(57)【要約】【課題】屈折率や透過係数など電磁波に対する試料の光学特性を従来よりも高精度に評価する。【解決手段】光学特性評価装置１において、センサ部３０は、複数の第１の貫通スリット３１Ａが所定の間隔ごとに形成された第１の金属層３１と、第１の金属層３１と間隔をあけて平行に設けられ、複数の第２の貫通スリット３２Ａが所定の間隔ごとに形成された第２の金属層３２と、第１および第２の金属層間に挿入され、試料を保持可能な保持体３３とを含む。電磁波源１０は、複数の第１の貫通スリット３１Ａの間隔および複数の第２の貫通スリット３２Ａの間隔よりも長い波長を有する電磁波を、第１の金属層３１と交差する方向からセンサ部３０に照射する。検出器２０は、センサ部３０を透過した電磁波、またはセンサ部３０から反射された電磁波を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を用いて試料の光学特性を評価する光学特性評価装置であって、
センサ部を備え、前記センサ部は、
複数の第１の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層と間隔をあけて平行に設けられ、複数の第２の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第２の金属層と、
前記第１および第２の金属層間に挿入され、前記試料を保持可能な保持体とを含み、
前記光学特性評価装置は、さらに、
前記複数の第１の貫通スリットの間隔および前記複数の第２の貫通スリットの間隔よりも長い波長を有する電磁波を、前記第１の金属層と交差する方向から前記センサ部に照射する電磁波源と、
前記センサ部を透過した電磁波、または前記センサ部から反射された電磁波を検出する検出器とを備える、光学特性評価装置。
【請求項２】
前記光学特性評価装置は、前記第１の金属層に垂直な方向から見たときに前記複数の第２の貫通スリットに対する前記複数の第１の貫通スリットの相対位置が変化するように、前記第１および第２の金属層の少なくとも一方を移動させる移動機構をさらに備える、請求項１に記載の光学特性評価装置。
【請求項３】
前記第１の金属層には、前記複数の第１の貫通スリットと交差する方向に複数の第３の貫通スリットがさらに形成され、
前記第２の金属層には、前記複数の第２の貫通スリットと交差する方向に複数の第４の貫通スリットがさらに形成される、請求項１または２に記載の光学特性評価装置。
【請求項４】
前記複数の第１の貫通スリットの延在方向と前記複数の第２の貫通スリットの延在方向とは同一であり、
前記複数の第１の貫通スリットの間隔と前記複数の第２の貫通スリットの間隔とは等しい、請求項１または２に記載の光学特性評価装置。
【請求項５】
電磁波を用いて試料の光学特性を評価する光学特性評価方法であって、
センサ部を準備するステップを備え、前記センサ部は、
複数の第１の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層と間隔をあけて平行に設けられ、複数の第２の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第２の金属層と、
前記第１および第２の金属層間に挿入され、前記試料を保持可能な保持体とを含み、
前記光学特性評価方法は、さらに、
前記複数の第１の貫通スリットの間隔および前記複数の第２の貫通スリットの間隔よりも長い波長を有する電磁波を、前記第１の金属層と交差する方向から前記センサ部に照射するステップと、
前記センサ部を透過した電磁波、または前記センサ部から反射された電磁波を検出するステップと、
前記検出された電磁波のデータに基づいて前記試料の光学特性を評価するステップとを備えた光学特性評価方法。
【請求項６】
前記センサ部に照射される電磁波は連続した波長域を有し、
前記照射するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で前記センサ部に電磁波を照射するステップを含み、
前記検出するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で前記センサ部の透過波または反射波を時間サンプリングすることによって波形データを取得するステップを含み、
前記評価するステップは、前記取得された波形データをフーリエ変換することによって、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々に対して前記センサ部の透過スペクトルまたは反射スペクトルを算出するステップを含む、請求項５に記載の光学特性評価方法。
【請求項７】
前記センサ部に照射される電磁波は、変更可能な単一の中心周波数を有し、
前記照射するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で、前記中心周波数の設定値を変更しながら前記センサ部に電磁波を照射するステップを含み、
前記検出するステップは、前記中心周波数の設定値に対応付けて前記センサ部の透過波または反射波の強度を検出することによって、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々に対して前記センサ部の透過スペクトルまたは反射スペクトルを取得するステップを含む、請求項５に記載の光学特性評価方法。
【請求項８】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた透過スペクトルのピーク周波数と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた透過スペクトルのピーク周波数との相違に基づいて、前記試料の屈折率を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項９】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた透過スペクトルのピーク強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた透過スペクトルにおいて前記ピーク強度を与えた周波数と同一の周波数における強度との相違に基づいて、前記試料の屈折率を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項１０】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた透過スペクトルのピーク強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた透過スペクトルのピーク強度との相違に基づいて、前記試料の吸収係数を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項１１】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた反射スペクトルのボトム強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた反射スペクトルのボトム強度との相違に基づいて、前記試料の反射係数を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項１２】
前記試料は、複数の物質が混合された混合物であり、
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた透過スペクトルの複数のピーク強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた透過スペクトルのそれぞれ対応する複数のピーク強度との相違に基づいて、前記混合物の混合比を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項１３】
前記試料は、複数の物質が混合された混合物であり、
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた反射スペクトルの複数のボトム強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた反射スペクトルのそれぞれ対応する複数のボトム強度との相違に基づいて、前記混合物の混合比を求めるステップを含む、請求項６または７に記載の光学特性評価方法。
【請求項１４】
前記第１および第２の金属層の少なくとも一方は、前記第１の金属層に垂直な方向から見たときに前記複数の第２の貫通スリットに対する前記複数の第１の貫通スリットの相対位置が変化するように移動可能であり、
前記センサ部に照射される電磁波は単一の中心周波数を有し、
前記照射するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で、前記複数の第１の貫通スリットの相対位置を変化させながら前記センサ部に電磁波を照射するステップを含み、
前記検出するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で、前記複数の第１の貫通スリットの相対位置に対応付けて前記センサ部の透過波または反射波の強度を検出するステップを含む、請求項５に記載の光学特性評価方法。
【請求項１５】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で前記センサ部の透過波の強度が最大になるときの前記複数の第１の貫通スリットの相対位置と、前記保持体に前記試料が保持された状態で前記センサ部の透過波の強度が最大になるときの前記複数の第１の貫通スリットの相対位置との相違に基づいて、前記試料の屈折率を求めるステップを含む、請求項１４に記載の光学特性評価方法。
【請求項１６】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた前記センサ部の透過波のピーク強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた前記センサ部の透過波のピーク強度との相違に基づいて、前記試料の透過係数を求めるステップを含む、請求項１４に記載の光学特性評価方法。
【請求項１７】
前記評価するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた前記センサ部の反射波のボトム強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた前記センサ部の反射波のボトム強度との相違に基づいて、前記試料の反射係数を求めるステップを含む、請求項１４に記載の光学特性評価方法。
【請求項１８】
前記第１および第２の金属層の少なくとも一方は、前記第１の金属層に垂直な方向から見たときに前記複数の第２の貫通スリットに対する前記複数の第１の貫通スリットの相対位置が変化するように移動可能であり、
前記センサ部に照射される電磁波は、変更可能な単一の中心周波数を有し、
前記照射するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で、前記中心周波数の複数の設定値の各々に対して、前記複数の第１の貫通スリットの相対位置を変化させながら前記センサ部に電磁波を照射するステップを含み、
前記検出するステップは、前記保持体に前記試料が保持されていない状態と保持された状態の各々で、前記中心周波数の設定値ごとに、前記複数の第１の貫通スリットの相対位置に対応付けて前記センサ部の透過波または反射波の強度を検出するステップを含む、請求項５に記載の光学特性評価方法。
【請求項１９】
前記試料は、複数の物質が混合された混合物であり、
前記評価するステップは、前記中心周波数の設定値ごとに、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた前記センサ部の透過波のピーク強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた前記センサ部の透過波のピーク強度とを比較することによって、前記混合物の混合比を求めるステップを含む、請求項１８に記載の光学特性評価方法。
【請求項２０】
前記試料は、複数の物質が混合された混合物であり、
前記評価するステップは、前記中心周波数の設定値ごとに、前記保持体に前記試料が保持されていない状態で得られた前記センサ部の反射波のボトム強度と、前記保持体に前記試料が保持された状態で得られた前記センサ部の反射波のボトム強度とを比較することによって、前記混合物の混合比を求めるステップを含む、請求項１８に記載の光学特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主としてミリ波からテラヘルツ波の周波数領域にある電磁波を用いて試料の光学特性を評価する光学特性評価装置および光学特性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、主としてミリ波からテラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数領域にある電磁波を用いた非破壊的な分析技術が開発されている。たとえば、物質内部の複素誘電率を求めて物質の結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、半導体のキャリア濃度および移動度を評価する技術が開発されている。これらの技術では、テラヘルツ波を被測定試料に照射して、透過率を測定することによって試料の分析が行われる（たとえば、特開２００４−１０８９０５号公報（特許文献１）を参照）。
【０００３】
さらに進歩した測定技術が、たとえば特開２００７−１０３６６号公報（特許文献２）に開示されている。この技術では、金属導体に設けられた空隙部に被測定試料を充填することによって一体型構造体が形成される。この一体型構造体にテラへルツ波を照射することによって、試料の屈折率などが測定される。
【０００４】
上記の特開２００７−１０３６６号公報（特許文献２）に記載の測定技術は、特開２００４−１１７７０３号公報（特許文献３）に記載された位相差板を利用したものである。この文献によれば、位相差板は、多数の貫通孔が周期的に形成された金属板からなり、金属板の厚みと貫通孔の寸法および間隔が電磁波の波長レベルに設定される。
【０００５】
電磁波もしくは光の波長と同程度の周期性をもつ金属人工材料の他の例として、J.T.Shenらによって報告された金属貫通スリットが知られている（J.T.Shen、外２名、「Mechanism  for  Designing  Metallic  Metamaterials  with  a  High  Index  of  Refraction」、Physical  Review  Letters、2005年、第94巻、197401-1〜4（非特許文献１）参照）。J.T.Shenらの文献によれば、電磁波の波長よりも短い周期で貫通スリットが周期的に配列された金属膜は、誘電体スラブ（Slab）と等価であると考えることができる。誘電体スラブの屈折率は金属膜の幾何学的形状のみで決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０８９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３６６号公報
【特許文献３】特開２００４−１１７７０３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J.T.Shen、外２名、「Mechanism  for  Designing  Metallic  Metamaterials  with  a  High  Index  of  Refraction」、Physical  Review  Letters、2005年、第94巻、197401-1〜4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のテラヘルツ波を利用した非破壊分析技術は有用ではあるが、分析精度が十分とは言い難い。試料の屈折率や吸収係数などをより高精度に検出できる分析技術の開発が望まれているのが現状である。
【０００９】
この発明の目的は、屈折率や透過係数など電磁波に対する試料の光学特性を従来よりも高精度に評価することができる光学特性評価装置および光学特性評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は一局面において、電磁波を用いて試料の光学特性を評価する光学特性評価装置であって、センサ部と、電磁波源と、検出器とを備える。センサ部は、複数の第１の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第１の金属層と、第１の金属層と間隔をあけて平行に設けられ、複数の第２の貫通スリットが所定の間隔ごとに形成された第２の金属層と、第１および第２の金属層間に挿入され、試料を保持可能な保持体とを含む。電磁波源は、複数の第１の貫通スリットの間隔および複数の第２の貫通スリットの間隔よりも長い波長を有する電磁波を、第１の金属層と交差する方向からセンサ部に照射する。検出器は、センサ部を透過した電磁波、またはセンサ部から反射された電磁波を検出する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、屈折率など電磁波に対する試料の光学特性を従来よりも高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による光学特性評価装置１の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】光学特性評価装置１の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】図２の電磁波源制御部６０Ａ、電磁波源１０Ａ、および検出器２０Ａのさらに詳しい構成を説明するための図である。
【図４】金属層３１，３２の光学特性を説明するための図である。
【図５】式（２）に従って計算したときの屈折率ｎ３と貫通スリットのずれ量Δｘとの関係を示す図である。
【図６】試料がない場合のセンサ部３０の透過スペクトルの数値計算結果を示す図である。
【図７】試料なしの場合の透過スペクトルと試料ありの場合の透過スペクトルとを比較して示す図である（吸収係数が０の場合）。
【図８】試料による屈折率の増加量とモニター周波数ν０における透過率の変化量の絶対値ΔＴとの関係を示す図である。
【図９】試料なしの場合の透過スペクトルと試料ありの場合の透過スペクトルとを比較して示す図である（吸収係数が０でない場合）。
【図１０】実施の形態１の光学特性評価装置１による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態２による光学特性評価装置２の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１の光学特性評価装置２による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態３による光学特性評価装置３の構成を示すブロック図である。
【図１４】透過率と貫通スリットのずれ量Δｘとの関係を試料なしの場合と試料ありの場合とで比較して示した図である。
【図１５】図１３の光学特性評価装置３による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。
【図１６】実施の形態３の変形例による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。
【図１７】この発明の実施の形態４による光学特性評価装置４の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の説明では、電磁波は主としてテラヘルツ波であるとして説明するが、この発明に用いられる電磁波の波長域はテラヘルツ帯に限られない。たとえば、ミリ波や中赤外線に対してもこの発明を適用することができる。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１４】
＜実施の形態１＞
［光学特性評価装置の主要部の構成］
図１は、この発明の実施の形態１による光学特性評価装置１の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。図１を参照して、光学特性評価装置１は、センサ部３０と、テラヘルツ帯の周波数の電磁波をセンサ部３０に照射する電磁波源１０と、センサ部３０の透過波または反射波の強度を検出する検出器２０とを含む。
【００１５】
センサ部３０は、互いに平行に配置された第１の金属層３１および第２の金属層３２と、その間隙に挿入された、電磁波を透過する媒質でできた保持体３３とを含む。保持体３３には被測定試料５０が固定可能である。センサ部３０への電磁波の入射方向は金属層３１，３２と交差する方向であればよいが、金属層３１，３２に対して垂直な方向に近いほうが望ましい。検出器２０は、図１に示すようにセンサ部３０を透過した電磁波を検出する場合には、センサ部３０に対して電磁波源１０と反対側に配置される。センサ部３０の反射波を検出する場合には、検出器２０はセンサ部３０に対して電磁波源１０と同じ側に配置される。
【００１６】
センサ部３０において、第１の金属層３１には、一方向に延びた複数の貫通スリット３１Ａが、電磁波源１０から出射される電磁波の波長よりも短い間隔ごとに周期的に形成される。以下、金属層３１に垂直な方向をｚ方向とし、貫通スリット３１Ａの延在方向をｙ方向とし、ｙ方向およびｚ方向に垂直な方向をｘ方向とする。第２の金属層３２は、第１の金属層３１と間隔をあけて平行に設けられ、一方向に延びた複数の貫通スリット３２Ａが、電磁波源１０から出射される電磁波の波長よりも短い間隔ごと周期的に形成される。
【００１７】
金属層３１に形成された複数の貫通スリット３１Ａの延在方向と金属層３２に形成された複数の貫通スリット３２Ａの延在方向は同一であることが望ましい。さらに、金属層３１に形成された貫通スリット３１Ａの周期と金属層３２に形成された複数の貫通スリット３２Ａの周期とは同一であることが望ましい。金属層３１，３２間の間隔は波長程度であればよく、目安として０より大きく波長の２倍以下であることが望ましいが、波長の２倍以上であってもセンサ部３０の効果が急激に失われるわけではない。
【００１８】
センサ部３０の金属層３１と金属層３２との間隙には、テラヘルツ波に対して透明なセルロースなどの非極性材料でできた高分子繊維からなる保持体３３を用いて被測定試料５０が保持されている。テラヘルツ波で測定可能な被測定試料５０として例えば生体物質、薬物、化学物質が挙げられる。
【００１９】
センサ部３０に照射される電磁波の偏光状態は、磁界の方向が貫通スリット３１Ａの延在方向（ｙ方向）であり、電界の方向がｙ方向に直交する平面（ｚｘ平面）内にある、いわゆるＴＭ（Transverse  Magnetic）偏光が望ましい。
【００２０】
［金属層３１，３２の作製方法］
ミリ波からテラヘルツ波の周波数帯である３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚに対応する波長は、１０ｍｍ〜１０μｍである。したがって、電磁波の波長が比較的長い場合には、エッチングなどの方法によって金属板に細長い矩形状の開口（貫通スリット）を平行に複数本形成することによって、図１に示す構造の金属層３１，３２を容易に作製することができる。この場合、矩形状の開口（貫通スリット）の長さは、電磁波の波長の５〜６倍以上に形成されることが望ましい。電磁波の波長の５〜６倍以上の長さの貫通スリットであれば、電磁波の伝搬特性は貫通スリットの長さが無限に長い場合とほぼ同じに考えることができる。
【００２１】
電磁波の波長が比較的短い場合には、電磁波に対して透明な基板にメッキ法などによって金属層を形成し、その後、エッチングによって金属層を貫通する複数の貫通スリットを形成する。そして、このように金属層が形成された２枚の基板を、金属層の形成面が対向するように固定することによって、図１に示すような構造の金属層３１，３２を作製することができる。テラヘルツ波に対して用いる基板材料として、ドープ量の少ないシリコンなどを使用することができる。ミリ波で使用することができる基板材料としては、一般的な用途に使われるプラスチックなどが挙げられる。
【００２２】
［光学特性評価装置の全体構成］
図２は、光学特性評価装置１の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【００２３】
図３は、図２の電磁波源制御部６０Ａ、電磁波源１０Ａ、および検出器２０Ａのさらに詳しい構成を説明するための図である。図２、図３を参照して、光学特性評価装置１は、電磁波源１０Ａと、電磁波源制御部６０Ａと、凹面鏡４１，４２と、センサ部３０と、検出器２０Ａと、コンピュータ７０とを含む。電磁波源１０Ａおよび検出器２０Ａは図１の電磁波源１０および検出器２０にそれぞれ対応する。
【００２４】
電磁波源１０Ａは、低温成長ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板１２上に形成された１０ｍｍ程度のギャップを有するアンテナ素子１１を含む。アンテナ素子１１のギャップ間には直流電源１４によって直流電圧が印加される。ＧａＡｓ基板１２の裏面には、反射損失を減らすとともに放射パターンを改善するためにシリコン半球レンズ１３が設けられる。
【００２５】
電磁波源制御部６０Ａは、超短パルスレーザ６１と、固定ミラー６２Ａ〜６２Ｄと、可動ステージに搭載された可動ミラー６３と、ハーフミラー６４とを含む。超短パルスレーザ６１は、数１０ＭＨｚ程度の繰返し周期で１００ｆｓ程度のパルス幅のフェムト秒パルス光を出射する。超短パルスレーザ６１から出射されたフェムト秒パルス光は、ミラー６２Ａおよびハーフミラー６４を介してアンテナ素子１１のギャップ間にポンプ光として照射される。これによって、アンテナ素子１１は、０．５〜２．５ＴＨｚに広がったブロードなスペクトルを有するテラヘルツ波を発生する。
【００２６】
発生したテラヘルツ波は、凹面鏡４１によってコリメートされてからセンサ部３０に照射される。このときのテラヘルツ波の偏光状態は、磁界の方向が貫通スリット３１Ａの延在方向（ｙ方向）であり、電界の方向がｙ方向に直交する平面（ｚｘ平面）内にある、いわゆるＴＭ偏光が望ましい。アンテナ素子１１として、たとえばダイポールアンテナを用いる場合には、アンテナから発生するテラヘルツ波は直線偏光であり、アンテナ電流の方向に電磁波の電界が生じるので、アンテナ素子１１の配置方向によってセンサ部３０に照射されるテラヘルツ波の偏光方向を調整できる。
【００２７】
検出器２０Ａは、低温成長ＧａＡｓ基板２２に形成されるアンテナ素子２１を含む。アンテナ素子２１は、電磁波源１０Ａに設けられたアンテナ素子１１と同等の構成を有する。検出器２０Ａ用のアンテナ素子２１には電流計２４が接続される。
【００２８】
センサ部３０を透過したテラヘルツ波は、凹面鏡４２と、ＧａＡｓ基板２２の裏面側に設けられたシリコン半球レンズ２３を介してアンテナ素子２１に到達する。さらに、超短パルスレーザ６１から出射されたフェムト秒パルス光が、ミラー６２Ａ，６４，６２Ｂ，６３，６２Ｃ，６２Ｄを介してアンテナ素子２１のギャップ間にプローブ光として照射される。この結果、プローブ光が照射されたときの、透過テラヘルツ波の電界強度に応じた信号が電流計２４によって検出される。電流計２４の出力は図示を省略したアンプによって増幅された後、コンピュータ７０に取り込まれる。
【００２９】
テラヘルツ波の時間サンプリングを行なうには、テラヘルツ波が数１０ＭＨｚの繰返しで到来することを利用して、ポンプ光とプローブ光のタイミングを変更しながら複数回測定を行なう。具体的には、可動ステージに搭載した光学部品（可動ミラー６３）を用いてフェムト秒パルス光（プローブ光）に光路遅延を与え、検出器２０Ａに設けられたアンテナ素子２１にテラヘルツ波が到達する時間とフェムト秒パルス光（プローブ光）が到達する時間との差を変化させる。そして、テラヘルツ電磁波とフェムト秒パルス光（プローブ光）の到達時間差に応じて変化するアンテナ素子２１の出力電流を検出することによってテラヘルツ波の時間サンプリングデータを取得する。もし、１００ｆｓ程度の短いパルス波形を１回で測定することが可能であれば、上記のような方法を用いなくても１回の測定で時間サンプリングデータを取得することができる。
【００３０】
コンピュータ７０は、プログラムに従って、光学特性評価装置１全体を制御するとともに、検出器２０Ａで検出された時間サンプリングデータに基づいて試料の光学特性、すなわち屈折率、透過係数、および反射係数などを評価する。具体的には、コンピュータ７０は、まず、時間サンプリングデータをフーリエ変換することによって透過スペクトルデータに変換する。次にコンピュータ７０は、透過スペクトルデータに基づいて被測定試料５０の複素屈折率を計算する。このとき、最小二乗法あるいは重回帰分析法を用いることにより吸収のある物質や複数の物質からなる試料についても対応可能な解析が行われる。具体的な解析法については後で詳細に説明する。
【００３１】
［試料がない場合の金属層３１，３２の光学特性］
図４は、金属層３１，３２の光学特性を説明するための図である。図４（Ａ），（Ｂ）には、金属層３１に形成された貫通スリット３１Ａと、金属層３２に形成された貫通スリット３２Ａとにずれがない場合とずれがある場合の側面図がそれぞれ示される。図４（Ｃ）には、金属層３１，３２と等価と考えられる３層の誘電体スラブ（Slab）の概念図が示される。
【００３２】
図４（Ａ），（Ｂ）を参照して、金属層３１に形成された貫通スリット３１Ａの幅をａ１とし、貫通スリット３１Ａの周期をｄ１とし、金属層３１の厚みをＬ１とする。金属層３２に形成された貫通スリット３２Ａの幅をａ２とし、貫通スリット３２Ａの周期をｄ２とし、金属層３１の厚みをＬ２とする。金属層３１の形状と金属層３２の形状は同じであることが好ましいので、以下では、ａ１＝ａ２＝ａ、ｄ１＝ｄ２＝ｄ、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌとする。さらに、金属層３１，３２間の間隔をΔｚとし、ｚ方向から見たときの金属層３１に形成された貫通スリット３１Ａと、金属層３２に形成された貫通スリット３２Ａとの横ずれの大きさをΔｘとする。
【００３３】
前述したJ.T.Shenら文献（非特許文献１）には、単一の金属層（３１または３２）の特性は、屈折率ｎ＝ｄ／ａ、厚みＬ／ｎの誘電体スラブ（図４（Ｃ）の参照符号１０１，１０２に対応する）の特性にほぼ等しくなることが示されている。さらに、ファブリペローの共振条件（ω／ｃ×Ｌ＝ｍπ、ただし、ω：角周波数、ｃ：電磁波の速度＝光速／ｎ、ｍ：整数、π：円周率）を満たすとき透過係数が１００％になることが記載されている。しかしながら、間隔Δｚをあけて平行に設けられた２層の金属層３１，３２が全体としてどのような光学特性を有するのかは明らかでない。
【００３４】
本願の発明者は、図４（Ａ），（Ｂ）に示される２層の金属層３１，３２の特性が、金属層間の空気層（誘電体層）を含めた３層の誘電体スラブ１０１，１０３，１０２とほぼ等価であることを見出した。貫通スリットが形成された金属層３１，３２について、貫通スリット内の電磁波をＴＭ偏光の伝播モードで展開し、貫通スリットの上下の空気層は散乱モード（ｚ方向は自由伝播、ｘ方向は貫通スリットの周期に対する逆格子ベクトルを基底として）で展開を行い、透過率Ｔを計算すると、次式（１）が得られた。ただし、ωは電磁波の角周波数を表わし、ｃは電磁波の速度を表わし、ｉは虚数単位を表わし、ｅはネイピア数を表わす。
【００３５】
【数１】
2012185116.tif 000003
【００３６】
式（１）において、Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3は貫通スリットの形状（幅ａ、周期ｄ、深さＬ）および相対配置（Δｘ、Δｚ）で決まる値である。式（１）の透過率の形式は３層の誘電体層の透過率の形式と同じである。Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3を３層の誘電体層の同様の係数と比較することにより、中間の空気層に対応する誘電体スラブ１０３の屈折率ｎ３は、“１”ではなく上下金属層３１，３２の貫通スリットの配置関係（ΔｘおよびΔｚ）に依存して、
【００３７】
【数２】
2012185116.tif 000004
【００３８】
のように近似的に表わすことができた（この結果は、本願の出願時において未公表である）。上式（２）において、ｓｉｎｃは、正弦関数をその変数で割って得られる関数であり、カーディナル・サイン関数と呼ばれる。中間の空気層に対応する誘電体スラブ１０３の厚みはΔｚのままで扱える。
【００３９】
図５は、式（２）に従って計算したときの屈折率ｎ３と貫通スリットのずれ量Δｘとの関係を示す図である。式（２）において、貫通スリット３１Ａ，３２Ａの周期ｄを０．６ｍｍとし、貫通スリット３１Ａ，３２Ａの幅ａを０．１６ｍｍとした。上下の金属層３１，３２間の間隔Δｚを０．１ｍｍとし、金属層３１，３２の厚みＬを１．３ｍｍとした。
【００４０】
図５に示すように、貫通スリットのずれ量Δｘが０のときは、金属層３１，３２の中間の空気層（誘電体スラブ１０３）の屈折率は１（空気の屈折率）に等しい。貫通スリットのずれ量Δｘが増加するにつれて、金属層３１，３２の中間の空気層（誘電体スラブ１０３）の屈折率が増加することがわかる。
【００４１】
図６は、試料がない場合のセンサ部３０の透過スペクトルの数値計算結果を示す図である。図６に示したグラフの縦軸はセンサ部３０の透過率Ｔを示し、横軸はテラヘルツ波の周波数を示す。
【００４２】
数値計算には有限差分時間領域法を用いた。数値計算のパラメータとして、金属層３１，３２の材料を真鍮とし、貫通スリット３１Ａ，３２Ａの周期ｄを０．６ｍｍとし、貫通スリット３１Ａ，３２Ａの幅ａを０．１６ｍｍとした。上下の金属層３１，３２間の間隔Δｚを０．１ｍｍとし、金属層３１，３２の各々の厚みＬを１．３ｍｍとし、上下の貫通スリット３１Ａ，３２Ａのずれ量Δｘを０とした。金属層３１，３２を構成する材料を真鍮とし、金属材料の複素誘電関数がドルーデモデルに従って与えられるとした。金属層３１，３２のｘ方向、ｙ方向の両端での境界条件を周期境界条件とした。金属層３１，３２の表面に平行な電界成分を０とした。
【００４３】
図６に示すように、被測定試料５０のない場合のセンサ部３０の透過スペクトルには透過率Ｔが１００％となる複数のピークが並ぶ。図６に示す透過スペクトルは、図４（Ｃ）に示した３層の誘電体スラブの場合と同じ結果を与える。すなわち、透過率のピークの位置は、ファブリペロー共振条件によって説明できる。
【００４４】
［吸収係数が０である試料が金属層間に挿入された場合］
次に、図１の金属層３１，３２間に挿入される保持体３３に試料が保持されている場合について説明する。この場合、試料の屈折率によって有効光路長が大きくなる（言替えると、試料中では電磁波の波長が短くなる）ので、ファブリペローの共振条件を満たすピーク周波数（強度が極大になるときの周波数）の位置が低周波数側にシフトする。
【００４５】
図７は、試料なしの場合の透過スペクトルと試料ありの場合の透過スペクトルとを比較して示す図である。図７のグラフは、図６において透過率がほぼ１００％となる複数のピークのうち、ひとつのピーク（周波数が０．３ＴＨｚ付近）について着目した拡大図である。被測定試料５０には吸収がないものとしている。実線のグラフが金属層３１，３２間に試料がない場合を示し、破線のグラフが金属層３１，３２間に試料がある場合を示す。上下の貫通スリット間のすれ幅Δｘは０であるとする。
【００４６】
図７に示すように、試料５０のある場合（破線）は、試料５０のない場合（実線）に比べて金属層３１と金属層３２との間隙の平均的な屈折率が大きくなるために、ピーク周波数が周波数ν０から周波数ν１へと低周波数側にシフトする。したがって、被測定試料５０のない場合の１つのピーク周波数ν０をモニター周波数とすれば、被測定試料５０の屈折率の増加に伴って透過率が減少することがわかる。
【００４７】
図８は、試料による屈折率の増加量とモニター周波数ν０における透過率の変化量の絶対値ΔＴとの関係を示す図である。図８には、図６の場合と同じパラメータを用いて数値計算を行なった結果が示される。
【００４８】
図８に示すように、試料の屈折率の増加に伴って、モニター周波数ν０における透過率が直線的に変化することがわかる。わずか０．０１の屈折率の増加で、透過率が１０％以上変化する高感度な検出ができる。
【００４９】
［吸収係数が０でない試料が金属層間に挿入された場合］
図９は、試料なしの場合の透過スペクトルと試料ありの場合の透過スペクトルとを比較して示す図である。図９も図８と同様に、図６において透過率がほぼ１００％となる複数のピークのうち、ひとつのピーク（周波数が０．３ＴＨｚ付近）について着目して周波数を拡大したものである。ただし、被測定試料５０は、テラヘルツ波を吸収する物質で構成されているとする。
【００５０】
図９に示すように、試料がテラヘルツ波を吸収する場合には、ピーク周波数が低周波数側にシフトするとともに、ピークでの透過率が１００％から減少する。このような場合には、図８で示したような単一のモニター波長ν０での解析では不十分である。屈折率と吸収係数を正確に求めるには、ピーク周波数付近のスペクトルデータを取得してスペクトル形状の解析を行なう。具体的には、ピークでの透過率の変化量ΔＴ（１００％からの減衰量）から吸収係数を算出し、ピーク周波数のシフト量Δνから屈折率変化を算出する。
【００５１】
もう少し簡便に、被測定試料５０のない場合にピークとなる周波数の他に、さらにひとつ、あるいは複数の周波数でのデータを取得して最小二条法を用いた解析を行なうことにより、屈折率（ピーク周波数のシフト量）と吸収係数（ピーク透過率の変化量）とを同時に得ることができる。
【００５２】
たとえば、周波数がν1からνNのＮ個の透過スペクトルデータ｛Ｔi｝（ただし、ｉ＝１〜Ｎ）を取得したとする。ピーク付近での透過スペクトル形状ｆ（ν）は予め分かっているものとすると、求めるべきピークの周波数ν0および透過率Ｔ0を用いて透過スペクトルの周波数依存性はＴ0×ｆ（ν−ν0）と表すことができる。この結果、透過スペクトルの実測データ｛Ｔi｝と一致すべきスペクトル形状Ｔ0×ｆ（ν−ν0）との残差の二乗和Ｑは、
【００５３】
【数３】
2012185116.tif 000005
【００５４】
と表わされる。上記の残差の二乗和Ｑが最小になるように、たとえば、ニュートン・ラフソン法を用いてν0とＴ0を決定することができる。
【００５５】
さらに、上記のようにして求めた屈折率、もしくは吸収係数、もしくは屈折率および吸収係数の両方から物質の濃度などの情報を得ることができる。
【００５６】
［混合物質の混合比の評価］
図６で示した透過率がほぼ１００％になるＮ個のピーク周波数について、上記と同様の測定を行なうことにより、複数の物質が混合された被測定試料について、混合された複数の物質のそれぞれの濃度を得ることができる。
【００５７】
たとえば、被測定試料にはＭ種類の物質が含まれているものとする。予め各物質について、その物質だけで構成されており濃度の分かっている試料についてＮ個のピーク周波数の各々で測定と解析を行い、各ピーク周波数での単位濃度の吸収係数｛αji｝（ただし、ｉ＝１〜Ｍ，ｊ＝１〜Ｎ）を算出しておく。混合された被測定試料について測定と解析を行い、被測定試料の吸収係数｛βj｝（ただし、ｊ＝１〜Ｎ）を算出する。被測定試料の物質の混合比を｛Ｃi｝（ただし、ｉ＝１〜Ｍ）とすると、｛βj｝、｛αji｝および｛Ｃi｝の関係は、
【００５８】
【数４】
2012185116.tif 000006
【００５９】
のように表わすことができる。ここで、｛ｅj｝（ただし、ｊ＝１〜Ｎ）は残差である。上式（４）を簡略化して、
【００６０】
【数５】
2012185116.tif 000007
【００６１】
のように表わす。上式（５）において最小二乗法を用いて残差の二乗和が最小になるようにすると、混合比｛Ｃi｝を表わすベクトル［Ｃ］を、
【００６２】
【数６】
2012185116.tif 000008
【００６３】
のように求めることができる。上式（６）において、[  ]tは転置行列を表わし、[  ]-1は逆行列を表わす。式（６）の関係から、被測定試料の混合比｛Ｃi｝を求めることができる。
【００６４】
［光学特性の評価手順］
図１０は、実施の形態１の光学特性評価装置１による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。以下、図１〜図３、図１０を参照して、これまでの説明を総括して試料の光学特性の評価手順について説明する。
【００６５】
まず、ステップＳ１０１で、試料なしの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置１に取付けられる。
【００６６】
次のステップＳ１０２で、図２のコンピュータ７０の制御によって、図３の超短パルスレーザ６１の発振が開始される。超短パルスレーザ６１から出射されたフェムト秒パルスレーザ光がポンプ光としてアンテナ素子１１のギャップに照射される。これによって、テラヘルツ波がアンテナ素子１１から放射される。発生したテラヘルツ波は、凹面鏡４１でコリメータされた後、センサ部３０に照射される。実施の形態１の場合には、超短パルスレーザ６１のレーザ発振の繰返し周波数（たとえば、数１０ＭＨｚ）と同じ繰返し周波数でテラヘルツ波がセンサ部３０に照射される。
【００６７】
次のステップＳ１０３で、図３の検出器２０Ａに設けられたアンテナ素子２１は、プローブ光が照射された時点で、アンテナ素子２１に到達した透過テラヘルツ波を検出する。ポンプ光が電磁波源１０Ａのアンテナ素子１１に照射されるタイミングと、プローブ光が検出器２０Ａのアンテナ素子２１に照射されるタイミングとの時間差を変化させることによって、透過テラヘルツ波の時間サンプリングを行なうことができる。コンピュータ７０は透過テラヘルツ波の時間サンプリングデータを内蔵の記憶装置に記憶する。
【００６８】
次のステップＳ１０４で、試料ありの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置１に取付けられる。
【００６９】
次のステップＳ１０５およびＳ１０６は、それぞれステップＳ１０２およびＳ１０３と同じであるので説明を繰返さない。ステップＳ１０６で検出された透過テラヘルツ波の時間サンプリングデータは、図２のコンピュータ７０に内蔵された記憶装置に記憶される。
【００７０】
次のステップＳ１０７で、コンピュータ７０は、ステップＳ１０３で検出された試料なしの場合の時間サンプリングデータをフーリエ変換することによって、透過スペクトルを算出する。
【００７１】
次のステップＳ１０８で、コンピュータ７０は、ステップＳ１０６で検出された試料ありの場合の時間サンプリングデータをフーリエ変換することによって、透過スペクトルを算出する。
【００７２】
次のステップＳ１０９で、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた透過スペクトルのピーク周波数と、試料ありの場合に得られた透過スペクトルのピーク周波数との相違に基づいて、被測定試料の屈折率を決定する。具体的な屈折率の算出方法は既に説明したとおりである。
【００７３】
次のステップＳ１１０で、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた透過スペクトルのピーク強度（強度の極大値）と、試料ありの場合に得られた透過スペクトルのピーク強度との相違に基づいて、被測定試料の吸収係数を決定する。具体的な吸収係数の算出方法は既に説明したとおりである。
【００７４】
被測定試料が複数の物質の混合された混合物である場合には、既に説明したように、混合物の混合比を評価することができる。この場合、コンピュータ７０は、保持体３３に試料が保持されていない状態で得られた透過スペクトルの複数のピーク強度と、保持体３３に試料が保持された状態で得られた透過スペクトルのそれぞれ対応する複数のピーク強度との相違に基づいて、混合物の混合比を算出する。
【００７５】
上記と同様の方法で試料の反射係数を評価することもできる。反射係数を測定する場合には、検出器２０Ａはセンサ部３０に対して電磁波源１０Ａと同じ側に配置される。ステップＳ１０３，Ｓ１０６では、検出器２０Ａによって、センサ部３０によって反射されたテラヘルツ波が時間サンプリングされる。ステップＳ１０７，Ｓ１０８では、コンピュータ７０は、ステップＳ１０３，Ｓ１０６でそれぞれ検出された反射テラヘルツ波の時間サンプリングデータをフーリエ変換することによって反射スペクトルを算出する。ステップＳ１１０では、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた反射スペクトルのボトム強度（強度の極小値）と、試料ありの場合に得られた反射スペクトルのボトム強度との相違に基づいて、被測定試料の反射係数を決定する。
【００７６】
被測定試料が複数の物質の混合された混合物である場合には、試料なしの状態で得られた反射スペクトルの複数のボトム強度と、試料ありの状態で得られた反射スペクトルのそれぞれ対応する複数のボトム強度と相違に基づいて、混合物の混合比を算出することができる。具体的な混合比の算出方法は、透過スペクトルを用いた場合と同様であるので説明を繰返さない。
【００７７】
［変形例］
本実施の形態においては、金属層３１、３２の材料の例として真鍮の例を示したが、金属層の材料としてはこれに限るものではなく、金、銀、銅、クロムなど、ミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の光に対して金属の性質を有する材料であれば、何であってもよい。これらの金属材料を利用すれば、貫通スリットの周期を小さくすることにより、中赤外の周波数領域の電磁波を利用することもできる。
【００７８】
さらに、金属層３１、３２の材料としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズなどの酸化物、あるいは高濃度に不純物をドープした珪素、ゲルマニウム、炭素、ガリウム砒素、インジウム燐、炭化珪素、シリコンゲルマニウムなどであってもよい。テラヘルツ波やマイクロ波の周波数領域で金属の性質を示す材料であれば、金属材料以外の材料であっても利用することができる。
【００７９】
保持体３３の材料としてはセルロースの例を示したが、使用する光の波長に対して透明性を有するものであれば、他の材料であってもよい。たとえば、テラヘルツ波に対してはドープ量の少ないシリコンなどを使用することができる。ミリ波で使用することができる材料としては、一般的な用途に使われるプラスチックが挙げられる。
【００８０】
＜実施の形態２＞
図１１は、この発明の実施の形態２による光学特性評価装置２の構成を示すブロック図である。図１１を参照して、光学特性評価装置２は、電磁波源１０Ｂと、検出器２０Ｂと、センサ部３０と、コンピュータ７０とを含む。電磁波源１０Ｂおよび検出器２０Ｂは図１の電磁波源１０および検出器２０にそれぞれ対応する。センサ部３０の構成は図１、図４に示す実施の形態１の場合と同じであるので説明を繰返さない。
【００８１】
電磁波源１０Ｂは、たとえば非線形結晶のパラメトリック過程を利用して、変更可能な単一の中心周波数を有するテラヘルツ波を発生する。テラヘルツ帯のパラメトリック波は、ＬｉＮｂＯ3結晶やＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3結晶などにＱスイッチＹＡＧレーザによるポンプ光を入射することによって発生させる。このときパラメトリック波とともに発生するアイドラー光を共振器内で共振させることによってスペクトル線幅を狭くすることができる。試料の有無による屈折率変化が小さいほど透過スペクトルのピークシフト量は小さくなるので、テラヘルツ波のスペクトル線幅が狭い方が検出感度は向上する。
【００８２】
ポンプ光の光軸からの散乱角に応じてアイドラー光およびテラヘルツ波の波長が決まるので、電磁波源１０Ｂで発生するテラヘルツ波の中心周波数は変更可能である。中心周波数の設定に関して、金属層３１，３２を３層誘電体スラブとみなしたときのファブリペローの共振条件を満たすピーク周波数の位置に、電磁波源１０Ｂで発生するテラヘルツ波の中心周波数を概ね一致させたほうが、検出感度が向上するので望ましい。
【００８３】
センサ部３０に照射されるテラヘルツ波の偏光状態は、磁界の方向が貫通スリット３１Ａの延在方向（図１のｙ方向）であり、電界の方向がｙ方向に直交する平面（ｚｘ平面）内にある、いわゆるＴＭ偏光が望ましい。パラメトリック過程では、ポンプ光、アイドラー光、およびテラヘルツ波の偏光状態は直線偏光で電界方向は全て同じ方向にあり、予めテラヘルツ光の偏光方向がわかっている。したがって、ミラー対を用いて偏光を９０度だけ回転させたり、あるいは損失は生ずるがワイアグリッドを用いて所望の方向の偏光成分を取り出したりして、偏光方向を調整することができる。
【００８４】
検出器２０Ｂは、センサ部３０を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。検出器２０Ｂとして、ボロメータや焦電素子を利用することができる。
【００８５】
コンピュータ７０は、光学特性評価装置２全体を制御するとともに、検出器２０Ｂで検出された透過テラヘルツ波の強度に基づいて試料の光学特性を評価する。電磁波源１０Ｂから出射されるテラヘルツ波の中心周波数を変更しながら、検出器２０Ｂによってテラヘルツ波の透過強度を検出することによって、透過スペクトルデータを取得することができる。
【００８６】
図１２は、図１１の光学特性評価装置２による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。以下、図１、図１１、図１２を参照して、試料の光学特性の評価手順について説明する。
【００８７】
ステップＳ２０１で、試料なしの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置２に取付けられる。
【００８８】
次のステップＳ２０２で、図１１のコンピュータ７０の制御によって、電磁波源１０Ｂから初期設定周波数のテラヘルツ波がセンサ部３０に照射される。
【００８９】
次のステップＳ２０３で、図１１の検出器２０Ｂは、センサ部３０を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。コンピュータ７０は検出器２０Ｂによって検出されたテラヘルツ波の透過強度のデータを内蔵の記憶装置に記憶する。
【００９０】
次のステップＳ２０４で、コンピュータ７０の制御によって、電磁波源１０Ｂから出射されるテラヘルツ波の中心周波数が変更される。変更後に再度ステップＳ２０２，Ｓ２０３が繰返される。所定の周波数範囲内での測定が完了した場合には（ステップＳ２０４でＮＯ）、処理はステップＳ２０５に進む。以上のステップＳ２０２〜Ｓ２０４が繰返されることによって、試料なしの場合でのセンサ部３０の透過スペクトルが検出される。
【００９１】
次のステップＳ２０５で、試料ありの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置２に取付けられる。
【００９２】
次のステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、それぞれステップＳ２０２〜Ｓ２０４と同じであるので説明を繰返さない。ステップＳ２０６〜Ｓ２０８が繰返されることによって、試料ありの場合でのセンサ部３０の透過スペクトルが検出される。所定の周波数範囲内での測定が完了した場合には（ステップＳ２０８でＮＯ）、処理はステップＳ２０９に進む。
【００９３】
次のステップＳ２０９で、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた透過スペクトルのピーク周波数と、試料ありの場合に得られた透過スペクトルのピーク周波数との相違に基づいて、被測定試料の屈折率を決定する。具体的な屈折率の算出方法は実施の形態１で説明したとおりであるので説明を繰返さない。
【００９４】
次のステップＳ２１０で、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた透過スペクトルのピーク強度と、試料ありの場合に得られた透過スペクトルのピーク強度との相違に基づいて、被測定試料の吸収係数を決定する。具体的な吸収係数の算出方法は実施の形態１で説明したとおりであるので説明を繰返さない。被測定試料が複数の物質の混合された混合物である場合には、実施の形態１で説明した方法を用いて、混合物の混合比を評価することができる。
【００９５】
上記と同様の方法で試料の反射係数を評価することもできる。反射係数を測定する場合には、検出器２０Ｂはセンサ部３０に対して電磁波源１０Ｂと同じ側に配置される。ステップＳ２０３，Ｓ２０７では、検出器２０Ｂによって、センサ部３０によって反射されたテラヘルツ波の強度が検出される。ステップＳ２１０では、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた反射スペクトルのボトム強度と、試料ありの場合に得られた反射スペクトルのボトム強度との相違に基づいて、被測定試料の反射係数を決定する。被測定試料が複数の物質の混合された混合物である場合には、試料なしの場合に得られた反射スペクトルの複数のボトム強度と、試料ありの場合に得られた反射スペクトルのそれぞれ対応する複数のボトム強度との相違に基づいて、混合物の混合比を決定することができる。
【００９６】
＜実施の形態３＞
図４で説明したように、貫通スリットのずれ量Δｘが増加するにつれて、金属層３１，３２を３層の誘電体スラブとみなしたときの中間層（誘電体スラブ１０３）の屈折率が増加する。そうすると、屈折率の増加に伴って中間層（誘電体スラブ１０３）の有効光路長が長くなるので、ファブリペローの共振条件を満たすピーク周波数が低周波数側にシフトする。この横ずれに伴うピークシフトを利用することによって、単一の中心周波数の電磁波を用いて、スペクトルを取得するのと同等の効果が得られる。以下、具体的に説明する。
【００９７】
図１３は、この発明の実施の形態３による光学特性評価装置３の構成を示すブロック図である。図１３を参照して、光学特性評価装置３は、電磁波源１０Ｃと、検出器２０Ｃと、センサ部３０と、移動機構８０と、コンピュータ７０とを含む。電磁波源１０Ｃおよび検出器２０Ｃは図１の電磁波源１０および検出器２０にそれぞれ対応する。センサ部３０の構成は、図１、図４に示した実施の形態１の場合と同じであるので説明を繰返さない。
【００９８】
電磁波源１０Ｃは、固定された単一の中心周波数のテラヘルツ波を放出する。放射されたテラヘルツ波は図１で説明したセンサ部３０に照射される。放射周波数が固定でテラヘルツ波を発生する電磁波源１０Ｃには、たとえば量子カスケードレーザが利用できる。実施の形態２で説明した非線形結晶のパラメトリック過程を利用した電磁波源を、ある固定した周波数で使用してもよい。いずれの電磁波源を使用する場合も、金属層３１，３２を３層誘電体スラブとみなしたときのファブリペローの共振条件を満たすピーク周波数の位置に、電磁波源１０Ｃで発生するテラヘルツ波の共振ピークを概ね一致させたほうが、検出感度が向上するので望ましい。
【００９９】
センサ部３０に照射されるテラヘルツ波の偏光状態は、磁界の方向が貫通スリット３１Ａの延在方向（図１のｙ方向）であり、電界の方向がｙ方向に直交する平面（ｚｘ平面）内にある、いわゆるＴＭ偏光が望ましい。量子カスケードレーザの場合には、発生するテラヘルツ光は量子井戸の積層方向に対して電界が平行になるのでレーザの配置を調整することによって、偏光方向を調整することができる。
【０１００】
検出器２０Ｃは、センサ部３０を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。検出器２０Ｃとして、ボロメータや焦電素子を利用することができる。
【０１０１】
移動機構８０は、センサ部３０を構成する第１の金属層を第２の金属層に対して相対移動させることによって、金属層に垂直な方向から見たとき、第１の金属層の貫通スリットに対して第２の金属層の貫通スリットの相対位置を変化させる。図１、図４の場合には、移動機構８０は、金属層３１，３２の少なくとも一方をｘ方向に移動させることによって、ｘ方向の貫通スリットのずれ量Δｘを変化させる。
【０１０２】
コンピュータ７０は、プログラムに従って、光学特性評価装置３全体を制御するとともに、検出器２０Ｃの検出データに基づいて試料の光学特性を評価する。検出器２０Ｂによって検出された透過電磁波の強度データは、貫通スリットのずれ量Δｘの関数（透過スペクトルに対応する）としてコンピュータ７０に取り込まれる。コンピュータ７０は、取り込んだデータに基づいて、試料５０の複素屈折率（屈折率および透過係数）などを評価する。
【０１０３】
図１４は、透過率と貫通スリットのずれ量Δｘとの関係を試料なしの場合と試料ありの場合とで比較して示した図である。被測定試料５０には吸収がないものとしている。図１４において、実線のグラフが金属層３１，３２間に試料がない場合を示し、破線のグラフが金属層３１，３２間に試料が挿入された場合を示す。貫通スリットの周期ｄおよび幅ａ、金属層３１，３２の厚みＬ、ならびに金属層間の間隔Δｚは、図６の数値計算の場合と同じにしている。試料なしの場合に得られた最大透過率に対応する貫通スリットのずれ量ｘ０と、試料ありの場合に得られた最大透過率に対応する貫通スリットのずれ量ｘ１との差は、試料の屈折率に応じて決まるので、この差（ｘ０−ｘ１）に基づいて試料の屈折率を決定することができる。
【０１０４】
図１５は、図１３の光学特性評価装置３による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。以下、図１、図１３、図１５を参照して、試料の光学特性の評価手順について説明する。
【０１０５】
ステップＳ３０１で、試料なしの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置３に取付けられる。
【０１０６】
次のステップＳ３０２で、図１３のコンピュータ７０の制御によって、貫通スリットの相対位置（ずれ量Δｘ）が初期値（たとえば、Δｘ＝０）に設定され、電磁波源１０Ｃで発生したテラヘルツ波がセンサ部３０に照射される。
【０１０７】
次のステップＳ３０３で、図１３の検出器２０Ｃは、センサ部３０を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。コンピュータ７０は、検出器２０Ｃによって検出されたテラヘルツ波の透過強度のデータを内蔵の記憶装置に記憶する。
【０１０８】
次のステップＳ３０４で、コンピュータ７０の制御によって、図１３の移動機構８０は金属層３１，３２の少なくとも一方を移動させることによって、貫通スリットの相対位置（ずれ量Δｘ）を変更する。変更後に再度ステップＳ３０２，Ｓ３０３が繰返される。電磁波源１０Ｃからのテラヘルツ波の照射が連続的であると見なせる場合には、金属層３１，３２を連続的に移動させながら透過テラヘルツ波の検出を行ってもよい。所定範囲のずれ量（たとえば、Δｘ＝０〜ｄ／２）での測定が完了した場合には（ステップＳ３０４でＮＯ）、処理はステップＳ３０５に進む。上記のステップＳ３０２〜Ｓ３０４が繰返されることによって、試料なしの場合におけるずれ量Δｘと透過強度との関係（透過スペクトル対応する）が検出される。
【０１０９】
次のステップＳ３０５で、試料ありの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置３に取付けられる。
【０１１０】
次のステップＳ３０６〜Ｓ３０８は、それぞれステップＳ３０２〜Ｓ３０４と同じであるので説明を繰返さない。上記のステップＳ３０６〜Ｓ３０８が繰返されることによって、試料ありの場合におけるずれ量Δｘと透過強度との関係（透過スペクトル対応する）が検出される。所定範囲のずれ量（たとえば、Δｘ＝０〜ｄ／２）での測定が完了した場合には（ステップＳ３０８でＮＯ）、処理はステップＳ３０９に進む。
【０１１１】
次のステップＳ３０９で、コンピュータ７０は、試料なしの状態でセンサ部３０の透過波の強度が最大になるときの貫通スリットのずれ量Δｘと、試料あり状態でセンサ部３０の透過波の強度が最大になるときの複数の貫通スリットのずれ量Δｘとの相違に基づいて、試料の屈折率を求める。具体的な屈折率の算出方法は実施の形態１で説明したのと同様である。
【０１１２】
次のステップＳ３１０で、コンピュータ７０は、試料なしの状態でのセンサ部３０の透過波のピーク強度と、試料ありの状態でのセンサ部３０の透過波のピーク強度との相違に基づいて、試料の透過係数を求める。具体的な透過係数の算出方法は実施の形態１で説明したのと同様である。
【０１１３】
上記と同様の方法で試料の反射係数を評価することもできる。反射係数を測定する場合には、検出器２０Ｃはセンサ部３０に対して電磁波源１０Ｃと同じ側に配置される。ステップＳ３０３，Ｓ３０７では、検出器２０Ｃによって、センサ部３０によって反射されたテラヘルツ波の強度が検出される。ステップＳ３１０では、コンピュータ７０は、試料なしの場合に得られた反射テラヘルツ波のボトム強度と、試料ありの場合に得られた反射テラヘルツ波のボトム強度との相違に基づいて、被測定試料の反射係数を決定する。
【０１１４】
＜実施の形態３の変形例＞
上記で説明した貫通スリットのずれ量Δｘを変化させる測定方法と、実施の形態２で説明した電磁波源から出射されるテラヘルツ波の中心周波数を変化させる測定方法とを組合わせることによって、混合物の混合比を決定することができる。この場合、図１３の電磁波源１０Ｃからセンサ部３０に照射されるテラヘルツ波は、変更可能な単一の中心周波数を有するものである。電磁波源１０Ｃとして、たとえば、パラメトリック過程を利用した発振器を用いることができる。
【０１１５】
図１６は、実施の形態３の変形例による光学特性の評価手順を示すフローチャートである。図１、図１３、図１５を参照して、ステップＳ４０１で、試料なしの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置３に取付けられる。
【０１１６】
次のステップＳ４０２で、図１３のコンピュータ７０の制御によって、貫通スリットの相対位置（ずれ量Δｘ）が初期値（たとえば、Δｘ＝０）に設定され、電磁波源１０Ｃから初期設定周波数のテラヘルツ波がセンサ部３０に照射される。
【０１１７】
次のステップＳ４０３で、図１３の検出器２０Ｃは、センサ部３０を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。コンピュータ７０は、検出器２０Ｃによって検出されたテラヘルツ波の透過強度のデータを内蔵の記憶装置に記憶する。
【０１１８】
次のステップＳ４０４で、コンピュータ７０の制御によって、図１３の移動機構８０は金属層３１，３２の少なくとも一方を移動させることによって、貫通スリットの相対位置（ずれ量Δｘ）を変更する。変更後に再度ステップＳ４０２，Ｓ４０３が繰返される。電磁波源１０Ｃからのテラヘルツ波の照射が連続的であると見なせる場合には、金属層３１，３２を連続的に移動させながら透過テラヘルツ波の検出を行ってもよい。所定範囲のずれ量（たとえば、Δｘ＝０〜ｄ／２）での測定が完了した場合には（ステップＳ４０４でＮＯ）、処理はステップＳ４０５に進む。
【０１１９】
ステップＳ４０５で、コンピュータ７０の制御によって、電磁波源１０Ｃから出射されるテラヘルツ波の中心周波数が変更される。変更後に再度ステップＳ４０２〜Ｓ４０４が繰返される。所定の周波数範囲内での測定が完了した場合には（ステップＳ４０５でＮＯ）、処理はステップＳ４０６に進む。以上のステップＳ４０２〜Ｓ４０５によって、試料なしの場合におけるずれ量Δｘと透過強度との関係（透過スペクトル対応する）が、設定された周波数ごとに検出される。
【０１２０】
次のステップＳ４０６で、試料ありの保持体３３が金属層３１，３２間に挿入された状態でセンサ部３０が光学特性評価装置３に取付けられる。
【０１２１】
次のステップＳ４０７〜Ｓ４１０は、それぞれステップＳ４０２〜Ｓ４０５と同じであるので説明を繰返さない。所定の周波数範囲内での測定が完了した場合には（ステップＳ４１０でＮＯ）、処理はステップＳ４１１に進む。以上のステップＳ４０７〜Ｓ４１０によって、試料ありの場合におけるずれ量Δｘと透過強度との関係（透過スペクトル対応する）が、設定された周波数ごとに検出される。
【０１２２】
次のステップＳ４１１で、コンピュータ７０は、設定された周波数ごとに、試料なしの状態で得られたセンサ部３０のピーク透過強度と、試料あり状態で得られたセンサ部３０のピーク透過強度との相違に基づいて、試料の透過係数を求める。具体的な透過係数の算出方法は実施の形態１で説明したのと同様である。
【０１２３】
次のステップＳ４１２で、コンピュータ７０は、試料なしの状態で得られた複数の透過係数と、試料ありの状態で得られたそれぞれ対応する複数の透過係数とを比較することによって混合物の混合比を決定する。具体的な混合比の算出方法は実施の形態１で説明したのと同様である。
【０１２４】
反射テラヘルツ波を用いても上記と同様の方法で混合物の混合比を決定することができる。具体的には、検出器２０Ｃはセンサ部３０に対して電磁波源１０Ｃと同じ側に配置される。ステップＳ４０３，Ｓ４０８では、検出器２０Ｃによって、センサ部３０によって反射されたテラヘルツ波の強度が検出される。ステップＳ４１１では、コンピュータ７０は、設定周波数ごとに、試料なしの場合に得られた反射テラヘルツ波のボトム強度と、試料ありの場合に得られた反射テラヘルツ波のボトム強度との相違に基づいて、被測定試料の反射係数を決定する。ステップＳ４１２では、コンピュータ７０は、試料なしの状態で得られた複数の反射係数と、試料ありの状態で得られたそれぞれ対応する複数の反射係数とを比較することによって混合物の混合比を決定する。
【０１２５】
＜実施の形態４＞
図１７は、この発明の実施の形態４による光学特性評価装置４の主要部の構成を模式的に示す斜視図である。図１７のセンサ部１３０は、貫通スリット３１Ａと交差する複数の貫通スリット３１Ｂが第１の金属層３１にさらに形成されるとともに、貫通スリット３２Ａと交差する複数の貫通スリット３２Ｂが第２の金属層３２にさらに形成される点で、図１のセンサ部３０と異なる。金属層３１に形成された貫通スリット３１Ｂの延在方向と、金属層３２に形成された貫通スリット３２Ｂの延在方向とは同一であることが望ましい。さらに、金属層３１に形成された貫通スリット３１Ｂの周期と、金属層３２に形成された貫通スリット３２Ｂの周期とは同一であることが望ましい。さらに、金属層３１において貫通スリット３１Ａの延在方向と貫通スリット３１Ｂの延在方向は直交することが望ましく、金属層３２において貫通スリット３２Ａの延在方向と貫通スリット３２Ｂの延在方向は直交することが望ましい。図１７のその他の点は図１の光学特性評価装置１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１２６】
実施の形態１〜３による光学特性評価装置１〜３では、センサ部３０に照射される電磁波の偏光状態として、磁界の方向が貫通スリット３１Ａの延在方向（ｙ方向）であり、電界の方向がｙ方向に直交する平面（ｚｘ平面）内にある、いわゆるＴＭ（Transverse  Magnetic）偏光に実質的に限定されていた。これに対して、実施の形態４の光学特性評価装置４では、各金属層に互いに交差する２方向に延びた貫通スリットを設けることで、任意の偏光状態の電磁波を利用することができる。
【０１２７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２８】
１〜４  光学特性評価装置、１０，１０Ａ〜１０Ｃ  電磁波源、２０，２０Ａ〜２０Ｃ  検出器、３０，１３０  センサ部、３１，３２  金属層、３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ  貫通スリット、３３  保持体、５０  試料、７０  コンピュータ、８０  移動機構。
【図１】
2012185116.tif 000009
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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