(57)【要約】【課題】微小な試料を高いＳＮＲで観察できる観察装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ波の波長よりも小さい開口22aを有する伝導体薄膜22と、被観察物Sを載置する載置面21aを有する電気光学結晶21と、伝導体薄膜22にパルス状のテラヘルツ波を照射する第１の照射系15と、電気光学結晶21にテラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の照射系と、電気光学結晶21を伝播した第２の電磁波の偏光状態を検出する検出系と、を備え、伝導体薄膜22は、開口22aが載置面21a上に位置するように配置され、第１の照射系15は、テラヘルツ波を開口22a及び被観察物Sを透過させて電気光学結晶21に照射し、第２の照射系は、電気光学結晶21内で第２の電磁波の一部が、開口22a及び被観察物Sを透過したテラヘルツ波と重なるように、第２の電磁波を電気光学結晶21に照射する。【選択図】図１
2014190966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口を有する伝導体薄膜と、
被観察物を載置する載置面を有する電気光学結晶と、
前記伝導体薄膜にパルス状のテラヘルツ波を照射する第１の照射系と、
前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出系と、
を備え、
前記伝導体薄膜は、前記第１の開口が前記載置面上に位置するように配置され、
前記第１の照射系は、前記テラヘルツ波を前記第１の開口及び前記被観察物を透過させて前記電気光学結晶に照射し、
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶内で前記第２の電磁波の一部が、前記第１の開口及び前記被観察物を透過した前記テラヘルツ波と重なるように、前記第２の電磁波を前記電気光学結晶に照射することを特徴とする観察装置。
【請求項２】
前記第１の開口は、前記テラヘルツ波の波長よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記伝導体薄膜は、前記電気光学結晶上に成膜されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記伝導体薄膜は、誘電体材料の表面に成膜されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の観察装置。
【請求項５】
前記伝導体薄膜は、第２の開口をさらに有し、
前記第１の照射系は、前記テラヘルツ波を前記第２の開口を透過させて前記電気光学結晶に照射し、
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶内で前記第２の電磁波の一部が、前記第２の開口を透過した前記テラヘルツ波と重なるように、前記第２の電磁波を前記電気光学結晶に照射し、
前記検出系は、前記第１の開口に対応する前記電気光学結晶の領域を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態と、前記第２の開口に対応する前記電気光学結晶の領域を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態とに基づいて、前記被観察物により変調されたテラヘルツ波成分を検出する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の観察装置。
【請求項６】
前記伝導体薄膜は、複数の伝導体リングを有する多重リング構造からなる、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の観察装置。
【請求項７】
前記多重リング構造は、非周期的に配列したリングからなる、
ことを特徴とする請求項６に記載の観察装置。
【請求項８】
前記伝導体薄膜は、ブルズアイ構造からなる、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の観察装置。
【請求項９】
前記第２の電磁波は、近赤外光である、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を使用して試料を観察する観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を利用したセンシング技術が発達してきている。テラヘルツ周波数帯は、アミノ酸などの高分子が物質固有の吸収スペクトルを有し、半導体材料のプラズマ周波数が位置するなど、物質探索に重要な様々な現象が観測される周波数領域である。
【０００３】
テラヘルツ波は、可視光と比べて波長が非常に長い（周波数１ＴＨｚが波長３００μｍに相当）。そのため、回折限界によって数百μｍ以下の細かい領域における分光測定、またはイメージングを行うことが難しい。この空間分解能の問題を打破するために、近接場を利用した手法が開発されている。例えば、非特許文献１には、テラヘルツ波のセンサである電気光学結晶の上に試料を直接載置し、試料を透過したテラヘルツ波を試料の近接場領域で検出することで回折限界を超える分解能を達成することが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Doi, F. Blanchard, T. Tanaka, and K. Tanaka,"Improving spatial resolution of real-time terahertz near-field microscope", Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves, vol.32, pp.1043-1051, (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、テラヘルツ波を使用して微小な試料を観察する場合は、テラヘルツ波と試料との相互作用が小さいため、なるべく高いＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）で測定を行うことが望ましい。そのためには、テラヘルツ波の信号強度を向上させることが有用である。しかしながら、従来のテラヘルツ波を使用する観察装置にあっては、微小な試料を必ずしも十分なＳＮＲで観察することができなかった。
【０００６】
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、微小な試料を高いＳＮＲで観察できる観察装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る観察装置は、
第１の開口を有する伝導体薄膜と、
被観察物を載置する載置面を有する電気光学結晶と、
前記伝導体薄膜にパルス状のテラヘルツ波を照射する第１の照射系と、
前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出系と、
を備え、
前記伝導体薄膜は、前記第１の開口が前記載置面上に位置するように配置され、
前記第１の照射系は、前記テラヘルツ波を前記第１の開口及び前記被観察物を透過させて前記電気光学結晶に照射し、
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶内で前記第２の電磁波の一部が、前記第１の開口及び前記被観察物を透過した前記テラヘルツ波と重なるように、前記第２の電磁波を前記電気光学結晶に照射することを特徴とするものである。
【０００８】
前記第１の開口は、前記テラヘルツ波の波長よりも小さくてもよい。
【０００９】
前記伝導体薄膜は、前記電気光学結晶上に成膜されてもよい。
【００１０】
前記伝導体薄膜は、誘電体材料の表面に成膜されてもよい。
【００１１】
前記伝導体薄膜は、第２の開口をさらに有し、
前記第１の照射系は、前記テラヘルツ波を前記第２の開口を透過させて前記電気光学結晶に照射し、
前記第２の照射系は、前記電気光学結晶内で前記第２の電磁波の一部が、前記第２の開口を透過した前記テラヘルツ波と重なるように、前記第２の電磁波を前記電気光学結晶に照射し、
前記検出系は、前記第１の開口に対応する前記電気光学結晶の領域を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態と、前記第２の開口に対応する前記電気光学結晶の領域を伝播した前記第２の電磁波の偏光状態とに基づいて、前記被観察物により変調されたテラヘルツ波成分を検出してもよい。
【００１２】
前記伝導体薄膜は、複数の伝導体リングを有する多重リング構造としてもよい。
【００１３】
前記多重リング構造は、非周期的に配列したリングからなるようにしてもよい。
【００１４】
前記伝導体薄膜は、ブルズアイ構造としてもよい。
【００１５】
前記第２の電磁波は、近赤外光としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、テラヘルツ波を使用して微小な試料を高いＳＮＲで観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。
【図２】図１の試料載置部の構成を説明するための図である。
【図３】図１の伝導体薄膜の２つの例を示す図である。
【図４】多重リング構造の伝導体薄膜による電場増強の様子を説明するための写真である。
【図５】伝導体薄膜による信号強度比の実験結果を示す図である。
【図６】図５の実験に供した他の３つの伝導体薄膜の構成を示す図である。
【図７】第２実施の形態に係る観察装置の要部の構成を説明するための図である。
【図８】第３実施の形態に係る観察装置の要部の構成を説明するための図である。
【図９】第４実施の形態に係る観察装置の要部の構成を説明するための図である。
【図１０】第５実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１９】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。この観察装置は、試料Ｓを顕微観察するものである。図１において、レーザ光源１１は、フェムト秒近赤外パルスレーザを射出する。レーザ光源１１から射出されたフェムト秒近赤外パルスレーザは、ビームスプリッタ１２によってポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、ポンプ光調整光学系１３を経てテラヘルツ波発生素子１４に入射される。これにより、テラヘルツ波発生素子１４からテラヘルツ波が放射される。
【００２０】
ここで、テラヘルツ波発生素子１４は、非線形光学結晶や光伝導アンテナなどが利用可能である。ポンプ光調整光学系１３は、使用されるテラヘルツ波発生素子１４に応じて適切に構成される。例えば、テラヘルツ波発生素子１４が光伝導アンテナで構成される場合、ポンプ光調整光学系１３は図１に示すようにレンズを用いて構成される。また、テラヘルツ波発生素子１４が高強度テラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ３結晶で構成される場合、ポンプ光調整光学系１３は回折格子などの光学素子を用いて構成されるのが望ましい（H. Hirori, A. Doi, F. Blanchard, and K. Tanaka, “Single-cycle terahertz pulses with amplitudes exceeding 1 MV/cm generated by optical rectification in LiNbO3”, Applied Physics Letters, vol. 98, 091106 (2011).参照）。
【００２１】
テラヘルツ波発生素子１４で発生されたテラヘルツ波は、第１の照射系を構成するテラヘルツ波集光光学系１５を経て試料載置部２０に集光される。なお、テラヘルツ波集光光学系１５は、テラヘルツ波を透過させるプラスチック製のレンズや放物面鏡などにより構成される。
【００２２】
一方、ビームスプリッタ１２で分岐されたプローブ光は、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、無偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ３５及び対物レンズ３６を経て試料載置部２０に照射される。したがって、図１においては、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、無偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ３５及び対物レンズ３６により、第２の照射系が構成されている。
【００２３】
試料載置部２０は、図２に模式的に拡大して示すように、被観察物である試料Ｓを載置する載置面２１ａを有する電気光学結晶２１と、テラヘルツ波の波長よりも小さい直径の開口（第１の開口）２２ａを有する伝導体薄膜２２とを有する。本実施の形態においては、電気光学結晶２１の載置面２１ａに、テラヘルツ波は透過し、プローブ光は反射させる反射膜２３が成膜されており、その反射膜２３上に伝導体薄膜２２が成膜されている。
【００２４】
伝導体薄膜２２は、例えば銅、金、アルミニウム等の金属により、例えば図３（ａ）に平面図で示すような同心円状の非周期的な複数の伝導体リングを有する多重リング構造、又は図３（ｂ）に平面図で示すような単一の伝導体リングを有する単リング構造で形成することができる。試料Ｓは、開口２２ａから露出する反射膜２３上に載置される。
【００２５】
テラヘルツ波は、試料Ｓの上部から照射され、試料Ｓを透過することにより変調されて電気光学結晶２１に入射される。一方、プローブ光は、電気光学結晶２１の下方から入射され、電気光学結晶２１内を伝播した後、反射膜２３で反射されて再び電気光学結晶２１内を伝播して、電気光学結晶２１から射出される。
【００２６】
ここで、電気光学結晶２１は、電場が印加されると電気光学結晶２１内に複屈折が誘起される性質を有している。そのため、テラヘルツ波が電気光学結晶２１内に入射されると、テラヘルツ波の電場によって電気光学結晶２１内に複屈折が生じる。この状態でプローブ光が電気光学結晶２１内を伝播すると、テラヘルツ波電場で生じた複屈折によってプローブ光の偏光が変化する。したがって、このプローブ光の偏光の変化を検出すれば、電気光学結晶２１に入射したテラヘルツ波成分、つまり試料Ｓで変調されたテラヘルツ波成分を検出することができる。なお、伝導体薄膜２２の作用については、後述する。
【００２７】
通常、テラヘルツ波の波長は、数ｍｍ〜数百μｍ程度である。そのため、テラヘルツ波を用いてイメージングを行う場合、空間分解能は回折限界によって数ｍｍ〜数百μｍ程度となる。しかし、図１の構成によると、試料Ｓを透過したテラヘルツ波が回折によって試料Ｓの微細な空間情報を失う前に、電気光学結晶２１の複屈折によってプローブ光の偏光が変調されるので、回折限界を超える分解能を実現することができる。なお、電気光学結晶２１に照射されるプローブ光の偏光方向は、電気光学結晶２１で生じた複屈折によって偏光状態が大きく変化するように、１／２波長板３１によって予め調整される。
【００２８】
図１において、電気光学結晶２１を伝播したプローブ光は、対物レンズ３６及び結像レンズ３５を経て無偏光ビームスプリッタ３４に入射されて往路と分離される。そして、往路と分離されたプローブ光は、１／４波長板４１及び１／２波長板４２により偏光状態が調整された後、偏光ビームスプリッタ４３によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐される。これら分岐されたＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、光路調整光学系４４及び４５により偏光ビームスプリッタ４６から平行に射出されるように光路調整されて、カメラ４７の撮像素子４８の異なる受光領域に結像される。撮像素子４８の出力は、信号処理回路４９により処理される。したがって、図１において、結像レンズ３５、対物レンズ３６、１／４波長板４１、１／２波長板４２、偏光ビームスプリッタ４３、光路調整光学系４４及び４５、偏光ビームスプリッタ４６、カメラ４７、信号処理回路４９は、検出系を構成する。
【００２９】
ここで、１／４波長板４１及び１／２波長板４２は、電気光学結晶２１にテラヘルツ波が入射されない状態において、電気光学結晶２１を伝播して偏光ビームスプリッタ４３に入射されるプローブ光の偏光が４５度傾いた直線偏光となるように調整される。したがって、この状態では、偏光ビームスプリッタ４３により偏光分離されるプローブ光のＳ偏光とＰ偏光との強度比は１：１となり、カメラ４７には等しい強度のＳ偏光成分及びＰ偏光成分のプローブ光の像が形成される。これに対し、電気光学結晶２１にテラヘルツ波が入射して電気光学結晶２１に複屈折が生じた状態では、プローブ光の偏光が複屈折により変化して楕円偏光となり、結果として偏光ビームスプリッタ４３で分離されるＳ偏光成分とＰ偏光成分との強度比が変化して、撮像素子４８に結像される像の強度比もそれに応じて変化する。
【００３０】
したがって、信号処理回路４９において、撮像素子４８で取得されるＳ偏光成分の像とＰ偏光成分の像との差を演算すれば、テラヘルツ波が電気光学結晶２１に入射していない状態では、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度が等しいため、信号強度差はゼロとなる。これに対し、テラヘルツ波が電気光学結晶２１に入射したときには、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度差はゼロではなくなる。すなわち、テラヘルツ波の電場振幅強度となる。
【００３１】
このように、電気光学結晶２１を伝播したプローブ光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の像を撮像素子４８に結像させれば、つまり撮像素子４８を電気光学結晶２１の内部と共役な関係になるように配置すれば、電気光学結晶２１に入射したテラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することができる。しかも、電気光学結晶２１に入射するテラヘルツ波は、試料Ｓで変調されて試料Ｓの情報が転写されたものとなるので、テラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することにより試料Ｓを観察することが可能となる。
【００３２】
ここで、テラヘルツ波のパルス幅は数ｐｓ程度であり、プローブ光のパルス幅は１００ｆｓ程度である。電気光学結晶２１内で複屈折が生じている時間は非常に短いため、プローブ光の偏光変化に反映されるテラヘルツ波の電場の情報は、プローブ光のパルス幅に相当する時間幅の成分のみとなる。
【００３３】
そこで、本実施の形態においては、必要に応じて、プローブ光の光路にある光路調整光学系３２により、プローブ光とテラヘルツ波との相対時間差を変化させる。これにより、検出されるテラヘルツ波の時間を掃引して、信号処理回路４９においてテラヘルツ波の時間変化を画像のシーケンスとして検出する。また、信号処理回路４９において、必要に応じて、検出した画像のシーケンスをフーリエ変換して、周波数スペクトル画像を生成する。
【００３４】
次に、伝導体薄膜２２の作用について説明する。上述したように、試料Ｓは、伝導体薄膜２２の開口２２ａから露出する反射膜２３上に載置される。伝導体薄膜２２にテラヘルツ波が照射されると、図２に示すように、開口２２ａの付近Ａにおいてテラヘルツ波の電場増強が生じ、特に、開口２２ａの直径がテラヘルツ波の波長よりも小さい場合にその効果が大きい。これは、テラヘルツ波によって誘起されたプラズモンポラリトンが伝導体薄膜２２を伝播して、中央の微小な開口２２ａから高いエネルギー密度で散乱されるためである。
【００３５】
図４（ａ）〜（ｃ）及び図５は、この電場増強の様子を、実験及び計算により検証した結果の説明図である。なお、図４（ａ）〜（ｃ）において、ｘ及びｙは水平軸、ｚは垂直軸を示す。図４（ａ）は、実際に作製した伝導体薄膜２２の可視光画像の写真である。この伝導体薄膜２２は、中心の開口２２ａの直径が７０μｍであり、非周期的な同心円状の８つの伝導体リングを有する多重リング構造からなる。また、開口２２ａの中央に試料Ｓが配置されている。
【００３６】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の伝導体薄膜２２でテラヘルツ波が増強される様子の計算結果を示すもので、伝導体薄膜２２に照射されたテラヘルツ波が開口２２ａを透過する様子のある時間の電場振幅分布を計算した写真である。図４（ｂ）において、テラヘルツ波は上方から下方に伝播している。図４（ｂ）から、開口２２ａにおいて、局所的に、入射したテラヘルツ波よりも高い強度成分が生じていることがわかる。
【００３７】
また、図４（ｃ）は、図４（ａ）の伝導体薄膜２２を試料Ｓがない状態において、実際にテラヘルツ波で測定した場合の写真である。この画像は、テラヘルツ波が電気光学結晶２１内を透過するあるタイミングを切り出したものであるが、中央の開口２２ａにおいて局所的にテラヘルツ波強度が高くなっていることがわかる。
【００３８】
図５は、伝導体薄膜２２がある場合と無い場合との信号強度比（増強度）を実測して周波数毎に示した図である。図５において、縦軸の信号強度比「１」は伝導体薄膜２２が無い場合の信号強度に等しいことを意味する。図５では、伝導体薄膜が、メタマテリアル構造であるスプリットリング共振器（ＳＲＲ; Sprit Ring Resonator）及び二重スプリットリング共振器（ＤＳＲＲ; Double ＳＲＲ）、ダイポールアンテナからなる場合の結果もともに記してある。
【００３９】
図６（ａ）〜（ｃ）は、図５の実験に供したＳＲＲ、ＤＳＲＲ、ダイポールアンテナの一具体例を示す平面図である。ＳＲＲは、図６（ａ）に示すように、一辺が５０μｍの矩形をなし、導体幅が９μｍ、アンテナギャップが４μｍからなる。ＤＳＲＲは、図６（ｂ）に示すように、一辺が５１μｍの矩形をなし、導体幅が９μｍ、アンテナギャップが４μｍ、各リング開口の短辺が１２μｍからなる。ダイポールアンテナは、図６（ｃ）に示すように、全長が１５０μｍ、導体幅が１０μｍ、アンテナギャップが３μｍからなる。
【００４０】
図５において、ＳＲＲやＤＳＲＲは比較的増強度が高いが、増強される周波数帯が狭いことがわかる。一方、図４（ａ）の多重リング構造では、増強度は最大で３程度であるが、広い周波数範囲で増強が起きていることがわかる。
【００４１】
図４（ａ）の多重リング構造の伝導体薄膜２２は、非周期的な８つの伝導体リングを有するが、伝導体リングの個数や周期によって増強の大きさや周波数が異なる。例えば、伝導体リングを周期的に形成すると、増強の大きさが大きくなる代わりに、増強が生じる周波数帯が狭くなる。また、伝導体リングの周期をランダムにしていくと、図５に示したように増強度が小さくなる代わりに周波数帯が広くなって、図３（ｂ）に示した単リング構造の効果に近付いていくことになる。よって、使用用途によって適切な構造を使用することが望ましい。
【００４２】
試料Ｓは、図２に示したように、伝導体薄膜２２の開口２２ａに載置される。これにより、増強されたテラヘルツ波が試料Ｓ及び電気光学結晶２１に入射することになるので、試料Ｓと相互作用したテラヘルツ波を高い信号強度で検出することが可能となる。また、伝導体薄膜２２が上記のメマタテリアル構造やダイポールアンテナなどからなる場合は、増強される面積が小さいため、増強電場を用いてイメージングを行うことは難しいが、図３（ａ）及び（ｂ）に示したようなリング形状からなる場合は、ある程度の範囲を一様に増強できるので、イメージングを行うことが可能となる。
【００４３】
つまり、開口２２ａの大きさがテラヘルツ波の波長よりも小さいことから、リング形状の伝導体薄膜２２によってテラヘルツ波が増強される範囲は、テラヘルツ波の波長よりも小さい面積となり、テラヘルツ波にとって非常に局所的な増強となる。一方、図１に示したように、テラヘルツ波を使用する顕微観察における試料Ｓの観察範囲は、テラヘルツ波の波長よりも小さい範囲となる。
【００４４】
したがって、伝導体薄膜２２により電場が増強される範囲がテラヘルツ波の波長以下であっても、顕微観察にとっては十分な観察範囲を確保することができる。実際に、図４（ｃ）においては、１０μｍ程度の試料を観察することが可能である（倍率の高い対物レンズを使用することで、より中心部を拡大して観察することもできる）。しかも、伝導体薄膜２２は、試料Ｓ及び電気光学結晶２１の近傍に位置するので、増強された局所電場が試料Ｓ及び電気光学結晶２１に入射し、効率的に信号を得ることができる。以上により、本実施の形態に係る観察装置によれば、テラヘルツ波を用いて微小な試料Ｓを高い信号強度で顕微観察することが可能となる。また、プローブ光として、近赤外光を用いることで、レーザ光源１１をテラヘルツ波発生用のポンプ光の光源としても共用することができる。
【００４５】
（第２実施の形態）
第２実施の形態に係る観察装置は、図１に示した構成において、伝導体薄膜２２が図７に模式的に示すように、第１の開口２２ａと第２の開口２２ｂとの二つの開口を有して構成される。試料Ｓは、一方の開口（図７では第１の開口２２ａ）の位置に載置される。テラヘルツ波は、第１の開口２２ａ及び第２の開口２２ｂを含む領域に照射される。同様に、プローブ光は、第１の開口２２ａ及び第２の開口２２ｂを含む領域と対応する電気光学結晶２１（図１参照）の領域に照射される。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態によると、図１の信号処理回路４９において、撮像素子４８の出力に基づいて、第１の開口２２ａ及び試料Ｓを透過したテラヘルツ波成分の画像信号と、試料Ｓのない第２の開口２２ｂを透過したテラヘルツ波成分の画像信号とを同時に得ることができる。したがって、信号処理回路４９において、第２の開口２２ｂを透過したテラヘルツ波成分の画像信号をリファレンスとして、両画像信号の差又は商を演算すれば、電気光学結晶２１自体による変調成分であるバックグラウンドや、レーザ光源１１（図１参照）からのレーザ光の揺らぎの影響を除去することができる。これにより、試料Ｓによるテラヘルツ波成分の画像信号を、より高いＳＮＲで得ることができる。
【００４７】
（第３実施の形態）
第３実施の形態に係る観察装置は、図１に示した構成において、試料Ｓの観察に図８に模式的に示すように誘電体材料からなるカバーガラス２５を用い、カバーガラス２５の電気光学結晶２１と対向する面に、第１又は２実施の形態で示した伝導体薄膜２２を成膜したものである。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
試料Ｓとして生細胞などを観察する場合、カバーガラスを利用することが望ましい。特に、テラヘルツ波は水による吸収が大きいので、カバーガラスで水の厚さを制限することが望ましい。そこで、本実施の形態においては、カバーガラス２５に伝導体薄膜２２を成膜する。
【００４９】
本実施の形態に係る観察装置によると、カバーガラス２５を移動させることで試料Ｓの観察視野を移動させることができる。したがって、第１又は２実施の形態のように、電気光学結晶２１に伝導体薄膜２２を成膜する場合と比較して、観察範囲の自由度を拡げることができる。また、試料Ｓが生細胞の場合、生細胞を基板（電気光学結晶）に接着させるため、一度接着させた後は電気光学結晶を取り替えることはできないが、カバーガラス２５の交換は簡単に行うことができるので、異なるサイズや異なるパターンの伝導体薄膜２２を用いることも簡単に行うことができる。
【００５０】
（第４実施の形態）
第４実施の形態に係る観察装置は、図１に示した構成において、伝導体薄膜２２が図９に模式的に示すようにブルズアイ構造からなるものである。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
ブルズアイ構造はプラズモン共鳴を利用して、狭い周波数領域で高い電場増強を実現するものである（例えば、K. Ishihara, G. Hatakoshi, T. Ikari, H. Minamide, H. Ito, and K. Ohashi, “Terahertz Wave Enhanced Transmission through a Single Subwavelength Aperture with Periodic Surface Structures,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 44, No. 32, pp. L1005 (2005)）。このように、伝導体薄膜２２をブルズアイ構造とすると、上述した多重リング構造や単リング構造と比べて、プラズモン共鳴を利用して、比較的狭いテラヘルツ周波数帯域で高い電場増強度を実現することができる。したがって、狭い周波数帯域で、より高い増強度を得たい場合に有用である。
【００５２】
（第５実施の形態）
図１０は、第５実施の形態に係る観察装置の全体の概略構成図である。この観察装置は、図１に示した構成において、プローブ光をテラヘルツ波と同じ方向から試料載置部２０に入射させるようにしたものである。そのため、テラヘルツ波集光光学系１５と試料載置部２０との間には、ビーム合成素子５０が配置されている。ビーム合成素子５０は、例えばハーフミラーやダイクロイックミラー等で構成され、テラヘルツ波集光光学系１５からのテラヘルツ波は透過させて試料載置部２０に入射させ、ビームエキスパンダ３３からのプローブ光は反射させて試料載置部２０に入射させる。なお、図２に示した電気光学結晶２１上の反射膜２３は不要となる。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
本実施の形態によると、プローブ光は電気光学結晶２１を透過して伝播する際に、試料Ｓで変調されたテラヘルツ波成分によって偏光方向が変調される。しかも、試料Ｓで変調されるテラヘルツ波は、上述したように伝導体薄膜２２により電場増強されるので、上述した実施の形態の場合と同様に、電気光学結晶２１を伝播したプローブ光の偏光状態に基づいて、微小な試料Ｓを高いＳＮＲで観察することができる。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記各実施の形態を適宜組み合わせて観察装置を構成してもよい。また、第１〜４実施の形態において、電気光学結晶２１上の反射膜２３は省略してもよい。さらに、電気光学結晶２１からプローブ光が射出する面に、プローブ光に対する反射防止膜を成膜してもよい。また、伝導体薄膜２２の外形は、円形や楕円形に限らず、矩形等の他の形状としてもよい。同様に、伝導体薄膜２２に形成される開口の形状も、円形に限らず、テラヘルツ波の波長以下の矩形等の他の形状としてもよい。ただし、開口は電気光学結晶２１上もしくはその極近傍に配置される。
【００５５】
また、第１実施の形態において、試料がない状態での画像信号をリファレンス信号として取得して記憶し、そのリファレンス信号と試料がある状態での画像信号との差や商を演算して、第２実施の形態と同様にＳＮＲの高い画像信号を得でもよい。さらに、第２実施の形態において、伝導体薄膜２２の開口２２ａ、２２ｂは、図７の構成に限らず、例えば図３（ｂ）に示したような単リング構造の伝導体薄膜２２を２つ並べて構成してもよい。また、伝導体薄膜２２を多重リング構造で構成し、中央の開口を第１の開口とし、中央の開口以外の隙間を第２の開口として、第２の開口からの信号をリファレンス信号として使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１  レーザ光源
１２  ビームスプリッタ
１３  ポンプ光調整光学系
１４  テラヘルツ波発生素子
１５  テラヘルツ波集光光学系
２０  試料載置部
２１  電気光学結晶
２１ａ  載置面
２２  伝導体薄膜
２２ａ  開口（第１の開口）
２２ｂ  開口（第２の開口）
２３  反射膜
２５  カバーガラス
３１  １／２波長板
３２  光路調整光学系
３３  ビームエキスパンダ
３４  無偏光ビームスプリッタ
３５  結像レンズ
３６  対物レンズ
４１  １／４波長板
４２  １／２波長板
４３、４６  偏光ビームスプリッタ
４４、４５  光路調整光学系
４７  カメラ
４８  撮像素子
４９  信号処理回路
５０  ビーム合成素子
Ｓ  試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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