テラヘルツ断層撮影

テラヘルツトモグラフィーは、テラヘルツ放射によって断面画像化が行われるトモグラフィーの一種です。テラヘルツ放射は、0.1～10 THzの周波数を持つ電磁放射で、スペクトル上では電波と光波の間にあり、ミリ波と赤外線波長の一部を含みます。テラヘルツ波は、その高周波数と短波長のため、時間領域スペクトルにおいて高い信号対雑音比を持っています。 ^[1]テラヘルツ放射を使用したトモグラフィーでは、スペクトルの可視および近赤外線領域では不透明なサンプルを画像化できます。テラヘルツ波の3次元(3D)画像化技術は、1997年に初めて成功裏に応用されて以来急速に発展しており、^[2]一連の新しい3D画像化技術が次々と提案されてきました。

テラヘルツイメージングには、より高価で距離の短いX線スキャナーよりも優れた点があります。さまざまな材料がテラヘルツ放射線を透過するため、検出が難しい材料の厚さ、密度、構造特性を測定できます。テラヘルツは電離放射線ではないため、テラヘルツを使用しても生体組織に損傷を与えることはなく、テラヘルツは安全で非侵襲的な生物医学イメージング技術となります。さらに、多くの材料がテラヘルツ範囲で固有のスペクトル特性を持つため、テラヘルツ放射線を使用して材料を識別できます。テラヘルツイメージングは​​、半導体材料特性の研究、生物医学細胞イメージング、化学および生物学検査で広く使用されています。^[要出典]テラヘルツ時間領域システム（THz-tds）は、2Dイメージングに大きな進歩をもたらしました。THz-tdsは、通常0.1〜4 THzのサンプルの複素誘電率を決定でき、数十の周波数にわたるサンプルの静的特性に関する情報を提供します。^[3]しかし、この技術にはいくつかの限界があります。例えば、ビームのパワーが低いため、センサーの感度を高める必要があります。画像取得速度が遅いと、時間と解像度の間でトレードオフを強いられる可能性があります。

テラヘルツイメージングは​​、爆発物や違法薬物などの物質をこの周波数帯域での特性スペクトルに基づいて識別できるため、荷物や郵便物のスクリーニングに役立ちます。^{[4] [5] [6] [7] [8] [ 9] [10] [11] [12] [13] [14]}たとえば、いくつかの液体爆発物は、アルコール濃度の関数としてテラヘルツ範囲での誘電応答の変化によって区別できます。^[15]ナイフなどの危険な金属物体は、特定のパターン認識アルゴリズムを使用して形状で認識できますが、^[16]テラヘルツ波で金属製のパッケージを透視することは不可能です。 したがって、テラヘルツ分光計は、低密度材料や化学物質の分離についてはX線スキャナーよりも多くの情報を提供しますが、X線スキャナーの代わりにはなりません。^[17]

テラヘルツシステムは製紙産業やポリマー産業の生産管理に使用されています。^[18]紙の厚さや水分含有量^[19]、ポリマーの導電性、水分レベル、繊維配向、ガラス転移温度などを検出することができます。^{[20] [21] [22] [23]}

テラヘルツシステムは、食品中の金属および非金属汚染の検出を容易にします。^[24]たとえば、チョコレートバー内の金属および非金属異物の検出はテラヘルツ波によって可能になりました。^[25]チョコレートなどの水分含有量の少ない食品は、テラヘルツ帯域ではほとんど透明になるためです。テラヘルツトモグラフィーは、ワインやスピリッツ業界では、水分を定量化したり、コルクを非破壊的に分析したりするためにも役立ちます。

テラヘルツイメージングは​​、テラヘルツ領域で異なるスペクトル指紋を持つ異なる異性体を検出できるため、テラヘルツ分光法で立体異性体を区別することができます。これは、ある異性体が活性化合物である可能性があり、そのエナンチオマーが不活性または危険である可能性があるという薬学において重要な区別です。^[26]テラヘルツシステムは、錠剤コーティングの品質を測定するためにも使用されます。^[27]

テラヘルツイメージングは​​貴重な芸術作品の非破壊分析を可能にし、現場で実施することができます。隠された層を明らかにしたり、さまざまな顔料の透過率を調べたりすることができます。^{[28] [29]}また、3D視覚化ツールとしても研究されています。^{[30] [31]}

テラヘルツ断層撮影は、透過モードと反射モードに分けられます。これは、X線コンピューター断層撮影（CT）を異なる波長帯に拡張するものです。主に、テラヘルツ波がサンプルを透過する際の屈折、反射、回折などのプロセスモデルの確立を研究しており、再構成アルゴリズムには一定の要件があります。サンプル内の異なる深さでのテラヘルツ波反射信号の異なる伝送遅延に応じて、サンプル内の反射信号を処理して断層撮影を実現することで、深さ情報を取得できます。実装には、主にテラヘルツ飛行時間断層撮影（THz-TOF）とTHz光コヒーレンス断層撮影（Thz-OCT）が使用されます。

回折トモグラフィーでは、検出ビームがターゲットと相互作用し、結果として生じる散乱波を使用してサンプルの3D画像を構築します。^[32]回折効果と回折スライス定理は、散乱物体の表面に光を当て、反射信号を記録してサンプル後の回折場分布を取得し、ターゲット物体の表面形状を調べます。より複雑な表面構造を持つ微細サンプルの場合、サンプルの屈折率分布を提供できるため、回折トモグラフィーは効果的です。^[33]ただし、欠点もあります。テラヘルツ回折トモグラフィーの画像化速度は速いですが、効果的な再構成アルゴリズムがないため、画像化品質が低くなります。 2004年、S. Waangらは、 THz-tdsシステムに基づく回折クロマトグラフィーを使用してポリエチレンサンプルを初めて画像化しました。^[34]

トモシンセシスは、高画質のトモグラフィーを作成するために使用される技術です。再構成はいくつかの投影角度で実行できるため、画像がより高速に作成されます。この技術は解像度が低いですが、イメージング速度が高速です。^[35]この技術は、テラヘルツCTよりも優れています。テラヘルツCTは、特にエッジでの入射角が大きく、信号減衰が激しい幅広で平らなプレートサンプルの場合、反射と屈折の影響を大きく受けます。したがって、完全な投影データと実質的なノイズ情報の両方を同時に取得することは困難です。ただし、テラヘルツ断層合成トモグラフィーは、投影中の入射角が小さいため、屈折と反射の影響を受けません。これは、局所イメージング、高速イメージング、または不完全なサンプル回転に効果的な方法です。2009年、日本のN. Unaguchiらは、周波数540GHzの連続テラヘルツ固体周波数逓倍器を使用して、ポストイットの異なる深さにある3つの文字「T」、「H」、「Z」のTSイメージングを実施しました。^[36]バックプロジェクション法とウィーナーフィルタを用いて3つの文字の空間分布を再構築した。

テラヘルツ断層クロマトグラフィーは、サンプル内の異なる深さでテラヘルツパルスを反射することにより、屈折率の3D分布を再構築することができます。屈折率の深さ分布情報は、反射パルスのピーク値の時間遅延を分析することによって得ることができます。飛行時間トモグラフィーの縦方向の分解能は、テラヘルツ波のパルス幅（通常は数十ミクロン）に依存するため、飛行時間クロマトグラフィーの垂直分解能は非常に高くなります。2009年に、J.Takayanagiらは、 3枚の重ね合わせた紙と2ミクロンの厚さの薄いGaAs層からなる半導体サンプルでトモグラフィーをうまく使用する実験システムを設計しました。^[37]

散乱次数の異なる複数の散乱テラヘルツ波をそれぞれ区別することができれば、THzビームを3Dホログラフィーに組み込むことができます。^{[38]強度と位相分布の両方が記録されているため、物体光と参照光によって生成された干渉パターンは、焦点を合わせた画像よりも多くの情報をエンコードします。ホログラムは、}フーリエ光学で再構成すると、対象物の3D視覚化を提供できます。^[39]ただし、測定に必要な散乱および回折効果のため、この技術で高品質の画像を取得することは依然として課題です。高次散乱測定では、通常、信号対雑音比（SNR）が低下します。^[40]

^{フレネルレンズは、小型で軽量であるという利点があり、従来の屈折レンズ[41]}の代替として機能します。焦点距離は周波数に依存するため、サンプルはイメージング面までの伝播経路に沿ったさまざまな場所でイメージングすることができ、^[42]断層イメージングに適用できます。

合成開口処理（SA）は、データ収集の点で従来の画像システムとは異なります。ポイントツーポイント測定方式とは対照的に、SAは発散ビームまたは非焦点ビームを使用します。^[43] SAによって収集された位相情報は、3D再構成に採用できます。

テラヘルツ CT は、X 線画像と比較すると、振幅とスペクトル位相の両方の情報を記録します。テラヘルツ CT は、非破壊的にさまざまな物質の位置を特定しながら、それらを識別して比較することができます。

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