テラヘルツ分光装置
【課題】試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置を提案する。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子と、楕円鏡と、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子とを含むテラヘルツ分光装置とした。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子と、楕円鏡と、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子とを含むテラヘルツ分光装置とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおよそ０．１×１０１２［THz］〜１００×１０１２［THz］帯域の電磁波（テラヘルツ波）を用いる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波を発生又は検出するものとして、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：Terahertz Time-Domain Spectoroscopy）がある。テラヘルツ時間領域分光法は、１００フェトム秒程度の超短パルスのテラヘルツ波を用いる等といった要因により試料のイメージングに適していることが知られており、工業、医療、バイオ、農業又はセキュリティなどの様々な技術分野において注目されている。
【０００３】
このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザ光源からパルス光がポンプ光及びプローブ光に分光され、ポンプ光はテラヘルツ波発生素子に集光される。これによりテラヘルツ波発生素子ではサブピコ秒程度の電流又は電気分極が生成され、当該時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、光学系を介してテラヘルツ波検出素子に集光される。このとき、テラヘルツ波検出素子にプローブ光が照射されると、キャリアが生成され、テラヘルツ波の電場によって加速されて電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出素子に到達するタイミングをずらすことによって、テラヘルツ波の振幅電場の時間波形を測定し、該時間波形をフーリエ変換することによってテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。
【０００４】
このテラヘルツ時間領域分光法を用いた装置において、テラヘルツ波発生素子から発生されるテラヘルツ波を試料に導く光学系及び試料から得られるテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子に導く光学系として、一般には、例えば図１に示すように、４つの放物面鏡ＰＭ１〜ＰＭ４が採用される。
【０００５】
この例では、試料から透過したテラヘルツ波を検出する透過型であるが、試料で反射したテラヘルツ波を検出する反射型もある（例えば特許文献１参照）。これら放物面鏡に代えて、口径の小さい光学レンズを採用すれば（例えば特許文献２参照）、レンズ自体の小型化が可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１９１３０２公報
【特許文献２】特表２００３−５１８６１７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、口径の小さい光学レンズを採用した場合、サンプルに対する、光学レンズから照射されるテラヘルツ波の入射角が少しでもずれると、該サンプルから出射するテラヘルツ波が光学レンズのレンズ径からはずれて、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に導かれないといった問題が起こるため、試料の屈折率の変化によるものであるのか、あるいは、試料の形状によるものであるのか分からず、この結果、試料に関して得られた測定値が信頼性に乏しいものとなる。
【０００７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するため本発明は、テラヘルツ分光装置であって、テラヘルツ波発生素子と、楕円鏡と、上記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、上記楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子とを含む構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、楕円鏡における第１焦点の焦点面に試料等の照射対象が配置された場合、照射対象に斜め照射され、その照射対象で反射したテラヘルツ波を、楕円鏡によってテラヘルツ波検出素子に導くことで検出することができる。この場合、楕円鏡における第１焦点の焦点面に対して、照射対象自体が傾いている又は照射対象の反射面の凹凸構造をもつ等に起因して、照射対象で反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象で反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子で検出でき、かくして試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面について本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１１】
（１）テラヘルツ分光装置の全体構成
図２において、本実施の形態によるテラヘルツ分光装置１０の全体構成を示す。このテラヘルツ分光装置１０は、超短レーザ１１、分散補償部１２、ビームスプリッタ１３、テラヘルツ波発生素子１４、時間遅延素子１５、テラヘルツ波検出素子１６及びコンピュータ１７を含む構成とされる。
【００１２】
超短レーザ１１は、例えば、１００［fs］程度のパルス幅、８０［MHz］程度の繰り返し周期、７８０［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短レーザ光源ＬＳは、具体例として、フェトム秒パルスレーザチタンやサファイアレーザなどを適用することができる。
【００１３】
分散補償部１２は、超短レーザ光源１１からのパルス光のパルス幅を、光ファイバＢＦ１、ＢＦ２のもつ屈折率の波長依存性に基づくパルス幅の広がりを逆補正する方向に調整する。
【００１４】
ビームスプリッタ１３は、分散補償部１２からのパルス光を励起パルス光と、検出パルス光とに分離する。この励起パルス光は、集光光学ユニットＯＵ１によって光ファイバＢＦ１に導かれ、該光ファイバＢＦ１を介して、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢに設けられるテラヘルツ波発生素子１４に導かれる。一方、検出パルス光は、時間遅延素子１５を経た後に集光光学ユニットＯＵ２によって光ファイバＢＦ２に導かれ、該光ファイバＢＦ２を介して、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢに設けられるテラヘルツ波検出素子１６に導かれる。
【００１５】
テラヘルツ波発生素子１４は、励起パルス光の時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波を発生させる。このテラヘルツ波発生素子１４は、具体例として、半絶縁性ＧａＡｓ等でなる半導体基板、該半導体基板上に形成される１対の電極及び電極間にバイアス電圧を印加する印加部を含む構成の光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶などを適用することができる。
【００１６】
時間遅延素子１５は、テラヘルツ波検出素子１６に対する検出パルス光の到達時間を遅延させる。この実施の形態の場合、時間遅延素子１５は、一方又は双方が移動可能に配された一対の鏡１５ａ、１５ｂを有し、該一対の鏡１５ａ、１５ｂ間における光路長を可変することによって、テラヘルツ波検出素子１６に対する検出パルス光の到達時間を調節し得るようになされている。
【００１７】
テラヘルツ波検出素子１６は、テラヘルツ波発生素子１３で発生し、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路を介して導かれるテラヘルツ波を検出する。すなわちテラヘルツ波検出素子１６は、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路を介して与えられるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、このとき時間遅延素子１５から検出パルス光が与えられると、当該テラヘルツ波の電場強度の時間波形を示す信号を生成する。このテラヘルツ波検出素子１５は、具体例として、テラヘルツ波発生素子１３と同様に、光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶等を適用することができる。
【００１８】
コンピュータ１７は、テラヘルツ波検出素子１６で生成される信号に基づいて、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路に配される試料の状態を示す情報を取得するようになされている。またコンピュータ１７は、時間遅延素子１５及びテラヘルツ波伝送部ＴＭＢを適宜制御するようになされている。
【００１９】
（２）テラヘルツ波伝送部の構成
次に、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの構成について図３を用いて説明する。このテラヘルツ波伝送部ＴＭＢは、ベース板２１を有し、該ベース板２１には、ベース面に対して水平方向（ｘ方向とｙ方向）及びベース面に対して垂直方向（ｚ方向）へ移動自在に可動ステージ２２が設けられる。
【００２０】
この可動ステージ２２のうち、ベース板２１と非対向となる部分には、テラヘルツ波の通路口２３が穿設される。この通路口２３下の配置面には、テラヘルツ波の照射対象（試料又は試料の測定基準（コントロール）とされる物体）ＲＢが配される。
【００２１】
また可動ステージ２２の裏面には、テラヘルツ波の照射対象ＲＢとの距離を検出する距離センサ２４が設けられ、表面には該表面を通路口２３を含めて覆うシールド２５が設けられる。このシールド２５の内面と、可動ステージ２２のステージ表面とによって形成される遮蔽空間には、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６と、非球面レンズ３１、楕円鏡３２及び半球レンズ３３の各光学レンズと、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)３４とが、互いの位置関係を保持した状態で可動ステージ２２に対して連動可能に配置される。
【００２２】
非球面レンズ３１は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて形成されており、テラヘルツ波発生素子１４における発生面に設けられる。この非球面レンズ３１は、テラヘルツ波発生素子１４で放射状に発生するテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第１焦点の焦点面に対して斜めに照射する。
【００２３】
通路口２３下の配置面に照射対象ＲＢが配される場合、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面と照射対象ＲＢの反射面（試料もしくは測定基準とされる物体の表面又は試料の深部層）とを同一面上に保持させるように、コンピュータ１７によって可動ステージ１６の高さが調整される。
【００２４】
楕円鏡３２は、第１焦点の焦点面に位置する照射対象ＲＢから反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子１６の検出面に集める（集光する）ようになされている。この実施の形態の場合、楕円鏡３２は、照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を照射側に戻すように配置される。
【００２５】
具体的には、図３との対応部分に同一符号を付して示す図４のように、第１焦点Ｆ１を通る焦点面ＦＦの法線ＮＬを含む平面を境として、一方の領域ＡＲ１にテラヘルツ波発生素子１４、非球面レンズ３２、テラヘルツ波検出素子１６及び半球レンズ３３がそれぞれ配置され、当該一方の領域ＡＲ１とは逆の他方の領域ＡＲ２に楕円鏡３２が配置される。さらに具体的には、焦点面ＦＦよりも高い位置となる可動ステージ２２上に配置されるテラヘルツ波検出素子１６に対して、照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を戻すように楕円鏡３２が配置される。
【００２６】
ここで、第１焦点の焦点面に対して照射対象ＲＢの反射面が平行となる場合、図４に示したように、入射角θ１（非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の軸（入射光軸）ＩＬＡと、焦点面ＦＦ（照射対象ＲＢの反射面）の第１焦点Ｆ１（反射点）を通る法線ＮＬとがなす角）と、反射角θ２（焦点面ＦＦ（照射対象ＲＢの反射面）で反射したテラヘルツ波の軸（反射光軸）ＲＬＡと、法線ＮＬとがなす角）とは反射の法則のもとでは等しい関係にある。この場合、照射対象ＲＢの反射面で反射するテラヘルツ波は、楕円鏡３２における反射面の略中央エリアで反射し、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集められる。
【００２７】
一方、第１焦点の焦点面に対して照射対象ＲＢの反射面が傾斜する場合、図５に示すように、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の入射角θ１と、該反射面で反射するテラヘルツ波の反射角θ２とは異なる関係にある。この場合、照射対象ＲＢの反射面で反射するテラヘルツ波は、楕円鏡３２における反射面の端エリアで反射し、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集められる。
【００２８】
このように楕円鏡３２は、第１焦点の焦点面に対して、照射対象ＲＢ自体が傾いている場合又は該照射対象ＲＢの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができるようになされている。
【００２９】
半球レンズ３３は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて形成されており、テラヘルツ波検出素子１６における検出面に設けられる。この半球レンズ３３は、テラヘルツ波検出素子１６に対するテラヘルツ波の反射を抑えるようになされている。
【００３０】
（３）コンピュータの構成
次に、コンピュータ１７の構成について説明する。このコンピュータ１７は、図５に示すように、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４０に対して、プログラムや設定情報などが格納されるＲＯＭ(Read Only Memory)４１、該ＣＰＵ４０のワークメモリとしてのＲＡＭ(Random Access Memory)４２、操作部４３、記憶部４４、表示部４５及びインターフェイス４６をそれぞれバス４７を介して接続することにより構成される。このインターフェイス４６には、少なくとも時間遅延素子１５（図２）及び可動ステージ２２（図３）が接続される。
【００３１】
ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ４１に記憶されたプログラムをＲＡＭ４２に展開した場合、該プログラムに基づいて記憶部４４、表示部４５及びインターフェイス４６を適宜制御し、各種処理を実行する。
【００３２】
このプログラムをＲＡＭ４２に展開したＣＰＵ４０は、機能的には、図５に示したようにステージ調整部５１、試料測定部５２、画像処理部５３及び遅延時間調整部５４の各処理部に分類することができる。
【００３３】
ステージ調整部５１は、距離センサ２４（図３）で生成される距離信号に基づいて、照射対象ＲＢに対する可動ステージ２２の高さが規定高となるように可動ステージ２２を移動させて、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面と照射対象ＲＢの反射面とを同一面上に保持させるようになされている。
【００３４】
またステージ調整部５１は、規定されたスキャニング方向にしたがって、可動ステージ２２をｘ方向又はｙ方向に所定の速度で移動させて、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面に対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置（集光位置）を変更させるようになされている。
【００３５】
試料測定部５２には、テラヘルツ波検出素子１６で生成される信号が入力される。試料測定部５２は、照射対象ＲＢとして試料が通路口２３下の配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第１の検出信号とも呼ぶ）と、該照射対象ＲＢとして測定基準とされる物体が通路口２３下の配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第２の検出信号とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、記憶部４４に予め記憶させ、該記憶部４４から取得するようにしてもよい。
【００３６】
試料測定部５２は、第１の検出信号及び第２の検出信号を取得した場合、これら双方の検出信号からテラヘルツ波の振幅情報と位相情報とを抽出し、当該抽出した振幅情報の差及び位相情報の差に基づいて試料の状態を示す情報を取得するようになされている。
【００３７】
画像処理部５３は、試料測定部５２で試料の状態を示す情報が取得された場合、この情報に示される試料の状態を所定の表示態様で表示部４５に表示させ、該試料の状態等を視認させ得るようになされている。
【００３８】
また画像処理部５３は、操作部４３から試料に関する表示指令が与えられた場合、ＣＣＤ３４で生成される画像信号の画像を表示部４５に表示させ、通路口２３と、該通路口２３下に配される照射対象ＲＢとを視認させ得るようになされている。
【００３９】
遅延時間調整部５４には、操作部（図示せず）４３から入力される信号等に基づいて時間遅延素子１５における一対の鏡１４ａ、１４ｂ間における光路長を決定し、該決定した光路長となるように一方又は双方の鏡１４ａ、１４ｂを移動させるようになされている。
【００４０】
（４）動作及び効果
以上の構成において、このテラヘルツ分光装置１０は、楕円鏡３２がもつ第２焦点にテラヘルツ波検出素子１６を配置し、テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘルツ波を、該楕円鏡３２がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する。
【００４１】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、焦点面ＦＦに照射対象ＲＢが配置された場合、照射対象ＲＢに斜め照射され、その照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６によって検出することができる（図３、図４）。
【００４２】
またこのテラヘルツ分光装置１０は、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面ＦＦから反射されたテラヘルツ波を、該楕円鏡３２の第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子１６に導いていることにより、第１焦点の焦点面ＦＦに対して、照射対象ＲＢ自体が傾いている場合又は該照射対象ＲＢの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができる（図５）
【００４３】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する鉛直面を境として、一方の領域ＡＲ１に楕円鏡３２が配置され、他方の領域ＡＲ２にテラヘルツ波発生素子１４、光学レンズ及びテラヘルツ波検出素子１６が配置される（図４、図５）。
【００４４】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、一方の領域ＡＲ１から照射され、照射対象ＲＢで反射して他方の領域ＡＲ２に進むテラヘルツ波を、当該照射側に戻すことができるため、テラヘルツ波発生素子１４とテラヘルツ波検出素子１６とを近接した状態で配置することが可能となり、小型化を実現できる。また、照射対象の照射面から透過したテラヘルツ波を、当該照射側に戻すようにする場合に比べると、楕円鏡３２とテラヘルツ波検出素子１６との間の伝送路に対して光路を変更する光学系を介在させなくとも、テラヘルツ波発生素子１４とテラヘルツ波検出素子１６とを近接した状態で配置することが可能となる。
【００４５】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、一方の領域ＡＲ１に配置されるテラヘルツ波発生素子１４、光学レンズ及びテラヘルツ波検出素子１６は、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも上方に配置される（図４、図５）。
【００４６】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、配置エリアを一方の領域ＡＲ１のさらに一部に限定することになるので、より一段と近接した状態で配置して小型化を実現でき、例えば、一のテラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６をセットとしてアレイ状に配したプローブを作製するといったことも可能となる。また、一方の領域ＡＲ１のうち、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも上方にテラヘルツ波発生素子１４を配置し、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも下方にテラヘルツ波検出素子１６を配置するといった場合に比して、簡易にテラヘルツ波の干渉を回避した状態で可動ステージ２２を配置することも可能となる。
【００４７】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、光学レンズとして、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズ３１が採用される（図３乃至図５）。したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、テラヘルツ波発生素子１４に対して非球面レンズ３１の屈折率をマッチングさせることができるため、該テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘル波が光学レンズで反射することにより照射対象ＲＢに照射されるテラヘルツ波のロスを軽減することができる。これに加えて、単一のレンズで収差を抑えることができるため、球面レンズや放射面鏡を採用する場合に比べてレンズ数やレンズの大きさを低減することができ、小型化を実現できる。テラヘルツ分野では、一般に光学レンズには反射防止膜が付されるが、テラヘルツ波の光学レンズには、多重反射による影響を低減するために反射防止膜が付さないことから、単一のレンズを採用できるということは特に有用となる。
【００４８】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、テラヘルツ波発生素子１４（テラヘルツ波検出素子１６）と、試料ＳＰＬとの間に設ける光学系を単一の非球面レンズ３１（半球レンズ３３）としているため、該光学系を複数とする場合に比べて不要反射を引き起こす界面を減少させて、テラヘルツ波の強度を向上することができ、この結果、測定精度を向上させることが可能となる。
【００４９】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、コンピュータ１７が、第１焦点Ｆ１に配される試料ＳＰＬとの距離を検出する距離センサ２４の検出結果に基づいて、可動ステージ２２を介して、該第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させる（図３、図６）。
【００５０】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、大きさや形状を異にする種々の試料ＳＰＬ（試料又は試料の測定基準とされる物体）で反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子１６に導くことができ、この結果、より多くの種の試料を測定することが可能となり、測定精度を向上できる。
【００５１】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、コンピュータ１７が、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を可動ステージ２２を介して変更させ、テラヘルツ波検出素子１６で検出された信号から、該焦点面ＦＦに配される試料ＳＰＬの照射位置に関する情報を取得する（図３、図６）。
【００５２】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、試料を広範囲にイメージングすることが可能となり、測定精度を向上できる。なお、このテラヘルツ分光装置１０は、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べると、Ｓ／Ｎ比が高く、また振幅情報と位相情報とを同時に得ることができる等といった利点をもつ。
【００５３】
以上の構成によれば、楕円鏡３２がもつ第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに配される試料ＳＰＬにテラヘルツ波を斜め照射し、該試料ＳＰＬで反射したテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第２焦点Ｆ２に配されるテラヘルツ波検出素子１６によって検出するようにしたことにより、第１焦点の焦点面ＦＦに対して、試料ＳＰＬ自体が傾いている場合又は該試料ＳＰＬの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、試料ＳＰＬで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該試料ＳＰＬで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができ、かくして試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。
【００５４】
（５）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、非球面レンズ３１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、Ｎ個の単レンズを直線的に配置した屈折レンズや、図１に示した放射面鏡を適用するようにしてもよい。要は、テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対して斜め方向から照射するものであれば、この他種々の１又は２以上の光学レンズを適用することができる。なお、非球面レンズ３１の材質としてシリコンを適用するようにしたが、テラヘルツ波発生素子１４との屈折率とのマッチングをとれるものであれば、シリコン以外の材質を適用してもよい。
【００５５】
また上述の実施の形態においては、テラヘルツ波発生素子１４及び非球面レンズ３１をテラヘルツ伝送部ＴＭＢに１つずつ配置するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数のテラヘルツ波発生素子及び非球面レンズを配置するようにしてもよい。
【００５６】
ここで、２つのテラヘルツ波発生素子及び非球面レンズを配置した例を、図３との対応部分に同一符号を付した図７に示す。この図７は、シールド２５（図３）から可動ステージ２２に向かってみた場合の図である。
【００５７】
このテラヘルツ伝送部ＴＭＢでは、独立した又は一のファイバを分岐した光ファイバＢＦ１ａ、ＢＦ１ｂから、対応するテラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに励起パルス光が与えられる。テラヘルツ伝送部ＴＭＢは、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂから対応する非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂによって試料ＳＰＬに照射され、該試料ＳＰＬを反射するテラヘルツ波を、楕円鏡３２及び半球レンズ３３を介してテラヘルツ波検出素子１６に集光させる。
【００５８】
この図７の示すテラヘルツ伝送部ＴＭＢは、一のテラヘルツ波検出素子に対して、複数のテラヘルツ波発生素子を配置しているので、テラヘルツ波発生素子ごとに対応するテラヘルツ波検出素子を配置する場合比べて小型化できる。
【００５９】
また、この図７の示すテラヘルツ伝送部ＴＭＢは、試料ＳＰＬからテラヘルツ波検出素子１６に導く光学レンズ（楕円鏡３２及び半球レンズ３３）を共用しているので、共用しない場合に比べてより一段と小型化できる。
【００６０】
また、図７に示す例のように、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角が同一又は同等でなり、開口数が異なる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用した場合、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対するテラヘルツ波の発生を切り換える切換部を設けるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波のスポット面を変更することができるため、試料ＳＰＬに関して異なる解像度又は範囲の情報を取得することが可能となり、測定精度を向上できる。ちなみに、切換部は、例えば、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対する励起パルス光における波長やパルス幅等の種類と出射先の一方又は双方を切り換える等といったものを採用することができる。
【００６１】
また、開口数が同一又は同等でなるが、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角が異なる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用し、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対するテラヘルツ波の発生を切り換える切換部を設けるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の到達深度を変更することができるため、試料の層構造等の情報を正確に取得することが可能となり、測定精度を向上できる。
【００６２】
また、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角と、開口数とが同一又は同等でなる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用し、これら非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂによってテラヘルツ波を同位置に集めるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の強度（明度）を強くすることができ、この結果、一のテラヘルツ波発生素子だけで発生されるテラヘルツ波の強度を強くする場合に比べて測定精度を向上できるとともに、テラヘルツ波の発生に関する部品の寿命を長くすることができる。
【００６３】
さらに、これらバリエーションを組み合わせようにしてもよい。
【００６４】
また上述の実施の形態においては、各光学レンズ３１〜３３、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６を、互いの位置関係を変えずに可動ステージ２２を介して移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、試料ＳＰＬが配される配置面を移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させるようにしてもよい。
【００６５】
また上述の実施の形態においては、各光学レンズ３１〜３３、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６を、互いの位置関係を変えずに可動ステージ２２を介して移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、試料ＳＰＬが配される配置面を移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ又は情報通信・エレクトロニクスなどの産業上において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】従来によるテラヘルツ波の光学系の説明に供する略線図である。
【図２】本実施の形態によるテラヘルツ分光装置の全体構成を示す略線図である。
【図３】テラヘルツ波伝送部の構成を示す略線的断面図である。
【図４】第１焦点の焦点面に対して照射対象の反射面が平行な場合の光路の説明に供する略線図である。
【図５】第１焦点の焦点面に対して照射対象の反射面が傾いている場合の光路の説明に供する略線図である。
【図６】コンピュータの構成を示すブロック図である。
【図７】他の実施の形態によるテラヘルツ伝送部の構成を示す略線的上面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短レーザ、１２……分散補償部、１３……ビームスプリッタ、１４、１４Ａ、１４Ｂ……テラヘルツ波発生素子、１５……時間遅延部、１６……テラヘルツ波検出素子、１７……コンピュータ、２１……ベース板、２２……可動ステージ、２３……通路口、２４……距離センサ、２５……シールド、３１、３１Ａ、３１Ｂ……非球面レンズ、３２……楕円鏡、３３……半球レンズ、３４……ＣＣＤ、ＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ１ａ、ＢＦ１ｂ……光ファイバ、ＳＰＬ……試料、ＴＭＢ……テラヘルツ波伝送部、θ１……入射角、θ２……反射角、ＡＲ１、ＡＲ２……領域、ＩＬＡ……入射光軸、ＲＬＡ……反射光軸、ＮＬ……法線、ＦＦ……焦点面、Ｆ１……第１焦点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおよそ０．１×１０１２［THz］〜１００×１０１２［THz］帯域の電磁波（テラヘルツ波）を用いる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波を発生又は検出するものとして、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：Terahertz Time-Domain Spectoroscopy）がある。テラヘルツ時間領域分光法は、１００フェトム秒程度の超短パルスのテラヘルツ波を用いる等といった要因により試料のイメージングに適していることが知られており、工業、医療、バイオ、農業又はセキュリティなどの様々な技術分野において注目されている。
【０００３】
このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザ光源からパルス光がポンプ光及びプローブ光に分光され、ポンプ光はテラヘルツ波発生素子に集光される。これによりテラヘルツ波発生素子ではサブピコ秒程度の電流又は電気分極が生成され、当該時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、光学系を介してテラヘルツ波検出素子に集光される。このとき、テラヘルツ波検出素子にプローブ光が照射されると、キャリアが生成され、テラヘルツ波の電場によって加速されて電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出素子に到達するタイミングをずらすことによって、テラヘルツ波の振幅電場の時間波形を測定し、該時間波形をフーリエ変換することによってテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。
【０００４】
このテラヘルツ時間領域分光法を用いた装置において、テラヘルツ波発生素子から発生されるテラヘルツ波を試料に導く光学系及び試料から得られるテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子に導く光学系として、一般には、例えば図１に示すように、４つの放物面鏡ＰＭ１〜ＰＭ４が採用される。
【０００５】
この例では、試料から透過したテラヘルツ波を検出する透過型であるが、試料で反射したテラヘルツ波を検出する反射型もある（例えば特許文献１参照）。これら放物面鏡に代えて、口径の小さい光学レンズを採用すれば（例えば特許文献２参照）、レンズ自体の小型化が可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１９１３０２公報
【特許文献２】特表２００３−５１８６１７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、口径の小さい光学レンズを採用した場合、サンプルに対する、光学レンズから照射されるテラヘルツ波の入射角が少しでもずれると、該サンプルから出射するテラヘルツ波が光学レンズのレンズ径からはずれて、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に導かれないといった問題が起こるため、試料の屈折率の変化によるものであるのか、あるいは、試料の形状によるものであるのか分からず、この結果、試料に関して得られた測定値が信頼性に乏しいものとなる。
【０００７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するため本発明は、テラヘルツ分光装置であって、テラヘルツ波発生素子と、楕円鏡と、上記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、上記楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子とを含む構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、楕円鏡における第１焦点の焦点面に試料等の照射対象が配置された場合、照射対象に斜め照射され、その照射対象で反射したテラヘルツ波を、楕円鏡によってテラヘルツ波検出素子に導くことで検出することができる。この場合、楕円鏡における第１焦点の焦点面に対して、照射対象自体が傾いている又は照射対象の反射面の凹凸構造をもつ等に起因して、照射対象で反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象で反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子で検出でき、かくして試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面について本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１１】
（１）テラヘルツ分光装置の全体構成
図２において、本実施の形態によるテラヘルツ分光装置１０の全体構成を示す。このテラヘルツ分光装置１０は、超短レーザ１１、分散補償部１２、ビームスプリッタ１３、テラヘルツ波発生素子１４、時間遅延素子１５、テラヘルツ波検出素子１６及びコンピュータ１７を含む構成とされる。
【００１２】
超短レーザ１１は、例えば、１００［fs］程度のパルス幅、８０［MHz］程度の繰り返し周期、７８０［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短レーザ光源ＬＳは、具体例として、フェトム秒パルスレーザチタンやサファイアレーザなどを適用することができる。
【００１３】
分散補償部１２は、超短レーザ光源１１からのパルス光のパルス幅を、光ファイバＢＦ１、ＢＦ２のもつ屈折率の波長依存性に基づくパルス幅の広がりを逆補正する方向に調整する。
【００１４】
ビームスプリッタ１３は、分散補償部１２からのパルス光を励起パルス光と、検出パルス光とに分離する。この励起パルス光は、集光光学ユニットＯＵ１によって光ファイバＢＦ１に導かれ、該光ファイバＢＦ１を介して、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢに設けられるテラヘルツ波発生素子１４に導かれる。一方、検出パルス光は、時間遅延素子１５を経た後に集光光学ユニットＯＵ２によって光ファイバＢＦ２に導かれ、該光ファイバＢＦ２を介して、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢに設けられるテラヘルツ波検出素子１６に導かれる。
【００１５】
テラヘルツ波発生素子１４は、励起パルス光の時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波を発生させる。このテラヘルツ波発生素子１４は、具体例として、半絶縁性ＧａＡｓ等でなる半導体基板、該半導体基板上に形成される１対の電極及び電極間にバイアス電圧を印加する印加部を含む構成の光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶などを適用することができる。
【００１６】
時間遅延素子１５は、テラヘルツ波検出素子１６に対する検出パルス光の到達時間を遅延させる。この実施の形態の場合、時間遅延素子１５は、一方又は双方が移動可能に配された一対の鏡１５ａ、１５ｂを有し、該一対の鏡１５ａ、１５ｂ間における光路長を可変することによって、テラヘルツ波検出素子１６に対する検出パルス光の到達時間を調節し得るようになされている。
【００１７】
テラヘルツ波検出素子１６は、テラヘルツ波発生素子１３で発生し、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路を介して導かれるテラヘルツ波を検出する。すなわちテラヘルツ波検出素子１６は、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路を介して与えられるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、このとき時間遅延素子１５から検出パルス光が与えられると、当該テラヘルツ波の電場強度の時間波形を示す信号を生成する。このテラヘルツ波検出素子１５は、具体例として、テラヘルツ波発生素子１３と同様に、光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の非線形光学結晶等を適用することができる。
【００１８】
コンピュータ１７は、テラヘルツ波検出素子１６で生成される信号に基づいて、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの伝送経路に配される試料の状態を示す情報を取得するようになされている。またコンピュータ１７は、時間遅延素子１５及びテラヘルツ波伝送部ＴＭＢを適宜制御するようになされている。
【００１９】
（２）テラヘルツ波伝送部の構成
次に、テラヘルツ波伝送部ＴＭＢの構成について図３を用いて説明する。このテラヘルツ波伝送部ＴＭＢは、ベース板２１を有し、該ベース板２１には、ベース面に対して水平方向（ｘ方向とｙ方向）及びベース面に対して垂直方向（ｚ方向）へ移動自在に可動ステージ２２が設けられる。
【００２０】
この可動ステージ２２のうち、ベース板２１と非対向となる部分には、テラヘルツ波の通路口２３が穿設される。この通路口２３下の配置面には、テラヘルツ波の照射対象（試料又は試料の測定基準（コントロール）とされる物体）ＲＢが配される。
【００２１】
また可動ステージ２２の裏面には、テラヘルツ波の照射対象ＲＢとの距離を検出する距離センサ２４が設けられ、表面には該表面を通路口２３を含めて覆うシールド２５が設けられる。このシールド２５の内面と、可動ステージ２２のステージ表面とによって形成される遮蔽空間には、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６と、非球面レンズ３１、楕円鏡３２及び半球レンズ３３の各光学レンズと、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)３４とが、互いの位置関係を保持した状態で可動ステージ２２に対して連動可能に配置される。
【００２２】
非球面レンズ３１は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて形成されており、テラヘルツ波発生素子１４における発生面に設けられる。この非球面レンズ３１は、テラヘルツ波発生素子１４で放射状に発生するテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第１焦点の焦点面に対して斜めに照射する。
【００２３】
通路口２３下の配置面に照射対象ＲＢが配される場合、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面と照射対象ＲＢの反射面（試料もしくは測定基準とされる物体の表面又は試料の深部層）とを同一面上に保持させるように、コンピュータ１７によって可動ステージ１６の高さが調整される。
【００２４】
楕円鏡３２は、第１焦点の焦点面に位置する照射対象ＲＢから反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子１６の検出面に集める（集光する）ようになされている。この実施の形態の場合、楕円鏡３２は、照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を照射側に戻すように配置される。
【００２５】
具体的には、図３との対応部分に同一符号を付して示す図４のように、第１焦点Ｆ１を通る焦点面ＦＦの法線ＮＬを含む平面を境として、一方の領域ＡＲ１にテラヘルツ波発生素子１４、非球面レンズ３２、テラヘルツ波検出素子１６及び半球レンズ３３がそれぞれ配置され、当該一方の領域ＡＲ１とは逆の他方の領域ＡＲ２に楕円鏡３２が配置される。さらに具体的には、焦点面ＦＦよりも高い位置となる可動ステージ２２上に配置されるテラヘルツ波検出素子１６に対して、照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を戻すように楕円鏡３２が配置される。
【００２６】
ここで、第１焦点の焦点面に対して照射対象ＲＢの反射面が平行となる場合、図４に示したように、入射角θ１（非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の軸（入射光軸）ＩＬＡと、焦点面ＦＦ（照射対象ＲＢの反射面）の第１焦点Ｆ１（反射点）を通る法線ＮＬとがなす角）と、反射角θ２（焦点面ＦＦ（照射対象ＲＢの反射面）で反射したテラヘルツ波の軸（反射光軸）ＲＬＡと、法線ＮＬとがなす角）とは反射の法則のもとでは等しい関係にある。この場合、照射対象ＲＢの反射面で反射するテラヘルツ波は、楕円鏡３２における反射面の略中央エリアで反射し、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集められる。
【００２７】
一方、第１焦点の焦点面に対して照射対象ＲＢの反射面が傾斜する場合、図５に示すように、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の入射角θ１と、該反射面で反射するテラヘルツ波の反射角θ２とは異なる関係にある。この場合、照射対象ＲＢの反射面で反射するテラヘルツ波は、楕円鏡３２における反射面の端エリアで反射し、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集められる。
【００２８】
このように楕円鏡３２は、第１焦点の焦点面に対して、照射対象ＲＢ自体が傾いている場合又は該照射対象ＲＢの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができるようになされている。
【００２９】
半球レンズ３３は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて形成されており、テラヘルツ波検出素子１６における検出面に設けられる。この半球レンズ３３は、テラヘルツ波検出素子１６に対するテラヘルツ波の反射を抑えるようになされている。
【００３０】
（３）コンピュータの構成
次に、コンピュータ１７の構成について説明する。このコンピュータ１７は、図５に示すように、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４０に対して、プログラムや設定情報などが格納されるＲＯＭ(Read Only Memory)４１、該ＣＰＵ４０のワークメモリとしてのＲＡＭ(Random Access Memory)４２、操作部４３、記憶部４４、表示部４５及びインターフェイス４６をそれぞれバス４７を介して接続することにより構成される。このインターフェイス４６には、少なくとも時間遅延素子１５（図２）及び可動ステージ２２（図３）が接続される。
【００３１】
ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ４１に記憶されたプログラムをＲＡＭ４２に展開した場合、該プログラムに基づいて記憶部４４、表示部４５及びインターフェイス４６を適宜制御し、各種処理を実行する。
【００３２】
このプログラムをＲＡＭ４２に展開したＣＰＵ４０は、機能的には、図５に示したようにステージ調整部５１、試料測定部５２、画像処理部５３及び遅延時間調整部５４の各処理部に分類することができる。
【００３３】
ステージ調整部５１は、距離センサ２４（図３）で生成される距離信号に基づいて、照射対象ＲＢに対する可動ステージ２２の高さが規定高となるように可動ステージ２２を移動させて、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面と照射対象ＲＢの反射面とを同一面上に保持させるようになされている。
【００３４】
またステージ調整部５１は、規定されたスキャニング方向にしたがって、可動ステージ２２をｘ方向又はｙ方向に所定の速度で移動させて、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面に対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置（集光位置）を変更させるようになされている。
【００３５】
試料測定部５２には、テラヘルツ波検出素子１６で生成される信号が入力される。試料測定部５２は、照射対象ＲＢとして試料が通路口２３下の配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第１の検出信号とも呼ぶ）と、該照射対象ＲＢとして測定基準とされる物体が通路口２３下の配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第２の検出信号とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、記憶部４４に予め記憶させ、該記憶部４４から取得するようにしてもよい。
【００３６】
試料測定部５２は、第１の検出信号及び第２の検出信号を取得した場合、これら双方の検出信号からテラヘルツ波の振幅情報と位相情報とを抽出し、当該抽出した振幅情報の差及び位相情報の差に基づいて試料の状態を示す情報を取得するようになされている。
【００３７】
画像処理部５３は、試料測定部５２で試料の状態を示す情報が取得された場合、この情報に示される試料の状態を所定の表示態様で表示部４５に表示させ、該試料の状態等を視認させ得るようになされている。
【００３８】
また画像処理部５３は、操作部４３から試料に関する表示指令が与えられた場合、ＣＣＤ３４で生成される画像信号の画像を表示部４５に表示させ、通路口２３と、該通路口２３下に配される照射対象ＲＢとを視認させ得るようになされている。
【００３９】
遅延時間調整部５４には、操作部（図示せず）４３から入力される信号等に基づいて時間遅延素子１５における一対の鏡１４ａ、１４ｂ間における光路長を決定し、該決定した光路長となるように一方又は双方の鏡１４ａ、１４ｂを移動させるようになされている。
【００４０】
（４）動作及び効果
以上の構成において、このテラヘルツ分光装置１０は、楕円鏡３２がもつ第２焦点にテラヘルツ波検出素子１６を配置し、テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘルツ波を、該楕円鏡３２がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する。
【００４１】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、焦点面ＦＦに照射対象ＲＢが配置された場合、照射対象ＲＢに斜め照射され、その照射対象ＲＢで反射したテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６によって検出することができる（図３、図４）。
【００４２】
またこのテラヘルツ分光装置１０は、楕円鏡３２の第１焦点の焦点面ＦＦから反射されたテラヘルツ波を、該楕円鏡３２の第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子１６に導いていることにより、第１焦点の焦点面ＦＦに対して、照射対象ＲＢ自体が傾いている場合又は該照射対象ＲＢの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該照射対象ＲＢで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができる（図５）
【００４３】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する鉛直面を境として、一方の領域ＡＲ１に楕円鏡３２が配置され、他方の領域ＡＲ２にテラヘルツ波発生素子１４、光学レンズ及びテラヘルツ波検出素子１６が配置される（図４、図５）。
【００４４】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、一方の領域ＡＲ１から照射され、照射対象ＲＢで反射して他方の領域ＡＲ２に進むテラヘルツ波を、当該照射側に戻すことができるため、テラヘルツ波発生素子１４とテラヘルツ波検出素子１６とを近接した状態で配置することが可能となり、小型化を実現できる。また、照射対象の照射面から透過したテラヘルツ波を、当該照射側に戻すようにする場合に比べると、楕円鏡３２とテラヘルツ波検出素子１６との間の伝送路に対して光路を変更する光学系を介在させなくとも、テラヘルツ波発生素子１４とテラヘルツ波検出素子１６とを近接した状態で配置することが可能となる。
【００４５】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、一方の領域ＡＲ１に配置されるテラヘルツ波発生素子１４、光学レンズ及びテラヘルツ波検出素子１６は、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも上方に配置される（図４、図５）。
【００４６】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、配置エリアを一方の領域ＡＲ１のさらに一部に限定することになるので、より一段と近接した状態で配置して小型化を実現でき、例えば、一のテラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６をセットとしてアレイ状に配したプローブを作製するといったことも可能となる。また、一方の領域ＡＲ１のうち、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも上方にテラヘルツ波発生素子１４を配置し、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦよりも下方にテラヘルツ波検出素子１６を配置するといった場合に比して、簡易にテラヘルツ波の干渉を回避した状態で可動ステージ２２を配置することも可能となる。
【００４７】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、光学レンズとして、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズ３１が採用される（図３乃至図５）。したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、テラヘルツ波発生素子１４に対して非球面レンズ３１の屈折率をマッチングさせることができるため、該テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘル波が光学レンズで反射することにより照射対象ＲＢに照射されるテラヘルツ波のロスを軽減することができる。これに加えて、単一のレンズで収差を抑えることができるため、球面レンズや放射面鏡を採用する場合に比べてレンズ数やレンズの大きさを低減することができ、小型化を実現できる。テラヘルツ分野では、一般に光学レンズには反射防止膜が付されるが、テラヘルツ波の光学レンズには、多重反射による影響を低減するために反射防止膜が付さないことから、単一のレンズを採用できるということは特に有用となる。
【００４８】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、テラヘルツ波発生素子１４（テラヘルツ波検出素子１６）と、試料ＳＰＬとの間に設ける光学系を単一の非球面レンズ３１（半球レンズ３３）としているため、該光学系を複数とする場合に比べて不要反射を引き起こす界面を減少させて、テラヘルツ波の強度を向上することができ、この結果、測定精度を向上させることが可能となる。
【００４９】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、コンピュータ１７が、第１焦点Ｆ１に配される試料ＳＰＬとの距離を検出する距離センサ２４の検出結果に基づいて、可動ステージ２２を介して、該第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させる（図３、図６）。
【００５０】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、大きさや形状を異にする種々の試料ＳＰＬ（試料又は試料の測定基準とされる物体）で反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子１６に導くことができ、この結果、より多くの種の試料を測定することが可能となり、測定精度を向上できる。
【００５１】
またこのテラヘルツ分光装置１０では、コンピュータ１７が、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を可動ステージ２２を介して変更させ、テラヘルツ波検出素子１６で検出された信号から、該焦点面ＦＦに配される試料ＳＰＬの照射位置に関する情報を取得する（図３、図６）。
【００５２】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、試料を広範囲にイメージングすることが可能となり、測定精度を向上できる。なお、このテラヘルツ分光装置１０は、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べると、Ｓ／Ｎ比が高く、また振幅情報と位相情報とを同時に得ることができる等といった利点をもつ。
【００５３】
以上の構成によれば、楕円鏡３２がもつ第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに配される試料ＳＰＬにテラヘルツ波を斜め照射し、該試料ＳＰＬで反射したテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第２焦点Ｆ２に配されるテラヘルツ波検出素子１６によって検出するようにしたことにより、第１焦点の焦点面ＦＦに対して、試料ＳＰＬ自体が傾いている場合又は該試料ＳＰＬの反射面の凹凸構造をもつ場合に起因して、試料ＳＰＬで反射されるテラヘルツ波における伝送路に変化が生じても、該試料ＳＰＬで反射されるテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子１６の検出面に集めることができ、かくして試料の測定精度を向上し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。
【００５４】
（５）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、非球面レンズ３１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、Ｎ個の単レンズを直線的に配置した屈折レンズや、図１に示した放射面鏡を適用するようにしてもよい。要は、テラヘルツ波発生素子１４で発生したテラヘルツ波を、楕円鏡３２がもつ第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対して斜め方向から照射するものであれば、この他種々の１又は２以上の光学レンズを適用することができる。なお、非球面レンズ３１の材質としてシリコンを適用するようにしたが、テラヘルツ波発生素子１４との屈折率とのマッチングをとれるものであれば、シリコン以外の材質を適用してもよい。
【００５５】
また上述の実施の形態においては、テラヘルツ波発生素子１４及び非球面レンズ３１をテラヘルツ伝送部ＴＭＢに１つずつ配置するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数のテラヘルツ波発生素子及び非球面レンズを配置するようにしてもよい。
【００５６】
ここで、２つのテラヘルツ波発生素子及び非球面レンズを配置した例を、図３との対応部分に同一符号を付した図７に示す。この図７は、シールド２５（図３）から可動ステージ２２に向かってみた場合の図である。
【００５７】
このテラヘルツ伝送部ＴＭＢでは、独立した又は一のファイバを分岐した光ファイバＢＦ１ａ、ＢＦ１ｂから、対応するテラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに励起パルス光が与えられる。テラヘルツ伝送部ＴＭＢは、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂから対応する非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂによって試料ＳＰＬに照射され、該試料ＳＰＬを反射するテラヘルツ波を、楕円鏡３２及び半球レンズ３３を介してテラヘルツ波検出素子１６に集光させる。
【００５８】
この図７の示すテラヘルツ伝送部ＴＭＢは、一のテラヘルツ波検出素子に対して、複数のテラヘルツ波発生素子を配置しているので、テラヘルツ波発生素子ごとに対応するテラヘルツ波検出素子を配置する場合比べて小型化できる。
【００５９】
また、この図７の示すテラヘルツ伝送部ＴＭＢは、試料ＳＰＬからテラヘルツ波検出素子１６に導く光学レンズ（楕円鏡３２及び半球レンズ３３）を共用しているので、共用しない場合に比べてより一段と小型化できる。
【００６０】
また、図７に示す例のように、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角が同一又は同等でなり、開口数が異なる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用した場合、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対するテラヘルツ波の発生を切り換える切換部を設けるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波のスポット面を変更することができるため、試料ＳＰＬに関して異なる解像度又は範囲の情報を取得することが可能となり、測定精度を向上できる。ちなみに、切換部は、例えば、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対する励起パルス光における波長やパルス幅等の種類と出射先の一方又は双方を切り換える等といったものを採用することができる。
【００６１】
また、開口数が同一又は同等でなるが、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角が異なる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用し、テラヘルツ波発生素子１４Ａ、１４Ｂに対するテラヘルツ波の発生を切り換える切換部を設けるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の到達深度を変更することができるため、試料の層構造等の情報を正確に取得することが可能となり、測定精度を向上できる。
【００６２】
また、楕円鏡３２における第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する入射角と、開口数とが同一又は同等でなる非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂを採用し、これら非球面レンズ３１Ａ、３１Ｂによってテラヘルツ波を同位置に集めるようにすれば、試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の強度（明度）を強くすることができ、この結果、一のテラヘルツ波発生素子だけで発生されるテラヘルツ波の強度を強くする場合に比べて測定精度を向上できるとともに、テラヘルツ波の発生に関する部品の寿命を長くすることができる。
【００６３】
さらに、これらバリエーションを組み合わせようにしてもよい。
【００６４】
また上述の実施の形態においては、各光学レンズ３１〜３３、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６を、互いの位置関係を変えずに可動ステージ２２を介して移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、試料ＳＰＬが配される配置面を移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦと試料ＳＰＬの反射面とを同一面上に保持させるようにしてもよい。
【００６５】
また上述の実施の形態においては、各光学レンズ３１〜３３、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６を、互いの位置関係を変えずに可動ステージ２２を介して移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、試料ＳＰＬが配される配置面を移動させて、第１焦点Ｆ１の焦点面ＦＦに対する、非球面レンズ３１から照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ又は情報通信・エレクトロニクスなどの産業上において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】従来によるテラヘルツ波の光学系の説明に供する略線図である。
【図２】本実施の形態によるテラヘルツ分光装置の全体構成を示す略線図である。
【図３】テラヘルツ波伝送部の構成を示す略線的断面図である。
【図４】第１焦点の焦点面に対して照射対象の反射面が平行な場合の光路の説明に供する略線図である。
【図５】第１焦点の焦点面に対して照射対象の反射面が傾いている場合の光路の説明に供する略線図である。
【図６】コンピュータの構成を示すブロック図である。
【図７】他の実施の形態によるテラヘルツ伝送部の構成を示す略線的上面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短レーザ、１２……分散補償部、１３……ビームスプリッタ、１４、１４Ａ、１４Ｂ……テラヘルツ波発生素子、１５……時間遅延部、１６……テラヘルツ波検出素子、１７……コンピュータ、２１……ベース板、２２……可動ステージ、２３……通路口、２４……距離センサ、２５……シールド、３１、３１Ａ、３１Ｂ……非球面レンズ、３２……楕円鏡、３３……半球レンズ、３４……ＣＣＤ、ＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ１ａ、ＢＦ１ｂ……光ファイバ、ＳＰＬ……試料、ＴＭＢ……テラヘルツ波伝送部、θ１……入射角、θ２……反射角、ＡＲ１、ＡＲ２……領域、ＩＬＡ……入射光軸、ＲＬＡ……反射光軸、ＮＬ……法線、ＦＦ……焦点面、Ｆ１……第１焦点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波発生素子と、
楕円鏡と、
上記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、
上記楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子と
を具えることを特徴とするテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
上記第１焦点を通る上記焦点面に対する鉛直面を境として、一方の領域に上記テラヘルツ波発生素子、上記光学レンズ及び上記テラヘルツ波検出素子が配置され、他方の領域に上記楕円鏡が配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項３】
上記一方の領域のうち上記焦点面よりも高い位置に上記テラヘルツ波発生素子、上記光学レンズ及び上記テラヘルツ波検出素子が配置された
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項４】
上記光学レンズは、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズでなる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項５】
上記テラヘルツ波発生素子は複数有し、
上記光学レンズは、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズでなり、各上記テラヘルツ波発生素子にそれぞれ配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項６】
各上記テラヘルツ波発生素子に対応させて配置された非球面レンズはそれぞれ異なる開口数でなる
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項７】
各上記テラヘルツ波発生素子に対応させて配置された非球面レンズは、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対してそれぞれ異なる入射角で照射する
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項８】
各上記テラヘルツ波発生素子に対する、テラヘルツ波の発生を切り換える切換部をさらに具える
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項９】
上記第１焦点に配される照射対象との距離を検出するセンサと、
上記センサで検出される距離に基づいて、上記焦点面と照射対象の反射面とを同一面上に保持させる保持部と
を具えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１０】
上記焦点面に対する、上記光学レンズから照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させる変更部と、
上記テラヘルツ波検出素子で検出された信号から、上記焦点面に配される照射対象の上記照射位置に関する情報を取得する取得部と
を具えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１】
テラヘルツ波発生素子と、
楕円鏡と、
上記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対して斜め方向から照射する光学レンズと、
上記楕円鏡がもつ第２焦点に配置されたテラヘルツ波検出素子と
を具えることを特徴とするテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
上記第１焦点を通る上記焦点面に対する鉛直面を境として、一方の領域に上記テラヘルツ波発生素子、上記光学レンズ及び上記テラヘルツ波検出素子が配置され、他方の領域に上記楕円鏡が配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項３】
上記一方の領域のうち上記焦点面よりも高い位置に上記テラヘルツ波発生素子、上記光学レンズ及び上記テラヘルツ波検出素子が配置された
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項４】
上記光学レンズは、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズでなる
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項５】
上記テラヘルツ波発生素子は複数有し、
上記光学レンズは、シリコン素材を用いて形成された非球面レンズでなり、各上記テラヘルツ波発生素子にそれぞれ配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項６】
各上記テラヘルツ波発生素子に対応させて配置された非球面レンズはそれぞれ異なる開口数でなる
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項７】
各上記テラヘルツ波発生素子に対応させて配置された非球面レンズは、上記楕円鏡がもつ第１焦点の焦点面に対してそれぞれ異なる入射角で照射する
ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項８】
各上記テラヘルツ波発生素子に対する、テラヘルツ波の発生を切り換える切換部をさらに具える
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項９】
上記第１焦点に配される照射対象との距離を検出するセンサと、
上記センサで検出される距離に基づいて、上記焦点面と照射対象の反射面とを同一面上に保持させる保持部と
を具えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１０】
上記焦点面に対する、上記光学レンズから照射されるテラヘルツ波の照射位置を変更させる変更部と、
上記テラヘルツ波検出素子で検出された信号から、上記焦点面に配される照射対象の上記照射位置に関する情報を取得する取得部と
を具えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２１０４２１（Ｐ２００９−２１０４２１Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３８０２（Ｐ２００８−５３８０２）
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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