(57)【要約】【課題】測定対象となる測定物の反射部や界面を安定的に、集束する電磁波の平行伝搬領域に調整することができる測定装置及び方法を提供する。【解決手段】測定装置は、測定物(109)へ電磁波を集束するための集束部(105)と、測定物からの電磁波を検出するための検出部(102)と、検出部による検出結果を用いて取得された測定物の複数の反射面からの電磁波の間隔に関する間隔情報を用いて選択される測定領域において、測定物と集束部による集束位置との相対的な位置を調整する調整部(108)を備える。測定領域は、間隔情報と対応する相対的な位置の情報を複数用い、複数の相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波を検出する際の測定物の測定位置を定める領域である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の伝播経路に沿って少なくとも第1の反射面と第2の反射面を有する測定物を測定する装置において、
測定物へ電磁波を集束するための集束部と、
測定物からの電磁波を検出するための検出部と、
前記検出部による検出結果を用いて取得された前記第1の反射面からの第1の電磁波と前記第2の反射面からの第2の電磁波との間隔に関する間隔情報を用いて選択される測定領域において、測定物と前記集束部による集束位置との相対的な位置を調整するための調整部と、を備え、
前記測定領域は、前記間隔情報と対応する前記相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波を検出する際の測定物の測定位置を定める領域であることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記電磁波は電磁波パルスであり、
前記調整部は、前記第1の反射面からの第1の電磁波パルスと前記第2の反射面からの第2の電磁波パルスとの時間間隔に関する前記間隔情報である時間情報を用いて選択される測定領域において、測定物と前記集束部による集束位置との相対的な位置を調整し、
前記測定領域は、前記時間情報と対応する前記相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波パルスを検出する際の測定物の測定位置を定める領域であ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】
前記測定領域に関する情報を予め記憶するための記憶部、
又は、
前記検出部による検出結果を用いて取得された複数の前記間隔情報から前記測定領域を定めるための領域指定部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記選択された相対的な位置は、前記間隔情報が一定値を示す所と対応する相対的な位置から前記間隔情報が一定値から再び大きくなる所と対応する相対的な位置の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項５】
測定物と前記集束部による集束位置との相対的な位置を調整するために、前記集束部が集束する電磁波の伝搬方向と交差する面方向に前記相対的な位置を調整する面方向位置調整部をさらに有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
測定物に対する前記集束部が集束する電磁波の入射角度を調整するために、測定物と前記集束部との相対的な角度を調整する入射角度調整部をさらに有することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記電磁波が測定物に入射する面に対し、測定面形成部材が測定物に密着して配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記電磁波はテラヘルツ波であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項９】
請求項５から８の何れか１項に記載の測定装置と、
前記面方向位置調整部による前記相対的な位置と前記前記検出部による検出結果を用いて得られた前記間隔情報を対応させることで測定物のトモグラフィ像を構成する画像構成部と、
を有することを特徴とするトモグラフィ装置。
【請求項１０】
電磁波の伝播経路に沿って少なくとも第1の反射面と第2の反射面を有する測定物を測定する方法において、
測定物と前記電磁波の測定物への集束位置との相対的な位置を測定領域において調整するステップを有し、
前記測定領域は、前記第1の反射面からの第1の電磁波と前記第2の反射面からの第2の電磁波との間隔に関する間隔情報と対応する測定物と前記電磁波の集束位置との相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波を検出する際の測定物の測定位置を定める領域であることを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
測定物からの電磁波を検出するステップと、
測定物と前記電磁波の測定物への集束位置との相対的な位置を移動するステップと、
前記検出ステップで検出された検出結果を参照し、前記第1の反射面からの第1の電磁波と前記第2の反射面からの第2の電磁波との間隔に関する間隔情報を取得するステップと、
前記移動ステップによる各相対的な位置において取得された前記間隔情報と対応する測定物と前記電磁波の集束位置との相対的な位置の情報を複数記憶するステップと、
前記記憶ステップで記憶された複数の情報を参照して、前記測定領域を決定するステップと、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の測定方法。
【請求項１２】
前記移動ステップにおいて、前記相対的な位置を、前記第1の反射面と第2の反射面が前記集束する電磁波の集光過程領域から平行伝搬領域に至る範囲で移動させることを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
【請求項１３】
前記測定領域に関する情報を予めデータベースとして記憶するステップと、
前記データベースの情報を参照して前記測定領域を決定するステップと、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の測定方法。
【請求項１４】
前記電磁波は電磁波パルスであり、
前記測定領域は、前記第1の反射面からの第1の電磁波パルスと前記第2の反射面からの第2の電磁波パルスとの時間間隔に関する前記間隔情報である時間情報と対応する前記相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波パルスを検出する際の測定物の測定位置を定める領域であることを特徴とする請求項１０から１３の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項１５】
前記選択された相対的な位置は、前記間隔情報が一定値を示す所と対応する相対的な位置から前記間隔情報が一定値から再び大きくなる所と対応する相対的な位置の範囲内にあることを特徴とする請求項１０から１４の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項１６】
前記測定領域は、前記第1の反射面と第2の反射面が前記集束する電磁波の平行伝搬領域に収まる領域であることを特徴とする請求項１０から１５の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項１７】
前記集束する電磁波の伝搬方向と交差する面方向に前記相対的な位置を調整するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０から１６の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項１８】
測定物に対する前記集束する電磁波の入射角度を調整するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０から１７の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項１９】
前記電磁波が測定物に入射する面に対し、測定面形成部材を測定物に密着して配置するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０から１８の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項２０】
前記電磁波はテラヘルツ波であることを特徴とする請求項１０から１９の何れか１項に記載の測定方法。
【請求項２１】
請求項１７から２０の何れか１項に記載の測定方法を用いるトモグラフィ方法であって、
前記調整される相対的な位置とそこで取得される電磁波の前記間隔情報とを対応させて測定物のトモグラフィ像を取得するステップと、
を有することを特徴とするトモグラフィ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いた測定装置及び方法に関する。また、トモグラフィ装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、典型的には0.03THz以上30THz以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この様な周波数帯域には、生体分子を始めとして、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。この様な特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定など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。さらに、例えば、測定物内部の屈折率界面からの反射テラヘルツ波を用いて、測定物内部の可視化を行うトモグラフィ装置への適用が注目されている。この装置では、テラヘルツ波の透過性という特徴を活かし、数100μmから数10mm程度の深さの内部構造の可視化が期待される。
【０００３】
以上の技術に関して、特許文献1は、測定物が有する複数の界面から反射される複数のテラヘルツ波パルスの時間間隔より測定物の厚みを測定する例を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第4046158号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数のテラヘルツ波パルスの時間間隔を利用する装置形態の場合、テラヘルツ波パルスの時間間隔の精度が重要である。これまでテラヘルツ波パルスの時間間隔は、測定物の界面の間隔に依る所が大きいと考えられてきた。しかし、本発明者の検討では、テラヘルツ波パルスを集光し測定物に照射する装置形態において、テラヘルツ波の伝播経路に配置される測定物の位置に依ってもテラヘルツ波パルスの時間間隔が変化することが見出された。具体的には、一方の界面が、例えば、テラヘルツ波パルスが平行に伝搬する領域（本明細書では、平行伝搬領域とも呼び、波動光学的には焦点深度に相当する）にあり、他方の界面が、テラヘルツ波パルスが集光する過程の領域（本明細書では、集光過程領域とも呼ぶ）にあると、各界面からのテラヘルツ波が辿る光路に差異が生じ、この光学的な差異が時間間隔に重畳されることが見出された。
【０００６】
特許文献1は、測定物が有する複数の界面とテラヘルツ波を測定物に集光するための光学系（本明細書では集束部とも呼ぶ）との相対的な位置関係の調整について詳細な記載はなく、測定物と集束部の相対的な位置関係に依っては、実際の界面の間隔とは異なる測定結果を出力する可能性がある。つまり、測定精度の信頼性が低下する可能性がある。こうした点は、測定方法は異なるが、測定物に照射される電磁波が連続波（CW）である場合でも、指摘することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、電磁波の伝播経路に沿って少なくとも第1の反射面と第2の反射面を有する測定物を測定する本発明の測定装置は以下の構成を有する。測定物へ電磁波を集束するための集束部と、測定物からの電磁波を検出するための検出部と、前記検出部による検出結果を用いて取得された前記第1の反射面からの第1の電磁波と前記第2の反射面からの第2の電磁波との間隔に関する間隔情報を用いて選択される測定領域において、測定物と前記集束部による集束位置との相対的な位置を調整するための調整部と、を備える。ここで、前記測定領域は、前記間隔情報と対応する前記相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波を検出する際の測定物の測定位置を定める領域である。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、電磁波の伝播経路に沿って少なくとも第1の反射面と第2の反射面を有する測定物を測定する本発明の測定方法は、測定物と前記電磁波の測定物への集束位置との相対的な位置を測定領域において調整するステップを有する。ここで、前記測定領域は、前記第1の反射面からの第1の電磁波と前記第2の反射面からの第2の電磁波との間隔に関する間隔情報と対応する測定物と前記電磁波の集束位置との相対的な位置の情報を複数用い、複数の前記相対的な位置の情報から選択された相対的な位置の情報をもとに、測定物からの電磁波を検出する際の測定物の測定位置を定める領域である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に依れば、測定を行う測定領域について、測定物と集束部による電磁波の集束位置との相対的な位置及び測定物が有する複数の反射部からの複数の電磁波の間隔に関する間隔情報を用いて一意に求める。そして、実際に測定する際に、測定物の測定対象部分が測定領域に収まるように、前記相対的な位置を調整する。そのため、測定物と集束部の位置関係が安定するので、測定精度の信頼性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態1の装置の概略構成図。
【図２】実施形態1の装置の変形例を説明する図。
【図３】本発明の測定領域及び測定領域の求め方を説明する図。
【図４】実施形態2の測定物の設置形態を説明する図。
【図５】実施形態1と2について測定領域への測定物の調整結果を説明する図。
【図６】実施形態1の装置の測定方法を説明するフロー図。
【図７】実施形態3の装置の概略構成図。
【図８】実施形態3の装置の動作を説明する図。
【図９】実施形態3の装置の測定方法を説明するフロー図。
【図１０】実施形態4の装置の概略構成図。
【図１１】実施形態4の装置の動作を説明する図。
【図１２】実施形態4の装置の測定方法を説明するフロー図。
【図１３】実施形態5の装置の概略構成図。
【図１４】実施形態5の装置の動作を説明する図。
【図１５】実施形態5の装置の測定方法を説明するフロー図。
【図１６】実施例1における領域指定部の処理結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明において、測定物の各界面が前記平行伝搬領域にあると、各界面からのテラヘルツ波パルスなどの電磁波が辿る光路は等しくなるので、テラヘルツ波パルスの時間間隔などの複数の界面からの電磁波の間隔情報は、測定物の界面の間隔を反映したものとなる。このように、測定対象となる測定物の反射部や界面を安定的に電磁波の平行伝搬領域に調整することは、本発明にとって重要である。こうしたことは、テラヘルツ波以外の電磁波やパルスではない連続波を用いる場合にも、言い得ることである。連続波を用いる場合は、参照面（可動ミラーなど）を動かして干渉波を測定する干渉技術を用いて測定物の各界面からの電磁波を検出し、参照面の移動量と電磁波の検出強度の対応関係から界面間の距離に関する間隔情報を取得することになる。この場合、前記相対的な位置の各調整位置で間隔情報を取得してその値が安定するところが、相対的な位置の指定すべき調整位置となる。
【００１２】
本発明の原理を、測定物の反射部から反射される複数の電磁波パルスの時間波形を取得する形態を例にとって説明する。使用する電磁波の平行伝搬領域（波動光学的には焦点深度に相当）に測定対象となる測定物の界面を確実に配置することで、本発明は、測定精度の信頼性を改善している。本発明では、電磁波の平行伝搬領域に測定領域を設定し、その測定領域に測定物の界面を配置する。測定領域は、平行伝搬領域そのものである場合もあるし、平行伝搬領域の一部の領域である場合もある。例えば、測定物が、表面、裏面、または内部の屈折率界面のような複数の反射部を有する場合、測定物に電磁波パルスを照射すると、測定物からは複数の電磁波パルスが現れる。この時、本発明の測定領域は、測定対象となる測定物の複数の反射部が、例えば集光過程領域から平行伝搬領域の範囲で移動した際の電磁波パルスの時間間隔を監視することで決定している。より詳細には、測定対象となる反射部からの電磁波パルスの時間間隔が変化しない領域を測定領域と定義する。そして、測定物と集束部による集束位置との相対的な位置を調整して、使用する電磁波の平行伝搬領域にある測定領域に、測定対象となる測定物の界面を確実に配置する。
【００１３】
使用する電磁波パルスは、測定物に対して或る程度の透過性を有していればよい。ここで、測定物の反射部の間隔が数100μmから数10mm程度の大きさで、かつ反射部や反射部に至るまでの物性も取得したい場合、テラヘルツ波パルスを用いることが好適である。テラヘルツ波パルスは、0.03THz以上30THz以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有する。そして、この波長帯には、生体分子を始めとして、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。テラヘルツ波パルスが有する透過性と分析性を適用することで、本発明の装置と方法は、測定物の構造に関する情報だけではなく物理的な特性をも取得することができる。
【００１４】
尚、電磁波の平行伝搬領域に測定物を配置する技術例として、共焦点光学系を用いた顕微鏡の技術がある。共焦点光学系を用いた顕微鏡は、電磁波の焦点（本明細書における平行伝搬領域に相当）からの信号をピンホール等で抽出し、これにより深さ方向の分解能を向上させるものである。共焦点光学系を用いた顕微鏡では、この焦点を測定物の深さ方向に動かし、焦点の移動に伴う信号の変化を検出してトモグラフィ像を構築する。これに対して、本発明は、平行伝搬領域内部からの複数の電磁波を検出することでトモグラフィ像を構築している点が異なる。言い換えると、共焦点光学系を用いた顕微鏡の技術は、平行伝搬領域からの信号を平均して１つの画素からの信号として検出しているのに対し、本発明は、平行伝搬領域内部を複数の画素に分解し各画素の信号を検出している。共焦点光学系を用いた顕微鏡の技術で使用される電磁波は可視域近傍の光であり、例えば、テラヘルツ波に比較して波長が数桁オーダーで小さい。そのため、本明細書で定義する平行伝搬領域は、殆ど点として扱われる。この結果、共焦点光学系を用いる顕微鏡は測定物内部に対し焦点を移動させるので、本発明のように、焦点に相当する平行伝搬領域内部で測定物を動かすという概念はない。本発明では、平行伝搬領域にある測定領域で測定物の内部構造を測定するので、平行伝搬領域内部における測定物の配置関係が重要となる。この重要性は従来の共焦点光学系を用いた顕微鏡の技術には存在しない。以上説明した点が、共焦点光学系を用いた顕微鏡の技術と本発明の思想との技術的な差異である。
【００１５】
以下、実施形態のより詳細な説明を行う。ここでは、測定装置及び方法の典型例として、電磁波として用いるテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する時間波形取得装置及び取得方法に関して説明する。特に、時間領域でのテラヘルツ波パルスを測定する装置（THz-TDS装置、THz-Time Domain Spectroscopy 装置）の原理を用い、複数の反射界面を有する測定物からのテラヘルツ波パルスを精度良く取得する装置と方法を説明する。
【００１６】
（実施形態1）
本発明の思想を実施し得る実施形態1について、図面を参照して説明する。図1(a)は、本実施形態における時間波形取得装置の概略構成図である。装置は、テラヘルツ波パルスを扱う部分として次の構成を少なくとも有する。装置は、テラヘルツ波パルスを測定物(109)に照射するための発生部(101)を有する。装置は、発生部(101)から照射されたテラヘルツ波パルスを測定物(109)に集束するための集束部(105)を有する。図1(a)では、集束部(105)は、4つの放物面鏡M4〜M7で構成されている。装置は、測定物(109)からのテラヘルツ波パルスを検出するための検出部(102)を有する。
【００１７】
また、装置は、テラヘルツ波パルスの時間波形を取得する部分として次の構成を少なくとも有する。装置は、テラヘルツ波パルスを発生、検出するための励起光を出力する光源(103)を有する。装置は、光源(103)から検出部(102)に至る励起光L2の光路長を調整する遅延光学部(104)を有する。装置は、遅延光学部(104)の光路長の変化と検出部(102)の出力（検出結果）を参照して、測定物(109)からのテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する波形取得部(106)を有する。
【００１８】
また、装置は、テラヘルツ波パルスの測定領域に、測定対象となる測定物の界面を配置するための部分として次の構成を少なくとも有する。装置は、測定物(109)と集束部(105)との相対位置を測定領域に調整するための調整部(108)を有する。調整部(108)は、測定物(109)の位置又は／及び集束部(105)の少なくとも一部の位置を調整して測定物と集束部による集束位置との相対的な位置を調整することができる。そして、測定物からの複数の電磁波パルスの時間間隔に関する時間情報を用いて選択される測定領域において、前記位置を調整する。この測定領域は、前記時間情報と対応する測定物の位置情報を複数用い、複数の位置情報から選択された位置情報をもとに、測定物からの電磁波パルスを検出する際の測定物の測定位置を定める領域である。
【００１９】
また、装置は、測定物(109)と集束部(105)との相対位置における波形取得部(106)からの時間波形の情報を複数組参照し、測定領域を定める領域指定部(107)を有する。つまり、領域指定部は、検出された電磁波パルスの前記時間情報を複数取得し、複数の時間情報から前記測定領域を定める。また、前記相対位置と、この相対位置における時間波形の情報を複数記憶する記憶部(110)を有する。場合によっては、領域指定部(107)と記憶部(110)は、図1(b)のように、前記測定領域に関する情報を予め記憶するための記憶部に記憶されたデータベース(111)に置き換わる。測定領域に関する情報として、例えばテラヘルツ波パルスのビーム形状が相対位置と対応して記憶される。または、予め決められた測定物(109)を想定した時の、測定物(109)と集束部(105)との相対位置と、その相対位置における波形取得部(106)からの時間波形の情報が複数組記憶される。このように、データベース(111)には、装置の測定領域を特定する情報が記憶されている。
【００２０】
こうした時間波形取得装置及び方法に依れば、測定領域は、測定物(109)の形態に応じて予め装置が有するデータベース(111)を参照して決定される。又は、測定物(109)が配置された後、任意の時点で測定物(109)と集束部(105)との相対位置及び測定物(109)の複数の反射部からのパルスの時間間隔の情報を測定して決定される。そのため、様々な形態や性状の測定物(109)の測定に対応することが容易となり、装置及び方法の汎用性が改善される。
【００２１】
より詳細な各部の構成を説明する。尚、本発明では説明の都合上、測定物(109)は、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)を有するものとして説明を行う。2つの反射部のうち1つは表面の反射部であるが、両方とも測定物の内部にあってもよい。当然のことながら、これらの反射部は2つ以上ある形態でもよい。
【００２２】
図1(a)において、発生部(101)のテラヘルツ波パルスの発生原理として、瞬時電流を利用する手法がある。例えば、金属電極でアンテナパターンを半導体薄膜上に形成した素子（本明細書では光伝導素子とも呼ぶ）に電界を印加した状態で励起光を照射してテラヘルツ波パルスを発生させる。また、瞬時電流を利用する手法の1つとしてPINダイオード構造が適用できる。非線形光学結晶の電気光学効果を利用する手法もある。この手法では、励起光が照射した結果、結晶に発生した分極によりテラヘルツ波を発生させる。また、キャリヤのバンド間遷移を利用する手法も適用できる。この手法として、半導体量子井戸構造が利用できる。発生部(101)は、測定物(109)にテラヘルツ波パルスを照射するという目的を達成できれば、その形態は問わない。
【００２３】
検出部(102)の検出手法として、テラヘルツ波パルスの電界強度の変化を素子から出力される電流の変化に換算して検出する手法がある。例えば、光伝導素子を用いて、励起光照射時の光伝導性の変化よりテラヘルツ波パルスの電界強度に対応した電流を検出する手法がある。また、電気光学効果を用いてテラヘルツ波パルスの電場を検出する手法や磁気光学効果を用いてテラヘルツ波パルスの磁場を検出する手法もある。電気光学効果を用いて電場を検出する手法として、偏光スプリッタと電気光学結晶を用いた手段が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法として、偏光スプリッタと磁気光学結晶を用いた手段が適用できる。検出部(102)は、励起光照射時における測定物(109)からのテラヘルツ波パルスの強度が検出するという目的を達成できれば、その形態は問わない。
【００２４】
図1の装置は測定物(109)を反射したテラヘルツ波パルスを検出し得る位置に検出部(102)があるが、配置はこれに限らない。後述する様に、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)からのテラヘルツ波パルスを検出すればよいので、検出部(102)は、測定物(109)を透過したテラヘルツ波パルスを検出し得る位置に配置することも可能である。この時、検出部(102)は、測定物(109)内部で多重反射した各反射部からのテラヘルツ波パルスを検出する。
【００２５】
集束部(105)は、発生部(101)で発生したテラヘルツ波パルスのビーム形状を整形し、測定物(109)に集束させる。そして、測定物(109)からのテラヘルツ波パルスを検出部(102)に入射させる。図1の形態では、集束部(105)は放物面ミラーM4とM5を用いてテラヘルツ波パルスを測定物(109)上の一点に集光させ、測定物(109)からのテラヘルツ波パルスを放物面ミラーM6とM7を用いて検出部(102)に集光して入射させている。集束の形状は、一点への集光に限らず、例えば短冊状にテラヘルツ波パルスのビーム形状を整形して測定物(109)に集束させてもよい。ここでは、集束を行う手段として放物面ミラーを用いる例を示しているが、レンズのように透過型の光学素子を用いることも可能である。
【００２６】
図2は、集束部(105)の変形例を含んだ時間波形取得装置の概略構成図である。図2(a)の装置は、集束部(105)が放物面ミラーM5、M6、M7とビームスプリッタBS2で構成されている。発生部(101)から発生したテラヘルツ波パルスは放物面ミラーM5、ビームスプリッタBS2、放物面ミラーM6を介して測定物(109)に集束する。そして、測定物(109)で反射したテラヘルツ波パルスは、放物面ミラーM6、ビームスプリッタBS2、放物面ミラーM7を介して検出部(102)に入射する。このような構成に依れば、テラヘルツ波パルスを測定物(109)に対してほぼ垂直に入射させることができる。その結果、各反射部からのテラヘルツ波パルスの時間波形より光学的な厚みを算出する際、装置は、テラヘルツ波パルスが測定物(109)に対して斜めに入射することによる光学長の補正処理を省略できる。
【００２７】
図2(b)の装置は、集束部(105)が放物面ミラーM5、M6で構成されている。発生検出部(201)から発生したテラヘルツ波パルスは放物面ミラーM5とM6を介して測定物(109)に集束する。そして、測定物(109)で反射したテラヘルツ波パルスは、放物面ミラーM6とM5を介して再び発生検出部(201)に入射する。ここで、テラヘルツ波パルスは発生検出部(201)より発生し、発生検出部(201)で検出する。発生検出部(201)は、テラヘルツ波パルスを発生する部分と検出する部分が集積化された素子である。発生検出部(201)に入射するテラヘルツ波パルスの実効的な波長以下の間隔で、テラヘルツ波パルスを発生する部分と検出する部分が配置されていることが望ましい。このような配置によって、テラヘルツ波パルスは、ほぼ同一の場所から発生し、検出しているとみなすことが可能である。または、同一の素子で照射と検出の機能を兼ねることが可能である。例えば、光伝導素子を用いることで、トランシーバの構成が可能である。このような構成に依れば、テラヘルツ波パルスは、ほぼ同一の光路を伝播するため、テラヘルツ波パルスを取回すための空間が節約でき、装置の小型化が期待できる。
【００２８】
光源(103)は、発生部(101)や検出部(102)に励起光を供給する部分である。多くの場合、光源(103)は超短パルスレーザ光を出力する。光源(103)から出力される超短パルスレーザ光は、数10フェムト秒のパルス幅を有する。図1(a)において、光源(103)から出力した励起光は、ビームスプリッタBSを介してL1（本明細書ではポンプ光とも呼ぶ）とL2（本明細書ではプローブ光とも呼ぶ）に分岐する。ポンプ光L1は、ミラーM1と集光レンズLE1を経て発生部(101)に入射する。ポンプ光L1は、発生部(101)でテラヘルツ波パルスの発生に用いられる。プローブ光L2は、ミラーM2、遅延光学部(104)、ミラーM3、集光レンズLE2を経て検出部(102)に入射する。プローブ光L2は、検出部(102)でテラヘルツ波パルスの時間波形を検出するためのサンプル光として用いられる。光源(103)から出力する励起光の波長は、発生部(101)や検出部(102)の駆動波長により変化する。必要に応じて、ポンプ光L1やプローブ光L2の伝播経路の途中に、励起光の波長を変化させる波長変換素子が介在してもよい。光源(103)から出力する励起光の波長、パルス幅、レーザの繰り返し周波数といった諸特性は、必要とされる装置スペックにより適宜選択される。
【００２９】
遅延光学部(104)は、励起光であるポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を調整する部分である。本実施形態では、テラヘルツ波パルスの時間波形は、テラヘルツ波時間領域分光法（THz-Time Domain Spectroscopy 装置）の原理を用いて取得する。詳細には、装置は、ポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を所定量変化させた時の検出部(102)の出力をプロットすることで、テラヘルツ波パルスをプローブ光L2でサンプリング計測する。遅延光学部(104)の光路長調整法には、励起光の光路長を直接調整する手法と、励起光の実効的な光路長を調整する手法がある。励起光の光路長を直接調整する手法としては、励起光を折り返す折り返し光学系と、この光学系を折り返す方向に動かす可動部を用いる手法がある。また、可動部として回転する系を適用してもよい。この場合、折り返しの光学系は、可動部が回転する回転方向に沿って動く。また、光源(103)として2つのレーザ源を用い、ポンプ光L1とプローブ光L2を各々出力させ、各レーザ源の繰り返し周波数を変化させる形態でもよい。レーザ源の繰り返し周波数が異なる場合、ポンプ光L1とプローブ光L2の時間差が変調されるので、この時間差の変化よりポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を換算する。実効的な光路長を調整する手法には、励起光が伝搬する光路長の時定数を変化させる手法がある。このように、遅延光学部(104)は、ポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を調整し得る構成であればよい。図1では、遅延光学部(104)として、折り返しの光学系を用いる例を示している。ただし、より広く言えば、遅延部は、電磁波の発生時間と検出時間との差を調整するものであればよく、必ずしも光学部である必要はない。
【００３０】
波形取得部(106)は、検出部(102)の出力と遅延光学部(104)で調整されるポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を参照して、テラヘルツ波時間領域分光法を用いて測定物(109)からのテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分である。測定物(109)が第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)を有する時、構築される時間波形は、図3(b)のように第1の反射面(109a)からの第1のパルス(305)と第2の反射面(109b)からの第2のパルス(306)を少なくとも有している。図3(b)において、第1のパルス(305)と第2のパルス(306)の時間間隔Δtは、少なくとも第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)に挟まれる領域の光学長の情報を含んだ値である。
【００３１】
調整部(108)は、測定物(109)と集束部(105)の相対位置を測定領域に調整するための部分である。図1の装置構成では、調整部(108)は、測定物(109)側に設置し、測定物(109)を動かす形態であるが、これに限らない。結果的に、測定物(109)と集束部(105)の相対位置が変化すればよいので、調整部(108)は、発生部(101)、検出部(102)、集束部(105)を一体に動かしテラヘルツ波パルスが集束する位置を移動させる部分としてもよい。また、調整部(105)は、集束部(105)の一部の光学素子に相対位置を調整する機構としてもよい。例えば、図1(a)の場合、テラヘルツ波パルスを集束させる系にレンズを使用し、レンズの位置によってテラヘルツ波パルスが集束する位置を変化させることができる。また、ミラーの反射角度を調節してテラヘルツ波パルスが集束する位置を変化させることができる。本明細書では、図3(a)において、テラヘルツ波が集光手段(301)を介する時、テラヘルツ波の伝搬ビーム形状は、集光手段(301)からテラヘルツ波が集束するまでの領域（本明細書では集光過程領域(302)と呼ぶ）と、集束したテラヘルツ波が平行に伝搬する領域（本明細書では平行伝搬領域(303)と呼ぶ）に分ける。平行伝搬領域(303)は、波動光学的には焦点深度に相当し、本発明において集束位置とみなし得るものである。ここで、装置が定める測定領域は、平行伝搬領域(303)の領域内にある領域である。場合によっては、測定領域と平行伝搬領域(303)は同じ領域である。図3(a)のように測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)を同時に観察する対象とする時、測定領域は、少なくとも第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が収まる領域である。測定領域は、平行伝搬領域(303)そのものか、平行伝搬領域(303)の領域内にあるので、結果的に、この第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)は、平行伝搬領域(303)に収まることが可能になる。図3(a)において、調整部(108)は、測定物(109)と集束部(105)の相対位置(304)を調整することで、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)を、平行伝搬領域(303)にある測定領域内部に調整する。尚、図3では、説明の都合上、テラヘルツ波を集光する集光手段(301)を透過型の素子として表現しているが、本発明の多くの実施例のように反射型の素子に置き換えて考えることができる。
【００３２】
図1(a)において、領域指定部(107)は、装置の測定領域を定める部分である。測定領域は、調整部(108)と波形取得部(106)からの複数の出力を参照して求める。より詳細には、調整部(108)から得られる相対位置(304)の情報と、その相対位置における波形取得部(106)からの時間波形の情報を参照して求める。使用する時間波形の情報は、図3(b)において、第1のパルス(305)と第2のパルス(306)の時間間隔Δtの情報である。領域指定部(107)は、相対位置(304)の変化に対し、時間間隔Δtの値が一様な領域を監視することで平行伝搬領域(303)を決定する。
【００３３】
図3(c)は、上述した領域指定部(107)の動作を詳細に示したものである。図3(c)において、相対位置(304)の初期位置は、図3(a)で示した位置であると仮定する。すなわち、測定物(109)の第1の反射面(109a)はテラヘルツ波パルスの集光過程領域(302)にある。測定物(109)の第2の反射面(109b)はテラヘルツ波パルスの平行伝搬領域(303)にある。図3(c)では、観察対象となる一方の反射部が集光過程領域(302)にあり、他方の反射部が平行伝搬領域(303)にある状態を「(302)+(303)」として表記してある。また、両方の反射部が平行伝搬領域(303)にある状態を「(303)」として図に表記してある。図3(c)において、調整部(108)を用いて相対位置(304)を大きくすると、第1の反射面(109a)は平行領域(303)に近づく。すると、課題で述べた各反射部からのテラヘルツ波パルスの光路差が解消される方向に変化する。その結果、第1のパルス(305)と第2のパルス(306)の時間間隔Δtは小さくなる。さらに相対位置(304)が大きくなり、第1の反射面(109a)が平行伝搬領域(303)に収まると、時間間隔Δtは「(302)+(303)」から「(303)」の状態に変化する。すなわち、相対位置(304)の変化に対して時間間隔Δtの値は一定となる。尚、これまでの説明では、第2の反射面(109b)は常に平行伝搬領域(303)に収まっているという仮定で説明している。この状態で相対位置(304)をさらに大きくしていくと、測定物(109)の第2の反射面(109b)が集光過程領域(302)（図3(a)のテラヘルツ波の伝搬ビーム形状について点線で示した領域）に至り、再び時間間隔Δtは広がる。このような作業により、装置は平行伝搬領域(303)を探っている。
【００３４】
その後、装置は、平行伝搬領域(303)の領域内に測定領域を設定し、例えば相対位置(304)と測定領域を対応させて記憶する。上述したように、装置は、測定領域を、平行伝搬領域(303)そのものとして定義してもよい。また、例えば、装置は、平行伝搬領域(303)の境界から固定量、若しくは平行伝搬領域(303)の領域に対し、ある割合余裕をもたせるように、測定領域を、平行伝搬領域(303)の領域内部に定義してもよい。テラヘルツ波は波長が長いため、装置の測定精度によっては集光過程領域(302)と平行伝搬領域(303)の境界が明瞭でない場合もある。測定領域を平行伝搬領域(303)に対して余裕をもって領域内部に定義することで、この測定精度による境界の不明瞭さを回避し、装置のロバスト性を向上することが可能になる。
【００３５】
図1(a)において、記憶部(110)は、上述した各相対位置(304)における時間間隔Δtの情報を記憶する部分である。領域指定部(107)は、記憶部(110)に記憶された情報に基づいて測定領域を定義する。
【００３６】
領域指定部(107)と記憶部(110)を用いて測定領域を決定する過程は、測定物(109)が配置された後、任意の時点で測定物(109)と集束部(105)との相対位置及び測定物(109)の複数の反射部からのパルスの時間間隔の情報を測定して決定する。言い換えると、実際に測定する測定物(109)を用いて測定領域を決定する。そのため、装置及び方法は、様々な形態や性状の測定物(109)の測定に対応することが容易となり、汎用性が改善される。  以上の装置または方法に依れば、測定領域の決定では、測定物(109)が電磁波パルスの伝搬形状について平行伝搬領域(303)から集光過程領域(304)の範囲で相対的に移動した時の電磁波パルスの時間間隔の情報を用いる。この範囲で測定物(109)を相対的に動かすことで、測定物(109)からの電磁波パルスの時間間隔が変化する位置が確認できる。その結果、測定領域の特定が可能となり、測定対象となる測定物の界面を安定的にテラヘルツ波の平行伝搬領域に調整することが可能になる。
【００３７】
図1(b)では、測定領域を決定する部分の構成として、領域指定部(107)と記憶部(110)の替わりにデータベース(111)を用いる。データベース(111)は、測定領域に関する情報が予め記憶されている。例えば、データベース(111)に記憶される情報は、測定器が定めた標準測定物を用いて予め計測されたテラヘルツ波パルスの時間間隔の情報である。詳細には、測定器が定めた標準測定物は、実効的な厚みがテラヘルツ波パルスの平行伝搬領域(303)にほぼ等しい測定物であることが望ましい。装置は、この標準測定物を使用して、事前に相対位置(304)と時間間隔Δtの対応関係を測定しており、この測定結果が装置固有の情報として記憶されている。集束部(105)に使用する光学素子の種類が変更可能な構成である場合、装置は、標準測定物を用いた相対位置(304)と時間間隔Δtの対応関係を予め測定しており、測定結果がデータベース化されている。この情報により、装置の使用者は、平行伝搬領域(303)の位置が特定でき、測定物(109)に応じて測定領域を設定できる。
【００３８】
また、データベース(111)は、測定物(109)の形態（測定物の大きさや反射部の位置、測定物の屈折率や屈折率の分布等の物性）を勘案して、相対位置(304)と時間間隔Δtの対応関係を調整してもよい。また、標準測定物として、様々な形状や物性を有する標準測定物を用いて相対位置(304)と時間間隔Δtの対応関係を測定し、データベース(111)に記憶する。そして、装置は、データベース(111)から、実際の測定物(109)の形態に近い標準測定物を選択し、その測定結果を利用して測定領域を求める。この方式であると、標準測定物と測定物(109)の形態を近づけることができるので測定精度が改善できる。また、測定物(109)の形態に合わせて相対位置(304)と時間間隔Δtの対応関係を調整する場合にも、調整量が僅かになるので、標準測定物による測定結果との乖離が小さくなり、装置の測定精度を維持することが容易になる。
【００３９】
領域指定部(107)と記憶部(110)を用いる替わりにデータベース(111)を用いると、測定毎に平行伝搬領域(303)を測定する工程がなくなるので、操作性が向上する。その結果、装置及び方法の汎用性が改善される。
【００４０】
本実施形態の装置の動作例を説明する。尚、ここでは、図1(a)の装置構成を用いるものとして説明する。すなわち、測定領域を決定する部分として領域指定部(107)と記憶部(110)を用いる構成である。また、測定物(109)は、テラヘルツ波パルスの伝播経路に沿って、少なくとも第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)を有している。ここでは、説明の都合上、測定物(109)は第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の2つの反射部を有するものとする。
【００４１】
図6は、本実施例の装置の動作フロー図である。装置の動作が開始されると、装置は、調整部(108)を用いて測定物(109)と集束部(105)との相対位置(304)を所定量移動する（ステップ(S101））。相対位置(304)の移動量は、平行伝搬領域(303)の測定精度に依る。また、動作の最初の時点だけ測定物(109)を、測定者が定めた所定の位置に移動し、その後の工程では、所定の位置を基準にして移動する形態でもよい。波形取得部(106)は、検出部(102)の出力と、遅延光学部(104)によるポンプ光L1とプローブ光L2の光路長差を参照し、時間領域分光法の原理を用いてテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する（ステップ(S102)）。
【００４２】
上述したように取得したテラヘルツ波パルスの時間波形は、図3(b)のように第1の反射面(109a)からの第1のパルス(305)と第2の反射面(109b)からの第2のパルス(306)を有する。領域指定部(107)は、第1のパルス(305)と第2のパルス(306)との時間間隔Δtを算出する。そして、領域指定部(107)は、時間波形取得時の相対位置(304)と時間間隔Δtを記憶部(110)に記憶する（ステップ(S103)）。
【００４３】
ここで、相対位置(304)の移動について、終了条件を満たしていない場合、ステップ(S101)に戻る。相対位置(304)の移動に関する終了条件は、次のように定めることができる。例えば、ステップ(S101)における相対位置(304)の移動量が定められている場合、予めステップ(S101)からステップ(S103)までの繰り返し回数を定め、この繰り返し回数を終了条件とする。相対位置(304)の移動方向は、一様に大きくなる方向か、一様に小さくなる方向、またはこれらの方向を組み合わせる。相対位置(304)の移動方向は、測定物(109)の形態を鑑みて測定者が定める。この形態の場合、繰り返し回数が定められているので、ステップ(S101)からステップ(S103)までの工程が確実に終了し、動作の安定性が容易になる。また、ステップ(S103)において、記憶部(110)に記憶された相対位置(304)と時間間隔Δtの情報を逐次参照し、相対位置(304)に対する時間間隔Δtの変化率を終了条件に利用することもできる。詳細には、図3(c)に示したグラフの変化率の変化点（図3(c)の場合、[(302)+（303]から[(303)]に至る変化点）が判別できた時点で終了とする。この形態の場合、確実に平行伝搬領域(303)が判別できる。
【００４４】
ステップ(S103)において測定する相対位置(304)の移動範囲は、図3(a)の集光過程領域(302)から平行伝搬領域(303)に至る範囲と、平行伝搬領域(303)から再び集光過程領域(302)に至る範囲（点線の領域）を含んでいることが望ましい。ただし、次の条件を満たす場合、相対位置(304)の移動範囲は、図3(a)の集光過程領域(302)から平行伝搬領域(303)に至る範囲を少なくとも含めばよい。条件としてステップ(S103)で使用する測定物が、実際に使用する測定物(109)であり、相対位置(304)の移動範囲内に測定領域を定める場合、相対位置(304)の移動範囲は、集光過程領域(302)から平行伝搬領域(303)に至る範囲に設定できる。これは、図3(c)の測定結果から明らかなように、集光過程領域(302)から平行伝搬領域(303)への境界（[(302)+（303]から[(303)]に至る点）が定義でき、かつ測定された平行伝搬領域(303)では時間間隔Δtが変化しないことが保障されるからである。また、標準測定物を用いて測定領域を定める場合、標準測定物の実効的なテラヘルツ波パルスの伝搬長が、実際に測定する測定物(109)の実効的なテラヘルツ波パルスの伝搬長に対し、長いことが保障されていれば、本条件が適用できる。より詳細には、標準測定物の実効的なテラヘルツ波パルスの伝搬長が、測定物(109)の観察対象である第1の反射面(109a)から第2の反射面(109b)に至る実効的なテラヘルツ波パルスの伝搬長に対して長いことが保障されていることが条件である。これは、標準測定物で測定領域を設定した場合、測定物(109)の実効的なテラヘルツ波パルスの伝搬長が短いので、本測定領域に、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が必ず含まれることを理由とする。
【００４５】
装置の領域指定部(107)は、測定領域に関する情報を参照して測定領域を決定する（ステップ(S104)）。ここでの測定領域に関する情報は、記憶部(110)に記憶された相対位置(304)と時間間隔Δtの情報である。この情報を参照して、相対位置(304)の変化に対し時間間隔Δtが変化しない領域（図3(c)の領域[(303)]）を求め、その領域内に測定領域を設定する。
【００４６】
また、図1(b)のように領域指定部(107)と記憶部(110)の替わりに予め測定された測定領域に関する情報が記憶されたデータベース(111)を用いる場合、上述した工程は次のように変更される。ステップ(S101)とステップ(S102)は、省略され、これに準ずる情報は予め測定されデータベース(S111)に記憶されている。測定領域を決定する工程であるステップ(S104)では、測定する測定物(109)の形態に応じてデータベース(S111)は、測定領域の情報を提供する。
【００４７】
測定領域が決定されると、装置は、調整部(108)を用いて、測定物(109)と集束部(105)との相対位置(304)を測定領域に調整する（ステップ(S105)）。より詳細には、図5(a)のように、観測対象となる第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が少なくとも平行伝搬領域(303)の内部に配置されるように調整される。
【００４８】
本実施形態の時間波形取得方法に依れば、測定を行う測定領域は、測定物(109)と集束部(105)の相対位置と測定物(109)の複数の反射部からのパルスの時間間隔の情報から一意に求める。そして、時間波形を取得する際に、測定物(109)の観察対象部分が測定領域に収まるように、相対位置は調整される。そのため、測定物(109)と集束部(105)の位置関係が安定するので、測定精度の信頼性が改善される。
【００４９】
また、これまで説明した装置または方法に依れば、測定領域の決定では、テラヘルツ波パルスの伝搬形状における平行伝搬領域(303)から集光過程領域(304)の範囲で測定物(109)が相対的に移動した時のテラヘルツ波パルスの時間間隔の情報を用いる。この範囲で測定物(109)を相対的に動かすことで、測定物(109)からのテラヘルツ波パルスの時間間隔が変化する位置が確認できる。その結果、測定領域の特定が可能となり、測定対象となる測定物の界面を安定的にテラヘルツ波の平行伝搬領域に調整することが可能になる。
【００５０】
また、測定領域は、測定物(109)の形態に応じて予め装置が有するデータベース(111)を参照して決定する。又は、測定物(109)が配置された後、任意の時点で測定物(109)と集束部(105)との相対位置と測定物(109)が有する複数の反射部からパルスの時間間隔の情報を測定して決定する。そのため、方法は、様々な形態や性状の測定物(109)の測定に対応することが容易となり、方法の汎用性が改善される。
【００５１】
また、これまで説明した装置または方法に依れば、測定領域は、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が、前記平行伝搬領域(303)に収まる領域である。各反射部が平行伝搬領域(303)にあるため、測定されるテラヘルツ波パルスの時間間隔は、測定物の界面の間隔を正確に反映したものとなる。その結果、測定度の信頼性が改善される。さらに、テラヘルツ波パルスが有する透過性と分析性を利用することで、測定物(109)の構造に関する情報だけではなく物理的な特性も取得することができる。
【００５２】
（実施例1）
次に、実施形態1の実施例を示す。装置構成は図1(a)の装置を用いた。発生部(101)と検出部(102)として光伝導素子を用いる。発生部(101)の半導体膜として、低温成長させたガリウムインジウムヒ素(LT-GaInAs)を用いる。検出部(102)の半導体膜として、低温成長させたガリウムヒ素(LT-GaAs)を用いる。各半導体膜にはアンテナ長さ20μm、アンテナ幅10μmのダイポールアンテナがパターニングされている。パターニングされたダイポールアンテナの中心には、幅6μmの空隙部分が形成されている。テラヘルツ波パルスの取り込み効率を改善するため、半導体膜にはパターニングされたダイポールアンテナと対向する位置に、高抵抗シリコンで構成された超半球レンズ（オフセット1mm）が密着される。
【００５３】
光源(103)は、中心波長1.56μmでパルス幅30フェムト秒、繰り返し周波数50MHzのフェムト秒ファイバレーザを用いる。プローブ光L2は、ビームスプリッタBSと遅延光学部(104)の間に波長変換素子(PPLN)を配置することで、中心波長0.78μm、パルス幅70フェムト秒のフェムト秒レーザに変換される。発生部(101)には、20mWのポンプ光L1が入射する。また、検出部(102)には、1mWのプローブ光L2が入射する。ポンプ光L1とプローブ光L2は、それぞれ、レンズLE1とLE2によりビーム径が10μm弱に整形され、光伝導素子のアンテナパターンの空隙部分に入射する。遅延光学部(104)は、直動ステージとリトロリフレクタにより構成する。直動ステージの位置情報は、波形取得部(106)に入力される。直動ステージの繰り返し位置決め精度は、10nmである。波形取得部(106)は、電流アンプとA/Dボードで構成される。A/Dボードは演算処理装置に接続される。そして、遅延光学部(104)の位置情報に対応する電流アンプの出力を逐次プロットすることでテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する。
【００５４】
集束部(105)は、4つの放物面鏡M4〜M7で構成される。放物面鏡M4は発生部(101)から発生したテラヘルツ波パルスを平行光に整形する。放物面鏡M5とM6は、テラヘルツ波パルスを測定物(109)に集束し、反射したテラヘルツ波パルスを平行光に整形する。放物面鏡の焦点距離は約101mmで、計算されるテラヘルツ波パルスの焦点深度は数mmである。調整部(108)は、集束部(105)との距離を調整するステージである。調整部(108)の位置決め分解能は100μmである。ステージから出力された信号は、相対位置(304)の変化量として領域指定部(107)に入力する。領域指定部(107)は、調整部(108)の駆動に用いるドライバと通信するためのインターフェース部と測定領域を計算するための処理部で構成し、演算処理装置に実装する。演算処理装置に実装されるインターフェース部は、遅延光学部(104)のステージを制御するドライバと通信する役割も兼ねている。記憶部(110)は、演算処理装置にあるハードディスクを用いる。
【００５５】
図16は、測定物(109)として多孔質フィルムを用いた時の領域指定部(107)の内部で構成する相対位置(304)とテラヘルツ波パルスの時間間隔Δtの関係図である。測定物(109)の厚みは約30μmで、金基板の上に設置した。本実施例では、測定物(109)の第1の反射面(109a)を多孔質フィルムの表面、第2の反射面(109b)を多孔質フィルムと金基板の界面として時間間隔Δtを監視している。本実施例では、調整部(108)の初期位置に対応する相対位置(304)を0mmとしている。図16によると、相対位置(304)が大きくなると、テラヘルツ波パルスの時間間隔Δtは小さくなり、相対位置(304)が1mmを超えると時間間隔Δtは、ほぼ一定値を示すことが確認された。そして、相対位置(304)が1.6mmを超えると、時間間隔Δtが再び大きくなる傾向が確認された。本実施例の領域指定部(107)は、平行伝搬領域(303)として、相対位置(304)1.0mmから1.6mmと定義する。そして、測定領域は、調整部(108)の位置決め分解能を考慮して、1.1mmから1.5mmの相対位置(304)としている。本実施例の装置は、測定物(109)の測定を行う場合、この測定領域に測定物(109)が収まるように調整部(108)によって相対位置(304)を調整する。
【００５６】
尚、本実施例では、測定物(109)を動かすことで相対位置(304)を調整しているが、実施形態1でも説明したように、測定物(109)を固定した状態で、集束部(105)、発生部(101)、検出部(102)を用いてテラヘルツ波パルス等の電磁波が集束する位置を移動してもよい。この装置形態は、測定物(109)が人体の一部や生物のように測定物(109)側を調整部(108)に合わせて動かすことが難しい場合に、測定物(109)を固定した状態で測定できるので、好適である。
【００５７】
（実施形態2）
本発明の思想を実施し得る形態について、実施形態2として図面を参照して説明する。本実施形態は、具体的には、測定物(109)の設置形態に関するものである。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
【００５８】
図4は本実施形態における測定物(109)の設置形態を説明する図である。上記実施形態及び実施例と異なる部分は、測定物(109)に対して測定面形成部材(401)が密着して配置されている点である。より詳細には、テラヘルツ波パルスが測定物(109)に入射する面に対し、測定面形成部材(401)が密着して配置される。測定面形成部材(401)と測定物(109)を密着することにより、測定面形成部材(401)と測定物(109)の境界面が測定面形成部材(401)の形状に再形成される。測定物(109)が例えば生体や食品のように軟らかい物質の場合、こうした再形成により反射部の平面度が大きくなる。反射部の平面度によっては、テラヘルツ波パルスが照射される領域から検出部(102)に到達する時間がわずかにずれた複数の反射パルスが現れる。すると、これらのパルスが互いに干渉した状態で、検出部(102)に到達する。この結果、例えば図3(b)の反射パルスのパルス幅が大きくなる現象や、パルスの強度が低下するという現象がみられる。特に、テラヘルツ波パルスの典型的なビーム径は、サブmmと大きい径を有するので、この形状の影響が大きくなる。測定面形成部材(401)は、測定物(109)の反射部の形状を測定に適した形状（図4では平面）に再整形することで、測定物(109)の形状による影響を低減させる。
【００５９】
測定面形成部材(401)は、テラヘルツ波パルスの伝播経路中に配置されるので、テラヘルツ波パルスに対して透過性の優れた材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、フッ化炭素樹脂のポリテトラフルオロエチレン、シクロオレフィンポリマーのような樹脂が適用できる。樹脂材料について、多孔質化した形態も適用できる。また、高抵抗シリコンやCVD(Chemical Vapor Deposition)ダイヤモンドのような基板材料が適用できる。測定面形成部材(401)の平面度は、テラヘルツ波パルスが構造を認識できない程度が望ましい。具体的には、使用するテラヘルツ波パルスの実効的な波長λ（典型的にはテラヘルツ波パルスが有するスペクトルの中心波長）に対し、1/100λ〜1/20λ程度の平面度が望ましい。例えば、λが100μmの場合、測定面形成部材(401)の平面度は、1〜5μm程度有することが望ましい。この条件の場合、測定面形成部材(401)からのテラヘルツ波パルスに対する散乱の影響が抑制できる。さらに、測定面形成部材(401)の平面度は、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の光学的な位置測定能にも依る。例えば、これらの反射部を10μmの測定能で直接測定したい場合、平面度は、この測定能より小さい値が望ましい。さらに、測定の仕様として、測定誤差が定義されている場合、平面度は、この測定誤差より小さい値が望ましい。
【００６０】
図5(b)は、測定面形成部材(401)を適用した際の、測定領域への測定物(109)の調整結果を説明する図である。測定面形成部材(401)がテラヘルツ波パルスの伝播経路に介在する場合、観察対象である第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)に挟まれる領域の物性を正確に測定するためには、テラヘルツ波領域における測定面形成部材(401)の物性も正確に測定されることが望ましい。より詳細には、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の測定結果から、測定面形成部材(401)の物性情報を除去する。処理のイメージとしては、測定面形成部材(401)の物性情報をもとに、テラヘルツ波パルスの測定条件を仮想的に図5(b)から図5(a)の状態に再構築して分析を行う形態である。このことから、測定面形成部材(401)を用いて第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)とに挟まれる領域の物性を取り扱う場合、測定領域は、観察対象である測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)と測定面形成部材(401)を含む領域に設定する。これを鑑みると、測定面形成部材(401)の厚みは、測定領域と、観察対象である反射部との差分を超えない範囲に設定される。ただし、測定面形成部材(401)の一部は測定領域を超えていてもよい。例えば、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の光学的な距離の変化を監視するなどの用途の場合、第1のパルス(305)と第2のパルス(306)の変化を監視できればよいので、測定面形成部材(401)の一部は測定領域を超えていてもよい。
【００６１】
尚、図4の測定面形成部材(401)は平面基板の形状であるが、形状はこれに限らない。例えば一部に凹凸形状があり、テラヘルツ波パルスをさらに整形する機能を付加してもよい。また、測定物(109)の流動性が大きい場合、凹凸形状により、所定の場所に測定物(109)を集める機能を付加してもよい。こうした場合も、測定原理は同じである。
【００６２】
本実施形態の時間波形取得装置及び方法に依れば、測定物(109)に測定面形成部材(401)が密着することで、電磁波パルスが測定物(109)に入射する面の形状は、測定面形成部材(401)の外形に沿った形に再形成される。そのため、この入射する面を1つの反射部として用いる場合、テラヘルツ波パルスが測定物(109)に入射する面の形状が装置にとって好適な反射面に近づく。その結果、相対位置に対する測定物(109)からのテラヘルツ波パルスの時間間隔の測定精度が改善され測定領域の決定が容易になる。
【００６３】
（実施形態3）
本発明の思想を実施し得る形態について、実施形態3として図面を参照して説明する。本実施形態は、具体的には、これまで説明した相対位置(304)の調整部分の変形例である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
【００６４】
図7は、本実施形態の装置の概略構成図である。これまでの装置と異なる点は、集束部(105)と測定物(109)の相対位置(304)を調整する部分に、面方向位置調整部(701)が追加された点である。面方向位置調整部(701)は、測定物(109)と集束部(105)の位置について、集束部(105)が集束するテラヘルツ波パルスの伝搬方向と交差する面方向に調整する部分である。図7の装置形態では、面方向位置調整部(701)は、テラヘルツ波パルスの伝搬方向に対して、測定物(109)を面方向に動かすステージで構成する。ただし、テラヘルツ波パルスに対し、測定物(109)の位置が相対的に動けばよいので、発生部(101)、検出部(102)、集束部(105)とそれらに付随する光学系を面方向に動かす形態でもよい。ここで、面方向とは、テラヘルツ波パルスの伝搬方向と交差する面方向と表現しているが次のように言い換えることもできる。面方向は、調整部(108)の駆動方向に対し法線方向の面である。
【００６５】
図8は、装置の動作を説明する図である。測定物(109)の複数の箇所で装置が測定を行う形態の場合、各測定箇所で測定対象となる第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)は、平行伝搬領域(303)の内部に設定された測定領域に収まっていることが望ましい。図8(a)のように、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の形態によっては、反射部の一部が平行伝搬領域(303)からはずれる場合がある。例えば、図8(a)では、測定物(109)の第1の反射面(109a)は、第1の位置(801)の第1の平行伝搬領域(803)に収まっているが、第2の位置(802)の第2の平行伝搬領域(804)からは、はずれている。本実施形態では、調整部(108)と面方向位置調整部(701)を用いて、測定物(109)の位置を3次元方向に調整する。その結果、図8(b)のように、第1の平行伝搬領域(803)と第2の平行伝搬領域(804)に対し、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が収まるように調整できる。測定領域は、この情報を参照して、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が各平行伝搬領域の内部に収まるように領域が設定される。尚、テラヘルツ波パルスの測定箇所は2つ以上あってもよい。
【００６６】
図9は、本実施形態の装置の方法を説明する図である。装置の動作が開始されると、装置は、面方向位置調整部(701)を用いて測定物(109)の面方向の位置を移動する（ステップ(S201)）。装置は、動作の開始時点だけ測定物(109)を測定者が定めた所定の位置に移動し、その後の工程では、所定の位置を基準にして移動する形態でもよい。
【００６７】
面方向の移動が終了すると、装置は上述したステップ(S101)からステップ(S103)を繰り返すことにより相対位置(304)と時間間隔Δtの関係を求める。ステップ(S103)の工程では、相対位置(304)と時間間隔Δtの他に、面方向位置の情報を記憶部(110)に記憶する。相対位置(304)の移動が終了した後、面方向位置の移動について終了条件を確認する。面方向位置の移動について、終了条件を満たしていない場合、ステップ(S201)に戻る。この終了条件は、例えば次のように定めることができる。面方向位置調整部(701)が測定物(109)を移動する位置を予め定め、各位置への移動がすべて完了した時点を終了条件とする。移動する位置は、測定者が測定を予定する領域を参照して決定する。また、測定物(109)の外観などを検査する部分を別途有する、若しくは測定物(109)の外観が予めわかっている場合、厚みが異なる点等の特徴点を装置に認識させ、その特徴点に対し移動する位置を定義する形態でもよい。また、移動する位置は、測定者が測定予定する領域に係らず、装置が用意した測定位置パターンを利用してもよい。装置が用意する測定位置パターンは、候補が複数あり、測定者は測定物(109)の形態に応じて適宜選択する。
【００６８】
面方向位置の移動が終了すると、装置は、ステップ(S104)によって測定領域を設定し、ステップ(S105)によって測定領域に測定物(109)を移動する。以上に説明した構成の測定装置を用いてトモグラフィ装置を構成することができる。このトモグラフィ装置は、面方向位置調整部による相対的な位置と前記検出部による検出結果を用いて得られた間隔情報を対応させることで測定物のトモグラフィ像を構成する画像構成部を備える。
【００６９】
本実施形態の時間波形取得装置及び方法に依れば、面方向位置調整部(108)によって、測定物(109)と集束部(105)の位置をテラヘルツ波パルス等の電磁波の伝搬方向と交差する面方向に移動することができる。そして、測定物(109)の複数の位置において、測定物(109)の観察対象部分が測定領域に収まるように相対位置の調整を行う。そのため、より広い領域に亘って測定物(109)の測定を安定的に行うことができ、装置及び方法の汎用性が改善される。
【００７０】
（実施形態4）
本発明の思想を実施し得る形態について、実施形態4として図面を参照して説明する。本実施形態は、具体的には、これまで説明した相対位置(304)の調整部分の変形例である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
【００７１】
図10は、本実施形態の装置の概略構成図である。これまでの装置と異なる点は、実施形態3の装置構成において、集束部(105)と測定物(109)の相対位置(304)を調整する部分に、入射角度調整部(1001)が更に追加された点である。入射角度調整部(1001)は、測定物(109)に対する集束部(105)が集束するテラヘルツ波パルスの入射角度について、測定物(109)と集束部(105)の相対的な角度を調整する部分である。図10の形態では、入射角度調整部(1001)は、テラヘルツ波パルスの入射方向に対して、測定物(109)の角度を調整するステージで構成する。ただし、テラヘルツ波パルスの入射方向に対し、測定物(109)の角度が相対的に動けばよいので、発生部(101)、検出部(102)、集束部(105)とそれらに付随する光学系の角度を動かす形態などでもよい。
【００７２】
図11は、装置の動作を説明する図である。実施形態3でも説明したが測定物(109)の複数の箇所で装置が測定を行う形態の場合、各測定箇所で測定対象となる第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)は、平行伝搬領域(303)の内部に設定された測定領域に収まっていることが望ましい。図11(a)のように、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)の形態によっては、反射部の一部が平行伝搬領域(303)からはずれる場合がある。例えば、図11(a)では、測定物(109)の第1の反射面(109a)は、第1の位置(801)の第1の平行伝搬領域(803)に収まっているが、第2の位置(802)の第2の平行伝搬領域(804)からは、はずれている。本実施形態では、これまで説明した調整部(108)と面方向位置調整部(701)に加え、入射角度調整部(1001)を用いて、測定物(109)の位置を3次元方向に調整する。本実施形態では、実施形態3の形態に比較して、角度方向の調整手段が追加されているので、測定物(109)の位置の調整に関し、自由度が向上する。測定物(109)の位置の調整の結果、図11(b)のように、第1の平行伝搬領域(803)と第2の平行伝搬領域(804)に対し、測定物(109)の第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が収まるように調整できる。測定領域は、この情報を参照して、第1の反射面(109a)と第2の反射面(109b)が各平行伝搬領域の内部に収まるように領域が設定される。尚、テラヘルツ波パルスの測定箇所は2つ以上あってもよい。
【００７３】
図12は、本実施形態の装置の方法を説明する図である。動作が開始されると、装置は、入射角度調整部(1001)を用いて測定物(109)に対するテラヘルツ波パルスの入射角度を調整する（ステップ(S301)）。装置は、動作の開始時点だけ測定物(109)を測定者が定めた所定の入射角度に調整し、その後の工程では、所定の入射角度を基準にして調整を行う形態でもよい。入射角度の調整が終了すると、装置は上述したステップ(S201)及びステップ(S101)からステップ(S103)を繰り返すことにより相対位置(304)と時間間隔Δtの関係を求める。ステップ(S103)の工程では、相対位置(304)と時間間隔Δtと面方向位置の他に、入射角度の情報を記憶部(110)に記憶する。
【００７４】
相対位置(304)の移動と面方向位置の移動が終了した後、入射角度の調整について終了条件を確認する。終了条件を満たしていない場合、ステップ(S301)に戻る。この終了条件は、例えば次のように定めることができる。入射角度を変化させる範囲を予め指定し、その範囲について入射角度を所定量ずつ動かし、指定した範囲を網羅した時点を終了条件とする。また、現時点の入射角度に対し、入射角度が大きくなる方向と小さくなる方向に入射角度を動かし、3つの入射角度について各平行伝搬領域の大きさや各平行伝搬領域の境界を比較した結果を終了条件に利用してもよい。各平行伝搬領域の大きさを比較する場合、現時点の入射角度における平行伝搬領域の大きさが、入射角度が大きくなる方向と小さくなる方向に変化させた時の平行伝搬領域の大きさに比較して最も大きいか、或いは変化していない場合、これを終了条件とする。また、各平行伝搬領域の境界を比較する場合、現時点の入射角度における各平行伝搬領域の境界に相当する各相対位置が、入射角度を大きくなる方向と小さくなる方向に変化させた時の値と比較して相対位置のずれが最も小さい場合、これを終了条件とする。比較する入射角度は、大きくなる方向と小さくなる方向の入射角度を用いているが、どちらか一方の角度だけで終了条件を判断することも可能である。
【００７５】
入射角度の調整が終了すると、装置は、ステップ(S104)によって測定領域を設定し、ステップ(S105)によって測定領域に測定物(109)を移動する。
【００７６】
本実施形態の時間波形取得装置及び方法に依れば、入射角度調整部(1001)によって、測定物(109)に入射する電磁波の入射角度を調節し得る。そして、測定物(109)の複数の位置において、測定物(109)の観察対象部分が測定領域に収まるように、相対位置の調整に並行して入射角度の調整を行う。そのため、より広い領域に亘って測定物(109)の測定を安定的に行うことができ、装置及び方法の汎用性が改善される。また、測定物(109)の観察対象部分からの電磁波について、検出部(102)の出力が高まるように入射角度を調整する場合、信号の検出感度が改善される。そのため、信号のＳＮ比が改善され測定精度の信頼性が改善される。
【００７７】
（実施形態5）
本発明の思想を実施し得る形態について、実施形態5として図面を参照して説明する。本実施形態は、具体的には、これまで説明した相対位置(304)の調整部分の変形例である。より具体的には、実施形態4で説明した装置の変形例である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
【００７８】
図13は、本実施形態の装置の概略構成図である。図10に示した実施形態と比較すると、本実施形態の装置は、相対位置(304)の調整部分が調整部(108)と入射角度調整部(1001)で構成されている点が異なる。本実施形態の入射角度調整部(1001)は、実施形態4で説明したものと同じ機能を有する。
【００７９】
図14は、装置の動作を説明する図である。図14(a)のように、相対位置(304)の調整の際、測定物(109)に入射するテラヘルツ波パルスの入射角度によっては、反射したテラヘルツ波パルスの経路が検出部(102)からはずれ、検出部(102)からの出力の信号強度が低下することがある。そこで、本実施形態では、図14(b)のように、入射角度調整部(1001)は、測定物(109)に入射するテラヘルツ波パルスの入射角度を調節し、反射したテラヘルツ波パルスが検出部(102)に入射するように調節する。その結果、検出部(102)から出力される信号とノイズの比が高まり、測定精度を高めることができる。
【００８０】
図15は、本実施形態の装置の方法を説明する図である。動作が開始されると、装置は、入射角度調整部(1001)を用いて検出部(102)の出力が最大になるように測定物(109)に対するテラヘルツ波パルスの入射角度を調節する（ステップ(S401)）。入射角度の調節が終了すると、本装置は、これまで説明したようにステップ(S101)からステップ(S105)の工程により、測定領域を設定し、測定物(109)を測定領域に調節する。
【００８１】
本実施形態の時間波形取得装置及び方法に依れば、測定物(109)の観察対象部分からの電磁波パルスについて、検出部(102)の出力が高まるように入射角度を調整する。その結果、検出部(102)から出力される信号の検出感度が改善される。そのため、信号のＳＮ比が改善され測定精度の信頼性が改善される。
【符号の説明】
【００８２】
101・・発生部、102・・検出部、103・・光源、104・・遅延光学部、105・・集束部、106・・波形取得部、107・・領域指定部  108・・調整部、109・・測定物、109a・・第1の反射面、109b・・第2の反射面、110・・記憶部、111・・データベース
【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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【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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