JP2012122981A - 電磁波イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定物内の線状領域に直交する方向において、複数個所のイメージングを同時に行う技術が望まれる。
【解決手段】 第１の光学系が、パルス状の検出用電磁波を被測定物に照射し、透過、又は反射した前記検出用電磁波を電気光学結晶に入射する。第２の光学系が、検出用電磁波のパルス面に対して、プローブ波のパルス面を傾斜させて、プローブ波を電気光学結晶に照射する。電気光学結晶を透過したプローブ波をカメラで検出する。第１の光学系又は前記第２の光学系は、検出用電磁波のパルス面とプローブ波のパルス面とに直交する仮想平面内において、検出用電磁波またはプローブ波のビーム断面を複数の単位領域に区分し、単位領域を通過するビームの光路長を相互に異ならせる補償光学部材を含む。補償光学部材は、電気光学結晶の表面と、前記仮想平面との交線方向の複数個所で、検出用電磁波のパルス面とプローブ波のパルス面との位相ずれを補償する。
【選択図】 図１

Description

本技術は、２つの電磁波を用いる電磁波イメージング装置に関する。例えば、テラヘルツ電磁波を用いて対象物の非破壊検査を行う技術が知られている。

電磁波を用いて対象物を観察する方法が、種々知られている。例えば、可視光を用いて視認通りのデータを得る方法、Ｘ線を用いて視認できない内部の構造を観察する方法がある。

テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、周波数１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長３０μｍ〜３ｍｍの領域に存在する電磁波であり、プラスチック、布、紙、半導体などを透過し、且つ物質固有の吸収スペクトルを有する。このため、テラヘルツ波を利用して、物性分析や検査、透視イメージングなどを行うことが可能であり、応用技術が開発されつつある。なお、テラヘルツ波領域に対しても、光軸、偏光子、検光子等、光に対する用語を用いることがある。

非破壊で成分分析イメージングが可能なため、従来の内部透視手段（Ｘ線、超音波他）に替わる成分分析型内部透視手段として期待されている。最近のテロ対策や犯罪対策として、空港手荷物検査における爆発物（プラスチック爆弾、引火性液体他）、あるいは郵便封書内の禁止薬物（麻薬、覚醒剤他）、といった従来のＸ線検査では検出不可能であった測定対象に対して、特徴的なＴＨｚ吸収を利用したテラヘルツ分光イメージングの利用が提案されている。

パルス状テラヘルツ波とプローブパルス光とを電気光学（ＥＯ）結晶に非共軸で入射し、プローブパルス光の像をデジタルカメラで撮像し、テラヘルツ時間波形をシングルショットで計測する手法が提案されている。

また、パルス状テラヘルツ波とプローブパルス光とを電気光学（ＥＯ）結晶に共軸で入射させる手法も提案されている。この手法では、プローブパルス光の強度のピーク位置をつないだ面（パルス面）を、テラヘルツ波のパルス面に対して傾斜させている。一方のパルス面を他方のパルス面に対して傾斜させることにより、非共軸の場合と同じ効果が得られる。

ＷＯ２００６／０８５４０３号 特開２００８−９６２１０号公報

非共軸光学系を用い、検出用電磁波を線状に集光して被測定物に当て、イメージング用電磁波を非共軸で用いて測定する方法では、線状領域に直交する方向の情報を得るのに、走査が必要である。線状領域に直交する方向において、複数個所のイメージングを同時に行えれば、効率的となる。

本発明の一観点によると、
電気光学結晶と、
パルス状の検出用電磁波を被測定物に照射し、透過、又は反射した前記検出用電磁波を前記電気光学結晶に入射する第１の光学系と、
前記検出用電磁波のパルス面に対して、イメージング用のパルス状プローブ波のパルス面を傾斜させて、前記プローブ波を前記電気光学結晶に照射する第２の光学系と、
前記電気光学結晶を透過した前記プローブ波を検出するカメラと
を有し、
前記第１の光学系又は前記第２の光学系は、前記検出用電磁波のパルス面と前記プローブ波のパルス面とに直交する仮想平面内において、前記検出用電磁波または前記プローブ波のビーム断面を複数の単位領域に区分し、前記単位領域を通過するビームの光路長を、前記単位領域ごとに異ならせる光学部材であって、前記電気光学結晶の表面と、前記仮想平面との交線方向の複数個所で、前記検出用電磁波のパルス面と前記プローブ波のパルス面との位相ずれを補償する補償光学部材を含む電磁波イメージング装置が提供される。

補償光学部材により、複数個所で位相ずれが補償されるので、複数個所のイメージングを同時に行うことができる。

図１は、実施例１の具体例１によるテラヘルツ波イメージング装置を示す概略断面図である。 図２Ａは、階段状の透明ブロック１０の構成と機能を示す拡大断面図、図２Ｂは、デジタルカメラ６の撮像面上における階段状の透明ブロック１０に対応する領域を示す平面図である。 図３は、実施例１で用いられる透明ブロック１０の各部寸法を例示する斜視図である。 図４は、実施例１の具体例２による、テラヘルツ波イメージング装置を示す概略断面図である。 図５Ａ、５Ｂは、実施例２の具体例１、２によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図、図５Ｃは、実施例２の具体例３を示す断面図である。 図６は、実施例３によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図である。 図７Ａ、７Ｂは、実施例４によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図、及びそこで用いるｘ方向段透明ブロック１５の構成を概略的に示す断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、デジタルカメラ６の撮像面にイメージングされる画像情報を概略的に示す平面図である。 図９は、実施例４の変形例によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図である。 図１０は、実施例５によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図である。 図１１Ａ、１１Ｂは、実施例５の変形例によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図、およびｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレーの構成を概略的に示す斜視図である。 図１２は、実施例５の更なる変形例によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図である。 図１３Ａ、１３Ｂは、図１２に示す実施例５の更なる変形例に用いるｘ方向段ミラーアレー１７の１単位、ｙ方向段ミラー１２の形状例を示す断面図である。 図１４は、実施例６によるテラヘルツ波イメージング装置を示す概略図である。 図１５は、実施例６によるテラヘルツ波イメージング装置を用いて時間波形を測定する方法を説明するためのテラヘルツ波の波形を示す図である。 図１６は、実施例６によるテラヘルツ波イメージング装置をを用いて測定された撮像面を示す図である。 図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ実施例６の変形例１及び変形例２によるテラヘルツ波イメージング装置の電磁波発生部を示す概略図である。 図１８Ａは、実施例７によるテラヘルツ波イメージング装置の電磁波発生部の概略図であり、図１８Ｂは、時間遅延装置の主要部分の斜視図である。 図１９Ａは、実施例８テラヘルツによるテラヘルツ波イメージング装置の電磁波発生部の概略図であり、図１９Ｂは、時間遅延装置の主要部分の斜視図である。 図２０Ａは、実施例９によるテラヘルツ波イメージング装置の電磁波発生部の概略図であり、図２０Ｂは、時間遅延装置の主要部分の平面図である。 図２１は、実施例１０によるテラヘルツ波イメージング装置の電磁波発生部の概略図である。 図２２は、実施例１１によるテラヘルツ波イメージング装置の概略図である。 図２３は、実施例１２によるテラヘルツ波イメージング装置の概略図である。 図２４は、実施例１２によるテラヘルツ波イメージング装置の透過型回折格子とビーム径路との関係を示す図である。 図２５は、実時間テラヘルツ波イメージング装置の原理ダイアグラムである。

実施例について説明する前に、テラヘルツ波とプローブ波とを非共軸で電気光学結晶に入射させるテラヘルツ波イメージング装置の動作原理について説明する。

図２５は、テラヘルツ波とプローブ波とを非共軸で電気光学結晶に入射させるテラヘルツイメージング装置の原理ダイアグラムである。ｚ方向に進行するパルス状のテラヘルツ波１０１をシリンドリカルレンズ１０８によりｘ軸と平行な線状に集光し、被測定物１１０に入射させる。パルス状テラヘルツ波１０１が被測定物１１０のｘ軸方向に沿う線状領域の情報を担う。なお、パルス状テラヘルツ波を、被測定物中を透過させる代わりに、被測定物で反射させてもよい。深さのある被測定物１１０の線状領域を透過したテラヘルツ波をシリンドリカルレンズ１０９でｘｙ面内で広がりを有する平行光束に戻す。ｘ軸方向の線状領域の情報がｙ方向に拡げられる。

被測定物１１０を透過したパルス状テラヘルツ波を電気光学結晶１０３に入射させる。電気光学結晶１０３は、対象物体を透過したパルス状テラヘルツ波１０１の電場による電気光学効果により複屈折変化を生じる。実線で示した波面（等位相面）は破線で示した波面（等位相面）より時間的に先行している。プローブパルス光１０２を、ｙｚ面内方向で、パルス状テラヘルツ波１０１とは非共軸の配置で、電気光学結晶１０３に入射させる。プローブパルス光１０２は、電気光学結晶１０３中で、パルス状テラヘルツ波１０１起因の複屈折変化の影響を受ける。

非共軸であるため、パルス状テラヘルツ波１０１とパルス状プローブ波１０２の波面が重なるタイミングに時間差が生じ、時間変化がｙ軸方向に表れる。つまり、ｘ軸方向の線状領域の経時変化情報がｙ軸方向に展開される。プローブパルス光１０２の光軸上に、電気光学結晶１０３を挟んで、偏光子１０４と検光子１０５とがクロスニコルの関係で配置される。パルス状テラヘルツ波によって誘起された複屈折変化の影響を受けたパルス状プローブ波１０２を取り出し、結像レンズを含むＣＣＤカメラ１０６で測定する。

パルス状プローブ波１０２の波面とパルス状テラヘルツ波１０１の波面は、交差角θで交差している。パルス状プローブ波１０２の波面から見ると、図２５において、上側でパルス状テラヘルツ波の実線の波面と合致している時、下側ではパルス状テラヘルツ波の破線の波面と合致している。つまり、上側から下側に時間が経過していることになる。

パルス状テラヘルツ波１の進行方向（ｚ軸方向）に展開していた経時変化情報が、電気光学結晶１０３における時間−空間変換により、ｘ軸方向の１次元像と直交する方向（パルス状プローブ波１０２のビーム幅方向に展開される。これを、２次元イメージングデバイスで検出することによって、時間軸（奥行き）方向の情報を得ることができる。干渉分光法同様、経時変化情報をフーリエ変換することによりスペクトルを得ることができる。

２次元イメージングデバイスで得られた２次元イメージング画像の１軸が、テラヘルツパルスの時系列波形の計測用として用られる。他方の１軸が、線集光（ラインビーム）の状態で透過したテラヘルツパルスの１次元イメージング（２次元平面内の一次元イメージング）用として用いている。実空間におけるｙ軸方向に関しては、１ポイントのみの計測となってしまう。ｙ方向に関する情報を得るには、線状集光領域をｙ方向に走査する必要がある。本発明者は、波面を分解することにより、面内情報を同時に計測することを考えた。

［実施例１］
図１は、実施例１によるテラヘルツ波イメージング装置の具体例１の概略図を示す。被測定物検出用のテラヘルツ波１とイメージング用のプローブ波２が電気光学結晶３に非共軸で照射される。電気光学結晶３を透過したプローブ波２をデジタルカメラ６で検出される。テラヘルツ波１の光路となる外気は必要に応じて窒素雰囲気、ないし真空とする。

コリメートされたテラヘルツ波１の光路上に被測定物８を配置して透過光を電気光学結晶３に垂直入射させる。テラヘルツ波１の波面は、電気光学結晶３の表面と平行になる。コリメートされたプローブ波２は、光路長差（位相差）を形成する階段状の透明ブロック１０を介して電気光学結晶３に入射角θで斜め入射する。階段状の透明ブロック１０の階段面（踏み面）の各々は、プローブ波２の進行方向に垂直（波面に平行）である。プローブ波２の進行方向は、電気光学結晶３の表面の法線と角度θを形成し、プローブ波２の波面とテラヘルツ波１の波面は、電気光学結晶３の外で角度θで交差する。プローブ波２の光路上、電気光学結晶３の前後にクロスニコル配置の偏光子４、検光子５が配置されている。

被測定物８を透過して、被測定物８の影響を受けたテラヘルツ波１の電場により、電気光学結晶３が電気光学効果による複屈折変化を生じる。直線偏光のプローブ波２は、電気光学結晶３の複屈折変化により、偏光状態を変化させる（一般的には、楕円偏光になる）。プローブ波２の偏光状態の変化成分のみが検光子５を透過し、結像レンズを含むデジタルカメラ６に入射する。

例えば、共通の光源として、スペクトラフィジックス製、パルスエネルギ１ｍＪ、パルス幅１００ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚのフェムト秒レーザ２０を用いる。フェムト秒レーザ２０の出力をビームスプリッタ２１で分岐し、一方を必要に応じてミラー２２等で光路調整して、プローブ波２とする。他方をＺｎＴｅ電気光学結晶２３を用いたテラゲルツ発生部に照射し、パルス状のテラヘルツ波１を発生させることができる。テラヘルツ波１は、広い波長範囲のテラヘルツ波を含む。パルス状のテラヘルツ波１の時間幅は、１〜２ｐｓｅｃである。

電気光学結晶３は、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍのＺｎＴｅ結晶で形成される。階段状の透明ブロック１０は、例えば波長８００ｎｍで屈折率１．５１のガラス（ＢＫ７）で形成される。他の種類のガラス、波長８００ｎｍで透明な有機樹脂等、他の透明材料を用いてもよい。デジタルカメラ６には、例えば、結像レンズを含み、波長８００ｎｍに感度を有し、画素数５１２×５１２、画素ピッチ２０μｍのＣＣＤカメラが用いられる。結像レンズの倍率は、この場合０．３倍である。

なお、プローブ波２の進行方向逆向きをｚ軸の正方向、幅方向をｙ軸方向、紙面垂直（高さ）方向をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。テラヘルツ波１の進行方向とプローブ波２の進行方向は、ｙｚ面に平行である。すなわち、テラヘルツ波１の波面及びプローブ波２の波面に垂直な平面が、ｙｚ面となる。テラヘルツ波の波面とプローブ波の波面とは、ｙｚ面内において角度θを形成する。

コリメートされたテラヘルツ波１がｙｚ面内で、電気光学結晶３に被測定物８を介して垂直入射する。コリメートされたプローブ波２が−ｚ方向に進行し、偏光子４を介して電気光学結晶３に入射角θで斜め入射する。

本実施例においては、プローブ波２の光路上、電気光学結晶３より上流側に、階段状の透明ブロック１０が配置されている。透明ブロック１０は、屈折率１．０の外気より高い屈折率を有する。図１において、階段状の透明ブロック１０は、下側で光路に沿うｚ方向の寸法（高さ）が高く、ｙ軸方向に沿って、階段的に低くなり、ｘｙ面に平行な階段面（踏み面）がｘ軸方向に延在する。プローブ波２のビーム断面が、ビーム幅方向（ｙ方向）に関して、光路長が相互に異なる複数の領域（単位領域）に区分される。１つの単位領域内では、光路長は均一である。具体的には、−ｙ方向に向かって光路長が階段状に長くなるように、複数の単位領域が形成される。

図２Ａは、階段状の透明ブロック１０の構成と機能を示す拡大断面図である。透明ブロック１０は、ｘｚ面に平行な表面１０Ａと、ｘｙ面に平行な表面（底面）１０Ｂを有し、底面１０Ｂとは反対側にｘｙ面と平行な階段面（踏み面）１０Ｃを有する。踏み面１０Ｃの段数は、例えば５段である。踏み面１０Ｃの間を、ｘｚ面と平行な段差面（蹴上げ面）１０Ｄが接続する。従って、プローブ波２のビーム断面内に、ビーム幅方向（ｙ軸方向）関して光路長が相互に異なる５個の単位領域が形成される。

階段状の透明ブロック１０の高い踏み面１０Ｃ（−ｙ側）を通るほど、光路長が長くなり、波面は遅れる。これにより、＋ｙ側（上側）程波面が進んだ５段の波面ＷＦ１〜ＷＦ５が形成される。電気光学結晶３の表面は、プローブ波２の進行方向に垂直な面から角度θ傾いている。階段状の透明ブロックの各段のｚ方向の段差（蹴上げ面１０Ｄの高さ）は、波面ＷＦ１〜ＷＦ５が、同時に電気光学結晶３に到達するように設計される。これにより、電気光学結晶３の表面とｙｚ面との交線方向の複数個所（５個所）で、テラヘルツ波１の波面とプローブ波２の波面とが一致する（位相ずれが補償される）。

図２Ａは、各波面ＷＦ１〜ＷＦ５の下端が同時に電気光学結晶３に達した状態を示している。波面が進行すると、次第に各波面ＷＦ１〜ＷＦ５の上側部分が電気光学結晶３に到達するようになる。即ち、各単位領域内においては、図２５を参照して説明したように、ｙ軸方向に時間情報が展開されることになる。階段の段数分、ここでは５段、実空間のｙ軸方向に関する位置の情報を測定することができる。

図２Ｂは、デジタルカメラ６の撮像面を概略的に示す。撮像面が、階段状の透明ブロック１０で区分された単位領域に対応するｘ方向に長い５つの矩形領域に分割される。各矩形領域を、セルＣＬ１〜ＣＬ５と呼ぶことがある。各セルの幅方向に９０画素が配置される。各セルの幅方向に並ぶ９０画素がテラヘルツ波１の時間波形を測定する。

図３は、テラヘルツ波１、プローブ波２、電気光学結晶３、デジタルカメラ６、及び階段状の透明ブロック１０の位置関係を示す斜視図である。波長８００ｎｍのプローブ波２に対して、光路長差を形成する透明ブロック１０を、ガラス（ＢＫ７）で形成する。分光イメージングを行う上で、分解能が０．１５ｐｓｅｃ、時間幅が１３．５ｐｓｅｃの時間波形と、分解能が０．０７ＴＨｚ、帯域が３．３３ＴＨｚのスペクトルを得るため、電気光学結晶３に対するプローブ波２の入射角θは、４２．４５°とする。ガラスの透明ブロック１０は、屈折率１．５１、横幅２２．１３ｍｍ、高さ３０ｍｍ、底面から最も高い踏み面までの高さ３９．７１ｍｍであり、各段の波面と平行な踏み面の幅は４．４３ｍｍ、光路方向の段差（蹴上げ面の高さ）は７．９４ｍｍである。波長８００ｎｍのプローブ波２の光路に、このような階段状の透明ブロック１０を配置することにより、被測定物８の幅方向の５点において、同時に、テラヘルツ波１の時間波形を測定することができる。

図４は、実施例１の具体例２を示す。具体例２においては、プローブ波２を電気光学結晶３に垂直入射させ、テラヘルツ波１を電気光学結晶に斜め入射させる。階段状の透明ブロック１０をテラヘルツ波１の光路上であって、電気光学結晶３より上流側、図４では被測定物８と電気光学結晶３との間に配置している。透明ブロック１０は、光路長に差を与えるとい機能の点で、具体例１の透明ブロック１０と同じである。ただし、対象波長がテラヘルツ波であるので、テラヘルツ波における透明材料、例えばポリエチレンで形成する。タイプＩＩのダイヤモンド、Ｓｉ、Ｇｅ等の他の透明材料を用いることも可能である。

テラヘルツ波１は、電気光学結晶３に入射角度θで斜め入射し、透明ブロック１０を配置しない状態では、電気光学結晶３の表面までの光路長は、図４の下側で長く、上側で短くなっている。階段状の透明ブロック１０は、上側で底面から踏み面までの高さが高く、下側で低くなっている。複数の単位領域において、テラヘルツ波１の波面が、電気光学結晶３に同時に到達するように、蹴上げ面の高さが設計されている。各単位領域を透過したテラヘルツ波１の波面は、各単位領域内では上側ほど早く電気光学結晶３に達し、時間経過と共に下側部分の波面が電気光学結晶３に到達する。デジタルカメラ６の撮像面の各セル内の幅方向（ｙ方向）に、時間情報が展開されることは、具体例１と同様である。

［実施例２］
図５Ａ及び図５Ｂは、実施例２の具体例１及び具体例２によるテラヘルツ波イメージング装置を示す断面図である。実施例１においては、テラヘルツ波またはプローブ波の光路内に階段状の透明ブロックを配置することにより光路長差（位相差）を生じさせた。実施例２においては、階段状ミラーにより電磁波を反射させることにより、光路長差（位相差）を生じさせる。電磁波が透明ブロックを透過すると、パルス幅が広がったり、強度が減衰するような何らかの問題が生じることがある。ミラーによる反射を用いることにより、透明材料を透過することに起因する問題を回避することが可能である。

図５Ａは、実施例２の具体例１を示す。実施例１の具体例１を示す図１と比較して、異なる点を主に説明する。実施例２の具体例１においては、プローブ波２の光路にビームスプリッタ１１、階段状ミラー１２を配置する。階段状ミラー１２は、プローブ波２の進行方向に関する位置が異なる複数の反射面を有する。複数の反射面が、プローブ波２のビーム断面を、相互に光路長の異なる複数の単位領域に区分する。テラヘルツ波１の光学系は、図１と同様である。図１と比較すると、プローブ波２の入射光路が９０°変更されている。

プローブ波２は、偏光子４を透過した後、ビームスプリッタ１１で反射され、電気光学結晶３から遠ざかる方向に向かう。その後、階段状ミラー１２によって反射されて、同一光路を逆方向に進み、ビームスプリッタ１１を透過し、電気光学結晶３に向かう。階段状ミラー１２の各反射面で反射されることにより、相互に隣り合う反射面で反射したプローブ波２に、階段状ミラー１２の段差の２倍の光路長差が生じる。電気光学結晶３、検光子５、結像レンズを含むデジタルカメラ６は、図１と同様である。

ビームスプリッタ１１は、例えばハーフミラーで形成できる。波長８００ｎｍのプローブ波に対するハーフミラーは、例えば、ガラス等の透明材料の板材の上に形成した、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等の反射性金属の薄膜、又は一部反射鏡（ストライプ等）で構成できる。階段状ミラー１２は、階段状の表面を形成する構造材の表面に反射性金属ミラーを形成して作成できる。構造材の材質は物理的支持を与えられ、鏡面を形成できるものであれば、特に制限を受けない。

図５Ｂは、実施例２の具体例２を示す。図４に示す実施例１の具体例２と比較し、異なる点を主に説明する。実施例２の具体例２においては、テラヘルツ波１の光路にビームスプリッタ１１、階段状ミラー１２を配置する。図４と比較して、テラヘルツ波１の入射光路が９０°変更されている。ビームスプリッタ１１で反射されたテラヘルツ波が、階段状ミラー１２に向かい、階段状ミラー１２で反射されることにより、テラヘルツ波１のビーム断面が、相互に光路長が異なる複数の単位領域に区分される。その構成、機能は図５Ａのビームスプリッタ１１、階段状ミラー１２と、対象波長の差を除けば、同様である。ビームスプリッタ１１は、例えばポリエチレンなどの透明材料のシート上に反射性金属の部分反射鏡を形成して作成できる。階段状ミラー１２は、階段表面を有する構造材の表面に反射性金属ミラーを形成して作成できる。他の点は、図４と同様である。

実施例２の具体例１及び２においては、透明ブロックを透過することによるロスはないが、ビームスプリッタ１１で反射、透過することによるロスがある。ビームスプリッタを省略することも可能である。

図５Ｃは、実施例２の具体例３を示す。ビームスプリッタは用いず、階段状ミラー１２Ａ、１２Ｂを斜め入射で用いる。段差の蹴上げ面がビームを蹴らないように、蹴上げ面は入射波、又は反射波に平行にする。反射面への入射角が４５°で、電磁波の進行方向の変化が９０°である場合を例にとって説明する。図５Ｃに示した構成の場合、階段状ミラー１２Ａは、入射波に平行な蹴上げ面を有し、階段状ミラー１２Ｂは反射波に平行な蹴上げ面を有する。階段状ミラー１２Ａの複数の反射面で反射された複数の反射光束の間には、蹴上げ面の奥行き（高さ）に対応して、ギャップが生じている。階段状ミラー１２Ｂの各反射面で反射された複数の反射光束ではギャップが消滅している。階段状ミラー１２Ａ、１２Ｂの複数の反射面で反射された複数の光束間には、所望の光路長差（位相差）が形成される。

実施例１で用いた階段状の透明ブロック、実施例２で用いた階段状ミラーは、共に、電気光学結晶表面におけるテラヘルツ波（検出用電磁波）とプローブ波（イメージング用電磁波）のタイミング（位相）ずれを補償するものと考えられ、補償光学部材と呼ぶことができる。

［実施例３］
図６は、実施例３によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。実施例１においては、セルＣＬ１〜ＣＬ５（図２Ｂ）の各々に、被測定物８内で空間的広がりを有する領域を透過した電磁波が入射する。このため、１つのセルにおいて、ｙ軸（時間軸）方向の異なる位置に、被測定物８内の異なる位置の情報がイメージングされる。実施例３においては、被測定物８の前後にシリンドリカルレンズ列１３、１４を配置する。コリメートされたテラヘルツ波１をシリンドリカルレンズ列１３によって複数の並列線状の領域に集光して被測定物８を照射し、透過光をシリンドリカルレンズ列１４によって複数のコリメート光束に戻す。コリメート光束の各々は、幅方向の広がりを有するが、被測定物８の線状領域を透過したテラヘルツ波であり、幅方向のどの位置の光線も、被測定物８の同一の線状領域の情報を担っている。階段状の透明ブロック１０は、プローブ波２を光路長差を有する複数の単位光束に分ける。プローブ波２の各単位光束が、電気光学結晶３上で、テラヘルツ波１の対応するコリメート光束と位置を合わせる。従って、シリンドリカルレンズ列１３、１４のレンズ数、透明ブロック１０の段数、デジタルカメラ上のセル数が同一となる。セル幅方向で、同一情報を担うテラヘルツ波を用いることにより、ノイズが減少する。

他の構成は、図１に示す実施例１の具体例１と同様である。なお、実施例１の具体例２と同様に、プローブ波２を電気光学結晶３に垂直に入射し、テラヘルツ波１を電気光学結晶１０に斜め入射し、階段状の透明ブロック１０をテラヘルツ波１の光路上に配置してもよい。

［実施例４］
図７Ａ、図７Ｂは、実施例４の具体例１によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。図６に示す実施例３と比較して、異なる点を主に説明する。図６の階段状の透明ブロック１０においては、プローブ波２またはテラヘルツ波１のビーム進行方向の寸法（底面から踏み面までの高さ）が、単位領域（セル）ごとに異なり、ｘ方向に延在する複数の踏み面がｙ方向（幅方向）に配列されていた。図７Ａにおいては、図６に示す構成要素は全て同様に配置され、さらに階段状の透明ブロック１０と共に、他の透明ブロック１５をプローブ波２の光路上に配置している。

階段状の透明ブロック１０は、デジタルカメラ６の撮像面（ｘｙ面）を、ｙ方向に配列した複数のセルＣＬ１〜ＣＬ５（図２Ｂ）に区分する。実施例４においては、これらのセルを、ｙ分割セルということとする。

図７Ｂに、透明ブロック１５の、ｙ軸に垂直な断面図を示す。透明ブロック１５は、ｘ方向に配列した同一形状の複数のブロック要素１５ｓを含む。ブロック要素１５ｓによって、撮像面が、ｘ方向に配列した複数のｘ分割セルに区分される。ブロック要素１５ｓの各々は、ｚ軸に垂直な平坦な底面と、ｘ軸に垂直な蹴上げ面及びｚ軸に垂直な踏み面で構成された階段状の表面とを有する。踏み面の各々は、ｙ方向に延在する。階段状の表面は、ｚ軸に垂直な底面を基準として、ｘ軸の正の向きに向かって低くなっている。すなわち、踏み面に対応する領域（ｘ分割セル）ごとに、プローブ波の進行方向（ｚ方向）の寸法が異なり、ｘ軸の正の向きに向かって光路長が短くなる。

ｙ方向の位置によって、ｚ方向の寸法が異なる透明ブロック１０をｙ方向段透明ブロックと呼び、ｘ方向の位置によって、ｚ方向の寸法が異なる透明ブロック１５をｘ方向段透明ブロックと呼ぶことがある。

透明ブロック要素１５ｓの個数をｎ_ｘとし、各透明ブロック要素１５ｓ内の段数をｍ_ｘとする。また、階段状のｙ方向段透明ブロック１０の段数をｎ_ｙとする。

図８Ａ、図８Ｂは、デジタルカメラ６の撮像面にイメージングされる画像情報を概略的に示す。図８Ａに示すように、ｙ方向段透明ブロック１０のｎ_ｙ段の段差により、ｙ方向にｎ_ｙ個のストライプ領域（ｙ分割セル）が形成される。各ｙ分割セルでは、プローブ波２の波面が電気光学結晶３に達する時期が、右側（図７Ａにおいては下側）から左側に向かって遅くなる。ｘ方向段透明ブロック１５は、ｎ_ｘ個の透明ブロック要素１５ｓがｘ方向に積層された構成であり、ｘ方向に関して撮像面をｎ_ｘ個のｘ分割セルに分割する。

ｙ方向に延在するｘ分割セルと、ｘ方向に延在するｙ分割セルとの交差する領域が、１つのセルを画定する。撮像面内に（ｎ_ｘ×ｎ_ｙ）個のセルＣＬが形成される。ｎ番目の行のｍ番目のセルをＣＬｎｍと表記する。左上端のセルがＣＬ１１、右下端のセルがＣＬｎ_ｘｎ_ｙとなる。各透明ブロック要素１５ｓは、ｘ方向に配列したｍ_ｘ個の踏み面を有する。

図８Ｂに示すように、透明ブロック要素１５Ｓの踏み面に対応して、各セルＣＬがｘ方向に関してｍ_ｘ個の領域に分割される。ｍ_ｘ個の領域に入射するプローブ波２は、各領域ごとに、相互に光路長差を有する。図７Ｂに示す構成では、ｘ軸の正の方向に位置する踏み面を透過するプローブ光ほど光路長が短い。このため、ｘ軸の正の方向に位置する踏み面を透過したプローブ光の波面が、電気光学結晶３に、より早く達する。光路長差によるタイミングを合わせることにより、セルＣＬの各々において、第１段のｙ方向走査に続いて、第２段の走査が始まり、第２段の走査に続いて第３段の走査が続く、というように各段の走査タイミングを調整することができる。このため、テラヘルツ波の波形情報が、時間軸上でｍ_ｘ倍に延長される。

以下、各パラメータの一例を説明する。電気光学結晶３の寸法を、３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍとする。デジタルカメラ６の結像レンズの倍率を０．３、画素数を５１２×５１２、画素ピッチを２０μｍとする。分解能Ｔｄが０．１ｐｓｅｃ、時間幅Ｔｗが２５．６ｐｓｅｃの時間波形と、分解能が０．０４ＴＨｚ、帯域が５ＴＨｚのスペクトルを得るとする。ｙ方向段透明ブロック１０の段数ｎ_ｙを１４とする。ｘ方向段透明ブロック１５を構成する透明ブロック要素１５Ｓの個数ｎ_ｘを１４、各透明ブロック要素１５Ｓの段数ｍ_ｘを８とする。

各セルＣＬ内の画素数は３２×３２とする。透明ブロック要素１５ｓの１つの踏み面は、４画素分の幅となる。電気光学結晶３へのプローブ波２の入射角θは２６．６２°となる。透明ブロック１０、１５を屈折率１．５１のガラスで作製するとする。ｙ方向段透明ブロック１０の幅（ｙ方向の寸法）、ｚ方向の寸法、ｘ方向の寸法が、それぞれ２６．８２ｍｍ、２６．３５ｍｍ、３０ｍｍとなる。踏み面の各々の幅（ｙ方向の寸法）は１．９２ｍｍ、蹴上げ面の各々の高さ（ｚ方向の寸法）は１．８８ｍｍとなる。透明ブロック要素１５ｓの幅（ｙ方向の寸法）、ｚ方向の寸法、ｘ方向の寸法は、２６．８２ｍｍ、１５．０６ｍｍ、３０ｍｍとなる。透明ブロック要素１５ｓの踏み面の各々の幅（ｘ方向の寸法）は０．２７ｍｍ、蹴上げ面の各々の高さ（ｚ方向の寸法）は１．８８ｍｍとなる。

なお、ｘ方向に関しては、プローブ波２の波面が電気光学結晶３に同時に到達する。ｘ方向段透明ブロック１５は、元々時間差が生じていなかったｘ方向に関して、時間差を生じさせるものである。このため、ｘ方向に関する光路長の増減方向を逆にしてもよい。

テラヘルツ波１が電気光学結晶３に垂直入射する実施例４においては、プローブ波２の光路に、ｘ方向で光路長差を生じさせるｘ方向段透明ブロック１５を配置した。図４に示した実施例１の具体例２のように、プローブ波２が電気光学結晶３に垂直入射する場合には、テラヘルツ波１の光路に、同様のｘ方向段透明ブロックを配置することもできる。また、ｙ方向段透明ブロック１０とｘ方向段透明ブロック１５とを異なるの光路に配置することも可能である。

図９は、実施例４の具体例２によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。図７Ａの構成において、ｙ方向段透明ブロック１０とｘ方向段透明ブロック１５とが合体して、ｙ方向段−ｘ方向段透明ブロック１６とされている。透明ブロックがプローブ波２の光路に配置された例を示したが、透明ブロックをテラヘルツ波１の光路に配置した具体例でも、同様の変形が可能である。

［実施例５］
図１０は、実施例５によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。テラヘルツ波１の光路全体、電気光学結晶３から下流の構成は図６に示す実施例３と同様である。実施例５においては、偏光子４を透過したプローブ波２が、ビームスプリッタ１１を透過して幅方向階段状（ｙ方向段）ミラー１２に入射する。幅方向階段状ミラー１２からの反射光がビームスプリッタ１１で反射して高さ方向階段状（ｘ方向段）ミラーアレー１７に入射する。ｘ方向段ミラーアレー１７からの反射光が、ビームスプリッタ１１を透過して、電気光学結晶３に斜め入射する。高さ方向階段状（ｘ方向段）ミラーアレー１７は、図７Ｂに示した透明ブロック要素１５ｓを積層したｘ方向段透明ブロック１５と同様の形状を有する下地構造の階段状表面にミラーを形成したものである。

図１０において、幅方向階段状ミラー１２が配置された位置におけるプローブ波２の進行方向は、電気光学結晶３が配置された位置におけるプローブ波２の軸方向とずれているが、電気光学結晶３が配置された位置におけるｘｙｚ座標に合わせて、幅方向階段状ミラー１２をｙ方向段ミラーと呼ぶこととする。高さ方向階段状ミラーアレー１７は、ｘ方向段ミラーアレーと呼ぶこととする。プローブ波２を、ｙ方向段ミラー１２で、ｙ方向に配列し、相互に光路長の異なる複数の単位ビームに分割し、ｘ方向段ミラーアレー１７で、ｘ方向に配列し、相互に光路長の異なる複数の単位ビームに分割している。プローブ波２が通過する領域の媒体の屈折率が１となるが、プローブ波２が、光路長差を発生させる領域を往復するため段差の効果は２倍になる。図８Ａ、図８Ｂの構成例で例示した特性と同等の特性を出そうとすると、ｙ方向段ミラー１２の底面から最も高い踏み面までの高さは６．７２ｍｍ、段差（蹴上げ面の各々の高さ）は０．４８ｍｍになる。ｘ方向段ミラーアレー１７の底面から最も高い踏み面までの高さは３．８４ｍｍ、段差（蹴上げ面の各々の高さ）は０．４８ｍｍとなる。その他の諸元は変わらない。

図１０では、階段状ミラーをプローブ波の光路に配置する具体例を説明したが、階段状ミラ−をテラヘルツ波の光路に配置することも可能である。また、ｙ方向段ミラーとｘ方向段ミラーアレーとを異なる光路に配置することも可能である。

図１１Ａ、図１１Ｂは、実施例５の変形例によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。図１１Ａは、図１０の構成において、ｙ方向段ミラー１２とｘ方向段ミラーアレー１７とを合体して、ｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレー１８とした構成である。

図１１Ｂは、ｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレー１８の構成を概略的に示す斜視図である。反射面がｙ方向、ｘ方向に段差を有する形状である。

２つのミラーを合体したことにより、光路は簡略化できる。偏光子４を透過したプローブ波２をビームスプリッタ１１で反射して、ｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレー１８に入射させる。ｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレー１８からの反射光が、ビームスプリッタ１１を透過し電気光学結晶３に入射する。その他の構成は、図１０に示す実施例５と同様である。

図１２は、実施例５の更なる変形例によるテラヘルツ波イメージング装置を示す。図１０の構成と比較すると、ビームスプリッタ１１が省略されている。プローブ波２が、ｘ方向段ミラーアレー１７に入射角４５°で入射する。ｘ方向段ミラーアレー１７で反射したプローブ波２が、ｙ方向段ミラー１２に入射角４５°で斜め入射する。

図１３Ａ、図１３Ｂは、それぞれｘ方向段ミラーアレー１７の１単位１７ｓ、ｙ方向段ミラー１２の形状の一例を示す。ｘ方向段ミラー１７ｓの段差（蹴上げ面）はｙｚ面に平行であり、入射光にも平行である。ｘ方向段ミラー１７ｓにおいては、蹴上げ面と踏み面とのなす角度が９０°である。反射面（踏み面）は、図１３Ａの紙面に垂直な方向に長いストライプ形状であり、長さ方向に斜め入射しても、光は蹴られない。

図１３Ｂに示すｙ方向段ミラー１２は、入射光に対して、法線が４５°の角度を形成する複数の反射面（踏み面）を、入射光に平行な段差（蹴上げ面）が接続している。入射光は、各反射面に分割されて反射する。

例えば、３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍの電気光学結晶と、結像レンズの倍率０．３、画素数５１２×５１２、画素ピッチ２０μｍのデジタルカメラを用いて、被測定物のテラヘルツ波２次元イメージングを行うとする。ｘ方向段ミラーアレー１７は、１４個のｘ方向段ミラー１７ｓで構成される。ｘ方向段ミラー１７ｓの各々は、８個の反射面（踏み面）を有する。ｙ方向段ミラー１２は１４個の反射面（踏み面）を有する。各セル内に１６×１６個の画素が含まれるとする。

分解能Ｔｄが０．１ｐｓｅｃ、時間幅Ｔｗが１２．８ｐｓｅｃの時間波形と、分解能が０．０８ＴＨｚ、帯域が５ＴＨｚのスペクトルを得るとする。電気光学結晶３へのプローブ波２の入射角θは２６．６２°となる。ｙ方向段ミラー１２の、入射光に直交する面の幅、出射光に直交する面の幅、高さが、それぞれ１３．３８ｍｍ、２６．８２ｍｍ、３０ｍｍになる。反射面（踏み面）の各々に入射する光の幅、反射面（踏み面）の各々から出射する光の幅が、共に０．９５６ｍｍとなる。ｘ方向段ミラー１７ｓの各々の、背面の寸法（高さ）は２．１４ｍｍとなる。反射面（踏み面）の幅は０．２７ｍｍ、段差（蹴上げ面の高さ）は０．３４ｍｍとなる。１４個のｘ方向段ミラー１７ｓが配列したｘ方向段ミラーアレー１７の寸法は、２２．７６ｍｍ×２．７１ｍｍ×３０ｍｍとなる。

なお、図１３Ｂに示すｙ方向段ミラー１２においては、相互に素なりあう反射面で反射した反射光の間にギャップが生じる。図５Ｃに示したように、２つのミラーを組み合わせて光路長差を形成するようにすれば、ギャップの発生を防止できる。

実施例４、実施例５において用いたｘ方向段透明ブロック及びｘ方向段ミラーアレーは、位相の揃っていたビームを、位相が相互に異なる複数の単位ビームに分割する光学素子と考えることができる。このため、ｘ方向段透明ブロック及びｘ方向段ミラーアレーは、移相光学部材と呼ぶことができる。

［実施例６］
図１４〜図１６を参照して、実施例６について説明する。実施例１においては、測定可能な時間幅は、図２Ａにおいて、プローブ波２の波面ＷＦ１〜ＷＦ５の各々の下端が電気光学結晶３に到達してから、上端が電気光学結晶３に到達するまでの時間で制限される。実施例６においては、観測可能な時間幅を引き伸ばすことができる。

図１４に、実施例６による電磁波イメージング装置の概略図を示す。実施例１の具体例１を示す図１と比較して、異なる点を主に説明する。実施例６においては、プローブ波２の光路に時間遅延装置３０が配置されている。時間遅延装置３０は、ミラー３１、３３、可動ミラー３２、及び直動ステージ３４を含む。可動ミラー３２は、相互に直交する２枚の反射面（第１及び第２の反射面）を有する。

ミラー２２で反射されたプローブ波２が、ミラー３１で反射され、可動ミラー３２の第１の反射面に、入射角４５°で入射する。第１の反射面で反射したプローブ波２が、第２の反射面に入射角４５°で入射する。第２の反射面で反射したプローブ波２が、ミラー３３で反射され、偏光子４に向かう。

直動ステージ３４が、可動ミラー３２を、第１の反射面に入射するプローブ波２の進行方向（第２の反射面で反射したプローブ波２の進行方向）と平行な方向に移動させる。ミラー３１から、可動ミラー３２の第１の反射面までの光路長を調節することにより、テラヘルツ波１に対するプローブ波２の遅延時間を変化させることができる。

テラヘルツ波１の光路、及び時間遅延装置３０を経由した後のプローブ波２の光路は、実施例１の場合と同一である。

以下、実施例６による電磁波イメージング装置によるイメージング方法について説明する。可動ミラー３２の位置を固定した状態で、図１に示した実施例１と同様に、テラヘルツ波１の時間波形を測定することができる。

図１５に、被測定物８を透過したテラヘルツ波１の時間波形ＴＨ（１）〜ＴＨ（６）を示す。図１５には、フェムト秒レーザ２０から出射された６パルスに対応するテラヘルツ波１の波形を示す。フェムト秒レーザ２０から出射された６個のレーザパルスに対して、それぞれテラヘルツ波１の時間波形ＴＨ（１）〜ＴＨ（６）が現れている。

テラヘルツ波１の時間波形ＴＨ（１）が電気光学結晶３に入射するときには、時間波形ＴＨ（１）の位相ｐｈ_０〜ｐｈ_１までの波形が観測されるように、テラヘルツ波１に対してプローブ波２の遅延時間が調節されている。このため、図２Ｂに示したセルＣＬ１〜ＣＬ５の各々に、時間波形ＴＨ（１）のうち先頭近傍の位相ｐｈ_０〜ｐｈ_１の間の波形が展開される。例えば、セルＣＬ１に、時間波形ＴＨ（１）のうち位相ｐｈ_０〜ｐｈ_１の間の部分波形ＴＨｐ（１）が展開される。

部分波形ＴＨｐ（１）が観測された後、可動ミラー３２を移動させることにより、テラヘルツ波１に対するプローブは２の遅延時間を長くする。この遅延時間は、テラヘルツ波１の時間波形ＴＨ（２）のうち位相ｐｈ_１〜ｐｈ_２までの波形が観測されるように調節される。これにより、例えば、セルＣＬ１に、時間波形ＴＨ（２）のうち位相ｐｈ_１〜ｐｈ_２の間の部分波形ＴＨｐ（２）が展開される。

可動ミラー３２の移動と、テラヘルツ波１の波形観測とを繰り返すことにより、時間波形ＴＨ（ｉ）のうち位相ｐｈ_ｉ−１〜ｐｈ_ｉまでの部分波形を、時間をずらして観測することができる。ここで、ｉは、正の整数である。図１５においては、ｉ＝１、２、・・・６の時間波形ＴＨ（ｉ）及び部分波形ＴＨｐ（ｉ）を示している。

得られた部分波形ＴＨｐ（１）〜ＴＨｐ（６）を時間軸上で繋ぎ合わせることにより、テラヘルツ波１の１つの波形ＴＨを得ることができる。

図１６に、デジタルカメラ６の撮像面に写し出される画像情報を概略的に示す。撮像面が、図２Ｂに示したように、５個のセルＣＬ１〜ＣＬ５に区分されている。図１５に示した時間波形ＴＨ（１）のうち位相ｐｈ_０〜ｐｈ_１に対応する波形情報が、２次元画像情報ＩＡ（１）として得られる。画像情報ＩＡ（１）においては、セルＣＬ１〜ＣＬ５の各々のｙ方向に、位相ｐｈ_０からｐｈ_１までの波形情報が展開される。同様に、位相ｐｈ_ｉ−１〜ｐｈ_ｉに対応する波形情報が、２次元画像情報ＩＡ（ｉ）として得られる。

２次元画像情報ＩＡ（１）〜ＩＡ（６）のセルＣＬ１内の画像情報ＣＬ１（１）〜ＣＬ１（６）をｙ軸方向に繋ぎ合わせると、位相ｐｈ_０からｐｈ_６までの時間幅の２次元画像情報ＩＡＣＬ１が得られる。同様に、セルＣＬ２〜ＣＬ５の、位相ｐｈ_０からｐｈ_６までの時間幅の２次元画像情報ＩＡＣＬ２〜ＩＡＣＬ５が得られる。

プローブ波２の１パルスでは、テラヘルツ波１の時間波形ＴＨの一部分しか測定できない場合でも、実施例６による方法では、時間波形ＴＨの全時間幅の波形情報を得ることができる。

テラヘルツ波１の測定可能な時間幅が長くなることにより、スペクトル分解能を向上させることができる。例えば、時間幅が１３．５ｐｓｅｃの波形を観測する場合のスペクトル分解能が０．０７ＴＨｚであるのに対し、測定時間幅を７倍にすると、スペクトル分解能を、７倍の０．０１ＴＨｚまで向上させることができる。

実施例６では、電気光学結晶２３を透過した後のテラヘルツ波１、及び時間遅延装置３０を通過した後のプローブ波２が通過する光学系に、図１に示した実施例１の具体例１の光学系を適用したが、図４に示した実施例１の具体例２、図５Ａ〜図５Ｃに示した実施例２の具体例１〜具体例３、図６に示した実施例３、図７Ａに示した実施例４の具体例１、図９に示した実施例４の具体例２、図１０に示した実施例５、図１１Ａ、図１２に示した実施例５の変形例等の光学系を適用してもよい。

図１７Ａに、実施例６の変形例１による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例６の図１４と比較して、異なる点を主に説明する。変形例１では、時間遅延装置３０が、テラヘルツ波１の光路上に配置されている。

図１７Ｂに、実施例６の変形例２による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例６の図１４と比較して、異なる点を主に説明する。変形例２では、時間遅延装置３０が、ミラー２１と電気光学結晶２３との間のフェムト秒レーザの光路上に配置されている。

変形例１及び変形例２においては、プローブ波２に対するテラヘルツ波１の遅延時間を調整することができる。言い換えれば、テラヘルツ波１とプローブ波２との相対的な位相関係を調節することができる。このため、実施例６と同様に、テラヘルツ波１の波形の観測可能な時間幅を長くすることが可能である。

［実施例７］
図１８Ａに、実施例７による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例６の図１４と比較して、異なる点を主に説明する。

実施例７においては、実施例６と同様に、プローブ波２の光路上に、時間遅延装置３０が配置されている。実施例７においては、時間遅延装置３０が、ミラー３６、３７、回転ステージ３８、複数の可動ミラー３９、及びモータ４０を含む。

図１８Ｂに、時間遅延装置３０の主要部分の斜視図を示す。モータ４０が回転ステージ３８を自転させる。複数の可動ミラー３９は、回転ステージ３８の上に、回転ステージ３８の回転中心を中心とする１つの円周に沿って配置されている。可動ミラー３９の各々の反射面は、回転ステージ３８の回転軸に対して垂直である。可動ミラー３９の反射面の高さは、相互に異なる。

図１８Ａに示すように、ミラー２２で反射したプローブ波２が、ミラー３６で反射する。ミラー３６で反射したプローブ波２が、可動ミラー３９で反射され、ミラー３７に向かう。ミラー３７で反射された後のプローブ波２の光路は、図１４に示した実施例６と同一である。

回転ステージ３８を回転させて、いずれかの可動ミラー３９を、プローブ波２の光路上で静止させることにより、プローブ波２の光路長を変化させることができる。これにより、テラヘルツ波１に対するプローブ波２の遅延時間を調節することができる。

実施例７においても、実施例６と同様に、テラヘルツ波１の波形の観測可能な時間幅を長くすることが可能である。回転ステージ３８を用いると、直動ステージ３４を用いた実施例６に比べて、遅延時間の調整を短時間で行うことが可能である。

なお、実施例７で用いた時間遅延装置３０を、図１７Ａに示したようにテラヘルツ波１の光路上に配置してもよい。また、図１７Ｂに示したように、ミラー２１と電気光学結晶２３との間のフェムト秒レーザの光路上に配置してもよい。

また、実施例６と同様に、電気光学結晶２３を透過した後のテラヘルツ波１、及び時間遅延装置３０を通過した後のプローブ波２が通過する光学系に、図１に示した実施例１の具体例１の光学系以外に、図４に示した実施例１の具体例２、図５Ａ〜図５Ｃに示した実施例２の具体例１〜具体例３、図６に示した実施例３、図７Ａに示した実施例４の具体例１、図９に示した実施例４の具体例２、図１０に示した実施例５、図１１Ａ、図１２に示した実施例５の変形例等の光学系を適用してもよい。

［実施例８］
図１９Ａに、実施例８による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例６の図１４と比較して、異なる点を主に説明する。

実施例８においては、実施例６と同様に、プローブ波２の光路上に、時間遅延装置３０が配置されている。実施例８においては、時間遅延装置３０が、複数の開口４４が形成された回転板４３、透明板４５、モータ４６を含む。モータ４６は、回転板４３を自転させ、所望の位置で静止させる。

図１９Ｂに示すように、開口４４は、回転板４３の回転中心を中心とする１つの円周に沿って配置されている。開口４４の各々が、透明板４５で塞がれている。複数の透明板４５の厚さは、相互に異なる。透明板４５には、ガラス板（例えばＢＫ７）が用いられる。

モータ４６を回転させることにより、複数の透明板４５のうち所望の１つの透明板４５をプローブ波２の光路上に配置することができる。プローブ波２の光路上に配置される透明板４５の厚さが変わることにより、プローブ波２の光路長が変化する。これにより、テラヘルツ光１に対するプローブ波２の遅延時間を調節することができる。

電気光学結晶２３を透過したテラヘルツ波１、及び透明板４５を透過したプローブ波２が通過する光学系の構成は、図５Ａに示した実施例２の具体例１の光学系と同一である。

実施例８においても、実施例６と同様に、テラヘルツ波１の波形の観測可能な時間幅を長くすることが可能である。回転板４３を用いると、直動ステージ３４を用いた実施例６に比べて、遅延時間の調整を短時間で行うことが可能である。

テラヘルツ波１に対するプローブ波２の遅延時間が固定されている条件の下で、被測定物８の幅方向の１４箇所において、時間幅１．６ｐｓｅｃの時間波形を同時に取得できるように、光学系が構成されている場合について検討する。一例として、厚さが２ｍｍの透明板４５をプローブ波２の光路上に配置して、時間幅１．６ｐｓｅｃの時間波形を取得する。その後、回転板４３を回転させて、厚さが２．９４１ｍｍの透明板４５をプローブ波２の光路上に配置することにより、先に測定した時間波形に続く時間幅１．６ｐｓｅｃの時間波形を測定することができる。

厚さが０．９４１ｍｍずつ異なる８枚の透明板４５を切り替えて、順次テラヘルツ波１の時間波形を取得することにより、時間幅１２．８ｐｓｅｃの時間波形を取得することができる。

なお、実施例８で用いた時間遅延装置３０を、図１７Ｂに示したように、ミラー２１と電気光学結晶２３との間のフェムト秒レーザの光路上に配置してもよい。

また、電気光学結晶２３を透過した後のテラヘルツ波１、及び時間遅延装置３０を通過した後のプローブ波２が通過する光学系に、図５Ａに示した実施例２の具体例１の光学系以外に、図１に示した実施例１の具体例１、図４に示した実施例１の具体例２、図５Ｂ〜図５Ｃに示した実施例２の具体例２〜具体例３、図６に示した実施例３、図７Ａに示した実施例４の具体例１、図９に示した実施例４の具体例２、図１０に示した実施例５、図１１Ａ、図１２に示した実施例５の変形例等の光学系を適用してもよい。

［実施例９］
図２０Ａに、実施例９による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例８の図１９Ａ及び図１９Ｂと比較して、異なる点を主に説明する。

図２０Ａに示すように、実施例９で用いられる時間遅延装置３０は、回転透明ブロック４８及びモータ４９を含む。回転透明ブロック４８は、円盤状の底面、及びその外周に沿って設けられた円筒状の側壁を含む。

図２０Ｂに示すように、側壁の内周面は、直径が一定の円筒状の形状を有する。側壁の外周面は、周方向に関して半径が階段状に変化する円筒状の形状を有する。このため、側壁の肉厚が、円周方向に階段状に変化する。モータ４９は、回転透明ブロック４８の側壁の内周面の中心軸を回転中心として、回転透明ブロック４８を回転させ、所望の位置で静止させる。

プローブ波２の光路が、回転透明ブロック４８の側壁の内周面の中心軸Ａと直角に交差する。すなわち、プローブ波２は、回転透明ブロック４８の側壁を、半径方向に通過する。側壁の肉厚が階段状に変化しているため、回転透明ブロック４８を回転させることにより、プローブ波２が通過する部分の側壁の厚さを変化させることができる。これにより、プローブ波２の光路長が変化し、テラヘルツ波１に対する遅延時間を調節することができる。

回転透明ブロック４８の側壁の内周面が円筒状であり、外周面が部分円筒状であるため、回転透明ブロック４８の、回転方向に関する位置決めに若干の誤差が生じても、プローブ波２の進行方向及び光路長は影響を受けない。

なお、側壁の内周面の平断面を多角形状にし、外周面を、内周面を構成する各平面からの高さが異なる複数の平面で構成してもよい。この場合には、回転透明ブロック４８の側壁が、プローブ波２を集光及び発散させない。ただし、各表面にプローブ波２を垂直入射させる必要があるため、回転透明ブロック４８の回転方向の位置精度を高めることが望まれる。

［実施例１０］
図２１に、実施例１０による電磁波イメージング装置の電磁波発生部の概略図を示す。実施例８の図１９Ａ、図１９Ｂと比較して、異なる点を主に説明する。

実施例８では、時間遅延装置３０がプローブ波２の光路上に配置されていたが、実施例１０では、テラヘルツ波１の光路上に配置されている。時間遅延装置３０の構造は、実施例８のものと同一である。ただし、透明板４５として、テラヘルツ波１の波長域で透明な材料、例えばポリエチレン等が用いられる。テラヘルツ波１の波長域におけるポリエチレンの屈折率は１．３７である。厚さが１．２９７ｍｍ刻みで異なる８枚のポリエチレン製透明板４５が、それぞれ回転板４３の開口４４を塞いでいる。これにより、実施例８と同様の時間波形を得ることが可能である。

［実施例１１］
図２２に、実施例１１による電磁波イメージング装置の概略図を示す。実施例５の図１０と比較して、異なる点を主に説明する。

実施例１１においては、ビームスプリッタ１１と電気光学結晶３との間のプローブ波２の光路上に、デフォーマブルミラーデバイス（ＤＭＤ）５０が配置されている。ビームスプリッタ１１を経由したプローブ波２が、ＤＭＤ５０で反射して、電気光学結晶３に入射する。

実施例１１においては、実施例５と同様に、デジタルカメラ６の撮像面が、行列状に配列した複数のセルＣＬ（図８Ａ）に区分される。ＤＭＤ５０は、行列状に配置された複数の可動ミラーを有する。各可動ミラーを、反射面に垂直な方向に移動させることにより、プローブ波２の光路長を、可動ミラーに対応する領域ごとに変化させることができる。可動ミラーは、少なくとも、撮像面に画定されたセルごとに準備されている。例えば、セルが、１４行１４列の行列状に配列している場合には、可動ミラーは、少なくとも１４行１４列の行列状に配置される。なお、１つのセルに複数の可動ミラーが対応するように、可動ミラーを配置してもよい。例えば、可動ミラーを２８行２８列の行列状、または４２行４２列の行列状に配置してもよい。

ｙ方向段階段状ミラー１２及びｘ方向段ミラーアレー１７の実際の形状は、製造上の誤差等により、設計上の形状とは完全に一致しない。この形状の誤差により、プローブ波２の光路長が、所望の値からずれてしまう。ＤＭＤ５０の可動ミラーの位置を調節することにより、この光路長のずれを補償することができる。ビーム断面内で光路長のずれを補償するＤＭＤ５０は、「空間光変調器」と呼ぶことができる。

プローブ波２の遅延時間を、設計上の値に近づけることができるため、テラヘルツ波１の時間波形の測定誤差を低減させることができる。なお、ＤＭＤ５０は、図１にしめした実施例１の具体例１において、プローブ波２の光路内に配置してもよい。また、図４に示した実施例１の具体例２においては、テラヘルツ波１の光路内にＤＭＤ５０を配置してもよい。

［実施例１２］
図２３に、実施例１２による電磁波イメージング装置の概略図を示す。実施例１〜実施例１１においては、テラヘルツ波１とプローブ波２とが、非共軸で電気光学結晶３に入射したが、実施例２３においては、両者が共軸で電気光学結晶３に入射する。テラヘルツ波１及びプローブ波２を発生する電磁波発生部の構成は、図１に示した実施例１の電磁波発生部の構成と同一、または図１４に示した実施例６の電磁波発生部の構成と同一である。なお、電磁は発生部を、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１８Ａ，図１９Ａ、図２０Ａ、または図２１に示した構成のとしてもよい。

テラヘルツ波１は、被測定物８を透過した後、ペリクルビームスプリッタ６０を透過して、電気光学結晶３に垂直入射する。テラヘルツ波１は、ビーム断面内において位相が揃っており、パルス面１ｐは進行方向に対して直交する。ここで、「パルス面」は、パルス光の強度のピーク位置をつないだ面を意味する。光ビームが回折格子を透過した場合、パルス面は、波面（等位相面）と平行にならない。波面は、常に光ビームの進行方向に対して垂直である。

プローブ波２は、偏光子４を透過した後、透過型回折格子６１で回折される。回折されたプローブ波２は、階段状透明ブロック１０を透過した後、ペリクルビームスプリッタ６０で反射され、電気光学結晶３に垂直入射する。ペリクルビームスプリッタ６０の反射面は、ｘ軸に平行である。ペリクルビームスプリッタ６０を透過したテラヘルツ波１と、ペリクルビームスプリッタ６０で反射したプローブ波２とは、共軸配置の光線束となり、電気光学結晶３に垂直入射する。

プローブ波２は、電気光学結晶３を透過した後、検光子５を透過してデジタルカメラ６に入射する。ペリクルビームスプリッタ６０で反射する前のプローブ波２が伝搬する領域においても、進行方向逆向きをｚ軸の正の方向とするｘｙｚ直交座標を定義する。ペリクルビームスプリッタ６０で反射する前後のｘｙｚ直交座標系のｘ軸は、相互に平行である。

図２４を参照して、透過型回折格子６１を通過する入射ビームと回折ビームとの関係について説明する。透過型回折格子６１の単位長さ当りの溝本数をＮ本、回折次数をｋ、入射ビームの波長をλとする。入射角θｉと、回折角θｏとの間には、以下の関係が成立する。

ｓｉｎ（θｉ）＋ｓｉｎ（θｏ）＝Ｎｋλ
透過型回折格子６１の溝本数Ｎを１０００本／ｍｍ、入射角θｉを１０°とし、１次の回折光（ｋ＝１）を利用する場合、回折角θｏは３８．７８°となる。入射ビーム幅Ｄｉと出射ビーム幅Ｄｏとの間には、以下の関係が成立する。

Ｄｉ／ｃｏｓ（θｉ）＝Ｄｏ／ｃｏｓ（θｏ）
入射ビーム幅Ｄｉが３８ｍｍのとき、出射ビーム幅Ｄｏは３０ｍｍになる。入射ビームのパルス面は、入射ビームの進行方向に対して垂直である。回折ビームのパルス面は、進行方向に対して傾斜する。回折ビームのパルス面の両端が、進行方向に垂直な仮想平面に到達する時間差は、
（ｄｉ＋ｄｏ）／ｃ
と表される。ここで、ｃは光速であり、
ｄｉ＝Ｄｉ×ｔａｎ（θｉ）、
ｄｏ＝Ｄｏ×ｔａｎ（θｏ）
である。上述の例では、時間差（ｄｉ＋ｄｏ）／ｃは１０２．８９ｐｓｅｃとなる。プローブ波２のパルス面が、進行方向に対して傾斜した状態で、図２３に示した階段状透明ブロック１０に入射する。このため、階段状透明ブロック１０の踏み面（単位領域）を透過したプローブ波２の各々のパルス面も、進行方向に対して傾斜する。

図２３に示すように、電気光学結晶３の直前において、テラヘルツ波１のパルス面１ｐは進行方向（ｚ方向）に対して垂直であり、各踏み面（単位領域）に対応するプローブ波２の各々のパルス面２ｐは、進行方向に対して傾斜する。全ての単位領域のパルス面の先端が電気光学結晶３に同時に到達するように、階段状透明ブロック１０の段差（蹴上げ面の高さ）が設定されている。このため、図２Ａに示した実施例１の場合と同様の作用及び効果が得られる。

階段状透明ブロック１０の屈折率を１．５１とし、各段（踏み面）の幅（ｙ方向の寸法）を６．００ｍｍとし、段差（蹴上げ面の高さ、ｚ方向の寸法）を１２．０５ｍｍとする。この場合、被測定物８の幅方向（ｙ方向）の５点において、分解能０．２０ｐｓｅｃ、時間幅２０．５８ｐｓｅｃのテラヘルツ波１の時間波形を測定することができる。これは、分解能が０．０４９ＴＨｚ、帯域が２．５ＴＨｚの分光性能に相当する。

実施例１２では、プローブ波２のパルス面を進行方向に対して傾斜させるために、透過型回折格子６１を用いたが、透過型回折格子６１に代えて、プリズムを用いることも可能である。プリズムを用いる場合には、所望のパルス面の傾斜が得られるように、光学材料の屈折率や波長分散、プリズム角、入射角等を設計すればよい。

また、テラヘルツ波１とプローブ波２とを合波させる光学素子としてペリクルビームスプリッタを用いたが、テラヘルツ波１を透過させ、プローブ波２を反射する他の光学素子を用いてもよい。例えば、シリコン基板を用いることも可能である。さらに、テラヘルツ波１を反射し、プローブ波２を透過させることによって、両者を合波してもよい。例えば、ガラス板に、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）や酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の透明材料を成膜した光学素子を用いることができる。

以上、実施例に沿って説明したが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。例えば、被測定物を検出する電磁波としてテラヘルツ波を用いる場合を説明したが、被測定物を検出できる電磁波であれば、テラヘルツ波に限らない。透明材料は、対象とする波長領域で透明であればよく、可視領域で透明か否かは問わない。その他、種々の変更、置換、追加、改良、組み合わせ等が可能であることは、当業者に自明であろう。

１ （被測定物検出用）テラヘルツ波
２ （イメージング用）プローブ波
３ 電気光学結晶
４ 偏光子
５ （クロスニコル配置の）検光子
６ デジタルカメラ
８ 被測定物
１０ 階段状の透明ブロック（ｙ方向段透明ブロック）
１２ （ｙ方向段）階段状ミラー
１３、１４ シリンドリカルレンズ列
１５ ｘ方向段透明ブロック
１６ ｙ方向段−ｘ方向段透明ブロック
１７ ｘ方向段ミラーアレー
１７ｓ ｘ方向段ミラー
１８ ｙ方向段−ｘ方向段ミラーアレー
２０ フェムト秒レーザ
２１ ビームスプリッタ
２２ ミラー
２３ 電気光学結晶
３０ 時間遅延装置
３１、３３ ミラー
３２ 可動ミラー
３４ 直動ステージ
３６、３７ ミラー
３８ 回転ステージ
３９ ミラー
４０ モータ
４３ 回転板
４４ 開口
４５ 透明板
４６ モータ
４８ 回転透明ブロック
４９ モータ
５０ デフォーマブルミラーデバイス（ＤＭＤ）
６０ ペリクルビームスプリッタ
６１ 透過型回折格子

Claims (10)

1. 電気光学結晶と、
   パルス状の検出用電磁波を被測定物に照射し、透過、又は反射した前記検出用電磁波を前記電気光学結晶に入射する第１の光学系と、
   前記検出用電磁波のパルス面に対して、イメージング用のパルス状プローブ波のパルス面を傾斜させて、前記プローブ波を前記電気光学結晶に照射する第２の光学系と、
   前記電気光学結晶を透過した前記プローブ波を検出するカメラと
   を有し、
   前記第１の光学系又は前記第２の光学系は、前記検出用電磁波のパルス面と前記プローブ波のパルス面とに直交する仮想平面内において、前記検出用電磁波または前記プローブ波のビーム断面を複数の単位領域に区分し、前記単位領域を通過するビームの光路長を、前記単位領域ごとに異ならせる光学部材であって、前記電気光学結晶の表面と、前記仮想平面との交線方向の複数個所で、前記検出用電磁波のパルス面と前記プローブ波のパルス面との位相ずれを補償する補償光学部材を含む電磁波イメージング装置。
2. 前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、前記検出用電磁波と前記プローブ波とを非共軸配置で前記電気光学結晶に入射することにより、前記検出用電磁波のパルス面に対して、イメージング用のプローブ波のパルス面を傾斜させる請求項１に記載の電磁波イメージング装置。
3. 前記第２の光学系は、前記プローブ波のパルス面を、進行方向に直交する平面に対して傾斜させるパルス面傾斜光学素子を含み、
   前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、前記検出用電磁波と前記プローブ波とを共軸配置で前記電気光学結晶に入射する請求項１に記載の電磁波イメージング装置。
4. 前記補償光学部材が、前記ビーム幅方向に関して、前記検出用電磁波又は前記プローブ波の進行方向の寸法が変化する階段状の透明ブロックである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
5. 前記補償光学部材が、前記ビーム幅方向に関して、ビーム進行方向の位置が異なる複数の反射面を有する階段状のミラーである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
6. 前記仮想平面と直交する方向に複数の光路長差を形成する光学部材であって、前記第１又は第２の光学系に配置された移相光学部材をさらに有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
7. 前記第１の光学系に配置され、前記検出用電磁波を複数の線状領域に集光し、前記被測定物に入射するシリンドリカルレンズ列をさらに有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
8. 前記第１の光学系または前記第２の光学系は、前記検出用電磁波のパルス面及び前記プローブ波のパルス面の一方に対する他方の遅延時間を変化させる時間遅延装置をさらに有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
9. 前記第１の光学系または前記第２の光学系は、前記検出用電磁波または前記プローブ波のビーム断面に画定された複数の領域ごとに、光路長を変化させる空間光変調器をさらに有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。
10. フェムト秒レーザと、
    前記フェムト秒レーザの出力を分岐して、一方を前記プローブ波とするビームスプリッタと、
    前記フェムト秒レーザの分岐した出力の他方を、他の電気光学結晶に照射し、テラヘルツ波を発生して、前記検出用電磁波とするテラヘルツ波発生部と、
    をさらに有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電磁波イメージング装置。

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