(57)【要約】  画像を構成するためのポイント値を取得する装置（４０）は、物体を照射するための、周波数が０．０７５ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの間のインコヒーレント線源（１００）と、物体からの放射線のセンサ（４１５）であって、線源からの放射線を感受する領域を有するとともに、線源からセンサの感受領域に到達する光線の強度を表す電気信号を発するセンサと、１未満のｆ値（Ｆナンバー）を有する少なくとも１つの集束光学系（４００，４１０）であって、線源から放出された光線が線源から物体を通過して光線センサに伝搬する光路に配置された集束光学系と、を備える。好ましくは、線源（１００）は、センサの取得時間よりも短い時間で定在波を走査するのに十分に広い発光スペクトルで、物体を照射する。好ましくは、インコヒーレント線源は、数ＧＨｚの帯域幅を有し、好ましくは−１００ｄＢで少なくとも１２ＧＨｚに等しい帯域幅を有する。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を構成するためのポイント値を取得する装置（４０，４２，４４）であって、
物体を照射するための、周波数が０．０７５ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの間のインコヒーレント線源（１００）と、
前記物体からの放射線のセンサ（４１５，４７０）であって、前記インコヒーレント線源からの放射線の感受領域を有するとともに、前記インコヒーレント線源から前記センサの前記感受領域に到達する光線の強度を表す電気信号を発するセンサと、
１未満のｆ値（Ｆナンバー）を有する少なくとも１つの集束光学系（４００，４１０，４２０，４３０，４４０，４５０）であって、前記インコヒーレント線源から放出された光線が前記インコヒーレント線源から前記物体を通過して前記センサに伝搬する光路に配置された集束光学系と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記インコヒーレント線源（１００）は、前記センサの取得時間よりも短い時間で定在波を走査するのに十分に広い発光スペクトルで、前記物体を照射する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記インコヒーレント線源は、数ＧＨｚの帯域幅を有する、請求項１または２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４】
前記インコヒーレント線源は、−１００ｄＢで少なくとも１２ＧＨｚに等しい帯域幅を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光学系は、非球面光学レンズを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記インコヒーレント線源の前記周波数で前記非球面光学レンズに使用される材料の散乱指数は、パーセンテージで１％未満である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記インコヒーレント線源の前記周波数で前記非球面光学レンズに使用される材料の散乱指数は、１００〜３００ＧＨｚでは、パーセンテージで０．２％である、請求項５または６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記インコヒーレント線源の前記周波数で前記非球面光学レンズに使用される材料の散乱指数は、１００〜７００ＧＨｚでは、パーセンテージで０．５％である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記集束光学系の少なくとも１つの光学素子は、コーンまたはクレータの形態の微細構造を含む反射防止処理を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光学系は、光学レンズを含み、前記インコヒーレント線源（１００）は、前記インコヒーレント線源に最も近い光学レンズの全体を照射するように構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記インコヒーレント線源（１００）の放射周波数は変調される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記インコヒーレント線源（１００）は、インパットダイオードまたは抵抗器に熱雑音型の雑音源を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記感受領域を含むナノトランジスタを、前記ナノトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極させるための近接電子装置を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ナノトランジスタからの整流信号は、前記ナノトランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによって前記ナノトランジスタの前記チャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、および／またはアンテナとして機能する金属パターンを用いることにより、増幅される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記整流信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定される前記ナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記近接電子装置は、前記ナノトランジスタのドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを、例えば減算器アセンブリを用いて調整するための補償回路を含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記感受領域はナノトランジスタであり、ＴＨｚ波によって生成される信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定される前記ナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記ナノトランジスタを、前記ナノトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極させるための近接電子装置を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ナノトランジスタからの整流信号は、前記ナノトランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによって前記ナノトランジスタの前記チャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、および／またはアンテナとして機能する金属パターンを用いることにより、増幅される、請求項１７または１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
アナログ・デジタル変換器のダイナミクスにわたって前記電気信号を増幅する、少なくとも１つの低ドリフトかつ低雑音の増幅器を備える、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記電気信号の復調を前記インコヒーレント線源（１００）の振幅変調信号と同期させるための手段を備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記装置のデジタル出力を前記インコヒーレント線源（１００）と同期させるための手段を備える、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
ビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタでの入射偏光は、フィールドが入射面に平行であるＴＭモード（横モードの頭字語）の偏光である、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記物体からの放射線の強度、および／または前記物体からの光線の偏光、および／または前記物体からの光線の経路差、を測定するための手段を備える、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【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画像を構成するためのポイント値を取得するシステムに関する。本発明は、特に、例えば製造部品の品質管理のための、イメージングの分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ（ＴＨｚ）領域とは、０．０７５ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの間の周波数の電磁波、すなわち波長で４ｍｍ〜３０μｍの電磁波を指す。これらは、ミリ波と呼ばれ、遠赤外線（ＦＩＲ）波とレーダ波（マイクロ波）との間にある。本発明は、より具体的には、７５〜７００ＧＨｚの範囲に関する。非導電性複合材料およびプラスチック材料の大部分は、この周波数範囲の放射線を透過させる。さらに、その放射源は、得られる光パワーに対する放射源の価格の比率の観点から、比較的手頃な価格である。
【０００３】
可視光学系または赤外線光学系の設計で用いられるすべての光学原理は、波長に対する現象の同じ割合比率で、ＴＨｚ波に適用される。例えば、回折限界は、エアリー関数 Ｒｄｉｆｆ ＝ １．２２ λ Ｆ／＃で与えられ、ただし、λは波長、Ｆ／＃は開口数（Ｆナンバーとも呼ばれる）である。従って、ＦナンバーＦ／＃が２、波長が１ｍｍの場合、回折限界は２．４４ｍｍである。このミリメートルのオーダの回折限界は、ＴＨｚイメージングシステムの平均空間分解能に相当する。
【０００４】
しかしながら、周知のシステムは、最適な性能レベルの実現を可能とし得るこの分解能に達していない。
【０００５】
既存のＴＨｚシステムは、ビームを伝搬する手段として軸外し放物面鏡を使用している。これは、多くの用途で、各レンズで導入される損失（吸収損失、および特に界面での反射損失）を許容できないほど、光源のパワーレベルが低いからである。
【０００６】
ところが、これらの鏡の使用には多くの問題がある。
−  多くの基準角度でアライメントが難しいこと；
−  レンズユニットが非常に高価であること；
−  特に高開口で焦点距離範囲が制限されること；および、
−  フラットな波面で、かつ光軸上で作動させなければならないこと。
【０００７】
さらに、ＴＨｚビームは、肉眼では見えず、かつ近赤外線とは違って、その電磁波を肉眼で見える波長に変換できる感光基板はない。この側面は、システムの設定およびアライメントに影響を及ぼす。
【０００８】
ＴＨｚ領域で利用できる光源のタイプについて以下で説明する。例えば、以下のような、本発明の対象となる装置で用いることが可能な、連続ＴＨｚ波を発生させるいくつかの方法がある。
−  周波数逓倍器と組み合わせて０．２ＴＨｚを超える、例えば２ＴＨｚの、ガンダイオード；
−  周波数逓倍器と組み合わせて０．２ＴＨｚを超える、インパットダイオード；
−  周波数逓倍器と組み合わせて、０〜０．０２ＴＨｚの間の固定または可変の発振器；
−  ２つの近赤外レーザのビーティングによる周波数変換；
−  ＢＷＯ（Ｂａｃｋｗａｒｄ−Ｗａｖe Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（後進波発振器）の頭字語）として知られるＨＶ管；
−  遠赤外レーザによるガス空洞励起；または、
−  量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）。
【０００９】
非特許文献１が知られている。
【００１０】
この文献において、ＴＨｚ領域で通常使用される光源によって生成される信号は、非常に純粋なコヒーレンスを示し、輝線幅は非常に狭い。このコヒーレント放射は、これが可能な各システムで非常に大きな振幅で干渉縞が発生するので、画像形成には好ましくない。典型的には、これらの光源は、−１１８ｄＢｃ／Ｈｚで、１ｋＨｚの帯域幅で０．００１Ｈｚの精度を有する。
【００１１】
観察対象のシーンがフィールド内のすべてのポイントで垂直ではないときに、イメージングシステムにおいてコヒーレント光源を用いると、λ／４を法とした高度の変動に比例した振幅変調が発生する。これは、形成される画像の品質に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｎｉｋｉｔａ Ｃｈｅｒｎｏｍｙｒｄｉｎ等著「Ｗｉｄｅ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｉｍａｇｉｎｇ（高分解能テラヘルツイメージングのための大口径非球面レンズ）」Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｖｏｌ．８８，ｎｏ．１，ＸＰ０１２２１５２９６，ＩＳＳＮ：００３４−６７４８，ＤＯＩ：１０．１０６３／１．４９７３７６４，ＡＩＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，米国ニューヨーク州，Ｍｅｌｖｉｌｌｅ，２０１７年１月１２日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、これらの欠点のすべてまたは一部を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的のため、第１の態様によれば、本発明は、画像を構成するためのポイント値を取得する装置に関し、この装置は、
−  物体を照射するための、周波数が０．０７５ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの間のインコヒーレント線源と、
−  物体からの放射線のセンサであって、線源からの放射線を感受する領域を有するとともに、線源からセンサの感受領域に到達する光線の強度を表す電気信号を発するセンサと、
−  １未満のｆ値（Ｆナンバー）を有する少なくとも１つの集束光学系であって、線源から放出された光線が線源から物体を通過して光線センサに達する光路に配置された集束光学系と、を備える。
【００１５】
これらの規定により、イメージング装置は、線源のインコヒーレンス性によって、定在波の存在による影響を受けない。本発明者は、光学的手段と電子的手段のこの組み合わせによって、正確なポイント測定を実現することが可能となり、これらの手段と物体の相対的な動きによって、線画像またはラスタ画像の生成が可能になる、と判断した。
【００１６】
使用される線源は、好ましくは以下のような、数ＧＨｚの帯域幅を有する。
−  １００〜２００ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１２ＧＨｚである。
−  ２２０〜３２０ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１５ＧＨｚである。
−  ５６０〜６４０ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１５ＧＨｚである。
【００１７】
いくつかの実施形態では、線源は、センサの取得時間よりも短い時間で定在波を走査するのに十分に広い発光スペクトルで、物体を照射する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学系は、非球面光学レンズを含む。
【００１９】
いくつかの実施形態では、線源の周波数範囲で使用される材料の散乱指数は、（パーセンテージで）１％未満である。
【００２０】
例えば、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）での散乱は、周波数範囲全体で０．５％のオーダであり、より具体的には、以下の通りである。
−  １００〜３００ＧＨｚでは、０．２％；および、
−  １００〜７００ＧＨｚでは、０．５％。
【００２１】
非球面レンズによって、放物面鏡を使用する場合と比較して、光学設計が単純化される。
【００２２】
いくつかの実施形態では、光学系の少なくとも１つの光学素子は、コーンまたはクレータの形態の微細構造を含む反射防止処理を有する。
【００２３】
この方法の利点は、非常に広い帯域幅で、かつ表面配向の影響をあまり受けない反射防止処理を実現できることである。
【００２４】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学系は、光学レンズを含み、インコヒーレント線源は、この線源に最も近い光学レンズの全体を照射するように構成される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、インコヒーレント線源の放射周波数は変調される。
【００２６】
いくつかの実施形態では、インコヒーレント線源は、インパットダイオードまたは抵抗器に熱雑音型の雑音源を含む。
【００２７】
いくつかの実施形態では、本装置は、感光領域を含むナノトランジスタを、そのトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極させるための近接電子装置を備える。
【００２８】
いくつかの実施形態では、ナノトランジスタからの整流信号は、トランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによってナノトランジスタのチャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、および／またはアンテナとして機能する金属パターンを用いることにより、増幅される。
【００２９】
いくつかの実施形態では、整流信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定されるナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である。
【００３０】
いくつかの実施形態では、近接電子装置は、ドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを、例えば減算器アセンブリを用いて調整するための補償回路を含む。
【００３１】
いくつかの実施形態では、感光領域はナノトランジスタであり、ＴＨｚ波によって生成される信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定されるナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である。
【００３２】
いくつかの実施形態では、本装置は、ナノトランジスタを、そのトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極させるための近接電子装置を備える。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ナノトランジスタからの整流信号は、トランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによってナノトランジスタのチャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、および／またはアンテナとして機能する金属パターンを用いることにより、増幅される。
【００３４】
これにより、本装置の感度を向上させる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、本装置は、アナログ・デジタル変換器のダイナミクスにわたって信号を増幅する、少なくとも１つの低ドリフトかつ低雑音の増幅器を備える。
【００３６】
いくつかの実施形態では、本装置は、信号の復調を線源の振幅変調信号と同期させるための手段を備える。
【００３７】
これにより、線源の変調周波数以外の周波数の加法性雑音をすべて除去することによって、最大限の信号対雑音比が確保される。
【００３８】
いくつかの実施形態では、本装置は、装置のデジタル出力をＴＨｚ源と同期させるための手段を備える。
【００３９】
センサと線源を、デジタルクロック信号によって同期させる。このクロック信号で、線源が振幅変調されることにより、ＴＨｚがない場合にセンサの端子に現れる残差信号（オフセット）を測定および補償することが可能となる。補償は、ＴＨｚ有りおよびＴＨｚ無しで測定される信号の高周波数減算によるデジタルと、特定の電圧範囲内に全体レベルを維持するためにセンサ信号から減算される電圧を調整することによるアナログと、その両方である。
【００４０】
このアーキテクチャによって、より高い感度、および向上した信号対雑音比を確保する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、本装置は、撮像対象の物体の絶対位置のエンコーダを備え、これらの測定位置データを、センサからのデータと同期させることで、物体の移動の加速領域を含む全行程にわたって用いるとともに、奇数ラインと偶数ラインを設定することにより剪断現象を回避しつつ物体の往復移動を利用する。
【００４２】
時間ではなく絶対位置について確立されたデータを平均化することにより、あらゆる移動速度に適応することが可能となる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、本発明の対象となる装置は、ビームスプリッタを備え、ビームスプリッタでの入射偏光は、フィールドが入射面に平行であるＴＭモード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｏｄｅ（横モード）の頭字語）の偏光である。
【００４４】
ビームスプリッタは、例えば、ＨＲＦＺ−Ｓｉで構成された板であり、その厚さは、最適な分離を確保するために計算されている。これらの規定によって、反射率測定を行うことが可能である。ＴＭモードの偏光によって、ビームスプリッタの厚さが製造公差内で変動する場合の分離効率の向上した安定性が確保される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、本装置は、物体からの放射線の強度、および／または物体からの光線の偏光、および／または物体からの光線の経路差、を測定するための手段を備える。
【００４６】
本発明の対象となる装置によって、このように、いくつかのタイプの測定が可能となる。
【００４７】
本発明の他の効果、目的、および特徴は、添付の図面を参照して、決して限定するものではない例示目的で提示される以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、インコヒーレントテラヘルツ源の第１の実施例を概略的に断面で示している。
【図２】図２は、インコヒーレントテラヘルツ源の第２の実施例を概略的に断面で示している。
【図３】図３は、本発明の対象となる装置で使用される撮像レンズユニットの第１の実施形態を概略的に断面で示している。
【図４】図４は、本発明の対象となる装置で使用される撮像レンズユニットの第２の実施形態を概略的に断面で示している。
【図５】図５は、本発明の対象となる装置で使用される撮像レンズユニットの第３の実施形態を概略的に断面で示している。
【図６】図６は、本発明の対象となる装置で使用される撮像レンズユニットの第４の実施形態を概略的に断面で示している。
【図７】図７は、本発明の対象となる装置で使用される、物体を照射する第１の線形照射手段を概略的に斜視で示している。
【図８】図８は、不均一な照度曲線を示している。
【図９】図９は、図８に示す不均一な照度を補償するための、光源の発光曲線を示している。
【図１０】図１０は、図９に示す発光曲線を概ね与える光学系を示している。
【図１１】図１１は、図７に示す線形照射手段を用いて、図１０に示す光学系により与えられる略均一な照度曲線を示している。
【図１２】図１２は、回転対称性のない面を有する第２の線形照射手段を概略的に斜視で示している。
【図１３】図１３は、本発明の対象となる装置の第１の具体的な実施形態を概略的に断面で示している。
【図１４】図１４は、本発明の対象となる装置の第２の具体的な実施形態を概略的に断面で示している。
【図１５】図１５は、本発明の対象となる装置の第３の具体的な実施形態を概略的に断面で示している。
【図１６】図１６は、ポイントセンサを概略的に示している。
【図１７】図１７は、多画素センサを概略的に示している。
【図１８】図１８は、ＴＨｚ顕微鏡の電子回路図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
ここで、図面は縮尺通りではないことに留意すべきである。
【００５０】
本発明の対象となる画像取得システムでは、鏡よりもモジュール性が高い屈折光学系（レンズ）を利用し、これにより、コンピュータ支援による強力な光学設計ツールを使用しやすくなる。
【００５１】
本発明の好ましい使用領域である１００〜７００ＧＨｚの周波数領域では、材料（高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＨＲＦＺシリコン（Ｓｉ））の屈折率は、ＨＤＰＥについて上述したように、数パーセントまたはさらに低いパーセンテージの範囲内で、一定である。従って、本発明の対象となるシステムは、色度の問題が生じない、すなわち、波長が変化したときのジオプトリの光学的挙動に変化がない。
【００５２】
好ましくは、本発明の対象となるイメージング装置は、インコヒーレントテラヘルツ（ＴＨｚ）源１００を使用する。
【００５３】
インコヒーレントＴＨｚ源１００は、第１の例によれば、図１に示すように、以下のもので構成される。
−  広帯域テラヘルツエミッタ１０５（ｆ＜２００ＧＨｚ）（０．１ＧＨｚ＜Δｆ＜４０ＧＨｚ）；
−  発光帯域を制限するためのフィルタ１１０；
−  増幅器または減衰器１１５；
−  周波数逓倍器１２０；および、
−  伝送アンテナ１２５。
【００５４】
インコヒーレントＴＨｚ源１００は、第２の例によれば、図２に示すように、以下のもので構成される。
−  狭帯域で発光するローバンドエミッタ１３０（ｆ＜１ＧＨｚ）（０．１ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの周波数範囲）；
−  ０．１ＧＨｚ＜Δｆ＜４０ＧＨｚの帯域の変調器１３５；
−  増幅器または減衰器１４０；
−  周波数逓倍器１４５；および、
−  伝送アンテナ１５０。
【００５５】
エミッタが、センサの取得時間よりも短い時間で定在波を走査するのに十分に広い発光スペクトルを放射するように、エミッタ１１０または１３０は、インコヒーレント信号を生成する。
【００５６】
使用される線源は、好ましくは以下のような、数ＧＨｚの帯域幅を有する。
−  １００〜２００ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１２ＧＨｚである。
−  ２２０〜３２０ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１５ＧＨｚである。
−  ５６０〜６４０ＧＨｚの間では、−１００ｄＢで帯域幅は１５ＧＨｚである。
【００５７】
いくつかの実施形態では、エミッタ１１０または１３０は、インパットダイオードまたは抵抗器の熱雑音型の雑音源である。
【００５８】
いくつかの実施形態では、エミッタ１１０または１３０は、可変周波数発振器またはジグのようなチューナブル源である。
【００５９】
変調器１３５は、それぞれの周波数逓倍器１４５で逓倍されてから生成される信号の発光帯域幅が好ましくは０．１ＧＨｚ＜Δｆ＜１０ＧＨｚの範囲内であるように、チューニングされる。変調器１３５は、（例えば２００ＭＨｚの）非常に狭い帯域にわたって変調可能であることに留意すべきである。
【００６０】
増幅器１１５、１４０または減衰器は、それぞれの周波数逓倍器１２０または１４５の前に、信号の入力パワーを調整するために使用される。逓倍器、増幅器、および減衰器は、ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ（プリント回路基板）の頭字語）上の構造、または適切に誘導される（考慮される周波数で、金属導波管内に閉じ込められるこれらの電磁波を操作することができる）構造を用いることができる。
【００６１】
アンテナ１２５または１５０を選択することにより、最後の逓倍器１２０または１４５から出力されるビームの光学特性、すなわち、偏光、ＴＥＭモード（横電磁モード）、発散、および発光点のサイズを、パラメータ化することが可能となる。
【００６２】
図１および２に示す線源は、少なくともλ／４での走査が確保される発光スペクトルを使用し、これにより、動作周波数および偏光の選択を可能としつつ、画像の定在波の影響を軽減することが可能となる。
【００６３】
撮像光学系に関して、空間分解能は、その系で集光させることができる最小スポットのサイズに関係している。そのスポットの半径は、エアリー関数 Ｒｄｉｆｆ ＝ １．２２ λ Ｆ／＃で与えられ、ただし、λは波長、Ｆ／＃はＦナンバーである。
【００６４】
このように、空間分解能は、波長λと、集束系で用いられるＦナンバーＦ／＃と、に比例する。このＦナンバーＦ／＃は、集束光学系の直径Ｄと、この光学系の焦点距離ｆと、を用いて計算される：Ｆ／＃＝ｆ／Ｄ。
【００６５】
従って、固定波長λの場合、光学系のより大きい直径Ｄ、または光学系のより短い焦点距離ｆを選択することにより、系の分解能を最適化することが可能である。
【００６６】
ＦナンバーＦ／＃は、物理的に０．５の値に制限されるが、実際の現実的な光学指数（例えば１．５の値）では、０．７未満のＦナンバーを得ることは非常に難しい。
【００６７】
ビームの直径Ｄを最大化するために、線源の発散を考慮することで、第１のレンズの焦点距離ｆは、この第１のレンズをビームが完全に満たすように選択される。このように、ビームの直径Ｄは第１のレンズの直径に等しくなり、これにより、Ｆナンバー・パラメータＦ／＃が最適化される。
【００６８】
好ましくは、本発明の対象となるイメージング装置では、非球面レンズを使用する（図３〜６および１３〜１５）。
【００６９】
ここで、球面レンズとは、その各面の形状が球形に沿ったレンズであることに留意すべきである。大口径の球面レンズを使用すると、レンズの曲率に関係した「球面収差」として知られる収差が現れる。（レンズの周縁付近を通過する）周辺光線は、（レンズの中心を通過する）近軸光線と同じ場所には集束しない。この効果により、球面収差を伴って集束するビームは上記のエアリー関数に従わなくなるので、ビームの直径を増加させることで、分解能の増加を相殺する。さらに、この球面収差が導入されることにより、ＴＨｚビームの全伝搬は妨げられて、十分に円状の焦点（スポット）ではなく、光の環が形成される。情報の損失だけではなく、エネルギーの損失がある。
【００７０】
この現象を解決するには、いくつかのソリューションがあり、最も簡単なのは、いわゆる非球面レンズを使用することである。非球面レンズの場合、その曲面形状は、中心では球形に沿っているが、中心外では、球面収差を打ち消すように曲率が補正されている。可視光学系および赤外線光学系では、これらのレンズは、その複雑な形状のため、製造するのに非常にコストがかかる。
【００７１】
ＴＨｚでは、使用する製造方法を考えると、非球面レンズは、球面レンズを製造するのと同程度に簡単である。
【００７２】
０．０２〜０．１ｍｍの間の粗さを残して、３Ｄ印刷および／またはマイクロマシニングを実施する。線源の伝搬パラメータを測定することにより、系の入力における照射、すなわち、発散、エネルギー分布、を定義することが可能となる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、線源の周波数範囲でレンズに使用される材料の散乱指数は、（パーセンテージで）１％未満である。
【００７４】
例えば、ＨＤＰＥでの散乱は、周波数範囲全体で０．５％のオーダであり、より具体的には、以下の通りである。
−  １００〜３００ＧＨｚでは、０．２％；および、
−  １００〜７００ＧＨｚでは、０．５％。
【００７５】
この系は、光学素子間の距離、表面の曲率半径、および円錐係数（非球面性）を変更することにより最適化される。
【００７６】
システムの最適化基準は、例えば、フィールド内のいくつかのポイントでのスポットサイズを最小化するように、またはフィールド内のいくつかのポイントでの波面差を最小化するように、設定できる。
【００７７】
ビームのミリメートルである波長、１／１００の粗さは、良好な伝送効率を確保するのに十分である。この粗さは、最近の旋盤およびフライス盤で使用されるマイクロカッター、ならびにワイヤ蒸着による３Ｄ印刷に適合する。
【００７８】
従って、このイメージング装置の設計では、球面収差に関して最大限の光学性能を実現するとともに、使用するレンズの数を制限するために、すべてのレンズは、非球面として設計される。
【００７９】
ポイントイメージング用の装置の場合、集束レンズは、フラット波面モードで機能するように設計されており、すなわち、入射ビームは、コリメートされたもの（平行光線）でなければならず、その直径はレンズの有効直径と同じでなければならない。集束レンズからの出力において、ビームが最小になる焦点が規定され、その後、再び発散するビームが、このとき他のレンズで捕捉される。
【００８０】
高いＦナンバーの集束レンズを使用することによって、使用する波長よりも小さい寸法のディテールを視野に入れて、物理法則で許容される最高の空間分解能で撮像する。
【００８１】
レンズの反射防止処理、さらに必要に応じてビームスプリッタの反射防止処理に関して、それらの構造は、屈折光学系の表面構造で構成され、それは、レンズの表面における光学指数に作用することにより各ジオプトリの反射を低減する効果を有する。
【００８２】
第１の方法は、処理対象のレンズの光学指数よりも低い光学指数を有する誘電材料の１つ以上の層を堆積させることであり、例えば、処理材料の光学指数は、レンズの光学指数の平方根に近い。堆積される層の厚さは、使用される平均波長の４分の１のオーダである。処理材料のこの厚さは、赤外線と比較してＴＨｚでは比較的大きく、これにより堆積技術に問題が生じる。
【００８３】
本発明の対象となるイメージング装置で好ましくは用いられる第２の方法は、例えばフェムト秒レーザを用いたレーザドリル加工であるマイクロマシニング法を用いて、コーンまたはクレータの形態の微細構造を形成することである。波長よりも小さい寸法のこれらの微細構造は、ジオプトリの表面で見かけの屈折率勾配を形成し、これにより、反射を引き起こす屈折率の不連続性がなくなるので、表面での反射は解消される。この方法の利点は、層堆積法の場合とは異なり、非常に広い帯域幅で、かつ表面配向の影響をあまり受けない反射防止処理を実現できることである。
【００８４】
この種の処理を用いると、各光学ジオプトリの透過率が増加することで、複数のレンズを備えた光学系のエネルギー収率が向上する。この反射防止処理によって、センサに投射されるエネルギーは数十パーセント増加する。また、反射防止処理は、ゴースト像および定在波を除去することにも関与する。
【００８５】
本発明のイメージング装置においてポイントセンサ６００を使用する場合、その構造は、図１６に示すように、以下のもので構成される。
−  ＴＨｚ検出器６０５。ＴＨｚ検出器は、０．２５μｍ未満の技術によるＧａＡｓ、ＧａＮ、またはＩｎＰのＲＦナノトランジスタであり、これは、そのチャネルにおけるプラズマ効果によって、０．１ＴＨｚ〜２．５ＴＨｚの帯域のＴＨｚ波を整流する；
−  検出器を分極させるための近接電子装置６１０。ナノトランジスタは、効果的な整流器であるためには、そのトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極されなければならない。その整流信号は、トランジスタのドレインとソースの間のチャネルに電流を注入することによってチャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、増幅され、これは、トランジスタの感度を向上させる効果がある；
−  ＴＨｚ信号を整形するための近接電子装置６１５。整流信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定されるナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である。近接電子装置６１５は、信号の振幅を減衰させないように、さらには分極電流が増幅回路にではなくトランジスタに注入されることを強いるために、高インピーダンスである。減算器アセンブリは、ドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを補償する。１つ以上の低ドリフトかつ低雑音の増幅器により、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）６２０のダイナミクスにわたって信号を増幅する；
−  信号をデジタル化するための電子装置６２０。このアナログ・デジタル変換器は、振幅の広いダイナミックレンジ（＞１２ビット）を有するとともに、高速（＞１００，０００サンプル／秒）である；
−  信号復調アルゴリズムを実行する中央処理装置６２５。ＬＦ雑音およびＨＦ雑音（「オフセット」）を抑制するために、ＴＨｚ源を変調することにより、有効な信号を１００Ｈｚ超の周波数にする。センサの出力における有効な信号は、電子装置で受信した信号の復調によって得られる。
【００８６】
ポイントセンサ６００およびその近接電子装置の機能は、ＴＨｚ波を整流するとともに、後続の電子装置段階に対してインピーダンス整合信号を供給することである。電子装置６１５では、増幅器が後に続く減算器、または差動増幅器によって、有効な信号を、トランジスタに電流を注入することにより発生するオフセット信号とは異なる方法で、増幅することが可能となる。
【００８７】
信号は、アナログ出力に可能な限り近い高速（取得周波数＞１ｋＨｚ）でデジタル化される。信号の復調は、線源の変調信号と同期的に行われ、これにより、線源の変調周波数以外の周波数の加法性雑音をすべて除去することによって、最大限の信号対雑音比が確保される。センサからのデジタル出力を、撮像対象の物体の絶対位置と同期させる。
【００８８】
単画素センサまたは多画素センサの電子装置に関して、アナログ回路の場合、トランジスタのチャネルに電流を注入する。
【００８９】
ＨＥＭＴベースのＴＨｚセンサの感度を向上させるために、数十μＡのオーダの電流をトランジスタのチャネルに注入する。これにより、ＴＨｚ波が存在する場合の電気的応答が数桁増加する。注入は、トランジスタにドレインで直接接続された電流発生器コンポーネントによって行われ、このコンポーネントは、例えば、抵抗器と組み合わせたＬＭ３３４とすることができ、その抵抗値を選択することによって、注入される電流量をパラメータ化することが可能となる。
【００９０】
ＴＨｚ波が存在するときのトランジスタの端子における有効な信号は、ドレインとソースの間の電圧であるため、トランジスタおよび電流を注入するコンポーネントを、増幅チェインの残り部分から、非常に高いインピーダンスを有するフォロワアセンブリによって絶縁する必要がある。これにより、注入された電流は、増幅チェインに伝搬することなく、トランジスタ内でのみ伝搬することができる。
【００９１】
［電流によって発生するオフセットのアナログ補正］
トランジスタのチャネルの抵抗は、ｋΩ（キロオーム）のオーダであるため、チャネルに電流を注入すると、その端子間に連続的なオフセットが発生する。このオフセットは、ＴＨｚの有無に関係なく現れる。このオフセットは、数百ｍＶのオーダである可能性があり、これは増幅チャネルにとって問題である。実際に、増幅器は、ＴＨｚによって生成された有効な信号と、連続的なオフセットを、同じように増幅する。オフセットは、特定のレベルを超えると、様々な増幅器の入力の飽和を引き起こす。従って、増幅チェインが入力においてその動作範囲内に留まることができるように、トランジスタによって生成される信号から、オフセット電圧と同程度の大きさのＤＣ電圧を減算する必要がある。
【００９２】
［増幅］
増幅は、これによって発生する雑音が少ないように、かつ、可能な限り低ドリフトであるとともに、動作周波数のための十分な帯域幅を有するように、選択される。例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の増幅器ＯＰＡ７３５は、必要な性能レベルを有する。従来、２つの増幅段階が選択される。第１は、感光面に近く、１０または１００の固定利得であって、これにより、回路によって誘導される雑音レベルよりも数桁強い信号の伝送が確保される。次は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）に近く、（例えば１〜１０の間の）可変利得の第２の増幅器である。これにより、ＡＤＣ変換レンジを満たすように増幅を適応させつつ、全体として１０００の最大増幅率を達成することが可能となる。
【００９３】
図１８に、ゲート電圧８０５を受けるとともに、ドレインに電流注入８１０を受けるトランジスタ８１５を示しており、ドレインにおける電圧は、フォロワ８２０に供給される。フォロワ８２０の出力において、減算器８３０で電圧８２５を減算し、次に２つの増幅器８３５および８４０で信号を増幅する。
【００９４】
［信号の変調／復調］
トランジスタで発生する雑音は、電流が注入されると、大幅に増加する。雑音レベルが高すぎるため、連続（ＤＣ）モードで動作させることは、もはや有効ではなく、特に低周波雑音は、オフセット電圧に関係している。しかしながら、有効な信号をｋＨｚのオーダの周波数にすると、６０ｄＢよりも高い信号対雑音比が得られ、これに対して、注入電流がないときの連続モードでは約４５ｄＢである。電流を注入することの利点は、この信号対雑音比にあり、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの間の動作周波数では、電流によって信号対雑音比はより良好となる。
【００９５】
信号を変調および復調するためのいくつかの方法があり、特に同期検出による方法は、ＴＨｚシステムで広く用いられている。この方法には１つの欠点があり、それは、取得速度を大幅に低下させる長い積分時間を要することである。
【００９６】
この場合の手順は、以下の通りである。線源は、無線周波数振幅変調器を制御するプログラマブル電子素子（例えばＦＰＧＡ）によって外部で変調される。プログラマブル素子は、変調のハイ状態とロー状態を制御し、一方の状態では、線源はＴＨｚを放射し、他方の状態では、信号は放射されない。あるいは、センサが受信する信号は、ＴＨｚ波の存在に関係した有効な信号であるか、またはＴＨｚがない場合の背景雑音であるか、いずれかである。プログラマブル素子は、ハイ状態とロー状態の間に、センサからの信号をサンプリングして、２つの平均を生成し、その１つは、ハイ状態での平均信号レベルに相当し、もう１つはロー状態での平均信号レベルに相当する。これらの２つの平均値で差し引くことにより、その低周波成分をハイとローの差によってフィルタリング除去するとともに、その高周波成分をハイ状態とロー状態のそれぞれの平均によってフィルタリング除去して、ＴＨｚのみに対応した信号を得る。センサの出力に生成されるのは、この平均差分信号である。
【００９７】
この方法の利点は、適切な増幅帯域幅の高速ＡＤＣ（例えば、２００，０００サンプル／秒）があれば、高い取得速度を維持できることである。また、この方法は、計算コストがあまりかからないので、検出器マトリクス全体に実装することが可能となり、計算は各センサで独立に実行される。
【００９８】
このアーキテクチャによって、向上した感度、低減した信号雑音、信号と物体の最適位置との同期、が確保される。
【００９９】
フォトサイト（または画素）のラインを１つ以上有するリニアセンサを使用する場合、この多画素センサ７００は、図１７に示すように、以下のもので構成される。
−  ＴＨｚ検出器７１０の１つ以上の列７０５。各ＴＨｚ検出器は、０．２５μｍ未満の技術によるＧａＡｓ、ＧａＮ、またはＩｎＰのＲＦナノトランジスタであり、これは、そのチャネルにおけるプラズマ効果によって、０．１ＴＨｚ〜２．５ＴＨｚの帯域のＴＨｚ波を整流する。各ナノトランジスタは、表面積が０．５ｍｍ2未満のマイクロパッケージにパッケージ化されている；
−  各検出器を分極させるための近接電子装置７１５。ナノトランジスタは、効果的な整流器であるためには、そのトランジスタの標準動作の非線形性が最も強い場合の、そのスイング電圧に近いゲート電圧によって分極される。その整流信号は、ドレインとソースの間に電流を注入することによってチャネルにおける電荷の非対称性を強いることにより、増幅される；
−  ＴＨｚ信号を整形するための近接電子装置７２０。整流信号は、コモンモードまたはディファレンシャルモードで測定されるナノトランジスタのドレインとソースの間の連続的な電位差である。近接電子装置７２０は、信号の振幅を減衰させないように、さらには分極電流が増幅回路にではなくトランジスタに注入されることを強いるために、高インピーダンスである。減算器アセンブリは、ドレインとソースの間に電流を注入することにより発生するオフセットを補償する。１つ以上の低ドリフトかつ低雑音の増幅器により、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）７２５のダイナミクスにわたって信号を増幅する；
−  並行して信号をデジタル化するための電子装置７２５。このアナログ・デジタル変換器７２５は、振幅の広いダイナミックレンジ（＞１２ビット）を有するとともに、高速（＞１００ｋサンプル／秒、すなわち＞１００，０００サンプル／秒）である；
−  雑音を低減するための信号取得・処理システム７３０。ポイントセンサの場合と同じように、ＴＨｚ源が振幅変調されることによって、平均差分測定を行うことが可能となる；
−  イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、またはＣａｍｅｒａＬｉｎｋ（登録商標）通信プロトコルによる高速通信システム７３５。
【０１００】
センサと線源を、デジタルクロック信号によって同期させる。このクロック信号で、線源が振幅変調されることにより、ＴＨｚがない場合にセンサの端子に現れる残差信号（オフセット）を測定および補償することが可能となる。補償は、ＴＨｚ有りおよびＴＨｚ無しで測定される信号の高周波数減算によるデジタルと、特定の電圧範囲内に全体レベルを維持するためにセンサ信号から減算される電圧を調整することによるアナログと、その両方である。
【０１０１】
単画素センサの場合は、撮像対象の物体の絶対位置をエンコーダで測定する。次に、これらの位置データを、ＴＨｚセンサからのデータと同期させることで、移動の加速領域を含む全行程にわたって用いるとともに、奇数ラインと偶数ラインを設定することにより剪断現象を回避しつつ往復移動を利用する。最後に、時間ではなく絶対位置について確立されたデータを平均化することにより、あらゆる移動速度に適応することが可能となる。
【０１０２】
このアーキテクチャによって、向上した感度、低減した信号雑音、信号と物体の最適位置との同期、が確保される。
【０１０３】
多画素センサ７００により、視野を空間的に拡張することが可能となることで、高リフレッシュレート（ライン周波数＞１ｋＨｚ）で高分解能画像を生成することが可能となる。近接電子装置を含む各センサ７００は、局所的に受信するＴＨｚ波を整流することを担うとともに、後続の電子装置段階に対してインピーダンス整合信号を供給することを担う。電子装置７２０では、増幅器が後に続く各減算回路、または差動増幅器によって、有効な信号を増幅することが可能となる。
【０１０４】
信号は、アナログ出力に可能な限り近い高速（取得周波数＞１ｋＨｚ）でデジタル化される。
【０１０５】
信号の復調は、各画素からの信号に対して、線源の変調信号と同期的に行われ、これにより、線源の変調周波数以外の周波数の加法性雑音をすべて除去することによって、最大限の信号対雑音比が確保される。
【０１０６】
多画素センサ７００は、撮像光学系の焦点面に配置される。各ポイントセンサは、ＴＨｚ波を整流することを担うとともに、有効な信号を増幅することを担う。信号は、アナログ出力に可能な限り近い高速（取得周波数＞１ｋＨｚ）でデジタル化される。
【０１０７】
センサは、その表面積が小さいことによって、非常にコンパクトであることが可能となり、ひいては高い空間分解能が可能となる。感光素子は、例えば、２つの素子間の間隔が３００μｍのオーダで、かつ画素間の間隔が８００μｍで、ラインに配列され、各素子は、５００μｍ×１ｍｍの寸法を有する。各センサを個別に分極させることによって、高感度を維持しつつ、センサ間の感度の均一性を確保することが可能となる。すべての信号を並列管理することによって、非常に高い取得速度を確保することが可能となる。組み込まれた信号処理によって、最良の信号対雑音比を得るための、リアルタイムフィルタリングが可能となる。イーサネット、ＵＳＢ、またはＣａｍｅｒａＬｉｎｋ通信プロトコルによる通信によって、パッケージ管理により、データの損失なく複数の多画素センサをチェイン接続するための高速のライン送信が可能となる。
【０１０８】
リニアセンサのイメージングシステムの設計の出発点は、センサによって課せられる空間分解能である。本発明の対象となるイメージング装置は、その多画素の実施形態では、画素間が８００μｍであり、モデルに応じて、６４、１２８、または１９２画素のラインを有する。撮像対象の物体の側で視野を選択することによって、センサ・レンズユニットアセンブリの最適な空間分解能が課せられる。
【０１０９】
例えば、物体側の視野が３０ｍｍの場合、シャノン基準（最大分解能で１ラインペアあたり４画素）に従ってシーンの正確なサンプリングを確保する必要がある。従って、カメラ（センサおよびレンズユニット）の最適な空間分解能は、周波数で０．５３ｌｐ／ｍｍ（ラインペア／ミリメートル）である。システムの光学分解能が高いほど、カメラで正確にサンプリングできなくなり、光学分解能が低いほど、過剰な画素数／ｍｍにつながることで、利用できるすべてのリソースの恩恵を受けられない可能性がある。また、このアプローチは、この光学系に必要な倍率を直接示しており、この場合は１．７１×である。
【０１１０】
この準備に続いて、光学系に性能目標を与えることができる。例えば２５５ＧＨｚである動作周波数が分かれば、エアリー関数を用いて、設計するレンズユニットは、物体側のＦナンバーが１．３１、像側のＦナンバーが２．２３でなければならないことを計算する。さらに、このＦナンバーを得るために必要なレンズユニットの直径サイズを推定することもでき、この場合は７５ｍｍである。
【０１１１】
上記で決定された光学パラメータを考慮すると、問題に対処するために設計されるレンズユニットは、顕微鏡タイプのレンズユニットであることが分かる。実際に、顕微鏡レンズは、写真用または望遠鏡用のレンズとは異なり、以下の全体的な特徴がある。撮像対象のシーンは、センサのサイズよりも小さく、センサの画素は、シーンの平均的なディテールと同じオーダの大きさである。再現率は、１よりもはるかに高い（１００μｍ×１００μｍのシーンは、１０ｍｍ×１０ｍｍのセンサで、すなわち１００×の倍率で再現される）。レンズユニットは物体から短距離で機能し、その物体側開口数は、０．７などの値を得ることができる。
【０１１２】
顕微鏡レンズユニットの使用に関して、顕微鏡光学系により、観察対象の物体を拡大することと、この物体のディテールを観察できるように分離することと、その両方が可能になることに留意すべきである。このような光学系は、倍率と分解能の組み合わせによって特徴付けられる。
【０１１３】
ＴＨｚイメージング用の顕微鏡レンズユニットを備えたイメージングシステムの文脈では、第１に、シーンは一般に検出器マトリクスのサイズよりも小さく、検出器はシーンのディテールの大きさのオーダのものであるため、シーンとそのディテールを画像化するためには拡大する必要がある。第２に、シーンの画像は、そのディテールを観察できるように十分な物体の分解能を確保して形成されなければならず、これは一般に、高開口で、すなわち物体の近くで、かつシーンと比較して大きい直径の光学系を用いて機能することを伴う。
【０１１４】
顕微鏡レンズユニットは、ＴＨｚフィールドイメージングの問題に対処するのに最適である。
−  センサの画素は、形成される画像のディテールと比較して大きい；
−  センサは大きく、１９２画素で、＞１５０ｍｍである；および、
−  実現すべき分解能には、非常に高いＦナンバーが必要である。
【０１１５】
この選択の結果として、レンズユニットは、嵩高で、撮像対象の物体と同様の寸法またはそれよりも大きくなる。
【０１１６】
その結果は、光学系のレンズの数、形状、および寸法に関して、想定される倍率、期待される分解能、およびレンズユニットの物体距離（物体と第１のレンズの間の距離）に大きく依存する。
【０１１７】
レンズユニットには、少なくとも２つのレンズグループがある。
−  第１のグループ：物体に近く、開口絞りで物体からの光の収集を可能とする；および、
−  第２のグループ：像に近く、結像開口絞りで物体の像の形成を可能とする。
【０１１８】
制約の少ないレンズユニット（例えば、２倍の倍率で、低波長）の場合、この原理に基づいて、グループごとに１つのみのレンズで、従って全部で２つのみのレンズで、レンズユニットを設計することが可能である。これは、特に非球面レンズの製造が可能であることによって可能となる。
【０１１９】
より制約の大きいレンズユニット（例えば、１倍の倍率で、高波長）の場合、グループごとに複数のレンズを用いる必要がある。
−  像面湾曲を制限するための、第１のグループの像面補償器；および、
−  厚さおよび収差を制限するための、第２のグループの２つまたは３つのレンズ。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、レンズユニットは、実際には、３つのレンズグループを有し、第２のグループが、大きな空隙で分離された２つのサブグループに分割される。これは、特に、レンズユニットが像側でテレセントリックである場合である。
【０１２１】
［実施例］
例１（図３）：被写界４０ｍｍ、倍率１．３×、２３５ＧＨｚ
レンズユニット２００は、それぞれ１つのレンズの２つのグループ２０５および２１０を有し、像側でテレセントリックではない。このレンズユニット２００は、５０ｍｍ超の物体距離という制約で設計されている。ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（変調伝達関数）の頭字語）は、０．４ ｐｌ／ｍｍの分解能、すなわち物体に対する１．９２ｍｍの分解能、を示している。スポット図は、この系がフィールド全体の回折によって制限されることを示しており、収差によって像が歪められることはない。
【０１２２】
例２（図４）：被写界３０ｍｍ、倍率１．７×、２３５ＧＨｚ
レンズユニット２１５は、３つのレンズ２２０、２２５、２３０を有し、第２のグループは、１つのレンズの２つのサブグループに分割される。像側は、テレセントリックレンズユニットである。像側のＭＴＦは、０．４５ ｐｌ／ｍｍの分解能、すなわち物体に対する１．３ｍｍの分解能、を示している。スポット図は、この系がフィールド全体の回折によって制限されることを示しており、収差によって像が歪められることはない。
【０１２３】
例３（図５）：被写界５２ｍｍ、倍率１×、１４０ＧＨｚ
レンズユニット２３５は、２つのサブグループに分割された第２のグループを有する。倍率１×と像側のテレセントリック性を得るには、４つのレンズ２４０、２４５、２５０、２５５が必要である。像側のＭＴＦは、０．４０ ｐｌ／ｍｍの分解能、すなわち物体に対する２．５ｍｍの分解能、を示している。スポット図は、この系が、フィールドのエッジを除いて、回折によって制限されることを示している（わずかな欠陥）。
【０１２４】
例４（図６）：被写界５０ｍｍ、倍率３．１×、２３５ＧＨｚ
高倍率用のレンズユニット２６０は、２つのグループを有し、第１のグループに像面補償器を有する。３つのレンズ２６５、２７０、２７５を有するこのレンズユニットによって、波長未満の分解能を実現することが可能となる。像側のＭＴＦは、０．４１ ｐｌ／ｍｍの分解能、すなわち物体に対する７８０μｍの分解能、を示している。スポット図は、この系が、フィールドのエッジを除いて、回折によって制限されることを示している（わずかな欠陥）。
【０１２５】
ＴＨｚイメージングレンズユニットは、フィールド内にある物体を、レンズユニットの反対側に位置する像面に向けて結像させるために使用される。仕様内で機能するための条件は、像面での検出感度に対して十分な強度のＴＨｚ入力信号を有することである。従来の実現形態では、このレンズユニットは、線源と、線源の照射を投影するための系と、レンズユニット自体と、多画素センサと、コンピュータ化された解析システム（図示せず）と、を含むチェインに組み込まれる。
【０１２６】
このとき、撮像対象の物体に対する光学的空間分解能を確保するのはレンズユニットであるため、レンズユニットは、上記のチェインにおける重要な要素である。レンズユニットの寸法は、その性能に本質的に関連しており、所望の分解能が高いほど、レンズが大きくなるとともに、レンズユニットは長尺になる。
【０１２７】
センサとして画素ラインを用いるには、リニアセンサで観察される物体の一部に線源のエネルギーを集中させるために、シーンのラインに対して照射を用いる必要がある。線源は、そのホーンで決まる放射コーン内に放射線を放出する。放射コーンにおけるエネルギー分布は、一般にガウス分布であるとともに回転対称性を有するので、不均一な円周のエネルギー分布である。線源を線形化する系には２つの目的がある。
−  線源の照射を線形にすること；および、
−  線源の照射をシーンにわたって均一にすること。
【０１２８】
いくつかの実施形態では、シーンの照射は、一方向に平行であって、垂直方向に集束されるように設計される。シリンドリカルレンズ２９０を使用することは、この目的を達成するための１つのソリューションである。線源からのビーム２８５は、撮像対象のシーンと同じ直径に広がってから、シリンドリカルジオメトリであって（かつ回転ジオメトリではない）非球面曲率を有するレンズによって、その放射は、図７に示すように空間の単一方向に集束される。
【０１２９】
上記の方法による線形化２８０は、線源の照射の分布が均一ではないため、不均一な照度を示す。線源のエネルギー分布を空間の単一方向に集束させることによって、照射ラインに沿って伝送される同じ不均一な分布が維持される。
【０１３０】
図８は、線源１００の出力におけるエネルギー分布３００を示している。
【０１３１】
光学設計ソフトウェアを用いて、シリンドリカルレンズによる変換後に均一な照度を確保するための最適な回転ジオメトリによる分布を計算することが可能である。この分布が分かれば、これを、このソフトウェアで、線源１００の出力においてビームを整形するレンズを最適化するための目標として用いる。例えば、図９に示す分布３０５の照射は、シリンドリカルレンズの後に均一な分布を形成する。
【０１３２】
リニアイメージセンサで観察されるラインへの照射の均一性を実現するために、２つの設計ステップで、３つのレンズ３１５、３２０、３２５を有する系３１０を形成する。
−  第１のステップでは、シリンドリカルレンズ３２５の入力において必要な分布３０５を計算する；
−  第２のステップでは、この分布３０５を形成するために、２つの非球面レンズ３１５、３２０を有する系を最適化する。
【０１３３】
図１１は、光学系３１０を実装した結果としての分布３３０を示している。
【０１３４】
他の線形化方法では、ビームを整形するための２つのレンズ３１５および３２０を、回転対称（球面、非球面）ではないがスプラインまたは多項式を表す少なくとも１つの面を有する単一のレンズで置き換える。この場合、図１２に示すように、２つのレンズ３３５、３４０のアセンブリによって、照射を線形かつ均一にすることが可能となる。
−  エネルギー分布を準備するためのビーム整形に、レンズ３３５を用いる（例えば、ＸＹ多項式面を有するレンズ）；
−  非球面シリンドリカルレンズ３４０によって、単一方向へのビームの集束を実現する。
【０１３５】
この方法の利点は、より簡単に計算ソフトウェアで実施できることであり、ガウス円周照射から均一な線形照射への移行のためのマクロは、シリンドリカルレンズ３４０の入力において必要な照射を計算する中間ステップを経ることなく、最適化レベルで直接的に実行される。このマクロの計算は、回転対称の系の場合に複雑であり、この対称性を第１のレンズから排除する。これは、必要なレンズの数を減らすという利点がある。
【０１３６】
照射の設計では、使用される線源（波長、発散）を考慮する。この照射系によって、その後に集光レンズユニットおよびセンサを使用するための空間の平面に、十分なＴＨｚエネルギーを投射して、この空間平面に配置された物体の像を形成することが可能となる。
【０１３７】
この線形化系によって、最も効果的にシーンに照射するために、線源からのエネルギーをいかに分散させるのかを選択することが可能となる。この種の照射が有効である系は、最大のエネルギー効率を有し、これにより、より低感度のセンサを使用すること、または非常に不透明な物体もしくは反射性の低い物体を結像させること、が可能となる。
【０１３８】
他の実施形態では、照射を、その高さおよび幅を設計者が選択できる矩形にすることができる。この場合、照射が、検査対象の物体上にコリメートされることで、第１に、照射が最適である深度をより深くすることが可能となり、第２に、線源の像の一部が物体の像に重なることを避けるために、照射系の射出口を無限遠することが可能となる。
【０１３９】
矩形の照射を実現するために、上記の第２の方法に従って進める。測光計算によって、回転対称ガウス照射から均一な矩形（または特定の強度プロファイルを有する矩形）照射への移行のためのマクロを決定することが可能となる。さらに、コリメートされた照射にするための、物体への光線のゼロ点入射角を与える。このマクロは、設計者によって規定される矩形照射を物体レベルで生成する非回転対称の面を有する２つのレンズを最適化するために、設計ソフトウェアに実装される。
【０１４０】
ポイントセンサ（単一のフォトサイトまたは画素）を使用する場合、このポイントイメージング装置の原理は、２つのレンズグループに基づいている。
−  第１のグループは、所望の分解能を実現するためのビーム整形を行う；
−  第２のグループは、撮像対象の物体を透過した光束を収集する。
【０１４１】
このイメージングモードでは、空間分解能は、物体の前に位置する第１の光学グループにのみ関係している。光束収集部品は、形成される像の空間分解能に影響を及ぼさない。第２のグループの最適化は、エネルギー束収集原理に基づいており、その目的は、最良の信号対雑音比を得るために、エネルギーを可能な限り多くセンサに集中させることである。
【０１４２】
撮像対象の物体のタイプに応じて、２つのイメージングモードを用いる。
−  物体を透過する透過モード：強度、および／または偏光、またはサンプルごとの経路差の透過測定。
−  物体で反射する反射モード：強度、および／または偏光、または表面もしくはその深度におけるサンプルごとの経路差の反射測定。
【０１４３】
提案されるポイントイメージング装置によって、反射と透過で同時に物体を結像させることが可能となる。このために、物体の上流と下流に位置する２つの光束収集グループを用いる。また、絶対測定を行う目的で、キャリブレーションのために線源の振幅を制御することもできる。
【０１４４】
ポイントイメージングシステムは、その光学素子に加えて、以下の要素を組み込むことができる。
−  ＣＷまたは変調ＴＨｚ源；
−  １つ以上のポイントセンサまたは多画素（リニア）センサ；
−  少なくとも１つのエンコーダでサンプルを高速移動軸上で移動させるためのデカルト系；
−  デカルト系の絶対位置と、線源の変調に同期させた信号と、を同期させることにより画像を生成するコンピュータシステム。
【０１４５】
最大分解能は、１０または２０ｍｍのオーダの非常に短い焦点距離の集束レンズの場合に得られる。このため、大きいサイズのサンプルの場合に、サンプルを挿入するのに使用できるスペースが非常に制限されることがある。提案されるイメージング装置は、モジュラシステムによって、撮像対象の物体のサイズに応じて分解能の変更を可能とすることにより、この問題のソリューションを提示する。
【０１４６】
線源からのビームは、最初に第１のレンズでコリメートされる。コリメートされたビームは、このレンズの後に平行光線で伝搬し、これにより、コリメートレンズから任意の距離に、放射線を集束させるレンズを配置することが可能となる。
【０１４７】
高分解能を可能とする焦点距離の短い光学系、すなわち物体の近くに配置される光学系と、より低い分解能を可能とする一方でより嵩高の物体の測定を可能とする焦点距離の長いレンズ、すなわち線源の近くに配置されるレンズと、その両方が光軸上の同じ場所にビームを集束させるように、物体上の焦点面は選択される。
【０１４８】
このシステムによって、線源と物体の間の距離を同じに維持しつつ、集束レンズを変更することにより、システムの分解能を容易に変更できるので、機械的統合が容易になるとともに、システムが人間工学的に改善される。
【０１４９】
透過モードでは、光束の収集は、物体の後に配置された２つのレンズからなるグループによって行われる。使用される集光器は、最大効率を確保するために、第１のグループのものに少なくとも等しいＦナンバーを有する。
【０１５０】
第１のレンズは、集束レンズと同一とすることができる。これにより、物体からの光束を収集し、ビームを（コリメートされた）平行光線にする。このシステムよって、第２のレンズを第１のレンズから任意の距離に配置することが可能になることで、上記の分解能のモジュール性が維持される。
【０１５１】
検出器の前に配置された第２のレンズは、信号対雑音比を最大化するようにエネルギーを集中させることにより、ＴＨｚビームを感光面に集束させることを可能とする。このレンズに用いられる開口数は、例えば１．２５である。この値は、エネルギー集中（より低い開口数）と集束安定性との間の妥協点として選択することができ、より高い開口数によって、センサへの集束が、機械的膨張に関係したビームの歪みの可能性、またはビームが物体で単に遮られること、に依存することを軽減することができる。
【０１５２】
反射モードでは、ビームスプリッタおよびレンズを追加することによって、光束の収集を行う。このアセンブリは、サンプルに集束させるためのレンズの前に配置される。ビームスプリッタは、入射ＴＨｚビームを線源と物体の間で伝搬させる。ＴＨｚ信号は、物体で反射されると、集束レンズで収集され、次にビームスプリッタで反射されて、センサの前に位置するレンズに９０°で伝送される。センサの前のレンズは、透過モードで使用されるレンズと同じである。
【０１５３】
ビームスプリッタは、往路で線源からのエネルギーの一部が反射されることと、復路で物体から反射されたエネルギーの一部が透過することにより、伝搬ごとに信号の損失を伴う。
【０１５４】
偏光モードに関して、ＴＨｚ波は、材料からの複屈折などの特定の応答を調査するために特別に偏光させることができる電磁波である。
【０１５５】
このためには、入射波を円偏光させなければならない。直線偏光を円偏光に変換するために、例えば以下のような、リターダ素子を使用することができる。
−  ４分の１波長板；
−  ホーン；または、
−  １２０°プリズムアセンブリ。
【０１５６】
アナライザで、楕円率、楕円の位相シフト、楕円の回転方向を解析する。使用される手法は以下の通りである。
−  ２分の１波長リターダ＋偏光子の回転と、楕円パラメータを再構成するための少なくとも１８０°にわたるエネルギー取得；および、
−  少なくとも３つの優先偏光方向を解析する偏光子を備えた少なくとも３つのセンサにわたって伝送された波の分解。
【０１５７】
解析は、以下のものを組み込んだ単一のセンサで行われる。
−  アンテナを備えた２つのプラズモニックナノトランジスタを用いた、２つの垂直偏光方向での振幅測定；および、
−  クロスアンテナを備えたナノトランジスタを用いた、楕円の位相シフトおよびその回転方向の測定。
【０１５８】
モジュール性によって、撮像距離の管理によりサンプル（撮像対象の物体）の厚さを測定するための非常に柔軟なプラットフォームが提供され、完全に透明な材料の場合の透過モードでの撮像、材料の１つが不透明である物体の場合の反射モードでの撮像、優先伝搬軸（「複屈折」のことである）を有する材料の場合の偏光モードでの撮像、のための適切な空間分解能が要求される。
【０１５９】
（広帯域の変調）ＴＨｚ源、（非常に高感度、高速の）センサ、デカルト系（絶対位置）のエンコーダ、および（同期、フィルタリング）取得システムを組み合わせて使用することにより、非常に高感度で、動きアーチファクトを伴うことなく、定在波を伴うことなく、非常に低いＬＦ雑音およびＨＦ雑音で、画像を形成することが可能となる。
【０１６０】
例えば図１４および１５に示す板４３５および４５５であるビームスプリッタに関して、光学窓、ビーム分離器、または半球状集光レンズを製造するために、ＴＨｚ領域では、高抵抗シリコンが非常に一般的に使用される。好ましくは、本発明の対象となる画像取得システムは、この材料を半反射板に用いる。３．４１という非常に高い屈折率によって、材料の１つの面で、ビームの反射成分と透過成分の２つの成分へのそれぞれ４５％と５５％の分離を得ることが可能となる。
【０１６１】
ビームスプリッタの機能（理想的には５０％の透過と５０％の反射）を確保するためには、その板を慎重に設計しなければならず、板の２つの面を通過することによってビームがそれ自体と干渉すると、これにより、この素子の性能レベルが大きく変化する。
【０１６２】
好ましくは、ビームスプリッタは、その材料の１つの面に反射防止処理を施される。これにより、この面では反射が生じず、干渉は発生しない。この処理には、好ましくは、屈折率が１．８に近い材料を選択するとともに、その厚さを波長の約数に合わせて調整する。
【０１６３】
いくつかの実施形態では、板の厚さを選択することにより、５０％の分離効率が得られる。干渉する波の成分を計算することにより、５０％の効率レベルを得られる厚さを特定することができる。
【０１６４】
ビームスプリッタでの入射偏光に関して、好ましくは、フィールドが入射面に平行であるＴＭモード（横モードの頭字語）の偏光が用いられる。実際に、本発明者は、ＴＭモードの偏光によって、ビームスプリッタの厚さが製造公差内で変動する場合の分離効率の向上した安定性が確保されることを確認した。
【０１６５】
最大限の効率を得るために、ビームスプリッタは、わずかに発散するビームで使用される。好ましくは、それを、コリメートされたビームに差し込む。光ビームは、ビームスプリッタを２回通過し、その１回目は線源から発せられるときであり、その２回目は、物体から検出器に向かって戻るときである。
【０１６６】
ビームスプリッタは、物体への照射と、物体からの光束の回収と、が物体の同じ側で行われる場合である反射モードの光学系を設計するために使用される。
【０１６７】
本発明の対象となる多画素イメージング装置は、以下の要素が組み込まれる。
−  ＴＨｚ源；
−  線形照射を実現するためのレンズで構成される光学系；
−  物体を透過した後または物体で反射された後の照射の収集を実現するためのレンズで構成される光学系；
−  反射の場合のビームスプリッタ；
−  多画素センサ；および、
−  センサから出力される信号を処理するユニット。
【０１６８】
一般的に、透過モードを用いることは、物体の寸法が理由で、または産業環境の制約が理由で、複雑である。従って、反射モードが一般的に用いられる。このモードを設定するために、照射およびレンズユニットを配置構成する方法はいくつかある。
【０１６９】
透過モードでは、光学系の全体で２つの別々の部分４００と４１０を有し、一方は線形照射用であり、他方は撮像レンズユニット用である。例えば、図１３に示す装置４０の光学系では、左側の部分４００の３つのレンズは照射用であり、右側の部分４１０の２つのレンズはレンズユニット用である。これらの２つの間の空きスペースによって、その像をセンサ４１５で取得しなければならない物体４０５を挿入することが可能となる。
【０１７０】
レンズユニットの外へのエネルギー損失がないように、照射の開口数は、レンズユニットの開口数に合わせて調整される。
【０１７１】
レンズユニット全体を通した反射を用いる、図１４に示す装置４２の実施形態では、右側の３つのレンズ４２０は、レンズユニット４３０の像面に投影される照射を形成する。照射は、その後、物体４２５に投影されるためにレンズユニット４３０を通過する。最後に、レンズユニット４３０によって物体４２５の像を形成し、これは、半反射板４３５によってセンサ４１５上に９０°で投影される。
【０１７２】
照射は、このとき、レンズユニット４３０を通して物体４２５に均一に照射するように設計される。
【０１７３】
レンズユニットの内部での反射を用いる、図１５に示す装置４４の実施形態では、照射４４０は、シリンドリカルレンズ４６５の後の、レンズユニット４５０の最後のレンズである追加レンズ４６０を考慮に入れる。照射は、レンズユニット４５０の出口に直接差し込まれる。レンズユニット４５０は、反射された光を他の２つのレンズおよびリニアセンサ４７０に向けて９０°で伝送する半反射板４５５によって機能する。
【０１７４】
この設計の利点は、よりコンパクトであるとともに、線源とセンサの間でＴＨｚビームが通過するレンズがより少数であることによって、導入される損失がより少ないことである。
【０１７５】
この照射系によって、シーンの均一な照射が可能となり、多画素センサの画素が極めてコンパクトであることによって非常に高分解能の集光系が利用される。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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2020529617.tif 000022
2020529617.tif 000023
2020529617.tif 000024
2020529617.tif 000025
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