JP2011085412A - Terahertz focusing method, terahertz focusing device, and terahertz focusing program - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a terahertz focusing method capable of enhancing the image quality of tomographic images, and to provide a terahertz focusing device and a terahertz focusing program. <P>SOLUTION: The refractive index and thickness of a layer, in the depth direction from the interface with a medium of terahertz waves and the incident angle of the terahertz waves to the interface are used, to calculate the moving distance in the depth direction of the focus in the layer, and the moving distance calculated is used to make focusing performed, from one interface of the layer to the other interface of the layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

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。 The present invention relates to a technique using electromagnetic waves (terahertz waves) in a band of approximately 0.1 × 10 12 [Hz] to 100 × 10 12 [Hz].

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。このテラヘルツ時間領域分光法は、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注目されている。   Conventionally, there is terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) as a method for generating or detecting terahertz waves. This terahertz time domain spectroscopy is attracting attention in various technical fields such as industrial, medical, bio, agricultural or security.

このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザー光源から100フェトム秒程度の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が生成され、当該時間微分に比例したテラヘルツ波が発生する。   In this terahertz time domain spectroscopy, pulse light of about 100 fetom seconds is split into pump light and probe light from an ultrashort laser light source, and the pump light is collected on a terahertz wave generating element. Thereby, in the terahertz wave generating element, a current of about sub-picosecond is generated, and a terahertz wave proportional to the time differentiation is generated.

このテラヘルツ波はサンプルを経由してテラヘルツ波検出素子に与えられ、このときにテラヘルツ波検出素子に対して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。   This terahertz wave is applied to the terahertz wave detection element via the sample. When the terahertz wave detection element is irradiated with the probe light at this time, carriers are generated and accelerated by the electric field of the terahertz wave, and an electric signal is generated. It becomes.

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。   By shifting the timing at which the probe light reaches the terahertz wave detection element, the time waveform of the amplitude electric field of the terahertz wave is measured, and the spectrum of the terahertz wave can be obtained by Fourier transforming the time waveform.

ところで、空港の税関などの荷物、あるいは人間の衣服や体内にある禁止薬物等を検査するため、テラヘルツ時間領域分光法を用いたイメージングが検討されている。また、サンプルが非破壊の状態で検査可能となるため、組織やICの内部検査又は成形品の欠陥検査等への応用が検討されている。   By the way, imaging using terahertz time-domain spectroscopy is being examined in order to inspect luggage such as airport customs, human clothes, and prohibited drugs in the body. Further, since the sample can be inspected in a non-destructive state, application to an internal inspection of a structure or an IC or a defect inspection of a molded product is being studied.

このような応用では断層像を取得することが重要事項の1つとなる。この断層像を取得する手法として、サンプルから反射されるテラヘルツ波信号がサンプルの深さに対して実際に測定されるためその結果を用いて断層像を取得するといった手法が提案されている(例えば特許文献1参照)。   In such an application, acquiring a tomographic image is one of the important matters. As a technique for acquiring this tomographic image, a technique has been proposed in which a terahertz wave signal reflected from a sample is actually measured with respect to the depth of the sample, and a tomographic image is acquired using the result (for example, Patent Document 1).

特表2006−516722公報Special table 2006-516722 gazette

しかしながら特許文献1の取得手法では、サンプルの深さが深くなるほど、当該位置で実測されるテラヘルツ波信号の信号量が乏しくなるため、断層像の画質が劣化するという問題がある。   However, the acquisition method disclosed in Patent Document 1 has a problem in that the image quality of a tomographic image is deteriorated because the signal amount of the terahertz wave signal actually measured at the position becomes smaller as the depth of the sample becomes deeper.

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、断層像の画質を向上させ得るテラヘルツ合焦方法、テラヘルツ合焦装置及びテラヘルツ合焦プログラムを提案しようとするものである。   The present invention has been made in consideration of the above points, and intends to propose a terahertz focusing method, a terahertz focusing apparatus, and a terahertz focusing program that can improve the image quality of a tomographic image.

かかる課題を解決するため本発明は、テラヘルツ合焦方法であって、テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角とを用いて、層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出する算出ステップと、算出ステップで算出される移動距離を用いて、層の一方の界面から他方の界面に合焦させる合焦ステップとを有する。   In order to solve such a problem, the present invention is a terahertz focusing method using a refractive index and a thickness in a layer in a depth direction from an interface with a terahertz wave medium, and an incident angle of the terahertz wave with respect to the interface. A calculation step for calculating a movement distance in the depth direction of the focal point in the layer, and a focusing step for focusing from one interface of the layer to the other interface using the movement distance calculated in the calculation step.

また本発明は、テラヘルツ合焦装置であって、発生素子から発生されるテラヘルツ波を、サンプルが配される面に向けて集めるレンズと、レンズによって集められるテラヘルツ波の焦点を面の法線方向に移動させる移動手段と、テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、レンズを経たテラヘルツ波の入射角とを用いて、層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出する算出手段と、算出手段で算出される移動距離を用いて、層の一方の界面から他方の界面に合焦するよう移動手段を制御する制御手段とを有する。   The present invention is also a terahertz focusing device, a lens that collects a terahertz wave generated from a generating element toward a surface on which a sample is arranged, and a focal point of the terahertz wave collected by the lens in the normal direction of the surface Using the refractive index and thickness of the layer in the depth direction from the interface between the moving means for moving the light to the medium and the medium of the terahertz wave, and the incident angle of the terahertz wave through the lens, the moving distance of the focal point in the layer in the depth direction is determined. And calculating means for calculating, and control means for controlling the moving means so as to focus from one interface of the layer to the other interface using the moving distance calculated by the calculating means.

また本発明は、テラヘルツ合焦プログラムであって、コンピュータに対して、テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角とを用いて、層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出すること、算出される移動距離を用いて、層の一方の界面から他方の界面に焦点を合わせることを実行させる。   The present invention is also a terahertz focusing program using a refractive index and a thickness in a layer in a depth direction relative to an interface with a terahertz wave medium, and an incident angle of the terahertz wave with respect to the interface. , Calculating the moving distance of the focal point in the depth direction in the layer, and using the calculated moving distance to perform focusing from one interface of the layer to the other interface.

本発明では、テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角とを用いて、層における焦点の奥行き方向の移動距離が算出される。このため、測定すべき界面がサンプル内の奥行き方向の深部界面であったとしても、当該層での屈折角を考慮して測定すべき界面に焦点が正確に位置する移動距離を得ることができる。この結果、測定すべき界面で反射するテラヘルツ波の振動電場の強度が鋭敏に捉えられ、当該断層像の画質が向上される。   In the present invention, the moving distance of the focal point in the layer in the depth direction is calculated using the refractive index and thickness of the layer in the depth direction relative to the interface with the medium of the terahertz wave and the incident angle of the terahertz wave with respect to the interface. . For this reason, even if the interface to be measured is a deep interface in the depth direction in the sample, it is possible to obtain a moving distance at which the focal point is accurately located at the interface to be measured in consideration of the refraction angle in the layer. . As a result, the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave reflected from the interface to be measured is captured sharply, and the image quality of the tomographic image is improved.

テラヘルツ分光装置を示す概略図である。It is the schematic which shows a terahertz spectroscopy apparatus. テラヘルツ波のサンプリングの説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the sampling of a terahertz wave. コンピュータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a computer. 光の屈折角の説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the refraction angle of light. 焦点の移動前後におけるテラヘルツ波の状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state of the terahertz wave before and behind the movement of a focus. 界面に対する焦点位置の離れ度合いと、当該焦点のサイズとの関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the separation degree of the focus position with respect to an interface, and the size of the said focus. 複数層でなるサンプルの表面に合焦される場合に観測される各界面でのテラヘルツ波の時間波形を示す概略図である。It is the schematic which shows the time waveform of the terahertz wave in each interface observed when focusing on the surface of the sample which consists of multiple layers. ステージの移動タイミングと、テラヘルツ波の時間波形との関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the movement timing of a stage, and the time waveform of a terahertz wave. 断層像生成処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a tomogram generation processing procedure.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序とする。
<1.実施の形態>
[1−1.テラヘルツ分光装置の構成]
[1−2.コンピュータの具体的な構成]
[1−3.測定モードの具体的処理内容]
[1−4.断層像生成処理手順]
[1−5.効果等]
<2.他の実施の形態>
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The description will be in the following order.
<1. Embodiment>
[1-1. Configuration of terahertz spectrometer]
[1-2. Specific computer configuration]
[1-3. Details of measurement mode processing]
[1-4. Tomographic image generation procedure]
[1-5. Effect]
<2. Other embodiments>

<1.実施の形態>
[1−1.テラヘルツ分光装置の構成]
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、超短レーザー11、ビームスプリッタ12、光学遅延部13、テラヘルツ波発生素子14、サンプルステージ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。
<1. Embodiment>
[1-1. Configuration of terahertz spectrometer]
FIG. 1 shows an overall configuration of a terahertz spectrometer 10 according to the present embodiment. The terahertz spectrometer 10 includes an ultrashort laser 11, a beam splitter 12, an optical delay unit 13, a terahertz wave generating element 14, a sample stage 15, a terahertz wave detecting element 16, and a computer 17.

超短レーザー11は、例えば、100[fs]程度のパルス幅、数十[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。具体的な超短レーザー11として、例えば、フェトム秒パルスレーザーチタンやサファイアレーザーなどがある。   For example, the ultrashort laser 11 emits pulsed light having a pulse width of about 100 [fs], a repetition period of about several tens [MHz], and a center wavelength of about 780 [nm]. Specific examples of the ultrashort laser 11 include a femtosecond pulse laser titanium and a sapphire laser.

ビームスプリッタ12は、超短レーザー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。   The beam splitter 12 separates the pulsed light emitted from the ultrashort laser 11 into pump light and probe light.

光学遅延ステージ13は、ビームスプリッタ12から到来するプローブ光を反射鏡ROPに導く鏡13Aを有し、該鏡13Aを、ビームスプリッタ12,反射鏡ROPに対して近づく方向又は離れる方向に所定速度で移動させる。この結果、テラヘルツ波検出素子16に対するプローブ光の光路長が可変され、到達タイミングが遅延される。   The optical delay stage 13 has a mirror 13A that guides the probe light coming from the beam splitter 12 to the reflecting mirror ROP, and moves the mirror 13A toward or away from the beam splitter 12 and the reflecting mirror ROP at a predetermined speed. Move. As a result, the optical path length of the probe light with respect to the terahertz wave detection element 16 is varied, and the arrival timing is delayed.

テラヘルツ波発生素子14は、ビームスプリッタ12を介して到来するポンプ光により励起されるキャリア(電子と正孔)に基づいてテラヘルツ波を発生する。具体的なテラヘルツ波発生素子14として、例えば、光伝導アンテナやZnTe等の非線形光学結晶などがある。   The terahertz wave generating element 14 generates a terahertz wave based on carriers (electrons and holes) excited by pump light that arrives through the beam splitter 12. Specific examples of the terahertz wave generating element 14 include a photoconductive antenna and a nonlinear optical crystal such as ZnTe.

ちなみに光伝導アンテナは、半絶縁性ガリウム砒素等でなる半導体基板と、半導体基板の一方の面に配される電極と、その電極に形成されるギャップ間に電圧を印加する印加部とを構成要素とするものである。この光伝導アンテナでは、ポンプ光の照射により半導体基板に生成されるキャリアがギャップ間電圧で加速され、このときギャップ間に電流が流れることでテラヘルツ波が発生する。   Incidentally, the photoconductive antenna is composed of a semiconductor substrate made of semi-insulating gallium arsenide, an electrode disposed on one surface of the semiconductor substrate, and an application unit for applying a voltage between gaps formed in the electrode. It is what. In this photoconductive antenna, carriers generated in the semiconductor substrate by the irradiation of pump light are accelerated by the gap gap voltage, and at this time, current flows between the gaps to generate terahertz waves.

テラヘルツ波発生素子14から放射されるテラヘルツ波は、対物レンズOP1によって、サンプルステージ15に設けられる無色透明のサンプル配置板BDのサンプル配置面に対して鋭角な入射角となる状態で集められる。対物レンズOP1には例えば半球レンズが用いられる。半球レンズが用いられた場合、その非球面はテラヘルツ波発生素子14の構成要素である半導体基板の一面(パルス光が集光される面とは逆側の面)に対向される。   The terahertz wave radiated from the terahertz wave generating element 14 is collected by the objective lens OP1 in a state where the incident angle is acute with respect to the sample arrangement surface of the colorless and transparent sample arrangement plate BD provided on the sample stage 15. For example, a hemispherical lens is used as the objective lens OP1. When a hemispherical lens is used, the aspherical surface thereof is opposed to one surface of the semiconductor substrate that is a component of the terahertz wave generating element 14 (the surface opposite to the surface on which the pulsed light is collected).

サンプルステージ15は、サンプル配置面の方向(x軸方向及びy軸方向)と、該サンプル配置面の法線方向(z軸方向)に移動可能とされ、コンピュータ17の制御にしたがって、テラヘルツ波の焦点がサンプルSPLの特定部位に位置される。   The sample stage 15 is movable in the direction of the sample arrangement surface (x-axis direction and y-axis direction) and the normal direction of the sample arrangement surface (z-axis direction), and the terahertz wave is controlled according to the control of the computer 17. The focal point is located at a specific part of the sample SPL.

サンプルSPLの特定部位において反射するテラヘルツ波は、対物レンズOP2によって平行な光線の束としてテラヘルツ波検出素子16に導かれる。対物レンズOP2には、例えば半球レンズが用いられる。   The terahertz wave reflected at a specific portion of the sample SPL is guided to the terahertz wave detecting element 16 as a bundle of parallel rays by the objective lens OP2. For example, a hemispherical lens is used as the objective lens OP2.

テラヘルツ波検出素子16は、図2に示すように、テラヘルツ波の振動電場の強度を、光学遅延ステージ13によって可変されるプローブ光の到達タイミングごとにサンプリングし、該振動電場の強度における時間波形を計測する。   As shown in FIG. 2, the terahertz wave detection element 16 samples the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave at every arrival timing of the probe light varied by the optical delay stage 13, and obtains a time waveform at the intensity of the oscillating electric field. measure.

具体的なテラヘルツ波検出素子16として、テラヘルツ波発生素子14と同様に、光伝導アンテナやZnTe等の非線形光学結晶等がある。ただし、テラヘルツ波検出素子16として採用される光伝導アンテナの場合、上述の印加部が電流計に変更される。   Specific examples of the terahertz wave detecting element 16 include a photoconductive antenna and a nonlinear optical crystal such as ZnTe as in the case of the terahertz wave generating element 14. However, in the case of a photoconductive antenna employed as the terahertz wave detection element 16, the above-described application unit is changed to an ammeter.

なお、このテラヘルツ分光装置10では信号対雑音比(S/N比)を向上させるため、ポンプ光に対して光チョッパーで変調を施し、参照信号をロックインアンプに入力することで同期検波が行われる。   In this terahertz spectrometer 10, in order to improve the signal-to-noise ratio (S / N ratio), the pump light is modulated by an optical chopper, and the reference signal is input to the lock-in amplifier to perform synchronous detection. Is called.

[1−2.コンピュータの構成]
次に、コンピュータ17の具体的な構成について説明する。このコンピュータ17は、図3に示すように、制御を司るCPU(Central Processing Unit)21に対して各種ハードウェアを接続することにより構成される。
[1-2. Computer configuration]
Next, a specific configuration of the computer 17 will be described. As shown in FIG. 3, the computer 17 is configured by connecting various hardware to a CPU (Central Processing Unit) 21 that controls the control.

具体的にはROM(Read Only Memory)22、CPU21のワークメモリとなるRAM(Random Access Memory)23、ユーザの操作に応じた命令を入力する操作入力部24、インターフェイス部25、表示部26及び記憶部27がバス28を介して接続される。   Specifically, a ROM (Read Only Memory) 22, a RAM (Random Access Memory) 23 serving as a work memory of the CPU 21, an operation input unit 24 for inputting a command according to a user operation, an interface unit 25, a display unit 26, and a storage The unit 27 is connected via the bus 28.

ROM22には、各種の処理を実行するためのプログラムが格納される。インターフェイス部25は、超短レーザー11と、サンプルステージ15と、テラヘルツ検出素子15と、光学遅延部16(時間遅延ステージ13B)とに接続される。   The ROM 22 stores programs for executing various processes. The interface unit 25 is connected to the ultrashort laser 11, the sample stage 15, the terahertz detection element 15, and the optical delay unit 16 (time delay stage 13B).

表示部26には、液晶ディスプレイ、EL(Electro Luminescence)ディスプレイ又はプラズマディスプレイ等が適用される。また記憶部27には、HD(Hard Disk)に代表される磁気ディスクもしくは半導体メモリ又は光ディスク等が適用される。USB(Universal Serial Bus)メモリやCF(Compact Flash)メモリ等のように可搬型メモリが適用されてもよい。   A liquid crystal display, an EL (Electro Luminescence) display, a plasma display, or the like is applied to the display unit 26. For the storage unit 27, a magnetic disk represented by HD (Hard Disk), a semiconductor memory, an optical disk, or the like is applied. A portable memory such as a USB (Universal Serial Bus) memory or a CF (Compact Flash) memory may be applied.

CPU21は、ROM22に格納される複数のプログラムのうち、操作入力部24から与えられる命令に対応するプログラムをRAM23に展開し、該展開したプログラムにしたがって、表示部26及び記憶部27を適宜制御する。   The CPU 21 develops a program corresponding to a command given from the operation input unit 24 among the plurality of programs stored in the ROM 22, and appropriately controls the display unit 26 and the storage unit 27 according to the developed program. .

またCPU21は、展開したプログラムにしたがって、インターフェイス部25を介して超短レーザー11、サンプルステージ15、テラヘルツ検出素子15又は時間遅延ステージ13Bを適宜制御するようになされている。   The CPU 21 appropriately controls the ultrashort laser 11, the sample stage 15, the terahertz detecting element 15 or the time delay stage 13B via the interface unit 25 in accordance with the developed program.

[1−3.測定モードの具体的処理内容]
CPU21は、測定モードの実行命令を操作入力部24から受けた場合、当該測定モードに対応するプログラムをRAM23に展開する。
[1-3. Details of measurement mode processing]
When the CPU 21 receives a measurement mode execution command from the operation input unit 24, the CPU 21 develops a program corresponding to the measurement mode in the RAM 23.

この場合、CPU21は、測定モードに対応するプログラムにしたがって、図3に示したように、基準界面走査部31、移動距離算出部32、深部界面合焦部33、サンプル計測部34及び画像処理部35として機能する。   In this case, the CPU 21 follows the program corresponding to the measurement mode, as shown in FIG. 3, the reference interface scanning unit 31, the movement distance calculation unit 32, the deep interface focusing unit 33, the sample measurement unit 34, and the image processing unit. It functions as 35.

基準界面走査部31は、テラヘルツ波の媒質との界面(以下、これを基準界面とも呼ぶ)を走査する。具体的にはサンプルステージ15が、基準界面の方向(x軸方向及びy軸方向)に対して1又は複数の画素に相当する測定領域を単位として初期位置から所定の順序で走査される。   The reference interface scanning unit 31 scans an interface with a terahertz wave medium (hereinafter also referred to as a reference interface). Specifically, the sample stage 15 is scanned in a predetermined order from the initial position in units of measurement areas corresponding to one or a plurality of pixels with respect to the direction of the reference interface (x-axis direction and y-axis direction).

移動距離算出部32は、基準界面走査部31によって走査される測定領域ごとに、テラヘルツ波の媒質との界面(以下、これを基準界面とも呼ぶ)よりも奥行き方向に存在する界面(以下、これを深部界面とも呼ぶ)に対する焦点の移動距離を算出する。この実施の形態では、サンプルステージ15によって焦点が移動されるため、当該焦点の移動距離はサンプルステージ15のz軸方向の移動距離である。   For each measurement region scanned by the reference interface scanning unit 31, the movement distance calculation unit 32 has an interface (hereinafter referred to as “this”) that is present in the depth direction from the interface with the terahertz wave medium (hereinafter also referred to as “reference interface”). Is also referred to as a deep interface). In this embodiment, since the focal point is moved by the sample stage 15, the moving distance of the focal point is the moving distance of the sample stage 15 in the z-axis direction.

この移動距離は、図4に示すように、層の厚みをeとし、層の屈折率をnとし、光の入射角をθとし、レンズを経た光の集光角をαとし、入射角θに対応する屈折角をθとし、入射角θ及び集光角αに対応する屈折角をθとすると、次式 As shown in FIG. 4, the moving distance is expressed as follows: the thickness of the layer is e, the refractive index of the layer is n, the incident angle of light is θ, the condensing angle of light passing through the lens is α, and the incident angle θ If the refraction angle corresponding to is θ 0 and the refraction angle corresponding to the incident angle θ and the light collection angle α is θ 1 ,

Figure 2011085412
Figure 2011085412

によって算出される。なお、屈折角θ,θは、 Is calculated by The refraction angles θ 0 and θ 1 are

Figure 2011085412
Figure 2011085412

で定義される。 Defined by

入射角θが0[°]の場合、(1)式は、次式   When the incident angle θ is 0 [°], equation (1) is

Figure 2011085412
Figure 2011085412

となる。 It becomes.

なお、深部界面が複数ある場合、基準界面からi(i=2,3,4,……)番目の深部界面と、(i−1)番目の界面との層ごとに(1)式が適用され、該層における焦点の移動距離dが算出される。   When there are a plurality of deep interfaces, the equation (1) is applied to each layer of the i (i = 2, 3, 4,...) Deep interface and the (i−1) th interface from the reference interface. Then, the moving distance d of the focal point in the layer is calculated.

ここで、実験結果を図5及び図6に示す。図5は、サンプル配置板BDにおけるサンプル配置面とは逆の面(基準界面)に合焦する場合(図5(A))と、該サンプル配置面とサンプルSPLとの界面(深部界面)に合焦する場合(図5(B))におけるテラヘルツ波の状態を示したものである。また図6は、サンプル配置板BDとサンプルSPLとの界面に対する焦点位置の離れ度合いと、当該焦点のサイズとの関係をグラフとして示したものである。ちなみに図6における破線は、テラヘルツ波検出素子16で検出されるテラヘルツ波の振動電場の強度(信号量)を示している。   Here, the experimental results are shown in FIGS. FIG. 5 shows the case (FIG. 5A) when focusing on a surface (reference interface) opposite to the sample arrangement surface in the sample arrangement plate BD, and the interface (deep interface) between the sample arrangement surface and the sample SPL. The state of the terahertz wave in the case of focusing (FIG. 5 (B)) is shown. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the degree of focus position separation with respect to the interface between the sample placement plate BD and the sample SPL and the size of the focus. Incidentally, the broken line in FIG. 6 indicates the intensity (signal amount) of the oscillating electric field of the terahertz wave detected by the terahertz wave detecting element 16.

この実験では、サンプル配置板BD(図1)の厚みが20[mm]、該サンプル配置板BDの屈折率が2、テラヘルツ波の入射角θが40[°]、該テラヘルツ波の集光角αが11.3[°]の各条件とされた。この条件下では、移動距離dは(1)式により8.7[mm](図5)として算出される。   In this experiment, the thickness of the sample arrangement plate BD (FIG. 1) is 20 [mm], the refractive index of the sample arrangement plate BD is 2, the incident angle θ of the terahertz wave is 40 [°], and the collection angle of the terahertz wave is α was set to 11.3 [°]. Under this condition, the moving distance d is calculated as 8.7 [mm] (FIG. 5) by the equation (1).

図5及び図6からも明らかなように、(1)式では単に入射角θに対応する屈折角θのみならず、該入射角θに集光角α(テラヘルツ波の発散)を加味した屈折角をθが考慮されるため、収差による焦点の歪み量が除かれる。 As is clear from FIGS. 5 and 6, in the formula (1), not only the refraction angle θ 0 corresponding to the incident angle θ but also the converging angle α (divergence of the terahertz wave) is added to the incident angle θ. Since θ 1 is taken into consideration for the refraction angle, the amount of distortion of the focus due to aberration is removed.

したがって、(1)式により算出される移動距離は、サンプル配置板BDを経たテラヘルツ波の焦点がサンプル配置面とサンプルSPLとの界面に対して正確に位置するものとして算出される。この結果、基準界面よりも奥行き方向にある深部界面で反射するテラヘルツ波の振動電場の強度が最も鋭敏に捉えられることになる。   Therefore, the movement distance calculated by the equation (1) is calculated as the focal point of the terahertz wave that has passed through the sample arrangement plate BD is accurately positioned with respect to the interface between the sample arrangement surface and the sample SPL. As a result, the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave reflected at the deep interface located in the depth direction with respect to the reference interface is captured most sensitively.

なお、サンプル配置板BDの厚みeと屈折率nと、対物レンズOP1を経たテラヘルツ波の入射角θ及び集光角αの各パラメータは、移動距離dの算出に要する情報(以下、これを距離算出用情報とも呼ぶ)として取得され記憶部27に記憶される。また、サンプルSPL自体が複数の層を構成し、当該各層の厚みと屈折率が既知である場合には、それらパラメータも距離算出用情報として取得される。   Each parameter of the thickness e and the refractive index n of the sample arrangement plate BD and the incident angle θ and the converging angle α of the terahertz wave that has passed through the objective lens OP1 is information necessary for calculating the moving distance d (hereinafter referred to as the distance). And is also stored in the storage unit 27. In addition, when the sample SPL itself constitutes a plurality of layers and the thickness and refractive index of each layer are known, those parameters are also acquired as distance calculation information.

パラメータの取得手法は、例えば、表示部26に入力画面を表示し、操作入力部24から入力させる手法や、サンプルステージ15にセットされるサンプル配置板BDに貼り付けられるバーコードから取得する手法を適用可能である。また、予めパラメータが記憶されたROM22又は記憶部27から読み出して取得する手法や、予めパラメータが記憶された他の装置からネットワークを介して取得する手法が適用可能である。ただし、パラメータの取得手法はこれら例示に限定されない。   The parameter acquisition method includes, for example, a method of displaying an input screen on the display unit 26 and inputting from the operation input unit 24, or a method of acquiring from a barcode attached to the sample arrangement board BD set on the sample stage 15. Applicable. In addition, a method of reading and acquiring from the ROM 22 or the storage unit 27 in which parameters are stored in advance, or a method of acquiring via a network from another device in which parameters are stored in advance is applicable. However, the parameter acquisition method is not limited to these examples.

ところで、サンプルSPL自体が複数の層として構成されていると、該層における厚みや屈折率が既知でない場合が多い。この場合、サンプル配置板BDとサンプルSPLとの界面と、該サンプルSPL内における界面との層や、サンプルSPL内における2つの界面間の層の移動距離が(1)式を用いて算出できないことになる。   By the way, when the sample SPL itself is configured as a plurality of layers, the thickness and refractive index of the layers are often not known. In this case, the movement distance of the layer between the interface between the sample placement plate BD and the sample SPL and the interface in the sample SPL or between the two interfaces in the sample SPL cannot be calculated using the equation (1). become.

しかしながら、この実施の形態における移動距離算出部32では、サンプルSPL自体が構成する複数の層の厚みや屈折率が既知でない場合であっても、(1)式を用いて、サンプルSPL内における2つの深部界面間の層などの移動距離が算出される。   However, in the moving distance calculation unit 32 in this embodiment, even if the thicknesses and refractive indexes of the plurality of layers that the sample SPL itself constitutes are not known, the equation (1) is used to calculate 2 in the sample SPL. The moving distance of the layer between the two deep interfaces is calculated.

具体的には、サンプルSPL自体が構成する複数の層の厚みや屈折率が既知でない場合、移動距離算出部32は、まず、層の種類と屈折率とが対応付けられたデータベースを用いて、サンプルSPLにおける層の種類からその屈折率を検出する。データベースと、サンプルSPLにおける層の種類の取得手法は、例えば上述のパラメータ取得手法と同じ手法が用いられる。   Specifically, when the thickness and refractive index of the plurality of layers that the sample SPL itself constitutes are not known, the movement distance calculation unit 32 first uses a database in which the type of layer and the refractive index are associated with each other. The refractive index is detected from the type of layer in the sample SPL. For example, the same method as the above-described parameter acquisition method is used as the acquisition method of the database and the layer type in the sample SPL.

一般に、サンプルSPL自体がなす複数の層の屈折率が既知でない場合であっても、それら層の種類は既知となる。例えば、サンプルSPLが生体から切り出した組織である場合、その切り出した組織の層の種類は上皮組織層、結合組織層又は筋組織層等といったように既知となる。またサンプルSPLが半導体である場合、その半導体の層の種類は基板層、P層又はN層等といったように既知となる。また、この層の種類に応じてその層の屈折率が固有となることも知られている。したがって、層の種類から層の屈折率が検出可能となる。   In general, even when the refractive indexes of a plurality of layers formed by the sample SPL itself are not known, the types of the layers are known. For example, when the sample SPL is a tissue cut out from a living body, the type of the cut-out tissue layer is known such as an epithelial tissue layer, a connective tissue layer, or a muscle tissue layer. When the sample SPL is a semiconductor, the type of the semiconductor layer is known such as a substrate layer, a P layer, or an N layer. It is also known that the refractive index of the layer becomes unique depending on the type of the layer. Therefore, the refractive index of the layer can be detected from the type of the layer.

次に、移動距離算出部32は、例えばサンプル配置板BDの裏面に合焦された状態において観測される時間波形の出現時間差を検出し、該出現時間差と、その出現時間差に相当する層の屈折率とから層の厚みを検出する。   Next, the movement distance calculation unit 32 detects the appearance time difference of the time waveform observed in a state focused on the back surface of the sample arrangement plate BD, for example, and the refraction of the layer corresponding to the appearance time difference and the appearance time difference. The thickness of the layer is detected from the rate.

例えば図7に示すように、サンプルSPLが2つの層LY1,LY2で構成される場合、各層の界面B1,B2,B3に対応する時間波形が観測される。これら時間波形の出現時間差Δta,Δtbは、層LY1,LY2の厚みと、該層LY1,LY2での屈折率に一定の関係が成立するものである。したがって、出現時間差Δta,Δtbと、対応する層LY1,LY2の屈折率とから層の厚みが検出可能となる。   For example, as shown in FIG. 7, when the sample SPL is composed of two layers LY1, LY2, time waveforms corresponding to the interfaces B1, B2, B3 of the layers are observed. The appearance time differences Δta and Δtb of these time waveforms satisfy a certain relationship between the thicknesses of the layers LY1 and LY2 and the refractive indexes in the layers LY1 and LY2. Therefore, the layer thickness can be detected from the appearance time differences Δta, Δtb and the refractive indexes of the corresponding layers LY1, LY2.

最後に、移動距離算出部32は、検出した層の厚み及び屈折率と、他の距離算出用情報(入射角、集光角)と、(1)式とを用いて移動距離を算出するようになされている。この結果、サンプル配置板BDとサンプルSPLとの深部界面のほかに、サンプルSPL内部における深部界面に対するテラヘルツ波の振動電場の強度を鋭敏に捉えることが可能となる。   Finally, the movement distance calculation unit 32 calculates the movement distance using the detected thickness and refractive index of the layer, other distance calculation information (incident angle, condensing angle), and equation (1). Has been made. As a result, in addition to the deep interface between the sample placement plate BD and the sample SPL, the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave with respect to the deep interface inside the sample SPL can be grasped sharply.

深部界面合焦部33は、基準界面に対して基準界面走査部31が測定領域を変えるごとに、当該測定領域に対応する奥行き方向の全ての深部界面を所定の順序で測定対象の界面として焦点を合わせる。   Each time the reference interface scanning unit 31 changes the measurement region with respect to the reference interface, the deep interface focusing unit 33 focuses all deep interfaces in the depth direction corresponding to the measurement region as measurement target interfaces in a predetermined order. Adjust.

ここで具体的な合焦手法の一例を図7を用いて説明する。基準界面走査部31によって基準界面B1のある測定領域に焦点が走査された場合、深部界面合焦部33は、その測定領域に対して観測される時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点をトリガとして、光学遅延ステージ13を停止させる。   Here, an example of a specific focusing method will be described with reference to FIG. When the focal point is scanned in a measurement region where the reference interface B1 is present by the reference interface scanning unit 31, the deep interface focusing unit 33 determines the point of time when the zero crossing has occurred after passing through the peak of the time waveform observed for the measurement region. As a trigger, the optical delay stage 13 is stopped.

そして深部界面合焦部33は、基準界面B1と、サンプル配置板BDとサンプルSPLとの深部界面B2との層LY1に対して移動距離算出部32が算出した移動距離だけサンプルステージ15を移動させた後、光学遅延ステージ13を再駆動する。   The deep interface focusing unit 33 moves the sample stage 15 by the movement distance calculated by the movement distance calculation unit 32 with respect to the layer LY1 between the reference interface B1 and the deep interface B2 between the sample placement plate BD and the sample SPL. After that, the optical delay stage 13 is driven again.

この結果、図8に示すように、基準界面B1の合焦時においてその基準界面B1よりも奥行き方向にある非合焦の深部界面B2に対するテラヘルツ波の時間波形のサンプリング結果がテラヘルツ波検出素子16で得られる前に、該深部界面B2に合焦されることとなる。   As a result, as shown in FIG. 8, when the reference interface B1 is focused, the sampling result of the time waveform of the terahertz wave with respect to the unfocused deep interface B2 in the depth direction with respect to the reference interface B1 is the terahertz wave detection element 16. Before being obtained in step (b), the deep interface B2 is focused.

また深部界面合焦部33は、深部界面B2に対するに対して観測される時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点を検出すると、深部界面B2の場合と同じように光学遅延ステージ13及びサンプルステージ15を制御し、次の深部界面B3に合焦させる。   Further, when the deep interface focusing unit 33 detects a time point after passing through the peak of the time waveform observed with respect to the deep interface B2 and then passing through the zero cross, the optical delay stage 13 and the sample stage are the same as in the case of the deep interface B2. 15 is controlled to focus on the next deep interface B3.

そして深部界面合焦部33は、深部界面B3に対するに対して観測される時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点を検出すると、光学遅延ステージ13を停止させた後に、基準界面B1に合焦するようサンプルステージ15を移動させる。この後、次の測定領域に焦点が位置するよう基準界面走査部31によって走査される。   When the deep interface focusing unit 33 detects a time point after passing through a time waveform peak observed with respect to the deep interface B3 and then passing through the zero crossing, the deep interface focusing unit 33 stops the optical delay stage 13 and then focuses on the reference interface B1. Then, the sample stage 15 is moved. Thereafter, scanning is performed by the reference interface scanning unit 31 so that the focal point is located in the next measurement region.

なおこの実施の形態では、基準界面に対して焦点が合うときのサンプルステージ15におけるz軸方向のステージ位置が初期のステージ位置とされ、このステージ位置の位置情報は記憶部27に記憶される。   In this embodiment, the stage position in the z-axis direction on the sample stage 15 when the focal point is focused on the reference interface is set as the initial stage position, and the position information of this stage position is stored in the storage unit 27.

サンプル計測部34は、図2に示したように、テラヘルツ波検出素子16で検出されるサンプリング結果を用いてテラヘルツ波の時間波形を計測する。またサンプル計測部34は、計測した時間波形を用いて所定の解析処理を実行し、解析処理結果をデータとして記憶部27に記憶する。   As shown in FIG. 2, the sample measurement unit 34 measures the time waveform of the terahertz wave using the sampling result detected by the terahertz wave detection element 16. The sample measurement unit 34 executes a predetermined analysis process using the measured time waveform, and stores the analysis process result as data in the storage unit 27.

この解析処理には、例えば、計測対象の時間波形と、当該計測波形に対する参照波形とのスペクトル比から吸収スペクトルを求める等といった処理が適用される。なお、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べた場合、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ので、サンプルSPLに関する情報を高い精度で得ることが可能である。   For example, processing such as obtaining an absorption spectrum from a spectral ratio between a time waveform to be measured and a reference waveform with respect to the measurement waveform is applied to the analysis processing. Note that, compared with Fourier spectroscopy using far-infrared light, the S / N ratio is high, and amplitude information and phase information can be obtained at the same time, so information about the sample SPL can be obtained with high accuracy. Is possible.

画像処理部35は、基準界面走査部31によって走査される基準界面の各測定領域でのテラヘルツ波の時間波形と、当該測定領域に対応する深部界面でのテラヘルツ波の時間波形とを用いてサンプルSPLの断層像を生成する。例えば、各測定領域でのテラヘルツ波の時間波形のスペクトルが表示画像の対応する画素として色付けて表現される。   The image processing unit 35 uses the time waveform of the terahertz wave in each measurement region of the reference interface scanned by the reference interface scanning unit 31 and the time waveform of the terahertz wave at the deep interface corresponding to the measurement region. An SPL tomographic image is generated. For example, the spectrum of the terahertz wave time waveform in each measurement region is expressed by coloring as corresponding pixels of the display image.

また画像処理部35は、生成した断層像を表示部26に表示し、操作入力部24から記憶命令が与えられる場合等には適宜その断層像のデータを記憶部27に記憶するようにされている。   Further, the image processing unit 35 displays the generated tomographic image on the display unit 26 and appropriately stores the data of the tomographic image in the storage unit 27 when a storage command is given from the operation input unit 24. Yes.

[1−4.断層像生成処理手順]
次に、断層像生成処理手順について図9に示すフローチャートを用いて説明する。すなわちCPU21は、例えば操作入力部24から測定モードの実行命令を受けた場合、この断層像生成処理手順を開始し、ステップSP1に進む。
[1-4. Tomographic image generation procedure]
Next, the tomographic image generation processing procedure will be described with reference to the flowchart shown in FIG. That is, for example, when the CPU 21 receives a measurement mode execution command from the operation input unit 24, the CPU 21 starts this tomographic image generation processing procedure and proceeds to step SP1.

CPU21は、ステップSP1では、サンプル配置板BDにおけるサンプル配置面とは逆の面(基準界面)に合焦させ、ステップSP2に進んで、基準界面のうち初期の走査点とされる測定領域に合焦させ、ステップSP3に進む。   In step SP1, the CPU 21 focuses on the surface (reference interface) opposite to the sample arrangement surface of the sample arrangement plate BD, and proceeds to step SP2 to adjust the measurement area to be the initial scanning point in the reference interface. The process proceeds to step SP3.

CPU21は、ステップSP3では、基準界面からi番目の深部界面と、(i−1)番目の深部界面と層での焦点の移動距離(サンプルステージ15の移動距離)を算出し、ステップSP4に進む。   In step SP3, the CPU 21 calculates the focal distance (the movement distance of the sample stage 15) between the i-th deep interface and the (i-1) -th deep interface and the layer from the reference interface, and proceeds to step SP4. .

CPU21は、ステップSP4では、測定領域に対するテラヘルツ波の時間波形の計測を開始し、次のステップSP5において、該時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点を検出するまで計測し続ける。   In step SP4, the CPU 21 starts measuring the time waveform of the terahertz wave with respect to the measurement region, and continues to measure until detecting the time point after passing through the peak of the time waveform and then passing through the zero cross in the next step SP5.

CPU21は、ゼロクロスを経た時点を検出すると、ステップSP6に進んで、現在の測定領域に対応する奥行き方向の全ての深部界面から計測結果を得たか否かを判定し、得ていない場合にはステップSP7に進む。   When the CPU 21 detects the time when the zero crossing has been performed, the CPU 21 proceeds to step SP6 to determine whether or not measurement results have been obtained from all the deep interfaces in the depth direction corresponding to the current measurement region. Proceed to SP7.

CPU21は、ステップSP7では、光学遅延ステージ13の移動を停止するとともに、測定すべき深部界面に合焦するようステップSP3で算出した移動距離を用いてサンプルステージ15をz軸方向へ移動させ、ステップSP8に進む。   In step SP7, the CPU 21 stops the movement of the optical delay stage 13 and moves the sample stage 15 in the z-axis direction using the movement distance calculated in step SP3 so as to focus on the deep interface to be measured. Proceed to SP8.

CPU21は、ステップSP8では、光学遅延ステージ13の移動を再開させ、ステップSP4に戻って、ステップSP7で合焦された深部界面に対するテラヘルツ波の時間波形の計測を開始する。   In step SP8, the CPU 21 restarts the movement of the optical delay stage 13, returns to step SP4, and starts measuring the time waveform of the terahertz wave with respect to the deep interface focused in step SP7.

CPU21は、ステップSP4〜ステップSP8の処理ループを経ることで、現在の測定領域に対応する奥行き方向の全ての深部界面から計測結果を得ると、ステップSP9に進む。   When the CPU 21 obtains measurement results from all the deep interfaces in the depth direction corresponding to the current measurement region through the processing loop of step SP4 to step SP8, the process proceeds to step SP9.

CPU21は、ステップSP9では、基準界面を走査し終えたか否かを判定し、し終えていない場合にはステップSP10に進んで、該基準界面における次の走査点とされる測定領域に合焦させた後、ステップSP3に戻って上述の処理を繰り返す。   In step SP9, the CPU 21 determines whether or not the reference interface has been scanned. If not, the CPU 21 proceeds to step SP10 to focus on the measurement area to be the next scanning point on the reference interface. After that, the process returns to step SP3 and the above processing is repeated.

これに対してCPU21は、ステップSP3〜ステップSP9の処理ループを経ることで、基準界面を走査し終えると、最後のステップSP11に進む。   On the other hand, when the CPU 21 finishes scanning the reference interface through the processing loop of step SP3 to step SP9, the process proceeds to the last step SP11.

CPU21は、ステップSP11では、基準界面の各測定領域でのテラヘルツ波の時間波形と、当該測定領域に対応する深部界面でのテラヘルツ波の時間波形とを用いてサンプルSPLの断層像を生成し、この後、この断層像生成処理手順を終了する。   In step SP11, the CPU 21 generates a tomographic image of the sample SPL using the time waveform of the terahertz wave in each measurement region of the reference interface and the time waveform of the terahertz wave in the deep interface corresponding to the measurement region, Thereafter, this tomographic image generation processing procedure is terminated.

[1−5.効果等]
以上の構成において、このテラヘルツ分光装置10は、基準界面よりも奥行き方向の層(例えば図7ではLY1,LY2)における焦点の奥行き方向の移動距離を算出し、該移動距離を用いて、層の一方の界面から他方の界面に合焦させる(図5参照)。
[1-5. Effect]
In the above configuration, the terahertz spectrometer 10 calculates the movement distance in the depth direction of the focal point in the layer in the depth direction (for example, LY1 and LY2 in FIG. 7) from the reference interface, and uses the movement distance to Focus from one interface to the other (see FIG. 5).

この焦点の移動距離の算出には、層における屈折率n及び厚みeと、該基準界面に対するテラヘルツ波の入射角θとが用いられる(図4参照)。   In calculating the focal distance, the refractive index n and thickness e of the layer and the incident angle θ of the terahertz wave with respect to the reference interface are used (see FIG. 4).

したがってテラヘルツ分光装置10は、測定すべき界面がサンプルSPL内の奥行き方向の深部界面であったとしても、当該層での屈折角を考慮して測定すべき界面に焦点が正確に位置する移動距離を得ることができる。この結果、このテラヘルツ分光装置10では、測定すべき界面で反射するテラヘルツ波の振動電場の強度が最も鋭敏に捉えられるため(図6参照)、当該断層像の画質が向上される。   Therefore, even if the interface to be measured is a deep interface in the depth direction in the sample SPL, the terahertz spectrometer 10 has a moving distance at which the focal point is accurately located at the interface to be measured in consideration of the refraction angle in the layer. Can be obtained. As a result, in the terahertz spectrometer 10, since the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave reflected at the interface to be measured is most sensitively captured (see FIG. 6), the image quality of the tomographic image is improved.

この実施の形態における移動距離の算出には、層における屈折率n及び厚みeと、該基準界面に対するテラヘルツ波の入射角θのほかに、集光角αも考慮される(図4参照)。   In the calculation of the movement distance in this embodiment, in addition to the refractive index n and thickness e of the layer and the incident angle θ of the terahertz wave with respect to the reference interface, the condensing angle α is also taken into consideration (see FIG. 4).

したがってテラヘルツ分光装置10は、収差による焦点の歪み量を除いた状態で、測定すべき界面に焦点が正確に位置する移動距離を得ることができる。この結果、このテラヘルツ分光装置10は、測定すべき界面で反射するテラヘルツ波の振動電場の強度を、より一段と鋭敏に捉えることができる。   Therefore, the terahertz spectrometer 10 can obtain a moving distance at which the focal point is accurately positioned at the interface to be measured in a state where the amount of distortion of the focal point due to aberration is removed. As a result, the terahertz spectrometer 10 can capture the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave reflected at the interface to be measured more sharply.

なお、層間距離が小さすぎて反射が両者から識別できない場合には、屈折率に対する平均値により光学遅延ステージ13に対する遅延線を補正し、その遅延線に応じてzステージを移動させることも可能である。   If the interlayer distance is too small and reflection cannot be distinguished from both, it is possible to correct the delay line for the optical delay stage 13 by the average value for the refractive index and move the z stage according to the delay line. is there.

またこのテラヘルツ分光装置10は、層の一方の界面から他方の界面に合焦させる場合、光学遅延ステージ13を一旦停止させた後、一方の界面から他方の界面に合焦させるようになされている。この光学遅延ステージ13を停止させるタイミングは、一方の界面に対応するテラヘルツ波の振動電場の強度を示す時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点がトリガとされる(図8参照)。   In the terahertz spectrometer 10, when focusing from one interface of the layer to the other interface, the optical delay stage 13 is temporarily stopped and then focused from one interface to the other interface. . The timing at which the optical delay stage 13 is stopped is triggered by the time when a zero cross is passed after passing through the peak of the time waveform indicating the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave corresponding to one interface (see FIG. 8).

したがって、移動前の界面B1の合焦時においてその界面B1よりも奥行き方向にある移動先の界面B2に対するテラヘルツ波の時間波形のサンプリング結果がテラヘルツ波検出素子16で得られる前に、該移動先の界面B2に合焦される。   Accordingly, before the terahertz wave detection element 16 obtains the sampling result of the time waveform of the terahertz wave with respect to the interface B2 of the movement destination in the depth direction from the interface B1 when the interface B1 before the movement is in focus, the movement destination Is focused on the interface B2.

移動前の界面B1の合焦時において移動先の界面B2で反射するテラヘルツ波の時間波形は、断層像の生成過程ではノイズとなるものである。このテラヘルツ分光装置10は、当該テラヘルツ波の時間波形がテラヘルツ波検出素子16でサンプリングされることを未然に防ぐため、断層像の生成過程でのノイズ成分量を低減することができ、この結果、当該断層像の画質を向上させることが可能となる。   The time waveform of the terahertz wave reflected by the destination interface B2 when the interface B1 before movement is in focus becomes noise in the process of generating a tomographic image. The terahertz spectrometer 10 can reduce the amount of noise components in the tomographic image generation process in order to prevent the time waveform of the terahertz wave from being sampled by the terahertz wave detection element 16 in advance. It is possible to improve the image quality of the tomographic image.

ところで、サンプルSPL自体が複数の層として構成されていると、該層における厚みが既知でない場合が多い。しかしながらこのテラヘルツ分光装置10では、層LY1における屈折率と、該層LY1の一方の界面B1及び他方の界面B2それぞれに対応するテラヘルツ波の振動電場の強度を示す時間波形の出現時間差Δtaに基づいて、層LY1における厚みが求められる(図7参照)。   By the way, when the sample SPL itself is configured as a plurality of layers, the thickness of the layers is often unknown. However, in this terahertz spectrometer 10, based on the refractive index in the layer LY1 and the appearance time difference Δta indicating the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave corresponding to each of the one interface B1 and the other interface B2 of the layer LY1. The thickness of the layer LY1 is obtained (see FIG. 7).

したがってこのテラヘルツ分光装置10は、サンプルSPL自体が構成する複数の層の厚みが既知でない場合であっても、(1)式を用いて、サンプルSPL内における2つの深部界面間の層などの移動距離を算出することができる。   Therefore, the terahertz spectrometer 10 uses the equation (1) to move a layer between two deep interfaces in the sample SPL even if the thickness of the plurality of layers that the sample SPL itself constitutes is not known. The distance can be calculated.

以上の構成によれば、基準界面よりも奥行き方向の層での屈折角を考慮して測定すべき界面に焦点が正確に位置する移動距離が算出できるようにしたことにより、該測定すべき界面で反射するテラヘルツ波の振動電場の強度を鋭敏に捉えることが可能となる。かくして、断層像の画質を向上し得るテラヘルツ分光装置10が実現される。   According to the above configuration, the moving distance at which the focal point is accurately positioned at the interface to be measured in consideration of the refraction angle in the layer in the depth direction from the reference interface can be calculated. It becomes possible to grasp the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave that is reflected by the sharply. Thus, the terahertz spectrometer 10 that can improve the image quality of the tomographic image is realized.

<2.他の実施の形態>
上述の実施の形態では、サンプルステージ15の移動によって焦点位置が可変された。しかしながら焦点可変手法は、この実施の形態に限定されるものではない。例えば、対物レンズOP1に対するステージの移動によって焦点位置を可変する焦点可変手法が適用可能である。この焦点可変手法が適用される場合、上述の(1)式により算出される移動距離は、対物レンズOP1に対するステージの移動距離となる。
<2. Other embodiments>
In the above-described embodiment, the focal position is varied by moving the sample stage 15. However, the variable focus method is not limited to this embodiment. For example, it is possible to apply a focus variable method that changes the focus position by moving the stage with respect to the objective lens OP1. When this variable focus method is applied, the moving distance calculated by the above equation (1) is the moving distance of the stage with respect to the objective lens OP1.

また、別例として、サンプルステージ15と対物レンズOP1に対するステージとの双方の移動によって焦点位置を可変する焦点可変手法が適用可能である。この焦点可変手法が適用される場合、上述の(1)式により算出される移動距離は、サンプルステージ15と対物レンズOP1に対するステージとの一方又は双方に割り当てられる。   As another example, a variable focus method that changes the focus position by moving both the sample stage 15 and the stage with respect to the objective lens OP1 is applicable. When this variable focus method is applied, the movement distance calculated by the above-described equation (1) is assigned to one or both of the sample stage 15 and the stage with respect to the objective lens OP1.

ちなみにステージの駆動手段は、電磁方式のリニアモータ,ステッピングモータや、ピエゾアクチュエータ,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などがある。   Incidentally, the stage driving means includes an electromagnetic linear motor, a stepping motor, a piezo actuator, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and the like.

上述の実施の形態では、サンプルSPLに対してサンプル配置板BDを介してテラヘルツ波が照射された。サンプル配置板BDが省略された形態であってもよい。ちなみにこの形態では、上述の基準界面はサンプルSPLの表面となる。   In the above-described embodiment, the terahertz wave is irradiated to the sample SPL via the sample arrangement plate BD. The sample arrangement plate BD may be omitted. Incidentally, in this embodiment, the above-described reference interface is the surface of the sample SPL.

上述の実施の形態では、サンプルSPLにおける層の屈折率が既知でない場合、その屈折率については、層の種類と屈折率との対応付けたデータベースを参照することにより取得された。しかしながら層の屈折率はテラヘルツ波の実測波形から取得するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, when the refractive index of the layer in the sample SPL is not known, the refractive index is obtained by referring to the database in which the layer type and the refractive index are associated with each other. However, the refractive index of the layer may be obtained from an actually measured waveform of the terahertz wave.

例えば、当該層の一方の界面と他方の界面とでそれぞれ反射するテラヘルツ波の時間波形のスペクトルから、Kramers-Kronig変換を用いて屈折率を求めることにより取得することができる。このように実測波形から層の屈折率を得るようにすれば、層の種類が分からない場合であっても、サンプルSPLにおけるある深部界面から他の深部界面までの層での焦点の移動距離を(1)式を用いて算出することができる。   For example, it can be obtained by obtaining the refractive index using Kramers-Kronig transformation from the spectrum of the time waveform of the terahertz wave reflected at one interface and the other interface of the layer. Thus, if the refractive index of the layer is obtained from the actually measured waveform, even if the type of the layer is not known, the moving distance of the focal point in the layer from one deep interface to another deep interface in the sample SPL can be calculated. (1) It can calculate using Formula.

上述の実施の形態では、基準界面で走査すべき測定領域が変更されるたびに、当該測定領域に対応する奥行き方向の深部界面に対する焦点の移動距離が算出され、その移動距離を用いて焦点を移動した深部界面に対してテラヘルツ波が計測された。   In the embodiment described above, every time the measurement area to be scanned at the reference interface is changed, the moving distance of the focal point with respect to the deep interface in the depth direction corresponding to the measuring area is calculated, and the focal distance is calculated using the moving distance. Terahertz waves were measured on the moved deep interface.

しかしながらテラヘルツ波の計測タイミングについては、基準界面で走査すべき測定領域が変更されるたびに実行する必要はない。例えば、観察する深さ位置を固定としたままサンプルをスキャンして2次元イメージを先に取得し、その後、奥行き方向の像を蓄積するようにしてもよい。具体的には、基準界面で走査すべき測定領域の全てが走査し終えた後に、各測定領域で算出された移動距離を用いて深部界面に対して所定の順序で焦点を移動し、該焦点でのテラヘルツ波を計測する。   However, the terahertz wave measurement timing does not need to be executed every time the measurement region to be scanned at the reference interface is changed. For example, the sample may be scanned while the depth position to be observed is fixed to obtain a two-dimensional image first, and then an image in the depth direction may be accumulated. Specifically, after all of the measurement areas to be scanned at the reference interface have been scanned, the focal point is moved in a predetermined order with respect to the deep interface using the movement distance calculated in each measurement area. Measure terahertz waves at.

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。   The present invention can be used in industries such as industry, medicine, biotechnology, agriculture, security, information communication, and electronics.

10……テラヘルツ分光装置、11……超短レーザー、12……ビームスプリッタ、13……光学遅延ステージ、14……テラヘルツ波発生素子、15……サンプルステージ、16……テラヘルツ波検出素子、17……コンピュータ、21……CPU、22……ROM、23……RAM、24……操作入力部、25……インターフェイス、26……表示部、27……記憶部、31……基準界面走査部、32……移動距離算出部、33……深部界面合焦部、34……サンプル計測部、35……画像処理部、BD……サンプル配置板、OP1,OP2……対物レンズ、SPL……サンプル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Terahertz spectrometer 11 ... Ultrashort laser, 12 ... Beam splitter, 13 ... Optical delay stage, 14 ... Terahertz wave generation element, 15 ... Sample stage, 16 ... Terahertz wave detection element, 17 Computer, 21 ... CPU, 22 ... ROM, 23 ... RAM, 24 ... Operation input unit, 25 ... Interface, 26 ... Display unit, 27 ... Storage unit, 31 ... Reference interface scanning unit , 32... Movement distance calculation unit, 33... Deep interface focusing unit, 34... Sample measurement unit, 35... Image processing unit, BD ... sample placement plate, OP 1, OP 2. sample.

Claims (7)

テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角とを用いて、上記層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出する算出ステップと、
上記算出ステップで算出される移動距離を用いて、上記層の一方の界面から他方の界面に合焦させる合焦ステップと
を有するテラヘルツ合焦方法。
A calculation step of calculating a moving distance of the focal point in the layer in the depth direction using the refractive index and thickness in the layer in the depth direction from the interface with the medium of the terahertz wave and the incident angle of the terahertz wave with respect to the interface;
A terahertz focusing method comprising: a focusing step of focusing from one interface of the layer to the other interface using the movement distance calculated in the calculation step.
上記合焦ステップでは、
上記層の一方の界面に対応するテラヘルツ波の振動電場の強度を示す時間波形のピークを経てからゼロクロスを経た時点をトリガとして、テラヘルツ波の検出素子に対するプローブ光の到達時間の可変を停止させた後、上記他方の界面に合焦させる
請求項1に記載のテラヘルツ合焦方法。
In the above focusing step,
The change in the arrival time of the probe light to the terahertz wave detection element was stopped, triggered by the time when the zero crossing was passed after passing through the peak of the time waveform indicating the intensity of the terahertz wave oscillating electric field corresponding to one interface of the above layer. The terahertz focusing method according to claim 1, further comprising focusing on the other interface.
上記算出ステップでは、
上記層における屈折率と、該層の一方の界面及び他方の界面それぞれに対応するテラヘルツ波の振動電場の強度を示す時間波形の出現時間差とに基づいて、層における厚みを求める
請求項2に記載のテラヘルツ合焦方法。
In the above calculation step,
The thickness in the layer is obtained based on the refractive index in the layer and the appearance time difference of the time waveform indicating the intensity of the oscillating electric field of the terahertz wave corresponding to each of the one interface and the other interface of the layer. Terahertz focusing method.
上記算出ステップでは、
上記層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角及び集光角とを用いて、上記層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出する
請求項2に記載のテラヘルツ合焦方法。
In the above calculation step,
The terahertz focusing method according to claim 2, wherein a moving distance in the depth direction of the focal point in the layer is calculated using a refractive index and a thickness in the layer, and an incident angle and a converging angle of the terahertz wave with respect to the interface.
テラヘルツ波の媒質との界面の面方向を測定領域ごとに走査する走査ステップをさらに有し、
上記取得ステップでは、
上記測定領域ごとに、当該測定領域の奥行き方向の層における焦点の移動距離を算出する
請求項2に記載のテラヘルツ合焦方法。
A scanning step of scanning the surface direction of the interface with the terahertz wave medium for each measurement region;
In the above acquisition step,
The terahertz focusing method according to claim 2, wherein a moving distance of a focal point in a layer in a depth direction of the measurement region is calculated for each measurement region.
発生素子から発生されるテラヘルツ波を、サンプルが配される面に向けて集めるレンズと、
上記レンズによって集められるテラヘルツ波の焦点を上記面の法線方向に移動させる移動手段と、
上記テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、上記レンズを経たテラヘルツ波の入射角とを用いて、上記層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出する算出手段と、
上記算出手段で算出される移動距離を用いて、上記層の一方の界面から他方の界面に合焦するよう上記移動手段を制御する制御手段と
を有するテラヘルツ合焦装置。
A lens that collects the terahertz wave generated from the generating element toward the surface on which the sample is disposed;
Moving means for moving the focal point of the terahertz wave collected by the lens in the normal direction of the surface;
A calculating means for calculating a moving distance of the focal point in the layer in the depth direction by using the refractive index and thickness in the layer in the depth direction from the interface with the medium of the terahertz wave and the incident angle of the terahertz wave having passed through the lens. When,
A terahertz focusing apparatus comprising: control means for controlling the moving means so as to focus from one interface of the layer to the other interface using the moving distance calculated by the calculating means.
コンピュータに対して、
テラヘルツ波の媒質との界面よりも奥行き方向の層における屈折率及び厚みと、該界面に対するテラヘルツ波の入射角とを用いて、上記層における焦点の奥行き方向の移動距離を算出すること、
算出される移動距離を用いて、上記層の一方の界面から他方の界面に焦点を合わせること
を実行させるテラヘルツ合焦プログラム。
Against the computer,
Using the refractive index and thickness of the layer in the depth direction from the interface with the medium of the terahertz wave and the incident angle of the terahertz wave with respect to the interface, calculating the moving distance of the focal point in the layer in the depth direction;
A terahertz focusing program that executes focusing from one interface of the layer to the other using the calculated moving distance.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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