2024/3/4

令和５年度第２回あきた産学官交流プラザ

2024年3月4日
オンライン

液晶デバイスを用いたテラヘルツ帯での位相計測技術の開発とその応用
秋田県立大学
システム科学技術学部

伊東良太
1

発表内容
• 自己紹介• 研究内容の紹介• 液晶デバイスを用いたTHz帯での位相計測• 開発した技術の応用展開• まとめ2

1

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研究内容 ～THz波の実用化に向けた研究～
4G通信
周波数

100MHz

1GHz

5G通信
10GHz

Beyond 5G/6G
100GHz

1THz

10THz

100THz

1PHz

10PHz 100PHz

THz波の特徴
物質透過特性物質識別特性
非侵襲性

電波
波長

3m

30cm

光
3cm

3mm

新たなイメージング応用

300mm

30mm

3mm

300nm

30nm

3nm

次世代無線通信への応用
Beyond 5G/6G「100Gbps」「0.1ミリ秒程度の遅延」「1000万台/km2の接続器数」5Gと比較して10倍の性能向上が見込まれる

Optics Express 11, 2549-2554, 2003
封筒内の覚醒剤や鎮痛剤のTHz波イメージング像

薬の非破壊での成分分析
CFRPなどの非破壊での検査

完全自動運転、遠隔手術、空飛ぶ車などが3十分可能になる性能

秋田県立大学のTHz光源
パルス光源

連続波発振光源

光励起型サブミリ波レーザー（0.6, 1.4, 2.5THz）

THz時間領域分光測定（0.1～4THz)•••

強度と位相がのデータが得られる
市販の光源が大幅に増え、多くの研究で使われている測定とデータ処理に時間がかかる•••

リアルタイムでS/Nの高い計測が可能である。
半導体ベースの光源の開発が進み、今後大幅な小型化も期待される
現在は強度のみの測定がメイン

複数のTHz光源を同時に利用可能な研究機関は世界的にも少ないため、他の研究グループとは一線を画したアプローチが可能である

42

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THz帯で動作する液晶デバイスの開発
液晶デバイスの特徴• 低電圧で屈折率を変えられる• 低消費電力である• 薄型・軽量で耐久性が高い
シャープのVR用ヘッドマウントディスプレイ

液晶デバイスの例

THz帯での液晶デバイスの課題
液晶材料の例：5CB液晶

液晶デバイスの例

C5H11CN

テラヘルツ帯での液晶に関する報告例
LC

αo(cm-1)αe(cm-1)DαNose et al.

5CB

40.4

16.9

23.5

Koch et al.

1825

13.7

19.0

5.3

Group

neDn

2.115

2.28

0.165

1.540

1.911

0.371

no

課題1

短軸と長軸で吸収係数が異なる⇒電圧ON/OFFでの強度に差が出る、透過波が歪むなど

課題2

屈折率の変調量Δnが小さい⇒電圧ON/OFFでの変調量が減る

課題3

電圧ON/OFFでの応答速度が遅い⇒可視光用ミリ秒に対し、THz用では分のオーダー

課題4

吸収の値が大きい⇒デバイスの効率が悪い

3

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近年の研究内容と成果
A 液晶材料の開発

2020～2023 科研費

課題1、2を解決R. Ito, et al., Appl. Sci. 8(12), 2478, pp.1-8, (2018).
A1. 短軸と長軸で吸収係数が同じ液晶の発見
A2. 短軸と長軸で吸収係数が同じかつ、Δnの大きい液晶の発見
R. Ito, et al., IEICE TRANS. ELECTRON., E105-C, (2), 68-71 (2022).

B 液晶デバイスの開発
B1. 波形の歪まない液晶位相制御デバイスの開発 R. Ito, et al., Appl. Sci. 8(12), 2478, pp.1-8, (2018).
B2. 波形の歪まない液晶偏光回転デバイスの開発 R. Ito, et al., Appl. Opt. 62(15) 4052-4059 (2023).

C 液晶デバイスの利用に関する研究
C1. 液晶デバイスを用いたTHz帯での位相計測技術の開発
2016～2019 日本板硝子材料
工学助成会

2019 スズキ財団
研究助成

特願2020-102848
秋田わか杉奨励賞2020
新技術説明会 2021
R. Ito, et al., JJAP, 60, 072007 (2021).

C2. 液晶デバイスを用いたTHz帯での位相計測技術の高速化
2020～2022
JST A-STEP

2023 スズキ財団
成果普及助成課題3を解決特願2023-013839
イノベーションジャパン 2023 7

Photonics West 2024 招待講演

発表内容
• 自己紹介• 研究内容の紹介• 液晶デバイスを用いたTHz帯での位相計測• 開発した技術の応用展開
• まとめ

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開発したシステムの概要 知財①
偏光子

連続波発振光源

測定サンプルCW-THzSource

偏光子検出器
液晶位相制御デバイス
水素結合性の液晶デバイスを使ってTHz帯で位相を計測する技術を発明した[論 文] R. Ito, et al.,
JJAP, 60, 072007 (2021).

[特 許]特願2020-102848号、「位相検査装置」
伊東良太ほか、令和2年6月15日

本手法で計測される位相(差)dnair=1yEx

新規性

nx < nynx

Ey• 水素結合性の液晶の利用した• THz帯で位相計測を可能にした特徴と進展性

位相差d [rad]

x
入射波 E

nair=1nyd [m]測定試料のx方向の屈折率とy方向の屈折率の差に起因した位相差が計測される→複屈折の計測が可能• シンプルな光路である• ノイズに強く、高精度な測定が可能• どの種類のCW-光源でも計測可能• 強力なCW光源による計測のため、工業的な利用に展開する可能性
9

液晶デバイスを用いた位相計測
連続波発振光源

光源
 液晶位相制御デバイスに電圧を印加することで、液晶による位相差を =/2, , 3/2 ,2と変えて強度を測定する。
 
I1  I   I 1  cosd  1   I   I 1  cos d    I   I 1  sin d 2 I 2  I   I 1  cosd  2   I   I 1  cosd     I   I 1  cosd 3 I 3  I   I 1  cosd  3   I   I 1  cos d   I   I 1  sin d 2 I 4  I   I 1  cosd  4   I   I 1  cosd  2   I   I 1  cosd I1  I 3 sin d tan dI 2  I 4 cosd

 I I d  tan 1  1 3 
 I2  I4  簡単な計算によりサンプルでの位相差dが求まる I’, I” のノイズを含む成分がキャンセルされるため、ノイズに強い計測が可能

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可視光での測定例
T. Nose et al., Proc. of SPIE, 7414, 741408 (2009).

液晶で位相を変えた４つの画像から位相像を得る

Phase distribution image

I1I2200 μm

 I  I3  I2  I4 d  tan 1  1I4I3

可視光域では、液晶を使い位相イメージングを実現している
しかし・・・
THz帯では液晶分子の長軸と短軸の吸収係数に差があり、この手法を簡単には使えない→我々は材料から見直しを行い、位相計測の実現を目指した

11

水素結合性液晶のTHz帯での測定値
R. Ito, et al., Appl. Sci. 8(12), 2478, pp.1-8, (2018)
R. Ito, et al., IEICE Trans. Electron., E105, 68, (2022)

水素結合性液晶：2分子が結合した特殊な液晶

CnH2n+1

COOH

HOOC

H2n+1Cn

２つの分子が水素結合で結合されているOHOOHOCnH2n+1

CnH2n+1水素結合
2.5THzでの水素結合性液晶の物性値
ae(cm-1)ao(cm-1)

2.5 THzDnE4419460.20

589 nm
Dn0.24※27270.170.11

LC1

新技術

※LC1 Hydrogen-bonded LC

水素結合性の液晶がTHz帯で吸収特性が等方的であることを発見した（ao=ae) 1262024/3/4

THz帯での位相計測の結果
R. Ito, et al., JJAP, 60, 072007 (2021).
ZeSe Output Mirror

Grating

CO2 GasMirrorPZT
ZeSe Plano
Convex Lens

CO2 Laser
CW-THz Wave
2.5 THz

Gas

ZeSe Brewster
Window

Submillimeter Gas Laser

I1

I2

I3

I4(99 V)
0.002

(90 V)
0.027(78 V)
0.036

0.021

0.028

0.012

Sample 11141(112 V)
0.018

Sample 2500

0.001

Wire-grid
Polarizer 2

Pyroelectric
Detector(Ii)

LC Phase shifterWire-grid
Polarizer 1d (mm)Sample
Xカット水晶d (rad)Dnsample

2.89

0.05

1.26

0.05

Xカット水晶の複屈折を精度よく求められている

水素結合性の液晶デバイスを使ってTHz帯で位相を計測する技術高速化についての取組 知財②

特願2023-013839
Photonics West 2024 招待講演

THz帯で用いている液晶デバイスの戻り時間を測定

電圧を切った際の戻り時間が、25分以上と非常に遅い・・・
可視光に比べ、液晶層が厚いことに起因している磁場による駆動を取り入れ、高速化に取組んだ※2020～2022 JST A-STEP

147

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厚い液晶デバイスを高速で駆動する技術
実験系
連続波発振光源

実験結果

計算結果

2の位相差を10秒以内に制御する技術の開発に成功
15

高速駆動技術を用いた位相計測
実験系
連続波発振光源

実験結果

計算結果

10秒以内でTHz帯での位相計測に成功
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開発した技術について
特願2023-013839

特願2020-102848

水素結合性の液晶デバイスを使ってTHz帯で位相を計測する技術
秋田わか杉奨励賞2020
R. Ito, et al., JJAP, 60, 072007 (2021).
新技術説明会 2021

厚い液晶デバイスを高速で駆動する技術
イノベーションジャパン 2023
Photonics West 2024 招待講演

秋田わか杉奨励賞授賞式（左：佐竹秋田県知事）

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発表内容
• 自己紹介• 研究内容の紹介• 液晶デバイスを用いたTHz帯での位相計測• 開発した技術の応用展開• まとめ1892024/3/4

THz波のイメージング応用
・THz波は紙やプラスチックを透過する・様々な物質に対し、特殊な吸収特性を持ち、ものを見分けることができる。

封筒内部の危険薬物を非破壊で検査する

封筒内の覚醒剤や鎮痛剤のTHz波イメージング像

Optics Express 11, 2549-2554, 2003

がん細胞を可視化する

馬の食道がんのTHzイメージング像
http://www.pi1.uni-stuttgart.de/research/Methoden/THzMikroSpektrometer_e.php

隠したナイフを可視化する

新聞内にナイフを隠し持った人のTHz波イメージング像
Science, vol.297, p763 (2002)

工業製品を非破壊で検査する

SuicaのTHｚイメージング像
https://sangakukan.jst.go.jp/journal/journal_contents/2015/11/article
s/1511-02-3/1511-02-3_article.html

THz波にしか見えないものをターゲットにすることが重要

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連続波発振(CW)THz光源を用いたイメージング技術（現状）INO （カナダ）

Lytid（フランス）

TeraSense（アメリカ）

半導体ベースのTHz光源を使い、装置の小型化、計測の高速化が進んでいる

しかし、現状では強度のみのイメージング→我々が開発した手法を使うことで位相計測が可能になる

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強度のイメージングから位相のイメージングへ
一般的な干渉による測定
SampleCW-THzSource液晶デバイスを使った測定
PZT
Mechanical Stage

Polarizer

CW-THzSourceMoving Mirror

SampleLiquid Crystal
Phase Shifter

Polarizer Camera

Camera 光路がシンプルで振動に強い 複雑な光路が必要で振動に弱い

光路に液晶デバイスを入れるだけで良い

従来の強度のみのイメージング⇒位相＋強度のイメージングにできる技術

今後の応用展開の可能性
A 工業製品の非破壊検査

B

医療応用

• 塗装膜の品質管理• 塗装の下のさびの検出• ゴム製品の品質管理• CFRPの品質管理• 錠剤のコーティング検査• 錠剤内部の化学組成分
布検査• 皮膚がんの検査• 採血フリーの血液検査

現在一般に使用されているX-rayで検査出来ない領域をカバーする非破壊検査装置を創出する

人体に安全なTHz波を利用することで、他の医療機器とは異なるアプローチの検査装置を創出する

航空機・自動車産業における独自技術

医療福祉・ヘルスケア産業における先進技術

本日の内容以外にも、幅広い分野に関して、技術相談や共同研究は積極的に受け入れております。

お問い合わせ先
秋田県立大学 本荘キャンパス
地域連携・研究推進センター
ＴＥＬ
０１８４－２７－２９４７
ＦＡＸ
０１８４－２７－２１９４
e-mailh_stic＠akita-pu.ac.jp 2211

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謝辞
本研究は、以下の研究助成のもと行われました。
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
国立研究開発法人科学技術振興機構 A-STEPトライアウト
公益財団法人スズキ財団 平成30年度科学技術助成
公益財団法人スズキ財団 令和5年度成果普及技術助成
公益財団法人日本板硝子材料工学助成会 研究助成
公益財団法人日本板硝子材料工学助成会 研究成果普及助成
秋田県立大学 アドバンスト自主研究制度

ご清聴ありがとうございました12