第 4講 】
ζ. テ ベルツ
ラ
断層イメージング及びテラベルツ分光イメージングの実時間化

安井武 史、荒木勉
大阪大学大 学院基礎 工 学研 究科
1

はじめ に
テラヘ ル ツ領域 (周波数 =0.1〜 10 THz;波 長 二30〜 3000 μm)は 、ちょうど光波 と電 波 の境 界 に位
置 し、これ まで良質なレ■ ザ,光 源 や 高感 度 検 出器 が無かつたため、ほとんど研 究 が行われていない
未 開 拓 電 磁 波領 域 であらた。しか し、最 近 の 安 定
な超 短 パ ル スレ■ ザ ー の 出現 と超 高速 デ バ イス技術 の発 達 により、パ ルス状 の THz波 (以下 THzパル 不と略 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 になつている。THzパ ルスは 、光波 と電 波 の境 界 に位 置するとい うことから、その両者 の 性 質 を有する手ニー クな電磁 波 である。具体的には、(1)自由空 間伝搬、(2)非金属物質 に対する良好 な物 質透過性 及 び低散 乱性 、(3)極低 エ ネル
ヒニ レントビー ム、 (5)超短ギー ・
極 低 侵襲性 、(4)コパ ルス特性 、(6)広 帯域スペ クトル 、(7)イメニ ジング
沢1定や 分 光測定 が可能、といった特徴を有する。￨
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 は極 めて有効 であり、これまで にXttCTや 超音波 エコー が実用化 されてい るが、これ らの 手法では高 い侵 襲性 や接触 浜1定が沢1定対象 に対する制 限となっていた。一 方、上 述した THzパ ル スの特性を利用すれ ば、超音波 エコー と同様 なパルスエコー法に基 づいた THz断 層イ
メー ジング (THzト モ グラフィー )が非接触 ・非侵襲・で実 現 できる。我 々はこのような方法 を、1塗装膜 ののや ヒト皮 膚 断層 の非接触リモー ト沢1定に応用 してきた。しかしながら、現状 では THzパ ルスの 時間波
形 を直接 的 に実 時間沢1定可能 な検 出器 が存 在 しないた め、機械 式 時間遅延 を利 用した相 互 相 関沢1プ ロー ブ 法)に基 づ いて間接 的 に時 間定 (ポンプ ・波形 を取得 しなけれ ばならない。そ の結果 (ピ コ秒
オ ー ダー の THzパ ルスエコー 時間波形を 1つ 取得
す るの に数 分前後 の測定時間 が必 要 となるわけである。2次 元断層イメージを取得するためには、さらにビー ム照射位置を 1次 元的に走査 しなけれ ばならないるこのように、従来 の THzト モ グラフィー は基本 的 に点計浜1に基づ いているため、2次 元断層イメー ジを取得するためには 2次 元 的な機械 的走査機構 (時間遅 延及びサ ンプル 移 動 )が必要 となる。その 結 果 、画像 取得 に膨 大な時 間 (数分 〜 数 時 間)がかかり、本 手法 の応用性を著しく制 限してきた。
一 方 、最近 、THz領 域 にお いてビタミン・糖。
医薬・ガン組 織 を品・
禁 上 薬物 プラスチ ック爆 弾 ・
農薬 ・
始 め とした様 々 な物 質 が 固 有 の 吸 収 スペ クトル‑15‑(THz指 紋 スペ クトル )を示す ことが明らかになり、内部透視イメー ジを THz周 波数毎 の色付きカラー 画像 (THz分 光画像)として演1定するテラヘ ル ツ時 間
領域分光 (THz TDS)イメニ ジングが注 目されているgこの手法を用いると、『どこに』『何 が』あるかを識別 可能になり、成分分析型 の内部透視手段 として期待されている。しかしながら、THzト モグラフィー
同様、基本 的に点計測に基づいた THz TDSイ メ￨― ジング法 では、THz TDSイ メー ジを取得 するためには、時間遅延走査及びサンプル 走査 のため複数 の機械 的 走査機構が 必要となり、長 い沢1定時 間を必 要 としていた。その結果 (沢1定対 象 が 静 止 物
体 の み に制 限され、実用化を実現する上 で大 きな障害となっていた。
もし、これ らの THzト モグラフィーや THz―TDSイ メー ジングにおいて機械 的走査機構 (時間遅延 走査 、サ ンプル 走査 )を省 略 できれ ば、測 定 時 間 の 大 幅な短縮 が可 能 になり、動 体サ ンプル ヘ の適 用も可能 になると考えられる。その結果 、両イメー ジング手法 の応用性 は飛躍 的 に高まるはず である。我 々 は 、このような機 械 的走査機構を省略するため、電気 光学 的時間―空 間変換 による実時 間 THz時 間波形計
沢1⊃と線集 光 THz結 像光学系 による実時 間 THzライン・イメー ジングを複合した実 時間 2次 元 時空 間J THzイ ーメ ジングを提案した の。さらに、本 手法 に基づいた実時 間 2次 元 THzト モグラフィー6,0ゃ実時間 TH″ TDSス キャナ TOを 開発 し、動体サ ンプルの計測 に応 用 している。本講演 で は、これ らの成果に関 して紹介する。
2 電 気光学 的 時間二 空間変換 (非共軸 2次 元 自由空 間電気光学サ ンプ リング法)D2次 元 自 由 空 間 電 気 光 学 サ ンプ リン グ法
FSEOS)と は、THzビ ァムとプ ロー ブビー ム (レ(2D―ー ザ ー ビー ム)を電気 光 学結 晶 に対 して共 軸 に入射 することにより、電気光学ポッケルス効果を介 して、THzビ ームの空間電場分布をレーザー ビー ムの空間強度分布 に変換する手法である。一 方 、非 共軸2D―FSEOSで は、THzビ ームとプ ローブビー ムを非共軸入射配 置 とすることにより、THzパ ルスの電場時間波形をプ ロニブ ビ■ ムの空間強度分布 に変換することが可 能 になる。非共軸 2D―FSEOSの 原理
図を図 1に示 す。ここで 、時間差△τの正 と負 の電場
ピー クから構成 される THzパ ルスを考える。電気 光学的時間―空 間変換 では、THz検 出用電気光学結晶に THzビ ームとプ ローブビームを非共軸入射 し(交叉角度 0)、結晶内で面として重ねる。THzパ ルスの 正 と負 のピークの2つ の波面 は 、プ ロー ブパ ルスの波 面 と異 なる位 置 で重なり、同じ重なり状 態を保 つたまま結晶 中を伝播する。このような時間―空間変換過 程を通 して、THzパ ルス電場の時FHE軸情報ーーロビムのブはプ断 面 空 間複 屈 折量分 布 に光展 開される。クロスニコル 配置 の偏光子 ペ ア (P,A)h)に変換さによつてプ ローブ光 の空 間強度分布 (△τれた THzパ ルス電場 の 時間軸情報 (△)は、結像 レーンズ を介 して 1次 元 フオ トダイオ ド・ア レイPDA)に よつて検 出される。ここで 時間―空間変(lD―換式 は 、以 下のようになる。
△τ=△h・tane/cズ 2に よつて電気光学結 晶 (lmm tt ZnTe結 晶)上に結像 される。一 方 、プ ロー ブビー ムは電気光学結晶 に非 共 軸入 射 される。直交配置 された偏 光子 ペア (偏光子 ,検 光子)に よつてプロー ブビー ム断面
強度分布 情報 に変換された 2次 元 断層分布情報
は、レンズ 3に よつて冷却 CCDカ メラ(640×480ピ
クセル 、12ビ ット分解能 、毎秒 10フ レー ム)に結像される。最 終 的 に、THzエ コー 時 間情報 が水 平軸に、ラインビー ムに沿つた 1次 元空 間情報 が垂 直軸に展 開され た、2次 元時空間 THzイ メー ジが取得される。

(1)

ここで 、cは 光速 である。また測定時間窓は、dを プ
ロー ブブ ー ム直径 とすると、△T=d・ tanO/c(2)で表 される。このような電気 光学 的時間―空 間変換を用 いると、サンプル を透過 した THzパ ルスの電場
時間波形を lD―PDA上 の位 置信 号として、機 械的走査機構 無 しでリアルタイム取得できる。

図 2 実 時 間 2次 元 THzト モ グ ラフ ィー 装置

3.2汲 1定結果

図 1 電 気光学的時間中
空ran変換3 実 時間 2次 元 THzト モ グラフィー
3.1実 験装置＾つこ 戯¨螢奎類仙郷霊慟︒理冽︻等※蒻 ● ｃ︶

初﹇円問Ｍ醐四園璽ロロ如‑16‑

＾´
こ 書コ

上述の非共軸 2F―FSEOSに よる電気 光学的時間―空 間変換 を用 いると、サ ンプル の ある点 にお ける断層 奥行情報 (THzエ コー 波形)がラインセンサ ー上の位 置信号 として取 得 できるなここで光学系 に改良を力日え、ラインビー ム状 に形成 された THzパ ルス
を沢1定対象 に照射 し、2次 元光検 出素子 で検 出す
れ ば、そ のラインビー ムに沿 うた 2次 元断層 分布情報 が短 時 間で得られる。このような考えに基 づいて開発 した実時間 2次 元 THzトモグラフィー の装置図を図 2に 示す。THzパ ルス発 生及 び検 出用 レー ザー 光源 には、フェムト秒 チタン ・サ フテイア再生増幅ーエパルギ
ルスルスlm」
器 (パネ
幅 100お、中心波、長 800nm、繰返周波数 lkHz)を用 いる。非線形光学結 晶 (4mm tt ZnTe結 晶)によつて発 生させた高強度 THzパ ルスはレンズ 1に よつてコリメー トされた
後 、円筒 レンズ によってサンプル に線 集光 される。
サンプルか ら反射された THzエ コー ビームは、レン

図 3(a)は、ミラー をサンプル とした場合 に取 得された 2次 元 時空 間 THzイ メー ジ (イメー ジ領域 :9pS×5mm、 測 定 時 間 100ms)を示してお り、水 平軸が深さ分布 、垂 直軸 がラインビームに沿 つた 1次 元空間分布 に対応 している。イメー ジの グレー スケール は
THz電 場 の正 負 強度を示 している。THzエ コー信号は 4.lpsの 位 置 に現れ ており、ミラー 表 面 が 平らで内部構 造を有 しないため 1本 の垂 直ライン状となつている。図 3(b)は図 3(a)の水 平 線 (1)に沿 つた
THz電 場 の強度分布を示 しており、パ ルス幅 0.5psの THzエ コー 時間波形が実時 間測 定できていることが確認 できる。このパ ルス幅 が THzト モ グラフィーの深さ分解 能 [図 3(a)の水 平方 向]を決 定する。一方 、面 内空 間分解能 [図 3(a)の垂 直方 向]は THzパルスの 波長 (回折限界)に依存する。

CS 時

薇(")｀

9

図3(a)2換え時空間Ⅲzイメー ジ と(b)時間波形(b)

THz膜 厚計 10は 自動車ボディ等 に施 された塗装膜 の膜厚 や 乾燥 状態 の非接触リモ ー ト計測 に有用であるが 、塗装 工 程 におけるインプ ロセス 。
モニタリ
ングヘ の 拡 張を考 慮 した場合 、計 沢1の実 時間性 が強く望まれる。このようなインプロセス THz塗 膜計 に対して、実 時間 2次 元 THzトモグラフィー が有効であると考 えられる。そこで、ここで は塗 装膜厚計浜1ヘの応 用例 を紹 介 する。まず ベ ル ト・
コンベ ヤ ー 上の塗装製品を想定し、動体サンプルヘ の適用性を評価 した。サンプルはアルミ板 上の半分 の領域 に 自アルキド塗装 (膜厚 175,二)を施したものを用いた:ームの集光ライン方
ルのン
THzビ
塗装膜サ、プ をこつて向に沿連続的に移動させたなが ら(移動速度5mm/s)、2次 元断層イメ■ジを連続取得した。図 4は 3つ の THzビ ーム照射位置 における浪1定結果を示している。非塗装部分では、アルミ板表面からの ￨THzエ コー信号が 2.8pSの位置で観測されている[図 4(a)]。
次に塗装部分 では、塗膜表面及び塗膜―アルミ板境界からの THzエ コー信号が時間的にれているのが確認 できる
分離 (2.3ps及び 4.5ps)さまた、白アルキド塗装の群屈折率 (2.14)′[図 4(c)]。と時間遅延 から算 出した膜厚スケァルは図上部の水平軸に示されている。測定領域 1〜4mmに おけm(平 均値 土標準偏差)
る膜厚ムラ分布は 162±21μであつた。非塗装部分と塗装部分の境界では、1つのTHz iコニ信号と2つ のITHzエコす信号が混在のように、動していることが確認 できる[図 4(b)]6こンプルの2次の体サ
元断層分布 実時間モニタリングが本手法によって可能であることが分かる。

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 されてぃ る。乾燥 の進行 に伴 い (2つ の THzエ コニ信
号 の 時 間的位 置 が変化 している様子 が確認 できる。
ここで 、左側 の THzエ コー信号は塗装膜表 面からの反 射 であり幾何学 的膜厚 変化 に対応 しているのに対 し、2つ の THz手 コ■信 号 の時間間隔 は光学的膜 厚 に対応 してぃ る。これ らの 時間的変化 か ら、乾 燥 に伴 い 、塗装膜 が 幾何 学 的及 び 光学 的 に収縮していることが分かる。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。

ＥＥ︶劇翠︵,°e ・t ̀S拷●1.2' 1:じ

図 5ウ 三ット塗装膜 の乾燥過程

4 実 時間 THz=TDSスキャナ=4.1実 験装置‐.

Ｆ一台ｃ︶調螢実 時 間 THz―Tpsス キャナこの実験装置 図を図 6
ルスはフ三ムト秒チタン・に示す。高強度 THzノ ドサ
パルスエネルギファイア再生増幅器 (波長 800nm、‐ lmJ/pulseく
繰り返し周波数 lkHz)からのレーザー 光を ZnTe結 晶 (ZITel:10mm角 ×4mm厚 )に入射することにより発生させる:TH2パ ルスとプロニブパルスを THz検 出用 ZnTe結 晶 (ZnTe2,25 m角×lmm厚 )に非共車由入射することにより、THZパ ルス電場 の時間波形がプロ■ブパルスの空間複屈折量分 布 に変換される(電気光学的時間―空間変換)。
クロスニコル 配置の偏光子ペア(図12で は省略)によつてプ ロー ブ光 の空 間強度分布 に変換 された
THzパ ル ス電場時間波形は、結像レンズを介して高速 CMOSカ メラ(浜松ホトニクス、インテリジェントビジョンシステム(232×232ピクセル 、12ビット分解(C).図 4 移動塗装膜 の 2 次 え断層 イメー ジングー方、本手法 の非接触リモ ート性と実時間性を利用すると、従来は澳J定困難 とされた木 乾燥状態 の塗装膜 (ウエット膜)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つて実時間沢1定した8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8図 5は 、1分 毎の 2次 元断層
THzイ メージを示しているc塗 装前は矛1き出しのア
ルミ板上からの THzエ コー信号のみが観収1されて‑17‑

能 、毎秒 1000フ レTム )の水平座標 に展 開される。
一 方 CMOSカ メラの垂、直座標 は1次 元イメ‐ ジン
グに利 用 可能であるので 、円筒 THzレ ンズを用 いて THzビ Tム をサンプル に線 集 光 し、それを THz
レンズペ アで ZnTe2に 結像することにより、サ ンプ
ル の1次 元 THzイ メニ ジをCMOSカ メラの垂 直座標ーに展 開する:さらに、レTザ 繰り返し周波数の1/2分周 (500Hz)に同期した光チョッパニをTH2発

生 用 ポ ンプ 光 に用 い ることにより、THzパ ル スがZnTe2に 入射 した場合 (信号イメァジ)と入射 していない場 合 (背景イメー ジ)のプ ロー ブイメ=ジ を各 パ
ルス毎 に連 続取得 し、そ の差分イメージを CMOSカロックイ
メラ内で算 出することにより、高速なパ ル ス。
ン・イメー ジング (フレー ムレー ト500ゎs)を実現 している の。最 終的に、2次 元 時空間 THzイ メー ジの時間軸 (水平座標 )を高速 フー リエ 変換す ることにより振幅と位 相 の THz分 光ラインイメー ジを得る。

γ ヽ

1i- _ _ru=Lzl._ _ /Ttzr)tETDSス キャナー装置
図 6 実 時間 THz―4.2実 験結 果サンプル が無 い状態 で取 得 された 2次
図 7(a)は
元時空 間 THzイ メー ジ (測定時間 10ms)から抜き出された THzパ ルス電場 の 時間波形 を示 しており、時間幅 0.62psのTHzパ ルスが良好な SN比 で沢1定されている。また 、図 76)は 図 7(a)の時間波形をフー リエ 変換 することによって得られた振 幅及び位 相スペ クトル を示 しており、2THz付 近までのフー リエ ・スペ クトル 帯域 がのびてい ることが確認 できる。

最 後 に、動体サ ンプルの測 定を行 つた。サ ンプルには、THz帯 フォトニック結 晶 の 1つ であるメタルホー ル アレイ(MHA)を 用 いた。MHAは 、空孔率を調節す ることにより、透過周波数 が選択 可能 なTHz帯
バ ンドパ スフィルター として利 用できる。今 回は、空間的 に異なる透過特性を有す る4分 割 MHA[透 過周 波 数 =0.2THz,0.4THz,0.8THz,115THz;図9]を作成 し、これをモ ー タ駆動 式 機械 ステ ー ジで連 続的 に 移 動 させ な が ら測 定 を行 っ た (移 動 速 度=lmm/s、全イメージ沢1定時間 =10秒 )。図 10は 取得 された THz分 光イメー ジ (232p d*100p el)を示してお り、各周波数 毎に異 なるイメー ジが確認 できる。0.18THz及 び 1.53THzの 分光イメー ジでは 4分割 MHAの 仕様通 りのイメー ジが得 られているが、0.39THzイ メー ジでは 0.2THz一MHA、 0.78THzイ メー ジでも 0.2THz―
MHA及 び 0.4THz―
MHAの クロス
トー クが測定されている。これ は、MHAが 透過周波数 の低周波側成分を急激 に減衰 させる一 方で高周波側 成 分を若千透 過 させ る透 過 スペ クトル 特性 を持 つ ためである。本 システムのピクセ ル レー トは毎秒 2320ピ クセル に達 してお り、従 来 の 点 走査型
THz TDSイ メージング装置 と比 べ て大 幅な高速化が実現されている。

Measuredarea
1omm''1Omm

図 7レ (4分 割 メタルホー ル ア レィ)
図 9 サ ンプリ

0118丁 Hz

0 39 THz

0 78 THz

1 53 THz

図 1 0 動 体 サ ンブル の T Ⅱz ̲ T D S イ メ ー ジ

図 8 ( a ) ナイフ エ ッ ジの T H z 派 幅 分 兆 イメー ジ と( b )空間 分 解 能！

‐ 18=

5.ま とめ
電気光学的時間―空 間変換 と線集 光 THz光 学 系に基 づいた実時 間 2次 元 時空間 THzイ メー ジング
法を THzトモグラフィー 及 び THz―TDSイ メー ジングに適 用し、両手法 の実 時 間化を達成 した。さらに、
開発 システムを動 体サ ンブル に適 用 し、本 手 法 の有用性 を確認 した。
18650121、
本研 究は科研費 18686008・
稲盛財 団および三豊科学技術振興協会より援助を受けた。

参考文献
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