(57)【要約】  本発明は、パルス型電磁高周波放射（８）の時間分解キャプチャのための装置（１）に関し、生成器（２）であって、前記装置の動作中に、前記生成器（２）が前記電磁高周波放射（８）のパルスを生成するように適合されている、生成器（２）と、検出器（３）であって、前記装置の動作中に、前記検出器がサンプル（４）によって反射された前記パルスの場強度を時間の関数（１０）としてキャプチャするように適合及び配列されている、検出器（３）と、を備える装置（１）において、前記装置は、距離測定システム（１２）と、前記検出器（３）及び前記距離測定システム（１２）に接続された評価装置（９）と、を更に有し、前記距離測定システム（１２）は、前記装置の動作中に、前記距離測定システム（１２）が前記生成器（２）と前記サンプル（４）との間及び／又は前記サンプル（４）と前記検出器（３）との間の距離変化を時間の関数（１３）としてキャプチャするように適合及び配列されており、前記評価装置（９）は、前記評価装置（９）が時間（１０）にわたる前記場強度についての補正された関数（１４）を、時間にわたる前記場強度についての前記キャプチャされた関数（１０）及び時間にわたる前記距離変化についての前記検出された関数（１３）から計算するように適合されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス型電磁高周波放射（８）の時間分解キャプチャのための装置（１）であって、
生成器（２）であって、前記装置の動作中に、前記生成器（２）が前記電磁高周波放射（８）のパルスを生成するように適合されている、生成器（２）と、
検出器（３）であって、前記装置の動作中に、前記検出器がサンプル（４）によって反射された前記パルスの場強度を時間の関数（１０）としてキャプチャするように適合及び配列されている、検出器（３）と、を備える装置（１）において、
前記装置は、距離測定システム（１２）と、前記検出器（３）及び前記距離測定システム（１２）に接続された評価装置（９）と、を更に有し、
前記距離測定システム（１２）は、前記装置の動作中に、前記距離測定システム（１２）が前記生成器（２）と前記サンプル（４）との間及び／又は前記サンプル（４）と前記検出器（３）との間の距離変化を時間の関数（１３）としてキャプチャするように適合及び配列されており、
前記評価装置（９）は、前記評価装置（９）が時間（１０）にわたる前記場強度についての補正された関数（１４）を、時間にわたる前記場強度についての前記キャプチャされた関数（１０）及び時間にわたる前記距離変化についての前記検出された関数（１３）から計算するように適合されていることを特徴とする、装置（１）。
【請求項２】
前記距離測定システム（１２）は、干渉計又はレーダシステムであることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記装置は、
前記装置の動作中に、パルス形式の光電磁放射線を生成するように適合されている短パルスレーザ源と、
前記電磁高周波放射（８）のパルスのための前記生成器（２）と、
前記電磁高周波放射（８）のパルスのための前記検出器（３）と、
前記装置の動作中に、前記光放射の第１部分を前記生成器（２）上に、前記光放射の第２部分を前記検出器（３）上に渡すように適合及び配列されているビーム分割装置と、
前記装置の動作中に、前記検出器（３）上での前記電磁高周波放射（８）のパルスの衝突と前記光電磁放射線のパルスとの間の時間遅延が、前記遅延装置によって調節可能に変更可能であるように適合されている、遅延装置と、を有する時間領域分光計（１１）を含み、
前記遅延装置は、前記評価装置（９）に接続されており、
前記評価装置（９）は、前記装置の動作中に、前記遅延装置及び前記時間遅延を制御するように適合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
【請求項４】
パルス型電磁高周波放射（８）の時間分解キャプチャのための方法であって、
生成器（２）によって電磁高周波放射（８）のパルスを生成するステップと、
前記電磁高周波放射（８）のパルスによってサンプル（４）を照射するステップと、
前記サンプル（４）によって反射された前記パルスの場強度を検出器（３）によって時間の関数（１０）としてキャプチャするステップと、を備える方法において、
前記方法は、
前記生成器（２）と前記サンプル（４）との間又は前記サンプル（４）と前記検出器（３）との間の距離変化を距離測定システム（１２）によって時間の関数（１３）としてキャプチャするステップと、
時間にわたる前記場強度についての補正された関数（１４）を、時間にわたる前記場強度についての前記キャプチャされた関数（１０）及び時間にわたる前記距離変化の関数（１３）から計算するステップと、を更に備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
前記場強度についての前記補正された関数（１４）は、前記生成器と前記サンプル（４）との間又は前記サンプル（４）と前記検出器（３）との間の距離が、前記パルスの継続期間中に変化しないならば、前記場強度がキャプチャされるであろう時間に対応するそれぞれの時間ｔから時間ｔ’までにおいて転送されているパルスの前記キャプチャされた場強度によって計算されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記サンプル（４）は、それぞれ層厚ｄｉの複数のＮ個の互いに重塁した層Ｓｉを有し、ｉ＝１、２、３、...、Ｎであり、全Ｎ個の層の層厚ｄｉは、時間（１０）にわたる前記場強度についての前記補正された関数から決定されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記層厚ｄｉを決定することについての前記動作は、
ａ）それぞれの層Ｓｉについての層厚ｄｉ、吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉ（ただし、ｉ＝１、２、３、...、Ｎ）を選択するステップと、
ｂ）前記サンプル（４）によって反射された前記電磁高周波放射についての時間依存電場ＥＭ(ｔ)をモデルによって計算するステップであって、前記モデルは、測定環境と前記サンプル（４）との間及び前記個々の層同士の間のＮ＋１個の界面の数に従う時間依存電場Ｅｊ(ｔ)（ただし、ｊ＝０、１、２、３、...、Ｎ）をそれぞれ考慮し、前記電場Ｅｊ(ｔ)は、前記層厚ｄｉ、前記吸収指数ｋｉ及び前記屈折率ｎｉに基づいて前記時間依存電場ＥＭ(ｔ)に加えられる、ステップと、
ｃ）前記計算された時間依存電場ＥＭ(ｔ)を時間にわたる前記電場についての前記補正された関数と比較するステップであって、
ｄ）前記計算された電場ＥＭ(ｔ)と前記キャプチャされた電場ＥＰ(ｔ)との間の偏差Ｑが予め定めた許容量Ｔよりも大きいとき、前記層厚ｄｉ、前記屈折率ｎｉ及び前記吸収指数ｋｉは、前記偏差Ｑが前記許容量Ｔよりも小さくなるまでずっと変更されて、ステップｂ）からｄ）までが反復される、ステップと、
ｅ）前記層厚決定動作の結果として前記層厚ｄｉを提供するステップと、を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電磁高周波放射（８）は、予め定めた周波数帯域幅を有し、ステップｂ）において、前記吸収指数ｋｉは、用いる前記電磁高周波放射の周波数帯域幅にわたって一定であるように仮定され、前記屈折率ｎｉは、用いる前記電磁高周波放射の周波数帯域幅にわたって一定であるように仮定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記電磁高周波放射（８）は、予め定めた周波数帯域幅を有し、ステップｂ）において、前記吸収指数ｋｉは、用いる前記電磁高周波放射の周波数帯域幅にわたって変化しているように仮定され、前記屈折率ｎｉは、用いる前記電磁高周波放射の周波数帯域幅にわたって変化しているように仮定され、ステップｂ）における前記計算は、前記周波数での前記吸収指数ｋｉ及び前記屈折率ｎｉの関数に基づいていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記電磁高周波放射（８）は、予め定めた周波数帯域幅を有し、前記吸収指数ｋｉ及び前記屈折率ｎｉの周波数依存性は、前記層のそれぞれについての前記周波数帯域幅にわたる較正測定において前もって予め定められ、前記予め定めた周波数依存性は、ステップｂ）における前記計算のための基準を形成することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記生成器と前記サンプル（４）との間又は前記サンプル（４）と前記検出器（３）との間の距離変化を時間の関数としてキャプチャすることは、１００ｋＨｚ以上、好ましくは１５０ｋＨｚ以上、特に好ましくは２００ｋＨｚ以上の測定レートによって達成されることを特徴とする、請求項４乃至１０のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置に関し、この装置は、生成器であって、装置の動作中に、生成器が電磁高周波放射のパルスを生成するように適合されている、生成器と、検出器であって、装置の動作中に、検出器がサンプルによって反射されたパルスの場強度又は強度を時間の関数としてキャプチャするように適合及び配列されている検出器と、を備える。
【０００２】
本発明は、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための方法に更に関し、該方法は、生成器によって電磁高周波放射のパルスを生成するステップと、パルスによってサンプルを照射するステップと、検出器によってサンプルが反射したパルスの場強度を時間の関数としてキャプチャするステップと、を備える。
【背景技術】
【０００３】
テラヘルツ時間領域分光計が、励起−検索測定方法として長く使用されてきた。テラヘルツ周波数範囲内で生成された電磁パルスは、サンプルを通過するか又はそこで反射した後に、光パルスによって検出器内でサンプリングされる。その場合、サンプリングのための光パルスが、テラヘルツ周波数範囲内の電磁放射線のパルスよりも時間が著しく短いという事実が利用される。電磁テラヘルツパルスの電場又は磁場は、その測定方法によって時間分解関係でキャプチャされる。時間に関する場強度についての態様で検出される関数を用いて、特にフーリエ変換によって周波数領域データを計算することが可能であるだけでなく、例えば多層サンプルの層厚についての情報を取得することもまた可能である。
【０００４】
そのサンプリング測定方法は、サンプリング光パルスとテラヘルツパルスとの間の時間シフトが測定設備によって明確に定められ、なんら外乱を受けない限り、使用可能な測定結果を提供する。サンプリング光パルスとテラヘルツパルスとの間の時間シフトが、サンプリング動作中に、機械的な妨害影響に起因して変化するならば、その方法は、時間に関するテラヘルツパルスの場強度の歪んだ関数を提供し、パルスのスペクトルが変更され、測定が使用不可能になる。しかし、特に工業環境及びロボット支援測定においては、機械的振動がほとんど回避不可能であり、そのため、測定システムの機械的安定性及び場合によっては機械的分離についての高いレベルの要求がもたらされる。
【０００５】
機械的妨害の影響を低減するための手法は、パルスについてのそれぞれのサンプリング動作の測定レートを増加させることを含む。測定レートが大きい程、測定動作中に生じる妨害が、相対的に考えて低減される。しかし、テラヘルツ時間領域分光計についての最大の可能なサンプリング又は測定のレートは、用いる遅延装置によって制限される。更に、測定レートを増加させることは、問題を解決する基本的な方法を提供できないだけでなく、妨害がより低い周波数範囲に変換されるような態様で問題を軽減するにすぎない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、本発明の目的は、測定手順に及ぼす機械的妨害に起因した影響を低減する、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的のうちの少なくとも１つは、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置によって達成され、装置は、生成器であって、装置の動作中に生成器が電磁高周波放射のパルスを生成するように適合されている、生成器と、検出器であって、装置の動作中に時間の関数としてサンプルによって反射されたパルスの場強度をキャプチャするように適合及び配列されている、検出器と、を備え、装置は、距離測定システムと、検出器及び距離測定システムに接続された評価装置と、を更に有し、距離測定システムは、装置の動作中に、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化を時間の関数としてキャプチャするように適合及び配列されており、評価装置は、時間にわたる場強度についてのキャプチャされた関数及び時間にわたる距離変化についての検出された関数から、時間にわたる場強度についての補正された関数を計算するように適合されている。
【０００８】
本発明について重要なことは、電磁高周波放射のパルスのための生成器及び検出器から独立して、すなわち、特にテラヘルツ時間領域分光計から独立して、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化が、時間の関数として検出されることである。
【０００９】
このように、高周波放射のパルスの検出された場強度の時間基準は、装置によって予め定められている時間基準だけに依存しているように補正されてもよい。そのために、一方では高周波放射のための生成器及び検出器、他方では距離測定システムが、互いに独立し分離している測定システムでなければならない。
【００１０】
本発明の一実施形態では、距離測定システムは、干渉計又はレーダシステムである。
【００１１】
一実施形態では、本発明に従う、距離測定システムとしての光干渉計は、１０μｍの領域での正確度以上を有する。一実施形態では、距離測定システムは、０．５ＭＨｚ以上のサンプリングレートを有する。
【００１２】
本発明の一実施形態では、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の絶対距離を決定する必要がない。むしろ、必要とされることは、その距離の変化をキャプチャすることである。
【００１３】
そのため、距離変化を決定することについての動作が干渉計又はレーダシステムによって達成される本発明の実施形態では、絶対距離を決定することは必要でない。
【００１４】
本発明の一実施形態では、電磁高周波放射の周波数は、１ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ、好ましくは１００ＧＨｚ〜５ＴＨｚの周波数範囲内にある。本出願に従うその周波数範囲は、テラヘルツ周波数範囲と呼ばれる。
【００１５】
その場合、電磁高周波放射のパルスは、単一周波ではなく、パルス継続期間に基づいた有限スペクトル帯域幅を有することが理解されるであろう。
【００１６】
電磁高周波放射のパルスのための検出器によって、電場又は磁場強度を時間分解関係でキャプチャすることが原理的に可能であるけれども、本発明のほとんどの実施形態は、電場の場強度をキャプチャすることが望ましいであろう。
【００１７】
本発明の一実施形態では、装置は、時間領域分光計を含み、電磁高周波放射のパルスのための生成器と、電磁高周波放射のパルスのための検出器とが時間領域分光計の構成部分である。加えて、時間領域分光計は、装置の動作中に、パルス形式の光電磁放射線を生成するように適合されている短パルスレーザ源を含む。それらの短光パルスは、次いで、生成器を駆動し、検出器を切り換えるように機能する。
【００１８】
電磁パルスによって駆動されるか又は切り換えられる、テラヘルツ周波数範囲内の電磁放射線のためのそのような生成器及び検出器は、特に、非線形光学結晶、半導体構成要素に基づくいわゆる光伝導又は光導電性スイッチ、並びに多数の金属層に基づくスピントロニクスの生成器及び検出器である。
【００１９】
光伝導スイッチを使用するとき、ことによると光伝導スイッチに接続されたそれぞれのアンテナとの結合において使用するとき、スイッチの好適な電気バイアスによる光伝導スイッチ上での短電磁パルスの衝突は、構成要素内に電流の短期流れ、したがって電磁高周波放射の放出を生じさせる。比較すると、検出器側の電磁パルスは、光伝導スイッチによって検出器を一時的に切り換えるように機能し、したがって、検出器上に衝突する電磁高周波放射の電場を同時に測定可能にするように機能する。
【００２０】
電流が検出器の光伝導スイッチのフィードラインにおいて測定されるならば、高周波成分に衝突する電磁テラヘルツ放射の場が、時間分解様式でキャプチャされてもよい。検出器に衝突する電磁テラヘルツ放射の電場は、その場合、電荷キャリアをスイッチによって長手方向に駆動する。電流の流れは、光伝導スイッチが同時に閉じられるとき、すなわち、スイッチが最初の電磁放射線によって照射されるときにだけ生じ得る。
【００２１】
検出器の光伝導スイッチを切換える又はゲート制御するために用いられる電磁パルスが、テラヘルツ周波数範囲内の検出器によって受け取られたパルスの電場の時間構成に対して短いならば、テラヘルツ信号の電場は、時間分解関係で測定又はサンプリングされてもよい。
【００２２】
そのため、検出器に衝突するテラヘルツパルスと検出器を切り換えるために用いられる電磁パルスとの間の時間シフトが、測定手順中に導入され、変更される。
【００２３】
検出器として光伝導スイッチを有する一実施形態では、テラヘルツ時間領域分光計は、好適な電流又は電圧増幅器を有してもよく、この増幅器は、一方で検出器のスイッチをわたる電流を検出するための検出器に接続され、他方で評価装置に接続されることが理解されるであろう。
【００２４】
一実施形態では、装置は、ビーム分割装置を有し、このビーム分割装置は、装置の動作中に、光学パルスの第１部分を生成器に、光学パルスの第２部分を検出器に渡すように適合及び配列されている。一実施形態では、そのようなビーム分割装置は、ビームスプリッタ、例えば、ファイバ溶融カプラである。一実施形態では、そのようなビーム分割装置は、レーザ源によって実装され、このレーザ源は、空間的に独立したビーム経路内にすでに提供されているような生成器及び検出器のための光パルスを生成する。
【００２５】
加えて、一実施形態では、装置は、遅延装置を有し、この遅延装置は、装置の動作中に、検出器上での高周波放射の衝突と光パルスとの間の時間遅延が、遅延装置によって調節可能に変更可能であるように適合されている。この場合、遅延装置は、評価装置に更に接続されており、評価装置は、装置の動作中に、遅延装置、したがって検出器での高周波パルスと光パルスとの間の時間遅延を制御するように適合されている。
【００２６】
この実施形態では、遅延装置は、時間に関する場強度についてのキャプチャされた関数に時間基準を提供する。しかし、その時間基準は、検出器での電磁高周波放射と光放射との間の実際の遅延が、遅延装置によって予め定められている時間変動以外の影響をなんら受けないときにだけ補正を必要としない。しかし、例えば、機械的振動に起因して、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離が変化するならば、遅延装置によって予め定められた時間基準が変更される。
【００２７】
本発明は、ここで、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化を時間の関数として検出する距離測定システムによってその時間基準を補正することを可能にする。次いで、評価装置において、時間に関する場強度についての補正された関数が、時間に関する場強度についての検出された関数及び時間に関する距離変化についての検出された関数から計算される。
【００２８】
本発明の一実施形態では、評価装置は、必要なインタフェースを有する適切にプログラムされたコンピュータ又はマイクロプロセッサである。一実施形態では、インタフェースは、高周波放射の場強度をキャプチャする、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化を時間の関数としてキャプチャする、及び時間に関する場強度についての補正された関数を計算するように機能する。
【００２９】
そのために、一実施形態では、評価装置は、制御ラインによって遅延部、例えば遅延部の線形調整器の符号器に接続される。加えて、一実施形態では、評価装置は、高周波放射の検出器に接続される。一実施形態では、評価装置は、距離測定システムの検出器に接続されることにより、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化の関数を時間の関数として記録及び評価することが可能になる。
【００３０】
本発明の一実施形態では、評価装置は、時間に関する場強度についての補正された関数を計算するために、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離がパルスのサンプリング中に変化しないならば、パルスの検出された場強度が、場強度がすでにキャプチャされているであろう時間に対応するそれぞれの時間ｔから時間ｔ’までにおいて転送されるように適合されている。
【００３１】
上記の目的のうちの少なくとも１つは、また、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための方法によって達成され、この方法は、生成器によって電磁高周波放射のパルスを生成するステップと、パルスによってサンプルを照射するステップと、サンプルによって反射されたパルスの場強度を検出器によって時間の関数としてキャプチャするステップと、生成器とサンプルとの間又はサンプルと検出器との間の距離変化を距離測定システムによって時間の関数としてキャプチャするステップと、時間にわたる場強度についての補正された関数を時間にわたる場強度についてのキャプチャされた関数及び時間にわたる距離変化の関数から計算するステップと、を備える。
【００３２】
本発明の側面が、パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置に関して上記で説明された限りにおいて、それらは、また、対応する方法に適用される。方法が、本発明に従うパルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置によって実行される限りにおいて、方法は、その目的のための対応する装置を有する。特に、装置の実施形態は、方法を実行するのに適している。
【００３３】
本発明に従う方法の一実施形態では、時間に関する場強度についての補正された関数は、発生器とサンプルとの間又はサンプルと検出器との間の距離が、パルスの継続期間中に変化してしまわないならば、場強度がキャプチャされるであろう時間に対応するそれぞれの時点ｔから時点ｔ’までにおいて転送されているパルスのキャプチャされた場強度によって計算される。
【００３４】
時間ｔ又はその近傍において、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化が距離測定システムによってキャプチャされないならば、場強度は、遅延装置によって予め定められた時間基準だけによってそのように予め定められているその時間ｔと関連したままである。しかし、距離変化が時間ｔにおいて検出されるならば、場強度は、遅延装置によって予め定められた時間ｔから、生成器とサンプルとの間及び／又はサンプルと検出器との間の距離変化が生じない場合の検出器での光パルスと高周波パルスとの間の時間シフトに対応する時間ｔ’までシフト又は転送される。
【００３５】
本発明に従う方法は、例えば、塗料の層のように複数のＮ個の互いに重塁した層の層厚を決定するのに特に適している。本発明の一実施形態では、そのため、サンプルは、それぞれ層厚ｄｉの複数のＮ個の互いに重塁した層Ｓｉを有し、ｉは１、２、３...、Ｎに等しく、全Ｎ個の層の層厚ｄｉが、時間に関する場強度についての補正された関数から決定される。
【００３６】
層厚を決定するために、サンプルのパルス応答、すなわちサンプルによって反射され、サンプルと相互作用された高周波放射が、モデルと適合される。
【００３７】
そのため、本発明の一実施形態では、層厚ｄｉを決定することについての動作は、
ａ）それぞれの層Ｓｉ（ただし、ｉ＝１、２、３、...、Ｎ）についての層厚ｄｉ、吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉを選択するステップと、
ｂ）モデルによって、サンプルによって反射された電磁高周波放射についての時間依存電場ＥＭ(ｔ)を計算するステップであって、モデルは、それぞれ、測定環境とサンプルとの間及び個々の層同士の間のＮ＋１個の界面の数に従う時間依存電場Ｅｊ(ｔ)（ただし、ｊ＝０、１、２、３、...、Ｎ）を考慮し、電場Ｅｊ(ｔ)は、層厚ｄｉ、吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉに基づいて時間依存電場ＥＭ(ｔ)に加えられる、ステップと、
ｃ）計算された時間依存電場ＥＭ(ｔ)を時間にわたる電場についての補正された関数と比較するステップであって、
ｄ）計算された場強度ＥＭ(ｔ)と場強度ＥＰ(ｔ)についての補正された関数との間の偏差Ｑが予め定めた許容量Ｔよりも大きいとき、偏差Ｑが許容量Ｔよりも小さくなるまでずっと少なくとも層厚ｄｉが変更され、ステップｂ）からｄ）までが反復される、ステップと、
ｅ）層厚決定動作の結果として層厚ｄｉを提供するステップと、を含む。
【００３８】
その点で、一実施形態では、ステップｄ）において、吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉが、また、層厚を決定するために変更される。
【００３９】
本発明の一実施形態では、反復ステップの回数が、分散、すなわち用いる電磁高周波放射の周波数帯域幅内での吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉの周波数依存性についてなされている仮定によって低減され、それらの仮定はステップｂ）における計算に組み込まれる。
【００４０】
一実施形態では、生成器内で生成された電磁高周波放射は、予め定めた周波数帯域幅を有し、分散は、高周波放射の予め定めた周波数帯域幅内では生じないと仮定され、すなわち、吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉは、計算ステップｂ）において、用いる電磁高周波放射の周波数帯域幅にわたって一定であると仮定される。
【００４１】
代替の一実施形態では、生成器内で生成された電磁高周波放射は、予め定めた周波数帯域幅を有し、予め定めた周波数帯域幅にわたる吸収指数ｋｉ及び屈折率ｎｉの周波数依存性については、依存性を記述する単関数、例えばドルーデ・ローレンツモデルが計算ステップｂ）において仮定される。
【００４２】
更なる代替の一実施形態では、生成器内で生成された電磁高周波放射は、予め定めた周波数帯域幅を有し、予め定めた周波数帯域幅にわたる屈折率ｎｉ及び吸収指数ｋｉの周波数依存性が、較正測定において前もって全ての層について別個に検出され、そのように取得された測定値が、ステップｂ）における計算についての基準を形成する。
【００４３】
本発明の一実施形態では、生成器とサンプルとの間又はサンプルと検出器との間の距離変化を時間の関数としてキャプチャすることは、１００ｋＨｚ以上、好ましくは１５０ｋＨｚ以上及び特に好ましくは２００ｋＨｚ以上の測定レートによって達成される。
【００４４】
本発明についての更なる利点、特徴及び可能な用途は、実施形態についての以下の説明及び添付の図から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための、本発明に従う装置についての概略図である。
【図２】図１の装置によるパルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための、本発明に従う方法についての概略図である。
【図３】本発明に従う、距離補正を伴わずに３つの層を有するサンプルの層厚測定を示す。
【図４】本発明に従う、図３に示すような３つの層を有するサンプルについてであるが、距離補正を伴う層厚決定動作の測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図において、同一の要素は、同一の参照符によって特定される。
【００４７】
図１は、本発明に従うパルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための本発明に従う装置１の部分として、テラヘルツ時間領域分光計１１を示す。
【００４８】
時間領域分光計１１は、パルス型電磁高周波放射８を生成するための生成器２と、サンプル４によって反射されたパルスの電場強度を時間の関数として検出するための検出器３と、を含む。
【００４９】
サンプル４は、３層塗料サンプルであり、テラヘルツ時間領域分光計１１は、塗料サンプル４の全３層の厚さを決定するように機能する。生成器２及び検出器３の両方は、光学ガラス繊維５、６によって、本発明に従う短パルスレーザ源としてのフェムト秒レーザに接続される。フェムト秒レーザは、図１において参照符号７によって示され、単に概略的に図示された配列の部分である。フェムト秒レーザによって生成された短光パルスは、同じく配列７内に提供されたファイバ溶融カプラによって２つのビーム経路に分割され、それにより、パルスの一部分は、ガラス繊維５を経由して生成器２に渡され、パルスの別の一部分は、ガラス繊維６を経由して検出器３に渡される。
【００５０】
加えて、配列７内には、調節可能に変更可能な光路を備える、本発明に従う遅延装置の形式の遅延部が提供されている。それは、生成器２に到達する光パルスと生成器３に到達するパルスとを互いに対して整然と遅延させるように機能することにより、生成器２によって生成され、検出器３においてサンプルと相互作用するテラヘルツ放射８’の電場のサンプリング及び時間分解キャプチャを可能にする。
【００５１】
生成器２及び検出器３の両方は、テラヘルツ放射のためのアンテナに組み込まれている光伝導スイッチを含む。第１スイッチ／アンテナ結合２が、テラヘルツ放射８の生成に用いられ、一方、第２スイッチ／アンテナ結合３は、サンプル４によって反射されたテラヘルツ放射８’の時間分解キャプチャに用いられる。
【００５２】
ガラス繊維５によってスイッチに渡された超短光パルスによる生成器２の光伝導スイッチの短期閉鎖時に、スイッチが、短時間の間、導電性にされることにより、適切なバイアスによって、電流パルスが、スイッチを通って流れて電磁高周波パルスの放出をもたらす。検出器３の一部分を形成する光伝導スイッチにおいて、衝突するテラヘルツパルスの電場が、次いで、ガラス繊維６から出る光パルスによってちょうど照明されるときに、光伝導スイッチによって自由電荷キャリアの駆動をもたらす。そのとき、検出器３の光伝導スイッチによって、テラヘルツパルスの瞬間的電場に比例する電流を測定することが可能である。検出器３を切り替えるための光パルスが、テラヘルツパルスの電場の振動の時間範囲よりも時間が等しくなく短いとき、テラヘルツパルスは、検出器３の光伝導スイッチにおけるテラヘルツパルスに対する光パルスの遅延によって時間分解関係でサンプリングされてもよい。
【００５３】
そのために、検出器３は、測定増幅器によって評価装置９に接続されている。評価装置９は、また、配列７内の遅延部を制御することを提供する。遅延部の現在優勢な位置が、次いで、時間に関する電場についての検出された関数の時間基準を予め定める。
【００５４】
図１の右半分は、サンプル４によって反射されたテラヘルツパルスの電場の時間依存性を一例として示す。参照符１０によって示された表記は、時間に対してプロットされた電場強度を示す。
【００５５】
しかし、そのように取得された信号構成は、サンプル４と検出器３との間の距離がその同じ時に変化しないときだけ電場の実際の構成である。そうでなければ、時間基準は、時間基準に関するそれらの距離変化が信号１０に考慮されていないので、その距離に対する変化によって変更される。信号１０は、そのとき歪められている。
【００５６】
ここで、本発明に従って、配列７内の遅延部によって生成された時間基準が、サンプルと検出器３との間の距離の変動によって補正される。そのために、テラヘルツ時間領域分光計１１の他に、本発明に従う装置１は、光干渉計１２の形式の距離測定システムを有する。干渉計１２は、電場もまたテラヘルツ時間領域分光計１１によって検出されるのと同一のサンプリング速度によって、サンプル４と検出器３との間の距離変化を検出するように機能する。
【００５７】
生成器２及び検出器３からのサンプル４の距離変化は、図１の右側に時間の関数としてプロットされ、参照符１３によって識別される。図１における図表の考察のために、サンプル４は、サンプル４と検出器３との間の距離が実質的に正弦的に変化するように、起始点付近で振動運動を行なうことが仮定される。
【００５８】
時間に関する検出された距離変化についての関数は、また、評価装置９において処理され、また図１の右半分に概略的に示すように、時間に関する場強度についての検出された関数１０の時間基準の補正に用いられる。その結果、時間に関する場強度についての補正された関数１４が得られる。
【００５９】
ここで、図２のグラフを参照することにより、評価装置９が、時間に関する場強度についての検出された関数１０及び時間に対する距離変化についての検出された関数１３から、時間に関する場強度についての補正された関数１４を算出する方法について改めて詳述する。
【００６０】
図２ｃ）は、時間ｔ’に関する、検出器３でのテラヘルツパルスと光パルスとの間の遅延部によって予め定められた行程差Ｓの図である。その場合、遅延部によって導入される差Ｓは、遅延部を通過する電磁放射が参照経路内の放射に関して受ける時間遅延τに対応する。その時間遅延τは、測定手順について遅延部によって予め定められた時間基準である。
【００６１】
図２ｃ）は、時間に関する行程差の変化率が一定であることを仮定する。しかし、検出器３におけるテラヘルツパルスと光パルスとの間の差Ｓは、サンプル４と検出器３との間の距離ｄの変化による変動を付加的に受ける。図２ａ）は、時間ｔに対してプロットされたサンプル４と検出器３との間の距離ｄを示す。距離の変動が、明らかに見られる。時間ｔに対する距離ｄのその変化は、経過時間ｔに関する実際の差Ｓが、図２ｃ）に示す状況と異なり、線形関数ではなく、図２ｂ）の例が示すような構成であることを意味する。
【００６２】
ここで、図２ｄ）における時間に関するテラヘルツ放射８の電場の測定値を補正するために、例えば、第１測定点が、時間ｔ１において考慮される。その時間ｔ１で、検出器３におけるテラヘルツパルスと光パルスとの行程長の差が、遅延τ１に対応するＳ１である。しかし、その行程長差Ｓ１は、遅延部によって単に予め定められている理想とされた時間基準の場合での時間ｔ’１に対応する。したがって、図２ｄ）のグラフにおける電場Ｅの測定値Ｅ１は、時間ｔ１から時間ｔ’１までシフトされている。その変換が、図２ｄ）における生データからの時間ｔに関する電場Ｅの全測定点について実行されるならば、図２ｅ）における時間ｔ’に関する電場Ｅについての、図２ａ）の距離の変動が除去された、補正された関数を与える。
【００６３】
ここで論じられている実施形態では、装置は、サンプル４の３つの相互に重塁した層の層厚を決定するために用いられる。予め定めた周波数帯域幅を有するテラヘルツ放射のパルスによってサンプル４を照射するときに、衝突する放射は、それぞれの界面、すなわち測定環境とサンプルとの間及び２つの互いに隣接する層の間の界面において部分的に反射される。それらの部分的反射の時間依存電場は、検出器３による測定時に時間分解方式で検出される、サンプルの時間依存電場に対して重塁している。正確に考察すると、サンプルの電場ＥＰ(ｔ)は、また、界面での高周波放射の多重反射に起因して生じる複数の反射を付加的に含む。部分的反射及びその位相の時系列は、層の物質パラメーターに依存する。
【００６４】
複数のＮ＝３の互いに重塁した層Ｓｉ（ただし、ｉ＝１、２、３）を有するサンプル４の全３個の層厚を決定するために、以下のステップが実行され、それらの層のそれぞれは、用いる電磁高周波放射についての層の反射及び透過特性に影響を及ぼす屈折率ｎｉ、吸収指数ｋｉ及び層厚ｄｉを有する。ステップａ）において、層厚ｄｉ、屈折率ｎｉ及び吸収指数ｋｉが、それぞれの層Ｓｉについての開始値として選択される。続くステップｂ）において、時間依存電場ＥＭ(ｔ)が、サンプルによって反射又は透過される電磁高周波放射についてのモデルによって計算される。モデルは、それぞれの時間依存電場Ｅｊ(ｔ)（ｊ＝０、１、２、３）を含み、ｊの数は、測定環境とサンプルとの間及び個々の層同士の間のＮ＋１個の界面の数に対応し、電場Ｅｊ(ｔ)は、層厚ｄｉ、屈折率ｎｉ及び吸収係数ｋｉに基づいてモデルの時間依存電場ＥＭ(ｔ)に付加される。その場合、モデルは、それぞれの層Ｓｉの屈折率ｎｉ及び吸収指数ｋｉが、用いる高周波放射の周波数帯域幅にわたって一定である、すなわち、高周波放射の周波数に依存しないという仮定に基づいている。次いで、ステップｃ)において、モデルの計算された電場ＥＭ(ｔ)は、サンプルの検出された電場ＥＰ(ｔ)と比較され、ステップｄ）において、計算された電場ＥＭ(ｔ)と検出された電場ＥＰ(ｔ)との間の偏差Ｑが、予め定めた許容量Ｔよりも大きい場合、層厚ｄｉ、屈折率ｎｉ及び吸収指数ｋｉが変更され、ステップｂ）〜ｄ）が、偏差Ｑが許容量Ｔ未満になるまで反復される。
【００６５】
偏差Ｑが許容量Ｔよりも小さいならば、ステップｅ）において、層厚ｄｉが、層厚決定手順の結果として提供される。
【００６６】
図３は、サンプル４の３つの層厚を決定するための対応する手順についての測定結果を示し、補正が評価装置９においてなされている。言い換えると、層厚は、時間に関する場強度についての検出された関数に基づいて決定された。
図３は、層１〜層３として識別された、サンプル４の３つの層についての層厚測定結果を、対応する測定の順序番号に対してプロットしている。個々の測定値が、厚さの平均値の周りに最大２．５μｍの幅を有することが明らかにわかるであろう。
【００６７】
比較として、図４が、同一のサンプル４の３つの層の層厚を決定するための手順についての測定結果を示す。改めて、層１〜層３として識別された、サンプル４の３つの層についての層厚測定の結果が、対応する測定の順序番号に対してプロットされている。しかし、これらの測定において、層厚決定が、補正のスイッチを入れることによって達成される。言い換えると、層厚は、時間に関する場強度の補正された関数によって決定された。注目すべきは、平均値の周りでの個々の測定値の幅が、層のそれぞれについての補正を伴わない測定値と比較してかなり低減されているだけでなく、層厚の絶対値が、かなりの補正を受けていることである。その点に関して、検出器３からのサンプル４の距離の変動による、電場についての検出された関数の時間基準の歪みのかなりの影響が、時間に対して示されている。
【００６８】
独創的開示のために、指摘されるのは、本説明、図面及びクレームから当業者にわかり得るような全ての特徴が、たとえそれらが特定の別の特徴に関連するだけの特定の用語で説明されているとしても、別個に及び本明細書で開示された特徴又は特徴のグループの別のものとの任意の結合での両方で結合されてもよいが、ただし、それが明示的に除外されていないか又は技術的側面がそのような結合を不可能若しくは無意味にしない限りにおいてであるということである。特徴の全ての考え得る結合及び個々の特徴の互いからの独立の強調についての包括的明示表現は、ここでは説明の簡潔さ及び読み易さのためだけに省かれる。
【００６９】
本発明が図面及び上述の説明において例示され詳細に説明されてきたけれども、その例示及び説明は、単に一例であって、クレームによって規定されるような保護の範囲についての限定であるとはみなされない。本発明は、開示された実施形態に限定されない。
【００７０】
開示された実施形態の修正が、図面、説明及び添付するクレームから当業者には明らかである。クレームにおいて、語「有する」は、別の要素又はステップを排除せず、不定冠詞「ａ」は、複数を排除しない。特定の特徴が異なるクレームにおいて主張されているという単なる事実だけでは、その結合を除外しない。クレームにおける言及は、保護の範囲についての限定であるとみなされない。
【符号の説明】
【００７１】
１    パルス型電磁高周波放射の時間分解キャプチャのための装置
２    生成器
３    検出器
４    サンプル
５    ガラス繊維
６    ガラス繊維
７    短パルスレーザシステム、遅延部及びビームスプリッタを有する配列
８    生成器２によって生成されたテラヘルツ放射
８’  サンプル４と相互作用したテラヘルツ放射
９    評価装置
１０  時間の関数として検出されたテラヘルツ放射の電場強度
１１  テラヘルツ時間領域分光計
１２  光干渉計
１３  時間の関数としての距離
１４  時間の関数として補正されたテラヘルツ放射の電場強度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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