(57)【要約】【課題】テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる光学計測装置及び光学計測方法を提供する。【解決手段】光学計測装置１は、テラヘルツ波Ｔと、テラヘルツ波Ｔと同軸にテラヘルツ波Ｔとは異なる波長の同軸光Ｉとを出力する光源２と、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのうち少なくともテラヘルツ波Ｔを所定の変調周波数で強度変調する強度変調部３と、強度変調部３を経て被計測物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを、変調周波数ｆ１に基づいてそれぞれ同期検波する光検出部５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波と、前記テラヘルツ波と同軸に前記テラヘルツ波とは異なる波長の同軸光とを出力する光源と、
前記テラヘルツ波及び前記同軸光のうち少なくとも前記テラヘルツ波を所定の変調周波数で強度変調する強度変調部と、
前記強度変調部を経て被計測物に作用した前記テラヘルツ波及び前記同軸光を、前記変調周波数に基づいてそれぞれ同期検波する光検出部と、を備える光学計測装置。
【請求項２】
前記強度変調部は、前記テラヘルツ波及び前記同軸光の光軸に対し、前記同軸光の強度を減衰させる第１の減衰領域と、前記テラヘルツ波の強度を減衰させる第２の減衰領域とが前記変調周波数に基づいて切り替わる切替部を有する請求項１記載の光学計測装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ波及び前記同軸光を前記強度変調部に向けて集光する集光レンズを有する請求項１又は２記載の光学計測装置。
【請求項４】
前記変調周波数に基づいて、互いに位相が反転する第１の参照信号及び第２の参照信号を生成する参照信号生成部を備え、
前記光検出部は、前記第１の参照信号に基づいて前記テラヘルツ波をロックイン検出する第１のロックイン検出部と、前記第２の参照信号に基づいて前記同軸光をロックイン検出する第２のロックイン検出部とを有する請求項１〜３のいずれか一項記載の光学計測装置。
【請求項５】
前記光源は、前記変調周波数よりも高い繰返周波数で前記テラヘルツ波及び前記同軸光を出力し、
前記光検出部は、前記第１のロックイン検出部及び前記第２のロックイン検出部の前段で前記繰返周波数に基づいて前記テラヘルツ波及び前記同軸光をロックイン検出する前段ロックイン検出部を有する請求項４記載の光学計測装置。
【請求項６】
前記強度変調部は、
前記テラヘルツ波及び前記同軸光の入射面、出射面、及び前記入射面と前記出射面との間の光路に位置する全反射面とを有する全反射プリズムと、
前記全反射面に対向して配置され、前記全反射面における前記テラヘルツ波のエバネッセント波の浸出長をｄｔ、前記全反射面における前記同軸光のエバネッセント波の浸出長をｄｍとした場合に、前記全反射面との間隔ｄがｄｍ＜ｄ≦ｄｔを満たす範囲で前記変調周波数に基づいて掃引されるテラヘルツ波吸収体と、を有する請求項１記載の光学計測装置。
【請求項７】
前記光源は、前記変調周波数よりも高い繰返周波数で前記テラヘルツ波及び前記同軸光を出力し、
前記変調周波数に基づいて参照信号を生成する参照信号生成部を備え、
前記光検出部は、前記参照信号に基づいて前記テラヘルツ波をロックイン検出する第１のロックイン検出部と、前記繰返周波数に基づいて前記同軸光をロックイン検出する第２のロックイン検出部とを有する請求項６記載の光学計測装置。
【請求項８】
前記同軸光は、中赤外光である請求項１〜７のいずれか一項記載の光学計測装置。
【請求項９】
テラヘルツ波と、前記テラヘルツ波と同軸に前記テラヘルツ波とは異なる波長の同軸光とを出力する光出力ステップと、
前記テラヘルツ波及び前記同軸光のうち少なくとも前記テラヘルツ波を所定の変調周波数で強度変調する強度変調ステップと、
前記強度変調を経て被計測物に作用した前記テラヘルツ波及び前記同軸光を、前記変調周波数に基づいてそれぞれ同期検波する光検出ステップと、を備える光学計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学計測装置及び光学計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学計測装置に適用される光源として、例えば特許文献１に記載の量子カスケードレーザがある。この量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間発光遷移による第１周波数の第１ポンプ光、及び第２周波数の第２ポンプ光を生成し、第１ポンプ光及び第２ポンプ光による差周波を用いてテラヘルツ波を出力するように構成されている。テラヘルツ波を光学計測に応用した例としては、例えば非特許文献１に記載の手法が挙げられる。この非特許文献１に記載の手法では、近赤外光を波長変換素子に照射してテラヘルツ波を発生させて被計測物に照射し、被計測物に作用したテラヘルツ波を同期検波によって検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−３３９８１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Frequency Stabilized GaP Continuous-Wave Terahertz Signal Generatorfor High-Resolution Spectroscopy, Optics and Photonics Journal, 2014, 4, 8-13
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
テラヘルツ波を用いた光学計測は、医療品、化粧品、食品といった幅広い分野で品質管理や分析などの用途への応用が期待されている。従来の非特許文献１のような手法では、近赤外光をフィルタによってカットし、テラヘルツ波のみを計測に用いているが、特許文献１のような小型のテラヘルツ波光源が開発されてきている事情を鑑みると、テラヘルツ波と同軸で出力される中赤外光等の同軸光をテラヘルツ波と共に計測に利用する場面も想定される。
【０００６】
テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いる場合、被測定物に作用した後のテラヘルツ波と中赤外光等の同軸光とを分離して検出することが考えられる。しかしながら、現状では、テラヘルツ波の光軸と中赤外光等の同軸光との光軸とを精度良く分離できる光学素子が存在しておらず、また、各帯域に応じた検出器をそれぞれ設けることで、光源が小型化されたとしても装置全体が大型化してしまう懸念がある。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる光学計測装置及び光学計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る光学計測装置は、テラヘルツ波と、テラヘルツ波と同軸にテラヘルツ波とは異なる波長の同軸光とを出力する光源と、テラヘルツ波及び同軸光のうち少なくともテラヘルツ波を所定の変調周波数で強度変調する強度変調部と、強度変調部を経て被計測物に作用したテラヘルツ波及び同軸光を、変調周波数に基づいてそれぞれ同期検波する光検出部と、を備える。
【０００９】
この光学計測装置では、光源から同軸に出力するテラヘルツ波と同軸光とを所定の変調周波数で強度変調し、当該変調周波数に基づいて被計測物に作用したテラヘルツ波及び同軸光を同期検波する。これにより、テラヘルツ波の光軸と同軸光との光軸とを分離することなく、単一の光検出部においてテラヘルツ波及び同軸光の双方を分離して検出することが可能となる。したがって、この光学計測装置では、テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる。
【００１０】
また、強度変調部は、テラヘルツ波及び同軸光の光軸に対し、同軸光の強度を減衰させる第１の減衰領域と、テラヘルツ波の強度を減衰させる第２の減衰領域とが変調周波数に基づいて切り替わる切替部を有してもよい。この場合、簡単な構成で強度変調部からテラヘルツ波及び同軸光を異なる位相で交互に出力することができる。したがって、光検出部での同期検波を精度良く実施できる。
【００１１】
また、光学計測装置は、テラヘルツ波及び同軸光を強度変調部に向けて集光する集光レンズを有してもよい。この場合、強度変調部から出力するテラヘルツ波及び同軸光を矩形波に近づけることができる。これにより、光検出部においてテラヘルツ波及び同軸光をより確実に分離して検出することが可能となる。
【００１２】
また、光学計測装置は、変調周波数に基づいて、互いに位相が反転する第１の参照信号及び第２の参照信号を生成する参照信号生成部を備え、光検出部は、第１の参照信号に基づいてテラヘルツ波をロックイン検出する第１のロックイン検出部と、第２の参照信号に基づいて同軸光をロックイン検出する第２のロックイン検出部とを有してもよい。これにより、光検出部においてテラヘルツ波及び同軸光を一層分離して検出することが可能となる。
【００１３】
また、光源は、変調周波数よりも高い繰返周波数でテラヘルツ波及び同軸光を出力し、光検出部は、第１のロックイン検出部及び第２のロックイン検出部の前段で繰返周波数に基づいてテラヘルツ波及び同軸光をロックイン検出する前段ロックイン検出部を有してもよい。光源から出力されるテラヘルツ波及び同軸光が繰返周波数を有する場合、強度変調後のテラヘルツ波及び同軸光が変調周波数と繰返周波数との和周波又は差周波となり得る。変調周波数よりも繰返周波数が高い条件下においては、繰返周波数に基づくロックイン検出を前段で実施し、その後に変調周波数に基づくロックイン検出を実施することで、検出ノイズの低減化が図られる。
【００１４】
また、強度変調部は、テラヘルツ波及び同軸光の入射面、出射面、及び入射面と出射面との間の光路に位置する全反射面とを有する全反射プリズムと、全反射面に対向して配置され、全反射面におけるテラヘルツ波のエバネッセント波の浸出長をｄｔ、全反射面における同軸光のエバネッセント波の浸出長をｄｍとした場合に、全反射面との間隔ｄがｄｍ＜ｄ≦ｄｔを満たす範囲で変調周波数に基づいて掃引されるテラヘルツ波吸収体と、を有してもよい。この場合、テラヘルツ波のエバネッセント波の浸出長と同軸光のエバネッセント波の浸出長との差を利用し、簡単な構成でテラヘルツ波に対する強度変調を実施できる。
【００１５】
また、光源は、変調周波数よりも高い繰返周波数でテラヘルツ波及び同軸光を出力し、変調周波数に基づいて参照信号を生成する参照信号生成部を備え、光検出部は、参照信号に基づいてテラヘルツ波をロックイン検出する第１のロックイン検出部と、繰返周波数に基づいて同軸光をロックイン検出する第２のロックイン検出部とを有してもよい。これにより、光検出部においてテラヘルツ波及び同軸光を一層分離して検出することが可能となる。
【００１６】
また、同軸光は、中赤外光であってもよい。このような光源は、量子カスケードレーザ等の小型の光源によって実現される。したがって、装置全体の十分な小型化が図られる。
【００１７】
また、本発明の一側面に係る光学計測方法は、テラヘルツ波と、テラヘルツ波と同軸にテラヘルツ波とは異なる波長の同軸光とを出力する光出力ステップと、テラヘルツ波及び同軸光のうち少なくともテラヘルツ波を所定の変調周波数で強度変調する強度変調ステップと、強度変調を経て被計測物に作用したテラヘルツ波及び同軸光を、変調周波数に基づいてそれぞれ同期検波する光検出ステップと、を備える。
【００１８】
この光学計測方法では、光源から同軸に出力するテラヘルツ波と同軸光とを所定の変調周波数で強度変調し、当該変調周波数に基づいて被計測物に作用したテラヘルツ波及び同軸光を同期検波する。これにより、テラヘルツ波の光軸と同軸光との光軸とを分離することなく、単一の光検出部においてテラヘルツ波及び同軸光の双方を分離して検出することが可能となる。したがって、この光学計測方法では、テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる。
【発明の効果】
【００１９】
上記光学計測装置及び光学計測方法によれば、テラヘルツ波と同軸光との双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光学計測装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】強度変調部の構成例を示す概略図である。
【図３】（ａ）は、強度変調前のテラヘルツ波及び同軸光の強度を示す図であり、（ｂ）は、強度変調後のテラヘルツ波及び同軸光の強度を示す図である。
【図４】第１の参照信号及び第２の参照信号の一例を示す図である。
【図５】光検出部の構成例を示すブロック図である。
【図６】解析部による解析結果の一例を示す図である。
【図７】解析部による解析結果の他の例を示す図である。
【図８】光学計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】第１の減衰領域を構成する窓材の実施例を示す図である。
【図１０】第２の減衰領域を構成する窓材の実施例を示す図である。
【図１１】第２の減衰領域における同軸光Ｉの透過ピーク強度／第１の減衰領域におけるテラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度の実施例を示す図である。
【図１２】第１の参照信号及び第２の参照信号の変形例を示す図である。
【図１３】光検出部の変形例を示すブロック図である。
【図１４】強度変調部の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光学計測装置及び光学計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［光学計測装置の構成］
【００２２】
図１は、光学計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。この光学計測装置１は、例えばテラヘルツ波及び中赤外光の双方を用いた光学計測を行う装置であり、医療品、化粧品、食品といった各種の分野の製造現場において品質管理や分析を実施する装置として構成されている。図１に示すように、光学計測装置１は、光源２と、強度変調部３と、参照信号生成部４と、光検出部５と、解析部６とを含んで構成されている。
【００２３】
光源２は、テラヘルツ波Ｔと、テラヘルツ波Ｔと同軸にテラヘルツ波Ｔとは異なる波長の同軸光Ｉとを出力する装置である。光源２は、例えば分布帰還型構造を有する量子カスケードレーザ（ＤＦＧ−ＱＣＬ）によって構成されている。ＤＦＧ−ＱＣＬは、例えば２波長発振する中赤外光の差周波によってテラヘルツ波Ｔを発生させ、同軸光Ｉとして中赤外光を出力する。光源２から出力したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、放物面鏡７で平行光化された後、集光レンズ８で集光された状態で強度変調部３に入射する。
【００２４】
一例として、光源２の素子サイズは１４μｍ×３．０ｍｍ、パッケージサイズは、約５０ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍ程度となっている。また、テラヘルツ波Ｔの波長域は、例えば１００μｍ〜１ｍｍ程度となっており、同軸光Ｉの波長域は、例えば２．５μｍ〜２５μｍ程度となっている。同軸光Ｉの強度は、テラヘルツ波Ｔの強度に比べて高く、テラヘルツ波Ｔに対する同軸光Ｉの強度比は、約１０４程度となっている。テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの繰返周波数ｆ０は、例えば数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度となっている。
【００２５】
強度変調部３は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのうち少なくともテラヘルツ波Ｔを所定の変調周波数ｆ１で強度変調する部分である。本実施形態では、強度変調部３は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの双方の強度変調を行う。具体的には、強度変調部３は、回転ホイール方式で強度変調を行うように構成され、図２に示すように、円盤状の切替部１１を備えている。同図の例では、切替部１１は、中心軸Ａ回りに４分割された４つの領域を有している。これらの４つの領域は、第１の減衰領域１２Ａと第２の減衰領域１２Ｂとが中心軸Ａ回りに交互に配置されることによって構成されている。
【００２６】
第１の減衰領域１２Ａは、同軸光Ｉの強度を減衰させる領域である。第１の減衰領域１２Ａを構成する窓材１３Ａは、同軸光Ｉに対する減衰性を有する一方で、テラヘルツ波Ｔに対する透明性を有する材料によって構成されている。同軸光Ｉが中赤外光である場合、窓材１３Ａの材料としては、例えばＺカット石英、シクロオレフィンポリマー（例えばシクロオレフィンコポリマー等）、ポリメチルペンテン、サファイアなどが挙げられる。
【００２７】
第２の減衰領域１２Ｂは、テラヘルツ波Ｔの強度を減衰させる領域である。第２の減衰領域１２Ｂを構成する窓材１３Ｂは、テラヘルツ波Ｔに対する減衰性を有する一方で、同軸光Ｉに対する透明性を有する材料によって構成されている。光源２から出力されるテラヘルツ波Ｔの強度が同軸光Ｉに対して十分（４桁程度）小さいような場合には、窓材１３Ｂは、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの双方に対する減衰性を有していてもよい。すなわち、減衰後のテラヘルツ波Ｔの強度が減衰後の同軸光Ｉの強度に対して無視できるレベルであればよい。かかる窓材１３Ｂの材料としては、例えばＺｎＳｅ、ＫＢｒ、ＺｎＳ、Ｓｉ、ポリエチレン、ダイヤモンド、Ｇｅなどが挙げられる。
【００２８】
切替部１１の中心軸Ａは、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの光軸に対してずれた位置に配置されている。そして、切替部１１は、不図示の駆動部により、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの光軸に対して第１の減衰領域１２Ａ及び第２の減衰領域１２Ｂが変調周波数ｆ１で切り替わるように中心軸Ａ周りに回転する。したがって、切替部１１を通過するテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、変調周波数ｆ１に基づいて強度変調され、切替部１１からは、位相が１８０°ずれた状態でテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとが矩形波状に交互に出力することとなる。切替部１１から出力したテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉは、コリメートレンズ９によって平行光化した後、被計測物Ｓに作用し、放物面鏡１０を経て光検出部５に入射する。変調周波数ｆ１は、例えば１ｋＨｚである。
【００２９】
なお、図２の例では、切替部１１に４つの領域が設けられているが、切替部１１における領域の分割数は、２分割、６分割、８分割など、他の分割数であってもよい。また、切替部１１は、図２の例のような回転ホイール式に限られず、第１の減衰領域１２Ａ及び第２の減衰領域１２Ｂがテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの光軸に対して交互に進出・退避するようなシャッター式のものであってもよい。
【００３０】
参照信号生成部４は、変調周波数に基づいて参照信号を生成する信号生成器である。参照信号生成部４は、強度変調部３で用いる変調周波数ｆ１を生成し、強度変調部３の駆動部に出力する。また、参照信号生成部４は、図４に示すように、変調周波数ｆ１に基づいて、互いに位相が反転する矩形波状のテラヘルツ波用参照信号（第１の参照信号）Ｒ１及び同軸光用参照信号（第２の参照信号）Ｒ２を生成する。参照信号生成部４は、生成したテラヘルツ波用参照信号Ｒ１及び同軸光用参照信号Ｒ２を光検出部５に出力する。参照信号生成部４は、図１に示すように、独立した構成要素であってもよく、光源２或いは光検出部５に組み込まれた構成要素であってもよい。
【００３１】
光検出部５は、強度変調部３を経て被計測物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを、変調周波数ｆ１に基づいてそれぞれ同期検波する部分である。図５は、光検出部の構成例を示す図である。同図に示すように、光検出部５は、広帯域検出器２１と、第１のロックイン検出部２２Ａと、第２のロックイン検出部２２Ｂとによって構成されている。
【００３２】
広帯域検出器２１は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの双方の検出が可能な広帯域の光検出器である。広帯域検出器２１としては、例えば熱電対、焦電センサ、ボロメータ、ゴーレイセルなどが挙げられる。広帯域検出器２１は、被計測物Ｓからのテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを検出し、検出結果に基づく信号を第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂにそれぞれ出力する。
【００３３】
第１のロックイン検出部２２Ａは、テラヘルツ波用参照信号Ｒ１に基づいてテラヘルツ波Ｔをロックイン検出する部分である。また、第２のロックイン検出部２２Ｂは、同軸光用参照信号Ｒ２に基づいて同軸光Ｉをロックイン検出する部分である。第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂは、プログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能するものであってもよく、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等によって構成されていてもよい。
【００３４】
参照信号生成部４からのテラヘルツ波用参照信号Ｒ１は、第１のロックイン検出部２２Ａに入力され、同軸光用参照信号Ｒ２は、第２のロックイン検出部２２Ｂに入力される。第１のロックイン検出部２２Ａは、テラヘルツ波用参照信号Ｒ１に基づいて広帯域検出器２１から入力された信号をロックイン検出し、当該信号のうち、テラヘルツ波Ｔに対応する信号のみを検出する。また、第２のロックイン検出部２２Ｂは、同軸光用参照信号Ｒ２に基づいて広帯域検出器２１から入力された信号をロックイン検出し、当該信号のうち、同軸光Ｉに対応する信号のみを検出する。第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂは、検出結果を示す信号をそれぞれ解析部６に出力する。
【００３５】
解析部６は、被計測物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを解析する部分である。解析部６は、物理的には、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかるコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。解析部６には、モニタ等の表示装置及びキーボード、マウス、タッチパネル等の入力装置が接続されていてもよい。解析部６は、第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂと同様に、ＦＰＧＡ等によって構成されていてもよい。
【００３６】
図６は、解析部による解析結果の一例を示す図である。また、図７は、解析部による解析結果の他の例を示す図である。図６及び図７は、水分によって結晶形が転移する医薬品と添加物との混合試料を被計測物Ｓとし、被計測物Ｓにおけるテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの吸光度を計測した結果を示すものである。図６及び図７では、横軸に医薬品の濃度、縦軸に吸光度を示している。
【００３７】
図６の結果では、医薬品の濃度に比例してテラヘルツ波Ｔの吸光度及び同軸光Ｉの吸光度がいずれも増加していることが分かる。図６の場合には、混合試料において水分による結晶転移が生じている可能性、若しくは添加物Ｂが増加している可能性があると推定される。また、図７の結果では、医薬品の濃度に比例してテラヘルツ波Ｔの吸光度が増加している一方、同軸光Ｉの吸光度に変化は殆ど見られない。テラヘルツ波は結晶転移に対する感度が高く、中赤外光は結晶転移に対する感度が低い。したがって、図７の場合には、混合試料において水分による結晶転移が生じている可能性があると推定される。なお、図６及び図７の結果は、解析部６に入力された信号から得られた吸光度をそのままプロットしているが、テラヘルツ波Ｔの検出結果と同軸光Ｉの検出結果とに減算処理又は除算処理などを加えて解析を実施してもよい。
［光学計測装置の動作］
【００３８】
次に、上述した光学計測装置の動作について説明する。図８は、光学計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【００３９】
同図に示すように、光学計測装置１では、まず、光源２からテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとが出力される（ステップＳ０１：光出力ステップ）。光源２から出力したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、放物面鏡７を経て集光レンズ８で集光し、強度変調部３に入力される。強度変調部３では、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのうち少なくともテラヘルツ波Ｔが、参照信号生成部４によって生成された変調周波数ｆ１で強度変調される（ステップＳ０２：強度変調ステップ）。強度変調部３からは、位相が１８０°ずれた状態でテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとが変調周波数ｆ１で交互に出力される。強度変調部３から出力したテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉは、コリメートレンズ９によって平行光化された後、被計測物Ｓに作用し、放物面鏡１０を経て光検出部５に入力される。
【００４０】
光検出部５では、強度変調部３を経て被計測物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの変調周波数ｆ１に基づく同期検波が行われる（ステップＳ０３：光検出ステップ）。光検出部５では、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが広帯域検出器２１によって検出され、検出結果に基づく信号が第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂに出力される。第１のロックイン検出部２２Ａでは、変調周波数ｆ１に基づくテラヘルツ波用参照信号Ｒ１に基づいてテラヘルツ波Ｔのロックイン検出がなされる。また、光検出部５の第２のロックイン検出部２２Ｂでは、変調周波数ｆ１に基づく同軸光用参照信号Ｒ２に基づいて同軸光Ｉのロックイン検出がなされる。その後、第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂからの信号が解析部６に出力され、計測結果の解析が実行される（ステップＳ０４：解析ステップ）。
［作用効果］
【００４１】
以上説明したように、光学計測装置１では、光源２から同軸に出力するテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとを変調周波数ｆ１で強度変調し、当該変調周波数ｆ１に基づいて被計測物Ｓに作用したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを同期検波する。これにより、テラヘルツ波Ｔの光軸と同軸光Ｉとの光軸とを光学素子等で分離することなく、単一の光検出部（ここでは広帯域検出器２１）においてテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの双方を分離して検出することが可能となる。したがって、光学計測装置１では、テラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとの双方を計測に用いることができ、かつ装置の大型化を回避できる。
【００４２】
また、光学計測装置１では、強度変調部３が切替部１１によって構成されている。そして、切替部１１は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの光軸に対し、同軸光Ｉの強度を減衰させる第１の減衰領域１２Ａと、テラヘルツ波Ｔの強度を減衰させる第２の減衰領域１２Ｂとを変調周波数ｆ１に基づいて切り替えるようになっている。この切替部１１により、簡単な構成で強度変調部３からテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを異なる位相で交互に出力することができる。したがって、光検出部５での同期検波を精度良く実施できる。
【００４３】
また、光学計測装置１では、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを強度変調部３に向けて集光する集光レンズ８を有してもよい。集光レンズ８で強度変調部３に入力される光を集光することで、強度変調部３から出力するテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを矩形波に近づけることができる。これにより、強度変調部３から出力する光において、テラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとの時間的な重なりを抑制することが可能となる。また、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの波形を参照信号の波形に近づけることが可能となる。したがって、光検出部５においてテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉをより確実に分離して検出することが可能となる。
【００４４】
なお、集光レンズ８及びコリメートレンズ９の配置は、省略してもよい。集光レンズ８による集光を行わない場合、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのビーム径によっては、強度変調部３から出力するテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが正弦波状となる。しかしながら、例えばテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとの時間的な重なりが十分に小さい場合、若しくは参照信号のデューティ比の調整などでテラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉとの時間的な重なりの影響を排除できる場合には、集光レンズ８及びコリメートレンズ９の配置を省略してもよい。
【００４５】
また、光学計測装置１では、変調周波数ｆ１に基づいて、互いに位相が反転するテラヘルツ波用参照信号Ｒ１及び同軸光用参照信号Ｒ２を生成する参照信号生成部４が設けられている。また、光検出部５では、テラヘルツ波用参照信号Ｒ１に基づいてテラヘルツ波Ｔをロックイン検出する第１のロックイン検出部２２Ａと、同軸光用参照信号Ｒ２に基づいて同軸光Ｉをロックイン検出する第２のロックイン検出部２２Ｂとが設けられている。このような構成により、光検出部５においてテラヘルツ波及び同軸光を一層分離して検出することが可能となる。
【００４６】
また、光学計測装置１では、光源２からテラヘルツ波Ｔと共に出力する同軸光Ｉが中赤外光となっている。このような光源２は、量子カスケードレーザ等の小型の光源によって実現される。したがって、光学計測装置１全体の十分な小型化が図られる。
［切替部の窓材の実施例］
【００４７】
続いて、上述した切替部１１において第１の減衰領域１２Ａを構成する窓材１３Ａ及び第２の減衰領域１２Ｂを構成する窓材１３Ｂの実施例について説明する。
【００４８】
図９は、第１の減衰領域を構成する窓材の実施例を示す図である。同図では、テラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉのピーク強度比が１：１００００である場合に、窓材１３Ａの材質によるテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの減衰量を計測した。同図に示すように、厚さ１ｍｍのＺカット石英を１枚用いた場合、窓材１３Ａを透過したテラヘルツ波Ｔのピーク強度は、０．７３ｍＷであった。また、厚さ２ｍｍのシクロオレフィンポリマーを１枚用いた場合、窓材１３Ａを透過したテラヘルツ波Ｔのピーク強度は、０．８ｍＷであった。いずれの場合も同軸光Ｉのピーク強度は０ｍＷであり、これらの材料を窓材１３Ａとして利用可能であることが確認できた。
【００４９】
また、図１０は、第２の減衰領域を構成する窓材の実施例を示す図である。同図では、図９の場合と同様に、テラヘルツ波Ｔと同軸光Ｉのピーク強度比が１：１００００である場合に、窓材１３Ｂの材質によるテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの減衰量を計測した。減衰率の調整は、材料の枚数の調整或いは厚さの調整によって可能であるが、ここでは枚数の調整によって実施した。窓材１３Ｂの選定条件としては、例えば以下の２つが挙げられる。１）の条件は、窓材１３Ｂを透過した光による被計測物Ｓへの作用を同軸光Ｉによる影響のみに限定するための条件であり、テラヘルツ波Ｔの強度が同軸光Ｉの強度に比べて十分小さくなることを示している。また、２）の条件は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを同時に計測するにあたって、光検出部５での増幅率、分解能、ダイナミックレンジを固定するための条件であり、交互に出力される窓材１３Ａからのテラヘルツ波Ｔと窓材１３Ｂからの同軸光Ｉのそれぞれのピーク強度が同程度となることを示している。閾値については、検出器の種類等によって変わるため、下記の値は一例である。
１）テラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度／同軸光Ｉの透過ピーク強度≦１０−３
２）窓材１３Ｂにおける同軸光Ｉの透過ピーク強度／窓材１３Ａにおけるテラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度≦１０２
【００５０】
図１０に示すように、厚さ１ｍｍの高抵抗フロートゾーンシリコン（ＨＲＦＺ−Ｓｉ）を７枚用いた場合、テラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度／同軸光Ｉの透過ピーク強度は、０．０００１５７であった。また、厚さ１．２ｍｍのダイヤモンドを２５枚用いた場合、テラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度／同軸光Ｉの透過ピーク強度は、０．０００１であった。厚さ１ｍｍのＺｎＳｅを１２枚用いた場合、テラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度／同軸光Ｉの透過ピーク強度は、２．７６Ｅ−９であった。いずれの場合も上記１）の条件を満たすことが確認できた。
【００５１】
また、窓材１３Ａの材料がＺカット石英である場合、図１１に示すように、同軸光Ｉの透過ピーク強度／テラヘルツ波Ｔの透過ピーク強度は、上記高抵抗フロートゾーンシリコンでは約５１、上記ダイヤモンドでは約９６、上記ＺｎＳｅでは、約７８であった。したがって、いずれの場合も上記２）の条件を満たすことが確認できた。
［変形例］
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。図２に示した切替部１１では、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、第１の減衰領域１２Ａ及び第２の減衰領域１２Ｂの境界部分において、第１の減衰領域１２Ａ及び第２の減衰領域１２Ｂの双方を同時に通過する。テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのビーム径がある程度大きい場合、強度変調後のテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの一部同士が重なり合う影響で、光検出部５での両者の信号の分離が不十分になり得る。この場合には、例えば図１２に示すように、テラヘルツ波用参照信号Ｒ１及び同軸光用参照信号Ｒ２の１のデューティ比をそれぞれ小さくすることで、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを十分に分離して検出することができる。
【００５３】
また、図１３は、光検出部の変形例を示すブロック図である。同図に示す形態では、光検出部５においてデュアルロックイン検出を行う点で図１に示した形態と相違している。この図１３の例では、光検出部５は、前段ロックイン検出部２３を更に有している。
【００５４】
前段ロックイン検出部２３は、第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂの前段側に配置されている。前段ロックイン検出部２３は、例えば光源２からテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの繰返周波数ｆ０に基づく信号を受け取り、当該繰返周波数ｆ０に基づく参照信号を生成する。前段ロックイン検出部２３は、当該参照信号に基づいて広帯域検出器２１から出力される信号をロックイン検出し、検出結果に基づく信号を第１のロックイン検出部２２Ａ及び第２のロックイン検出部２２Ｂにそれぞれ出力する。
【００５５】
光源２から出力されるテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが繰返周波数ｆ０を有する場合、強度変調部３による強度変調後のテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが変調周波数ｆ１と繰返周波数ｆ０との和周波又は差周波となり得る。変調周波数ｆ１よりも繰返周波数ｆ０が高い条件下においては、繰返周波数ｆ０に基づくロックイン検出を前段で実施し、その後に変調周波数ｆ１に基づくロックイン検出を実施することで、検出ノイズの低減化が図られる。なお、繰返周波数ｆ０に基づく信号は、図１２のように光源２で生成されてもよいが、参照信号生成部４で生成されてもよく、光検出部５で生成されてもよい。
【００５６】
また、図１４は、強度変調部の変形例を示す概略図である。同図の例では、強度変調部３１は、全反射プリズム３２と、テラヘルツ波吸収体３３とを備えて構成されている。全反射プリズム３２は、例えばＳｉ、ポリエチレン、ゲルマニウム、ダイヤモンドなど、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの双方に対して透過性を有する材料によって形成されている。全反射プリズム３２は、例えば側面視で等脚台形状をなしている。台形の脚に相当する面の一方側は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの入射面３４となっており、他方側は、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの出射面３５となっている。
【００５７】
また、全反射プリズム３２の上面３６の面積は、底面３７の面積よりも大きくなっている。この上面３６は、全反射プリズム３２内での入射面３４と出射面３５との間のテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの光路に位置し、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが全反射する全反射面３８となっている。入射面３４から全反射プリズム３２内に入射したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、入射面３４で屈曲して全反射面３８に向けて進行し、全反射面３８で全反射する。全反射面３８で全反射したテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉは、出射面３５で屈曲し、入射面３４に入射するテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉと同軸に出射面３５から出射する。
【００５８】
テラヘルツ波吸収体３３は、テラヘルツ波Ｔに対する吸収性を有する物体である。テラヘルツ波吸収体３３は、例えばシリコンを含む低抵抗半導体、メタマテリアルアブソーバ、或いは水を含んだ板状の多孔質体などによって構成されている。テラヘルツ波吸収体３３は、全反射プリズム３２の全反射面３８と一定の間隔をもって対向配置されており、例えば圧電素子などの駆動部により、全反射面３８に対して進退可能になっている。
【００５９】
全反射面３８では、テラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの全反射により、それぞれのエバネッセント波が発生する。テラヘルツ波Ｔの波長と同軸光Ｉの波長とが異なるため、全反射面３８におけるテラヘルツ波Ｔのエバネッセント波Ｅｔの浸出長と同軸光Ｉのエバネッセント波Ｅｉの浸出長とは、互いに異なる値となる。本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの波長域は、例えば１００μｍ〜１ｍｍ程度となっているのに対し、同軸光Ｉの波長域は、例えば２．５μｍ〜２５μｍ程度となっている。すなわち、同軸光Ｉの波長域は、テラヘルツ波Ｔの波長域よりも１桁以上小さくなっており、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント波Ｅｔの浸出長は、同軸光Ｉのエバネッセント波Ｅｉの浸出長よりも大きくなる。
【００６０】
全反射面３８におけるテラヘルツ波Ｔのエバネッセント波Ｅｔの浸出長をｄｔ、同軸光Ｉのエバネッセント波Ｅｉの浸出長をｄｍとした場合、テラヘルツ波吸収体３３は、全反射面３８との間隔ｄがｄｍ＜ｄ≦ｄｔを満たす範囲で駆動部によって掃引される。また、テラヘルツ波吸収体３３の掃引周期は、変調周波数ｆ１に基づく。
【００６１】
このような構成を有する強度変調部３１では、同軸光Ｉの強度変調はなされず、テラヘルツ波Ｔのみに変調周波数ｆ１に基づく強度変調がなされることとなる。この場合、光検出部５において、第１のロックイン検出部２２Ａは、変調周波数ｆ１に基づくテラヘルツ波用参照信号Ｒ１を用いてテラヘルツ波Ｔをロックイン検出すればよく、第２のロックイン検出部２２Ｂは、同軸光Ｉの繰返周波数ｆ０に基づく同軸光用参照信号Ｒ２を用いて同軸光Ｉをロックイン検出すればよい。
【００６２】
この強度変調部３１では、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント波Ｅｔの浸出長と同軸光Ｉのエバネッセント波Ｅｉの浸出長との差を利用し、簡単な構成でテラヘルツ波Ｔに対する強度変調を実施できる。また、光検出部５においてテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを十分に分離して検出することが可能となる。強度変調部３１で強度変調がなされない同軸光Ｉについては、テラヘルツ波Ｔの成分も維持されるが、本実施形態のように、テラヘルツ波Ｔに対する同軸光Ｉの強度比が約１０４程度であるような場合には、同軸光Ｉに含まれるテラヘルツ波Ｔを無視することが可能である。また、図１４の形態を採用する場合、第１のロックイン検出部２２Ａで用いるテラヘルツ波用参照信号Ｒ１は、変調周波数ｆ１と繰返周波数ｆ０との和周波又は差周波であってもよい。また、図１３に示したようなデュアルロックイン検出を行ってもよい。
【００６３】
その他、光源２からのテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉの導光は、図１に示した放物面鏡７，１０に限られず、光源２或いは広帯域検出器２１などに直接固定した超半球レンズ等によって実現してもよい。また、図１の例では、強度変調がなされたテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉが被計測物Ｓを透過しているが、強度変調がなされたテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉを被計測物Ｓで反射させてもよく、プリズム等の全反射面に被計測物Ｓを載置し、当該全反射面で生じたテラヘルツ波Ｔ及び同軸光Ｉのそれぞれのエバネッセント波を被計測物Ｓに作用させてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１…光学計測装置、２…光源、３…強度変調部、４…参照信号生成部、５…光検出部、８…集光レンズ、１１…切替部、１２Ａ…第１の減衰領域、１２Ｂ…第２の減衰領域、２２Ａ…第１のロックイン検出部、２２Ｂ…第２のロックイン検出部、２３…前段ロックイン検出部、３１…強度変調部、３２…全反射プリズム、３３…テラヘルツ波吸収体、３４…入射面、３５…出射面、３８…全反射面、Ｔ…テラヘルツ波、Ｉ…同軸光、Ｒ１…テラヘルツ波用参照信号（第１の参照信号）、Ｒ２…同軸光用参照信号（第２の参照信号）、Ｓ…被計測物。
【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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