビームも利用されるため、計測対象物５００に関する情報を有するテラヘルツ波ビームを効率的に検出できる。この結果、計測対象物５００で反射されたテラヘルツ波ビームが微弱であっても、好適に異物５１０を検出することが可能となる。
【００４８】
また本実施例では特に、テラヘルツ波送受信部１００から照射されるテラヘルツ波ビームの焦点が、反射部４００（具体的には、反射部４００の表面）に設定されている。
【００４９】
ここで、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０は、計測対象物５００及び計測対象物５００に含まれる異物５１０を計測対象としているのであるから、通常であれば、テラヘルツ波ビームの焦点は、計測対象物５００又は異物５１０に設定されるはずである。
【００５０】
しかしながら本実施例では、上述したように、テラヘルツ波ビームの焦点が、敢えて反射部４００に設定されている。このように焦点を設定することによって得られる効果については、以下で詳細に説明する。
【００５１】
＜焦点設定の効果＞
次に、図４及び図５を参照しながら、テラヘルツ波ビームの焦点を反射部４００にすることで得られる効果について説明する。ここに図４は、実施例に係るテラヘルツ波計測装置の撮像結果に生じるコントラストを示す概念図である。また図５は、比較例に係るテラヘルツ波計測装置の撮像結果に生じるコントラストを示す概念図である。なお、図４及び図５では、説明の便宜上、テラヘルツ波送受信部１００、反射部４００及び異物５１０のみを抜き出して図示している。
【００５２】
図４において、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０では、既に説明したように、テラヘルツ波ビームの焦点が反射部４００に設定されている。このため、異物５１０が存在しない部分においては、照射されたテラヘルツ波ビームが反射部４００で反射され、殆ど全てテラヘルツ波送受信部１００ａに戻ってくる。この場合の強度を“１００”とする。
【００５３】
一方で、異物５１０が存在する場合には、異物５１０による減衰の影響により、テラヘルツ波送受信部１００ｂに戻ってくるテラヘルツ波ビームの強度は“２４”となる。ここでの“２４”という数値は、異物５１０における反射率及び透過率が２０％であるとして計算されたものである。具体的には、表面で反射されたテラヘルツ波ビームの強度“２０（＝１００×０．２）”と、異物５１０を透過することで強度が“２０（＝１００×０．２）”となったテラヘルツ波ビームが、反射部４００で反射され、再び異物５１０を透過した後の強度“４（＝２０×０．２）”を合計した値である。
【００５４】
以上の結果、本実施形態に係るテラヘルツ波計測装置１０で得られる画像データにおいて、異物５１０がない部分とある部分とのコントラストは、１００−２４＝７６となる。
【００５５】
図５において、テラヘルツ波ビームの焦点が計測対象物５００に設定されている比較例を考える。このような比較例では、異物５１０が存在しない部分においては、照射されたテラヘルツ波ビームが反射部４００で反射されるものの、焦点のずれにより、その一部がテラヘルツ波送受信部１００ｃには戻ってこない。このため、受信されるテラヘルツ波ビームの強度は、図４の例より小さい値（ここでは“８０”）となる。
【００５６】
一方で、異物５１０が存在する場合には、異物５１０による減衰の影響により、テラヘルツ波送受信部１００ｄに戻ってくるテラヘルツ波ビームの強度は“２３”となる。ここでの“２３”という数値は、焦点のずれにより、反射部４００で反射されたテラヘルツ波ビームの一部が受信できないことを考慮した値であり、図４の例（即ち、“２４”）よりわずかながら小さい。
【００５７】
以上の結果、比較例に係るテラヘルツ波計測装置１０ｂで得られる画像データにおいて、異物５１０がない部分とある部分とのコントラストは、８０−２３＝５７となる。従って、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０の方が、比較例に係るテラヘルツ波計測装置１０ｂよりも高いコントラストが得られることになり、より正確に計測対象物５００に含まれる異物５１０を検出できることが分かる。
【００５８】
以上説明したように、本実施例に係るテラヘルツ波計測装置１０によれば、計測対象物５００に含まれる異物５１０を好適に検出することが可能である。なお、上述した実施例では、画像データから異物５１０を検出する方法を説明しているが、画像の生成は必ずしも実行されずともよく、検出信号から直接的に異物５１０が検出されても構わない。また、異物５１０の検出は、異物５１０が存在するか否かを認識する程度のものであってもよいし、異物５１０の位置や形状等を正確に認識可能な情報を取得するようなものであってもよい。
【００５９】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許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異物検出装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１０  テラヘルツ波計測装置
１００  テラヘルツ波送受信部
１１０  テラヘルツ波発信部
１２０  コリメートレンズ
１３０  ビームスプリッタ
１４０  対物レンズ
１５０  集光レンズ
１６０  テラヘルツ波受信部
２１０  バイアス生成部
２２０  信号増幅部
２３０  ロックイン検出部
２４０  スキャナ駆動部
２５０  画像処理部
２６０  異物検出部
３００  走査機構
４００  反射部
５００  計測対象物
５１０  異物
【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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