(57)【要約】サンプルを調査する装置であって、放射のビームの供給源と、画像化されるサンプルにより反射された又は透過された放射のビームを検出する検出器と、供給源と検出器の間でビームを操作する光学サブシステムと、サンプルをわたりビームを走査するために、供給源と検出器に関する第１の移動軸に沿って光学サブシステムを移動する手段と、を有し、供給源と検出器はサブシステムの反対側にあり、供給源からのビームと反射又は透過されたビームは、各々が、第１の移動の方向に平行な方向にサブシステムに入り且つ出る。装置は、光学サブシステムの移動中に、放射の２つのビームの相対位相を維持するのにも適する。
2004520583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを調査する装置であって、
放射のビームの供給源と、
サンプルにより反射された又は通して透過された放射のビームを検出する検出器と、
供給源と検出器の間でビームを操作する光学サブシステムと、
サンプルをわたりビームを走査するために、サンプルに関する第１の移動軸に沿って光学サブシステムを移動する手段と、を有し、
供給源からのビームは、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムの１つの側でサブシステムに入り、反射又は透過されたビームは、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムの反対の側でサブシステムから出る、サンプルを調査する装置。
【請求項２】
更に、供給源とサンプルの間に周波数変換装置を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
供給源からの放射のビームに平行にサブシステムに入る基準ビームが供給される、請求項１或は２に記載の装置。
【請求項４】
更に、供給源と検出器の間で供給源ビームを操作する、第２の光学サブシステムを有し、第１のサブシステムは第２のサブシステム内に含まれる、請求項１或は２に記載の装置。
【請求項５】
更に、第２の移動軸に沿ってサンプルをわたり供給源ビームを走査するために、固定の基準点に関して第２の光学サブシステムを移動する手段を有し、供給源ビームは、第２のサブシステムの移動の方向に平行な方向に第２のサブシステムへ入る、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
更に、供給源と検出器の間で供給源と基準ビームを操作する、第２の光学サブシステムを有し、第１の光学サブシステムは第２の光学サブシステムに含まれる、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
更に、第２の移動軸に沿ってサンプルをわたり供給源ビームを走査するために、固定の基準点に関して第２の移動軸に沿って第２のサブシステムを移動する手段を有し、供給源と基準ビームは各々が、第２の移動に平行な方向に第２のサブシステムへ入る、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
検出器は第２のサブシステム内にある、請求項４乃至７のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
検出器は、第２のサブシステムの外側にあり、基準ビーム及び反射された又は透過されたビームは、第２のサブシステムの移動の方向に平行に第２のサブシステムを出る、請求項４乃至７のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
第１と第２の移動の方向は、直交する、請求項４乃至９のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
サンプルを調査する装置であって、
放射のビームの供給源と、
基準ビームの供給源と、
供給源ビームを操作する光学サブシステムと、
サンプルをわたりビームを走査するために、サンプルに関する第１の移動軸に沿って光学サブシステムを移動する手段と、
反射された又は透過されたビームを検出する検出器と、を有し、
供給源と基準ビームの各々は、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムに入る、装置。
【請求項１２】
検出器はサブシステム内にある、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
検出器はサブシステムの外側にあり、基準ビームと反射された又は透過されたビームはサブシステムの移動軸に平行にサブシステムを出る、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
サンプルを調査する装置であって、
放射のビームの供給源と、
基準ビームの供給源と、
供給源と検出器の間でビームを操作する光学サブシステムと、
サンプルに関してサブシステムを移動する手段と、を有し、
基準ビームは、電磁放射ガイドを通してサブシステムに入り、一端が基準ビームの供給源に関して固定されており、ガイドの他端はサブシステムに関して固定されている、装置。
【請求項１５】
供給源はまたサブシステムの外側にあり、供給源ビームは電磁放射ガイドを通してサブシステムに入る、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
各電磁放射ガイドは、光ファイバである、請求項１４あるいは１５に記載の装置。
【請求項１７】
検出器は非線形光学結晶を有する、請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
検出器は、光導電体を含む、請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
サンプルは、テラヘルツ周波数放射で照射される、請求項１乃至１８のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
供給源放射は、０．１ｘ１０１２Ｈｚと５ｘ１０１４Ｈｚの間の周波数を有する、請求項１乃至１９のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
基準放射は、０．１ｘ１０１２Ｈｚと５ｘ１０１４Ｈｚの間の周波数を有する、請求項３又は請求項３に従属する請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
予め定められた遅延を前記供給源と基準ビームの１つに注入する手段を有する、請求項３又は請求項３に従属する請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
入射するビームはパルス化される、請求項１乃至２２のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
サンプルを調査する方法であって、
（ａ）放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ）サンプルから反射された放射を検出し、
（ｃ）サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｄ）ステップ（ｃ）の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｅ）ステップ（ｂ）の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｄ）の間の検出器により測定された信号を減算する、
方法。
【請求項２５】
ステップ（ｃ）と（ｄ）は、ステップ（ａ）と（ｂ）の前に行われる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
サンプル及び／又は放射のビームは、互いに関して移動され、サンプルの部分を走査するためにステップ（ａ）から（ｂ）が繰返され、ステップ（ｄ）で測定された信号はステップ（ｂ）で測定された信号の各々から減算される、請求項２４或は２５に記載の方法。
【請求項２７】
放射の照射するビームは、複数の周波数を含む、請求項２４乃至２６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
ステップ（ｅ）は周波数領域で行われる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
更に、
（ｆ）部材を通して、放射のビームで知られた反射特性を有する基準サンプルを照射するステップと、
（ｇ）基準サンプルから反射された放射を検出するステップと、
（ｈ）ステップ（ｇ）の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｄ）の間に検出器により測定された信号を減算するステップと、
（ｉ）ステップ（ｈ）で得られた結果により、ステップ(ｅ)で得られた結果を除算するステップとを有する、請求項２４乃至２８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
基準サンプルと部材からの信号はステップ（ｂ）で測定されるように、基準サンプルは、部材の上に配置される、請求項２４乃至３８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
更に、
（ｆ）基準サンプルとサンプルの両方が無いときに放射のビームで部材を照射するステップと、
（ｇ）部材から反射された放射を検出するステップと、
（ｈ）ステップ（ｇ）の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｄ）の間に検出器により測定された信号を減算するステップと、
（ｉ）ステップ（ｈ）で得られた結果により、ステップ(ｅ)で得られた結果を除算するステップとを有する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
サンプルを調査する装置であって、
サンプルを照射するために放射のビームを放射する放射器と、
サンプルから反射された放射を検出する検出器と、
放射に対して実質的に透明であり、サンプルと放射器と検出器の間に配置された部材と、
検出器により検出された予め定められた信号を、検出器により検出された更なる信号から減算する手段とを有する、装置。
【請求項３３】
サンプルを調査する方法であって、
（ａ）複数の周波数を含むパルス化された放射のビームでサンプルを照射するステップを有し、
（ｂ）サンプルにより反射された又はサンプルを通して透過されたビームを測定し且つ、測定されたビームを表す信号を得るステップを有し、
（ｃ）周波数領域のステップ（ｂ）の信号を、Ｆ（ｔ）の複素フーリエ変換により乗算するステップとを有し、Ｆ（ｔ）は範囲ｔ１とｔ２の間の積分がゼロである非ゼロ関数であり、ｔ１とｔ２はサンプルにより加えられた時間遅延に基づいて選択される、方法。
【請求項３４】
【数１】
2004520583.tif 000009
であり、αとβは定数である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
αはパルス化された放射のビームの最短のパルス長に実質的に等しく、βはそのパルス長よりも長く設定される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
【数２】
2004520583.tif 000010
であり、αはビームの最短のパルス長に実質的に等しい定数であり、Ｔはサンプル内の最も深い関心の点を放射のビームが貫通するのにかかる時間に実質的に等しい、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算する、
ことを含む請求項３３乃至３６のうちいずれか一項に記載の、サンプルを調査する方法。
【請求項３８】
ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号で、ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号を除算する、ことを有する、請求項３３乃至３６のうちいずれか一項に記載の、サンプルを調査する方法。
【請求項３９】
ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｖｉ））ステップ（ｂ（ｖ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｖｉｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｉｘ））ステップ（ｂ（ｖｉｉｉ））で得られた信号で、ステップ（ｂ（ｖｉｉ））で得られた信号を除算する、
ことを有する、請求項３３乃至３６のうちいずれか一項に記載の、サンプルを調査する方法。
【請求項４０】
ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｖｉ））ステップ（ｂ（ｖ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｖｉｉｉ））ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｉｘ））ステップ（ｂ（ｖｉｉｉ））で得られた信号で、ステップ（ｂ（ｖｉｉ））で得られた信号を除算する、
ことを有する、請求項３３乃至３６のうちいずれか一項に記載の、サンプルを調査する方法。
【請求項４１】
放射のビームでサンプルを調査する装置であって、サンプルに照射し及び／又はサンプルから反射された放射を検出する光学的に活性化された要素を有し、その光学的に活性化された要素は、少なくとも２つの中間面を有し、中間面の間の距離は、放射のビームがサンプルの面からサンプル内の最も深い関心の点に伝わるのにかかるよりも、中間面の間を伝わるのに長くかかるように、十分に大きい、装置。
【請求項４２】
光学的に活性化された要素は、放射器である、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
光学的に活性化された要素は、検出器である、請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
光学的に活性化された要素は、放射器と検出器の両方として働くように構成されたトランシーバである、請求項４１に記載の装置。
【請求項４５】
更に、検出器として構成される第２の光学的に活性化された要素を有し、第２の光学的に活性化された要素は、少なくとも２つの中間面を有し、中間面の間の距離は、放射のビームがサンプルの面からサンプル内の最も深い関心の点に伝わるのにかかるよりも、中間面の間を伝わるのに長くかかるように、十分に大きい、請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
光学的に活性化された要素は、放射器として構成され、異なる周波数を有する少なくとも１つの入力ビームによる照射に応答して望ましい周波数を有する放射のビームを放射する、請求項４１乃至４５のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
放射器は光導電材料を含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
放射器は光学的に非線形な材料を含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
光学的に活性化された要素は、検出器として構成され、放射のビームの周波数と異なる周波数を有する少なくとも１つのプローブビームを使用して望ましい周波数を有する放射のビームを検出する、請求項１乃至４８のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項５０】
検出器は、放射のビームでの照射に応答してプローブビームの偏光を回転させるように構成される、光学的に非線形な材料を含む、請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
検出器は、光導電材料を含み、放射のビームとプローブビームの両方での照射に応答して光電導材料内に電流を発生するように構成される、請求項４９に記載の装置。
【請求項５２】
実質的に添付の図面を参照して記載される、サンプルを調査する装置。
【請求項５３】
実質的に添付の図面を参照して記載される、サンプルを調査する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、サンプルを調査し且つ画像化する分野に関連する。特に、本発明は、サンプルに関して電磁放射のビームを走査する、そのような装置に関する。本発明は、主に、いわゆるテラヘルツの状況で使用され、これは、典型的には、約２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの周波数の範囲であると考えられる。
【０００２】
サンプルのスペクトルと画像を得るために、テラヘルツ放射を使用することは知られている。特にＥＰ−Ａ−０７２７６７１は、サンプルを調査するために、テラヘルツ放射のパルス化ビームの使用を開示する。このパルス化ビームは、複数の異なる周波数成分を含む。
【０００３】
材料は、一般的には、放射への周波数依存応答を有する。時間領域又は、周波数領域でのテラヘルツ放射の周波数成分を分析することにより、サンプルの画像を発生できる。
【０００４】
本発明は、サンプル上の幾つかの空間的に別個の点からスペクトルを得るために使用するのに適するが、主に、サンプルの画像の生成に関する。サンプルの画像は、ビームの焦点に関してサンプルを走査することにより発生される。大きなサンプルの場合には、サンプルを移動することは実際的ではないので、ビームの焦点が、代わりに走査されねばならない。
【０００５】
これは、離れた点に信号源の焦点を合わせ、そして、サンプルを移動する又は信号源及び検出器をサンプルをわたり移動することを開示する、ＥＰ−Ａ−０７２７６７１で述べられている。しかしながら、これがどのように達成されるかについては、指示が与えられていない。そのような画像化システムの動作の方法により、意味のある結果を得ることができながら、どのように放射がサンプル上を走査されるかが明らかでない。
【０００６】
本出願人によるＰＣＴ／ＧＢ００／００６３２は、テラヘルツ放射を使用してサンプルを画像化する方法及び装置を開示する。本発明は、これの上に構築されそして、画像化の増加された精度を提供する。
【０００７】
サンプルに関してビームを走査することの問題を考えるときには、サンプルが放射により照射を受けるときに何が起こるかを理解することが重要である。電磁放射は、波動現象でありそして、それゆえに、振幅と位相の両方により特徴化される。サンプルの材料に関する情報とその内部構成は、異なる周波数で、サンプルにより加えられた放射の振幅と位相の変化を測定することにより検出されることが可能である。位相は放射の伝搬経路長又は伝播時間に関連する。
【０００８】
サンプルがビームを通して走査されるときに、ビームとそれらに関連する光学系は移動せず、従って、サンプルにより発生した位相変化を簡単に測定することが可能である。しかしながら、一旦ビーム自身が走査されると、サンプルにより加えられた位相シフトをどのように正確に決定するかという、問題が起こる。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術に関連する幾つかの問題を緩和し又は軽減することである。特に、本発明の目的は、システムそれ自身で加えられた時間遅延の変化を考慮しながら、少なくとも１次元でサンプル上を放射のビームで走査することを可能とし、それにより、サンプルにより加えられた遅延が検出される、装置を提供することである。
【００１０】
本発明の第１の面に従って、サンプルを調査する装置であって、放射のビームの供給源と、サンプルにより反射された又は通して透過された放射のビームを検出する検出器と、供給源と検出器の間でビームを操作する光学サブシステムと、サンプルをわたりビームを走査するために、固定の基準点に関する第１の移動軸に沿って光学サブシステムを移動する手段と、を有し、供給源からのビームは、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムの１つの側でサブシステムに入り、反射又は透過されたビームは、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムの反対の側でサブシステムから出る、サンプルを調査する装置、が提供される。
【００１１】
サブシステムは、サンプルに関する移動軸に沿って移動されうる、放射のビーム又はパルスを操作する少なくとも１つの要素有する。一般的には、サブシステムは、望ましい移動軸に沿って同時にともに移動されうる複数の構成要素を有する。サブシステムは、放射をサンプルに向けるように構成された少なくとも１つの構成要素と、サンプルから反射された放射を検出器に向けるように構成された少なくとも１つの構成要素とを有することが好ましい。
【００１２】
ビームは、同じ方向に且つ移動の軸に平行にサブシステムに入り且つ出て、そして、サブシステムは、移動軸に沿って移動可能である。このように、供給源と検出器の間を伝わる経路長は、ビームの走査位置にかかわらず一定である。特に、サブシステムが、供給源から離れた場合には、供給源とサブシステムの間を伝わる余分な距離は、サブシステムと検出器の間を伝わる距離の短縮化により補償される。
【００１３】
上述の配置は、ビームの走査位置に関わらず、照射する放射の経路長を一定に保持する。このように、検出器が、供給源を出る放射の位相に関するある情報を供給される場合には、サンプルにより加えられた位相差を決定できる。
【００１４】
検出器は、幾つかの異なる方法で、供給源を出る放射の位相についての情報を与えられうる。例えば、供給源と検出器は共に、同期されたクロック信号が供給される。サンプルを通過せずにそして、照射する放射のビームの位相に関連する位相を有する、基準ビームが使用されるのが、好ましい。
【００１５】
本発明の上述の面に従った装置では、照射する放射の経路長は固定されるので、基準ビームの経路長は固定され、そして、２つのビームの間の知られた位相を維持できる。しかしながら、照射する放射の経路長を変更するがしかし、対応する量だけ基準ビームの経路長が変わる、システムを設計することが可能である。この配置は、さらに、検出器が、照射するビームと基準ビームの間の位相の変化を測定することを可能とする。
【００１６】
そして、第２の面では、本発明は、サンプルを調査する装置であって、放射のビームの供給源と、基準ビームの供給源と、供給源ビームを操作する光学サブシステムと、サンプルをわたりビームを走査するために、サンプルに関する第１の移動軸に沿って光学サブシステムを移動する手段と、反射された又は透過されたビームを検出する検出器と、を有し、供給源と基準ビームの各々は、第１の移動軸に平行な方向にサブシステムに入る、装置を提供する。
【００１７】
サブシステムが移動するときに、供給源と基準プルーブの間の相対位相はそれらがサブシステムに入るときに、同じままであり、それにより、２つのビームの間の位相関係はサンプルに衝突する供給源ビームによってのみ変更される。この面では、基準ビームは、検出器に関して固定では無く、供給源について固定である。これは、装置により加えられるそれが動くときになされる位相変化を自動的に考慮することを可能とし、そして、検出器での供給源及び基準ビームの比較は、サンプルにより加えられた遅延により起こされた位相変化を検出することを可能とする。これは、多くの周波数でなされ、各周波数での位相変化は、サンプルの周波数依存屈折率により、同じである必要は無い。
【００１８】
サンプルは、サブシステムはサンプルに関して操作する構成要素を移動しながら、サンプルが固定のままであるように、サブシステムに独立に配置されるのが、好ましい。
【００１９】
上述の説明は、１次元にのみ走査するシステムに集中している。しかしながら、２又はそれ以上の方向に走査するために、互いに内側にそのようなシステムを２つ入れることが可能である。
【００２０】
このように、好ましくは、第２の光学サブシステムは、供給源と検出器の間で供給源ビームを操作するために供給され、第１のサブシステムは第２のサブシステム内に含まれる。好ましくは、第２の移動軸に沿ってサンプルをわたり供給源ビームを走査するために、サンプルに関して第２の光学サブシステムを移動する手段があり、供給源ビームは、第２のサブシステムの移動の方向に平行な方向に第２のサブシステムに入る。
【００２１】
好ましくは、第１と第２の移動軸は平行ではなく、それにより、ビームの焦点は２次元に走査され、そしてサンプルの２次元画像が構成される。しかしながら、同じ方向に走査する２つのサブシステムがあるシステムも有益である。例えば、第１のサブシステムは、制限された移動範囲を有するがしかし精密な制御を有し、一方第２のサブシステムは、より大きな移動範囲を有するがしかしあまり精密に制御されることができない。
【００２２】
第２の光学サブシステムは、本発明の第２の面に従っており、第２の光学サブシステムは検出器を含む。基準ビームと供給源ビームは、サンプルに関して第２の移動軸に平行に第２のサブシステムに入る。
【００２３】
検出器は、本発明の第１の面の方法で、第２のサブシステムの外側にあってもよい。この場合には、基準ビームと反射された又は透過されたビームは、第２のサブシステムの移動の方向に平行に、第２のサブシステムを出る。基準ビームと反射された又は透過されたビームの両方は、サブシステムの位置に関わらず検出器への同じ距離を伝わる。従って、サンプルにより加えられた、反射された又は透過されたビームの位相シフトは、基準ビームに関して、ビームが検出器に達するまで維持される。
【００２４】
第２のサブシステム内の第１のサブシステムは、一般的には、検出器がサブシステムの外側にある、本発明の第１の面を参照して記載された形式である。
【００２５】
好ましくは、第１と第２の移動の方向は直交する。これは、第１と第２のサブシステムは、独立して移動でき、１つの移動軸に沿った移動は、他の移動軸に沿った移動を生じないといいう利点を与える。
【００２６】
しかしながら、第１と第２の移動軸は、本発明を動作させるために、直交する必要はない。サンプルを照射するビームは、どの角度でサンプルに入射してもよく、しかし、一般的にはビームは第１と第２の移動軸に対して主に直交する方向に沿ってサンプルに入射する。
【００２７】
上述のように第１と第２のサブシステムを、第３の移動軸に沿って移動する第３のサブシステムに、統合することが可能である。これは、第３のサブシステムの外側に供給源とを配置し、そして、供給源ビームが、第３の移動軸に平行に第３のサブシステムによりなされることが可能である。第３のサブシステムは、第２の移動軸に平行に第２のサブシステムに入るようにビームを操作する。この場合には、供給源と基準ビームは、各々が同じ方向に伝わり、第２と第３のサブシステムの移動による距離の変化は、各ビームについて同じである。装置は、各サブシステムがその移動軸に沿って移動されるときの、２つのビームの間に位相差を加えない。代わりに、供給源と基準供給源は、第３のサブシステム内に取りつけられ、そして、共に、第３の移動軸に沿って移動されることも可能である。
【００２８】
上述の記載は、一般的には、放射のビーム（例えば、放射の放射するビーム又は、基準ビーム）が、自由空間を通過しそして、自由空間により反射されそして集束される、システムを参照する。しかしながら、本発明の第１と第２の面の利益は、光ファイバのような、柔軟性のある導波管を使用することにより実現されうる。
【００２９】
このように、第３の面では、本発明は、サンプルを調査する装置であって、放射のビームの供給源と、基準ビームの供給源と、供給源と検出器の間でビームを操作する光学サブシステムと、サンプルに関してサブシステムを移動する手段と、を有し、基準ビームは、電磁放射ガイドを通してサブシステムに入り、ガイドの一端が供給源に関して固定されており、ガイドの他端はサブシステムに関して固定されている、装置を提供する。
【００３０】
この面は、ガイドの一端が放射供給源に関して固定されており、他端はサブシステムに関して固定されており、ガイド内で基準ビームが維持されているので、サブシステムが、基準ビームの経路長を維持しながら３次元で移動することを可能とする。これは、サブシステムに入る供給源と基準ビームの間の位相関関係が維持されることを保証する。好ましくは、供給源も、サブシステムの外側にあり、そして、供給源ビームは電磁放射ガイドを通してサブシステムに入る。好ましくは、電磁放射ガイドは、光ファイバである。ビームの絶対経路を維持するそして、ビームのコヒーレンスを維持するどのようなガイドも使用されうる。
【００３１】
本発明の上述の３つの面のいずれかに従った装置では、検出器は、ＴＨｚ放射の直接検出器であり又は、ＴＨｚ放射を簡単に読出しできる信号に変換する形式でもよい。
【００３２】
例えば、検出器は、プローブビーム及びＴＨｚビームの放射に際し、プローブビームの偏光が回転されるように構成される、非線形結晶を含みうる。プローブビームは、（例えば、近赤外のような）簡単に測定できる周波数を有する。この効果、いわゆる”ＡＣ  ポッケルス”効果を示す典型的な結晶は、ＧａＡｓ、ＧａＳｅ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＡＤＰ、ＫＨ２ＰＯ４、ＫＨ２ＡＳＯ４、石英、ＡｌＰＯ４、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、ＡｇＡｓＳ３、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅＡＳ２、ＡｇＧａＳｅ２，ＡｇＳｂＳ３、ＺｎＳ、ＤＡＳＴ（４−Ｎメチルスチルバゾリウム）のような有機結晶である。この形式の検出機構は、一般的には”電子−光学サンプリング“又はＥＯＳと呼ばれる。
【００３３】
代わりに、検出器は、いわゆる光導電検出器でもよい。ここで、検出器は、低温成長ＧａＡｓ、砒素注入ＧａＡｓ又は、サファイア上のラジエーションダメージドＳｉのような、光導電材料を含む。例えば、ボウタイ構成の又は、透明ライン構成の電極の対が、光導電材料の面上に設けられる。光導電材料は、反射された放射とプローブビームにも照射されるときに、２つの電極間に電流が発生される。この光電圧電流の大きさは、ＴＨｚ信号の大きさの指示である。
【００３４】
本発明は、主に、ＴＨｚの状況で使用される。テラヘルツ放射を直接発生できるが、最も効率の良いテラヘルツ発生は、一般的には、入力ビーム又はポンプビームをテラヘルツビームへ変換することにより達成される。それゆえに、周波数変換部材が、ポンプビームの供給源とサンプルの間に設けられるのが好ましい。この周波数変換装置は、供給源とサンプルの間のどこに配置されても良くそして、ポンプビームの周波数と異なる周波数の放射でサンプルを照射するのに使用できる。従って、単純な方法で、単に直接的に発生しない放射周波数でサンプルを照射することが可能である。
【００３５】
周波数変換部材についての多くの可能な選択がある。例えば、周波数変換部材は、ポンプビームによる照射に応答して、放射される放射のビームを放射するように構成されている、非線形部材を含む。好ましくは、ポンプビームは、少なくとも２つの周波数成分、（又は、異なる周波数を有する２つのポンプビームが使用される）、を含み、非線形部材は、ポンプビーム又はビームの少なくとも２つの周波数の差である周波数を有する放射されるビームを放射するように構成される。典型的には、非線形部材は、ＧａＡｓ又はＳｉベースの半導体である。更に好ましくは、結晶性構造が使用される。以下は、可能な材料の更なる例である。
【００３６】
ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＡＤＰ、ＫＨ２ＰＯ４、ＫＨ２ＡＳＯ４、石英、ＡｌＰＯ４、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、ＡｇＡｓＳ３、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅＡＳ２、ＡｇＧａＳｅ２，ＡｇＳｂＳ３、ＺｎＳ、ＧａＳｅ、ＤＡＳＴ（４−Ｎメチルスチルバゾリウム）のような有機結晶。
【００３７】
ＴＨｚの状況の周波数を有する放射されるビームを発生するために、好ましくは、ポンプビーム又はビームの少なくとも２つの周波数が、近赤外の状況にある。典型的には、０．１ｘ１０１２Ｈｚと５ｘ１０１４Ｈｚの間の周波数が使用される。
【００３８】
代わりに、周波数変換部材は、光導電放射器であり、そのような放射器は、低温成長又は砒素注入ＧａＡｓ又は、サファイア上のラジエーションダメージドＳｉのような、光導電材料を含む。
【００３９】
例えば、ダイポール配置、ダブルダイポール配置、ボウタイ配置又は、透明ライン配置のような形状でよい電極が、光導電材料の面上に設けられる。少なくとも２つの電極が設けられる。電極間のバイアスの印加と、少なくとも２つの異なる周波数成分を有するポンプビームの照射に際し、ポンプビーム又はビームの少なくとも２つの異なる周波数成分の周波数と異なる周波数を有する、放射のビームが放射される。
【００４０】
好ましくは、入射ビームは複数の周波数を含むパルス化ビームである。複数の周波数を含むパルスがサンプルにそして検出器上に送られる場合には、種々の周波数は、サンプルの周波数依存応答により同時に検出器に全てが到達しない。従って、走査遅延線がプローブビーム又はポンプビームのいずれかの経路に挿入される。（走査遅延線の）遅延時間に対して信号をプロットすることにより、検出された波形を測定できる。
【００４１】
上述の装置では、装置の少なくとも一部、光学サブシステムは、サンプルに関して移動する。これを達成するために、装置は、好ましくは、更に、サンプルを取り付けるのに使用される取付手段を含む。ある状況では、その上に置かれるサンプルについてのＴＨｚ照射内に、対象の照射に実質的に透明な部材を設けることが有利である。このように、放射はサンプルを照射するために、この部材を通過しなければならない。この部材は潜在的に内部反射を発生する。従って、試しそして少なくとも部分的に部材による反射を除去する必要があり。
【００４２】
第４の面では、本発明は、サンプルを調査する方法であって、
（ａ）放射のビームに実質的に透明な部材を通して、照射する放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ）サンプルから反射された放射を検出し、
（ｃ）サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｄ）ステップ（ｃ）の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｅ）ステップ（ｂ）の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｄ）の間の検出器により測定された信号を減算する、
方法を提供する。
【００４３】
ステップ（ａ）と（ｂ）は、走査する動作の間に連続して繰返されそして、ステップ（ｄ）で測定された同じ信号が、現在の走査位置に関わらず使用されうる。
【００４４】
ステップ（ｃ）と（ｅ）は、一般的には、”ベースライン”信号と呼ばれ、そして、上述の方法は、一般的にはベースライン減算と呼ばれる。ベースライン信号は、サンプルの走査の前又は後で測定されることが可能である。例えば、システムが複数のサンプルを測定するのに使用される場合には、ベースライン信号は、１回のみ測定されることを必要とする。一般的には、上述のシステムは、放射のビームが複数の周波数を含む、パルス化画像化中に使用される。
【００４５】
サンプルからウインドウによる信号を減算する方法は、時間又は周波数領域で実行されることが可能である。
【００４６】
第５の面では、本発明は、装置を提供し、装置は、サンプルを照射するために放射のビームを放射する放射器と、サンプルから反射された放射を検出する検出器と、放射に対して実質的に透明であり、サンプルと放射器と検出器の間に配置された部材と、検出器により検出された予め定められた信号を、検出器により検出された更なる信号から減算する手段とを有する。
【００４７】
また基準信号を測定し、そして、この基準信号によりステップ（ｂ）で測定された信号を除算することも望ましい。例えば、この基準信号は、例えば、シルバミラーのような、知られた基準でサンプルを置き換えることにより得られうる。
【００４８】
ベースライン信号は、サンプル信号と基準信号の両方から減算されうる。代わりに、ベースラインと基準信号は、役割を変え、そして、基準信号がサンプル信号とベースライン信号の両方から減算されることが可能であり、基準が減算されたサンプル信号は、基準が減算されたベースライン信号により除算される。信号は、時間又は周波数領域で互いから減算されうる。信号の除算は周波数領域で実行されるべきである。
【００４９】
得られたＴＨｚ信号は、ベースライン減算又は基準信号による除算を受けたか否かに関わらず、フィルタされるのが好ましい。
【００５０】
第６の面では、本発明は、サンプルを調査する方法であって、
（ａ）複数の周波数を含むパルス化された放射のビームでサンプルを照射するステップを有し、
（ｂ）サンプルにより反射された又はサンプルを通して透過されたビームを測定し且つ、測定されたビームを表す信号を得るステップを有し、
（ｃ）周波数領域のステップ（ｂ）の信号を、関数Ｆ（ｔ）の複素フーリエ変換により乗算するステップとを有し、Ｆ（ｔ）は時間範囲ｔ１とｔ２の間の積分がゼロである非ゼロ関数であり、ｔ１とｔ２はサンプルにより加えられた時間遅延に基づいて選択される、方法を提供する。
【００５１】
明らかにするために、サンプルは、ビームの経路に時間遅延を加える。透過の場合を考えると、サンプルが自由空間と同じ特性を有する場合には、放射は遅延無しにサンプルを通過する。しかしながら、サンプル（ほとんどそうである）がビームに時間遅延を加える場合には、ｔ１は、この遅延時間の期待された値に等しいか又はそれより大きい大きさを有する負の値に設定される。ｔ２は、一般的にはｔ１の正の値に設定される。
【００５２】
同様に、反射中は、ｔ１は、サンプル内の関心の最も深い点から反射されたパルスにより加えられたこの遅延時間の期待された値に等しいか又はそれより大きい大きさを有する負の値に設定される。ｔ２は、一般的にはｔ１の正の値に設定される。
【００５３】
一般的には、本発明の上述の面の方法は、放射は基準ビームを使用して測定されそして、サンプルにより加えられた位相変化を測定するために、走査遅延線が基準ビーム又は照射するビームの経路に導入された、上述の装置を使用して実行される。この状況ではｔ１とｔ２は、走査遅延線の負と正の範囲である。これらは、パルスの継続時間又はおそらくより短い時間範囲に設定されうる。
【００５４】
好ましくは、関数Ｆ（ｔ）はガウス成分を含む。一般的には、ｔ１とｔ２は、約０に対称であり、好ましくは、Ｆ（ｔ）も約０に対称である。
【００５５】
信号は、通常はディジタル的に厳密にサンプルされるので、積分に対して、加算が実行される。
【００５６】
Ｆ（ｔ）の特に好ましい形式は、
【００５７】
【数３】
2004520583.tif 000003
により与えられ、αとβは定数である。
【００５８】
好ましくは、αはパルス化された放射のビームの最短のパルス長に実質的に等しく、βはそのパルス長よりも非常に長く設定され、典型的には、５から１００倍のパルス長である。しかしながら、これらの値の両方は、一般的にはオペレータにより最適化される。
【００５９】
βが、関心の点へサンプルを貫通するために放射が要する時間より大きいか又はそれに匹敵する場合には、Ｆ（ｔ）は、単純な形式、
【００６０】
【数４】
2004520583.tif 000004
をとり、ここで、αはビームの最短のパルス長に実質的に等しい定数であり、Ｔはサンプル内の最も深い関心の点を放射のビームが貫通するのにかかる時間に実質的に等しい。
【００６１】
好ましくは、ベースライン減算されたデータは、フィルタされる。そして、好ましくは、ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算することを含む。
【００６２】
データはまた、フィルタリング前に、基準信号で除算されるのが好ましい。そして、ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号で、ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号を除算する、
ことを有する。
【００６３】
更に好ましくは、信号は、ベースライン減算され、そして、フィルタリング前に基準信号により除算される。そして、ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｖｉ））ステップ（ｂ（ｖ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｖｉｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｉｘ））ステップ（ｂ（ｖｉｉｉ））で得られた信号で、ステップ（ｂ（ｖｉｉ））で得られた信号を除算する、ことを有する。
【００６４】
上述のように、基準信号とベースライン信号は、交換でき、そして、ステップ（ｂ）は、
（ｂ（ｉ））放射のビームに実質的に透明な部材を通して、放射のビームでサンプルを照射し、
（ｂ（ｉｉ））サンプルを通して透過された又はサンプルから反射された放射を検出し、
（ｂ（ｉｉｉ））知られた反射及び／又は透過特性を有する基準サンプルのあるときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｉｖ））ステップ（ｂ（ｉｉｉ））の間に基準サンプルから反射された又は基準サンプルを透過された放射を検出し、
（ｂ（ｖ））サンプルの無いときに前記部材を照射し、
（ｂ（ｖｉ））ステップ（ｂ（ｖ））の間に部材から反射された放射を検出し、
（ｂ（ｖｉｉ））ステップ（ｂ（ｉｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｖｉｉｉ））ステップ（ｂ（ｖｉ））の間に検出器により測定された信号から、ステップ（ｂ（ｉｖ））の間に検出器により測定された信号を減算し、
（ｂ（ｉｘ））ステップ（ｂ（ｖｉｉｉ））で得られた信号で、ステップ（ｂ（ｖｉｉ））で得られた信号を除算する、ことを有する。
【００６５】
画像内の望ましくない派生物も、放射器と検出器の内部反射による派生物が、サンプル内の関心の遅延時間よりも長い遅延時間で発生するように、放射器と検出器の厚みの適切な選択により、除去される。
【００６６】
第７の面では、本発明は、放射のビームでサンプルを調査する装置であって、サンプルに照射し及び／又はサンプルから反射された放射を検出する光学的に活性化された要素を有し、その光学的に活性化された要素は、少なくとも２つの中間面を有し、中間面の間の距離は、放射のビームがサンプルの面からサンプル内の最も深い関心の点に伝わるのにかかるよりも、中間面の間を伝わるのに長くかかるように、十分に大きい、装置を提供する。
【００６７】
光学的に活性化された要素は、放射器、検出器又は、トランシーバである。
【００６８】
この装置は、２つの光学的に活性化された要素を有し、第１の光学的に活性化された要素は放射器として構成されそして、第２は検出器として構成され、第２の光学的に活性化された要素は、少なくとも２つの中間面を有し、中間面の間の距離は、放射のビームがサンプルの面からサンプル内の最も深い関心の点に伝わるのにかかるよりも、中間面の間を伝わるのに長くかかるように、十分に大きい。
【００６９】
光学的に活性化された要素は、異なる周波数を有する少なくとも１つの入力ビームによる照射に応答して望ましい周波数を有する放射のビームを放射する、放射器として構成されてもよい。そのような放射器は、光学的に非線形な材料又は光導電材料を含む。
【００７０】
光学的に活性化された要素は、放射のビームの周波数と異なる周波数を有する少なくとも１つのプローブビームを使用して望ましい周波数を有する放射のビームを検出する、検出器として構成されてもよい。そのような検出器は、放射のビームでの照射に応答してプローブビームの偏光を変えるように構成される、光学的に非線形な材料、又は、放射のビームとプローブビームの両方での照射に応答して光電導材料内に電流を発生するように構成される、光導電材料を含んでもよい。
【００７１】
本発明を、以下の非限定的な実施例を参照して説明する。
【００７２】
図１は、本発明に従った装置の概略を示す。装置は、供給源１、検出器２、集束光学系１０，１１及びサンプル７についての実質的に透明な取付手段９を含むサブシステム３を含む。
【００７３】
この実施例では、供給源１と検出器２は、サブシステム３の反対側に設けられている。供給源１は、光学サブシステム３内の光学系１０、１１によりサンプル７に向けられる照射する放射のビーム４を供給する。照射する放射は、サブシステム３に反射５されて戻り、そして、反射された放射のビーム５は、検出器２に向けられる。
【００７４】
サブシステム３は、移動軸６に沿って移動され、供給源ビーム４と反射された放射ビーム５は、それらはそれぞれサブシステム３に入りそして出るので、この移動軸６に平行である。
【００７５】
サブシステム３は、供給源ビーム４を反射し且つサブシステム３の外側の焦点８へ集束させる第１の放物面ミラー１０を有する。理想的には、焦点８は、サンプル７の関心の点にあるように、構成される。サブシステムは、第２の放物面ミラー１１を有し、これは、反射された放射５のビームを、移動軸６に平行にサブシステム３から出るようにそして検出器２に入るように、向ける。
【００７６】
放物面ミラーは、放射をサンプル７へそしてそこから向ける光学系として使用されるが、要求される方法で、供給源及び反射されたビーム４、５を集束させ及び／又は反射する、他の光学系を使用することも可能である。
【００７７】
サンプル７は、供給源１と検出器２の両方に関して固定する、取付手段９の上に配置される。この特定の例の取付手段は、照射する放射４と反射された放射５のビームを透過することができる、固定されたウインドウである。サンプルは、光学サブシステム３に対して、ウインドウ９の反対の側に設けられている。
【００７８】
サブシステム３が移動軸６に沿って動くにつれて、ビーム４、５の焦点８が、サンプル７をわたって走査される。
【００７９】
上述の装置は、移動軸６に沿ったサブシステム３の位置に関わらず、ビーム４，５が伝わる経路長が一定のままであることを保証する。このように、ビーム４，５の位相は、サンプルがない場合のｘ移動軸６に沿ったサブシステム３の移動により影響されない。
【００８０】
サンプル７から、実際的な情報を得るために、サンプル７により発生された供給源ビーム４の位相の変化を測定する必要がある。従って、検出器２は、供給源１を離れる放射の位相についての幾つかの情報を知る必要がある。破線は、そのような情報が必要であることを示す。これを行う方法は、供給源ビーム４の位相に関連する位相を有し且つ検出器により受信される基準ビーム(図示していない)を使用することである。実際には、ＴＨｚ放射の多くの検出器は、検出器により受信される放射を検出するために、基準ビームを必要とする。そのような検出器を、以下に詳細に説明する。
【００８１】
図１の装置では、供給源と検出器の間の経路長は同じに維持され、これにより、既知の経路長を有する基準ビームは検出器２に供給されうる。基準ビームの使用は、図３を参照して非常に詳細に説明する。
【００８２】
図２は、本発明の第２の実施例の概要を示す。しかしながら、この場合には、１つは供給源ビーム１０４のためのそして、他１１４は、検出器１０２のための基準又はプローブビーム１０４のための、２つの放射の供給源１０１と１１４が設けられている。検出器１０２は、光学サブシステム１０３内に設けられそして、光学サブシステムとともに移動する。この装置は、検出器１０２の移動が供給源ビームと基準ビームの経路長に同じ変化を起こすように構成され、これにより、２つのビームの間の位相関係を保存する。
【００８３】
第１の供給源１０１は、供給源ビーム１０４を放射しそして検出器１０２は、サンプル１０７から反射された後に、反射された放射のビーム１０５を検出する。サブシステム１０３は、移動軸１０６に沿って移動可能である。供給源ビーム１０４は、サブシステム１０３に入るときに、移動軸１０６に平行である。検出器１０２は、サブシステム１０３内に配置されている。基準供給源１２１は、供給源ビーム１０４とサブシステム１０３の移動軸の両方に平行にサブシステム１０３に入り、そして、検出器１０２により検出される、基準ビーム１１４を供給する。
【００８４】
サブシステム１０３は、供給源ビーム１０４を反射しそしてサブシステム１０３の外側の焦点１０８に集束させる、放物面ミラー１１０を含む。サブシステム１０３は、更なる放物面ミラー１１１を有し、これは、サンプル１０７からの反射された放射を集めそして、それを、検出器１０２に向ける。他の光学要素は、放物面ミラーの代わりに使用されうる。
【００８５】
サンプル１０７は、取付手段１０９上に配置され、これは、供給源１０１と基準供給源１２１の両方に関して固定される。サブシステム１０３が移動方向１０６に沿って移動するにつれて、供給源ビーム１０４の焦点１０８は、サンプル１０７をわたり走査される。
【００８６】
図２の装置は、移動軸１０６に沿ってサブシステム１０３の移動に関わらずサブシステムに入るので、供給源ビーム１０４と基準ビーム１１４の間の位相は一定のままであることは保証される。これは、移動軸１０６に沿ったサブシステム１０３の移動によるサブシステム１０３の入口に対する供給源からの供給源ビーム１０４の経路長の変化が、サブシステム１０３の入口に対する基準供給源１２１からの基準ビーム１１４の経路長の変化と同じであるためである。
【００８７】
上述の実施例では、供給源１、１０１は、例えばレーザのような、コヒーレントな放射の供給源であり、そして、特にモードロックされたＴｉ：サファイアレーザが近赤外放射を発生するのに使用されうる。本発明の装置は、主に、ＴＨｚ放射で使用されることが意図されている。ＴＨｚ放射の専用の供給源が存在するが、一般的にはＴＨｚ放射は、ＴＨｚ放射の周波数と異なる周波数を有する入力ビームによる照射に応答してＴＨｚ放射を発生するように構成された非線形結晶又は、バイアスの印加とＴＨｚ放射の周波数と異なる周波数を有する入力ビームによる照射でＴＨｚ放射を放射するように構成された光導電材料のような周波数変換部材を使用して発生される。
【００８８】
供給源ビームは直接使用され又は、そのような周波数変換部材をを通過されうる。周波数変換部材に入射する供給源ビームの一部は、ポンプビームと呼ばれ、周波数変換部材から放射される供給源ビームの一部はＴＨｚビームと呼ばれる。この変換は主にＴＨｚの状況で使用されることが意図されているが、他の周波数も使用できる。
【００８９】
周波数変換部材は、近赤外パルスからの位相特性を維持しながら、スペクトルが短パルス長のために広い、約１ＴＨｚが中心の単一サイクルテラヘルツパルスを発生するために部材を励起するパルス化された赤外放射を含むポンプビームを使用することにより駆動される。周波数変換部材は、光学サブシステムの内側又は光学サブシステム１、１０３の外側の何れかの、供給源ビームの経路内に配置される。
【００９０】
供給源ビーム４，１０４を集束するのに使用される放物面ミラー１０，１１０は、ビーム４，１０４の全体の断面をわたる放射が実質的に同時に焦点８、１０８に到達することを保証しながら、典型的には１ｍｍより小さい、小焦点８，１０８である。単純な軸外し放物面ミラーが、近赤外又はテラヘルツ放射に使用される。テラヘルツパスルの操作に特別な光学装置は必要とされず、即ち、赤外放射に適する光学装置が使用されうる。
【００９１】
検出器２、１０２は、供給源１、１０１と基準供給源１２１により供給される放射の周波数を検出するのに適するどのような検出器でもよい。例えば、供給源１、１０１が１ＴＨｚ付近が中心の周波数の範囲を有するテラヘルツ周波数ビームであり、基準供給源１２１が供給されそして、例えば１ｘ１０１４Ｈｚの周波数の、近赤外ビームである場合には、検出器は非線形結晶又は、光導電素子でもよい。これらは、以下に図３から５に関する実施例で更に詳細に説明する。
【００９２】
図２の実施例では、基準供給源１２１は、コヒーレントな放射の供給源であるが、しかし、供給源１０１と同じ周波数である必要はない。同相となるようにするために、共通の供給源が供給源ビーム１０４と基準ビームについて使用することが可能である。
【００９３】
半透明ミラー又はプリズムのような、ビームスプリッタ（更なる実施例で説明する）は、供給源ビーム１０４と基準ビーム１１４を発生するために、ビームを分割するために使用される。
【００９４】
取付手段は、焦点８，１０８で使用される放射に実質的に透明などのような材料からも作られる。テラヘルツ周波数装置の場合には、取付手段は、結晶石英ウインドウである。取付手段９，１０９は、それを通して光学サブシステム３，１０３からサンプル７，１０７へ放射が達するように、穴を有する。
【００９５】
サブシステム３、１０３の移動は、従来の手段(図示していない)によりなされうる。例えば、ステッパーモーター及び／又はラックアンドピニオンシステム(図示していない)が使用されうる。これは、移動を正確にしそして、サブシステム３，１０３の位置を制御システム(図示していない)が知ることを可能とする。このように、焦点８，１０８の位置を、高い度合いの正確さで決定できる。典型的には、０．０１ｍｍの位置の精度は、テラヘルツ放射がサンプル７，１０７を照射するのに使用されるときには、サブシステム３，１０３に十分である。
【００９６】
本発明の第３の実施例を、図３を参照して説明する。図３の装置は、サンプルが２つの直交する方向に走査されることを可能とする。この例の目的のために、２つの方向はｘ方向とｙ方向である。この装置は、（図２を参照して説明したのと同様な）ｙ光学サブシステム内に配置された（図１を参照して説明したのと同様な）ｘ光学サブシステムを使用する。
【００９７】
供給源２２１は、近赤外スペクトル範囲（約１ｘ１０１４Ｈｚ）のサブ２００ｆｓパルスを発生する、モードロックレーザを有する。特に、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザ（１００ＭＨｚ、１００ｆｓ及び１００ｍＷ）が使用される。例えば、モードロックＴｉ：サファイアレーザのような、他の供給源が使用されてもよい。近赤外放射のこれらのパルスは、ビームスプリッタ２４０を使用して、ポンプパルス２２４と基準パルス又はプローブパルス２１４に分割される。
【００９８】
ポンプパルス２２４は、走査光学遅延線２４０を通して伝わり、これは、ポンプパルスに変動する遅延を与える。走査遅延線は、ポンプビームをそれ自身と平面ミラー２４３に戻す逆反射ミラー２４２を有する。ミラー２４３は、走査遅延線２４０からのビームをそれ自身にたいして直角に、そして、移動軸に平行にｙ光学サブシステム２１３に反射する。逆反射ミラー２４２をポンプビームの方向に平行に前後に移動することにより、光経路長は変動する。
【００９９】
照射する放射２２４は、そして、ｙサブシステム２１３の移動方向２１６に平行にｙサブシステム２１３に入る。ｙサブシステム２１３に入ると、ポンプビーム２２４は、ポンプビーム２２４の経路が、サブシステム２１３に入った方向と平行になるように、ミラー２３６ａにより９０°、そして、ミラー２３６ｂによりさらに９０°反射される。ミラー２３６ａと２３６ｂは、ポンプビーム２２４を、近赤外ポンプビーム２２４をＴＨｚ放射２０４のビームに変換する、周波数変換部材２０１に向けるように働く。
【０１００】
周波数変換部材２０１は、非線形結晶を含む。非線形結晶が２つの異なる周波数ω１とω２により照射される場合には、これらの周波数の差又は和である周波数を有する放射が出力される。好ましくは、ポンプビームと結晶は、結晶が、結晶に当る２つの周波数の差である周波数を有する放射を出力するように選択される。
【０１０１】
周波数変換部材２０１が赤外放射ω１とω２により照射されるにつれて、電子はＴＨｚ周波数、ＴＨｚ放射ωＴＨｚ＝ω１−ω２、を有する放射を放射するために振動する。
【０１０２】
しばしば、そのような周波数変換部材２０１は、周波数変換部材２０１を通過するにつれて、伝送されたＴＨｚ信号と入射する放射を同相に保つための位相一致化手段を有する。（例えば、ＧＢ２３４３９６４参照）。そのような位相一致化は、周波数変換部材２０１を通過するにつれて、（全ての点で）２つの信号を同相に保つように構成されたその屈折率の変化を有する周波数変換部材２０１を設けることにより達成できる。
【０１０３】
周波数変換部材２０１は、低温成長ＧａＡｓ又は、サファイア上のラジエーションダメージドＳｉのような、光導電材料を含む、いわゆる光導電放射器でもよい。光導電材料の面上に、電極の対が形成される。ポンプビームと２つの電極間のバイアスの印加で、光導電材料の周波数の差である周波数（又は複数の周波数）を有するＴＨｚ放射が、放射される。（光導電放射器の更なる詳細は、ＵＳ５７２９０１７を参照）。
【０１０４】
周波数変換部材２０１により発生された、テラヘルツビームパルス２０４は、１つ又はそれ以上の放物面ミラー２３０を使用して平行にされ、これはテラヘルツ周波数放射を使用するのに適する。放物面ミラー２３０は、ｘ移動軸２０６に平行に放射を向けそして、その断面をわたって、ＴＨｚ放射の位相を、維持するように働く。入射するＴＨｚパルス２０４は、ｘ移動軸２０６に平行にされそして平行に、ｘサブシステム２０３に入る。
【０１０５】
ｘサブシステム２０３は、第１の実施例で記載したのと同様な方法で動作し、そして、ｘサブシステム２０３の入口と出口の間の放射２０４、２０５のパルスを操作する要素の組を有する。ｘサブシステムは、ｘ移動軸に沿って移動する。
【０１０６】
ｘサブシステム２０３は、第１の放物面ミラー２１０を有し、これは、ＴＨｚビーム２０４をｘとｙサブシステム２０３、２１３の外側の焦点２０８に集束する。
【０１０７】
サンプル(図示していない)は、周波数変換装置２０１と検出器２０２の両方に関してｘ移動軸２０６に沿って固定されており、そして、ビームがサンプルのｘとｙ軸に沿って走査されるように、供給源２２１に関してｙ移動軸２１６に固定されている、取付手段(図示していない)上に配置される。
【０１０８】
パルス２０４は、主にｘとｙ移動軸２０６、２１６に直交する方向に、サンプル(図示していない)に入射する。しかしながら、パルス２０４をどの角度でもサンプル２０７に入射するように配置することは可能である。サンプルにより反射された放射は、ｙ放物面ミラー２１１により集められ、そして、サブシステム２０３のｘ移動軸２０６に平行に平行光にされる。反射されたＴＨｚ放射２０５は、入射パルス２０４と同じ方向に且つｘサブシステム２０３の反対側で、ｘサブシステム２０３を出る。
【０１０９】
ｘサブシステム２０３を出る反射されたＴＨｚ放射２０５は、ｙサブシステムに戻り、ここで、放物面ミラー２３１により集められそして、検出器２０２に向けられる。プローブビーム２１４も、検出器２０２に入射する。
【０１１０】
ビームスプリッタ２２０からのプローブビーム２１４は、固定遅延線２４１を通してそしてｙサブシステム２１３向けられる。プローブビーム２１４とＴＨｚビーム２０５は、互いに同相で検出器２０２に達する必要がある。走査遅延線２４０は、サンプルにより発生された位相変化を測定するために、ポンプビームの位相を走査するために、ポンプビーム２２４の経路に配置される。固定遅延２４１も、プローブと反射されたＴＨｚビームが検出器２０２に同位相をもたらすことを保証するために、基準ビーム２１４に含まれる。ｙ移動軸２１６に沿ってｙサブシステム２１３の移動をするために、パルス２１４、２２４は、ｙ移動軸２１６に平行に且つ、好ましくは平行光にされて、ｙサブシステム２１３に入る。
【０１１１】
プローブ２１４とポンプ２２４ビームの間の経路長の差は、ｙ移動軸２１６に沿ったｙサブシステム２１３の位置に関わらず、同じままであり、それにより、プローブとパルスビームの間の位相関係は維持される。
【０１１２】
一旦、プローブビーム２１４が、ｙサブシステムに入ると、第１の平面ミラー２３５ａにより９０°反射され、そして、第２の平面ミラー２３５ｂにより更に９０°反射され、それにより、プローブビーム２１４はまだ、ｙ移動軸に平行に伝わる。ミラー２３５ｂは、プローブビームが、検出のためにサンプルから反射された放射と結合されるように、プローブビームを放物面ミラー２３１の穴を通して向けるように働く。
【０１１３】
テラヘルツパルス２０４がｘサブシステム２０３へｘ移動軸２０６に平行にされて且つ平行に入るように放物面ミラー２３０が配置され、そして、放物面ミラー２１１はそれがｘサブシステム２０３を離れるときにｘ移動軸に平行にされ且つ平行なパルスを発生するので、これは、ｘサブシステム２０３が、テラヘルツ放射２０４及び、反射／透過された放射２０５が伝わる合計の経路長を変えることなしに、ｘ移動軸２０６に沿って移動することを可能とする。これにより、ｘ移動軸２０６に沿ったｘサブシステム２０３の移動のために、検出器２０２で加えられるパルスの位相変化はない。
【０１１４】
ｙサブシステム２１３は、ｙ移動軸２１６に沿って移動でき、それと共にｘサブシステム２０３を運ぶ。ｘサブシステム２０３は、ｙサブシステム２１３内にある、それにより、ｘサブシステム２０３はｘ移動軸２０６に沿って移動でき、一方、ｙサブシステム２１３はｙ移動軸２１３に沿って移動できる。
【０１１５】
検出器は光導電体形式であり、例えば、ＧａＡｓ、サファイア上のラジエーションダメージドＳｉ等のような、光導電検出器部材を有する。
【０１１６】
ＴＨｚ放射は、光導電体２０２の第１の面に入射する。電極の対(図示していない)は第１の面上の光導電体２０２上に配置されている。
【０１１７】
プローブビーム２１４は、電極間の検出器の面を照射する。レンズにより集められる反射されたテラヘルツ放射２０５は、プローブビーム２１４により照射されている電極間の領域を通して光電流を引き起こす。電極により検出される電流は、ＴＨｚフィールドの強さに比例する。ＴＨｚ放射が、プローブビームと同相で検出器２０２０に到着するときに、電流は発生される。
【０１１８】
サンプル(図示していない)にテラヘルツ放射パルスが伝わると、パルスの遅延を引き起こす。この遅延は、パルスが反射される又はそうでなければ放物面ミラー２１１に戻って向けられる前に、どのくらいサンプル１０７内に遠くへに伝わるかに依存する。それはまた、パルス内の各周波数でのサンプルの屈折率に依存する。パルス２０５は、従って、サンプルを通して伝わることにより、異なる時間要素に分解され、これらの異なる要素は異なる時間に検出器に到着する。これらの要素は、基準パルスと比較される。
【０１１９】
しかしながら、基準パルスの全ての周波数は、同時に到着する。これに打ち勝つために、ポンプパルス又はプローブパルスのいずれか（この場合にはポンプパルス）に時間遅延を加えるために、走査時間遅延が使用され、それにより、異なる時間遅延のポンプパルスの部分と比較されことが可能である。従って、異なる周波数でサンプルにより加えられる遅延を検出することが可能であり、そして、遅延の大きさは、その周波数で、サンプル内にどのくらい遠くにパルスが伝わったかの指示を与える。
【０１２０】
また、所定のサンプルについてのテラヘルツ放射の異なる周波数に対する異なる反射と吸収特性のために、種々の深さでサンプル内に含まれる材料の指示を得ることができる。放射の反射は異なる光学特性を有する２つの材料の間の境界で発生するので、例えば表面層の、深さ又は厚みの指示が、決定される。
【０１２１】
更に、ｙサブシステム２１３がｙ移動軸２１６に沿って移動されるときには、ポンプ２２４及びプローブ２１４パルスの各々の経路長の変化は、同じである。プローブビーム２１４は、サンプルを照射するためのポンプパルスと同じ光学経路に沿って伝わらないが、サンプル経路長への変化は、配置によりプローブ経路長の変化と同じに保たれ、それにより、２つの位相の比較が可能となり、２つのパルスの間に加えられた位相の変化のみが、サンプル２０７による。
【０１２２】
ｙ移動軸２１６は、ｘ移動軸２０６に直交し、それにより、直交座標システムの２次元の独立の移動が可能である。用語’ｘ’軸と’ｙ’軸が使用されるが、サブシステムを、直交か非直交かどうかに関わらず、どのような２つの軸に沿って移動するように構成することが可能である。
【０１２３】
上述の記載は、サンプルを画像化するために、サンプルからの放射を反射することを説明した。そのような配置では、サンプル(図示していない)は放物面ミラー２１０、２１１から軸外しに配置される。しかしながら、サンプルが放物面ミラー２１０，２１１の間に配置される場合には、透過測定も可能である。他の集束要素は、放物面ミラーに加えて又は代わりに使用されうる。
【０１２４】
図４は、第３の実施例に似ている第４の実施例の概略を示す。しかしながら、この実施例では、反射された放射とプローブパルスは、検出器２０２の反対側に入射する。
【０１２５】
不要な繰り返しを避けるために、同様な参照番号は同様な特徴を示すのに使用される。プローブパルス２１４は、ｙ移動軸に平行にｙサブシステムに入り、そして、ｙ移動軸に平行にプローブビーム２１４を向けるミラー２３５ａと２３５ｂを使用して反射される。プローブビームは、そして、プローブビームを９０°及びミラー２３７ｂへ回転する、平面ミラー２３７ａに当る。ミラー２３７ｂは、ビームがその元の経路に平行に戻りかつ検出器２０２の前面上へ、更に９０°ビームを反射する。
【０１２６】
ポンプビームと反射されたテラヘルツビーム２０５の経路は、図３を参照して前に説明したのと同一である。
【０１２７】
サンプルから反射されたＴＨｚ放射２０５は、検出器の背面に入射し、そして、半球又は他の形状を有しうる、レンズ２４２により集められる。レンズは、検出器２０２の背面に設けられる。
【０１２８】
検出器２０２の反対側には、電極の対(図示していない)が配置される。プローブビーム２１４は、反射されたＴＨｚビーム２０５を受信する検出器の側に対する、検出器のこの側入射する。
【０１２９】
代わりに、それらは、三角形でもよくそして、いわゆるボータイアンテナを形成するためにボータイの形状に配置されてもよい。それらは、ボータイ又はらせんアンテナの中心で、互いにかみ合わされた電極でもよい。Ｆａｔｔｉｎｇｅｒ他による、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５４  ４９０１（１９８９）に開示されているような電極の伝送線路配置も使用されうる。
【０１３０】
図５は、本発明の第５の実施例の概略を示す。この実施例は、主として、図３の実施例と同じ方法で機能する。しかしながら、図５では、検出器２０２は、電子−光学サンプリング（ＥＯＳ）混合結晶として動作するように構成された非線形結晶により置き換えられる。不要な繰り返しを避けるために、同様な参照番号は、同様な特徴を示すために使用される。
【０１３１】
この実施例では、プローブパルス２１４とサンプル(図示していない)から反射されたテラヘルツパルスは、両方が、図３を参照して説明したのと同じ方法で、同じ側で検出器２０２に入射する。ＥＯＳ混合結晶２０２は、最終検出手段ではないが、しかし、代わりに、ＥＯＳ混合結晶２０２は、プローブパルス２１４の偏光を変えることにより、プローブパルス２１４上に、ＴＨｚパルス２０５からの情報を、それがＥＯＳ混合結晶２０２を通過する時に、符号化する。これを起こすために、プローブパルス２１４は、反射されたＴＨｚ放射２０５と同相で検出器検出器２０２に到着しなければならない。
【０１３２】
ＥＯＳ混合結晶２０２は、ＡＣポッケルス効果として知られる物理現象を使用する。サンプル(図示していない)から送られたＴＨｚ放射２０５は、反射されたＴＨｚパルス２０５と共にプローブビーム２１４を、結晶２０２を通して通過することにより検出される。反射されたＴＨｚパルス２０５は、ＡＣポッケルス効果により検出結晶の複屈折を変調する。
【０１３３】
結晶２０２に入れる前に、ＴＨｚパルス２０５とプローブパルス２１４は偏光される。ＴＨｚパルス２０５がない場合には、プローブパルス２１４は影響されずにＥＯＳ混合結晶２０２を通る。プローブパルス２１４が混合結晶を出ると、偏光検出システム２３２に送られる。
【０１３４】
偏光検出システムの詳細は、知られているので、示さないが、例えば、ＧＢ２３４３９６４を参照する。
【０１３５】
相対位相情報は、ＥＯＳ混合結晶２０２を出る１つのビーム内に含まれているので、基準２１４と反射されたテラヘルツパルス２０５は同じ偏光されたパルス２３４内に符号化されているので、検出器２０２から偏光検出器２３２への特定の距離を有することは重要ではない。このように、偏光検知検出機構を、図６に示されたようにｘとｙサブシステムの外側に配置できる。
【０１３６】
図６は、本発明の第６の実施例の概略を示す。この実施例は、偏光検出器２３２がｙサブシステム２１３の内側でなく、ｙサブシステム２１３の外側に配置されていることを除いては、主として、図５に示された実施例と同じである。ここで、偏光検出システムは、供給源２２１に対して、ｙサブシステム２１３の反対側に設けられている。偏光検出器２３２は、供給源２２１に対して固定されている。
【０１３７】
偏光されたパルス２３４は、ｙサブシステム２１３を出るときにｙ移動軸２１６に平行になるように、ミラー２３８により操作される。これは、偏光されたパルス２３４の経路長は、ｙサブシステム２１３がｙ移動軸２１６に沿って移動するにつれて、変化しないことを意味する。
【０１３８】
図３から６に示された装置は、２次元にビームを操作できるシステムの例を与えるが、これらの技術は、上述の同じ原理を使用して３次元に拡張できることは、容易に明らかである。
【０１３９】
図７と８は、本発明の第７の実施例の概略を示す。この実施例は、サブシステム５３を含み、その中に放射器５１と検出器５２が配置されている。
【０１４０】
放射器５１は、放射５４を、放射を調査中のサンプル５７に反射する、第１の放物面ミラー６０に向ける。サンプル５７から反射又は通して透過された放射５５は、第２の放物面ミラー６１により、検出器５２に反射される。第１と第２の放物面ミラー６０、６１は、両方ともに（サブシステム５３内で移動するように）サブシステム５３内にありそして、放射器５１と５２に対して固定されている。
【０１４１】
放射器５１は、異なる周波数を有するポンプビームによる照射に応答して、この例ではＴＨｚ放射の、望ましい周波数を有する放射を放射する、周波数変換部材を有する。この例では、ポンプビームは、光ファイバケーブル６２を使用して、放射器に供給される。
【０１４２】
検出器は、プローブビームを使用して動作する。プローブビームはポンプビームの位相と知られた位相関係を有する。基準ビームは光ファイバケーブル６３を使用して検出器に供給される。
【０１４３】
サブシステム５３は、いずれの軸に沿って走査するために移動するので、放射器５１と検出器５２は、サブシステム５３と共に移動する。放射器５１から検出器５２に伝わる放射の経路長は、変化しない。プローブパルス又はポンプパルスの経路長のいずれも、これらはサブシステム５３と共に移動できる柔軟性のある光ファイバケーブル６２，６３を介して供給されるので、変化しない。
【０１４４】
図８は、更に詳細な図７の実施例を示す。ここで、第３及び後続の実施例と同じ供給源７１、即ち、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザが使用される。第３及び後続の実施例で記載したように、供給源７１は、ビームスプリッタ７２によりポンプビーム６５とプローブビーム６４に分離されるパルスを発生する。
【０１４５】
放射器は、ポンプパルスを必要としない、ＴＨｚ放射の直接放射器でもよい。しかしながら、この例では、基準パルスは、さらに、検出器へ放射器により放射された放射の位相についての情報を運ぶために必要である。
【０１４６】
走査遅延線７３は、プローブパルス６４内で変化する遅延を発生するために設けられる。走査遅延線７３は、マイクロプロセッサが検出された放射を分析するために、ある時点で遅延線の位置を知るように、マイクロプロセッサ８０に接続される。
【０１４７】
ポンプパルス光ファイバ６２は、ビームスプリッタ７２と周波数変換装置５１の間に伸びる。プローブパルスファイバ６３は、遅延線７３（ビームスプリッタ７２から）と検出器５２の間に伸びる。各光ファイバ６２，６３は、一端がビームスプリッタ７２に対して、そして、他端でサブシステム５３に対して固定されている。
【０１４８】
放射器５１は、放射ビームの照射と電極をわたるバイアスの印加の応答して、望ましい周波数の放射を放射する、光導電放射器である。バイアス電圧は、アンテナバイアス制御電圧システム８１により与えられる。制御システム８１は、電気ケーブル８３を介してＴＨｚ放射器に接続されている。
【０１４９】
ＴＨｚ検出器５２は、プローブビームの存在下で、ＴＨｚ放射による照射に応答して、電流を発生する。測定された電流は、ケーブル８５を介して、信号検出及びディジタル化装置８７へ送られる。この信号は、マイクロプロセッサ８０へ送られる。
【０１５０】
供給源６５と基準６４ビームの両方の経路長は一定に保たれるので、サブシステム５３は、サンプル５７に関して度どような方向にも移動できる。これは、光ファイバ６２、６３が固定長であり各端が固定されているので、発生する。供給源６５と基準６４ビームの間の相対的な位相は、それゆえに、システム内で維持され、それにより、加えられる経路差はサンプル５７により発生される。これは、サブシステム５３に入り且つ出る放射を平行にする必要がなく、そして、サブシステム５３内の構成に特定であることができるので、放物面ミラー６０，６１よりも更に複雑な光学系が、サブシステム５３内で使用できるという、利点を与える。サブシステム５３は、レーザ供給源７１に対して移動できそして、サブシステム５３は余分なサブシステムなしに３次元で走査されうる。
【０１５１】
検出器により受信されたデータは、サンプルパルスがそのサンプルに伝わる深さを見つけるために分析されうる。これから、部分的なサンプル断面を、移動軸に沿って、サンプルパルス焦点を走査することにより、構成できる。光学線の遅延時間は、走査位置に対してプロットされる。
【０１５２】
上述の実施例は、広範囲の画像化応用に使用されうる。テラヘルツ放射は、動物又は人間の組織に、有害な効果を示さないので、除去後に及び元の位置での両方で、種々の人体又は他の部分の広範囲な画像化技術で使用することができる。例えば、人間又は他の動物からの、歯のエナメルの厚みについての結果を得ることが可能である。角質層と表皮を含む皮膚の及び他の組織の層を画像化することも可能である。
【０１５３】
サンプルが、少なくとも部分的にテラヘルツ放射に透明である多くの他の画像化技術が可能でありそして、サンプルが、テラヘルツ放射に対して実質的に不透明である面マッピングが可能である。
【０１５４】
図９は、画像化されるサンプル１００１がウインドウ１００３に隣接して且つ接触して設けられている。ウインドウ１００３は、画像化放射は、ウインドウ１００３を通してのみサンプルに達し、そしてサンプル１００１から反射された放射も１００３を通過するように位置している。ＴＨｚ放射器１００５を使用して発生された放射とサンプル１００１から反射された放射を使用して画像化されたサンプルは、ＴＨｚ検出器１００７を使用して検出される。
【０１５５】
放射器１００５から放射された放射は、放物面ミラー組立対１００９を使用してサンプルに向けられる。放物面ミラー組立対１００９は、サンプル１００１から反射された放射をＴＨｚ検出器１００７へ向ける。
【０１５６】
ＴＨｚビーム１０１１ａと１０１１ｂは、ＴＨｚ放射器１００５から放射される。これらのビーム１０１１ａと１０１１ｂの両方は、サンプル１００１へウインドウ１００３を通して向けられ、そして、放物面ミラー組立体１００９上にそしてＴＨｚ検出器１００７へ反射して戻される。しかしながら、ミラー組立対１００９を出る幾つかのビームは、ウインドウ１００３を通過しない。代わりに、幾つかはウインドウ１００３の下側１０１３で、反射される。ウインドウ１００３の下側１０１３で反射されたビーム１０１５は、ＴＨｚ検出器１００７により検出される。これらのビームは、サンプル１００１から反射されたのではないので、これらのビームはサンプルに関して情報を含まず、そして、除去されるべきである。
【０１５７】
外側の反射の問題は、ウインドウが一般的に望ましいような多くのシステムで出くわす。例えば、ウインドウは、システムから大気中のガス／蒸気が除外されるような画像化システムを含む、密閉されたケースに設けられる。ウインドウは、”ソフト”サンプル（例えば、生きている組織）の面を定義するのに又は、外部の汚染からＴＨｚシステムを保護するためにも使用されうる。
【０１５８】
図１０は、最後の画像から、ウインドウによる反射を除去するために、使用される幾つかのステップ、いわゆるベースライン減算を示す。
【０１５９】
図１０ａでは、ＴＨｚウインドウ１００３からの画像は、サンプル１００１なしに測定される。最初に、ベースライン減算を、図１０ａと１０ｃの配置を使用して説明する。そして、図１０ｂに示されたように、基準ビームの使用も、説明される。
【０１６０】
この特定の例では、図１０ａに示されたようにウインドウ１００３からのＴＨｚ反射の時間領域の波形が測定される。（サンプル１００１とウインドウ１００３の両方から反射された）合計の反射されたＴＨｚ放射が図１０ｃに示されるように測定される。
【０１６１】
図１０ａで測定された、このベースライン信号は、時間領域で（ｔは時間を表す）、Ｂ（ｔ）により示される。複素フーリエ変換が、そして、ベースラインススペクトルＢ’（ｖ）を得るために、信号Ｂ（ｔ）に適用され、ここで、（ｖ）は周波数を表す。図１０（ｃ）で測定された関心のサンプルで測定された時間領域波形は、Ｓ（ｔ）で示される。この信号の複素フーリエ変換が、そして、サンプルスペクトルＳ’（ｖ）を得るために取られる。
【０１６２】
周波数領域のベースライン減算波形が以下の式：
Ｓ’（ｖ）−Ｂ’（ｖ）
を使用して得られる。
【０１６３】
これは、ベースライン減算された波形を得るために又は時間領域で複素フーリエ変換される。
【０１６４】
代わりに、ベースライン減算は、時間領域で実行されてもよい。
【０１６５】
図１１は、ベースライン減算がある場合（実線で示されている）とベースライン減算がない場合（破線で示されている）の任意の単位の測定されたＴＨｚ電界対任意の単位の遅延時間のプロットを示す。サンプル画像は、ここでは、人間の指先である。それは、２０ＧＨｚ−２．５ＴＨｚの範囲の周波数を有するＴＨｚ放射を使用して画像化された。
【０１６６】
一般的には画像は更に、基準信号と選択的にフィルタ機能を使用して、さらに画定される。図１０ｂは基準反射器１０１４の使用を示す。基準反射器１０１４は、放射器と検出器に対してウインドウ１００３の反対の側に、サンプル１００１と同じ位置に、設けられている。基準反射器１０１４は、スペクトル比較のために使用される。典型的には、基準ビームは、ミラー又は、知られた且つ一定の反射特性を有する他のサンプルを使用して得られる。
【０１６７】
基準サンプルを使用して測定された時間領域波形は、一般的には、Ｒ（ｔ）により表される。基準スペクトルＲ’（ｖ）を得るために、複素フーリエ変換が、時間領域波形に適用される。
【０１６８】
周波数領域のベースライン波形は、サンプル波形と基準波形の両方から減算される。ベースライン減算されたサンプル波形は、以下の式：
【０１６９】
【数５】
2004520583.tif 000005
に従って、周波数でベースライン減算された基準波形により除算される。
【０１７０】
上述の結果は、最終的な時間領域波形を得るために、複素フーリエ変換される。
【０１７１】
ウインドからの貢献が変わるべきではないので、ビームがサンプルをわたり走査されるので、同じ基準及びベースライン波形が使用されることが可能である。
【０１７２】
また、サブシステム内に存在する他の光学的な面からのすべての反射を減算するのに必要なところで、上述の手順は、使用されうる。
【０１７３】
基準及びベースライン測定は、基準波形がウインドウから測定され、そして、ベースラインが適所にある基準反射器で測定されるように、逆にされることも可能である。
【０１７４】
一般的には、フィルタ関数も使用されＦ（ｔ）そして、複素フーリエ変換はＦ’（ｖ）により表される。
【０１７５】
ＴＨｚパルスシステムは、典型的には１００ＧＨｚ以下から３ＴＨｚを超える、ある有限な範囲をわたる周波数を含むパルスを発生し且つ検出するので、典型的に好ましいフィルタ関数が使用される。ＴＨｚ信号が、それ以上で、検出システムの雑音レベル以下に落ちる、高周波数の限度がある。
【０１７６】
同様に、ＴＨｚ信号レベルは、低周波数で雑音レベル以下に落ちる。従って、高及び低周波雑音を除去する必要がある。これを達成するのに、特に好ましい関数は、
【０１７７】
【数６】
2004520583.tif 000006
である。
【０１７８】
パラメータαとβは、関数の高及び低周波ロールオフを制御するために選択される。αは、ＴＨｚシステム内で得られる、約最短のＴＨｚパルス長（半サイクル）に設定される。βは、ＴＨｚパルスよりも非常に長く設定される。動作では、２つのパラメータは、帯域幅と雑音の間の最良の妥協を得るために、オペレータにより手動で最適化される。
【０１７９】
上述の関数は同様な領域を有ししかし反対の符号を有する２つのガウス関数を含むので、上述の関数は、全ての時間に対するフィルタ関数の積分はゼロであることを保証する。
【０１８０】
βの値が、全体の時間遅延走査範囲に匹敵するか又はそれより大きい場合には、代わりの関数：
【０１８１】
【数７】
2004520583.tif 000007
が使用でき、ここで、Ｔは、使用される遅延時間の合計の範囲を表し、即ち、Ｔ＝Ｔｍａ
ｘ−Ｔｍｉｎである。これは、ＴｍｉｎからＴｍａｘへの全体的な積分は、常にゼロであることを保証する。
【０１８２】
図１２ａは、皮膚からの反射を示し、ＴＨｚ電界が、任意の単位の時間遅延に対してプロットされている。図１２ａに示されたデータは、ベースライン減算されそして、フィルタされている。基準ビームも使用されている。
【０１８３】
図１２ｂは、ベースライン減算がはないがフィルタと基準は使用された、図１２ａと同じデータである。
【０１８４】
また、放射器及び／又は検出器の厚みの注意深い選択により、望ましくない反射による派生物を除去又は少なくとも区別することも可能である。図１３では、サンプル１００１は、第１の中間面１０１７、第１の内部中間面１０１９及び、第２の内部中間面１０２１を有する。これらの３つの中間面の位置を見つけることが要求される。しかしながら、中間面１０２１より深いサンプルを調べる必要はない。ＴＨｚ波形は、放射器１００５内で発生される。この単純化された例では、放射器は、第１の中間面１０２３と第２の中間面１０２５をビームの経路内に有する単一の結晶を含む。第１と第２の中間面１０２３と１０２５は、両方ともにＴＨｚ放射を反射することができる。この理想的な場合には、ＴＨｚ放射は、放射器１００５内で発生され、経路１０２７を進み、そして、（サンプル１００１の他の中間面の中で）最も遠い中間面１０２１で反射される。反射されたＴＨｚ信号は、検出のために、ＴＨｚ検出器１００７に向けられる。ＴＨｚ検出器１００７は、いわゆる光導電検出器であり、プローブビーム１０２９と組合せてＴＨｚ放射１０２７が、放射器１００７内で電流を発生する。代わりに、ＴＨｚビーム１０２７がプローブビーム１０２９の偏光を回転するように働く、いわゆるＥＯＳ検出器でもよい。偏光プローブビーム１０２９の回転の変化を測定することにより、ＴＨｚ放射を測定することが可能である。
【０１８５】
上述は、サンプルの中間面１０１７、１０１９及び１０２１から反射のみが発生するむしろ単純化しすぎた例である。しかしながら、典型的には、反射は放射器１００５と検出器１００７内でも発生する。図１３では、放射器１００５の第２の中間面１０２５に当るいくらかのＴＨｚ放射は、サンプル１００１へ向かって中間面を透過する。しかしながら、幾つかのこの放射は、中間面１０２５から第１の空間面１０２３に向かって反射して戻され、そして、サンプルへ中間面１０２５を通して中間面１０２３から２回反射される。
【０１８６】
第２の反射を除去することが望ましい。この例では、ＴＨｚビームの経路に従って、ＴＨｚ放射が第１の中間面１０２３から第２の中間面１０２５へ反射されるのにかかる時間は、ＴＨｚ放射が中間面１０１７を通してサンプル１００１へ入りそして中間面１０２１から反射されるのにかかる時間よりも長い。
【０１８７】
このように、発生結晶は、十分に厚くそれにより、結晶の背面で反射されるＴＨｚパルスは、関心のサンプル構造のそれよりも大きい光学遅延線で測定される。図１３では、ＴＨｚビーム放射は、中間面１０２１に達するために、サンプル１００１を通して距離Ｄを伝わる。サンプルに入ると、ビーム１００７は、最初に、距離Ｄ１について屈折率Ｎ１を有する第１の領域を通して伝わり、そして、距離ｄ２について屈折率Ｎ２を有する第２の領域を通して伝わる。ＴＨｚビームが、放射器の第１の中間面１０２３から第２の中間面１０２５へ伝わる距離は、ｔである。放射器の屈折率は、ｎｅである。中間面１０２１からの反射の明確な観測のために、以下の式が使用されねばならない：
【０１８８】
【数８】
2004520583.tif 000008
同様に、ｎｄの屈折率を有する検出器を通したパルス幅ｔｄは、同じ方法で計算される。放射器及び／又は検出器は、複数の中間面を有しうる。これらの複数の中間面の各々からの反射による信号を明確に識別することができるために、ＴＨｚ放射が、関心の中間面１０２１へサンプルを通して伝わるのにかかるよりも、２つの隣接する中間面の間を伝わるのに長くかかるように、これらの複数の中間面の各々が位置を決められるのが好ましい。
【０１８９】
図１５は、約１ｍｍの深さに対して測定された人間の歯の画像を示す。発生及び検出結晶は、少なくともこの厚みであることを必要とする（この場合には、検出結晶は、歯のエナメルの屈折率のそれと同様な、２．６の屈折率を有するＺｎＴｅＥＯＳ結晶である）。ＧａＡｓ放射器は、歯のエナメルの屈折率よりもわずかに大きい、３．６の屈折率を有する。従って、僅かに薄い結晶が使用されうる。
【０１９０】
示された画像を得るために、０．５ｍｍ放射器結晶と１ｍｍ検出器結晶が、使用された。示された画像では、遅延時間は、歯の面に沿った線に沿った走査位置に対して示されている。遅延時間について測定された信号の振幅は、グレースケールで示されており、ここで、白は強い正のＴＨｚフィールドを示す。サンプルの上面からの信号は、低遅延時間について示されている。放射器内の反射によるゴースト画像は、約７の遅延時間で示されている。また、サンプル１００１内の複数の内部反射によりおそらく発生する更なるゴースト画像も、示されている。
【０１９１】
図１５は、厚み１ｍｍを有する放射結晶で測定された、図１４と同じサンプルを示す。内部の合計の反射による信号は、消えている（一方、サンプルの真の構造の特徴は残る）。
【０１９２】
図１６ａと１６ｂは、人間の歯の可視画像を示す。門歯は２つに分割され、図１６ａは歯の外側を示し、一方図１６ｂは歯の内側の画像を示し、背面（上方の矩形）と前面（下方の矩形）は、図１６ｂで識別されている。
【０１９３】
図１７ａと１７ｂは、図１６ｂで識別された、門歯の背面側と前面側のＴＨｚ画像を示す。
【０１９４】
図１８は、図１６ｂの歯の前面側のＴＨｚ画像を示す。１ｍｍの厚さの放射器結晶による反射の派生物は、図の上側に見られる。空気／エナメルと象牙質／空気の中間面も見ることができる。
【０１９５】
上述の実施例は、パルス化された放射を使用したが、一部に又は全体的にパルスを置き変えるために、放射の連続するビームも使用でき、パルスは複数の周波数を有する短い継続時間のビームであることは、当業者には容易く理解されよう。
【０１９６】
本発明を、純粋に例により上述し、そして、修正が、本発明の範囲内でなされうる。本発明は、また、ここに記載された又は暗示された個々の特徴又は、図面で示された又は暗示された又は、そのような特徴の組合せ又は、そのような特徴又は組合せの一般化を含む。
【０１９７】
情況が明確に要求しなければ、説明と請求の範囲を通して、単語”含む”、”含む”、及び、同等なものは、排他的又は網羅的と反対の、含む、即ち、”限定はされないが、含む”の意味に、解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】本発明の第１の実施例を構成する画像装置の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例を構成する画像装置の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施例に従った装置を示す概略図である。
【図４】本発明の第４の実施例に従った装置を示す概略図である。
【図５】本発明の第５の実施例に従った装置を示す概略図である。
【図６】本発明の第６の実施例に従った装置を示す概略図である。
【図７】本発明の更なる実施例に従った装置を示す概略図である。
【図８】図７の装置をその制御システムを示す図である。
【図９】ウインドウを通してサンプルを画像化するのに使用される原理的な光学系を示す図である。
【図１０】図１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ウインドウから反射されたＴＨｚ放射、基準反射器とウインドウ及び、サンプルとウインドをそれぞれ示す図である。
【図１１】本発明の実施例に従って測定されたサンプルからのデータを示し、ＴＨｚ電界（ｙ−軸）が、信号の遅延時間（ｘ−軸）に対してプロットされ、生のデータが破線で示され、実線はベースライン減算後の同じデータを示す図である。
【図１２】図１２ａは、皮膚のＴＨｚ走査についての任意の単位の電界（ｙ軸）対任意の単位の遅延時間（ｘ軸）を示し、データはフィルタされそしてベースライン減算が行われ、図１２ｂはベースライン減算なしの同じデータ示す図である。
【図１３】ＴＨｚ反射画像化の間に放射器内で発生しうる複数の内部反射の概略を示す図である。
【図１４】発生及び検出結晶内での反射によるゴースト画像が見られる歯の画像を示す図である。
【図１５】より厚い放射器を使用して測定された図１４の歯を示す図である。
【図１６ａ】人間の門歯の外側の画像を示す図である。
【図１６ｂ】人間の門歯の内側の画像を示し、前面と背面が確認される図である。
【図１７ａ】図１６ｂで確認された前面と背面のＴＨｚ画像を示す図である。
【図１７ｂ】図１６ｂで確認された前面と背面のＴＨｚ画像を示す図である。
【図１８】エナメル空気とエナメル象牙質中間面を示す歯のＴＨｚ画像を示す図である。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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