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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-13
(45)【発行日】2022-01-25
(54)【発明の名称】収納物検査装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3581 20140101AFI20220118BHJP
G01N 22/00 20060101ALI20220118BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3581
G01N22/00 S
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020031995
(22)【出願日】2020-02-27
(65)【公開番号】P2021135188
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2020-03-05
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「共鳴トンネルダイオードとフォトニック結晶の融合」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000100942
【氏名又は名称】アイレック技建株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(72)【発明者】
【氏名】久々津 直哉
(72)【発明者】
【氏名】菊地 真人
(72)【発明者】
【氏名】永妻 忠夫
(72)【発明者】
【氏名】冨士田 誠之
(72)【発明者】
【氏名】ヘッドランド ダニエル ジョナサン
(72)【発明者】
【氏名】匂坂 知貴
(72)【発明者】
【氏名】易 利
【審査官】田中 洋介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２５３８００（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１０／０４４１９３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１８７７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５３０５８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５１１９５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０４４０７４１６（ＣＮ，Ａ）
【文献】Daniel Headland，Terahertz multi-beam antenna using photonic crystal waveguide and Luneburg lens，APL Photonics (Web)，Vol.3 No.12，2018年，pp.126105-126105-18，https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5060631，検索日：2021-04-05
【文献】Daniel Headland，Integrated Luneburg and Maxwell Fisheye Lenses for the Terahertz Range，2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) (Web)，2019年10月21日，pp.1-2，https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8874367，検索日：2021-04-05
【文献】Zhenhai Wu，Compact terahertz wave polarization beam splitter based on self-collimating photonic crystals，Optik，2013年，Vol.124 No.17，pp.2844-2847
【文献】GUO-QIANG MO，Compact terahertz wave polarization beam splitter using photonic crystal，Applied Optics，2016年，Vol.55 No.25，pp.7093-7097
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／９５８
Ｇ０１Ｎ ２２／００－２２／０４
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
収納物と添付物を収納する箱を搬送する搬送機構と、テラヘルツ波信号を生成し出力する送信部と、前記送信部から出力された前記テラヘルツ波信号を前記箱に出射し、前記箱で反射された前記テラヘルツ波信号の反射波信号を入射する光学系と、前記光学系から入射した前記反射波信号から検出信号を生成する受信部と、誘電性を有する１つの平坦な基板に形成され、前記送信部と前記光学系と前記受信部との間の前記テラヘルツ波信号を平行波に変換して伝搬する伝送デバイスと、を含む検出部と、
前記検出部により検出された前記反射波信号から生成された検出信号から干渉波信号を抽出する信号処理部と、前記干渉波信号の有無により前記箱内に前記収納物と前記添付物が収納されているか否かを判断する判断部と、を含む制御部と、
を備え、
前記伝送デバイスは、
前記送信部から伝搬された前記テラヘルツ波信号を複数の第１貫通孔により設定された第１屈折率により、円弧状に拡散して平行に伝送する第１平面レンズ部を含む第１ポートと、
複数の第２の貫通孔の格子状の配列により設定された反射率又は透過率を有し、前記第１平面レンズ部に接する前記配列の第１側面に設けられた第１反射面及び、前記配列の内部で前記第１側面と対向する第２側面に設けられた第２反射面を有し、
前記第１平面レンズ部から入射した前記テラヘルツ波信号を前記第１反射面で反射することで第１反射信号が生成され、前記配列の内部に入射した前記テラヘルツ波信号を前記第２反射面と前記第１反射面との間で多重反射することで多重反射波信号が生成され、
前記第２の貫通孔の前記配列の幅、前記テラヘルツ波信号の波長、前記多重反射波信号の反射角度、及び前記誘電性を有する前記基板の屈折率によって前記多重反射波信号の位相が決定されて、前記第２の貫通孔の前記配列の幅を調整して前記第１反射信号の位相に前記多重反射波信号の位相を合わせることで、前記第１反射信号と前記多重反射波信号とを同じ方向に出射するビームスプリッタ部と、
前記ビームスプリッタ部から反射された前記テラヘルツ波信号を、複数の第３貫通孔により設定された第２屈折率により収束し前記光学系へ伝搬し、且つ前記光学系から入射された前記テラヘルツ波信号の反射波信号を前記第２屈折率により円弧状に拡散して平行に伝送し、前記ビームスプリッタ部へ伝搬する第２平面レンズ部を含む第２ポートと、
前記ビームスプリッタ部を通過した前記平行に伝送される前記テラヘルツ波信号の前記反射波信号を複数の第４貫通孔により設定された第３屈折率により、収束し前記受信部へ伝搬する第３平面レンズ部を含む第３ポートと、
を具備する、収納物検査装置。
【請求項2】
前記伝送デバイスにおいて、
前記第１ポートは、前記テラヘルツ波信号を伝搬する第１導波路、
前記第２ポートは、前記テラヘルツ波信号を伝搬する第２導波路、及び、
前記第３ポートは、前記テラヘルツ波信号を伝搬する第３導波路をそれぞれ有し、
前記第１平面レンズ部と前記第１導波路が接合する第１接合部分、前記第２平面レンズ部と前記第２導波路が接合する第２接合部分、及び、前記第３平面レンズ部と前記第３導波路が接合する第３接合部分のそれぞれに、導波路と平面レンズ部の間のインピーダンス整合を行う接合箇所を備え、
前記接合箇所は、それぞれに前記第１導波路乃至前記第３導波路から前記第１平面レンズ部乃至前記第３平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の第５貫通孔を有する、請求項１に記載の収納物検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、テラヘルツ波帯域の検査信号を用いて、箱内に収納された収納物及び添付物の有無を検出する収納物検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
通常、薬剤が充填されたチューブ容器等の収納物が箱に収納される際に、その収納物と共に、使用方法や注意事項が記載された取扱説明書（能書き）等の添付物が同梱されている。このため、出荷前の製品検査において、添付物が同梱されているか否かを検査する必要がある。この箱内の添付物の有無を検出する検査装置として、例えば、特許文献１には、ミリ波帯域又はテラヘルツ波帯域の電磁波を検査信号として、外側から箱に向けて照射し、その反射波を検出して、収納物と能書きの境目で生じる反射波信号のピーク値の有無から箱内の能書きの有無を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－２５３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前述した特許文献１の能書検査装置においては、テラヘルツ波発生手段（又は、ミリ波発生手段）と、光学手段とで構成される。能書検査装置の光学手段は、複数の凸レンズ、複数のミラー及びビームスプリッタを含む光学素子で、テラヘルツ波信号を箱に出射する出射経路及び、箱からのテラヘルツ波の反射波信号を入射する入射経路の空間光学系を有している。光学手段において、複数の光学素子を組み合わせた場合、テラヘルツ波信号の検査対象物を経由する経路を構築するために、各光学素子に対して微妙な位置調整や角度調整の作業が必要な上に、これらの光学素子を移動可能に支持する支持部材も必要となり、システムが大型化している。また、ミリ波帯域の信号は、その多くが周波数毎に用途が振り分けられているため、検査装置に対して使用する帯域に制限が掛かっている。
【0005】
そこで本発明の実施形態は、テラヘルツ波帯域の検査信号を用いて、箱内の収納物及び添付物から反射された検査信号を取得して収納状態を検出する収納物検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態の収納物検査装置は、収納物と添付物を収納する箱を搬送する搬送機構と、テラヘルツ波信号を生成し出力する送信部と、前記送信部から出力された前記テラヘルツ波信号を前記箱に出射し、前記箱で反射された前記テラヘルツ波信号の反射波信号を入射する光学系と、前記光学系から入射した前記反射波信号から検出信号を生成する受信部と、誘電性を有する１つの平坦な基板に形成され、前記送信部と前記光学系と前記受信部との間の前記テラヘルツ波信号を平行波に変換して伝搬する伝送デバイスと、を含む検出部と、前記検出部により検出された前記反射波信号から生成された検出信号から干渉波信号を抽出する信号処理部と、前記干渉波信号の有無により前記箱内に前記収納物と前記添付物が収納されているか否かを判断する判断部と、を含む制御部と、を備え、前記伝送デバイスは、前記送信部から伝搬された前記テラヘルツ波信号を複数の第１貫通孔により設定された第１屈折率により、円弧状に拡散して平行に伝送する第１平面レンズ部を含む第１ポートと、複数の第２の貫通孔の格子状の配列により設定された反射率又は透過率を有し、前記第１平面レンズ部に接する前記配列の第１側面に設けられた第１反射面及び、前記配列の内部で前記第１側面と対向する第２側面に設けられた第２反射面を有し、前記第１平面レンズ部から入射した前記テラヘルツ波信号を前記第１反射面で反射することで第１反射信号を生成し、前記配列の内部に入射した前記テラヘルツ波信号を前記第２反射面と前記第１反射面との間で多重反射することで多重反射波信号を生成し、前記第２の貫通孔の前記配列の幅、前記テラヘルツ波信号の波長、前記多重反射波信号の反射角度、及び前記誘電性を有する前記基板の屈折率によって前記多重反射波信号の位相が決定され、前記第２の貫通孔の前記配列の幅を調整して、前記第１反射信号の位相に前記多重反射波信号の位相を合わせることで、前記第１反射信号と前記多重反射波信号とを同じ方向に出射するビームスプリッタ部と、前記ビームスプリッタ部から反射された前記テラヘルツ波信号を、複数の第３貫通孔により設定された第２屈折率により収束し前記光学系へ伝搬し、且つ前記光学系から入射された前記テラヘルツ波信号の反射波信号を前記第２屈折率により円弧状に拡散して平行に伝送し、前記ビームスプリッタ部へ伝搬する第２平面レンズ部を含む第２ポートと、前記ビームスプリッタ部を通過した前記平行に伝送される前記テラヘルツ波信号の前記反射波信号を複数の第４貫通孔により設定された第３屈折率により、収束し前記受信部へ伝搬する第３平面レンズ部を含む第３ポートと、を備える。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、テラヘルツ波帯域の検査信号を用いて、箱内の収納物及び添付物から反射された検査信号を取得して収納状態を検出する収納物検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波帯域の検査信号を用いる収納物検査装置の構成を示す図である。以下の説明において、テラヘルツ波信号は、電磁波の領域と光の領域に掛かる周波数帯域にあり、ここでは、周波数１００GHz～３THz程度又は、波長３０μｍ～１ｍｍ程度の電磁波とするが、明確に定義されているものではない。また、利用対象等によっては、テラヘルツ波の周波数の上限を１０THzまでの範囲に設定してもよい。
図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波帯域の検査信号を用いる収納物検査装置の構成を示す図である。以下の説明において、テラヘルツ波信号は、電磁波の領域と光の領域に掛かる周波数帯域にあり、ここでは、周波数１００GHz～３THz程度又は、波長３０μｍ～１ｍｍ程度の電磁波とするが、明確に定義されているものではない。また、利用対象等によっては、テラヘルツ波の周波数の上限を１０THzまでの範囲に設定してもよい。
【0010】
図１に示す収納物検査装置１は、少なくとも検査対象となる外装箱２と、外装箱２を搬送する搬送機構３と、外装箱２内の収納物等の有無を検出する検出部４と、装置全体を制御する制御部５と、表示部６と、検査を実施するための情報を記憶するメモリ７と、を備えている。尚、図示していないが、検査条件の設定や種々入力を行うためのキーボードやタッチパネル等の入力機器を有している。また、制御部５においては、外部との通信を行うインターフェース機能を有しており、外部のネットワーク、例えば、ＬＡＮ、インターネット等を通じて、外部の機器によるリモート制御や判断結果等の情報の通信を行うことができる。
【0011】
検査対象の外装箱２（以下、箱と称する）は、収納物を収納している外容器であり、収納物が直視できない、紙及び／又は不透明樹脂等により形成されている。例えば、紙製の箱の外装に透明樹脂の箱が重ねられた２重構造であってもよい。また、箱内で収納物を固定するためのトレイを備えていてもよい。尚、箱２の材料は、テラヘルツ波が透過可能な材料により形成されているのであれば、紙又は樹脂等に限定されるものではなく、さらに、箱の形状も限定されない。即ち、検査対象を箱２を例として説明しているが、これに限定されず、内部が見えずテラヘルツ波信号を透過する収納容器に、テラヘルツ波信号を透過しない収納物１０１が収納された形態であれば、本実施形態の収納物検査装置１を用いて、収納物の有無の検査を行うことができる。
【0012】
本実施形態における添付物１０２は、テラヘルツ波信号のある程度の透過性を有し、収納物１０１とは、テラヘルツ波信号に対する反射率又は吸収率が異なっている。他にも、箱２内に、反射率又は吸収率の異なる複数の収納物が並んで収納されていた場合であっても同様に、収納物検査装置１を用いて、収納物の有無の検査を行うことができる。
【0013】
本実施形態における検査対象となる箱２内には、例えば、薬剤が充填された容器である収納物１０１と、使用方法や注意事項が記載された取扱説明書（能書き）等の添付物１０２とが同梱されている。収納物１０１が薬剤である場合には、取扱説明書の添付は必須であるため、同梱作業後に、箱内に収納物と添付物の有無を確認する検査を行っている。箱２を未開封で同梱検査を行う場合、収納物１０１の有無の判断は、収納後に箱２の重量を計測することで可能である。しかし、添付物１０２が取扱説明書であった場合には、添付物１０２自体が軽量であるため、箱２の重量測定では、適正な有無の判断を行うことが難しい。
【0014】
本実施形態の収納物検査装置１は、テラヘルツ波帯域の検査信号を用いて、箱２内の収納物１０１と添付物１０２の有無を検査する。尚、添付物１０２においては、紙製の取扱説明書に限定されるものではなく、後述する反射波信号に干渉波信号を重畳させる添付物であれば、同梱されているか否かを検出することが可能である。例えば、添付物１０２は、取扱説明書以外のものとして、使用時に用いるカップやスプーンの付属品等の添付物であってもよい。
【0015】
次に、搬送機構３は、搬送手段となる無限軌道のベルトコンベヤ８と、ベルトコンベヤ８を回転駆動するモータ９と、モータ９を駆動制御するための駆動制御部１０とで構成される。駆動制御部１０は、制御部５の制御信号に従って、モータ９を駆動する。ベルトコンベヤ８は、図示しないコンベヤベースの両端に設けられる一対のプーリ３ａ，３ｂに掛け渡され、モータ９によりプーリ３ｂが駆動され、ベルトコンベヤ８が回転される。この時、ベルトコンベヤ８上には間隔を空けて複数の箱２が並んで載置され、箱２は、検出部４の前方を一定の速度で搬送される。また、ベルトコンベヤ８は、テラヘルツ波信号を透過させる材料又は、テラヘルツ波信号を吸収する材料により形成されることが好ましい。勿論、搬送手段は、ベルトコンベヤに限定されるものではなく、例えば、箱２が載置可能なサイズの矩形プレートをチェーン状に連結した構成であってもよい。
【0016】
また、ベルトコンベヤ８における検出部４の上流側には、図示しない同梱装置が配置されて、箱２に収納物１０１及び添付物１０２が同時に同梱される。ここで、同梱装置におけるチューブ容器からなる収納物１０１及び、取扱説明書からなる添付物１０２の同梱について説明する。例えば、一方の蓋が開けられて、開口する状態の箱２に対して、開口幅以下で縦長に折り畳まれた添付物１０２の中央が、その開口に宛がわれる。収納物１０１の先端が添付物１０２の中央を押して折り曲げながら、収納物１０１と共に添付物１０２が開口から箱２内に押し込まれるように侵入して収納される。この収納により、添付物１０２は、収納物１０１の先端から収納物１０１を挟み込むように折り曲げられた状態で収納されている。
【0017】
表示部６は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置を用いている。また、表示画面上に入力部となるタッチパッドを設けたタッチパネルを使用してもよい。表示部６は、制御部５から送信された装置内各部の駆動状況、検査に関する設定情報、収納物情報及び、添付物１０２の有無の判断結果を選択的に表示する。収納物情報は、製品名、箱に収納される部材名、製造番号又はロット番号を含む情報である。検査に関する設定情報は、現在設定されている、後述する判断基準の情報、検査項目等の情報である。
【0018】
メモリ７は、制御部５が装置各部を駆動制御するためのプログラムや情報を記憶している。メモリ７は、十分な記憶容量を確保するために、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等により構成される。また、メモリ７は、後述する判断部４３が箱２内の添付物１０２の有無を判断するための判断基準のデータ及び判断結果を記憶する。この判断基準のデータは、正常な箱２のサンプル、即ち、収納物１０１及び添付物１０２が正しく同梱されている箱２に対して、検査信号であるテラヘルツ波信号を出射し、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を判断基準（第１判断基準）として、検査開始前に予め取得したデータである。
【0019】
判断基準のデータは、収納された添付物１０２が箱２内で位置ずれを生じている場合も想定されるため、複数の箱２のサンプルから取得することが好ましい。また同様に、添付物１０２が収納されていない欠陥がある箱２に対しても、テラヘルツ波信号を出射し、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を不良判断基準（第２判断基準）として、検査開始前に予め取得してもよい。この場合、最初に第１判断基準を用いて判断処理を行った後、その判断結果の状況に応じて、例えば、誤判断の可能性が生じていた際には、第２判断基準を用いて、２回目の判断を行ってもよい。
【0020】
制御部５は、少なくとも演算処理部４１、信号処理部４２及び判断部４３を備える。これらの演算処理部４１及び判断部４３は、例えば、ＣＰＵまたはＡＳＣＩ等の電子回路、またはハードウエアを含むプロセッサが用いられている。信号処理部４２は、図示しない信号増幅部、ノイズ処理部、フィルタ部（ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ及びバンドパスフィルタ等）、Ａ／Ｄ変換部等を備えており、必要に応じて、検出した反射波信号に処理を施している。これらの処理は、回路素子でハードウェア的に処理してもよいし、反射波信号のデジタル化処理を含みプログラムソフトウェアによる処理であってもよい。演算処理部４１及び判断部４３における各々の処理は、メモリ７に記憶されたプログラムに従って実行される。演算処理部４１は、検出部４に対して、検査信号であるテラヘルツ波信号を箱２に向けて出射及び、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を取得する動作を行う制御信号を与える。判断部４３は、前述した予め設定された判断基準のデータと、検出したテラヘルツ波信号の反射波信号を比較し、信号パターンが略一致又は、予め設定した閾値内であれば、箱２内に添付物１０２が収納されていると判断する。また、制御部５及びメモリ７は、パーソナルコンピュータにより代用することも可能である。
【0021】
次に、図２乃至図１１を参照して、検出部４について説明する。
ここで、図２は、テラヘルツ波の信号を伝送する伝送デバイスを含む検出部の構成例を示す図である。
図２に示すように、検出部４は、半導体基板に集積されたテラヘルツ波信号を伝送する伝送デバイス２７を含む構成である。検出部４は、テラヘルツ波信号を発信・受信及び伝送するテラヘルツ波検出部２１と、箱２にテラヘルツ波信号を出射し、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を入射する光学系２２と、で構成される。
ここで、図２は、テラヘルツ波の信号を伝送する伝送デバイスを含む検出部の構成例を示す図である。
図２に示すように、検出部４は、半導体基板に集積されたテラヘルツ波信号を伝送する伝送デバイス２７を含む構成である。検出部４は、テラヘルツ波信号を発信・受信及び伝送するテラヘルツ波検出部２１と、箱２にテラヘルツ波信号を出射し、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を入射する光学系２２と、で構成される。
【0022】
光学系２２は、テラヘルツ波検出部２１から伝搬されたテラヘルツ波信号を箱２に向けて出射する出射部２３と、そのテラヘルツ波信号の反射波信号を入射してテラヘルツ波検出部２１へ伝搬する入射部２４とを有している。出射部２３及び入射部２４は、複数の対物レンズやミラー等の光学素子が組み合わされて構成される。それぞれの出射部２３及び入射部２４は、最小ユニットとして、テラヘルツ波信号を検査対象に合焦する対物レンズと、出射方向を設定するミラーの１組で構成することも可能である。また、検出部４は、テラヘルツ波検出部２１と光学系２２とを、１つのベース基板上に実装して一体的に構成することも容易に実現できる。
【0023】
また出射部２３は、箱２等の検査対象のサイズや検査位置に応じて、出射するテラヘルツ波信号を揺動するガルバノミラー又は回転するポリゴンミラーにより掃引させて、スキャン信号に変更するスキャン部（図示せず）を搭載してもよい。但し、スキャン部は、検出部４の使用目的や装置仕様に応じて備えられる構成部位であり、必須ではない。
【0024】
尚、本実施形態の光学系２２は、テラヘルツ波信号を照射する出射部２３と、箱２からの反射波信号を入射する入射部２４をそれぞ個別に設けた構造である。しかし、これに限定されるものではなく、対物レンズ又はアンテナ等の１つの部材で出射及び入射を行う構造であってもよい。
【0025】
次に、テラヘルツ波検出部２１について説明する。
図２に示すように、テラヘルツ波検出部２１は、テラヘルツ波信号を発信出力する送信器２５と、ビームスプリッタ部３５を含む導波部３４を有し、テラヘルツ波信号、及びテラヘルツ波信号の反射波信号の伝送路を構成する伝送デバイス２７と、入射部２４から伝搬されたテラヘルツ波信号の反射波信号を入力し、その反射波信号に基づく検出信号を生成する受信器２６と、を備えている。送信器２５と受信器２６は、制御部５により駆動制御される。
図２に示すように、テラヘルツ波検出部２１は、テラヘルツ波信号を発信出力する送信器２５と、ビームスプリッタ部３５を含む導波部３４を有し、テラヘルツ波信号、及びテラヘルツ波信号の反射波信号の伝送路を構成する伝送デバイス２７と、入射部２４から伝搬されたテラヘルツ波信号の反射波信号を入力し、その反射波信号に基づく検出信号を生成する受信器２６と、を備えている。送信器２５と受信器２６は、制御部５により駆動制御される。
【0026】
送信器２５は、テラヘルツ波信号を発信する、例えば、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器を含み、一構成例として、共鳴トンネルダイオード（Resonant tunneling Diode : RTD）である負性抵抗素子と、スロットアンテナである共振器との組み合わせで構成される。または、送信器２５は、ＲＴＤとマイクロストリップ共振器とを含む構成であってもよい。ＲＴＤ等の回路素子は、半導体基板上に形成することができる。
【0027】
受信器２６は、常温の環境下で利用可能な直接検出方式におけるダイオード（ショットキーバリヤダイオード等）又は、ボロメータ又は、ヘテロダイン検波器等の周知な構成を用いることができる。その他の受信器として、極低温環境下で利用可能な量子型検出器等がある。
【0028】
伝送デバイス２７は、例えば、シリコン：Si、リン化インジウム：InP、ヒ化ガリウム：GaAs又は、窒化ガリウム：GaN等の半導体基板を用いて形成される。本実施形態においては、半導体基板は、導体ではなく誘電体の形態で用いられる。尚、上述の材料に限定されるものではなく、電気的特性が本実施形態で用いた誘電体の特性と同等の特性を有するものであれば、他の材料により形成される基板を用いることも可能である。以下、本実施形態の伝送デバイス２７は、基板にシリコン半導体を用いた例で説明する。
【0029】
伝送デバイス２７は、１つのシリコン半導体基板から一体的に形成される、導波部（平面シリコンスラブ）３４と、ビームスプリッタ部３５と、信号供給ポート［第１ポート］３１と、信号送受ポート［第２ポート］３２と、反射波信号受信ポート［第３ポート］３３とを有する３ポートタイプ伝送デバイスである。ビームスプリッタ部３５は、後述するように、導波部３４内に形成される。
【0030】
また、図２に示す導波部３４においては、第１ポート３１と対向する辺のポートが設けられていない箇所には、ドーピング処理を施して、ビームスプリッタ部３５を透過したテラヘルツ波信号の吸収体の機能を形成する。この吸収体の機能により、ビームスプリッタ部３５を透過し導波部３４の端部で反射してビームスプリッタ部３５へ戻るテラヘルツ波信号の反射波信号を消滅させる。また、第１ポート３１と対向する導波部３４の箇所を開放しておくことで、反射波信号を抑制することも可能である。
または、伝送デバイス２７は、前述した導波部３４における第１ポート３１と対向する辺に新たな第４ポートを設けて、出力されるテラヘルツ波信号を他のシステム又は機能に利用することが可能である。伝送デバイス２７は、第４ポートを、例えば、伝搬されるテラヘルツ波信号をモニタするシステムに利用する、さらには、ビームスプリッタ部３５へ戻るテラヘルツ波信号の干渉信号を意図的に生成する機能にも利用することができる。
または、伝送デバイス２７は、前述した導波部３４における第１ポート３１と対向する辺に新たな第４ポートを設けて、出力されるテラヘルツ波信号を他のシステム又は機能に利用することが可能である。伝送デバイス２７は、第４ポートを、例えば、伝搬されるテラヘルツ波信号をモニタするシステムに利用する、さらには、ビームスプリッタ部３５へ戻るテラヘルツ波信号の干渉信号を意図的に生成する機能にも利用することができる。
【0031】
以下の説明において、スラブは、平行平板状の半導体又は半導体薄膜を示す。また、スラブモードは、スラブをコアとし、上下の空気をクラッドとして、テラヘルツ波信号をコアに閉じ込めた状態で伝搬する電磁界の状態（モード）を示す。尚、本実施形態におけるスラブモードは、スラブ内においては、閉じ込め機構がないため、図９Ａに示すように、第１ポート３１である平面シリコンスラブの面内を空間伝搬のように半円状に広がった後、導波部３４のスラブ内を平面波的に伝搬するモードを意味する。
【0032】
導波部３４の平面シリコンスラブは、使用するテラヘルツ波信号の周波数（波長）により設定し、本実施形態において、例えば、３３０GHz（０．３３THz）の周波数であれば、厚さ２００μｍのシリコン半導体基板が用いられている。本実施形態における導波部３４は、矩形の外形形状であり、平行に対向する両主面で矩形の断面形状を有する。
【0033】
導波部３４は、後述するように第１平面レンズ部５４及び、第２平面レンズ部６４により、それぞれ平行波（コリメーション）に偏向されたテラヘルツ波信号をシリコン基板内に閉じ込めた状態で伝送する。本実施形態においては、導波部３４のシリコン基板内を閉じ込めた状態で伝送するテラヘルツ波信号をスラブモードビームと称する。
【0034】
図３は、フォトニック結晶導波部を用いた３つのポートが設けられる伝送デバイス２７の概念的な構成を示す図である。
第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、ビームスプリッタ部３５によるテラヘルツ波信号の透過と反射を利用する伝送路の経路の設定に応じて、矩形の導波部３４の各辺に配置される。本実施形態におけるテラヘルツ波信号の伝送経路は、送信器２５から第１ポート３１に入射したテラヘルツ波信号２０４（出射信号２０１）をビームスプリッタ部３５で反射して、第２ポート３２に伝搬する出射経路と、検査対象で反射して第２ポートに入射したテラヘルツ波信号の検出信号２０５（反射波信号２０２）をビームスプリッタ部３５で透過して第３ポート３３に伝搬する入射経路と、に設定されている。即ち、テラヘルツ波信号の経路は、ビームスプリッタ部３５によるテラヘルツ波信号の透過と反射の利用の仕方で適宜、変更可能である。
第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、ビームスプリッタ部３５によるテラヘルツ波信号の透過と反射を利用する伝送路の経路の設定に応じて、矩形の導波部３４の各辺に配置される。本実施形態におけるテラヘルツ波信号の伝送経路は、送信器２５から第１ポート３１に入射したテラヘルツ波信号２０４（出射信号２０１）をビームスプリッタ部３５で反射して、第２ポート３２に伝搬する出射経路と、検査対象で反射して第２ポートに入射したテラヘルツ波信号の検出信号２０５（反射波信号２０２）をビームスプリッタ部３５で透過して第３ポート３３に伝搬する入射経路と、に設定されている。即ち、テラヘルツ波信号の経路は、ビームスプリッタ部３５によるテラヘルツ波信号の透過と反射の利用の仕方で適宜、変更可能である。
【0035】
図３及び図４を参照して、第３ポート３１，３２，３３にフォトニック結晶導波部を用いた例について説明する。図４は、フォトニック結晶導波部を有する第１ポートの構成例を示す図である。
第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、矩形状の導波部３４の各辺に、導波部３４と一体的に形成される。尚、残りの第４ポートに相当する辺には、前述したテラヘルツ波信号の吸収体が設けられており、後述するビームスプリッタ部３５から漏れ出たテラヘルツ波信号を吸収し、反射波信号の発生を防止する。これらの第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、共に、平面レンズ部５４，６４，７４と、フォトニック結晶導波部５３，６３，７３と、を含む構成である。フォトニック結晶導波部５３，６３，７３には、中央を通過するようにフォトニック結晶導波路５２，６２，７２が設けられている。これらのフォトニック結晶導波路５２，６２，７２には、それぞれに第１、第２、第３金属導波管５１，６１，７１が差し込まれて結合されている。この結合は、接着剤や溶着材等を用いて固定してもよい。
第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、矩形状の導波部３４の各辺に、導波部３４と一体的に形成される。尚、残りの第４ポートに相当する辺には、前述したテラヘルツ波信号の吸収体が設けられており、後述するビームスプリッタ部３５から漏れ出たテラヘルツ波信号を吸収し、反射波信号の発生を防止する。これらの第１乃至第３ポート３１，３２，３３は、共に、平面レンズ部５４，６４，７４と、フォトニック結晶導波部５３，６３，７３と、を含む構成である。フォトニック結晶導波部５３，６３，７３には、中央を通過するようにフォトニック結晶導波路５２，６２，７２が設けられている。これらのフォトニック結晶導波路５２，６２，７２には、それぞれに第１、第２、第３金属導波管５１，６１，７１が差し込まれて結合されている。この結合は、接着剤や溶着材等を用いて固定してもよい。
【0036】
詳細には、第１ポート［信号供給ポート］３１は、第１平面レンズ部５４と、第１フォトニック結晶導波部５３とを有し、送信器２５から第１金属導波管５１を通じて送信されたテラヘルツ波信号を導波部３４に供給（入力）する。
【0037】
第２ポート［信号送受ポート］３２は、第２平面レンズ部６４と、第２フォトニック結晶導波部６３とを有する。第２ポート３２は、導波部３４を伝搬されたテラヘルツ波信号を、第２金属導波管６１を通じて光学系２２へ出力し、且つ光学系２２から入射された図２示す箱２からのテラヘルツ波信号の反射波信号（検出信号）を入力し、導波部３４へ伝搬する。
第３ポート［反射波信号受信ポート］３３は、第３平面レンズ部７４と、第３フォトニック結晶導波部７３とを有し、導波部３４を伝搬した反射波信号を第３金属導波管７１を通じて、受信器２６に出力する。
第３ポート［反射波信号受信ポート］３３は、第３平面レンズ部７４と、第３フォトニック結晶導波部７３とを有し、導波部３４を伝搬した反射波信号を第３金属導波管７１を通じて、受信器２６に出力する。
【0038】
まず、第１乃至第３金属導波管５１，６１，７１について説明する。
これらの第１金属導波管５１と第２金属導波管６１と第３金属導波管７１は、中空で断面が矩形形状の同等な導波管である。導波管の断面形状は矩形に限定されるものではなく、楕円等の円形であってもよい。各導波管において、第１金属導波管５１は、一端を送信器２５と接続し、他端を後述する第１フォトニック結晶導波路５２と結合して、送信器２５から送信されたテラヘルツ波信号を第１フォトニック結晶導波路５２に供給する。
第２金属導波管６１は、一端を光学系２２と接続し、他端を後述する第２フォトニック結晶導波路６２と結合する。第２金属導波管６１は、第２フォトニック結晶導波路６２から伝搬されたテラヘルツ波信号を光学系２２に伝搬し、光学系２２から戻った箱２（図１）で反射したテラヘルツ波信号の反射波信号を第２フォトニック結晶導波路６２へ伝搬する。
これらの第１金属導波管５１と第２金属導波管６１と第３金属導波管７１は、中空で断面が矩形形状の同等な導波管である。導波管の断面形状は矩形に限定されるものではなく、楕円等の円形であってもよい。各導波管において、第１金属導波管５１は、一端を送信器２５と接続し、他端を後述する第１フォトニック結晶導波路５２と結合して、送信器２５から送信されたテラヘルツ波信号を第１フォトニック結晶導波路５２に供給する。
第２金属導波管６１は、一端を光学系２２と接続し、他端を後述する第２フォトニック結晶導波路６２と結合する。第２金属導波管６１は、第２フォトニック結晶導波路６２から伝搬されたテラヘルツ波信号を光学系２２に伝搬し、光学系２２から戻った箱２（図１）で反射したテラヘルツ波信号の反射波信号を第２フォトニック結晶導波路６２へ伝搬する。
【0039】
第３金属導波管７１は、一端を受信器２６と接続し、他端を後述する第３フォトニック結晶導波路７２と結合して、第３フォトニック結晶導波路７２から導波部３４を経て伝搬されたテラヘルツ波信号の反射波信号を受信器２６に出力する。
これらの第１乃至第３金属導波管５１，６１，７１は、例えば、アルミニウムや銅等の金属材料を用いて、断面が矩形の中空に形成される方形導波管である。これらの金属導波管は、第１乃至第３フォトニック結晶導波路５２，６２，７２の終端から断面が矩形のテーパー状に張り出すように設けられる尖端導波路（テーパースパイク）にそれぞれ嵌合して結合される。
これらの第１乃至第３金属導波管５１，６１，７１は、例えば、アルミニウムや銅等の金属材料を用いて、断面が矩形の中空に形成される方形導波管である。これらの金属導波管は、第１乃至第３フォトニック結晶導波路５２，６２，７２の終端から断面が矩形のテーパー状に張り出すように設けられる尖端導波路（テーパースパイク）にそれぞれ嵌合して結合される。
【0040】
次に、図４及び図５を参照して、第１乃至第３フォトニック結晶導波部５３，６３，７３について説明する。図５は、フォトニック結晶導波部と平面レンズ部の接合箇所の構成を示す図である。第１乃至第３フォトニック結晶導波部５３，６３，７３は、中央に導波部３４に直線的に向かう中実な第１乃至第３フォトニック結晶導波路５２，６２，７２が配置される２次フォトニック結晶スラブを用いたテラヘルツ波信号の入出力インターフェースである。尚、第１乃至第３フォトニック結晶導波部５３，６３，７３は、共に同等な構成であり、以下では、代表的に第１フォトニック結晶導波部５３を例として説明する。
【0041】
第１フォトニック結晶導波部５３は、例えば、厚さ２００μｍのシリコン半導体基板に、第１平面レンズ部５４に直線的に繋がる幅Ｌ１の第１フォトニック結晶導波路５２を配置し、第１フォトニック結晶導波路５２の両側に、半導体製造技術として用いられているフォトリソグラフィー技術及び、異方向性エッチング技術（例えば、プラズマエッチング）等を用いて、多数の貫通孔（スルーホール）５６がアレイ状に形成される。これらの貫通孔５６は、列毎に１／２ピッチずれて、近接する貫通孔５６どうしが正三角形の位置関係を構成する千鳥配置を形成するように開口されている。
【0042】
内部が中実な第１フォトニック結晶導波路５２の両側面に貫通孔５６が形成される構造は、貫通孔５６によるフォトニックバンドギャップ効果により、第１フォトニック結晶導波路５２にテラヘルツ波信号が留まる。また、第１フォトニック結晶導波路５２の上下面は、大気に晒されていた場合に、シリコンと空気との屈折率の差で全反射が生じ、同様に、第１フォトニック結晶導波路５２にテラヘルツ波信号が留まる。よって、テラヘルツ波信号は、第１フォトニック結晶導波路５２に留まった状態で伝搬されるため、第１フォトニック結晶導波路５２が伝送路として機能する。
【0043】
第１フォトニック結晶導波路５２と第１平面レンズ部５４との接合箇所においては、第１フォトニック結晶導波路５２側に、第１フォトニック結晶導波路５２から第１平面レンズ部５４に向かい徐々に径が大きくなるように大径化する複数の貫通孔５２ａを形成する。これらの貫通孔５２ａは、第１フォトニック結晶導波路５２と第１平面レンズ部５４とのインピーダンス整合を取り、電磁波であるテラヘルツ波信号の反射波が発生することを防止する。この接合箇所を設けることで、帯域幅を１オクターブよりも広くすることができる。接合箇所に形成される貫通孔５２ａは、後述する第１平面レンズ部５４に形成される貫通孔５７よりも小径である。
【0044】
また、図５に示すように、第１フォトニック結晶導波路５２に接する貫通孔５６ａは、半円筒形状の中心軸に掛かる錐面（切断面）側が接するように形成されている。この第１フォトニック結晶導波部５３の第１フォトニック結晶導波路５２及び貫通孔５６は、後述する第１平面レンズ部５４の貫通孔５７と同時に形成される。
【0045】
この第１フォトニック結晶導波路５２は、テラヘルツ波信号をほぼ半波長の周期で反射する反射鏡として形成されて、導波路として機能する。このため、第１フォトニック結晶導波路５２は、伝搬するテラヘルツ波信号の周波数（波長）によって、断面の大きさ（主として、導波路の幅）が設定される。本実施形態においては、例えばテラヘルツ波信号の周波数が０．３３THz（３３０GHz）である場合には、導波路の幅Ｌ１は、４５９．７μｍ、貫通孔５６の半径ｒは、１３７．８μｍ、及びピッチ（隣接する貫通孔の中心どうし間の距離）Ｐは、３３６μｍの正三角形の等辺格子に配置される。勿論、これらの数値は、一例であり、限定されるものではない。
【0046】
次に、図３、図４、図６乃至図９Ａ，９Ｂを参照して、第１乃至第３平面レンズ部５４，６４，７４について説明する。図６は、第１平面レンズ部に形成されるレンズ機能を有する複数の貫通孔を示す図である。図７は、第１平面レンズ部の貫通孔の配置について説明するための概念図である。図８は貫通孔を通過するテラヘルツ波信号の経路の一例を示す図である。図９Ａは、第１ポートにおけるテラヘルツ波信号が通過して平行波となるテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図、図９Ｂは、第２ポートにおけるテラヘルツ波信号が通過して収束するテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図である。
【0047】
これらの第１平面レンズ部５４と、第２平面レンズ部６４と、第３平面レンズ部７４とは、同等の平面レンズであり、例えば、テラヘルツ波信号を発散して平行波の生成（コリメーションcollimation）と、テラヘルツ波信号の収束（focusing）との両方が可能な半円凸型テラヘルツレンズである。これらの第１平面レンズ部５４と、第２平面レンズ部６４と、第３平面レンズ部７４は、それぞれの第１屈折率、第２屈折率及び第３屈折率が同一の屈折率でもよいし、それぞれに異なる屈折率に設定することも可能である。本実施形態では、第１平面レンズ部５４乃至第３平面レンズ部７４は、同等な構成で同じ性能であるものとし、代表的に第１平面レンズ部５４を例にとって説明する。
【0048】
第１平面レンズ部５４は、前述した半導体製造技術を用いて、第１フォトニック結晶導波部５３と同時に形成される。第１平面レンズ部５４は、矩形の第１フォトニック結晶導波部５３の１辺に接し、図６及び図７に示す複数の貫通孔（スルーホール）５７が複数列のアレイ状に形成される。これらの貫通孔５７は、列毎に１／２ピッチずれて、図７に示すように、隣接する貫通孔５７が同一の距離Ｐa1を離間した正三角形の位置関係を構成する千鳥配置を形成している。各貫通孔内は、気体、例えば、大気下では空気が充満している。
【0049】
第１平面レンズ部５４は、マックスウェル魚眼レンズ（Maxwell fisheye lens）から派生し、テラヘルツ波の電磁波の範疇で例えば、グリンレンズ（Gradient Index lens）と同様に、工学的に屈折率を調整することが可能なレンズである。即ち、第１平面レンズ部５４は、周期的な貫通孔マトリックスのパターンの形で、工学的に屈折率を調整することができ、平面レンズに容易に適用できる。ここで、第１平面レンズ部５４に適用されているマックスウェル魚眼レンズは、屈折率を調整することにより、図８に示す光束の軌跡のように、点光源（入力点）Ｐ１を直径方向に対向する焦点（出力点）Ｐ２にマッピングし、レンズ内を光束が放射状に拡散・収束するように通過する光学部品であり、点光源及び焦点のどちらも同じ円周上に存在する。複数の点光源が異なる位置から入力した場合には、中心を通過した対向する円周上の位置にそれぞれ焦点が生じる。
【0050】
【0051】
従って、円形のマックスウェル魚眼レンズを、入射方向に対する垂線で半円に切ることで、図８及び図９Ａに示すように１つの点光源を平行光に変換することができる。また、図８及び図９Ｂに示すように、マックスウェル魚眼レンズの半円の平面側から平行光を入射すると、収束して平行光を１つの点光源に変換（合焦）することができる。また、シリコン半導体基板に貫通孔の無い状態を最大の屈折率として、貫通孔の径（大きさ）を変更することで、（１）式で示すような屈折率を１からｎmaxまでの任意の屈折率（有効屈折率媒質）ｎ（ｒ）を得ることができる。但し、このような屈折率を得るためには、孔の大きさを波長の１／４以下に設定する。本実施形態では、半円のマックスウェル魚眼レンズ（又は、ハーフマックスウェル魚眼レンズと称する）を電磁波のテラヘルツ波信号に用いる。
【0052】
【数1】
【0053】
ここで、レンズ内部の最大の屈折率：ｎmax、レンズの最大半径：ｒmax、レンズ内部の半径位ｒ、周囲に隣接する貫通孔どうしの中心間距離：ａ及び、貫通孔の径：Ｄ１とする。従って、第１に、屈折率は、本質的に自由なパラメータであり、設計に合わせて選択的に設定することができる。また、第２に、屈曲率の最大値は、レンズの中心を通る直径位置（r＝０）で発生する。第３に、ｎ（ｒmax）＝ｎmax／２であるため、特定のマックスウェル魚眼レンズを実現するために使用される有効媒質の屈折率は、２：１の比率で連続的に変化する。
【0054】
以上のことから、第１平面レンズ部５４は、グリンレンズと同様に、最大屈折率が任意に設定可能なパラメータであり、装置の設計に応じて、選択的に設定することができる。即ち、貫通孔の大きさと周期的な格子の形態、即ち、本実施形態のような千鳥配置のパターン化された配置により、屈折率が工学的に調整可能である。第１平面レンズ部５４の幅（第１フォトニック結晶導波部５３と導波部３４の間の距離）は、形成するレンズの直径に準じる長さに設定される。
【0055】
次に、図３、図８、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、フォトニック結晶導波部を用いた第１ポート３１における入力されたテラヘルツ波信号の放射による平行波の生成（コリメート）について説明する。
図３に示す送信器２５から発信されたテラヘルツ波信号は、金属導波管５１内を伝搬して、第１フォトニック結晶導波路５２に伝達される。第１フォトニック結晶導波路５２は、焦点の近くで３次元ビームのテラヘルツ波信号を局在化するため、狭い第１フォトニック結晶導波路５２のフィールドに閉じ込めた状態でテラヘルツ波信号を伝搬し、第１平面レンズ部５４に入射させる。
図３に示す送信器２５から発信されたテラヘルツ波信号は、金属導波管５１内を伝搬して、第１フォトニック結晶導波路５２に伝達される。第１フォトニック結晶導波路５２は、焦点の近くで３次元ビームのテラヘルツ波信号を局在化するため、狭い第１フォトニック結晶導波路５２のフィールドに閉じ込めた状態でテラヘルツ波信号を伝搬し、第１平面レンズ部５４に入射させる。
【0056】
第１平面レンズ部５４は、前述した貫通孔５７の大きさや配置パターンによって設定された屈折率（有効屈折率）に従い、図９Ａに示すように、第１フォトニック結晶導波路５２から幅Ｌ１の平行波で入射されたテラヘルツ波信号を屈折させて円弧Ｋに沿って放射状に拡散するように通過させて、幅Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）の平行波として、第１フォトニック結晶導波路５２から導波部３４へ伝搬する。導波部３４は、平行波の状態でテラヘルツ波信号を伝搬する。
【0057】
また、導波部３４を伝搬した平行波のテラヘルツ波信号を第２平面レンズ部６４に入射する。第２平面レンズ部６４は、入射した平行波のテラヘルツ波信号を屈折させて円弧Ｋに沿って一点に収束し、第２フォトニック結晶導波部６３の第２フォトニック結晶導波路６２に入力させる。第２フォトニック結晶導波路６２は、入力したテラヘルツ波信号を接合する金属導波管６１を伝搬させて、光学系２２へ出力する。
【0058】
次に、図３、図１０乃至図１２を参照して、導波部３４内に形成されるビームスプリッタ部３５について説明する。図１０は、ビームスプリッタ部３５を形成する貫通孔の配置例を示す図である。図１１は、貫通孔の配置関係を説明するための図である。図１２は、ビームスプリッタ部におけるテラヘルツ波信号の反射と透過について説明するための図である。
【0059】
ビームスプリッタ部３５は、導波部３４内に多数の貫通孔３６を格子配置に配列し、任意の幅Ｌ３で形成される。これらの貫通孔３６は、前述した半導体製造技術を用いて、各ポートの第１乃至第３平面レンズ部５４，６４，７４及び第１乃至第３フォトニック結晶導波部５３，６３，７３の各貫通孔と同時に形成される。
【0060】
ビームスプリッタ部３５は、図１０及び図１１に示すように、隣接する貫通孔３６が縦横方向において、同じ距離Ｐa2のピッチを離間した格子配置（マトリックス配置）によるストライプ状に形成する。貫通孔３６の存在により、導波部３４における抵抗値（誘電率）に変化が生じ、伝搬されるテラヘルツ波信号の反射及び透過が発生する。また、各貫通孔３６内は、気体、例えば、大気下では空気が充満している。図１０で示すマトリックス配置におけるビームスプリッタ部３５の貫通孔３６による空気の含有率は、テラヘルツ波信号の反射及び透過に影響を与える。この空気の含有率とは、多数の貫通孔がマトリックス配置された際のシリコン半導体基板に対する空気（空間）が占める割合を示すものであり、貫通孔３６の径Ｄ２とピッチＰa2の距離により次式（２）で求めることができる。
【0061】
【数2】
【0062】
前述したように、多数の貫通孔３６は、貫通孔３６のサイズの選択、配列形態（ピッチ及び行数）及び、幅Ｌにより有効屈折率が変更でき、特定の帯域幅のテラヘルツ波信号に対して、貫通孔３６によるストライプの２つの側面３５ａ，３５ｂを利用したDBR（Distributed Bragg Reflector）反射帯域をハーフミラーとして作用させて、反射及び透過による送信及び受信を行うことができる。本実施形態では、多数の貫通孔３６をハーフミラーの機能を行うビームスプリッタ部３５として用いる。
【0063】
前述した図３に示すように、ビームスプリッタ部３５は、テラヘルツ波信号の伝送経路である出射経路（出射信号２０４）と入射経路（検出信号２０５）が形成されるように、第１乃至第３ポート３１，３２，３３に対して傾きを持つように導波部３４内に配置される。具体的には、ビームスプリッタ部３５は、送信器２５から第１ポート３１に入射したテラヘルツ波信号（出射信号２０４）を反射して第２ポート３２に伝搬する。且つ、ビームスプリッタ部３５は、箱２で反射して第２ポート３２に入射したテラヘルツ波信号の反射波信号（検出信号２０５）を透過して第３ポート３３に伝搬する。尚、図１０に示すビームスプリッタ部３５の幅Ｌ３に沿って形成される貫通孔３６の数は、一例であって限定されているものではない。
【0064】
次に、ビームスプリッタ部３５におけるテラヘルツ波信号の反射及び透過について説明する。
ビームスプリッタ部３５は、ストライプの２つの側面を反射面として利用しているため、ビームスプリッタ部の幅（厚み）を設定する上で、ファブリーペロー干渉の影響を考慮する必要がある。
ビームスプリッタ部３５は、ストライプの２つの側面を反射面として利用しているため、ビームスプリッタ部の幅（厚み）を設定する上で、ファブリーペロー干渉の影響を考慮する必要がある。
【0065】
ビームスプリッタ部３５は、図１０及び図１２に示すように、ビームスプリッタ部３５の表面に相当する第１反射面（又は、第１側面）３５ａと、ビームスプリッタ部３５の内部底面に相当する第２反射面（又は、第２側面）３５ｂの２つの反射面を有している。ビームスプリッタ部３５に入射したテラヘルツ波信号は、第１反射面３５ａで反射する。しかし、対向する２つの反射面３５ａ，３５ｂを有しているため、入射した一部のテラヘルツ波信号（２０４ｄ，２０４ｅ）は、ビームスプリッタ部３５の内部に透過してビームスプリッタ部３５内に閉じ込められ、第１反射面３５ａと反射面３５ｂとの間で多重内部反射を行うファブリーペロー干渉が生じる。
【0066】
即ち、ビームスプリッタ部３５に入射したテラヘルツ波信号の反射波信号において、損失が発生する。この透過は、テラヘルツ波信号の波長に依存している。この透過における波長依存性は、２つの反射面３５ａ，３５ｂの間で多重に反射された光同士の干渉により生じる。これらのテラヘルツ波信号の位相が合えば、透過光に強め合う干渉が起こり、透過率のピークが生じる。反対にテラヘルツ波信号の位相が逆位相となれば、弱め合う干渉が起こり透過率の谷が生じる。多重反射波信号の位相が合うか否かはテラヘルツ波信号の波長（λ）、ビームスプリッタ部３５内を通過するテラヘルツ波信号の角度（θ）、ビームスプリッタ部３５幅Ｌ３、及び半導体基板の屈折率（ｎ）によって決定される。ここで、ビームスプリッタ部３５の幅（行の幅又は、厚み）をＬ３とすると、ビームスプリッタ部３５の反射率Ｒ（δ）、位相差（又は、偏角）δ（f）は、次式（３），（４）で求められる。
【0067】
【数3】
【0068】
ここで、n：屈折率、r：反射率、及び、θ：ビームスプリッタ部３５への入射角度とする。
【0069】
図１２に示すように、第１ポート３１からビームスプリッタ部３５に出射されたテラヘルツ波信号２０４は、ビームスプリッタ部３５に入射する際に、第１反射面３５ａにおいて第１反射により入射角度θに応じた反射角で第１反射波信号２０４ａが反射する。
また、入射されたテラヘルツ波信号の一部は、ビームスプリッタ部３５の内部に透過して、２つの反射面３５ａ，３５ｂの間を複数回の反射、即ち、多重反射する。それらの反射の際に、テラヘルツ波信号の位相がビームスプリッタ部３５の幅Ｌ３と合えば、反射する際に、第１反射面３５ａから第２次反射波信号２０４ｂ、第３次反射波信号２０４ｃとして第１反射波信号２０４ａと同じ方向に出射する。これにより、多重反射によるテラヘルツ波信号の損失が軽減される。
また、入射されたテラヘルツ波信号の一部は、ビームスプリッタ部３５の内部に透過して、２つの反射面３５ａ，３５ｂの間を複数回の反射、即ち、多重反射する。それらの反射の際に、テラヘルツ波信号の位相がビームスプリッタ部３５の幅Ｌ３と合えば、反射する際に、第１反射面３５ａから第２次反射波信号２０４ｂ、第３次反射波信号２０４ｃとして第１反射波信号２０４ａと同じ方向に出射する。これにより、多重反射によるテラヘルツ波信号の損失が軽減される。
【0070】
次に、図１及び、図１３乃至図１５を参照して、本実施形態に係る収納物検査装置１の検出部４による、テラヘルツ波帯域の検査信号を用いた箱２内の収納物１０１と添付物１０２の有無の検査について説明する。図１３は、出射されたテラヘルツ波信号の収納物と添付物の反射波信号について説明するための図である。図１４は、収納物と添付物からの干渉波を含む反射波信号の波形例を示す図である。図１５は、収納物と添付物にテラヘルツ波信号を照射した際に生じる干渉波の態様を模擬的に示す図である。
【0071】
図１に示す例では、収納物検査装置１の検出部４は、ベルトコンベヤ８の側方に配置され、ベルトコンベヤ８の載置面の面方向と平行する方向に検査用のテラヘルツ波信号Sが出射される。また、検出部４において、箱２に対する出射部２３からのテラヘルツ波信号Sの出射角度と、入射部２４へのテラヘルツ波信号Sの入射角度は、任意に設定可能であり、箱２から戻る反射波信号（検出信号）の強度（又は、信号値）が最も高くなるように、出射部２３と入射部２４とが位置調整されている。勿論、検出部４をベルトコンベヤ８の載置面の面方向と交差する方向に検査用のテラヘルツ波信号Sが出射される配置であってもよい。例えば、検出部４をベルトコンベヤ８の上方に配置し、箱２に対して、出射部２３からテラヘルツ波信号Sを斜め上方から出射し、入射部２４へテラヘルツ波信号Sの反射波信号が斜め下方から入射するように配置することもできる。
【0072】
また、図１に示すように、箱２が長方体であり、その長手方向がベルトコンベヤ８の幅方向と同方向に載置され、箱２の長手方向にテラヘルツ波信号Sを走査させるようにテラヘルツ波信号Sを出射させる場合には、前述したように、出射部２３にスキャン部を設けてもよい。
【0073】
収納物検査装置１において、回転するベルトコンベヤ８に載置されたそれぞれの箱２は、検出部４の出射部２３及び入射部２４の前方を一定の速度で移動している。制御部５に制御された検出部４は、これらの移動する箱２に向けて、検出部４の出射部２３から検査用のテラヘルツ波信号Sが出射される。このため、出射部２３から出射されたテラヘルツ波信号Sが箱２を横切るように走査されると同様の照射が行われる。この場合、ベルトコンベヤ８に載置された箱２の向きによって、収納物１０１と添付物１０２を通過するテラヘルツ波信号Sの照射ラインが異なってくる。本実施形態では、テラヘルツ波信号Sの照射ラインは、少なくとも収納物１０１と添付物１０２との重なり部分を通過させる配置である。
【0074】
次に、箱２に向けて出射されたテラヘルツ波信号Sは、図１３に示すように、箱２を透過した後、最初に添付物１０２に照射されて、一部が反射して反射波信号S1となって、入射部２４に向かう。一方、添付物１０２を透過したテラヘルツ波信号は、収納物１０１に照射され、ここで反射した反射波信号S2が、入射部２４に向かう。入射部２４においては、深さ方向において反射した位置が異なるため、第２ポート３２への入射時のタイミング差、即ち、異なる位相で反射波信号S1と反射波信号S2とが入射する。
【0075】
【数4】
【0076】
これらの反射波信号S1と反射波信号S2は、伝送デバイス２７を経て、受信器２６に入力される。受信器２６は、反射波信号S1と反射波信号S2に基づき、以下の式で求められる検出信号（反射強度）Ｉを生成する。生成された検出信号は、制御部５の信号処理部４２に送出される。
【0077】
【数5】
【0078】
ここで、（５）式における、2A1 A2 cosψ(r)は、干渉波信号の項である。この干渉波信号の項は、図１３に示す位置ｒに対する依存性、即ち、添付物１０２と収納物１０１との間の距離の変化に影響されるため、その距離の変化に応じて、干渉に強め合いと弱め合いが生じる。この干渉を図１５に示すように、画像として検出した場合には、添付物１０２と収納物１０１の重なり部分において、添付物１０２が干渉縞として表示される。尚、本実施形態では、検査の効率化を図るため、検出結果を画像として取得せず、箱２に対してテラヘルツ波信号２０１を１つのラインとして通過するように出射しているため、図１４に示すような特性の反射強度を有する反射波信号（検出信号）を取得する。この検出信号は、制御部５の信号処理部４２に送出される。
【0079】
信号処理部４２は、入力された検出信号に対して、予め設定された信号処理、例えば、増幅及びノイズ除去の処理が行われ、必要に応じて、検出信号のデジタル化処理及びフィルタ処理等が実施される。また、信号処理部４２又は演算処理部４１は、検出信号から干渉波信号を抽出し、干渉波信号の有無を判断部４３に通知する。尚、干渉波信号は、収納物１０１のみを納入した箱２から取得した検出信号と、収納物１０１及び添付物１０２が同梱されている箱２から取得した検出信号との差分により求めることができる。
【0080】
また、制御部５は、判断基準のデータとして、納物１０１及び添付物１０２が同梱されている箱２から取得された結果を良品判定の正常判断基準（第１判断基準）として、メモリ７に予め記憶する。また合わせて、添付物１０２が収納されていない欠陥がある箱２から取得された結果を不良品判定の不良判断基準（第２判断基準）のとして、メモリ７に予め記憶しておいてもよい。この時、判断基準のデータをデジタル化処理を施してデータとして記憶させてもよい。このように、２つの判断基準を設定して、収納物１０１及び添付物１０２の有無の判断を行ってもよい。この場合、２回の判断は必須では無く、最初に第１判断基準を用いて判断処理を行った後、その判断結果の状況に応じて、例えば、誤判断の可能性が生じていた際には、第２判断基準を用いて、２回目の判断を行ってもよい。
【0081】
制御部５は、検査開始前の検査条件の設定時に、メモリ７より判断基準のデータを読み出して、判断部４３に設定する。判断部４３の判断手法としては、種々の方法がある。まず、第１の判断手法としては、予め設定された判断基準のデータと、検出したテラヘルツ波信号の反射波信号を比較し、干渉波信号が含まれているか否かを判断する。この場合、検出した反射波信号に干渉波信号が含まれていれば、良品と判断される。
【0082】
第２の判断手法としては、予め設定された判断基準のデータと、検出したテラヘルツ波信号の反射波信号を比較し、略一致する信号パターン、即ち干渉波信号のパターンがあれば、収納物１０１及び添付物１０２が適正に同梱されているものと判断するパターンマッチングによる判断がある。この場合、判断基準のデータと検出データのパターンがマッチングすれば良品と判断される。
【0083】
第３の判断手法としては、判断基準のデータの上限値（図１４において例えば、反射強度4000）及び下限値（例えば、反射強度2000）を、それぞれ閾値として設定し、移動の予め設定した単位距離あたりに、閾値を超えた回数等を設定しておき、検査対象の箱２から検出された検出信号（テラヘルツ波信号の反射波信号）に対して、前述した閾値を超えた回数を計算して比較する。この比較において、閾値を超えた回数が判断基準で設定された回数の許容回数以上であれば、干渉波信号が存在している、即ち、収納物１０１及び添付物１０２が同梱されている良品であると判断する。一方、閾値を超えた回数が許容回数に満たなければ、干渉波信号が存在していない、即ち、収納物１０１及び／又は添付物１０２が同梱されていない不良品であると判断する。
【0084】
判断部４３において、箱２内に収納物１０１及び／又は添付物１０２が正しく同梱されていると判断された場合には、制御部５を通じて、その判断結果をメモリ７に記憶すると共に、表示部６に良品である判断結果を表示する。一方、判断部４３において、箱２内に収納物１０１及び／又は添付物１０２が同梱されず、不良品であると判断された場合には、同様に、不良品である判断結果をメモリ７に記憶すると共に、表示部６に不良品の判断結果を表示する。尚、図示していないが、制御部５に制御されて、不良品判定された箱２をベルトコンベヤ８上から排除し、不良品収納箱に排除する排除機構を設けてもよい。
【0085】
以上説明したように、本実施形態の収納物検査装置によれば、検査装置の最重要部となる検出部４における空間光学系を構成する光学素子が１つの基板に集積して構成されるため、検出部４の構成が簡略化される。この構成の簡略化により、装置サイズの小型化を実現し、且つ光学素子の位置調整が不要であり、光学素子の支持部材も不要となるため、製造工程数が減少し、製造作業の簡易化及び、製造コストの低減が実現できる。
本実施形態の収納物検査装置は、テラヘルツ波帯域の検査信号を箱に照射し、その反射波信号から収納されている収納物及添付物の有無を検査するため、箱を開封せずに短時間で検査を実施することができる。
本実施形態の収納物検査装置は、テラヘルツ波帯域の検査信号を箱に照射し、その反射波信号から収納されている収納物及添付物の有無を検査するため、箱を開封せずに短時間で検査を実施することができる。
【0086】
本発明の実施形態及び適用例について説明したが、これらの実施形態等は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態等は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0087】
１…収納物検査装置、２…外装箱（箱）、３…搬送機構、３ａ，３ｂ…プーリ、４…検出部、５…制御部、６…表示部、７…メモリ、８…ベルトコンベヤ、９…モータ、１０…駆動制御部、２１…テラヘルツ波検出部出、２２…光学系、２３…出射部、２４…入射部、２５…送信器、２６…受信器、２７…伝送デバイス、３１，３２，３３…ポート、３４…導波部、３５…ビームスプリッタ部、３６，５６，５６ａ，５７…貫通孔、４１…演算処理部、４２…信号処理部、４３…判断部、５１，６１，７１…金属導波管、５２，６２，７２…フォトニック結晶導波路、５３，６３，７３…フォトニック結晶導波部、５４，６４，７４…平面レンズ部、１０１…収納物、１０２…添付物、２０１…波信号。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
