(57)【要約】  本発明は、テラヘルツパルスから、空間的におよび時間的に分離される、明白な時間・空間関係を有するテラヘルツサブパルスを生成する方法であって、かつ、ＴＨｚ時間領域分光法を用いて、空間分解計測の可能性を開く方法に関する。本発明は、さらに、この方法を実現するための計測装置であって、この種のＴＨｚサブパルスを生成するために本発明の光学系を備えた時間領域分光計を備えた計測装置と、この種の計測装置を少なくとも１つ備えたモジュール式に構築された計測システムとに関する。本発明は、さらに、この方法と、この計測装置と、この計測システムとを、欠陥認識と欠陥局所化とのために、とりわけ、連続的な産業製造において、ベルト状のエンドレス製品（例えば、紙およびプラスチックレーンなど）を、テラヘルツ領域の電磁線を用いて非破壊でインライン品質管理するために使用することに関する。
2017506753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＨｚ光路中に配置可能な試料（１３）の空間分解検査に適したＴＨｚ時間領域分光方法であって、
光学ポンプパルス（１’、１’’、１’’ ’、…）の列（１）と、該列と相関する光学プローブパルス（２’、２’’、２’’’、…）の列（２）とが生成され、その結果、双方の列（１、２）からのそれぞれ１つのパルスが、計測されるべき時間領域Ｔに渡ってチューニングされる規定の時間遅延を備えたパルス対（１’、２’；１’’、２’’；１’’’、２’’’；…）を形成し、前記光学ポンプパルス（１’、１’’、１’’’、…）の列（１）が、該列と相関するＴＨｚパルス（３’、３’’、３’’’、…）の列（３）を生成する方法において、
（i）前記ＴＨｚパルス（３’、３’’、３’’’、…）の列（３）のＴＨｚパルスは、第１のビーム形成にかけられ、
（ii）形成されたＴＨｚパルス（３’、３’’、３’’’、…）は、Ｎ≧２の数のＴＨｚサブパルス（３’１、３’２、…、３’Ｎ；３’’１、３’’２、…、３’’Ｎ；３’’’１、３’’’２…、３’’’Ｎ；…）の群に分解され、同じ群のＮ個の前記ＴＨｚサブパルスが、Ｎ個の空間的に分離された光路上を移動し、Ｎ個の空間的に分離された光路と相関する、Ｎ個の規定の時間のずれが得られ、その結果、前記ＴＨｚサブパルスは、Ｎ個の部分列（３’１、３’’１、３’’’１、…；３’２、３’’２、３’’’２、…；３’Ｎ、３’’Ｎ、３’’’Ｎ、…）を形成し、前記部分列が、Ｎ個の空間的に分離された光路上を移動し、各部分列は、各群からのまさに１つのＴＨｚサブパルスを含み、
（iii）前記ＴＨｚサブパルス（３’１、３’２、…、３’Ｎ；３’’１、３’’２、…、３’’Ｎ；３’’’１、３’’’２…、３’’’Ｎ；…）は、第２のビーム形成にかけられ、前記ＴＨｚサブパルスは、その時間のずれを維持しつつ、空間的にシリアルに結び付けられ、
（iv）Ｎ個の部分列（３’１、３’’１、３’’’１、…；３’２、３’’２、３’’’２、…；３’Ｎ、３’’Ｎ、３’’’ Ｎ、…）中の、前記時間領域Ｔ中でシリアルに配置されている前記ＴＨｚサブパルスのＮ個の波形は、前記光学プローブパルス列（２）のパルス（２’、２’’、２’’’、…）を用いて、時間領域Ｔ中でサンプリングされることにより、計測されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記工程（i）において、前記ＴＨｚパルスのコリメートを行うビーム形成が行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｎ個の空間的に分離された光路は、互いに対して平行に、ある方向でずれている、または、前記Ｎ個の空間的に分離された光路は、互いに対して平行に、２つの様々な方向にずれていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
請求項の１、２または３のいずれか１項に記載の方法の工程（i）〜（iii）を実現するための光学系（２０）において、
ＴＨｚ送信アンテナ（１２）から放射されたＴＨｚパルス（３’、３’’、３’’’、…）の列を形成、好ましくはコリメートする第１ビーム形成部品（２１）と、
該ＴＨｚパルスを、空間的に分離された光路上を移動しかつ規定の時間的にずらされたＮ個のＴＨｚサブパルスに分解するために、様々な路長のＮ≧２個の部分を備えたビーム遅延部品（２２）と、
前記ＴＨｚサブパルスを受信アンテナ（１２）上に合焦するための第２ビーム形成部品（２３）であって、前記第１ビーム形成部品（２１）と前記第２ビーム形成部品（２２）との間に、試料（１３）が配置可能である第２ビーム形成部品（２３）と、を備えることを特徴とする光学系（２０）。
【請求項５】
前記ビーム遅延部品（２２）は、透過性の部品（２２ａ）として、Ｎ個の段を有する段状楔の形状で、前記ＴＨｚ光路に対して傾斜した、好ましくは垂直に向けられた線または面に沿って分布していて、周辺の屈折率ｎＵとは異なる屈折率ｎを備えた、ＴＨｚ線を透過させる材料からなるように実施されていて、前記形成されたＴＨｚ光路を、異なる光学路長を有するＮ個の空間的に分離された光路に分けることを特徴とする請求項４に記載の光学系（２０）。
【請求項６】
前記ビーム遅延部品（２２）は、反射性の部品（２２ｂ）として、Ｎ個の段を有するＴＨｚ線を反射する段状楔の形状で、ＴＨｚ光路に対して傾斜した、好ましくは小さい入射角度αだけＴＨｚ光路に対して傾斜した線または面に対して配置されていて、または、この種の線または面に沿って配置されているＮ個のミラーの形状で、前記ミラーの反射面は、異なる高さ分だけ、段状に前記線または面に対してずれているように実施されていて、前記形成されたＴＨｚ光路を、方向転換させ、異なる幾何学的な路長を有するＮ個の空間的に分離された光路に分割することを特徴とする請求項４に記載の光学系（２０）。
【請求項７】
前記ビーム形成部品（２１、２３）は、ＴＨｚレンズ（２１ａ、２３ａ）として、または、ＴＨｚミラー（２１ｂ、２１ｂ’、２３ｂ、２３ｂ’）として実施されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の光学系（２０）。
【請求項８】
請求項１、２または３のいずれか１項に記載の方法を実施する計測装置であって、
任意の公知の実施形態中に存在しうるＴＨｚ時間領域分光計（１０）を具備し、前記分光計は、
（i）１つのｆｓレーザ（１５）と、ビームスプリッタ（１６）と、遅延路（１７）とを備え、
（ii）ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計として、２つの互いに離調されたｆｓレーザ（１５、１５ａ）として、
（iii）ＥＳＣＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計として、
（iv）ＯＳＣＡＴ−ＴＨｚ時間領域分光計として、実施形態に含み、
さらに、光学ポンプパルス（１’、１’’、１’’’、…）の列（１）と、該列と相関する光学プローブパルス（２’、２’’、２’’’、…）の列（２）とを生成する装置と、
前記光学ポンプパルスの列（１）により駆動可能であり、前記光学ポンプパルス（１’、１’’、１’’’、…）の列（１）と相関するＴＨｚパルス（３’、３’’、３’’’、…）の列（３）を生成可能であるＴＨｚ送信アンテナ（１１）と、
前記ＴＨｚパルスの伝搬方向で配置されていて、前記光学プローブパルスの列（２）により切り替え可能で、入ってくるＴＨｚパルスの波形をサンプリング可能であるＴＨｚ受信アンテナ（１２）と、
前記サンプリングされた波形を再構成、記憶および分析するための計測、制御および評価電子系（１４）と、を有する計測装置において、
前記ＴＨｚ送信アンテナ（１１）と、前記ＴＨｚ受信アンテナ（１２）との間に、請求項４〜７のいずれか１項に記載の光学系（２０）が配置されていることを特徴とする計測装置。
【請求項９】
前記光学系（２０）の部品は、部分的にまたは完全に、前記ＴＨｚ送信アンテナ（１１）および／または前記ＴＨｚ受信アンテナ（１２）中に統合されていることを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の複数の計測装置を有し、前記計測装置が、平行に直接並んで配置されていて、同時に作動可能であることを特徴とする計測システム。
【請求項１１】
巨大技術で製造される製品の迅速な空間分解で非破壊での品質管理をするための、請求項１、２または３のいずれか１項に記載の方法、および／または、請求項８または９に記載の計測装置、および／または、請求項１０に記載の計測システムの使用。
【請求項１２】
前記計測装置または前記計測システム中に入って通過する紙および／またはプラスチックのエンドレスレーンのインライン欠陥認識を行うことを特徴とする請求項１１に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ時間領域分光法用の方法、光学系、計測装置および計測システムに関する。本発明は、テラヘルツ時間領域分光法を用いて、空間分解された検査を実施する可能性を開く。この方法、計測装置および計測システムは、空間的に広がる試料中で単純に欠陥認識を行うため、とりわけ、ベルト状のエンドレス製品（例えば、紙およびプラスチックレーンなど）の連続的な産業上の製造において、テラヘルツ領域の電磁線を用いて非破壊でインライン品質管理するために採用可能である。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ線（以下では、略してＴＨｚ線と称する）とは、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数領域、好適には０．２ＴＨｚ〜５ＴＨｚの周波数領域の電磁線を指す。非極性の材料、例えば、紙および多くの多数のポリマー（この中には、大量生産品である、ポリエチレン（ＰＥ）およびポリプロピレン（ＰＰ）が含まれる）は、ＴＨｚ領域中で高い透過性を有し、一方で極性分子（例えば、Ｈ２Ｏ）は．テラヘルツ線を激しく吸収し、この際、この吸収は、特徴的な周波数依存性を有する。
【０００３】
多くの新しい産業計測および試験方法は、従って、ＴＨｚ領域での分子の励起を利用する。この適用範囲は、試料中の水含有量の計測という単純な計測（このためには、単色のＴＨｚ線で十分である）から、広帯域のＴＨｚ線を用いたＴＨｚ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ＝ＴＨｚ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた、異物の識別および濃度計測までに至る。
【０００４】
産業上でルーチンとしての採用を制限しているのは、産業上適したＴＨｚアンテナのコストが高い点であり、これは、現在１品当たり約７，０００ＥＵＲもする。
【０００５】
ベルトコンベヤ上で製造される製品を、ＴＨｚ線を用いて非破壊監視するための従来の解決方法には、製品幅に渡る計測スポットの走査が含まれる。しかし、１つのＴＨｚアンテナ対（送信アンテナおよび受信アンテナ）のみを用いたこの種の計測方法は、これがシリアルな経過をたどるがゆえにインラインプロセス制御用には遅すぎる。従って、多数のＴＨｚアンテナ対からなるアレイを採用するか（これは、是認できないほどの高いコストを伴う）、または、走査方法を適用する場合に、重要なパラメータ（計測スポットの数、スペクトル分解能および／または信号ノイズ比）をより多く削減することが必要である。さらに、走査時に可動である部品、例えばｘ−ｙ変位台または方向転換ミラーが不可欠であり、これにより、計測システムのノイズが起こりやすくなる。走査方法にとって適切である公知のＴＨｚ時間領域分光計１０を、図１ａに示す。この分光計はフェムト秒レーザ（ｆｓレーザ）１５を有し、このｆｓレーザは、繰り返し数ｆｒｅｐの光学出力パルス列０を生成し、この際、ｆｒｅｐは、典型的には１００ＭＨｚの範囲にある。後続のビームスプリッタ１６は、光学出力パルス列０から、２つの互いに相関し合う光学ポンプパルス列１と、光学プローブパルス列２とを生成する。遅延路１７によって、双方の列の互いに関連し合うパルス間の遅延時間、すなわち、同じ出力パルスに由来しかつ（１つのパルス対を形成する）パルス間の遅延時間が、規定のステップで、確定される時間間隔に渡って、例えば０から４０ｐｓまでにチューニングされ（これにより光学プローブパルス列２が繰り返し数ｆｒｅｐ−Δｆを得る）、かつ元に戻される（これにより光学プローブパルス列２が繰り返し数ｆｒｅｐ＋Δｆを得る）。Δｆは、典型的には、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚである。光学ポンプパルス列１は、ＴＨｚ送信アンテナ１１に導かれ、ここで、このアンテナは、ＴＨｚパルス列３を引き起こし、このパルス列３は、（ここでは、４つの軸外の放物面ミラー１８ｂからなる）光学系により合焦され、その後ＴＨｚ受信アンテナ１２に向けられ、そこで、平坦な方向転換ミラー１８を介して、これも同様にＴＨｚ受信アンテナに向けられる光学プローブパルスにより、サンプリング方法でサンプリングされる。制御・計測および評価電子系１４は、ＴＨｚ送信アンテナ１１に、バイアス電圧ＵＢｉａｓをかけ、感度の高い電流計Ｉを用いてＴＨｚ受信アンテナ１２で登録される信号を計測する。合焦時には、好ましくは、ＴＨｚ線方向ｚに垂直の方向で配向されたｘ−ｙ変位台１９上で、平面状の広げられた試料１３が配置可能である。試料１３は、ｘおよびｙ方向に移動することにより、時間のかかる走査方法で、ＴＨｚ線で空間分解で検査されうる。第２の時間のかかる部品は、遅延路１７である。とりわけ機械的な遅延路が利用される場合、ＴＨｚ−ＴＤＳ計測に非常に時間が必要になる。
【０００６】
図１ｂ中で概略図示された公知の解決方法では、ＴＨｚ時間領域分光計中で遅延路１７が省略可能になっているが、これは、非同期光サンプリング法（Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓａｍｐｌｉｎｇ（ＡＳＯＰＳ））で、光学ポンプおよびプローブパルスの互いに相関し合う列１および列２が、制御・計測および評価電子系１４を用いて同期化された２つのｆｓレーザ１５、１５ａにより生成されるが、この場合に、ｆｓレーザ１５の繰り返し数ｆ１が、ｆｓレーザ１５ａの繰り返し数ｆ２よりもΔｆ分だけ大きい。従って、プローブパルスが、続くポンプパルスと重なるように遅延されている限り、連続するパルス対のポンプパルスとプローブパルスとの間の時間遅延は、線形でより大きくなる。これにより、時間遅延は、０にリセットされ、新たなサンプリングプロセスが開始する。この方法により、ノイズを受けやすい機械部品を省くことが可能になるが、しかし、本質的な欠点がある。第１の欠点は、ｆｓレーザが２つ必須であるという点であり、これにより、機器のコストが上昇してしまう。さらなる欠点は、この方法により、計測されるべき時間領域が非常に長いとの点である。この時間領域は、ｆｓレーザ１５の繰り返し期間τ１＝１／ｆ１により決められる。繰り返し数が典型的なｆ１＝１００ＭＨｚの場合には、検出されるべき時間領域が１０ｎｓになるが、この時間領域は、しかし、その前方の約５０ｐｓの長さの時間領域の部分（全時間領域の０．５％の割合に相当する）中に、評価可能な情報を含む。（約１ＧＨｚという非常に高い繰り返し数のｆｓレーザを使用した）いわゆる高速ＡＳＯＰＳの場合も、１ｎｓの長さの時間領域の９５％は、評価可能な情報を含有していない。この欠点を除去するために、より高い繰り返し数（例えば１０ＧＨｚ）の非常に高価値のｆｓレーザを用いることが可能であるが、これは、コストが高くなるがゆえに経済的ではない。したがって、利用可能な時間領域をより良く利用することができる代替的な解決方法が必要とされる。これ以外の点では、図１ｂ中の装置の構造および作用は、図１ａの構造および作用に相当し、軸外の放物面ミラー１８ｂの代わりに２つのＴＨｚレンズ１８ｃのみがＴＨｚ線を合焦させるために選択されている。この場合も、変位台１９上の試料１３は、光路中に入れられ、ｘ−ｙ面中で走査される。
【０００７】
ＴＨｚレンズ１８ｃを、レンズ間でビームがコリメートされて導かれるようなレンズと置き換えるとの可能性がある（図１ｂ中で点線で示唆）。適切な絞りを採用することにより、点状に合焦する計測スポットの代わりに、試料のｘ方向での全広がりに渡って伸張する計測線ＭＬが得られうる。（図１ａ中の配置もこのように修正可能である。）ＴＨｚ計測は、この場合、全計測線ＭＬに渡って統一的に実行可能である。試料の走査は、従ってｙ方向にのみ必須であり、これにより計測速度は劇的に高められる。ｘ方向での走査は、もはや必要ではなく、意義もない。しかし、図１ｃ中の空間・時間図式で具体的に示しているように、この種の配置ではｘ方向での空間分解計測が全く可能ではないことが明らかになる。試料のｘ方向での全広がりに渡って伸張する計測領域（図１ｃ中では、仮定的に４つの計測スポットＭ１〜Ｍ４に分割していて、これらは、４つの試料部分Ｐ１〜Ｐ４に割り当てられている）は、ＴＨｚパルス列３で照射される。長さτ１で繰り返し期間τｒｅｐ（ないし、τ１）のＴＨｚパルス３’、３’’、…は、全ての試料部分Ｍ１〜Ｍ５に渡って広がっているが、これにより、ｘ方向での空間分解計測が排除される。従って、この配置は、この形態では、計測速度が上昇するにも拘わらず、重要な実地での採用の場合、例えばＴＨｚ結像を用いたインライン材料試験では、使用できない。ｘ方向での空間分解が欠如しているという欠点を取り除くことができる場合には、これは、技術的に非常に大きな重要性が得られる。
【０００８】
単一のＴＨｚ送信受信アンテナ対を使用した、迅速なＴＨｚ結像を可能にする公知の解決方法は、ＥＰ２５０５９８６Ａ１中に記載されている。この文献中では、ＴＨｚ送信器により導き出された「白い」ＴＨｚ線は、反射格子を通ってスペクトル分解され、空間的に広げられた試料に沿って伸張している合焦ライン上に投射される。従って、周波数ｆと空間ｘとの間に一意的な関係ｆ（ｘ）が発生する。試料を通り過ぎた後に、スペクトル分解は、第２反射格子を通って相殺され、今や試料に関する情報（吸収係数、屈折率）を含有し、透過したＴＨｚ線は、ＴＨｚ受信器に向けられる。この解決方法は、スペクトルから空間へ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ−ｔｏ−Ｓｐａｃｅ）とのアプローチとしても公知であるが（エス・シューマン他著、スペクトルから空間へ変換される迅速なテラヘルツ結像、オプティカル  エクスプレス  ２０号、１９２００〜１９２０５頁（２０１２年））、この方法も、以下の本質的な欠点を有する。
【０００９】
入射するＴＨｚ線の周波数は、焦点線に沿って連続的に変化するが、この焦点線の様々な点には、様々な周波数の単色のＴＨｚ線が当てられる。例えば、この周波数は、焦点線のある一端で、０．３ＴＨｚであり、他端で０．５ＴＨｚである。様々な周波数の単色のＴＨｚ線を用いたこの種の検査は、この周波数領域中で、試料の吸収係数および屈折率がほぼ一定である場合にのみ有意義である。そうではない場合、コスト高である画像修正が必須となる。より本質的であるのは、焦点線の個々の点は、離散周波数でのみ検査されるので、スペクトル情報が得られないという欠点である。したがって、異物の組成を識別するために利用されうる分光分析は可能ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、上述の段落で示された従来技術の欠点を解決することである。
【００１１】
スペクトルから空間へ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ−ｔｏ−Ｓｐａｃｅ）とのアプローチの欠点となる周波数・空間変換を回避するが、その高い計測速度を維持した空間分解ＴＨｚ時間領域分光法を可能にする方法を示しうる。
【００１２】
さらに、この方法を実現する、ＴＨｚ時間領域分光計を備えた計測装置を示すことができ、これにより、単一のＴＨｚ送信受信アンテナ対を使用して、空間分解計測、すなわち、（ほぼ１次元の）試料ストライプに沿った計測、または、２次元の試料領域中にある、空間的に分離された複数の計測スポットにおける計測が、広帯域の（「白い」）ＴＨｚ線でもって可能になり、その結果、各計測スポットにおいて、試料の完全なＴＨｚスペクトルが記録可能になる。この計測装置は、ＴＨｚ時間領域分光計の任意の実施形態を用いて実現可能であるべきである。とりわけ、ここでは、ｆｓレーザと遅延路とを備えた広く普及しているＴＨｚ時間領域分光計、および、遅延路を必要としない全ての形態のＴＨｚ時間領域分光計を挙げることができるが、これには、
従来技術中で挙げられたＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計であって、検出されるべき時間領域を何倍にも改良して利用が達成されるはずのＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計と、
ＥＳＣＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計（電気制御光学サンプリング（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ））と、
ＯＳＣＡＴ−ＴＨｚ時間領域分光計（空洞同調による光学サンプリング（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｂｙ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｔｕｎｉｎｇ））と、が挙げられる。
【００１３】
この種の方法およびこの種の計測装置は、好ましくは複数のこの種の計測装置を備えたモジュール式で構築された計測システムに拡張され、とりわけ巨大技術で製造される製品の迅速なインライン試験において、とりわけ通過する紙およびプラスチックレーンの欠陥認識において、とりわけ幅の広いレーンの試験において、経済的に有意義に適用される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、本発明によれば、以下により解決される。
（i）ＴＨｚ光路中に配置されている試料を、ＴＨｚ時間領域分光法を用いて検査する請求項１、２または３に記載の方法であって、この方法は、ＴＨｚパルス列のビーム形成と、好ましくはコリメートと、続いて、Ｎ＞２個の所定の数のＴＨｚサブパルスを備えた群への分解とを含み、これらのサブパルスは、ＴＨｚ光路中で、Ｎ個の部分列で空間的に分離された光路上を移動し、かつ規定の時間のずれを有し、空間的に分離された光路と、時間のずれとが互いに相関し合い、ＴＨｚサブパルスのシリアルな空間的な結びつきは、その時間のずれを維持して行われ、Ｎ個の部分列のＴＨｚサブパルスのＮ個の波長形状の計測は、計測されるべき時間領域Ｔ中の走査により行われる方法、
（ii）請求項８または９に記載の計測装置であって、この装置は、公知のＴＨｚ時間領域分光計が、請求項４〜７に記載の本発明の光学系により補充された分光計を含み、この光学系は、ＴＨｚパルス列をビーム形成、好ましくはコリメートをするための第１ビーム形成部品と、ＴＨｚパルスをＮ＞２の所定の数のＴＨｚサブパルスを備えた群に分解するためのビーム遅延を行う部品であって、これらのサブパルスは、ＴＨｚ光路中でＮ個の部分列中で空間的に分離された光路上を移動し、かつ規定の時間のずれを有し、空間的に分離された光路と時間のずれとは互いに相関し合う部品と、ＴＨｚサブパルスをＴＨｚ受信アンテナ上で空間的に結び付ける第２ビーム形成部品であって、ＴＨｚサブパルスの時間のずれは得られたままであり、従ってＴＨｚサブパルスが通過する光路を一意的に推論することが可能である部品と、を備え、この際、静止するまたは動く試料を、双方のビーム形成部品の間で形成され好ましくはコリメートされたＴＨｚ光路中の任意の位置で、ＴＨｚ線で検査する可能性が存在する計測装置、
（iii）請求項１０に記載のモジュール式に構築された計測システムであって、大きく広がった試料を検査するために、平行に直接並んで配置されている複数の計測装置を有する、計測システム、
（iv）請求項１１または１２に記載の方法、計測装置および計測システムの使用であって、ＴＨｚ領域中の結像および／または分光評価により、巨大技術で製造される製品を迅速に空間分解して非破壊で品質管理をするための、とりわけ、紙および／またはプラスチックをエンドレスレーン中でインライン欠陥認識するための使用。
【００１５】
結像を行う評価では、試料部分に一意的に割り当てられたＴＨｚサブパルスの振幅が複写され、これにより、これらの試料部分中の穴、空洞または異物が検出可能である。これらは、欠陥のないと見なされうる隣接する試料部分の振幅に対する、欠陥がある試料部分中の振幅の差異（例えば、穴または空洞の場合にはより高く、ＴＨｚ線を拡散、反射または吸収する異物の場合にはより低くなる）が認められうる。移動する試料の場合には、欠陥は特に容易に認識可能であるが、この理由は、この欠陥がＴＨｚ像を通って動くからである。
【００１６】
分光評価の場合には、試料部分に割り当てられたＴＨｚサブパルスのパルス形状は、スペクトル分析にかけられる。各試料部分について獲得されたＴＨｚスペクトルにより、隣接する試料部分のＴＨｚスペクトルとの比較をして、所定の組成からの差異を空間分解的に検出することが可能になる。
【００１７】
スペクトル情報の損失と関連づけられている、従来技術で公知であるスペクトルからスペースへ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ−ｔｏ−Ｓｐａｃｅ）とのアプローチとは逆に、この場合、従って、時間から空間へ（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｓｐａｃｅ）とのアプローチが行われ、この場合、スペクトル情報は得られたままである。このアプローチにより、公知の評価方法（例えば、様々な周波数における結像）を、速度を劇的に上昇させて行うことが可能になる。
【００１８】
結像を行う評価でも、分光評価でも、周辺の試料部分との比較における個々の試料部分中での変化で、すでに欠陥が認識可能である。参照計測は、必ずしも必要ではない。
【００１９】
しかし、結像および分光評価の信頼性は、（試料なしの、すなわち、例えば空気中での空計測、および、すでに検証済みの欠陥のない試料における）参照計測により、より高められうる。
【００２０】
（i）に記載の方法および（ii）に記載の計測装置は、従って、可動の部品を使用せずに、ＴＨｚ時間領域分光法での空間分解計測を可能にするが、これは、計測信号が空間的に分割され、時間的に分離されることにより可能になる。
【００２１】
（i）に記載の方法および（ii）に記載の計測装置は、ＴＨｚサブパルスの一意的な時間・空間関係を作るための複数の変形例を含み、これらについては、後続の部分中で、詳細に提示する。
【００２２】
本発明による解決方法の詳細な提示
本発明による方法
本発明による方法は、時間領域分光法、とりわけＴＨｚ時間領域分光法での採用に適している。ＴＨｚ時間領域分光法は、コヒーレント計測方法であり、これは、互いに相関し合う光学ポンプパルス１’、１’’、１’’’、…の列１と、光学プローブパルス２’、２’’、２’’’、…の列２とに基づいている。それぞれ１つのポンプパルスと１つのプローブパルスとが、パルス対（１’、２’）、（１’’、２’’）…を形成し、これらのパルスは、規定の設定可能な時間遅延を有する。パルス列１およびパルス列２から形成されたパルス対の列では、０と最大値との間の時間遅延がチューニングされる（ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ−ＴＤＳでは、この最大値は、自由に選択可能ではなく、方法に応じて第１ｆｓレーザの繰り返し期間τ１＝１／ｆ１により予め決められる）。光学ポンプパルス１’、１’’…の列１は、この列１と相関し同じ繰り返し期間を有する、ＴＨｚパルス３’、３’’、…の列３を引き起こし、これが、試料と相互作用することにより、その組成および構造に関する情報を受信し、この情報が、ＴＨｚパルスの波形中に記憶される。
【００２３】
従来技術中で際立つ欠点、とりわけ（ほぼ１次元の）線形の断面または２次元の断面（例えば、円形、長方形）を備えて形成され、好ましくはコリメートされたＴＨｚパルスを使用する際に、とりわけ空間分解ができないという欠点を克服するために、ＴＨｚ時間領域分光法の方法は、本発明によれば、以下のようにさらに発展させられる。
【００２４】
列３中に含まれ、形成され、好ましくはコリメートされたＴＨｚパルス３’、３’’、…は、段状で時間的にずらされたＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、…、３’Ｎ；３’’１、３’’２、３’’３、…、３’’Ｎ；…の、所定の数Ｎ≧２の群中に分解され、これらのサブパルスは、空間的に分離されたＮ個の光路上で、Ｎ個の計測スポット（これらは、１つの平面中で空間的に分離されて、好ましくはＴＨｚサブパルスの伝搬方向（すなわち、ＴＨｚ光路）に垂直の方向で配置されている計測スポットである）上を通過し、各ＴＨｚサブパルスは、その時間のずれにより、これが通過する計測スポットＭ１〜ＭＮに明白に割り当てられていることができ、その結果、一意的な時間・空間関係が得られる。連続する２つの、同じＴＨｚパルスから生成された、ＴＨｚサブパルスの時間のずれは、τＳである。あるＴＨｚサブパルスの（全）時間のずれから、関連する計測スポット配置Ｍ１〜ＭＮ中の、このＴＨｚサブパルスが通過した関連する計測スポットＭを、明白に推測することができる。ＴＨｚサブパルスの連続する群およびこれらの中に含まれた、同じインデックスｉ（ｉ＝１…Ｎ）、例えば３’１、３’’１、３’’’１、…を有するＴＨｚサブパルスは、同じ計測スポットＭｉを通過するが、これらは、ｆｓレーザの繰り返し期間τｒｅｐ分だけ（ないし、ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ−ＴＤＳの場合には、τ１だけ）分かれる。同じインデックスｉを備えたＴＨｚサブパルスであって、（ｉ−１）τＳとして目的に合うように決められた同じ（全）時間のずれを備えたサブパルスは、従って、Ｎ個の部分列３’ｉ、３’’ｉ、３’’’ｉ、…（ｉ＝１…Ｎ）を形成し、これらの部分列は、これらが通過するまさに１つの計測スポットＭｉにそれぞれ割り当てられている。最も単純な場合には、空間的に分離された光路は、互いに平行に１つの方向にずれていて、その結果、計測スポットＭｉは、１次元で、ＴＨｚ光路に対して傾斜して好ましくは垂直である線に沿って、配置されている（後続の例では、常にｘ方向に配置されている）。拡張時には、空間的に分離された光路は、互いに平行に２つの異なる方向にずれ、その結果、計測スポットＭｉは、ＴＨｚ光路に対して傾斜した好ましくは垂直に方向付けられた平面中で、２次元で配置されている。とりわけＮ個の計測スポットＭ１〜ＭＮが、Ｊ×Ｋマトリックス（Ｊ×Ｋ＝Ｎ）の形状で、この平面中に配置可能であるが、しかし、不規則な２次元の配置も選択可能である。
【００２５】
選択された平面中で、ある試料を配置することが可能である。試料がそこに配置されていれば、計測スポットＭ１〜ＭＮは、試料上で、Ｎ個の空間的に分離された試料部分Ｐ１〜ＰＮを規定する。従って、ＴＨｚサブパルス３’ｉ、３’’ｉ、３’’’ｉ、…の各部分列は、そのわかっている時間のずれ（ｉ−１）τＳがゆえに、一意的に試料部分Ｐｉ（ｉ＝１…Ｎ）に割り当てられうる。試料は、従ってＴＨｚサブパルスのＮ個の部分列を用いて、Ｎ個の試料部分に空間分解して検査可能である。
【００２６】
時間のずれは、試料の通過の前にも、および、試料の通過の後にも作ることが可能である。同様に、時間のずれを段状に、すなわち、部分的に試料の前、かつ、部分的に試料の後に作ることも可能である。
【００２７】
本発明によるＴＨｚパルスの分解を、Ｎ＝４の場合について図２ａ中で具体的に示す。ＴＨｚパルス（図１ｃ参照）は、時間のずれτＳでもってそれぞれ４つの群に分けられて、ＴＨｚサブパルスに分解され、ＴＨｚパルス３’は、例えば、ＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４に分解され、これらのパルス期間の長さτＬは、ＴＨｚパルス３’の長さに等しい。２つのＴＨｚサブパルス間の時間のずれτＳは、これらのサブパルスが許されない重複をしない程度に大きくなくてはならず、すなわち、所望のスペクトル分解能の逆数よりも大きくなくてはならず、具体的な場合に期待されるべき、試料により引き起こされる所要時間の振動よりも大きくなくてはならない。典型的には、時間のずれτＳは、２０ｐｓと１００ｐｓとの間、好適には４０ｐｓと５０ｐｓとの間で選択される。使用者は、その具体的な計測の課題に応じて、より小さな時間のずれ（例えば、非常に多数のＮ個の計測スポット／試料部分についての概要計測についての場合には、Ｎ個のＴＨｚサブパルスの振幅についての迅速な計測が必要である）、または、より大きな時間のずれ（例えば、わずかな数のＮ個の計測スポット／試料部分において、高い分解能のＴＨｚスペクトルを獲得したい場合）を選択可能である。
【００２８】
ＴＨｚサブパルスは、試料を通過した後、および、完全な時間のずれを作った後に、再び空間的に結び付けられ、ここで、その時間のずれは得られ続ける。この段階で、ＴＨｚサブパルスは、時間軸上でシリアルに配置されていて、これは、図２ｂのようにＴＨｚサブパルスの波形の概略図として具体的に示される。各ＴＨｚサブパルスは、一意的に、計測スポットＭ１〜Ｍ４のいずれか１つに割り当て可能であり、したがって、試料部分Ｐ１〜Ｐ４のいずれか１つに割り当て可能である。
【００２９】
図２ａおよび２ｂは、図１ｃと関連付けると，それぞれの例で、群および部分列の概念の使用も具体的に示す。ＴＨｚパルス３’は、ＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４を備えた群Ｇに分解される。連続する群のＴＨｚサブパルス３’４、３’’４、３’’’４は、（非常に多数のＴＨｚサブパルスからなる）インデックスｉ＝４の部分列の冒頭を形成し、この部分列はＴＦで記され、インデックスｉ＝４が記された計測スポットを通過する。
【００３０】
時間領域中にシリアルに配置されている、Ｎ個の部分列のＴＨｚサブパルスのＮ個の波形は、従来技術で公知の方法で定量的に検出されるが、この検出は、（はるかにより短い）光学プローブパルス２’、２’’、…を用いて、点としてサンプリングされ（サンプリング方法）、これらの振幅および位相情報が獲得される。このように計測された波形は、従来技術で公知の方法で評価される。公知の時間・空間関係に基づき、各ＴＨｚサブパルスは、この各ＴＨｚサブパルスが情報を得ている試料部分Ｐｉに一意的に割り当てられている。したがって、単一の計測プロセスで、Ｎ個の空間的に分離された試料部分Ｐｉを検査し、従って、試料についての空間分解情報が獲得される。個々の試料部分Ｐｉの波形間の差異は、試料中の非均一性および欠陥があることを指摘する。
【００３１】
本発明の計測装置および本発明の光学系
本発明の計測装置は、透過計測用のＴＨｚ時間領域分光計１０を含み、これは、全ての公知の実施形態を有しうる。例えば、ｆｓレーザ１５と、機械的な遅延路１７とを備えた通常の実施形態、または、２つのｆｓレーザ１５、１５ａ（例えば、ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計）を備えた実施形態を有しうる。この公知のＴＨｚ時間領域分光計は、本発明によれば光学系２０により拡張され、この光学系により、確実に、Ｎ≧２個のＴＨｚパルスが、空間的に分離された光路上で移動しかつ規定の通りにずれたＴＨｚサブパルスに分解される。
【００３２】
この本発明の光学系２０は、２つのビーム形成部品２１、２３と、ビーム遅延部品２２とからなる。
【００３３】
第１ビーム形成部品２１は、ＴＨｚ送信アンテナ１１から放射される発散性のＴＨｚ線を形成し、好ましくはコリメートし、これに適切なビーム断面を与えるために機能する。１つの方向のみの、例えば試料の移動方向を横断する方向のみに空間分解が行われるべき場合、ビーム断面は、幅が狭い長方形の形状であって、より長い側Ｌが、少なくとも検査されるべき試料領域の幅Ｂである場合に適している。空間分解が、例えば長方形の試料の検査のために、２つの方向で達成されるべき場合、少なくともこの試料の寸法を有するビーム断面が適している。
【００３４】
ビーム形成部品２１は、透過性または反射性を有し、すなわちＴＨｚレンズ２１ａとして、またはＴＨｚミラー２１ｂとして実施可能である。所望のビーム断面を達成するために、適切なＴＨｚレンズないしミラー部分を用いる。
【００３５】
コリメートされたＴＨｚビーム中に配置されるべきビーム遅延部品２２は、これも同様に透過性の部品２２ａまたは反射性の部品２２ｂとして実施可能である。これらの寸法は、形成され、好ましくはコリメートされたＴＨｚビームの全断面が、ビーム遅延部品２２ａないし２２ｂに当たるように選択される。透過性の配置の場合、ＴＨｚビームは、好ましくは垂直で（入射角度α＝０で）、透過性の部品２２ａに当たり、この部品は少なくとも幅Ｌを有さねばならない。反射装置の場合には、ＴＨｚビームは、傾斜して（入射角度αで）反射性の部品２２ｂに入り、この部品は、少なくとも幅Ｌ／ｃｏｓαを有さねばならない。好適には入射角度αは小さく選択される（α＜１０°）。
【００３６】
透過性の部品２２ａも、反射性のビーム遅延部品２２ｂも、Ｎ個の段を備えた段状楔として実施可能である。これらは、ＴＨｚビームに、段において飛躍的に変化する（したがって、空間に依存する）時間のずれをかけさせ、これにより、ＴＨｚビームを形成するＴＨｚパルスは、Ｎ個の規定の時間的にずれるＴＨｚサブパルスに分解し、このサブパルスは、空間的に分離された光路上に延在する。この際、最も単純な場合には、ＴＨｚ光路に対して傾斜して方向付けられた線に沿って、Ｎ個の段が等間隔で配置されていて、その結果、Ｎ個の計測スポットＭ１、…、ＭＮの１次元の配置が得られる。しかし、単純な方法で、２次元の場合に拡張することも可能であり、これは、例えば、Ｋ個の１次元の段状楔が、それぞれＪ個の段を備えて、並んで配置されていて、２次元の段状楔Ｎ＝Ｊ×Ｋ個の段を形成することにより可能になる。これらの段は、その後、ＴＨｚ光路に対して傾斜して方向付けられる平面中に配置されている。透過性の段状楔２２ａの場合には、この線ないし面は、ＴＨｚ光路に対して、好ましくは垂直に方向付けられている。反射性の段状楔２２ｂの場合には、この線ないし面は、好ましくは小さい入射角度αで、ＴＨｚ光路に対して傾斜している。従って、ＴＨｚ光路は、反射性の段状楔により、角度２αだけ方向転換される。
【００３７】
反射性のビーム遅延部品２２ｂは、大型の１次元または２次元の段状楔の形状に代えて、段状楔の反射面の位置を占めるＴＨｚミラーの配置としても、常に実施可能であり、この場合に有利である。
【００３８】
透過性の部品２２ａの使用時には、（幾何学的な路長が同じ場合に）透過性の部品２２ａの内側および外側におけるＴＨｚビームの光学路長（したがって伝搬速度）が異なることにより、時間のずれが結果として生じる。このために、透過性の部品２２ａは、ＴＨｚ領域中で、周辺の屈折率ｎＵから相違する屈折率ｎを有する。実地での応用の場合では、ｎＵ＝１である（周辺は、空気からなる）一方で、透過性の部品２２ａの屈折率はｎ＞１である。差Δｎ＝ｎ−ｎＵは、可能な限り大きくあるべきである。
【００３９】
逆に、反射性の部品２２ｂを使用する場合には、時間のずれは、ＴＨｚビームの幾何学的な路長の段状の変化により実現される。
【００４０】
第２ビーム形成部品２３は、ＴＨｚサブパルスが、その時間のずれを維持しつつ、ＴＨｚ受信アンテナ１２上に合焦するように機能する。この部品は、したがって、第１ビーム形成部品２１の作用とは全く逆の作用を行い、したがって、これと同一の実施形態を有する部品でありうる。第１ビーム形成部品２１と同様に、この部品も透過性または反射性を有する部品であり、すなわち、ＴＨｚレンズ２３ａまたはＴＨｚミラー２３ｂとして実施可能である。第１ビーム形成部品２１と同様に、完全体の代わりに、ＴＨｚレンズ２３ａないしＴＨｚミラー２３ｂの適切な部分を採用することで十分である。
【００４１】
好適には、光学系２０中に、２つの同一のＴＨｚレンズ２１ａ、２３ａまたは２つの同一のＴＨｚミラー２１ｂ、２３ｂが採用される。しかし、異なる焦点距離を有する２つのＴＨｚレンズ２１ａ、２３ａを採用することも可能であり、同様に異なる焦点距離を有する２つのＴＨｚミラー２１ｂ、２３ｂを採用することも可能である。さらに光学系２０中に、ＴＨｚミラーとＴＨｚレンズとを組み合わせる（ＴＨｚミラー２１ｂをＴＨｚレンズ２３ａと、または、ＴＨｚレンズ２１ａをＴＨｚミラー２３ｂと組み合わせる）ことも可能である。ＴＨｚレンズおよびＴＨｚミラーの概念は、この段落および後続の段落で、全体としてのこの種の部品にも、また、上述のレンズおよびミラーの部分にも、関連づけられる。
【００４２】
ビーム形成部品２１ａおよび２３ａは、フレネルレンズとしての実施形態が好適であるが、この理由は、フレネルレンズは、直径が大きい場合にも、厚さが小さいからであり、これにより、吸収が小さくなるからである。これ以外の光学系も同様に採用可能である。
【００４３】
１次元の段状楔として実施された透過性の部品２２ａのサイズは、以下のように決められる。すなわち、段状楔中の段の幅ＢＳは、検査されるべき試料領域の幅Ｂから生じ、空間的に分離された計測スポットの選択された数Ｎにより割られ、したがって、ＢＳ＝Ｂ／Ｎになる。段の高さＨＳ（より精確には、隣接する段との高さの差）は、通過するＴＨｚサブパルスの隣接する段の所望の時間のずれτＳを引き起こし、上述のように、計測の課題に応じて、２０ｐｓと１００ｐｓとの間で選択される。このために必要な段高さは、以下の式にしたがって計算可能である。
ＨＳ＝ｃ・τＳ／Δｎ  （１）
ここで、Δｎ＝ｎ−ｎＵは、段状楔に用いられる材料と、周囲の媒体（通常空気）との間の屈折率の差である。
【００４４】
例えば、屈折率ｎ＝１．４の材料を用いて、連続する２つのＴＨｚサブパルスの時間のずれがτＳ＝４０ｐｓになるべき場合には、段高さはＨＳ＝３ｃｍが必要とされる。したがって、例えばＮ＝４のＴＨｚサブパルスの分解を実現するためには、従って４段の段状楔２２ａが必要とされ、（最も高い段における）その最大の高さは１２ｃｍである。２次元の段状楔への拡張は、容易に可能である。最も単純な場合には、高さが１５ｃｍ〜２４ｃｍである第２の４段の段状楔が、上述の段状楔に対して直接隣接して配置されていて、その結果、Ｎ＝８の段が４×２のマトリックスの形状で得られる。この種の透過性の段状楔の欠点は、高さが増えるに従って吸収が増えるという点である。
【００４５】
この欠点は、ビーム遅延部品２２を反射性の段状楔２２ｂとして、またはＴＨｚミラー配置として実施することにより回避可能である。
【００４６】
１次元の段状楔として実施された反射性の部品２２ｂのサイズは以下のように決められる。すなわち、段状楔中の段の幅ＢＳは、（透過性の部品２２ａの場合と同様に）検査されるべき試料領域の幅Ｂから得られ、空間的に分離された計測スポットの選択された数Ｎにより割られ、したがって、ＢＳ＝Ｂ／Ｎになる。入射角度が小さい（α＜１０°、すなわち、ｃｏｓα≒１）という前提条件下で、段の高さＨＳと、時間のずれτＳとの関係は、以下の式に従って計算可能である。
ＨＳ＝ｃ・τＳ／２  （２）
【００４７】
例えば、連続する２つのＴＨｚサブパルスの時間のずれがτＳ＝４０ｐｓが生成されるべき場合には、段高さＨＳ＝６ｍｍが必要とされる。したがって、例えばＮ＝４のＴＨｚサブパルスの分解を実現するためには、従って４段の段状楔２２ｂが必要とされ、（最も高い段における）その最大の高さは２４ｍｍである。
【００４８】
双方の段状楔２２ａおよび２２ｂの実施形態２２ａのさらなる修正も可能である。例えば、この種の段状楔の段は、必ずしも等しい幅ＢＳと高さＨＳとを有する（これにより、計測スポットの位置と、この計測スポットを通過するＴＨｚサブパルスの時間のずれとの間の線形の関係が生じる）には及ばない。むしろ、異なる幅ＢＳ（これにより、異なる幅の計測スポットが結果として得られる）および高さＨＳ（これにより、異なる時間のずれと、異なるスペクトル分解能とが結果として得られる）の段が用いられうる。この種の修正により、利用者は段状楔２２ａの形状を、特別な計測の課題の合わせることができるが、しかし、必要な場合には、計測信号の訂正を行わねばならず、例えば異なる段およびしたがって計測スポット幅に基づいて、正規化を行わねばならない。
【００４９】
さらに段状楔中の段は、任意の順序で配置可能であり、その結果、空間分解される試料の情報は、別々の計測スポットを介して、対応する任意の時間的な順序中の計測信号中で生じるが、これは、実際の応用においては有意義ではない。
【００５０】
時間のずれは、その方法に応じて、試料の通過前にも、試料の通過後にも実現可能であるので、検査されるべき試料１３は、ビーム形成部品２１とビーム遅延部品２２との間でも、ビーム遅延部品２２とビーム形成部品２３との間でも配置可能である。ビーム遅延部品２２は、２つ以上の部分部品に分割されることが可能であり、これらは、ビーム形成部品２１と、ビーム形成部品２３との間にある。試料１３は、ビーム形成部品２１と、ビーム形成部品２３との間の任意の位置に配置可能である。光学系２０のある有利な構成では、ビーム遅延部品２２は、ビーム形成部品２１または２３のいずれかの中に統合される。ビーム遅延部品２２が複数の部分部品に分割される場合、これらの部分部品が、双方のビーム形成部品２１またはビーム形成部品２３中に統合可能である。
【００５１】
さらなる有利なある構成では、光学系２０中にＴＨｚミラーが挿入され、これが、光学系２０中のＴＨｚ光路を複数回方向転換させ、光学系２０を非常に小型化させて実施可能になる。有利であるのは、この際、２つのＴＨｚミラー３１、３２を使用して、２度ビームを方向転換させる、または、４つのＴＨｚミラー３１、３２、３３、３４を使用して、４度ビームを方向転換させる場合である。特に有利なある構成では、これらのＴＨｚミラーは、ストライプ様式に、または、マトリックス様式に、空間的にずれたセグメント３１ｉ、３２ｉ、３３ｉ、３４ｉ（ｉ＝１…Ｎ）に分解され、Ｎ個の異なる長さの幾何学的な光路を生じさせる。ミラー配置上に生じ、形成されたＴＨｚパルスは、その後、Ｎ個の異なる時間のずれを備えたＴＨｚサブパルスの群に分解され、その結果、（ＴＨｚミラーのストライプ様式でのずれの場合）１次元の空間分解が、または、（ＴＨｚミラーのマトリックス様式でのずれの場合）２次元の空間分解が実現される。反射性の段状楔の形態でも実施可能であるミラー配置は、この場合、同時に、ビーム方向転換する部品としても、ビーム遅延部品としても作用する。
【００５２】
ビーム形成に関しては、コリメートされたビーム形成の代わりに、台形状のビーム形成を選択する可能性があることを指摘しておく。この場合、ビーム形成部品２１ａ、２３ａは、異なる直径を備えることが必要である一方で、コリメートされてビームを導く場合には、同一で実施可能である。このように形成された光学系２０は、追加的に技術的な利点を提供することなく、ただ高価になるであろう。外部からの幾何学的な制限がある場合にのみ、これは有意義となるであろう。
【００５３】
この光学系２０は、ここで述べた計測装置中で、ＴＨｚ時間領域分光計と関連付けて採用可能であるのみではなく、別の計測装置、例えば時間領域における超音波検査についても組み合わせ可能である。
【００５４】
モジュール式で構築された計測システムは、中央制御・計測および評価電子系を利用可能で、これは、必要な数の計測装置と連結可能である。あるいは、図中に示したように、各計測装置が、その独自の制御・計測および評価電子系１４を有することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１ａ】従来技術：試料１３を走査するためのＴＨｚ時間領域分光計１０であって、ｆｓレーザ１５と、機械的な遅延路１７と、ｘ−ｙ変位台１９とを備えた分光計の図である。
【図１ｂ】従来技術：試料１３を走査するためのＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計１０であって、２つのｆｓレーザ１５、１５ａと、ｘ−ｙ変位台１９とを備えた分光計の図である。
【図１ｃ】従来技術：３つの連続するＴＨｚパルスを空間的および時間的に引き伸ばしたところを示す概略図である。
【図２ａ】図１ｃ中のＴＨｚパルスを分解することにより得られた、ＴＨｚサブパルスの３つの連続する同一の群を、空間的および時間的に引き伸ばしたところを示す概略図である。
【図２ｂ】サンプリング方法でサンプリングされうるＴＨｚサブパルスの３つの連続する同一の群の波形を示した概略図である。
【図３】ＴＨｚ時間領域分光計１０を具備した計測装置の概略図であり、この分光計は、１つのｆｓレーザ１５と、機械的な遅延路１７と、透過性のビーム形成部品およびビーム遅延部品２１ａ、２３ａ、２２ａを備えた本発明の光学系２０とを備えていて、可動なエンドレスベルトとして実施された試料１３を通過させるのに適した計測装置の概略図である。
【図４ａ】反射性のビーム形成部品２１ｂ、２１ｂ’、２３ｂ、２３ｂ’と、透過性のビーム遅延部品２２ａとを備えた、本発明の光学系２０のさらなる実施形態の概略図である。
【図４ｂ】反射性のビーム形成部品２１ｂ、２３ｂと、透過性のビーム遅延部品２２ａとを備えた本発明の光学系２０のさらなる実施形態の概略図である。
【図５】透過性のビーム形成部品２１ａ、２３ａと、反射性のビーム遅延部品２２ｂとを備えた本発明の光学系２０のさらなる実施形態の概略図である。
【図６ａ】２つのｆｓレーザ１５、１５ａと、透過性のビーム形成部品およびビーム遅延部品２１ａ、２３ａ、２２ａを備えた本発明の光学系２０とを備えたＡＳＯＰＳ―ＴＨｚ時間領域分光計１０を有する計測装置であって、可動のエンドレスベルトとして実施された試料１３を貫通させるのに適した計測装置の概略図である。
【図６ｂ】サンプリング方法でサンプリングされるべきＴＨｚサブパルスの連続する２つの同一の群の、図６ａによる計測装置を用いて計測された波形の概略図である。
【図７ａ】透過性のビーム形成部品２１ａ、２３ａと、方向転換を行わせビーム遅延を行うミラー３１ｉ、３２ｉとを備えた本発明の光学系２０のさらなる実施形態（１次元の空間分解、２度のビーム方向転換）の概略図である。
【図７ｂ】透過性のビーム形成部品２１ａ、２３ａと、方向転換を行わせビーム遅延を行うミラー３１ｉ、３２ｉとを備えた本発明の光学系２０のさらなる実施形態（２次元の空間分解、２度のビーム方向転換）の概略図である。
【図７ｃ】透過性のビーム形成部品２１ａ、２３ａと、方向転換を行わせビーム遅延を行うミラー３１ｉ、３２ｉ、３３ｉ、３４ｉとを備えた本発明の光学系２０のさらなる実施形態（１次元の空間分解、４度のビーム方向転換）の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下の実施形態は、従来技術の欠点を、時間から空間へ（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｓｐａｃｅ）とのアプローチとして特徴づけられる本発明の解決方法により克服することを具体的に示す。とりわけ、いかに、このアプローチを用いて迅速な空間分解を行うＴＨｚ−ＴＤＳ計測を実現するかを提示する。
【００５７】
実施形態１は、ＴＨｚ時間領域分光計を備えた本発明の計測装置を記載し、これは、空間的に広げられたＴＨｚパルスを、規定の時間的にずらされたＴＨｚサブパルスに分解するための、透過を行わせる本発明の光学系を有する。
【００５８】
実施形態２および３は、ＴＨｚ時間領域分光計を備えた本発明の計測装置を説明し、この分光計は、本発明の光学系の２つの実質的に異なる変形例を有し、この場合では、反射と透過とを組み合わせて、空間的に広げられたＴＨｚパルスを、規定の時間的にずらされたＴＨｚサブパルスに分解するために利用する。
【００５９】
実施形態４は、ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計と連結することによる計測装置の特に有利なある構成を記載しているが、この分光計は、空間を分解する計測を、非常に時間コストを小さくして実施可能である。
【００６０】
実施形態５は、本発明の光学系２０の特に小型化して形成された実施形態を示すが．この光学系は、ＴＨｚ方向転換ミラーにより実現される。さらに、好適な実施形態も示すが、この場合、ＴＨｚミラーは、空間的にずらされたセグメントに分解され、その結果、このミラーの配置は、ビームを方向転換させ、またビームを遅延させ、従って、空間を分解する計測のために、空間的に分離されかつ規定の形で時間的にずらされたＴＨｚサブパルスを作るために採用可能である。
【００６１】
実施形態１
この例では、図３中で概略図示された本発明の計測装置が、機械的な遅延路１７を備えた従来のＴＨｚ時間領域分光計１０を含むが、この分光計は本発明の光学系２０を装備している。
【００６２】
このＴＨｚ時間領域分光計１０は、フェムト秒レーザ１５（ｆｓレーザ）と、ビームスプリッタ１６と、光学パルス列０、１、２を向かせるための複数の方向転換ミラー１８と、ＴＨｚ送信アンテナ１１と、ＴＨｚ受信アンテナ１２と、制御・計測および評価電子系１４とを具備している。ＴＨｚ送信アンテナ１１とＴＨｚ受信アンテナ１２との間には、本発明の光学系２０が配置されている。この光学系は、第１ビーム形成部品２１ａと、ビーム遅延部品２２ａと、第２ビーム形成部品２３ａとを具備している。ビーム遅延部品２２ａと、第２ビーム形成部品２３ａとの間には、（計測装置の構成部品としては見なされるべきではない）試料１３が配置可能であり、この試料は、静止または可動でありうる。有利であるのは、試料１３が、図３の図の面に垂直の方向で（ここではｙ方向と記載）動きうる場合である。例えばｙ方向で通過するエンドレスベルトを、試料１３として使用可能である。
【００６３】
ビーム遅延部品２２ａは、段状楔として、４０ｃｍ×１０ｃｍの基面を備えて実施されている。この楔は、ＴＨｚ領域中で一定の屈折率ｎ＝１．４６を有するポリマーＴＰＸからなり、１つの線に沿って配置されている４つの段が利用可能であり、この段の１つの段高さは１．６３ｃｍである。式（１）によれば、この段高さは、２５ｐｓの時間の遅延を引き起こす。
【００６４】
この計測装置の作用
このｆｓレーザ１５は、繰り返し数ｆ１＝１００ＭＨｚで、これに対応して繰り返し期間τ１＝１０ｎｓである光学出力パルス０’、０’’、…の列０を生成する。この光学出力パルス０’、０’’、…は、期間１００ｆｓで、波長が１５５０ｎｍの短い赤外レーザパルスである。ビームスプリッタ１６は、この光学出力パルス０’、０’’、…の列０を、光学ポンプパルス１’、１’’、…の列１と、光学プローブパルス２’、２’’、…の列２とに分解し、その結果、時間的に互いに相関し合うパルスの対（１’、２’）、（１’’、２’’）、…が得られる。
【００６５】
光学ポンプパルス１’、１’’、…の列は、ＴＨｚ送信アンテナ１１に導かれ、このアンテナは、これにより、ＴＨｚパルス３’、３’’、…の列３を送信するために励起される。ＴＨｚパルス３’、３’’、…の列３も、繰り返し期間τ１＝１０ｎｓであるが、しかし、ＴＨｚパルス３’、３’’、…の期間は１０ｐｓであり、したがって、これは実質的に光学ポンプパルス１’、１’’、…の期間よりも長い。
【００６６】
ＴＨｚ送信アンテナ１１から出た発散性のＴＨｚパルス３’、３’’、…は、光学系２０にガイドされる。これらのパルスは、まずレンズ部分として実施された第１ビーム形成部品２１ａに当たり、この部品がＴＨｚパルスをコリメートし、これらに、長さＬ＝４０ｃｍで、高さＤ＝１０ｃｍの長方形状のビームプロファイルを与える。その後、これらのパルスは、ビーム遅延部品、すなわち段状楔２２ａ（これは、全ビームプロファイルを覆う）に垂直に当たる。この段状楔は、ＴＨｚパルス３’、３’’、…を、それぞれ４つの互いに対して相対的にτＳ＝２５ｐｓだけずれたＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４；３’’１、…、３’’４；…の群に分解する。これらのサブパルスは、光路中に配置された試料１３を、空間的に分離された計測スポットＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４で通過するが、この際、これらのサブパルスは、試料上で４つの試料部分Ｐ１〜Ｐ４を規定し、これらの試料部分は、それぞれ１０ｃｍ×１０ｃｍのサイズを有し、その結果、試料は、空間分解されて検査される。その後、ＴＨｚサブパルスは、第２ビーム形成部品２３ａを通って、ＴＨｚ受信アンテナ上に合焦されるが、この際、これらのサブパルスは、τＳ＝２５ｐｓずつ時間的にずれて、分かれて、順次到着する。
【００６７】
各群の最初の３つのＴＨｚサブパルスについては、従って、それぞれ２５ｐｓの時間領域が、その（試料情報を含有する）波形を分析するために利用可能であり、各群の第４のそして最後のＴＨｚサブパルスについては、各群が繰り返し期間τ１＝１０ｎｓで分けられているので、はるかにより長い時間領域が利用可能であるであろう。しかし、波形の振幅は、実際には２５ｐｓ後に０に減衰されているので、このＴＨｚサブパルスについても、分析されるべき時間領域は、２５ｐｓに限定される。従って４つのＴＨｚサブパルスの波形は、時間領域Ｔ＝１００ｐｓ中で計測される。
【００６８】
波形の計測は、十分に公知であるサンプリング方法を用いて行われる。このために、光学プローブパルス２’、２’’、…の列２は、遅延路１７を介して導かれ、これは、幾何学的な路長を変えることにより、これらのパルスの所要時間は、０〜１００ｐｓの間隔で変動し、連続する２つのパルス対（１’、２’）および（１’’、２’’）の、時間的に互いに相関し合うパルスの所要時間の差は、例えばステップサイズΔτ＝１ｐｓ分だけ増加する。光学プローブパルス２’、２’’、…の列２は、その後ＴＨｚ受信アンテナ１２に導かれ、このアンテナは、プローブパルス２’、２’’、…が現れた際に、約５００ｆｓの間接続切断され、この際、１００ｐｓの時間領域に渡って伸張しかつ受信アンテナに入ってくるＴＨｚサブパルスの群のある計測位置における瞬間的な電界の強さを計測する。この瞬間的な電界の強さの計測は、ＴＨｚサブパルスの１００個の連続する同一の群において行われ、この際、この計測位置は、それぞれステップサイズΔτ＝１ｐｓだけシフトされる。これらの個々の計測から、その後、４つのＴＨｚサブパルスの波形が再構成される。わかっている時間のずれに基づき、各ＴＨｚサブパルスの波形は、計測スポットＭ１、…、Ｍ４に割り当てられ、従って通過する試料部分Ｐ１〜Ｐ４に割り当てられ、その結果、試料についての空間分解情報が得られる。
【００６９】
制御・計測および評価電子系１４により調整される上述の経過を、具体的に示すために、図３中では、連続する時点ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ６における計測装置中のパルス伝搬も概略図示している。これが、単に、概略図示であることを顧慮すべきである。時点ｔ＝ｔ４およびｔ＝ｔ５におけるある群内のＴＨｚサブパルスの間隔、すなわち、時間のずれτＳ＝２５ｐｓは、過剰に大きく示され、一方で、２つのＴＨｚパルス、および、これに由来するＴＨｚサブパルスの連続する群（繰り返し期間τｒｅｐ＝１０ｎｓにより与えられる）の間隔は、極めて短く示されている。これらの歪みは、視覚化のために必要である。
【００７０】
時点ｔ０〜ｔ６は、以下のプロセスにより特徴づけられている。
ｔ０：ｆｓレーザ１５により生成された２つの光学出力パルス０’、０’’が、ビームスプリッタ１６に向かい、ここで光学ポンプパルス１’、１’’と、光学プローブパルス２’、２’’とに分解される。
【００７１】
光学ポンプパルスおよび、これにより生成されるＴＨｚパルスに関するプロセス
ｔ１：光学ポンプパルス１’、１’’がＴＨｚ送信アンテナ１１に向けられる。
ｔ２：光学ポンプパルス１’、１’’が、ＴＨｚ送信アンテナ１１を、２つの発散性のＴＨｚパルス３’、３’’を放射させるように励起し、この発散性のＴＨｚパルスが、第１ビーム形成部品２１ａに向けられる。
ｔ３：ＴＨｚパルス３’、３’’が、第１ビーム形成部品２１ａによりコリメートされ、ビーム遅延部品２２ａに向けられる。図３は、時点ｔ３において、すでに、ＴＨｚパルス３’、３’’が、異なる光路上に延在するそれぞれ４つのＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４；３’’１、３’’２、３’’３、３’’４に分割されているところを示しているが、これは、この時点では、まだ仮定の状態である。
ｔ４：ＴＨｚサブパルスは、ビーム遅延部品２２ａを通過し、ここで、これらのサブパルスは異なる時間のずれを得た。これらは、この時間領域中で実際に分けられている。
ｔ５：  ＴＨｚサブパルスは、試料１３を、異なる試料部分／計測スポットＭ１〜Ｍ４で通過し、試料１３についての空間分解情報を受け取る。これらのパルスは、ここで、第２ビーム形成部品２３ａに向けられ、これを通ってＴＨｚ受信アンテナ１２上に合焦する。
【００７２】
光学プローブパルスに関して並行に進むプロセス
ｔ１〜ｔ５：光学プローブパルス２’、２’’は、遅延路１７を介して導かれ、この際、規定の遅延がなされ、その後さらにＴＨｚ受信アンテナ１２の方向に向けられる。この際、この遅延は、（光学プローブパルスの全列２に渡って）０〜１００ｐｓの間で変動する。
【００７３】
ｔ６：この時点で、サンプリングプロセスの第１サンプリング工程が行われる。光学プローブパルス２’は、時点ｔ６でＴＨｚ受信アンテナ１２を、短い時間間隔の間、接続切断し、この間に、第１ＴＨｚサブパルス３’１の最も前方の先端が、ＴＨｚ受信アンテナ１２に当たる。ＴＨｚサブパルスの波形の第１計測点が登録される。
【００７４】
光学プローブパルス列２のさらなるパルス２’’、２’’’、…が生じる度に、このサンプリング工程は繰り返され、この際、段階的に１００ｐｓまで上昇する規定の遅延がゆえに、波形が、ここでは４つのＴＨｚサブパルスを含む、全部で１００ｐｓの長さの時間領域中で、サンプリングされる。
【００７５】
この実施形態で記載された計測装置は、その機能を変えることなく修正することが可能である。
【００７６】
とりわけ段状楔として実施されたビーム遅延部品２２ａは、ビーム形成部品２１ａと、ビーム形成部品２３ａとの間にあるコリメートされた光路中の任意の位置に配置可能である。したがって、試料１３と、第２ビーム形成部品２３ａとの間に存在することも可能であり、その結果、ＴＨｚパルスがＴＨｚサブパルスに分解されるのは、試料を通過した後に初めて行われうる。段状楔は、１８０°回転することができ、その結果、ＴＨｚパルスは、段状楔の段を付けられた側面に当たることが可能である。複数の段状楔を採用して、作用を加算することもできる。同様に従来技術から公知の全ての修正も可能であり、例えば、その光学路の長さが上述のサンプリング方法にチューニングされている場合に限り、遅延路を、光学ポンプパルス１’、１’’の路中に置くことも可能である。光学ポンプパルス列１と、光学プローブパルス列２とは、自由噴流またはファイバー結合で導くことができる。
【００７７】
実施形態２
この実施形態は、本発明の計測装置のさらなる構成に関し、これは公知のＴＨｚ分光計に基づいているが、ここでは、ビーム形成は、実施形態１のようにレンズを通して行うのではなく、ミラーを通して行われる。この本発明の光学系２０を、図４ａ中に概略図示するが、これは、公知の構造では放物面ミラーとして実施された２つのミラーを、平面の方向転換ミラーに置き換えることにより得られる。第１ビーム形成部品２１は、従って放物面ミラー２１ｂと方向転換ミラー２１ｂ’とからなり、第２ビーム形成部品２３は、方向転換ミラー２３ｂ’と放物面ミラー２３ｂとからなる。従って、コリメートされたＴＨｚ光路が得られ、これは、放物面ミラー２１ｂから、双方の方向転換ミラー２１ｂ’、２３ｂ’を介して、放物面ミラー２３ｂにまで伸張する。これらの方向転換ミラー間のＴＨｚ光路中に、試料１３（図４ａ中では、エンドレスベルトが通過するところとして提示されている）が配置されている。ビーム遅延部品２２は、この場合も段状楔２２ａとして実施されていて、方向転換ミラー２１ｂ’と試料１３との間に配置されている。これ以外の部品および作用は、実施形態１の場合と同じである。従って、変更は光学系２０に限定されているので、図４ａ中には、関連する部品を備えたＴＨｚ光路のみを提示している。この際、ＴＨｚパルス３’、３’’、３’’’を、ＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４；３’’１、３’’２、３’’３、３’’４；３’’’１、３’’’２、３’’’３、３’’’４の３つの群に分解して概略図示し、この際、時間間隔は、図３中と同様に、視覚化の目的で非常に歪んでいる。
【００７８】
実施形態１中で挙げた全ての修正は可能である。とりわけ、試料１３と段状楔２２ａとは、図４ａ中で示された位置には縛られず、コリメートされた光路中の任意の位置に置くことができる。
【００７９】
これにより、図４ｂ中で図示された、光学系２０の単純化された構造が、直接結果として得られ、この場合、双方の平面の方向転換ミラー２１ｂ’、２３ｂ’が省かれている。試料１３と段状楔２２ａとは、放物面ミラー２１ｂと放物面ミラー２３ｂとの間のコリメートされた光路中に配置されていて、これらの位置は、図４ａの場合に対して逆になっている。
【００８０】
図４ａ、ｂ中で目的に合うように共に図示されたＴＨｚアンテナ１１、１２は、光学系２０の構成部品としては見なされえない。これは、以下の図についても該当する。
【００８１】
実施形態３
この実施形態は、公知のＴＨｚ分光計に基づく本発明の計測装置のさらなる構成を記載しているが、この場合、本発明の光学系２０（図５）は、ＴＨｚレンズとして実施された２つのビーム形成部品２１ａおよび２３ａが、反射性のビーム遅延部品２２ｂ（これは、段状楔として実施されている）と組み合わせられる。ＴＨｚレンズ２１ａは、ＴＨｚ送信アンテナ１１により放射されたＴＨｚパルス３’、…をコリメートし、反射性の段状楔２２ｂに向け、この段状楔が、ＴＨｚパルスを４つのＴＨｚサブパルス（これは、選択された段高さにより予め決められた時間のずれ（式（２）参照）により分けられる）に分解し、２倍の入射角度２αで方向転換する。これらのサブパルスは、その後、試料１３を通過するが、この試料は、この場合は、段状楔２２ｂと第２ＴＨｚレンズ２３ａとの間にあり、第２ＴＨｚレンズが、ＴＨｚサブパルスをＴＨｚ受信アンテナ１３上で合焦させるように、配置されている。この場合も、試料１３の位置は、コリメートされたＴＨｚビーム中で自由に選択可能である。この位置は、第１ＴＨｚレンズ２１ａと段状楔２２ｂとの間にも配置可能である。計測装置の外側での回路構成および作用は、実施形態１で図示したものと同じである。図１で言及した全ての修正も可能である。当然、ＴＨｚレンズ２１ａ、２３ａは、（実施形態２中で用いたような）放物面ミラー２１ｂ、２３ｂに置き換え可能である。送信アンテナ１１と受信アンテナ１２との位置は、これにしたがって合わせられうる。
【００８２】
実施形態４
この実施形態では、本発明の方法のＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光法用への特に有利な適用、および、ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計のＴＨｚ光路中での、本発明の光学系２０の使用を説明する。
【００８３】
このように構成されたＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計の概略を図６ａに示す。光学ポンプパルス列１と、光学プローブパルス列２とは、この場合、制御・計測および評価電子系１４により同期化された２つのｆｓレーザ１５、１５ａにより生成されるが、これらのレーザは、互いに対してわずかに離調されている。上述の実施形態中と同様、制御・計測および評価電子系１４は、ＴＨｚ送信アンテナ１１にバイアス電圧ＵＢｉａｓをかけ、感度の高い電流計Ｉを用いて、ＴＨｚ受信アンテナ１２で登録された瞬間的なＴＨｚ電界の電界の強さを登録する。さらなる部品およびその作用は、実施形態１からわかり、ここで改めて説明することはしない。
【００８４】
ｆｓレーザ１５は、繰り返し期間τ１＝１０ｎｓで、これに応じて繰り返し数ｆ１＝１００ＭＨｚの光学ポンプパルス１’、１’’、…を供給する。ｆｓレーザ１５ａは、Δτ＝５００ｆｓだけより高い繰り返し期間τ２＝１０．０００５ｎｓで、これに応じて繰り返し数ｆ２＝９９．９９５ＭＨｚの光学プローブパルス２’、２’’、…を供給する。このレーザは、従ってΔｆ＝５ｋＨｚだけ離調されている。連続する２つのパルス対（１’、２’）、（１’’、２’’）、…におけるパルスの時間遅延は、５００ｆｓだけ上昇する。従って、この時間領域中に、ステップサイズ５００ｆｓでのサンプリングが行われる。機械的な遅延路（これも時間遅延の低減を可能にする）（実施形態１参照）とは逆に、ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計における時間遅延は、（この場合２００００パルス対の後に）繰り返し期間τ１が達成され、そこで、再びポンプパルスがプローブパルスと重なり、０にリセットされるまで、単調に増えるのみである。従って、この方法に基づけば、（図６ｂで明確に示すように）、長さτ１＝１０ｎｓという極めて長い時間領域Ｔをサンプリングすることは、この時間領域がその前方の部分で評価可能なスペクトル情報を含有するにもかかわらず避けられない。従来技術から公知であるＡＳＯＰＳ分光計においては、単一の波形（ＴＨｚパルス３’、３’’、３’’’、…の波形）のみをサンプリングするであろうが、その本質的な情報は、（図６ｂ中ではＡで記された）０≦ｔ＜２５ｐｓの範囲で含有されている。従って、１０ｎｓのサンプリングされる領域の０．２５％のみが評価可能であろう。さらに、この波形は、計測スポットＭ１〜Ｍ４に割り当てられている試料部分Ｐ１〜Ｐ４についての統一的な全情報を含む。空間分解は実現可能ではない。本発明の光学系２０を装備したＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計は、ＴＨｚパルス３’、３’’、３’’’、…を、それぞれ４つの規定の時間的にずらされたＴＨｚサブパルス３’１、３’２、３’３、３’４；３’’１、３’’２、３’’３、３’’４；３’’’１、３’’’２、３’’’３、３’’’４；…の群に分解し、これらのサブパルスは、検査されるべき試料を空間的に分けた試料部分Ｐ１〜Ｐ４に割り当てられている計測スポットＭ１〜Ｍ４中を通過し、これらのＴＨｚサブパルスは、その時間のずれを保ちつつ、空間的にシリアルに結び付けられ、４つの試料部分に割り当てられたＴＨｚサブパルスの波形は、サンプリングされるべき時間領域中で長さ２５ｐｓの部分に複写する。評価可能な情報を有する領域は、これにより、図６ｂに示すように、部分Ｚ分だけ延長され、１００ｐｓになる。評価可能な計測領域は、０．２５％から１％に増え、計測速度は係数４だけ速くなる。試料を４つの試料部分に空間分解して検査することにより、ここでは、試料部分Ｐ３中にある欠陥（薄くなった箇所または穴）を検出することが可能になる。この欠陥は、これに属する計測スポットＭ３の波形の振幅において認識可能であり、この振幅は、これ以外の計測スポット中の振幅と比較すると非常に上昇している。従来の、空間を分解しないＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ時間領域分光計では、この欠陥を局所化することはできないであろう。
【００８５】
実施形態５
実施形態５は、特に小型で構成された本発明の光学系２０の実施形態を記載しているが、この光学系は、ＴＨｚ方向転換ミラーを用いて実現される。この際、好適な実施形態で示されているのは、ＴＨｚミラーを、空間的にずらしたセグメントに分解していて、その結果、このミラー配置は、ビームを方向転換するように、また、ビーム遅延を行うように作用し、従って、空間を分解する計測のために、空間的に分離され、かつ規定の時間的にずらされたＴＨｚサブパルスを生成するために採用可能である。
【００８６】
図７ａは、この種の光学系、すなわち、透過性のビーム形成部品２１ａ・２３ａと、ビームを方向転換する２重でのＴＨｚミラーの配置とを備えた光学系２０を概略図示しているが、この場合、ＴＨｚミラー３１、３２は、これにより、それぞれ４つのストライプ状のセグメント３１１…４、３２１…４に分解されていて、４つの異なる長さの幾何学的な光路が作られ、従って、形成されたＴＨｚパルスを、４つの異なる時間的にずらされたＴＨｚサブパルスの群に分解することが実現されている。本来のミラー配置は、３次元で提示されている。正面図（下方）は、セグメント３１１…４、３２１…４を、ＴＨｚビームに平行な方向に空間的にずらすことによって、長さの異なる光路を作るところを示す。明瞭化するために、セグメント３１１および３２１についての光路のみを図示する。平面図（上方左側）が示すように、セグメント３２１…４は、互いに対して平行に位置づけられていて、その結果、互いを影にすることはない。セグメント３１１…４は、この下方で、合同で存在する。側面図（右側上方）は、このようにして、４つのストライプ様式のより長くされた計測スポットからなる計測域が得られることを示し、これらの計測スポットは、４つの様々な時間のずれをもちつつ、ＴＨｚサブパルスが通過する。好ましくは光路は、等距離のステップΔＩ分だけ延長され、その結果、ある群のＴＨｚサブパルスの時間のずれも、一定のステップτＳ＝ｃ・ΔＩで大きくなる。従って、図７ａ中のこのミラー配置を用いて、１次元の空間分解で、光路中に配置されている試料における計測が実現可能である。完全性を期すために、図７ａ（平面図）中に、セグメント化されないミラー３２および３１（合同）を点線で書く。
【００８７】
図７ｂは、図７ａの配置の有利なさらなるある構成を示す。この場合、ストライプ様式のセグメントは、ストライプ方向に横断する方向で、４つのより小さいセグメントに分解されていて、下方の正面図で示すように、これも同様にＴＨｚビームの方向に平行に等距離のステップで、空間的にずれている。従って、４×４の計測スポットを備えたマトリックス様式の計測域が得られ、これらの時間のずれは、上方右の側面図が示すように、一定のステップτＳで上昇する。（時間のずれτＳは、この場合、図７ａ中の値の４分の１のみであるが、セグメント距離を伸ばすまたは圧縮することにより、任意の値τＳを設定可能である。）ＴＨｚビームが正接で当たるセグメントの連結は、任意選択的である。従ってこの配置により、規定されたように時間的にずれ、かつ、異なる光路上に延在する、１６個のＴＨｚサブパルスの群が生成可能であり（Ｎ＝１６）、これらのサブパルスにより、光路中に配置されている試料において、２次元の空間分解を行う計測が可能になる。
【００８８】
図７ｃは、４度ビームが方向転換する配置であって、ＴＨｚミラーのセグメント３１１…４、３２１…４（図７ａ中と同様）と、これに対して鏡面対称で位置付けられたセグメント３３１…４、３４１…４とを備えている。この配置は、ストライプ様式でより長くされた４つの計測スポットからなる計測域を準備し、ここで、この時間のずれは、図７ａと比較すると２倍になる。この光学系２０の実施形態により、ＴＨｚ送信および受信アンテナ１１、１２が、直接隣接して配置されるとの可能性が得られる。図７ｃは、さらに、試料１３の選択的に利用可能な３つの位置を示し、この試料は、１次元の空間分解を行う計測にかけられる。
【００８９】
図７ｃの配置では、さらなる修正が可能であるが、４度のビーム方向転換する配置のうちの１つの側のみを、ビーム遅延を行うように実施することで十分であるが、これは、例えば左側でのみ、ＴＨｚミラーのセグメント３１１…４、３２１…４が位置付けられ、一方右側では、セグメント化されていないＴＨｚミラー３３、３４を配置することにより行う。（この場合、図７ｃ中では、ＴＨｚミラー３３および３４は、セグメント３３１および３４１の位置に置かれ、一方で、ＴＨｚビームの方向でずらされたセグメント３３１…４、３４１…４は省かれる。）さらに、図７ｃ中の配置を、２次元の空間分解をするように実施することも可能で、これは、（図７ｂの２倍のセグメント化に代えて）透過性の段状楔をＴＨｚ光路に入れることにより行われる。ここで適切であるのは、図７ｃ中で水平に延在するビーム部分であり、この中に、試料１３も位置付けられている。加算作用を行う複数の段状楔を採用することも可能である。
【００９０】
上述の実施形態は、これで締めくくられると捉えるべきではない。むしろ、これらは、多様な観点で有意義に組み合わせ可能であり、拡張もされうる。とりわけ、上述の実施形態では用いられていないこれ以外のＴＨｚ時間領域分光計の実施形態も採用可能で、例えばＥＳＣＯＰＳ−およびＯＳＣＡＴ−ＴＨｚ時間領域分光計も採用可能である。いくつかの図面中で記したｘ−ｙ−ｚ座標系は、記述を容易にするためにのみ機能する。空間中でこれ以外の配置の方向付けを行うことも可能である。この際、記された方向（１次元の配置で計測スポットＭ１〜ＭＮが好ましくはこれに沿って配置されている線を、さしあたって常にｘ方向、試料１３の移動方向が、さしあたって常にｙ方向、および、ＴＨｚサブパルスの伝搬方向が、さしあたって常にｚ方向）は、必ずしも直交して延在するには及ばない。例えば、試料１３は、ＴＨｚパルスの伝搬方向に対して傾斜して動くことが可能で、これは、この種の計測装置を、幾何学的な限定を備えた産業設備中に設置するには、重要な境界条件である。
【００９１】
実施形態中に記載された複数の計測装置は、常に、計測システムに組み合わせられうる。
【００９２】
この際、しかし、特別な実施形態として、計測システムも実現可能で、これは、複数のＴＨｚ送信アンテナ１１と、１つのみのＴＨｚ受信アンテナ１２とを有する。
【符号の説明】
【００９３】
０  光学出力パルス０’、０’’、…の列
１  光学ポンプパルス１’、１’’、…の列
２  光学プローブパルス２’、２’’、…の列
３  ＴＨｚパルス３’、３’’、…の列
３’１…  ＴＨｚサブパルス
１０  ＴＨｚ時間領域分光計
１１  ＴＨｚ送信アンテナ
１２  ＴＨｚ受信アンテナ
１３  試料
１４  制御・計測および評価電子系
１５  ｆｓレーザ
１５ａ  第２ｆｓレーザ（ＡＳＯＰＳの場合のみ）
１６  ビームスプリッタ
１７  遅延路
１８  光学路中の方向転換ミラー
１８ｂ  ＴＨｚ路中の放物面ミラー
１８ｃ  ＴＨｚ路中の光線合焦ビームレンズ
１９  ｘ−ｙ変位台
２０  光学系
２１  以下のように実施された第１ビーム形成部品
２１ａ    透過性の部品
２１ｂ    反射性の部品（任意選択的に方向転換ミラー２１ｂ’を備えている）
２２  以下のように実施されたビーム遅延部品
２２ａ    透過性の部品
２２ｂ    反射性の部品
２３  以下のように実施された第２ビーム形成部品
２３ａ    透過性の部品
２３ｂ    反射性の部品（任意選択的に方向転換ミラー２３ｂ’を備えている）
３１、…、３４  方向転換するＴＨｚミラー
３１ｉ、…、３４ｉ    方向転換し、かつ規定のビーム遅延を行うセグメント（ｉ＝１…Ｎ）
Ｍｉ  空間的に分離された計測スポットＭ１〜ＭＮ
Ｐｉ  空間的に分離された試料部分Ｐｉ〜ＰＮ
Ｇ  ＴＨｚサブパルスの群、例えば３’１、３’２、３’３、３’４
ＴＦ  部分列ＴＨｚサブパルスの部分列、例えば３’１、３’’１、３’’’１、…
ＷＦ  波形
ｆｒｅｐ  ｆｓレーザの繰り返し数（１つのｆｓレーザのみを備えたＴＨｚ−ＴＤＳの場合）
ｆ１、ｆ２  双方のｆｓレーザの繰り返し数（ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ−ＴＤＳの場合）
Δｆ  遅延路１７を通る列２の繰り返し数ｆｒｅｐの変化（ｆｓレーザを１つのみ備えたＴＨｚ−ＴＤＳの場合）、ないし、繰り返し数ｆ１−ｆ２の差（ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ−ＴＤＳの場合）
τｒｅｐ  ｆｓレーザの繰り返し期間（ｆｓレーザを１つのみ備えたＴＨｚ−ＴＤＳの場合）
τ１、τ２  双方のｆｓレーザの繰り返し期間（ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚ−ＴＤＳの場合）
Δτ  遅延路１７でもって生成された時間のずれのステップサイズ（ｆｓレーザを１つのみ備えたＴＨｚ−ＴＤＳの場合）、ないし、繰り返し期間の差τ２−τ１（ＡＳＯＰＳ−ＴＨｚＴＤＳの場合）
τＬ  ＴＨｚパルスの期間（＝ＴＨｚサブパルスの期間）
τＳ  同じ群の連続する２つのＴＨｚサブパルスの時間のずれ
ΔＩ  セグメント３１ｉ、…の使用時の幾何学的な光路のステップサイズ
Ｔ  サンプリング方法を用いてサンプリングされるべき時間領域
Ａ  評価可能な情報を有する時間領域（ＡＳＯＰＳ、従来技術）
Ｚ  評価可能な情報を備えた追加的な時間領域（ＡＳＯＰＳ、本発明と組み合わせた場合）
Ｎ  ＴＨｚサブパルスの部分列の数＝ある群中のＴＨｚサブパルスの数＝計測スポットの数
Ｌ  ＴＨｚビームのビーム断面の長さ
Ｂ  検査されるべき試料の領域の幅
ＢＳ  段状楔中の段の幅
ＨＳ  段状楔中の段の高さ
ｎ  ビーム遅延部品２２ａの屈折率
ｎＵ  周辺の屈折率
Δｎ  屈折率の差ｎ−ｎＵ
ｃ  周辺における光速（＝真空光速）
ｔ  時間
α  ＴＨｚビームのビーム遅延部品２２への入射角度
ｘ、ｙ  ＴＨｚビーム方向に対して垂直の座標
ｚ  ＴＨｚビーム方向に対して平行な座標
【図２ａ】
2017506753.tif 000003
【図２ｂ】
2017506753.tif 000004
【図３】
2017506753.tif 000005
【図４ａ】
2017506753.tif 000006
【図４ｂ】
2017506753.tif 000007
【図５】
2017506753.tif 000008
【図６ａ】
2017506753.tif 000009
【図６ｂ】
2017506753.tif 000010
【図７ａ】
2017506753.tif 000011
【図７ｂ】
2017506753.tif 000012
【図７ｃ】
2017506753.tif 000013
【図１ａ】
2017506753.tif 000014
【図１ｂ】
2017506753.tif 000015
【図１ｃ】
2017506753.tif 000016
【国際調査報告】
2017506753.tif 000017
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