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慶大、テラヘルツ電磁波の偏波情報を用いた表面凹凸イメージング手法を開発
テラヘルツ電磁波の偏波情報を用いた超高感度凹凸イメージング手法の開発に成功
〜新しい非破壊・非接触検査への応用に期待〜
慶應義塾大学大学院理工学研究科の安松直弥君（修士１年）及び同理工学部物理学科 渡邉紳一准教授の研究グループは、テラヘルツ電磁波の偏波情報を用いた超高感度な表面凹凸イメージング手法の開発に成功しました。テラヘルツ電磁波（注１）による表面形状計測は、可視光を透過しない塗装膜下やプラスチックケース内部の構造物のキズやへこみを非破壊検査する手法として産業界で広く注目を集めていますが、電磁波の波長が０．１〜１ｍｍと著しく長いため高感度な画像を得るのが難しいという課題がありました。今回、測定対象物から反射したテラヘルツ電磁波の偏波情報を高精度で抽出するという全く新しい発想に基づくイメージング装置を開発し、最も感度が高い部分でテラヘルツ電磁波パルスの中心波長の千二百分の一に相当する０．５μｍの深さ分解能を持つ凹凸イメージを得ることに成功しました。
本研究成果は、２０１２年６月２６日（米国時間）に、アメリカ光学会のレター誌『Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ』のオンライン速報版で公開されました。（＊）
（＊）Ｎａｏｙａ Ｙａｓｕｍａｔｓｕ， ａｎｄ Ｓｈｉｎｉｃｈｉ Ｗａｔａｎａｂｅ，"Ｔ−ｒａｙ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｂｙ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｙ．"
Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．３７， Ｉｓｓｕｅ １３， ｐｐ．２７０６−２７０８ （２０１２）．
http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-37-13-2706
＜本研究開発のポイント＞
１．偏波情報抽出という新しい発想に基づくテラヘルツ表面凹凸イメージング手法を発案した。
２．高精度テラヘルツ偏波計測により、著しく高感度な凹凸イメージング装置の開発に成功。
３．工業検査装置や医療機器への応用が期待でき、装置の小型化と更なる高感度化を進めている。
１．開発の背景
テラヘルツ電磁波は可視光領域の光とは周波数が異なり、可視光を透過しない半導体、プラスチック、衣類、紙等に一部透過する特性があります。この特性を利用して、プラスチックパッケージ内部の電子集積回路（ＩＣ）の非破壊検査や衣服や封筒内部に隠された危険物の検査など、新しい非破壊・非接触センシング技術として広く産業界への応用が進められています。とりわけテラヘルツ電磁波を用いた非破壊表面凹凸形状計測は、各種工業製品の塗装膜下のキズやへこみ検査等、内部構造物の欠陥の早期発見につながるため大変注目を集めています。
しかしながら、テラヘルツ電磁波の波長が０．１〜１ｍｍ程度と著しく長いため、構造物の微細なへこみの深さを１μｍ（１μｍ＝０．００１ｍｍ）の感度で観察することが非常に難しく、産業応用にむけた一つの課題となっていました。また、光の波長より細かい凹凸を観察する干渉計という手法では、装置系が複雑になるため、目に見えず取扱いの難しいテラヘルツ電磁波では装置に組み入れるのが困難であるという課題もありました。
２．装置の概要
本研究では、従来型のテラヘルツ波イメージング装置の検出器の部分を改良した高精度テラヘルツ偏波イメージング装置を凹凸計測に応用しました（図１）。凹凸のある試料表面に楕円偏波したテラヘルツ電磁波パルスを照射した場合、高さの違う２点から反射した電磁波の、ある決められた時刻における偏波方向はそれぞれ異なります。この違いを高精度に計測することで試料の高さ情報を抽出します。本手法により最も感度が高い部分で±０．２５μｍ（電磁波の中心波長６００μｍの千二百分の一）の深さ分解能を持つ超高感度凹凸イメージング装置が実現しました。
本装置で取得したテラヘルツ凹凸イメージの例として慶應義塾大学のペンマークのロゴを彫刻したアルミニウム板の深さ形状を計測した結果を図２に示します。左側のデジタルカメラによる写真には接触式厚み計で計測した深さ情報も記しています。二つの切削部分には１μｍの深さの違いがありますが、これは右側のテラヘルツ凹凸イメージにおいて、灰色の濃さの違いとして明確に観測されています。このように本装置は１μｍ以下の深さ分解能を持ちます。さらに曲率を持つ試料についても正しく凹凸形状を計測できることが図３に示されています。
＊図１〜３は添付の関連資料「添付資料」を参照
３．今後の展開
今後は非破壊・非接触テラヘルツ凹凸計測による工業検査やヒトの眼の角膜の曲率計測など産業・医療応用展開を目指し、装置の小型化と更なる高感度化を進めていきます。
＜用語解説＞
※添付の関連資料「添付資料」を参照
