資 料 No.3
2007.12.3

実 時間 2 次 元テ ラベル ツ断層 イ メー ジ ング法
Real―time Two‐
dimensional Terahertz Tomography
安井 武 史TAttSHI YASIII

大阪大学大学院基礎工学研究科
Graduate School ofEngineering Sdence,osakauniversiw)1鼈

概 要
近年 、X線 や 超 音波 に替 わ る新 しい非破壊検査手段 として、テラヘル ツ (THz)断 層イ メー ジン グが注 目され てい る THz断 イメニ ジングで は パル ス THz波 自の。
層特徴 を利、状
独用す ることにより(非 侵襲 ・非接触 リモー ト・深部プ ローブ可能な断層イメー ジング法が実現できる。本講演では、点走査型 THz断層イメー ジング、実時間 2次 元 THz断層イメージング、および塗装膜測定への応用に関する研究を紹介する。
キニ ワー ド テ ラヘ ル ツ、非破壊検査 、 フェ ム ト秒 レー ザー 、塗装膜

1.緒 言
2005年 1月 9日 付け全国紙朝刊に国家基幹技術 10大 戦略が掲載 された。
,そ こには、科学技術立国再生に向けた国際競争力強化のため日本 が取 り組むべ き課題 として世界最高の「ナ ノテク装置」などにカロえて「テラヘルツ波 による計測 。分析技術」があ不パコン」や 「)①げられているのをご覧になった方が多い と思 う。10年 後のテラヘルツ波応用に関す る市場
規模 は 2兆 円に達するとも言われてお り、 これからの技術動向に目を離せない。 一
テラヘルツ (THz)波 とは光 と電波の境界にある周波数領域 (周波数 100GHz‑10THz、波長 30um‑3mm)に位置する電磁波のことで、古 くから遠赤外線 と呼ばれていた領域である。
遠赤外線は体内深部まで浸透す る熱線であることか ら健康産業や医療によく利用 されてきた。「遠赤外線ホームこたつ」や 「遠赤外肌着」などを愛用 されてい る読者もお られると思一う。 方、産業や計測分野への応用について見れば、安定な レーザー光源 と高感度検出器の開発 が遅れていたので、本格的な応用は未開拓であった。 しかし近年 の超短パルス レーザーや超高速デバイス技術の発展により、パルス状の THz波 (以下 THzパルスとF・￨す)が。
比較的容易に生成 検出できるようになって きたため、以下に示す特徴 と相まって新たな応用展開が活発になっている。
ヽTHzパ ルスは、① 自由空間伝播、②非金属物質 に対する良好な透過特性、③ コヒー レントビーム、④サブ ピコ秒パルス、⑤非侵襲、⑥低散乱、⑦分光やイメー ジングが可能などの特徴を有 してお り、基礎科学以外に も、非破壊検査、生体計測といった実用計測への応用も積極的に行われている。特に最近は逼迫 した国際情勢に関連 してセキュ リティ対策 としての THzパルスの重要性が注 目を浴びてい る。それ以外にも様々な応用が考えられ、今後も THz波 は幅広い分野の発展 に寄与すると予想 される。
物体の非破壊検査では、内部の様子を階層的に検査 できる断層画像撮影技術 (トモ グラ‑21‑フィ)は 極めて有効であ り、X線 コンピュータ トモグラフイ (X tt CT)や超音波エコこが各分野で実用化 されてい る。一方で、これ らの従来法では高い侵襲性や接触測定が測定対象に対する制限となっていた。 ここで、THzパ ル スの特徴を利用すると、超音波エ コこ と同様な原理に基づいて、極低侵襲 ,非接触 リモー ト測定が可能な断層画像撮影が実現できる。 ここでは、THz領 域の代表的明層画像撮影技術 として、反射 TH2パルスを用いた′像測定型 THzトモグラフィ[13]及び実時間 2次 元 THzトモグラフィ[4,5]を紹介す る。
2.測 定原理
超短パ ルス レー ザ■ に ようて発 生 させ たパルス状 THz波At

入射THzl l:THzパルス
パ ルス ￨￨: ェ コーがTH2領域で可能である(THzトモグラフィ)[6,7]g例 え'ば、
図 1(a)に示すような層状の内部構造を有する沢J定対象
1こ対 して T彫 パ ル ス を垂直入︑︵﹁ ０︶ 掛 翻 竪一(THzパ ルス)の 超短 パ ルス
特性 を利用す る と、超音波 エゴー と同様 なパ ル ス手 コー法

―

￨￨● e
時間 ( p s )(a)(b)レ
図l THz卜千グラフィの測定原理。ね)サンプルと6)THzパソ
スエコー波形。

射 す る場合 を考 える。各層 の境界は二般 に屈折率不連続 面であるで、THzパ ルスの一部 はそ の まま透過 し、残 りは THzパ ルス土 量早 として反射 され る。 図 10の 測定対象 の場合、境界 (1)及び (2)から THzパ ル スエ コー が反射 され るも この THzパ ル ネエ コァ の時間波形 を測定す る と図 1(b)の よ うにな り、異 なる境界 か らのエ コ‐ は時 間的 に分離 されて観 測 される。 ここで 、測定対象 の群屈折率 を 物、境界深 さ位置 を 次 真 空 中の光速 を ιとす る と、
2う のパ ル 不土 壼■ の 時間遅延 ん は以下 め式 で与 え られ る。
一△t=K2ngd3/C(1)
したがつてt測 定対象の群屈折率 ちが既知であるならば、1時間遅延 ∠′から境界深 さ位置 グを知ることができる。 この場合の深さ分解能は、パルス幅 を ∠rと すると、以下の式で与えられる。
d.i"{cAT/(2nJ(2)一方:面 内空間分解能 は利用する THzパ ルスの波長 .(回折限界)に よって制限される。
3.点 測定型 THzトモグラフィー
点走査型 Ⅲzト モグラフイ装置を図 2に 示す。 ここでは、モー ド同期チタン ・サ フテイ
ア レーザニ発振器を光源 として用い、TH2発 生及び THz検 出には光伝導アンテナ (PCAl、PCA2)を 用いている:ポ ンプ光を THz発 生用 PcAlに入射することにより、THzパルスが超L)を 経て自由空間に放射 される。 自由空 間を伝搬す る THzパル
半球 シ リコンレンズ (Si■スのコ リメ■ 卜及び集光には、 3つ の軸外 し放物面鏡 (OAPl、OAP2、OAP3)を 用い る。THzー・パルスは OAPlで コ リメT卜 された後、シ リ平ン ビ ムスプ リッタ∵ (Si―BS)で 反射 され、OAP2で サ ンプル に集光 される。サンプルか ら反射 され た THZパルスエコーは、同 じ光BSを 透過 し(OAP3で THz検 出用 PCA2に 入射 される。一方、プ ロ‐ブ光はt路を経て Si―‑22‑●lm

機 械 式 時 間遅延 走査 ス テ ー ジ を経 た 後 、PCA2に集光 され る。時間遅延 走査 ステー ジを用 い ることによって THzパ ルス とプ ロー
ブ光 が PCA2で 時間的に重 なるタイ ミングを調 節 できるので 、時間遅延走査 ステー ジを連続的に変イヒさせながら PCA2の 電流値をロックイン増幅器 で高感度検出すること
Izパルスエコーの電場時間波形により、Tl―を取得する。 またイメー ジング測定では、サ ンプル を2次 元的に走査する。
THzト モグラフィの応用計測例 として、
フロッピーディスク[7]、錠斉Jコーテ ィング

図 2 点 走査型 THzトモグラフィ装置[8]、皮膚火傷 [6]、皮膚 ガ ン [9]、歯牙 [10]などが これ まで に報告 されてい るが、 ここでは塗装膜計測へ の応用例 [1‑3]を紹介す る。一般 の工業製 品では素地材料 の防腐 ・防錆 。防水 ・色彩 効果 の 目的か ら表面塗装 が施 され ていることか ら、塗装膜評価 は塗装製 品 の重要 な 品
質管理項 目の 1ら である。従来 は接触 式膜厚計が使 われてきたが、 これ に替 わる非 接触 リ
モ ー トな高機 能膜厚計 として THzト モ グラフ ィの利用 が提案 され てい る。 図 3(a)は、Tl―Iz
トモ グラフ ィに よって得 られた 2層 塗装膜 の膜厚 分布 を示 してお り、従来法では困難 であつた各層 の膜厚分布 が詳細 に可視化 されてい る。図 3(b)は、塗装製 品における重大な品質
欠 陥で ある塗装膜 景1離を計測 した結果 である。非剥離部 では塗膜表面 (空気―塗膜境界)及び塗膜 一素地境界 か らの 2つ のエ コー が観測 され るが 、剥離部 では塗膜表 面 ・塗膜裏面 (塗膜一空気境界)・素地表面 (空白アルキ ド塗膜
リ離部
テ気 ―素 地境界)の 3カ 所 で エ コー が発生す るので 、工 量‐ の数 よ り剥離を判 断す る ことがで きる。イメー ジング結果 よ０︲２・Ｆ卜判∞

００００︒
６畑 ２∞

白アルキ ド塗膜 :麟節繭嶺 →ヨ︶ＥＪЩ嬰螂対︵００ライ膜)と 未乾燥状態 (ウェIz分 光特性 の違ッ ト膜)の Tl―

1000800∞、塗料 の 乾燥状態 (ドＥじ饉饉螺対︵獄￨(③さらに100C００り、予1離部の詳細 な分布 が可視化 され てい るのが分 か る。

ct>JJv

い を利J用す る と、塗装膜 の乾燥状態 モ ニ タ リン グ も可能 で3]。
ある[1‐'(a)(b)°
図 3 塗 装膜 の膜厚分布 の測定結果 。 (a)2層塗装膜 、 .(b)剥離塗装膜

4,実 時間 2次 元 丁Hzト モ グラフイー
THzト モ グラフ ィの産業応用化 に向けて解 決す べ き課題 の 1つ が長 い 測定時間 であ る。
図 2に 示す よ うな フェム ト秒 レー ザ ー発振器 を光源 に用 い た THzト モ グラフ ィ装置 は,点計
測 に基 づいて い るため(2次 元断層イメニ ジ を取得す るためには 2次 元的な機械走査 (時間遅延及びサ ンプル移動)が 必要 となる。 この よ うな複数 の機械的走査機構 を利用す ると‑23‑画像 取得 に膨 大 な時間 (数分 ―数時間)が かか るため(2次元時空間THzイメー ジ
電気光学結 晶(ZnTe)

測 定対象 が静止 物体 のみ に偏光子

Iilz

1・l r点式時間遅延走査機構 の高速 ｀…・
化 に よって測定時間の短縮化 が試 み られてきたが、機

能な+r>J )t,

革よ

制 限 され 、THzト モ グラ フ
ィの応用性 を著 しく制 限 して きた。 これまでは、機械元断 層 イ メ ー ジ

図 4実 時間 2次 元 THzト モグラフィ装置

械 的機構 に依存す る限 りは
高速化 に限界 が ある6こ の よ うな機械 的な走査を無 くし、 リアル タイ ムで 2次 元断層像 が取得 できれ ば移動物 体 に も適用 で き、Tllタトモ グラフ ィの応用性 は飛躍的に高まるはずであ る。こ こで、THz波 の光 としての並列性 に注 目し、電気光学的時間―空間変換 (非共軸 2次元 自由空間電気光学サ ンプ リング)[11]と 線集光 THz結 像光学系 を利用すれ ば、機械 的、●l③

走査機構 を必要 とす るこ とな く、2次 元断層分布 の取得 が可能 にな る[4,5]。 このよ うな
原理 に基づ い た実時間 2次 元 THzト モ グラ フ ィの実験装置 を図 4に 示す。増幅 フェム ト秒
レー ザー 光 と非線形光学結晶 (テルル化 亜鉛結晶)を 用 い て発 生 させ た TH2パ ルス は、 シ
リコ ン ・ビー ムス プ リッタ∵ (Si■S)で 反射 され た後t THz円筒 レンズ を用 いてサ ンプルに線 集光 され る。 ここで線集光 の方 向はサ ンプル の X軸 方 向 とす る。サ ンプルが 2層 の 内Izパル スエ コー が反射 され る。
部構造 を有 してい る とす ると、時間遅延 Z′を有す る 2つ の Tl‐

THz結像 レンズによって電気光学結晶(ZnTe)
サ ンプルで反射 されたライ ン状 THzビームは、に結像 される。プローブ ビームを THzビーム と非共軸で ZnTeに入射 し、面として空間的にオーバァ ラップさせる。その結果(時 間一空間変換 と電気光学サンプ リングが起こり (電気光学的時間二空間変換)、THzパルスエ 事ァの時間遅延 府 は、以下の式に従い、プローブ ビーム断面の水平方向に沿 つた空間複屈折量分布 ル に変換 されることになる。
△H A h e t a l l o ) ん ( 3 )ここで、εは真空中の光速、θは両ビームの交差角である。一方、プローブビニム断面の垂直方向には、サンプル上のTHz線集光ライン(X軸方向)に沿るた空間分布が展開される:
偏光子 ・検光子 ペ アによって 2次 元空間複屈折量分布 か ら 2次 元 空間強度分布 に変換 した
後 、結像 レンズ を介 して CCDカ メラでイ メー ジング計測す る。その結果、水平座標方 向 にTHzパ ルスエ コ■の時間情報、垂直座標方 向 にサ ンプル上の THz線 集光 ライ ン (X軸方向)に沿 った空 間情報が展開 された 2次 元時空間 THzイ メー ジが CCDカ メラか ら読 み出され る。
この 2次 元 時空間 THzイ メー ジが、サ ンプルの X―
Z断 面すなわち 2次 元断層イメニ ジに対応 している:本 手法 では、機械的走査機構 を必要 とす る ことな く、2次 元 断層イメー ジを
実 時間測定で きる。

本手法を用いることによ り、動体サ ンプルのTllz断層ムー ビー (毎秒 10フレーム)を 実際に取得 したb測 定に用 いたサンプルは、アルミ板上の半分の領域 に塗装膜 (膜厚 175μm)を施したもので、線集光 された THzビームと平行方向に秒速 5皿 で連続移動させた (図5上段)。各照射位置 におけるTHz断層ムービーのスナップショットを図 5下段に示す。線集光 THzビームの照射位置の移動に伴い、非塗装部、非塗装音̀一塗装部境界、塗装部と2次‑24‑● ̀￨

元 断層 イ メー ジが 変化 して いる様子 が確認 できる。

一鑢￨

一一一一一一一・

非塗 装部 では平 らなアル ミ
板表面 か らの THzェ コー信
号 が、垂 直方向 の 1本 の ラ目 ︶ 膠翠︵[図 5(a)]。塗装部 では、塗 装 膜 表 面及 び塗 装膜 一ア屋 ︶ 割翠︵イ ン信号 として確認できる

ル ミ板境界 か らの 2つ のエ
コー 信号 が時間的 に分離 されて い る [図 5(c)]。このDiO・(C)

図 5 移 動塗装膜の実時間断層イメー ジ つ。 (a)非塗装部、 (b)非塗装静 塗装部境界、 (c)塗装部。

時間間隔は塗装膜 の光学的ー
厚 さに対応 して い るので、塗料 の群屈折率 (=2.14)を 用 いて膜厚 にスケ リング しなおすと、上 部水平軸 のよ うになる。接触式膜厚計 の値 (=175um)と よ く二 致 して いるのが確認ーで きる。 非塗装部分 と塗 装部分 の境界 で は、 1つ の THzエ コー 信号 と 2つ の THzエ コ 信ー号 が 混在 して いる様子が確認 できる [図 5(b)]。また、境界部分 のエ ッジが ク リア でな
いの は面 内空間分解能 が不十分 なためで ある。
一 方 、本手法 の非接触 リモー ト特性 と実時間測定 を利用す る と、従来 は測定困難 とされた未乾燥状態 の塗装膜 (ウェ ッ ト膜)の 測定 も可能 となる。そ こで、 ウェッ ト膜 の乾燥 に伴 う膜厚変化 を本手法 によって 実時間測定 した。サ ンプルは速乾性黒 アク リル塗装 をアルミ板 に施 した もので、塗装前後 の 2次 元 断層イ メー ジを測定 した。 図 6は 、1分 毎 の 2次ー元断層 THzイ メー ジを示 して いる。塗 装前 は剥き出 しのアル ミ板上か らの THzエ コ 信号のみが観測 されているが、塗装後 は塗 膜表面及び塗膜一アル ミ板境界 か らの 2つ の THZエ コー信号 が 時間的 に分離 されて いる。乾燥 の進行 に伴 い、2つ の THzエ コー信号 の時間的位置 が変化 して いる
様子 が確認できる。

D‐0

こ こで 、 左 側 のTHzエ コー信号 の時間的変化 は塗装膜 の幾何学的 な膜厚変化 (塗装膜表面位置 の変化)に

E
E

対応 して いるのに題摯対 し、2つ の THzエ コー 信号 の時間間隔 が 光学的膜厚化 か ら、乾 燥 に伴う収縮 によ り塗装ＥＥ︶蓼 蝉︵これ らの時間的変ＥＥ︶膠 翠︵に対応 している。

職ξ
6:鴬 間ヽp⇒
図6

時 間 (ps)

ニ
ウェット塗装膜の実時間断層イメ ジー25‑￨￨ ‐膜の幾何学的膜厚が減少し、それに伴 い光学的膜厚 も減少す ることが分かる。また、塗装膜 の収縮が面内で均一に進行 している様子も確認できる。 これ らの時間的変化から乾燥状態 のモニタリングが可能である。
5.ま とめTH多パルスを用いた点走査型 THzトモグラフィー、実時間 2次 元 THzトモグラフィー、及び塗装膜厚検査への応用を紹介 した。非接触 リモー ト特性と非侵襲性 を有する本手法は、従来法の制限を解消した新 しい内部診断法として、移動物体の非破壊検査や生体診断を始めとした各応用分野で有用であると考えられる。
本研究は、新エネルギー ・産業技術総合開発機構 (NEI10)産業技術研究助成事業 より援助を受けた

i● ∈)

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