JP2006133178A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の持つ厚みと屈折率に起因する測定誤差を低減する。
【解決手段】 テラヘルツ光発生器３から発生したテラヘルツパルス光Ｌ４は、放物面鏡９及び集光レンズ１０からなる第１の集光光学系により集光される。この集光位置付近に試料１００が配置される。第１の集光光学系により集光された後に発散光束となったテラヘルツパルス光Ｌ５は、集光レンズ１１及び放物面鏡１２からなる第２の集光光学系によりテラヘルツ光検出器６に集光される。集光レンズ１１の光軸方向位置は、ステージ１３により調整し得る。制御・演算処理部７は、試料１００を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５がテラヘルツ光検出器６に合焦するようにステージ１３を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、テラヘルツ分光装置などのテラヘルツ光を用いた測定装置に関するものである。

従来から、テラヘルツ光発生器から発生したテラヘルツパルス光を集光させる第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系により集光された後に発散するテラヘルツパルス光をテラヘルツ光検出器に集光させる第２の集光光学系と、を備え、試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置されて、前記試料を透過したテラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器により検出される測定装置が提供されている（例えば、下記特許文献１，２）

このような従来の測定装置では、特許文献１，２に開示されているように、前記第１の集光光学系は、テラヘルツ光発生器から発生したテラヘルツパルス光を平行光束にする第１の放物面鏡と、この平行光束を焦点に集光させる第２の放物面鏡とから構成されている。また、前記第２の集光光学系は、第２の放物面鏡で集光された後に発散するテラヘルツパルス光を平行光束にする第３の放物面鏡と、この平行光束をテラヘルツ光検出器に集光させる第４の放物面鏡とから構成されている。そして、装置の製造時に、テラヘルツ光発生器は第１の放物面鏡の焦点に配置され、テラヘルツ光検出器は第４の放物面鏡の焦点に配置されて、これらの位置関係が固定されている。すなわち、従来の測定装置では、試料がない状態において、テラヘルツパルス光が最も良い合焦状態でテラヘルツ光検出器の有効受光領域に集光するように、設定されている。

このように、テラヘルツ分光装置などのテラヘルツ光を用いた測定装置では、試料の小領域について透過測定を行う場合、前述した第１及び第２の集光光学系を用いるのが一般的である。これは、テラヘルツ光の波長が長いため（例えば、周波数１ＴＨｚの場合の波長は約３００μｍ）、回折効果が大きく作用し、小さな径のテラヘルツ光の平行光を作ることができないためである。

特開２００３−７５２５１号公報 特開２００４−２１２１１０号公報

しかしながら、前記従来の測定装置では、試料を前記第１の集光光学系の集光位置付近に配置すると、当該試料の持つ厚みと屈折率のために、テラヘルツ光検出器に対するテラヘルツパルス光の集光状態が低下し、いわばピントのボケが生ずることが、判明した。

ここで、試料１００がない場合の、前記従来の測定装置における第２及び第３の放物面鏡１０２，１０３の付近のテラヘルツパルス光の様子を、図１に模式的に示す。また、試料１００を配置した場合の、前記従来の測定装置における第２及び第３の放物面鏡１０２，１０３の付近のテラヘルツパルス光の様子を、図２に模式的に示す。なお、両者の比較を容易にするため、図２中には、図１中の点Ａの後のテラヘルツパルス光の様子も点線で示している。

図１及び図２に示すように、第１の放物面鏡（図示せず）からの平行光束のテラヘルツパルス光が第２の放物面鏡１０２に入射され、第２の放物面鏡１０２により反射されて図１及び図２中の点Ａに集光される。点Ａは第２の放物面鏡１０２の焦点であり、第３の放物面鏡１０３の焦点と一致している。

図１に示すように試料１００がない場合、点Ａに集光されたテラヘルツパルス光は、点Ａから発した発散光束となって、第３の放物面鏡１０３に入射され、第３の放物面鏡１０３により反射されて平行光束となる。この平行光束は、第４の放物面鏡（図示せず）で反射され、第４の放物面鏡の焦点に配置されたテラヘルツ光検出器（図示せず）に理想的に集光される。

一方、図２に示すように試料１００が点Ａ付近に配置されている（図２に示す例では、試料１００は、その前側の面が点Ａと一致するように配置されている）場合、第２の放物面鏡１０２で反射されたテラヘルツパルス光が試料１００により屈折されるため、試料１００を透過したテラヘルツパルス光は、見かけ上、点Ａからずれた点Ｂから発した発散光束と同じ発散光束となって、第３の放物面鏡１０３に入射される。点Ｂは点Ａ（第３の放物面鏡１０３の焦点）からずれているので、放物面鏡１０３により反射されたテラヘルツパルス光は、平行光束にならない。このため、その後に第４の放物面鏡により反射されたテラヘルツパルス光は、第４の放物面鏡の焦点に理想的に集光し得ず、したがって、第４の放物面鏡の焦点に配置されたテラヘルツ光検出器に対するテラヘルツパルス光の集光状態が低下し、いわばピントのボケが生ずる。

その結果、試料がない場合と試料が配置された場合とでは、テラヘルツ検出器の有効受光領域に対するテラヘルツパルス光の入射状況が変化してしまう。このとき、テラヘルツパルス光の各波長成分毎にその入射状況の変化の様子も異なる。このような傾向は、テラヘルツ光検出器として、ダイポールアンテナ等を用いた光伝導アンテナなどの、有効受光領域の小さい検出器を用いた場合に、大きくなる。

したがって、前記従来の測定装置では、テラヘルツ光検出器に対するテラヘルツパルス光の集光状態の変化によって、ＳＮ比が低下したり、測定により得られる分光特性が本来の分光特性から変化したりする。このため、前記従来の測定装置では、試料の持つ厚みと屈折率に起因して、測定誤差が大きくなる。

例えば、分光測定を行う場合、一般的に、試料を配置した状態で得た検出信号を試料がない状態で得た検出信号（リファレンス信号）と比較するため、試料の持つ厚みと屈折率に起因するピントのボケが、測定誤差の大きな要因となる。また、分光測定を行う場合、試料を配置した状態で得た検出信号を、当該試料に代えて参照用試料（例えば、ガラス板等）を配置した状態で得た検出信号と比較する場合もある。この場合にも、本来の測定の対象としての試料と参照用試料とで厚みや屈折率が異なることによって、本来の試料を配置した場合と参照用試料を配置した場合とで、テラヘルツ検出器の有効受光領域に対するテラヘルツパルス光の入射状況が変化してしまう。よって、参照用試料を用いて分光測定を行う場合にも、試料の持つ厚みと屈折率に起因して、測定誤差が大きくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、試料の持つ厚みと屈折率に起因する測定誤差を低減することができる測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による測定装置は、テラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、テラヘルツパルス光を検出するテラヘルツ光検出器と、前記テラヘルツ光発生器から発生したテラヘルツパルス光を集光させる第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系により集光された後に発散するテラヘルツパルス光を前記テラヘルツ光検出器に集光させる第２の集光光学系と、を備え、試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置されて、前記試料を透過したテラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器により検出される測定装置であって、前記第１及び第２の集光光学系のうちの少なくとも一方の集光光学系が、正又は負の屈折力を有する少なくとも１つの光学素子を含み、前記少なくとも１つの光学素子の光軸方向位置を調整する位置調整機構を備えたものである。

本発明の第２の態様による測定装置は、前記第１の態様において、前記試料を透過したテラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器に合焦する方向に前記位置調整機構を制御する制御部を、備えたものである。

本発明の第３の態様による測定装置は、前記第１又は第２の態様において、前記制御部は、前記試料の厚みと屈折率とに応じて前記位置調整機構を制御するものである。

本発明の第４の態様による測定装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記制御部は、前記試料を透過したテラヘルツパルス光の前記テラヘルツ光検出器に対する合焦状態が、前記試料がない場合の前記テラヘルツ光検出器に対するテラヘルツパルス光の合焦状態と同じになるように、前記位置調整機構を制御するものである。

本発明の第５の態様による測定装置は、前記第１の態様において、前記テラヘルツ光発生器は、自身に入射されるポンプパルス光に応答してテラヘルツパルス光を発生し、前記テラヘルツ光検出器は、自身に入射されるプローブパルス光に応答してテラヘルツパルス光を検出し、前記ポンプパルス光の光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変え得るようにする光路長可変部を備えたものである。

本発明の第６の態様による測定装置は、前記第２乃至第４のいずれかの態様において、前記テラヘルツ光発生器は、自身に入射されるポンプパルス光に応答してテラヘルツパルス光を発生し、前記テラヘルツ光検出器は、自身に入射されるプローブパルス光に応答してテラヘルツパルス光を検出し、前記ポンプパルス光の光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変え得るようにする光路長可変部を備えたものである。

本発明の第７の態様による測定装置は、前記第６の態様において、前記試料がない状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第１の時系列波形取得手段と、前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第２の時系列波形取得手段と、前記第１の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークと前記第２の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークとの間の時間差に基づいて、前記少なくとも１つの光学素子の移動量を演算する演算手段と、を備え、前記制御部は、前記演算手段により得られた移動量に従って前記位置調整機構を制御するものである。

本発明の第８の態様による測定装置は、前記第６の態様において、前記試料の代わりに参照用試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第１の時系列波形取得手段と、前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第２の時系列波形取得手段と、前記第１の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークと前記第２の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークとの間の時間差に基づいて、前記少なくとも１つの光学素子の移動量を演算する演算手段と、を備え、前記制御部は、前記演算手段により得られた移動量に従って前記位置調整機構を制御するものである。

本発明の第９の態様による測定装置は、前記第６の態様において、前記制御手段は、（i）前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、前記光路長可変部により前記各光路の光路長を当該検出信号が最大となるような光路長に固定し、（ii）この固定状態において、前記位置調整機構により前記光学素子を移動させながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、当該検出信号が最大となるような位置に前記光学素子が位置するように前記位置調整機構を制御するものである。

本発明の第１０の態様による測定装置は、前記第１乃至第９のいずれかの態様において、前記少なくとも１つの光学素子は、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、石英、サファイア、シリコン、ガリウム砒素、ＭｇＯ、Ｇｅ及びダイヤモンドのうちのいずれかの材料で構成されたものである。

前記第１乃至第１０の態様において、前記光学素子は透過光学素子であってもよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

本発明によれば、試料の持つ厚みと屈折率に起因する測定誤差を低減することができる。

以下、本発明による測定装置について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

本発明の第１の実施の形態の説明に先立って、本実施の形態における測定誤差低減の原理の理解を容易にするために、図３を参照して、図２中の点Ａと点Ｂとの間の距離（点Ａ，Ｂ間のずれ量）δＬを求めておく。図３は、図２中の試料１００付近のテラヘルツパルス光の光線の様子を示す図である。先の説明からわかるように、点Ａは、試料１００がない場合に第３の放物面鏡１０３に入射するテラヘルツパルス光の発散光束の発散点である。点Ｂは、試料１００を配置した場合に第３の放物面鏡１０３に入射するテラヘルツパルス光（試料１００を透過した透過光）の発散光束の見かけ上の発散点である。

今、図３に示すように、試料１００が真空中に設置され、試料１００の屈折率がｎ、試料１００の厚みがＤであるものとする。そして、この試料１００に点Ａから入射角度θで入射する光線を考える。この光線は、点Ａで屈折した後、点Ｃで試料１００から出射する。図３に示すように、試料１００の後側の面における光軸上の点をＥ、∠ＢＡＣをθ’、点Ｂと点Ｅとの間の距離をδＤ、点Ｃと点Ｅとの間の距離をｄとする。点Ａ，Ｂは光軸上にある。スネルの法則に従って、∠ＣＢＥ＝θとなる。

図３からわかるように、点Ａ，Ｂ間のずれ量δＬは、下記の数１で与えられる。

また、図２中の距離ｄは、下記の数２及び数３によりそれぞれ表される。数２及び数３から、δＤは下記の数４で与えられる。

また、スネルの法則から、下記の数５が成立する。

数４及び数５を数１に代入すると、下記の数６を得る。数６においてθ→０の極限をとると、ずれ量δＬは下記の数７で示す通りとなる。

図２及び図３に示す例では、試料１００は、その前側の面が点Ａと一致するように配置されているが、試料１００がその位置から前後にずれても、数７はそのまま成立する。

以上を一般化すると、テラヘルツパルス光が集光されることでその後に発散光束となる状況において、試料１００がない場合の発散光束の発散点Ａと、試料１００を集光位置付近に配置した場合の発散光束の見かけ上の発散点Ｂとの間のずれ量δＬは、数７で与えられることが、わかる。

図４は、本発明の第１の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。

本実施の形態による測定装置は、テラヘルツ分光装置、特に、時系列変換テラヘルツ分光装置として構成されている。この時系列変換テラヘルツ分光装置では、試料を透過したテラヘルツパルス光の電場の時系列波形を測定し、この時系列波形をフーリエ変換することにより、試料の分光特性を測定する。

本実施の形態による測定装置では、図４に示すように、フェムト秒パルス光源１からフェムト秒パルス光Ｌ１が、ビームスプリッタ２で２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。

ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、ダイポールアンテナ等を用いた光伝導アンテナ等の光スイッチ素子又はＥＯ結晶などのテラヘルツ光発生器３を励起してこの発生器３にテラヘルツパルス光を発生させるための、ポンプパルス光（パルス励起光）となる。このポンプパルス光Ｌ２は、テラヘルツ光発生器３へ導かれる。その結果、ポンプパルス光Ｌ２に応答して、テラヘルツ光発生器３が励起されてテラヘルツパルス光Ｌ４を放射する。なお、テラヘルツ光発生器３として光スイッチ素子を用いる場合には、図示しないバイアス電源によりバイアス電圧がテラヘルツ光発生器３に印加される。

ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、テラヘルツパルス光を検出するタイミングを定めるプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ３は、２枚もしくは３枚の平面鏡が組み合わされてなる可動鏡４、更には平面鏡５を経て、テラヘルツ光検出器６へ導かれる。本実施の形態では、テラヘルツ光検出器６として、ダイポールアンテナを用いた光スイッチ素子が用いられているが、必ずしもこれに限定されるものではない。

プローブパルス光Ｌ３の光路上に配置された可動鏡４は、制御・演算処理部７による制御下で、光路長可変用の移動機構としてのステージ８により図４中の左右方向に移動可能となっている。可動鏡４の移動量に応じて、プローブパルス光Ｌ３の光路長が変わり、プローブパルス光Ｌ３がテラヘルツ光検出器６へ到達する時間が遅延する。すなわち、本実施の形態では、可動鏡４及び光路長可変用ステージ（遅延ステージ）８が、プローブパルス光Ｌ３の光路長をポンプパルス光Ｌ２の光路長に対して相対的に変え得るようにする光路長可変部を構成している。テラヘルツ光発生器３から発生するテラヘルツパルス光の発生期間とプローブパルス光Ｌ３がテラヘルツ光検出器６に到達するタイミングを一致させる必要がある。また、いわゆるポンプ−プローブ法により、テラヘルツパルス光の時系列波形を得るためには、テラヘルツ光発生器３から発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器６に到達している期間内におけるプローブパルス光Ｌ３のタイミングを変える必要がある。このため、本実施の形態では、前記光路長可変部が設けられている。

テラヘルツ光発生器３で発生するテラヘルツパルス光Ｌ４としては、概ね０．１×１０^１２から１００×１０^１２ヘルツまでの周波数領域の光が望ましい。このテラヘルツパルス光Ｌ４は、放物面鏡９及び正の屈折力を有する光学素子（本実施の形態では、透過光学素子）としての集光レンズ１０を経て、集光位置に集光される。放物面鏡９は、テラヘルツパルス光Ｌ４を平行光束に変換し、集光レンズ１０は、その焦点に、平行光束となったテラヘルツパルス光Ｌ４を集光させる。本実施の形態では、放物面鏡９及び集光レンズ１０が、テラヘルツ光発生器３から発生したテラヘルツパルス光を集光させる第１の集光光学系を構成している。集光レンズ１０の焦点付近には、測定対象物としての試料１００の測定部位が配置される。ただし、後述するリファレンス測定等の際には、試料１００が配置されなかったり、参照用試料（図示せず）が配置されたりする。試料１００を透過等したテラヘルツパルス光Ｌ５は、当初は発散光束となるが、正の屈折力を有する透過光学素子としての集光レンズ１１により平行光束に変換され、更に、放物面鏡１２によりテラヘルツ光検出器６の有効受光領域に集光される。本実施の形態では、集光レンズ１１及び放物面鏡１２が、前記第１の集光光学系により集光された後に発散するテラヘルツパルス光Ｌ５をテラヘルツ光検出器６に集光させる第２の集光光学系を、構成している。

前記第１及び第２の集光光学系に含まれる透過光学素子（本実施の形態では、集光レンズ１０，１１）を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、石英、サファイア、シリコン、ガリウム砒素、ＭｇＯ、Ｇｅ、ダイヤモンドなどを挙げることができる。これらの材料はテラヘルツパルス光の透過率が比較的高いので、好ましい。

そして、本実施の形態では、集光レンズ１１の光軸方向の位置を調整する位置調整機構として、ステージ１３が設けられている。後に詳述するが、本実施の形態では、制御・演算処理部７による制御下で、集光レンズ１１の光軸方向の位置が調整されることで、試料１００を配置した場合、試料１００を配置しない場合、試料１００に代えて参照用試料を配置した場合のいずれの場合であっても、集光レンズ１１を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５は、常に実質的に平行光束となり、これにより、テラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態が低下することがなく、ピントのボケが生じない。

テラヘルツ光検出器６に集光されたテラヘルツパルス光Ｌ５は、テラヘルツ光検出器６により検出されて電気信号に変換される。この電気信号は、増幅器やＡ／Ｄ変換器やコンピュータ等からなる制御・演算処理部７に供給され、増幅やＡ／Ｄ変換等がなされてテラヘルツパルス光の電場強度の検出信号として内部メモリ内に取り込まれる。

フェムト秒パルス光源１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ１の繰り返し周期は、数ｋＨｚから１００ＭＨｚオーダーである。したがって、テラヘルツ光発生器３から放射されるテラヘルツパルス光Ｌ４も、数ｋＨｚから１００ＭＨｚオーダーの繰り返しで放射される。現在のテラヘルツ光検出部６では、このテラヘルツパルス光の波形を瞬時に、その形状のまま計測することは不可能である。

したがって、本実施の形態では、同じ波形のテラヘルツパルス光Ｌ５が数ｋＨｚから１００ＭＨｚオーダーの繰り返しで到来することを利用して、ポンプパルス光Ｌ２とプローブパルス光Ｌ３との間に時間遅延を設けてテラヘルツパルス光Ｌ５の波形を計測する、いわゆるポンプ−プローブ法を採用している。すなわち、ポンプパルス光Ｌ２により作動されたテラヘルツ光発光器３から発生したテラヘルツパルス光がテラヘルツ光検出器６に到達するタイミングに対して、プローブパルス光によりテラヘルツ光検出器６を作動させるタイミングを時間τだけ遅らせることにより、時間τだけ遅れた時点でのテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度をテラヘルツ光検出器６で測定できる。言い換えれば、プローブ光Ｌ３は、テラヘルツ光検出器６に対してゲートをかけていることになる。また、可動鏡４を徐々に移動させることは、遅延時間τを徐々に変えることにほかならない。前記光路長可変部によってゲートをかけるタイミングをずらしながら、繰り返し到来するテラヘルツパルス光Ｌ５の各遅延時間τごとの時点の電場強度をテラヘルツ光検出器６から電気信号として順次得ることによって、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を計測することができる。

本実施の形態では、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）の計測時には、制御・演算処理部７が、ステージ８に制御信号を与えて、前記遅延時間τを徐々に変化させながら、テラヘルツ光検出器６から電気信号を増幅及びＡ／Ｄ変換したデータを制御・演算処理部７内の図示しないメモリに順次格納する。これによって、最終的に、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形Ｅ（τ）を示すデータ全体をメモリに格納する。このような時系列波形Ｅ（τ）を示すデータを、試料１００を図４に示す位置に配置した場合と、試料１００を配置しない場合又は試料１００に代えて参照用試料（例えば、ガラス板等）を配置した場合について取得する。制御・演算処理部７は、これらのデータに基づいて、試料１００の分光データを求め、これを液晶パネルやＣＲＴ等の表示部１４に表示させる。

本実施の形態では、制御・演算処理部７は、キーボード又はその他の操作器等からなる入力部１５からの指令に応じて、図５乃至図９に示す第１乃至第５の測定モードの動作を実現する。もっとも、本発明では、第１乃至第５の測定モードのうちのいずれか１つ又は２つ以上の測定モードのみを実現するように、制御・演算処理部７を構成してもよい。

第１の測定モードは、リファレンス測定を試料１００がない状態（集光レンズ１０，１１間に何も配置しない状態）で行い、試料１００の屈折率ｎが既知である場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。図５は、第１の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第１の測定モードが指令されると、その動作を開始し、まず、測定者に試料１００の厚みＤと屈折率ｎの入力を促す表示を表示部１４に表示させ、入力部１５からそれらが入力される（ステップＳ１）と、ステップＳ２へ移行する。なお、試料１００の厚みＤは、予め計測しておく。

ステップＳ２において、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を基準位置に位置させる。この基準位置は、集光レンズ１１の前側焦点が集光レンズ１０の後側焦点と一致する位置であり、試料１００がない場合にテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光の合焦状態が良くなる位置である。基準位置は、予め制御・演算処理部７のメモリに記憶させておく。

次に、制御・演算処理部７は、試料１００がない状態でリファレンス測定を行う（ステップＳ３）。すなわち、制御・演算処理部７は、試料１００がない状態で、前述したようにステージ８に制御信号を与えて前記遅延時間τを徐々に変化させながらテラヘルツ光検出器６からの検出信号のデータを内部メモリに取り込んでいくことで、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

次いで、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数７で表されるずれ量δＬを、数７に従って演算する（ステップＳ４）。このとき、ステップＳ１で入力された試料１００の厚みＤ及び屈折率ｎを用いる。

その後、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、前記基準位置から、ステップＳ３で得た移動量（ずれ量δＬ）だけ、集光レンズ１１を試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップＳ５）。前述した図１乃至図３に関連した説明から理解できるように、集光レンズ１１がこの位置に位置すると、集光レンズ１１の焦点が、試料１００を図４に示す位置に配置した状態におけるテラヘルツパルス光Ｌ５の見かけ上の発散点と一致するので、試料１００を図４に示す位置に配置した状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５は集光レンズ１１によって平行光束となって、放物面鏡１２に入射する。したがって、ステップＳ５の集光レンズ１１の位置調整後では、試料１００を図４に示す位置に配置した場合のテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置していて試料１００がない場合のテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態と同様となり、良好な合焦状態を維持することができる。この状態が、集光レンズ１１が前記基準位置に位置していて試料１００が図４に示す位置に配置された場合のテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の合焦状態に比べて良くなることは、言うまでもない。

引き続いて、制御・演算処理部７は、試料１００が図４に示す位置に配置された状態で試料測定を行う（ステップＳ６）。すなわち、制御・演算処理部７は、試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、前述したようにステージ８に制御信号を与えて前記遅延時間τを徐々に変化させながらテラヘルツ光検出器６からの検出信号のデータを内部メモリに取り込んでいくことで、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

次に、制御・演算処理部７は、ステップＳ３で得た参照用時系列波形及びステップＳ６で得た時系列波形をそれぞれフーリエ変換する。フーリエ変換により得られた各波長成分毎に、ステップＳ６で得た時系列波形の成分をステップＳ３で得た時系列波形の成分で除算することで、分光データを作成する（ステップＳ７）。その後、制御・演算処理部７は、この分光データを表示部１４に表示させ、第１の測定モードを終了する。

この第１の測定モードでは、ステップＳ３のリファレンス測定においてもステップＳ６の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する測定誤差を低減することができる。

第２の測定モードは、リファレンス測定を試料１００がない状態で行い、試料１００の屈折率ｎが未知である場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。図６は、第２の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第２の測定モードが指令されると、その動作を開始し、まず、測定者に試料１００の厚みＤの入力を促す表示を表示部１４に表示させ、入力部１５からそれが入力される（ステップＳ１１）と、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を前記基準位置に位置させる（ステップＳ１２）。

次に、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ３と同じく試料１００がない状態でリファレンス測定を行い、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する（ステップＳ１３）。

次いで、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置した状態のままで、前述したステップＳ６の試料測定と同様の試料予備測定を行う（ステップＳ１４）。すなわち、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置しかつ試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

図１１は、ステップＳ１３のリファレンス測定で得られる時系列波形及びステップＳ１４の試料予備測定で得られる時系列波形の例を示す図である。既に説明したように試料１００の厚みをＤ、試料１００の屈折率をｎとし、更に、図１１に示すように両時系列波形のピーク間の時間差をδｔ、光速をｃとすると、下記の数８が成立する。

ステップＳ１４の後に、制御・演算処理部７は、ステップＳ１３，１４で得られた各時系列波形のピーク間の時間差δｔを求め、この時間差δｔを用いて、試料１００の屈折率ｎを数８に従って算出する（ステップＳ１５）。このとき、ステップＳ１１で入力された試料１００の厚みＤを用いる。

次いで、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数７で表されるずれ量δＬを、数７に従って演算する（ステップＳ１６）。このとき、ステップＳ１１で入力された試料１００の厚みＤ、及び、ステップＳ１５で算出された試料１００の屈折率ｎを用いる。

その後、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、前記基準位置から、ステップＳ１６で得た移動量（ずれ量δＬ）だけ、集光レンズ１１を試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップＳ１７）。集光レンズ１１がこの位置に位置すると、前述したステップＳ５の場合と同様に、試料１００を図４に示す位置に配置した場合のテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置していて試料１００がない場合のテラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態と同様となり、良好な合焦状態を維持することができる。

引き続いて、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ６〜Ｓ８と同様のステップＳ１８〜Ｓ２０の処理を行い、第２の測定モードを終了する。なお、ステップＳ１９における分光データの作成は、ステップＳ１３のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ１８の試料測定で得た時系列波形を用いて行い、ステップＳ１４の試料予備測定で得た時系列波形は用いない。

この第２の測定モードでは、前記第１の測定モードと同様に、ステップＳ１３のリファレンス測定においてもステップＳ１８の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する測定誤差を低減することができる。

第３の測定モードは、リファレンス測定を参照用試料を配置した状態で行い、試料１００の屈折率ｎ及び参照用試料の屈折率ｎ’が既知である場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。図７は、第３の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第３の測定モードが指令されると、その動作を開始し、まず、測定者に試料１００の厚みＤと屈折率ｎ及び参照用試料の厚みＤ’と屈折率ｎ’の入力を促す表示を表示部１４に表示させ、入力部１５からそれらが入力される（ステップＳ２１）と、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を前記基準位置に位置させる（ステップＳ２２）。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、下記の数９で表される参照用試料に関するずれ量δＬ’を、数９に従って演算する（ステップＳ２３）。このとき、ステップＳ２１で入力された参照用試料の厚みＤ’及び屈折率ｎ’を用いる。なお、数９は、数７を参照用試料に合わせて書き換えたものである。

その後、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、前記基準位置から、ステップＳ２３で得た移動量（ずれ量δＬ’）だけ、集光レンズ１１を参照用試料や試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ２４）。

引き続いて、制御・演算処理部７は、参照用試料が図４に示す試料１００の位置に試料１００の代わりに配置された状態でリファレンス測定を行い、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する（ステップＳ２５）。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、下記の数１０で表される値ΔＬを演算する（ステップＳ２６）。このとき、ステップＳ２１で入力された試料１００の厚みＤ及び屈折率ｎ、並びに、参照用試料の厚みＤ’及び屈折率ｎ’を用いる。この移動量ΔＬは、現在はステップＳ９によって集光レンズ１１が前記基準位置から参照用試料に関するずれ量δＬ’だけ離れた位置に位置していることを考慮したものであり、前記基準位置から試料１００に関するずれ量δＬだけ離れた位置に集光レンズ１１を位置させるのに必要な、現在位置からの移動量である。

次いで、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を現在位置から、ステップＳ２６で得た移動量ΔＬだけ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ２７）。このとき、ΔＬが正であれば、集光レンズ１１を試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させ、ΔＬが負であれば、逆方向へ移動させる。

その後、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ６〜Ｓ８と同様のステップＳ２８〜Ｓ３０の処理を行い、第３の測定モードを終了する。なお、ステップＳ２９における分光データの作成は、ステップＳ２５のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ２８の試料測定で得た時系列波形を用いて行う。

この第３の測定モードでは、リファレンス測定において参照用試料を用いているが、ステップＳ２５のリファレンス測定においてもステップＳ２８の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎや参照試料の厚みＤ’及び屈折力ｎ’に起因する測定誤差を低減することができる。

第４の測定モードは、リファレンス測定を参照用試料を配置した状態で行い、試料１００の屈折率ｎが未知であり参照用試料の屈折率ｎ’が既知である場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。図８は、第４の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第４の測定モードが指令されると、その動作を開始し、まず、測定者に試料１００の厚みＤ及び参照用試料の厚みＤ’と屈折率ｎ’の入力を促す表示を表示部１４に表示させ、入力部１５からそれらが入力される（ステップＳ３１）と、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を前記基準位置に位置させる（ステップＳ３２）。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数９で表される参照用試料に関するずれ量δＬ’を、数９に従って演算する（ステップＳ３３）。このとき、ステップＳ３１で入力された参照用試料の厚みＤ’及び屈折率ｎ’を用いる。

その後、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、前記基準位置から、ステップＳ３３で得た移動量（ずれ量δＬ’）だけ、集光レンズ１１を参照用試料や試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ３４）。

引き続いて、制御・演算処理部７は、参照用試料が図４に示す試料１００の位置に試料１００の代わりに配置された状態でリファレンス測定を行い、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する（ステップＳ３５）。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１がステップＳ３４で調整された位置に位置した状態のままで、前述したステップＳ６の試料測定と同様の試料予備測定を行う（ステップＳ３６）。すなわち、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１がその位置に位置しかつ試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

次いで、制御・演算処理部７は、ステップＳ３５で得られた時系列波形のピークとステップＳ３６で得られた時系列波形のピークとの間の時間差δｔ’を求め、この時間差δｔ’を用いて、試料１００の屈折率ｎを下記の数１１に従って算出する（ステップＳ３７）。このとき、ステップＳ３１で入力された試料１００の厚みＤ及び参照用試料の厚みＤ’と屈折率ｎ’を用いる。なお、数１１において、ｃは光速である。

引き続いて、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数１０で表される値ΔＬを演算する（ステップＳ３８）。このとき、ステップＳ３１で入力された試料１００の厚みＤ並びに参照用試料の厚みＤ’及び屈折率ｎ’と、ステップＳ３７で算出された試料１００の屈折率ｎを用いる。

次に、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を現在位置から、ステップＳ３８で得た移動量ΔＬだけ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ３９）。このとき、ΔＬが正であれば、集光レンズ１１を試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させ、ΔＬが負であれば、逆方向へ移動させる。

その後、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ６〜Ｓ８と同様のステップＳ４０〜Ｓ４２の処理を行い、第４の測定モードを終了する。なお、ステップＳ４１における分光データの作成は、ステップＳ３５のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ４０の試料測定で得た時系列波形を用いて行い、ステップＳ３６の試料予備測定で得た時系列波形は用いない。

この第４の測定モードでは、リファレンス測定において参照用試料を用いているが、前記第３の測定モードと同様に、ステップＳ２５のリファレンス測定においてもステップＳ２８の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎや参照試料の厚みＤ’及び屈折力ｎ’に起因する測定誤差を低減することができる。

第５の測定モードは、リファレンス測定を参照用試料を配置した状態で行い、試料１００の屈折率ｎ及び参照用試料の屈折率ｎ’が未知である場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。図９及び図１０は、第５の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第５の測定モードが指令されると、その動作を開始し、まず、測定者に試料１００の厚みＤ及び参照用試料の厚みＤ’の入力を促す表示を表示部１４に表示させ、入力部１５からそれらが入力される（ステップＳ５１）と、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を前記基準位置に位置させる（ステップＳ５２）。

次に、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ３のリファレンス測定と同様の予備測定を行う（ステップＳ５３）。すなわち、制御・演算処理部７は、試料１００がない状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

次いで、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置した状態のままで、前述したステップＳ２５のリファレンス測定と同様の参照用試料予備測定を行う（ステップＳ５４）。すなわち、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１が前記基準位置に位置しかつ参照用試料が図４に示す試料１００の位置に試料１００の代わりに配置された状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

その後、制御・演算処理部７は、ステップＳ５３で得られた時系列波形のピークとステップＳ５４で得られた時系列波形のピークとの間の時間差δｔ”を求め、この時間差δｔ”を用いて、参照用試料の屈折率ｎ’を下記の数１２に従って算出する（ステップＳ５５）。このとき、ステップＳ５１で入力された参照用試料の厚みＤ’を用いる。なお、数１２において、ｃは光速である。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数９で表される参照用試料に関するずれ量δＬ’を、数９に従って演算する（ステップＳ５６）。このとき、ステップＳ５１で入力された参照用試料の厚みＤ’、及び、ステップＳ５５で算出された参照用試料の屈折率ｎ’を用いる。

その後、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、前記基準位置から、ステップＳ５６で得た移動量（ずれ量δＬ’）だけ、集光レンズ１１を参照用試料や試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ５７）。

引き続いて、制御・演算処理部７は、参照用試料が図４に示す試料１００の位置に試料１００の代わりに配置された状態でリファレンス測定を行い、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する（ステップＳ５８）。

次に、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１がステップＳ５７で調整された位置に位置した状態のままで、前述したステップＳ６の試料測定と同様の試料予備測定を行う（ステップＳ５９）。すなわち、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１がその位置に位置しかつ試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する。

次いで、制御・演算処理部７は、ステップＳ５８で得られた時系列波形のピークとステップＳ５９で得られた時系列波形のピークとの間の時間差δｔ’を求め、この時間差δｔ’を用いて、試料１００の屈折率ｎを数１１に従って算出する（ステップＳ６０）。このとき、ステップＳ３１で入力された試料１００の厚みＤ及び参照用試料の厚みＤ’、並びに、ステップＳ５５で算出された参照用試料の屈折率ｎ’を用いる。

引き続いて、制御・演算処理部７は、集光レンズ１１の移動量として、数１０で表される値ΔＬを演算する（ステップＳ６１）。このとき、ステップＳ５１で入力された試料１００の厚みＤ及び参照用試料の厚みＤ’と、ステップＳ６０で算出された試料１００の屈折率ｎ、並びに、ステップＳ５５で算出された参照用試料の屈折率ｎ’を用いる。

次に、制御・演算処理部７は、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を現在位置から、ステップＳ６１で得た移動量ΔＬだけ移動させて、その位置で集光レンズ１１を停止させる（ステップ６２）。このとき、ΔＬが正であれば、集光レンズ１１を試料１００の設置位置から遠ざかる方向へ移動させ、ΔＬが負であれば、逆方向へ移動させる。

その後、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ６〜Ｓ８と同様のステップＳ６３〜Ｓ６５の処理を行い、第５の測定モードを終了する。なお、ステップＳ６４における分光データの作成は、ステップＳ５８のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ６３の試料測定で得た時系列波形を用いて行う。

この第５の測定モードでは、リファレンス測定において参照用試料を用いているが、前記第３の測定モードと同様に、ステップＳ２５のリファレンス測定においてもステップＳ２８の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎや参照試料の厚みＤ’及び屈折力ｎ’に起因する測定誤差を低減することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する測定誤差を低減することができる。

また、本実施の形態では、前述したように、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する、テラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の集光状態の低下（いわば、ピントのボケ）を、前記第１及び第２の集光光学系のうちの透過光学素子である集光レンズ１１の光軸方向の位置を調整することによって、防止し、これにより、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する測定誤差を低減している。このように測定誤差低減のために位置調整するものが透過光学素子であるので、その位置調整を行っても、テラヘルツ光発生器３からテラヘルツ光検出器６までの光路長は全く変化せず、リファレンス測定も試料測定も同じ光路長で行うことができ、ポンプ−プローブ法によるテラヘルツパルス光の時系列波形の取得に全く影響がない。したがって、ポンプ−プローブ法によるテラヘルツパルス光の時系列波形の取得に際して、可動鏡４の位置を変えていくときに、リファレンス測定と試料測定とで全く同じようにすることができ、測定誤差低減のための位置調整に連動した量のオフセットを可動鏡の位置に与えるような必要がなくなるという、利点が得られる。

さらに、本実施の形態によれば、測定誤差低減のために位置調整するものが集光レンズ１１のみであるため、多数の光学素子をブロックとして位置調整を行うような場合に比べて、位置調整機構（本実施の形態では、ステージ１３）が小型でかつ安価となるという、利点も得られる。

［第２の実施の形態］

図１２及び図１３は、本発明の第２の実施の形態による測定装置の第６及び第７の測定モードの動作をそれぞれ示す概略フローチャートである。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、前記第１の実施の形態では、制御・演算処理部７が図５乃至図９に示す第１乃至第５の測定モードを行うように構成されているのに対し、本実施の形態では、制御・演算処理部７が図１２乃至図１３に示す第６及び第７の測定モードを行うように構成されている点のみである。なお、本発明では、第６及び第７の測定モードのいずれか一方のみを行うように制御・演算処理部７を構成してもよい。

前記第１の実施の形態では、前述したように、演算により集光レンズ１１の移動量を予め求めて集光レンズ１１の位置調整を行うのに対し、本実施の形態では、このような演算を行うことなく、テラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の合焦状態が良いほどテラヘルツ光検出器６の検出信号が大きくなるということを利用して、集光レンズ１１の位置調整を行う。

第６の測定モードは、リファレンス測定を試料１００がない状態で行う場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第６の測定モードが指令されると、その動作を開始し、図１２に示すように、まず、前述したステップＳ２，Ｓ３とそれぞれ同じステップＳ７１，Ｓ７２の処理を行う。

次に、制御・演算処理部７は、試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、光路長可変用ステージ８に制御信号を与えて、前記遅延時間τを徐々に変化させながら、テラヘルツ光検出器６からの検出信号をモニタし（ステップＳ７３）、そのモニタ結果に基づいて、テラヘルツ光検出器６の検出信号が最も大きくなる位置に光路長可変用ステージ８を固定する（ステップＳ７４）。

次いで、制御・演算処理部７は、試料１００が図４に示す位置に配置された状態で、ステージ１３に制御信号を与えて、集光レンズ１１の位置を変化させながら、テラヘルツ光検出器６からの検出信号をモニタし（ステップＳ７５）、そのモニタ結果に基づいて、テラヘルツ光検出器６の検出信号が最も大きくなる位置に集光レンズ１１を固定する（ステップＳ７６）。

その後、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ６〜Ｓ８と同様のステップＳ７７〜Ｓ７９の処理を行い、第６の測定モードを終了する。なお、ステップＳ７８における分光データの作成は、ステップＳ７２のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ７７の試料測定で得た時系列波形を用いて行う。

テラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の合焦状態が良いほどテラヘルツ光検出器６の検出信号が大きくなるので、前記第６の測定モードでは、ステップＳ７２のリファレンス測定においてもステップＳ７７の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎに起因する測定誤差を低減することができる。

第７の測定モードは、リファレンス測定を参照用試料を配置した状態で行う場合に、試料１００の分光データを得る測定モードである。

制御・演算処理部７は、入力部１５から第７の測定モードが指令されると、その動作を開始し、図１３に示すように、まず、ステージ１３を制御して、集光レンズ１１を前記基準位置に位置させる（ステップＳ８１）。

次に、制御・演算処理部７は、参照用試料が図４に示す試料１００の位置に試料１００の代わりに配置された状態で、光路長可変用ステージ８に制御信号を与えて、前記遅延時間τを徐々に変化させながら、テラヘルツ光検出器６からの検出信号をモニタし（ステップＳ８２）、そのモニタ結果に基づいて、テラヘルツ光検出器６の検出信号が最も大きくなる位置に光路長可変用ステージ８を固定する（ステップＳ８３）。

次いで、制御・演算処理部７は、参照用試料がそのまま配置された状態で、ステージ１３に制御信号を与えて、集光レンズ１１の位置を変化させながら、テラヘルツ光検出器６からの検出信号をモニタし（ステップＳ８４）、そのモニタ結果に基づいて、テラヘルツ光検出器６の検出信号が最も大きくなる位置に集光レンズ１１を固定する（ステップＳ８５）。

その後、制御・演算処理部７は、参照用試料がそのまま配置された状態でリファレンス測定を行い、テラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を取得する（ステップＳ８６）。

次に、制御・演算処理部７は、前述したステップＳ７３〜Ｓ７９と同様のステップＳ８７〜Ｓ９３の処理を行い、第７の測定モードを終了する。なお、ステップＳ９２における分光データの作成は、ステップＳ８６のリファレンス測定で得た参照時系列波形、及び、ステップＳ９１の試料測定で得た時系列波形を用いて行う。

この第７の測定モードでは、リファレンス測定において参照用試料を用いているが、テラヘルツ光検出器６に対するテラヘルツパルス光Ｌ５の合焦状態が良いほどテラヘルツ光検出器６の検出信号が大きくなるので、ステップＳ８６のリファレンス測定においてもステップＳ９１の試料測定においても、テラヘルツパルス光Ｌ５のテラヘルツ光検出器６に対する集光状態は、互いに同じように良好な合焦状態となる。したがって、試料１００の厚みＤ及び屈折力ｎや参照試料の厚みＤ’及び屈折力ｎ’に起因する測定誤差を低減することができる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

［第３の実施の形態］

図１４は、本発明の第３の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。図１４において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、前記第１の実施の形態では、ステージ１３が集光レンズ１１の光軸方向位置を調整するようになっているのに対し、本実施の形態では、ステージ１３が集光レンズ１０の光軸方向位置を調整するようになっている点のみである。

なお、本実施の形態では、制御・演算処理部７は、前述した第１乃至第５の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成されているが、その代わりに、前述した第６及び第７の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成してもよい。本実施の形態の場合は、前述した第１乃至第７の測定モードの説明において、集光レンズ１１を集光レンズ１０と読み替えられたい。なお、本実施の形態では、集光レンズ１０の基準位置は、集光レンズ１０の後側焦点が集光レンズ１１の前側焦点と一致する位置となる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

［第４の実施の形態］

図１５は、本発明の第４の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。図１５において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、本実施の形態では、集光レンズ１０の代わりに放物面鏡２１が用いられ、これに伴って、平面鏡２２〜２５が追加され、各要素が図１５に示すように配置されている点のみである。放物面鏡２１は、放物面鏡９から入射された平行光束となったテラヘルツパルス光Ｌ４を集光させる。本実施の形態では、放物面鏡９，２１が、テラヘルツ光発生器３から発生したテラヘルツパルス光を集光させる第１の集光光学系を構成している。試料１００の測定部位は、放物面鏡２１の焦点付近に配置される。

なお、本実施の形態では、制御・演算処理部７は、前述した第１乃至第５の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成されているが、その代わりに、前述した第６及び第７の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成してもよい。なお、本実施の形態では、集光レンズ１１の基準位置は、集光レンズ１１の前側焦点が放物面鏡２１の焦点と一致する位置となる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

［第５の実施の形態］

図１６は、本発明の第５の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。図１６において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、（i）前記第１の実施の形態では、ステージ１３が集光レンズ１１の光軸方向位置を調整するようになっているのに対し、本実施の形態では、前記第３の実施の形態と同様にステージ１３が集光レンズ１０の光軸方向位置を調整するようになっている点と、（ii）本実施の形態では、集光レンズ１１の代わりに放物面鏡３１が用いられ、これに伴って、平面鏡３２，３３が追加され、各要素が図１６に示すように配置されている点のみである。本実施の形態では、放物面鏡３１，１２が、第１の集光光学系（本実施の形態では、放物面鏡９及び集光レンズ１０）により集光された後に発散するテラヘルツパルス光Ｌ５をテラヘルツ光検出器６に集光させる第２の集光光学系を、構成している。

なお、本実施の形態では、制御・演算処理部７は、前述した第１乃至第５の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成されているが、その代わりに、前述した第６及び第７の測定モードに相当する各測定モードを行うように構成してもよい。本実施の形態の場合は、前述した第１乃至第７の測定モードの説明において、集光レンズ１１を集光レンズ１０と読み替えられたい。なお、本実施の形態では、集光レンズ１０の基準位置は、集光レンズ１０の後側焦点が放物面鏡３１の焦点と一致する位置となる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記第１の実施の形態において、集光レンズ１１と試料１００の設置位置との間又は集光レンズ１１と放物面鏡１２との間に、正又は負の比較的小さい屈折力を有する透過光学素子（例えば、凸レンズ又は凹レンズ）を追加し、ステージ１３で集光レンズ１１の光軸方向位置を調整する代わりに、ステージ１３で前記追加した透過光学素子の光軸方向位置を調整するようにしてもよい。

また、例えば、第１の実施の形態において、前記第２の集光光学系を、集光レンズ１１及び放物面鏡１２の代わりに、楕円面鏡及び正又は負の比較的小さい屈折力を有する透過光学素子（例えば、凸レンズ又は凹レンズ）で構成し、ステージ１３で集光レンズ１１の光軸方向位置を調整する代わりに、ステージ１３で前記透過光学素子の光軸方向位置を調整するようにしてもよい。この場合、例えば、前記楕円面鏡の第１焦点が前記集光レンズ１０の後側焦点から光軸方向へずれた位置に位置するように前記楕円面鏡を配置し、前記透過光学素子を前記第１焦点と前記楕円面鏡との間に配置し、テラヘルツ光検出器６の有効受光領域を前記楕円面鏡の第２焦点に配置すればよい。

また、前述した各実施の形態は、本発明を時系列変換テラヘルツ分光装置に適用した例であるが、本発明は、他のテラヘルツ分光装置や、テラヘルツ光を用いたその他の測定装置にも適用することができる。

試料がない場合の、従来の測定装置における第２及び第３の放物面鏡の付近のテラヘルツパルス光の様子を模式的に示す図である。 試料を配置した場合の、従来の測定装置における第２及び第３の放物面鏡の付近のテラヘルツパルス光の様子を模式的に示す図である。 図２中の試料付近のテラヘルツパルス光の光線の様子を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態による測定装置の第１の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による測定装置の第２の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による測定装置の第３の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による測定装置の第４の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による測定装置の第５の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 図９に引き続く概略フローチャートである。 リファレンス測定で得られる時系列波形及び試料予備測定で得られる時系列波形の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による測定装置の第６の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第２の実施の形態による測定装置の第７の測定モードの動作を示す概略フローチャートである。 本発明の第３の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。 図１５は、本発明の第４の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態による測定装置を模式的に示す概略構成図である。

符号の説明

１ フェムト秒パルス光源
２ ビームスプリッタ
３ テラヘルツ光発生器
４ 可動鏡
６ テラヘルツ光検出器
７ 制御・演算処理部
８ 光路長可変用ステージ
９，１２ 放物面鏡
１０，１１ 集光レンズ
１３ ステージ（位置調整機構）

Claims (10)

1. テラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、テラヘルツパルス光を検出するテラヘルツ光検出器と、前記テラヘルツ光発生器から発生したテラヘルツパルス光を集光させる第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系により集光された後に発散するテラヘルツパルス光を前記テラヘルツ光検出器に集光させる第２の集光光学系と、を備え、試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置されて、前記試料を透過したテラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器により検出される測定装置であって、
   前記第１及び第２の集光光学系のうちの少なくとも一方の集光光学系が、正又は負の屈折力を有する少なくとも１つの光学素子を含み、
   前記少なくとも１つの光学素子の光軸方向位置を調整する位置調整機構を備えたことを特徴とする測定装置。
2. 前記試料を透過したテラヘルツパルス光が前記テラヘルツ光検出器に合焦する方向に前記位置調整機構を制御する制御部を、備えたことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記制御部は、前記試料の厚みと屈折率とに応じて前記位置調整機構を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
4. 前記制御部は、前記試料を透過したテラヘルツパルス光の前記テラヘルツ光検出器に対する合焦状態が、前記試料がない場合の前記テラヘルツ光検出器に対するテラヘルツパルス光の合焦状態と同じになるように、前記位置調整機構を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の測定装置。
5. 前記テラヘルツ光発生器は、自身に入射されるポンプパルス光に応答してテラヘルツパルス光を発生し、
   前記テラヘルツ光検出器は、自身に入射されるプローブパルス光に応答してテラヘルツパルス光を検出し、
   前記ポンプパルス光の光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変え得るようにする光路長可変部を、備えたことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
6. 前記テラヘルツ光発生器は、自身に入射されるポンプパルス光に応答してテラヘルツパルス光を発生し、
   前記テラヘルツ光検出器は、自身に入射されるプローブパルス光に応答してテラヘルツパルス光を検出し、
   前記ポンプパルス光の光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変え得るようにする光路長可変部を、備えたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の測定装置。
7. 前記試料がない状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第１の時系列波形取得手段と、
   前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第２の時系列波形取得手段と、
   前記第１の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークと前記第２の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークとの間の時間差に基づいて、前記少なくとも１つの光学素子の移動量を演算する演算手段と、
   を備え、
   前記制御部は、前記演算手段により得られた移動量に従って前記位置調整機構を制御することを特徴とする請求項６記載の測定装置。
8. 前記試料の代わりに参照用試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第１の時系列波形取得手段と、
   前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号に基づいて、前記テラヘルツ光検出器に入射するテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得る第２の時系列波形取得手段と、
   前記第１の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークと前記第２の時系列波形取得手段により得られた時系列波形のピークとの間の時間差に基づいて、前記少なくとも１つの光学素子の移動量を演算する演算手段と、
   を備え、
   前記制御部は、前記演算手段により得られた移動量に従って前記位置調整機構を制御することを特徴とする請求項６記載の測定装置。
9. 前記制御手段は、（i）前記試料が前記第１の集光光学系による前記テラヘルツパルス光の集光位置付近に配置された状態で、前記光路長可変部により前記ポンプパルス光の前記光路の光路長と前記プローブパルス光の光路の光路長とを相対的に変えながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、前記光路長可変部により前記各光路の光路長を当該検出信号が最大となるような光路長に固定し、（ii）この固定状態において、前記位置調整機構により前記光学素子を移動させながら得られる前記テラヘルツ光検出器からの検出信号をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、当該検出信号が最大となるような位置に前記光学素子が位置するように前記位置調整機構を制御することを特徴とする請求項６記載の測定装置。
10. 前記少なくとも１つの光学素子は、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、石英、サファイア、シリコン、ガリウム砒素、ＭｇＯ、Ｇｅ及びダイヤモンドのうちのいずれかの材料で構成されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の測定装置。

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