画像形成装置
【課題】テラヘルツ波の信号強度の減少を抑制でき、検出感度を維持しつつ、複数画素の時間波形を測定することが可能な画像形成装置及び方法を提供する。
【解決手段】物体の内部情報を可視化する装置は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を検出する検出部１０１と、検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部１０２と、変調部１０３と、調整部１０５と、加算部１０６を備える。変調部は、水平方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波に関し、検出部に至るまでの画素毎の伝搬距離を複数種の変調パターンで逐次空間変調し、複数のテラヘルツ波１１０、１１１を出射する。調整部は、変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を換算した時間量に基づき、構築部からの複数のテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整し、新たな複数の時間波形を算出する。加算部は、画素毎に新たな時間波形を加算処理する。
【解決手段】物体の内部情報を可視化する装置は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を検出する検出部１０１と、検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部１０２と、変調部１０３と、調整部１０５と、加算部１０６を備える。変調部は、水平方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波に関し、検出部に至るまでの画素毎の伝搬距離を複数種の変調パターンで逐次空間変調し、複数のテラヘルツ波１１０、１１１を出射する。調整部は、変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を換算した時間量に基づき、構築部からの複数のテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整し、新たな複数の時間波形を算出する。加算部は、画素毎に新たな時間波形を加算処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた画像形成装置及び画像形成方法に関する。特には、時間領域でのテラヘルツ波を測定する装置（ＴＨｚ−ＴＤＳ装置、ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ装置）の原理を用い、物体の水平方向及び奥行方向の情報を可視化ないし画像化する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、０.０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この様な周波数帯域には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。こうした特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定などを行う検査技術が開発されている。また、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術や高速な通信技術への応用が期待されている。
【０００３】
多くの場合、これらの用途にはサブピコ秒のパルス形状からなるテラヘルツ波を用いる。一般的に、この様なパルスを実時間で取得することは困難である。そのため、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置は、フェムト秒オーダのパルス幅を有する超短パルス光（本明細書では励起光とも呼ぶ）によってサンプリング計測を行っている。このテラヘルツ波のサンプリングは、テラヘルツ波を発生する発生部とテラヘルツ波を検出する検出部とに夫々到達する励起光の時間差を調整することで実現される。例えば、この時間差は、折り返し光学系を有するステージ（本明細書では遅延光学部とも呼ぶ）を励起光の伝搬経路に挿入し、励起光の折り返し量を調整することで取得する。多くの場合、上記発生部又は検出部として、微小間隙を有するアンテナ電極パターンを半導体膜に設けた光伝導素子を用いる。
【０００４】
ＴＨｚ−ＴＤＳ装置の原理を用いて物体のイメージングを行う場合、物体に照射されるテラヘルツ波の位置を物体に対して面方向に相対的に動かす。そして、イメージングを構成する各画素について、テラヘルツ波の時間波形を測定することで、画像化を試みている（特許文献１参照）。この様な方式では、各画素について、測定箇所を逐次機械的にラスタ走査する必要があるため、物体の画像化に時間がかかる。この課題を改善するため、複数の画素の時間波形を、１つの光伝導素子を用いて一括して取得する手法が開示されている（非特許文献１参照）。ここでは、略平行に成形されたテラヘルツ波を物体に照射し、画素に対応する金属の開口パターンによって、物体からのテラヘルツ波を空間変調している。テラヘルツ波は金属の開口を透過する一方、開口が遮蔽されている場合は反射するので、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布は開口パターンに従って変化する。画像化のステップでは、この金属の開口パターンの変化をモニタし、テラヘルツ波の空間分布に従って各画素の信号を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３８７７２１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９３，１２１１０５ （２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記非特許文献１の技術に依れば、テラヘルツ波を空間変調する段階で金属の開口パターンを用いる。そのため、一部のテラヘルツ波の信号は、金属の開口パターンの遮蔽部分によって反射され、検出器に到達するテラヘルツ波の信号強度が小さくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する本発明の装置は次の構成を有する。物体からのテラヘルツ波を検出する検出部と、検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部を少なくとも有する。また、次の構成要素を有する。可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調部。変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、時間量に基づいて、構築部からの第１及び第２のテラヘルツ波の第１及び第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３及び第４の時間波形を生成する調整部。画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算部。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する本発明の方法は次のステップを含む。物体からのテラヘルツ波を検出部により検出する検出ステップと、検出ステップにおける検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築ステップを少なくとも含む。また、次のステップを有する。可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調ステップ。変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、時間量に基づいて、構築ステップで構築の第１及び第２のテラヘルツ波の第１及び第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３及び第４の時間波形を生成する調整ステップ。画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算ステップ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の装置及び方法に依れば、テラヘルツ波の空間変調について、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布を用いず、画素毎にテラヘルツ波の検出部への到達時間の変化させることで実現している。そのため、テラヘルツ波の空間変調時にテラヘルツ波が遮蔽されることがないため、テラヘルツ波の信号強度の減少を抑制することができ、テラヘルツ波の検出感度を維持しつつ、複数画素の時間波形を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を説明する図。
【図２】透過型の変調部１０３の一構成例を説明する図。
【図３】反射型の変調部１０３の一構成例を説明する図。
【図４】動作を説明する図。
【図５】実施形態１の構成を説明する図。
【図６】実施形態２の構成を説明する図。
【図７】実施形態３の構成を説明する図。
【図８】観察方法の別形態を説明する図。
【図９】物体１０８と変調部１０３の配置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特徴は、次の点にある。すなわち、可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、テラヘルツ波の検出部に至るまでの伝搬距離を複数種の変調パターンで逐次空間変調して複数のテラヘルツ波を出射する。そして、各変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を換算した時間量に基づき、検出部の出力による複数のテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整し、新たな複数の時間波形を生成し、画素毎にこれらの時間波形を加算処理する。
【００１３】
以下、本発明の思想を実施し得る形態について、図面を参照して説明する。本発明の一実施形態を説明する図１によると、本実施形態の時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する装置は、検出部１０１、波形構築部１０２、変調部１０３、調整部１０５、加算部１０６を少なくとも有する。以下、各要素について説明する。
【００１４】
（検出部１０１の説明）
検出部１０１は、テラヘルツ波を検出する部分である。検出部１０１における検出手法として、テラヘルツ波の電界強度の変化による電流の変化を検出する手法がある。この手法として、励起光照射時の光伝導性の変化より、テラヘルツ波の電界強度に対応した電流を検出する手法がある。この様な電流を検出する手段として、半導体膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した素子（本明細書では光伝導素子とも呼ぶ）が適用できる。また、電気光学効果を用いてテラヘルツ波の電場を検出する手法や磁気光学効果を用いてテラヘルツ波の磁場を検出する手法がある。電気光学効果を用いて電場を検出する手法として、偏光スプリッターと電気光学結晶を用いた手段が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法として、偏光スプリッターと磁気光学結晶を用いた手法が適用できる。ここでは、検出部１０１として光伝導素子を用いた例を中心に説明する。
【００１５】
（波形構築部１０２の説明）
波形構築部１０２は、検出部１０１の出力を参照しテラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。テラヘルツ波は多くの場合ピコ秒以下のパルス波形であるため、実時間での取得が困難である。そのため、多くの場合、テラヘルツ波のパルス幅よりも短いパルス幅を有するパルス光でサンプリング計測を行う。検出部１０１として光伝導素子を用いる場合、サンプリングに用いるパルス光は上述した励起光である。励起光は、フェムト秒のパルス幅を有するパルス光である。テラヘルツ波のサンプリング計測は、検出部１０１に到達するテラヘルツ波と検出部１０１に到達する励起光のタイミングを調整して行う。多くの場合、励起光が検出部１０１に到達する時間を調整する。励起光のタイミングの調整手法として、励起光を発生するレーザ光源について、励起光の発生するタイミングを調整する手法がある。例えば、変調信号を発生する信号源を用いて、レーザ光源の繰り返し周波数を変調する手段がある。また、励起光のタイミングの調整手法として、励起光の伝搬長を調整し、励起光が検出部１０１に到達するタイミングを調整する手法がある。例えば、レーザ光源の繰り返し周波数を固定し、折り返し光学系を有するステージ（遅延光学部）で励起光の伝搬長を機械的に調整する手段がある。これらの手段は、イメージングを行う際の画像取得時間や測定精度等、装置に求められる仕様に応じて適宜選択されるものである。波形構築部１０２では、検出部１０１に到達するテラヘルツ波と励起光の時間差をモニタし、この時間差に応じた検出部１０１の出力をプロットすることでテラヘルツ波の時間波形を構築する。
【００１６】
（変調部１０３の説明）
変調部１０３は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調する部分である。具体的には、情報を画像化する物体１０８の水平方向の画素情報について空間変調を行う。画像化する物体の情報としては、水平方向の情報と奥行方向の情報があり得る。奥行方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向の情報であり、テラヘルツ波の時間波形の情報がこれに対応する。水平方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の情報である。言い換えると、テラヘルツ波の時間波形を構築する際の時間軸について、時間軸を或る時間に固定し、観察領域内のテラヘルツ波の強度分布をモニタした情報に相当する。また、空間変調とは、可視化される各画素について、物体１０８と検出部１０１の間の伝搬距離を各々変化させることをいう。言い換えると、画素毎にテラヘルツ波の伝搬時間を調整していることに相当する。変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調するための変調領域１１２を有する。
【００１７】
図１（ａ）は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９が変調部１０３の変調領域１１２を透過する例を示している。この時、図１（ｂ）の様に、変調領域１１２に照射される物体からのテラヘルツ波１０９の照射領域１１３は、可視化に用いる画素に対応する領域を９箇所含んでいる。当然ながら、画素領域の数はこれに限るものではない。物体１０８からのテラヘルツ波１０９の空間変調は、この画素に対応する領域の性状の組合せで実現する。本明細書では、この画素領域の性状の組合せを変調パターンと呼ぶ。ここで、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれる画素領域は、可視化に用いる画素領域を全て含んでいてもよいし、可視化に用いる画素領域のうちの一部の画素領域を含む構成でもよい。テラヘルツ波の照射領域１１３について、可視化される画素領域を全て含む場合、本装置は、検出部１０１の出力より物体１０８の可視化が可能になる。テラヘルツ波の照射領域１１３が、可視化したい領域よりも小さい場合、以下の構成が追加されることが望ましい。すなわち、物体１０８の可視化したい領域について、物体１０８とテラヘルツ波１０９の位置を面方向に相対的に変化させる構成が追加されることが望ましい。この構成によって、各位置にて可視化された情報より、可視化したい領域の情報を再構築する。位置を相対的に変化させる構成は、物体１０８の位置を変化させる構成や、物体からのテラヘルツ波１０９を走査する構成がある。
【００１８】
図１（ａ）の例では物体１０８からのテラヘルツ波１０９は、１つの孤立パルスである。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３の変調領域１１２を介し、テラヘルツ波のパルス列として出射する。このパルス列のパターンは、変調部１０３の変調パターンによって変化する。本明細書では、第１の変調パターンで出射したテラヘルツ波を第１のテラヘルツ波１１０と呼ぶ。また、第２の変調パターンで出射したテラヘルツ波を第２のテラヘルツ波１１１と呼ぶ。図１（ｃ）は、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１の例を示している。変調部１０３の変調パターンに応じて、各テラヘルツ波１１０、１１１を構成するパルス列の時間間隔は変化する。変調部１０３の変調領域１１２の特性によっては、パルス形状も変化する。図１（ａ）において、変調部１０３の変調パターンが第１の変調パターンから第２の変調パターンに変化すると、検出部１０１に到達するテラヘルツ波は、第１のテラヘルツ波１１０から第２のテラヘルツ波１１１に変化する。ここで、各変調パターンの切り替え時に、可視化される各画素の位置が変動しないように位置合わせを行うことが望ましい。特に、機械的に変調パターンを切り替える場合、位置合わせ機構を有することが望ましい。例えば、エンコーダなどで位置を検知してこの位置情報を用いて位置合わせ状態をフィードバック制御する。この様な態様を有することで、可視化された物体の画像は、境界のボケが抑制され画像のコントラストが改善されるという効果を奏する。
【００１９】
これまでの説明では、物体１０８からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３を透過する構成で説明したが、これに限らない。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３の変調領域１１２において反射する構成で実現することも可能である。図２と図３は、変調部１０３の構成例を示したものである。変調部１０３の構成は、これらに限るものではなく、物体からのテラヘルツ波１０９の伝搬距離を部分的に変化させ、空間変調させる目的を達成する構成であればよい。
【００２０】
図２は、透過型の変調部１０３の構成例を示した図である。図２（ａ）の様に、変調部１０３は、樹脂シート２０１、ステージ２０２、ドライバ２０３で構成する。図２の樹脂シート２０１は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調するための変調領域１１２を有している。物体からのテラヘルツ波１０９はほぼ平行なビームである。そして、変調領域１１２は、可視化する際の画素サイズに、ほぼ賽の目状に区切られている。この１つの区切りを画素領域と呼ぶ。ここでは、テラヘルツ波の照射領域１１３について、９箇所の画素領域を含む構成になっている。
【００２１】
物体からのテラヘルツ波１０９は、波面内の全ての要素（画素の情報に相当）が平行に伝搬するとしても、或る曲率をもって発散することが知られている。つまり、変調領域１１２にある各画素領域に含まれる情報は、各画素領域周辺の情報が重なっていると考えることができる。ここで、この隣接する画素領域間において許容するテラヘルツ波の重なり領域の割合をＡ（％）とする。この時、物体１０８と変調領域１１２との実効的な距離は、測定者が設定する重なり領域の割合がＡ以下になる様に設定することが望ましい。ここでは、この距離をＤ（ｍ）とする。例えば、物体からのテラヘルツ波１０９は、物体１０８の構造によって回折を受け伝搬する。物体からのテラヘルツ波１０９のビーム形状がガウシアンビームに近似できると仮定すると、変調領域１１２の各画素領域に到達するテラヘルツ波のビーム径は次式で近似することができる。
【００２２】
ｗ（Ｄ）＝ｗ０［１＋（λＤ／πｗ０２）２］１／２ 式（１）
ここで、ｗ０は、各画素領域に対応する物体１０８上の場所から出射した直後のテラヘルツ波について、１／ｅ２の強度の等高線の半径である。ｗ（Ｄ）は、ビーム径ｗ０を有するテラヘルツ波が距離Ｄ伝搬し、各画素領域に入射するテラヘルツ波について、１／ｅ２の強度の等高線の半径である。λは、テラヘルツ波の波長である。ここで、画素領域のサイズは、半径ｗ０の円を内接する四角形状と仮定すると、画素領域には、半径ｗ（Ｄ）のテラヘルツ波が入射する。この入射するテラヘルツ波のビーム径は、画素領域よりも大きく、この画素領域に収まらない領域を重なり領域と定義する。つまり、物体１０８から各画素領域に到達するテラヘルツ波のビーム径が、式（１）に従って広がるとすると、重なり領域の成分が隣接する画素領域に漏れ出し、画素領域間の情報が重なる。各画素領域について、隣接する画素領域からのテラヘルツ波の重なり領域の割合Ａを定めると、ｗ（Ｄ）は次式のように定義できる。
ｗ（Ｄ）＝（１＋０.０１Ａ）ｗ０ 式（２）
式（１）と式（２）より、望ましい画素領域のサイズ２ｗ０は、重なり領域Ａで定義される割合と物体１０８から変調部１０３の変調領域１１２までの実効的な距離Ｄによって次式のように求めることができる。そして、画素領域のサイズは、この２ｗ０を包括する領域であればよい。
ｗ０２＝Ｄλ／｛π［（１＋０.０１Ａ）２−１］１／２｝ 式（３）
【００２３】
例えば、波長λとして３００μｍ、重なり領域Ａとして２０％、距離Ｄとして２５．４ｍｍを適用すると、望まれる画素領域のサイズは約２ｍｍ×２ｍｍとなる。ここで使用するテラヘルツ波の波長λは、テラヘルツ波が有する周波数スペクトルから任意に選択できる。例えば、波長λは、最大のパワーを有する波長付近の値に調整することが望ましい。最大の感度を有する波長に画素領域のサイズを調整することで、信号のＳＮ比が高まり、形成される画像のコントラストが向上する。また、別の態様として、欲しい水平分解能に応じて波長λを選択してもよい。この時、各画素領域に収まらない波長成分は、空間変調時に隣接する画素領域によって意図しない伝搬距離によって変調を受ける。その結果、信号が拡散され、後述する調整部１０５による時間波形の調整において、この拡散された成分はノイズとして重畳される。そして、後述する加算部１０６の動作によって、拡散された成分が抑制され、結果的に、低周波数側の信号が抑制された微分画像が取得できる。
【００２４】
式（３）からも明らかな様に、画素領域のサイズは、距離Ｄに依る。具体的には、物体１０８と変調領域１１２の距離が近い程、画素領域のサイズは小さくできる。理想的には、密着している態様がよい。ただし、必要とされる装置形態によっては、物体１０８と変調部１０３の変調領域１１２の距離を大きく離間させる必要がある。この時、図９の様に、物体１０８と変調部１０３の変調領域１１２の間にレンズのような集光部材を挿入し、集光部材に投影される物体１０８の像を再投影させる態様も可能である。集光部材は、物体からのテラヘルツ波１０９を包括するサイズで、上述した距離Ｄの位置に配置する。集光部材を介した物体からのテラヘルツ波１０９は、集光部材の光学特性に従って再投影される。変調部１０３は、この再投影される場所に配置する。この態様であると、集光部材によって再投影される距離分だけ、物体１０８と変調領域１１２の距離を離すことができる。そのため、装置の配置自由度が改善されるという効果を奏する。
【００２５】
変調部１０３の各画素領域を介したテラヘルツ波は、検出部１０１に至る伝搬距離が各々変化している。言い換えると、伝搬時間が異なるテラヘルツ波パルスの集合体である。そのため、各画素領域を介したテラヘルツ波は、互いに伝搬領域が重なっても時間軸上の位置で分離できる。そのため、変調部１０３と検出部１０１の距離は、或る程度離れていてもよい。本発明では、テラヘルツ波は、検出部１０１に集光して入射する態様であるので、この光学系が成立する範囲であればよい。例えば、変調部１０３と検出部１０１は、数１０から数１００ｍｍの距離に配置する。
【００２６】
図２（ｂ）は、樹脂シート２０１のＡＡ’断面図を示したものである。図示の様に、樹脂シート２０１の変調領域１１２は、画素領域毎に部材の厚みが異なっている。大気と樹脂は屈折率が異なるため、部材の厚みにより、テラヘルツ波の伝搬距離が変化する。その結果、伝搬時間も変化する。図の様に、物体からのテラヘルツ波１０９が同じタイミングで各画素領域に到達すると仮定すると、変調部１０３は、伝搬時間が異なるテラヘルツ波（２０４、２０５、２０６）を出射する。その結果、パルス列が生成される。樹脂シート２０１は、テラヘルツ波に対して損失の少ない材料で構成することが望ましい。例えば、ポリエチレンやポリカーボネート、シクロオレフィン類の材料が適用できる。
【００２７】
この画素領域毎の部材の厚みの差は、テラヘルツ波のパルス列が分離できる程度の厚みであることが望ましい。好ましくは、画素領域毎の部材の厚みの差は、使用するテラヘルツ波のパルス幅について、パルスの半値幅程度の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みである。例えば、使用するテラヘルツ波パルスの半値幅が３００フェムト秒で部材の屈折率を１．５と仮定すると、部材の厚みの差は約６０μｍとなる。ただし、部材の厚みの差は、テラヘルツ波パルスの半値幅以下の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みでもよい場合もある。こうした例として、使用するテラヘルツ波のパルス列に対して、参照波を用いて逆畳み込み演算を行いインパルスのパルス列を求める形態がある。ここでは、部材の厚みの差は、テラヘルツ波パルスの半値幅ではなく、上記演算の結果求められたインパルス信号の半値幅程度の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みになる。この時の部材の厚みの差は、数μｍとなる。
【００２８】
ステージ２０２は、樹脂シート２０１を保持し、テラヘルツ波の照射領域１１３の入射方向に対して変調領域１１２の位置を面方向に変える。変調領域１１２の移動によって、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれる部材の厚みの分布が変化する。その結果、変調領域１１２に照射されるテラヘルツ波の照射領域１１３の位置を調整することで、様々なパターンのパルス列が変調部１０３より出射する。ドライバ２０３は、ステージ２０２の位置を調整する部分である。ステージ２０２の位置と本装置が用いる変調パターンの対応が記憶されている場合、ドライバ２０３の制御量によって変調パターンを切り替えることができる。
【００２９】
以上では、透過型の変調部１０３として、樹脂シート２０１とステージ２０２を組み合わせる構成を示したが、変調部１０３の構成はこれに限らない。物体１０８からのテラヘルツ波１０９が変調部１０３を透過し、その伝搬距離を部分的に変化させ、空間変調させる目的を達成する構成であればよい。例えば、樹脂シート２０１を、セラミックや半導体基板に置き換える構成も可能である。また、これまで説明した透過型の変調部１０３は、変調領域１１２の部材の厚みを調整することで物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調させてきたが、部材の厚みは均一でもよい。テラヘルツ波の伝搬距離は、部材の屈折率によって変化するので、液晶材料の配向状態の制御や電気泳動による粒子の分布を制御することで、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を調整することが可能である。この場合、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を電気的に調整することができるので、変調パターンの切り替えに要する時間を短縮でき、可視化の速度が向上する。また、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を電気的に調整することができるので、変調パターンの切り替え用のステージ２０２も不要になり、装置の小型化が実現できる。
【００３０】
これまで説明した透過型の変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波に対する空間変調をテラヘルツ波の伝搬距離が異なる透過部材により行っている。この構成は、テラヘルツ波の伝搬経路に変調部１０３を挿入することで空間変調が実現できるため、空間変調を行うためのテラヘルツ波の伝搬経路の取り回しが最少で済む。そのため装置構成が簡単になるという効果を奏する。
【００３１】
図３は、反射型の変調部１０３の構成例を示した図である。図３（ｂ）の様に、変調部１０３は、ロッド３０１、アクチュエータ３０２、ドライバ３０３で構成する。図３のロッド３０１は、端部に物体１０８からのテラヘルツ波１０９を反射するための反射部材を備えている。この反射部材は、使用するテラヘルツ波の最短波長λに対し、およそ１／２０・λ以下の粗さを有する金属面であることが望ましい。また、この金属面には、金属面を保護するための誘電体保護膜や反射効率を改善するための多層膜構造を備えていてもよい。ロッド３０１の端部は、物体からのテラヘルツ波１０９の入射方向に対し、反射したい方向にカットされている。ロッド３０１の断面積は、透過型の変調部１０３で説明したように、重なり領域Ａと変調部１０３の変調領域１１２までの距離Ｄによって定義される。図３では、ロッド３０１は円柱で表現されているが、これに限らず、多角形などでもよい。変調領域１１２は、このロッド３０１を複数備えることで構成する。変調領域１１２は、少なくともテラヘルツ波の照射領域１１３を包括する大きさである。図３（ａ）において、物体からのテラヘルツ波１０９がロッド３０１の長手方向より入射し、反射されたテラヘルツ波が入射方向に対し９０度の角度で出射する態様が示されている。出射角度はこれに限らず、装置の仕様によって適宜選択される。
【００３２】
図３（ｂ）は、変調部１０３のＢＢ’断面図を示す。図の様に、変調領域１１２にあるロッド３０１は、反射されたテラヘルツ波の出射角度にロッド３０１の端部が略沿うように配置されている。ロッド３０１は、アクチュエータ３０２によって、ロッド３０１の長手方向に動かされる。ロッド３０１の位置によって、テラヘルツ波の伝搬距離が変化する。その結果、伝搬時間も変化する。図の様に、物体からのテラヘルツ波１０９が、テラヘルツ波の端面形状３０７に対し、同じタイミングで各画素領域を構成するロッド３０１に到達すると仮定する。この時、変調部１０３は、反射されたテラヘルツ波の端面形状３０８に対し、伝搬時間が異なるテラヘルツ波（３０４、３０５、３０６）を出射する。その結果、パルス列が生成される。
【００３３】
上述した様に、アクチュエータ３０２は、変調領域１１２にあるロッド３０１の位置を、ロッド３０１の長手方向に変える。アクチュエータ３０２として、数μｍからサブμｍの位置決め精度を有するものが望ましく、例えばピエゾ素子やステッピングモータが適用できる。変調領域１１２にあるロッド３０１の位置を個別に調整することで、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれるロッド３０１の高さの分布が変化する。その結果、このロッド３０１の高さの分布を調整することで、様々なパターンのパルス列が変調部１０３より出射する。尚、調整されるロッド３０１の高さは、ロッド３０１から反射されるテラヘルツ波（３０４、３０５、３０６）を完全に遮蔽しない位置関係に調整することが望ましい。そして、透過型の変調部１０３でも説明したが、調整されるロッド３０１の高さの差は、テラヘルツ波のパルス列が分離できる程度であることが望ましい。例えば、使用するテラヘルツ波パルスの半値幅が３００フェムト秒と仮定すると、ロッド３０１の高さの差は約９０μｍとなる。また、透過型の変調部１０３でも説明したが、使用するテラヘルツ波のパルス列に対して、参照波を用いて逆畳み込み演算を行いインパルスのパルス列を求める形態を適用してもよい。ドライバ３０３は、アクチュエータ３０２の動作を制御し、ロッド３０１の高さを調整する部分である。アクチュエータ３０２の制御量と本装置が用いる変調パターンの対応が記憶されている場合、ドライバ３０３の制御量によって変調パターンを切り替えることができる。
【００３４】
これまで説明した反射型の変調部１０３においては、物体からのテラヘルツ波に対する空間変調が、変調部１０３に備えられた複数の反射部材を用いて、変調部１０３で反射されるテラヘルツ波の伝搬距離を調整して行われる。空間変調を行うために部材内部を伝搬させる必要がないため、空間変調に伴うテラヘルツ波の損失を抑制できる。そのため、装置の検出感度が高まり形成される画像のコントラストが改善するという効果を奏する。
【００３５】
（調整部１０５の説明）
図１の説明に戻る。調整部１０５は、変調部１０３が使用した変調パターンを参照し、テラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整する部分である。具体的には、使用した変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算する。そして、この時、時間量に基づいて、波形構築部１０２に記憶された第１のテラヘルツ波の第１の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整する。本明細書では、調整された第１の時間波形を第３の時間波形と呼び、調整された第２の時間波形を第４の時間波形と呼ぶ。調整部１０５は、この第３の時間波形と第４の時間波形を出力する。
【００３６】
図を用いて調整部１０５の動作を説明する。ここでは、図２で説明した透過型の変調部１０３を用いるものとして説明する。図４（ａ）は、説明に用いる変調部１０３の変調領域１１２の構成を示したものである。変調領域１１２は、１８箇所の画素領域で構成される。各画素領域には、ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３、ｄｔ４、ｄｔ５、ｄｔ６、ｄｔ７、ｄｔ８、ｄｔ９という９種類の伝搬距離の変化量が割り当てられている。これらの伝搬距離の変化量は樹脂シート２０１の厚みで調整される。例えば、樹脂シート２０１として屈折率１．５のシクロオレフィンを用いると、１ピコ秒は２００μｍの厚みに相当する。図４（ａ）の様に、変調領域１１２は、これらの画素領域がランダムに配置して構成される。ここで、変調領域１１２に照射される物体１０８からのテラヘルツ波１０９の照射領域１１３は、３×３の画素領域に照射されるものとする。つまり、変調領域１１２に単一パルスのテラヘルツ波が照射されると、最大９つのパルス列が変調部１０３より出射する。以下に調整部１０５の動作を含めた装置の動作フローを示す。以下の動作フローでは、各変調パターンの中心画素領域に着目して説明する。
【００３７】
（１）図４（ａ）において変調部１０３の変調領域１１２の位置を調整し、第１の変調パターン４０１の位置にテラヘルツ波を照射する。
（２）変調部１０３は図１（ａ）における第１のテラヘルツ波１１０を出射する。ここで、第１の変調パターン４０１は、ｄｔ１からｄｔ９の画素領域を１つずつ含むため、９つのパルス列が出射する。
（３）検出部１０１は第１のテラヘルツ波１１０を検出し、波形構築部１０２は第１の時間波形４０３を構築する。
（４）調整部１０５は、使用した第１の変調パターン４０１を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第１の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はｄｔ７である。
（５）調整部１０５は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部１０３を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
（６）調整部１０５はステップ（５）で求めた時間量に基づき、波形構築部１０２に記憶された第１の時間波形４０３の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形４０５を算出する。具体的には、ステップ（５）で求めた時間量分、第１の時間波形４０３の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。ここでは、変化量ｄｔ７に対応する時間量だけシフトする。
（７）図４（ａ）において変調部１０３の変調領域１１２の位置を調整し、第２の変調パターン４０２の位置にテラヘルツ波を照射する。
（８）変調部１０３は図１（ａ）における第２のテラヘルツ波１１１を出射する。ここで、第２の変調パターン４０２は、ｄｔ１からｄｔ９の画素領域を１つずつ含むため、９つのパルス列が出射する。
（９）検出部１０１は第２のテラヘルツ波１１１を検出し、波形構築部１０２は第２の時間波形４０４を構築する。
（１０）調整部１０５は、使用した第２の変調パターン４０２を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第２の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はｄｔ２である。
（１１）調整部１０５は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部１０３を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
（１２）調整部１０５はステップ（１１）で求めた時間量に基づき、波形構築部１０２に記憶された第２の時間波形４０４の時間軸上の位置を調整し、第４の時間波形４０６を算出する。具体的には、ステップ（１２）で求めた時間量分、第２の時間波形４０４の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。
【００３８】
以上の様な動作を、各画素領域について行う。つまり、各画素領域について、第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６が求められる。これまでの説明では、使用する変調パターンは２つであるが、変調パターンは２つ以上でも構わない。また、この動作フローでは、装置が変調パターンを変更後、時間波形の調整を行っているが、動作フローの順番はこれに限るものではない。例えば、変調パターンの変更に伴うテラヘルツ波の時間波形構築の結果を逐次波形構築部１０２に記憶させ、変調パターンの変更が全て終了した段階で、調整部１０５で時間波形を調整してもよい。また、波形構築部１０２による時間波形の構築と、調整部１０５による時間波形の調整を並行して処理してもよい。
【００３９】
ステップ（６）とステップ（１２）の時間軸の調整では、時間波形の位置のみを調整していたが、画素領域を伝搬する際の画素領域の影響を補償する工程を有していてもよい。例えば、透過型の変調部１０３を用いた場合、画素領域の伝搬に伴う吸収や分散によるパルス形状の変化の補償を行う態様も可能である。また、部材内部でのテラヘルツ波の反射によるエコーパルスが発生する位置を予め把握し、これを除去する態様も可能である。反射型の変調部１０３を用いる場合でも、例えば、反射部材が備えた保護膜や多層膜によるパルス形状への影響やエコーパルスの除去を行う態様が可能である。これらの影響は予め分かるので、これを記憶しておいて記憶情報に基づいて、変化したパルス形状を元に戻す等の処理をすればよい。この様な工程を有することで、変調部１０３が介在することによる影響を抑制できるので、画像化におけるコントラストの低下やゴーストの発生を低減できるという効果を奏する。
【００４０】
ここで使用する第１の変調パターン４０１と第２の変調パターン４０２は、予め定められた変調パターンを用いてもよいし、ランダムに選択されてもよい。予め定められた変調パターンを用いる場合、時間波形の調整に用いる変調パターンの情報を先読みすることができる。そのため、装置の動作速度の改善が容易になるという効果を奏する。変調パターンがランダムに選択される場合、後述するモニタ部によって変調パターンを特定することが望まれる。
【００４１】
（モニタ部１０４の説明）
再び図１の説明に戻る。モニタ部１０４は、上述した変調部１０３の状態をモニタし、使用している変調パターンを確定する部分である。例えば、モニタ部１０４は、これまで説明した透過型もしくは反射型の変調部１０３にあるドライバ（２０３、３０３）の制御状態から、使用している変調パターンを確定する。また、変調領域１１２の状態をカメラや３次元測定器で測定し、その結果より、使用している変調パターンを確定してもよい。この様に、ここでは、モニタ部１０４によって変調部１０３の状態をモニタし、モニタ結果より、調整部１０５が参照する変調パターンを確定している。常時、モニタ部１０４の状態より変調パターンを確定することで、使用した変調パターンとは異なる変調パターンで時間波形の時間軸上の位置を調整することを防止することができる。そのため、装置の動作が安定するという効果を奏する。
【００４２】
このモニタ部１０４を使用しない態様も可能である。この場合、予め使用する変調パターンを記憶する部分（本明細書ではパターン記憶部と呼ぶ）を有することが望ましい。変調部１０３は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンに従って、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調する。また、調整部１０５は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンに従ってテラヘルツ波の時間波形を調整する。この様に、変調部１０３は、予め定められた変調パターンによって物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調し、パターン記憶部は、この変調パターンを予め記憶している。調整部１０５は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンを参照し、時間波形の時間軸上の位置の調整を行う。このことから、調整部１０５は、時間波形の調整に用いる変調パターンの情報を先読みすることができる。そのため、装置の動作速度の改善が容易になるという効果を奏する。
【００４３】
（加算部１０６の説明）
加算部１０６は、調整部１０５から得られた第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を加算する部分である。装置構成によっては、これらの時間波形の加算平均を取得してもよい。本明細書では、単純な加算を含むこうした処理を加算処理と呼ぶ。ここでは、加算平均をする態様で説明する。この作業は、画像化する画素毎に行われる。具体的には、画素に対応する画素領域の第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を取得し、これを加算平均する。複数の時間波形を加算平均すると、信号が重なる部分が強調され、ノイズのようなランダムに発生する信号は互いに打消しあって平坦化する。その結果、信号のＳＮ比が、加算回数の平方根に比例して改善される。本装置では、調整部１０５によって、着目する画素領域の信号が同じ時間軸上の位置に出現するように調整されている。そのため、着目する画素領域以外の信号の時間軸上の位置は、調整部１０５の調整量に従って様々な位置に配置される。その結果、着目する画素領域の信号が強調されその他の信号が平坦化することで、着目する画素領域の信号を抽出する。この様子を図４（ｃ）に示す。これまで説明した様に、図４では、変調パターンのうち、中心の画素領域の信号に着目している。図４（ｂ）で算出された第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を加算平均すると、加算平均後の時間波形４０７は、重なり合う部分の信号が強調される。
【００４４】
（画像構成部１０７の説明）
画像構成部１０７は、加算部１０６で求められた時間波形より、物体１０８の画像化を行う部分である。具体的には、画像構成部１０７は、各画素領域からの時間波形について、画像化を行う画素に配置する。そして、各時間波形の時間軸を距離に換算し、物体１０８の奥行方向の情報として、三次元像を構成する。ここで、画像構成部１０７で物体１０８を画像化する際、予め測定された装置の参照信号を用いて逆畳み込み演算を行い、奥行方向の分解を改善する工程を含んでいてもよい。例えば、この参照信号は、物体１０８を設置する位置に鏡を設置し、物体１０８がない場合のテラヘルツ波の時間波形とする。また、測定する物体１０８の外形に略等しい反射物を設置し、この時のテラヘルツ波の時間波形を参照信号としてもよい。参照信号を求める際、これまで説明した変調部１０３を用いて、各画素領域の参照信号を求めてもよい。
【００４５】
また、時間波形の時間軸を距離に換算する際、物性の情報より屈折率を算出し、屈折率による波長短縮の効果を補償する構成も可能である。この物性の情報は、物体１０８内部の界面から反射するテラヘルツ波パルスの変化から求めることができる。また、実際に界面から反射するテラヘルツ波よりスペクトル情報を求めてもよい。予め、物体１０８の内部構造が分かっている場合、内部構造の情報からテラヘルツ波の波長短縮の効果を補償してもよい。
【００４６】
これまで説明した様に、本実施形態の装置及び方法では、画素毎に物体から検出部に至るテラヘルツ波の伝搬距離を変化させ、物体からのテラヘルツ波を空間変調している。空間変調のパターンは、時間波形の測定毎に変化させ、画素数より少ない検出器などの検出部でこの時間波形を測定している。可視化の際には、各画素について、テラヘルツ波の伝搬距離が同じ値になるように、変調パターンを参照し画素毎にテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整している。測定された時間波形について、上述した処理を施し、各画素について、処理した時間波形を加算平均等することで、各画素の時間波形を抽出し可視化している。ここでは、テラヘルツ波の空間変調について、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布を用いず、画素毎にテラヘルツ波の検出部への到達時間の変化させることで実現している。そのため、テラヘルツ波の空間変調時に、テラヘルツ波が遮蔽されることがないため、テラヘルツ波の信号強度の減少を抑制することができる。その結果、テラヘルツ波の検出感度を維持しつつ、複数画素の時間波形を測定することが可能になるという効果を奏する。
【００４７】
尚、本装置ないし方法は、物体１０８の観察を行う際に、観察対象領域から伝搬する物体からのテラヘルツ波１０９を一括して取得しているが、これに限らない。例えば、図８（ａ）の様に、テラヘルツ波による観察領域８０１を物体１０８に対して相対的に動かし、走査する手法も可能である。この時、画像構成部１０７は、観察している領域の位置をモニタすることで、観察領域８０１から得られた画像等をつなぎ合わせる。また、これまでの説明では、物体１０８と使用する検出部１０１は対になっていたが、図８（ｂ）の様に、物体１０８に対して複数の検出器８０２を用い、観察領域８０１を分割して画像等を取得することもできる。この様に、物体１０８に対して観察領域８０１を制限することで、単位面積あたりのテラヘルツ波の強度を高めることや、不要な外来電磁波ノイズの混入を抑制することができる。その結果、信号のＳＮ比が高まり、検出感度が改善するという効果を奏する。
【００４８】
本発明の画像形成装置及び方法のより具体的な実施形態を図を用いて説明する。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
（実施形態１）
図５は、実施形態１の画像形成装置及び方法の概略構成図である。ここでは、これまで説明した装置構成に対し、発生部５０１、レーザ源５０２、遅延光学部５０３が加わる構成である。図５の様に、この画像形成装置は、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の装置構成となっている。
【００４９】
発生部５０１は、テラヘルツ波を発生する部分である。発生部５０１から発生するテラヘルツ波はパルス波形状である。発生部５０１における発生原理として、瞬時電流を利用する手法と、キャリヤのバンド間遷移を利用する手法がある。瞬時電流を利用する手法としては、半導体や有機結晶の表面に励起光を照射してテラヘルツ波を発生する手法がある。この手法として、金属電極でアンテナパターンを半導体薄膜上に形成した素子（光伝導素子）に電界を印加した状態で励起光を照射する手法がある。また、ＰＩＮダイオードが適用できる。また、利得構造におけるキャリヤのバンド間遷移を利用する手法としては、半導体量子井戸構造を用いる手法が適用できる。ここでは、発生部５０１として、光伝導素子を用いる例で説明する。
【００５０】
レーザ源５０２は、超短パルスレーザを出力する部分である。多くの場合、レーザ源５０２から出力されるパルスレーザは、数１０フェムト秒のパルス幅を有する。上述した発生部５０１と検出部１０１は、この超短パルスレーザの照射によりキャリヤを半導体薄膜に励起することで動作する。このことから、本明細書では、この超短パルスレーザを励起光とも呼ぶ。図５に示す様に、励起光は、L１とL２の２つの光路に分岐される。本実施形態では、光路L１を通る励起光は発生部５０１に照射される。光路L２を通る励起光は、後述する遅延光学部５０３を介して検出部１０１に照射される。レーザ源５０２の波長は、使用する発生部５０１と検出部１０１の半導体膜の吸収波長によって変化する。また、発生部５０２と検出部１０１の吸収波長によっては、光路Ｌ1またはＬ２の経路中に波長変換素子が挿入されていてもよい。レーザ源５０２の波長やパルス幅、パルスレーザの繰り返し周波数は、必要とされる装置仕様によって適宜選択される。
【００５１】
遅延光学部５０３は、励起光の伝搬長を調整し、検出部１０１に照射する励起光のタイミングを調整する部分である。上述した様に、テラヘルツ波を実時間で検出することは難しいため、発生部５０１に入射する励起光と検出部１０１に入射する励起光の時間差を遅延光学部５０３で調整することで、テラヘルツ波のサンプリング計測を行う。遅延光学部５０３は、励起光が伝搬する光路長を直接調整する手法、実効的な光路長を調整する手法などを用いることができる。光路長を直接調整する手法は、励起光を折り返す折り返し光学系と、この光学系を折り返し方向に動かす可動部を用いる手法がある。実効的な光路長を調整する手法は、励起光が伝搬する光路中の時定数（屈折率）を変化させる手法がある。ただし、遅延光学部５０３の構成はこれに限らず、時間差を調整する目的を達成するものであればよい。ここでは、折り返し光学系を用いる例を示している。
【００５２】
本実施形態の動作を説明する。レーザ源５０２は励起光を出力する。励起光はビームスプリッタを介し、光路Ｌ１とＬ２に分岐される。光路Ｌ１を伝搬する励起光は発生部５０１に照射される。発生部５０１は、励起光の照射によってテラヘルツ波を発生する。発生したテラヘルツ波は物体１０８に照射される。この時、物体１０８に入射するテラヘルツ波のビーム形状は、画像化に用いる画素領域を複数包括する程度に調整されている。テラヘルツ波は、物体１０８で反射し、物体からのテラヘルツ波１０９が発生する。物体からのテラヘルツ波１０９には、物体１０８の内部構造や物性による影響が反映されている。変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波１０９について、第１の変調パターンと第２の変調パターンで空間変調し、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１を出射する。説明の都合上、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１という表現をしているが、当然ながら使用する変調パターンは、２つ以上あってもよい。
【００５３】
光路Ｌ２を伝搬する励起光は、遅延光学部５０３によって、検出部１０１に入射するタイミングが調整される。検出部１０１には、励起光と第１のテラヘルツ波１１０または第２のテラヘルツ波１１１が入射される。検出部１０１では、励起光が入射された時点での第１のテラヘルツ波１１０または第２のテラヘルツ波１１１の電界強度が検出される。波形構築部１０２は、遅延光学部５０３による伝搬長の変化と検出部１０１の出力を参照し、第１のテラヘルツ波１１０の時間波形（第１の時間波形４０３）と第２のテラヘルツ波１１１の時間波形（第２の時間波形４０４）を構築する。上述した様に、この時に構築される時間波形は、各画素領域のパルスが混合したパルス列の形状を有している。
【００５４】
モニタ部１０４は、変調部１０３が使用した変調パターンをモニタし出力する。調整部１０５は、この変調パターンと、波形構築部１０２から出力される第１の時間波形４０３または第２の時間波形４０４とを参照する。そして、使用する画素領域毎に、テラヘルツ波の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を出力する。調整部１０５に入力する信号は、第１の時間波形４０３または第２の時間波形４０４といった１つのパルス列であるが、調整部１０５から出力される信号は、処理した画素数分のパルス列の時間波形が出力される。ここで、モニタ部１０４は、変調パターンの同定まで行っているが、変調パターンの同定は調整部１０５が行ってもよい。例えば、モニタ部１０４は変調部１０３の制御量をモニタし、調整部１０５はこの制御量から変調パターンを同定する。
【００５５】
加算部１０６は、調整部１０５から出力される第３の時間波形４０５のパルス列と、第４の時間波形４０６のパルス列を加算し、平均化する。その結果、物体１０８からのテラヘルツ波について、各画素領域に対応するテラヘルツ波の応答信号が抽出される。この作業は、使用する画素領域毎に行う。上述した様に、加算平均を行う回数が多いほど、抽出される信号の精度（ＳＮ比）が上がる。加算部１０６は、処理した画素領域の数に従ったテラヘルツ波の応答信号を出力する。加算部１０６から出力された各テラヘルツ波の応答信号は、画像構成部１０７によって画像化される。各テラヘルツ波の応答信号は、各画素領域の位置に配置され、テラヘルツ波の時間軸は距離に換算される。距離の換算について、光速によって換算する場合、得られる画像は、物体１０８の物性が重畳された３次元画像となる。言い換えると、材料の物性を識別している。画像化の方法として、識別した材料毎に色分けする等のインターフェースを構築してもよい。また、画像構成部１０７は、３次元画像ではなく、トモグラフィ像を出力する形態でもよい。
【００５６】
尚、本実施形態では、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の配置で説明したが、物体１０８に対してテラヘルツ波が透過する透過型の配置も可能である。また、変調部１０３は検出部１０１と物体１０８の間にあるが、発生部５０１と物体１０８の間にある態様も可能である。この時、変調部１０３は、発生部５０１から物体１０８に至るテラヘルツ波の伝搬距離を変調する。本実施形態では、変調部１０３は検出部１０１と物体１０８の間にある態様である。この場合、発生部５０１と物体１０８の間に変調部１０３を配置するする態様に比較して、変調部１０３と検出部１０１の距離を短くすることが容易になる。上述した様に、変調部１０３と検出部１０１の距離を短くすることにより、検出部１０１に到達するテラヘルツ波のビーム径の広がりを抑制することができるので、画素領域を小さくすることができるという効果を奏する。以上の様な構成によって、本実施形態は、物体１０８内部の画像化を行う。
【００５７】
（実施形態２）
実施形態２を説明する。本実施形態では、変調部１０３が用いる変調パターンの同定を行う部分が異なる。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図６は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。実施形態１との違いは、モニタ部１０４の替わりにパターン記憶部６０１が用いられている点である。
【００５８】
パターン記憶部６０１には、変調部１０３が使用する変調パターンと予め定められた変調パターンの順番が記憶されている。変調部１０３は、この予め定められた変調パターンの順番に従って、物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調する。調整部１０５は、波形構築部１０２から出力される時間波形について、パターン記憶部６０１に記憶された変調パターンとその順番を参照して調整を行う。つまり、変調部１０３と調整部１０５は、予め定められた変調パターンと順番によって個々に処理を行っている。ここで、変調部１０３と調整部１０５の同期を取るために、トリガ部を新たに備え、トリガ部のトリガ信号に従って変調パターンを変える構成でもよい。この場合、変調部１０３と調整部１０５が異なる変調パターンで処理を行うことを防止できるので、システムの信頼性が高まるという効果を奏する。
【００５９】
ここでも、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の配置で説明したが、物体１０８をテラヘルツ波が透過する透過型の配置も可能である。以上の様な構成によって、本実施形態は、物体１０８内部の画像化を行う。
【００６０】
（実施形態３）
実施形態３を説明する。本実施形態では、発生部と検出部を共通化している。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。これまでの実施形態との違いは、発生部と検出部を共通化し発生検出部７０１としている点である。
【００６１】
発生検出部７０１は、テラヘルツ波を発生し検出する部分である。いわゆるトランシーバとして発生検出部７０１は機能する。これまで説明した発生部５０１と検出部１０１は、同じデバイス構造を有する素子で構成することも可能なので、駆動方法を調整することで発生と検出を兼ねることが可能である。例えば、発生検出部７０１として光伝導素子を用いる場合、テラヘルツ波の発生に用いた電界の存在下で、テラヘルツ波の電界による電流を検出するための回路を構築する。
【００６２】
図の様に、レーザ源５０２から発生した励起光は、ビームスプリッタを介し光路Ｌ１とＬ２に分岐される。光路Ｌ１の励起光は、テラヘルツ波の発生用に用いる。光路Ｌ２の励起光は、テラヘルツ波の検出用に用いる。光路Ｌ２の励起光は遅延光学部５０３によって伝搬長が調整され、ビームスプリッタによって光路Ｌ１の励起光と再び混合される。発生検出部７０１に入射する光路Ｌ１の励起光と光路Ｌ２の励起光の時間差によって、発生検出部７０１に入射するテラヘルツ波をサンプリング計測する。発生検出部７０１から発生したテラヘルツ波７０２は、変調部１０３を介してテラヘルツ波７０３になる。テラヘルツ波７０３は、物体１０８に照射される前に変調部１０３で空間変調され、パルス列となる。テラヘルツ波７０３は、物体１０８に照射され、物体からのテラヘルツ波１０９がテラヘルツ波７０３の入射伝搬経路に沿って伝搬する。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３に入射する。そして、変調部１０３は、使用した変調パターンに従って第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１を出射する。
【００６３】
本実施形態では、変調部１０３で使用する変調パターンはモニタ部１０４によってモニタされている。そして、調整部１０５は、モニタ部１０４を参照し、テラヘルツ波の時間波形の調整に用いる変調パターンを取得する。ただし、上述した様に、モニタ部１０４は、パターン記憶部６０１に置き換えることも可能である。
【００６４】
以上の様な構成によって、本実施形態の画像形成装置は、物体１０８内部の画像化を行う。この様な構成によれば、テラヘルツ波を物体１０８の表面に対して法線方向に入射することができる。そのため、画像化の際に、テラヘルツ波の物体１０８に対する角度依存性の影響が軽減できるという効果を奏する。例えば、物体１０８に入射するテラヘルツ波と出射するテラヘルツ波が異なる経路を伝搬することによる、隣接する画素間の信号の重なり状態が軽減できる。また、画像化において、物体１０８に対してテラヘルツ波が斜めに入射することによって変化したテラヘルツ波の時間軸を補正する工程を必要とする場合、この工程が省略できる。さらに、使用するテラヘルツ波発生、検出用の素子が減らせることで、画像形成装置の小型化、低価格化が容易となるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・検出部、１０２・・波形構築部（構築部）、１０３・・変調部、１０５・・調整部、１０６・・加算部、１０７・・画像構成部、１０８・・物体、１０９・・物体からのテラヘルツ波、１１０・・第１のテラヘルツ波、１１１・・第２のテラヘルツ波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた画像形成装置及び画像形成方法に関する。特には、時間領域でのテラヘルツ波を測定する装置（ＴＨｚ−ＴＤＳ装置、ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ装置）の原理を用い、物体の水平方向及び奥行方向の情報を可視化ないし画像化する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、０.０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この様な周波数帯域には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。こうした特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定などを行う検査技術が開発されている。また、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術や高速な通信技術への応用が期待されている。
【０００３】
多くの場合、これらの用途にはサブピコ秒のパルス形状からなるテラヘルツ波を用いる。一般的に、この様なパルスを実時間で取得することは困難である。そのため、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置は、フェムト秒オーダのパルス幅を有する超短パルス光（本明細書では励起光とも呼ぶ）によってサンプリング計測を行っている。このテラヘルツ波のサンプリングは、テラヘルツ波を発生する発生部とテラヘルツ波を検出する検出部とに夫々到達する励起光の時間差を調整することで実現される。例えば、この時間差は、折り返し光学系を有するステージ（本明細書では遅延光学部とも呼ぶ）を励起光の伝搬経路に挿入し、励起光の折り返し量を調整することで取得する。多くの場合、上記発生部又は検出部として、微小間隙を有するアンテナ電極パターンを半導体膜に設けた光伝導素子を用いる。
【０００４】
ＴＨｚ−ＴＤＳ装置の原理を用いて物体のイメージングを行う場合、物体に照射されるテラヘルツ波の位置を物体に対して面方向に相対的に動かす。そして、イメージングを構成する各画素について、テラヘルツ波の時間波形を測定することで、画像化を試みている（特許文献１参照）。この様な方式では、各画素について、測定箇所を逐次機械的にラスタ走査する必要があるため、物体の画像化に時間がかかる。この課題を改善するため、複数の画素の時間波形を、１つの光伝導素子を用いて一括して取得する手法が開示されている（非特許文献１参照）。ここでは、略平行に成形されたテラヘルツ波を物体に照射し、画素に対応する金属の開口パターンによって、物体からのテラヘルツ波を空間変調している。テラヘルツ波は金属の開口を透過する一方、開口が遮蔽されている場合は反射するので、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布は開口パターンに従って変化する。画像化のステップでは、この金属の開口パターンの変化をモニタし、テラヘルツ波の空間分布に従って各画素の信号を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３８７７２１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９３，１２１１０５ （２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記非特許文献１の技術に依れば、テラヘルツ波を空間変調する段階で金属の開口パターンを用いる。そのため、一部のテラヘルツ波の信号は、金属の開口パターンの遮蔽部分によって反射され、検出器に到達するテラヘルツ波の信号強度が小さくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する本発明の装置は次の構成を有する。物体からのテラヘルツ波を検出する検出部と、検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部を少なくとも有する。また、次の構成要素を有する。可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調部。変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、時間量に基づいて、構築部からの第１及び第２のテラヘルツ波の第１及び第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３及び第４の時間波形を生成する調整部。画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算部。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する本発明の方法は次のステップを含む。物体からのテラヘルツ波を検出部により検出する検出ステップと、検出ステップにおける検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築ステップを少なくとも含む。また、次のステップを有する。可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調ステップ。変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、時間量に基づいて、構築ステップで構築の第１及び第２のテラヘルツ波の第１及び第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３及び第４の時間波形を生成する調整ステップ。画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算ステップ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の装置及び方法に依れば、テラヘルツ波の空間変調について、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布を用いず、画素毎にテラヘルツ波の検出部への到達時間の変化させることで実現している。そのため、テラヘルツ波の空間変調時にテラヘルツ波が遮蔽されることがないため、テラヘルツ波の信号強度の減少を抑制することができ、テラヘルツ波の検出感度を維持しつつ、複数画素の時間波形を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を説明する図。
【図２】透過型の変調部１０３の一構成例を説明する図。
【図３】反射型の変調部１０３の一構成例を説明する図。
【図４】動作を説明する図。
【図５】実施形態１の構成を説明する図。
【図６】実施形態２の構成を説明する図。
【図７】実施形態３の構成を説明する図。
【図８】観察方法の別形態を説明する図。
【図９】物体１０８と変調部１０３の配置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特徴は、次の点にある。すなわち、可視化する物体の水平方向の画素に対応するテラヘルツ波について、テラヘルツ波の検出部に至るまでの伝搬距離を複数種の変調パターンで逐次空間変調して複数のテラヘルツ波を出射する。そして、各変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を換算した時間量に基づき、検出部の出力による複数のテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整し、新たな複数の時間波形を生成し、画素毎にこれらの時間波形を加算処理する。
【００１３】
以下、本発明の思想を実施し得る形態について、図面を参照して説明する。本発明の一実施形態を説明する図１によると、本実施形態の時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する装置は、検出部１０１、波形構築部１０２、変調部１０３、調整部１０５、加算部１０６を少なくとも有する。以下、各要素について説明する。
【００１４】
（検出部１０１の説明）
検出部１０１は、テラヘルツ波を検出する部分である。検出部１０１における検出手法として、テラヘルツ波の電界強度の変化による電流の変化を検出する手法がある。この手法として、励起光照射時の光伝導性の変化より、テラヘルツ波の電界強度に対応した電流を検出する手法がある。この様な電流を検出する手段として、半導体膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した素子（本明細書では光伝導素子とも呼ぶ）が適用できる。また、電気光学効果を用いてテラヘルツ波の電場を検出する手法や磁気光学効果を用いてテラヘルツ波の磁場を検出する手法がある。電気光学効果を用いて電場を検出する手法として、偏光スプリッターと電気光学結晶を用いた手段が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法として、偏光スプリッターと磁気光学結晶を用いた手法が適用できる。ここでは、検出部１０１として光伝導素子を用いた例を中心に説明する。
【００１５】
（波形構築部１０２の説明）
波形構築部１０２は、検出部１０１の出力を参照しテラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。テラヘルツ波は多くの場合ピコ秒以下のパルス波形であるため、実時間での取得が困難である。そのため、多くの場合、テラヘルツ波のパルス幅よりも短いパルス幅を有するパルス光でサンプリング計測を行う。検出部１０１として光伝導素子を用いる場合、サンプリングに用いるパルス光は上述した励起光である。励起光は、フェムト秒のパルス幅を有するパルス光である。テラヘルツ波のサンプリング計測は、検出部１０１に到達するテラヘルツ波と検出部１０１に到達する励起光のタイミングを調整して行う。多くの場合、励起光が検出部１０１に到達する時間を調整する。励起光のタイミングの調整手法として、励起光を発生するレーザ光源について、励起光の発生するタイミングを調整する手法がある。例えば、変調信号を発生する信号源を用いて、レーザ光源の繰り返し周波数を変調する手段がある。また、励起光のタイミングの調整手法として、励起光の伝搬長を調整し、励起光が検出部１０１に到達するタイミングを調整する手法がある。例えば、レーザ光源の繰り返し周波数を固定し、折り返し光学系を有するステージ（遅延光学部）で励起光の伝搬長を機械的に調整する手段がある。これらの手段は、イメージングを行う際の画像取得時間や測定精度等、装置に求められる仕様に応じて適宜選択されるものである。波形構築部１０２では、検出部１０１に到達するテラヘルツ波と励起光の時間差をモニタし、この時間差に応じた検出部１０１の出力をプロットすることでテラヘルツ波の時間波形を構築する。
【００１６】
（変調部１０３の説明）
変調部１０３は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調する部分である。具体的には、情報を画像化する物体１０８の水平方向の画素情報について空間変調を行う。画像化する物体の情報としては、水平方向の情報と奥行方向の情報があり得る。奥行方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向の情報であり、テラヘルツ波の時間波形の情報がこれに対応する。水平方向の情報とは、物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の情報である。言い換えると、テラヘルツ波の時間波形を構築する際の時間軸について、時間軸を或る時間に固定し、観察領域内のテラヘルツ波の強度分布をモニタした情報に相当する。また、空間変調とは、可視化される各画素について、物体１０８と検出部１０１の間の伝搬距離を各々変化させることをいう。言い換えると、画素毎にテラヘルツ波の伝搬時間を調整していることに相当する。変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調するための変調領域１１２を有する。
【００１７】
図１（ａ）は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９が変調部１０３の変調領域１１２を透過する例を示している。この時、図１（ｂ）の様に、変調領域１１２に照射される物体からのテラヘルツ波１０９の照射領域１１３は、可視化に用いる画素に対応する領域を９箇所含んでいる。当然ながら、画素領域の数はこれに限るものではない。物体１０８からのテラヘルツ波１０９の空間変調は、この画素に対応する領域の性状の組合せで実現する。本明細書では、この画素領域の性状の組合せを変調パターンと呼ぶ。ここで、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれる画素領域は、可視化に用いる画素領域を全て含んでいてもよいし、可視化に用いる画素領域のうちの一部の画素領域を含む構成でもよい。テラヘルツ波の照射領域１１３について、可視化される画素領域を全て含む場合、本装置は、検出部１０１の出力より物体１０８の可視化が可能になる。テラヘルツ波の照射領域１１３が、可視化したい領域よりも小さい場合、以下の構成が追加されることが望ましい。すなわち、物体１０８の可視化したい領域について、物体１０８とテラヘルツ波１０９の位置を面方向に相対的に変化させる構成が追加されることが望ましい。この構成によって、各位置にて可視化された情報より、可視化したい領域の情報を再構築する。位置を相対的に変化させる構成は、物体１０８の位置を変化させる構成や、物体からのテラヘルツ波１０９を走査する構成がある。
【００１８】
図１（ａ）の例では物体１０８からのテラヘルツ波１０９は、１つの孤立パルスである。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３の変調領域１１２を介し、テラヘルツ波のパルス列として出射する。このパルス列のパターンは、変調部１０３の変調パターンによって変化する。本明細書では、第１の変調パターンで出射したテラヘルツ波を第１のテラヘルツ波１１０と呼ぶ。また、第２の変調パターンで出射したテラヘルツ波を第２のテラヘルツ波１１１と呼ぶ。図１（ｃ）は、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１の例を示している。変調部１０３の変調パターンに応じて、各テラヘルツ波１１０、１１１を構成するパルス列の時間間隔は変化する。変調部１０３の変調領域１１２の特性によっては、パルス形状も変化する。図１（ａ）において、変調部１０３の変調パターンが第１の変調パターンから第２の変調パターンに変化すると、検出部１０１に到達するテラヘルツ波は、第１のテラヘルツ波１１０から第２のテラヘルツ波１１１に変化する。ここで、各変調パターンの切り替え時に、可視化される各画素の位置が変動しないように位置合わせを行うことが望ましい。特に、機械的に変調パターンを切り替える場合、位置合わせ機構を有することが望ましい。例えば、エンコーダなどで位置を検知してこの位置情報を用いて位置合わせ状態をフィードバック制御する。この様な態様を有することで、可視化された物体の画像は、境界のボケが抑制され画像のコントラストが改善されるという効果を奏する。
【００１９】
これまでの説明では、物体１０８からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３を透過する構成で説明したが、これに限らない。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３の変調領域１１２において反射する構成で実現することも可能である。図２と図３は、変調部１０３の構成例を示したものである。変調部１０３の構成は、これらに限るものではなく、物体からのテラヘルツ波１０９の伝搬距離を部分的に変化させ、空間変調させる目的を達成する構成であればよい。
【００２０】
図２は、透過型の変調部１０３の構成例を示した図である。図２（ａ）の様に、変調部１０３は、樹脂シート２０１、ステージ２０２、ドライバ２０３で構成する。図２の樹脂シート２０１は、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調するための変調領域１１２を有している。物体からのテラヘルツ波１０９はほぼ平行なビームである。そして、変調領域１１２は、可視化する際の画素サイズに、ほぼ賽の目状に区切られている。この１つの区切りを画素領域と呼ぶ。ここでは、テラヘルツ波の照射領域１１３について、９箇所の画素領域を含む構成になっている。
【００２１】
物体からのテラヘルツ波１０９は、波面内の全ての要素（画素の情報に相当）が平行に伝搬するとしても、或る曲率をもって発散することが知られている。つまり、変調領域１１２にある各画素領域に含まれる情報は、各画素領域周辺の情報が重なっていると考えることができる。ここで、この隣接する画素領域間において許容するテラヘルツ波の重なり領域の割合をＡ（％）とする。この時、物体１０８と変調領域１１２との実効的な距離は、測定者が設定する重なり領域の割合がＡ以下になる様に設定することが望ましい。ここでは、この距離をＤ（ｍ）とする。例えば、物体からのテラヘルツ波１０９は、物体１０８の構造によって回折を受け伝搬する。物体からのテラヘルツ波１０９のビーム形状がガウシアンビームに近似できると仮定すると、変調領域１１２の各画素領域に到達するテラヘルツ波のビーム径は次式で近似することができる。
【００２２】
ｗ（Ｄ）＝ｗ０［１＋（λＤ／πｗ０２）２］１／２ 式（１）
ここで、ｗ０は、各画素領域に対応する物体１０８上の場所から出射した直後のテラヘルツ波について、１／ｅ２の強度の等高線の半径である。ｗ（Ｄ）は、ビーム径ｗ０を有するテラヘルツ波が距離Ｄ伝搬し、各画素領域に入射するテラヘルツ波について、１／ｅ２の強度の等高線の半径である。λは、テラヘルツ波の波長である。ここで、画素領域のサイズは、半径ｗ０の円を内接する四角形状と仮定すると、画素領域には、半径ｗ（Ｄ）のテラヘルツ波が入射する。この入射するテラヘルツ波のビーム径は、画素領域よりも大きく、この画素領域に収まらない領域を重なり領域と定義する。つまり、物体１０８から各画素領域に到達するテラヘルツ波のビーム径が、式（１）に従って広がるとすると、重なり領域の成分が隣接する画素領域に漏れ出し、画素領域間の情報が重なる。各画素領域について、隣接する画素領域からのテラヘルツ波の重なり領域の割合Ａを定めると、ｗ（Ｄ）は次式のように定義できる。
ｗ（Ｄ）＝（１＋０.０１Ａ）ｗ０ 式（２）
式（１）と式（２）より、望ましい画素領域のサイズ２ｗ０は、重なり領域Ａで定義される割合と物体１０８から変調部１０３の変調領域１１２までの実効的な距離Ｄによって次式のように求めることができる。そして、画素領域のサイズは、この２ｗ０を包括する領域であればよい。
ｗ０２＝Ｄλ／｛π［（１＋０.０１Ａ）２−１］１／２｝ 式（３）
【００２３】
例えば、波長λとして３００μｍ、重なり領域Ａとして２０％、距離Ｄとして２５．４ｍｍを適用すると、望まれる画素領域のサイズは約２ｍｍ×２ｍｍとなる。ここで使用するテラヘルツ波の波長λは、テラヘルツ波が有する周波数スペクトルから任意に選択できる。例えば、波長λは、最大のパワーを有する波長付近の値に調整することが望ましい。最大の感度を有する波長に画素領域のサイズを調整することで、信号のＳＮ比が高まり、形成される画像のコントラストが向上する。また、別の態様として、欲しい水平分解能に応じて波長λを選択してもよい。この時、各画素領域に収まらない波長成分は、空間変調時に隣接する画素領域によって意図しない伝搬距離によって変調を受ける。その結果、信号が拡散され、後述する調整部１０５による時間波形の調整において、この拡散された成分はノイズとして重畳される。そして、後述する加算部１０６の動作によって、拡散された成分が抑制され、結果的に、低周波数側の信号が抑制された微分画像が取得できる。
【００２４】
式（３）からも明らかな様に、画素領域のサイズは、距離Ｄに依る。具体的には、物体１０８と変調領域１１２の距離が近い程、画素領域のサイズは小さくできる。理想的には、密着している態様がよい。ただし、必要とされる装置形態によっては、物体１０８と変調部１０３の変調領域１１２の距離を大きく離間させる必要がある。この時、図９の様に、物体１０８と変調部１０３の変調領域１１２の間にレンズのような集光部材を挿入し、集光部材に投影される物体１０８の像を再投影させる態様も可能である。集光部材は、物体からのテラヘルツ波１０９を包括するサイズで、上述した距離Ｄの位置に配置する。集光部材を介した物体からのテラヘルツ波１０９は、集光部材の光学特性に従って再投影される。変調部１０３は、この再投影される場所に配置する。この態様であると、集光部材によって再投影される距離分だけ、物体１０８と変調領域１１２の距離を離すことができる。そのため、装置の配置自由度が改善されるという効果を奏する。
【００２５】
変調部１０３の各画素領域を介したテラヘルツ波は、検出部１０１に至る伝搬距離が各々変化している。言い換えると、伝搬時間が異なるテラヘルツ波パルスの集合体である。そのため、各画素領域を介したテラヘルツ波は、互いに伝搬領域が重なっても時間軸上の位置で分離できる。そのため、変調部１０３と検出部１０１の距離は、或る程度離れていてもよい。本発明では、テラヘルツ波は、検出部１０１に集光して入射する態様であるので、この光学系が成立する範囲であればよい。例えば、変調部１０３と検出部１０１は、数１０から数１００ｍｍの距離に配置する。
【００２６】
図２（ｂ）は、樹脂シート２０１のＡＡ’断面図を示したものである。図示の様に、樹脂シート２０１の変調領域１１２は、画素領域毎に部材の厚みが異なっている。大気と樹脂は屈折率が異なるため、部材の厚みにより、テラヘルツ波の伝搬距離が変化する。その結果、伝搬時間も変化する。図の様に、物体からのテラヘルツ波１０９が同じタイミングで各画素領域に到達すると仮定すると、変調部１０３は、伝搬時間が異なるテラヘルツ波（２０４、２０５、２０６）を出射する。その結果、パルス列が生成される。樹脂シート２０１は、テラヘルツ波に対して損失の少ない材料で構成することが望ましい。例えば、ポリエチレンやポリカーボネート、シクロオレフィン類の材料が適用できる。
【００２７】
この画素領域毎の部材の厚みの差は、テラヘルツ波のパルス列が分離できる程度の厚みであることが望ましい。好ましくは、画素領域毎の部材の厚みの差は、使用するテラヘルツ波のパルス幅について、パルスの半値幅程度の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みである。例えば、使用するテラヘルツ波パルスの半値幅が３００フェムト秒で部材の屈折率を１．５と仮定すると、部材の厚みの差は約６０μｍとなる。ただし、部材の厚みの差は、テラヘルツ波パルスの半値幅以下の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みでもよい場合もある。こうした例として、使用するテラヘルツ波のパルス列に対して、参照波を用いて逆畳み込み演算を行いインパルスのパルス列を求める形態がある。ここでは、部材の厚みの差は、テラヘルツ波パルスの半値幅ではなく、上記演算の結果求められたインパルス信号の半値幅程度の時間差をパルス間に生じさせる程度の厚みになる。この時の部材の厚みの差は、数μｍとなる。
【００２８】
ステージ２０２は、樹脂シート２０１を保持し、テラヘルツ波の照射領域１１３の入射方向に対して変調領域１１２の位置を面方向に変える。変調領域１１２の移動によって、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれる部材の厚みの分布が変化する。その結果、変調領域１１２に照射されるテラヘルツ波の照射領域１１３の位置を調整することで、様々なパターンのパルス列が変調部１０３より出射する。ドライバ２０３は、ステージ２０２の位置を調整する部分である。ステージ２０２の位置と本装置が用いる変調パターンの対応が記憶されている場合、ドライバ２０３の制御量によって変調パターンを切り替えることができる。
【００２９】
以上では、透過型の変調部１０３として、樹脂シート２０１とステージ２０２を組み合わせる構成を示したが、変調部１０３の構成はこれに限らない。物体１０８からのテラヘルツ波１０９が変調部１０３を透過し、その伝搬距離を部分的に変化させ、空間変調させる目的を達成する構成であればよい。例えば、樹脂シート２０１を、セラミックや半導体基板に置き換える構成も可能である。また、これまで説明した透過型の変調部１０３は、変調領域１１２の部材の厚みを調整することで物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調させてきたが、部材の厚みは均一でもよい。テラヘルツ波の伝搬距離は、部材の屈折率によって変化するので、液晶材料の配向状態の制御や電気泳動による粒子の分布を制御することで、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を調整することが可能である。この場合、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を電気的に調整することができるので、変調パターンの切り替えに要する時間を短縮でき、可視化の速度が向上する。また、テラヘルツ波の照射領域１１３の屈折率分布を電気的に調整することができるので、変調パターンの切り替え用のステージ２０２も不要になり、装置の小型化が実現できる。
【００３０】
これまで説明した透過型の変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波に対する空間変調をテラヘルツ波の伝搬距離が異なる透過部材により行っている。この構成は、テラヘルツ波の伝搬経路に変調部１０３を挿入することで空間変調が実現できるため、空間変調を行うためのテラヘルツ波の伝搬経路の取り回しが最少で済む。そのため装置構成が簡単になるという効果を奏する。
【００３１】
図３は、反射型の変調部１０３の構成例を示した図である。図３（ｂ）の様に、変調部１０３は、ロッド３０１、アクチュエータ３０２、ドライバ３０３で構成する。図３のロッド３０１は、端部に物体１０８からのテラヘルツ波１０９を反射するための反射部材を備えている。この反射部材は、使用するテラヘルツ波の最短波長λに対し、およそ１／２０・λ以下の粗さを有する金属面であることが望ましい。また、この金属面には、金属面を保護するための誘電体保護膜や反射効率を改善するための多層膜構造を備えていてもよい。ロッド３０１の端部は、物体からのテラヘルツ波１０９の入射方向に対し、反射したい方向にカットされている。ロッド３０１の断面積は、透過型の変調部１０３で説明したように、重なり領域Ａと変調部１０３の変調領域１１２までの距離Ｄによって定義される。図３では、ロッド３０１は円柱で表現されているが、これに限らず、多角形などでもよい。変調領域１１２は、このロッド３０１を複数備えることで構成する。変調領域１１２は、少なくともテラヘルツ波の照射領域１１３を包括する大きさである。図３（ａ）において、物体からのテラヘルツ波１０９がロッド３０１の長手方向より入射し、反射されたテラヘルツ波が入射方向に対し９０度の角度で出射する態様が示されている。出射角度はこれに限らず、装置の仕様によって適宜選択される。
【００３２】
図３（ｂ）は、変調部１０３のＢＢ’断面図を示す。図の様に、変調領域１１２にあるロッド３０１は、反射されたテラヘルツ波の出射角度にロッド３０１の端部が略沿うように配置されている。ロッド３０１は、アクチュエータ３０２によって、ロッド３０１の長手方向に動かされる。ロッド３０１の位置によって、テラヘルツ波の伝搬距離が変化する。その結果、伝搬時間も変化する。図の様に、物体からのテラヘルツ波１０９が、テラヘルツ波の端面形状３０７に対し、同じタイミングで各画素領域を構成するロッド３０１に到達すると仮定する。この時、変調部１０３は、反射されたテラヘルツ波の端面形状３０８に対し、伝搬時間が異なるテラヘルツ波（３０４、３０５、３０６）を出射する。その結果、パルス列が生成される。
【００３３】
上述した様に、アクチュエータ３０２は、変調領域１１２にあるロッド３０１の位置を、ロッド３０１の長手方向に変える。アクチュエータ３０２として、数μｍからサブμｍの位置決め精度を有するものが望ましく、例えばピエゾ素子やステッピングモータが適用できる。変調領域１１２にあるロッド３０１の位置を個別に調整することで、テラヘルツ波の照射領域１１３に含まれるロッド３０１の高さの分布が変化する。その結果、このロッド３０１の高さの分布を調整することで、様々なパターンのパルス列が変調部１０３より出射する。尚、調整されるロッド３０１の高さは、ロッド３０１から反射されるテラヘルツ波（３０４、３０５、３０６）を完全に遮蔽しない位置関係に調整することが望ましい。そして、透過型の変調部１０３でも説明したが、調整されるロッド３０１の高さの差は、テラヘルツ波のパルス列が分離できる程度であることが望ましい。例えば、使用するテラヘルツ波パルスの半値幅が３００フェムト秒と仮定すると、ロッド３０１の高さの差は約９０μｍとなる。また、透過型の変調部１０３でも説明したが、使用するテラヘルツ波のパルス列に対して、参照波を用いて逆畳み込み演算を行いインパルスのパルス列を求める形態を適用してもよい。ドライバ３０３は、アクチュエータ３０２の動作を制御し、ロッド３０１の高さを調整する部分である。アクチュエータ３０２の制御量と本装置が用いる変調パターンの対応が記憶されている場合、ドライバ３０３の制御量によって変調パターンを切り替えることができる。
【００３４】
これまで説明した反射型の変調部１０３においては、物体からのテラヘルツ波に対する空間変調が、変調部１０３に備えられた複数の反射部材を用いて、変調部１０３で反射されるテラヘルツ波の伝搬距離を調整して行われる。空間変調を行うために部材内部を伝搬させる必要がないため、空間変調に伴うテラヘルツ波の損失を抑制できる。そのため、装置の検出感度が高まり形成される画像のコントラストが改善するという効果を奏する。
【００３５】
（調整部１０５の説明）
図１の説明に戻る。調整部１０５は、変調部１０３が使用した変調パターンを参照し、テラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整する部分である。具体的には、使用した変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算する。そして、この時、時間量に基づいて、波形構築部１０２に記憶された第１のテラヘルツ波の第１の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整する。本明細書では、調整された第１の時間波形を第３の時間波形と呼び、調整された第２の時間波形を第４の時間波形と呼ぶ。調整部１０５は、この第３の時間波形と第４の時間波形を出力する。
【００３６】
図を用いて調整部１０５の動作を説明する。ここでは、図２で説明した透過型の変調部１０３を用いるものとして説明する。図４（ａ）は、説明に用いる変調部１０３の変調領域１１２の構成を示したものである。変調領域１１２は、１８箇所の画素領域で構成される。各画素領域には、ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３、ｄｔ４、ｄｔ５、ｄｔ６、ｄｔ７、ｄｔ８、ｄｔ９という９種類の伝搬距離の変化量が割り当てられている。これらの伝搬距離の変化量は樹脂シート２０１の厚みで調整される。例えば、樹脂シート２０１として屈折率１．５のシクロオレフィンを用いると、１ピコ秒は２００μｍの厚みに相当する。図４（ａ）の様に、変調領域１１２は、これらの画素領域がランダムに配置して構成される。ここで、変調領域１１２に照射される物体１０８からのテラヘルツ波１０９の照射領域１１３は、３×３の画素領域に照射されるものとする。つまり、変調領域１１２に単一パルスのテラヘルツ波が照射されると、最大９つのパルス列が変調部１０３より出射する。以下に調整部１０５の動作を含めた装置の動作フローを示す。以下の動作フローでは、各変調パターンの中心画素領域に着目して説明する。
【００３７】
（１）図４（ａ）において変調部１０３の変調領域１１２の位置を調整し、第１の変調パターン４０１の位置にテラヘルツ波を照射する。
（２）変調部１０３は図１（ａ）における第１のテラヘルツ波１１０を出射する。ここで、第１の変調パターン４０１は、ｄｔ１からｄｔ９の画素領域を１つずつ含むため、９つのパルス列が出射する。
（３）検出部１０１は第１のテラヘルツ波１１０を検出し、波形構築部１０２は第１の時間波形４０３を構築する。
（４）調整部１０５は、使用した第１の変調パターン４０１を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第１の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はｄｔ７である。
（５）調整部１０５は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部１０３を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
（６）調整部１０５はステップ（５）で求めた時間量に基づき、波形構築部１０２に記憶された第１の時間波形４０３の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形４０５を算出する。具体的には、ステップ（５）で求めた時間量分、第１の時間波形４０３の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。ここでは、変化量ｄｔ７に対応する時間量だけシフトする。
（７）図４（ａ）において変調部１０３の変調領域１１２の位置を調整し、第２の変調パターン４０２の位置にテラヘルツ波を照射する。
（８）変調部１０３は図１（ａ）における第２のテラヘルツ波１１１を出射する。ここで、第２の変調パターン４０２は、ｄｔ１からｄｔ９の画素領域を１つずつ含むため、９つのパルス列が出射する。
（９）検出部１０１は第２のテラヘルツ波１１１を検出し、波形構築部１０２は第２の時間波形４０４を構築する。
（１０）調整部１０５は、使用した第２の変調パターン４０２を参照し、着目する画素領域について伝搬距離の変化量を取得する。ここでは、第２の変調パターンの中心画素領域に着目するため、中心画素領域を伝搬したテラヘルツ波の伝搬距離の変化量はｄｔ２である。
（１１）調整部１０５は、取得した伝搬距離の変化量を時間量に換算する。透過型の変調部１０３を用いる場合、時間量への換算は、各画素領域の屈折率を加味して換算する。
（１２）調整部１０５はステップ（１１）で求めた時間量に基づき、波形構築部１０２に記憶された第２の時間波形４０４の時間軸上の位置を調整し、第４の時間波形４０６を算出する。具体的には、ステップ（１２）で求めた時間量分、第２の時間波形４０４の時間軸上の位置を時間軸の進む方向とは逆にシフトする。
【００３８】
以上の様な動作を、各画素領域について行う。つまり、各画素領域について、第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６が求められる。これまでの説明では、使用する変調パターンは２つであるが、変調パターンは２つ以上でも構わない。また、この動作フローでは、装置が変調パターンを変更後、時間波形の調整を行っているが、動作フローの順番はこれに限るものではない。例えば、変調パターンの変更に伴うテラヘルツ波の時間波形構築の結果を逐次波形構築部１０２に記憶させ、変調パターンの変更が全て終了した段階で、調整部１０５で時間波形を調整してもよい。また、波形構築部１０２による時間波形の構築と、調整部１０５による時間波形の調整を並行して処理してもよい。
【００３９】
ステップ（６）とステップ（１２）の時間軸の調整では、時間波形の位置のみを調整していたが、画素領域を伝搬する際の画素領域の影響を補償する工程を有していてもよい。例えば、透過型の変調部１０３を用いた場合、画素領域の伝搬に伴う吸収や分散によるパルス形状の変化の補償を行う態様も可能である。また、部材内部でのテラヘルツ波の反射によるエコーパルスが発生する位置を予め把握し、これを除去する態様も可能である。反射型の変調部１０３を用いる場合でも、例えば、反射部材が備えた保護膜や多層膜によるパルス形状への影響やエコーパルスの除去を行う態様が可能である。これらの影響は予め分かるので、これを記憶しておいて記憶情報に基づいて、変化したパルス形状を元に戻す等の処理をすればよい。この様な工程を有することで、変調部１０３が介在することによる影響を抑制できるので、画像化におけるコントラストの低下やゴーストの発生を低減できるという効果を奏する。
【００４０】
ここで使用する第１の変調パターン４０１と第２の変調パターン４０２は、予め定められた変調パターンを用いてもよいし、ランダムに選択されてもよい。予め定められた変調パターンを用いる場合、時間波形の調整に用いる変調パターンの情報を先読みすることができる。そのため、装置の動作速度の改善が容易になるという効果を奏する。変調パターンがランダムに選択される場合、後述するモニタ部によって変調パターンを特定することが望まれる。
【００４１】
（モニタ部１０４の説明）
再び図１の説明に戻る。モニタ部１０４は、上述した変調部１０３の状態をモニタし、使用している変調パターンを確定する部分である。例えば、モニタ部１０４は、これまで説明した透過型もしくは反射型の変調部１０３にあるドライバ（２０３、３０３）の制御状態から、使用している変調パターンを確定する。また、変調領域１１２の状態をカメラや３次元測定器で測定し、その結果より、使用している変調パターンを確定してもよい。この様に、ここでは、モニタ部１０４によって変調部１０３の状態をモニタし、モニタ結果より、調整部１０５が参照する変調パターンを確定している。常時、モニタ部１０４の状態より変調パターンを確定することで、使用した変調パターンとは異なる変調パターンで時間波形の時間軸上の位置を調整することを防止することができる。そのため、装置の動作が安定するという効果を奏する。
【００４２】
このモニタ部１０４を使用しない態様も可能である。この場合、予め使用する変調パターンを記憶する部分（本明細書ではパターン記憶部と呼ぶ）を有することが望ましい。変調部１０３は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンに従って、物体１０８からのテラヘルツ波１０９を空間変調する。また、調整部１０５は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンに従ってテラヘルツ波の時間波形を調整する。この様に、変調部１０３は、予め定められた変調パターンによって物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調し、パターン記憶部は、この変調パターンを予め記憶している。調整部１０５は、このパターン記憶部に記憶された変調パターンを参照し、時間波形の時間軸上の位置の調整を行う。このことから、調整部１０５は、時間波形の調整に用いる変調パターンの情報を先読みすることができる。そのため、装置の動作速度の改善が容易になるという効果を奏する。
【００４３】
（加算部１０６の説明）
加算部１０６は、調整部１０５から得られた第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を加算する部分である。装置構成によっては、これらの時間波形の加算平均を取得してもよい。本明細書では、単純な加算を含むこうした処理を加算処理と呼ぶ。ここでは、加算平均をする態様で説明する。この作業は、画像化する画素毎に行われる。具体的には、画素に対応する画素領域の第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を取得し、これを加算平均する。複数の時間波形を加算平均すると、信号が重なる部分が強調され、ノイズのようなランダムに発生する信号は互いに打消しあって平坦化する。その結果、信号のＳＮ比が、加算回数の平方根に比例して改善される。本装置では、調整部１０５によって、着目する画素領域の信号が同じ時間軸上の位置に出現するように調整されている。そのため、着目する画素領域以外の信号の時間軸上の位置は、調整部１０５の調整量に従って様々な位置に配置される。その結果、着目する画素領域の信号が強調されその他の信号が平坦化することで、着目する画素領域の信号を抽出する。この様子を図４（ｃ）に示す。これまで説明した様に、図４では、変調パターンのうち、中心の画素領域の信号に着目している。図４（ｂ）で算出された第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を加算平均すると、加算平均後の時間波形４０７は、重なり合う部分の信号が強調される。
【００４４】
（画像構成部１０７の説明）
画像構成部１０７は、加算部１０６で求められた時間波形より、物体１０８の画像化を行う部分である。具体的には、画像構成部１０７は、各画素領域からの時間波形について、画像化を行う画素に配置する。そして、各時間波形の時間軸を距離に換算し、物体１０８の奥行方向の情報として、三次元像を構成する。ここで、画像構成部１０７で物体１０８を画像化する際、予め測定された装置の参照信号を用いて逆畳み込み演算を行い、奥行方向の分解を改善する工程を含んでいてもよい。例えば、この参照信号は、物体１０８を設置する位置に鏡を設置し、物体１０８がない場合のテラヘルツ波の時間波形とする。また、測定する物体１０８の外形に略等しい反射物を設置し、この時のテラヘルツ波の時間波形を参照信号としてもよい。参照信号を求める際、これまで説明した変調部１０３を用いて、各画素領域の参照信号を求めてもよい。
【００４５】
また、時間波形の時間軸を距離に換算する際、物性の情報より屈折率を算出し、屈折率による波長短縮の効果を補償する構成も可能である。この物性の情報は、物体１０８内部の界面から反射するテラヘルツ波パルスの変化から求めることができる。また、実際に界面から反射するテラヘルツ波よりスペクトル情報を求めてもよい。予め、物体１０８の内部構造が分かっている場合、内部構造の情報からテラヘルツ波の波長短縮の効果を補償してもよい。
【００４６】
これまで説明した様に、本実施形態の装置及び方法では、画素毎に物体から検出部に至るテラヘルツ波の伝搬距離を変化させ、物体からのテラヘルツ波を空間変調している。空間変調のパターンは、時間波形の測定毎に変化させ、画素数より少ない検出器などの検出部でこの時間波形を測定している。可視化の際には、各画素について、テラヘルツ波の伝搬距離が同じ値になるように、変調パターンを参照し画素毎にテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整している。測定された時間波形について、上述した処理を施し、各画素について、処理した時間波形を加算平均等することで、各画素の時間波形を抽出し可視化している。ここでは、テラヘルツ波の空間変調について、テラヘルツ波の存在の有無による空間分布を用いず、画素毎にテラヘルツ波の検出部への到達時間の変化させることで実現している。そのため、テラヘルツ波の空間変調時に、テラヘルツ波が遮蔽されることがないため、テラヘルツ波の信号強度の減少を抑制することができる。その結果、テラヘルツ波の検出感度を維持しつつ、複数画素の時間波形を測定することが可能になるという効果を奏する。
【００４７】
尚、本装置ないし方法は、物体１０８の観察を行う際に、観察対象領域から伝搬する物体からのテラヘルツ波１０９を一括して取得しているが、これに限らない。例えば、図８（ａ）の様に、テラヘルツ波による観察領域８０１を物体１０８に対して相対的に動かし、走査する手法も可能である。この時、画像構成部１０７は、観察している領域の位置をモニタすることで、観察領域８０１から得られた画像等をつなぎ合わせる。また、これまでの説明では、物体１０８と使用する検出部１０１は対になっていたが、図８（ｂ）の様に、物体１０８に対して複数の検出器８０２を用い、観察領域８０１を分割して画像等を取得することもできる。この様に、物体１０８に対して観察領域８０１を制限することで、単位面積あたりのテラヘルツ波の強度を高めることや、不要な外来電磁波ノイズの混入を抑制することができる。その結果、信号のＳＮ比が高まり、検出感度が改善するという効果を奏する。
【００４８】
本発明の画像形成装置及び方法のより具体的な実施形態を図を用いて説明する。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
（実施形態１）
図５は、実施形態１の画像形成装置及び方法の概略構成図である。ここでは、これまで説明した装置構成に対し、発生部５０１、レーザ源５０２、遅延光学部５０３が加わる構成である。図５の様に、この画像形成装置は、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の装置構成となっている。
【００４９】
発生部５０１は、テラヘルツ波を発生する部分である。発生部５０１から発生するテラヘルツ波はパルス波形状である。発生部５０１における発生原理として、瞬時電流を利用する手法と、キャリヤのバンド間遷移を利用する手法がある。瞬時電流を利用する手法としては、半導体や有機結晶の表面に励起光を照射してテラヘルツ波を発生する手法がある。この手法として、金属電極でアンテナパターンを半導体薄膜上に形成した素子（光伝導素子）に電界を印加した状態で励起光を照射する手法がある。また、ＰＩＮダイオードが適用できる。また、利得構造におけるキャリヤのバンド間遷移を利用する手法としては、半導体量子井戸構造を用いる手法が適用できる。ここでは、発生部５０１として、光伝導素子を用いる例で説明する。
【００５０】
レーザ源５０２は、超短パルスレーザを出力する部分である。多くの場合、レーザ源５０２から出力されるパルスレーザは、数１０フェムト秒のパルス幅を有する。上述した発生部５０１と検出部１０１は、この超短パルスレーザの照射によりキャリヤを半導体薄膜に励起することで動作する。このことから、本明細書では、この超短パルスレーザを励起光とも呼ぶ。図５に示す様に、励起光は、L１とL２の２つの光路に分岐される。本実施形態では、光路L１を通る励起光は発生部５０１に照射される。光路L２を通る励起光は、後述する遅延光学部５０３を介して検出部１０１に照射される。レーザ源５０２の波長は、使用する発生部５０１と検出部１０１の半導体膜の吸収波長によって変化する。また、発生部５０２と検出部１０１の吸収波長によっては、光路Ｌ1またはＬ２の経路中に波長変換素子が挿入されていてもよい。レーザ源５０２の波長やパルス幅、パルスレーザの繰り返し周波数は、必要とされる装置仕様によって適宜選択される。
【００５１】
遅延光学部５０３は、励起光の伝搬長を調整し、検出部１０１に照射する励起光のタイミングを調整する部分である。上述した様に、テラヘルツ波を実時間で検出することは難しいため、発生部５０１に入射する励起光と検出部１０１に入射する励起光の時間差を遅延光学部５０３で調整することで、テラヘルツ波のサンプリング計測を行う。遅延光学部５０３は、励起光が伝搬する光路長を直接調整する手法、実効的な光路長を調整する手法などを用いることができる。光路長を直接調整する手法は、励起光を折り返す折り返し光学系と、この光学系を折り返し方向に動かす可動部を用いる手法がある。実効的な光路長を調整する手法は、励起光が伝搬する光路中の時定数（屈折率）を変化させる手法がある。ただし、遅延光学部５０３の構成はこれに限らず、時間差を調整する目的を達成するものであればよい。ここでは、折り返し光学系を用いる例を示している。
【００５２】
本実施形態の動作を説明する。レーザ源５０２は励起光を出力する。励起光はビームスプリッタを介し、光路Ｌ１とＬ２に分岐される。光路Ｌ１を伝搬する励起光は発生部５０１に照射される。発生部５０１は、励起光の照射によってテラヘルツ波を発生する。発生したテラヘルツ波は物体１０８に照射される。この時、物体１０８に入射するテラヘルツ波のビーム形状は、画像化に用いる画素領域を複数包括する程度に調整されている。テラヘルツ波は、物体１０８で反射し、物体からのテラヘルツ波１０９が発生する。物体からのテラヘルツ波１０９には、物体１０８の内部構造や物性による影響が反映されている。変調部１０３は、物体からのテラヘルツ波１０９について、第１の変調パターンと第２の変調パターンで空間変調し、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１を出射する。説明の都合上、第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１という表現をしているが、当然ながら使用する変調パターンは、２つ以上あってもよい。
【００５３】
光路Ｌ２を伝搬する励起光は、遅延光学部５０３によって、検出部１０１に入射するタイミングが調整される。検出部１０１には、励起光と第１のテラヘルツ波１１０または第２のテラヘルツ波１１１が入射される。検出部１０１では、励起光が入射された時点での第１のテラヘルツ波１１０または第２のテラヘルツ波１１１の電界強度が検出される。波形構築部１０２は、遅延光学部５０３による伝搬長の変化と検出部１０１の出力を参照し、第１のテラヘルツ波１１０の時間波形（第１の時間波形４０３）と第２のテラヘルツ波１１１の時間波形（第２の時間波形４０４）を構築する。上述した様に、この時に構築される時間波形は、各画素領域のパルスが混合したパルス列の形状を有している。
【００５４】
モニタ部１０４は、変調部１０３が使用した変調パターンをモニタし出力する。調整部１０５は、この変調パターンと、波形構築部１０２から出力される第１の時間波形４０３または第２の時間波形４０４とを参照する。そして、使用する画素領域毎に、テラヘルツ波の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形４０５と第４の時間波形４０６を出力する。調整部１０５に入力する信号は、第１の時間波形４０３または第２の時間波形４０４といった１つのパルス列であるが、調整部１０５から出力される信号は、処理した画素数分のパルス列の時間波形が出力される。ここで、モニタ部１０４は、変調パターンの同定まで行っているが、変調パターンの同定は調整部１０５が行ってもよい。例えば、モニタ部１０４は変調部１０３の制御量をモニタし、調整部１０５はこの制御量から変調パターンを同定する。
【００５５】
加算部１０６は、調整部１０５から出力される第３の時間波形４０５のパルス列と、第４の時間波形４０６のパルス列を加算し、平均化する。その結果、物体１０８からのテラヘルツ波について、各画素領域に対応するテラヘルツ波の応答信号が抽出される。この作業は、使用する画素領域毎に行う。上述した様に、加算平均を行う回数が多いほど、抽出される信号の精度（ＳＮ比）が上がる。加算部１０６は、処理した画素領域の数に従ったテラヘルツ波の応答信号を出力する。加算部１０６から出力された各テラヘルツ波の応答信号は、画像構成部１０７によって画像化される。各テラヘルツ波の応答信号は、各画素領域の位置に配置され、テラヘルツ波の時間軸は距離に換算される。距離の換算について、光速によって換算する場合、得られる画像は、物体１０８の物性が重畳された３次元画像となる。言い換えると、材料の物性を識別している。画像化の方法として、識別した材料毎に色分けする等のインターフェースを構築してもよい。また、画像構成部１０７は、３次元画像ではなく、トモグラフィ像を出力する形態でもよい。
【００５６】
尚、本実施形態では、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の配置で説明したが、物体１０８に対してテラヘルツ波が透過する透過型の配置も可能である。また、変調部１０３は検出部１０１と物体１０８の間にあるが、発生部５０１と物体１０８の間にある態様も可能である。この時、変調部１０３は、発生部５０１から物体１０８に至るテラヘルツ波の伝搬距離を変調する。本実施形態では、変調部１０３は検出部１０１と物体１０８の間にある態様である。この場合、発生部５０１と物体１０８の間に変調部１０３を配置するする態様に比較して、変調部１０３と検出部１０１の距離を短くすることが容易になる。上述した様に、変調部１０３と検出部１０１の距離を短くすることにより、検出部１０１に到達するテラヘルツ波のビーム径の広がりを抑制することができるので、画素領域を小さくすることができるという効果を奏する。以上の様な構成によって、本実施形態は、物体１０８内部の画像化を行う。
【００５７】
（実施形態２）
実施形態２を説明する。本実施形態では、変調部１０３が用いる変調パターンの同定を行う部分が異なる。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図６は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。実施形態１との違いは、モニタ部１０４の替わりにパターン記憶部６０１が用いられている点である。
【００５８】
パターン記憶部６０１には、変調部１０３が使用する変調パターンと予め定められた変調パターンの順番が記憶されている。変調部１０３は、この予め定められた変調パターンの順番に従って、物体からのテラヘルツ波１０９を空間変調する。調整部１０５は、波形構築部１０２から出力される時間波形について、パターン記憶部６０１に記憶された変調パターンとその順番を参照して調整を行う。つまり、変調部１０３と調整部１０５は、予め定められた変調パターンと順番によって個々に処理を行っている。ここで、変調部１０３と調整部１０５の同期を取るために、トリガ部を新たに備え、トリガ部のトリガ信号に従って変調パターンを変える構成でもよい。この場合、変調部１０３と調整部１０５が異なる変調パターンで処理を行うことを防止できるので、システムの信頼性が高まるという効果を奏する。
【００５９】
ここでも、物体１０８に対してテラヘルツ波が反射する反射型の配置で説明したが、物体１０８をテラヘルツ波が透過する透過型の配置も可能である。以上の様な構成によって、本実施形態は、物体１０８内部の画像化を行う。
【００６０】
（実施形態３）
実施形態３を説明する。本実施形態では、発生部と検出部を共通化している。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７は、本実施形態の画像形成装置の概略構成図である。これまでの実施形態との違いは、発生部と検出部を共通化し発生検出部７０１としている点である。
【００６１】
発生検出部７０１は、テラヘルツ波を発生し検出する部分である。いわゆるトランシーバとして発生検出部７０１は機能する。これまで説明した発生部５０１と検出部１０１は、同じデバイス構造を有する素子で構成することも可能なので、駆動方法を調整することで発生と検出を兼ねることが可能である。例えば、発生検出部７０１として光伝導素子を用いる場合、テラヘルツ波の発生に用いた電界の存在下で、テラヘルツ波の電界による電流を検出するための回路を構築する。
【００６２】
図の様に、レーザ源５０２から発生した励起光は、ビームスプリッタを介し光路Ｌ１とＬ２に分岐される。光路Ｌ１の励起光は、テラヘルツ波の発生用に用いる。光路Ｌ２の励起光は、テラヘルツ波の検出用に用いる。光路Ｌ２の励起光は遅延光学部５０３によって伝搬長が調整され、ビームスプリッタによって光路Ｌ１の励起光と再び混合される。発生検出部７０１に入射する光路Ｌ１の励起光と光路Ｌ２の励起光の時間差によって、発生検出部７０１に入射するテラヘルツ波をサンプリング計測する。発生検出部７０１から発生したテラヘルツ波７０２は、変調部１０３を介してテラヘルツ波７０３になる。テラヘルツ波７０３は、物体１０８に照射される前に変調部１０３で空間変調され、パルス列となる。テラヘルツ波７０３は、物体１０８に照射され、物体からのテラヘルツ波１０９がテラヘルツ波７０３の入射伝搬経路に沿って伝搬する。物体からのテラヘルツ波１０９は、変調部１０３に入射する。そして、変調部１０３は、使用した変調パターンに従って第１のテラヘルツ波１１０と第２のテラヘルツ波１１１を出射する。
【００６３】
本実施形態では、変調部１０３で使用する変調パターンはモニタ部１０４によってモニタされている。そして、調整部１０５は、モニタ部１０４を参照し、テラヘルツ波の時間波形の調整に用いる変調パターンを取得する。ただし、上述した様に、モニタ部１０４は、パターン記憶部６０１に置き換えることも可能である。
【００６４】
以上の様な構成によって、本実施形態の画像形成装置は、物体１０８内部の画像化を行う。この様な構成によれば、テラヘルツ波を物体１０８の表面に対して法線方向に入射することができる。そのため、画像化の際に、テラヘルツ波の物体１０８に対する角度依存性の影響が軽減できるという効果を奏する。例えば、物体１０８に入射するテラヘルツ波と出射するテラヘルツ波が異なる経路を伝搬することによる、隣接する画素間の信号の重なり状態が軽減できる。また、画像化において、物体１０８に対してテラヘルツ波が斜めに入射することによって変化したテラヘルツ波の時間軸を補正する工程を必要とする場合、この工程が省略できる。さらに、使用するテラヘルツ波発生、検出用の素子が減らせることで、画像形成装置の小型化、低価格化が容易となるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・検出部、１０２・・波形構築部（構築部）、１０３・・変調部、１０５・・調整部、１０６・・加算部、１０７・・画像構成部、１０８・・物体、１０９・・物体からのテラヘルツ波、１１０・・第１のテラヘルツ波、１１１・・第２のテラヘルツ波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する装置であって、
物体からのテラヘルツ波を検出する検出部と、
前記検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部と、
物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波について、前記検出部に至るまでの画素毎の伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調部と、
前記変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、前記時間量に基づいて、前記構築部からの第１のテラヘルツ波の第１の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形と第４の時間波形を算出する調整部と、
画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算部と、
を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記変調部は、物体と前記検出部の間に配置され、物体から前記検出部に至るテラヘルツ波の伝搬距離について空間変調を行うことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記変調部の状態をモニタし、該変調部の状態より変調パターンを出力するモニタ部をさらに有し、
前記調整部は、前記モニタ部から出力される変調パターンを参照してテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記変調部が用いる第１の変調パターンと第２の変調パターンを予め記憶しているパターン記憶部をさらに有し、
前記調整部は、前記パターン記憶部が記憶する変調パターンを参照してテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記変調部は、画像を形成する画素毎にテラヘルツ波の伝搬距離が異なるテラヘルツ波透過部材を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記変調部は、画像を形成する画素毎に物体からのテラヘルツ波の伝搬距離を調整するテラヘルツ波反射部材を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の画像形成装置。
【請求項７】
時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する方法であって、
物体からのテラヘルツ波を検出部により検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する波形構築ステップと、
物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調ステップと、
前記変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、前記時間量に基づいて、前記波形構築ステップで構築された第１のテラヘルツ波の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形と第４の時間波形を算出する調整ステップと、
画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算する加算ステップと、
を含むことを特徴とする画像形成方法。
【請求項１】
時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する装置であって、
物体からのテラヘルツ波を検出する検出部と、
前記検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する構築部と、
物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波について、前記検出部に至るまでの画素毎の伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調部と、
前記変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、前記時間量に基づいて、前記構築部からの第１のテラヘルツ波の第１の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形と第４の時間波形を算出する調整部と、
画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算処理する加算部と、
を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記変調部は、物体と前記検出部の間に配置され、物体から前記検出部に至るテラヘルツ波の伝搬距離について空間変調を行うことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記変調部の状態をモニタし、該変調部の状態より変調パターンを出力するモニタ部をさらに有し、
前記調整部は、前記モニタ部から出力される変調パターンを参照してテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記変調部が用いる第１の変調パターンと第２の変調パターンを予め記憶しているパターン記憶部をさらに有し、
前記調整部は、前記パターン記憶部が記憶する変調パターンを参照してテラヘルツ波の時間波形の時間軸上の位置を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記変調部は、画像を形成する画素毎にテラヘルツ波の伝搬距離が異なるテラヘルツ波透過部材を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記変調部は、画像を形成する画素毎に物体からのテラヘルツ波の伝搬距離を調整するテラヘルツ波反射部材を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の画像形成装置。
【請求項７】
時間領域分光法により物体の内部情報を可視化する方法であって、
物体からのテラヘルツ波を検出部により検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける検出部の出力よりテラヘルツ波の時間波形を構築する波形構築ステップと、
物体内部にテラヘルツ波が浸透する方向に対して略垂直な方向の物体の画素に対応するテラヘルツ波について、検出部に至るまでの伝搬距離を第１の変調パターンと第２の変調パターンで逐次空間変調し、第１のテラヘルツ波と第２のテラヘルツ波を出射する変調ステップと、
前記変調パターンに対応する画素毎のテラヘルツ波の伝搬距離の変化量を時間量に換算し、前記時間量に基づいて、前記波形構築ステップで構築された第１のテラヘルツ波の時間波形と第２のテラヘルツ波の第２の時間波形の時間軸上の位置を調整し、第３の時間波形と第４の時間波形を算出する調整ステップと、
画素毎に、第３の時間波形と第４の時間波形を加算する加算ステップと、
を含むことを特徴とする画像形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８５０１２（Ｐ２０１２−１８５０１２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７７３５（Ｐ２０１１−４７７３５）
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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