JP2007538243A - 試料を調査するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

ビーム放射の源；その試料によって反射させられた放射のビームを検出するための検出器及び源と検出器との間におけるそのビームを操作するための光学的なサブシステム：を含む試料を調査するための装置であって、その光学的なサブシステムは、ある与えられた立体角内でその源のビームを角度的に偏向させるための使用において配置された第一の光学的な素子、及び、第一の光学的な素子からのビームを実質的に平坦な像平面の上へ集束させるために配置された第二の光学的な素子を含むと共に、その試料によって反射させられた放射は、その検出器へ第一の及び第二の光学的な素子を逆戻りに通過する。

Description

この発明は、試料を調査すると共に結像させる分野及びまた結像させる方法に関係する。より具体的には、本発明は、そのスペクトルの赤外の及びマイクロ波の部分を部分的に覆う範囲における周波数を使用する、このような装置に関係がある。この周波数の範囲は、いわゆるテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数の範囲を包含すると共に、しばしば、テラヘルツ放射と称される。

テラヘルツ放射は、大体、２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における周波数、特に、５０ＧＨｚから８４ＴＨｚの範囲におけるそれらの周波数、より詳しくは、９０ＧＨｚから５０ＴＨｚまでの範囲におけるもの、及び、特に、１００ＧＨｚから２０ＴＨｚまでの範囲におけるものに等しい。

最近、医用の及び非医用の使用の両方についての結果を約束することを示しているＴＨｚパルス結像（THz pulse imaging）（ＴＰＩ）にかなりの関心がもたれてきた。ＴＨｚ放射は、非イオン化の放射である。従って、良好に確立されたｘ線の技術よりも医学的により安全であることは、信じられることである。また、使用されたより低いパワーレベル（ｎＷからμＷ）は、加熱する効果が、例えばマイクロ波との場合であることもあるもののように、問題のあるものではないことを、提案する。ＴＨｚパルス結像は、試験の下での試料の周波数依存性の吸収の特性を探るためには、単一のパルス内の複数の周波数を使用する。

Ｔｈｚの連続波の結像系は、また、知られる、例えば、英国特許第２３５９７１６号明細書（特許文献１）を参照のこと。

一般には、許容可能な信号対雑音比を維持するためには、結像器（imager）の系の結合構造は、透過に基づいた系については、試料が存在しないとき、放射の放出体（emitter）から検出器までの直接的な光路がある（例えば、図２を参照のこと）と共に、反射の系については、放射の検出器が、鏡面で反射させられた放射を直接的に遮るように設計される（図３を参照のこと）ようなものである。

上の設計の制約は、直接的に透過させられた又は鏡面で反射させられた放射が、検出器で検出されることは決してないと、その放出された放射ビームを、速い移動する鏡によって、単純に操縦することができないことを意味する。付加的に、このようなアプローチは、像平面の湾曲に帰着するであろうが、それは、相応じて結像することを複雑にするであろう。

既存の走査結像系は、結像するビームを通じて試料を移動させるか、又は、集束の光学部品を横方向に移動させるか、いずれかである。後者のアプローチは、英国特許第２３７１１１１号明細書に記載される。しかしながら、これらの方法の両方は、相対的に大きい及び大質量の対象の往復運動する移動を要求するが、それは、それによって、像を獲得することができる速度に制限を置く。

集束の光学部品の回転は、また、全体の対象を結像させるためには、それら光学部品及び／又はその試料の横方向の並進によって後に続けられた、相対的に大質量の対象の急速な移動を要求するであろう。付加的には、このようなアプローチは、走査の間にエリアを再度走査する傾向があるが、それによって、その系の効率を〜５０％と同じ位低いものまで低減する。

電磁放射は、波の現象であると共に、よって、それは、位相及び振幅の両方によって特徴付けられる。このように、その試料に関する情報を、使用される結像する放射の振幅及び位相における変化を測定することによって測定することができる。その位相は、その放射の伝播の経路の長さ又は伝播の時間に関係付けられる。

結像が、このような固有に位相に敏感な技術によってなされるので、先行技術の結像系は、また、その位相が、結像の獲得時間を改善することができる代替の方式として走査されることもある速度を増加させることに、焦点が合わせられてきた。

多数のＴＨｚ結像系は、位相の情報を獲得するために（電荷／質量（e/m）スペクトルの可視の領域における）光学的な遅延線に頼る。可視の光学部品が、ＴＨｚの光学部品よりも、より小さいものであると共により軽いものであるので、その位相の走査は、通常、その試料の又はそのビームの走査よりも、より容易であると共により速いものである。その結果として、このような系は、固定された場所における位相のデータの組みを、第二のデータの組みを獲得するために第二の場所へ進行する前に、獲得する傾向がある。これは、特定の場所でその試料の奥行きを通じて走査することに等しい（即ち、その結像ビームの軸に沿ったその試料の区画が走査される）。従って、固定された奥行きにおける、そのビームに対して垂直に走査するための能力は、有益なものであるであろう。
英国特許第２３５９７１６号明細書

従って、本発明の目的は、先行技術と関連した問題のいくつかを軽減する又は部分的に減弱することである。特に、本発明の目標は、試料の急速な走査を許容する装置を提供することである。

本発明の第一の態様に従って、提供されるものは、ビーム放射の源；その試料によって反射させられた放射のビームを検出するための検出器；及び、源と検出器との間におけるそのビームを操作するための光学的なサブシステム：を含む、試料を調査するための装置であるが、そこでは、その光学的なサブシステムは、ある与えられた立体角内で、その源のビームを角度的に偏向させるための使用において配置された第一の光学素子及び第一の光学素子からのビームを実質的に平坦な像平面の上へと集束させるために配置された第二の光学素子を含むと共に、そこでは、その試料によって反射させられた放射は、その検出器へ第一の及び第二の光学素子を通じて逆戻りに通過する。

本発明の第一の態様に従った発明は、大きい及び大質量の対象の並進又は回転についての要件無しに、その照射する源のビームを走査することが可能な光学的なサブシステムを含む装置を提供する。その源のビームの位置は、それが、その試料を走査するとき、その源のビームを、その試料又はその集束の光学部品のいずれかを、その試料を走査するためには、それらの全体において移動させることが、必ずしも必要なことではないように、角度的に偏向させることが可能なものである、光学的なサブシステム内の第一の光学素子によって、有効に決定される。その結果として、たった一つの光学素子は、ビームを操縦する際に伴われると共に、従って、そのビームを、先行技術のサブシステムにおけるものよりも、より有効に且つより急いで走査することができる。

そのサブシステムにおける第二の光学素子は、その角度的に偏向させられた源のビームを、実質的に平坦な像平面へと集束させるために役に立つ。結果として、その試料内におけるある固定された奥行きで試料の結像を行うことは、可能なことである。

その試料によって反射させられた放射は、その検出器へその光学的なサブシステムを逆戻りに通過するが、それによって、上に述べた結像器の系の結合構造と同じ様になる。

本発明の第一の態様に従った発明は、その試料からの反射させられた放射を検出することによって、調査の下でその試料を結像させる。しかしながら、放射は、また、その試料を透過させられることもあると共に、従って、本発明の第二の態様において、ビーム放射の源；その試料を透過させられた放射のビームを検出するための検出器；及び、源と検出器との間のビームを操縦するための光学的なサブシステム：を含む、試料を調査するための装置が、提供されるが、そこでは、その光学的なサブシステムは、ある与えられた立体角内でその源のビームを角度的に偏向させるための使用において配置された第一の光学素子；第一の光学素子から実質的に平坦な像平面へとそのビームを集束させるために配置された第二の光学素子；及び、透過させられた放射をその検出器へと方向付けるために配置されたさらなる光学素子を含む。

本発明の第二の態様に従った発明は、透過させられた放射について構成される。従来、そのさらなる光学素子は、第一の及び第二の光学素子の複製である第三の及び第四の光学素子を含む、即ち、その像平面について、第三の光学素子は、第二の光学素子の鏡像であると共に、第四の光学素子は、第一の光学素子の鏡像であるが、第二の及び第三の光学素子は、等価なものであると共に第一の及び第四の光学素子は、等価なものである。

［注：疑義の回避のために、本発明の第一の及び第二の態様の両方のさらなる特徴は、以下に議論されるものである］
ＴＨｚ結像は、固有に位相に敏感なものであると共に、それで好ましくは、その検出器は、その放射の位相に依存性の量における変化を測定する。これは、位相それ自体の直接的な測定、又は、その試料を透過させられる若しくはその試料から反射させられる電場の測定であるかもしれないと共に、それの振幅は、位相に依存性のものなどであることになる。

その検出器が、その試料を照射する放射に関して位相に依存性の量を検出することができるものであるためには、その検出器は、その試料を照射する放射の位相についての情報を知る何らかの方式を有することが必要である。これを達成するための便利な方式は、その検出器が、その試料を照射するために使用される放射のものに関係付けられた位相を有するプローブビームを受容することである。

そのプローブビームを、入力ビームの一つ若しくはより多くを分割することによって、得ることができるであろう、又は、それを、その試料を照射するために使用されたテラヘルツビームを分割することによって、提供することができるであろう。その検出器は、そのプローブビームを直接的に検出することができるであろう、又は、そのプローブビームを、検出より前にその試料を透過させられてきた若しくはその試料から反射させられてきた放射と組み合わせることができるであろう。それら二つのビームのこの組み合わせを、混合する成分を使用することによって、達成することができるであろう。

その位相に依存性の量を検出するためには、その装置は、さらに好ましくは、位相制御手段を含むが、それを、そのプローブビーム又はその試料を照射する放射のビームの位相を制御するために使用することができる。それら位相制御手段は、その照射する放射の経路の長さに関するプローブビームの経路の長さを変動させる光学的な遅延線によって提供されることもある。もちろん、その照射する放射の経路の長さを、その同じ結果を達成するために、プローブビームの経路の長さに関して変動させることができるであろう。

そのプローブビームの経路の長さを、その検出された放射の位相に関係する情報を得るための結像工程の間に変動させることができる。

便利に、第一の光学素子は、リズレー（Risley）（又はハーシェル（Herschel））プリズムである。このようなデバイスは、眼科医に対して周知のものであると共に等しいパワーの二つの薄いプリズムを含むが、それらは、光ビームの経路に直列に置かれる。このようなデバイスの動作は、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｒａｎｃｉｓ Ａ．Ｊｅｎｋｉｎｓ；ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ−Ｅｕｒｏｐｅ−Ｐａｐｅｒｂａｃｋ−Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９７６；Ｐａｇｅｓ３２−３３）において、及び、また、国際公開第９２０３１８７号パンフレットにおいてもまた、議論される。リズレープリズムは、基本的には、可変なパワーの単一のプリズムに等しいと共に、それの二つの構成要素のプリズムの正確な配向に依存して、その光ビームを、ある一定の立体角内で偏向させることができる。

それら二つのプリズムは、各々のプリズムの頂角を二等分する平面が、本質的には平行なものであるように、配置される。入射の光は、それが、これらの平面に対して実質的に垂直なものであるように、プリズムの配置へと突き当たる。それら二つのプリズムが、それらの薄い端部が、一緒にあるように、配置されるとき、そのときは、最大の偏向（各々の個々のプリズムの偏向の大体二倍）が、生ずることになる。それらプリズムが、薄い端部が、相互に対向するように、配置されるとき、そのとき、その光は、実質的に逸脱させられないことになる。相互に相対する二つのプリズムの正確な配向を変動させることによって、その入射の光ビームは、最大の偏向によって定義された立体角内のいずれの方向にも偏向させられることもある。通常、摩擦の効果を回避するための及び引っ掻きを予防するためのそれら二つのプリズムの間に小さい空隙があることになる。

そのリズレープリズム素子の個々のプリズムの一方又は両方は、回転可能なものであることもある。好ましくは、万一両方のプリズムが、回転する場合には、それらは、便利に、相互に独立して、回転することができる。しかしながら、そのリズレープリズムデバイスの個々のプリズムを、また、具体的に配向させられた走査を行うために、互いに機械的に動かなくすることもできる。

便利に、それらプリズムを、その試料を横切った走査ビームの横方向の移動から螺旋の走査まで多種多様な走査モードを提供するために、回転させることができる。

それらプリズムを、歯車の歯、ベルト、又は歯形メルトのデバイスを含むいずれの便利な手段によっても回転させることができる。その駆動機構は、便利に、ＤＣモーターであることもある。好ましくは、その駆動機構は、その駆動モーターそれ自体を形成するための、及び、コンピューター制御下にあるための、プリズムホルダー用のものである。このような配置は、小型の、効率的な、及び、用途の広いものである。

第二の光学素子は、便利には、テレセントリックレンズである。このようなレンズを、光学素子又は非球面のもの、ＧＲＩＮ、又はフレネル（Fresnel）のもののようなレンズのいずれの適切な組み合わせから作ることができる。ＴＨｚ結像のためには、適切な光学材料は、ＨＤＰＥ、ＴＰＸ、ｚ−切断された石英、又はシリコンを含む。

あるいは、平坦な視野レンズが、第二の光学素子として使用されることもある。

検流計、回動する鏡、回動する多角形、又は、音響光学的な若しくは電気光学的な変調器のような固体状態のデバイスを含む、他のデバイスを、そのビームを角度的に走査するために、使用することができるであろう。

あるいは、そのリズレープリズムを、分散性のプリズム又は回折格子と取り替えることができるであろう。このような場合には、その放射の角度的な分布は、周波数のある関数であるであろうし、且つ、その空間的な分布を、時間的な追跡のフーリエ（Fourier）変換によって、分析することができるであろう。この構成におけるデータ分析が、上の他の素子のいずれかを使用することよりも、より集約的なものであろうとはいえ、それは、移動する部分が無いことの利益を有するであろう。

本発明の第三の態様において、提供されるものは、２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における周波数を備えた放射の源でその試料を照射するステップを含む、試料を調査するための方法であるが、その放射は、その試料を通じて平面内のいずれの与えられた点にも集束させられることが可能な放射であり、前記の平面は、その照射する放射の方向に対して実質的に垂直なものであると共に、その方法は、その試料から反射させられた又はその試料によって透過させられた前記の放射を検出するステップを含む。

上の方法に従って、調査されるものである試料を、固定された奥行きに結像させることができる。好ましくは、上に記載したような光学的なサブシステムは、その照射する放射を操縦するために、使用される。便利には、このようなサブシステムは、また、その試料にわたる照射するビームの急速な走査を許容する。

今、本発明を、以下に続く非限定的な好適な実施形態を参照して、記述することにする。

図１へ戻ると、ＴＨｚ結像系用の典型的な構成の概略が、示されるが、それには、放射が、ＴＨｚ発生器１から発生させられる。ＴＨｚ発生器１は、０．０２５ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲におけるテラヘルツ放射を発生させる（その発生させられた放射は、この範囲における複数の周波数を含むパルス又代わりに単一の周波数における放射の連続波のビームであることができるであろう）。発生器１から放出されたＴＨｚ放射は、試料３を照射する。

発生器１から放出された放射のビームは、ｘ及びｙ方向において試料３を横切って移動させられることが可能なものである。ｘ及びｙ方向は、二つの直交する方向として取られるが、それらは、源１からの入射の照射する放射の経路に対して実質的に垂直なものである。

試料３は、放射を透過させる及び反射させることの両方であることになる。図１
の具体的な例において、その試料は、放射を反射させることが示されるのみであると共に、反射させられた放射のみが、検出されることになる。しかしながら、透過の測定は、可能なことである。

その反射させられた放射は、検出器５によって検出される。光学部品４及び４’は、源１から試料３まで放出された放射を、及び、試料３から検出器５まで反射させられた放射を、案内する。

検出器５は、試料３から放出された放射の振幅及び位相の両方を検出するために、使用される。これをするためには、その検出器（又はその検出器への入力）と発生器１又は発生器１からの入力／出力との間に提供された位相結合／制御手段７がある。この位相制御／結合手段は、その源のビームに相対して変動させることができる位相の入力に対応するパラメーターをその検出器に提供することになるか、又は、それが、その検出器の入力へ供給されることになるプローブビームに関してその源のビームの位相を変動させることになるか、いずれかである。

典型的には、結像させる放射のものに対して知られた位相の関係を備えたビーム、‘プローブビーム’９は、位相結合／制御手段７の中へ供給される。その位相結合制御手段は、典型的には、可変な光路の線を含むことになるが、それは、変動させられるものであるプローブビームの経路の長さを許容することになる。

多数の場合において、そのプローブビームは、試料３によって反射させられる（又は試料３を透過させられる）ＴＨｚ放射と組み合わせられることになる。一つの特に普及している方式は、電気光学的サンプリング（electro-optic sampling）（ＥＯＳ）を使用することであるが、それの詳細な説明は、出願人の特許出願、英国特許／出願第２３５９７１６号に含有される。

代替の検出技術は、Ｍａｒｔｉｎ ｖａｎ Ｅｘｔｅｒ ａｎｄ Ｄａｎｉｅｌ Ｒ．Ｇｒｉｓｃｈｋｏｗｓｋｙ，ＩＥＥＥ．ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ １９９０によって記載されたような光導電性の検出である。

図２は、より詳細にＴＨｚ結像系の構成部品を示す。この図は、ＴＨｚ源１１、光学的なサブシステム１３、試料１５、及び検出器１７を含む系を示す。自由選択で、その系は、参照窓１９を含むことができるが、それは、試料１５に近接近で、又は、試料１５との直接的な接触で、位置させられる。その参照窓を、その検出された放射を遮ることを助けるための知られた特徴として使用することができると共に、その光学的なサブシステム及び他の系の素子用の保護をもまた提供することができる。いくつかの配置において、その参照窓は、その試料が様々な特別な雰囲気の下で探られることを許容するためには、試料の囲い込みの手段の中へ組み込まれる。

ＴＨｚビーム２１の経路は、放出体１１から検出器１７まで示される。図１に示された構成が、反射に基づいた系に関係することは、理解することができるものである。

対象１５を走査するためには、先行技術の系は、（図１を参照して示唆されるように）試料１５を一般に移動させてきたか、又は、その全体の結像系（１１，１３，１７）を移動させてきたか、いずれかである。いずれかの場合において、これは、相対的に大質量の対象を移動させることを伴うが、それは、その試料を横切る走査スピードを限定する。

図３は、透過に基づいた系を示す。図２に示された系と比較された同様の特徴は、同様の数字で描かれる。この構成において、その放出されたビームは、検出器１７まで試料１５を通過する。ビームの走査が、要求されるとすれば、そのときは、上で述べたものと類似の考慮が、当てはまる。

図４ａは、ＴＨｚ源２３、検出器２５、及び、走査されるものである対象２７を含む、本発明に従った実施形態を示す。ビームの位置決めは、光学的なサブシステム（２９，３１）によって達成されるが、それは、二つの素子、いわゆる、リズレープリズム２９及びテレセントリックレンズ３１を含む。そのリズレープリズムは、当技術において知られたデバイスである（例えば、国際公開第９２／０３１８７号パンフレットを参照のこと）と共に、一般に一対のプリズム２９ａ，２９ｂを含む。ビームスプリッター３３は、検出器２５へ放射を方向付けるために、使用される。

リズレープリズム２９を含むプリズムの対は、個々のプリズム（２９ａ及び２９ｂ）の頂角を二等分する平面が、相互に対して実質的に平行なものであると共にその入射の放射の方向３５に対して実質的に垂直なものであるように、その放出された放射の経路において、直列に搭載される。

使用において、放出された放射は、リズレープリズム２９に入射するものである。そのリズレープリズムのプリズムの一方又は両方を、その放出された放射ビームを角度的に偏向させるためには、軸まわりの回転させることができる。それら二つのプリズムについての回転軸は、通常では、一致するものであると共に、その入射の源の放射の方向に対して平行なものである（以後においては、この軸は、“回転軸”と称されることになる）。

そのリズレープリズムとの相互作用の後に続けて、そして、逸脱させられたビーム３７は、第二の光学素子３１、そのテレセントリックレンズに入射するものである。テレセントリックレンズ３１は、その逸脱させられたビームを（その試料が位置させられるとことである）像平面３９上へと集束させる。レンズ３１は、実質的に平坦な像平面３９を生じさせる。

プリズム２９ａ及び２９ｂの相対的な位置が変化すると、そのビーム３７の角度的な逸脱は、変化する。この逸脱された放射が、レンズ３１に入射する位置は、従って、移動すると共に、その結果として、その焦点は、像平面３９における異なる位置へ移動するが、それは、試料２７を通じた平面の断面が、結像させられることを許容する。

その試料から反射させられた放射は、レンズ３１及びプリズム２９を通じてビームスプリッター３３へ逆戻りに通過するが、そこでは、それは、検出器２５へと方向付ける（それは、この例では、軸外の場所に位置決めされる）。

上の述べられたように、そのテレセントリックレンズは、ＴＨｚの源のビームの角度的な逸脱を、平坦な像平面の集束させられたビームの横方向の掃引へと、転換することになる。ＴＨｚの源のビームの軸及びそのテレセントリックレンズのものが、（この図における場合であるように）一致するとすれば、そのとき、反射させられた放射は、その源のビームの経路に沿って逆戻りにたどる。これは、そのビームスプリッターが要求されるわけである。しかしながら、ＴＨｚの源のビームが、そのテレセントリックレンズに関してオフセットされるとすれば、そのとき、そのビームは、その像平面へ一定の角度で集束させることになると共に、その反射させられた光は、光学的な系を通じた経路を逆戻りにたどることになるが、しかし、そのＴＨｚの源のビームから派生することになる。

図４ａに示された構成の例は、そのテレセントリックレンズとして、ある平面−球面のシリコンのレンズ（曲率半径１２１．７２ｍｍ，２５ｍｍの厚さ）を使用して構築された。そのリズレープリズムは、テレセントリックレンズから４３．４ｍｍ（リズレープリズムにおけるそのシリコンのレンズの前方の面からそのプリズム２９ａの表面までの距離）に置かれ、且つ、そのＴＨｚビームは、そのレンズの後方から４１．７ｍｍの焦点にもたらされた。そのシリコンのレンズは、２５ｍｍの横方向の走査を生じさせた。直径における２５ｍｍの入力ビームで、そのレンズは、１５３μｍ未満の幾何学的なＲＭＡのスポットの半径を生じさせた。

その構築された例におけるリズレープリズムは、二つの円の７度のくさび形のｚで切られた石英プリズムからなった（直径における３５ｍｍ及び最大の厚さにおける４．５ｍｍ）。石英は、それの低い反射、低い吸収の損失、及び低い分散のために選ばれた。石英は、また、それが、光の可視な波長に対して透明なものであると共に、そして、それの性能を、レーザーダイオードで容易に確かめることができるという利点を有する。それらプリズムは、１４度までの角度的な変位を与えるために、配置された、即ち、２８度の最大の弧を、生じさせることができた。

それらプリズムの面は、干渉の反射を最小にするために隣接したものであるために、配置された。

図４ｂは、図４ａに描かれたものに類似の配置を示す。しかしながら、図４ｂにおいて、それら光学部品は、（図４ａの反射の構成に対立するものとして）透過させられた放射を検出するために、構成される。同様の数字は、同様の特徴を表示する。

光学部品のさらなる組みが、放射体２３に対してその試料の反対の側に存在するものであることは、図４ｂから理解することができるものである。光学部品のこのさらなる組みは、テレセントリックレンズ３１ａ及びリズレープリズム２９ａを含む（図４ａの配置が、その像平面について反映されてきたことは、図４ｂから理解することができるものである）。

使用の際に、放射体２３からの放射は、図４ａに関係して記載されるように、リズレープリズム２９及びテレセントリックレンズ３１ａを通過する。その試料を透過させられる放射は、そして、第二のテレセントリックレンズ３１ａ（“第三の光学素子”）によって、第二のリズレープリズム２９ａ（“第四の光学素子”）へと、方向付けられる。そして、第二のリズレープリズム２９ａは、検出器２３ａへその受容された放射を方向付ける。

図５は、図４からのリズレープリズム２９ａ及びテレセントリックレンズ３１の配置を、より詳細に示す（同様の数字は、同様の特徴を表示するために使用される）。そのリズレープリズム内の個々のプリズムが、回転すると、その入射の放射ビームは、異なる場所へ角度的に偏向させられる。その図は、三つの光線追跡３７ａ、３７ｂ、３７ｃを示す。その逸脱されたビームが、そのテレセントリックレンズ３１を通過すると、これらの三つの角度的な逸脱は、像平面３９における異なる場所（それぞれ、４１ａ、４１ｂ、及び４１ｃ）へ転換させられる。

図６ａ、６ｂ及び６ｃは、より詳細に図４及び５に描かれたプリズム２９を示す（再度、図４及び５からの同様の数字は、同様の特徴を表示するために使用される）。この例において、そのリズレープリズム内のプリズム２９ａ及び２９ｂの両方は、その回転軸について回転させることができる。

図６ａにおいて、それら二つのプリズムは、それらの厚い端部が、その図面の上部に一緒にあるように、構成される。二つのプリズムによって生じさせられた逸脱は、（その源からの）ビーム３５が、追跡３７ａによって示されたもののようにページの上部に向かって逸脱させられるように、加わる。

図６ｂにおいて、そのくさびの厚い端部は、今、相互に直接的に対向したものである（即ち、２９ｂの厚い端部は、ページの上部にあると共に、２９ａの厚い端部は、ページの下部にある）。二つのプリズムによって生じさせられた逸脱は、相互に相殺すると共に、ビーム３５は、今、追跡３７によって示されたように、そのプリズムを通じたそれの通過によって、実質的に影響を及ぼされないものである。

図６ｃにおいて、二つのプリズムは、今、それらの厚い端部が、その図面の下部に一緒にあるように、配置される。それら二つのプリズムによって生じさせられた逸脱は、もう一度、加わるが、しかし、このとき、ビーム２５は、追跡３７ｃによってしめされたもののようにページの下部に向かって逸脱させられる。

図７ａ、７ｂ及び７ｃは、そのリズレープリズムの様々な断面及び可能な走査モードを描く。

プリズム２９ａ、２９の一方が、第二のものがその回転軸のまわりに回転させられる一方で、不動の状態に保持されるとすれば、そのとき、出現するビームは、円錐形の掃引を行うことになる。その偏向させられたビームが、スクリーンの上へ投射させられるとすれば、そのとき、そのビームが、その回転軸からオフセットされると共にその不動のプリズムの位置によって決定された角度にある、円を投射することが、理解することになる。一連のこのような円４３は、図７ａに示される。この図（並びに、また、図７ｂ及び７ｃ）において、その回転軸は、そのページの平面に対して垂直なものである。

（円４５によって描かれるような）全体の潜在的な走査のエリアを、急に一方のプリズムを回転させること、及び、（それを不動に保持するとは対立するものとして）遅く他方のプリズムを回転させることによって、走査することができる。この場合には、第一のプリズムによって描かれた、オフセットされた円４３は、それ自体、その回転軸まわりに円において掃引されると共に、その全体のエリア４５を、走査することができる。

図７ｂは、両方のプリズムが、一緒に回転させられる場合を示す。この場合には、円が、再度、生じさせられる。その円の半径は、相互に対するそれらプリズムの相対的な位置によって決定される。

しかしながら、（同じ角度的なスピードで二つのプリズムを回転させる代わりに）二つのプリズムの間で速度のオフセットがあるとすれば、そのとき、そのビームは、螺旋を追跡することになると共に、もう一度、その全体の走査のエリア４５を、走査することができる。

図７ｃは、二つのプリズムの正確な反対方向の回転がある場合を示す。この場合における結果として生じる掃引は、往復運動をする横方向の運動である。それらプリズムの開始する位置に依存して、その横方向の掃引の配向を、変えることができる（追跡４７を参照すること）。もう一度、プリズムの一方が、（正確な反対方向の回転を有する代わりに）わずかに遅延させられるとすれば、そのとき、その横方向の掃引は、一つの掃引から次のものまで回転軸まわりにわずかに回転することになる。この方式では、継続的な掃引は、その全体的なエリア４５を横切ってそれらの道筋を動くことになる。

図７ａ−ｃは、そのリズレープリズムの基本的な作用を記述する。多角形、楕円、及び、三日月形を含む、より複雑なパターンは、可能なものである（例えば、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ：Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＳＰＥ）３７８７，ｐｐ７４−８６，１９９９を参照のこと）。

上に記載された三つのモードは、様々な利点を有する。その螺旋の掃引は、それが、可能な最も大きい円内におけるいずれの与えられた半径の円のエリアをも覆うことができるという利点を有する。横方向の歩行は、最も大きい円の全体的な幅にわたって動き回るものでなければならないが、しかし、単純な一次元の走査を許容するものである。掃引された円は、二つのプリズムが、他の二つのモードにおけるもののような注意深い同期を要求するものでないので、機械的に最も単純なものである。さらには、掃引された円のモードにおいて、プリズムの一つのみが、急に回転させられることを必要とする−第二のプリズムを、より遅く回転させるために、配置することができる−と共に、これは、その系についての機械的な制約をさらに低減する。

上に記載された三つのモードが、主たるモードであるとはいえ、わずかな変動の連続が、それらの間に存在することは、留意されるべきである。

本発明に従ったハーシェル／リズレープリズムの系の利点は、そのリズレー素子を含むプリズムが、連続的に回動させられると共に、それで、先行技術の系としての高い慣性の加速の事項（例えば、鏡の部分組み立て品を傾斜させること）から損害を受けるものではないというものである。さらに、本発明に従った光学的なサブシステムは、先行技術の系と対比して、小型のものである。

図８は、ＴＨｚの結像系を使用して結像させられた対象の典型的な三次元のデータの組みを示す。空間の及び時間の軸は、明確にマークされると共に、時間の軸が、走査する放射の方向に対応すると共にそれでその試料の奥行きに有効に関係することは、留意されるべきことである。４９で示唆された特徴は、その対象内における隠されたプラスチックの爆発性のものに関係する。

上に図１に関連して述べたように、ＴＨｚ結像は、固有に位相に敏感な結像の技術であると共に、多数のＴＨｚの結像系は、位相情報を獲得するための光学的な遅延線に頼る。その遅延線の構成部品が、しばしば、それらＴＨｚ光学部品よりも、より小さいと共により軽いものであるので、その位相を急に走査すると共により徐々に対象又はそれらＴＨｚ光学部品を移動させることは、一般的なことである。

図９ａは、図８の十分になされた走査と比較して、その光学的な遅延線を変動させるデータの位置が、捕捉することになることを示す。その陰影を付けられた領域５１は、その結像する放射の方向に平行な、その試料を通じた二次元のスライスが、この技術を介して結像させられること（注：この陰影を付けられたエリアの全体を結像させるために、その試料又はそれら光学部品のいずれかが、ｙ方向においてわずかに移動させられることが必要であることになること）を示唆する。図９ｂは、この二次元のスライスに関係する処理された像の情報を示す。

図１０ａは、先行技術の結像系を超える本発明の方法及び装置の主要な利点を示す。この場合には、その走査の時間的な奥行きが、（たとえば、一定の経路の長さにその光学的な遅延線を保つことによって）固定されると共に、その結像させる放射に垂直な、断面の走査５３は、その試料を通じてとられる。図１０ｂは、図１０ａの断面の走査に関係する処理された像の情報を示す。

また、本発明の装置及び方法は、限定された試料の厚さにわたって三次元の走査を行うために、使用されることもある。これは、限定されたスペクトルのデータを有する水平の走査を得るためには、（ある一定の試料の厚さに等しい）小さい遅延を通じて結像系の遅延線を走査することによって、達成される。このような三次元の走査の例は、図１１ａ、１１ｂ及び１１ｃに示される。

図１１ａは、その試料における様々な奥行きになされた多くの二次元の断面の走査を示す、ｓ−ｙのスライス５５、５７、５９を参照のこと。これらのスライスからの走査の情報を組み合わせることは、図１１ｂの像に帰着する。

図１１ｃは、このような“限定された奥行きの走査”から得られたスペクトルの情報を示す。爆発性のものの存在は、活性な爆発性のものを含有しない試料から明確に区別可能なものである。

図１２ａ及び１２ｂは、焦点の深度が、ＴＨｚ結像系の分解能について有する効果を示す。図１２ａにおいて、その光学的な遅延の経路を変動させることによって走査する先行技術の系が、示される。ＴＨｚ放射の源のビーム６１は、調査の対象６３の表面に集束させられると共に、屈折の結果として、奥行きｄで結像する対象の表面における効果を、限定された分解能６５まで達成することができるのみであることを、見ることができる。

図１２ｂは、本発明の実施形態を示す。ここで、源の放射６１は、その表面に集束させられるものではないが、しかし、本発明の光学的なサブシステムによって、奥行きｄに集束させられる。奥行きｄにおける対象６３の分解能６６は、今、先行技術よりも、より正確なものである。その対象が、ｎの屈折率を有すると共に空気が、屈折率ｎ＝１を有するので、そのとき、距離ｄだけその対象内でその焦点を移動させることは、集束の光学部品が、距離ｄ／ｎだけ移動させられることを要求するのみであることは、留意されるべきことである。

図１３及び１４は、リズレープリズムの素子の二つのプリズムを駆動するための差動伝動の配置を示す。両方の図において、車軸６９及び７１は、（また示されない）二つのプリズムへの（示されない）伝動の配置によって接続させられる。

車軸６７を、示されたもののように車軸６９及び７１を駆動するためには、時計回りの又は反時計回りの方向のいずれかで駆動することができる。図１３及び１４の例において、その配置は、相互に対して反対の方向において、車軸６９及び７１を駆動するように設定される。二つの別個のはめ歯でのはめ歯７３の置き換えは、車軸６９及び７１が、同じ方向に駆動されることを許容するであろう。

車軸６９及び７１の両方が、駆動されるとすれば、そのとき、車軸７１の移動は、６７及び６９の組み合わせであることになる。これは、従って、二つのプリズムの系の中へ速度のオフセットを導入するであろう。この事例においては、車軸６７又は６９の一方のみが、高いスピードで駆動されることを必要とするであろう。

図１は、典型的なＴＨｚ結像系の概略を示す。 図２は、ＴＨｚ結像系用の典型的な装置の構成を示す。 図３は、ＴＨｚ結像系用の典型的な装置の構成を示す。 図４ａは、本発明に従った（対象からの反射させられた放射を検出するように構成された）結像系を示す。 図４ｂは、本発明に従った（対象からの透過させられた放射を検出するように構成された）結像系を示す。 図５は、より詳細に図４ａの装置のＴＨｚ光学部品を示す。 図６ａは、さらに詳細に図４ａのＴＨｚ光学部品の部分を示す。 図６ｂは、さらに詳細に図４ａのＴＨｚ光学部品の部分を示す。 図６ｃは、さらに詳細に図４ａのＴＨｚ光学部品の部分を示す。 図７は、リズレープリズムの異なる走査モードを示す。 図８は、隠されたプラスチックの爆発性のものを含有する対象の典型的な３Ｄデータの組みを示す。 図９ａは、典型的な先行技術の系からの走査の結果を示す。 図９ｂは、典型的な先行技術の系からの走査の結果を示す。 図１０ａは、本発明に従った系からの走査の結果を示す。 図１０ｂは、本発明に従った系からの走査の結果を示す。 図１１ａは、本発明に従って系からのさらなる走査の結果を示す。 図１１ｂは、本発明に従って系からのさらなる走査の結果を示す。 図１１ｃは、本発明に従って系からのさらなる走査の結果を示す。 図１２ａは、焦点の深度が、ＴＨｚ結像系の解像度において有する効果を示す。 図１２ｂは、焦点の深度が、ＴＨｚ結像系の解像度において有する効果を示す。 図１３は、リズレープリズムの二つのプリズムを駆動するための差動歯車の配置を示す。 図１４は、リズレープリズムの二つのプリズムを駆動するための差動歯車の配置を示す。

Claims (18)

1. 試料を調査する装置であって、
   ビーム放射の源、
   該試料によって反射させられた放射のビームを検出する検出器、及び
   源と検出器との間の該ビームを操作する光学的なサブシステム
   を含む、装置において、
   該光学的なサブシステムは、与えられた立体角内で該源のビームを角度的に偏向させるための使用において配置された第一の光学的な素子及び該第一の光学素子からの該ビームを実質的に平坦な像平面へと集束させるように配置された第二の光学素子を含むと共に、
   該試料によって反射させられた放射は、該第一の及び第二の光学素子を該検出器へ逆戻りに通過する、装置。
2. 試料を調査する装置であって、
   ビーム放射の源、
   該試料を透過させられた放射のビームを検出する検出器、及び
   源と検出器との間の該ビームを操作する光学的なサブシステム
   を含む、装置において、
   該光学的なサブシステムは、与えられた立体角内で該源のビームを角度的に偏向させるための使用において配置された第一の光学的な素子；該第一の光学素子からの該ビームを実質的に平坦な像平面へと集束させるように配置された第二の光学素子；及び透過させられた放射を該検出器へと方向付けるために配置されたさらなる光学素子を含む、装置。
3. 前記さらなる光学素子は、第三の及び第四の光学素子を、前記第一の光学素子及び該第四の光学素子が等価なものであると共に前記第二の光学素子及び該第三の光学素子が等価なものであるように、含む、請求項２に記載の装置。
4. 当該装置は、前記検出器が、前記放射の位相依存性の量を決定するためには、位相制御手段をさらに含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記源を離れる放射のものに関係付けられた位相を有するプローブビームが、前記検出器による検出用の提供される、請求項４に記載の装置。
6. 前記位相制御手段は、前記源と前記検出器との間に、前記プローブビームの光路を変動させる手段を含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記第一の光学素子は、第一のプリズム及び前記源から放出された放射の経路において直列に搭載された第二のプリズムを含むと共に、該プリズムは、該第一のプリズムの頂角を二等分する第一の平面が、該第二のプリズムの頂角を二等分する第二の平面に実質的に平行なものであるように、配置されると共に、該第一の及び第二の平面は、両方とも、前記源から該プリズムに入射する放射の方向に対応する回転軸に対して実質的に垂直なものである、請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 前記プリズムの対の少なくとも一つは、前記回転軸のまわりに回転可能なものである、請求項７に記載の装置。
9. 両方のプリズムは、前記回転軸のまわりに回転の可能なものである、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記プリズムの対は、前記回転軸のまわりに相互に対して回転の可能なものである、請求項９に記載の装置。
11. 各々のプリズムは、プリズムホルダー内で搭載させられると共に、各々のホルダーは、前記プリズムを回転させることが可能な駆動機構の部分を形成する、請求項８、９又は１０に記載の装置。
12. 各々のホルダーは、コンピューター制御の下にある、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第二の光学素子は、テレセントリックレンズを含む、請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記テレセントリックレンズは、前記共通の軸と一致したものである、対称的な軸を有する、請求項１３に記載の装置。
15. 請求項１乃至６のいずれかに従属するとき、前記第一の光学素子は、回折格子又は分散性のプリズムを含む、請求項１３又は１４に記載の装置。
16. フーリエ変換によって、検出された放射を分析する手段をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
17. 試料を調査する方法であって、
    ２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における周波数を備えた放射の源で該試料を照射するステップを含み、
    該放射は、該試料を通じた平面内のいずれの与えられた点でも集束させられることが可能なものであり、該平面は、該照射する放射の方向に対して実質的に垂直なものであると共に、
    当該方法は、該試料から反射させられた又は該試料によって透過させられた該放射を検出するステップを含む、方法。
18. 前記源からの照射する放射は、該放射を角度的に偏向させる光学的なサブシステムを通過すると共に、そして、それを平坦な像平面へと集束させると共に、
    前記試料から検出された放射は、前記光学的なサブシステムを介して前記検出器へ戻る、請求項１７に記載の試料を調査する方法。

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