(57)【要約】  テラヘルツ放射を解釈するためのシステムは、テラヘルツ放射のパルスを出力するように構成されるテラヘルツ送信器と、テラヘルツ送信器からの放射のパルスの少なくとも一部を受信するように構成されるテラヘルツ受信器とを含む。テラヘルツ受信器は、テラヘルツ受信器によって受信される放射に基づいて信号を出力するように構成される。
2015536451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ放射を解釈するためのシステムであって、
第１のポートを通してテラヘルツ放射のパルスを出力するように構成されたテラヘルツ送信器と、
前記第１のポートを通して前記テラヘルツ放射のパルスの少なくとも一部を受信するように構成されたテラヘルツ受信器であって、該テラヘルツ受信器によって受信された前記放射に基づいて信号を出力するように構成されたテラヘルツ受信器と、
前記テラヘルツ放射のパルスに対して光学干渉を与える第１の光学的界面であって、前記テラヘルツ放射のパルスの第１の光学的界面反射部分を前記テラヘルツ受信器へと反射する第１の光学的界面と、
前記テラヘルツ放射のパルスに対して光学干渉を与える第２の光学的界面であって、前記テラヘルツ放射のパルスの第２の光学的界面反射部分を前記テラヘルツ受信器へと反射する第２の光学的界面と、
前記第１の光学的界面と前記第２の光学的界面との間で規定される間隔であって、前記テラヘルツ放射のパルスの少なくとも一部が照射される試料を受け入れるように構成されている間隔とを備え、
前記試料は、前記テラヘルツ放射のパルスの第１の試料反射部分を前記テラヘルツ受信器へと反射し、前記テラヘルツ放射のパルスの第２の試料反射部分を前記テラヘルツ受信器へと反射し、
前記テラヘルツ送信器と前記テラヘルツ受信器とが、ハウジング内に実質的に互いに隣接して配置されており、
該システムはさらに、前記テラヘルツ受信器と通信するプロセッサであって、前記テラヘルツ受信器から前記信号を受信するように構成され、前記信号に基づいて前記試料のキャリパー厚さ、密度、屈折率、または質量を求めるように構成されたプロセッサ
を備えるシステム。
【請求項２】
ガントリをさらに備え、
前記ハウジングが、前記ガントリに連結されており、
前記ガントリが、前記試料にわたって前記ハウジングを移動させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の光学的界面が、前記ハウジングに取り付けられている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の光学的界面が、前記ガントリに取り付けられており、
前記第２の光学的界面が、前記ハウジングが前記ガントリに沿って移動するのに伴って移動し、
前記第１の光学的界面と第２の光学的界面とが、概ね、互いに対向する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記プロセッサと通信する位置センサであって、前記第１の光学的界面と前記第２の光学的界面との間の前記間隔の距離を決定し、距離信号を前記プロセッサに出力するように構成されている位置センサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記位置センサが、渦電流センサである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記渦電流センサが、前記第１の光学的界面に取り付けられている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記渦電流センサが、前記ハウジングに取り付けられている、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記位置センサが、前記試料の温度を測定するように構成されている温度センサである、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の光学的界面が、前記テラヘルツ送信器と前記試料との間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の光学的界面が、前記ハウジングに連結されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１のポートが、レンズを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記試料が、少なくとも１つの層を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の光学的界面が透過性のある反射面であり、前記第２の光学的界面が完全に反射性の光学的界面である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
第２のポートをさらに備え、前記テラヘルツ送信器が、前記第２のポートを通してテラヘルツ放射のパルスを出力するように構成されており、
前記テラヘルツ受信器が、前記第２のポートを通して前記テラヘルツ放射のパルスの少なくとも一部を受信するように構成されており、
前記第１の光学的界面が、完全に反射性の光学的界面である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
光パルスを出力するように構成された光源をさらに備え、
前記光源が、前記テラヘルツ送信器および前記テラヘルツ受信器と光通信し、
前記テラヘルツ受信器が前記光パルスによって前記テラヘルツ送信器と同期させられるように、前記テラヘルツ送信器と前記テラヘルツ受信器とが、前記光源から光パルスを受信するように同期させられている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の光学的界面、第２の光学的界面、または試料によって反射される放射を、前記テラヘルツ受信器に向けるように構成されたビームスプリッタをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光源が、光ファイバーを介して前記テラヘルツ送信器または前記テラヘルツ受信器と光通信する、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、テラヘルツ放射を用いて材料特性を計算するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射時間領域テラヘルツ（「ＴＤ−ＴＨｚ（time domain terahertz）」）送信器は、場合によっては試料と呼ばれる、測定される誘電材料に、パルス状にしたテラヘルツ（「ＴＨｚ」）ビームを投射することができる。このような材料は、紙、コート紙、プラスチックシート、不織材料（繊維、布）、押出絶縁物（extruded insulation）、発泡材、接着剤、および同様の材料であってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、測定対象であるこれらの誘電材料の材料特性の測定は、ＴＨＺ放射の反射が試料の位置によって影響されるという事実により複雑になる場合がある。試料の位置を決定することができない場合、材料特性の測定は悪影響を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
テラヘルツ放射を解釈するためのシステムは、テラヘルツ放射のパルスを出力するように構成されるテラヘルツ送信器と、テラヘルツ送信器からの放射のパルスの少なくとも一部を受信するように構成されるテラヘルツ受信器とを含む。テラヘルツ受信器は、テラヘルツ受信器によって受信される放射に基づいて信号を出力するように構成される。
【０００５】
また、本システムは、テラヘルツ受信器からのテラヘルツ放射のパルスに対して光学干渉を与える第１の光学的界面を含む。第１の光学的界面は、テラヘルツ放射のパルスの第１の光学的界面反射部分をテラヘルツ受信器へと反射する。また、本システムは、テラヘルツ放射のパルスに対して光学干渉を与える第２の光学的界面を含む。第２の光学的界面は、テラヘルツ放射のパルスの第２の光学的界面反射部分をテラヘルツ受信器へと反射する。第１の光学的界面と第２の光学的界面との間には、間隔が画定される。この間隔は、テラヘルツ放射のパルスの少なくとも一部が照射される試料を受け入れるように構成される。試料は、テラヘルツ放射のパルスの第１の試料反射部分をテラヘルツ受信器へと反射し、テラヘルツ放射のパルスの第２の試料反射部分をテラヘルツ受信器へと反射する。
【０００６】
一般に、テラヘルツ送信器とテラヘルツ受信器とは、ハウジング内に実質的に互いに隣接して配置される。プロセッサは、テラヘルツ受信器と通信し、テラヘルツ受信器から信号を受信するように構成されてもよい。このとき、プロセスは、その信号に基づいて、試料のキャリパー厚さ、密度、分数指標、または質量を求めるように構成される。本システムは、また、ガントリを含んでもよく、この場合、ハウジングは、試料にわたってハウジングを移動させるように構成されて、ガントリに連結される。
【０００７】
第１の光学的界面は、ハウジングに取り付けられてもよいし、あるいは、テラヘルツ送信器と試料との間に位置づけられてもよい。第２の光学的界面は、ガントリに取り付けられてもよいし、あるいは、単に第１の光学的界面に対向するように取り付けられてもよい。
【０００８】
また、本システムは、プロセッサと通信する位置センサを含んでもよい。位置センサは、第１の光学的界面と第２の界面との間の空間の距離を決定し、距離の信号をプロセッサに出力するように構成される。位置センサは、温度センサであってもよいし、あるいは、渦電流センサであってもよい。
【０００９】
本発明のさらなる目的、特徴、および利点は、本明細書に添付され、本明細書の一部をなす図面および特許請求の範囲を参照しながら以下の説明を検討することにより、当業者にとって容易に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の時間領域ベースのテラヘルツシステムのブロック図を示す。
【図２】シート材料の織物の上方でガントリに取り付けられた図１のシステムを示す。
【図３】場合によっては外部基準構造と呼ばれる第２の光学的界面が存在しない、検査対象の材料の断面を示す。
【図４】第２の光学的界面を有する試験対象の材料の断面である。
【図５】試験対象の材料の上方および下方の両方に、ガントリの幅にまたがる光学的界面を有するシステムを示す。
【図６】ハウジング内に組み込まれた第１の光学的界面と、試験対象の材料の下方でガントリの幅にまたがる第２の光学的界面とを有するシステムを示す。
【図７】システムのハウジング内に組み込まれた第１の光学的界面と、試験対象の材料の下方で同期運動ガントリに取り付けられた第２の光学的界面とを示す。
【図８】試験対象の材料の上方および下方の両方においてガントリの幅にまたがる光学的界面と、第１の光学的界面と第２の光学的界面との間の距離を測定するために第１の光学的界面またはガントリフレームに取り付けられた距離センサとを有するシステムを示す。
【図９】ハウジング内に取り付けられた位置センサを用いた試験対象の材料の上方および下方の両方でガントリの幅にまたがる光学的界面を有するシステムを示す。
【図１０】ハウジング内に組み込まれた第１の光学的界面および距離センサと、試験対象の材料の下方でガントリの幅にまたがる第２の光学的界面とを有するシステムを示す。
【図１１】ハウジング内に組み込まれた第１の光学的界面および位置センサと、試験対象の材料の下方で同期運動ガントリに取り付けられた第２の光学的界面とを有するシステムを示す。
【図１２】第１の光学的界面またはガントリに取り付けられた温度センサを利用するシステムを示す。
【図１３】第１のポートおよび第２のポートを有するシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、テラヘルツ放射を解釈するためのシステム１０が示されている。その主な構成要素として、このシステムは、テラヘルツ送信器１４およびテラヘルツ受信器１６をその中に収容するハウジング１２を含む。システム１０はまた、レーザ光源などのテラヘルツ制御ユニット１８と、コンピュータシステム２０とを含む。レーザ光源１８は、アンビリカル（umbilical）１３、１５を介してテラヘルツ受信器１６および／またはテラヘルツ送信器１４に接続されてもよい。アンビリカル１３、１５の長さは、０〜１００メートルであってもよい。可撓性の光ファイバー／電気ケーブル１３、１５は、ＴＤ−ＴＨｚセンサが織物にわたって走査する運動制御ガントリに取り付けられているときは、可撓性のケーブルトレイ（「スネーク（snake）」）に収納されてもよい。アンビリカル１３、１５は、レーザ源１８をテラヘルツ受信器１６および／またはテラヘルツ送信器１４に光学的に接続する。
【００１２】
コンピュータシステム２０は、テラヘルツ受信器１６から信号を受信するように、直接的または間接的にテラヘルツ受信器１６に接続されてもよい。このとき、コンピュータシステム２０は、テラヘルツ受信器１６によって受信される放射を解釈するように、テラヘルツ受信器１６からの信号を解釈してもよい。また、システム１０は、様々な別個のセンサ２２、２４を含んでもよい。これらのセンサ２２、２４は、位置センサおよび／または温度センサを含んでもよい。
【００１３】
システム１０は、材料の生産を制御するためにフィードバック制御ユニット２６を含んでもよく、また、測定が行われ得るように試料または試験対象の材料３０にわたってハウジング１２を移動させるガントリを制御するための運動制御部２８を含んでもよい。試料３０は、任意の種類の試料であり得るが、一般に、紙または他の種類の織物材料などの、多層を有する試料である。
【００１４】
ハウジング１２は、ビームスプリッタキューブなどのビームスプリッタ装置３２をさらに含んでもよい。ビームスプリッタ装置３２は、テラヘルツ送信器１４からのテラヘルツ放射３４を試料３０に向ける。同様に、ビームスプリッタ装置３２は、初めはテラヘルツ送信器１４から送信された、試料からの放射３６をテラヘルツ送信器１６に向ける。加えて、レンズ３８が、一般に第１のポート４０を通じて試料３０に送られるか、または試料３０から送られてくるテラヘルツ放射の焦点を合わせるために使用されてもよい。
【００１５】
図２を参照すると、システム２１０のより詳細な説明が示されている。この実施形態において、同じ要素を指示するために、これらの要素の前に数字「２」が置かれている点を除いて、同じ参照符号が使用されている。これらの要素についての説明は繰り返さない。この実施形態において、ガントリ２５０は、試料２３０の上方に位置している。ここでは、ハウジング２１２は、ハウジングが矢印２５２によって示されているように試料３０の長手方向に沿って移動するようにガントリ２５０に取り付けられている。
【００１６】
テラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４は、モノスタティックなまたは同一線上の構成であってもよい。この構成において、試験対象の材料３０に照射されるパルス状のＴＨｚビームと、試験対象の材料３０内の界面からの（および、存在する場合には、外部基準構造の界面からの）反射とは、同じ経路を辿る。この構成は、視差の効果を取り除き、試料からの反射率を最大化することから、通常は好ましいものである。この同一線上の構成は、試験対象の材料がＴＨｚセンサに対して上下に移動する場合に特に重要である。代替例として、ピッチキャッチ構成（pitch-catch arrangement）が、特に、上下に移動しない非常に薄い材料に対して、使用されてもよい。
【００１７】
試験対象の材料２３０を探索するＴＨｚビームの焦点を合わせ、これを集光するために対物要素（objective）を有するテラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４が示されている。この対物要素は、レンズ２３８、曲面鏡、またはこれらの組み合わせであってもよい。対物要素は、固定の焦点距離を有してもよいし、交換可能であってもよいし、あるいは可変焦点距離レンズであってもよい。単一の素子が使用されてもよいし、あるいは、多数の素子が使用されてもよい。一部の構成では、対物要素を必要としなくてもよい。
【００１８】
テラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４の周囲の点線は、諸要因（湿気、塵埃）および機械的衝撃からセンサを保護する、通常のハウジング２１２である。センサは、このようなハウジングに囲まれていてもよいし、囲まれていなくてもよい。
【００１９】
可撓性の光ファイバー／電気ケーブルによって制御ユニットに接続された、遠隔の、自由に配置可能なヘッドに取り付けられた送信器および受信器アンテナを有するテラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４が示されている。レーザ、電源、光学式遅延スキャナ、コンピュータ、および／または他の電子機器をＴＤ−ＴＨｚ制御ユニットに配置することによって、センサヘッドを可能な限り小型かつ頑丈に作ることができるため、これは好ましい実施形態である。制御ユニットは、走査領域から離して安全に取り付けられてもよい。それは、環境が制御されたキャビネットに配置されてもよい。
【００２０】
代替的なテラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４が採用されてもよい。実施可能なものとして、ＴＤ−ＴＨｚ制御ユニット内のシステムの一部または全部が、小型化され、ＴＤ−ＴＨｚセンサヘッド内に完全に配置されてもよい。このようなオール・イン・ワン構成では、必ずしも光ファイバーを採用しなくてもよい。テラヘルツ送信器および受信器は、別々のマウント上にあってもよいし、あるいは、機械的に同じ場所に配置されてもよい。テラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４は、送信器および／または受信器と共に同じ場所に（オール・イン・ワンの形で）配置された同じレーザ、電子回路、および／または他のサポートサブシステムを共有してもよいし、あるいは、レーザ、電子回路、および／または他のサポートサブシステムは、送信器および／または受信器から遠隔に配置され、電気および／または光ファイバーケーブルによって接続されてもよい。
【００２１】
テラヘルツ受信器２１６および／またはテラヘルツ送信器２１４は、フェムト秒レーザから生成される単一パルスを用いる代わりに、広帯域源によってトリガされる相互相関ノイズパルスの原理に基づいて動作してもよい。ＴＨｚ電磁波（THz EM）を生成する任意の方法が採用されてもよい。
【００２２】
テラヘルツ受信器２１６は、時間領域の代わりに周波数領域で動作してもよい。テラヘルツ受信器２１６が周波数領域で動作する場合、送信器も同様であってもよい。テラヘルツ送信器２１４および受信器２１６は、試料の層の厚さの測定に求められる分解能を達成するために十分に広い帯域幅を有していなければならない。テラヘルツ送信器２１４は、十分な帯域幅を有する限り、パルス型のものであっても、パルス型のものでなくてもよい。テラヘルツ送信器２１４は、試料の１つ以上の層の界面と、外部基準構造の界面との両方から反射してくる広帯域テラヘルツビームを放射する。周波数領域テラヘルツ受信器２１４は、反射を、周波数の振幅および／または位相の関数として記録する。このとき、記録された周波数領域のデータは、数学的変換（フーリエ変換など）の使用を通じて時間領域に変換されることができる。この場合、時間領域に変換されたこのデータは、初めから時間領域で収集されたデータと同じまたは同様の仕方で、試料内の界面および外部基準界面に関する飛行時間を表し、試料２３０の材料特性は、初めから時間領域のデータと同じ方法の補正法を用いて計算することができる。あるいは、材料特性の計算は、周波数領域の振幅および／または位相から直接行われてもよい。特定の飛行時間間隔だけ離れている反射界面に対応する、時間領域における２つ以上のピークは、周波数領域おいて特定の周波数間隔だけ離れた、損失および／または透過ピークによって表される。これらの周波数領域での間隔は、説明されている１つ以上の補償スキームから、既知の外部基準界面の間隔を用いて、同じ材料特性を計算するために使用され得る。代替的な周波数領域の方法には、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ：frequency modulated continuous wave）法が含まれる。
【００２３】
図３および図４を参照すると、これらの図は、試料３０に接触するときにテラヘルツ放射のビームに何が起こっているのかを示している。テラヘルツ放射のビーム３４は、試料３０の各層の各表面によって反射される。テラヘルツ放射のこれらの反射された部分は、続いて、図１のテラヘルツ受信器１６に送り返される。図４は、第１の光学的界面４２および第２の光学的界面４４を有するシステムを示している。第１の光学的界面４２は、部分的に透過性であってもよく、第２の光学的界面４４は、鏡など、完全に反射性であってもよい。この状況では、放射３４は、試料３０の各層によってだけでなく、第１の光学的界面４２および第２の光学的界面４４によっても反射される。テラヘルツビーム３４のこれらの反射された部分は、図１のテラヘルツ受信器１６へ送り返される反射されたテラヘルツ放射３６を形成する。
【００２４】
試料３０は、少なくとも２つの反射界面（最上位および最下位の外部表面）を有し、また、１つ以上の内部界面を有する場合もあれば、有さない場合もある。光学的界面４２、４４は、測定対象の材料の上方および／または下方に配置される、１つ以上の付加的な外部界面を生成するために使用され得る。試料３０からの１つ以上の反射パルスならびに光学的界面４２、４４からの１つ以上の反射パルスの相対的なタイミングは、キャリパー厚さ（caliper thickness）、密度、屈折率、および質量などの、試料３０の特性を計算するために使用され得る。これらの値は、１つ以上の較正係数と界面パルス時間の適切な和および／または差の線形結合との積を用いて計算される。先に述べたように、テラヘルツ受信器１６は静止していてもよいし、あるいは、移動してもよい。これらの光学的界面４２、４４は、静止していてもよく、また、ハウジング１２に連結されても、されなくてもよく、および／または構造はハウジング１２と共に移動してもよい。テラヘルツ受信器１６、試料３０、ならびに光学的界面４２、４４は、試料の界面ならびに光学的界面４２、４４のそれぞれがＴＤ−ＴＨｚ波形に記録される反射パルスをもたらすように幾何学的に構成される。これら、測定対象の材料の反射パルスの、１つ以上の相対のタイミングならびに光学的界面４２、４４の１つ以上は、キャリパー厚さ、密度、屈折率、および質量などの、測定対象の材料の材料特性を計算するために使用され得る。
【００２５】
これらの値は、１つ以上の較正係数と界面パルス時間の適切な和および／または差の線形結合との積を用いて計算される。光学的界面４２、４４は、光学的界面４２、４４の間の既知の、または測定可能な（すなわち、規定された）距離を有するように構築される。すべての外部界面の間の離隔は、１つ以上のＴＤ−ＴＨｚ波形の収集の時間スケールで測定可能でなければならない。
【００２６】
光学的界面４２、４４の間の固定された距離は、既知であるか、または測定される。これらの既知の界面離隔距離は、ＴＤ−ＴＨｚ測定だけからでは、または特定の外部界面がない場合には不明瞭である特定の材料特性（例えば、密度）を計算するために、ＴＤ−ＴＨｚ反射パルス時間の導出値と組み合わせて使用される。また、外部界面の間の規定された距離は、１）ＴＤ−ＴＨｚパルスの絶対的なタイミングのズレ（例えば、光ファイバーの伸張に起因する）、２）測定対象の材料の屈折率の変化、３）測定対象の材料の密度の変化、および４）他の効果、に対応するために使用され得る。
【００２７】
これらの光学的界面４２、４４は、１）以前に収集されて記憶された測定値を使用することができるようにする高い幾何学的安定性と、２）短い時間（０．００１〜１ｓの、単一のＴＤ−ＴＨｚ波形の測定の長さ）およびより長い時間（分、時間、または日）にわたって十分な精度で測定されるか、または補助センサおよび較正法（例えば、熱電対および温度に対する較正法）から間接的に測定されるか、もしくは求められる界面距離とのいずれかを有していなければならない。必要な幾何学的安定性は、多くの場合、２ミクロン未満である。構造は、マイクロフォニックおよび他の振動を必要な許容範囲内に低減するように構築されなければならない。場合によって、構造は、測定対象の材料の、幅の広いシート上に、数メートルにわたって架け渡されなければならない。この場合、光学的界面４２、４４の構造は、熱膨張もしくは収縮に起因して、またはある程度の外部応力の変化に起因して、分、時間、または日の間に、その幾何学的距離を変化させる可能性がある。
【００２８】
図３には、外部基準構造なしの、ＴＤ−ＴＨｚ反射パルスのタイミングを示す、試験対象の材料３０の断面模式図が示されている。Ａ、Ｂ、…、Ｎで表示されている１つ以上の（数はＮによって示される）層を有する材料が示されている。ｊ＝Ｎ＋１個の界面が存在する。最上位および最下位の界面は、通常は、空気との境界であるが、そうでなくてもよい。界面からの反射は、１、２、…、ｊ−１、ｊで表されている。反射パルスの順序およびタイミングが、図の右側に示されている。図３は、ある角度での反射を示している。この図示法は、明確にするためのものに過ぎない。反射は、法線方向のものであっても、角度の付いたものであってもよい。
【００２９】
「Ｎ」個の層のそれぞれは、各位置で変わり得る機械的厚さ「Ｌ」および有効屈折率「η」を有する。屈折率ηが分かっているならば、ｃを真空中での光の速度として、層の厚さは、
Ｌ＝ｃ×ｔ／（２×ｎ）
の式によってＴＤ−ＴＨｚ波形から導出することができる。あるいは、厚さＬが既知の値に保持されているならば、層の有効屈折率を導出することができる。
【００３０】
屈折率は、材料の化学的および物理的な組成の関数であり、例えば、材料の密度に比例し得る。有効屈折率は、通常は、一定ではない。それは、例えば、密度により変化し得る。図３の右側には、ある層の屈折率が高くなると、機械的厚さが一定のままであってもピーク間のタイミングが大きくなることが示されている。このことは、タイミングピークのみからでは、試験対象の材料の厚さのＴＤ−ＴＨｚデータからの計算において、あいまいさを生み出す。屈折率が一定のままであると間違って仮定された場合、層の密度の増加は、その層の厚さの増加のように（間違って）見えてしまう。
【００３１】
１つ以上の層の屈折率の変動により不明瞭となる重要な測定の一つは、材料の全体の物理的な「キャリパー」厚さである。試料全体のキャリパー厚さは、付加的な「外部基準構造」（external reference structure）すなわちＥＲＳ、または第１の光学的界面４２および第２の光学的界面４４が、シート状の試料の周囲または近傍に追加されれば、計算することができる。図４には、外部基準構造ありの、ＴＤ−ＴＨｚ反射パルスのタイミングを示す、試験対象の材料の例示的な断面模式図が示されている。ＥＲＳの上面および下面は、既知のあるいは測定された距離Ｄだけ離れている。距離Ｄは、試験対象の材料の測定の前に、ＥＲＳの設計または測定された寸法のいずれかから求めれる。本開示は、試料測定工程中に、またはこれに極めて近い時間に様々な位置でＥＲＳの寸法Ｄを決定する方法を開示している。米国特許出願第１２／６６７，９８６号の明細書の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
理想的には、ＥＲＳの上面は、ＴＨｚビームの大部分を透過する。ＥＲＳの底面は、少なくとも部分的に反射性でなければならず、鏡であってもよい。空気中の上面および下面に対応するＴＨｚパルス０およびｊ＋１の飛行時間は、
ＴＥＲＳ＝２×Ｄ／Ｃ
である。
【００３３】
したがって、試験対象の材料の内部層の屈折率および／または密度もしくは材料組成とは無関係であるキャリパー厚さは、
Ｌ＝Ｄ−ｃ×（［ｔ１−ｔ０］＋［ｔｊ＋１−ｔｊ］）／２
である。
【００３４】
これは、試験対象の材料の厚さは、ＥＲＳの間隔から、ＥＲＳの内側にあって試験対象の材料の上および下にある空気の厚さの和を差し引いたものに等しいと述べることと等価である。
【００３５】
したがって、試験対象の材料の（Ｎ個の層全体の）平均屈折率は、
Ｎ平均＝（ｔ１−ｔｊ）／（ＴＥＲＳ−（［ｔ１−ｔ０］＋［ｔｊ＋１−ｔｊ］））
という比率となる。
【００３６】
ＥＲＳ測定を実現する別の方法は、既知のまたは測定される「何もない状態の（empty）」（すなわち、ＴＨｚビーム中に試料が存在しない状態の）ＥＲＳの界面のタイミングを、ＴＨｚビーム中に試料がある状態での同一の２つの反射からの時間から、差し引くことである。この方法で、二重経路透過測定における等価時間遅延が、反射測定によって得られる。この方法には、「何もない状態の」ＥＲＳ時間測定が標準的な透過測定よりも安定している点で利点がある。両方の測定は、試料が存在しない状態での測定を必要とするが、ＥＲＳ反射測定は、純粋な透過測定よりも安定しており、本明細書に開示されている実施形態によって再測定または補正もしくは較正され得る。
【００３７】
図５を参照すると、システム５１０の別の実施形態が示されている。以前と同様に、同様の参照符号が、同様の構成要素を指示するために使用されている。この実施形態では、第１の光学的界面５４２は、試料５３０の上方に配置され、一方、第２の光学的界面５４４は、試料５３０の下方に配置されている。
【００３８】
図６を参照すると、システム６１０の別の実施形態が示されている。この実施形態は、第１の光学的界面６４２がハウジング６１２内に位置している点で図５の実施形態と異なっている。図７を参照すると、システム７１０の実施形態は、図６に開示されているものと同様である。しかしながら、第２の光学的界面７４４は、ハウジング７１２がガントリに沿って移動しても、第２の光学的界面７４４が第１の光学的界面７４２の正反対の位置にあるように、ガントリ７５０上に位置している。本質的には、第２の光学的界面７４４は、第２の光学的界面７４４がテラヘルツ放射をテラヘルツ受信器７１６へ反射することができるように、ハウジング７１２の移動に同期して移動する。
【００３９】
図８を参照すると、システム８１０の別の実施形態が示されている。この実施形態は、図５の実施形態５１０と同様である。しかしながら、システム８１０は、システム８１０が第１の光学的界面８４２に取り付けられた位置センサ８４６、８４８を利用している点で異なっている。位置センサ８４６、８４８は、渦電流センサであってもよい。
【００４０】
この実施形態の一つの特徴は、より長い期間の幾何学的変化に対応するために、界面８４２、８４４の間の距離を測定または較正する位置センサ８４６、８４８を組み込んでいることである。測定対象の多くの材料は、しばしば連続的に製造され、したがって、これらの外部反射界面の間のどこかの位置に常に存在する。よって、界面８４２、８４４の間の絶対距離を直接測定するために使用される付加的な離隔センサ（separation sensor）は、測定対象の材料が存在する状態でこれを行うことができなければならない。すなわち、理想的には、二次センサの変位測定は、試料の存在によって影響を受けることがあってはならない。一般に、電界を測定するセンサ（ＴＤ−ＴＨｚセンサ、光センサ、容量センサ、マイクロ波センサなど）は、誘電材料の存在によって影響される。渦電流センサなどの磁気センサは、測定対象の材料の、誘電体厚もしくは組成の変化または測定経路における誘電材料の存在によって実質的に影響されない。渦電流センサは、必要な変位測定の許容誤差を有する。測定対象の材料に対して同様に影響を受けない任意の離隔または変位センサを使用してもよい。
【００４１】
別の方法は、界面表面間の距離を測定するために、設計によって外部反射界面間の試料空間と相互作用しないＴＨｚパルスまたは付加的な離隔もしくは変位センサのいずれかを使用することである。この方法の例は、センサの位置に対する構造界面の離隔を測定するデュアルポートＴＨｚセンサ、または、試料と相互作用しない方法で基準構造界面までの距離を測定する別の種類のセンサ（例えば、レーザセンサ、超音波センサ、静電容量センサ）を使用することであろう。この測定は、測定対象の材料の近傍にある表面、または界面構造の何らかの他の表面に対するものであり得る。外部界面は、センサと測定対象の材料との間にあっても、なくてもよい。
【００４２】
別の態様において、テラヘルツ受信器８１６は、光学的界面８４２、８４４の離隔を測定するために使用され得る。光学的界面８４２、８４４のＴＨｚ測定は、試料が存在しないわけではない位置（すなわち、試料の「左」および「右」。「オフシート」と呼ばれる）で行われ得る。また、ＴＨｚビームは、１つ以上の光学的界面８４２、８４４までの距離を測定するよう、測定対象の試料８３０と相互作用しない経路を通って導かれてもよい。
【００４３】
図９を参照すると、図９のシステム９１０は、図８のシステム８１０のそれと同様であるが、位置センサ９４６がシステム９１０のハウジング９１２内に配置され、ただ１つの位置センサが使用されている。以前と同様に、センサ９４６は、第１の光学的界面９４２と第２の光学的界面９４８との間の距離を測定するための渦電流センサであってもよい。
【００４４】
図１０を参照すると、システム１０１０の別の実施形態が示されている。この実施形態では、ハウジング１０１２は、位置センサ１０４８と第１の光学的界面１０４２との両方を収容している。
【００４５】
図１１を参照すると、この実施形態は、図１０に示されている実施形態と同様であるが、この実施形態では、第２の光学的界面はガントリ１１５０に取り付けられ、ガントリがハウジング１１１２を移動させるときに、第２の光学的界面１１４６が第１の光学的界面１１４４の正反対の位置にあるようにされている。図１２を参照すると、実施形態１２１０は、図８に示されているのと同様の実施形態を開示しているが、この実施形態では、温度センサ１２５６、１２５８が利用されている。
温度
【００４６】
図１３を参照すると、システム１３１０は、ビーム指向装置１３６２を有する第２のポート１３６０を含み、これは、テラヘルツ放射を、テラヘルツ送信器からビームスプリッタ装置１３３２を経由し、第２のポート１３６０を通って第１の光学的界面１３４２に向かわせる。この実施形態によれば、様々な位置に第１の光学的界面１３４２を配置させることが可能になる。この実施形態では、第１の光学的界面１３４２を完全に反射性とする（鏡など）ことが可能になる。レンズ１３６１が、放射の焦点を第１の光学的界面１３４２に合わせるためにポート１３６０の傍に配置されてもよい。
【００４７】
当業者であれば、上記の説明が、本発明の原理の実現の例証として意図されたものであることを容易に理解するであろう。この説明は、本発明の範囲または用途を限定するためのものではなく、本発明は、以下の特許請求の範囲で規定されている本発明の精神から逸脱しない限り、修正、変形、および変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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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３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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