電磁波測定装置
【課題】動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術を提供する。
【解決手段】プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器４０１と、前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳するシリコンミラー１１５と、前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子１１６と、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサ４１０とを備える。
【解決手段】プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器４０１と、前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳するシリコンミラー１１５と、前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子１１６と、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサ４１０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて被測定物の形状、材質を測定する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、０．１〜１０ＴＨｚの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。テラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、Ｘ線より安全な透過分析に用いることができる。多くの材料が、０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、テラヘルツ波による材料、材質の特定が可能である。テラヘルツ波は、セキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析などの産業応用分野で、今後多用されることが期待される。
【０００３】
テラヘルツ波を用いて被測定物をイメージングすることは、被測定物のテラヘルツ波に対する特性が一目でわかり、有用性が高い。このイメージングは、原理的には、図１０に示す測定系を用いて行われる。まずこの測定系について述べる。
【０００４】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、テラヘルツ波励起のためのポンプパルス光１３２とテラヘルツ波の変調の空間分布を検出するためのプローブパルス光１３３に分岐される。
【０００５】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。エミッタとして、例えば（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いると、ＺｎＴｅの非線形性により光整流作用が生じ、テラヘルツ波１３４が発生する。このテラヘルツ波１３４は、パルス幅が数ｐｓ程度になっている。またその周波数成分は０．１〜数ＴＨｚまで広い範囲を有し、ピーク波長は１ＴＨｚ近傍である。
【０００６】
このテラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ、空間位置に依存する変調を受ける。このような変調を、以下では簡単に、空間変調と呼ぶことにする。
【０００７】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。この電気光学素子としては（１１０）ＺｎＴｅが用いられる。電気光学素子結晶内では、空間変調されたテラヘルツ波１３６の電界強度分布に応じて、空間位置に依存するポッケルス効果が生じる。
【０００８】
一方、プローブパルス光１３３は、ミラー１０４、１０５、１０６、１０７から構成される遅延ラインを通過する。ミラー１０５、１０６はステージ１０８上に載っており、ステージ１０８が、図面の上下方向に約１５０ミクロン移動するごとに、後段の光学素子にプローブパルス光１３３が到着する時間を１ｐｓ変化させることができる。
【０００９】
遅延ラインを通過したプローブパルス光１３７はミラー１０９で反射された後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波１３５のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光１３８は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、シリコンミラー１１５で反射され電気光学素子１１６に導かれる。
【００１０】
電気光学素子１１６内では、前述したポッケルス効果のために、複屈折率が空間位置に依存して変化する。その結果、プローブパルス光１３８の偏光方向が空間変調され、偏光板１１８を通過するプローブパルス光の光量が空間変調される。
【００１１】
プローブパルス光は波長８００ｎｍなので、一般的なＳｉフォトダイオードで検出することができる。例えば、一般的に用いられているＳｉイメージセンサ１１９で、プローブパルス光の空間分布、すなわちその起源である被測定物１１４内のテラヘルツ波吸収、反射特性などの空間分布を検出、イメージングすることができる。
【００１２】
なお、遅延ラインのステージ１０８を動かすことにより、テラヘルツ波１３６とプローブパルス光１３８の電気光学素子１１６到着時間の相対関係を変えることができる。プローブパルス光１３８のパルス幅は、テラヘルツ波１３６のパルス幅の１０分の１程度しかないので、テラヘルツ波の所望の時間位置における電界強度をプローブ光でサンプリングすることができる。
【００１３】
到着時間の相対関係が異なる複数のプローブパルス光を用いることにより、テラヘルツ波１３６の電界強度の時間変化を知ることができる。この時間変化のピーク位置から被測定物の屈折率が分かり、また、この時間変化のフーリエスペクトルから被測定物のテラヘルツ帯吸収スペクトルが分かるので、被測定物が何であるかを特定できる。
【００１４】
ところが、この測定系は、遅延ラインのステージ１０８を機械的に移動させながら、テラヘルツ波１３６の異なる時間位置における電界強度をイメージセンサ上の光量としてサンプリングするので、ステージ１０８の移動時間のうちに動いてしまう被測定物をイメージングすることができない。つまり、動く被測定物、例えば生体、をイメージングし、また被測定物を動かしながら、例えば動いているベルトコンベア上で、イメージングする用途には向いていない。
【００１５】
そこで、そのような用途に適した別の従来技術が、例えば特許文献１に提案されている。この技術に係る測定系には、図１１に示すように、遅延ラインの代わりにパルス伸長器４０１と光ファイバ束４０２とが設けられる。パルス伸長器４０１は反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡などから構成されている。
【００１６】
一般に知られているように、フェムト秒パルスはスペクトル広がりがある。パルス伸長器４０１において、プローブ光（フェムト秒パルス）に含まれる成分のうち、短波長な成分ほど、長波長成分より時間的に遅らせることにより、チャープ化プローブ光３４７を得る。その遅らせる時間は、テラヘルツ波１３６のパルス幅と同程度、例えば約１０ｐｓｅｃ、にしておく。
【００１７】
そうすることで、電気光学素子１１６、偏光板１１８を通過したチャープ化プローブ光４３８のうち、短波長な成分ほど、テラヘルツ波１３６の時間的に遅い位置をサンプリングしていることになり、時間軸を波長軸に変換することができる。
【００１８】
そして、光ファイバ束４０２にも、短波長な成分ほど時間的に遅らせる分散特性を持たせることで、遅延時間の差をさらに拡大し、パルス幅を１０ｎｓｅｃまで広げる。この程度のパルス幅になれば一般的な受光素子を用いて時間分解することができる。
【００１９】
上述したように、この別の従来の技術では、テラヘルツ波１３６の異なる時刻の電界強度をプローブ光の異なる周波数成分で搬送し、それぞれの周波数成分に一般的な受光素子で時間分解できる程度にまで遅延差を与えることにより、２次元情報とその時間変化情報とが検出される。
【特許文献１】特開２００４−０２０３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、そのような従来技術を用いてもなお、次のような問題がある。
【００２１】
第１に、プローブ光を時間方向に拡大して測定するため、時間情報をリアルタイムに得ることができない。
【００２２】
第２に、光ファイバ束には、空間情報を維持するために、イメージングすべき画素数と同数の光ファイバが必要である。しかも、プローブ光の異なる周波数成分に十分な遅延時間の差を与えるために、各光ファイバには数ｋｍの長さが必要である。これらのため、光ファイバ束が非常に大きくなってしまう。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の電磁波測定装置は、プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器と、前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサとを備える。
【００２５】
ここで、前記重畳光学素子は、前記チャープ化プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することによって、両者を重畳してもよい。
【００２６】
この構成によれば、前記チャープ化プローブ光の異なる複数の周波数成分によって、前記被測定電磁波を異なる複数の時間位置でサンプリングし、そのサンプリングの結果を前記イメージセンサの対応画素から得ることができる。
【００２７】
この構成には、従来の遅延時間差を拡大するための長大な光ファイバ束が含まれないため小型に実現できる。また、チャープ化プローブ光をサンプリング後に時間伸長しないので被測定物を厳密にリアルタイムに測定できる。
【００２８】
また、前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波であることが好ましい。
【００２９】
この構成よれば、様々な被測定物がテラヘルツ波に対して示す吸収及び反射などの固有の特性に基づいて、被測定物について優れた透過分析を行うことができる。そして、そのためのプローブ光の検出は、可視光乃至赤外光帯域に感度を有する一般的なイメージセンサを用いて行うことができる。
【００３０】
ここで、前記イメージセンサにおいて、前記複数の画素は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さいことが望ましい。
【００３１】
この構成よれば、一般に知られているように、電磁波の空間分解能はほぼその１波長であるので、それよりも小さい１周期内の複数のフィルタを通過する異なる複数の周波数成分は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングしていることになる。すなわち、時間サンプリングと共に、被測定電磁波による最大の空間分解能が発揮される。
【００３２】
また、前記電磁波測定装置は、さらに、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記被測定電磁波の中心波長に対する前記複数の画素が設けられる周期の割合で縮小する縮小光学系を備えてもよい。
【００３３】
この構成によれば、前記複数のフィルタの１周期が前記テラヘルツ波の波長に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の空間情報をサンプリングしたチャープ化プローブ光がただ一組のフィルタに対応する複数の画素によって検出されるので、無駄がない。
【００３４】
特に、前記イメージセンサの隣接する周期において、同じ波長に透過性を有するフィルタを対称に設けるようにすれば、周期の境目で同じ波長に透過性を有するフィルタが隣り合うので幅が広がり作製が容易になる。
【００３５】
また、前記イメージセンサの各周期において、予め定められる複数の順列の中から選択される一つに従って前記複数のフィルタを設けるようにすれば、各フィルタの順序をできるだけ不規則にして、信号の周期性に起因する固定パターン雑音を低減させることができる。
【００３６】
また、前記複数のフィルタは、誘電体多層膜から形成されてもよい。
【００３７】
この構成によれば、前記複数のフィルタをフォトニック結晶フィルタとして実現し、非常にシャープな透過特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明を用いると、電磁波を用いた被測定物の形状判定と材質判定に必要なデータを同時にかつリアルタイムに測定することができ、高速な電磁波測定装置を小型に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
＜電磁波測定装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図である。
【００４０】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、ポンプパルス光１３２とプローブパルス光１３３に分岐される。
【００４１】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。テラヘルツエミッタ１１２として、例えば、厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いる。なお、テラヘルツエミッタ１１２には、ＺｎＴｅのほかに光伝導スイッチを用いることもできる。
【００４２】
テラヘルツエミッタ１１２は、ポンプパルス光１３２が入射すると、そのパルス幅に対応して中心周波数１ＴＨｚ（中心波長３００μｍ）のテラヘルツ波１３４を放射する。
【００４３】
なお、ポンプパルス光のパルス幅は上述した１００ｆｓに限定されない。例えばパルス幅３００ｆｓのポンプパルス光を用いてもテラヘルツ波を得ることができる。
【００４４】
テラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ変調を受ける。被測定物１１４として、図２のように１２０μｍのプラスチック板５１上に形成したアルミニウム５２のストライプパターン（幅１００μｍ、ピッチ４００μｍ）を用いる。
【００４５】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。この電気光学素子としては厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅを用いる。電気光学素子結晶内では、テラヘルツ波１３６の電界強度の空間分布および時間変化に応じて、空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じる。
【００４６】
一方、プローブパルス光１３３は、パルス伸長器４０１により、所謂、チャープ化され、短波長な成分なほど大きな時間遅れが与えられる。ここで、パルス伸長器４０１には、反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡から構成される周知のものを用いることができる。
【００４７】
チャープ化プローブパルス光４３７は、ミラー１０９で反射した後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、コリメートテラヘルツ波１３６のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたチャープ化プローブ光４３７は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、４５°の入射角でシリコンミラー１１５へ入射し反射されることによって、コリメートテラヘルツ波１３６と重畳され電気光学素子１１６に導かれる。
【００４８】
ここで、シリコンミラー１１５が、重畳光学素子の一例である。なお、この逆に、チャープ化プローブパルス光１３９を透過しテラヘルツ波１３６を反射するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）付きガラスを用いて、重畳光学素子を実現することもできる。
【００４９】
電気光学素子１１６内では、前述したように、空間変調されたテラヘルツ波による空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じ、それをプローブ光で時間方向に複数サンプリングする。
【００５０】
より具体的に言えば、チャープ化プローブパルス光４３７の異なる時間遅れを与えられた複数の周波数成分のそれぞれについて、ポッケルス効果によって生じる偏光方向の変化を偏光板１１７、１１８によって光量変化に置き換え、イメージセンサ４１０の光検出部４１２における各画素で検出する。
【００５１】
イメージセンサ４１０は、チャープ化プローブパルス光４３７の異なる周波数成分に透過性を有する複数のフィルタが周期的に設けられたフィルタ部４１１と、個々のフィルタに対応する画素を備える光検出部４１２とから構成される。これにより、各画素は、対応するフィルタを通過する周波数成分の時間遅れに応じた時間位置においてサンプリングされた情報を検出する。
【００５２】
＜イメージセンサ＞
イメージセンサ４１０の構成と機能について詳細に説明する。
【００５３】
図３は、イメージセンサ４１０の詳細な構成と共に、前述した情報の検出を行うための主要な構成を示す構成図である。
【００５４】
チャープ化プローブ光の代表的な波長をλｉ（ｉ＝１…５）とする。ここで、λ１＞λ２＞・・・＞λ５とすれば、ｉが小さいほど早く電気光学素子１１６に到達する。
【００５５】
フィルタ部４１１は、一例として、波長λ１の周波数成分のみ透過させるフィルタ４２１、・・・、波長λ５の周波数成分のみ透過させるフィルタ４２５の５種類のフィルタから構成されている。フィルタ４２１〜４２５はフィルタ群を成し、所定の周期で繰り返し形成される。図３には、３周期のフィルタ群Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３が示される。
【００５６】
ここで、フィルタ群の１周期の間隔は、テラヘルツ波の波長λよりも小さい。テラヘルツ波の空間分解能が波長λ程度であることを考慮すれば、この１周期内のフィルタを通過する異なる複数の周波数成分は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波（図３のＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・）を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングしていることになる。図３の例では、各画素は以下の情報を検出する。
【００５７】
画素Ｐ１：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ１の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ２：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ３：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ３の周波数成分でサンプリングした情報
…
画素Ｐ６：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ１の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ７：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ８：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
…
【００５８】
ここで、波長λｉの周波数成分と波長λｊの周波数成分との時間差をΔＴijと表すと、最も早い波長λ１の周波数成分によるサンプリング時刻を時刻Ｔとして、各画素は以下の情報を検出すると言い換えられる。
【００５９】
画素Ｐ１：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔの情報
画素Ｐ２：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ12の情報
画素Ｐ３：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ12＋ΔＴ23の情報
…
画素Ｐ６：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔの情報
画素Ｐ７：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ12の情報
画素Ｐ８：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ12＋ΔＴ23の情報
…
【００６０】
図１で示されるようにテラヘルツ波は、被測定物１１４により空間変調されている。従って、イメージセンサ４１０は、テラヘルツの空間情報と時間情報の両方を取得することができる。
【００６１】
なお、イメージセンサ４１０を構成するフィルタ部４１１は、半導体プロセスなどにより光検出部４１２上に直接形成されてもよく、また、光検出部４１２とは別体として作成された後、光検出部４１２と共にイメージセンサ４１０に組み立て、調整してもよい。
【００６２】
＜実験結果＞
さて、発明者らは、具体的に、水平画素数３２０、垂直画素数２４０の１／４インチＱＶＧＡ型の光検出部４１２を持つイメージセンサ４１０を用いて、図２に示される被測定物を測定する実験を行った。
【００６３】
フィルタ部４１１には、光検出部４１２の隣接する１０個の画素へ、チャープ化プローブパルス４３７の代表的な１０種類の周波数成分のうちそれぞれ異なる一つを通過させるように、個々のフィルタを繰り返し配列した。
【００６４】
ここで、光検出部４１２の画素の配列間隔、及びフィルタ部４１１の各フィルタの配列間隔は、何れも１０μｍとした。従って、フィルタ群の繰り返し間隔は１００μｍである。この間隔は、テラヘルツ波の中心波長３００μｍよりも短い。
【００６５】
また、パルス伸長器４０１には、前述した１０種類の周波数成分に、０．２ｐｓｅｃ間隔で、最も早い周波数成分から最も遅い周波数成分まで１．８ｐｓｅｃの時間差を与えるものを使用した。
【００６６】
この実験から得られた測定結果を図４、図５に示す。図４は被測定物１１４を取り付けた場合の測定結果を示し、図５は被測定物１１４を取り外した時の測定結果を示す。図４、図５は、何れもイメージセンサの第１２０行目（画面のほぼ中央付近の水平行）の信号を示したものである。この実験では、図３に示される垂直方向に一様な被測定物を用いたので、イメージセンサの他の行でもほぼ同じ信号が得られた。
【００６７】
図４、図５において、水平画素番号ｉ＋１０ｊ （ｉ＝１，２，３…．１０， ｊ＝０，１，２，３…３１）の値は、被測定物の水平位置ｊ×１００μｍ±５０μｍを透過したテラヘルツ波を、基準時刻＋ｉ×０．２ｐｓｅｃにおいてサンプリングした値を表す。
【００６８】
例えば、基準時刻から時間０．６ｐｓｅｃ後におけるイメージングデータは、水平画素番号３＋１０ｊの値をプロットすることによって、例えば図６のようなイメージとして得られる。なお、図６のイメージには境界が滑らかになるよう信号処理を施している。白く見える部分はテラヘルツ波が透過する部分、黒い部分が透過しない部分である。４００μｍピッチのパターンがイメージングできていることがわかる。
【００６９】
一方、テラヘルツ波が透過する部分の時間領域分光を行うには、例えば、水平画素番号ｉ＋５０の値をプロットすればよく、図７に示す結果が得られる。ピーク位置が被測定物の有無に応じて０．２ｐｓｅｃずれていることがわかる。プラスチック板の厚みをｄ、屈折率をｎ、光速をｃとし、被測定物の有無におけるピーク位置変化をΔＴとすると、
ΔＴ＝（ｎ−１）ｄ／ｃ
なる関係があるから、このプラスチック板の屈折率は約１．５となり、材料評価が可能である。また、図７をフーリエ変換すれば、被測定物あり／なしの比較から吸収スペクトルを求めることができる。一般に固有の吸収スペクトルをテラヘルツ帯に有する材料が多いので、プラスチック材質をより正確に特定することができる。
【００７０】
このように本発明を用いると、イメージングとその材料評価を同時にすることができる。
【００７１】
＜フィルタの詳細構成＞
フィルタ４１１には、顔料、染料を用いたバンドパスフィルタや、フォトニック結晶フィルタなどを用いることができる。
【００７２】
フォトニック結晶フィルタとは誘電体の周期的多層膜である。この多層膜により、フォトニックバンドギャップが形成される。このフォトニックバンドギャップに入った周波数の光は存在することができない。すなわち、バンドストップフィルタ機能を有する。ところが、例えば、その周期的多層膜のうち、一層だけを厚く、または、薄くすると、フォトニックバンドギャップ中に特定の周波数のみが存在しえる。このため、特定の周波数（波長）の光に対してだけ、非常にシャープな透過特性を得ることができることが知られている。
【００７３】
この性質を用いることで、複数の波長の光のうち、光検出部４１２の対応画素に応じた一つに対して非常に鋭い透過特性を持つ複数の領域を有するフィルタ部４１１を容易に作製することが可能である。
【００７４】
図８は、フォトニック結晶フィルタの一例を示す構成図である。ガラス基板またはＳｉイメージセンサチップＳ０の上に、奇数番号で示されるＧａＰ層と、偶数番号で示されるＳｉＮ層が交互に形成されている。第９層のＧａＰ層だけは厚みが対応画素に応じて異なっており、この異なりにより、対応画素に応じた特定波長だけをシャープに透過させることができる。
【００７５】
なお、簡単のため、図２ではフィルタやイメージセンサ画素を一次元で描いたが、実際の装置では、一次元であっても、二次元であってもよい。
【００７６】
更には、フィルタによるプローブ光の乱れ（例えば、フィルタを通過するときに発生する損失が透過域によって異なるなど）は、画素毎の信号処理で補正してもよい。
【００７７】
また、フィルタの配列について、次のような変形例を考えることができる。
【００７８】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれフィルタの配列の一例を、３つのフィルタ群Ｃ１〜Ｃ３にわたって示す図である。図中、同じ波長の光を透過させるフィルタを同じ柄で表している。
【００７９】
図９（ａ）は、異なる波長の光を透過させるフィルタ４２１、・・・、４２５が、どのフィルタ群においても同じ順序で形成されている配列を示している。
【００８０】
また、図９（ｂ）は、隣接するフィルタ群において各フィルタが対称軸４３０、４３１を挟んで対称に形成されている配列を示している。対称軸がある配列では、例えば、同じ波長の光を透過させる画素フィルタ４２１（ａ）、（ｂ）が隣り合うので、幅が広がり作製が容易になる。
【００８１】
また、図９（ｃ）は、各フィルタ群において異なる多数の配列の中から選択される１つに従って各フィルタが形成されている配列を示している。ここで、各フィルタの順序ができるだけ不規則になるように、この選択が行われることが望ましい。そうすれば、信号の周期性に起因する固定パターン雑音を低減させることができる。
【００８２】
なお、図９（ｂ）、（ｃ）のような配列の場合、各画素から得られる信号を適切な順番に並べ直すことで、図４、図５、図６、及び図７の結果を得る。
【００８３】
なお、電気光学素子１１６とイメージセンサ４１０の間に、レンズを用いた縮小光学系を設置し、チャープ化プローブ光４３８を、テラヘルツ波１３６の波長に対するフィルタ部４１１におけるフィルタ群の繰り返し間隔の割合で縮小してもよい。
【００８４】
そうすれば、前記フィルタ群の繰り返し間隔が前記テラヘルツ波の波長に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の空間情報をサンプリングしたプローブ光がただ一組のフィルタに対応する画素によって検出されるので、無駄がない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、高速測定可能な電磁波測定装置、とりわけ、テラヘルツ測定装置に適用でき、医療、バイオ、農業、食品、環境、セキュリティなどの多種の分野での非破壊測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図
【図２】被測定物の一例を示す図
【図３】空間情報及び時間情報が同時取得される原理を説明する図
【図４】被測定物を取り付けた場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図５】被測定物を取り外した場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図６】被測定物のイメージの一例を示す図
【図７】テラヘルツ波の時間変化の一例を示す図
【図８】フォトニック結晶フィルタの構成の一例を示す図
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）フィルタの配列の一例を示す図
【図１０】従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【図１１】チャープ化パルスを用いた従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【符号の説明】
【００８７】
５１ プラスチック板
５２ アルミニウム
１０１ フェムト秒レーザ装置
１０２ ビームスプリッタ
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０９ ミラー
１０８ ステージ
１１０ 凹レンズ
１１１ 凸レンズ
１１２ テラヘルツエミッタ
１１３ ポリエチレンレンズ
１１４ 被測定物
１１５ シリコンミラー
１１６ 電気光学結晶
１１７、１１８ 偏光板
１１９ イメージセンサ
１３１ 短光パルス
１３２ ポンプパルス光
１３３、１３７、１３８ プローブパルス光
１３４、１３５、１３６ テラヘルツ波
３０１ ＧａＮ基板
３０２、３０３、３０４ Ｎｉマスク
４０１ パルス伸長器
４０２ 光ファイバ束
４１０ フィルタ付イメージセンサ
４１１ フィルタ部
４１２ 光検出部
４３７、４３８ チャープ化プローブ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて被測定物の形状、材質を測定する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、０．１〜１０ＴＨｚの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。テラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、Ｘ線より安全な透過分析に用いることができる。多くの材料が、０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、テラヘルツ波による材料、材質の特定が可能である。テラヘルツ波は、セキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析などの産業応用分野で、今後多用されることが期待される。
【０００３】
テラヘルツ波を用いて被測定物をイメージングすることは、被測定物のテラヘルツ波に対する特性が一目でわかり、有用性が高い。このイメージングは、原理的には、図１０に示す測定系を用いて行われる。まずこの測定系について述べる。
【０００４】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、テラヘルツ波励起のためのポンプパルス光１３２とテラヘルツ波の変調の空間分布を検出するためのプローブパルス光１３３に分岐される。
【０００５】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。エミッタとして、例えば（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いると、ＺｎＴｅの非線形性により光整流作用が生じ、テラヘルツ波１３４が発生する。このテラヘルツ波１３４は、パルス幅が数ｐｓ程度になっている。またその周波数成分は０．１〜数ＴＨｚまで広い範囲を有し、ピーク波長は１ＴＨｚ近傍である。
【０００６】
このテラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ、空間位置に依存する変調を受ける。このような変調を、以下では簡単に、空間変調と呼ぶことにする。
【０００７】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。この電気光学素子としては（１１０）ＺｎＴｅが用いられる。電気光学素子結晶内では、空間変調されたテラヘルツ波１３６の電界強度分布に応じて、空間位置に依存するポッケルス効果が生じる。
【０００８】
一方、プローブパルス光１３３は、ミラー１０４、１０５、１０６、１０７から構成される遅延ラインを通過する。ミラー１０５、１０６はステージ１０８上に載っており、ステージ１０８が、図面の上下方向に約１５０ミクロン移動するごとに、後段の光学素子にプローブパルス光１３３が到着する時間を１ｐｓ変化させることができる。
【０００９】
遅延ラインを通過したプローブパルス光１３７はミラー１０９で反射された後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、前記コリメートテラヘルツ波１３５のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたプローブパルス光１３８は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、シリコンミラー１１５で反射され電気光学素子１１６に導かれる。
【００１０】
電気光学素子１１６内では、前述したポッケルス効果のために、複屈折率が空間位置に依存して変化する。その結果、プローブパルス光１３８の偏光方向が空間変調され、偏光板１１８を通過するプローブパルス光の光量が空間変調される。
【００１１】
プローブパルス光は波長８００ｎｍなので、一般的なＳｉフォトダイオードで検出することができる。例えば、一般的に用いられているＳｉイメージセンサ１１９で、プローブパルス光の空間分布、すなわちその起源である被測定物１１４内のテラヘルツ波吸収、反射特性などの空間分布を検出、イメージングすることができる。
【００１２】
なお、遅延ラインのステージ１０８を動かすことにより、テラヘルツ波１３６とプローブパルス光１３８の電気光学素子１１６到着時間の相対関係を変えることができる。プローブパルス光１３８のパルス幅は、テラヘルツ波１３６のパルス幅の１０分の１程度しかないので、テラヘルツ波の所望の時間位置における電界強度をプローブ光でサンプリングすることができる。
【００１３】
到着時間の相対関係が異なる複数のプローブパルス光を用いることにより、テラヘルツ波１３６の電界強度の時間変化を知ることができる。この時間変化のピーク位置から被測定物の屈折率が分かり、また、この時間変化のフーリエスペクトルから被測定物のテラヘルツ帯吸収スペクトルが分かるので、被測定物が何であるかを特定できる。
【００１４】
ところが、この測定系は、遅延ラインのステージ１０８を機械的に移動させながら、テラヘルツ波１３６の異なる時間位置における電界強度をイメージセンサ上の光量としてサンプリングするので、ステージ１０８の移動時間のうちに動いてしまう被測定物をイメージングすることができない。つまり、動く被測定物、例えば生体、をイメージングし、また被測定物を動かしながら、例えば動いているベルトコンベア上で、イメージングする用途には向いていない。
【００１５】
そこで、そのような用途に適した別の従来技術が、例えば特許文献１に提案されている。この技術に係る測定系には、図１１に示すように、遅延ラインの代わりにパルス伸長器４０１と光ファイバ束４０２とが設けられる。パルス伸長器４０１は反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡などから構成されている。
【００１６】
一般に知られているように、フェムト秒パルスはスペクトル広がりがある。パルス伸長器４０１において、プローブ光（フェムト秒パルス）に含まれる成分のうち、短波長な成分ほど、長波長成分より時間的に遅らせることにより、チャープ化プローブ光３４７を得る。その遅らせる時間は、テラヘルツ波１３６のパルス幅と同程度、例えば約１０ｐｓｅｃ、にしておく。
【００１７】
そうすることで、電気光学素子１１６、偏光板１１８を通過したチャープ化プローブ光４３８のうち、短波長な成分ほど、テラヘルツ波１３６の時間的に遅い位置をサンプリングしていることになり、時間軸を波長軸に変換することができる。
【００１８】
そして、光ファイバ束４０２にも、短波長な成分ほど時間的に遅らせる分散特性を持たせることで、遅延時間の差をさらに拡大し、パルス幅を１０ｎｓｅｃまで広げる。この程度のパルス幅になれば一般的な受光素子を用いて時間分解することができる。
【００１９】
上述したように、この別の従来の技術では、テラヘルツ波１３６の異なる時刻の電界強度をプローブ光の異なる周波数成分で搬送し、それぞれの周波数成分に一般的な受光素子で時間分解できる程度にまで遅延差を与えることにより、２次元情報とその時間変化情報とが検出される。
【特許文献１】特開２００４−０２０３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、そのような従来技術を用いてもなお、次のような問題がある。
【００２１】
第１に、プローブ光を時間方向に拡大して測定するため、時間情報をリアルタイムに得ることができない。
【００２２】
第２に、光ファイバ束には、空間情報を維持するために、イメージングすべき画素数と同数の光ファイバが必要である。しかも、プローブ光の異なる周波数成分に十分な遅延時間の差を与えるために、各光ファイバには数ｋｍの長さが必要である。これらのため、光ファイバ束が非常に大きくなってしまう。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、動く被測定物、又は被測定物を動かしながら、その被測定物の空間情報及び時間情報をリアルタイムに取得できる電磁波測定装置を小型に実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の電磁波測定装置は、プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器と、前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサとを備える。
【００２５】
ここで、前記重畳光学素子は、前記チャープ化プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することによって、両者を重畳してもよい。
【００２６】
この構成によれば、前記チャープ化プローブ光の異なる複数の周波数成分によって、前記被測定電磁波を異なる複数の時間位置でサンプリングし、そのサンプリングの結果を前記イメージセンサの対応画素から得ることができる。
【００２７】
この構成には、従来の遅延時間差を拡大するための長大な光ファイバ束が含まれないため小型に実現できる。また、チャープ化プローブ光をサンプリング後に時間伸長しないので被測定物を厳密にリアルタイムに測定できる。
【００２８】
また、前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波であることが好ましい。
【００２９】
この構成よれば、様々な被測定物がテラヘルツ波に対して示す吸収及び反射などの固有の特性に基づいて、被測定物について優れた透過分析を行うことができる。そして、そのためのプローブ光の検出は、可視光乃至赤外光帯域に感度を有する一般的なイメージセンサを用いて行うことができる。
【００３０】
ここで、前記イメージセンサにおいて、前記複数の画素は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さいことが望ましい。
【００３１】
この構成よれば、一般に知られているように、電磁波の空間分解能はほぼその１波長であるので、それよりも小さい１周期内の複数のフィルタを通過する異なる複数の周波数成分は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングしていることになる。すなわち、時間サンプリングと共に、被測定電磁波による最大の空間分解能が発揮される。
【００３２】
また、前記電磁波測定装置は、さらに、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記被測定電磁波の中心波長に対する前記複数の画素が設けられる周期の割合で縮小する縮小光学系を備えてもよい。
【００３３】
この構成によれば、前記複数のフィルタの１周期が前記テラヘルツ波の波長に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の空間情報をサンプリングしたチャープ化プローブ光がただ一組のフィルタに対応する複数の画素によって検出されるので、無駄がない。
【００３４】
特に、前記イメージセンサの隣接する周期において、同じ波長に透過性を有するフィルタを対称に設けるようにすれば、周期の境目で同じ波長に透過性を有するフィルタが隣り合うので幅が広がり作製が容易になる。
【００３５】
また、前記イメージセンサの各周期において、予め定められる複数の順列の中から選択される一つに従って前記複数のフィルタを設けるようにすれば、各フィルタの順序をできるだけ不規則にして、信号の周期性に起因する固定パターン雑音を低減させることができる。
【００３６】
また、前記複数のフィルタは、誘電体多層膜から形成されてもよい。
【００３７】
この構成によれば、前記複数のフィルタをフォトニック結晶フィルタとして実現し、非常にシャープな透過特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明を用いると、電磁波を用いた被測定物の形状判定と材質判定に必要なデータを同時にかつリアルタイムに測定することができ、高速な電磁波測定装置を小型に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
＜電磁波測定装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図である。
【００４０】
チタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ装置１０１から出射した短光パルス（中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）約２０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）１３１はビームスプリッタ１０２により、ポンプパルス光１３２とプローブパルス光１３３に分岐される。
【００４１】
ポンプパルス光１３２はミラー１０３で方向を変え、テラヘルツエミッタ１１２に入射する。テラヘルツエミッタ１１２として、例えば、厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅ結晶を用いる。なお、テラヘルツエミッタ１１２には、ＺｎＴｅのほかに光伝導スイッチを用いることもできる。
【００４２】
テラヘルツエミッタ１１２は、ポンプパルス光１３２が入射すると、そのパルス幅に対応して中心周波数１ＴＨｚ（中心波長３００μｍ）のテラヘルツ波１３４を放射する。
【００４３】
なお、ポンプパルス光のパルス幅は上述した１００ｆｓに限定されない。例えばパルス幅３００ｆｓのポンプパルス光を用いてもテラヘルツ波を得ることができる。
【００４４】
テラヘルツ波１３４はポリエチレンレンズ１１３により平行化され、コリメートなテラヘルツ波１３５になる。テラヘルツ波１３５が被測定物１１４を通過すると、被測定物１１４内のテラヘルツ波に対する吸収、反射などの特性の空間分布に応じ変調を受ける。被測定物１１４として、図２のように１２０μｍのプラスチック板５１上に形成したアルミニウム５２のストライプパターン（幅１００μｍ、ピッチ４００μｍ）を用いる。
【００４５】
空間変調されたテラヘルツ波１３６はシリコンミラー１１５を通過し、電気光学素子１１６に入射される。この電気光学素子としては厚み３ｍｍの（１１０）ＺｎＴｅを用いる。電気光学素子結晶内では、テラヘルツ波１３６の電界強度の空間分布および時間変化に応じて、空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じる。
【００４６】
一方、プローブパルス光１３３は、パルス伸長器４０１により、所謂、チャープ化され、短波長な成分なほど大きな時間遅れが与えられる。ここで、パルス伸長器４０１には、反射型回折格子、凹面鏡、平面反射鏡、再帰反射鏡から構成される周知のものを用いることができる。
【００４７】
チャープ化プローブパルス光４３７は、ミラー１０９で反射した後、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１から構成されるビームエキスパンダにより、コリメートテラヘルツ波１３６のスポット径と同程度まで拡大される。拡大されたチャープ化プローブ光４３７は、偏光板１１７で偏光方向を整えた後、４５°の入射角でシリコンミラー１１５へ入射し反射されることによって、コリメートテラヘルツ波１３６と重畳され電気光学素子１１６に導かれる。
【００４８】
ここで、シリコンミラー１１５が、重畳光学素子の一例である。なお、この逆に、チャープ化プローブパルス光１３９を透過しテラヘルツ波１３６を反射するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）付きガラスを用いて、重畳光学素子を実現することもできる。
【００４９】
電気光学素子１１６内では、前述したように、空間変調されたテラヘルツ波による空間位置及び時刻に依存するポッケルス効果が生じ、それをプローブ光で時間方向に複数サンプリングする。
【００５０】
より具体的に言えば、チャープ化プローブパルス光４３７の異なる時間遅れを与えられた複数の周波数成分のそれぞれについて、ポッケルス効果によって生じる偏光方向の変化を偏光板１１７、１１８によって光量変化に置き換え、イメージセンサ４１０の光検出部４１２における各画素で検出する。
【００５１】
イメージセンサ４１０は、チャープ化プローブパルス光４３７の異なる周波数成分に透過性を有する複数のフィルタが周期的に設けられたフィルタ部４１１と、個々のフィルタに対応する画素を備える光検出部４１２とから構成される。これにより、各画素は、対応するフィルタを通過する周波数成分の時間遅れに応じた時間位置においてサンプリングされた情報を検出する。
【００５２】
＜イメージセンサ＞
イメージセンサ４１０の構成と機能について詳細に説明する。
【００５３】
図３は、イメージセンサ４１０の詳細な構成と共に、前述した情報の検出を行うための主要な構成を示す構成図である。
【００５４】
チャープ化プローブ光の代表的な波長をλｉ（ｉ＝１…５）とする。ここで、λ１＞λ２＞・・・＞λ５とすれば、ｉが小さいほど早く電気光学素子１１６に到達する。
【００５５】
フィルタ部４１１は、一例として、波長λ１の周波数成分のみ透過させるフィルタ４２１、・・・、波長λ５の周波数成分のみ透過させるフィルタ４２５の５種類のフィルタから構成されている。フィルタ４２１〜４２５はフィルタ群を成し、所定の周期で繰り返し形成される。図３には、３周期のフィルタ群Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３が示される。
【００５６】
ここで、フィルタ群の１周期の間隔は、テラヘルツ波の波長λよりも小さい。テラヘルツ波の空間分解能が波長λ程度であることを考慮すれば、この１周期内のフィルタを通過する異なる複数の周波数成分は、同じ空間情報を持つテラヘルツ波（図３のＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・）を、それぞれ異なる時間位置でサンプリングしていることになる。図３の例では、各画素は以下の情報を検出する。
【００５７】
画素Ｐ１：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ１の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ２：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ３：テラヘルツ波Ｔ１を波長λ３の周波数成分でサンプリングした情報
…
画素Ｐ６：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ１の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ７：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
画素Ｐ８：テラヘルツ波Ｔ２を波長λ２の周波数成分でサンプリングした情報
…
【００５８】
ここで、波長λｉの周波数成分と波長λｊの周波数成分との時間差をΔＴijと表すと、最も早い波長λ１の周波数成分によるサンプリング時刻を時刻Ｔとして、各画素は以下の情報を検出すると言い換えられる。
【００５９】
画素Ｐ１：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔの情報
画素Ｐ２：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ12の情報
画素Ｐ３：テラヘルツ波Ｔ１の時刻Ｔ＋ΔＴ12＋ΔＴ23の情報
…
画素Ｐ６：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔの情報
画素Ｐ７：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ12の情報
画素Ｐ８：テラヘルツ波Ｔ２の時刻Ｔ＋ΔＴ12＋ΔＴ23の情報
…
【００６０】
図１で示されるようにテラヘルツ波は、被測定物１１４により空間変調されている。従って、イメージセンサ４１０は、テラヘルツの空間情報と時間情報の両方を取得することができる。
【００６１】
なお、イメージセンサ４１０を構成するフィルタ部４１１は、半導体プロセスなどにより光検出部４１２上に直接形成されてもよく、また、光検出部４１２とは別体として作成された後、光検出部４１２と共にイメージセンサ４１０に組み立て、調整してもよい。
【００６２】
＜実験結果＞
さて、発明者らは、具体的に、水平画素数３２０、垂直画素数２４０の１／４インチＱＶＧＡ型の光検出部４１２を持つイメージセンサ４１０を用いて、図２に示される被測定物を測定する実験を行った。
【００６３】
フィルタ部４１１には、光検出部４１２の隣接する１０個の画素へ、チャープ化プローブパルス４３７の代表的な１０種類の周波数成分のうちそれぞれ異なる一つを通過させるように、個々のフィルタを繰り返し配列した。
【００６４】
ここで、光検出部４１２の画素の配列間隔、及びフィルタ部４１１の各フィルタの配列間隔は、何れも１０μｍとした。従って、フィルタ群の繰り返し間隔は１００μｍである。この間隔は、テラヘルツ波の中心波長３００μｍよりも短い。
【００６５】
また、パルス伸長器４０１には、前述した１０種類の周波数成分に、０．２ｐｓｅｃ間隔で、最も早い周波数成分から最も遅い周波数成分まで１．８ｐｓｅｃの時間差を与えるものを使用した。
【００６６】
この実験から得られた測定結果を図４、図５に示す。図４は被測定物１１４を取り付けた場合の測定結果を示し、図５は被測定物１１４を取り外した時の測定結果を示す。図４、図５は、何れもイメージセンサの第１２０行目（画面のほぼ中央付近の水平行）の信号を示したものである。この実験では、図３に示される垂直方向に一様な被測定物を用いたので、イメージセンサの他の行でもほぼ同じ信号が得られた。
【００６７】
図４、図５において、水平画素番号ｉ＋１０ｊ （ｉ＝１，２，３…．１０， ｊ＝０，１，２，３…３１）の値は、被測定物の水平位置ｊ×１００μｍ±５０μｍを透過したテラヘルツ波を、基準時刻＋ｉ×０．２ｐｓｅｃにおいてサンプリングした値を表す。
【００６８】
例えば、基準時刻から時間０．６ｐｓｅｃ後におけるイメージングデータは、水平画素番号３＋１０ｊの値をプロットすることによって、例えば図６のようなイメージとして得られる。なお、図６のイメージには境界が滑らかになるよう信号処理を施している。白く見える部分はテラヘルツ波が透過する部分、黒い部分が透過しない部分である。４００μｍピッチのパターンがイメージングできていることがわかる。
【００６９】
一方、テラヘルツ波が透過する部分の時間領域分光を行うには、例えば、水平画素番号ｉ＋５０の値をプロットすればよく、図７に示す結果が得られる。ピーク位置が被測定物の有無に応じて０．２ｐｓｅｃずれていることがわかる。プラスチック板の厚みをｄ、屈折率をｎ、光速をｃとし、被測定物の有無におけるピーク位置変化をΔＴとすると、
ΔＴ＝（ｎ−１）ｄ／ｃ
なる関係があるから、このプラスチック板の屈折率は約１．５となり、材料評価が可能である。また、図７をフーリエ変換すれば、被測定物あり／なしの比較から吸収スペクトルを求めることができる。一般に固有の吸収スペクトルをテラヘルツ帯に有する材料が多いので、プラスチック材質をより正確に特定することができる。
【００７０】
このように本発明を用いると、イメージングとその材料評価を同時にすることができる。
【００７１】
＜フィルタの詳細構成＞
フィルタ４１１には、顔料、染料を用いたバンドパスフィルタや、フォトニック結晶フィルタなどを用いることができる。
【００７２】
フォトニック結晶フィルタとは誘電体の周期的多層膜である。この多層膜により、フォトニックバンドギャップが形成される。このフォトニックバンドギャップに入った周波数の光は存在することができない。すなわち、バンドストップフィルタ機能を有する。ところが、例えば、その周期的多層膜のうち、一層だけを厚く、または、薄くすると、フォトニックバンドギャップ中に特定の周波数のみが存在しえる。このため、特定の周波数（波長）の光に対してだけ、非常にシャープな透過特性を得ることができることが知られている。
【００７３】
この性質を用いることで、複数の波長の光のうち、光検出部４１２の対応画素に応じた一つに対して非常に鋭い透過特性を持つ複数の領域を有するフィルタ部４１１を容易に作製することが可能である。
【００７４】
図８は、フォトニック結晶フィルタの一例を示す構成図である。ガラス基板またはＳｉイメージセンサチップＳ０の上に、奇数番号で示されるＧａＰ層と、偶数番号で示されるＳｉＮ層が交互に形成されている。第９層のＧａＰ層だけは厚みが対応画素に応じて異なっており、この異なりにより、対応画素に応じた特定波長だけをシャープに透過させることができる。
【００７５】
なお、簡単のため、図２ではフィルタやイメージセンサ画素を一次元で描いたが、実際の装置では、一次元であっても、二次元であってもよい。
【００７６】
更には、フィルタによるプローブ光の乱れ（例えば、フィルタを通過するときに発生する損失が透過域によって異なるなど）は、画素毎の信号処理で補正してもよい。
【００７７】
また、フィルタの配列について、次のような変形例を考えることができる。
【００７８】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれフィルタの配列の一例を、３つのフィルタ群Ｃ１〜Ｃ３にわたって示す図である。図中、同じ波長の光を透過させるフィルタを同じ柄で表している。
【００７９】
図９（ａ）は、異なる波長の光を透過させるフィルタ４２１、・・・、４２５が、どのフィルタ群においても同じ順序で形成されている配列を示している。
【００８０】
また、図９（ｂ）は、隣接するフィルタ群において各フィルタが対称軸４３０、４３１を挟んで対称に形成されている配列を示している。対称軸がある配列では、例えば、同じ波長の光を透過させる画素フィルタ４２１（ａ）、（ｂ）が隣り合うので、幅が広がり作製が容易になる。
【００８１】
また、図９（ｃ）は、各フィルタ群において異なる多数の配列の中から選択される１つに従って各フィルタが形成されている配列を示している。ここで、各フィルタの順序ができるだけ不規則になるように、この選択が行われることが望ましい。そうすれば、信号の周期性に起因する固定パターン雑音を低減させることができる。
【００８２】
なお、図９（ｂ）、（ｃ）のような配列の場合、各画素から得られる信号を適切な順番に並べ直すことで、図４、図５、図６、及び図７の結果を得る。
【００８３】
なお、電気光学素子１１６とイメージセンサ４１０の間に、レンズを用いた縮小光学系を設置し、チャープ化プローブ光４３８を、テラヘルツ波１３６の波長に対するフィルタ部４１１におけるフィルタ群の繰り返し間隔の割合で縮小してもよい。
【００８４】
そうすれば、前記フィルタ群の繰り返し間隔が前記テラヘルツ波の波長に比べて小さい場合、このような縮小光学系を設けることで、同一の空間情報をサンプリングしたプローブ光がただ一組のフィルタに対応する画素によって検出されるので、無駄がない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、高速測定可能な電磁波測定装置、とりわけ、テラヘルツ測定装置に適用でき、医療、バイオ、農業、食品、環境、セキュリティなどの多種の分野での非破壊測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態における電磁波測定装置の一例を示す構成図
【図２】被測定物の一例を示す図
【図３】空間情報及び時間情報が同時取得される原理を説明する図
【図４】被測定物を取り付けた場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図５】被測定物を取り外した場合のイメージセンサ出力の一例を示す図
【図６】被測定物のイメージの一例を示す図
【図７】テラヘルツ波の時間変化の一例を示す図
【図８】フォトニック結晶フィルタの構成の一例を示す図
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）フィルタの配列の一例を示す図
【図１０】従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【図１１】チャープ化パルスを用いた従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図
【符号の説明】
【００８７】
５１ プラスチック板
５２ アルミニウム
１０１ フェムト秒レーザ装置
１０２ ビームスプリッタ
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０９ ミラー
１０８ ステージ
１１０ 凹レンズ
１１１ 凸レンズ
１１２ テラヘルツエミッタ
１１３ ポリエチレンレンズ
１１４ 被測定物
１１５ シリコンミラー
１１６ 電気光学結晶
１１７、１１８ 偏光板
１１９ イメージセンサ
１３１ 短光パルス
１３２ ポンプパルス光
１３３、１３７、１３８ プローブパルス光
１３４、１３５、１３６ テラヘルツ波
３０１ ＧａＮ基板
３０２、３０３、３０４ Ｎｉマスク
４０１ パルス伸長器
４０２ 光ファイバ束
４１０ フィルタ付イメージセンサ
４１１ フィルタ部
４１２ 光検出部
４３７、４３８ チャープ化プローブ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器と、
前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、
前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、
前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサと
を備えることを特徴とする電磁波測定装置。
【請求項２】
前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、
前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波である
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項３】
前記重畳光学素子は、前記チャープ化プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することにより、両者を重畳する
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項４】
前記イメージセンサにおいて、前記複数の画素は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項５】
さらに、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記被測定電磁波の中心波長に対する前記複数の画素が設けられる周期の割合で縮小する縮小光学系を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項６】
前記イメージセンサの隣接する周期において、同じ波長に透過性を有するフィルタが対称に設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項７】
前記イメージセンサの各周期において、予め定められる複数の順列の中から選択される一つに従って前記複数のフィルタが設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項８】
前記複数のフィルタは、誘電体多層膜から形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項１】
プローブ光が入力され、前記プローブ光の異なる周波数成分にそれぞれ異なる遅延を与えることによって、チャープ化プローブ光を出力するパルス伸長器と、
前記チャープ化プローブ光と被測定電磁波とを重畳する重畳光学素子と、
前記重畳されたチャープ化プローブ光と被測定電磁波とを入射され、前記チャープ化プローブ光を前記被測定電磁波の電界に応じて変調する電気光学素子と、
前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記チャープ化プローブ光のそれぞれ異なる周波数成分に透過性を有するフィルタが設けられた複数の画素で検出するイメージセンサと
を備えることを特徴とする電磁波測定装置。
【請求項２】
前記プローブ光は、中心波長が可視光乃至赤外光帯域に含まれかつパルス幅が３００フェムト秒以下のレーザ光の一部であり、
前記被測定電磁波は、前記レーザ光の他の一部がテラヘルツエミッタに入射することによって放射されるテラヘルツ波である
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項３】
前記重畳光学素子は、前記チャープ化プローブ光及び前記被測定電磁波のうち、一方を反射し他方を透過することにより、両者を重畳する
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項４】
前記イメージセンサにおいて、前記複数の画素は周期的に設けられ、その周期は前記被測定電磁波の中心波長よりも小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項５】
さらに、前記変調後のチャープ化プローブ光を、前記電気光学素子と前記イメージセンサとの間で、前記被測定電磁波の中心波長に対する前記複数の画素が設けられる周期の割合で縮小する縮小光学系を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項６】
前記イメージセンサの隣接する周期において、同じ波長に透過性を有するフィルタが対称に設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項７】
前記イメージセンサの各周期において、予め定められる複数の順列の中から選択される一つに従って前記複数のフィルタが設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
【請求項８】
前記複数のフィルタは、誘電体多層膜から形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【公開番号】特開２００８−８８４２（Ｐ２００８−８８４２Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８１６３１（Ｐ２００６−１８１６３１）
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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