低コスト・小型テラヘルツレーダイメージング
システム

大阪大学

大学院基礎工学研究科
助教 易利
2024年1月30日
1電磁波によるイメージング技術

https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/19/1909-02.html

光を用いた写真（カメラ）〇高分解能（～µm）×透過が困難マイクロ波を用いた
セキュリティ応用（東芝）

X線を用いた医療応用（レントゲン写真）〇多くの材料（除金属）を透過〇高分解能（< µm）〇被ばく無〇材料を透過×分解能が制限(～cm)

×取扱いが困難（被ばく有）
2電磁波の呼称と波長の関係
「電波」

「光波」

「周波数」 1GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz
マイクロ波「波長」 30 cm

ミリ波

30 mm

3 mm

10 THz

テラヘルツ波（光）300 μm

30 μm

100 THz 1 PHz
赤外線可視
光

3 μm

300 nm10 PHz紫外線

X線

30 μm

波長が長いほど，物質の透過性が高い．遠くへ伝達できる．

波長が短いほど，デバイスの小型化が可能．分解能を高くできる．

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テラヘルツ波(THz)イメージング
ADC： A/Dコンバーター

二軸ステージ
干渉ミラー

サンプル

二軸ステージ（サンプル）

THz送信器
（千万円）

干渉ミラー
放物面鏡

分光器
放物面鏡
分光器
THz受信器

THz受信器（百万円）
ADC

THz送信器実験室で使用するTHz波イメージングシステム〇mm級の分解能〇被ばく無〇多くの材料を透過×イメージングシステムが高価で大型
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THz波三次元イメージング
側面図

平面図
測定サンプル
0Y (mm)

510152005101520

三次元イメージング結果：透過性を活かすTHｚ断層撮影

X (mm)

THz波(300-GHz)イメージング結果

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THz波応用の可能性

https://lytid.com/imaging-system/

商用システム（仏Lytid社）の例〇mm級の分解能〇被ばく無〇多くの材料を透過×イメージングシステムが高価で大型
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THz波応用の可能性
セキュリティ応用
品質管理危険物缶
鞄

農業応用

次世代車レーダ

image: Flaticon.com

Society 5.0で様々な分野で、次世代のセンシングデバイスとして活躍の可能性がある
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従来技術とその問題点✓ THｚ帯の単体素子だけでも高い！
高周波の送信器、受信器、導波路、コネクター等々も高価✓ システムの構成が高価かつ複雑のため、現状大型のシステムしかない✓ 三次元イメージング用のシステムが更に複雑になる✓ CMOSなどの集積技術、アレイ化はまだ研究の初期段階であり、システム全体の小型化ができない

実用化のためには、新しいコンセプトを導入する必要がある
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共鳴トンネルダイオード（RTD）
特徴
1. 小型
2. 基本波によるテラヘルツ発振
3. 高感度テラヘルツ波検出
4. 低消費電力
5. 室温動作

量子薄膜構造を有する電子デバイス

電極
N+ InGaAs

AlAs 障壁層
InGaAs 量子井戸層
AlAs 障壁層

N+ InGaAs

使用するRTD素子

電極

InP基板層構造の例

パッケージ外観
チップ外観（ローム株式会社様よりご提供）✓ 単体の電子デバイスとして，最も高い周波数(1.98 THz)で発振動作可能✓ 高感度のTHｚ検波器としても動作可能
9共鳴トンネルダイオード（RTD）

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20191202-2/index.html

10RTD独自の送受信動作✓ 印加電圧の選択によって，デバイス1台のみで送受信動作可能✓ RTDのself-mixing動作で干渉信号が簡単に取れる
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RTD単体を用いた
THｚイメージングシステム
干渉ミラー

放物面鏡

対象物へ対象物へ低周波(kHz)制御回路

分光器

ADC

RTD

THz受信器ADC

ADC： A/Dコンバーター

THz送信器

従来のシステム構成例

RTD単体を用いたシステム✓ 高価なTHz波信号源、受信器、分光器などが１個のRTDで代用できる✓ kHz帯のADC、低周波回路のみで制御できる✓ 小型かつ低価のため、アレイ化が容易に可能になる
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RTD単体を用いた
THｚイメージングシステム
全部RTDで代用される封筒の中の100玉

従来のシステム構成例
RTD単体のみのイメージングシステム（プロトタイプ）
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RTDイメージングの応用例その１0.5mmの切り傷
2軸ステージ
放物面鏡

放物面鏡

RTD素子

RTD単体のみのイメージングシステム✓ RTDイメージングシステムで段ボールの傷を可視化
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RTDイメージングの応用例その２Stage

イメージング範囲
100 mm掃引（F-theta）レンズ
回転ミラー
F-thetaレンズ

放物面鏡
回転ミラー

１軸ステージ

RTD素子

FG

RTD

ビーム走査＋１軸ステージによる高速イメージングシステム

空間分解能
イメージング時間（100 ×200 ㎟）

2軸ステージ

ビーム走査方式

0. 794 mm～1.6 mm

808 s

4s✓ RTDイメージングシステムの高速化
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RTD単体を用いた
THｚレーダイメージングシステム
金属板 (1mmを移動）
干渉ミラー
RTD

対象物へ

放物面鏡

距離L

分光器
THz受信器ADCTHz送信器

半波長

従来のシステム構成例✓ 干渉信号で振動・距離が測れる✓ 単体RTDも同じ動作ができる

4𝜋𝐿
𝑉RTD ∝ cos
𝜆𝑐 3 × 108 𝑚/𝑠
𝜆= =≈ 0.869 𝑚𝑚
𝑓345 𝐺𝐻𝑧
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RTDレーダの応用例その１

製品化されたミリ波（24GHz）生体レーダシステム(Texas instrument)
https://www.ti.com/ja-jp/video/5428037798001

THz (RTD) を導入する意味？

２mmの振動に対するレーダ信号
THｚ波✓ 短い波長でより微小な信号を取れる✓ ミリ波技術より優れた角度分解能

ミリ波✓ システムをより小型化
微動の干渉信号と波長の関係
17RTD単体を用いた
THｚレーダイメージングシステム
信号源

アンテナ
対象物

LOIF

RF

ADC
ミキサー

一般的なFMCWレーダシステム
レーダ分解能△R=光速度/2B
帯域B
𝑓2𝑓1

三次元レーダイメージング結果：透過性を活かすTHｚ断層撮影△R周波数干渉信号

距離THz帯の帯域（周波数掃引）と信号の干渉が必要
システム製品が千万円単位になる
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RTD単体を用いた
THｚレーダイメージングシステム
金属板の位置が測れる
RTD

距離L

RTD印加電圧の制御で周波数が変えられる

単体RTDでTHｚ帯のＦＭＣＷレーダを実現
高感度のself-mixing動作で僅かな出力（~0.02 mW) で使用可能
RTDレーダの測位結果
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RTDレーダの応用例その２手持ちサイズのシステムで高度なTHｚ帯三次元レーダイメージングを実現可能になる
車載レーダシステム:より高い分解能へ

次世代の車載レーダシステムにも期待できる

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新技術の特徴・従来技術との比較✓ ＲＴＤ単体のみで従来高価なＴＨｚデバイスを全部置換できる✓ シンプルな低周波回路の制御でイメージングシステム、ＣＷレーダシステムも実現できる✓ 300GHz帯から600GHz帯、1THz、２THz帯に拡張できるため、より高い帯域(～中心周波数の10%）で高い分解能を獲得できる✓ 制御回路、レーダ信号が低周波になるため、システムのアレイ化、THｚカメラなどが可能になる（未だに発振機能を含むTHzカメラがない）
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実用化に向けた課題✓ 制御回路の高性能、小型化✓ RTDの高周波、高出力化（他のプロジェクトで進行中）✓ システムのアレイ化

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企業への期待✓ イメージングセンサーの集積・アレイ化技術を持つ企業との共同開発を希望✓ 専用検査装置の開発が可能なので、関連応用への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。
✓ 次世代車載レーダ、THzカメラのような少し先の未来技術を想定する企業との共同研究を希望(https://www.thesprucecrafts.com/brief-history-of-photography-2688527)23

本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：信号検出装置：特願2022-131358：大阪大学：易利、水野遼子、冨士田誠之• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：信号補正装置および信号補正方法：特願2023-210597：大阪大学：易利、冨士田誠之、猪瀨裕太24

お問い合わせ先
大阪大学
共創機構 イノベーション戦略部門 知的財産室<ＴＥＬ> 06－6879－4861<e-mail> tenjikai@uic.osaka-u.ac.jp

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