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】このテラヘルツ分光装置１０におけるテラヘルツ波伝播光学系には、テラヘルツ波発生部１３から放物面鏡２１を経て入射されるテラヘルツ波を透過する偏光子３１と、該偏光子３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与えて円偏光に変換するフレネルロムプリズム３２と、該フレネルロムプリズム３２を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光する放物面鏡２２とが配置される。
【解決手段】このテラヘルツ分光装置１０におけるテラヘルツ波伝播光学系には、テラヘルツ波発生部１３から放物面鏡２１を経て入射されるテラヘルツ波を透過する偏光子３１と、該偏光子３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与えて円偏光に変換するフレネルロムプリズム３２と、該フレネルロムプリズム３２を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光する放物面鏡２２とが配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおよそ０．１×１０１２［Hz］〜１００×１０１２［Hz］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、テラヘルツ波分光技術として、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、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部に集光される。これによりテラヘルツ波発生部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、測定試料を透過又は測定試料で反射した後、テラヘルツ波検出部に集光される。このとき、テラヘルツ波検出部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流が生じ、パルス状の電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出部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帯域の透過又は反射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として、放射アンテナ３から半球形レンズ４３及び放物面鏡４を経て導かれるテラヘルツ電磁波２０を、ワイヤーグリッド製の偏光子３０において特定の偏光電磁波だけ透過させた後に試料に対して斜めに入射させ、該試料５を反射したテラヘルツ電磁波２１を、偏光子３０と同様でなるワイヤーグリッド製の検光子３１を経て受信アンテナ７に導くようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３５５０３８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる装置では、偏光子３０を経た直線偏光のテラヘルツ波を試料５に導くので、例えば試料５が繊維状の構造物等といったように配向特性をもつ場合、該直線偏光の偏光方向に応じて試料５での反射率が大幅に変動する。またテラヘルツ波は視認できず、試料５の配向特性は一般に分からないため、直線偏光の偏光方向と、試料５の配向特性との関係を考慮しながら試料５を配置するといったことは困難である。
【０００６】
したがって、かかる装置では、直線偏光の偏光方向と、試料５の配向特性との関係によって試料５での反射率が変動し、これが測定結果に反映されるといった問題があった。
【０００７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、試料の配向特性にかかわらず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、直線偏光のテラヘルツ波を透過又は反射する偏光ビームスプリッタと、入射されるテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与える１／４波長と、偏光ビームスプリッタから１／４波長板を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導く光学部材とをもつ構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、照射面に対して、繊維状の構造をもつ等のように配向特性をもつ試料が配された場合であっても、円偏光のテラヘルツ波が照射面に導かれるので、該試料に対するテラヘルツ波の反射率を、配向特性がない試料と同等のものとして得ることができる。つまり、試料の配向状態にかかわらず反射率の変動を低減することで測定再現性を向上することができ、かくして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１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、超短パルス発振器１１、偏光ビームスプリッタ１２、テラヘルツ波発生部１３、時間遅延部１４、テラヘルツ波検出部１５及びコンピュータ１６を含む構成とされる。
【００１２】
超短パルス発振器１１は、例えば、６０［fs］程度のパルス幅、１００［MHz］程度の繰り返し周期、８００［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短パルス発振器１１として、具体的には、チタンサファイアフェトム秒パルスレーザチタンやファイバーサフェトム秒レーザなどが適用される。
【００１３】
ビームスプリッタ１２は、超短パルス発振器１１から出射されるパルス光をポンプ光と、プローブ光とに分離する。ポンプ光は、所定の光学系を経てテラヘルツ波発生部１３に集光される。一方、プローブ光は、時間遅延部１４や所定の光学系を経てテラヘルツ波検出部１５に導かれる。
【００１４】
テラヘルツ波発生部１３は、ポンプ光をトリガとして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部１３として、具体的には、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対の電極及びその電極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などが適用される。差周波混合によるテラヘルツ波発生法として用いられるＺｎＴｅ等の電気光学結晶を適用することも可能である。
【００１５】
テラヘルツ波発生部１３から発生したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て、可動ステージＳＴに配置される試料ＳＰＬに導かれ、該試料ＳＰＬを反射（散乱を含む）したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経てテラヘルツ波検出部１５に集光される。
【００１６】
時間遅延部１４は、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間における光路長を可変することによって、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間（テラヘルツ波検出部１５に対する励起タイミング）を遅延させる。時間遅延部１４として、具体的には、リトロリフレクタやルーフミラー等のミラーが配されたステージを、直角プリズム等に対して近づく方向又は離れる方向に所定速度で動作させるといった構成等が適用される。
【００１７】
テラヘルツ波検出部１５は、試料ＳＰＬを反射した後にテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経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部１５は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て導かれるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、時間遅延部１４によって遅延されたプローブ光の到達タイミングで、当該テラヘルツ波の振動電場の波形をサンプリングする。このテラヘルツ波検出部１５は、具体例として、テラヘルツ波発生部１３と同様に、光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶などが適用される。
【００１８】
コンピュータ１６は、試料ＳＰＬとして測定対象が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第１のテラヘルツ波形とも呼ぶ）と、該試料ＳＰＬとして測定基準とされる物体（例えば金属鏡又はシリコン基板等）が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第２のテラヘルツ波形とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、コンピュータ１６内の記憶部に予め記憶させ、該記憶部から取得するようにしてもよい。
【００１９】
コンピュータ１６は、第１のテラヘルツ波形及び第２のテラヘルツ波形を取得した場合、これら双方のテラヘルツ波形をフーリエ変換し、その変換結果として得られるスペクトルの比から、広範囲となるテラヘルツ帯での反射スペクトルを取得する。そしてコンピュータ１６は、この反射スペクトルに基づいて、測定対象の複素誘電率あるいは光学定数を算出し、該算出結果から測定対象の成分、濃度又は状態（形状）などに関連する情報を生成するようになされている。
【００２０】
このようにこのテラヘルツ分光装置１０は、テラヘルツ時間領域分光法を採用することで、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べて、この周波数帯域における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、この結果、高い精度で測定対象に関する情報を取得できるようになされている。
【００２１】
（２）テラヘルツ波伝播光学系の構成
次に、この実施の形態におけるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳの構成について図２を用いて説明する。テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳは、３つの放物面鏡２１、２２、２３と、偏光ビームスプリッタ３１と、フレネルロムプリズム３２との各光学部材によって構成される。
【００２２】
放物面鏡２１は、テラヘルツ波発生部１３から放射状に発生するテラヘルツ波を平行光線の束として偏光ビームスプリッタ３１に導く。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ３１は、金属性のワイヤーが所定間隔ごとに同一方向へ並べられた板状の偏光子であり、放物面鏡２１から入射されるテラヘルツ波の光軸に対して４５度傾けられる。これによりこの偏光ビームスプリッタ３１は、偏光ビームスプリッタとして機能することとなり、放物面鏡２１から入射されるテラヘルツ波から、特定の偏光成分として例えばＰ偏光成分（図２では紙面に対して平行な偏光方向）のテラヘルツ波を透過させる。
【００２４】
フレネルロムプリズム３２は、４回の全反射を用いて位相を変換させるものであり、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー又はシクロオレフィンコポリマー等のプラスチック（有機ポリマー）によって成形される。
【００２５】
このフレネルロムプリズム３２は、偏光ビームスプリッタ３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度をなす状態に傾けられている（図２では紙面に対して上側方向に４５度傾けられている）。これによりフレネルロムプリズム３２は、１／４波長板として機能することとなり、偏光ビームスプリッタ３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波を内部で４回全反射させて９０度の位相を与える。したがって、このフレネルロムプリズム３２から出射されるテラヘルツ波は、円偏光（円偏光に近い楕円偏光も含む）に変換されていることとなる。
【００２６】
ここで、フレネルロムプリズム３２の全反射面に対する入射角について説明する。Ｐ偏光とＳ偏光との位相差をδとし、空気の屈折率をｎ１とし、プリズムにおける硝材の屈折率をｎ２とし、全反射面での入射角をθとすると、次式
【００２７】
【数１】
【００２８】
で与えられる。ここで、「ｎ１」を１とし、「ｎ２」を１．５としたときの位相差δと入射角θとの関係を図３に示す。この図３からも明らかなように、４回の全反射を用いて９０度の位相を与える場合、偏光ビームスプリッタ３１からの入射角は、４２度又は７５度であればよいこととなる。
【００２９】
放物面鏡２２は、フレネルロムプリズム３２から入射される円偏光のテラヘルツ波を、照射面に対して垂直となる方向から当該放物面の焦点位置に集める。この焦点位置には、可動ステージＳＴによって試料ＳＰＬの測定対象とされる面が位置決めされる。
【００３０】
試料ＳＰＬを反射した円偏光のテラヘルツ波は偏光面の回転方向が逆方向なり、放物面鏡２２により平行光線の束としてフレネルロムプリズム３２に導かれる。このフレネルロムプリズム３２に入射される円偏光のテラヘルツ波は、該フレネルロムプリズム３２内部で４回全反射して９０度の位相が与えられ、偏光ビームスプリッタ３１からフレネルロムプリズム３２に入射する直線偏光（Ｐ偏光）の偏光方向とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）に変換される。したがって、フレネルロムプリズム３２から偏光ビームスプリッタ３１に入射する直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波は、該偏光ビームスプリッタ３１を透過せずに反射し、放物面鏡２３に導かれることとなる。
【００３１】
放物面鏡２３は、偏光ビームスプリッタ３１から入射される円偏光のテラヘルツ波を、当該放物面の焦点位置に配されるテラヘルツ波検出素子１５に集める。
【００３２】
このようにしてこのテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳは、テラヘルツ波発生部１３から発生するテラヘルツ波を試料ＳＰＬに導くとともに、該試料ＳＰＬを反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１５に集光するようになされている。
【００３３】
（３）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におけるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳには、テラヘルツ波発生部１３から放物面鏡２１を経て入射されるテラヘルツ波を透過する偏光ビームスプリッタ３１と、該偏光ビームスプリッタ３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与えて円偏光に変換するフレネルロムプリズム３２と、該フレネルロムプリズム３２を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光する放物面鏡２２とが配置される（図２）。
【００３４】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、照射面に対して、繊維状の構造をもつ等のように配向特性をもつ試料ＳＰＬが配された場合であっても、円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光するので、該試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の反射率を、配向特性がない試料ＳＰＬと同等のものとして得ることができる。つまり、このテラヘルツ分光装置１０は、試料ＳＰＬの配向状態にかかわらず反射率の変動を低減できることから、その分だけ測定再現性を向上でき、この結果、測定精度を向上できる。
【００３５】
なお、試料ＳＰＬの配向状態にかかわらず反射率の変動を低減できるということは、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用いられる試料ＳＰＬ（測定対象）にも対応できるので有用となる。
【００３６】
また、このテラヘルツ分光装置１０における放物面鏡２２は、円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光するとともに、該照射面に配される試料ＳＰＬを反射する円偏光のテラヘルツ波をフレネルロムプリズム３２に導くようになされており、テラヘルツ波検出部１５は、該フレネルロムプリズム３２及び偏光ビームスプリッタ３１を順に経て、偏光ビームスプリッタ３１を透過する直線偏光（Ｐ偏光）とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）として入射されるテラヘルツ波を検出する（図２）。つまり、偏光ビームスプリッタ３１から放物面鏡２２までの経路が往路（試料ＳＰＬへの入射波路）と、復路（試料ＳＰＬからの出射経路）として用いられる。
【００３７】
このように用いた場合、フレネルロムプリズム３２が、往路（試料ＳＰＬへの入射波路）でのテラヘルツ波を円偏光に、復路（試料ＳＰＬからの出射経路）でのテラヘルツ波を直線偏光に変換することで、往復路でのテラヘルツ波の偏光状態を区別するため、テラヘルツ波の伝播経路を共用化することになり、その構成部品数を減らして、光学系の簡略化を図ることができる。
【００３８】
これに加えて、試料ＳＰＬを反射したテラヘルツ波については、偏光ビームスプリッタ３１を透過するのではなく反射しているためその強度を低減させずにテラヘルツ波検出部１５に検出させることができる。この点、例えば、上述した引用文献（特許第３５５０３８１明細書）では、試料５を経たテラヘルツ波は、検光子３１を経ることでその強度が低減された状態で受信アンテナ７に導かれることなり、信号雑音比（ＳＮＲ(Signal Noise Ratio)）が劣化することになる。したがってこのテラヘルツ分光装置１０では、偏光ビームスプリッタ３１から放物面鏡２２までの経路を往路と復路とで共用しても、試料ＳＰＬを反射するテラヘルツ波を無駄なく（信号雑音比が劣化しない状態で）検出することができ、その分だけ測定精度を向上することができる。
【００３９】
また、このテラヘルツ分光装置１０では、照射面に集光されるテラヘルツ波は、該照射面に対して垂直となる方向から導かれる（図２）。斜め照射する場合、計測信号の解析において照射面に対する入射角を考慮した演算を要することになるが、垂直照射では必要とはならないことから、当該演算に依存する誤差等を回避することができ、その分だけ測定精度を向上できる。
【００４０】
さらに、斜め照射する場合に比べて、垂直照射するほうが高い分解能を得やすいという利点がある。一般に、光の回折限界により分解能の下限が必然に決まる。レイリー分解能は、波長をλ、光学部材の開口数をＮＡとすると、「0.62・λ／ＮＡ」となる。例えば、テラヘルツ波検出素子１５に集光すべき光学系の開口数を「0.5」として、１［THz］のテラヘルツ波を用いる場合、該テラヘルツ波の波長は３００[μm]であるので、レイリー分解能は３７０[μm]となる。
【００４１】
ここで、高い分解能を得ようとする場合、光学系の開口数を固定とすると、波長を短くしなければならないが、波長を短くするほど、広範囲となるテラヘルツ帯のなかで測定可能となる帯域が制限される。一方、波長を固定とすると、光学系の開口数を上げなければならないが、開口数を上げるほど、焦点距離が短く有効径を大きい光学系を選定しなければならないので、斜め照射する場合、照射レンズと、受光レンズとの接触を回避させるためには双方のレンズの入射角を大幅に大きくしなければならない。したがって、テラヘルツ波分光装置１０をイメージング装置、特に顕微鏡として用いる場合には、レンズ配置の制約により分解能を上げることができないといったことを回避できる点で垂直照射するほうが有用となる。
【００４２】
また、このテラヘルツ分光装置１０におけるフレネルロムプリズム３２は、４回の全反射を用いて位相を変換させるものであり、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー又はシクロオレフィンコポリマーなどのプラスチック（有機ポリマー）によって成形される。これらの屈折率はテラヘルツ波帯域において屈折率が小さく波長依存性が少ない。
【００４３】
したがって、このテラヘルツ分光装置１０は、フレネルロムプリズム３２でのフルオネル反射を極力抑えて、広範囲となるテラヘルツ帯であっても反射損失を低減した状態で、該テラヘルツ帯を検出することができ、その分だけ信号対雑音比を大きくすることが可能なので測定精度を向上できる。
【００４４】
これに加えて、１／４波長板としてフレネルロムプリズム３２を用いることで、入射光と出射光との光軸を同軸とすることができ、視認できないテラヘルツ波を用いる場合であっても、１／４波長板としての方位の位置決めを容易に行うことが可能となる。また、このテラヘルツ分光装置１０では、視認可能なワイヤーをもつ偏光ビームスプリッタ３１を偏光ビームスプリッタとしているので、該偏光ビームスプリッタ３１との関係においても、１／４波長板としての方位の位置決めを容易に行うことが可能となる。
【００４５】
以上の構成によれば、波長依存性のないフレネルロムプリズム３２を１／４波長板として作用させて円偏光のテラヘルツ波を照射面に対して垂直方向から導くようにしたことにより、試料ＳＰＬ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。
【００４６】
（４）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、１／４波長板としてフレネルロムプリズム３２を用いる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これ以外の光学部材を用いるようにしてもよい。
【００４７】
例えば、内部で２回の全反射を経て直線偏光を円偏光又は円偏光を直線偏光に変換するフレネルロムプリズムを用いることができる。なお、このフレネルロムプリズムを用いる場合、偏光子３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度をなす状態に傾ける点については同じであるが、該フレネルロムプリズムの全反射面に対する入射角については、４２度又は７４．８度に変更する必要がある。
【００４８】
また例えば、厚さの異なる水晶板6枚を各々の結晶方位も調整して張り合わせたアクロマティック１／４波長板を用いることができる（J.Masson
and G.Gallot: Opt. Lett., Vol.31, NO.2, 265(2006)）。ただし、フレネルロムプリズム３２は、このアクロマティック１／４波長板に比して、９０度の位相シフトの調整が簡易である。
【００４９】
また例えば、高抵抗シリコンプリズムと呼ばれるものを用いることができる（「テラヘルツ技術総覧」、廣本宣久 編著、エヌジーティー 2007年11月29日発行、第７章 テラヘルツ計測システム、7.4.2偏光センシング、p462、図4）。ただし、シリコンは、プラスチックに比して屈折率が高いため反射損失が大きくなる点で、プラスチック製のフレネルロムプリズム３２のほうが測定精度の向上には適す。
【００５０】
ちなみに、反射率は、屈折率をｒとすると、（（ｒ−１）／（ｒ＋１））２として簡易的に表すことができ、またシリコンの屈折率は「３．４」であるから、シリコンの反射率はおよそ３０［％］となる。したがってこのプリズムを採用した場合、往路と復路との反射損失はおよそ６０［％］である。一方、フレネルロムプリズム３２の屈折率を「２」とすると、シリコンの場合に比べて、反射損失を１１［％］以下に抑え、往路と復路との合計で２０［％］以下に抑えることが可能となる。
【００５１】
なお、フレネルロムプリズム３２の材質としてプラスチックを適用するようにしたが、テラヘルツ帯に対して透明となるものであれば、種々の誘電体を用いることは可能である。ちなみに、シリコンが屈折率が高いことを述べたが、該シリコンを適用できないことを意味するものではない。
【００５２】
また、フレネルロムプリズム３２内での全反射面に対して鏡面研磨を施すようにすれば、より屈折率を小さくして反射損失を抑えることができ、フレネルロムプリズム３２の入射面及び出射面を、テラヘルツ波の波長よりも小さい凹凸をもつ砂面（モスアイ状）としても、より屈折率を小さくして反射損失を抑えることができる。
【００５３】
また上述の実施の形態においては、直線偏光（Ｐ偏光）のテラヘルツ波を透過させ、フレネルロムプリズム３２を往復して導かれる直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波を反射させるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築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、直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波を反射させ、フレネルロムプリズム３２を往復して導かれる直線偏光（Ｐ偏光）のテラヘルツ波を透過させるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築するようにしてもよい。
【００５４】
このようにする場合、図２との対応部分に同一符号を付して示す図４に示すように、テラヘルツ波発生部１３と、テラヘルツ波検出部１５とを入れ換えるとともに、偏光ビームスプリッタ３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が−４５度をなす状態に傾ける（図４では紙面に対して下側方向に４５度傾ける）ようにすれば、上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また上述の実施の形態においては、放物面鏡２１〜２３を用いて、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築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、光学レンズを用いて、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築するようにしてもよい。
【００５６】
例えば図２との対応部分に同一符号を付した図５に示すテラヘルツ波伝播光学系を構築することができる。この図５におけるテラヘルツ波伝播光学系では、放物面鏡２１、２３（図２）に代えてコリメータレンズ４１、４４が採用された点、放物面鏡２２に代えてビームエキスパンダ４２及び対物レンズ４３が採用された点で相違する。このテラヘルツ波伝播光学系は、レンズを採用しているので、図２に示したテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳに比して光学調整が容易となる。
【００５７】
さらに上述の実施の形態においては、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間の光路長を可変することで遅延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、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波発生部１３間の光路長を可変することで遅延させるようにしてもよい。つまり、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波発生部１３間の光路長と、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間の光路長とを相対的に可変するのであれば、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を遅延させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
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】
【００５９】
【図１】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概略図である。
【図２】テラヘルツ波伝播光学系の構成を示す略線図である。
【図３】Ｐ偏光とＳ偏光の位相差と、プリズムの全反射面での入射角との説明に供するグラフである。
【図４】他の実施の形態によるテラヘルツ波伝播光学系の構成（１）を示す略線図である。
【図５】他の実施の形態によるテラヘルツ波伝播光学系の構成（２）を示す略線図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短パルス発振器、１２……ビームスプリッタ、１３……テラヘルツ波発生部、１４……時間遅延部、１５……テラヘルツ波検出部、１６……コンピュータ、２１、２２、２３……放物面鏡、３１……偏光ビームスプリッタ、３２……フレネルロムプリズム、４１、４４……コリメータレンズ、４２……ビームエキスパンダ、４３……対物レンズ、ＴＰＯＳ……テラヘルツ波伝播光学系、ＳＰＬ……試料、ＳＴ……可動ステージ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおよそ０．１×１０１２［Hz］〜１００×１０１２［Hz］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、テラヘルツ波分光技術として、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、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部に集光される。これによりテラヘルツ波発生部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、測定試料を透過又は測定試料で反射した後、テラヘルツ波検出部に集光される。このとき、テラヘルツ波検出部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流が生じ、パルス状の電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出部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帯域の透過又は反射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として、放射アンテナ３から半球形レンズ４３及び放物面鏡４を経て導かれるテラヘルツ電磁波２０を、ワイヤーグリッド製の偏光子３０において特定の偏光電磁波だけ透過させた後に試料に対して斜めに入射させ、該試料５を反射したテラヘルツ電磁波２１を、偏光子３０と同様でなるワイヤーグリッド製の検光子３１を経て受信アンテナ７に導くようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３５５０３８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる装置では、偏光子３０を経た直線偏光のテラヘルツ波を試料５に導くので、例えば試料５が繊維状の構造物等といったように配向特性をもつ場合、該直線偏光の偏光方向に応じて試料５での反射率が大幅に変動する。またテラヘルツ波は視認できず、試料５の配向特性は一般に分からないため、直線偏光の偏光方向と、試料５の配向特性との関係を考慮しながら試料５を配置するといったことは困難である。
【０００６】
したがって、かかる装置では、直線偏光の偏光方向と、試料５の配向特性との関係によって試料５での反射率が変動し、これが測定結果に反映されるといった問題があった。
【０００７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、試料の配向特性にかかわらず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、直線偏光のテラヘルツ波を透過又は反射する偏光ビームスプリッタと、入射されるテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与える１／４波長と、偏光ビームスプリッタから１／４波長板を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導く光学部材とをもつ構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、照射面に対して、繊維状の構造をもつ等のように配向特性をもつ試料が配された場合であっても、円偏光のテラヘルツ波が照射面に導かれるので、該試料に対するテラヘルツ波の反射率を、配向特性がない試料と同等のものとして得ることができる。つまり、試料の配向状態にかかわらず反射率の変動を低減することで測定再現性を向上することができ、かくして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１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、超短パルス発振器１１、偏光ビームスプリッタ１２、テラヘルツ波発生部１３、時間遅延部１４、テラヘルツ波検出部１５及びコンピュータ１６を含む構成とされる。
【００１２】
超短パルス発振器１１は、例えば、６０［fs］程度のパルス幅、１００［MHz］程度の繰り返し周期、８００［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短パルス発振器１１として、具体的には、チタンサファイアフェトム秒パルスレーザチタンやファイバーサフェトム秒レーザなどが適用される。
【００１３】
ビームスプリッタ１２は、超短パルス発振器１１から出射されるパルス光をポンプ光と、プローブ光とに分離する。ポンプ光は、所定の光学系を経てテラヘルツ波発生部１３に集光される。一方、プローブ光は、時間遅延部１４や所定の光学系を経てテラヘルツ波検出部１５に導かれる。
【００１４】
テラヘルツ波発生部１３は、ポンプ光をトリガとして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部１３として、具体的には、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対の電極及びその電極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などが適用される。差周波混合によるテラヘルツ波発生法として用いられるＺｎＴｅ等の電気光学結晶を適用することも可能である。
【００１５】
テラヘルツ波発生部１３から発生したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て、可動ステージＳＴに配置される試料ＳＰＬに導かれ、該試料ＳＰＬを反射（散乱を含む）したテラヘルツ波は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経てテラヘルツ波検出部１５に集光される。
【００１６】
時間遅延部１４は、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間における光路長を可変することによって、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間（テラヘルツ波検出部１５に対する励起タイミング）を遅延させる。時間遅延部１４として、具体的には、リトロリフレクタやルーフミラー等のミラーが配されたステージを、直角プリズム等に対して近づく方向又は離れる方向に所定速度で動作させるといった構成等が適用される。
【００１７】
テラヘルツ波検出部１５は、試料ＳＰＬを反射した後にテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経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部１５は、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを経て導かれるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、時間遅延部１４によって遅延されたプローブ光の到達タイミングで、当該テラヘルツ波の振動電場の波形をサンプリングする。このテラヘルツ波検出部１５は、具体例として、テラヘルツ波発生部１３と同様に、光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶などが適用される。
【００１８】
コンピュータ１６は、試料ＳＰＬとして測定対象が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第１のテラヘルツ波形とも呼ぶ）と、該試料ＳＰＬとして測定基準とされる物体（例えば金属鏡又はシリコン基板等）が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出部１５によって計測されるテラヘルツ波の振動電場の波形（以下、これを第２のテラヘルツ波形とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、コンピュータ１６内の記憶部に予め記憶させ、該記憶部から取得するようにしてもよい。
【００１９】
コンピュータ１６は、第１のテラヘルツ波形及び第２のテラヘルツ波形を取得した場合、これら双方のテラヘルツ波形をフーリエ変換し、その変換結果として得られるスペクトルの比から、広範囲となるテラヘルツ帯での反射スペクトルを取得する。そしてコンピュータ１６は、この反射スペクトルに基づいて、測定対象の複素誘電率あるいは光学定数を算出し、該算出結果から測定対象の成分、濃度又は状態（形状）などに関連する情報を生成するようになされている。
【００２０】
このようにこのテラヘルツ分光装置１０は、テラヘルツ時間領域分光法を採用することで、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べて、この周波数帯域における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、この結果、高い精度で測定対象に関する情報を取得できるようになされている。
【００２１】
（２）テラヘルツ波伝播光学系の構成
次に、この実施の形態におけるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳの構成について図２を用いて説明する。テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳは、３つの放物面鏡２１、２２、２３と、偏光ビームスプリッタ３１と、フレネルロムプリズム３２との各光学部材によって構成される。
【００２２】
放物面鏡２１は、テラヘルツ波発生部１３から放射状に発生するテラヘルツ波を平行光線の束として偏光ビームスプリッタ３１に導く。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ３１は、金属性のワイヤーが所定間隔ごとに同一方向へ並べられた板状の偏光子であり、放物面鏡２１から入射されるテラヘルツ波の光軸に対して４５度傾けられる。これによりこの偏光ビームスプリッタ３１は、偏光ビームスプリッタとして機能することとなり、放物面鏡２１から入射されるテラヘルツ波から、特定の偏光成分として例えばＰ偏光成分（図２では紙面に対して平行な偏光方向）のテラヘルツ波を透過させる。
【００２４】
フレネルロムプリズム３２は、４回の全反射を用いて位相を変換させるものであり、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー又はシクロオレフィンコポリマー等のプラスチック（有機ポリマー）によって成形される。
【００２５】
このフレネルロムプリズム３２は、偏光ビームスプリッタ３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度をなす状態に傾けられている（図２では紙面に対して上側方向に４５度傾けられている）。これによりフレネルロムプリズム３２は、１／４波長板として機能することとなり、偏光ビームスプリッタ３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波を内部で４回全反射させて９０度の位相を与える。したがって、このフレネルロムプリズム３２から出射されるテラヘルツ波は、円偏光（円偏光に近い楕円偏光も含む）に変換されていることとなる。
【００２６】
ここで、フレネルロムプリズム３２の全反射面に対する入射角について説明する。Ｐ偏光とＳ偏光との位相差をδとし、空気の屈折率をｎ１とし、プリズムにおける硝材の屈折率をｎ２とし、全反射面での入射角をθとすると、次式
【００２７】
【数１】
【００２８】
で与えられる。ここで、「ｎ１」を１とし、「ｎ２」を１．５としたときの位相差δと入射角θとの関係を図３に示す。この図３からも明らかなように、４回の全反射を用いて９０度の位相を与える場合、偏光ビームスプリッタ３１からの入射角は、４２度又は７５度であればよいこととなる。
【００２９】
放物面鏡２２は、フレネルロムプリズム３２から入射される円偏光のテラヘルツ波を、照射面に対して垂直となる方向から当該放物面の焦点位置に集める。この焦点位置には、可動ステージＳＴによって試料ＳＰＬの測定対象とされる面が位置決めされる。
【００３０】
試料ＳＰＬを反射した円偏光のテラヘルツ波は偏光面の回転方向が逆方向なり、放物面鏡２２により平行光線の束としてフレネルロムプリズム３２に導かれる。このフレネルロムプリズム３２に入射される円偏光のテラヘルツ波は、該フレネルロムプリズム３２内部で４回全反射して９０度の位相が与えられ、偏光ビームスプリッタ３１からフレネルロムプリズム３２に入射する直線偏光（Ｐ偏光）の偏光方向とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）に変換される。したがって、フレネルロムプリズム３２から偏光ビームスプリッタ３１に入射する直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波は、該偏光ビームスプリッタ３１を透過せずに反射し、放物面鏡２３に導かれることとなる。
【００３１】
放物面鏡２３は、偏光ビームスプリッタ３１から入射される円偏光のテラヘルツ波を、当該放物面の焦点位置に配されるテラヘルツ波検出素子１５に集める。
【００３２】
このようにしてこのテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳは、テラヘルツ波発生部１３から発生するテラヘルツ波を試料ＳＰＬに導くとともに、該試料ＳＰＬを反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１５に集光するようになされている。
【００３３】
（３）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におけるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳには、テラヘルツ波発生部１３から放物面鏡２１を経て入射されるテラヘルツ波を透過する偏光ビームスプリッタ３１と、該偏光ビームスプリッタ３１から入射される直線偏光のテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与えて円偏光に変換するフレネルロムプリズム３２と、該フレネルロムプリズム３２を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光する放物面鏡２２とが配置される（図２）。
【００３４】
したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、照射面に対して、繊維状の構造をもつ等のように配向特性をもつ試料ＳＰＬが配された場合であっても、円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光するので、該試料ＳＰＬに対するテラヘルツ波の反射率を、配向特性がない試料ＳＰＬと同等のものとして得ることができる。つまり、このテラヘルツ分光装置１０は、試料ＳＰＬの配向状態にかかわらず反射率の変動を低減できることから、その分だけ測定再現性を向上でき、この結果、測定精度を向上できる。
【００３５】
なお、試料ＳＰＬの配向状態にかかわらず反射率の変動を低減できるということは、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用いられる試料ＳＰＬ（測定対象）にも対応できるので有用となる。
【００３６】
また、このテラヘルツ分光装置１０における放物面鏡２２は、円偏光のテラヘルツ波を照射面に集光するとともに、該照射面に配される試料ＳＰＬを反射する円偏光のテラヘルツ波をフレネルロムプリズム３２に導くようになされており、テラヘルツ波検出部１５は、該フレネルロムプリズム３２及び偏光ビームスプリッタ３１を順に経て、偏光ビームスプリッタ３１を透過する直線偏光（Ｐ偏光）とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）として入射されるテラヘルツ波を検出する（図２）。つまり、偏光ビームスプリッタ３１から放物面鏡２２までの経路が往路（試料ＳＰＬへの入射波路）と、復路（試料ＳＰＬからの出射経路）として用いられる。
【００３７】
このように用いた場合、フレネルロムプリズム３２が、往路（試料ＳＰＬへの入射波路）でのテラヘルツ波を円偏光に、復路（試料ＳＰＬからの出射経路）でのテラヘルツ波を直線偏光に変換することで、往復路でのテラヘルツ波の偏光状態を区別するため、テラヘルツ波の伝播経路を共用化することになり、その構成部品数を減らして、光学系の簡略化を図ることができる。
【００３８】
これに加えて、試料ＳＰＬを反射したテラヘルツ波については、偏光ビームスプリッタ３１を透過するのではなく反射しているためその強度を低減させずにテラヘルツ波検出部１５に検出させることができる。この点、例えば、上述した引用文献（特許第３５５０３８１明細書）では、試料５を経たテラヘルツ波は、検光子３１を経ることでその強度が低減された状態で受信アンテナ７に導かれることなり、信号雑音比（ＳＮＲ(Signal Noise Ratio)）が劣化することになる。したがってこのテラヘルツ分光装置１０では、偏光ビームスプリッタ３１から放物面鏡２２までの経路を往路と復路とで共用しても、試料ＳＰＬを反射するテラヘルツ波を無駄なく（信号雑音比が劣化しない状態で）検出することができ、その分だけ測定精度を向上することができる。
【００３９】
また、このテラヘルツ分光装置１０では、照射面に集光されるテラヘルツ波は、該照射面に対して垂直となる方向から導かれる（図２）。斜め照射する場合、計測信号の解析において照射面に対する入射角を考慮した演算を要することになるが、垂直照射では必要とはならないことから、当該演算に依存する誤差等を回避することができ、その分だけ測定精度を向上できる。
【００４０】
さらに、斜め照射する場合に比べて、垂直照射するほうが高い分解能を得やすいという利点がある。一般に、光の回折限界により分解能の下限が必然に決まる。レイリー分解能は、波長をλ、光学部材の開口数をＮＡとすると、「0.62・λ／ＮＡ」となる。例えば、テラヘルツ波検出素子１５に集光すべき光学系の開口数を「0.5」として、１［THz］のテラヘルツ波を用いる場合、該テラヘルツ波の波長は３００[μm]であるので、レイリー分解能は３７０[μm]となる。
【００４１】
ここで、高い分解能を得ようとする場合、光学系の開口数を固定とすると、波長を短くしなければならないが、波長を短くするほど、広範囲となるテラヘルツ帯のなかで測定可能となる帯域が制限される。一方、波長を固定とすると、光学系の開口数を上げなければならないが、開口数を上げるほど、焦点距離が短く有効径を大きい光学系を選定しなければならないので、斜め照射する場合、照射レンズと、受光レンズとの接触を回避させるためには双方のレンズの入射角を大幅に大きくしなければならない。したがって、テラヘルツ波分光装置１０をイメージング装置、特に顕微鏡として用いる場合には、レンズ配置の制約により分解能を上げることができないといったことを回避できる点で垂直照射するほうが有用となる。
【００４２】
また、このテラヘルツ分光装置１０におけるフレネルロムプリズム３２は、４回の全反射を用いて位相を変換させるものであり、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー又はシクロオレフィンコポリマーなどのプラスチック（有機ポリマー）によって成形される。これらの屈折率はテラヘルツ波帯域において屈折率が小さく波長依存性が少ない。
【００４３】
したがって、このテラヘルツ分光装置１０は、フレネルロムプリズム３２でのフルオネル反射を極力抑えて、広範囲となるテラヘルツ帯であっても反射損失を低減した状態で、該テラヘルツ帯を検出することができ、その分だけ信号対雑音比を大きくすることが可能なので測定精度を向上できる。
【００４４】
これに加えて、１／４波長板としてフレネルロムプリズム３２を用いることで、入射光と出射光との光軸を同軸とすることができ、視認できないテラヘルツ波を用いる場合であっても、１／４波長板としての方位の位置決めを容易に行うことが可能となる。また、このテラヘルツ分光装置１０では、視認可能なワイヤーをもつ偏光ビームスプリッタ３１を偏光ビームスプリッタとしているので、該偏光ビームスプリッタ３１との関係においても、１／４波長板としての方位の位置決めを容易に行うことが可能となる。
【００４５】
以上の構成によれば、波長依存性のないフレネルロムプリズム３２を１／４波長板として作用させて円偏光のテラヘルツ波を照射面に対して垂直方向から導くようにしたことにより、試料ＳＰＬ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。
【００４６】
（４）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、１／４波長板としてフレネルロムプリズム３２を用いる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これ以外の光学部材を用いるようにしてもよい。
【００４７】
例えば、内部で２回の全反射を経て直線偏光を円偏光又は円偏光を直線偏光に変換するフレネルロムプリズムを用いることができる。なお、このフレネルロムプリズムを用いる場合、偏光子３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度をなす状態に傾ける点については同じであるが、該フレネルロムプリズムの全反射面に対する入射角については、４２度又は７４．８度に変更する必要がある。
【００４８】
また例えば、厚さの異なる水晶板6枚を各々の結晶方位も調整して張り合わせたアクロマティック１／４波長板を用いることができる（J.Masson
and G.Gallot: Opt. Lett., Vol.31, NO.2, 265(2006)）。ただし、フレネルロムプリズム３２は、このアクロマティック１／４波長板に比して、９０度の位相シフトの調整が簡易である。
【００４９】
また例えば、高抵抗シリコンプリズムと呼ばれるものを用いることができる（「テラヘルツ技術総覧」、廣本宣久 編著、エヌジーティー 2007年11月29日発行、第７章 テラヘルツ計測システム、7.4.2偏光センシング、p462、図4）。ただし、シリコンは、プラスチックに比して屈折率が高いため反射損失が大きくなる点で、プラスチック製のフレネルロムプリズム３２のほうが測定精度の向上には適す。
【００５０】
ちなみに、反射率は、屈折率をｒとすると、（（ｒ−１）／（ｒ＋１））２として簡易的に表すことができ、またシリコンの屈折率は「３．４」であるから、シリコンの反射率はおよそ３０［％］となる。したがってこのプリズムを採用した場合、往路と復路との反射損失はおよそ６０［％］である。一方、フレネルロムプリズム３２の屈折率を「２」とすると、シリコンの場合に比べて、反射損失を１１［％］以下に抑え、往路と復路との合計で２０［％］以下に抑えることが可能となる。
【００５１】
なお、フレネルロムプリズム３２の材質としてプラスチックを適用するようにしたが、テラヘルツ帯に対して透明となるものであれば、種々の誘電体を用いることは可能である。ちなみに、シリコンが屈折率が高いことを述べたが、該シリコンを適用できないことを意味するものではない。
【００５２】
また、フレネルロムプリズム３２内での全反射面に対して鏡面研磨を施すようにすれば、より屈折率を小さくして反射損失を抑えることができ、フレネルロムプリズム３２の入射面及び出射面を、テラヘルツ波の波長よりも小さい凹凸をもつ砂面（モスアイ状）としても、より屈折率を小さくして反射損失を抑えることができる。
【００５３】
また上述の実施の形態においては、直線偏光（Ｐ偏光）のテラヘルツ波を透過させ、フレネルロムプリズム３２を往復して導かれる直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波を反射させるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築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、直線偏光（Ｓ偏光）のテラヘルツ波を反射させ、フレネルロムプリズム３２を往復して導かれる直線偏光（Ｐ偏光）のテラヘルツ波を透過させるテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築するようにしてもよい。
【００５４】
このようにする場合、図２との対応部分に同一符号を付して示す図４に示すように、テラヘルツ波発生部１３と、テラヘルツ波検出部１５とを入れ換えるとともに、偏光ビームスプリッタ３１におけるワイヤーの並び方向に対して全反射面が−４５度をなす状態に傾ける（図４では紙面に対して下側方向に４５度傾ける）ようにすれば、上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また上述の実施の形態においては、放物面鏡２１〜２３を用いて、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築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、光学レンズを用いて、テラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳを構築するようにしてもよい。
【００５６】
例えば図２との対応部分に同一符号を付した図５に示すテラヘルツ波伝播光学系を構築することができる。この図５におけるテラヘルツ波伝播光学系では、放物面鏡２１、２３（図２）に代えてコリメータレンズ４１、４４が採用された点、放物面鏡２２に代えてビームエキスパンダ４２及び対物レンズ４３が採用された点で相違する。このテラヘルツ波伝播光学系は、レンズを採用しているので、図２に示したテラヘルツ波伝播光学系ＴＰＯＳに比して光学調整が容易となる。
【００５７】
さらに上述の実施の形態においては、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間の光路長を可変することで遅延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、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波発生部１３間の光路長を可変することで遅延させるようにしてもよい。つまり、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波発生部１３間の光路長と、偏光ビームスプリッタ１２及びテラヘルツ波検出部１５間の光路長とを相対的に可変するのであれば、テラヘルツ波検出部１５に対するプローブ光の到達時間を遅延させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
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】
【００５９】
【図１】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概略図である。
【図２】テラヘルツ波伝播光学系の構成を示す略線図である。
【図３】Ｐ偏光とＳ偏光の位相差と、プリズムの全反射面での入射角との説明に供するグラフである。
【図４】他の実施の形態によるテラヘルツ波伝播光学系の構成（１）を示す略線図である。
【図５】他の実施の形態によるテラヘルツ波伝播光学系の構成（２）を示す略線図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短パルス発振器、１２……ビームスプリッタ、１３……テラヘルツ波発生部、１４……時間遅延部、１５……テラヘルツ波検出部、１６……コンピュータ、２１、２２、２３……放物面鏡、３１……偏光ビームスプリッタ、３２……フレネルロムプリズム、４１、４４……コリメータレンズ、４２……ビームエキスパンダ、４３……対物レンズ、ＴＰＯＳ……テラヘルツ波伝播光学系、ＳＰＬ……試料、ＳＴ……可動ステージ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を透過又は反射する偏光ビームスプリッタと、
入射されるテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与える１／４波長板と、
上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導く光学部材と
を有するテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
上記光学部材は、
上記１／４波長板から入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導き、該照射面に配される試料を反射する円偏光のテラヘルツ波を上記１／４波長板に導くものであり、
上記光学部材から上記１／４波長板及び上記偏光ビームスプリッタを順に経て、上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板に入射される直線偏光とは直交する直線偏光として入射されるテラヘルツ波を検出する検出部
を有する請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項３】
上記光学部材は、
上記１／４波長板から入射される円偏光のテラヘルツ波を、照射面に対して垂直となる方向から導くものである、
請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項４】
上記１／４波長は、
全反射を用いたフレネルロムプリズムでなり、上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板に入射される直線偏光の偏光面に対して全反射面が４５度又は−４５度をなす状態に傾けられたものである、
請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項５】
上記偏光ビームススプリッタは、
複数のワイヤーが所定間隔ごとに同一方向へ並べられた板状のものであり、
上記フレネルロムプリズムは、
上記ワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度又は−４５度をなす状態に傾けられたものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項６】
上記フレネルロムプリズムは、該フレネルロムプリズム内での全反射回数が４回となるものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項７】
上記フレネルロムプリズムは、テラヘルツ波帯に対して透明となる誘電体を用いたものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項８】
上記フレネルロムプリズムは、該フレネルロムプリズム内での全反射面が鏡面研磨され、入射面及び出射面が砂面とされる、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１】
テラヘルツ波を透過又は反射する偏光ビームスプリッタと、
入射されるテラヘルツ波に対して９０度の位相差を与える１／４波長板と、
上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板を経て入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導く光学部材と
を有するテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
上記光学部材は、
上記１／４波長板から入射される円偏光のテラヘルツ波を照射面に導き、該照射面に配される試料を反射する円偏光のテラヘルツ波を上記１／４波長板に導くものであり、
上記光学部材から上記１／４波長板及び上記偏光ビームスプリッタを順に経て、上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板に入射される直線偏光とは直交する直線偏光として入射されるテラヘルツ波を検出する検出部
を有する請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項３】
上記光学部材は、
上記１／４波長板から入射される円偏光のテラヘルツ波を、照射面に対して垂直となる方向から導くものである、
請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項４】
上記１／４波長は、
全反射を用いたフレネルロムプリズムでなり、上記偏光ビームスプリッタから上記１／４波長板に入射される直線偏光の偏光面に対して全反射面が４５度又は−４５度をなす状態に傾けられたものである、
請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項５】
上記偏光ビームススプリッタは、
複数のワイヤーが所定間隔ごとに同一方向へ並べられた板状のものであり、
上記フレネルロムプリズムは、
上記ワイヤーの並び方向に対して全反射面が４５度又は−４５度をなす状態に傾けられたものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項６】
上記フレネルロムプリズムは、該フレネルロムプリズム内での全反射回数が４回となるものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項７】
上記フレネルロムプリズムは、テラヘルツ波帯に対して透明となる誘電体を用いたものである、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項８】
上記フレネルロムプリズムは、該フレネルロムプリズム内での全反射面が鏡面研磨され、入射面及び出射面が砂面とされる、
請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−３００１０８（Ｐ２００９−３００１０８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５２０４６（Ｐ２００８−１５２０４６）
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【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１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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