特集 多波光応用技術
テラヘルツ・カラースキャナー

徳島大学大学院 ソシオテクノサイエンス研究部
安井武史

することにより，従来法と比較して10,000 倍以上の高1．はじめに速化を実現した5）。その結果，世界で初めて動体サンプ

われわれはカラースキャナーを日常よく利用する。こルのTHz 分光イメージングに成功した。本稿では，われは可視領域の分光画像を取得する機器であるといえれわれが開発したTHzカラースキャナー5）とその応用計る。しかし，可視光の物体浸達度の制限により表面近傍測例 6）を紹介する。

のみの情報しか得られないため，書類や写真の読み取りなどに利用が限定されていた。このような技術を物質透過性の良好なテラヘルツ領域（THz 領域：周波数 0.1〜2.THz 波
図 1に，電磁波の周波数（波長）マップを示す。THz10THz，波長 30μm 〜3000μm）まで拡張できると，領域は，ちょうど光波と電波の境界に位置し，これまで物体内部の情報も取得可能になる。さらに，カラー（分良質なレーザー光源や高感度検出器の開発が遅れていた光）画像も取得できるので，各種物質固有の吸収スペクため，唯一残された未開拓電磁波領域であった。しかし，トル（THz 指紋スペクトル）を利用して「どこに」，「なにが」あるかを識別できる。このようなTHz 波を用いた成分分析型内部透視イメージング技術は，セキュリテ
ィー分野 1），バイオ分野 2），製薬分野 3）等における有力な検査ツールと期待されている。しかし，通常の点計測に基づいたTHz 分光イメージング装置では，スペクトル取得（時間遅延走査）およびイメージ取得のために複数の機械的走査機構が必要となり，長い測定時間（数時光波ージングを複合すれば，機械的走査機構が不要になり，大幅な時間短縮が実現できる 。われわれは，THzビー

紫外線

1PHz

可視光
赤外光

10THz

ここで，THz 波の光としての並列性に注目し，電気300nm
近赤外フェムト秒
パルスレーザー光
3µm
30µm

1THz

サブミリ波

100GHz
電波

3nm
30nm

100THzに限定され，実用を損ねてきた。と線集光 THz 結像光学系による実時間 THzラインイメ

X線10PHz間以上）を要する。その結果，測定対象が静止物体のみ

光学的時間―空間変換による実時間 THz 時間波形計測

波長周波数100PHz

ミリ波

10GHz

マイクロ波

300µmTHz
パルス3mm30mm4）

ムをサンプルに対してライン状に集光し，一般のカラースキャナーと同じくラインの動き（または測定対象の動300mm

1GHz
図1

電磁波の周波数・波長マップき）に合わせて実時間で分光ラインイメージを連続測定
やすい

334

たけし

O plus E・2012 年 4 月

特集：多波光応用技術
近年，近赤外フェムト秒パルスレーザー光を用いること波数が桁違いに低いので，極めて低エネルギー・低侵襲により，パルス状 THz 波（THzパルス）の発生およびで安全安心な電磁波でもある。また，THzパルスは，時検出が室温環境で可能になり，この領域の研究開発『THz間領域においてサブピコ秒オーダーの超短パルス特性をテクノロジー』が加速している。

示す一方で，周波数領域においては0.1THz 〜10THzにTHzパルスは，光波と電波の境界に位置するというこ及ぶ広帯域スペクトルを示す。THz領域では，骨格振動，とから，その両者の性質を有するユニークな電磁波であねじれ振動，格子振動，分子の回転，分子間の振動などる。例えば，レーザー光のようにコヒーレントなビームによる吸収スペクトルが観測されることから，赤外・近として自由空間を伝搬させることが可能である。また，赤外分光法とは異なる分子構造情報が取得可能な分析法

光波と比較すると波長が極めて長いので，光波領域ではとして期待されている。

散乱で不透明な物質に対してもほどほどの物質透過性を3. 実験装置得ることができる。従来，物質透過性の良好な電磁波としてX 線が広く用いられてきたが，X 線と比較すると周まず，可視光を用いた一般的なカラースキャナーの測定原理を考えてみる（図 2）。空間 2 次元と波長（色）1

ラインセンサー走査（1次元）

サン(セスキャナーでは，まずカラー CCDラインセンサーで空)査

走ー

間 1 次元と波長 1 次元（分光ラインイメージ）を実時間空分光ラインイメージ

波長サセン

間測定し，さらに実時間取得した空間 1 次元と直交方

査

走ー向にラインセンサーを連続走査することにより，カラーイメージを取得している。この原理に基づいてTHzカラースキャナーを実現するためには，実時間でTHz 分光

空間

2次元カラーイメージ
図2

次元の3 次元情報（カラーイメージ）を取得するカラー空間（ラインセンサー）

リアルタイム分光
ラインイメージング（カラーラインセンサー）

ラインイメージを取得することが肝となるわけであるが，われわれは電気光学的時間―空間変換による実時間

空間

THz 時間波形計測と，線集光 THz 結像光学系による実カラースキャナーの測定原理

プローブ光（増幅フェムト秒パルス光）

非線形光学結晶ポンプ光（増幅フェムト秒パルス光）

線集光
THzビーム

偏光子
電気光学結晶

平凸THz
レンズ
高強度
THzパルス

円筒THz
レンズ1

円筒THz
レンズ2

サンプル結像レンズ

電気光学的時間−空間変換

frequency

THz分光
ラインイメージ
図3

Vol.34, No. 4・O plus E高速フーリエ変換

spacespaceC
カ MO
メ S
ラサンプル
連続走査

検光子

time

2次元時空間THzイメージ

実験装置

335

特集：多波光応用技術
時間 THzラインイメージングを複合することにより達で連続走査すれば，通常のカラースキャナー同様，その成した。実験装置を図 3に示す。フェムト秒チタンサフ

移動に合わせて，順次，THz 分光イメージが生成されァイア再生増幅器からのレーザー光（ポンプ光）を非線ていくことになる。

形光学結晶に入射することにより，高強度 THzパルスを発生させる。サンプルを透過したTHzパルスとプロー

4. 測定結果

ブ光をTHz 検出用電気光学結晶に非共軸入射すること

まず，THz 波の良好な物質透過性を生かした計測例

により，THzパルス電場の時間波形がプローブ光の空間として，半導体 ICのTHz 分光イメージング計測を行っ複屈折量分布に変換される（電気光学的時間―空間変た。図 4は，4つの異なる周波数におけるTHz 分光イメ換） 。クロスニコル配置の偏光子・検光子ペアによっージング結果を示している。半導体 ICのパッケージ樹てプローブ光の空間強度分布に変換されたTHzパルス電脂材料を，THz 波が比較的よく透過することはこれま

場時間波形は，結像レンズを介して高速 CMOSカメラのでに報告されているが 9），その透過具合が周波数によっ水平座標に展開される。一方，CMOSカメラの垂直座標て異なっていることが確認できる。また，周波数によっは1 次元イメージングに利用可能であるので，円筒 THzてイメージのボケ具合が異なるのは，各周波数によってレンズ1を用いてTHzビームをサンプルに線集光し，そ空間分解能が異なるためである。したがって，THz 波

れをTHzレンズペア（平凸 THzレンズおよび円筒 THzの透過性とTHz 分光イメージングの空間分解能を考慮

レンズ1）で電気光学結晶に結像することにより，サンして観測周波数を選択することにより，半導体 ICの内プルの1 次元 THzイメージをCMOSカメラの垂直座標に部検査手段としての利用が期待される。

7）

展開する。このように，水平座標に時間軸，垂直座標にTHz 分光イメージングの有力な産業応用ターゲット

空間軸が展開された2 次元時空間 THzイメージを，高速して考えられているのが，製薬分野である。これは，医ロックイメージング検出する（500fps）8）。2 次元時空

薬品や農薬の多くが各種の結晶構造に由来する特徴的な

間 THzイメージの時間軸（水平座標）を高速フーリエ

THz 指紋スペクトルを示すうえに，結晶多形のような変換することにより周波数（色）情報とし，THz 分光

結晶性変化もスペクトルに敏感に反映されるからである3）。

ラインイメージを得る。したがって，測定サンプルをここでは，4 種類の錠剤サンプル（サンプル（1）：ラクTHz 集光ラインと直交する方向にベルトコンベヤー等

トース50mgとポリエチレン粉末 50mg，サンプル（2）：D-マルトース25mgとポリエチレン粉末 75mg，サンプ

0.145THz

0.261THzル（3）：ポリエチレン粉末 100mg，サンプル（4）：D-グ
ルコース25mgとポリエチレン粉末 75mg，いずれも直径 10mm）の識別に応用した例を示す。図 5（a）は，非同期光サンプリング式 THz 時間領域分光装置 10），11）で取得したサンプル（1），（2），（4）の吸収スペクトルを示しており，ラクトース，D-グルコースおよびD-マル
トース特有のTHz 指紋スペクトル（※の部分）がそれぞれ確認できる。そこで，これらのTHz 指紋スペクトル付

0.435THz

1.015THz

近の周波数（0.511THz，1.073THz，1.405THzおよび1.609THz）での透過率イメージを，THzカラースキャ
ナーで取得した結果が図 5（b）である。イメージコント
ラストの差異は小さいものの，吸収スペクトルと分光イメージの比較から，THz 指紋スペクトルに基づいた錠剤サンプルの識別が可能である。例えば，左端のサンプ
ルは0.511THzおよび1.405THzでの吸収が強いことか

図4336

半導体 IC の THz 分光イメージ

らサンプル
（1）
（ラクトース），左から2 番目のサンプル
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特集：多波光応用技術
は1.073THzおよび1.609THzの吸収が強いのでサンプラー画像として取得し，THz 指紋スペクトルによる分ル（2）（マルトース），左から3 番目のサンプルは各周波光学的成分分析を利用すれば，「どこに」，「なにが」あ数における吸収が弱いのでサンプル（3）（ ポリエチレンるかを識別できる可能性もある。このような特徴をうま粉末のみ），そして右端のサンプルは1.4THzの吸収が強く利用し，THz 波でしか実現できない「キラーアプリいのでサンプル（4）（グルコース）と識別できる。

ケーション」の探索が今後重要になるであろう。このようなTHzキラーアプリの探索において，動体サンプルに5.まとめも拡張可能なTHzカラースキャナーは有用なツールにな

読者の中には，「X 線ではなく，なぜTHz 波？」と疑問に思う方もいらっしゃるかもしれない。確かに，X 線を用いると物体内部の情報は取得できるわけであるが，ると期待される。
錠剤サンプルを提供いただいた大塚電子㈱の北岸恵子博士および泉谷悠介博士に謝意を表します。

生体に対する侵襲性が高いうえ，物質透過性があまりにも良すぎてイメージのコントラストがつきにくい測定対象も少なくない。さらに，モノクロ画像しか取得できないため，得られる情報は限られてくる。一方，THz 波は極めて低エネルギー・低侵襲で安全安心な電磁波であるうえに，「ほどほど」の物質透過性を有しているので，X 線では透過性が良すぎてイメージコントラストがつきにくい測定対象でも，良好に測定できる場合がある。さらに，内部透視イメージをTHz 周波数ごとの色付きカ

弱い

吸収強い

210.511THz

GulcoseAbsorbance

021.073THz

1Lactose

01.405THz

210Maltose
00.5

11.5
Frequency (THz)（a）
図5Vol.34, No. 4・O plus E

21.609THz

サンプル⑴ サンプル⑵ サンプル⑶ サンプル⑷（b）

錠剤サンプルの計測。（a）THz 吸収スペクトル，（b）THz 分光イメージ337

特集：多波光応用技術参考文献

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