(57)【要約】【課題】  試料の情報を取得する情報取得装置において、厚みが均一ではない透過部材を用いた場合でも、試料の情報を精度よく取得できる技術を提供する。【解決手段】  本発明の情報取得装置は、試料２０４の情報を取得する情報取得装置であって、試料と接している透過部材２０３を介して、テラヘルツ波を試料の照射位置に照射する照射部２２０と、透過部材で反射したテラヘルツ波と試料で反射したテラヘルツ波を検出する検出部２０７と、検出部の検出結果を用いて透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と試料で反射したテラヘルツ波の時間波形とを取得する波形取得部２１２と、透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と試料で反射したテラヘルツ波の時間波形と照射位置における透過部材の厚みに関する情報とを用いて試料の情報を取得する情報取得部２１３と、を有する。【選択図】  図２
2014209094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の情報を取得する情報取得装置であって、
前記試料と接している透過部材を介して、テラヘルツ波を前記試料の照射位置に照射する照射部と、
前記透過部材で反射したテラヘルツ波と前記試料で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果を用いて前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形とを取得する波形取得部と、
前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記照射位置における前記透過部材の厚みに関する情報とを用いて前記試料の情報を取得する情報取得部と、
を有する
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
前記情報取得部は、前記時間波形と、前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報と、前記透過部材または前記透過部材と同じ屈折率を有する部材にテラヘルツ波を照射して、前記透過部材または前記部材で反射したテラヘルツ波の時間波形および前記透過部材または前記部材の裏面で反射したテラヘルツ波の時間波形から得られた基準データとを用いて前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項３】
前記透過部材で反射したテラヘルツ波は、前記透過部材の表面で反射したテラヘルツ波である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の情報取得装置。
【請求項４】
前記基準データは、前記透過部材と前記試料とが接していない領域にテラヘルツ波を照射して、前記透過部材の表面で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記透過部材の裏面で反射した前記テラヘルツ波の時間波形とを取得することで得られたデータである
ことを特徴とする請求項２乃至３のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項５】
前記基準データは、前記試料と接触させる前の前記透過部材または前記部材の表面で反射した前記テラヘルツ波の時間波形と前記試料と接触させる前の透過部材または前記部材の裏面で反射した前記テラヘルツ波の時間波形とを取得することで得られたデータである
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項６】
前記情報取得部は、前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報を、前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形とを用いて取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波の照射位置を変更する位置変更部をさらに有し、
前記情報取得部は、前記位置変更部によって変更した前記照射位置毎に、前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報を用いて前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項８】
前記透過部材は、厚みが均一でない
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項９】
前記情報取得部は、前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報を用いて、前記透過部材の厚みが均一でないことによって生じる誤差を補正して、前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項１０】
テラヘルツ波はパルス波である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項１１】
前記透過部材は、既知の屈折率を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項１２】
前記照射部はテラヘルツ波を発生させる発生部を有しており、
前記発生部でテラヘルツ波を発生するタイミング、又は、前記検出部でテラヘルツ波を検出するタイミングを調整する調整部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の情報取得装置。
【請求項１３】
前記情報取得部は、前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻との差を前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報として用いて、前記試料の物性または形状の情報を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項１４】
前記情報取得部は、前記照射位置における透過部材の厚みと、前記基準データを用いて取得された透過部材の厚みの差を前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報として用いて、前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項１５】
前記情報取得部は、前記透過部材で反射したテラヘルツ波と前記試料で反射したテラヘルツ波との間に生じる位相差を前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報として用いて、前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項１６】
前記基準データは、前記透過部材または前記部材の表面で反射したテラヘルツ波の時間波形および前記透過部材または前記部材の裏面で反射したテラヘルツ波の時間波形と、該時間波形を用いて取得した周波数スペクトルと、前記透過部材または前記部材の厚みと、の少なくとも１つ含むデータである
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項１７】
前記基準データを記憶する記憶部をさらに有する
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項１８】
前記情報取得部は、前記試料の複素屈折率を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に情報取得装置。
【請求項１９】
試料の情報を取得する情報取得方法であって、
前記試料と接している透過部材を介して、テラヘルツ波を前記試料の照射位置に照射する照射ステップと、
前記透過部材で反射したテラヘルツ波と前記試料で反射したテラヘルツ波とを検出する検出ステップと、
前記検出ステップの検出結果を用いて取得した前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形とを取得する波形取得ステップと、
を有し、
前記検出ステップの検出結果を用いて取得した前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記照射位置における透過部材の厚みに関する情報とを用いて前記試料の情報を取得する
ことを特徴とする情報取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いて試料の情報を取得する情報取得装置および情報取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周波数が３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲の電磁波、いわゆるテラヘルツ波を用いた様々な検査技術が開発されている。特許文献１には、テラヘルツ波の透過性を利用して非破壊検査を行うための測定方法が記載されている。この方法は、試料にテラヘルツ波の超短パルスを照射し、その試料からの反射波を検出して得られた時間波形から、試料各層の構成や状態を調べるものである。
【０００３】
非特許文献１が示すように、時間波形のピーク波形を詳細に調べることで、そのピーク波形に対応する界面近傍の複素屈折率スペクトルを求めることも可能である。多くの材料にテラヘルツ波の周波数帯中に特有の吸収があることが知られており、材料分析の新たな方法として期待されている。また、特許文献２ではテラヘルツ波に対する生体試料表面の屈折率分布を測定し、結果を可視化する技術を開示している。このようなテラヘルツ波を用いた検査技術は、生体組織の屈折率や反射率が部位や状態（正常細胞または腫瘍細胞など）によって異なることを利用した病理診断等、医用面への応用が期待できる。
【０００４】
反射系の測定では、試料で反射したテラヘルツ波の他に、鏡で反射したテラヘルツ波を別途測定して、これらの時間波形を用いて試料の情報を取得する。しかし、試料表面と鏡表面との位置が同じでない場合や測定毎にテラヘルツ波の強度が異なる場合には、正確な比較を行うことができないため、測定精度が低下することがあった。そこで、テラヘルツ波を透過する板状の透過部材を用いて測定を行う方法が用いられている。これは、透過部材と試料とが接している状態で、透過部材を介してテラヘルツ波を試料に照射する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特登録４０４６１５８
【特許文献２】特開２０１１−１１２５４８
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐ．Ｕ．Ｊｅｐｓｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，（２００７），１５，１４７１７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来は、透過部材の面内での厚みは均一であるとみなして各種測定を行っていた。しかし、面内での厚みが均一な透過部材を製造することは容易ではなく、想定した厚みと実際に測定した位置における厚みとに差があったり、テラヘルツ波の照射位置ごとに透過部材の厚みが異なったりすることがある。そのため、現在期待される精度を常に満たすことは容易ではない。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものである。その目的は、厚みが均一ではない透過部材を用いた場合でも、試料の情報を精度よく取得できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての情報取得装置は、試料の情報を取得する情報取得装置であって、前記試料と接している透過部材を介して、テラヘルツ波を前記試料の照射位置に照射する照射部と、前記透過部材で反射したテラヘルツ波と前記試料で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、前記検出部の検出結果を用いて前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形とを取得する波形取得部と、前記透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記試料で反射したテラヘルツ波の時間波形と前記照射位置における前記透過部材の厚みに関する情報とを用いて前記試料の情報を取得する情報取得部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一側面としての情報取得装置によれば、厚みが均一ではない透過部材を用いた場合でも、試料の情報を精度よく取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の測定時におけるテラヘルツ波の経路を説明する図
【図２】実施例１の情報取得装置の構成を説明する図
【図３】実施例１の試料と透過部材の配置を説明する図
【図４】実施例１の測定時におけるテラヘルツ波の時間波形を説明する図
【図５】実施例１の測定手順の一例を説明するフローチャート
【図６】実施例１の窓厚み補正の効果を説明する図
【図７】実施例３の情報取得装置を説明する図
【図８】実施例４の測定手順を説明するフローチャート
【図９】実施例４の測定時における窓厚み誤差の分布と平均化を説明する図
【図１０】実施例５の測定手順を説明するフローチャート
【図１１】実施例６の情報取得装置の構成を説明する図
【図１２】実施例３の情報取得装置の構成の一部を説明する図
【図１３】実施例２の情報取得装置で取得したスペクトル
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
本実施形態では、テラヘルツ波を良く透過する透過部材と試料とを接触させた上でテラヘルツ波を透過部材越しに試料に照射する。透過部材は、複素屈折率が既知の板状部材で、試料と接触させることで試料を平坦化するとともに、透過部材の表面で反射したテラヘルツ波の時間波形からテラヘルツ波の強度変動の標準化等を行う。本実施形態の情報取得装置は、透過部材の表面および試料の表面で反射したテラヘルツ波を検出して、時間領域分光法（Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＳ）によって時間波形を取得する。
【００１４】
得られた時間波形を解析することで、試料の反射率や複素屈折率スペクトル等の物性や試料の形状等を含む試料の情報を取得することが可能である。具体的には、透過部材の表面からの反射波に対応する時間波形および試料の表面（透過部材の裏面と試料との界面）からの反射波に対応する時間波形を用いる。なお、本明細書では、「透過部材の表面」は、照射部から照射されたテラヘルツ波が最初に到達する面のことであり、その反対側の面は「透過部材の裏面」であると定義する。
【００１５】
また、本明細書では、「試料の情報」は、試料の「物性」及び「形状」の少なくとも一方を含むと定義する。具体的には、試料の「物性」は、試料の複素振幅反射率、複素屈折率、複素誘電率、反射率、屈折率、吸収係数、誘電率、電気伝導率を含むと定義する。
【００１６】
また、本明細書における試料の「形状」は、試料の外形と、試料中の物体の形状と、試料中の所定の物性を有する領域の形状と、試料中の層の厚さを含むと定義する。試料中の物体の形状及び試料中の層の厚さは、試料中のある界面で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻と透過部材又は別の界面で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻との差を用いて取得できる。
【００１７】
また、試料中の所定の物性を有する領域の形状は、試料の物性を取得して、試料の物性値が同じ又は所定の範囲内となる領域の形状のことを言う。例えば、試料の物性として複素屈折率を取得した場合、複素屈折率が所定の数値になる領域とその他の領域とを、それぞれ異なる色で表示するなど、表示方法を変更すれば所定の物性を有する領域の形状を取得できる。取得する試料の情報の種類は、ユーザが適宜選択できる。
【００１８】
測定に用いる透過部材は、表面および裏面が平坦で、且つ、表面と裏面とが互いに平行で面内での厚みが均一であることが望ましい。試料の物性または形状に関する情報を求めるにあたっては、テラヘルツ波が透過部材を通過することによって生じる影響を正確に把握することが必要であり、その影響は透過部材の厚みによって変化するためである。
【００１９】
しかし、従来の測定方法では、現在期待される精度を常に満たすことは容易ではない。そこで、面内での厚みが均一ではない透過部材を用いても、試料の情報を精度よく求めることができる技術が求められる。また、透過部材ごとに厚みが異なっている場合でも同様に、試料の情報を精度よく取得できる技術が求められる。
【００２０】
本実施形態では、照射位置における透過部材の厚みに関する情報を取得し、試料の情報の取得に用いる。これによって、測定に用いた透過部材の厚みが均一ではなかった場合でも、精度の高い測定結果を得ることができる。
【００２１】
図１は、測定時における透過部材と試料およびテラヘルツ波の位置関係を表す断面図である。図１を参照して、本実施形態の概要を説明する。
【００２２】
図１の透過部材１０１は試料を配置するための測定用の窓である。透過部材の材質としてはテラヘルツ波を良く透過し、特性が安定で既知なものがよい。また、ある程度の硬度を有していることが望ましい。具体的には、石英基板や単結晶のＳｉ板等が挙げられる。これらの複素屈折率スペクトルは、透過系のテラヘルツ時間領域分光測定等で容易に測定できるほか、代表的な値が文献中に与えられている。
【００２３】
透過部材１０１の裏面は試料１０２と接触している。この時、透過部材１０１と試料１０２とが、隙間なく密着していることが望ましい。
【００２４】
また、鏡１０３を透過部材１０１表面の一部に設けても良い。鏡１０３は金属薄膜の蒸着等の方法で形成する。鏡１０３は、参照光を得るために用いられる。詳細は後述する。また、鏡１０３は、得られた測定結果と、実際の試料１０２や異なる測定方法で得られた測定結果とを比較する際に、位置を対応させるためのマーカーとして使用する。なお、ここでは例として、試料１０２の複素屈折率の測定について説明しているが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２５】
試料１０２を装置に適切に設置したのち、鏡１０３上の位置Ａ０にテラヘルツ波パルスの入射波１０４（Ｅｉ＿０）を照射して、反射波１０５（Ｅｏ＿０）を測定する。この反射波１０５（Ｅｏ＿０）は入射波１０４（Ｅｉ＿０）を良く反映しており、発生したテラヘルツ波の波形を予め知るための参照波である。また、前述したように、照射位置を把握するためのマーカーとしても用いることができる。なお、この参照波の測定は、装置構成等によっては必要ない場合もあるため、測定者が必要であると判断した時のみ行えば良い。
【００２６】
透過部材１０１の裏面に試料１０２が配されていない透過部材１０１のみの領域にある位置Ａ１にテラヘルツ波パルスの入射波１０６（Ｅｉ＿１）を照射し、反射波１０９（Ｅｏ＿１）を測定する。反射波１０９は、透過部材１０１表面からの反射波１０７（Ｅｏ＿１１）と透過部材１０１裏面を一度反射して戻ってきた反射波１０８（Ｅｏ＿１２）、さらに不図示だが同様に透過部材１０１裏面を二度以上反射して戻ってきた反射波群を含む。このような透過部材１０１のみの領域を測定して得られたデータを基準データとする。
【００２７】
基準データは、透過部材１０１を往復したことによってテラヘルツ波に与えられた影響を調べるためのものである。そのため、反射波１０７と反射波１０８との時間波形に限らず、位置Ｂ１における透過部材１０１の厚み、又は、得られた時間波形をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを含んでも良い。
【００２８】
また、基準データは、測定に用いた透過部材１０１と同じ複素屈折率を有する部材について測定して得られたデータであっても良い。また、透過部材１０１に試料１０２を接触させる前に、透過部材１０１のみを単体で測定して基準データを取得してもよい。
【００２９】
照射点Ａ１において、入射波１０６は透過部材１０１表面に入射角θｉで入射し、屈折角θｔで透過部材１０１内を進む。照射点Ａ１における透過部材１０１の厚みはｄｗ＿１である。図１において反射波１０７（Ｅｏ＿１１）は大気中をＡ１→Ｃ１と進むのに対し、反射波１０８（Ｅｏ＿１２）は透過部材１０１中をＡ１→Ｂ１→Ｄ１と進むため、反射波１０７（Ｅｏ＿１１）と１０８（Ｅｏ＿１２）との間には位相差が生じる。
【００３０】
この位相差は、時間波形に時間差として現れる。この時間差をΔｔ＿Ａ１とする。時間差Δｔ＿Ａ１は、入射角θｉや透過部材１０１の厚みｄｗ＿１、透過部材１０１の屈折率ｎｗに依存し、下記の（１）式で与えられる。
【００３１】
【数１】
2014209094.tif 000003
【００３２】
（１）式より、任意の照射点における透過部材１０１の厚さｄｗは（２）式で表わされる。なお、Δｔは透過部材１０１の表面および裏面で反射波に対応した２つの時間波形の時間差である。（２）式より、照射点Ａ１における透過部材１０１の厚みｄｗ＿１を時間差Δｔ＿Ａ１から求めることができる。  
【００３３】
【数２】
2014209094.tif 000004
【００３４】
次に、試料１０２が透過部材１０１の裏面に接している領域内のある点、例えばＡ２にテラヘルツ波１１０（Ｅｉ＿２）を照射し、反射波１１３（Ｅｏ＿２）を測定する。その時間波形から反射波１１１（Ｅｏ＿２１）と反射波１１２（Ｅｏ＿２２）に由来する部分をそれぞれ切り出して比較し、照射点Ｂ２（以降、照射位置と呼ぶことがある）付近での、透過部材１０１から試料１０２への複素振幅反射率ｒ〜ｗｓ＿Ｂ２を求める。本明細書において、式中の「ｒ〜」や後述する式に記載の「ｎ〜」は、複素数であることを意味する。
【００３５】
その際、反射波１０９の測定結果を用いて、透過部材１０１越しに測定したことによって生じる影響を取り除く。具体的には、反射波１１２（Ｅｏ＿２２）が厚さｄｗ＿２の透過部材１０１内を往復したことで生じる反射波１１１（Ｅｏ＿２１）との位相差や、反射波１１１が検出部に入射する位置と反射波１１２が検出部に入射する位置のずれ等がある。そこで、周波数ごとに（３）式のように比を取る。
【００３６】
【数３】
2014209094.tif 000005
【００３７】
右辺のｒ〜ｗａは透過部材１０１から大気に向かう際の複素振幅反射率であり、透過部材１０１の複素屈折率ｎ〜ｗから、（４）式より与えられる。
【００３８】
【数４】
2014209094.tif 000006
【００３９】
Ｆ［Ｅ＊］は、時間波形Ｅ＊のフーリエ変換を表す。例えば、Ｆ［Ｅ＿ｏ２２］は、反射波１１３から切り出した透過部材１０１裏面からの反射波の時間波形Ｅ＿ｏ２２のフーリエ変換の信号のことである。
【００４０】
また、Δｄｗ（ｄｗ＿１，ｄｗ＿２）は、照射点Ａ１とＡ２における透過部材１０１の厚みの差に由来する、往復分の位相ずれを補正するための項で、（５）式で表わされる。
【００４１】
【数５】
2014209094.tif 000007
【００４２】
こうして求めた透過部材１０１から試料１０２への複素振幅反射率ｒ〜ｗｓと透過部材１０１の複素屈折率ｎ〜ｗとから、試料１０２自体の複素屈折率ｎ〜ｓが求まる。
【００４３】
【数６】
2014209094.tif 000008
【００４４】
取得した複素屈折率ｎ〜ｓは、試料１０２の情報として出力しても良いし、各照射位置で取得した複素屈折率ｎ〜ｓのうち所定の値又は所定の範囲内となる領域の形状を取得しても良い。また、試料１０２の情報として、試料１０２中の物質又は試料１０２中の任意の層の屈折率が既知であれば、その物質又は層の位置を把握することができ、試料１０２中の物質の形状や層の厚みを取得できる。
【００４５】
具体的には、試料１０２中の界面で反射したテラヘルツ波パルスの時間波形を検出した時刻と、透過部材１０１の表面で反射したテラヘルツ波パルスの時間波形を検出した時刻との時間差を求めて、（２）式を用いれば界面の位置を求めることができる。この際、透過部材１０１の厚みが異なると界面の位置を正しく取得できないため、上述の方法を用いて透過部材１０１の面内の厚み誤差を補正すればよい。
【００４６】
試料１０２の複素屈折率ｎ〜ｓを求めるにあたり、透過部材１０１の厚みの差（ｄｗ＿１−ｄｗ＿２）の精度は重要である。すなわち、試料１０２の複素屈折率ｎ〜ｓを求めるにあたり、透過部材１０１の厚みの差の精度を向上することにより、高周波側での位相ずれΔｄｗを抑制し、算出するスペクトルへの影響を低減できる。
【００４７】
上述したように本実施形態は、試料１０２の情報を求める際に、透過部材１０１のみについてのデータを基準データとして用いている。この基準データから得られる透過部材１０１の厚みを基準として、その他の照射位置における透過部材１０１の厚みとの差を考慮した補正を照射位置毎に個別に行うことにより、試料１０２の情報を精度良く求めることができる。具体的には、測定によって取得した時間波形と照射位置における透過部材１０１の厚みに関する情報を用いて、試料１０２の情報を取得する。
【００４８】
本明細書では、「照射位置における透過部材の厚みに関する情報」は、照射位置における透過部材１０１の厚み、基準データから得られる透過部材１０１の厚みと照射位置における透過部材１０１の厚みとの差を含むと定義する。さらに、時間波形において透過部材１０１の表面で反射したテラヘルツ波が検出された時刻と試料１０２で反射したテラヘルツ波が検出された時刻との時間差を含むと定義する。
【００４９】
本実施形態にかかる情報取得装置は、動物や人等の生体の一部（皮膚や内臓の表面等）を生体が生きている状態（ｉｎ−ｖｉｖｏ）で測定することも可能である。したがって、本明細書では、「試料」は生体サンプル等の物体だけでなく生体（の一部）も含むと定義する。
【００５０】
（実施例１）
ついで、第１の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。本実施例では、テラヘルツ波の照射位置を適宜変更しながら複数点測定することで、縦１０ｍｍ、横１２ｍｍの領域における、試料表面の屈折率を求めて、その平面分布を作成する。代表的な装置構成や試料構成について述べたあと、測定される波形とその処理手順、およびその効果について説明する。図２に本実施例における情報取得装置の一例を示した。
【００５１】
本実施例の情報取得装置は、超短パルスレーザー２０１、ハーフミラー２１１、照射部２２０、試料ステージ２０５、光遅延部２０６、検出部２０７、ロックインアンプ２０８、波形取得部２１２、制御部２１５、ＰＣ２１３、試料ホルダ２１４、を備える。
【００５２】
まず、情報取得装置の照射部２２０について説明する。本実施例における照射部２２０は、テラヘルツ波発生用の光伝導素子（発生部）２０２と、発生したテラヘルツ波パルスを試料２０４に導くための光学系とを有する。超短パルスレーザー２０１で発生してハーフミラー２１１を経由した光が発生部２０２に入射すると、テラヘルツ波パルスが発生する。発生したテラヘルツ波パルスは、光学系を介して試料２０４に導かれる。
【００５３】
超短パルスレーザー２０１はフェムト秒オーダーの超短パルスレーザー光を出力する。出力された超短パルスレーザー光は、ハーフミラー２１１で分岐される。分岐された超短パルスレーザー光の一方は、発生用の光伝導素子２０２に照射される。もう一方の超短パルスレーザー光は、後述する光遅延部２０６を通って、検出用の光伝導素子２０７に照射される。超短パルスレーザー光が発生用の光伝導素子２０２に照射されると、テラヘルツ波パルスが発生する。その強度は、電源２１０より印加されるバイアス電圧に略比例する。
【００５４】
光伝導素子２０２の表面側から取り出したテラヘルツ波パルスは集光された後、透過部材（以下、「窓」と呼ぶ）２０３越しに試料２０４に照射される。窓２０３はテラヘルツ波を良く透過する平坦な板状部材で、詳細は後述する。
【００５５】
次に検出部２０７について説明する。本実施例における検出部２０７は、検出用の光伝導素子である。検出用の光伝導素子（検出部）２０７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。窓２０３の表面や試料２０４の表面（窓２０３の裏面）等で反射されたテラヘルツ波パルスは、テラヘルツ波パルスを光伝導素子２０７に導くための光学系により集光されて、検出部２０７の表面に入射する。
【００５６】
一方、ハーフミラー２１１で分岐されて、調整部としての光遅延部２０６に導かれた超短パルスレーザー光は、光遅延部２０６を経由して検出部２０７の裏面に入射する。光遅延部２０６は、超短パルスレーザー光の光路長を調整して、テラヘルツ波が検出されるタイミングを調整する調整部である。検出部２０７は、裏側に超短パルスレーザー光が入射している間だけ、入射したテラヘルツ波パルスの振幅強度に比例した電流を出力する。制御部２１５は、光遅延部２０６を制御して超短パルスレーザー光の光路長を変えることで、テラヘルツ波パルスの検出タイミングを制御する。
【００５７】
続いて、ロックインアンプ２０８は、光伝導素子２０７で検出された信号を位相敏感検波して、波形取得部２１２に出力信号を送る。
【００５８】
発振器２０９は、電源２１０およびロックインアンプ２０８につながっており、光伝導素子２０２のバイアス電圧を変調する機能と、電源２１０とロックインアンプ２０８に周期信号を供給する機能を有する。
【００５９】
なお、テラヘルツ波の光学系（送受や伝播する空間を含む）は、乾燥空気や窒素等で満たされている筐体２３０内に格納されている。測定の際にテラヘルツ波が水蒸気によって吸収されることを防ぐためである。
【００６０】
波形取得部２１２は、ロックインアンプ２０８からの検出部２０７における検出結果である出力信号を取り込み、試料２０４で反射されたテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。
【００６１】
制御部２１５は、光遅延部２０６の制御を行う。また、照射位置を変更する位置変更部である試料ステージ２０５の制御も行う。本実施例では、試料ステージ２０５に対して試料ホルダ２１４が着脱可能な構成となっている。測定の際には、窓２０３と試料２０４とを試料ホルダ２１４に保持したうえで試料ステージ２０５に固定する。試料ステージ２０５は、制御部２１５からの信号にもとづいて試料ホルダ２１４、ひいては試料２０４を移動させ、テラヘルツ波パルスの照射位置を変更する位置変更部である。
【００６２】
コンピュータ（ＰＣ）２１３は、波形取得部２１２及び制御部２１５に接続されており、測定条件の設定や結果の表示といった測定者とのインタフェースを担当する。また、測定で得た一連の時間波形を、先に説明した原理をもとに後述する手順に従い解析し、試料の物性または形状に関する情報を取得する情報取得部である。ＰＣ２１３は、窓２０３の複素屈折率のスペクトルのデータや、一連の分布測定のデータの管理や記憶を担当する記憶部２１６も有している。
【００６３】
本実施例では、制御部２１５とＰＣ２１３とが分かれているが、制御部２１５の機能とＰＣ２１３の機能とを、同一のコンピュータ等が担っていてもよい。また、波形取得部２１２の機能とＰＣ２１３の機能とを、同一のコンピュータ等が担っていてもよい。本実施例の情報取得装置で求められた試料２０４の情報は、周波数スペクトルや表面分布等の形で、ＰＣ等の表示部（不図示）に表示される。
【００６４】
図３に測定時の試料構成の一例を示す。図３（ａ）は窓２０３を表面から見た図で、図３（ｂ）は窓２０３及び試料２０４の斜視図である。
【００６５】
窓２０３は、ｚ−ｃｕｔの単結晶石英板で、厚さは約１ｍｍ、表裏ともに平坦に加工されている。その表面粗さＲａは０．１ｕｍ以下、望ましくは１ｎｍ以下である。このような石英板は測定用の窓として好適な特徴を有している。つまり、十分な硬度を有し、表面では不要な散乱が無く、テラヘルツ帯での吸収が比較的小さい。また、屈折率がほぼ一定で、光軸と垂直方向に結晶を切り出す（ｚ−ｃｕｔ）ことにより光学異方性が小さい。
【００６６】
窓２０３の表面の一部には金薄膜を蒸着し、鏡面３０２を形成する。鏡面３０２の面積は、テラヘルツ波パルスのビームスポットの大きさを十分上回るよう広めに確保しておく。少なくともスポットの直径の５倍以上の縦横の長さを持つことが望ましい。これは、ビームスポットの外側にも低周波数帯の成分が弱いながらも広がっているからである。
【００６７】
一方、試料２０４は表面（測定したい面）が平坦に仕上げられており、窓２０３の裏面と互いに接触するように形成されている。照射点付近に気泡等による隙間がある場合、算出される複素屈折率は隙間（大気）の値であって、試料２０４表面の複素屈折率の値とかけ離れていることが多い。このため、少なくとも測定範囲内については試料２０４と窓２０３との界面が密着していることが望ましい。どうしても隙間ができる場合は、得られた複素屈折率分布の結果から当該照射位置のデータを除外する。
【００６８】
また、試料２０４ないし窓２０３と近い複素屈折率を持つマッチング液を、試料２０４の表面にあらかじめ塗布しておくことで、窓２０３との密着性を改善することができる。試料２０４が固定切片である場合、試料２０４の複素屈折率は１．５付近であると予想できるため、同程度の値を有するものをマッチング液として用いれば良い。また、マッチング液の層の厚さはテラヘルツ波の波長に対して十分に薄いことが求められ、波長の１０分の１以下であることが望ましい。本明細書では、窓と試料の間にマッチング液を塗布した場合でも、窓と試料が接触していることと定義する。
【００６９】
さらに、表面が鏡面でなく、且つ裏面には試料２０４が接していない“窓２０３のみ”の領域も十分に確保しておく。こうして、窓２０３表面には鏡面３０２、窓のみの領域、試料２０４と重なっている領域の３つの領域が設定される。図１におけるＡ０（３０４）、Ａ１（３０５）、Ａ２（３０６）は、各領域におけるテラヘルツ波パルスの照射点の例である。
【００７０】
このような窓２０３は、試料ホルダ２１４へ容易に着脱可能な形状に加工したうえ、測定者に提供される。多数の試料がある場合は、効率よく測定するために、同一の規格（形状、材質）で複数枚用意しておくとよい。試料によっては、ここで説明した石英とは違う材質の窓を使用することが適切な場合がある。テラヘルツ波を良く透過し、屈折率が石英よりも低いポリテトラフルオロエチレン等の樹脂はその例である。
【００７１】
いずれの窓の材質についても、事前にテラヘルツ帯での複素屈折率スペクトルｎ〜ｗを得ておく。そのデータは窓とともに測定者に提供され、ＰＣ２１３内の記憶部２１６に格納される。測定者は、使用する窓に合わせた複素屈折率のデータを適宜選択し、試料の測定を行う。また、測定者自身で窓を用意して使用することも可能である。その際には、測定者自身が文献や透過系での事前測定などで窓の複素屈折率のデータを入手する必要がある。
【００７２】
図４に、各照射点にテラヘルツ波パルスを照射した際に得られる代表的な時間波形を示した。横軸はテラヘルツ波パルスの波形が検出器に至る経過時間、縦軸は検出した波形の振幅を示している。
【００７３】
図４（ａ）は鏡面３０２上の照射点３０４にテラヘルツ波パルスを照射した際の時間波形で、図１の反射波１０５（Ｅｏ＿０）に対応する。光伝導素子が発するテラヘルツ波パルスを良く反映していることから、参照用の波形として用いられる。反射波１０５に対応する時間波形は時刻ｔ＿ａ０にて検出された。ピーク位置や間隔を正確に算出する方法には様々なものが知られており、例えば特表２０１０−５３３３００号公報に詳しい。
【００７４】
代表的な方法としてデコンボルーションや、回帰による波形のあてはめ、ピーク波形にフーリエ変換を施したのち位相の時間変化を調べる等があり、場合に応じて適切な手法を選択する。ここでは、単純に全波形中での最大値を探しその時刻をｔ＿ａ０とした。
【００７５】
図４（ｂ）は窓２０３のみの面上の照射点Ａ１（３０５）にテラヘルツ波パルスを照射した際の時間波形であり、図１の反射波１０９（Ｅｏ＿１）に対応する。窓２０３表面での反射波１０７（Ｅｏ＿１１）の最大振幅が時刻ｔ＿ｂ０に検出され、窓２０３裏面での反射波１０８（Ｅｏ＿１２）の最小振幅が同様に時刻ｔ＿ｂ１に検出されている。両者の時間間隔Δｔ＿ｂ０１からは、（２）式を用いて照射点Ａ１（３０５）近傍での窓２０３の厚さｄｗ＿１を求めることができる。
【００７６】
また、図４（ｂ）の反射波１０９（Ｅｏ＿１）の全波形から２０３表面での反射波１０７（Ｅｏ＿１１）に対応する時間波形の切り出しは次のように行う。まず、反射波１０７（Ｅｏ＿１１）に対応する時間波形の主要部分をほぼ含み、最長でパルス間隔Δｔ＿ｂ０１以下であるような時間間隔Δｔｂを予め定めておく。
【００７７】
ついで、例えば最大振幅の時刻ｔ＿ｂ０以前にΔｔｂ／３、以後に２Δｔｂ／３の時間間隔を取ると決めて、全波形１０９（Ｅｏ＿１）から反射波１０７（Ｅｏ＿１１）に対応する時間波形を切り出す。窓２０３裏面での反射波１０８（Ｅｏ＿１２）に対応する時間波形の切り出しも、最小振幅の時刻ｔ＿ｂ１の前後に時間間隔を取るものとして同様に行う。
【００７８】
最後の図４（ｃ）は、試料２０４が配置されている。試料２０４直上の照射点Ａ２（３０６）にテラヘルツ波パルスを照射した際の時間波形である。図１では反射波１１３（Ｅｏ＿２）に対応し、窓２０３表面での反射波１１１（Ｅｏ＿２１）の後に、試料２０４表面（かつ窓２０３裏面との界面）で反射された反射波１１２（Ｅｏ＿２２）が検出されている。両反射波に対応する部分の切り出しと、互いのピーク間隔Δｔ＿ｃ０１からの照射点Ａ２（３０６）近傍の窓の厚さｄｗ＿２の見積もりを、先の（ｂ）の場合と同様に行う。
【００７９】
ここで、窓２０３基板表面が試料ステージ２０５に対して平坦でなければ、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示した各時間波形において窓２０３表面での反射波が最大振幅を取る時刻が異なることになる（Δｔ＿ａｂ０≒０、Δｔ＿ａｃ０≒０）。また、照射点Ａ１とＡ２での窓２０３の厚みの違いは、ピーク間隔の差（Δｔ＿ｂ０１≠Δｔ＿ｃ０１）として時間波形にあらわれる。なお、（ｂ）の時刻ｔ＿ｂ２や（ｃ）の時刻ｔ＿ｃ２におけるピークは、窓２０３内を再度往復したパルスを表している。本実施例では使用しないため、図１からは対応する光線（波形）を省略している。
【００８０】
図５は、本実施例における試料測定時の基本的な処理手順を示している。
【００８１】
ステップＳ１０１では、測定者が用意した試料２０４と窓２０３とを隙間が生じないように接触させる。ついで、一体となった試料２０４と窓２０３を、試料ステージ２０５上にセットする。
【００８２】
ステップＳ１０２からＳ１０５は窓２０３に関する測定を行い、基準データを取得する。まずステップＳ１０２で制御部２１５が試料ステージを動かし、テラヘルツ波パルスの照射点を窓２０３のみの位置である照射点Ａ１（３０５）へと移動する。
【００８３】
ステップＳ１０３では窓２０３を対象に測定を行い、後の基準となる反射波（Ｅｏ＿１）の時間波形１０９を得る。続くステップＳ１０４で、ＰＣ２１３は、反射波（Ｅｏ＿１）の時間波形１０９から窓２０３の表および裏で反射されたパルスＥｏ＿１１とＥｏ＿１２を切り出す。さらに、ステップＳ１０５においてＰＣ２１３は両パルスのピーク間隔から照射位置における窓２０３の厚みｄｗ＿１を算出する。
【００８４】
ステップＳ１１１からＳ１１７は試料２０４に関する測定である。所定の範囲について、照射点を移動しては測定することを繰り返すループになっている。ステップＳ１１１でＰＣ２１３はループのカウンタｉを進め、終了するかどうかの判断を行う。ステップＳ１１２では制御部２１５が試料ステージ２０５を動かして任意の位置へと照射位置を変更する。ステップＳ１１３で窓２０３越しに試料２０４にテラヘルツ波パルスを照射し、反射波（Ｅｏ＿２）の時間波形１１３を得る。
【００８５】
以降の算出や表示はどれもＰＣ２１３が主体で行う。ステップＳ１１４で、反射波（Ｅｏ＿２）の時間波形１１３から窓２０３の表および裏での反射波Ｅｏ＿２１とＥｏ＿２２をそれぞれ切り出す。さらに、ステップＳ１１５において両反射波のピーク間隔からｉ番目の照射点の近傍における窓２０３の厚みｄｗ＿ｉを算出する。
【００８６】
ステップＳ１１６で窓２０３の厚み誤差、つまり現照射点近傍の窓２０３の厚みｄｗ＿ｉと基準となる窓２０３の厚みｄｗ＿１との差Δｄｗ＿ｉを算出する。ステップＳ１１７で、切り出した時間波形Ｅｏ＿１１、Ｅｏ＿１２、Ｅｏ＿２１、Ｅｏ＿２２、および窓２０３の厚み誤差Δｄｗ＿ｉをもとに、（３）式や（６）式を用いて試料２０４の複素屈折率ｎ〜ｓを求める。
【００８７】
なお、本実施例では、窓２０３の厚みｄの値および窓２０３の厚み誤差Δｄの値を求めているが、窓２０３の厚みの違いを考慮して試料２０４の情報を求めるためには、切り出した２つの波形の時間差Δｔが分かっていればよい。
【００８８】
ループを抜けた後のステップＳ１２１では、照射位置毎に求めた複素屈折率の実数部を取りだして、屈折率の表面分布をＰＣ２１３に表示する。
【００８９】
図６は、実際の試料２０４の屈折率分布測定における、本実施例の厚み誤差補正の効果を示した図である。試料２０４には、生体組織（ヒトの大腸）をホルマリン固定後にパラフィンで包埋したものの一部を用いた。表面を鋭利な刃で平坦に削り、温めながら窓２０３として使う厚さ約１ｍｍの石英板に接触させた。ついで、この試料２０４の縦１０ｍｍ、横１２ｍｍの領域を２５０ｕｍ間隔で窓越しに測定し、試料２０４表面の屈折率の分布を求める。
【００９０】
図６（ａ）は、その際に得られた窓２０３の厚み誤差Δｄｗの分布である。窓２０３のみの領域で得た基準の厚みｄｗ＿１と、各照射点ｉで得た窓２０３の厚みｄｗ＿ｉとの差を濃淡の分布で示した。図６（ａ）を見ると、本実施例で使用した窓２０３には、約３０ｕｍの厚みの差があることが分かる。
【００９１】
図６（ｂ）は、試料２０４がパラフィンである領域を測定して得た屈折率スペクトルの例である。窓２０３の厚みの違いによる誤差を考慮して算出した屈折率スペクトルを実線で示し、窓２０３の厚みを全面にわたってｄｗ＿１であるとして算出した屈折率スペクトルを点線で示した。なお、このパラフィンの屈折率は、周波数依存性がほとんど無くどの周波数でも約１．５を示すことが別の測定から分かっている。このスペクトルでは、照射位置毎に窓２０３の厚みが異なると、周波数が高いほど屈折率が本来の値である１．５からずれていっており、窓２０３の厚みが測定精度に影響を与えていることが分かる。
【００９２】
図６（ｃ）と図６（ｄ）は、照射テラヘルツ波の強度が最大であったｆ＝０．８ＴＨｚ付近での試料２０４の屈折率分布である。前者には厚みの誤差の補正を行っていない場合の屈折率の分布図、後者は補正を行った場合の屈折率の分布図である。本例のように、厚みの誤差が１０ｕｍのオーダーともなると、算出する屈折率値への影響が無視できないことが分かる。
【００９３】
本実施例の情報取得装置は、取得した時間波形と窓２０３の厚みに関する情報とを用いて試料２０４の情報を精度良く取得できる。具体的には、窓２０３の基準データから得られる窓２０３の厚みを基準として、その他の照射位置における窓２０３の厚みとの差を考慮した補正を照射位置毎に個別に行うことにより、試料２０４の情報を精度良く求めることができる。
【００９４】
（実施例２）
第２の実施例の情報取得装置の構成について、図１２を用いて説明する。本実施例の情報取得装置は、テラヘルツ波を試料に照射するための構成が一部異なるが、取得した時間波形を用いて試料の情報を取得する方法は実施例１と同様である。具体的には、実施例１は、テラヘルツ波を上方から照射する構成であったのに対し、本実施例は、テラヘルツ波を下方から透過部材及び試料に対して照射する構成である。以降、実施例１と共通する部分は説明を省略し、構成や動作の差異に着目して説明する。
【００９５】
図１２（ａ）に、本実施例における試料と透過部材の配置を示し、図１２（ｂ）に本実施例の情報取得装置の主要部の構成を示した。図１２（ａ）に示した通り、本実施例では試料を配置する試料ホルダ１２０１は、透過部材（窓）１２０２とカバー１２０３とを有し、これらが一体となっている。
【００９６】
窓１２０２は、テラヘルツ波を良く透過する材料を用いて、その表面及び裏面はどちらも高い平面度及び平行度となるように加工されている。窓１２０２の表面及び裏面の平面度及び平行度は、補正手段があるとはいえ高い方が望ましい。材質にもよるが、基板状のものなら測定範囲内で平面度１ｕｍ以下、平行度１０ｕｍ以下を目標としても良い。
【００９７】
本実施例では、ｚ−ｃｕｔの石英を約１ｍｍの厚さに切りだしたものを窓１２０２として用いた。測定に関わる２０ｍｍ×５０ｍｍの範囲において、平面度は両面ともＰＶ値で約５ｕｍ、平行度（厚み誤差）は約１ｕｍである。平坦かつ平行度の高い基板を用いたものの、追加工により発生したわずかな反りが平面度及び平行度に影響を与えている。
【００９８】
試料１２０４は、測定したい側の表面と窓１２０２とが接触するように設置する。ここでは、試料１２０４として厚み１ｍｍ弱の薄い生の豚の組織片を用意した。水分を多く含むこともあり、薄片化した試料１２０４の表面と窓１２０２との密着性は良好であった。
【００９９】
この試料１２０４を、試料ホルダ１２０１に配置する。具体的には、空洞を設けたカバー１２０３と窓１２０２との間に挟みこむように配置する。カバー１２０３は、試料１２０４の乾燥を防止し、測定中の試料１２０４の特性変化を抑える効果がある。同時に、試料１２０４から出た水分が情報取得装置へ漏れることも防ぐ。
【０１００】
図１２（ｂ）は、本実施例の情報取得装置の匡体内の構成を示す断面図である。匡体内の構成以外は実施例１と共通なため省略した。
【０１０１】
測定中、匡体１２０５の内部は乾燥空気等で満たしておく。超短パルスレーザーは、実施例１と同様にハーフミラーで２つに分岐され、それぞれ、匡体１２０５の表面に設けた孔から匡体１２０５の内部に導かれる。２つの超短パルスレーザーは、一方は照射部１２１０の発生部１２０６に照射され、他方は検出部１２０８に照射される。なお、本実施例の発生部１２０６及び検出部１２０８は、どちらも光伝導素子である。照射部１２１０は、発生部１２０６と放物面鏡１２０７とを有する。
【０１０２】
発生部１２０６から発生したテラヘルツ波パルスは、放物面鏡１２０７で集光されたのち、上方へと進行する。匡体１２０５の上面は平坦であって、表面に試料観察用の穴が設けられている。集光したテラヘルツ波パルスは、この穴を通って試料ホルダ１２０１内部の試料１２０４に照射される。具体的には、匡体１２０５の表面に設けられた試料観察用の穴を通ったテラヘルツ波パルスは、窓１２０２を介して試料１２０４に照射される。試料１２０４で反射したテラヘルツ波パルスは、別の放物面鏡で集光して、検出部１２０８で検出する。
【０１０３】
試料ホルダ１２０１は、裏面が匡体上面と摺動するようにＸＹステージ１２０９に取り付けられている。ＸＹステージ１２０９は、不図示の制御部が適宜制御することで、テラヘルツ波パルスを試料１２０４の所望の位置に照射できる。
【０１０４】
本実施例の情報取得装置で、試料１２０４を測定し、実施例１と同様に取得した時間波形と窓１２０２の厚みに関する情報とを用いて試料１２０４の情報を取得した。ここでは、試料１２０４の情報として、図１３（ａ）にテラヘルツ波帯での屈折率スペクトルを示す。また、図１３（ｂ）に、テラヘルツ波帯での吸収係数α（ｃｍ−１）スペクトルを示す。
【０１０５】
図１３（ａ）の屈折率スペクトルは、低周波数側で屈折率が高く、図１３（ｂ）の吸収係数スペクトルは、高周波数側で吸収係数が高い傾向をそれぞれ示している。この傾向は、水の傾向と類似しており、試料１２０４が比較的水分を多く含むことを反映していると考えられる。すなわち、本実施例の情報取得装置によってテラヘルツ波を用いた測定を行った場合でも、試料１２０４の情報を求める際に、取得した時間波形と窓１２０２の厚みに関する情報とを用いることにより、試料１２０４の情報を精度良く取得できたと言える。
【０１０６】
各スペクトルは、Ｓ．Ｙ．Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｙ，（２００９），５４，１４９−１６０．に記載のラット臓器の生切片のテラヘルツ波で測定して取得した測定結果とも類似している。また、生体組織を測定した他の文献での結果とも類似しており、試料として生体組織を用いた場合でも、試料の特性を反映した情報を取得可能であると考えられる。
【０１０７】
また、本実施例の情報取得装置は、試料１２０４に対するテラヘルツ波パルスの照射位置の再現性が良いという利点がある。これは、テラヘルツ波パルスを上方に照射する構成と匡体上面を利用した面出しによるところが大きい。すなわち、窓１２０２と接触する試料１２０４表面の高さ位置や、窓１２０２及び試料１２０４表面と試料１２０４に入射するテラヘルツ波パルスとがなす角の角度が、試料によらず安定であることが、再現性に寄与していると言える。
【０１０８】
（実施例３）
第３の実施例について、図７を用いて説明する。先の実施例１ではテラヘルツ波パルスを窓２０３および試料２０４に対して斜方から照射していたが、本実施例では、テラヘルツ波パルスを透過部材としての窓７０３および試料７０４と垂直に照射する構成とした。以後、共通な部分の説明は極力省き、構成や動作の差異に着目して説明する。
【０１０９】
本実施例では、照射部７２０に含まれる発生部としての光伝導素子７０２で発生したテラヘルツ波パルスは、レンズ７１３で集光される。その後、ハーフミラー７１４を通過して、窓７０３を介して試料７０４に垂直に照射される。レンズ７１３には、テラヘルツ波を良く透過する樹脂や単結晶シリコン（Ｓｉ）を加工したもの等が使われる。窓７０３や試料７０４で反射されたテラヘルツ波パルスは、入射波と同軸上を逆向きに戻り、ハーフミラー７１４で分岐される。分岐されたテラヘルツ波パルスはまた別のレンズ７１５で集光されたのち、検出部７０７としての光伝導素子の表面に入射する。
【０１１０】
実施例１と同様に、テラヘルツ波パルスの光学系は乾燥空気等で満たされた筐体７３０の内部に格納されている。本実施例では、筐体７３０の一部にはテラヘルツ波パルスを通過させるための観察孔が設けられている。窓７０３と試料７０４を保持する試料ホルダ７１７は、窓７０３が観察孔に対向するように、観察孔の周囲の面７１８と接しており、匡体を密閉している。
【０１１１】
なお、面７１８と試料ホルダ７１７は接していなくても良く、匡体は密閉する構成であれば良い。試料ホルダ７１７は試料ステージ７０５に取り付けられており、試料ステージ７０５を制御部７２２で制御すると、一体となって移動して匡体との間を摺動する。本実施例では、このように試料７０４への照射位置を変更する。
【０１１２】
検出部７０７の検出結果は、ロックインアンプ７０８を介して波形取得部７１２に送られ、波形取得部７１２がテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。このようにして取得した時間波形と窓７０３の厚みに関する情報とを用いて、上述の実施形態と同様の方法で試料７０４の情報を取得する。この時、ＰＣ７１６の記憶部７２１に格納された基準データも用いる。
【０１１３】
本実施例の情報取得装置で求めた試料７０４の情報は、スペクトルや表面分布等の形で、ＰＣ７１６等の表示部に表示される。本実施例の構成によれば、試料７０４の情報を求める際に、テラヘルツ波の照射位置における窓７０３の厚みに関する情報を用いることで、測定精度が向上する。
【０１１４】
また、本実施例の利点は、テラヘルツ波の光学系を小型化することができ、かつ垂直入射（図１でθｉ＝０）する点である。光学系が小型化することで装置全体のサイズを抑えることができるため可搬性が増す。また、テラヘルツ波が試料７０４に対して垂直入射する構成は、算出する試料７０４の情報の精度向上に寄与する。
【０１１５】
なぜなら、本実施例においては、垂直に入射する構成とすることで光軸が一致するからである。そのため、斜方からテラヘルツ波が入射する場合には、窓の表面での反射波と裏面での反射波が、それぞれ光伝導素子７０７に集光される位置がわずかではあるが異なるのに対し、本実施例においては、このような位置ずれの影響を小さくすることができる。もちろん、前述の実施例１においても実用上十分な測定精度を得ることができるが、本実施例によれば、さらなる測定精度の向上の実現できる。
【０１１６】
（実施例４）
上述した３つの実施例では照射位置ごとに窓（透過部材）の厚みの差を求めて窓の厚みの誤差の補正を行った。本実施例では、複数の照射位置における窓の厚みをもとに、滑らかな仮想の厚み分布を求める。この仮想の厚み分布は、測定やピーク位置の推定で生じる数ｕｍ程度の誤差をならしたものと考えられる。
【０１１７】
前述したように、市販されている板状の透過部材（窓）は、滑らかな平面が微小な傾きを持って相対したものと近似できる。そのため、窓の厚みは先の仮想の厚み分布に従うと考えられる。以後の屈折率推定には、この仮想の厚み分布を用いて窓の厚みによって生じる誤差の補正を行う。
【０１１８】
図８に本実施例における試料測定時の処理手順を示した。大部分は先の実施例での処理手順（図５）と共通で、違いは一連の領域測定（ループ）を終えてからの処理にある。先の実施例では、ＰＣ２１３がステップＳ１１６で窓の厚みの基準からの差Δｄｗ＿ｉを求めた直後にステップＳ１１７で反射率等を求める。
【０１１９】
一方、本実施例ではループ（ステップＳ２１１〜Ｓ２１６）を終えた後のステップＳ２２１において、ＰＣ２１３が窓の厚みの差Δｄｗ＿ｉの分布を解析し、いわば平均化した誤差分布である仮想平面を算出する。続くステップＳ２２２では、同じくＰＣ２１３がこの仮想平面上の窓厚み誤差Δｄｗ’＿ｉを用いて、屈折率を求める。求めた屈折率は、表面分布や周波数スペクトル等の形で、ＰＣ７１６に表示される（Ｓ２２３）。
【０１２０】
図９に、窓厚み誤差の実測値（黒点）と、この分布を解析して得た仮想平面（直線で構成した平面）を示す。Ｘ軸、Ｙ軸は照射点のステップ（各２５０ｕｍ刻み）、Ｚ軸は各照射点で第１・第２ピーク間隔から求めた窓の厚みｄｗ＿ｉの基準値ｄｗ＿１からの誤差Δｄｗである。
【０１２１】
実測値がＹの増加に伴い減少しているのは、用いた窓の厚みがＹ方向に徐々に薄くなっていることを示唆している。一方、隣接する照射点でΔｄｗが数ｕｍから１０ｕｍ程度違うことがあるが、これは大部分が測定の際のノイズや、ピーク位置を求める際の誤差によるものと考えられる。実際、平面粗さ計など他の手法で評価した窓の表面は、傾きを除けばｕｍ以下のオーダーであった。
【０１２２】
これら実測値の分布を最も良く近似した仮想的な平面は、実測値の主成分分析を行うことで求められる。試料領域内の測定点ｉ（ｘ＿ｉ，ｙ＿ｉ，Δｄｗ＿ｉ）のデータを主成分分析し、得られた第１および第２主成分の固有ベクトルが張る平面が、この仮想的な平面に他ならない。各照射位置（ｘ＿ｉ，ｙ＿ｉ）における仮想平面の高さを、窓の厚みの差の推定値Δｄｗ’＿ｉとして用いることができる。
【０１２３】
本実施例によれば、ノイズ等の影響を低減した窓の厚みの差を求めることができるため、算出する複素屈折率の精度を向上させることができる。
【０１２４】
ここまで、各測定点での情報を参考に窓厚み誤差を求める方法を説明した。別のより簡易的な方法として、窓のみの領域で３箇所以上を測定した結果から、窓の厚みの差の仮想平面を作成しても良い。図３に示したように、測定領域の外側に広がる窓のみの領域を利用すれば好都合である。照射位置（ｘ＿ｉ，ｙ＿ｉ）は予め定めておき、測定した窓厚み誤差Δｄｗ＿ｉを加えた測定点（ｘ＿ｉ，ｙ＿ｉ，Δｄｗ＿ｉ）から仮想の平面を求める。
【０１２５】
本実施例の構成によれば、試料の情報を求める際に、テラヘルツ波の照射位置における透過部材（窓）の厚みに関する情報を用いることで、測定精度が向上する。
【０１２６】
この方法は、計算が容易であるほか、測定領域における界面の乱れに影響されにくいという利点がある。窓の裏面と試料表面との密着性が悪く、気泡が多く含まれるような状況では、各測定点で求めた窓厚み誤差が本来の値からずれてしまうことが増えてくる。このような場合には、窓のみの領域から得た厚みの情報だけで仮想の平面を求めた方が良好な結果が得られる。本実施例の情報取得装置で求めた試料の情報は、スペクトルや表面分布等の形で、ＰＣ等の表示部に表示される。
【０１２７】
（実施例５）
第５の実施例について説明する。前述した実施例１から４では、一連の測定にあたって、まず透過部材（窓）のみの領域の任意の位置について測定を行い、得られた情報を基準として試料の情報を取得している。本実施例では、窓として用いる材料について、板状の部材を用いて取得したデータを予め記憶しておき、同一の複素屈折率を有する窓を使用する場合にはそれを基準データとして使用する。以後、共通な部分の説明は極力省き、構成や動作の差異に着目して説明する。
【０１２８】
本実施例における情報取得装置の構成は実施例１と同様である。異なる点は、図２のＰＣ２１３の記憶部２１６に、窓２０３についてのデータ（基準データ）が予め記憶されていることである。
【０１２９】
窓２０３についてのデータ（基準データ）としては、本実施例の情報取得装置を用いて窓２０３の測定を行って得られた時間波形、又は、時間波形から求めることができる窓２０３の厚みに関する情報や周波数スペクトル等がある。またこれらの情報はＰＣ２１３の記憶部２１６から取得するのではなく、ＰＣ７１６に接続されたＳＤカード等のその他の外部メモリに記憶したものを取得する方法や、ネットワークを利用して取得する方法を用いても良い。
【０１３０】
本実施例における測定手順を、図１０を参照して説明する。まずステップＳ３０１で、一体となった試料２０４と窓２０３とを、試料ステージ２０５にセットする。本実施例では、図３に示した構成の試料を用いる。
【０１３１】
次に、ステップＳ３０２からＳ３０８は試料２０４の測定に関する。所定の範囲について、照射点を移動しては測定することを繰り返すループになっている。ステップＳ３０２でＰＣ２１３はループのカウンタｉを進め、終了するかどうかの判断を行う。ステップＳ３０３では制御部２１５が試料ステージ２０５を動かして任意の位置へと照射位置を変更する。ステップＳ３０４で窓２０３越しに試料２０４にテラヘルツ波パルスを照射し、検出部２０７で反射波（Ｅｏ＿２）を検出して時間波形１１３を得る。
【０１３２】
以降の算出や表示はどれもＰＣ２１３が主体で行う。ステップＳ３０５で反射波（Ｅｏ＿２）時間波形１１３から窓２０３の表面および裏面で反射されたパルスＥｏ＿２１とＥｏ＿２２を切り出す。さらに、ステップＳ３０６において両パルスのピーク間隔からｉ番目の照射点の近傍における窓２０３の厚みｄｗ＿ｉを算出する。
【０１３３】
ステップＳ３０７で窓２０３の厚み誤差、つまり現照射点近傍の窓２０３の厚みｄｗ＿ｉと基準となる窓２０３の厚みｄｗ＿１との差Δｄｗ＿ｉを算出する。この時、基準となる窓２０３の厚みｄｗ＿１を、ＰＣ２１３に記憶しておいた基準データから取得する。
【０１３４】
ステップＳ３０８で、「Ｓ３０５で切り出したパルス波形Ｅｏ＿２１、Ｅｏ＿２２」および「ＰＣ２１３に記憶しておいた基準データから得られるパルス波形Ｅｏ＿１１、Ｅｏ＿１２」、「Ｓ１００７で求めた窓２０３の厚み誤差Δｄｗ＿ｉ」を用いる。具体的には、パルス波形Ｅｏ＿２１、Ｅｏ＿２２、Ｅｏ＿１１、Ｅｏ＿１２、および、窓２０３の厚み誤差Δｄｗ＿ｉを用いて、（３）式や（６）式から試料２０４の複素屈折率ｎ〜ｓを算出する。
【０１３５】
本実施例の構成によれば、試料２０４の情報を求める際に、テラヘルツ波の照射位置における窓２０３の厚みに関する情報を用いることで、測定精度が向上する。また、上述した実施例では図２に示したように、まず窓２０３のみの領域の測定を行って窓２０３の厚みを求めているが、本実施例ではその工程をなくすことができる。代わりに、ＰＣ２１３等のメモリに記憶されている基準データを用いて、窓２０３の厚み誤差を考慮して試料２０４の情報を求める。また、本実施例のように予め記憶しておいた基準データを用いる方法は、上述した実施例にも適用できる。
【０１３６】
本実施例においては、基準位置に関する情報を取得する工程をなくすことができるため、測定に要する時間を短縮できる。
【０１３７】
（実施例６）
第６の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【０１３８】
ここまでの実施例では、窓と試料が固定されている試料ステージを位置変更手段としていた。テラヘルツ波の照射位置を変える際には、試料ステージを制御して試料および窓を動かすことで対応する。本実施例では、試料は動かさず、テラヘルツ波を動かすことで照射点の位置を変え、分布測定を行う。
【０１３９】
図１１は、本実施例主要部の断面図である。プローブ１１０３は、測定を容易とするために試料１１０１と接する部分の可搬性を上げた、反射系のテラヘルツ時間領域分光を用いた情報取得装置の一部分である。筐体内はテラヘルツ波パルス１１０５の通り道となっており、その雰囲気１１０４は水蒸気を極力排した構成となっている。窓１１０２はテラヘルツ波を良く透過する平坦な板状の透過部材であって、プローブ１１０３の筐体に取り付けられ、筐体内部の雰囲気１１０４と外気を隔てている。
【０１４０】
試料１１０１を測定する際には、窓１１０２を試料１１０１の表面に押し当てて、試料１１０１の表面が平坦になるようにする。テラヘルツ波パルスは、不図示の光源から発せられ、集光された後、筐体内を導かれ、窓１１０２越しに試料１１０１に照射される。窓１１０２の表面や試料１１０１から反射された反射波は再び筐体内を戻り、不図示の検出部によって時間波形が測定される。試料１１０１へのテラヘルツ波パルスの照射位置は、テラヘルツ波パルス１１０５の位置を変えることで対応する。走査のための構成は、不図示だがプローブ１１０３の奥に設けられている。
【０１４１】
窓１１０２はプローブ１１０３から着脱でき、交換可能であることが望ましい。多様な試料１１０１に対応し、表面の傷や汚れの影響を防ぐためである。測定にあたり、窓１１０２の材質に応じて複素屈折率のデータを適宜選ぶ必要があることは、先に説明した通りである。
【０１４２】
本実施例の構成では、測定の際に試料１１０１を試料ホルダに設置する必要がない。プローブを試料１１０１に近づけて測定したい面に窓を接触させれば良いため、試料１１０１の選択性が向上するという利点がある。たとえば、動物やヒトの皮膚、さらには内視鏡として内臓の表面等の組織を、生きた状態（ｉｎ−ｖｉｖｏ）で測定する場合に好適である。
【０１４３】
本実施例の構成においても、上述の実施形態と同様の方法で試料１１０１の情報を取得できる。試料１１０１の情報を求める際に、テラヘルツ波の照射位置における窓１１０２の厚みに関する情報を用いることで、測定精度が向上する。
【０１４４】
（実施例７）
第７の実施例について説明する。ここまでに述べた実施例は、いずれもテラヘルツ波パルスの反射波形から透過部材（窓）の厚みや平面分布を求めていた。本実施例では、より波長の短い光を用いて透過部材の厚みを求める。
【０１４５】
具体的には、テラヘルツ波に対して透明な透過部材の場合は、可視ないし赤外光を用いる光学的な測定装置を用いて透過部材の厚みを取得できる。表面での反射角の微小な変化を検出する三角測距方式の変位計を例に取ると、１００ｎｍ以下の精度で表面位置や窓の厚みを求めることが可能である。
【０１４６】
テラヘルツ波による試料測定の前後、より好ましくは試料測定と同時に、その照射位置における窓の厚みをこうした変位計で測定し、試料の情報の取得に使用する。窓として使用する透過部材の厚みを全面にわたり予め測定しておき、テラヘルツ波での測定結果と対応づけてもよいし、実施例４で説明したように３箇所以上での厚みから窓の厚み分布を推定してもよい。
【０１４７】
本実施例の構成では、照射点における窓の厚みをより精密に求めることができる利点がある。
【０１４８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【０１４９】
例えば、上述した実施例では複数の位置を測定して物性の表面分布を測定しているが、試料の１点のみの測定を行う場合でも本発明を適用できる。この場合、基準データを取得した際の透過部材の厚みと、試料の照射位置における透過部材の厚みが異なる場合でも、精度の良い測定が可能となる。また、透過部材と接している複数の試料について各々１点のみの測定を行う場合にも、本発明を適用できる。その際、基準データを取得するための透過部材を含め、各透過部材の厚みが等しいことが望ましいが、違いがあっても本発明を適用することで精度の良い測定が可能となる。
【０１５０】
透過部材の厚みは、上述した実施例のようにテラヘルツ波や、テラヘルツ波より波長の短い光を用いた光学的な手法で測定する以外に、形状測定装置等を用いた機械的な手法で測定しても良い。
【符号の説明】
【０１５１】
２０３  透過部材
２０４  試料
２０７  検出部
２１２  波形取得部
２１３  情報取得部
２２０  照射部
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図６】
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