(57)【要約】【課題】テラヘルツ波の測定において、ノイズフロアを下げつつ測定時間を短縮すること。【解決手段】時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスT１の時間波形を取得するテラヘルツ波測定装置は、検出部１０９と、微小信号検出部１０３と、積分部１０４を有する。微小信号検出部１０３は、時定数τを有し、検出部１０９からの信号から周波数fsの信号成分を検出する。積分部１０４は、微小信号検出部１０３の出力段に接続され、その時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい。【選択図】図１
2010169541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する測定装置であって、
周波数fsの信号成分を含むテラヘルツ波パルスを検出する検出部と、
時定数τを有し、前記検出部からの信号から周波数fsの信号成分を検出する微小信号検出部と、
前記微小信号検出部の出力段に接続される積分部と、を有し、
前記積分部の時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい特性である、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記積分部の出力段に接続され、前記時間波形を構成するデータ毎に加算平均を行う加算平均回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記積分部は、部分的に積分領域を有する周波数特性を持つ構成、或いは全体的に積分領域を有する周波数特性を持つ構成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する測定方法であって、
周波数fsの信号成分を含むテラヘルツ波パルスを検出する検出ステップと、
時定数τを有し、前記検出ステップで検出される信号から周波数fsの信号成分を検出する微小信号検出ステップと、
前記微小信号検出ステップで検出される信号を積算する積分ステップと、を有し、
前記積分ステップの時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい特性である、
ことを特徴とする測定方法。
【請求項５】
前記時間波形を構成するデータ毎に加算平均を行うデータの加算平均ステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の測定方法。
【請求項６】
前記時間波形を複数取得し、これらの波形の加算平均を行う波形の加算平均ステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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）の測定システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、０.０３THzから３０THzのうち、任意の周波数帯域を有する電磁波である。このような周波数帯域には、生体分子をはじめとして、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。このような特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定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】
THz-TDS装置は、超短パルスによって、検出器に到達するテラヘルツ波の瞬間的な電界強度を取得する。そして、この超短パルスが検出器に到達するタイミングを変化させることによって生ずる瞬間的な電界強度の変化を記録し、本装置は、テラヘルツ波の時間波形を取得する。つまり、本装置では、超短パルスによって、検出器に到達するテラヘルツ波をサンプリング計測している。上述した特徴的な吸収を測定する場合は、この時間波形を周波数領域の情報に変換し、周波数スペクトルを取得する。
【０００４】
多くの場合、この電界強度に相当する信号強度は微弱であるため、ロックインアンプに代表される微小信号測定器（本発明では微小信号検出部とも呼ぶ）によって信号を取得する。THz-TDS装置で、ロックインアンプによる信号検出を行う場合、テラヘルツ波は周波数fsで変調され、ロックインアンプはこの周波数fsの成分を検出する。この検出された信号をテラヘルツ波の瞬間的な電界強度としている。この時、ロックインアンプは、変調された電界強度の信号に対し、変調周波数fsと同じ周波数を有する参照信号によって乗算する。そして、ロックインアンプは、派生した和（２fs）と差（直流成分）の周波数成分のうち、差の周波数成分をフィルタで取り出す。
【０００５】
このような微小信号測定器によって測定される信号には、上述した電界強度に関する信号について、超短パルスの強度変動の影響や、測定システムが発する信号（熱雑音やシステム固有のノイズなど）が重畳されている。この結果、テラヘルツ波の時間波形を構築する際、図９のように、取得したい信号に対して各測定データがばらついてしまうことがある。このような信号ばらつきは、例えば、テラヘルツ波の時間波形を周波数領域の情報に変換する際、ノイズフロアを上昇させる一因となる。このノイズフロアの上昇は、測定帯域を制限するため、不要な信号成分の抑制が求められている。
【０００６】
この対策の一つとして、複数のテラヘルツ波の時間波形に対して加算平均処理を行う手法がある。例えば、上記超短パルスが検出器に到達するタイミングを細かくし、１回の時間波形から複数の時間波形を構築し、これを加算平均処理する手法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６-２６６９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、複数のテラヘルツ波の時間波形を加算平均する手法は、テラヘルツ波の測定回数分だけ測定時間が長くなる。上記特許文献１はこれを改善するための一手法を開示している。
【０００８】
上記特許文献１は、超短パルスが検出器に到達するタイミングを機械ステージによって制御している。具体的には、機械ステージ上に折り返し光学系を配置し、超短パルスが伝搬する光路長を調整している（遅延光学系とも呼ばれる）。テラヘルツ波の時間波形を構成する測定点間の間隔は、周波数領域の最高周波数に相当する。例えば、数１０THzの領域のスペクトルを得たい場合、機械ステージは数μmの精度で制御する。そして、テラヘルツ波の時間波形を取得する際、この位置決め精度で、機械ステージを数mmの範囲で動かして測定を行う。テラヘルツ波の測定時間は、主に、この遅延光学系を動かす速度に依存する。
【０００９】
特許文献１は、この測定点間の間隔を更に短くした状態で機械ステージを動かすものである。しかし、機械ステージは、より細かい位置決め精度を要求されるので、テラヘルツ波の時間波形を高速に取得するために、この細かい位置決め精度を維持しながら機械ステージを高速に長距離動かすことは容易ではない。
【００１０】
また、ロックインアンプは、この機械ステージを高速に動かしたことに伴う信号変化に対応できるだけの時定数を有する必要がある。具体的には、時定数は小さくする方向に調整する。ところが、変調周波数fsと機械ステージの速度によっては、時定数を小さくすることによって、時定数が和（２fs）の周波数成分に近づくことがある。その結果、この周波数成分付近の信号を十分減衰することができずに周波数領域のノイズフロアが上がってしまうことが懸念される。例えば、図６(b)において、微小信号検出部の周波数特性は上述した時定数に依るが、この周波数特性が２fsの成分に近づくと、この成分を十分減衰させることは難しくなる。この結果、例えば図５(b)のように、微小信号検出部から出力される信号は、ばらつきが大きくなり、ノイズフロアが上がることによって周波数スペクトルの測定帯域を制限する。これは、元来、直流成分を取得する用途のロックインアンプを用いてテラヘルツ波の時間波形を高速に取得する際、周波数スペクトルを取得するため、高速測定と共に信号の安定性の両立が求められるという、テラヘルツ波測定における特有の課題ともいえる。
【００１１】
このように、テラヘルツ波の測定においては、ノイズフロアを下げつつ測定時間を短縮することが潜在的に求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明の測定装置は、時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する測定装置であって、検出部と、微小信号検出部と、積分部を有する。前記検出部は、周波数fsの信号成分を含むテラヘルツ波パルスを検出する。微小信号検出部は、時定数τを有し、前記検出部からの信号から周波数fsの信号成分を検出する。前記積分部は、前記微小信号検出部の出力段に接続され、その時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい特性である。
【００１３】
また、本発明における測定方法は、時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する測定方法であって、検出ステップと、微小信号検出ステップと、積分ステップを有する。検出ステップは、周波数fsの信号成分を含むテラヘルツ波パルスを検出する。微小信号検出ステップは、時定数τを有し、前記検出ステップで検出される信号から周波数fsの信号成分を検出する。積分ステップは、前記微小信号検出ステップで検出される信号を積算し、その時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい特性である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のテラヘルツ波測定装置及び方法によれば、少なくとも微小信号検出部ないしステップが有する時定数τよりも小さな時定数を有する積分部ないしステップによって、時間波形の信号ばらつきに寄与していた成分の信号を減衰させる。また、微小信号検出部ないしステップが有する時定数よりも小さな時定数を有する積分部ないしステップを用いることで、測定システム全体の時定数に与える影響を小さくする。このことから、測定時間を増やすことなくノイズフロアの低減ができ、測定帯域が広がるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について説明する。
本発明の装置及び方法において重要なことは、次の点である。時定数τを有し、周波数fsの信号成分を検出する微小信号検出部ないしステップの出力段に接続される積分部ないしステップの時定数が、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい特性であることである。このことより、時間波形の信号ばらつきに寄与していた成分の信号を減衰させると共に、測定システム全体の時定数に与える影響を小さくできる。更に、周波数成分２fs以降の周波数成分を減衰させることもできる。
【００１６】
上記考え方に基づき、本発明の装置及び方法の基本的な実施形態は、次の様な構成を有する。時間領域分光法によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する測定装置ないし方法において、時定数τを有し、周波数fsの信号成分を検出する微小信号検出部ないしステップの出力段に接続される積分部ないしステップを有する。そして、積分部ないしステップの時定数は、時定数τ以下で、かつ１/(２fs)より大きい。
【００１７】
前記基本的な実施形態において、以下に述べる様なより具体的な実施形態が可能である。
前記積分部ないしステップの出力段に接続され、前記時間波形を構成するデータ毎に加算平均を行う加算平均回路ないしステップを更に備えることができる（図４の構成例を参照）。この構成によれば、積分部ないしステップの出力について回路的に複数分岐させ、各分岐させた信号の加算平均を求める。この結果、ランダムに発生する熱的な雑音を抑制することができるので、ノイズフロアの低減ができるという効果を奏する。
【００１８】
また、前記時間波形を複数取得し、これらの波形の加算平均を行う波形の加算平均ステップを更に備えることができる（ラピッドスキャンの適用）。これによれば、ノイズフロアを低減した状態で、テラヘルツ波の波形の加算平均を求めている。そのため、従来の測定方法に比べ、同程度のＳＮ比を得るために必要な時間波形の測定回数を減らすことができ、測定時間の高速化を容易にするという効果を奏する。
【００１９】
以下、本発明の思想を実施し得る実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明のテラヘルツ波測定装置及び方法の一実施形態に関する概略構成図である。図１によると、テラヘルツ波測定装置は、テラヘルツ波の瞬間的な電界強度を測定する測定部１０１、測定部１０１の出力よりテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分に大別される。
【００２０】
測定部１０１は、発生部１０８、検出部１０９、遅延光学部１１０を含む。そして、テラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分は、電流検出部１０２、微小信号検出部１０３、積分部１０４、処理部１０６によって構成される。
【００２１】
測定部１０１の説明をする。発生部１０８は、テラヘルツ波パルスを発生する部分である。発生部１０８でのテラヘルツ波発生方法には、瞬時電流を利用する手法や、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、鏡面研磨した半導体や有機結晶の表面にレーザ光を照射してテラヘルツ波を発生する手法や、半導体薄膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した光伝導素子に電界を印加して印加部にレーザ光を照射する適用できる。また、PINダイオードが適用できる。利得構造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。
【００２２】
検出部１０９は、テラヘルツ波パルスの電界強度を検出する部分である。検出部１０９での検出方法には、光伝導による電界強度に対応した電流を検出する手法、電気光学効果を用いて電場を検出する手法、磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法などがある。光伝導による電流を検出する手法としては、光伝導素子が適用できる。電気光学効果を用いて電場を検出する手法としては、直交偏光子と電気光学結晶を使った手法が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法としては、直交偏光子と磁気光学結晶を使った手法が適用できる。
【００２３】
発生部１０８と検出部１０９は、レーザ源１０７から出力される超短パルスレーザによってキャリヤが励起されることで動作する。発生部１０１と検出部１０２は、この超短パルスレーザによってキャリヤが励起されることで動作する。図１のように、超短パルスレーザは、ビームスプリッタ１１１によってL１とL２の二つの光路に分岐される。光路L１を通る超短パルスレーザは、遅延光学部１１０を介して発生部１０８に入力する。光路L２を通る超短パルスレーザは、検出部１０９に入力する。
【００２４】
遅延光学部１１０は、テラヘルツ波の時間波形のうちの検出部１０９でサンプリングされる時間軸上の位置を調整する部分である。具体的には、発生部１０８に入力される超短パルスレーザに対し、検出部１０９に入力される超短パルスレーザのタイミングを遅延ないし変化させる。この遅延時間の調整方法には、光学長を直接調整する手法と実効的な光学長を調整する手法がある。直接調整する手法としては、図１に示したように、折り返し光学系と可動部を用いる方法がある。実効的な光学長を調整する手法としては、トリガ信号が伝搬する経路中の時定数ないし屈折率を変化させる方法がある。
【００２５】
次に、テラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分の説明をする。
電流検出部１０２は、検出部１０９から出力される微小電流を、測定可能なレベルまで増幅する部分である。また、検出部１０９が微小電圧を出力する場合、電圧を増幅する部分に置き換えてもよい。
【００２６】
微小信号検出部１０３は、ロックインアンプに代表されるように雑音に埋もれた信号から、所望の信号を検出する部分である。微小信号検出部１０３として、ロックインアンプを適用する場合、変調部１０５より変調周波数fsを有する参照信号が入力される。この時、変調部１０５は、発生部１０８から発生するテラヘルツ波を変調周波数fsで変調する。そして、検出部１０９は、変調周波数fsの成分を含む信号を微小信号検出部１０３に入力させる。微小信号検出部１０３は、時定数τのローパスフィルタ（ＬＰＦ）を備え、電流検出部１０２の信号と参照信号の差の周波数成分を出力する。
【００２７】
処理部１０６は、遅延光学部１１０によって調整される遅延時間を調整する部分である。そして、処理部１０６はこの遅延光学部１１０の調整量と、その調整部分におけるテラヘルツ波の瞬間的な電界強度に相当する信号を参照し、テラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。図９は、この時間波形の構築の様子を示した図である。発生部１０８と検出部１０９に入射される超短パルスレーザの遅延時間が、遅延光学部１１０によって処理部１０６で設定した値に達すると、処理部１０６は、テラヘルツ波の電界強度に相当する信号を記録する。図９では、この遅延時間をΔtとしている。この動作をΔt毎に行うことで、処理部１０６は時間波形を構築する。このテラヘルツ波の電界強度に相当する信号は、主として、微小信号検出部１０３から得られる。上述したように、微小信号検出部１０３は固有の時定数τを有している。Δtの間隔で得られる測定データは、それぞれ孤立していることが望ましいので、時定数τはΔt以下に調整する。
【００２８】
テラヘルツ波領域のスペクトルを取得したい場合、処理部１０６は、この時間波形をフーリエ変換し、スペクトル情報を提供する。取り込まれる時間間隔をΔtとする場合、再現されるスペクトルの最高周波数は１/(２Δt)で表現される。
【００２９】
以上の構成は、THz-TDS装置における典型的な構成である。本発明は、これらの構成に加え、微小信号検出部１０３と処理部１０６の間に積分部１０４を更に有することを特徴としている。
【００３０】
積分部１０４は、微小信号検出部１０３から出力される信号を積分する部分である。積分部１０４は、周波数特性の少なくとも一部に、所定の減衰傾度を有している。積分部１０４は、この減衰傾度に含まれる周波数（積分領域ともいう）の信号を積分する。このように、積分部１０４は所定の減衰傾度を有するため、積分部１０４にも時定数が存在する。この積分部１０４の時定数によって、上述したTHz-TDS装置の動作に影響を与えることは好ましくないので、積分部１０４の時定数はτ以下の値である。積分部１０４は、図９のように、微小信号検出部１０３の信号のばらつきを抑制する。そして、テラヘルツ波の時間波形を周波数領域の情報に変換する際、ノイズフロアの低減を行い、周波数スペクトルの測定帯域を広げる。
【００３１】
このような積分部１０４として、部分的に積分領域を有する構成と、全体的に積分領域を有する構成がある。部分的に積分領域を有する構成として、ローパスフィルタを用いる構成がある。この構成を図２に示す。図２(a)は、積分部１０４の構成を示している。図２(b)は、積分部１０４の周波数特性を示している。ここでは、積分部１０４としてローパスフィルタ２１３を用いている。図２(b)は、周波数軸を積分領域が始まる周波数f１で正規化したものである。上述したように、THz-TDS装置の動作への影響を抑制するために、積分部１０４の時定数１/f１は、微小信号検出部１０３の時定数τ以下にする。尚、ここでのローパスフィルタ２１３は、微小信号検出部１０３のローパスフィルタとは周波数特性が截然と異なるもので、両者は明瞭に区別される。
【００３２】
次に、全体的に積分領域を有する構成として、コンデンサを用いた完全積分回路がある。この構成を図３に示す。図３(a)は、積分部１０４の構成例を示している。図３(b)は、積分部１０４の周波数特性を示している。積分部１０４は、積分回路３１４、スイッチ回路３１５、タイミング回路３１６、グランド３１７、調整回路３１８で構成される。積分回路３１４は、コンデンサで構成する完全積分回路である。この回路は、図３(b)のように、直流付近より積分領域が開始される。すなわち、積分回路３１４は、全ての周波数成分を積分する。スイッチ回路３１５は、積分回路３１４の接続先を調整回路３１８かグランド３１７に選択する部分である。スイッチ回路３１５が調整回路３１８を選択すると、積分回路３１４に電荷が蓄積され積分を開始する。そして、積分結果は調整回路３１８に入力される。スイッチ回路３１５がグランド３１７を選択すると、積分回路３１４の電荷はグランド３１７に放電され、積分を中止する。タイミング回路３１６は、選択の切替え間隔を調整する。
【００３３】
この間隔は、処理部１０６の信号取り込み間隔に同期する。具体的には、処理部１０６が信号を取得すると積分を中止し、積分回路３１４の電荷が放電した後に積分を開始する。調整回路３１８は、増幅率を調整する部分である。積分回路３１４は完全積分回路であるので、図３(b)のように、直流に近い周波数成分程、増幅してしまう。図３(b)のように、増幅率が、１以上の特性を示す領域（調整領域ともいう）の信号が処理部１０６の測定範囲を超え、飽和することを防止するため、積分回路３１４の出力を調整する。このように、この積分回路１０４は、単位時間あたりの積分を行う部分ともいえる。図３(b)は、周波数軸を、調整領域が終わる周波数f２で正規化したものである。上述したように、THz-TDS装置の動作に対する影響を抑制するために、積分部１０４の時定数１/f２は微小信号検出部１０３の時定数τ以下にする。図３(a)に示す積分部１０４は、積分範囲を柔軟に設定できるという特徴を有する。
【００３４】
また、別の実施形態として、図４のように、積分部１０４と処理部１０６の間にＮ段加算平均回路４１９があってもよい。Ｎ段加算平均回路４１９は、Ｎ個の加算回路と、加算回路の出力をＮで平均化する回路で構成される。回路によって、積分部１０４の出力をＮ段に分岐し、それぞれの信号を加算した後に平均化することで、ランダムに発生する回路の熱的な雑音が１/√N倍改善されることが知られている。このような回路を挿入することで、ノイズフロアの改善が期待できる。
【００３５】
次に、主に図１を参照して本実施形態のテラヘルツ波測定装置の動作を説明する。尚、ここでは、発生部１０８と検出部１０９として、比較的よく利用される光伝導素子を用いることとする。
【００３６】
レーザ源１０７は超短パルスレーザを出力し、超短パルスレーザは、ビームスプリッタ１１１によってL１とL２に分岐される。超短パルスレーザL１は、遅延光学部１１０を介して発生部１０８に入射される。また、超短パルスレーザL２は検出部１０９に入射される。
【００３７】
処理部１０６は、最初の測定点（例えば、図９の１番目の測定点）を測定するため、遅延光学部１１０によって、超短パルスレーザL１とL２の遅延時間を調整する。超短パルスレーザL１が発生部１０８に到達すると、発生部１０８はテラヘルツ波T１を発生する。尚、このテラヘルツ波T１は、変調部１０５によって強度変調されている。ここでは、仮に変調周波数fsとして１０KHzで変調しているものとして説明する。
【００３８】
テラヘルツ波T１はサンプル１１２上に集光され、サンプル１１２からテラヘルツ波T２が伝搬する。図１では、テラヘルツ波がサンプル１１２を透過する形態を示しているが、反射する形態でもよい。また、テラヘルツ波T１は、サンプル１１２に集光している形態を示しているが、平行光を入射してもよい。
【００３９】
サンプル１１２から伝搬するテラヘルツ波T２は、サンプル１１２の物性により、散乱、吸収されるため、サンプル１１２の物性情報を含んだ信号となっている。この後、テラヘルツ波T２は検出部１０９に到達する。検出部１０９は、検出部１０９に入射するテラヘルツ波T２について、超短パルスレーザL２が到達した時の瞬間的な電界強度に相当する信号を出力する。検出部１０９として光伝導素子を用いる場合、検出部１０９は電流信号を出力する。
【００４０】
検出部１０９から出力された電流信号は、電流検出部１０２によって電圧信号に変換され、測定可能な範囲まで増幅される。ここで、遅延光学部１１０によって調整される遅延時間が同じである限り、超短パルスレーザL２によってサンプリングされるテラヘルツ波T２の瞬間的な電界強度の位置は同じである。そのため、電流検出部１０２から出力される信号は、ほぼ直流に近い信号である。しかし、本実施形態では、テラヘルツ波T１は、変調部１０５によって強度が変調されている。そのため、図５(a)のように、この直流信号に対して強度変調した信号が電流検出部１０２より出力される。図６(a)は、この電流検出部１０２の信号の周波数情報を示している。図示するように、電流検出部１０２から出力される信号は、変調周波数fsに強い信号成分を有している。
【００４１】
電流検出部１０２の信号は、図５(a)で示すように、周波数fs以外の信号成分を含んでいるためＳＮ比が低下している。そのため、電流検出部１０２の信号は、微小信号検出部１０３によって変調周波数fsの成分を抽出する。
【００４２】
図６(b)は、微小信号検出部１０３の周波数特性を示している。微小信号検出部１０３としてロックインアンプを適用する時、微小信号検出部１０３は、電流検出部１０２と変調部１０５の信号を乗算する乗算部と、この乗算部の出力をフィルタリングし不要な信号を減衰させるフィルタ部で構成する。図６(b)に、この乗算部の出力を示しているが、図示するように、この出力には変調周波数fsの２倍の周波数成分と直流成分、そしてノイズの成分が存在している。乗算部の出力は、変調周波数fsに近い周波数成分程直流側に現れ、変調周波数fsから離れた成分（主にノイズ成分）は高周波側に現れる。
【００４３】
微小信号検出部１０３のフィルタリング部は、この乗算部の出力から直流成分付近の信号を抽出する。このフィルタリング部は、時定数τを有するローパスフィルタで構成する。尚、時定数τは、ローパスフィルタのカットオフ周波数に対応する。この時定数τが、微小信号検出部１０３の周波数特性を制限する。図６(b)には、この微小信号検出部１０３の周波数特性を示している。図６(b)のように、乗算部の出力は、この周波数特性に従って高周波側の信号が減衰する。この様子を同じ図の斜線部に示している。
【００４４】
図５(b)には、この微小信号検出部１０３の時間波形の出力を示している。図５(b)をみると、直流成分が抽出されている。この直流成分がテラヘルツ波の瞬間的な電界に相当している。例えば、遅延光学部１１０の調整量を変化させると、この直流成分の値が変動する。この変動の速度をどの程度追従させるかは、図６(b)で示した微小信号検出部１０３の周波数特性に依る。例えば、追従の速度を速くしたい場合、微小信号検出部１０３の時定数τを小さくする（周波数領域に換算すると、カットオフ周波数を大きくする）。追従の速度を速くすると、テラヘルツ波の時間波形を速く取得できる。ところが、時定数τを小さくしていくと、図６(b)のように、和の周波数成分２fs以降の周波数成分を十分減衰できなくなるので、図５(b)で示した時間波形のＳＮ比は低下する。
【００４５】
本発明では、テラヘルツ波の高速取得に伴うＳＮ比の低下を、積分部ないし積算部１０４で補償することが特徴である。図１のように、微小信号検出部１０３の出力は、積分部１０４に入力される。図６(c)は、積分部１０４の周波数特性を示している。ここでは、積分部１０４としてローパスフィルタを適用した例を示している。この積分部１０４の周波数特性は、測定システムの動作への影響を小さくするために、積分部１０４の時定数は、微小信号検出部１０３の時定数τよりも小さくする。そして、上述したように、積分部１０４では、微小信号検出部１０３で減衰しきれなかった和の周波数成分２fs以降の周波数成分を減衰させる必要があるため、積分部１０４の時定数は１/(２fs)より大きくする。ここでは、積分部１０４の時定数は、微小信号検出部１０３の時定数τと同じ値を選択して説明する。
【００４６】
図６(c)のように、微小信号検出部１０２の出力は、積算部１０４の周波数特性に従って、周波数成分２fs以降の周波数成分が減衰する。この結果を、斜線部で示している。この結果、図５(c)のように、積分部１０４の出力は、微小信号検出部１０２の出力に比べ、ＳＮ比が改善され、より直流に近い形となる。
【００４７】
処理部１０６は、この積分部１０４の出力を記録する。処理部１０６は、再び遅延光学部１１０によって超短パルスレーザL１とL２の遅延時間を調整し、次の測定点を測定する。この一連の動作を繰り返すことで、処理部１０６は、サンプル１１２を透過したテラヘルツ波の時間波形を構築する。このテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換することで、周波数スペクトルを得ることもできる。そして、サンプル１１２がない時の周波数スペクトルと比較することで、透過率を算出することができる。また、更なるＳＮ比の改善のため、テラヘルツ波の時間波形を複数回取得し、これらの加算平均を取得する場合もある（ラピッドスキャン方式ともいう）。
【００４８】
このように、本実施形態では、テラヘルツ波の波形取得に要する時間を短くすることに伴うＳＮ比の悪化（ノイズフロアの上昇）を補償し、テラヘルツ波の高速取得とノイズフロアの改善を両立することが可能となる。
【実施例】
【００４９】
更に具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
実施例１では、測定例を示す。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施例では、発生部１０８と検出部１０９として、低温成長させたガリウムヒ素（LT-GaAs）膜にアンテナを形成した光伝導素子を用いる。アンテナは中心に間隙５μmを有するダイポールアンテナ（アンテナ長３０μm）を用いる。レーザ源１０７は、パルス幅５０フェムト秒、中心波長８００nm、繰り返し周波数７６MHzのチタンサファイアレーザを用いる。遅延光学部１１０は、折り返し光学系を用い、３μm単位で超短パルスレーザL１の光路長を調整する。超短パルスレーザL１とL２の強度は５mWである。
【００５０】
本実施例では、サンプル１１２は用いず、自由空間である。変調部１０５は、発生部１０８に２０Vpp、１KHzの矩形波を出力する。また、変調部１０５は、同じ周波数のＴＴＬ信号を微小信号検出部１０３に出力する。尚、測定部１０１の雰囲気は窒素で置換している。測定中の温度は２４度、湿度は３％以下である。
【００５１】
電流検出部１０２は、電流電圧変換回路であり１０７V/Aの変換効率を有する。微小信号検出部１０３はロックインアンプであり、感度は１００mV、時定数は３０m秒である。積分部１０４はローパスフィルタを用い、時定数は３m秒である。
【００５２】
ここでは、処理部１０６は、測定点４０００点で時間波形を構築しており、測定回数は１回であるとする。この時のテラヘルツ波の周波数スペクトルを図７に示す。図７は、積算部１０４がない従来の測定系の測定結果と、本実施例の測定結果を示している。図７のように積分部１０４を用いることでノイズフロアの位置が低下し、周波数スペクトル幅が広がっている様子が分かる。ノイズフロアの低下の割合は、波形の加算平均処理による手法の効果に換算すると、時間波形を１０回測定し加算平均した量に相当する。この結果、測定帯域が０.５THz程広がっている。
【００５３】
このように、積分部１０４を用いることでノイズフロアの改善が実現できる。そのため、従来の測定方法に比べ、同程度のＳＮ比を得るために必要な時間波形の測定回数を減らすことができ、測定時間の高速化を容易にする。
【００５４】
（実施例２）
実施例２では、別の測定例を示す。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施例では、積分部１０４としてローパスフィルタを用い、時定数は１０m秒である。
【００５５】
図８は、この積分部１０４を用いた時のテラヘルツ波の周波数スペクトルである。図８は、積算部１０４がない従来の測定系の測定結果と、本実施例の測定結果を示している。本実施例においても、積分部１０４を用いることでノイズフロアの位置が低下し、周波数スペクトル幅が広がっている様子が分かる。ノイズフロアの低下の割合は、波形の加算平均処理による手法の効果に換算すると、時間波形を１０回測定し加算平均した量に相当する。この結果、測定帯域が０.５THz程広がっている。
【００５６】
このように、本実施例でも、積分部１０４を用いることでノイズフロアの改善が実現できる。そのため、従来の測定方法に比べ、同程度のＳＮ比を得るために必要な時間波形の測定回数を減らすことができ、測定時間の高速化を容易にする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による測定システムの一実施形態の概略構成を説明する図。
【図２】積分部の構成を説明する図。
【図３】積分部の別の構成を説明する図。
【図４】測定システムにおける加算平均回路の配置を説明する図。
【図５】時間領域の積算部の効果を説明する図。
【図６】周波数領域の積算部の効果を説明する図。
【図７】実施例１における積算部を用いた時の測定例を説明する図。
【図８】実施例２における積算部を用いた時の測定例を説明する図。
【図９】従来の測定手法の課題を説明する図。
【符号の説明】
【００５８】
１０１    測定部
１０２    電流検出部
１０３    微小信号検出部
１０４    積分部（積算部）
１０５    変調部
１０６    処理部
１０８    発生部
１０９    検出部
１１０    遅延光学部
４１９    Ｎ段加算平均回路
T１、T２    テラヘルツ波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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