(57)【要約】【課題】干渉ノイズを除去するとともに、フィッティングの精度を向上させる。【解決手段】スペクトル解析装置（１１）は、０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波を放射する電磁波源（１）と、前記電磁波が測定対象（１０）に透過または反射することで測定対象（１０）から出射された出射電磁波を検出して検出信号を生成する分光器（２）と、前記検出信号を解析する解析部（３）と、を備えている。解析部（３）は、前記検出信号から、前記出射電磁波における、測定対象（１０）の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成するノイズ除去部（３２）と、を有している。また、解析部（３）は、前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成する。【選択図】図１
2018132327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波を放射する電磁波源と、
前記電磁波が測定対象に透過または反射することで前記測定対象から出射された出射電磁波を検出して検出信号を生成する検出部と、
前記検出信号を解析する解析部と、を備え、
前記解析部は、
前記検出信号から、前記出射電磁波における、前記測定対象の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成する電磁波除去部と、
を有し、
前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成することを特徴とするスペクトル解析装置。
【請求項２】
前記検出信号は、光学距離または時間に依存したスペクトルであり、
前記解析部は、前記ノイズ除去信号を逆フーリエ変換することにより、前記補正検出信号を生成する逆フーリエ変換部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル解析装置。
【請求項３】
前記電磁波はパルス状の電磁波であることを特徴とする請求項２に記載のスペクトル解析装置。
【請求項４】
前記検出信号は、波長または周波数に依存したスペクトルであり、
前記解析部は、前記検出信号をフーリエ変換することにより、光学距離または時間に依存したフーリエ変換信号を生成するフーリエ変換部と、前記ノイズ除去信号を逆フーリエ変換することにより、前記補正検出信号を生成する逆フーリエ変換部とをさらに有し、
前記電磁波除去部は、前記フーリエ変換信号から前記往復電磁波を除去して前記ノイズ除去信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のスペクトル解析装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記測定対象を介さずに前記電磁波源から直接入射した前記電磁波を検出して基準検出信号を出力し、
前記電磁波除去部は、前記基準検出信号から前記検出信号で除去した電磁波と同じ時間および距離に対応する電磁波を除去することで補正基準検出信号を生成し、
前記解析部は、前記補正検出信号の値を前記補正基準検出信号の値で周波数ごとに除算することにより、透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のスペクトル解析装置。
【請求項６】
誘電率モデルを用いて算出したモデル透過率スペクトルまたはモデル反射率スペクトルを前記解析部によって生成された前記透過率スペクトルまたは前記反射率スペクトルにそれぞれフィッティングさせることにより、前記測定対象の光学定数および厚みを特定するフィッティング部をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載のスペクトル解析装置。
【請求項７】
前記フィッティング部は、前記測定対象の内部を往復した時間または光学距離から算出された屈折率をフィッティングの初期値とすることを特徴とする請求項６に記載のスペクトル解析装置。
【請求項８】
前記電磁波除去部は、互いに異なる方向の偏光を有する２つの電磁波を前記測定対象へ入射させることで得られた前記出射電磁波と、前記測定対象に入射しない電磁波とを比較することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のスペクトル解析装置。
【請求項９】
前記測定対象は容器に封入された液体であり、
前記容器の壁厚Ｄは、前記容器の屈折率Ｎおよび前記測定対象の厚さｄに対して、５．０＊ｄ＜Ｎ＊Ｄを満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスペクトル解析装置。
【請求項１０】
０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波が、測定対象に透過または反射することで前記測定対象から出射された出射電磁波を検出して生成された検出信号を解析するスペクトル解析方法であって、
前記検出信号から、前記出射電磁波における、前記測定対象の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成し、
前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成することを特徴とするスペクトル解析方法。
【請求項１１】
前記測定対象を介さずに直接入射した前記電磁波を検出して生成された基準検出信号から前記検出信号で除去した電磁波と同じ時間および距離に対応する電磁波を除去することで補正基準検出信号を生成し、
前記補正検出信号の値を前記補正基準検出信号の値で周波数ごとに除算することにより、透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを算出し、
誘電率モデルを用いて算出したモデル透過率スペクトルまたはモデル反射率スペクトルを前記透過率スペクトルまたは前記反射率スペクトルにそれぞれフィッティングさせることにより、前記測定対象の光学定数および厚みを特定することを特徴とする請求項１０に記載のスペクトル解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下の開示は、電磁波を用いて対象物の物性をスペクトル解析するスペクトル解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＨｚ（テラヘルツ）帯の電磁波（以降、テラヘルツ波と称する）は、照射対象となる物質に照射されると、物質に応じて透過したり反射したりする。このようなＴＨｚ帯の電磁波を用いて、物質を透過した電磁波や物質に反射した電磁波の特性を計測することにより、物質の物性を特定することができる。例えば、テラヘルツ波分光測定装置では、電磁波発生源から発せられたテラヘルツ波を測定対象に照射し、測定対象から放射されたテラヘルツ波を検出することにより、測定対象のＴＨｚ帯の光学定数を測定する。
【０００３】
特許文献１には、このような分光測定装置が開示されている。当該分光測定装置では、一方向に厚さが連続的に変化する試料セルを用い、厚さの異なる少なくとも２箇所で試料セル内の試料に光を照射して、その透過光強度を測定するとともに、試料セルの所定区間を透過した光の干渉縞に基づいて検出した測定箇所同士の厚さの差と、上記透過光強度とに基づいて、吸収係数を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９０４２３号公報（２０１３年９月２６日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＴＨｚ帯の電磁波は、波長がサブｍｍ〜ｍｍ程度と、日常的に扱われる物体の厚みｍｍ〜ｃｍに近いため、これらの物体を測定対象として光学定数を計測すると、干渉ノイズが発生する。このため、連続光（ＣＷ：Continuous Wave）測定において精密な解析（光学定数の算出）ができないという問題がある。このため、連続光測定における干渉ノイズの除去が望まれていた。
【０００６】
また、ＴＨｚ帯で発生する吸収は、幅が広く、誘電モデルによるフィッティングの精度が低いという問題もある。
【０００７】
本発明の一態様は、干渉ノイズを除去するとともに、フィッティングの精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るスペクトル解析装置は、０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波を放射する電磁波源と、前記電磁波が測定対象に透過または反射することで前記測定対象から出射された出射電磁波を検出して検出信号を生成する検出部と、前記検出信号を解析する解析部と、を備え、前記解析部は、前記検出信号から、前記出射電磁波における、前記測定対象の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成する電磁波除去部と、を有し、前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、干渉ノイズを除去するとともに、フィッティングの精度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１に係るスペクトル解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記スペクトル解析装置により光学定数が解析される測定対象における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は上記スペクトル解析装置の各部が出力する信号の波形を示す図である。
【図４】上記スペクトル解析装置におけるフーリエ変換部によって出力されたフーリエ変換信号を示す図である。
【図５】（ａ）は上記フーリエ変換部によって出力されたｘ偏光の電磁波を用いた場合の他のフーリエ変換信号を示す図であり、（ｂ）は上記フーリエ変換部によって出力されたｙ偏光の電磁波を用いた場合の他のフーリエ変換信号を示す図である。
【図６】上記スペクトル解析装置におけるスペクトル算出部によって得られた透過率スペクトルを示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は上記スペクトル解析装置におけるフィッティング部によるフィッティングの結果を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２に係るスペクトル解析装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示すスペクトル解析装置により光学定数が解析される測定対象における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。
【図１０】図８に示すスペクトル解析装置におけるフーリエ変換部によって出力されたフーリエ変換信号を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るスペクトル解析装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示すスペクトル解析装置により光学定数が解析される測定対象における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。
【図１３】図１１に示すスペクトル解析装置における検出器によって検出されたパルス状の電磁波の強度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について図１〜図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００１２】
図１は、本実施形態に係るスペクトル解析装置１１の構成を示すブロック図である。図２は、スペクトル解析装置１１により物性が測定される測定対象１０における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、スペクトル解析装置１１は、電磁波源１と、分光器２（検出部）と、解析部３とを備えている。スペクトル解析装置１１は、光学定数の測定の対象となる固体の測定対象１０に連続した電磁波を照射することで測定対象１０から放射される電磁波を検出し、検出した電磁波に基づいて、測定対象１０の物性として、特に光学定数を算出する装置である。
【００１４】
電磁波源１は、波長可変のＴＨｚ帯の連続（ＣＷ）電磁波を発生する。電磁波源１はサブｍｍ〜ｍｍ程度（具体的には０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下）の波長の照射電磁波を測定対象１０に対して出射する。電磁波源１は、例えばレーザであるが、サブｍｍ〜ｍｍ程度の波長の電磁波を放射することができれば、レーザに限定されない。
【００１５】
分光器２は、測定対象１０を透過した電磁波（測定対象１０から出射された出射電磁波）を分光して検出する。具体的には、分光器２は、図２に示すように、測定対象１０に入射した電場Ｅ（０）の電磁波のうち、測定対象１０の内部を往復せずにそのまま透過した電磁波の電場Ｅ（０）、および測定対象１０内で往復した電磁波の電場Ｅ（１），Ｅ（２），…の重ね合わせである電場Ｅ（ｆ）の絶対値の２乗である強度Ｉ（ｆ）を検出して検出信号を生成する。ここで、測定対象１０は、複素屈折率（ｎ１＋ｉｋ１）を有している。複素屈折率の複素屈折率の実部におけるｎ１は屈折率を表し、複素屈折率の虚部におけるｋは消衰係数を表す。
【００１６】
解析部３は、分光器２によって検出された電磁波の強度に基づいて解析を行なうことにより、測定対象１０の電磁波の吸収を含む物性として光学定数を導出する。解析部３は、上記の解析を行なうために、フーリエ変換部３１と、ノイズ除去部３２（電磁波除去部）と、逆フーリエ変換部３３と、スペクトル算出部３４（スペクトル生成部）と、フィッティング部３５とを有している。
【００１７】
フーリエ変換部３１は、分光器２から出力された電磁波の強度Ｉ（ｆ）をフーリエ変換する。フーリエ変換部３１は、フーリエ変換処理によって、強度Ｉ（ｆ）のスペクトルとして複数のピークを含むフーリエ変換信号を出力する。
【００１８】
ノイズ除去部３２は、電磁波の強度Ｉ（ｆ）がフーリエ変換されることによって得られたフーリエ変換信号から、２次ピーク以上のピーク（不要ピーク）を除去する。ノイズ除去部３２は、具体的には、測定対象１０を２往復以上した電磁波（往復電磁波）にそれぞれ対応する２次ピーク以上のピークおよび他の光学部品や、光学部品間において生じる干渉ピークを除去して補正検出信号を生成する。ここで、他の光学部品とは、レンズ、プリズム、偏光板、波長板、電磁波源１のキャップなどである。また、ノイズ除去部３２は、２次ピーク以降のピークについての情報を消去してもよい。さらに、ノイズ除去部３２は、０次ピークと１次ピークとを完全に分離できれば、０次ピークと１次ピークとの間の情報を消去してもよい。
【００１９】
逆フーリエ変換部３３は、ノイズ除去部３２によってピークが除去されたノイズ除去信号を逆フーリエ変換することによって、補正検出信号（透過スペクトル（または反射スペクトル））として出射電磁波の強度を復元する。
【００２０】
スペクトル算出部３４は、逆フーリエ変換部３３から出力された補正検出信号に基づいて、出射電磁波の透過率を表す透過率スペクトル（または出射電磁波の反射率を表す反射率スペクトル）を算出する。具体的には、スペクトル算出部３４は、出射電磁波（スペクトル）の周波数ごとに、逆フーリエ変換部３３から出力された補正検出信号（透過強度）を、逆フーリエ変換部３３から出力された測定対象１０へ入力された補正検出信号（入力強度）で除算した透過率を算出する。入射電磁波は、測定対象１０がない状態で、出射電磁波と同じく、分光器２、フーリエ変換部３１、ノイズ除去部３２および逆フーリエ変換部３３によって求められる。
【００２１】
フィッティング部３５は、スペクトル算出部３４から出力された透過率スペクトルに基づいてフィッティング処理を行なうことにより、測定対象１０の光学定数を決定する。フィッティング部３５は、例えば、測定対象１０の光学定数に分散がないとして、周波数依存のない屈折率および消衰係数を用いてモデル透過率スペクトルを算出し、モデル透過率スペクトルを、スペクトル算出部３４によって算出された透過率スペクトルにフィッティングすることにより、測定対象１０の屈折率および消衰係数を特定する。また、フィッティング部３５は、測定対象１０の誘電率モデルを用いてモデル反射率スペクトルを算出し、モデル反射率スペクトルを、スペクトル算出部３４によって算出された反射率スペクトルにフィッティングすることにより、測定対象１０の屈折率および消衰係数を特定してもよい。また、フィッティング部３５は、周波数依存のある光学定数を誘電率モデルで表し、誘電率モデルの物性パラメータを上記と同様にフィッティングしてもよい。フィッティングした物性パラメータから、誘電率モデルを用いて光学定数を求めることができる。測定対象１０の厚みについては、別途測定した結果を使用してもよいし、フィッティングで求めてもよい。
【００２２】
続いて、上記のように構成されるスペクトル解析装置１１の動作（スペクトル解析方法）について説明する。
【００２３】
図３（ａ）〜（ｅ）は、スペクトル解析装置１１の各部が出力する信号の波形を示す図である。図４は、スペクトル解析装置１１によって光学定数が測定される測定対象１０における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。図５の（ａ）は、スペクトル解析装置１１のフーリエ変換部３１によって出力されるｘ偏光の電磁波を用いた場合のフーリエ変換信号を示すグラフである。図５の（ｂ）は、スペクトル解析装置１１のフーリエ変換部３１によって出力されるｙ偏光の電磁波を用いた場合のフーリエ変換信号を示すグラフである。図６は、スペクトル算出部３４によって得られた透過率スペクトルを示す図である。図７の（ａ）〜（ｃ）はフィッティング部３５によるフィッティングの結果を示す図である。
【００２４】
まず、電磁波源１から出力された電磁波は、入射電磁波として測定対象１０に入射して、測定対象１０の内部を透過する。測定対象１０は、複素屈折率Ｎ１（＝ｎ１＋ｉｋ１）および一定の厚さｄを有する直方体をなしている。また、図２に示すように、測定対象１０は、屈折率ｎ０の媒質中に配置されている。
【００２５】
なお、図３の（ａ）〜（ｅ）については、後述する測定対象１０がない場合の信号波形についても示している。図３の（ａ）〜（ｅ）において、測定対象１０がある場合の信号波形を実線にて示し、測定対象１０がない場合の信号波形を破線にて示している。
【００２６】
図２に示すように、入射電磁波が測定対象１０を透過するとき、電場Ｅ０を有する入射電磁波の一部は、電場Ｅ（０）を有する０次透過電磁波として測定対象１０を透過する。一方、当該入射電磁波の一部は、測定対象１０の出力面で反射し、さらに測定対象１０入力面で反射して（１往復して）、その一部が電場Ｅ（１）を有する１次透過電磁波として測定対象１０から出力される。また、１次透過電磁波の一部は、測定対象１０の出力面で反射し、さらに測定対象１０入力面で反射して、その一部が電場Ｅ（２）を有する２次透過電磁波として測定対象１０から出力される。また、２次透過電磁波の一部は、測定対象１０の出力面で反射し、さらに測定対象１０入力面で反射して、その一部が電場Ｅ（３）を有する３次透過電磁波として測定対象１０から出力される。また、図示はしないが、同様にして、４次透過電磁波以降のＫ次透過電磁波が測定対象１０から出射される。
【００２７】
このように、測定対象１０においては、入射電磁波の多重反射が生じている。したがって、電場Ｅ（０）が最も強く、電場Ｅ（１）、電場Ｅ（２）、電場Ｅ（３）、…は、順次減衰していく。例えば、電場Ｅ（０）（Ｅ（０）（ｆ））は、式（１）のように表され、電場Ｅ（１）（Ｅ（１）（ｆ））は、式（２）のように表される。また、電場Ｅ（１）、電場Ｅ（２）、電場Ｅ（３）、…の総和電場Ｅ（ｆ）は式（３）および式（４）のように表される。
【００２８】
ここで、式（４）において、ｔおよびｒは、それぞれｔ＝２／（Ｎ１＋ｎ０）およびｒ＝（Ｎ１−ｎ０）／（Ｎ１＋ｎ０）を表している。また、式（４）において、ｉは虚数単位を表し、ｃは光速を表している。
【００２９】
【数１】
2018132327.tif 000003
【００３０】
【数２】
2018132327.tif 000004
【００３１】
【数３】
2018132327.tif 000005
【００３２】
【数４】
2018132327.tif 000006
【００３３】
また、測定対象１０を透過した出射電磁波の強度Ｉ（ｆ）は、電場Ｅ（ｆ）に基づいて式（５）のように表される。
【００３４】
【数５】
2018132327.tif 000007
【００３５】
分光器２は、出射電磁波の電場Ｅ（ｆ）および強度Ｉ（ｆ）を測定する。強度Ｉ（ｆ）は、波長または周波数に依存したスペクトルであり、図３の（ａ）に示す検出信号として分光器２から出力される。また、解析部３において、フーリエ変換部３１は、出射電磁波の強度Ｉ（ｆ）をフーリエ変換して、図３の（ｂ）に示すようにフーリエ変換信号として出力する。
【００３６】
フーリエ変換された出射電磁波の強度Ｉ（ｆ）は、入射電磁波が測定対象１０内で往復した距離（２ｄの倍数）で分離することができる。具体的には、フーリエ変換部３１から出力されたフーリエ変換信号は、図４に示すように、出射電磁波の強度のスペクトル（強度スペクトル）を表しており、０次ピークｐ０は光学距離ｘ＝０（原点）において現れ、１次ピークｐ１は光学距離ｘ＝ｎ１＊２ｄにおいて現れる。ここで、「＊」は乗算を意味している。
【００３７】
ＴＨｚ帯の測定では、光学部品自体が干渉ノイズを発生させる。そこで、分光器２は、測定対象１０を設けた状態での出射電磁波だけでなく、測定対象１０を設けない状態での電磁波（直接入射電磁波）を測定しておく。直接入射電磁波は、測定対象１０を介さずに電磁波源１から分光器２に直接入射する。また、フーリエ変換部３１は、出射電磁波のフーリエ変換だけでなく、直接入射電磁波についてもフーリエ変換を行なう。これにより、ノイズ除去部３２は、出射電磁波のフーリエ変換信号を直接入射電磁波のフーリエ変換信号と比較することにより、測定対象１０の内部での干渉に対応したピークを他のピークと容易に判別することができる。
【００３８】
また、測定対象１０からの出射電磁波の強度Ｉ（ｆ）を、測定対象１０を設けない状態での電磁波（直接入射電磁波）で除算した透過率Ｔ（ｆ）は、式（６）のように表され、周波数に依存したスペクトルである。
【００３９】
【数６】
2018132327.tif 000008
【００４０】
さらに、ｘ偏光の入射電磁波とｙ偏光の入射電磁波とで、それぞれに対応する出射電磁波の強度を測定することにより、測定対象１０内での干渉に対応したピークであるかどうかを、より確実に判別することができる。例えば、図５は、測定対象１０がない場合のフーリエ変換信号と、測定対象１０がある場合のフーリエ変換信号とを示している。
【００４１】
図５の（ａ）はｘ偏光の電磁波を用いた場合のフーリエ変換信号を示し、図５の（ｂ）はｙ偏光の電磁波を用いた場合のフーリエ変換信号を示している。図５の（ａ）および（ｂ）のいずれにおいても、測定対象１０（プラスチック板）がある場合を実線で示し、測定対象１０がない場合を点線で示している。ｘ偏光の電磁波を用いた場合、図５の（ａ）に示すように、測定対象１０があるときのみ現れるピークが、３ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの光学距離に現れている。これに対し、ｙ偏光の電磁波を用いた場合、図５の（ｂ）に示すように、測定対象１０があるときのみ現れるピークが、３ｍｍ、１０．５ｍｍ、１３．５ｍｍの光学距離に現れている。これらより、測定対象１０に由来するのは３ｍｍのピークであるとわかる。このように、ｘ偏光またはｙ偏光だけでは、測定対象１０に由来するピークが不明確である。これに対し、２つの偏光で測定を行うことにより、測定対象１０に由来するピークを判別することができる。
【００４２】
図５からわかるように、ｘ偏光とｙ偏光の両方で測定した結果を重ね合わせることで、測定対象１０に起因するピークであるか否かを判別しやすい。１つのフーリエ変換信号のみでは、ピークが、測定対象１０に起因するピークであるのか、測定対象１０以外の要因に基づくノイズであるのかの判別を明確にすることができない。そこで、ここでは、ｘ偏光およびｙ偏光の電磁波についての強度のフーリエ変換信号を用いている。
【００４３】
ＴＨｚ波が測定対象１０に垂直に入射する場合、ｘ偏光とｙ偏光とで差は現れないはずだが、ランダムノイズの影響は相違する。また、光学調整が完全ではないことによっても相違が現れる。これらの相違は、透過強度には影響するが光学距離には影響がないため、０次ピークおよび１次ピークの位置は変化しない。よって、２つの異なる方向の偏光を用いて測定して、同じ光学位置に現れるピークは、測定対象１０に起因するものであると判別できる。また、測定対象１０を故意に傾けることで、ｘ偏光とｙ偏光をそれぞれｐ偏光とｓ偏光として入射させて、同じ光学距離でありながら、異なる透過率となるようにしてもよい。この場合、さらに、互いに異なる２つの方向の偏光を有する電磁波を用いて測定したときのピーク値の比が、ｐ偏光とｓ偏光との透過率の比に対応しているかを確認することで、測定対象１０に起因するピークであるか否かをより正確に判別できる。図５に示す例では、約３ｍｍの光学距離におけるピークを含む、０〜４ｍｍの光学距離の範囲（およびこれと対称な範囲）を抽出すればよい。
【００４４】
さらに、ｘ偏光とｙ偏光とを用いた２つの結果をフィッティング対象とすることで、一方の透過率スペクトルの誤差の影響を受けにくくすることもできる。
【００４５】
なお、ここで用いる偏光は、ｘ偏光およびｙ偏光に限らず、２つの異なる方向の偏光であればよく、直交している必要はない。また、測定対象１０なしの場合の測定は、光路中に透過率、反射率または吸収率を偏光依存させるものがなければ、１方向の偏光の電磁波のみを用いてもよい。
【００４６】
また、他のピークが０次ピークと１次ピークの間にあると、他のピークを除去するために、０次ピークおよび１次ピークの情報（裾部分）も除去してしまう可能性がある。このため、０次ピークおよび１次ピークの間に他の干渉ピークがないことが好ましい。
【００４７】
ノイズ除去部３２は、このようにして得られたフーリエ変換信号から、０次透過電磁波の０次ピークｐ０および１次透過電磁波の１次ピークｐ１のみを残し、それ以外のピークである、２次透過電磁波以降の透過電磁波によるピークおよび他の光学部品における電磁波の多重反射によるピーク、すなわち２次ピーク以上のピークを除去し、図３の（ｃ）に示すようにノイズ除去信号を生成する。具体的には、ノイズ除去部３２は、フーリエ変換信号から、０次ピークｐ０および１次ピークｐ１を含む光学距離の所定範囲を抽出する。また、ノイズ除去部３２は、０次ピークｐ０および１次ピークｐ１の値にフィルタリング係数として“１”を乗算するとともに、０次ピークｐ０および１次ピークｐ１以外のピーク（不要ピーク）の値にフィルタリング係数として“０”を乗算する。あるいは、ノイズ除去部３２は、上記不要ピークの値として０を入力してもよい。
【００４８】
逆フーリエ変換部３３は、ノイズ除去部３２から出力されたノイズ除去信号に式（７）で表される逆フーリエ変換を行なって、出射電磁波の強度を補正検出信号として復元する。この補正検出信号には、０次ピークから１次ピークまでの周波数成分以外のピークによるノイズが含まれていない。
【００４９】
【数７】
2018132327.tif 000009
【００５０】
ここで、フーリエ変換部３１は、分光器２によって測定された上述の直接入射電磁波の強度（基準検出信号）もフーリエ変換する。また、ノイズ除去部３２は、測定対象１０を透過した電磁波のフーリエ変換信号と同じく、直接入射電磁波のフーリエ変換信号から２次ピーク以上のピークを除去する。また、逆フーリエ変換部３３は、上記のようにピークが除去された直接入射電磁波のフーリエ変換信号を逆フーリエ変換する。逆フーリエ変換によって復元された直接入射電磁波は、図３の（ｄ）に示すように上記ピークに対応する干渉ノイズを含まない補正基準検出信号として得られる。
【００５１】
そして、スペクトル算出部３４は、逆フーリエ変換部３３から出力された電磁波の強度に基づいて図３の（ｅ）に示すように透過率スペクトルを算出する。スペクトル算出部３４は、透過率スペクトルの算出において、出射電磁波の周波数ごとに、逆フーリエ変換部３３から出力された出射電磁波の強度（補正検出信号）を、干渉ノイズが除去された直接入射電磁波の強度（補正基準検出信号）で除算した透過率を算出する。
【００５２】
直接入射電磁波は、測定対象１０を透過した電磁波と同じようにして２次ピーク以上のピークが除去されている。これにより、透過率スペクトルは、２次ピーク以上のピークに対応する干渉ノイズが除去されている。したがって、スペクトル算出部３４によって得られた透過率スペクトルは、上記の干渉ノイズを含まない、より正確な値として求められる。
【００５３】
図６に太い実線にて示すように、２次ピーク以上のピークを除去した場合、透過率スペクトルには主に１次ピークによるノイズが残る。これに対し、比較例として、図６に細い実線にて示すように、フーリエ変換信号からピークを除去しなかった場合、透過率スペクトルに多くのノイズが含まれる。また、他の比較例として、図６に破線にて示すように、０次ピーク以外のピーク（１次ピークを含む）を除去した場合、ノイズがほぼ除かれて滑らかに変化する透過率スペクトルが得られる。
【００５４】
フィッティング部３５は、スペクトル算出部３４によって算出された透過率スペクトルに基づいてフィッティング処理を行なう。まず、フィッティング部３５は、測定対象１０の透過率モデルを用いてモデル透過率スペクトルを生成し、このモデル透過率スペクトルを上記の透過率スペクトルにフィッティングする。このとき、フィッティング部３５は、複素屈折率の初期値を設定して、屈折率および消衰係数を含むパラメータを調整しながら、モデル透過率スペクトルを透過率スペクトルにフィッティングさせていく。そして、フィッティング部３５は、モデル透過率スペクトルが透過率スペクトルにフィッティングしたときの屈折率および消衰係数の収束値を測定対象１０の光学定数として特定する。
【００５５】
図７の（ａ）〜（ｃ）は、屈折率分散がないものとして、上記透過率スペクトルと、フィッティング部３５によって屈折率、消衰係数および測定対象１０の厚みをフィッティングした結果とを示している。図７の（ａ）〜（ｃ）において、破線はモデル透過率スペクトルを示し、実線は透過率スペクトルの結果を示し、それぞれを角振動数に対する透過率として表している。屈折率の初期値は、干渉ピーク位置（光学距離）から測定対象１０の厚みを１ｍｍとして算出された、屈折率ｎ（ｎ１＝１．４６）に設定した。ここで、測定対象１０の厚みは、別途測定した値を用いている。別途測定した値の信頼性が高ければ、その測定値で固定してもよいが、今回は精度の低い測定方法であったため、厚みもフィッティングする。また、消衰係数ｋをｋ＝０．０に固定した。フィッティングの結果、ｎ＝１．７６、厚み０．８１となった。このとき、フィッティングエラーは４８．７＊１０−４であった。また、図７の（ａ）に示すように、モデル透過率スペクトルと透過率スペクトルとの干渉周期がほぼ一致していることから、屈折率はほとんど分散がないことがわかった。一方、モデル透過率スペクトルと透過率スペクトルとで透過率の値が合致していないため、消衰係数が必要であることもわかる。測定対象１０の内部での消衰係数も含めた理論式でフィッティングすると、図７の（ｂ）に示すように、さらによくフィットした。詳しくは、ｎ＝１．４９，ｋ＝０．００２，厚み０．９５ｍｍとなり、干渉ピーク位置から算出された屈折率である１．４６と近い値が得られた。このように、干渉ピーク位置から算出される屈折率をフィッティングの初期値とすれば、フィッティングの誤差を低減することができる。また、このときのフィッティングエラーは７．３５＊１０−４であり、消衰係数をｋ＝０．０で固定したときより、よりフィットしていることがわかる。
【００５６】
一方、比較例として、１次ピークを含まない０次ピークのみの範囲を抽出した場合についてもフィッティングを行なった。この場合の透過率とフィッティングの結果とでは、図７の（ｃ）に示すように、透過率スペクトルに、測定対象１０に依存する干渉が現れていない。しかしながら、ｎ＝１．３１，ｋ＝０．００５，厚み５．４＊１０−４となり、フィットは収束せずに失敗した。測定対象１０の厚みは、実際に１ｍｍ程度であり、上記フィッティング結果は、大きく外れた値となった。特に消衰係数が小さい場合は、干渉ピークがないと厚みの情報を得にくいため、厚みを０．９５に固定してフィッティングを行なった。この結果、ｎ＝１．３１，ｋ＝０．０００００３であり、このときのフィッティングエラーは１．８０となった。これは、干渉ピークがないことにより、フィッティング精度が低下するためと、他の光学部品の干渉パターンが残っているために、フィッティングの精度が悪くなっていると考えられる。
【００５７】
干渉ピーク位置（光学距離）は、２．９１９ｍｍに対して、その前後の点は２．７０９および３．１２６であり、分解能は０．２１ｍｍ程度である。これにより、測定対象１０の厚みを０．９５ｍｍとすると、屈折率ｎ１は、１．４３〜１．６５の範囲であるとわかる。よって、上記の０次ピークのみの範囲を抽出して得た結果は、フィッティング不良であると判断できる。
【００５８】
このように、本実施形態のスペクトル解析装置１１は、測定対象１０を透過した電磁波の強度をフーリエ変換し、変換後のフーリエ変換信号から干渉ノイズに対応する部分を除去し、逆フーリエ変換で元に戻す。スペクトル解析装置１１は、フーリエ変換信号から干渉ノイズに対応する部分を除去するときに、測定対象１０内をそのまま透過する電磁波と１回往復した電磁波とを含み、それ以外の多重反射による電磁波および他の光学部品内部での多重反射を除く。これにより、測定対象１０以外で発生する干渉ノイズが除去されるとともに、測定対象１０内を１回往復したことによる干渉（１次ピーク）を残す。また、スペクトル解析装置１１は、測定対象１０内を１回往復した干渉を含む透過率スペクトルを求め、この透過率スペクトルに基づいて光学定数のフィッティングを行なう。
【００５９】
１次ピークを除去して逆フーリエ変換した場合では、図６に破線にて示すように、透過率スペクトルが滑らかになるが、図７の（ｃ）に示すように、フィッティング時の誤差が大きくなる。また、特に消衰係数が小さい場合は、厚みの情報が得にくくなる。そこで、１次ピークまで含めて逆フーリエ変換して、透過率スペクトルに測定対象１０に特有の干渉の情報を含ませることで、フィッティングがしやすくなる。これにより、フィッティング結果の妥当性や、フィッティング結果と実測値との間にずれがあったときのずれの原因が、ユーザーにとって判断しやすくなる。また、フィッティングの精度を向上させることができる。よって、精密な解析（光学定数の算出）が可能となる。
【００６０】
通常、フィッティングを行う場合、フィッティング対象となるデータと、計算式との差の２乗が小さくなるよう、フィットパラメータを選択する。１次ピークを除去して逆フーリエ変換した場合では、図７の（ｃ）において、シミュレーション結果である破線の傾きが変化しても、フィッティングエラーに大きな差は現れないため、フィッティングが収束しなかった。
【００６１】
一方、１次ピークを含んで逆フーリエ変換した場合では、透過率スペクトルおよびモデル透過率スペクトルに干渉が現れていると、干渉周期から外れたフィッティングをするとフィッティングエラーが大きくなる。このため、干渉周期が合うように、ｎと測定対象１０の厚みの積を選択することが１つの指標（制約条件）となる。よって、フィッティングが収束しやすく、正確な結果にたどりつきやすい。また、図７の（ｂ）に示す例では、透過率スペクトルとモデル透過率スペクトルとに差が残っている。この差は、図７の（ｃ）で現れている他の光学部品の干渉パターンである。この干渉パターンよりも１次ピークによる干渉の方が大きいため、１次ピークによる干渉周期に合わせる方が、フィッティングエラーを小さくすることができる。すなわち、１次ピークによる干渉があることで、誤差の小さいフィッティングを行うことができる。
【００６２】
次に、複素屈折率を誘電体モデルで表し、フィッティングする場合について説明する。本実施形態では、測定対象１０は固体であるため、複素誘電率は式（８）のようなローレンツ型関数で表すことができる。
【００６３】
【数８】
2018132327.tif 000010
【００６４】
式（８）では、ローレンツ型関数を１項しか用いていないが、何項用いるかは、測定対象１０の材料や、フィッティング結果によって決めればよい。また、測定対象１０が液体であったり、流動性のある材料であったりする場合、式（８）にデバイモデルの項を組み込むのが好ましい。
【００６５】
誘電率から複素屈折率が求められるため、複素屈折率の式を式（６）に代入すれば、誘電率モデルを用いた透過率スペクトルの式となる。この式を用いてフィッティングすれば、複素屈折率（ｎ，ｋ）でなく、誘電率モデルのパラメータをフィッティングで求めることができる。すなわち、誘電率および複素屈折率に分散がある場合にも対応できることになる。
【００６６】
実際に、図６の２次ピーク以上を除去した結果に対して、式（８）のパラメータ（Ａ１，ω１，γ１，ε∞）をフィッティングした。その結果、Ａ１=０．２、ω１＝５．３２、γ１＝５．１、ε∞＝２．２３となった。このときのフィッティングエラーは４．４３＊１０−４であり、図７（ｂ）に示す場合で得られるフィッティングエラーよりさらに小さくなっている。ここから求まる複素屈折率は、図７に示す２００〜１０００ＧＨｚの範囲で、ｎが１．４９６〜１．４９３となり、ｋが０．０００６〜０．００３となった。これらの範囲は、分散がないとして誘電率モデルを用いずに複素屈折率をフィッティングした値を含む範囲となっており、フィッティングエラーだけでなく、ここからも誘電体モデルのフィッティングが妥当であることがわかる。
【００６７】
なお、測定対象１０より光学距離が短い物体が光学系内に存在しないことが好ましい。これにより、フィッティングの精度がより高まる。
【００６８】
また、本実施形態では、電磁波が測定対象１０を透過する場合の測定について説明したが、電磁波が測定対象１０に反射する場合の測定についてもスペクトル解析装置１１を適用することができる。この場合でも、本実施形態と同じく、測定対象１０の内部を１回往復した電磁波を含んだ状態で逆フーリエ変換が行なわれる。ただし、電磁波が測定対象１０に反射する場合、図２に示す電場Ｅ（０）の電磁波は、測定対象１０の内部には進入せずに測定対象１０の入射面で反射される。また、図２に示す電場Ｅ（１）の電磁波は、測定対象１０の内部を１往復して測定対象１０の入射面から出射される。また、図２に示す電場Ｅ（２）の電磁波は、測定対象１０の内部を２往復して測定対象１０の入射面から出射される。さらに、逆フーリエ変換部３３によって得られた電磁波の強度から透過率スペクトルではなく反射率スペクトルを算出することが、本実施形態の解析部３とは異なる。
【００６９】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態について、図８〜図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００７０】
図８は、本実施形態に係るスペクトル解析装置１２の構成を示すブロック図である。図９は、スペクトル解析装置１２により物性が解析される測定対象１０における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。図１０は、スペクトル解析装置１２におけるフーリエ変換部によって出力されたフーリエ変換信号を示す図である。
【００７１】
図８に示すように、スペクトル解析装置１２は、実施形態１のスペクトル解析装置１１（図１参照）と同じく、電磁波源１と、分光器２と、解析部３とを備えている。スペクトル解析装置１２は、セル４（容器）内に封入された液体の測定対象１０に連続した電磁波を照射することで測定対象１０から出射される出射電磁波を検出し、検出した出射電磁波に基づいて測定対象１０の光学定数を算出する装置である。
【００７２】
実施形態１にて説明したように、測定対象１０より光学距離が短い物体が光学系内にないことが好ましい。このため、セル４の壁厚の光学距離は、測定対象１０の光学距離より長い。また、ＴＨｚ帯での液体の屈折率は、多くの液体が１．５であるのに対し、水が大きく２．０〜４．０である。表１に示すように、水の屈折率は低周波数ほど大きな値となる。また、通常測定される周波数範囲は、１００ＧＨｚ以上になることが多い。そこで、図９に示すセル４の壁厚ｄ２（壁厚Ｄ）は、１００ＧＨｚにおける水の屈折率を考慮して、セル４の屈折率ｎ２（屈折率Ｎ）および測定対象１０の厚さｄに対して次式を満たせばよい。
【００７３】
５．０＊ｄ＜ｎ２＊ｄ２
【００７４】
【表１】
2018132327.tif 000011
【００７５】
上記のように構成されるスペクトル解析装置１２は、スペクトル解析装置１１と同じようにして、セル４に封入された測定対象１０についての光学特性を測定する。具体的には、分光器２は、電磁波源１から照射されてセル４および測定対象１０を透過した出射電磁波（電場Ｅ（０），Ｅ（１），Ｅ（２），…）のスペクトルを測定する。また、解析部３において、フーリエ変換部３１は出射電磁波の強度をフーリエ変換し、ノイズ除去部３２はフーリエ変換信号から０次ピークおよび１次ピーク以外のピークを除去し、逆フーリエ変換部３３はピークが除去されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換する。ノイズ除去部３２は、図１０に示すフーリエ変換信号から、０次ピークｐ０および１次ピークｐ１以外のピーク（セル４の干渉によるピークを含む）を除去する。また、解析部３において、スペクトル算出部３４は逆フーリエ変換によって復元された補正検出信号から透過率スペクトルを求め、さらにフィッティング部３５は、透過率スペクトルに基づいてフィッティングを行なって測定対象１０の光学定数を算出する。
【００７６】
以上の処理の結果、スペクトル解析装置１２によっても、スペクトル解析装置１１と同じく、透過率スペクトルに測定対象１０に特有の干渉の情報（１次ピーク）を含ませることで、フィッティングがしやすくなる。これにより、フィッティング結果の妥当性や、フィッティング結果と実測値との間にずれがあったときのずれの原因が、ユーザーにとって判断しやすくなる。また、フィッティングの精度を向上させることで、精密な解析が可能となる。よって、セル４という干渉を引き起こす部品を使わなければならない液体等の測定対象１０の測定においても、実施形態１と同じ効果を得ることができる。
【００７７】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態について、図１１〜図１３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態１および２にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００７８】
図１１は、本実施形態に係るスペクトル解析装置１３の構成を示すブロック図である。図１２は、スペクトル解析装置１３により光学定数が解析される測定対象１０における電磁波の透過および反射の状態を示す図である。図１３は、スペクトル解析装置１３における検出器６（検出部）によって検出されたパルス状の電磁波の強度の変化を示す図である。
【００７９】
図１１に示すように、スペクトル解析装置１３は、電磁波源５と、検出器６と、解析部３Ａとを備えている。スペクトル解析装置１３は、測定対象１０にパルス状の電磁波を照射することで測定対象１０から出射される出射電磁波を検出し、検出した出射電磁波に基づいて測定対象１０の光学定数および厚みを算出する装置である。このスペクトル解析装置１３は、テラヘルツ時間領域分光法（THz time-domain spectroscopy）を用いている。
【００８０】
電磁波源５は、ＴＨｚ帯のパルス状の電磁波を発生する。電磁波源５としては、例えばフェムト秒レーザから出射されたパルス電磁波を光伝導スイッチなどのＴＨｚ波発生素子に照射することで所望とする電磁波を得る構成が用いられる。
【００８１】
検出器６は、測定対象１０を透過したパルス状の電磁波の強度の時間変化（時間波形）を検出する。検出器６としては、例えば、光伝導スイッチなどのＴＨｚ波検出素子が用いられる。
【００８２】
解析部３Ａは、実施形態１のスペクトル解析装置１１（図１参照）における解析部３と同じくノイズ除去部３２と、逆フーリエ変換部３３と、スペクトル算出部３４と、フィッティング部３５とを有しているが、フーリエ変換部３１は有していない。ただし、ノイズ除去部３２は、検出器６によって検出されたパルス状の電磁波の強度の時間波形の状態で後述する２次パルス以上のパルス等の不要な情報を除去することが、スペクトル解析装置１１におけるノイズ除去部３２と異なる。
【００８３】
上記のように構成されるスペクトル解析装置１３は、測定対象１０についての光学特性を測定する。まず、電磁波源５から出力されたパルス状の電磁波が測定対象１０を透過する。このとき、図１２に示すように、電場Ｅ０を有する電磁波（入射電磁波）の一部は、０次パルスとして測定対象１０を透過する。一方、当該入射電磁波の一部は、測定対象１０の出力面で反射し、さらに測定対象１０入力面で反射して、その一部が１次パルスとして測定対象１０から出力される。また、１次パルスの一部は、測定対象１０の出力面で反射し、さらに測定対象１０入力面で反射して、その一部が２次パルスとして測定対象１０から出力される。
【００８４】
このように、測定対象１０においては、電磁波の多重反射が生じている。したがって、０次パルスの強度が最も強く、１次パルス、２次パルス、…のそれぞれの強度は、順次減衰していく。検出器６は、電磁波源１から照射されて測定対象１０を透過したパルス状の電磁波の強度の時間波形を測定する。例えば、図１３に示すように、時間ｔ０において０次パルスが検出され、時間ｔ１において１次パルスが検出される。また、時間ｔ０および時間ｔ１の差は次式のように表される。
【００８５】
ｔ１−ｔ０＝２＊ｎ１＊ｄ
検出された電磁波の強度は、電磁波が測定対象１０内で往復した時間を距離に変換し、２＊ｎ１＊ｄの倍数で分離することができる。電磁波源５からパルス状の電磁波が出射され、検出器６で測定対象１０を透過したパルス状の電磁波の強度の時間変化（時間波形）を検出する場合、図１３に示す検出結果は、スペクトルをフーリエ変換した結果（フーリエ変換信号）に対応する。
【００８６】
解析部３Ａにおいて、ノイズ除去部３２は、図１３に示す検出強度の信号（フーリエ変換信号）から、０次パルスおよび１次パルス以外のパルスを除去し、ノイズ除去信号を生成する。また、逆フーリエ変換部が補正検出信号を生成する。これらの処理は、測定対象１０がない状態での測定結果に対しても行われる。解析部３Ａにおいて、スペクトル算出部３４は補正検出信号および補正基準検出信号から透過率スペクトルを求め、さらにフィッティング部３５は、透過率スペクトルに基づいてフィッティングを行なって測定対象１０の光学定数を算出する。
【００８７】
このように、本実施形態のスペクトル解析装置１３は、測定対象１０を透過したパルス状の電磁波の強度（時間波形）から干渉ノイズに対応する部分を除去し、逆フーリエ変換で元に戻す。スペクトル解析装置１３は、強度検出信号から干渉ノイズに対応する部分を除去するときに、測定対象１０内をそのまま透過する電磁波（０次パルス）と１回往復した電磁波（１次パルス）とを含み、それ以外の多重反射による電磁波および他の光学部品内部での多重反射を除く。これにより、測定対象１０以外で発生する干渉ノイズが除去されるとともに、測定対象１０内を１回往復したことによる干渉（１次ピーク）を残す。また、スペクトル解析装置１３は、測定対象１０内を１回往復した干渉を含む透過率スペクトルを求め、この透過率スペクトルに基づいて光学定数のフィッティングを行なう。
【００８８】
従来、干渉ノイズを除去するために、時間ｔ０のピークのみを取り出してフーリエ変換により周波数領域のスペクトルを得ていた。これに対し、本実施形態では、図１３に示すように、時間ｔ０の０次パルスとともに時間t１の１次パルスを含む範囲を取り出してフーリエ変換を行なうことにより周波数領域のスペクトルを得る。
【００８９】
これにより、フィッティング結果の妥当性や、フィッティング結果と実測値との間にずれがあったときのずれの原因が、ユーザーにとって判断しやすくなる。また、フィッティングの精度を向上させることで、精密な解析が可能となる。よって、テラヘルツ時間領域分光法を用いた測定対象１０の測定においても、実施形態１と同じ効果を得ることができる。
【００９０】
〔ソフトウェアによる実現例〕
スペクトル解析装置１１〜１３の制御ブロック（特に解析部３の各部）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００９１】
後者の場合、スペクトル解析装置１１〜１３は、各機能を実現するソフトウェアであるスペクトル解析プログラムの命令を実行するＣＰＵ、当該スペクトル解析プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、スペクトル解析プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）がスペクトル解析プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。
【００９２】
上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、スペクトル解析プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【００９３】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るスペクトル解析装置は、０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波を放射する電磁波源１と、前記電磁波が測定対象１０に透過または反射することで前記測定対象１０から出射された出射電磁波を検出して検出信号を生成する検出部（分光器２，検出器６）と、前記検出信号を解析する解析部３と、を備え、前記解析部３は、前記検出信号から、前記出射電磁波における、前記測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成する電磁波除去部（ノイズ除去部３２）と、を有し、前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成する。
【００９４】
測定対象の内部を往復せずに出射された無往復電磁波のみを用いて生成されたスペクトルは滑らかになるが、このスペクトルを用いて光学定数のフィッティングを行なうと、フィッティングの結果に誤差が生じてしまう。これに対し、上記の構成によれば、無往復電磁波だけでなく測定対象の内部を１往復して出射された電磁波を含み、測定対象の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を含まない電磁波によってスペクトルを生成し、当該スペクトルを用いて光学定数のフィッティングを行なったところ、フィッティングの誤差が低減した。これにより、測定対象の内部で生じる干渉ノイズを極力低減するとともに、フィッティングの精度を向上させることができる。
【００９５】
本発明の態様２に係るスペクトル解析装置は、上記態様１において、前記検出信号は、光学距離ｘまたは時間に依存したスペクトルであり、前記解析部３は、前記ノイズ除去信号を逆フーリエ変換することにより、前記補正検出信号を生成する逆フーリエ変換部３３をさらに備えていてもよい。
【００９６】
上記の構成によれば、検出信号が光学距離または時間に依存しているスペクトルであるので、このような検出信号から測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去し、逆フーリエ変換して得られる補正検出信号には、往復電磁波の強度が含まれないことになる。よって、上記補正検出信号を利用することにより、光学定数のフィッティング精度が向上する。
【００９７】
本発明の態様３に係るスペクトル解析装置は、上記態様２において、前記電磁波はパルス状の電磁波であってもよい。
【００９８】
上記の構成によれば、入射電磁波がパルス状の電磁波であるので、テラヘルツ時間領域分光法においても、測定対象の内部で生じる干渉ノイズを極力低減するとともに、フィッティングの精度を向上させることができる。
【００９９】
本発明の態様４に係るスペクトル解析装置は、上記態様１において、前記検出信号は、波長または周波数に依存したスペクトルであり、
前記解析部３は、前記検出信号をフーリエ変換することにより、光学距離ｘまたは時間に依存したフーリエ変換信号を生成するフーリエ変換部３１と、前記ノイズ除去信号を逆フーリエ変換することにより、前記補正検出信号を生成する逆フーリエ変換部３３とをさらに有し、前記電磁波除去部は、前記フーリエ変換信号から前記往復電磁波を除去して前記ノイズ除去信号を生成してもよい。
【０１００】
上記の構成によれば、フーリエ変換を行なって出射電磁波の強度スペクトルを得ることで、波長または周波数に依存した出射電磁波の強度から、光学距離または時間に依存したスペクトルを表すフーリエ変換信号を得ることができる。これにより、測定対象の内部を２回以上往復して出射される電磁波に対応するピークを容易に除去することができる。そして、このようなピークが除去されたノイズ除去信号を逆フーリエ変換して得られる補正検出信号には、２回以上往復して出射される電磁波の強度が含まれないことになる。よって、上記補正検出信号を利用することにより、光学定数のフィッティング精度が向上する。
【０１０１】
本発明の態様５に係るスペクトル解析装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、前記検出部は、前記測定対象１０を介さずに前記電磁波源１から直接入射した前記電磁波を検出して基準検出信号を出力し、前記電磁波除去部は、前記基準検出信号から前記検出信号で除去した電磁波と同じ時間および距離に対応する電磁波を除去することで補正基準検出信号を生成し、前記解析部３は、前記補正検出信号の値を前記補正基準検出信号の値で周波数ごとに除算することにより、透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを算出してもよい。
【０１０２】
上記の構成によれば、上記基準検出信号と比較することにより、検出信号に対して、測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を正確に判別することができる。また、補正基準検出信号は、測定対象１０を透過または反射した電磁波と同じようにして往復電磁波が除去されている。これにより、透過率スペクトルは、往復電磁波による干渉ノイズが除去されている。したがって、スペクトル生成部によって得られた透過率スペクトルは、上記の干渉ノイズを含まない、より正確な値として求められる。
【０１０３】
本発明の態様６に係るスペクトル解析装置は、上記態様５において、誘電率モデルを用いて算出したモデル透過率スペクトルまたはモデル反射率スペクトルを前記解析部３によって生成された前記透過率スペクトルまたは前記反射率スペクトルにそれぞれフィッティングさせることにより、前記測定対象１０の光学定数および厚みを特定するフィッティング部３５をさらに備えている。
【０１０４】
上記の構成によれば、無往復電磁波だけでなく測定対象の内部を１往復した電磁波を含み、往復電磁波を含まない電磁波によって生成された透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを用いてフィッティングが行なわれるので、光学定数を高精度に得ることができる。また、誘電率モデルを用いることにより、物理的に意味のないフィッティング結果となることがなくなる。
【０１０５】
本発明の態様７に係るスペクトル解析装置は、上記態様６において、前記フィッティング部３５は、前記測定対象１０の内部を往復した時間または光学距離ｘから算出される屈折率をフィッティングの初期値としてもよい。
【０１０６】
上記の構成によれば、実際の値に近い屈折率を初期値に用いるので、フィッティングの誤差を低減することができる。
【０１０７】
本発明の態様８に係るスペクトル解析装置は、上記態様１から７のいずれかにおいて、前記電磁波除去部は、互いに異なる方向の偏光を有する２つの電磁波を前記測定対象１０へ入射させることで得られた前記出射電磁波と、前記測定対象１０に入射しない電磁波とを比較してもよい。
【０１０８】
上記の構成によれば、０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を含む電磁波が測定対象に垂直に入射する場合、例えばｘ偏光とｙ偏光とで検出信号およびフーリエ変換信号に差は現れないはずだが、ランダムノイズの影響は相違する。また、光学調整が完全ではないことによっても相違が現れる。これらの相違は、透過強度には影響するが光学距離には影響がないため、フーリエ変換信号において、無往復電磁波だけでなく測定対象の内部を１往復して出射された電磁波による干渉ノイズの位置は変化しない。よって、互いに異なる方向の偏光を有する２つの電磁波を用いて測定して、同じ光学位置に現れる干渉ノイズは、測定対象に起因するものであると判別できる。これをもとに、測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去することができる。
【０１０９】
本発明の態様９に係るスペクトル解析装置は、上記態様１から８のいずれかにおいて、前記測定対象１０は容器に封入された液体であり、前記容器の壁厚Ｄは、前記容器の屈折率ｎおよび前記測定対象１０の厚さｄに対して、５．０＊ｄ＜ｎ＊Ｄを満たしてもよい。
【０１１０】
測定対象より光学距離が短い物体が電磁波の伝搬域内にないことが好ましい。そこで、上記の構成によれば、電磁波の周波数が１００ＧＨｚにおける水の屈折率（５．０）を考慮すれば、測定対象の光学距離が５．０＊ｄであることから、容器の光学距離であるｎ＊Ｄが測定対象の光学距離よりも長い。したがって、容器の膜厚Ｄが上記の条件を満たせば、容器の壁内で多重反射した電磁波を除去できる。
【０１１１】
本発明の各態様に係るスペクトル解析装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記スペクトル解析装置が備える解析部（ソフトウェア要素）として動作させることにより上記スペクトル解析装置をコンピュータにて実現させるスペクトル解析装置のスペクトル解析プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
【０１１２】
本発明の態様１０に係るスペクトル解析方法は、０．１ｍｍ以上かつ１０ｍｍの波長を有する電磁波が、測定対象１０に透過または反射することで前記測定対象１０から出射された出射電磁波を検出して生成された検出信号を解析するスペクトル解析方法であって、前記検出信号から、前記出射電磁波における、前記測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を除去してノイズ除去信号を生成し、前記ノイズ除去信号を用いて補正検出信号である透過スペクトルまたは反射スペクトルを生成する。
【０１１３】
測定対象１０の内部を往復せずに出射された無往復電磁波のみを用いて生成されたスペクトルは滑らかになるが、このスペクトルを用いて光学定数のフィッティングを行なうと、フィッティングの結果に誤差が生じてしまう。これに対し、上記の構成によれば、無往復電磁波だけでなく測定対象１０の内部を１往復して出射された電磁波を含み、測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を含まない電磁波によってスペクトルを生成し、当該スペクトルを用いて光学定数のフィッティングを行なったところ、フィッティングの誤差が低減した。これにより、測定対象１０の内部で生じる干渉ノイズを極力低減するとともに、フィッティングの精度を向上させることができる。
【０１１４】
本発明の態様１１に係るスペクトル解析方法は、上記態様１０において、前記測定対象１０を介さずに直接入射した前記電磁波を検出して生成された基準検出信号から前記検出信号で除去した電磁波と同じ時間および距離に対応する電磁波を除去することで補正基準検出信号を生成し、前記補正検出信号の値を前記補正基準検出信号の値で周波数ごとに除算することにより、透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを算出し、誘電率モデルを用いて算出したモデル透過率スペクトルまたはモデル反射率スペクトルを前記透過率スペクトルまたは前記反射率スペクトルにそれぞれフィッティングさせることにより、前記測定対象１０の光学定数および厚みを特定する。
【０１１５】
上記の構成によれば、上記基準検出信号と比較することにより、検出信号に対して、測定対象１０の内部を２往復以上して出射された往復電磁波を正確に判別することができる。また、補正基準検出信号は、測定対象１０を透過または反射した電磁波と同じようにして往復電磁波が除去されている。これにより、透過率スペクトルは、往復電磁波による干渉ノイズが除去されている。したがって、得られた透過率スペクトルは、上記の干渉ノイズを含まない、より正確な値として求められる。
【０１１６】
さらに、透過率スペクトルまたは反射率スペクトルについても、無往復電磁波だけでなく測定対象１０の内部を１往復した電磁波を含み、往復電磁波を含まない電磁波によって生成された透過率スペクトルまたは反射率スペクトルを用いてフィッティングが行なわれるので、光学定数を高精度に得ることができる。また、誘電率モデルを用いることにより、物理的に意味のないフィッティング結果となることがなくなる。
【０１１７】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１，５  電磁波源
２  分光器（検出部）
３，３Ａ  解析部
４  セル
６  検出器（検出部）
１０  測定対象
１１〜１３  スペクトル解析装置
３１  フーリエ変換部
３２  ノイズ除去部（電磁波除去部）
３３  逆フーリエ変換部
３４  スペクトル算出部（スペクトル生成部）
３５  フィッティング部
ｄ２  壁厚（壁厚Ｄ）
ｎ２  屈折率（屈折率Ｎ）
ｘ  光学距離
【図１】
2018132327.tif 000012
【図２】
2018132327.tif 000013
【図３】
2018132327.tif 000014
【図４】
2018132327.tif 000015
【図５】
2018132327.tif 000016
【図６】
2018132327.tif 000017
【図７】
2018132327.tif 000018
【図８】
2018132327.tif 000019
【図９】
2018132327.tif 000020
【図１０】
2018132327.tif 000021
【図１１】
2018132327.tif 000022
【図１２】
2018132327.tif 000023
【図１３】
2018132327.tif 000024