(57)【要約】【課題】ロックインアンプを設けることなく、基準信号と検出信号の積からノイズ成分を除去したデータを得るための手段を提供する。【解決手段】直流成分検出装置１０は、平均化処理部１１、位相差検出部１３、および直流成分検出部１５を備える。平均化処理部１１は、基準信号Ｓａの基準周波数の逆数である変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化することにより平均化検出信号Ｓｃを生成する。位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとに基づいて、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差φを求める。直流成分検出部１５は、求められた位相差φに基づいて、検出信号Ｓｂと基準信号Ｓａとの積の直流成分Ｃｄを求める。【選択図】図２
2017058224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出装置であって、
基準信号は、基準周波数で強度が変動する信号であり、
検出信号は、基準周波数で繰り返し発生させられ検査対象領域を通過した電磁波の検出強度を示し、該検出強度が時間に対して変動する信号であり、
前記基準周波数の逆数である変動周期よりも短い時間区間毎に、前記検出信号の強度を時間で平均化することにより平均化検出信号を生成する平均化処理部と、
前記平均化検出信号と前記基準信号とに基づいて、前記平均化検出信号と前記基準信号との位相差を求める位相差検出部と、
求められた前記位相差に基づいて、前記検出信号と前記基準信号との積の直流成分を求める直流成分検出部と、を備える直流成分検出装置。
【請求項２】
前記基準信号と前記平均化検出信号との各々は、時間に対して強度が変動する波形を有し、
前記位相差検出部は、
前記基準信号の前記波形が前記変動の中心を通る時点を第１時点として特定し、
前記平均化検出信号の前記波形が前記変動の中心を通る時点を第２時点として特定し、
前記第１時点と前記第２時点との差を前記位相差として求める、請求項１に記載の直流成分検出装置。
【請求項３】
基準周波数に関する検出信号の振幅をＢとし、前記位相差をφとし、
前記基準信号の振幅Ａは既知であり又は直流成分検出部により特定され、前記振幅Ｂは前記直流成分検出部により特定され、
直流成分検出部は、前記振幅Ａと、前記振幅Ｂと、前記位相差φとに基づいて、−（ＡＢ／２）×ｃｏｓφを前記直流成分として求める、請求項１または２に記載の直流成分検出装置。
【請求項４】
基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出装置であって、
基準信号は、基準周波数で強度が変動する信号であり、
検出信号は、基準周波数で繰り返し発生させられ検査対象領域を通過した電磁波の検出強度を示し、該検出強度が時間に対して変動する信号であり、
ｎを正の整数とし、前記基準信号または前記検出信号の強度の変動周期をＴとし、
基準信号と検出信号との積をｎ×Ｔの時間にわたって積分した積分値を求め、該積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出部を備える直流成分検出装置。
【請求項５】
前記検出信号または前記基準信号に基づいて、前記基準信号または前記検出信号の強度の前記変動周期Ｔを特定する周期特定部を備え、
前記直流成分検出部は、特定された前記変動周期Ｔにｎ（ｎは正の整数）を乗じた時間ｎ×Ｔにわたって基準信号と検出信号との積を積分した積分値を求め、該積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める、請求項４に記載の直流成分検出装置。
【請求項６】
前記基準周波数の逆数である変動周期よりも短い時間区間毎に、前記基準信号または前記検出信号の強度を時間で平均化することにより、前記基準信号または前記検出信号の平均化信号を生成する平均化処理部を備え、
前記周期特定部は、前記平均化信号に基づいて、前記基準信号または前記検出信号の強度の前記変動周期Ｔを特定する、請求項５に記載の直流成分検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準周波数で強度が変動する基準信号と、基準周波数で繰り返し発生させられ検査対象領域を通過した電磁波の検出強度を示す検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波は、検査対象物の特性を求めることに利用できる。図１は、検査対象物の特性を求める従来の電磁波計測装置３０の概略構成例を示す。
【０００３】
電磁波計測装置３０は、基準信号生成部３１と、電圧印加部３３と、電磁波発生器３５と、電磁波検出器３７と、ロックインアンプ３９とを備える。
【０００４】
基準信号生成部３１は、基準周波数で強度が変化する基準信号を生成して出力する。この基準信号は、電圧印加部３３とロックインアンプ３９に入力される。
【０００５】
電圧印加部３３は、生成された基準信号に従って、基準信号の基準周波数で電磁波発生器３５に電圧を印加する。
【０００６】
電磁波発生器３５は、電圧印加部３３により印加された電圧の周波数で繰り返し電磁波（例えば、テラヘルツ波）を発生させる。発生した電磁波は、検査対象領域Ｒ内の検査対象物１を通過し、その後、電磁波検出器３７に入射する。
【０００７】
電磁波検出器３７は、検査対象物１から受けた電磁波の強度に応じた強度の検出信号を出力する。
【０００８】
ロックインアンプ３９は、電磁波検出器３７から出力された検出信号と、基準信号生成部３１から出力された基準信号を受ける。ここで、基準周波数ｆｓに対応する各周波数ωをω＝２πｆｓとし、検出信号における基準周波数ｆｓでの振幅をＢとし、基準信号がｓｉｎ（ωｔ−α）であるとする。この場合、検出信号は、Ｂｓｉｎ（ωｔ−β）と他の高周波ノイズ成分とを含む。ロックインアンプ３９は、検出信号と基準信号との積を生成し、この積をローパスフィルタに通すことにより、検出信号と基準信号との積の直流成分を出力する。なお、αとβは、各信号の位相を示す。
【０００９】
上述のロックインアンプ３９により、ノイズが除去された上記直流成分が得られる。この直流成分は、検出信号における基準周波数ｆｓでの振幅Ｂが大きいほど大きい値をとる。この直流成分を用いて、検査対象物１の特性（例えば検査対象物１の電磁波吸収率や欠陥など）が求められる。
【００１０】
このような電磁波計測装置は、例えば、下記の特許文献１に記載されている。特許文献１では、上述の電磁波は、テラヘルツ波であり、次のように、検査対象物の特性を求めている。上記基準信号と検出信号との積の直流成分は、時間領域分光法による各検出タイミングで得られる。得られた各タイミングの直流成分に基づいて、極端に短い時間範囲（例えば１０ｐｓのオーダの時間範囲）において、電磁波検出器が各時点で検出したテラヘルツ波の強度を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１３―９２４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、ロックインアンプは、高価でサイズが大きいため、ロックインアンプを用いなくても、ノイズが除去された検出信号の直流成分を得ることが望まれる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ロックインアンプを設けることなく、基準信号と検出信号の積からノイズ成分を除去したデータを得るための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、本発明の第１態様によると、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出装置であって、
基準信号は、基準周波数で強度が変動する信号であり、
検出信号は、基準周波数で繰り返し発生させられ検査対象領域を通過した電磁波の検出強度を示し、該検出強度が時間に対して変動する信号であり、
前記基準周波数の逆数である変動周期よりも短い時間区間毎に、前記検出信号の強度を時間で平均化することにより平均化検出信号を生成する平均化処理部と、
前記平均化検出信号と前記基準信号とに基づいて、前記平均化検出信号と前記基準信号との位相差を求める位相差検出部と、
求められた前記位相差に基づいて、前記検出信号と前記基準信号との積の直流成分を求める直流成分検出部と、を備える直流成分検出装置が提供される。
【００１５】
上述した本発明の第１態様による直流成分検出装置は、例えば以下のように構成される。
【００１６】
前記基準信号と前記平均化検出信号との各々は、時間に対して強度が変動する波形を有し、
前記位相差検出部は、
前記基準信号の前記波形が前記変動の中心を通る時点を第１時点として特定し、
前記平均化検出信号の前記波形が前記変動の中心を通る時点を第２時点として特定し、
前記第１時点と前記第２時点との差を前記位相差として求める。
【００１７】
基準周波数に関する検出信号の振幅をＢとし、前記位相差をφとし、
前記基準信号の振幅Ａは既知であり又は直流成分検出部により特定され、前記振幅Ｂは前記直流成分検出部により特定され、
直流成分検出部は、前記振幅Ａと、前記振幅Ｂと、前記位相差φとに基づいて、−（ＡＢ／２）×ｃｏｓφを前記直流成分として求める。
【００１８】
また、上述の目的を達成するため、本発明の第２態様によると、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出装置であって、
基準信号は、基準周波数で強度が変動する信号であり、
検出信号は、基準周波数で繰り返し発生させられ検査対象領域を通過した電磁波の検出強度を示し、該検出強度が時間に対して変動する信号であり、
ｎを正の整数とし、前記基準信号または前記検出信号の強度の変動周期をＴとし、
基準信号と検出信号との積をｎ×Ｔの時間にわたって積分した積分値を求め、該積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める直流成分検出部を備える直流成分検出装置が提供される。
【００１９】
上述した本発明の第２態様による直流成分検出装置は、例えば以下のように構成される。
【００２０】
上述の直流成分検出装置は、前記検出信号または前記基準信号に基づいて、前記基準信号または前記検出信号の強度の前記変動周期Ｔを特定する周期特定部を備え、
前記直流成分検出部は、特定された前記変動周期Ｔにｎ（ｎは正の整数）を乗じた時間ｎ×Ｔにわたって基準信号と検出信号との積を積分した積分値を求め、該積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号と検出信号との積の直流成分を求める。
【００２１】
上述の直流成分検出装置は、前記基準周波数の逆数である変動周期よりも短い時間区間毎に、前記基準信号または前記検出信号の強度を時間で平均化することにより、前記基準信号または前記検出信号の平均化信号を生成する平均化処理部を備え、
前記周期特定部は、前記平均化信号に基づいて、前記基準信号または前記検出信号の強度の前記変動周期Ｔを特定する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１の態様によると、次のように、ロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分を求めることができる。まず、平均化処理部は、基準周波数の逆数である変動周期よりも短い時間区間毎に検出信号の強度を時間で平均化する。これにより、ノイズが除去された検出信号を得ることができる。このようにノイズが除去された検出信号と基準信号とに基づいて、位相差検出部は検出信号と基準信号との位相差を求める。したがって、求めた位相差においてノイズの影響が除去されている。このような位相差に基づいて、直流成分検出部は検出信号と基準信号との積の直流成分を求めるので、ノイズの影響が除去された直流成分を得ることができる。したがって、Ｓ／Ｎ比を向上させるためのロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分を求めることができる。
【００２３】
本発明の第２の態様によると、次のように、ロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分を求めることができる。ｎを正の整数とし、基準信号または検出信号の強度の変動周期をＴとして、直流成分検出部は、基準信号と検出信号との積をｎ×Ｔの時間にわたって積分した値をｎ×Ｔで除する。これにより、基準信号と検出信号との積に含まれているノイズ成分（交流成分）が除去され、直流成分が得られる。すなわち、ノイズ成分が除去された、基準信号と検出信号との積の直流成分が得られる。したがって、Ｓ／Ｎ比を向上させるためのロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】検査対象物の特性を求める従来の電磁波計測装置の概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態による直流成分検出装置が適用された電磁波計測装置の構成を示す。
【図３】平均化処理部による処理の説明図である。
【図４】互いの時間軸を一致させた平均化検出信号と基準信号を示す。
【図５】本発明の第１実施形態による直流成分検出装置が適用されたテラヘルツ波計測装置を示す。
【図６】時間に対するテラヘルツ波の検出強度を示す。
【図７】本発明の第２実施形態による直流成分検出装置が適用された電磁波計測装置の構成を示す。
【図８】本発明の第２実施形態による直流成分検出装置が適用されたテラヘルツ波計測装置を示す。
【図９】他の実施形態による直流成分検出装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２６】
［第１実施形態］
図２は、本発明の第１実施形態による直流成分検出装置１０が適用された電磁波計測装置２０の構成を示す。電磁波計測装置２０は、検査対象物１の特性を求めるためのものである。
【００２７】
電磁波計測装置２０は、基準信号生成部３と、電圧印加部５と、電磁波発生器７と、電磁波検出器９と、直流成分検出装置１０とを備える。
【００２８】
基準信号生成部３は、基準周波数ｆｓで強度が変化する基準信号Ｓａを生成して出力する。図２の例では、この基準信号Ｓａは、電圧印加部５と直流成分検出装置１０に入力される。
【００２９】
電圧印加部５は、基準信号生成部３からの基準信号Ｓａに従って、基準信号Ｓａの基準周波数ｆｓで電磁波発生器７に電圧を印加する。
【００３０】
電磁波発生器７は、基準周波数ｆｓで繰り返し電磁波（例えばテラヘルツ波）を発生させる。図２の例では、電磁波発生器７は、電圧印加部５により基準周波数ｆｓで電圧が印加されることにより、基準周波数ｆｓで繰り返し電磁波を発生させる。すなわち、電磁波発生器７は、基準周波数ｆｓで強度が変動する電磁波を発生させる。発生した電磁波は、検査対象領域Ｒを通過し、その後、電磁波検出器９に入射する。すなわち、発生した電磁波は、検査対象領域Ｒ内の検査対象物１に入射して、図２のように検査対象物１を透過し、または、検査対象物１で反射される。検査対象物１を透過した電磁波、または、検査対象物１で反射された電磁波は、電磁波検出器９に入射する。
【００３１】
電磁波検出器９は、検査対象物１から受けた電磁波の強度に応じた強度の検出信号Ｓｂを出力する。電磁波検出器９は、電磁波発生器７において基準周波数ｆｓで繰り返し発生した電磁波を検査対象物１を介して受ける。したがって、電磁波検出器９が出力する検出信号Ｓｂの強度も基準周波数ｆｓで（例えば正弦的に）変動する。
【００３２】
直流成分検出装置１０は、上述の電磁波計測装置２０により基準周波数ｆｓで強度が変動する電磁波に検査対象領域Ｒを通過させる場合に、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとの積の直流成分Ｃｄを求める。基準信号Ｓａは、基準周波数ｆｓで強度が変動する信号である。検出信号Ｓｂは、基準周波数ｆｓで繰り返し発生させられ検査対象領域Ｒを通過した電磁波の検出強度を示し、この検出強度が時間に対して変動する信号である。
【００３３】
直流成分検出装置１０は、コンピュータ、電子回路またはこれらの組み合わせによって構成されてよい。
【００３４】
直流成分検出装置１０は、平均化処理部１１、位相差検出部１３、および直流成分検出部１５を備える。
【００３５】
平均化処理部１１は、基準周波数ｆｓの逆数である変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化することにより平均化検出信号Ｓｃを生成する。すなわち、このように平均化された検出信号が平均化検出信号Ｓｃである。
【００３６】
位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとに基づいて、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差φを求める。検出信号Ｓｂと平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａは、電流信号または電圧信号であってよい。
【００３７】
直流成分検出部１５は、求められた位相差φに基づいて、検出信号Ｓｂと基準信号Ｓａとの積の直流成分Ｃｄを求める。
【００３８】
以下、直流成分検出装置１０による処理を、より詳しく説明する。
【００３９】
図３は、平均化処理部１１による処理の説明図である。図３（Ａ）（Ｂ）において、横軸は経過時間を示し、縦軸は検出信号Ｓｂの強度を示す。図３（Ａ）のように、検出信号Ｓｂは、基準周波数ｆｓの逆数である変動周期Ｔで大きく変動しているが、この大きな変動には、高周波ノイズにより細かい変動が加えられている。平均化処理部１１は、基準信号Ｓａの強度の変動周期Ｔよりも短い時間区間Ｘｉ（ｉは正の整数）毎に、検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化することにより、図３（Ｂ）に示す平均化検出信号Ｓｃを生成して出力する。ここで、各時間区間Ｘｉは、好ましくは、基準信号Ｓａの強度の変動周期Ｔの１／８以下の時間区間である。
【００４０】
例えば、次のように平均化検出信号Ｓｃが求められる。平均化処理部１１は、各時間区間Ｘｉについて、検出信号Ｓｂの強度を、この区間Ｘｉの時間で平均した値を求める。次いで、平均化処理部１１は、図３（Ａ）のように横軸を時間とし縦軸を検出信号Ｓｂの強度とする２次元座標空間において、求めた各値を表わす各座標（すなわち、図３（Ｂ）の各黒丸）を通る曲線を、平均化検出信号Ｓｃとする。あるいは、平均化処理部１１は、求めた各値を表わす各座標と時間との関係を表わす近似式（すなわち、上記２次元座標空間での近似曲線）を、平均化検出信号Ｓｃとしてもよい。
【００４１】
例えば、位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの時間軸を一致させた状態で、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差φを求める。図４は、互いの時間軸を一致させた平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａを示す。すなわち、図４の横軸は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとに共有される同じ時間軸である。図４に示すように、基準信号Ｓａと平均化検出信号Ｓｃの各々は、時間に対して強度が変動する波形を有する。好ましくは、基準信号Ｓａと平均化検出信号Ｓｃの各々は、基準周波数ｆｓで振動する波形を有する。位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差として、図４に示す位相差φを求める。
【００４２】
具体的には次の通りである。
【００４３】
位相差検出部１３は、基準信号Ｓａの波形が上記変動（振動）の中心を通る時点を第１時点ｔ１として特定する。また、位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃの波形が変動（振動）の中心を通る時点を第２時点ｔ２として特定する。
【００４４】
例えば、位相差検出部１３は、基準信号Ｓａの最大値と最小値を特定し、基準信号Ｓａの値が、特定した最大値と最小値の平均値となる時点を上述の第１時点ｔ１として特定する。同様に、位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃの最大値と最小値を特定し、平均化検出信号Ｓｃの値が、特定した最大値と最小値の平均値となる時点を上述の第２時点ｔ２として特定する。ただし、平均化処理部１１は、次の条件を満たす第１時点ｔ１と第２時点ｔ２を特定する。
条件：第１時点ｔ１では、基準信号Ｓａの波形の傾き（基準信号Ｓａを時間で１回微分した値）が正となり、第２時点ｔ２では、平均化検出信号Ｓｃの波形の傾き（平均化検出信号Ｓｃを時間で１回微分した値）が正となる。
【００４５】
あるいは、位相差検出部１３は、基準信号Ｓａの波形の傾きが最大値をとる時点を上述の第１時点ｔ１として特定し、平均化検出信号Ｓｃの波形の傾きが最大値をとる時点を上述の第２時点ｔ２として特定してもよい。
【００４６】
次いで、位相差検出部１３は、第１時点ｔ１と第２時点ｔ２との差を位相差φとして求める。
【００４７】
図４の例では、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａの各々は、ゼロの強度を中心に周期Ｔで強度が変動するので、第１時点ｔ１は、基準信号Ｓａの強度がゼロとなる第１ゼロクロス時点であり、第２時点ｔ２は、平均化検出信号Ｓｃの強度がゼロとなる第２ゼロクロス時点である。
【００４８】
本実施形態では、基準信号Ｓａは、下記の式（１）で表わされる正弦波信号である。この場合、検出信号Ｓｂは、下記の式（２）で表わされるように、正弦波信号と、高周波ノイズ成分Ｃｎとを含む。この場合、基準信号Ｓａの強度の振幅をＡとし、基準周波数ｆｓに関する検出信号Ｓｂの振幅をＢとし、ω＝２πｆｓとし、位相差をφとすると、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂと、両者の積ＳａＳｂと、ＳａＳｂの直流成分Ｃｄは、次のように表される。
Ｓａ  ＝  Ａｓｉｎ（ωｔ−α）  ・・・（１）
Ｓｂ  ＝  Ｂｓｉｎ（ωｔ−β）  ＋  Ｃｎ・・・（２）
ＳａＳｂ  ＝  Ａｓｉｎ（ωｔ−α）×Ｂｓｉｎ（ωｔ−β）＋Ｃｎ’
＝  −（ＡＢ／２）×｛ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）｝＋Ｃｎ’  ・・・（３）
ＳａＳｂの直流成分Ｃｄ  ＝  −（ＡＢ／２）×｛ｃｏｓ（β−α）｝  ・・・（４）
【００４９】
したがって、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとの積ＳａＳｂは、直流成分Ｃｄとして−（ＡＢ／２）×ｃｏｓ（β−α）を有し、交流成分として（ＡＢ／２）×ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）と高周波ノイズ成分Ｃｎ’とを有する。
【００５０】
基準信号Ｓａの振幅Ａは既知である。あるいは、基準信号Ｓａは直流成分検出部１５にも入力され、直流成分検出部１５は、入力された基準信号Ｓａから基準信号Ｓａの振幅Ａを特定する。
直流成分検出部１５は、電磁波検出器９からの検出信号Ｓｂに基づいて、基準周波数ｆｓに関する検出信号Ｓｂの振幅Ｂを特定する。好ましくは、図２のように、直流成分検出部１５には、平均化処理部１１から平均化検出信号Ｓｃが入力され、直流成分検出部１５は、平均化処理部１１からの平均化検出信号Ｓｃに基づいて、平均化検出信号Ｓｃの振幅を、基準周波数ｆｓに関する検出信号Ｓｂの振幅Ｂとして特定する。
また、直流成分検出部１５には、位相差検出部１３から位相差φが入力される。ここで、φは、φ＝β−αで表わされる。
【００５１】
直流成分検出部１５は、既知の又は特定した振幅Ａと、特定した振幅Ｂと、位相差検出部１３からの位相差φとに基づいて、−（ＡＢ／２）×ｃｏｓφを直流成分Ｃｄとして求める。なお、振幅Ａは１であってもよい。
【００５２】
この直流成分Ｃｄの大きさは、電磁波検出器９が検出した電磁波の強度に比例するので、直流成分Ｃｄに基づいて、検査対象物１の特性を求めることができる。この特性は、例えば、電磁波の吸収率である。この場合、図２において検査対象領域Ｒに検査対象物１が存在しない状態で得られた直流成分Ｃｄの大きさに対する、検査対象領域Ｒに検査対象物１が存在する状態で得られた直流成分Ｃｄの大きさの比率を、検査対象物１による電磁波の吸収率として求めることができる。
【００５３】
図５は、本発明の第１実施形態による直流成分検出装置１０が適用されたテラヘルツ波計測装置２０を示す。
【００５４】
テラヘルツ波計測装置２０は、レーザ光源１７、基準信号生成部３、電圧印加部５、テラヘルツ波発生器７、ビームスプリッタ１９、遅延器２１、直流成分検出装置１０、およびデータ処理部２３を備える。
【００５５】
レーザ光源１７は、テラヘルツ波を発生させるためのレーザパルス光を出力する。本実施形態では、レーザ光源１７は、上述の基準周波数ｆｓよりも大幅に高い周波数（例えば１０ＭＨｚ）で繰り返しレーザパルス光を射出する。
【００５６】
ビームスプリッタ１９は、レーザ光源１７からのレーザパルス光を、テラヘルツ波発生器７に入射させる第１レーザパルス光と、テラヘルツ波検出器９に入射させる第２レーザパルス光とに分割する。
【００５７】
基準信号生成部３は、基準周波数ｆｓで強度が変化する基準信号Ｓａを生成して出力する。この基準信号Ｓａは、電圧印加部５と、直流成分検出装置１０の位相差検出部１３に入力される。基準周波数ｆｓは、例えば１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのオーダの周波数であり、一例では、１ｋＨｚ〜５００Ｈｚの範囲内の周波数である。
【００５８】
電圧印加部５は、基準信号生成部３からの基準信号Ｓａに従って、基準信号Ｓａの周波数でテラヘルツ波発生器７にバイアス電圧を印加する。
【００５９】
テラヘルツ波発生器７は、上述の電磁波発生器７に対応する。テラヘルツ波発生器７は、上述の基準周波数ｆｓで繰り返しテラヘルツ波を発生させる。本実施形態では、テラヘルツ波発生器７は、電圧印加部５から（例えば１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのオーダの基準周波数ｆｓの）バイアス電圧が印加された時に第１レーザパルス光を受けることにより、バイアス電圧の基準周波数ｆｓでテラヘルツ波を繰り返し発生させる。テラヘルツ波発生器７が発生させたテラヘルツ光は、検査対象物１に照射される。検査対象物１に照射されたテラヘルツ波は、図５のように検査対象物１を透過し、または、検査対象物１で反射する。検査対象物１を透過したテラヘルツ波、または、検査対象物１で反射したテラヘルツ波は、テラヘルツ波検出器９に入射する。テラヘルツ波は、光と電波の中間領域である約３μｍ〜約３ｍｍの範囲内の波長を有する電磁波である。
【００６０】
遅延器２１は、検査対象物１からの第１レーザパルス光がテラヘルツ波検出器９に入射するタイミングに対して、第２レーザパルス光がテラヘルツ波検出器９に入射するタイミング（以下、検出タイミングという）を変更して設定する。この変更は、例えば次の構成で行われる。遅延器２１は、図５の矢印Ａが示す方向に移動させられる光学系２１ａを有する。この光学系２１ａは、ビームスプリッタ１９からの第２レーザパルス光をテラヘルツ波検出器９側へ反射する。この光学系２１ａの移動により、検出タイミングが変更される。
【００６１】
テラヘルツ波検出器９は、遅延器２１により設定された検出タイミングで、検査対象物１からのテラヘルツ波を、基準周波数ｆｓで繰り返し検出し、この検出による検出信号Ｓｂを出力する。検出信号Ｓｂは、検出タイミングにおけるテラヘルツ波の強度を示し、その強度は、基準周波数ｆｓで繰り返し変動する。この検出信号Ｓｂは、上述した図３（Ａ）に示すように，ノイズが含まれた信号であってよく、強度の変動周期Ｔ（＝１／ｆｓ）を有する。
【００６２】
直流成分検出装置１０は、この検出信号Ｓｂを上述のように処理する。すなわち、直流成分検出装置１０の平均化処理部１１は、基準信号Ｓａの強度の変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化し、これにより生成された平均化検出信号Ｓｃを出力する。位相差検出部１３は、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとに基づいて、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差φを求める。直流成分検出部１５は、求められた位相差φに基づいて、検出信号Ｓｂと基準信号Ｓａとの積の直流成分Ｃｄを求める。直流成分検出装置１０による検出信号Ｓｂの処理の詳細は、上述と同じである。
【００６３】
直流成分検出装置１０の直流成分検出部１５は、上述の直流成分Ｃｄをデータ処理部２３へ出力する。
【００６４】
テラヘルツ波検出器９は、上述の検出信号Ｓｂを各検出タイミングについて出力する。各検出タイミングの検出信号Ｓｂが、直流成分検出装置１０において、上述のように処理される。これにより、直流成分検出装置１０において、各検出タイミングについて上述の直流成分Ｃｄが求められ、データ処理部２３に入力される。
【００６５】
データ処理部２３は、各検出タイミングについての上記直流成分Ｃｄに基づいて、時間（検出タイミング、すなわち、遅延器２１による遅延時間）に対するテラヘルツ波の検出強度を示す時系列データを生成する。図６は、この時系列データを示す。図６において、横軸は時間（検出タイミング）を示し、縦軸は上記直流成分Ｃｄの大きさを示す。図６において、各黒丸は、各検出タイミングについての上記直流成分Ｃｄを示す。
【００６６】
データ処理部２３は、生成した時系列データをフーリエ変換することにより、時系列データの各周波数成分（スペクトル）を検査対象物１の特性データとして求める。
【００６７】
本発明の第１実施形態によると、次のように、Ｓ／Ｎ比を向上させるために従来用いられていたロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分Ｃｄを求めることができる。
上述の変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化する。これにより、ノイズが除去された検出信号Ｓｂを得ることができる。このようにノイズが除去された検出信号（平均化検出信号Ｓｃ）と基準信号Ｓａとに基づいて、平均化検出信号Ｓｃと基準信号Ｓａとの位相差φを求める。したがって、求めた位相差φにおいてノイズの影響が除去されている。このような位相差φに基づいて検出信号Ｓｂと基準信号Ｓａとの積の直流成分Ｃｄを求めるので、ノイズの影響が除去された直流成分Ｃｄを得ることができる。したがって、Ｓ／Ｎ比を向上させるためのロックインアンプを設けることなく、ノイズ成分が除去された直流成分Ｃｄを求めることができる。
【００６８】
また、上述のように、第１実施形態の直流成分検出装置１０をテラヘルツ波計測装置２０に適用した場合には、遅延器２１により設定された各検出タイミングについて得た直流成分Ｃｄから、時間に対するテラヘルツ波の検出強度を示す時系列データを得る。各直流成分Ｃｄにおいても上述のようにノイズ成分が除去されているので、高価なロックインアンプを用いることなく高精度な時系列データが得られる。
【００６９】
［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態による直流成分検出装置１０が適用された電磁波計測装置２０の構成を示す。電磁波計測装置２０は、検査対象物１の特性を求めるためのものである。
【００７０】
電磁波計測装置２０は、基準信号生成部３と、電圧印加部５と、電磁波発生器７と、電磁波検出器９と、直流成分検出装置１０とを備える。
第２実施形態において、基準信号生成部３、電圧印加部５、電磁波発生器７、および電磁波検出器９は、それぞれ、第１実施形態における基準信号生成部３、電圧印加部５、電磁波発生器７、および電磁波検出器９と同じであるので、その説明を省略する。
また、第２実施形態において基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂも、第１実施形態の基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂと同じであるので、その説明を省略する。
【００７１】
なお、第２実施形態の電磁波計測装置２０において以下で説明しない点は、第１実施形態の電磁波計測装置２０と同じである。
【００７２】
第２実施形態による直流成分検出装置１０は、平均化処理部２５、周期特定部２７、および直流成分検出部２９を備える。
【００７３】
平均化処理部２５は、基準周波数ｆｓの逆数である変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化することにより、基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂの平均化信号Ｓｄを生成する。そのために、平均化処理部２５には、基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂ（図７では基準信号Ｓａ）が入力される。平均化処理部２５による平均化の処理は、第１実施形態における平均化処理部１１による平均化の処理と同じである。上述のように基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂの強度を時間で平均化した信号を、以下において平均化信号Ｓｄと呼ぶ。好ましくは、平均化処理部２５は、図３のように上記時間区間Ｘｉ毎に基準信号Ｓａの強度を時間で平均化することにより、基準信号Ｓａの平均化信号Ｓｄを生成する。
【００７４】
周期特定部２７は、平均化信号Ｓｄに基づいて、基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂ（すなわち、平均化信号Ｓｄ）の強度の変動周期Ｔを特定する。周期特定部２７は、特定した変動周期Ｔを出力する。
【００７５】
なお、第２実施形態において、平均化処理部２５を省略してもよい。この場合には、周期特定部２７は、基準信号Ｓａまたは検出信号Ｓｂ（好ましくは、基準信号Ｓａ）に基づいて、基準信号Ｓａの強度の変動周期Ｔを特定し、特定した変動周期Ｔを出力する。
【００７６】
直流成分検出部２９には、電磁波検出器９から出力された検出信号Ｓｂと、基準信号生成部３から出力された基準信号Ｓａと、周期特定部２７から出力された変動周期Ｔとが入力される。
直流成分検出部２９は、入力された基準信号Ｓａと入力された検出信号Ｓｂとの積を、入力された変動周期Ｔのｎ倍（ｎは正の整数）の期間にわたって積分した積分値を求める。この積分値には、交流成分が含まれない。したがって、この積分値は、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとの積の直流成分ＣｄにｎＴを乗じた値となる。例えば、基準信号Ｓａの強度の振幅をＡとし、検出信号Ｓｂの基準周波数ｆｓの変動振幅をＢとし、上記位相差をφとした場合に、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとが第１実施形態で説明した上述の式（１）（２）の場合には、両者の積ＳａＳｂは、第１実施形態で説明した上述の式（３）で表わされる。したがって、積ＳａＳｂを時間ｎＴにわたって積分すると、積ＳａＳｂの交流成分が無くなり、この積分値はＳａＳｂの直流成分ＣｄにｎＴを乗じた値となる。
【００７７】
したがって、直流成分検出部２９は、上記積分値を時間ｎＴで割ることにより積ＳａＳｂの直流成分Ｃｄを求める。
【００７８】
図８は、本発明の第２実施形態による直流成分検出装置１０が適用されたテラヘルツ波計測装置２０を示す。なお、第２実施形態のテラヘルツ波計測装置２０において以下で説明しない点は、第１実施形態のテラヘルツ波計測装置２０と同じである。
【００７９】
テラヘルツ波計測装置２０は、レーザ光源１７、基準信号生成部３、電圧印加部５、テラヘルツ波発生器７、ビームスプリッタ１９、遅延器２１、テラヘルツ波検出器９、直流成分検出装置１０、およびデータ処理部２３を備える。
【００８０】
直流成分検出装置１０の直流成分検出部２９は、基準信号生成部３からの基準信号Ｓａと、テラヘルツ波検出器９からの検出信号Ｓｂとの積を、周期特定部２７から入力された変動周期Ｔのｎ倍（ｎは正の整数）の期間にわたって積分した積分値を求め、この積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとの積の直流成分Ｃｄを求めて出力する。
【００８１】
テラヘルツ波検出器９は、第１実施形態と同様に、上述の検出信号Ｓｂを、各検出タイミングについて出力する。各検出タイミングの検出信号Ｓｂが、直流成分検出装置１０において、上述のように処理される。これにより、直流成分検出装置１０において、各検出タイミングについて上述の直流成分Ｃｄが求められ、各検出タイミングの直流成分Ｃｄがデータ処理部２３に入力される。
【００８２】
データ処理部２３は、各検出タイミングについての上記直流成分Ｃｄに基づいて、時間に対するテラヘルツ波の検出強度を示す時系列データを生成する。データ処理部２３は、生成した時系列データをフーリエ変換することにより、時系列データの各周波数成分（スペクトル）を検査対象物１の特性データとして求める。
【００８３】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の他の実施形態１〜４のいずれかを単独で採用してもよいし、他の実施形態１〜４の複数を任意に組み合わせて採用してもよい。この場合、以下で説明しない点は上述と同じである。
【００８４】
（他の実施形態１）
図９は、他の実施形態１による直流成分検出装置１０を示す。
上述の第１実施形態において、直流成分検出装置１０は、図９のように基準信号Ｓａを平均化する平均化処理部１２をさらに有していてもよい。平均化処理部１２は、基準周波数ｆｓの逆数である変動周期Ｔよりも短い時間区間毎に、基準信号Ｓａの強度を時間で平均化する。これにより基準信号Ｓａのノイズ成分が除去される。
【００８５】
平均化処理部１２が基準信号Ｓａに対して行う平均化処理は、平均化処理部１１が検出信号Ｓｂに対して行う平均化処理と同じである。位相差検出部１３は、平均化処理部１１により平均化された検出信号Ｓｂと、平均化処理部１２により平均化されてノイズ成分が除去された基準信号Ｓａとの位相差φを求める。したがって、ノイズ成分が除去された位相差φが求められる。この位相差φは、直流成分検出部１５に入力される。
【００８６】
（他の実施形態２）
上述の第１実施形態と第２実施形態において、電磁波検出器９が発生させる電磁波は、テラヘルツ波に限定されない。例えば、電磁波検出器９が発生させる電磁波は、約８００ｎｍ〜約１ｍｍの範囲内の波長を有する赤外線、または、約１ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲内の波長を有する紫外線であってもよい。ここで、赤外線は、波長が約４μｍ〜約１ｍｍの遠赤外線であってもよいし、波長が約２．５μｍ〜約４μｍの中赤外線であってもよいし、波長が、約８００ｎｍ〜約２．５μｍの近赤外線であってもよい。
【００８７】
（他の実施形態３）
上述の第２実施形態において、基準信号Ｓａの変動周期Ｔ（すなわち、基準周波数ｆｓの逆数）が既知であってもよい。この場合、周期特定部２７と平均化処理部２５は省略され、直流成分検出部１５は、入力された基準信号Ｓａと入力された検出信号Ｓｂとの積を、既知の変動周期Ｔのｎ倍（ｎは正の整数）の期間にわたって積分した積分値を求め、この積分値をｎ×Ｔで除することにより、基準信号Ｓａと検出信号Ｓｂとの積の直流成分Ｃｄを求める。
【００８８】
（他の実施形態４）
上述の第１実施形態および第２実施形態の電磁波計測装置（テラヘルツ波計測装置）２０では、基準信号生成部３は基準信号を電圧印加部５に出力していたが、他の構成の電磁波計測装置（テラヘルツ波計測装置）にも本発明を適用できる。
この場合、例えば、基準信号生成部３は基準信号Ｓａを電圧印加部５に出力しなくてもよい。つまり、電磁波発生器７が電磁波（テラヘルツ波）を基準周波数ｆｓで繰り返し発生させる場合に、基準信号生成部３は、この繰り返し周波数（基準周波数ｆｓ）と同期した（すなわち、基準周波数ｆｓで強度が変動する）基準信号Ｓａを直流成分検出装置１０へ出力すればよい。
【００８９】
例えば、光チョッパにより、レーザ光源１７からのレーザ光を、基準周波数ｆｓで繰り返しテラヘルツ波発生器７に入射させる場合には、基準信号生成部３は、光チョッパの動作周波数（すなわち、基準周波数ｆｓ）に同期した基準信号Ｓａを直流成分検出装置１０へ出力する。また、この場合、電圧印加部５は、テラヘルツ波発生器７に時間に対して値が変動しない直流電圧をテラヘルツ波発生器７に印加してよい。
【符号の説明】
【００９０】
１  検査対象物、３  基準信号生成部、５  電圧印加部、７  電磁波発生器（テラヘルツ波発生器）、９  電磁波検出器（テラヘルツ波検出器）、１０  直流成分検出装置、１１  平均化処理部、１２  平均化処理部、１３  位相差検出部、１５  直流成分検出部、１７  レーザ光源、１９  ビームスプリッタ、２０  電磁波計測装置（テラヘルツ波計測装置）、２１  遅延器、２１ａ  光学系、２３  データ処理部、２５  平均化処理部、２７  周期特定部、２９  直流成分検出部、ｆｓ  基準周波数、Ｒ  検査対象領域、Ｓａ  基準信号、Ｓｂ  検出信号、Ｓｃ  平均化検出信号、Ｓｄ  平均化信号、Ｃｄ  直流成分、Ｃｎ，Ｃｎ’  高周波ノイズ成分
【図１】
2017058224.tif 000003
【図２】
2017058224.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017058224.tif 000008
【図７】
2017058224.tif 000009
【図８】
2017058224.tif 000010
【図９】
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