テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法
【課題】外乱が大きく、光強度が大幅に低下した場合であっても、対象物の成分及び濃度の特定を精度良く行うこと。
【解決手段】複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0、及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、その自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、試料成分の特定及び定量を行う。
【解決手段】複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0、及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、その自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、試料成分の特定及び定量を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法サブタイトル装置に係り、特に、周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚであるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及び物質成分の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚである遠赤外線やサブミリ波は、テラヘルツ光と呼ばれているが、技術面及び応用面では、未開拓の分野として取り残されていた。
しかし、近年、レーザ技術の進展（フェムト秒レーザあるいは量子カスケードレーザの進展）により、テラヘルツ光の発光が実現し、さらに、ＴＤＳ（Time-Domain-Spectroscopy）手法などをはじめとする応用に向けた解析技術が進展するにつれて、テラヘルツ光に関する研究・開発が活発化している。
テラヘルツ光の有用な応用分野としては、超高速通信、イメージングやトモグラフィーによる環境計測、及び生物・医学分野などを挙げることができる。
【０００３】
このテラヘルツ光の特徴の１つは、波長域が電波と光波の中間であることから理解されるように、電波の物質透過性と共に、光波の直進性を備えている点である。すなわち、電波のように様々な物質を透過することができ、電波帯では最も高い空間分解能が得られ、かつ光波のようにレンズやミラーによる引き回しが可能である。
テラヘルツ光が透過可能な材料としては、半導体、プラスチック、紙、ゴム、ビニル、木材、繊維、セラミック、コンクリートなどが挙げられる。レンズやミラーによる引き回しが可能なことから、イメージング光学系の構築が簡便となり、さらに、Ｘ線とは異なって被爆の恐れが無いことから、テラヘルツ光は、人体に安全なイメージング・分析手段に応用することも期待されている。
【０００４】
テラヘルツ光を利用した分析手段の有用な１例として、特に、郵便物（封筒）の中の麻薬、爆薬、毒物等の危険物の検出・定量化が挙げられる。Ｘ線写真では内在物の形状は判断できるが、その特性は開封しない限り判断できない。このため、例えば、粉末状の麻薬や毒物等は、Ｘ線写真では何の異常も検出されない。これに対し、テラヘルツ光は、
（１） 封筒を透過する能力を有する、
（２） テラヘルツ領域に、その物質固有（特に有機物等の高分子材料）のスペクトルが存在する、
といった２つの特徴を有し、これらの特徴を活用することで、封筒を開封することなく、封筒内の物質を特定・定量化することが可能となる。
【０００５】
この分野で周知の技術として、例えば、特許文献１には、赤色レーザーを用いて、小さい記録マークサイズから信号を安定に、また低いパワーのレーザービームで再生することができることを要旨とする超解像度近接場構造の記録媒体、記録方法及び再生方法に関する技術が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、約１〜３ＴＨｚのテラヘルツ波領域において、複数の異なる波長に対するターゲットの吸光度Ｓのスペクトル［Ｓ］を予め計測し、被対象物に前記各波長のテラヘルツ波を照射して、被対象物の吸光度Ｉを計測し、前記吸光度Ｓのスペクトル［Ｓ］と被対象物の吸光度Ｉのスペクトル［Ｉ］から、対象物の成分の有無を判別する方法が開示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、テラヘルツの周波数領域のパルス光を半導体材料に照射して、その透過パルス光を検出し、分光透過率を演算し、半導体材料中の不純物濃度を算出する不純物濃度検査装置が開示されており、半導体材料中の不純物濃度は、ランバートの光吸収理論を利用して算出するものとしている。
また、例えば、特許文献４には、被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置として、０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚ間のテラヘルツ波の内、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示す検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２０６８７号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６７１６号公報
【特許文献３】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献４】特開２００７−１９９０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記背景技術で述べた従来のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及び物質成分の解析方法にあっては、スペクトルを利用した対象物質（試料と呼ぶ）の特定・定量化が、Lambert-Beer則に基づく吸光度を用いて行われているのが一般的である。
この場合、試料の吸光度、濃度、厚さをそれぞれα, ε,dとすると、試料への入射光強度（符号をI0とする）と、試料を透過した透過光強度（符号をI1とする）との間には、（１）式で示される関係がが成り立つ。
【数１】
この（１）式で示される法則が、Lambert-Beer則である。
【０００９】
ここで、測定に用いる光の波長をλとすると、αはλに依存しており、αの波長依存を表す曲線は吸光スペクトルと呼ばれている。一般には吸光度は（１）式に基づいて定義されているが、ここでは、以後、（１）式の右辺に現れる2.3 αを吸光度として定義することとする。これは吸光度を定義するべき数の、自然対数の底を10にするか、それともe にするかの違いだけであり、本質的な相違点は無い。このような表記を用いるのは、これ以降、（１）式の微分を含めて議論する際に、この微分処理を簡単にするためである。
（１）式において、2.3α→αと定義し直すと、（２）式を得る。即ち、
【数２】
が成り立つことが分かる。
【００１０】
ここで、（２）式に示すlnは自然対数を表している。d は既知であるので、λ（即ち波長）を変化させながら、ln(I1/I0）を計測して吸光スペクトルを算出し、その算出結果と吸光スペクトルのデータベース（検量線とも呼ばれる）とを対比することで（２）式に示すαとεを算出することとなる。
しかしながら、本発明者は、上記手法が適用できるのは、I1/I0の波長依存が明確に計測できる場合に限られ、外乱（例えば、封筒内の試料特定の際の封筒による光の吸収や、コンクリート内の試料特定の際の、コンクリートによる光の吸収等）が大きい場合には、精度良く成分の特定・定量化を行うことが困難であることを見い出した。
【００１１】
即ち、前述の特許文献２に示す方法では、外乱も含めて、重回帰分析を用いて成分の特定を行う方法を開示しているが、この方法では、外乱が大きい場合には、回帰の主要因（誤差を小さくする主対象）が外乱になってしまうため、特定したい成分の特定精度が悪くなるという問題点が有る。これに対し、本発明では、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う成分を特定している。
【００１２】
また、前述の特許文献１に開示されている技術は、記録媒体、記録方法及び再生方法に関する技術であり、本発明とは目的、構成とも直接的な関係は有しない。
また、前述の特許文献３に開示されている技術は、半導体材料中の不純物濃度は、ランバートの光吸収理論を利用して算出するものとしているが、本発明のように、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う成分を特定することは開示していない。
【００１３】
さらに、前述の特許文献４に開示されている技術は、前述のとおり、被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置として、０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚ間のテラヘルツ波の内、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示す検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測することを開示しているが、本発明のように、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択することは開示していない。
【００１４】
なお、周知の技術と対比するために、以下に、本発明の要点を纏めると、本発明は、
（１） テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法であり、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行うこと、
（２） この成分解析方法において、成分の特定及び定量化を行うために、吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらに、その自然対数をとった曲線を検量線として用いること、
（３） テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法であり、同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線をそれぞれ検量線１、検量線２とし、それぞれの検量線に基づいて成分の特定及び定量化を行うと共に、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、また、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択する、
ことを骨子としている。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、外乱の影響が大きい場合であっても、対象とする試料を構成する成分の特定・定量化を行うことができるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測する手段と、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得する手段と、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得る手段と、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得る手段と、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行う手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測するステップと、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得するステップと、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得るステップと、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得るステップと、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行うステップと、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置によれば、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う構成としたので、外乱が大きい場合であっても、精度良く成分の特定・定量化を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】基準透過光の強度（周波数）に対する試料４の吸光度特性を示すグラフ図である。
【図３】図２に示す吸光スペクトルに基づいて減衰量を変化させた場合の、基準透過光の強度（周波数）に対する規格化透過光強度特性を示すグラフ図である。
【図４】計測された減衰量と、ＳＮＲ１，ＳＮＲ２との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明では、テラヘルツ光を用いた成分の特定・定量化方法として、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定・定量を行う。
また、本発明では、成分の特定・定量を行うための検量線として、吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらに、その自然対数をとった曲線を用いる。
さらに、本発明では、テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法として、同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線をそれぞれ検量線１、検量線２とし、それぞれの検量線に基づいて成分の特定及び定量化を行うと共に、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、また、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択する。
【００２１】
（発明の原理）
紙やコンクリートなどは、テラヘルツ光に対する特性として、
（１） 透過はするものの、一定の吸収率を有する、
（２） その吸収率は波長にほとんど依存しない、
といった特性を有している。
このような特性を有する材料を波長無依存の外乱と呼んでいる（以後、簡単のために単に外乱と呼称する）。以下では、このような外乱下で試料成分の特定・定量化を行う場合を考察する。外乱による光量低下をInとすると、外乱を含む試料の透過光強度I1は入射光強度をI0として、（１）式を拡張することにより、（３）式及び（４）式で表すことができる。
【数３】
【数４】
ここで、βは外乱に起因する吸光度であり、ここでは波長依存は無いものとしている。
【００２２】
（４）式の両辺の自然対数をとる（手順Ａとする）と、（５）式が得られる。
【数５】
さらに、両辺を波長λで微分する（手法２とする）と、（５）式を得る。
【数６】
【００２３】
前述の手順Ａは、吸光度を算出するための一般的な手順である。
ここで、（６）式には、（５）式とは違って、βが含まれていないことから、外乱がある場合であっても、吸光スペクトルの波長微分を検量線とすることで、試料の特定・定量化が可能であることが分かる。
（５）式からβを消去することは、（５）式を波長λで２回微分することでも可能であり、実際、（５）式をこのように２回微分する手法は、測定時のバックグランドが何らかの原因で直線的に傾いている場合の影響を消し去る目的で用いられることが多い。
【００２４】
しかしながら、外乱の影響が大きい場合（例えば厚い封筒の場合など）は、透過光強度が大幅に減少してしまうため、（４）式の値が０に近くなる。また、０の近傍で対数をとる操作は誤差の影響を受けやすくなるため、手順Ａに基づいて算出される（５）式の値は測定時のノイズの影響が大きく受けることとなる。さらに、ノイズの影響が大きくなった後に、（５）式を波長λで微分あるいは２回微分すると、さらにノイズの影響が増幅されてしまい、成分の特定・定量化を行うことが困難となる。
【００２５】
そこで、このような問題点を解決するために、（４）式の両辺の自然対数をとる前に、（４）式に対して波長λで微分し、この微分の後に両辺の自然対数をとることとする。
このようにすれば、試料の特徴を反映する吸光スペクトルは大きな波長依存を有しているので、この微分値は大きな値をとることになり、（４）式の両辺の自然対数をとる際の外乱の影響を軽減することが可能となる。
しかしながら、（４）式のままで、波長λで微分すると、（６）式とは異なり、係数となっている外乱の影響を除去することができないので、（７）式を用いる（手法１とする）こととする。
【数７】
【００２６】
（４）式を（７）式に代入すると、γ=-ln( εd ×d α/dλ）となることが分かる。
従って、実験により、（７）式に基づいてγを算出し、検量線として、吸光スペクトルの波長微分の自然対数を用いることで、成分の特定と定量化が可能となる。
なお、（７）式では、波長依存の小さな領域では、波長に対する微分が０に近くなり、両辺の自然対数をとる際に、ノイズの影響が大きくなると考えられる。しかしながら、試料の特定・定量化はスペクトルに明確な特徴が有る。即ち、吸光スペクトルの波長に対する変化が、大きな領域を用いて行われるので、このような問題点は生じない。
また、他の方法として、（４）式の両辺の自然をとる前に、（４）式の、波長λでの２回微分を求めて、βを消去する手法も考えられるが、手法としては類似の手法であるので、ここでは前述のとおり、波長λで１回微分する場合についてのみ説明することとする。
【００２７】
なお、外乱の影響が小さい場合には、必ずしも（７）式を用いる必要は無く、（４）式を用いても良い。条件によっては、（４）式を用いる方が精度が高くなる場合もあるので、どちらの式を用いるのが適切かを定量的に判断する指標が必要である。このため、（８）式及び（９）式で示される指標SNR1、SNR2を導入する。
【数８】
【数９】
【００２８】
（８）式及び（９）式には微分が含まれているが、実際の計測は離散的な波長に対して行われることが多く、その場合は、隣接する波長間での差分演算に基づいて該微分を近似しても良い。また、（８）及び（９）式における添え字のi は離散的に光強度が計測された場合の各波長に対応している。即ち、I0及びI1をλ=(λ1,λ2,λ3,λ4,…）の各波長に対して計測した場合の、各々の波長に対応して付されている。
また、（８）式及び（９）式において、α(λ)は、データベース化されている既知の吸光スペクトルであり、I1/I0を含む項は実験で計測される値である。複数のα、εの組み合わせに対して、SNR1及びSNR2を算出し、その中の最大値を与えるαo(λ),εoによって成分及び濃度が特定されることとなる。
【００２９】
さらに、（８）式及び（９）式において、いずれの式で示されるものも、分母の第１項は実験で得られる情報（即ち信号）であり、分母の第２項が検量線（即ち、基準信号）である。該信号と、該基準信号との差をノイズと見なし、該信号と該ノイズとの比をとって示したものが（８）式及び（９）式である。
なお、ここでは、１成分の場合を例にして説明したが、多成分からなる試料の場合でも基本的な手法は同じであり、その場合には、（８）式または（９）式において、検量線となる吸光スペクトルを、試料を構成する各成分毎の吸光スペクトルの線形和で表現すれば良い。
【００３０】
以下、本発明のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の全体構成を示す構成図である。
同図において、本実施形態のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置は、テラヘルツ光発生部１と、テラヘルツ光受光部２と、吸光スペクトルデータベースを内蔵するＣＰＵ３と、を備える。
なお、符号４は物質成分を解析する解析対象の試料である。また、符号Psは基準光を示し、符号Ptは透過光計測時の試料４への照射光を示し、符号I0は入射光強度を示し、さらに、符号I1は試料を透過した透過光強度を示すものである。
テラヘルツ光発生部１としては、半導体へのフェムト秒レーザ照射によるテラヘルツ発生、非線形光学結晶を用いた差周波発生、量子カスケードレーザ等、よく知られたテラヘルツ光源を用いることができる。
【００３１】
量子カスケードレーザのように単一波長の光しか発生できないテラヘルツ光源を用いる場合には、スペクトルデータが取得できるようにするため、複数の光源を用いて、異なる波長を発生できるようにするものとする。
基準光Psの計測は、試料４を機械的に動かして、テラヘルツ光発生部１の光源から、テラヘルツ光受光部２の受光部に至るまでの光路からずらして行ってもよく、また、ビームスプリッタを用いて光の一部を試料４とは異なる光路で受光するように構成しても良い。後者の場合には、ビームスプリッタでの光量分割比に基づいて基準光Psの強度を補正するものとする。
【００３２】
ここではビームスプリッタを用いることはせず、試料の無い状態で基準光Psの光強度を計測し、基準光強度を求めるものとする。
テラヘルツ光受光部２としては、ショットキーバリアダイオード、光スイッチ、ボロメータ等、一般的なテラヘルツ受光素子を用いることができる。本発明ではＤＣ的な光量の計測を目的としているので、受光素子の帯域はそれほど重要ではなく、帯域の低い受光素子でも使用することができる。
【００３３】
なお、ノイズを低減するために、基準光Ps及び透過光計測時の試料４への照射光Ptを、それぞれ高い周波数で変調して照射することも可能である。この場合には、一定の帯域を有する受光素子を用いるものとする。
また、連続した波長の光を発生する光源を用いる場合には、受光素子の手前に回折格子などを設置して、各々の波長における光強度を計測するものとする。
ＣＰＵ３は、基準光強度I0、透過光強度I1、及び内蔵する吸光スペクトルデータベースに基づいて、試料４の特定及び定量化を行う。この際、前述の（８）式に示すＳＮＲ１、及び前述の（９）式に示すＳＮＲ２を算出し、その内、最大値を与える吸光スペクトルと濃度との組み合わせにより、試料４の成分と濃度が特定されることとなる。
【００３４】
（実施例１）
図２は、基準透過光の強度（周波数）に対する試料４の吸光度特性を示すグラフ図である。同図のグラフの横軸の周波数は、基準透過光Psの強度を示すものである（即ち、（３）式におけるInに相当する）。
図１に示す装置において、低温成長させたGaAs（ガリウム砒素）に、フェムト秒レーザを照射することでテラヘルツ光を発生させるテラヘルツ光源を用い、成分の特定・定量化を行った。試料４には図２に示すような吸光スペクトルを有する高分子材料（ラクトース）を用いた。本実施例では対象とする高分子材料（ラクトース）のみからなる厚さ10 cm の試料を用いた。この場合、前述のε=1.0（100%）である。受光素子にはSiボロメータを用いた。本実施例では、外乱として、減光（ND；Neutral Density ）フィルタを用い、減衰量を様々に変化させて計測を行った。なお、減衰量を変化させることは、例えば、封筒中の試料を特定する場合で言えば、紙の厚さを変化させることと等価である。
【００３５】
図３は、図２に示す吸光スペクトルに基づいて減衰量を変化させた場合の、基準透過光の強度（周波数）に対する規格化透過光強度特性を示すグラフ図である。
同図のグラフの横軸の周波数は、基準透過光の強度を示すものである（即ち、（３）式におけるInに相当している）。この横軸は、減衰量の逆目盛りであり、即ち、横軸の値が小さいほど外乱の影響が大きいこと（即ち、減衰量が大きくなることを意味する）。
ちなみに、図３は、吸光スペクトルと外乱に基づいて算出された、外乱と規格化透過光強度との関係を示すグラフ図であると言える。
【００３６】
図３から、減光フィルタによる減衰量が大きくなると（グラフ図の破線で示す場合）、全ての波長域に渡って透過光量が０に近くなり、本来のスペクトルの特徴が失われていくために、成分の特定が困難となることが予想できる。図３に示した破線と実線の２つの曲線は、濃度は同一であり、外乱が違うのみである。従って、成分解析を行った際は、いずれの曲線に対しても同一の濃度が特定されなければならない。
図４は、計測された減衰量と、ＳＮＲ１，ＳＮＲ２との関係を示すグラフ図である。
ちなみに、図４は、外乱と、成分特定の信頼性を示す指標との関係を示すグラフ図となっている。
減衰量が大きい条件下では、ＳＮＲ１（破線）の値の方がＳＮＲ２（実線）の値よりも高い値を示している。
【００３７】
特に、減衰量が0.05以下では、ＳＮＲ２は0 dB（ノイズ強度と信号強度が同じ）に近い値となっており、成分特定の信頼性がほとんど無いことが分かる。このような条件下でもＳＮＲ１は10 dB 前後の値が確保できており、対数をとる前に微分を行い、かつ、外乱を補正する本発明の方法（即ち、ＳＮＲ１に基づく成分特定方法）の有効性が確認できている。
また、図４からは、減衰量が小さい領域、即ち、外乱が小さい場合には、ＳＮＲ２の値の方がＳＮＲ１の値よりも高くなることが分かる。一般に、外乱を事前に把握すること（例えば、紙の厚さや吸収量を事前に正確に把握すること）は、困難であるので、ＳＮＲ１とＳＮＲ２の両方の値を算出することが効果的な方法となる。
なお、本実施例では図２〜図４に示した波長域の全てのデータを用いたが、スペクトルに特徴を有する波長域（複数の波長域とすることも可能）のみに対して解析を行っても良い。
【００３８】
（実施例２）
実施例２では、図１に示す装置において、２種類の高分子材料からなる物質を測定対象とした。２種類の高分子材料としては吸収のピークが明確に異なるラクトースとショ糖を用いた。両材料を１：１の割合で混合し、実施例１と同様に、厚さ10 cm の測定用試料を作成した。実施例１と同様に、外乱としてＮＤフィルタを用い、減衰量0.05の条件で測定を行った。ＳＮＲ１を算出するための前述の手法１を用いた場合には、両成分の濃度がそれぞれ50% ずつと推定（特定）されたのに対し、ＳＮＲ２を算出するための前述の手法２を用いた場合には、両成分の濃度が20%、25%と推定され、正しい濃度を特定することはできなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の構築、及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法の実施に適用可能であり、特に、周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚであるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の構築と物質成分の解析方法の実施に好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１ テラヘルツ光発生部
２ テラヘルツ受光部
３ ＣＰＵ
４ 試料
Ps 基準光
Pt 照射光
I0 入射光強度
I1 透過光強度
【技術分野】
【０００１】
本発明はテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法サブタイトル装置に係り、特に、周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚであるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及び物質成分の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚである遠赤外線やサブミリ波は、テラヘルツ光と呼ばれているが、技術面及び応用面では、未開拓の分野として取り残されていた。
しかし、近年、レーザ技術の進展（フェムト秒レーザあるいは量子カスケードレーザの進展）により、テラヘルツ光の発光が実現し、さらに、ＴＤＳ（Time-Domain-Spectroscopy）手法などをはじめとする応用に向けた解析技術が進展するにつれて、テラヘルツ光に関する研究・開発が活発化している。
テラヘルツ光の有用な応用分野としては、超高速通信、イメージングやトモグラフィーによる環境計測、及び生物・医学分野などを挙げることができる。
【０００３】
このテラヘルツ光の特徴の１つは、波長域が電波と光波の中間であることから理解されるように、電波の物質透過性と共に、光波の直進性を備えている点である。すなわち、電波のように様々な物質を透過することができ、電波帯では最も高い空間分解能が得られ、かつ光波のようにレンズやミラーによる引き回しが可能である。
テラヘルツ光が透過可能な材料としては、半導体、プラスチック、紙、ゴム、ビニル、木材、繊維、セラミック、コンクリートなどが挙げられる。レンズやミラーによる引き回しが可能なことから、イメージング光学系の構築が簡便となり、さらに、Ｘ線とは異なって被爆の恐れが無いことから、テラヘルツ光は、人体に安全なイメージング・分析手段に応用することも期待されている。
【０００４】
テラヘルツ光を利用した分析手段の有用な１例として、特に、郵便物（封筒）の中の麻薬、爆薬、毒物等の危険物の検出・定量化が挙げられる。Ｘ線写真では内在物の形状は判断できるが、その特性は開封しない限り判断できない。このため、例えば、粉末状の麻薬や毒物等は、Ｘ線写真では何の異常も検出されない。これに対し、テラヘルツ光は、
（１） 封筒を透過する能力を有する、
（２） テラヘルツ領域に、その物質固有（特に有機物等の高分子材料）のスペクトルが存在する、
といった２つの特徴を有し、これらの特徴を活用することで、封筒を開封することなく、封筒内の物質を特定・定量化することが可能となる。
【０００５】
この分野で周知の技術として、例えば、特許文献１には、赤色レーザーを用いて、小さい記録マークサイズから信号を安定に、また低いパワーのレーザービームで再生することができることを要旨とする超解像度近接場構造の記録媒体、記録方法及び再生方法に関する技術が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、約１〜３ＴＨｚのテラヘルツ波領域において、複数の異なる波長に対するターゲットの吸光度Ｓのスペクトル［Ｓ］を予め計測し、被対象物に前記各波長のテラヘルツ波を照射して、被対象物の吸光度Ｉを計測し、前記吸光度Ｓのスペクトル［Ｓ］と被対象物の吸光度Ｉのスペクトル［Ｉ］から、対象物の成分の有無を判別する方法が開示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、テラヘルツの周波数領域のパルス光を半導体材料に照射して、その透過パルス光を検出し、分光透過率を演算し、半導体材料中の不純物濃度を算出する不純物濃度検査装置が開示されており、半導体材料中の不純物濃度は、ランバートの光吸収理論を利用して算出するものとしている。
また、例えば、特許文献４には、被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置として、０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚ間のテラヘルツ波の内、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示す検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２０６８７号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６７１６号公報
【特許文献３】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献４】特開２００７−１９９０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記背景技術で述べた従来のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及び物質成分の解析方法にあっては、スペクトルを利用した対象物質（試料と呼ぶ）の特定・定量化が、Lambert-Beer則に基づく吸光度を用いて行われているのが一般的である。
この場合、試料の吸光度、濃度、厚さをそれぞれα, ε,dとすると、試料への入射光強度（符号をI0とする）と、試料を透過した透過光強度（符号をI1とする）との間には、（１）式で示される関係がが成り立つ。
【数１】
この（１）式で示される法則が、Lambert-Beer則である。
【０００９】
ここで、測定に用いる光の波長をλとすると、αはλに依存しており、αの波長依存を表す曲線は吸光スペクトルと呼ばれている。一般には吸光度は（１）式に基づいて定義されているが、ここでは、以後、（１）式の右辺に現れる2.3 αを吸光度として定義することとする。これは吸光度を定義するべき数の、自然対数の底を10にするか、それともe にするかの違いだけであり、本質的な相違点は無い。このような表記を用いるのは、これ以降、（１）式の微分を含めて議論する際に、この微分処理を簡単にするためである。
（１）式において、2.3α→αと定義し直すと、（２）式を得る。即ち、
【数２】
が成り立つことが分かる。
【００１０】
ここで、（２）式に示すlnは自然対数を表している。d は既知であるので、λ（即ち波長）を変化させながら、ln(I1/I0）を計測して吸光スペクトルを算出し、その算出結果と吸光スペクトルのデータベース（検量線とも呼ばれる）とを対比することで（２）式に示すαとεを算出することとなる。
しかしながら、本発明者は、上記手法が適用できるのは、I1/I0の波長依存が明確に計測できる場合に限られ、外乱（例えば、封筒内の試料特定の際の封筒による光の吸収や、コンクリート内の試料特定の際の、コンクリートによる光の吸収等）が大きい場合には、精度良く成分の特定・定量化を行うことが困難であることを見い出した。
【００１１】
即ち、前述の特許文献２に示す方法では、外乱も含めて、重回帰分析を用いて成分の特定を行う方法を開示しているが、この方法では、外乱が大きい場合には、回帰の主要因（誤差を小さくする主対象）が外乱になってしまうため、特定したい成分の特定精度が悪くなるという問題点が有る。これに対し、本発明では、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う成分を特定している。
【００１２】
また、前述の特許文献１に開示されている技術は、記録媒体、記録方法及び再生方法に関する技術であり、本発明とは目的、構成とも直接的な関係は有しない。
また、前述の特許文献３に開示されている技術は、半導体材料中の不純物濃度は、ランバートの光吸収理論を利用して算出するものとしているが、本発明のように、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う成分を特定することは開示していない。
【００１３】
さらに、前述の特許文献４に開示されている技術は、前述のとおり、被測定物の成分濃度を非接触で計測するテラヘルツ波式計測装置として、０．０１ＴＨｚから３０ＴＨｚ間のテラヘルツ波の内、該成分夫々が有している吸収率の大きい特定周波数のテラヘルツ波が被測定物を透過する間に減衰する度合、即ち、吸光度を夫々測定して、該吸光度と該成分濃度の関係を示す検量線を用いて、被測定物の成分濃度を計測することを開示しているが、本発明のように、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択することは開示していない。
【００１４】
なお、周知の技術と対比するために、以下に、本発明の要点を纏めると、本発明は、
（１） テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法であり、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行うこと、
（２） この成分解析方法において、成分の特定及び定量化を行うために、吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらに、その自然対数をとった曲線を検量線として用いること、
（３） テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法であり、同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線をそれぞれ検量線１、検量線２とし、それぞれの検量線に基づいて成分の特定及び定量化を行うと共に、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、また、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択する、
ことを骨子としている。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、外乱の影響が大きい場合であっても、対象とする試料を構成する成分の特定・定量化を行うことができるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測する手段と、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得する手段と、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得る手段と、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得る手段と、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行う手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測するステップと、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得するステップと、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得るステップと、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得るステップと、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行うステップと、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置によれば、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定及び定量を行う構成としたので、外乱が大きい場合であっても、精度良く成分の特定・定量化を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】基準透過光の強度（周波数）に対する試料４の吸光度特性を示すグラフ図である。
【図３】図２に示す吸光スペクトルに基づいて減衰量を変化させた場合の、基準透過光の強度（周波数）に対する規格化透過光強度特性を示すグラフ図である。
【図４】計測された減衰量と、ＳＮＲ１，ＳＮＲ２との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明では、テラヘルツ光を用いた成分の特定・定量化方法として、複数の波長の光に対して、試料が存在しない場合の基準光強度I0及び試料を透過した透過光強度I1を計測し、I1/I0 を波長に対して微分した後、自然対数をとった数値と、I1/I0 の自然対数をとった数値との差に基づいて、成分の特定・定量を行う。
また、本発明では、成分の特定・定量を行うための検量線として、吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらに、その自然対数をとった曲線を用いる。
さらに、本発明では、テラヘルツ光を用いた成分の特定及び定量化を行う成分解析方法として、同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線をそれぞれ検量線１、検量線２とし、それぞれの検量線に基づいて成分の特定及び定量化を行うと共に、検量線１に基づき信頼性指標１を算出し、また、検量線２に基づき信頼性指標２を算出し、より大きな信頼性指標が得られた成分の特定及び定量化結果を選択する。
【００２１】
（発明の原理）
紙やコンクリートなどは、テラヘルツ光に対する特性として、
（１） 透過はするものの、一定の吸収率を有する、
（２） その吸収率は波長にほとんど依存しない、
といった特性を有している。
このような特性を有する材料を波長無依存の外乱と呼んでいる（以後、簡単のために単に外乱と呼称する）。以下では、このような外乱下で試料成分の特定・定量化を行う場合を考察する。外乱による光量低下をInとすると、外乱を含む試料の透過光強度I1は入射光強度をI0として、（１）式を拡張することにより、（３）式及び（４）式で表すことができる。
【数３】
【数４】
ここで、βは外乱に起因する吸光度であり、ここでは波長依存は無いものとしている。
【００２２】
（４）式の両辺の自然対数をとる（手順Ａとする）と、（５）式が得られる。
【数５】
さらに、両辺を波長λで微分する（手法２とする）と、（５）式を得る。
【数６】
【００２３】
前述の手順Ａは、吸光度を算出するための一般的な手順である。
ここで、（６）式には、（５）式とは違って、βが含まれていないことから、外乱がある場合であっても、吸光スペクトルの波長微分を検量線とすることで、試料の特定・定量化が可能であることが分かる。
（５）式からβを消去することは、（５）式を波長λで２回微分することでも可能であり、実際、（５）式をこのように２回微分する手法は、測定時のバックグランドが何らかの原因で直線的に傾いている場合の影響を消し去る目的で用いられることが多い。
【００２４】
しかしながら、外乱の影響が大きい場合（例えば厚い封筒の場合など）は、透過光強度が大幅に減少してしまうため、（４）式の値が０に近くなる。また、０の近傍で対数をとる操作は誤差の影響を受けやすくなるため、手順Ａに基づいて算出される（５）式の値は測定時のノイズの影響が大きく受けることとなる。さらに、ノイズの影響が大きくなった後に、（５）式を波長λで微分あるいは２回微分すると、さらにノイズの影響が増幅されてしまい、成分の特定・定量化を行うことが困難となる。
【００２５】
そこで、このような問題点を解決するために、（４）式の両辺の自然対数をとる前に、（４）式に対して波長λで微分し、この微分の後に両辺の自然対数をとることとする。
このようにすれば、試料の特徴を反映する吸光スペクトルは大きな波長依存を有しているので、この微分値は大きな値をとることになり、（４）式の両辺の自然対数をとる際の外乱の影響を軽減することが可能となる。
しかしながら、（４）式のままで、波長λで微分すると、（６）式とは異なり、係数となっている外乱の影響を除去することができないので、（７）式を用いる（手法１とする）こととする。
【数７】
【００２６】
（４）式を（７）式に代入すると、γ=-ln( εd ×d α/dλ）となることが分かる。
従って、実験により、（７）式に基づいてγを算出し、検量線として、吸光スペクトルの波長微分の自然対数を用いることで、成分の特定と定量化が可能となる。
なお、（７）式では、波長依存の小さな領域では、波長に対する微分が０に近くなり、両辺の自然対数をとる際に、ノイズの影響が大きくなると考えられる。しかしながら、試料の特定・定量化はスペクトルに明確な特徴が有る。即ち、吸光スペクトルの波長に対する変化が、大きな領域を用いて行われるので、このような問題点は生じない。
また、他の方法として、（４）式の両辺の自然をとる前に、（４）式の、波長λでの２回微分を求めて、βを消去する手法も考えられるが、手法としては類似の手法であるので、ここでは前述のとおり、波長λで１回微分する場合についてのみ説明することとする。
【００２７】
なお、外乱の影響が小さい場合には、必ずしも（７）式を用いる必要は無く、（４）式を用いても良い。条件によっては、（４）式を用いる方が精度が高くなる場合もあるので、どちらの式を用いるのが適切かを定量的に判断する指標が必要である。このため、（８）式及び（９）式で示される指標SNR1、SNR2を導入する。
【数８】
【数９】
【００２８】
（８）式及び（９）式には微分が含まれているが、実際の計測は離散的な波長に対して行われることが多く、その場合は、隣接する波長間での差分演算に基づいて該微分を近似しても良い。また、（８）及び（９）式における添え字のi は離散的に光強度が計測された場合の各波長に対応している。即ち、I0及びI1をλ=(λ1,λ2,λ3,λ4,…）の各波長に対して計測した場合の、各々の波長に対応して付されている。
また、（８）式及び（９）式において、α(λ)は、データベース化されている既知の吸光スペクトルであり、I1/I0を含む項は実験で計測される値である。複数のα、εの組み合わせに対して、SNR1及びSNR2を算出し、その中の最大値を与えるαo(λ),εoによって成分及び濃度が特定されることとなる。
【００２９】
さらに、（８）式及び（９）式において、いずれの式で示されるものも、分母の第１項は実験で得られる情報（即ち信号）であり、分母の第２項が検量線（即ち、基準信号）である。該信号と、該基準信号との差をノイズと見なし、該信号と該ノイズとの比をとって示したものが（８）式及び（９）式である。
なお、ここでは、１成分の場合を例にして説明したが、多成分からなる試料の場合でも基本的な手法は同じであり、その場合には、（８）式または（９）式において、検量線となる吸光スペクトルを、試料を構成する各成分毎の吸光スペクトルの線形和で表現すれば良い。
【００３０】
以下、本発明のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の全体構成を示す構成図である。
同図において、本実施形態のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置は、テラヘルツ光発生部１と、テラヘルツ光受光部２と、吸光スペクトルデータベースを内蔵するＣＰＵ３と、を備える。
なお、符号４は物質成分を解析する解析対象の試料である。また、符号Psは基準光を示し、符号Ptは透過光計測時の試料４への照射光を示し、符号I0は入射光強度を示し、さらに、符号I1は試料を透過した透過光強度を示すものである。
テラヘルツ光発生部１としては、半導体へのフェムト秒レーザ照射によるテラヘルツ発生、非線形光学結晶を用いた差周波発生、量子カスケードレーザ等、よく知られたテラヘルツ光源を用いることができる。
【００３１】
量子カスケードレーザのように単一波長の光しか発生できないテラヘルツ光源を用いる場合には、スペクトルデータが取得できるようにするため、複数の光源を用いて、異なる波長を発生できるようにするものとする。
基準光Psの計測は、試料４を機械的に動かして、テラヘルツ光発生部１の光源から、テラヘルツ光受光部２の受光部に至るまでの光路からずらして行ってもよく、また、ビームスプリッタを用いて光の一部を試料４とは異なる光路で受光するように構成しても良い。後者の場合には、ビームスプリッタでの光量分割比に基づいて基準光Psの強度を補正するものとする。
【００３２】
ここではビームスプリッタを用いることはせず、試料の無い状態で基準光Psの光強度を計測し、基準光強度を求めるものとする。
テラヘルツ光受光部２としては、ショットキーバリアダイオード、光スイッチ、ボロメータ等、一般的なテラヘルツ受光素子を用いることができる。本発明ではＤＣ的な光量の計測を目的としているので、受光素子の帯域はそれほど重要ではなく、帯域の低い受光素子でも使用することができる。
【００３３】
なお、ノイズを低減するために、基準光Ps及び透過光計測時の試料４への照射光Ptを、それぞれ高い周波数で変調して照射することも可能である。この場合には、一定の帯域を有する受光素子を用いるものとする。
また、連続した波長の光を発生する光源を用いる場合には、受光素子の手前に回折格子などを設置して、各々の波長における光強度を計測するものとする。
ＣＰＵ３は、基準光強度I0、透過光強度I1、及び内蔵する吸光スペクトルデータベースに基づいて、試料４の特定及び定量化を行う。この際、前述の（８）式に示すＳＮＲ１、及び前述の（９）式に示すＳＮＲ２を算出し、その内、最大値を与える吸光スペクトルと濃度との組み合わせにより、試料４の成分と濃度が特定されることとなる。
【００３４】
（実施例１）
図２は、基準透過光の強度（周波数）に対する試料４の吸光度特性を示すグラフ図である。同図のグラフの横軸の周波数は、基準透過光Psの強度を示すものである（即ち、（３）式におけるInに相当する）。
図１に示す装置において、低温成長させたGaAs（ガリウム砒素）に、フェムト秒レーザを照射することでテラヘルツ光を発生させるテラヘルツ光源を用い、成分の特定・定量化を行った。試料４には図２に示すような吸光スペクトルを有する高分子材料（ラクトース）を用いた。本実施例では対象とする高分子材料（ラクトース）のみからなる厚さ10 cm の試料を用いた。この場合、前述のε=1.0（100%）である。受光素子にはSiボロメータを用いた。本実施例では、外乱として、減光（ND；Neutral Density ）フィルタを用い、減衰量を様々に変化させて計測を行った。なお、減衰量を変化させることは、例えば、封筒中の試料を特定する場合で言えば、紙の厚さを変化させることと等価である。
【００３５】
図３は、図２に示す吸光スペクトルに基づいて減衰量を変化させた場合の、基準透過光の強度（周波数）に対する規格化透過光強度特性を示すグラフ図である。
同図のグラフの横軸の周波数は、基準透過光の強度を示すものである（即ち、（３）式におけるInに相当している）。この横軸は、減衰量の逆目盛りであり、即ち、横軸の値が小さいほど外乱の影響が大きいこと（即ち、減衰量が大きくなることを意味する）。
ちなみに、図３は、吸光スペクトルと外乱に基づいて算出された、外乱と規格化透過光強度との関係を示すグラフ図であると言える。
【００３６】
図３から、減光フィルタによる減衰量が大きくなると（グラフ図の破線で示す場合）、全ての波長域に渡って透過光量が０に近くなり、本来のスペクトルの特徴が失われていくために、成分の特定が困難となることが予想できる。図３に示した破線と実線の２つの曲線は、濃度は同一であり、外乱が違うのみである。従って、成分解析を行った際は、いずれの曲線に対しても同一の濃度が特定されなければならない。
図４は、計測された減衰量と、ＳＮＲ１，ＳＮＲ２との関係を示すグラフ図である。
ちなみに、図４は、外乱と、成分特定の信頼性を示す指標との関係を示すグラフ図となっている。
減衰量が大きい条件下では、ＳＮＲ１（破線）の値の方がＳＮＲ２（実線）の値よりも高い値を示している。
【００３７】
特に、減衰量が0.05以下では、ＳＮＲ２は0 dB（ノイズ強度と信号強度が同じ）に近い値となっており、成分特定の信頼性がほとんど無いことが分かる。このような条件下でもＳＮＲ１は10 dB 前後の値が確保できており、対数をとる前に微分を行い、かつ、外乱を補正する本発明の方法（即ち、ＳＮＲ１に基づく成分特定方法）の有効性が確認できている。
また、図４からは、減衰量が小さい領域、即ち、外乱が小さい場合には、ＳＮＲ２の値の方がＳＮＲ１の値よりも高くなることが分かる。一般に、外乱を事前に把握すること（例えば、紙の厚さや吸収量を事前に正確に把握すること）は、困難であるので、ＳＮＲ１とＳＮＲ２の両方の値を算出することが効果的な方法となる。
なお、本実施例では図２〜図４に示した波長域の全てのデータを用いたが、スペクトルに特徴を有する波長域（複数の波長域とすることも可能）のみに対して解析を行っても良い。
【００３８】
（実施例２）
実施例２では、図１に示す装置において、２種類の高分子材料からなる物質を測定対象とした。２種類の高分子材料としては吸収のピークが明確に異なるラクトースとショ糖を用いた。両材料を１：１の割合で混合し、実施例１と同様に、厚さ10 cm の測定用試料を作成した。実施例１と同様に、外乱としてＮＤフィルタを用い、減衰量0.05の条件で測定を行った。ＳＮＲ１を算出するための前述の手法１を用いた場合には、両成分の濃度がそれぞれ50% ずつと推定（特定）されたのに対し、ＳＮＲ２を算出するための前述の手法２を用いた場合には、両成分の濃度が20%、25%と推定され、正しい濃度を特定することはできなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の構築、及びテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法の実施に適用可能であり、特に、周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚであるテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置の構築と物質成分の解析方法の実施に好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１ テラヘルツ光発生部
２ テラヘルツ受光部
３ ＣＰＵ
４ 試料
Ps 基準光
Pt 照射光
I0 入射光強度
I1 透過光強度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測する手段と、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得する手段と、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得る手段と、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得る手段と、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行う手段と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項２】
吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらにその自然対数をとった曲線を検量線として用いることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項３】
光の波長をλ、前記試料の厚さをd、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、とするとき、前記検量線の算式には（７）式を用いることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数１】
【請求項４】
同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線を、それぞれ検量線１、検量線２とし、前記検量線１と前記検量線２とに基づいてそれぞれ成分の特定及び定量化を行って、それぞれの結果を得ると共に、検量線１に基づき算出した信頼性指標１と、検量線２に基づき算出した信頼性指標２とを比較し、より大きな信頼性指標が得られた方の成分の特定及び定量化結果を選択することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項５】
光の波長をλ、外乱に起因する光求度をβ、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、とするとき、前記検量線１の算式には（４）式を用い、前記検量線２の算式には前記の（７）式を用いることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数２】
【請求項６】
光の波長をλ、測定に用いるテラヘルツ光の波長をλi 、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、試料中に含まれる特定対象となる成分濃度をε、試料の厚さをd 、吸光スペクトルをα、前記信頼性指標１をＳＮＲ１、及び前記信頼性指標をＳＮＲ２とするとき、前記ＳＮＲ１が（８）式で定義され、かつ前記ＳＮＲ２が（９）式で定義されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数３】
【数４】
【請求項７】
テラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測するステップと、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得するステップと、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得るステップと、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得るステップと、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行うステップと、
を有することを特徴とするテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法。
【請求項１】
テラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測する手段と、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得する手段と、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得する手段と、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得る手段と、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得る手段と、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行う手段と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項２】
吸光スペクトルを波長に対して微分し、さらにその自然対数をとった曲線を検量線として用いることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項３】
光の波長をλ、前記試料の厚さをd、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、とするとき、前記検量線の算式には（７）式を用いることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数１】
【請求項４】
同一の吸光スペクトルに対して異なる演算を行って得られる２つの曲線を、それぞれ検量線１、検量線２とし、前記検量線１と前記検量線２とに基づいてそれぞれ成分の特定及び定量化を行って、それぞれの結果を得ると共に、検量線１に基づき算出した信頼性指標１と、検量線２に基づき算出した信頼性指標２とを比較し、より大きな信頼性指標が得られた方の成分の特定及び定量化結果を選択することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【請求項５】
光の波長をλ、外乱に起因する光求度をβ、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、とするとき、前記検量線１の算式には（４）式を用い、前記検量線２の算式には前記の（７）式を用いることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数２】
【請求項６】
光の波長をλ、測定に用いるテラヘルツ光の波長をλi 、試料が存在しない場合の基準光強度をI0、試料を透過した透過光強度をI1、試料中に含まれる特定対象となる成分濃度をε、試料の厚さをd 、吸光スペクトルをα、前記信頼性指標１をＳＮＲ１、及び前記信頼性指標をＳＮＲ２とするとき、前記ＳＮＲ１が（８）式で定義され、かつ前記ＳＮＲ２が（９）式で定義されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のテラヘルツ光を用いた物質成分の解析装置。
【数３】
【数４】
【請求項７】
テラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法であり、
波長が異なる複数の光源光の各々について、前記物質の試料が存在しない場合の基準光強度I0の値を計測すると共に、前記試料を透過した後の透過光の透過光強度I1の値を計測するステップと、
前記透過光強度I1を示す数式を前記基準光強度I0を示す数式で除した形の第１の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式を前記波長で微分して成る数式の自然対数をとった形として示される第２の数式を、予め取得するステップと、
前記第１の数式の自然対数をとった形として示される第３の数式を、予め取得するステップと、
前記第２の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第１の数値を得るステップと、
前記第３の数式中の、前記計測基準光強度I0に、前記計測された前記基準光強度I0の値を代入すると共に、前記透過光強度I1に、前記計測された前記透過光強度I1の値を代入した結果として成る第２の数値を得るステップと、
前記第１の数値と前記第２の数値との差に基づいて、前記物質の成分を特定すると共に該特定した成分の定量を行うステップと、
を有することを特徴とするテラヘルツ光を用いた物質成分の解析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１０７０１４（Ｐ２０１１−１０７０１４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６３７５８（Ｐ２００９−２６３７５８）
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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