(57)【要約】【課題】動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術を提供する。【解決手段】通過する光に対してその光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、前記複数の領域にプローブ光１３８が入射され、各領域から遅延が異なる複数の時間差プローブ光１３９を出力する遅延時間変調素子２１と、前記複数の時間差プローブ光１３９とテラヘルツ波１３６とが重畳して入射され、各時間差プローブ光１３９を前記テラヘルツ波１３６の電界に応じて変調する電気光学素子１１６と、前記変調後の各時間差プローブ光を、それぞれ異なる画素で検出するイメージセンサ１１９とを備え、前記遅延時間変調素子は、前記テラヘルツ波の１波長に含まれる大きさの複数の部分にそれぞれ前記複数の領域を有する。【選択図】図１
2008008862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する光に対してその光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、前記複数の領域にプローブ光が入射され、各領域から遅延が異なる複数の時間差プローブ光を出力する遅延時間変調素子と、
前記複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、
前記重畳された複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを入射され、各時間差プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、
前記変調後の各時間差プローブ光を、それぞれ異なる画素で検出するイメージセンサと
を備えることを特徴とする電磁波測定装置。
【請求項２】
前記遅延時間変調素子において、前記複数の領域は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項３】
前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、
前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波である
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項４】
さらに、前記変調後の各時間差プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記領域の配列間隔に対する前記画素の配列間隔の割合で縮小する縮小光学系を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項５】
前記重畳光学素子は、前記時間差プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することにより、両者を重畳する
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項６】
前記複数の領域は、光の通過方向にそれぞれ異なる厚みを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項７】
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方は、断面が対称形を成す、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の電磁波測定装置。
【請求項８】
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の両方が、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の電磁波測定装置。
【請求項９】
前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方に、前記プローブ光の中心波長に対して反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の電磁波測定装置。
【請求項１０】
前記遅延時間変調素子に、表面の凹凸を覆う保護膜が形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の電磁波測定装置。
【請求項１１】
前記複数の領域は、それぞれ異なる屈折率を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて被測定物の形状、材質を測定する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、０．１〜１０ＴＨｚの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。テラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、Ｘ線より安全な透過分析に用いることができる。多くの材料が、０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、テラヘルツ波による材料、材質の特定が可能である。テラヘルツ波は、セキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析などの産業応用分野で、今後多用されることが期待される。
【０００３】
テラヘルツ波を用いて被測定物をイメージングすることは、被測定物のテラヘルツ波に対する特性が一目でわかり、有用性が高い。このイメージングは、原理的には、図１５に示す測定系を用いて行われる。まずこの測定系について述べる。
【０００４】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、テラヘルツ波励起のためのポンプパルス光１３２とテラヘルツ波の変調の空間分布を検出するためのプローブパルス光１３３に分岐される。
【０００５】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。エミッタとして、例えば（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いると、ＺｎＴｅの非線形性により光整流作用が生じ、テラヘルツ波１３４が発生する。このテラヘルツ波１３４は、パルス幅が数ｐｓ程度になっている。またその周波数成分は０．１〜数ＴＨｚまで広い範囲を有し、ピーク波長は１ＴＨｚ近傍である。
【０００６】
このテラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ、空間位置に依存する変調を受ける。このような変調を、以下では簡単に、空間変調と呼ぶことにする。
【０００７】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。この電気光学素子としては（１１０）ＺｎＴｅが用いられる。電気光学素子結晶内では、空間変調されたテラヘルツ波１３６の電界強度分布に応じて、空間位置に依存するポッケルス効果が生じる。
【０００８】
一方、プローブパルス光１３３は、ミラー１０４、１０５、１０６、１０７から構成される遅延ラインを通過する。ミラー１０５、１０６はステージ１０８上に載っており、ステージ１０８が、図面の上下方向に約１５０ミクロン移動するごとに、後段の光学素子にプローブパルス光１３３が到着する時間を１ｐｓ変化させることができる。
【０００９】
遅延ラインを通過したプローブパルス光１３７はミラー１０９で反射された後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波１３５のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光１３８は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、シリコンミラー１１５で反射され電気光学素子１１６に導かれる。
【００１０】
電気光学素子１１６内では、前述したポッケルス効果のために、複屈折率が空間位置に依存して変化する。その結果、プローブパルス光１３８の偏光方向が空間変調され、偏光板１１８を通過するプローブパルス光の光量が空間変調される。
【００１１】
プローブパルス光は波長８００ｎｍなので、一般的なＳｉフォトダイオードで検出することができる。例えば、一般的に用いられているＳｉイメージセンサ１１９で、プローブパルス光の空間分布、すなわちその起源である被測定物１１４内のテラヘルツ波吸収、反射特性などの空間分布を検出、イメージングすることができる。
【００１２】
なお、遅延ラインのステージ１０８を動かすことにより、テラヘルツ波１３６とプローブパルス光１３８の電気光学素子１１６到着時間の相対関係を変えることができる。プローブパルス光１３８のパルス幅は、テラヘルツ波１３６のパルス幅の１０分の１程度しかないので、テラヘルツ波の所望の時間位置における電界強度をプローブ光でサンプリングすることができる。
【００１３】
到着時間の相対関係が異なる複数のプローブパルス光を用いることにより、テラヘルツ波１３６の電界強度の時間変化を知ることができる。この時間変化のピーク位置から被測定物の屈折率が分かり、また、この時間変化のフーリエスペクトルから被測定物のテラヘルツ帯吸収スペクトルが分かるので、被測定物が何であるかを特定できる。
【００１４】
ところが、この測定系は、遅延ラインのステージ１０８を機械的に移動させながら、テラヘルツ波１３６の異なる時間位置における電界強度をイメージセンサ上の光量としてサンプリングするので、ステージ１０８の移動時間のうちに動いてしまう被測定物をイメージングすることができない。つまり、動く被測定物、例えば生体、をイメージングし、また被測定物を動かしながら、例えば動いているベルトコンベア上で、イメージングする用途には向いていない。
【００１５】
そこで、そのような用途に適した別の従来技術が、例えば特許文献１に提案されている。この技術に係る測定系には、図１６に示すように、遅延ラインの代わりにパルス伸長器４０１と光ファイバ束４０２とが設けられる。パルス伸長器４０１は反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡などから構成されている。
【００１６】
一般に知られているように、フェムト秒パルスはスペクトル広がりがある。パルス伸長器４０１において、プローブ光（フェムト秒パルス）に含まれる成分のうち、短波長な成分ほど、長波長成分より時間的に遅らせることにより、チャープ化プローブ光３４７を得る。その遅らせる時間は、テラヘルツ波１３６のパルス幅と同程度、例えば約１０ｐｓｅｃ、にしておく。
【００１７】
そうすることで、電気光学素子１１６、偏光板１１８を通過したチャープ化プローブ光４３８のうち、短波長な成分ほど、テラヘルツ波１３６の時間的に遅い位置をサンプリングしていることになり、時間軸を波長軸に変換することができる。
【００１８】
そして、光ファイバ束４０２にも、短波長な成分ほど時間的に遅らせる分散特性を持たせることで、遅延時間の差をさらに拡大し、パルス幅を１０ｎｓｅｃまで広げる。この程度のパルス幅になれば一般的な受光素子を用いて時間分解することができる。
【００１９】
上述したように、この別の従来の技術では、テラヘルツ波１３６の異なる時刻の電界強度をプローブ光の異なる周波数成分で搬送し、それぞれの周波数成分に一般的な受光素子で時間分解できる程度にまで遅延差を与えることにより、２次元情報とその時間変化情報とが検出される。
【特許文献１】特開２００４−０２０３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、そのような従来技術を用いてもなお、次のような問題がある。
第１に、プローブ光を時間方向に拡大して測定するため、時間情報をリアルタイムに得ることができない。
【００２１】
第２に、光ファイバ束には、空間情報を維持するために、イメージングすべき画素数と同数の光ファイバが必要である。しかも、プローブ光の異なる周波数成分に十分な遅延時間の差を与えるために、各光ファイバには数ｋｍの長さが必要である。これらのため、光ファイバ束が非常に大きくなってしまう。
【００２２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術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】
【００２３】
上記目的を達成するため、本発明の電磁波測定装置は、通過する光に対してその光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、前記複数の領域にプローブ光が入射され、各領域から遅延が異なる複数の時間差プローブ光を出力する遅延時間変調素子と、前記複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、前記重畳された複数の時間差プローブ光と被測定電磁波とを入射され、各時間差プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、前記変調後の各時間差プローブ光を、それぞれ異なる画素で検出するイメージセンサとを備える。
【００２４】
ここで、前記重畳光学素子は、前記時間差プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することによって、両者を重畳してもよい。
【００２５】
また、光学長とは、光路長に屈折率を掛けた量である。前記複数の領域がそれぞれ異なる光学長を持つように、前記複数の領域が光の通過方向にそれぞれ異なる厚みを有していてもよく、また、前記複数の領域がそれぞれ異なる屈折率を有してもよい。
【００２６】
この構成よれば、前記複数の時間差プローブ光によって、前記被測定電磁波を異なる複数の時間位置でサンプリングし、そのサンプリングの結果を前記イメージセンサの異なる画素から得ることができる。
【００２７】
この構成には、従来の遅延時間差を拡大するための長大な光ファイバ束が含まれないため小型に実現できる。また、従来と異なりプローブ光をサンプリング後に時間伸長しないので被測定物を厳密にリアルタイムに測定できる。
【００２８】
また、前記遅延時間変調素子において、前記複数の領域は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さいことが望ましい。
【００２９】
この構成よれば、一般に知られているように、電磁波の空間分解能はほぼその１波長であるので、前記被測定電磁波の中心波長よりもよりも小さい１周期内の複数の領域から出力される複数の時間差プローブ光は、同じ空間情報を持つ被測定電磁波を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングすることになる。すなわち、時間サンプリングと共に、被測定電磁波による最大の空間分解能が発揮される。
【００３０】
また、前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波であることが好ましい。
【００３１】
この構成よれば、様々な被測定物がテラヘルツ波に対して示す吸収及び反射などの固有の特性に基づいて、被測定物について優れた透過分析を行うことができる。そして、そのためのプローブ光の検出は、可視光乃至赤外光帯域に感度を有する一般的なイメージセンサを用いて行うことができる。
【００３２】
また、前記電磁波測定装置は、さらに、前記変調後の各時間差プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記遅延時間変調素子の前記領域の配列間隔に対する前記イメージセンサの前記画素の配列間隔の割合で縮小する縮小光学系を備えてもよい。
【００３３】
この構成によれば、一つの時間差プローブ光が、前記イメージセンサのちょうど一つの画素によって検出され、画素を有効活用することができる。現在の一般的なイメージセンサの画素の配列間隔は数μｍであるのに対し、前記被測定電磁波の中心周波数を１ＴＨｚ（中心波長３００μｍ）とし、一例として３０点の時間サンプリングを行うとした場合、前記領域の配列間隔は１０μｍである。前記画素の配列間隔が前記領域の配列間隔に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の時間空間情報を担うプローブ光がただ一つの画素によって検出されるので、無駄がない。
【００３４】
特に、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方を、断面が対称形を成す、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成すれば、他の２つの以上のステップが一つにつながった急な段差を作らなくてよいため作成プロセスが容易になる。
【００３５】
また、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の両方を、各領域の厚みに応じたステップ形状に形成すれば、時間遅延を前記遅延時間変調素子の両面で稼ぐことができる。
【００３６】
また、前記遅延時間変調素子の光の入射面及び出射面の少なくとも一方に、前記プローブ光の中心波長に対して反射防止膜が形成されていることが好ましい。さらに、表面の凹凸を覆う保護膜が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明を用いると、電磁波を用いた被測定物の形状判定と材質判定に必要なデータを同時にかつリアルタイムに測定することができ、高速な電磁波測定装置を小型に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
＜電磁波測定装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図である。
【００３９】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、ポンプパルス光１３２とプローブパルス光１３３に分岐される。
【００４０】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。テラヘルツエミッタ１１２として、例えば、厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いる。なお、テラヘルツエミッタ１１２には、ＺｎＴｅのほかに光伝導スイッチを用いることもできる。
【００４１】
テラヘルツエミッタ１１２は、ポンプパルス光１３２が入射すると、そのパルス幅に対応して中心周波数１ＴＨｚ（中心波長３００μｍ）のテラヘルツ波１３４を放射する。
【００４２】
なお、ポンプパルス光のパルス幅は上述した１００ｆｓに限定されない。例えばパルス幅３００ｆｓのポンプパルス光を用いてもテラヘルツ波を得ることができる。
【００４３】
テラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ変調を受ける。被測定物１１４として、図２のように１２０μｍのプラスチック板５１上に形成したアルミニウム５２のストライプパターン（幅１００μｍ、ピッチ４００μｍ）を用いる。
【００４４】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。電気光学素子としては厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅを用いる。電気光学素子結晶内では、テラヘルツ波１３６の電界強度の空間分布および時間変化に応じて、空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じる。
【００４５】
一方、プローブパルス光１３３は、ミラー１０９で反射した後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波１３５のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光１３８は、遅延時間変調素子２１を通過する。
【００４６】
遅延時間変調素子２１は、後に詳述するように、通過する光の進行方向に垂直な面内で光学長が異なる複数の領域を有し、入射するプローブパルス光１３８に異なる複数の遅延を与えることによって、複数の時間差プローブパルス光１３９を出力する。
【００４７】
ここで、遅延時間変調素子２１は、テラヘルツ波１３６の１波長に含まれる大きさの複数の部分にそれぞれ前述した複数の領域を有し、各領域の配列間隔はプローブパルス光１３８の中心波長よりも十分に広い。
【００４８】
遅延時間変調素子２１から出力された複数の時間差プローブパルス光１３９は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、シリコンミラー１１５で反射されることによって、空間変調されたテラヘルツ波１３６と重畳され電気光学素子１１６に導かれる。
【００４９】
ここで、シリコンミラー１１５が、重畳光学素子の一例である。なお、この逆に、時間差プローブパルス光１３９を透過しテラヘルツ波１３６を反射するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）付きガラスを用いて、重畳光学素子を実現することもできる。
【００５０】
電気光学素子１１６内では、前述したように、空間変調されたテラヘルツ波による空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じ、それをプローブ光で時間方向に複数サンプリングする。
【００５１】
より具体的に言えば、ポッケルス効果によって、複数の時間差プローブパルス光１３９のそれぞれに生じる偏光方向の変化を、偏光板１１７、１１８によって光量変化に置き換え、イメージセンサ１１９の各画素で検出する。
【００５２】
なお、電気光学素子１１６とイメージセンサ１１９の間に、レンズを用いた縮小光学系を設置し、複数の時間差プローブパルス光１３９を、遅延時間変調素子２１における領域の配列間隔に対するイメージセンサ１１９の画素の配列間隔の割合で縮小してもよい。
【００５３】
イメージセンサには、例えば水平画素数３２０、垂直画素数２４０の１／４インチＱＶＧＡイメージセンサを用いることができる。イメージセンサの種類としては、ＣＣＤ、ＭＯＳセンサなどが適用可能である。
【００５４】
＜遅延時間変調素子＞
図３は、遅延時間変調素子２１の断面の一例を示す断面図である。なお、紙面に直交する断面には、同様の形状が現れるとしてもよいし、一様な形状が現れるとしてもよい。同様の形状が現れる場合には段差は２次元方向に設けられ、また、一様な形状が現れる場合には、段差は１次元方向にのみ設けられることになる。遅延時間変調素子２１の表面は、このような断面で表されるステップ形状に形成されている。このステップ形状の１段が前述した領域の一つに対応する。
【００５５】
遅延時間変調素子２１として、例えば、厚み１ｍｍ程度のｎ型ＧａＮ基板を用いることができる。ＧａＮはバンドギャップが３．４ｅＶ（波長３６５ｎｍ相当）なので波長８００ｎｍのプローブパルス光１３８に対しては透明である。
【００５６】
遅延時間変調素子２１は、一例として、厚みが異なる５種類の領域を繰り返し有しており、その表面は、各領域の厚みに応じた５段のステップを繰り返す形状に形成されている。ここで、例えば、各ステップの幅を１０μｍとし、段差を４３μｍとすれば、ＧａＮの屈折率は２．４なので、この繰り返しの１単位は、時間差０．２ｐｓｅｃの５つの時間差プローブパルス光を、時間１ｐｓｅｃ、空間幅５０μｍに渡って出射する。
【００５７】
この空間幅５０μｍの１単位が、テラヘルツ波１３６の１波長３００μｍに含まれる大きさの部分の一例である。そして、各領域の配列間隔であるステップ幅１０μｍは、プローブパルス光１３８の中心波長８００ｎｍよりも十分に広い。
【００５８】
なお、ここで示したステップの数と大きさは一例である。繰り返しの単位がテラヘルツ波１３６の１波長に含まれ、かつステップ幅がプローブパルス光１３８の中心波長よりも広いという条件で、他の個数や大きさのステップを用いても構わない。
【００５９】
例えば、発明者らは、幅１０μｍ、段差４３μｍの１０段のステップを繰り返す形状に形成した遅延時間変調素子２１を用いて実験を行い、良好な結果を得た。この結果については後で詳述する。
【００６０】
次に、遅延時間変調素子２１の動作を詳細に説明する。
図３には、遅延時間変調素子２１の各ステップに入射するプローブパルス光１３８の光路が示される。ここで、各ステップを０から４までの番号で示す。例えば、ステップ３に入射するプローブパルス光は光路１３を進む。ｉ番目のステップの幅をＷｉ、またｉ番目とｊ番目のステップの段差をｄijと表記する。例えば、ｉ＝３，ｊ＝４の場合について、ステップ幅はＷ３であり、段差はｄ34である。
【００６１】
ここで、Ｗｉはプローブ光１３８の波長λｐに比べて十分大きな値とする。境界部における散乱などの影響を少なくするために、好ましくは、Ｗｉはλｐの５倍以上が望ましい。これにより、各ステップ内の中央付近ではプローブパルス光の波面はほぼ維持され、入射方向と同方向に出射される。
【００６２】
一方、各ステップの境界近傍の光は、その境界の屈折、散乱等により方向を変える。しかし、Ｗｉがλｐに比べて十分大きいことから、方向を変える光は直進する光と比べて僅かであり、しかも、方向を変えた光の多くは、イメージセンサ１１９に達する光路から外れるので、ほとんど問題とならない。
【００６３】
プローブパルス光１３８は遅延時間変調素子２１の内部を通過することにより、複数の異なる遅延を与えられ、複数の時間差プローブパルス光１３９として出力される。例えば、光路１４は光路１３に比べて遅延時間変調素子２１の内部をｄ34だけ多く通る。この結果、遅延時間変調素子２１から光路１３に沿って出力される時間差プローブパルス光と光路１４に沿って出力される時間差プローブパルス光には時間差ΔＴ34が生じる。
【００６４】
光速をｃ、遅延時間変調素子２１の屈折率をｎとすると、ΔＴ34は
ΔＴ34  ＝  （ｎ−１）  ×  ｄ34／ｃ
で与えられる。他の隣接する２つの光路に沿って出力される時間差プローブパルス光にも同様な時間差ΔＴ01、ΔＴ12、ΔＴ23が生じる。
【００６５】
図４に示すように、遅延時間変調素子２１から出射した時間差プローブパルス光１３９はシリコンミラー１１５でテラヘルツ波１３６と重畳され、電気光学素子１１６に入射される。この時、遅延が異なる一組の時間差プローブパルス光１３９を出力する遅延時間変調素子２１上の幅をＷ＝ΣＷｉ、テラヘルツ波１３６の波長をλとすると、
λ＞Ｗ
を満たせば、テラヘルツ波の空間分解能が波長λ程度であることを考慮して、単位幅Ｗ内の各時間差プローブパルス光１３９は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波（図４のＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・）を、異なる複数の時間位置でサンプリングしていることになる。
【００６６】
なお、ここでλ＞Ｗなる条件は、前述した複数の領域の繰り返しの単位がテラヘルツ波の１波長に含まれることと等価である。
【００６７】
これらの時間差プローブパルス光はイメージセンサ１１９の相異なる画素に入射される。図４の例では、最も早い時間差プローブパルス光によるサンプリング時刻を時刻Ｔとして、各画素は以下の情報を検出する。
【００６８】
画素Ｐ１：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔの情報
画素Ｐ２：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ01の情報
画素Ｐ３：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ01＋ΔＴ12の情報
…
画素Ｐ６：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔの情報
画素Ｐ７：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ01の情報
画素Ｐ８：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ01＋ΔＴ12の情報
…
【００６９】
図１で示されるようにテラヘルツ波は、被測定物１１４により空間変調されている。従って、イメージセンサ１１９は、テラヘルツの空間情報と時間情報の両方を取得することができる。
【００７０】
＜実験結果＞
さて、発明者らは、前述した幅１０μｍ、段差４３μｍの１０段のステップを繰り返し単位（単位幅１００μｍ）とする遅延時間変調素子２１と共に、水平画素数３２０、垂直画素数２４０の１／４インチＱＶＧＡイメージセンサを用いて、図２に示される被測定物を測定する実験を行った。
【００７１】
この実験から得られた測定結果を図５、図６に示す。図５は被測定物１１４を取り付けた場合の測定結果を示し、図６は被測定物１１４を取り外した時の測定結果を示す。図５、図６は、何れもイメージセンサの第１２０行目（画面のほぼ中央付近の水平行）の信号を示したものである。この実験では、図４に示される垂直方向に一様な被測定物を用いたので、イメージセンサの他の行でもほぼ同じ信号が得られた。
【００７２】
図５、図６において、水平画素番号ｉ＋１０ｊ  （ｉ＝１，２，３…．１０，  ｊ＝０，１，２，３…３１）の値は、被測定物の水平位置ｊ×１００μｍ±５０μｍを透過したテラヘルツ波を、基準時刻＋ｉ×０．２ｐｓｅｃにおいてサンプリングした値を表す。
【００７３】
例えば、基準時刻から時間０．６ｐｓｅｃ後におけるイメージングデータは、水平画素番号３＋１０ｊの値をプロットすることによって、例えば図７のようなイメージとして得られる。なお、図７のイメージには境界が滑らかになるよう信号処理を施している。白く見える部分はテラヘルツ波が透過する部分、黒い部分が透過しない部分である。４００μｍピッチのパターンがイメージングできていることがわかる。
【００７４】
一方、テラヘルツ波が透過する部分の時間領域分光を行うには、例えば、水平画素番号ｉ＋５０の値をプロットすればよく、図８に示す結果が得られる。ピーク位置が被測定物の有無に応じて０．２ｐｓｅｃずれていることがわかる。プラスチック板の厚みをｄ、屈折率をｎ、光速をｃとし、被測定物の有無におけるピーク位置変化をΔＴとすると、
ΔＴ＝（ｎ−１）ｄ／ｃ
なる関係があるから、このプラスチック板の屈折率は約１．５となり、材料評価が可能である。また、図８をフーリエ変換すれば、被測定物あり／なしの比較から吸収スペクトルを求めることができる。一般に固有の吸収スペクトルをテラヘルツ帯に有する材料が多いので、プラスチック材質をより正確に特定することができる。
【００７５】
このように本発明を用いると、イメージングとその材料評価を同時にすることができる。
【００７６】
なお、発明者らは、この実験に用いた遅延時間変調素子２１を、一般的な半導体フォトリソグラフィと塩素系ドライエッチングによって作製した。
【００７７】
また、遅延時間変調素子２１によるプローブ光の乱れ（例えば、遅延時間変調素子を通過するときに発生する損失が、遅延量によって異なるなど）は、画素毎の信号処理で補正してもよい。
【００７８】
＜遅延時間変調素子の製造、及び他の形状例＞
図９は、本発明の実施の形態における遅延時間変調素子の他の形状例を示す断面図である。図３とは異なり、断面が対称を成す山形になるように形成されている。このような形状にすることにより、他の２つ以上の段差が一つにつながった急な段差を作らなくてよいため作成プロセスが容易になる。この結果、歩留が向上する。
【００７９】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、この作成プロセスを示す図である。（ａ）ＧａＮ基板３０１に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Ｎｉマスク３０２を形成する。（ｂ）次にＣｌ2ガスを用いたドライエッチングにより第１の凸部を形成する。ＮｉマスクをＨＣｌにより除去する。同様に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Ｎｉマスク３０３を形成する。（ｃ）次にＣｌ2ガスを用いたドライエッチングにより第２の凸部を形成する。ＮｉマスクをＨＣｌにより除去する。同様に電子ビーム蒸着とフォトリソグラフィにより、Ｎｉマスク３０４を形成する。（ｄ）最後にＣｌ2ガスを用いたドライエッチングにより第２の凸部を形成し、ＮｉマスクをＨＣｌにより除去し完成する。
【００８０】
なお、断面の山形は必ずしも対称形でなくてもよい。例えば、隣接する領域間の段差が全ての同一の大きさである形状は、上記のプロセスで作成可能である。
【００８１】
図１１は、遅延時間変調素子２１のさらに他の形状例を示す断面図である。図１１（ａ）は、図２のパターンを基板両面に面対称に形成した形状を示し、図１１（ｂ）は図９のパターンを基板両面に面対称に形成した形状を示している。いずれも、時間遅延を遅延時間変調素子２１の両面で稼ぐことができる。
【００８２】
この結果、同じ段差であれば、片面に形成する場合に比べて通過光に２倍の時間遅延を与えるとができ、時間的な測定範囲が広がる。または、同じ時間的測定範囲でよければ、各ステップの段差を、片面に形成する場合に比べて１／２にすることができプロセスが容易になる。
【００８３】
なお、表面及び裏面の形状は必ずしも面対称でなくてもよい。表面及び裏面の形状を、単に各領域の厚みの差が強調される関係に形成してもよい。
【００８４】
＜遅延時間変調素子の変形例＞
図１２は、変形例における遅延時間変調素子２１の構造を示す断面図である。この例では、遅延時間変調素子２１の表面にアルミナ誘電体膜２２、２３を形成して、反射防止膜としている。一般に、誘電体の屈折率をｎ、対象とする波長をλとしたとき、誘電体厚がλ／４ｎのときに反射防止を行うことができる。
【００８５】
前述した実験では、具体的に、屈折率１．６５のアルミナを１２００Å形成した遅延時間変調素子を用いることにより、中心波長８００ｎｍのプローブパルス光が遅延時間変調素子２１に入射及び出射するときの損失を低減させた。なお、他の誘電体膜（遅延時間変調素子のステップ部屈折率と異なる屈折率を有する材料）を使用してもいいことはいうまでもない。
【００８６】
図１３は、他の変形例における遅延時間変調素子２１の構造を示す断面図である。遅延時間変調素子２１の表面に、遅延時間変調素子のステップ部屈折率と異なる屈折率を有する保護材料２４が埋め込まれている。発明者らの実験では、保護材料２４に、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）を用いた。ＢＰＳＧは酸化膜の一種であり、スピンコートにより形成することができる。これにより、遅延時間変調素子のステップ部の屈折率を保護することができ、遅延時間変調素子の扱いが容易になる。
【００８７】
図１４は、さらに他の変形例における遅延時間変調素子２１の構造を示す断面図である。遅延時間変調素子３０は、プローブ光に対して透明なＧａＮ基板３１上に屈折率が相異なる領域３２、３３、３４、３５、３６が周期的に設けられている。屈折率が異なれば、光学長も異なるので、各領域を通過するプローブパルス光は、相異なる遅延時間でイメージセンサに到着する。
【００８８】
発明者らは、屈折率を変える手段として、微小ＴｉＯ2を溶解させた樹脂（所謂ナノコンポジット）を用いた実験を行い、プローブパルス光に異なる複数の遅延が与えられることを確認した。この樹脂は、ＴｉＯ2の含有量によって屈折率を変化させることができる。なお、領域３２、３３、３４、３５、３６はナノコンポジットでなく、相異なる材料、例えば、組成の異なる誘電体及び半導体（例えばＡｌＧａＮ）を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、高速測定可能な電磁波測定装置、とりわけ、テラヘルツ測定装置に適用でき、医療、バイオ、農業、食品、環境、セキュリティなどの多種の分野での非破壊測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図
【図２】被測定物の一例を示す図
【図３】遅延時間変調素子の断面形状の一例を示す断面図
【図４】空間情報及び時間情報が同時取得される原理を説明する図
【図５】被測定物を取り付けた場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図６】被測定物を取り外した場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図７】被測定物のイメージの一例を示す図
【図８】テラヘルツ波の時間変化の一例を示す図
【図９】遅延時間変調素子の他の断面形状の一例を示す断面図
【図１０】（ａ）〜（ｄ）遅延時間変調素子の作製プロセスの一例を示す図
【図１１】（ａ）、（ｂ）遅延時間変調素子のさらに他の断面形状の一例を示す断面図
【図１２】変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図
【図１３】他の変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図
【図１４】さらに他の変形例における遅延時間変調素子の構造を示す断面図
【図１５】従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【図１６】チャープ化プローブ光を用いた従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【符号の説明】
【００９１】
２１、３０  遅延時間変調素子
２２、２３  アルミナ誘電体膜
２４    保護材料
３１    ＧａＮ基板
３２、３３、３４、３５、３６  屈折率が異なる領域
５１    プラスチック板
５２    アルミニウム
１０１  フェムト秒レーザ装置
１０２  ビームスプリッタ
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０９  ミラー
１０８  ステージ
１１０  凹レンズ
１１１  凸レンズ
１１２  テラヘルツエミッタ
１１３  ポリエチレンレンズ
１１４  被測定物
１１５  シリコンミラー
１１６  電気光学結晶
１１７、１１８  偏光板
１１９  イメージセンサ
１３１  短光パルス
１３２  ポンプパルス光
１３３、１３７、１３８  プローブパルス光
１３４、１３５、１３６  テラヘルツ波
１３９    時間差プローブパルス光
３０１  ＧａＮ基板
３０２、３０３、３０４  Ｎｉマスク
４０１  パルス伸長器
４０２  光ファイバ束
４３７、４３８  チャープ化プローブ光
【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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【図７】
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