JP6979474B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を利用して、対象物に関する情報を取得する測定装置の技術分野に関する。

近年、テラヘルツ波イメージングやレーダーの研究開発が活発化しており、例えば非破壊検査やセンシング等への応用に期待が寄せられている。テラヘルツ波の発振及び検出には、一般的には発振用の素子及び検出用の素子が別々に用いられる。これに対し、例えば特許文献１では、１つの素子（共鳴トンネルダイオード）を、テラヘルツ波を発振する発振器及びテラヘルツ波を検出する検出器として共用するという技術が開示されている。

特表２０１４−５１７６２０号公報

上述した特許文献１に記載された技術では、発振と検出との切替えに可変抵抗を利用している。この場合、回路の応答速度が著しく遅くなるため、自身が発振したテラヘルツ波を自身で検出することは非常に難しい。よって、特許文献１に記載された技術は、仮に１つの素子を発振器及び検出器として切替えて機能させることができたとしても、測定のためのテラヘルツ波の発振及び検出を１つの素子で全て行うことはできないという技術的問題点を有している。

本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、１つの素子を発振及び受信に兼用することが可能な測定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する測定装置は、電磁波を対象物に照射する照射動作、及び前記対象物にて反射された前記電磁波を受信する受信動作を行う送受信部と、前記送受信部で受信された電磁波の情報を検出する検出部と、前記送受信部に前記照射動作及び前記受信動作のいずれかを行わせる制御部と、前記制御部が前記照射動作を行わせている場合に、前記送受信部側に前記電磁波を照射させるための信号を出力し、前記制御部が前記受信動作を行わせている場合に、前記検出部側に前記送受信部側から入力された信号を出力する出力部とを備える。

実施例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である。 第１変形例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である。 第２変形例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である。 実施例に係る測定装置の動作時の各種信号を示すタイムチャートである。

＜１＞
本実施形態に係る測定装置は、電磁波を対象物に照射する照射動作、及び前記対象物にて反射された前記電磁波を受信する受信動作を行う送受信部と、前記送受信部で受信された電磁波の情報を検出する検出部と、前記送受信部に前記照射動作及び前記受信動作のいずれかを行わせる制御部と、前記制御部が前記照射動作を行わせている場合に、前記送受信部側に前記電磁波を照射させるための信号を出力し、前記制御部が前記受信動作を行わせている場合に、前記検出部側に前記送受信部側から入力された信号を出力する出力部とを備える。

本実施形態の測定装置によれば、その動作時には、照射動作を行う送受信部から対象物に向けて電磁波が照射される。ここでの「電磁波」とは、反射測定により対象物に関する情報を取得可能な電磁波であり、テラヘルツ波が一例として挙げられる。なお、テラヘルツ波とは、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波である。

対象物に照射された電磁波は、対象物で反射され、受信動作を行う送受信部で受信される。即ち、本実施形態では、電磁波の照射動作及び受信動作が１つの送受信部で行われる。送受信部は、例えば共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）等として構成されている。

送受信部における受信結果は、後述する出力部の動作により、検出部に出力される。検出部は、受信された電磁波を示す信号の振幅、周波数、位相、時間波形等を取得する。そして検出部は、取得した各種情報に対して演算処理を行い、対象物に関する情報を取得する。検出部は、例えば受信された電磁波の強度や時間波形に基づいて、対象物のイメージングや距離情報の取得を行うことが可能である。

送受信部の照射動作及び受信動作は、制御部によって切替えられる。具体的には、制御部が送受信部に照射動作を行わせる場合、出力部から送受信部側に電磁波を照射させるための信号が出力される。なお、ここでの「送受信部側」とは、出力部から見て送受信部側に位置する部位を意味しており、「送受信部側に信号を出力する」とは、送受信部に対して直接信号を出力する場合だけでなく、出力部と送受信部との間に位置する部位に信号を出力する場合も含まれる。また、「電磁波を照射させるための信号」は、制御部が出力する制御信号等をそのまま送受信部側に出力するものであってもよいし、出力部が新たに生成した信号であってもよい。

他方、制御部が送受信部に受信動作を行わせる場合、出力部から検出部側に送受信部側から入力された信号を出力する。なお、ここでの「検出部側」とは、出力部から見て検出部側に位置する部位を意味しており、「検出部側に信号を出力する」とは、検出部に対して直接信号を出力する場合だけでなく、出力部と検出部との間に位置する部位に信号を出力する場合も含まれる。また、「送受信部側から入力された信号」とは、受信された電磁波に応じた信号であり、例えば電磁波の受信有無を示す信号や電磁波の受信強度を示す信号である。

上述したように、制御信号が送受信部にいずれの動作を行わせるかに応じて、出力部からは各種信号を出力される。これにより、送受信部の照射動作及び受信動作を好適に切替えることが可能となる。なお、出力部は、例えばサーキュレータ、アイソレータ、ＭＯＳＦＥＴ等の電子式スイッチとして構成されればよい。このような出力部によれば、極めて高速に照射動作及び受信動作を切替えることができるため、送受信部が発振した電磁波を、送受信部自身で受信することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る測定装置によれば、電磁波を発振する発生素子と電磁波を受信する受信素子とを別々に設けずとも、１つの送受信部によって電磁波の発振及び受信が行える。これにより、比較的単純な測定系で電磁波の反射測定が可能となる。また、発振された電磁波は対象物で正反射して発信源に戻る成分が最も大きいため、電磁波の利用効率も向上する。

＜２＞
本実施形態に係る測定装置の一態様では、前記制御部は、前記送受信部が前記照射動作及び前記受信動作のいずれを行うべきかを示す制御信号を出力し、前記出力部は、前記制御信号が前記照射動作を行うべき信号値である場合に、前記送受信部側に前記電磁波を照射させるための信号を出力し、前記制御信号が前記受信動作を行うべき値である場合に、前記検出部側に前記送受信部側から入力された信号を出力する。

この態様によれば、制御部から出力される制御信号に応じて、出力部から各種信号が出力される。具体的には、制御部から出力された制御信号が照射動作を行うべき値である場合、出力部が送受信部側に電磁波を照射させるための信号を出力する。一方で、制御部から出力された制御信号が受信動作を行うべき値である場合、出力部が検出部側に送受信部側から入力された信号を出力する。

上述したように、出力部が制御信号に応じて各種信号を出力することで、送受信部の照射動作及び受信動作を好適に切替えることが可能となる。

＜３＞
上述した制御部が制御信号を出力する態様では、前記制御部は、前記制御信号としてパルス信号を出力してもよい。

このように構成すれば、制御部が出力するパルス信号のレベルに応じて、送受信部の照射動作及び受信動作を好適に切替えることが可能である。

＜４＞
或いは制御部が制御信号を出力する態様では、前記送受信部に前記電磁波を照射させるための照射用電圧を印加する電圧印加部を更に備え、前記出力部は、前記制御信号が前記照射動作を行うべき値である場合に、前記電圧印加部に前記照射用電圧を印加させるための信号を出力してもよい。

このように構成すれば、制御信号が照射動作を行うべき値である場合、電圧印加部によって送受信部に照射用電圧が印加される。これにより、確実に送受信部から電磁波を照射することが可能となる。

本実施形態に係る測定装置の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。

以下では、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。

＜装置構成＞
先ず、図１を参照しながら、本実施例の測定装置の構成について説明する。ここに図１は、実施例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である。

図１において、本実施例に係る測定装置１０は、テラヘルツ波を対象物２００に照射すると共に、対象物２００で反射されたテラヘルツ波を受信することが可能である。なお、テラヘルツ波は、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電磁波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。

本実施例に係る測定装置１０は、波形発生器１１０と、サーキュレータ１２０と、バイアスティ１３０と、ＤＣ電圧供給部１４０と、共鳴トンネルダイオード１５０と、検波器１６０とを備えて構成されている。

波形発生器１１０は、「制御部」の一具体例であり、共鳴トンネルダイオード１５０の動作を切り替えるための制御信号を出力する。具体的には、波形発生器１１０は、共鳴トンネルダイオード１５０がテラヘルツ波を発振する発振動作及びテラヘルツ波を受信する受信動作のいずれを行うべきかを示す制御信号を出力する。なお、波形発生器１１０から出力される制御信号は、例えばパルス、パルス列又は矩形波等であり、その振幅はpeak to peak値で、共鳴トンネルダイオード１５０の発振電圧と検出電圧との差になる値に設定されている。

サーキュレータ１２０は、「出力部」の一具体例であり、制御部から出力される制御信号に基づいて、信号の伝送経路を切り替える。具体的には、サーキュレータ１２０は、制御信号が発振動作に対応するレベルである場合に、制御信号をバイアスティ１３０に出力する。また、サーキュレータ１２０は、御信号が受信動作に対応するレベルである場合に、バイアスティ１３０から入力された信号を検波器１６０に出力する。

バイアスティ１３０は、「電圧印加部」の一具体例であり、サーキュレータ１２０から入力される制御信号に対して、ＤＣ電圧供給部１４０から供給されるＤＣ電圧（即ち、照射用の電圧）を加算して、共鳴トンネルダイオード１５０に出力する。また、バイアスティ１３０は、共鳴トンネルダイオード１５０から出力された信号（即ち、テラヘルツ波の受信信号）のＡＣ成分をサーキュレータ１２０に出力する。

共鳴トンネルダイオード１５０は、「送受信部」の一具体例であり、テラヘルツ波を発振する発振動作及びテラヘルツ波を受信する受信動作を選択的に行うことが可能である。具体的には、共鳴トンネルダイオード１５０には、発振動作を行う電圧領域及び受信動作を行う電圧領域がそれぞれ別々に存在しており、波形発生器１１０から出力される制御信号に応じて発振動作及び受信動作が切り替えられる。発振動作時の共鳴トンネルダイオード１５０は、対象物２００に対してテラヘルツ波を照射する。一方、受信動作時の共鳴トンネルダイオード１５０は、受信したテラヘルツ波に応じた受信信号をバイアスティ１３０に出力する。

なお、共鳴トンネルダイオード１５０から照射されたテラヘルツ波は、各種光学部材を介して対象物２００に導かれてもよい。具体的には、テラヘルツ波は、例えばテラヘルツ波を平行光にするコリメートレンズ、及びテラヘルツ波を対象物に集光する集光レンズや曲面鏡等を介して、対象物２００に照射される。この場合、対象物２００で反射されたテラヘルツ波も、各種光学部材を介して共鳴トンネルダイオード１５０へと導かれる
検波器１６０は、サーキュレータ１２０から入力された信号の振幅、周波数、位相、時間波形等を出得する。また検波器１６０は、取得した情報に各種演算処理を実行して、対象物２００に関する情報を取得する。検波器１６０は、対象物に関する情報として、例えば対象物２００のイメージング画像を生成することや対象物２００の位置情報取得が可能とされている。

＜変形例＞
次に、図２及び図３を参照しながら、変形例に係るテラヘルツ波計測装置の構成について説明する。ここに図２は、第１変形例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である。また図３は、第２変形例に係る測定装置の構成を示す概略構成図である
図２において、第１変形例に係る測定装置１０ｂは、本実施例に係るサーキュレータ（図１参照）に代えて、アイソレータ１２１を備えて構成されている。なお、アイソレータ１２１は、サーキュレータ１２０の１つの端子をターミネートすることによって、反射波を吸収するように構成されてものである。

アイソレータ１２１は、サーキュレータ１２０と同様に、波形発生器１１０から出力される制御信号に基づいて、信号の伝送経路を切り替える。具体的には、アイソレータ１２１は、制御信号が発振動作に対応するレベルである場合に、制御信号をバイアスティ１３０に出力する。また、アイソレータ１２１は、制御信号が受信動作に対応するレベルである場合に、バイアスティ１３０から入力された信号を吸収する（即ち、出力しない）。制御信号が受信動作に対応するレベルである場合には、高インピーダンスとされた検波器１６０によって、アイソレータ１２１及びバイアスティ１３０間の信号が読み取られる。

図３において、第２変形例に係る測定装置１０ｃは、本実施例に係るサーキュレータ（図１参照）に代えて、電子式スイッチ１２２を備えて構成されている。電子式スイッチ１２２は、波形発生器１１０からの制御信号によってオンオフが切替え可能に構成されている。言い換えれば、第２変形例に係る波形発生器１１０は、制御信号として電子式スイッチ１２２の駆動電圧を出力する。また、電子式スイッチ１２２は、制御信号に代わるＤＣ電圧を供給する第２ＤＣ電圧供給部１７０に接続されている。

電子式スイッチ１２２は、サーキュレータ１２０及びアイソレータ１２１と同様に、波形発生器１１０から出力される制御信号に基づいて、信号の伝送経路を切り替える。具体的には、電子式スイッチ１２２は、制御信号が発振動作に対応するレベルである場合にオンとされ、第２ＤＣ電圧供給部１７０とバイアスティ１３０とを接続する。また、電子式スイッチ１２２は、制御信号が受信動作に対応するレベルである場合にオフとされ、バイアスティ１３０と検波器１６０とを接続する。

以上説明したように、変形例に係る測定装置１０ｂ及び１０ｃによっても、本実施例に係る測定装置１０と同様の動作を実現することができる。

＜動作説明＞
次に、図４を参照しながら、本実施例に係る測定装置１０の動作について具体的に説明する。ここに図４は、実施例に係るテラヘルツ波計測装置の動作時の各種信号を示すタイムチャートである。

図４において、本実施例に係る測定装置１０の照射動作時には、波形発生器１１０から振幅Ｖｍｏｄの制御信号が出力される。ここで、電圧Ｖｍｏｄは、照射動作に対応する電圧であるため、サーキュレータ１２０によりバイアスティ１３０へと導かれる。

そして、バイアスティ１３０では、テラヘルツ波を照射させるための電圧ＶｄｅｔがＶｍｏｄに加算され、電圧Ｖｏｓｃが共鳴トンネルダイオード１５０に出力される。電圧Ｖｏｓｃが印加された共鳴トンネルダイオード１５０は、対象物２００に向けてテラヘルツ波を照射する。

一方、本実施例に係る測定装置１０の受信動作時には、波形発生器１１０から振幅Ｖｍｏｄの制御信号が出力されない。言い換えれば、波形発生器１１０から振幅Ｖｍｏｄの制御信号が出力されない限りは、測定装置１０は受信待機状態とされている。

受信動作時において共鳴トンネルダイオード１５０でテラヘルツ波が受信されると、共鳴トンネルダイオード１５０からバイアスティ１３０に受信信号Ｖｓｉｇが出力される。バイアスティ１３０は、ＶｓｉｇからＤＣ成分を取り除き、ＡＣ成分のみをサーキュレータ１２０に出力する。サーキュレータ１２０は、波形信号から制御信号Ｖｍｏｄが出力されていないため、バイアスティ１３０から出力されたＡＣ成分を検波器１６０に出力する。

以上説明したように、本実施例に係る測定装置１０によれば、テラヘルツ波の発生素子と受信素子とを別々に設けずとも、１つの素子によって発振及び受信が行える。これにより、比較的単純な測定系でテラヘルツ波の反射測定が可能となる。また、発振されたテラヘルツ波は対象物２００で正反射して発信源に戻る成分が最も大きいため、テラヘルツ波の利用効率も向上する。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ 測定装置
１１０ 波形発生器
１２０ サーキュレータ
１２１ アイソレータ
１２２ 電子式スイッチ
１３０ バイアスティ
１４０ ＤＣ電圧供給部
１５０ 共鳴トンネルダイオード
１６０ 検波器
１７０ 第２ＤＣ電圧供給部
２００ 対象物

Claims (5)

1. 所定信号が入力された際に電磁波を発生し、前記所定信号が入力されない際に外部から入射する電磁波を受信可能な一の能動素子を含み、前記一の能動素子が発生させた第１の電磁波を対象物に照射する照射動作、及び前記第１の電磁波が前記対象物にて反射された第２の電磁波を受信する受信動作を行う送受信部と、
   前記送受信部で受信された前記第２の電磁波の情報を検出する検出部と、
   前記送受信部に前記照射動作及び前記受信動作のいずれかを行わせる制御部と、
   前記制御部が前記照射動作を行わせている場合に、前記一の能動素子に前記所定信号を入力させるための第１信号を前記送受信部側に出力し、前記制御部が前記受信動作を行わせている場合に、前記送受信部から入力された前記第２の電磁波の受信信号を前記検出部側に出力する出力部と
   を備えることを特徴とする測定装置。
2. 前記出力部は、サーキュレータ、アイソレータ、又は電子式スイッチによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記制御部は、前記送受信部の前記照射動作と前記受信動作とを切替える制御信号としてパルス信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記一の能動素子に前記所定信号として照射用電圧を印加する電圧印加部を更に備え、
   前記出力部は、前記制御信号として前記送受信部の前記照射動作を選択する信号が出力されている場合に、前記電圧印加部に当該制御信号を出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記一の能動素子は、共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。

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