JP7362409B2 - 照明装置およびカメラシステム - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波を用いる照明装置およびカメラシステムに関する。
０．２ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波であるテラヘルツ波は、可視光や赤外光と比較すると、波長が長いため、散乱の影響をより受けにくく、また、多くの物質に対してより強い透過性を有する。また、テラヘルツ波は、ミリ波と比較すると、波長が短いため、より高い分解能が得られるカメラの実現が期待されている。上記の周波数帯においては、生体分子や樹脂を始めとする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。そこで、テラヘルツ波の上記の特徴を活かし、Ｘ線に代わるイメージング技術へのテラヘルツ波の応用が期待されている。例えば、公共の場所におけるボディチェックや監視技術などへのテラヘルツ波の応用が挙げられる。
ミリ波やテラヘルツ波を検出するカメラの形態には、被写体が熱放射によって発生する電磁波（電波と光）のうち、所望の電磁波を選択的に検出するパッシブ型と、被写体に所望の電磁波を照射し、被写体から反射する電磁波を検出するアクティブ型とがある。被写体が熱放射によって発生する電磁波は微弱であるため、一般にパッシブ型のカメラには、ミキサ等の高周波回路を用いた検出電磁波の選択と高周波回路の低雑音化が求められる。特に、パッシブ型のカメラは、被写体と被写体周囲の環境との温度差を検知するため、できるだけ微小な温度差を検知できることが望ましい。このために、パッシブ型のカメラにおいては、ＳＮＲ（信号雑音比）の改善が求められる。一方、アクティブ型のカメラは、被写体に照射した電磁波と被写体で反射されてカメラに到達する電磁波との強度比を検出するため、パッシブ型のカメラに比べて環境温度の影響を受けにくい。このことから、アクティブ型のカメラは、パッシブ型のカメラと比較すると、設置の自由度が高く、適用範囲が広い撮像装置であるといえる。
被写体が人体である場合、テラヘルツ波の波長は、被写体の皮膚表面の凹凸の大きさに対して、同等か長いため、被写体の皮膚はテラヘルツ波に対しては鏡面とみなすことができる。このことから、アクティブ型のカメラは、被写体に対して正反射する電磁波を検出して可視化する、正反射イメージングを行うカメラであるといえる。このような正反射イメージングを行うカメラにおいて、取得画像の輝点を増やして画像のＳＮＲを高めるために、テラヘルツ波を発生する複数の発生素子を配置面に集積して配置した、面型の照明装置を提供する技術が提案されている（特許文献１）。
画像のＳＮＲを高めるためには、テラヘルツ波の発生源の出力を高め、取得画像の輝点を明るくすることも有効である。テラヘルツ波の周波数帯において、可視光領域や赤外光領域の固体デバイスのように、室温で安定して動作する発生源を提供する技術は確立されていない。そこで、ミリ波デバイスのように共振回路を用いてテラヘルツ波を発生する技術が利用される。例えば、テラヘルツ波の周波数帯で利得を有する素子（例えば、トランジスタやダイオード）に外部の共振回路としてのアンテナを集積した発振素子をアレイ化した、テラヘルツ波発振器が提案されている（特許文献２）。
また、上記の発振器を高密度に実装する場合は、デバイスの動作をより安定させるために、デバイスの冷却技術が求められる。そこで、ライン型のＬＥＤ（発光ダイオード）を集積する技術において、放熱フィンによる冷却効率の限界を補うため、ＬＥＤの配光角よりも外側に配置したノズルによって、流体をＬＥＤに当てる冷却技術が提案されている（特許文献３）。
上述したように、正反射イメージングを行うアクティブ型のカメラは、画像のＳＮＲを高めるために、発振素子のアレイ化によりテラヘルツ波の発振器の出力を高めつつ、複数の発振器を配置面に集積して配置した面型の照明装置を用いる。この場合、テラヘルツ波の発振器は熱源でもあるため、発振器が消費する電力の増加と、発振器の集積度の増加に伴い、カメラの照明装置の発熱量が増加する。上記の技術を面型の照明装置に適用し、面内に配置した発振器の横側から流体を流すと、流体の流速と温度に面内分布が生じる。この結果、発振器の冷却効率にばらつきが生じる可能性がある。
本件開示の技術は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、照明装置において発振器の冷却効率のばらつきを低減する技術を提供することである。
本件開示の技術に係る照明装置は、
筐体と、
前記筐体に収容され、２次元状に配置された、電磁波を発生する複数の発振器が実装されるパッケージと、
前記電磁波が出射される前記筐体の第１の側に配置された窓部と、
それぞれが１つまたは複数の発振器に対応し、前記窓部の前記電磁波が伝搬する位置に設けられた、流体を前記筐体内に流入させる複数の流入孔と、
前記筐体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された、前記筐体内に流入した前記流体を前記筐体外に排出する排出部と、
前記パッケージが固定される基板と、
前記基板に設けられた、前記筐体内に流入した前記流体を前記排出部に流出させる複数の流出孔と、
を有し、
前記窓部と前記基板とが対向して配置されており、
前記窓部の上面視において、前記発振器が発生する前記電磁波の進行軸と重なる位置に前記流入孔が位置し、
前記流入孔から前記筐体内に流入した前記流体が前記発振器に到達するように構成されており、
前記窓部の上面視において、前記流出孔が前記パッケージと重なる位置に設けられる
ことを特徴とする。
筐体と、
前記筐体に収容され、２次元状に配置された、電磁波を発生する複数の発振器が実装されるパッケージと、
前記電磁波が出射される前記筐体の第１の側に配置された窓部と、
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前記筐体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された、前記筐体内に流入した前記流体を前記筐体外に排出する排出部と、
前記パッケージが固定される基板と、
前記基板に設けられた、前記筐体内に流入した前記流体を前記排出部に流出させる複数の流出孔と、
を有し、
前記窓部と前記基板とが対向して配置されており、
前記窓部の上面視において、前記発振器が発生する前記電磁波の進行軸と重なる位置に前記流入孔が位置し、
前記流入孔から前記筐体内に流入した前記流体が前記発振器に到達するように構成されており、
前記窓部の上面視において、前記流出孔が前記パッケージと重なる位置に設けられる
ことを特徴とする。
また、本件開示の技術に係るカメラシステムは、
被写体からの電磁波の２次元分布を取得するカメラシステムであって、
前記被写体に前記電磁波を照射する、上記の照明装置と、
前記被写体によって反射された前記電磁波を結像する結像部と、
前記結像部によって結像された前記電磁波の２次元分布を検知するセンサ部と、
を有することを特徴とする。
被写体からの電磁波の２次元分布を取得するカメラシステムであって、
前記被写体に前記電磁波を照射する、上記の照明装置と、
前記被写体によって反射された前記電磁波を結像する結像部と、
前記結像部によって結像された前記電磁波の２次元分布を検知するセンサ部と、
を有することを特徴とする。
本件開示の技術によれば、発振器の冷却効率のばらつきを低減して、照明装置の動作をより安定させることができる。
以下に、図面を参照しつつ、本件開示の技術の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置等は、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。特に図示あるいは記述をしない構成や工程には、当該技術分野の周知技術または公知技術を適用することが可能である。また、重複する説明は省略する場合がある。
本件開示の技術に係る撮像装置の一例としてのテラヘルツ波カメラは、電磁波の一例であるテラヘルツ波を発生する発振器を２次元状に配置した面型の照明装置を有するアクティブ型のテラヘルツ波カメラである。図１３に、本件開示の技術に係るテラヘルツ波カメラを用いるテラヘルツ波カメラシステムの構成の一例を示す。テラヘルツ波カメラシステム１３００は、被写体１３２０からテラヘルツ波カメラ１３１０に到達するテラヘルツ波１３９１の２次元分布を取得するシステムである。
テラヘルツ波カメラシステム１３００は、照明装置１００とテラヘルツ波カメラ１３１０とを有する。照明装置１００は、被写体１３２０にテラヘルツ波１９１を照射する面型の照明装置である。テラヘルツ波１９１の周波数は、０．２ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である。また、テラヘルツ波カメラ１３１０は、被写体１３２０から反射するテラヘルツ波１３９１を受信してテラヘルツ波の２次元分布を取得する撮像装置である。なお、テラヘルツ波カメラ１３１０の具体的な構成の一例は、特許文献１に記載されている。テラヘルツ波カメラ１３１０は、被写体１３２０から反射するテラヘルツ波１３９１を結像する結像部１３０１を有する。結像部１３０１は、レンズ群やミラー群で構成される。結像部１３０１によって結像されたテラヘルツ波１３９１の２次元分布は、センサ部１３０２によって検知される。
センサ部１３０２は、テラヘルツ波を検知する素子を２次元状に配置したセンサである。テラヘルツ波を検知する素子として、整流型検知素子が利用できる。整流型検知素子の一例として、ショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ、ＳＢＤ）や、セルフスイッチングダイオードや、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）ダイオードなどが挙げられる。また、テラヘルツ波を検知する素子として、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタ、量子井戸を用いた検知素子が利用できる。また、センサ部１３０２は、ＣＭＯＳイメージセンサに用いられる、各画素に相当する素子の信号を読み出す回路を備えていてもよい。
センサ部１３０２によって検知された信号は、処理部１３０３に送られ、処理部１３０３によって画像データに変換される。また、処理部１３０３は、照明装置１００が発生す
るテラヘルツ波１９１の照射タイミングを制御する。テラヘルツ波１９１の照射タイミングを制御することで、処理部１３０３が、相関２重サンプリング等の既知の信号処理を用いて画像データのＳＮＲ改善や固定パターンの除去を行うことができる。処理部１３０３によって変換された画像データは、例えば、外部の画像処理装置１３３０に送られ、画像処理装置１３３０の可視化処理や被写体１３２０の状態の判定処理に利用される。
るテラヘルツ波１９１の照射タイミングを制御する。テラヘルツ波１９１の照射タイミングを制御することで、処理部１３０３が、相関２重サンプリング等の既知の信号処理を用いて画像データのＳＮＲ改善や固定パターンの除去を行うことができる。処理部１３０３によって変換された画像データは、例えば、外部の画像処理装置１３３０に送られ、画像処理装置１３３０の可視化処理や被写体１３２０の状態の判定処理に利用される。
被写体１３２０が携帯する秘匿物１３２２を監視する場合、照射されるテラヘルツ波は被写体１３２０が着用している衣服１３２１を透過することが望ましい。そこで、衣服１３２１に対するテラヘルツ波の透過性を踏まえると、本件開示の技術で用いるテラヘルツ波の周波数は１ＴＨｚ以下であることが望ましい。秘匿物１３２２の識別能を十分に確保する点では、センサ部１３０２の画素数は１００００画素よりも多いことが望ましい。テラヘルツ波の波長は数１００μｍであるため、センサ部１３０２の画素サイズはこの波長に準じて決定される。したがって、センサ部１３０２の大きさは、典型的には数１０ｍｍである。また、センサ部１３０２の大きさにより、テラヘルツ波カメラ１３１０の光学系や機械の大きさが決まる。本願発明者らの検討によれば、ユーザによる持ち運び可能なカメラのサイズを維持しつつ、衣服１３２１に対する十分な透過性と秘匿物１３２２の識別能を両立するために、テラヘルツ波の周波数帯域は０．４ＴＨｚから０．６ＴＨｚであることがより好ましい。なお、テラヘルツ波の周波数帯域はこれに限定されず、テラヘルツ波カメラの適用対象に応じて適宜選択されてよい。
面型の照明装置１００には、テラヘルツ波の周波数帯域において利得を有する素子（例えば、トランジスタやダイオード）に外部共振回路としてのアンテナ構造を集積した発振素子をアレイ化した発振器が用いられる。例えば、上記利得を有する素子として共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＲＴＤ）が用いられる。また、この発振器の詳細な構成の一例は、特許文献２に示されている。
図１は、照明装置１００の構成例を説明するための断面図である。図２は、照明装置１００に用いる発振器１０１の配置例を説明する図である。面型の照明装置１００では、複数の発振器１０１が２次元状に配置されている。例えば、図２のように、複数の発振器１０１が配置面上においてマトリクス状に配置されている。本件開示の技術では、図１に示すように、発振器１０１が発生するテラヘルツ波１９１の出射方向から、照明装置１００の筐体１０２の外部の流体１９３（好適には空気）が筐体１０２の内部に引き込まれる。そして、流体１９３によって発振器１０１が冷却される。流体１９３の流速は、照明装置１００の筐体外の流体１９３を筐体内に流入させる複数の流入孔１０４によって調整される。流入孔１０４は、筐体１０２の、テラヘルツ波１９１が出射される側であって、発振器１０１の近傍に設けられる。流入孔１０４と、流入孔１０４から流入した流体１９４によって冷却される発振器１０１とのそれぞれの組において、流入孔１０４から発振器１０１までの距離が略等しいため、発振器１０１に到達する流体１９４の流量や流速も略等しいといえる。このため、照明装置１００では各発振器１０１の冷却効率のばらつきが低減することが期待できる。
以下に、本件開示の技術における実施形態について説明する。ただし、実施形態は以下に説明する構成に限定されず、本発明の課題を解決できる構成を実現するという、本発明の趣旨の範囲で種々の変形、変更などが可能である。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る照明装置について説明する。なお、上記の説明と共通する部分の説明は省略する。
第１実施形態に係る照明装置について説明する。なお、上記の説明と共通する部分の説明は省略する。
第１実施形態に係る照明装置は、図１に例示する照明装置１００の構成を有する。照明
装置１００は、発振器１０１、筐体１０２、窓部１０３、流入孔１０４、排出部１０５を有する。照明装置１００は、２次元状に配置された複数の発振器１０１を有する。発振器１０１は、テラヘルツ波１９１を発生する。なお、発振器１０１は、テラヘルツ波１９１の代わりに、ミリ波等の電波や光などを発生してもよい。複数の発振器１０１が、照明装置１００の筐体１０２に収容されている。
装置１００は、発振器１０１、筐体１０２、窓部１０３、流入孔１０４、排出部１０５を有する。照明装置１００は、２次元状に配置された複数の発振器１０１を有する。発振器１０１は、テラヘルツ波１９１を発生する。なお、発振器１０１は、テラヘルツ波１９１の代わりに、ミリ波等の電波や光などを発生してもよい。複数の発振器１０１が、照明装置１００の筐体１０２に収容されている。
窓部１０３は、筐体１０２のテラヘルツ波１９１が出射される側に設けられ、筐体１０２と共に閉空間を構成する。筐体１０２のテラヘルツ波１９１が出射される側が、第１の側の一例である。好ましくは、窓部１０３はテラヘルツ波１９１に対して透過性を有する。窓部１０３の材料として、ポリスチレン、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、ポリフォレフィンなどの樹脂材料が用いられる。テラヘルツ波１９１に対して透過性を有する材料を使用することで、窓部１０３によるテラヘルツ波１９１の損失を低減することができる。
窓部１０３には、複数の流入孔１０４が設けられる。それぞれの流入孔１０４は、発振器１０１が発生するテラヘルツ波１９１が伝搬する位置に設けられる。より具体的には、流入孔１０４は、テラヘルツ波１９１の進行軸１９２と窓部１０３とが略重なる位置に配置される。流体１９３は、流入孔１０４を通過して筐体１０２内に流入する。なお、以下の説明では、筐体１０２内に流入した流体１９３を、第１の流体１９４とも呼ぶ。
流入孔１０４は、窓部１０３に設けられた開口部である。図１の流入孔１０４の形状は、窓部１０３の上面視において円形である。なお、流入孔１０４の形状は、円形に限らず、多角形状、複数の曲線が組み合わされた形状、多角形状と曲線形状とが組み合わされた形状などが適用できる。本実施形態では、図１に示すように、流入孔１０４の最小幅をＤとする。流入孔１０４が円形の場合、最小幅Ｄは円の直径である。流入孔１０４の形状が多角形状と曲線形状を組み合わせた形状である場合、最小幅Ｄは、流入孔１０４が形成される窓部１０３の上面に平行な方向における最小距離である。図１の流入孔１０４は、窓部１０３の上面に垂直な方向に延在するように形成されているが、窓部１０３の上面に対して傾斜した方向に延在するように形成されてもよい。
窓部１０３の表面は、図１２に示すような凹凸構造１２２３を有していてもよい。図１２では、凹凸構造１２２３が窓部１０３の下面に形成されているが、窓部１０３の上面に形成されてもよい。凹凸構造１２２３は、窓部１０３の上面または下面を、テラヘルツ波１９１の波長よりも小さい間隔で凹凸が繰り返されるように加工することで得られる。この構造により、テラヘルツ波１９１に対する窓部１０３の屈折率の変化がなだらかになり、窓部１０３におけるテラヘルツ波１９１の損失を低減することができる。
また、筐体１０２には、テラヘルツ波１９１が出射される窓部１０３が配置される側とは反対側に、排出部１０５が配置されている。筐体１０２のテラヘルツ波１９１が出射される側とは反対側が、筐体１０２の第２の側の一例である。排出部１０５はファンを有し、ファンの駆動によって筐体１０２内を負圧にすることで、筐体１０２外の空気の筐体１０２内への流入を促すとともに、筐体１０２内に流入した流体を排出部１０５から筐体１０２外に排出する。排出部１０５の流体を筐体１０２外に排出する構成は、ファンの他に、真空ポンプを用いて実現されてもよい。以下の説明では、パッケージ１０８の周囲を流れて流出孔１０６を通った流体を筐体内の流体１９５とも呼ぶ。さらに、排出部１０５から筐体１０２外に排出される流体を、第２の流体１９６とも呼ぶ。
図１に示す例では、複数の発振器１０１が発生するテラヘルツ波１９１が、複数の発振器１０１の配置面に対し略垂直の方向に出射される。流入孔１０４を、テラヘルツ波１９１の進行軸１９２と重なる位置に設けることで、流入孔１０４が発振器１０１と対向する
ように配置される。ここで、図１に示すように、流入孔１０４から発振器１０１までの距離をＬとする。また、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌを、発振器１０１と流入孔１０４の距離Ｌと呼ぶこともある。
ように配置される。ここで、図１に示すように、流入孔１０４から発振器１０１までの距離をＬとする。また、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌを、発振器１０１と流入孔１０４の距離Ｌと呼ぶこともある。
排出部１０５によって、筐体内の流体１９５が、第２の流体１９６として筐体１０２外に排出されるとともに、筐体外の流体１９３が、流入孔１０４を通って第１の流体１９４として筐体１０２内に流入する。流入孔１０４と発振器１０１は、各流入孔１０４から筐体１０２内に流入した第１の流体１９４が、流入孔１０４に対向する発振器１０１に到達するように構成されている。発振器１０１から流入孔１０４までのそれぞれの距離Ｌが略同じである場合、発振器１０１に導かれる第１の流体１９４の流速もそれぞれ略同じとなる。これにより、複数の発振器１０１に対する冷却効率のばらつきが抑制される。
基板１０７の一部には、複数の流出孔１０６が設けられている。図１に示すように、流出孔１０６は、発振器１０１および流入孔１０４と対向する位置に設けられている。好ましくは、流出孔１０６は、窓部１０３の上面視において、パッケージ１０８と重なる位置に設けられる。これにより、パッケージ１０８に対して、発信機１０１と流出孔１０６とが対向するように配置される。第１の流体１９４は、発振器１０１およびパッケージ１０８の周囲を迂回しながら流出孔１０６に流れ込む。そして、第１の流体１９４は、流出孔１０６を通って筐体内の流体１９５として筐体１０２内を移動する。この構成によれば、流入孔１０４と流出孔１０６によって、第１の流体１９４の経路が、発振器１０１、パッケージ１０８、放熱部１０９の周囲に形成され、第１の流体１９４の流速が高まることが期待できる。この結果、発振器１０１に対する冷却効率の改善が期待できる。
図１に示すように、発振器１０１はパッケージ１０８に実装されている。また、パッケージ１０８から生じる熱を放熱する放熱部１０９が、パッケージ１０８の底面に密着するように設けられている。放熱部１０９は、パッケージ１０８から生じる熱を外部に逃がすための部材であり、金属などの熱伝導率が高い材料で構成される。好ましくは、放熱部１０９に、ヒートシンクなどのような、部材の表面積をより大きくするための凹凸構造が設けられているとよい。発振器１０１と放熱部１０９との間に介在するパッケージ１０８の熱抵抗を小さくするため、発振器１０１のグランド配線が放熱部１０９と接続されている。パッケージ１０８は、筐体１０２内の基板１０７に固定される。発振器１０１から発生した熱の一部は、パッケージ１０８を経由して基板１０７に伝達する。したがって、基板１０７は、筐体１０２と接するように配置されていることが好ましい。これにより、パッケージ１０８から基板１０７に伝達した熱の一部を筐体１０２に逃がすことができる。
図２は、図１に示す照明装置１００の上面図である。より詳細には、図２は、窓部１０３を除いた照明装置１００の上面図である。本実施形態では、パッケージ１０８は、筐体１０２内の基板１０７上にマトリクス状に配置される。パッケージ１０８の配置はこれに限らず、直線状の配置であってもよい。また、パッケージ１０８の配置には、その他の幾何学的な形状による配置が採用されてもよい。本実施形態では、パッケージ１０８に２つの発振器１０１が実装されている。なお、パッケージ１０８に実装される発振器１０１の数はこれに限らない。例えば、１つのパッケージ１０８に１つの発振器１０１が実装されてもよい。パッケージ１０８に設けられる放熱部１０９は板状の部材であり、照明装置１００の上面視において、放熱部１０９の大きさはパッケージ１０８よりも大きい。このように放熱部１０９の大きさをパッケージ１０８よりも大きくすることで、放熱面積を大きくして冷却効率の改善を図ることができる。放熱部１０９の構造は、板状の構造に限らず、部材の表面積を大きくする目的で、凹凸構造やフィン構造が採用されてよい。これにより、複数の発振器１０１の間で冷却効率のばらつきを抑制することができる。また、発振器１０１の動作がより安定するため、発振器１０１をより高密度に配置することができる。
図３は、図１および図２に示す照明装置１００の上面図である。図３には、窓部１０３も示されている。より詳細には、図３は、発振器１０１と流入孔１０４の配置の一例を示す。図３に示すように、窓部１０３の上面視において、発振器１０１は窓部１０３に設けられた流入孔１０４の中心と略重なる位置に配置されている。これにより、窓部１０３から発振器１０１を見て、発振器１０１の少なくとも一部が流入孔１０４の内側に位置する。また、発振器１０１と流入孔１０４は、互いに１対１に対応するように配置されている。窓部１０３の上面視において、発振器１０１が発生するテラヘルツ波１９１の進行軸１９２と、流入孔１０４の中心とは略一致している。また、発振器１０１と流入孔１０４とが互いに１対１に対応するように配置されていることで、発振器１０１と流入孔１０４のそれぞれの距離Ｌが略同じになる。これにより、発振器１０１に到達する第１の流体１９４の流速のばらつきが抑制され、各発振器１０１の冷却効率のばらつきも抑制される。さらに、窓部１０３の上面視において、流入孔１０４の略中心に発振器１０１が配置されていることで、テラヘルツ波１９１が流入孔１０４の略中心を伝搬する。したがって、テラヘルツ波１９１が伝搬する範囲と窓部１０３とが重なる領域が、流入孔１０４が形成されている領域分小さくなるため、窓部１０３によるテラヘルツ波１９１の損失も小さくなる。
図４は、発振器１０１と流入孔１０４の別の配置例を示す照明装置１００の上面図である。より詳細には、発振器１０１と流入孔１０４は、Ｎ対１（Ｎは自然数）で対応するように配置されている。図４に示す例ではＮが２であり、発振器１０１と流入孔１０４とが２対１で対応するように配置されている。窓部１０３の上面視において、発振器１０１の一部が、流入孔１０４が形成されている領域と重なる。また、窓部１０３の上面視において、発振器１０１が占有する領域の略半分の領域が、流入孔１０４が形成されている領域と重なっている。なお、図４には、Ｎが２である場合の例を示すが、Ｎはその他の自然数であってもよい。
発振器１０１に到達する第１の流体１９４の流速は、窓部１０３の面積に対する流入孔１０４の面積の比（開口率とも呼ぶ）に反比例する。理論的には、開口率が変わらなければ第１の流体１９４の流速は変わらない。ただし、流入孔１０４が小さくなると、第１の流体１９４の流量が小さくなる結果、第１の流体１９４の流速も小さくなる可能性がある。言い換えると、筐体外の流体１９３が流入孔１０４を通る際に、筐体外の流体１９３の一部が窓部１０３によって遮られる結果、第１の流体１９４の圧力が低下する。これを流体の圧力損失と呼ぶ。図４に示すように、発振器１０１と流入孔１０４とがＮ対１で対応するように配置することで、発振器１０１と流入孔１０４とが１対１で対応するように配置される場合に比べて、流入孔１０４を大きくすることができる。これにより、第１の流体１９４の圧力損失を低減することができ、発振器１０１の冷却効率が向上する。
図５は、発振器１０１の発振素子５０４の配置例を示す。図５に示す例では、照明装置１００の正面におけるテラヘルツ波の強度を高めるため、３６個の発振素子５０４をアレイ化した発振器１０１の概略構成の一例を示す。発振素子５０４は、テラヘルツ波の周波数帯域において利得を有する素子５０１とアンテナ構造５０２によって構成される。隣接する発振素子５０４は、空間結合によって結合する。また、隣接する発振素子５０４の間隔に応じて、各発振素子５０４から発生するテラヘルツ波の位相が特定の状態で同期する。テラヘルツ波の位相の同期を利用することで、照明装置１００の正面におけるテラヘルツ波の強度、指向性、照射方向などを制御することができる。アレイ化される発振素子５０４の個数は、テラヘルツ波の必要な強度や指向性によって適宜選択される。また、隣接する発振素子５０４の結合は、配線を用いて達成することもできる。なお、発振素子５０４に用いられる素子５０１には、ＲＴＤに限らず、ガンダイオード（Ｇｕｎｎ Ｄｉｏｄｅ）やインパットダイオード（ＩＭＰＡＴＴ Ｄｉｏｄｅ）のように、テラヘルツ波の周
波数帯域において利得を有する素子も使用できる。また、ｄはアンテナ開口とも呼ぶ。
波数帯域において利得を有する素子も使用できる。また、ｄはアンテナ開口とも呼ぶ。
１個の発振器１０１において４個の発振素子５０４をマトリクス状に配置して各発振素子５０４から発生するテラヘルツ波の位相を同期させる場合、電磁界解析によれば、テラヘルツ波の指向性は約４３度である。ここで、テラヘルツ波の指向性とは、テラヘルツ波の電力に関する半値角であり、テラヘルツ波の最大放射方向の電力に対して半分の電力となる角度である。そして、１個の発振器１０１における発振素子５０４の個数を１６個、３６個と増やすと、テラヘルツ波の指向性は、２３度、約１６度と鋭くなっていく。このように、テラヘルツ波１９１の位相を同期させる発振素子５０４の個数を増やすことで、テラヘルツ波１９１の指向性をより鋭くすることができる。
窓部１０３の上面視において、流入孔１０４が形成される領域と重なるように発振器１０１を配置する場合、上記のようにテラヘルツ波１９１の指向性を鋭くすることで、テラヘルツ波１９１が流入孔１０４内を伝搬する割合を高めることができる。この結果、窓部１０３によるテラヘルツ波１９１の損失を低減することができる。また、テラヘルツ波１９１が流入孔１０４内を伝搬する割合を高めることで、窓部１０３には導電性の金属を用いることができる。窓部１０３を金属によって構成することで、照明装置１００において発生するノイズが外部に漏れる可能性を小さくすることができる。
一般に発熱体の温度上昇ΔＴ［Ｋ］は、熱伝達率ｈ［Ｗ／ｍ２Ｋ］に反比例する。そのため、熱伝達率ｈが大きくなる程、発熱体の冷却効率は高くなる。図１において、第１の流体１９４の流速をＵ［ｍ／ｓ］とするとき、第１の流体１９４が層流である場合は、熱伝達率ｈは流速Ｕの０．５乗に比例する。また、第１の流体１９４が乱流である場合は、熱伝達率ｈは流速Ｕの０．８乗に比例する。このことから、第１の流体１９４は乱流であることが好ましく、第１の流体１９４を乱流とすることで発振器１０１の冷却効率が向上する。
流体に乱流が発生するか否かは、レイノルズ数Ｒｅを用いて判断することができる。一般的に、レイノルズ数Ｒｅが２０００を超えると、流体は層流から乱流に遷移する。ここで、第１の流体１９４の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］、第１の流体１９４の粘性係数をμ［Ｋｇ／ｍ・ｓ］、流入孔１０４の最小幅をＤ［ｍ］とするとき、レイノルズ数Ｒｅは、ρＵＤ／μで表される。このことから、第１の流体１９４が乱流となる場合の流入孔１０４の最小幅Ｄの条件は、第１の流体１９４の流速Ｕを用いて以下の式（１）により決まる。
また、排出部１０５の換気量をＡ［ｍ３／ｓ］、筐体１０２内の断面積をＳ［ｍ２］、流入孔１０４の総面積と筐体１０２内の断面積Ｓの比（開口率）をａとするとき、換気量Ａと第１の流体１９４の流速Ｕの関係は、以下の式（２）により算出される。
式（１）と式（２）とから、式（１）は、排出部１０５の換気量Ａを用いて以下の式（３）に示すように変形することができる。
最小幅Ｄの流入孔１０４から筐体１０２内に流入する第１の流体１９４の速度Ｕは、流入孔１０４の開口から離れるに従って小さくなる。一般に、第１の流体１９４の速度について、流速Ｕが一定とみなせる流入孔１０４からの距離は５Ｄ以下である。このことから、熱源である発振器１０１は、流入孔１０４からの距離が５Ｄ以内の範囲内の位置に配置することで、第１の流体１９４が流速Ｕで発振器１０１に到達するよう構成することが可能となる。より詳細には、図１において、流入孔１０４から発振器１０１までの距離をＬとする場合、Ｌは以下の式（４）に示す関係を満たすことが好ましい。
上記の関係を満たす位置に発振器１０１を配置することで、流速が最大となる条件で第１の流体１９４が発振器１０１に到達する構成とすることが可能となり、発振器１０１の冷却効率がより高まることが期待できる。
次に、発振器１０１の発振動作をより安定させるための距離Ｌについて説明する。図５に示すように、発振器１０１を構成する発振素子５０４は、利得素子である素子５０１とアンテナ構造５０２とを有する。アンテナ構造５０２は、発振素子５０４が所望の周波数で発振するための位相条件を調整し、テラヘルツ波を発生する役割を有する。また、アンテナ構造５０２は、発生したテラヘルツ波を外部に送り出すためのインピーダンス整合器としての役割も有する。また、互いに隣接する発振素子５０４は空間で結合し、各発振素子５０４から発生するテラヘルツ波の位相が特定の状態で同期する。テラヘルツ波の位相の同期を利用することで、照明装置１００の正面におけるテラヘルツ波の強度、指向性、照射方向などを制御することができる。
発振器１０１には、種々のアンテナ構造が採用でき、アンテナの近傍界（フレネル領域）に部材を配置すると、アンテナの特性が変化してテラヘルツ波の状態も変化する。そのため、アンテナの近傍界には部材を配置しないことが好ましい。図５に示す例において、発振器１０１の複数のアンテナ構造５０２のアンテナ開口をｄ［ｍ］、テラヘルツ波の波長をλ［ｍ］とするとき、発振器１０１の近傍界は２ｄ２／λとなる。例えば、図１に示す窓部１０３は、発振器１０１のアンテナの近傍界の外側に配置することが好ましい。より詳細には、図１において、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌは、以下の式（５）に示す関係を満たすことが好ましい。
上記関係を満たす位置に窓部１０３と流入孔１０４を設けることで、発振器１０１のアンテナ特性の影響を抑制して、発振器１０１の発振動作をより安定させることができる。
また、式（４）と式（５）より、Ｌは以下の式（６）に示す関係を満たすことが好ましい。
発振器１０１と流入孔１０４との位置関係を、式（６）を満たす関係とすることで、発振器１０１の動作をより安定させつつ、発振器１０１の冷却効率を向上させることが可能となる。
（第１実施例）
次に、第１実施形態の一態様である第１実施例について説明する。より詳細には、流入孔１０４の最小幅Ｄと、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌの設計例を示す。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、第１実施形態の一態様である第１実施例について説明する。より詳細には、流入孔１０４の最小幅Ｄと、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌの設計例を示す。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図６Ａ、図６Ｂに、第１実施例における照明装置１００の構成例を示す。なお、図６Ｂは、図６ＡのＡ－Ａ’線による照明装置１００の断面図である。筐体外の流体１９３、第１の流体１９４、筐体内の流体１９５、第２の流体１９６は空気である。第１の流体１９４の密度ρは、１．２０６ｋｇ／ｍ３、第１の流体１９４の粘性係数μは、１．８３×１０－５ｋｇ／ｍ・ｓである。
筐体１０２はアルミニウムで構成し、筐体１０２の内寸法（発振器１０１が配置される基板１０７の面と平行な方向における寸法）は１００ｍｍ×１００ｍｍである。筐体１０２内の断面積Ｓは、０．０１ｍ２である。放熱の効率を上げるため、アルミニウムはアルマイト処理などによる黒色のメッキが施されることが好ましい。排出部１０５は、ＤＣファンであり、筐体１０２に設けられる３０ｍｍ×３０ｍｍの開口に設置される。この場合のＤＣファンの換気量は０．３６ｍ３／ｍｉｎであると考えられる。ただし、流入孔１０４や流出孔１０６の構造による流体の圧力損失を考慮して、本実施例でのＤＣファンの換気量は、その半分の換気量、すなわち換気量Ａは０．１８ｍ３／ｍｉｎ（０．００３ｍ３／ｓ）であるとする。
発振器１０１は、半導体ウエハから３ｍｍ×３ｍｍのサイズに切り出され、１つのパッケージ１０８に１個実装される。発振器１０１の構成は図５と同じである。図５に示すように、発振器１０１は、テラヘルツ波を発振する３６個の発振素子５０４がマトリクス状に配置される。アンテナ構造５０２は、１５０μｍ×１５０μｍのパッチアンテナ構造である。アンテナ開口ｄは１．６５ｍｍである。また、発振素子５０４が発振するテラヘルツ波の波長λは、６００μｍ（周波数０．５ＴＨｚ）である。基板１０７には、２４個のパッケージ１０８が配置され、照明装置１００は、２４個の発振器１０１で構成される。
窓部１０３は、厚さ３ｍｍの高密度ポリエチレンで構成される。窓部１０３に形成される流入孔１０４は、円形状の開口を有し、図６Ａ、図６Ｂに示すように、流入孔１０４と発振器１０１とが１対１で対応するように設けられる。より詳細には、流入孔１０４は２４個あり、窓部１０３の上面視において、発振器１０１の中心と流入孔１０４の中心とが略一致するように設けられる。
流入孔１０４の最小幅がＤ、流入孔１０４の数がＮ個であるとき、開口率ａは、以下の式（７）により算出できる。
そして、式（３）と式（７）を用いることで、第１の流体１９４が乱流となる流入孔１０４の穴径Ｄが式（８）によって求められる。
図６Ａに示すように、本実施例では流入孔１０４の数は２４個（Ｎ＝２４）である。また、第１の流体１９４は空気（密度ρは１．２０６ｋｇ／ｍ３、粘性係数μは１．８３×１０－５ｋｇ／ｍ・ｓ）である。また、排出部１０５の換気量Ａは０．００３ｍ３／ｓである。このとき、流入孔１０４の穴径である最小幅Ｄが５．２４ｍｍより小さい場合に第１の流体１９４は乱流となる。そこで、本実施例では、流入孔１０４の最小幅Ｄを５ｍｍとする。
式（６）より、発振器１０１のアンテナ開口ｄが１．６５ｍｍ、テラヘルツ波の波長λが６００μｍ（周波数０．５ＴＨｚ）であるとき、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌは、９ｍｍ＜Ｌ＜２５ｍｍである。そこで、本実施例では、流入孔１０４から発振器１０１までの距離Ｌを１０ｍｍとする。
以上の照明装置１００の構成により、テラヘルツ波を出射する発振器の冷却効率のばらつきを低減して、より安定した動作が可能な照明装置を提供することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る照明装置について説明する。より詳細には、本実施形態では、第１実施形態に係る照明装置において窓部１０３の代わりに窓部６０３が用いられている。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
次に、第２実施形態に係る照明装置について説明する。より詳細には、本実施形態では、第１実施形態に係る照明装置において窓部１０３の代わりに窓部６０３が用いられている。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
図７Ａ、図７Ｂは、本実施形態における窓部７０３の断面図と上面図をそれぞれ示す。図７Ａ、図７Ｂに示すように、窓部７０３は、装置外部のゴミが筐体１０２内に入ることを防止する防塵部７２１を有する。防塵部７２１は、テラヘルツ波に対して透過性を有し、いわゆる連続多孔質構造を有する材料で構成されている。防塵部６２１には、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、テフロン（登録商標）等の連続多孔性あるいは発泡性を有する樹脂シートが使用される。また、図７Ａ、図７Ｂに示すように、防塵部７２１は、流入孔１０４の開口を覆うように窓部７０３に配置される。より詳細には、防塵部７２１は、発振器１００が発生するテラヘルツ波の進行軸１９２と交差して、流入孔１０４の上端部に接するように配置される。
防塵部７２１を窓部７０３の流入孔１０４に配置することで、筐体外の流体１９３が筐体１０２内に流入する際に、防塵部７２１が、装置外部のゴミが流入孔１０４を通って筐体１０２内に移動することを防止する。この結果、図７Ａ、図７Ｂには示されていない発振器１０１にゴミが衝突することが防止される。したがって、ゴミが発振器１０１に衝突して発振器１０１が故障する現象が回避されるため、第１の流体１９４の流速をより大き
くすることができる。これにより、本実施形態によれば、発振器１０１の冷却効率をさらに高めることができる。
くすることができる。これにより、本実施形態によれば、発振器１０１の冷却効率をさらに高めることができる。
また、筐体外の流体１９３が防塵部７２１を通過する際、筐体外の流体１９３の流れが防塵部７２１の多孔質構造によって不規則に乱れ、その後、流体１９３は防塵部７２１の細孔を通って流入孔１０４に流れ込む。したがって、防塵部７２１を設けることで、流入孔１０４内にさらに複数の流入孔を形成する構成と実質的に同じ構成を実現できる。そのため、第１の流体１９４が乱流になりやすくなり、発振器１０１の冷却効率がさらに高まることが期待できる。
図８Ａ、図８Ｂは、窓部７０３の変形例である窓部８０３の断面図と上面図をそれぞれ示す。図８Ａ、図８Ｂに示すように、窓部８０３は防塵部８２１を有する。そして、防塵部８２１の一部が、流入孔１０４に嵌入されている。この構造は、例えば、ポリエチレン板、ポリスチレン板、テフロン（登録商標）板を、流入孔１０４の形状に合わせて凸部を有する構造に加工し、加工された凸部を流入孔１０４に圧入することで実現できる。
防塵部８２１を用いる場合、防塵部７２１に比べて、流入孔１０４に嵌入されている分、流体１９３が通過する領域を増やすことができるので、防塵部８２１の強度も防塵部７２１に比べて高くすることができる。この結果、第１の流体１９４の流速をより大きくすることで、発振器１０１の冷却効率をさらに高めることができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る照明装置について説明する。より詳細には、本実施形態に係る照明装置は、第１実施形態に係る照明装置の窓部１０３の代わりに窓部９０３を有する。窓部８０３には、窓部１０３の流入孔１０４の代わりに流入孔９０４が設けられている。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
次に、第３実施形態に係る照明装置について説明する。より詳細には、本実施形態に係る照明装置は、第１実施形態に係る照明装置の窓部１０３の代わりに窓部９０３を有する。窓部８０３には、窓部１０３の流入孔１０４の代わりに流入孔９０４が設けられている。なお、以下の説明において、上記の説明と共通する部分については同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
図９Ａ、図９Ｂは、本実施形態における流入孔９０４の構成を説明するための、窓部９０３の断面図と上面図をそれぞれ示す。図９Ａに示すように、流入孔９０４は、開口径（直径）が不図示の発振器１０１の方向（紙面下方向）に向かって小さくなるテーパ形状を有する。言い換えると、筐体外の流体１９３が流れ込む側の流入孔９０４の開口径（直径）Ｄ９１が、流体１９３が第１の流体１９４として流れ出る側の流入孔９０４の開口径（直径）Ｄ９２に比べて大きい。
流入孔９０４の側壁が上記テーパ形状となるように傾斜していることで、筐体外の流体１９３が流れ込む側の開口がより広くなる。このため、筐体外の流体１９３が流入孔９０４に流入してから第１の流体１９４として流入孔９０４から流出するまでの過程における流入孔９０４の構造の変化がより緩やかになる。これにより、流体１９３の圧力損失が軽減され、流入孔９０４が流出する第１の流体１９４の流速低下も抑制され、不図示の発振器１０１の冷却効率がさらに高まることが期待できる。
次に、図１０Ａ、図１０Ｂは、窓部９０３の別の一態様である窓部１００３の断面図と上面図をそれぞれ示す。窓部１００３には流入孔１００４が設けられている。図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、流入孔１００４は、開口径（直径）が互いに異なる２つの開口部１００４ａ、１００４ｂによって構成されている。より詳細には、筐体外の流体１９３が流れ込む開口部１００４ａの開口径（直径）Ｄ１０１が、流体１９３が第１の流体１９４として流れ出る開口部１００４ｂの開口径（直径）Ｄ１０２に比べて大きい。
次に、図１１Ａ、図１１Ｂは、窓部９０３、１００３の別の一態様である窓部１１０３
の断面図と上面図をそれぞれ示す。図１１Ａに示すように、流入孔１１０４は、側壁に筐体内に向かって（紙面下方向）螺旋状の溝が形成されている螺旋構造を有する。この螺旋構造により、筐体外の流体１９３が流入孔１１０４を通過するときに、矢印１１１０で示すように流体１９３に回転力が加わることで流体１９３の流速がより大きくなる。この結果、流入孔１１０４から流れ出る第１の流体１９４に乱流が生じやすくなる。したがって、上記の説明の通り、第１の流体１９４に乱流が生じることによる発振器１０１の冷却効率の向上が期待できる。
の断面図と上面図をそれぞれ示す。図１１Ａに示すように、流入孔１１０４は、側壁に筐体内に向かって（紙面下方向）螺旋状の溝が形成されている螺旋構造を有する。この螺旋構造により、筐体外の流体１９３が流入孔１１０４を通過するときに、矢印１１１０で示すように流体１９３に回転力が加わることで流体１９３の流速がより大きくなる。この結果、流入孔１１０４から流れ出る第１の流体１９４に乱流が生じやすくなる。したがって、上記の説明の通り、第１の流体１９４に乱流が生じることによる発振器１０１の冷却効率の向上が期待できる。
１００・・・照明装置、１０１・・・発振器、１０２・・・筐体、１０３・・・窓部、１０４・・・流入孔、１０５・・・排出部
Claims (13)
- 筐体と、
前記筐体に収容され、２次元状に配置された、電磁波を発生する複数の発振器が実装されるパッケージと、
前記電磁波が出射される前記筐体の第１の側に配置された窓部と、
それぞれが１つまたは複数の発振器に対応し、前記窓部の前記電磁波が伝搬する位置に設けられた、流体を前記筐体内に流入させる複数の流入孔と、
前記筐体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された、前記筐体内に流入した前記流体を前記筐体外に排出する排出部と、
前記パッケージが固定される基板と、
前記基板に設けられた、前記筐体内に流入した前記流体を前記排出部に流出させる複数の流出孔と、
を有し、
前記窓部と前記基板とが対向して配置されており、
前記窓部の上面視において、前記発振器が発生する前記電磁波の進行軸と重なる位置に前記流入孔が位置し、
前記流入孔から前記筐体内に流入した前記流体が前記発振器に到達するように構成されており、
前記窓部の上面視において、前記流出孔が前記パッケージと重なる位置に設けられる
ことを特徴とする照明装置。 - 前記窓部は、前記電磁波に対して透過性を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
- 前記電磁波に対して透過性を有する材料で構成され、連続多孔質構造を有する防塵部をさらに有し、
前記防塵部は、前記複数の流入孔を覆うように配置される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。 - 前記防塵部の一部が、前記複数の流入孔に嵌入されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
- 前記複数の流入孔の少なくとも１つが、互いに開口径が異なる複数の開口部によって構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記複数の流入孔の少なくとも１つが、開口径が前記筐体内に向かって小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記複数の流入孔の少なくとも１つの側壁に、螺旋状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記流入孔の最小幅をＤ（ｍ）、前記流入孔から流出する前記流体の流速をＵ（ｍ／ｓ）、前記流体の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、前記流体の粘性係数をμ（ｋｇ／ｍ・ｓ）とすると、以下の式（１）が成り立つ
- 前記流入孔から前記発振器までの距離をＬ（ｍ）、前記流入孔の最小幅をＤ（ｍ）とすると、以下の式（２）が成り立つ
- 前記発振器は、
前記電磁波の周波数帯域において利得を有する素子と、アンテナとを有し、前記電磁波を発振する複数の発振素子
を有し、
前記複数の発振素子のうち隣接する発振素子が結合して、前記隣接する発振素子によって発振されるそれぞれの前記電磁波の位相が同期する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の照明装置。 - 前記流入孔から前記発振器までの距離をＬ（ｍ）、前記アンテナのアンテナ開口をｄ（ｍ）、前記電磁波の波長をλ（ｍ）とすると、以下の式（３）が成り立つ
- 前記電磁波の周波数は、０．２ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の照明装置。
- 被写体からの電磁波の２次元分布を取得するカメラシステムであって、
前記被写体に前記電磁波を照射する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の照明装置と、
前記被写体によって反射された前記電磁波を結像する結像部と、
前記結像部によって結像された前記電磁波の２次元分布を検知するセンサ部と、
を有することを特徴とするカメラシステム。
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