(57)【要約】【課題】  周波数掃引機構の温度変化や部材磨耗及び回転角制御方式などによる周波数変動があるため、広帯域・高精度・高速のテラヘルツスペクトル測定に当たっては精度上の問題がある。また、高速の周波数掃引が必要になる場合は、該周波数掃引機構による回転角制御に時間がかかり過ぎる。【解決手段】参照光を、テラヘルツ光の強度補正する手段とガスセルの吸収スペクトルから基準周波数を採る手段に用いて測定スペクトルの周波数をリアルタイムに校正する。  これに拠って、所定の周波数の区間を円滑なアナログ駆動機構などを用いて回転角を連続的且つ高速掃引する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料のテラヘルツスペクトルを周波数校正する場合において、
試料に周波数掃引して照射するテラヘルツ光から参照光を分岐して、該テラヘルツ光の強度補正する手段と水蒸気等ガスの種類・気圧・温度等が設定された１式以上のガスセルの吸収スペクトルから基準周波数を採る手段に用いて、該周波数校正していることを特徴とする周波数掃引式テラヘルツスペクトル測定装置。
【請求項２】
校正する１周波数を、校正曲線の制御点区間すなわち２つの該基準周波数の間、あるいは、複数の該基準周波数に隣接させていることを特徴とする請求項１記載の周波数掃引式テラヘルツスペクトル測定装置。
【請求項３】
周波数掃引において、周波数を設定する回折格子などの回転角制御をしないで、所定の周波数の区間を円滑なアナログ駆動機構などを用いて連続且つ高速に回転角掃引していることを特徴とする請求項１、請求項２記載の周波数掃引式テラヘルツスペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、コヒーレントなテラヘルツ波を掃引して採るスペクトル測定装置の周波数校正方法及び手段に関わる。
【背景技術】
【０００２】  一般に、スペクトル測定における周波数校正は、光源の輝線スペクトル、ガスセルの吸収スペクトルあるいは周波数掃引機構の基準位置センサなどを用いて行われる。
しかしながら、テラヘルツ波が未踏領域の電磁波だったためにテラヘルツスペクトル測定における周波数校正法は未開発であり、特に、広帯域・高精度・高速測定における従来の周波数校正法及び手段は必ずしも適当ではない。
【特許文献１】新実験化学講座  基礎技術３光〔１〕ｐ１９４〜ｐ１９８
【特許文献２】特願２００４−１６８８９
【特許文献３】特開２０００−１３６９６５
【特許文献３】特開２００４−１０８８０８
【特許文献４】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（２００３）ｐｐ．２９５８−２９６１
【特許文献５】Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ａｃａｄｅｍｙ，Ｓｅｒ．Ｂ，Ｖｏｌ．８２，Ｎｏ９（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  現在は、テラヘルツスペクトルの周波数校正において、既存のテラヘルツ光源が一般化していないため所望のテラヘルツ輝線スペクトルを得ることは困難である。
また、周波数掃引機構の基準位置に対応させて周波数掃引する場合は、該周波数掃引機構の温度変化や部材磨耗、位置センサ感度、及び、ＰＩＤ回転角制御方式などによる周波数変動があるため、広帯域・高精度・高速のテラヘルツスペクトル測定に当たっては精度上の問題がある。
更に、化学反応の追跡や移動物体のテラヘルツスペクトル測定など高速の周波数掃引が必要になる場合は、該周波数掃引機構による回折格子などの回転角制御に時間がかかり過ぎる。
本発明の目的は、上記の欠点を除くために、テラヘルツ光の強度補正手段と所望の吸収スペクトルを有するガスセル・周波数掃引機構・周波数掃引方法・周波数校正方法を用いて、広帯域・高精度・高速の周波数掃引式テラヘルツスペクトル測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  請求項１記載の発明は、測定試料のテラヘルツスペクトルを周波数校正する場合において、試料に周波数掃引して照射するテラヘルツ光から参照光を分岐して、
該テラヘルツ光の強度補正する手段と、水蒸気等ガスの種類・気圧・温度等が設定された１式以上のガスセルの吸収スペクトルから基準周波数を採る手段に用いて、該周波数校正していることを特徴とする。【０００５】  この発明によると、試料に照射されるテラヘルツ光の強度が周波数掃引に伴って変動したとしても強度補正されるのでスペクトル測定への影響が避けられる。
また、ガスセルの有する基準周波数測定が該テラヘルツスペクトル測定と同時に行われるので、テラヘルツスペクトルの周波数校正が正確である。
ガスセルの代わりにスペクトルの半値幅は大きいが、液体セル、固体セルを適宜利用することも可能である。【０００６】  請求項２記載の発明は、校正する１周波数を、校正曲線の制御点区間すなわち２つの該基準周波数の間、あるいは、複数の該基準周波数に隣接させていることを特徴とする。【０００７】  この発明によると、例えば、該１周波数校正は、該ガスセルで採った複数の該基準周波数を制御点とする３次のスプライン関数などで設定した校正曲線を用いて行うが、制御点が水蒸気などテラヘルツ吸収スペクトルの多いガスセルから適宜用意され、校正される周波数の極近い両隣り、あるいは、近くに複数隣接してあるので補間がより正確になる。
また、周波数掃引における機械的・光学的な材料品質の誤差や経時変化、あるいは、位置制御特性・温度特性などの変化があっても、該基準周波数が試料のテラヘルツスペクトル測定と同期して校正曲線上に設定されるので高精度の周波数校正が可能である。【０００８】  請求項３記載の発明は、周波数掃引において、周波数を設定する回折格子などの回転角制御をしないで、所定の周波数の区間を円滑なアナログ駆動機構などを用いて連続且つ高速に回転角掃引していることを特徴とする。【０００９】  この発明によると、例えば、デジタル制御による正確な回転角の位置決めが不要になり、ボイスコイルモータ、圧電アクチュエータ、バネなどの器材を備えた円滑な周波数掃引機構による周波数掃引に同期して測定試料やガスセルのスペクトルが測定されるので、テラヘルツスペクトルを採る時間が大幅に短縮され、且つ、高精度・小型・低価格のテラヘルツスペクトル測定装置が実現できる。
例えば、ボールねじやリニアモータなどのアナログ伝導機構が、ステッピングモータやデジタル電源などにより機構的・電気的な離散値で駆動されている場合でも、量子化レベルを多く取れば、即ち、該掃引周波数のサンプリング間隔より充分細かい周波数駆動手段になっていれば本発明は同様に適用できる。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、周波数掃引における機械的・光学的な材料品質の誤差や経時変化、あるいは、測定環境により位置制御特性・温度特性などに変化があっても、高品質のテラヘルツスペクトル測定ができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  テラヘルツスペクトル測定において、テラヘルツ光の強度補正する手段と、ガスセルの吸収スペクトルから基準周波数を採る手段を適用するが、以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００１２】  図１は、本発明の請求項１に関する１実施例で、周波数掃引式テラヘルツスペクトル測定装置の概略図であって、符号は図３と同様である。【００１３】  この例では、ＹＡＧレーザ光源Ｙ１、Ｙ２から波長１０６４ｎｍの赤外光がクロムフォルステライト結晶に照射されると、赤外レーザ光源Ｃｒ１、Ｃｒ２から図示していない回折格子で波長選択され尖鋭化した赤外レーザ光Ｉ１、Ｉ２が出射する。
例えば、Ｃｒ１から波長１２１７．７３４ｎｍ、周波数２４６．１８８４ＴＨｚのＩ１、Ｃｒ２から波長１２２２．７０１ｎｍ、周波数２４５．１８８４ＴＨｚのＩ２を出射させ、光混合器Ｂで角度整合を取ってＧａＰ結晶に入射させると、差周波数である１ＴＨｚのテラヘルツ光Ｔ１が所定の方向に出てくる。
このように、赤外レーザ光Ｉ１と赤外レーザ光Ｉ２との差周波数がテラヘルツ光Ｔ１の周波数を決定するので、例えば、Ｉ１の波長を固定してＩ２の波長を前記赤外レーザ光源Ｃｒ２の中に設置している回折格子の回転角を回転機構Ｒで変え、上記と同様にＧａＰ結晶に入射させると、Ｉ１とＩ２差周波数のテラヘルツ光がＧａＰ結晶から所定の方向に出てくる。
尚、Ｉ１とＩ２の位相相整合は、ＹＡＧレーザ光源Ｙ１、Ｙ２の図示していないＱスイッチのタイミング調整でなされる。【００１４】  テラヘルツ光Ｔ１はビームスプリッターＨ１で参照光Ｔ２と測定用テラヘルツ光Ｔ３に分岐され、更に、参照光Ｔ２はビームスプリッターＨ２、Ｈ３、Ｈ４を用いて、夫々のテラヘルツ光Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、及び強度補正用テラヘルツ光Ｔ０に分岐され、水蒸気ガスセルＣ１、一酸化炭素ガスセルＣ２、フロンガスセルＣ３を透過してテラヘルツセンサＳ２〜Ｓ４とＳ０へ入る。【００１５】  従って、ガスセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３のガス吸収特性はテラヘルツセンサＳ２〜Ｓ４で感知され、下記する（図２）の様なスペクトルを呈するので、これを用いて各々の基準周波数を採ることができる。
このとき、ガスセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、ガス容器Ｇ１〜Ｇ３から所定のガス種類・ガス圧が供給されており、恒温槽ｗ１〜ｗ３で厳密に温度制御されている。【００１６】  センサＳ０は、テラヘルツ光Ｔ１がＹＡＧレーザ光源Ｙ１、Ｙ２、クロムフォルステライトレーザ光源Ｃｒ１、Ｃｒ２、テラヘルツ光源ＧａＰ、光学系部品等が経時変化や周波数特性で出力変動するので強度補正に用いている。【００１７】  回折格子の回転角を回転機構Ｒで変えてテラヘルツ光Ｔ３の周波数を掃引すると、夫々の周波数に対して測定試料Ｘを透過したテラヘルツ光ＴｓがテラヘルツセンサＳ１で感知されテラヘルツスペクトルが計測される。【００１８】  以上の説明の様に、本発明によるテラヘルツスペクトル測定は、参照光を用いて強度補正とガスセルの吸収スペクトルに基づいた周波数校正の測定が同時にできるので、測定系の機械的・光学的な材料品質の誤差や経時変化、あるいは、測定環境によって位置制御特性・温度特性などに変化があっても正確にできる。
【実施例２】
【００１９】  図２は、本発明の請求項２に関する実施例で、テラヘルツスペクトル測定の周波数校正についての説明図である。
横軸はガスセルの吸収スペクトルの周波数Ｆで、縦軸は光吸収率δでありガスセルをδ１〜δ３、試料はδｘで示し、ガスセルＣ１〜Ｃ３のスペクトル図はｔ１〜ｔ３、測定試料Ｘのスペクトル図はｔＸで示している。
ここで、Ｆ１〜Ｆ１０がガスセル、ＦＸが測定試料に現れたテラヘルツ吸収スペクトルで、ＦＸはＦ１〜Ｆ１０を用いて正確に周波数校正されるものである。
周波数校正の手順については、（図３）で説明する。【００２０】  図３は、本発明の請求項２に関する実施例で、周波数校正の手順について説明している。、横軸はテラヘルツ周波数掃引機構の掃引周波数ｆを示し、縦軸がガスセルの吸収スペクトルの周波数Ｆある。
例えば、周波数掃引機構の掃引周波数ｆがテラヘルツ光Ｔ１の周波数掃引を来たし、図３（１）に表した関係でガスセルの吸収スペクトルＦを得ている場合、測定試料におけるテラヘルツ吸収スペクトルの周波数Ｆｘは、図３（１）のｆとＦの関係から算出した校正曲線図ＬのｆＸを用いて正確に測定できるというものである。
校正曲線は所定の区間を複数個のｆとＦの関係を用いたスプライン関数で設定して使用することも可能である。【００２１】  図４は、本発明の請求項３に関する実施例で、試料の反射スペクトル測定における周波数の高速掃引を説明するものである。
前述した様に、周波数掃引機構を用いて測定試料に照射するテラヘルツ光の周波数は、基準周波数であるガスセルの吸収スペクトルによって同時に校正され測定されることになるので、周波数を掃引する回折格子などの回転機構においては、円滑な動作機構であれば、高速掃引でもヒステリシス特性のある掃引で高精度のスペクトル測定が可能である。
例えば、周波数幅のある赤外線レーザ光Ｃｒ２が回折格子Ｇｒに入射すると、回折条件を満たした特定周波数の赤外光Ｉ２が矢印の方向に出射するが、回折条件の変更すなわち周波数掃引は回転機構Ｒの図示しないバネ軸受けを中心とする回転で行われる。
回転角およびその掃引速度は、梃子の支点であるバネ軸受けＳｐ１の反対側に位置する部材Ｓｉ、バネ材Ｓｐ、ボールねじＳｃなどの伝達機構を介したサーボモータの高速回転によって連続して設定される。
従来は、回転機構Ｒの回転角を正確に設定して赤外光Ｉ２の周波数精度を上げていたので、角度制御に時間がかかり、また、使用する部材の制約や測定環境の整備が大変であった。【００２２】  図において、符合は図１に同様であり、テラヘルツ光源ＧａＰに同時に照射して差周波数のテラヘルツ光を発生させる別の赤外光Ｉ１は省略している。
ＧａＰから出射されたテラヘルツ光Ｔ１は、ハーフミラーＨ１を通して測定試料Ｘに照射され、その反射光ＴｓをセンサＳ１で感知して図４（１）のスペクトル図が測定される。
一方、参照光Ｔ２は図１と同様であり、ガスセルＣ１による周波数校正は、例えば、図４（２）を用いて図３と同様の処理で行われる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  水蒸気など卑近なガスセルの吸収スペクトルを基準周波数に用いて、また、簡便なアナログ周波数掃引機構などを用いることによって、高速・高精度のテラヘルツスペクトルが採れるので、製造工程や野外での計測など、広い分野での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】装置の構成概要を説明した図である。
【図２】ガスセルの吸収スペクトルについて説明した図である。
【図３】スペクトルの校正について説明した図である。
【図４】周波数の高速掃引機構について説明した図である。
【符号の説明】
【００２５】Ｙ１、Ｙ２                ＹＡＧレーザ光源
Ｃｒ１、Ｃｒ２            赤外レーザ光源
Ｉ１、Ｉ２                赤外レーザ光
Ｂ                        混合器
ＧａＰ                    テラヘルツ光源
Ｔ０〜Ｔ６、Ｔｓ          テラヘルツ光
Ｒ                        回転機構
Ｈ１〜Ｈ４                ビームスプリッター
Ｃ１                      水蒸気ガスセル
Ｃ２                      一酸化炭素ガスセル
Ｃ３                      フロンガスセル
Ｓ０〜Ｓ４                テラヘルツセンサ
Ｇ１〜Ｇ３                ガス容器
ｗ１〜ｗ３                恒温槽
Ｘ                        測定試料
δ、δ１〜δ３、δＸ      光吸収率
ｔ１〜ｔ３、ｔＸ          スペクトル図
Ｆ、Ｆ１〜Ｆ１０、ＦＸ    吸収スペクトルの周波数
ｆ、ｆＸ                  掃引周波数
Ｇｒ                      回折格子
Ｌ                        校正曲線
Ｓｐ１                    バネ軸受け
Ｓｐ                      バネ材
Ｓｉ                      部材
Ｓｃ                      ボールねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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