生産と技術第61巻第１号（2009）高感度テラヘルツカメラの最前線「非冷却TVフレームレートQVGAセンサ」日本電気株式会社誘導光電事業部特集エグゼクティブエキスパート小田直樹 ■はじめにです。ボロメータは時間平均パワーが重要です。こ私は NICT の委託研究「ICT による安全・安心をの時は 8.7μＷがあったのですが、距離が 50 cm 程実現するためのテラヘルツ波技術の研究開発」に度あるので、湿気が多いか少ないかで受けるパワー 2007 年度から参加して、そこで開発してきた成果メータ出力は２倍程度変わります。センサは市販のについて述べます。概要として、①応用分野 ②セものを使用し、画素ピッチは 23.5μm です。ンサの開発 ③ THz で高い透過率の材料開発 ④カメ私たちが使っているボロメータは、すでに製品化ラの開発 ⑤ THz における技術動向−などについてされています。アレイサイズ 640 × 480 の VGA と話したいと思います。 320 × 240 の QVGA 。QVGA の方が値段も安くて好まれているので、これを使ってテラヘルツでの高感１．THz 応用分野度化にトライしました。基本的な構造は MEMS 技大雑把にいって 0.5 THz 以下の電磁波を服はほと術を使っていて、シリコン読出回路に 320 × 240 のんど透します。その性質を用いて、この写真ようにＩＣが入っています。ＩＣのある領域には積分や信 Sago Systems 社では CWD（Concealed Weapon De- 号処理をする回路も増幅回路も入っていて、一種の tection）を90 GHz でやっています。Thru Vision 社システムオンチップです。この上に宙に浮かした状は 0.5∼0.6 THzを採用しています。私は Thru Vi- 態でボロメータ薄膜を保護膜でサンドイッチ状にし sion 社の方が良いと思っています。いずれにしてています。吸収したエネルギーが熱となってボロメも製品としてどうなるかを今後見ていきたいと思いータの抵抗が変わるので、溜まった熱を逃がさないます。こうした製品が出現しているため、その領域ようにするのがセンサの高感度化のポイントです。にボロメータを持ち込んだとしても感度的に苦しい支持脚をいかにして細く長く薄く作るのか、ダイアと思います。市場として狙う分野は、0.5∼10 THz フラムの製造プロセスマージンがどの程度あるのかの間のどこかで、例えば禁止薬物や医薬品、農薬、によって検出器の歩留まりが決まってきます。この食品分析、水分の有無、爆薬などに応用することを想定しています。２．非冷却 TV フレームレートTHｚ―ＱＶＧＡセンサの開発 ■ボロメータ型非冷却赤外線ＱＶＧＡセンサの THｚ感度赤外線 QVGAセンサのテラヘルツ感度について、 2006年 11月に測定しました。QCL を搭載したヘリウムのクライオスタットは動作温度 15 Ｋ。赤外線カメラ TVS 200 GS のレンズをとり払ってオフアクシスミラーで集光したものを、メタルメッシュフィルターを通してどの程度の感度があるのかを測定しました。メタルメッシュフィルターは、テラヘルツを透過して 10μm 帯をブロックするタイプを使いました。QCL の発振周波数は 3.1 THz、波長 97μm − 17 − 氏講師小田直樹生産と技術第61巻第１号（2009）アレイセンサは２階建て構造で、１階部だけの状態例は１mm のシリコンの上に、パリレンＣを両側にではダイアフラムのフィルファクターが 60 ％程度 15.8μm つけたものです。。狙いは３THz だったので開口率が小さいので、庇を作ることで 90 ％程度ですが、設計がうまくいかなくて 2.7 THz になってまでフィルファクターを上げてやります。23.5μm しまいました。しかしピーク透過率は 90 ％を越えの画素に入射するエネルギーを庇で集め、熱伝導でており、ゲルマニウムに比べて 3.5倍の改善が見らボロメータ薄膜に伝える仕組です。感度としては、れます。Ｆ/１という光学系を使って 640 × 480 では 30 Hz、私たちのセンサは真空パッケージの中に入ってお 320 × 240 では 60 Hz のフレームレートで約 50 mK り、ゲルマニウムの窓を THz 波の検出用に無反射の温度分解能が得られています。コート付きシリコンの窓に換えました。無反射コー N I C T と２年前に感度評価実験を行いました。トの製造条件について、パリレンの厚みと最大透過 QCL の時間平均パワーが約９μＷ。QCL の画像が波長の制御性について調べました。波長 2.5μmか映っていて、ピークの半値である点線で囲った領域ら１mm の間の透過特性を、15.8、12.5、8.3、4.4μ よりパワーメータの受光サイズ２mmの方が大きい m の厚さのパリレン付のシリコンに対して測定しので、エネルギーが点線の領域に入っていることが検量線を引く。この図は無反射コート膜の厚さと最分かります。等高線の半値幅の中の画素数が 1140 大透過波長の関係をグラフにしたもので、実線が実と勘定できるので、メタルメッシュの透過率、ゲル測値で点線が計算値です。１次の干渉、２次の干渉、マニウム窓の透過率を用いると、NEP のパワーが３次の干渉をデータが読める限りやったところ、矛計算できます。盾のない結果が出ているので、これを検量線としました。透過材料を作る技術としては、この範囲内で ■ THz 感度の向上あれば割と制御できると思います。感度の向上について、次の３つをやりました。高透過率材料について、高比抵抗シリコンと Zeonex という材料を TDS で測りました。S i の透過率は割とフラットで、透過率と厚みと吸収率の計算式を当てはめて、厚みを縦軸にとって透過率を横軸にとってみると、５mm の厚さに対して３T Hz で 46 ％の透過率なので、吸収係数は 0.3 cm -1という値が出ます。同様に Zeonex でやってやると、透過率はいいのですが、１cm -1と吸収係数が大きい。Topsil 社の S i の透過率を波長 2.5μm から１mm までの約３桁の範囲にわたって測定してみました。NICT の TDS、 NICT のブルッカー社の FTIR、私たちの FTIR のデータが何もせずスムーズにつながっているのは驚きでした。波長 25μm から 50μm の透過率を平均 ■センサチップの高感度化したものから 100μm 以外の波長でどの程度の吸収 BAE 社も当社も酸化バナジウムというボロメー係数があるのかと、Topsil 社と TDY 社のもので測タ材料薄膜を S i N 膜で挟んでいます。ここに金属ってみました。両者とも大体 0.3cm -1 以下と吸収係膜があって完全反射膜になり、ここが真空になって数が小さい。Topsil 社のものを論文で最初に見たいます。この構造の場合、２通りの吸収メカニズムのですが、たぶん TDY のものも使えるのではないがあります。１つはただ単に S i N 膜が吸収する。かと思います。これは S i N 膜の吸収特性で、10μm 帯、20μm 帯、シリコンは屈折率が大きいので反射率も大きい。 30μm 帯でよく吸収しています。もう１つのメカそこで THz での無反射コーティングを検討しました。ニズムは干渉フィルターに用いられているもので、パリレンＣと SiO2 を成膜して比較しました。このこの間隔を λ/4 にしてやると、波長λの電磁波に − 18 − 生産と技術第61巻第１号（2009）対して効果的に吸収します。金属膜同士で誘電体をというものですが、その場合にパッシブカメラで５挟むのですが、誘電体は透明でないといけません。 m 先の１m ×１m の所で何があるかを見つけ、そ S iN 膜は波長 60μm 以上でほぼ透明なので擬似光の中の10 cm ×10 cm の所を詳しく見たい。空間分学的共振構造で考えました。小技として金属薄膜の解能については１cm 程度にしたい。そうすると自シート抵抗を真空インピーダンス整合した値 377 動的に焦点距離等が決まり、パッシブカメラの場合 Ω/□ からわざと変えてやり、ある計算をするとシ 28 mm、アクティブカメラの場合、１桁長いート抵抗に対してこのような吸収率のカーブが得ら 280 mm の焦点距離になります。れます。吸収率をとにかく高くしたいわけです。20 次にどれくらい画素積分とフレーム積分をしたら Ωとか 40 Ω、100 Ωくらいにシート抵抗をもっていよいのかと考えます。赤外と違って波長 100μmとってやれば、３THz では当社比で６倍は感度が上なると、フラウンホーファー回析限界が効いてきまがるだろうと予測しました。それがものの見事に当す。パッシブで 40μm くらいの波長を見ないと SN たりました。他の波長でこれを見ると、例えば１的にしんどいので、1.7 mrad@40μm という値が得 THz（300μm）に対して、このようなカーブになられます。それに対して１画素の瞬時視野角を考えります。300μm をやる時は 20 Ω程度にしてやった合わせると、パッシブに対し３×３画素くらい、ア方が感度はよくなることが推測されます。クティブに対しては 24 × 24 画素くらい積分しても従来の 320 × 240 のボロメータアレイにこのよう構わないことになります。フレーム積分には条件がな金属薄膜をつけたもの、パッケージの窓として無あって、５秒以内に１フレームをとることになって反射コート付きのシリコンをつけてやると、SN がいるため、フレーム積分は 300 回までやるプログラ６∼７しかなかったものが、SN 1000 くらいにまでムを作りました。画素積分とフレーム積分の効果を上がりました。アレイセンサ自体のNEP でいうと 24 × 24 くらいの範囲でしないといけないため、デ当社比で６倍よくなっています。また BAE 社と比フォーカスにして測定しました。上の図のデータがべると８倍くらいよくなっています。20Ω、40Ω、参考の SN 比になります。41±４pＷの NEP がそれ 100Ωを作ってみて、100Ωがいちばん悪くなるかに対応します。これが画素積分３×３、フレーム積と予想していたら、そうではなく３条件に対して分 64 回（１秒のフレームレート）という積分効果 NEP は同じように改善されていることが分かりまによってノイズが見えなくなっています。そしてした。 SN は８倍よくなっています。これはパッシブカメラに対応します。アクティブカメラの方は 24 × 24 まで画素積分できますから、64 回のフレーム積分と合わせて、SN が 60 倍よくなっています。そのかわり空間分解能は悪くなります。信号処理によってこれくらい SN が向上するのが分かります。画素積分とフレーム積分のどちらがどう効いているのか。じつはフレーム積分というのはあまり効いていなくて、最後の１ビット辺りで量子化ノイズが出てきたりして、64 回や 300 回近くやっても２∼３倍くらいしか SN は上がりません。ということは画素積分がほとんど効いています。３．THz カメラの開発次に信号処理です。N I C T のプロジェクトでは、 ■ THz カメラ光学系広視野のパッシブカメラと狭視野のアクティブカメ昨年度にテラヘルツの光学系を開発しました。アラを作ることになっています。目的は５m 程度先クティブカメラは 30 cm くらいの焦点距離になるのの災害現場の向こうにある生命体を見つけてやろうで、非球面ミラーにしました。悩んだのはパッシブ − 19 − 生産と技術第61巻第１号（2009）の方です。まずは透過率を重視することから薄く作にしました。量子カスケードレーザは時間平均パワることに注力しました。２枚合わせて３mm 程度のー７μm。ペーパーカッターナイフを黒いポリエチ厚みで、第１番目のレンズは非球面レンズ、第２番レンバッグの中に入れて見た画像がこれです。クラ目のレンズはフレネルレンズという日本初のものだイオスタット内部の 15 K の黒体輻射の非常に低いと思います。アクティブカメラとパッシブカメラはレベルを背景に、300 K のナイフを出し入れした状１つの台上に載っていて、方位角方向と仰角方向に況です。黒いポリエチレンを透しても見ることがで変えられます。ある方向を見てやって、パッシブカきました。もう１つ、中国の１元硬貨を反射モードメラのうちどこを見たいかということで、アクティで測ったところ、これも分かりました。動画では、ブカメラの所に別な台を設けて方位角方向と仰角方チョッパを置いた状態とその前に紙を置いて遮った向に変えられるようにしています。アクティブカメ状態で測りました。QCL 光源がうっすらと見えてラでは、ＱＣＬから出てきた THz 波を放物面鏡でコいますが、紙は３テラヘルツぐらいを透すことがよリメートして走査鏡で方向を変えてやることを考えく分かるのではないでしょうか。性能はまだ悪いでています。すが、最初の画像としては出てよかったというのが非球面・フレネルレンズの性能ですが、10 月８正直な心境です。日に実験をしました。まず 320 × 240 の真ん中に QCL のビームを入れて、カメラを振ってやって四隅にビームをあてるビームの画像を比べます。真ん中に対し周辺のビーム形状があまりずれていないので、デザインとして適していると思います。実験で気づいたことは、ピーク値 772、823、787 など５％程度の誤差なら許せるが、１つだけピーク値 1046 というのがありました。これはおそらくセンサチップ自体が対角方向に感度勾配があることを示しているのではないかと思います。このカメラを検査する際に波長 10μm 帯の赤外でしか感度較正していないわけで、波長 100μm では感度ムラが出てきていると思います。最終製品にするにはテラヘルツの使いたい波長にフィルターをつけて、フォーカルプレ ■世界の技術動向イアレイを照らす光源があって、テラヘルツで感度これは M I T の QCL 光源とブリティッシュエア補正のテーブルを出荷時に入力しないといけないとロスペース（BAE 社）の赤外カメラのコンビネー考えています。レンズとしては成功しているが、副ションです。M I T は、M I T と鉛筆で描いた文字を産物として 10μm 帯で合わせた感度補正のテーブ封筒の中に入れて、透過モードと反射モードで測っルが、波長 100μm には適用できないことが分かりた。彼らはメタルメッシュフィルターを使わずに、ました。フレーム１の時に QCL をオンにして赤外バックグラウンドを含んだ画像、次に QCL をオフにし、１ ■画像（第１報）フレーム休んでフレーム３の時に赤外バックグラ 10 月８、９日、２つのモードで画像取得実験をウンドの画像を取得し、その差をとって MIT と出る。 NICT で行いました。３THz の QCL 光源を置き、透過モードでは１回のフレーム積分で出ているので２枚の軸外し放物面鏡の間にサンプルを入れ、THz すが、反射モードでは紙で散乱されているので 20 カメラを用いて透過モードで測りました。もう１つ回足しても１回の画像よりもよくないようです。は反射モードで測りました。テラヘルツカメラとしネイビィ・ポストグラジュエート・スクールにいてはＱＶＧＡのセンサを用い、メタルフィッシュフるベーンケン氏らも QCL を開発しています。エピィルターを新たに購入して35μm 以上を透すもの層の厚みが14μm 程度で、クライオスタット内に − 20 − 生産と技術第61巻第１号（2009）放物面鏡を入れ、集光してパワーをなるべく取り出にあててランバーティアンな散乱を想定する。吸収しています。波長2.8 THz レーザの光源で不透明な係数の少ない波長 88μm の所を見ても 0.2 m -1 くらテープで包んだ刃が見えています。この表で示したい大きい。これを計算式にあてはめ 23.5μm ピッのは QCL とボロメータのコンビネーションでやっチの画素に何ワット入ってくるのかを計算すると、ているチームの技術動向です。酸化バナジウムのボこのようなグラフが得られます。距離がゼロの所でロメータということで、どれも構造は似ています。数 pW、それが指数関数で落ちていくので、なかな BEA 社と私たち NEC の改造前の感度は非常に似てか難しい。結論的に言えば、応用として近い距離でいます。NEC 改良版はよくなっています。現在は顕微鏡的に使うのがよいのではないかと思います。 NICT で、ミリワットを超えるようなものを研究し例えば創薬、薬の原料が流れて来た時に波長λ1、ていただいています。 λ2、λ3 としてマルチ波長で、透過で撮って、主成分分析をやるというのが１つの解ではないかと思 ■ THz における大気透過と Sta ndoff range います。さきほどのプロテインの免疫反応ですが、波長 10μm 帯とテラヘルツでは、波長毎の輝度がバイオエクスポで E L I S A という方法があって、同桁で違います。300 K の黒体輻射で６桁。またテラ方法の２番の所で、テラヘルツで測れれば画期的でヘルツになると大気吸収が非常に大きいという特徴しょうかと私が質問したら、バイオエクスポの人はがあります。次にテラヘルツでは 10μm 帯に比べそれは画期的です。１から５番までのプロセスをやてダイナミックレンジが小さい。300 K と 500 K でるのは大変だと答えるとともに、かつラベリング分は波長 10μm 帯だと１桁変わるのですが、波長子を付けることが必ずしもできるとは限らない、ラ 100μm だと２∼３倍にしか変わりません。コントベリング分子を付けることで反応がモデファイされラストが非常に少ない世界です。大気の透過についる場合があると言われていました。テラヘルツでてはモデル計算があるのですが、必ずしも正確では E L I S A 法の２番目の段階で免疫反応が分かるなら、ありません。そこで名古屋大学でガスセル長２m、生物剤の検知やたんぱく質の検知に威力を発揮する周波数分解能約 150 GHz の条件の下で１THz からだろうと思います。 11 THz までの吸収係数を測定してもらいました。このデータを使ってどのくらいの距離まで見えるのか。例えば 300 K の所に温度差 10 K の人間が居た場合に、Ｆ１の光学系（総合透過率 65％のレンズ）で観測した場合、１画素あたりに入ってくるエネルギーの距離依存性を示したのが、この図です。波長 50μm 以上の THz を検出した場合にこのようなグラフになります。30μm 以上の波長の電磁波を入れると、５∼６倍多いエネルギーが入ってきます。つまり 10 THz 以下の電磁波を入射させないとパッシブとしてなかなか難しい。感度が 40 pＷ、積分しても受かるのですが、基本的にリアルタイムでやろうとすると５m の距離だと実際には難しいことが分かります。５m 以下に限った場合の目標 NEP は 10 pＷと書いてありますが、実際に SN６∼７を眼 ■まとめで見るというのは非常に難しく、パッシブでは１m 感度向上のためにセンサチップの高感度化、高透以内のところが実用化できるところではないかと思過率材料の開発、信号処理を行い、更に THz カメいます。ラを開発して、動画を撮りました。３∼ 10 THz でアクティブに関して、例えば時間平均 10 mＷパのスタンドオフ・レンジとして、１m くらいの近ワーの光源があったとして、それを面積 A のもの距離でやるのがよいのではないかと思っています。 − 21 −