JP2015087270A - ＴＨｚ帯検査装置およびＴＨｚ帯を用いた検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＨｚ帯検査装置を小型で且つ低コストに構成する。
【解決手段】ＴＨｚ波発生器２１によりＴＨｚ帯の電磁波を発生し、これを収束してビームとしてビーム走査ミラー部３０へ出力する。ビーム走査ミラー部３０は、ＴＨｚ波発生器２１から出力されたビームを反射体としての回転多面鏡３１で受けて所定の検査対象領域Ｅ内を走査するビームを出力する。検査対象領域Ｅを走査されたＴＨｚ帯のビームの透過波または反射波を複数のセンサ素子４０ａのセンサ面で受けて走査位置毎の強さを検出する。信号処理部５０は、複数のセンサ素子４０ａの出力に基づいて検査対象領域Ｅ内の被測定物Ｗに対する解析を行ない、その解析結果を表示部６０に出力して表示させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＨｚ（テラヘルツ）帯の電磁波の物質に対する吸収率や反射率の違いを利用して各種の検査を行なう技術に関し、特に小型で且つ低コストに構成できるようにするための技術に関する。

ＴＨｚ帯は、光と電波の境界の周波数帯（およそ０．１〜１０ＴＨｚ）であり、物質に対して特定の透過率と反射率を示すことが知られている。

例えば、紙、繊維、油、木材、脂肪、粉体、氷、半導体、塗料、錠剤、プラスチック、セラミックス等の物質に対しては比較的高い透過性（ただし材料の厚みに応じて減衰）を示し、水、金属、カーボン、アクリル、ジルコニア等に対して強い反射性（非透過性）を示す。

このような特性をもつため、例えば透過性物質内の金属、カーボン、アクリル等の混入検査、内部のクラックや錆等の有無の検査等含む各種検査への適用が期待されている。

このような検査システムを構成するためには、ＴＨｚ波を検査対象領域に照射するＴＨｚ波発生器と、その検査対象領域を透過あるいは反射したＴＨｚ波を受けてその検査対象物の画像データを検出するカメラとが必要である。

なお、ＴＨｚ波を検査対象に出力し、その画像を所定画素数のセンサを用いたＴＨｚカメラで撮像するシステムが例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１３−１６４３１０号公報

しかしながら、現状のＴＨｚ帯のセンサの感度は可視光用の画像センサ（ＣＭＯＳ、ＣＣＤ等）に比べてかなり低いため、ある広さをもつ検査領域の画像データをカメラで検出するためには、ＴＨｚ波発生器が検査対象領域に照射するＴＨｚ波のパワーをその検査対象領域の広さに応じてかなり大きく（例えば１０ｍＷ程度）しなければならない。

このため、上記特許文献１では、３２０×２４０画素の画像センサに対して、大出力が得られる量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）を用いているが、この量子カスケードレーザは非常に高価で、しかも発熱が大きいため大掛かりな冷却装置を必要とし、システム全体として非常にコスト高で、大型化するという問題があり、食品製造会社等で食品に対する異物混入検査を行なうためのシステムとしては採算的に採用することは極めて困難であった。

本発明は、この問題を解決し、量子カスケードレーザのような大出力のＴＨｚ波発生器を用いる必要がなく、低コスト且つ小型に構成できるＴＨｚ帯検査装置およびＴＨｚ帯を用いた検査方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１のＴＨｚ帯検査装置は、
ＴＨｚ帯の電磁波を発生し、これを収束してビームとして出力するＴＨｚ波発生器（２１）と、
前記ＴＨｚ波発生器から出力されたビームを受けて所定の検査対象領域内を走査するように出力するビーム走査ミラー部（３０）と、
前記検査対象領域を走査するＴＨｚ帯のビームの透過波または反射波をそれぞれのセンサ面で受けて走査位置毎の強さを検出する複数のセンサ素子（４０ａ）とを備えたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２のＴＨｚ帯検査装置は、請求項１記載のＴＨｚ帯検査装置において、
前記ビーム走査ミラー部は、前記ビームの出力方向が同一平面内となるように走査することを特徴としている。

また、本発明の請求項３のＴＨｚ帯検査装置は、請求項２記載のＴＨｚ帯検査装置において、
前記複数のセンサ素子は、前記同一平面内で走査されるビームの透過波または反射波が入射するそれぞれの位置に並んで配置されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項４のＴＨｚ帯検査装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のＴＨｚ帯検査装置において、
前記ＴＨｚ波発生器は、
第１の光周波数の第１の連続光を出力する第１の光源（２２）と、
前記第１の光周波数に対する周波数差がＴＨｚ帯に入る第２の光周波数の第２の連続光を出力する第２の光源（２３）と、
前記第１の連続光と第２の連続光を合波する合波器（２４）と、
前記光合波器の出力を受けて、前記第１の光周波数と第２の光周波数の差の周波数のＴＨｚ波を出力する受光器（２５）と、
前記受光器から出力されたＴＨｚ波を電波として放射するアンテナ（２６）と、
前記アンテナから放射されたＴＨｚ波を収束してビームとして出力する電波レンズ（２７）とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５のＴＨｚ帯検査装置は、請求項１〜４のいずれかに記載のＴＨｚ帯検査装置において、
前記ビーム走査ミラー部は、前記ＴＨｚ波発生器から受けた前記ビームを表面に形成された反射膜で反射して前記検査対象領域内を走査させる反射体（３１）を含み、該反射膜の厚さが、
√［２／（ωμσ）］ （ｍ）
（ωは前記ビームの角周波数、μは反射膜材の透磁率、σは反射膜材の導電率）
で定まる値以上に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項６のＴＨｚ波を用いた検査方法は、
ＴＨｚ帯の電磁波を発生し、これを収束してビームとして出力する段階と、
前記ビームを所定の検査対象領域内で走査させる段階と、
前記検査対象領域内で走査されたＴＨｚ帯のビームの透過波または反射波の走査位置毎の強さを検出する段階とを含むことを特徴としている。

上記のように本発明では、ＴＨｚ帯の収束されたビームで検査対象領域を走査し、その透過波や反射波の走査位置毎の強度を検出するようにしている。

このため、ＴＨｚ波のビームの出力は検査対象領域全体でなく、走査位置毎に必要な量で済むので、低出力のものが使用でき、低コストに且つ小型にシステムを構成することができる。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の動作説明図 反射波を検出する場合の説明図 本発明の要部の別の構成例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用したＴＨｚ帯検査装置２０の構成を示している。

このＴＨｚ帯検査装置２０は、ＴＨｚ波発生器２１、ビーム走査ミラー部３０、ＴＨｚ帯センサ４０、信号処理部５０および表示部６０によって構成されている。

ＴＨｚ波発生器２１は、ＴＨｚ帯の収束されたビームを生成出力するものであり、ここでは、二つの光源から出力された周波数差のある光を合波して受光器に入射することでその周波数差に等しい電磁波を生成する技術を用いている。

即ち、第１の光周波数ｆａの第１の連続光Ｐａを出力する第１の光源２２と、第１の光周波数ｆａに対する周波数差がＴＨｚ帯に入る第２の光周波数ｆｂの第２の連続光Ｐｂを出力する第２の光源２３と、第１の連続光Ｐａと第２の連続光Ｐｂを合波する合波器２４と、合波器２４の出力を受けて、第１の光周波数ｆａと第２の光周波数ｆｂの差の周波数｜ｆａ−ｆｂ｜のＴＨｚ波（ビート成分）を電気の信号として出力する受光器２５と、受光器２５から出力されたＴＨｚ波を電波として所定方向に放射するアンテナ２６と、アンテナ２６から放射されたＴＨｚ波を収束して所定径のほぼ平行なビームとして出力するシリコン製の電波レンズ２７とを有している。

なお、第１の光源２２、第２の光源２３は通信用半導体レーザにより構成され、その少なくとも一方は出射光の波長が可変できる構成となっており、この波長可変により、出力するビームの周波数をＴＨｚ帯の中で任意に設定できるようになっている。

このような構成のＴＨｚ波発生器２１の出力は一般的に数１０μＷ〜数１００μＷで、前記した量子カスケードレーザの出力の１／１００程度であるが、格段に小型且つ安価であり、大掛かりな冷却装置も必要としない。

ビーム走査ミラー部３０は、ＴＨｚ帯のビームＢinを受けて所定の検査対象領域Ｅ内を走査するように出力する。このビーム走査ミラー部３０は、ＴＨｚ帯のビームＢinの光の性質を利用したものであり、入力ビームを表面で受けて反射させる反射体の角度を可変させてビーム出力方向を走査する構造、例えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、音叉振動ミラー等を用いることができる。

図１は、その反射体として回転多面鏡を用いた例を示している。回転多面鏡３１は、例えば外形が正８角形でその８つの側面３１ａが、ＴＨｚ帯のビームに対して高い反射率を示すように例えば金メッキされた反射膜を表面に形成している。この回転多面鏡３１の中心部はモータ３２の回転軸に連結されており、モータ３２に対する通電で回転多面鏡３１が一定速度で回転する。

ここで、ＴＨｚ帯のビームは高い透過特性を持っている。したがって、ビームが反射膜の下地層にまで達してしまわないように、反射膜を十分な厚みをもって形成しておく必要がある。この反射膜として、次式で求まる表皮厚さδ以上に形成するのが望ましい。

δ＝√［２／（ωμσ）］ （ｍ）
ただし、ωはＴＨｚ帯のビームの角周波数（＝２πｆ）、μは反射膜材（この場合、金）の透磁率、σは反射膜材の導電率

ＴＨｚ帯のビームが回転多面鏡３１の回転軸と直交する平面に沿って入力され、所定方向を向いた側面３１ａに入力され、その側面３１ａで反射されるビームの反射方向が、図１のように入射軸を含む平面内で、有効走査範囲θを連続的に走査されることになる。なお、この有効走査範囲θは、回転多面鏡３１の側面長Ｌ、側面の中心角αやビームの太さ等によって決まる。

このビーム走査ミラー部３０には、ビーム出力方向が現在どの位置にあるかを特定するために必要な同期信号を出力する同期信号発生手段３３が設けられている。上記回転多面鏡３１を用いた構造では、同期信号発生手段３３として、例えばモータ３２や回転多面鏡３１の回転軸に同軸に固定されたロータリーエンコーダから、回転多面鏡３１の角度を表す信号を同期信号として出力させる。この同期信号から回転多面鏡３１の角度がわかり、予めその角度とビーム出力方向（即ち、後述するＴＨｚ帯センサ４０のセンサ素子４０ａの順位）との関係をテーブル化して記憶しておけば、後述の走査位置毎の透過率のデータを正確に取得することができる。

ＴＨｚ帯センサ４０は、検査対象領域Ｅを走査するＴＨｚ帯のビームＢoutの透過波または反射波を受けてその走査位置毎の強さを検出する。図１では、走査有効範囲θを直線的に走査されるビームＢoutの透過波を受けるＴＨｚ帯センサ４０の例を示している。

このＴＨｚ帯センサ４０は、走査有効範囲θ内で直線的に走査されるビームＢoutの透過波を受けるように一列に並んで配置された複数のセンサ素子４０ａが一体的に結合したアレイ構造を有しており、各センサ素子４０ａの出力を信号処理部５０に出力する。

このセンサ素子４０ａとしては、ＴＨｚ帯に対して有効な感度をもつ素子（例えば特許文献１に記載されているようなマイクロボロメータ）で構成されるが、それらが１列に並んだアレイ構造であるので、従来のようなセンサ素子が縦横に多数並んだ画像素子に比べて格段に低コストに構成でき、しかも、透過波が各センサ素子４０ａに順番に入射させるように走査されるので、ＴＨｚ波発生器２１の出力ビームの強度は、１つのセンサ素子４０ａのセンサ面でビームスポットをカバーすると仮定すれば、その１つのセンサ面分あれば十分となる。

前記特許文献１の数値例を引用すると、画像センサの画素数３２０×２４０に対して必要な量子カスケードレーザの出力を１０ｍＷと仮定した場合、１画素当りに必要な出力は、１０／（３２０×２４０）ｍＷ≒０．１３μＷとなる。この実施形態におけるビームのスポット径をカバーするために必要な画像センサの画素数を１０×１０とし、各センサ素子４０ａのセンサ面がその１０×１０の画素分に等しい面積をもつとすれば、必要なビーム出力は、０．１３μＷ×１００＝１３μＷとなる。したがって、前記したように、数１０μＷ〜数１００μＷ程度の出力が可能なＴＨｚ波発生器２１で十分対応できることになる。

なお、ここでは、ＴＨｚ帯センサ４０を、センサ素子４０ａが一列に並んだ構造としているが、より小さなセンサ面のセンサ素子４０ａを縦方向（高さ方向）にはビームスポットの径をカバーする数（例えば１０）だけ並べ、横方向（走査方向）には検査領域の幅に応じた数（例えば３２０）を並べた構造であってもよい。

ＴＨｚ帯センサ４０の各センサ素子４０ａの出力は信号処理部５０に出力される。信号処理部５０では、ＴＨｚ帯センサ４０の出力をＡ／Ｄ変換器５１によりデジタル値に変換して、これをデータ取得制御手段５２によってメモリ５３に記憶する。

データ取得制御手段５２は、同期信号に基づいて走査有効範囲θにおけるビームの走査方向に同期して有効な透過率データをメモリ５３に記憶させる。ここで、検査対象物Ｗが検査対象領域内で静止している静止モードの場合、データ取得制御手段５２は検査対象物Ｗに対する１次元の透過率データを複数回取得してその平均化処理を行なう。

また、検査対象物Ｗが例えば検査用コンベア等により一定速度でビームの走査面と直交する方向に移動（ただしその移動速度はビームの走査速度より十分遅いとする）する搬送モードの場合には、走査毎に得られる透過率データ（またはその平均値のデータ）を順次異なるアドレス領域に記憶することで２次元の透過率データを得る。

解析部５４は、メモリ５３に記憶された透過率データに対して、例えば予め設定した所定のしきい値との比較により、検査対象物Ｗの異物の有無、傷の有無、錆の有無等の検査を行ない、その検査結果や透過率の画像データ等を表示部６０に出力する。

例えば、データ取得制御手段５２によって図２に示すような１次元の透過率データが得られた場合、所定のしきい値Ｒ以下となる走査位置（センサ素子の位置）Ｐ１、Ｐ２を検出し、異物、傷等に関する異常を通知する。

また、２次元の透過率データに対しても上記同様のしきい値判定を行なったり、透過率の大小に応じてグラフの色の濃さや色合いを変化させて、被検査物の２次元の透過画像を表示させることが可能である。

このように、実施形態のＴＨｚ帯検査装置２０は、細いビームに収束したＴＨｚ波で検査対象領域を走査し、その透過波を、走査方向に並んだ複数のセンサ素子４０ａで受けることで、ＴＨｚ波に対する検査対象物の透過率データを得るようにしているので、ＴＨｚ波発生器として、高価で大掛かりな量子カスケードレーザのような大出力のものが必要なくなり、低コストで小型な検査システムを実現でき、汎用性が極めて高くなる。

上記実施形態は、検査対象領域を透過したＴＨｚ帯のビームの強さをセンサ素子４０ａで検出する構造であったが、図３に示すように、検査対象領域の被検査物Ｗから反射したＴＨｚ帯のビームの強さをセンサ素子４０ａで検出する構造でもよい。なお、図３において、入射ビームの走査方向とセンサ素子４０ａの並び方向を紙面直交方向とする。

なお、上記実施形態のビーム走査ミラー部３０は、ビームの出力方向が同一平面内で、検査領域を直線的に走査する１次元走査方式であったが、ビームの出力方向を直交２平面上で走査する２次元走査方式を採用してもよい。

その場合には、入力するビームを所定平面上で所定角度範囲θx 走査する第１走査部と、その第１走査部の出力を所定平面に直交する平面上で所定角度範囲θy 走査する第２走査部で構成することが考えられるが、これらの第１走査部と第２走査部の反射体として、前記した回転多面鏡、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、音叉振動ミラー等のいずれもが使用できる。また、このようにビーム走査のための反射体が複数ある場合、それぞれの反射体の表面に前記した所定厚さδ以上の反射膜を形成する。

図４はその一例を示すもので、第１走査部として前記の回転多面鏡３１を用い、第２走査部としてガルバノミラー３５を用いている。

このビーム走査ミラー部３０では、前記同様に回転多面鏡３１の前記反射膜が形成された側面からその回転軸に直交する平面（Ｘ−Ｚ平面）内で所定角度範囲θx を走査するように出力されたビームを、Ｘ軸を中心に平面ミラー３５ａをモータ３５ｂで往復回転させるガルバノミラー３５の平面ミラー３５ａで受け、その反射ビームがＹ−Ｚ平面内で所定角度範囲θy
走査されるようにしている。この平面ミラー３５ａの表面も前記反射膜が形成されている。この場合、同期信号発生手段３３は、２次元のビームの出力方向を特定できるように、回転多面鏡３１の角度情報と、平面ミラー３５ａの角度情報とを同期信号として出力することになる。

なお、このような２次元のビーム走査を行なう場合には、それを受けるＴＨｚセンサ４０としても、センサ素子４０ａが縦横に複数並んだ２次元配列構造とする必要があるが、前記したように、ビームスポット径が各センサ素子４０ａのセンサ面に対応するように細く収束させているので、前記同様に低コストで小型な低出力のＴＨｚ波発生器２１が使用でき、低コストで且つ小型な検査システムを実現できる。

また、前記したように、ＴＨｚ波のビームの走査は、前記した回転多面鏡やガルバノミラーのような反射体だけでなく、ＭＥＭＳミラー、音叉振動ミラー等の反射体およびこれらの任意の組合せによって行なうことができる。

２０……ＴＨｚ帯検査装置、２１……ＴＨｚ波発生器、２２……第１の光源、２３……第２の光源、２４……合波器、２５……受光器、２６……アンテナ、２７……電波レンズ、３０……ビーム走査ミラー部、３１……回転多面鏡、３２……モータ、３３……同期信号発生手段、３５……ガルバノミラー、３５ａ……平面ミラー、３５ｂ……モータ、４０……ＴＨｚセンサ、４０ａ……センサ素子、５０……信号処理部、５１……Ａ／Ｄ変換器、５２……データ取得制御手段、５３……メモリ、５４……解析部、６０……表示部

Claims (6)

1. ＴＨｚ帯の電磁波を発生し、これを収束してビームとして出力するＴＨｚ波発生器（２１）と、
   前記ＴＨｚ波発生器から出力されたビームを受けて所定の検査対象領域内を走査するように出力するビーム走査ミラー部（３０）と、
   前記検査対象領域を走査するＴＨｚ帯のビームの透過波または反射波をそれぞれのセンサ面で受けて走査位置毎の強さを検出する複数のセンサ素子（４０ａ）とを備えたことを特徴とするＴＨｚ帯検査装置。
2. 前記ビーム走査ミラー部は、前記ビームの出力方向が同一平面内となるように走査することを特徴とする請求項１記載のＴＨｚ帯検査装置。
3. 前記複数のセンサ素子は、前記同一平面内で走査されるビームの透過波または反射波が入射するそれぞれの位置に並んで配置されていることを特徴とする請求項２記載のＴＨｚ帯検査装置。
4. 前記ＴＨｚ波発生器は、
   第１の光周波数の第１の連続光を出力する第１の光源（２２）と、
   前記第１の光周波数に対する周波数差がＴＨｚ帯に入る第２の光周波数の第２の連続光を出力する第２の光源（２３）と、
   前記第１の連続光と第２の連続光を合波する合波器（２４）と、
   前記光合波器の出力を受けて、前記第１の光周波数と第２の光周波数の差の周波数のＴＨｚ波を出力する受光器（２５）と、
   前記受光器から出力されたＴＨｚ波を電波として放射するアンテナ（２６）と、
   前記アンテナから放射されたＴＨｚ波を収束してビームとして出力する電波レンズ（２７）とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＴＨｚ帯検査装置。
5. 前記ビーム走査ミラー部は、前記ＴＨｚ波発生器から受けた前記ビームを表面に形成された反射膜で反射して前記検査対象領域内を走査させる反射体（３１）を含み、該反射膜の厚さが、
   √［２／（ωμσ）］ （ｍ）
   （ωは前記ビームの角周波数、μは膜材の透磁率、σは膜材の導電率）
   で定まる値以上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＴＨｚ帯検査装置。
6. ＴＨｚ帯の電磁波を発生し、これを収束してビームとして出力する段階と、
   前記ビームを所定の検査対象領域内で走査させる段階と、
   前記検査対象領域内で走査されたＴＨｚ帯のビームの透過波または反射波の走査位置毎の強さを検出する段階とを含むことを特徴とするＴＨｚ波を用いた検査方法。

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