JP2014142309A - 測定物情報取得装置とその取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内の雰囲気の変動を抑制した状態で電磁波パルスの焦点位置と測定物との位置の調整が可能であり、測定物の物性或いは構造の正確な観察が容易な測定物情報取得装置などを提供する。
【解決手段】電磁波パルスにより測定物108の物性或いは構造の情報を取得する装置は、測定物に照射する電磁波パルスを発生する発生部101と、測定物からの電磁波パルスを検出する検出部102を有する。発生部から検出部に至る電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体106が設けられる。筐体の一部に配置された測定窓を移動することで電磁波パルスの伝搬距離を変化させる測定窓部107も設けられる。測定物は、測定窓部を挟んで、筐体の中の電磁波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、テラヘルツ波を用いて測定物の物性或いは構造の情報を取得する装置及びその取得方法等に関する。特には、時間領域でのテラヘルツ波を測定する装置（THz-TDS装置、THz-Time Domain Spectroscopy装置）の原理を用いた形態に関するものである。

テラヘルツ波は、典型的には0.03THz以上30THz以下の範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この様な周波数帯域には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。この特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定等を行う検査技術が開発されている。また、X線に替わる安全なイメージング技術や高速な通信技術への応用が期待されている。さらに、物質内部の可視化を行うトモグラフィ装置への適用が注目されている。この装置では、テラヘルツ波の透過性という特徴を活かし、数100μmから数10mm程度の深さでの内部構造の可視化が期待されている。

この領域の電磁波は、大気の水分に関する特徴的な吸収が多く存在している。そのため、この大気の影響を軽減するために、テラヘルツ波が伝搬する部分を大気から隔離し、テラヘルツ波が伝搬する部分の雰囲気を調整する装置形態が多く用いられる。特許文献1は、調整された雰囲気の状態を崩さずに様々な測定物を測定するため、大気からの隔離に用いた筐体の一部にテラヘルツ波が透過する測定窓を設け、その窓に測定物を設置する装置形態を開示している。

国際公開WO03/058212号公報

特許文献1の技術のように反射測定系を内包する筐体の一部に設けた測定窓に測定物を設置する形態は、テラヘルツ波の焦点位置に対して測定物の位置が固定化される。このため、テラヘルツ波の焦点位置と測定物の相対的な位置調整が難しい構成である。例えば、本発明の説明にも用いる図10(b)の光学配置において、これまでの本発明者の検討の結果、次のような現象が確認されている。図10(b)において、測定物の第1の界面1018と第2の界面1019から反射されるテラヘルツ波パルスの時間間隔から測定物の光学的な距離を測定する場合を考える。ここで、２つの界面が平行伝搬領域1022に収まっている場合と、いずれかの界面が集光過程領域1021に存在している場合では、装置が取得する光学的な距離は変化する。言い換えると、テラヘルツ波の焦点位置に対する測定物の位置によって、測定物の光学的な厚みの測定値が変化してしまう可能性がある。

ここで平行伝搬領域1022はテラヘルツ波が平行に伝搬する領域で、この領域は波動光学的に焦点深度に相当する。本明細書では、この平行伝搬領域1022を焦点位置とも呼ぶ。また、集光過程領域1021は、テラヘルツ波が集光する過程の領域と定義している。

この現象を勘案すると、特許文献1のように、装置筐体に設置される測定物について、テラヘルツ波の焦点位置に対する測定物の位置が固定化される装置形態では、次のようになる。すなわち、測定物の表面或いは内部の構造を観察する際、場所によって光学的な距離の測定値が変化する恐れがあり、測定物の正確な構造観察が難しくなることがある。その結果、内部構造を取得する装置の測定の信頼性が低下する可能性がある。本明細書では、このテラヘルツ波の焦点位置によって変化する光学的な距離を、二次的な伝搬距離と呼ぶ。

上記課題に鑑み、電磁波パルスにより測定物の物性或いは構造の情報を取得する本発明の測定物情報取得装置は、測定物に照射する電磁波パルスを発生する発生部と、測定物からの前記電磁波パルスを検出する検出部と、前記発生部から前記検出部に至る電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体と、前記筐体の一部に配置された測定窓を移動することで前記電磁波パルスの伝搬距離を変化させる測定窓部と、を有する。そして、測定物は、前記測定窓を挟んで、前記筐体の中の前記電磁波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される。

また、上記課題に鑑み、電磁波パルスにより、電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体に移動可能に配置された測定窓上に配置された測定物の物性或いは構造の情報を取得する本発明の測定物情報取得方法は、次のステップを有する。電磁波パルスを発生するステップと。前記電磁波パルスで照射された前記測定窓からの電磁波パルスの参照波形を取得するステップ。前記電磁波パルスで照射された前記測定物からの電磁波パルスの測定波形を取得するステップ。物性データベースより、再構成波形の構築に用いる物質の物性の情報を取得するステップ。前記電磁波パルスの焦点位置と前記測定窓との相対的な位置の情報より前記電磁波パルスの二次的な伝搬距離の変化を算出するステップ。前記測定波形を比較対象とし、前記参照波形と前記二次的な伝搬距離の変化と前記物性の情報を用いて前記再構成波形を構築し最適化するステップ。

本発明に依れば、装置は、電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体に対して移動可能な測定窓を用いるので、筐体内の雰囲気の変動を抑制した状態でテラヘルツ波の焦点位置と測定物との位置の調整が可能になる。この結果、測定物の物性或いは構造の正確な観察が容易となり、測定の信頼性が向上する。

実施形態1と2で説明する本発明の装置の概略構成図。 実施形態1の測定窓部の構成を説明する図。 実施形態1の測定窓部の変形例を説明する図。 実施形態3の測定窓部の変形例を説明する図。 実施形態4の素子を保持する測定窓部の構成を説明する図。 実施形態5のプローブの構成を説明する図。 実施形態2の装置の動作フロー例を説明する図。 実施形態2の装置の動作を説明する図。 波形再構築部で用いる伝達行列を説明するための図。 従来技術の課題及び伝搬距離データベースに格納されるデータを説明する図。 実施形態2の表示部の表示方法の例を説明する図。 実施形態1の測定窓部の変形例を説明する図。 実施形態3の測定窓部の変形例を説明する図。

本発明の測定物の物性或いは構造を取得する装置とその取得方法は、従来装置において筐体に固定されていた測定窓を移動可能にしている所が特徴である。その結果、電磁波の焦点位置を、観察したい測定物の位置に対して調整することが可能となり、測定物の物性或いは構造の正確な観察を容易にするものである。

本発明では、測定物で反射される電磁波パルスにより測定物の物性や構造を観測する。使用する電磁波パルスは、測定物に対して或る程度の透過性を有していればよい。ここで、測定物の反射部間の間隔が数100μmから数10mm程度の大きさで、かつ反射部や反射部に至るまでの物性も取得したい場合、テラヘルツ波パルスを用いることが好適である。テラヘルツ波パルスは、0.03THz以上30THz以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有する。そして、この波長帯には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。テラヘルツ波パルスが有する透過性と分析性を利用することで、本発明の装置と方法は、測定物の構造に関する情報だけではなく物理的な特性も取得できるという効果を奏する。そのため本明細書では、例えば、細胞が異常細胞（がん細胞など）であるか否かの情報も、「測定物の物性或いは構造の情報」に含まれる。

上述した様に、本明細書では、テラヘルツ波パルスが集光される時のビーム形状を次のように定義している。すなわち、集光手段1020で集光されたテラヘルツ波パルスのビーム形状について、図10(b)のように集光過程領域1021と平行伝搬領域1022に分けて考える。平行伝搬領域1022はテラヘルツ波が平行に伝搬する領域で、この領域は波動光学的に焦点深度に相当する。本明細書では、この平行伝搬領域1022を焦点位置とも呼ぶ。また、集光過程領域1021は、テラヘルツ波が集光する過程の領域と定義している。さらに、テラヘルツ波パルスの焦点位置と測定物との相対的な位置変化に伴うテラヘルツ波パルスの伝搬距離の変化を、単に伝搬距離の変化と呼ぶ。これに加え、上述したように、測定する領域がテラヘルツ波パルスの焦点位置からずれることにより生ずるテラヘルツ波パルスの光学的な伝搬距離の変化を、二次的な伝搬距離の変化と呼ぶこともある。こうした用語の定義に基づき、本発明を説明する。

以下に、本発明の実施形態のより詳細な説明を行う。ここでは、電磁波パルスとしてテラヘルツ波パルスを用いて説明する。
（実施形態1）
本発明の思想を実施し得る形態について、図面を参照して説明する。図1を用いて本実施形態における測定物の物性或いは構造を取得する装置の構成を説明する。本装置は、テラヘルツ波パルスを扱う部分として、テラヘルツ波パルスT₁を発生する発生部101と測定物108からのテラヘルツ波パルスT₂を検出する検出部102を有する。

テラヘルツ波パルスT₂の時間波形は、時間領域分光法（Time Domain
Spectroscopy method）を用いて時間波形が取得される。この時間波形を取得するために、装置は次の構成を少なくとも有する。装置は、テラヘルツ波パルスを発生、検出するために用いる励起光を出力する光源103を有する。装置は、光源103から検出部102に至る励起光L₂の光路長を調整する遅延光学部104を有する。装置は、遅延光学部104で定義される励起光L₂の光路長の変化と検出部102の出力を参照して、テラヘルツ波パルスT₂の時間波形を取得する波形取得部109を有する。また、装置は、発生部101からテラヘルツ波パルスT₁を発生させるために用いる駆動部105を有する。駆動部105は、電圧または電流源である。ロックインアンプを用いた変復調技術で検出部102からの信号を検出する場合、駆動部105は信号を変調する機能を有していてもよい。これまで述べた装置の各部の構成は、結果的にテラヘルツ波パルスT₂の時間波形が取得できる構成であればよい。例えば、本出願人による特許出願の特願2012-047462に各部の構成の詳細が記載されている。尚、図1において、Mは反射ミラーであり、B.S.はビームスプリッタである。

本実施形態の装置について、以下の構成が従来の装置構成と異なる点である。図1において、装置は、測定物に照射する電磁波パルスを発生する発生部101から検出部102に至るテラヘルツ波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を含み、伝搬経路を取り巻く雰囲気を調整可能とする筐体106を有する。この筐体106の一部には測定窓部107が移動可能に設けられる。測定窓部107は、テラヘルツ波パルスの伝搬経路中にあって、テラヘルツ波パルスの伝搬距離を変化させる部分である。詳細には、測定窓部107は、テラヘルツ波パルスの伝搬経路中にあり、発生部101から検出部102に至るテラヘルツ波パルスの伝搬経路を変化させるために移動可能な測定窓の構成を含む部分である。測定物108は、測定窓部107を挟んで、筐体の中のテラヘルツ波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される。これらの構成により、装置は、筐体106の雰囲気を維持したまま、テラヘルツ波の焦点位置に対し、筐体106の外側にある測定物108の位置を調整することができる。測定窓は、着脱可能に設けられても良く、ユーザーが用意することもできる。

次に、各部の詳細について説明する。
図2は、測定窓部107の一実施形態を説明する図である。図2(a)は測定窓部107の斜視図、図2(b)は図2(a)に示した測定窓部107のAA’部分の断面図である。図2に示すように、測定窓部107は、筐体106の一部に形成される。そして、測定窓部107は、測定窓201、測定窓筐体202、封止部204、アクチュエータ205で構成される。測定窓201は、測定窓部107において測定物108を支持し、テラヘルツ波パルスT₁が測定物108に入射する部分である。また、測定窓201は、筐体106で調整された雰囲気の変動を抑制するための蓋の役目も果たす。測定物108は測定窓201と密着することで、測定物108と測定窓201の界面が測定窓201の形状に沿って整形される。言い換えると、測定物108の形状を、測定に適した形に再整形することができる。その結果、測定物108の形状に由来するテラヘルツ波パルスの散乱や干渉を抑制し、測定精度を改善することができる。

測定窓201は、テラヘルツ波パルスの伝搬経路中に配置されるので、テラヘルツ波パルスに対して透過性の優れた材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、シクロオレフィンポリマーのような樹脂が適用できる。樹脂材料について、多孔質化した形態も適用できる。また、高抵抗シリコン、CVD(Chemical Vapor Deposition)ダイヤモンド、Ｚカットの石英のような基板材料が適用できる。測定窓201の平面度は、テラヘルツ波パルスが構造を認識できない程度が望ましい。具体的には、使用するテラヘルツ波パルスの実効的な波長λ（典型的にはテラヘルツ波パルスが有するスペクトルの中心波長）に対し、1/100λ〜1/20λ程度の平面度が望ましい。例えば、λが100μmの場合、測定窓201の平面度は、1〜5μm程度有することが望ましい。この条件の場合、測定窓201からのテラヘルツ波パルスに対する散乱の影響が抑制できる。さらに、測定窓201の平面度は、伝搬距離データベース111に格納される測定分解能にも依る。例えば、テラヘルツ波パルスの伝搬距離の変化が、テラヘルツ波パルスT₁の焦点位置と測定窓部107との相対的な位置について100μmの測定能で測定されている場合、平面度は、この測定能より小さい値が望ましい。さらに、装置の仕様として測定誤差が定義されている場合、平面度は、この測定誤差より小さい値が望ましい。

また、測定窓201は、測定物108と接触する部分の界面が明確であることが望ましい。そのため、測定物108の物性に応じて、測定窓201の複素屈折率ｎ_com（本明細書の下記の式では、複素屈折率を上波付きｎで示すが、文章中では、上波付きｎを単にｎ_comで表す）が調整できる機能が付加されていてもよい。例えば、測定窓201の全部または一部に屈折率調整用に液体が浸潤できる構成を有している形態が考えられる。詳細には、テラヘルツ波パルスT₁に対して透過率が高いポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンの粒状ないしスポンジ状構造体からなる多孔質材料が測定窓201として適用できる。そして、屈折率調整用の材料として、水、生理食塩水、油、イオン水、ホルマリン、リン酸緩衝液、アルコール、細胞培養培地、糖、ホルモン、タンパク質、アミノ酸等が適用できる。これらの材料は、使用するテラヘルツ波パルスに対し透明であることが望ましい。また、これらの材料を単体で使用してもよいし、複数の材料を混合して用いても構わない。以上の説明では、測定窓201は、測定物108と分けて説明しているが、測定物108が測定窓201を兼ねていてもよい。

測定窓筐体202は、測定窓201を支持し測定窓201を移動することでテラヘルツ波パルスの伝搬距離を変化させる部分である。テラヘルツ波パルスを測定窓201に到達させるために、測定窓筐体202には、開口部が設けられ、開口部に測定窓201が支持される。図2(b)のように、本実施形態では、開口部として測定窓筐体202に凹部203が加工されている。これは、測定窓201の部分に入射し反射するテラヘルツ波パルスの一部が、測定窓筐体202によって遮られることを防止するためである。

測定窓筐体202は、アクチュエータ205を介して筐体106に配置されている。図2において、測定窓筐体202は、筐体106の表面に対し法線方向に移動する。図2では、モーターによりロッドを伸縮させる形態のアクチュエータ205を適用した測定窓107の形態を示している。アクチュエータ205のモーターとして、ステッピングモーター、リニアモーター、ピエゾモーター等を用いたアクチュエータが適用できる。好ましくは、ロッドの回転力が測定窓筐体202に伝達して測定窓筐体202が移動方向に対して回転しないように、非回転式のロッド構成がよい。図2では、アクチュエータ205を２つ用いているが、使用する数はこれに限らない。

また、これらのアクチュエータ205は、測定窓部107の移動方向に対して、測定窓201の傾きを調整する傾斜調整機構として用いることができる。詳細には、３つのアクチュエータ205を用いると、測定窓筐体202と測定窓201の傾きを移動方向に対してピッチ軸、ヨー軸について調整することができる。この傾斜調整機構により測定窓部107からのテラヘルツ波パルスT₂の反射角度を調整することができる。そのため、測定窓部107が筐体106に固定されている形態に比較して、テラヘルツ波のアライメントを正確に行うことができ、装置の測定精度が向上する。

テラヘルツ波のアライメントを正確に行うことができると、測定物の測定精度が向上する理由を、一例を挙げて説明する。これは、本出願人による前記特許出願のものである。電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により少なくとも第1の反射部と第2の反射部を備える測定物の物性を取得する場合を考える。波形取得部で第1のパルスを取得する位置に、時間差を換算した光路長差を遅延部で調整し、時間領域分光法により少なくとも第1のパルスと第2のパルスを含む時間波形を取得する。また、相対位置監視部で監視された測定窓部の調整量と前記取得した時間波形を記憶する。そして、測定物に対する電磁波パルスの集光位置を微動する。こうして、記憶した前記調整量と前記時間波形の変化より電磁波パルスの集光位置である平行伝搬領域が測定物の第1の反射部に重なる位置を算出して、電磁波パルスの集光位置を測定物の第1の反射部に移動する。電磁波パルスの集光位置である平行伝搬領域が測定物の第1の反射部と重なる時の時間波形より第1のパルスを取得し、集光位置の移動に要する測定窓の調整量Z₁と第1のパルスを取得する位置における遅延部による光路長差D₁とを取得する。次に、電磁波パルスの集光位置を測定物の第2の反射部に移動し、電磁波パルスの集光位置である平行伝搬領域が測定物の第2の反射部と重なる時の時間波形より第2のパルスを取得する。そして、集光位置の移動に要する測定窓部の調整量Z₂と第2のパルスを取得する位置における遅延部による光路長差D₂とを取得する。この後、調整量の変化量|Z₂-Z₁|と前記光路長差の変化量|D₂-D₁|とに基づいて、測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出する。こうすれば、測定物の各反射部に挟まれる領域の大きさが電磁波パルスの平行伝搬領域の大きさに近い場合でも、各反射部の位置を精度良く特定でき、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率の検出精度を向上させられる。電磁波パルスとしてテラヘルツ波パルスを用いる場合、このテラヘルツ波パルスの透過性を利用することで、数100μmから数10mm程度の深さでの内部構造の可視化や物性の特定が可能になる。

図2の説明に戻る。封止部204は、筐体106と測定窓筐体202の隙間に配置される。封止部204は、筐体106で調整された雰囲気の変動を抑制するために用いる。封止部204は、筐体106と測定窓筐体202が接触する部分に設けられるので、フッ素樹脂、ニトリルゴム、シリコンゴムや高分子量ポリエチレンのような低摩擦な材料が好適である。また、潤滑材が含まれた金属や樹脂も適用できる。

図3は、測定窓部107の変形例を説明する図である。図2で説明した測定窓部107と異なる点は、測定窓筐体202の移動に用いるアクチュエータの配置である。詳細には、図2のアクチュエータ205は筐体106の内側にあり、筐体106に固定されていたが、図3のアクチュエータ305は、筐体106の外側にある。アクチュエータ305は、押付部材307を備えている。アクチュエータ305は、押付部材307を測定窓筐体202に押付けることで、アクチュエータ305の力を測定窓筐体202に伝達する。その結果、測定窓筐体202は移動する。図3(b)は、図3(a)のAA’の断面図である。図示のように、測定窓部107は、伸縮部306を有している。伸縮部306の片端は、筐体106に設けられた固定部309に接続される。伸縮部306は、例えば引張コイルバネが適用できる。測定窓筐体202は、伸縮部306の引っ張る力によって伸縮部306を介して筐体106に配置される。より詳細には、アクチュエータ305から加えられる力と、伸縮部306が測定窓筐体202を持ち上げる力のバランスによって測定窓筐体202は移動し、任意の位置に配置される。

図3(c)は、図3(b)の変形例である。具体的には、測定窓筐体202を筐体106に配置する部分の構成が異なる。図3(c)のように、測定窓筐体202は、伸縮部306とガイドねじ308によって筐体106に固定される。詳細には、ガイドねじ308は、筐体106に設けられたガイド穴310の深さ方向に沿って移動可能で、伸縮部306の力で測定窓筐体202は筐体106に固定される。伸縮部306は、例えば、圧縮コイルバネや皿バネが適用できる。伸縮部306は、測定窓筐体202とガイド穴310の間に配置され、ガイドねじ308は伸縮部306の中心部分に挿入される。

一般に、モーターを有するアクチュエータは構成が大きくなるが、図3の構成では、このアクチュエータを筐体106の外部に配置することができる。そのため、筐体106内部に配置される部品が占有する領域を小さくできるので、筐体106内部の体積を小さくできる。この結果、筐体106内部の雰囲気の調整に要する時間が短縮でき、装置の小型化も容易になる。また、測定窓部107に伸縮部306を用いることで、外部からの振動を吸収することができる。不要な振動が生じると、測定窓部107の位置が変動し、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変動してしまい、テラヘルツ波パルスの時間波形の取得時に測定精度が低下する場合がある。この不要な振動を吸収することで、装置の測定精度を安定にできる。

図2の測定窓部107の構成では、傾斜調整機構として測定窓筐体202を支持するアクチュエータ205を用いている。これに対し、図3の測定窓部107の構成では、傾斜調整機構として筐体106の外部に設けられたアクチュエータ305を用いる。詳細には、アクチュエータ305は押付部材307の傾斜を調整する機構を有し、押付部材307の傾斜を保持したまま測定窓筐体202に押付部材307を押し付けることで、テラヘルツ波パルスT₂の反射角度の調整を行うことができる。

図2や図3の構成では、測定窓部107の移動方向に対して、測定窓201の傾きを調整する傾斜調整機構として、測定窓筐体202を移動するために用いるアクチュエータ205、305を利用している。しかし、測定窓部107は、この傾斜調整機構を独立して有していてもよい。例えば、図12は、測定窓部107において傾斜調整機構を独立させた形態の例を示したものである。尚、図12の測定窓部107では、測定窓筐体202の移動に必要な構成が省略されているが、実際には、これまで説明した測定窓部107の移動に必要な機構が適用できる。

図12(a)は測定窓部107の上面図、(b)は測定窓部107のAA’断面図、(c)は測定窓部107のBB’断面図である。これまでの測定窓部107と異なる点は、測定窓201の傾斜を調整するための傾き調整板1209を有している点である。詳細には、図12(b)のように、傾き調整板1209は測定窓筐体202に対してガイドねじ308で固定されている。傾き調整板1209は、ガイド穴310を有し、ガイドねじ308はガイド穴310の深さ方向に移動する。伸縮部306は、傾き調整板1209とガイドねじ308の端部の間に配置される。ガイドねじ308は、伸縮部306の中心部分に挿入され、傾き調整板1209は伸縮部306の力によって測定窓筐体202に押付けられる。伸縮部306は、圧縮バネや皿バネが適用できる。封止部1204は、傾き調整板1209と測定窓筐体202の間に挿入され、筐体106で調整された雰囲気が変動することを抑制する。封止部1204は、Ｏリングが適用できる。好ましくは、封止部1204は傾き調整板1209から加えられる力によって変形するので、封止部1204に用いる材料は、硬度の小さい材料がよい。その結果、傾き調整板1209の傾斜に沿って封止部1204が変形するので、封止状態が保たれ雰囲気の変動が小さくなる。

また、図12(c)のように、傾き調整板1209は、ねじブッシュ1211と調整ねじ1210を有している。調整ねじ1210の端部は測定窓筐体202に突き当てられている。調整ねじ1210の押し込み量で測定窓筐体202と傾き調整板1209の距離を調整する。図12(a)の測定窓部107の構成では、３つの調整ねじ1210を用い、測定窓201の傾きを移動方向に対してピッチ軸、ヨー軸について調整することができる。この傾斜調整機構により測定窓部107からのテラヘルツ波パルスT₂の反射角度を調整することができる。そのため、測定窓部107が筐体106に固定されている形態に比較して、テラヘルツ波のアライメントを正確に行うことができ、装置の測定精度が向上する。

本実施形態の装置に依れば、装置は、雰囲気を調整する筐体106に対して移動可能な測定窓部107を有するので、調整された雰囲気の変動を抑制した状態でテラヘルツ波の焦点位置と測定物108との位置の調整が可能になる。この結果、テラヘルツ波パルスが平行に伝搬する平行伝搬領域1022（図10(b)参照）で測定できるため、測定物の表面或いは内部構造の正確な観察が容易となり、装置の信頼性が向上する。

（実施形態2）
測定物108の物性を取得する手法として、伝達行列を用いてテラヘルツ波パルスの応答を演算により再構成する手法がある（例えば、Proceedings of SPIE, Vol.5692,241-254 (2005)参照）。本実施形態における測定物情報取得装置は、実施形態1の装置について、伝達行列を用いて測定物108の物性を取得する装置に適用したものである。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図1を用いて、本実施形態の装置の説明を行う。本実施形態の装置は、実施形態1の装置の構成に対して、次の構成が加わる。相対位置監視部110は、テラヘルツ波パルスT₁の焦点位置と測定窓部107との相対的な位置を監視する部分である。伝搬距離データベース111は、テラヘルツ波パルスの伝搬経路に存在する光学系の配置の変化に起因するテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の、前記相対的な位置に対する変化dLの演算に用いる情報を出力する部分である。より詳細には、測定窓部107を構成する測定窓201とテラヘルツ波パルスT₁の焦点位置の配置関係がテラヘルツ波パルスの伝搬距離に及ぼす影響が記憶されている。

図10は、伝搬距離データベース111に格納されるデータ例を説明する図である。図10(b)は、伝搬距離データベース111に格納されるデータを説明するための図である。図10(b)において、測定窓201は、外部との境界に屈折率が変化する界面を有し、ここでは、第1の界面1018と第2の界面1019と呼ぶ。テラヘルツ波パルスは、集光手段1020により測定窓201に集光される。この時、集光手段1020と測定窓201の間隔を相対位置1023と定義する。測定窓201から反射されたテラヘルツ波パルスの時間波形を測定すると、第1の界面1018と第2の界面1019からの反射波が観測できる。この反射波の時間間隔Δtは、図10(b)では測定窓201の光学的な距離を反映した値である。「発明が解決しようとする課題」の項でも述べたが、テラヘルツ波パルスの焦点位置と測定窓201の配置関係によって、この観測される測定窓201の光学的な距離（二次的な伝搬距離）は変化することが確かめられている。

図10(a)は、相対位置1021を変化させた時、測定窓201から反射したテラヘルツ波パルスの時間間隔Δtをプロットしたグラフである。伝搬距離データベース111には、これらの情報が、使用される材料毎に記憶されている。図10(a)で示したグラフは、測定窓201として厚み30μmの多孔質フィルムを用いた場合の情報をグラフにプロットしたものである。グラフに記載されるテラヘルツ波パルスの時間間隔Δtは、光速cと測定窓201の物性値を用いることで、テラヘルツ波パルスの伝搬距離に変換できる。ここで、図10(b)のように、測定窓201の第1の界面1018が集光過程領域1021にあり、第2の界面1019が焦点位置に相当する平行伝搬領域1022にある状態を測定窓201の初期位置として、0mmと定義している。この位置は測定者が定める。例えば、初期位置を、基準として0mmに換算しているが、相対位置1023の実測値を換算せずにプロットしてもよい。図10(a)のグラフによると、相対位置1023が大きくなるに従い、テラヘルツ波パルスの時間間隔Δtは小さくなり、相対位置1023が1mmを超えると時間間隔Δtは、ほぼ一定値を示すことが確認された。そして、相対位置1023が1.6mmを超えると、時間間隔Δtが再び大きくなる傾向が確認された。この結果より、例えば、焦点位置に相当する平行伝搬領域1022は、相対位置1023について1.0mmから1.6mmと定義できる。言い換えると、ここで示した例の場合、焦点位置に相当する平行伝搬領域1022は、測定窓201の内部について0.6mm程度の領域を有していることが分かる。測定窓201の物性が既知である場合、自由空間における領域に換算することができる。このように、同じ形状の物質でも、テラヘルツ波パルスの焦点位置と測定対象物の配置位置の関係によって、テラヘルツ波パルスの光学的な伝搬距離が変化する。詳細には、テラヘルツ波パルスの焦点位置に測定対象物がある場合、テラヘルツ波パルスの光学的な伝搬距離は、測定対象物の物性に依る。しかし、テラヘルツ波パルスの焦点位置から測定対象物がずれている場合、テラヘルツ波パルスの光学的な伝搬距離は、測定対象物の物性の他に、光学系由来の変化分（二次的な伝搬距離に相当）が追加される。つまり、テラヘルツ波パルスの焦点位置と測定物の配置位置によって、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離は変化することが分かる。

尚、ここで示した伝搬距離データベース111に格納されるデータは、或る厚みのデータであるが、汎用性を高めるため次のようなデータ形式でもよい。例えば、複数の厚みの材料に関する実測データより、材料の厚みの変化に対する反射テラヘルツ波パルスの時間間隔の変化や、材料が感じる平行伝搬領域1022の大きさの変化の傾向を演算してもよい。このような伝搬距離データベース111を用いることで、伝搬距離データベース111が適用できる範囲を広げることができるので、装置や方法の汎用性が広がる。

また、波形取得部109が取得するテラヘルツ波パルスの時間波形について、大気（自由空間）に存在する反射界面の移動に伴うテラヘルツ波パルスの時間波形の尖頭値の位置変化が伝搬距離データベース111に格納されていてもよい。このデータを活用すると、例えば、２つの反射界面の尖頭値の位置の差分を求めることで、或る相対位置1023におけるテラヘルツ波パルスの時間間隔Δtが演算できる。そして、この反射界面の間隔を維持した状態で、相対位置1023が変化するように使用するデータを選択し、逐次同様の演算を行うことで図10(a)に近似したグラフを取得することができる。このグラフは、複素屈折率ｎ_comが1で、測定者が定めた厚みの材料について、テラヘルツ波パルスの焦点位置の変化に対する伝搬距離の変化をプロットしていることに相当する。このデータを利用して、任意の複素屈折率ｎ_comを乗算することで、伝搬距離データベース111は任意の厚みと複素屈折率ｎ_comの材料に関するテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化を出力することができる。このような伝搬距離データベース111を用いることで、伝搬距離データベース111が適用できる範囲を広げることができるので、装置や方法の汎用性が広がる。

測定窓201に配置された測定物108の測定を行う場合、測定物108の観察したい箇所が、焦点位置にあると、テラヘルツ波パルスを平行ビームとみなすことができるので光学距離の測定精度が維持できる。しかし、測定物108の観察したい箇所の一部が集光伝搬領域1021に存在すると、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離が変化する。既述した様に、この二次的な伝搬距離の変化を、測定物の物性ではなく光学系に由来する変化と定義し、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dLと表す。このようなテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dLは、測定条件によって測定誤差を招く原因となることがあるため、対処することが望ましい。後述する本発明の方法では、この誤差を抑制する方法が含まれている。

図1の説明に戻る。物性データベース112は、物質の識別名と物質の物性の情報が記憶される部分である。記憶される物性として、例えば、複素屈折率ｎ_com、吸収係数α、透過率や反射率が挙げられる。好ましくは、測定する周波数領域における物性の周波数分布が記憶されているとよい。

波形取得部109は、上述した実施形態1と同じである。波形取得部109は、測定物108からの測定波形E_meas(t)を出力する。波形再構築部113は、伝搬距離データベース111から得られるテラヘルツ波パルスの伝搬距離の変化dLと、物性データベース112に格納された物性情報を用いて、再構成波形E_rec(t)を構築する部分である。詳細には、測定窓部107からのテラヘルツ波の完全反射波形を参照波形E_ref(t)とする。この参照波形E_ref(t)と伝搬距離データベース111と物性データベース112の情報を利用して、測定波形E_meas(t)に近似した再構成波形E_rec(t)を演算・構築する。この演算は、電磁波の伝搬を伝達行列として表現し、伝達行列の最適化により再構成波形E_rec(t)の演算を行う。この再構成波形E_rec(t)の最適化によって得られた伝達行列の変数の値を利用して、測定物108の物性を取得する。

図を用いて、波形再構築部113の動作を説明する。図9は、波形再構築部113で用いる伝達行列を説明するための図である。図9(a)は、物体の層に対する伝達行列を説明する図である。図9(b)は、物体と物体の界面に対する伝達行列を説明する図である。図9(c)は、複数の層と界面で構成される形態の伝達行列を説明する図である。ここで、m番目の層に対する伝達行列をA^(m)とし、m番目の界面に対する伝達行列をB^(m)とする。そして、m層の伝達行列をMとする。また、図において、E₍₊₎は進行波、E_(-)は後退波を示す。波形再構築部113で用いる伝達行列Mの説明にあたり、物体の複素屈折率ｎ_comと吸収係数αを次のように定義する。

ここで、nは屈折率、κは消衰係数、cは光速、νは周波数、kは波数である。また、波数kは次式(3)で表される。

この時、進行波E₍₊₎と後退波E_(-)は次式のように定義される。

ここで、tは時間、xは位置ベクトルである。

図9を用いて、本実施形態で使用する伝達行列の説明を行う。測定物は複数層を有していると仮定している。測定物についてm番目の層の伝達行列を説明する図9(a)において、m番目の層の厚みをd_mとする。そして、m番目の層の屈折率、波数、吸収係数をｎ_com−m、k_m、α_mと表現する。E₍₊₎’とE_(-)’は、層を伝播した後の進行波と後退波である。図9(a)において、電磁波がE₍₊₎(ν)からE₍₊₎’(ν)に伝搬する方向を基準とすると、E₍₊₎’とE_(-)’は次式となる。

この時、図9(a)においてm番目の層の伝達行列をA^(m)とすると、式(5)、(6)よりA^(m)は次のように表現される。

式(7)から分かるように、伝達行列A^(m)は、層を伝播する際の電磁波の減衰と位相変化を表している。図9(b)は、測定物についてm番目の界面の伝達行列を説明する図である。詳細には、層mから層m+1の間にある界面をm番目の境界とする。図において、m番目の界面の伝達行列をB^(m)とする。この時、層mから層m+1の方向に電磁波が伝搬する場合、m番目の境界における複素振幅透過率t_m,m+1と、複素振幅反射率r_m,m+1は次式で表される。

この時、図9(b)のE₍₊₎、E_(-)、E₍₊₎’、E_(-)’の関係は次式となる。

また、図9(b)においてm番目の界面の伝達行列をB^(m)とすると、式(10)、(11)よりB^(m)は次のように表現される。

式(12)は、式(8)、(9)を用いて次のように変形できる。

式(13)のように、m番目の界面の伝達行列B^(m)は、界面を介して接する材料の複素屈折率で簡単に表すことができる。図9(c)のように、測定物が複数の層から形成される時の伝達行列をMとする場合、伝達行列Mは、各層と各界面の伝達行列の積として表現される。

この結果、進行波E₍₊₎と後退波E_(-)は、伝達行列Mを用いて次のように表すことができる。

上述したように、波形再構築部113は、測定窓部107からのテラヘルツ波の完全反射波形を参照波形E_ref(t)とし、参照波形E_ref(t)を用いて測定波形E_meas(t)に近似した再構成波形E_rec(t)を演算する。装置構成が、図1に示したような測定物108からの反射テラヘルツ波パルスを測定する形態の場合、進行波E₍₊₎は参照波形E_ref(t)の周波数領域の情報となる。そして、後退波E_(-)は、再構成波形E_rec(t)の周波数領域の情報となる。本実施形態では、後退波E_(-)の周波数領域の情報を時間領域の情報に変換し、測定波形E_meas(t)との比較を行い、伝達行列Mの最適化を行う。詳細には、各層の複素屈折率と厚みを最適化する。伝達行列の最適化を行う際、測定物108の表面或いは内部構造の一部が既知である場合、この既知情報について、物性データベース112を参照して取得してもよい。また、測定物108の表面或いは内部構造の情報について、候補が存在する場合、その候補の物性情報を参照して、最適化されるパラメータの範囲を制限してもよい。

上述したように、テラヘルツ波パルスの焦点位置と測定対象物の配置位置の関係によって、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離が変化する。例えば、図9(c)において、伝達行列A⁽¹⁾に相当する部分の物性とA⁽²⁾に相当する部分の物性が同じでも、テラヘルツ波パルスの焦点位置によって、テラヘルツ波パルスの伝搬距離は変化する。例えば、伝達行列A⁽¹⁾に相当する部分にテラヘルツ波パルスの焦点が存在し、伝達行列A⁽²⁾に相当する部分は焦点からずれている場合を考える。この場合、伝達行列A⁽²⁾に相当する部分のテラヘルツ波パルスの伝搬距離は、伝達行列A⁽¹⁾に相当する部分の伝搬距離よりも長くなる。この効果を無視して各部分の物性を求めると、伝達行列A⁽¹⁾に相当する部分と伝達行列A⁽²⁾に相当する部分の物性は、同じ材料でも異なる結果として算出される可能性がある。本実施形態の波形再構築部113では、この影響を抑制するため、次に示す層に関する伝達行列C^(m)を伝達行列A^(m)と共に適宜組み合わせて使用する。

伝達行列A^(m)との違いは、時間領域におけるテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化を、周波数領域における位相の変化φ_mとしている点である。位相変化φ_mは次式で表される。

dL_mはm層目の材料におけるテラヘルツ波パルスの光路長変化である。テラヘルツ波パルスの全体の二次的な伝搬距離の変化dLは、次式のように各層における光路長変化dL_mを加算した形として表現できる。

波形再構築部113は、相対位置監視部110の出力を参照し、伝搬距離データベース111に格納されたデータを用いて各層のテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dL_mを演算する。式(17)で使用されるdL_mは、伝達行列C^(m)に相当する材料の条件によって、次のように選択することができる。伝達行列C^(m)に相当する材料が既知或いは推定できる場合、図10(a)のような、予め測定された実測データを活用してテラヘルツ波パルスの光路長変化を求める。

ここで、dL_{material_m}はm層目の既知或いは推定された材料におけるテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化の値である。テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dL_{material_m}は、伝搬距離データベース111の情報を用いて波形再構築部113で演算される。望ましくは、dL_{material_m}は、実際の測定データを用いる（すなわち測定物と同じ物性と形状の材料の測定結果）。伝搬距離データベース111のデータの測定条件（例えば材料の厚み）と伝達行列C^(m)で分析する際の測定条件が大きく異なる場合、次の様にできる。すなわち、上述の如く、dL_{material_m}は、伝搬距離データベース111に格納される複数の測定条件下での測定データより推定された値を用いることもできる。実際の測定データを使用することで、波形再構築113の計算量を制限することで最適化の速度を速めると共に、装置の信頼性を高めることができる。

また、伝搬距離データベース111に格納されるデータとして、大気（自由空間）における二次的な伝搬距離の変化を使用する場合、dL_mは次式で表される。

ここで、dL_{air_m}はm層目の材料について、大気（自由空間）を想定した時のテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化の値である。実際には、上述したようにdL_{air_m}は、伝達行列C^(m)で使用される厚みd_mを用いて算出される。テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化は、最適化の過程で出力される伝達行列のパラメータを利用して推定することで、様々な形態の材料に適用できる。その結果、装置の汎用性が高まる。

以上のように、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の補正が必要な箇所は、伝達行列A^(m)の替わりに伝達行列C^(m)を使用する。例えば、２層構造の測定物108について、測定窓201に密着した状態で測定を行い、かつ測定窓201で装置の光学系に由来するテラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化を加味する必要がある場合、式(14)は次式のように変化する。

ここで、m=1は測定窓201に相当し、m=2,3は測定物108内部の構造に相当する。また、生体など吸収の大きな材料や材料に十分な厚みがある場合のように、材料からの後退波が無視できる場合、式(15)は次式のように表される。

さらに、材料の境界が電磁波を反射する鏡面とみなせる場合、式(14)は次式のように表される。ここで、鏡面はm層に存在する。

伝達行列I（省略しているが、式(14)のA^(m)の後にある）は単位行列である。そして、この伝達行列M’’を使用して式(15)は次のように表される。

式(24)の意味するところは、材料の鏡面において電磁波は完全反射するので、進行波と後退波は同じとみなす。その結果、鏡面に相当する部分の界面に関する伝達行列B^(m)の効果は、E’_(-)=E’₍₊₎とすることで含まれるため、m層目の伝達行列B^(m)は、無視することができる。

以上のような伝達行列を用いて、波形再構築部113は、伝達行列の最適化を行い、測定波形E_meas(t)に近似した再構成波形E_rec(t)を演算する。詳細には、周波数領域の情報を時間領域に変換して、測定波形E_meas(t)と再構成波形E_rec(t)の比較を行う。ここで、伝達行列の初期値は、物性データベース112を参照して決定する。例えば、物性の候補が選定されている場合、その物性値を初期値として入力する。また、物性データベース112で示された候補材料を参照し、最適化を行う伝達行列の各変数の範囲を決定することもできる。このような工程を経ることで、波形再構築部113が再構成波形E_rec(t)を演算する際、伝達行列の各変数が異常値に集束することを防止し、装置の信頼性を高めることができる。

表示部114は、波形再構築部113の演算結果を受けて、演算結果を表示する部分である。表示方法は、演算に用いた変数を利用して、測定物108の物性を表示する。また、物性データベース112に格納された物性データと波形再構築部113の演算結果を比較して、測定物108の特定を行ってもよい。また、装置が、測定物108のトモグラフィ像を取得する装置形態の場合、トモグラフィ像に分布する物性に従って色分けして表示してもよい。表示部114は、ユーザーインターフェースに相当する部分であり、測定者の要望に沿って構築されるため、表示形態はこれらに限るものではない。

本実施形態の装置に依れば、参照波形E_ref(t)と物性データベース112の物性情報より、装置が測定する測定波形E_meas(t)に近似した再構成波形E_rec(t)を構築する際に、テラヘルツ波パルスの伝搬距離の変化dLを加味している。その結果、再構成波形E_rec(t)の演算の精度が改善される。

図面を参照して本装置の方法を説明する。図7は、本装置の動作フロー例を示した図である。図8は、本装置の動作を説明する図である。装置の動作が開始すると、波形取得部109は、遅延光学部104の調整量と検出部102の出力を参照し、測定窓部107からの参照波形E_ref(t)を取得する(S701)。波形取得部109は、取得した参照波形E_ref(t)をフーリエ変換し、周波数情報E_ref(ν)に変換して波形再構築部113に出力する(S702)。この時、測定窓部107を構成する測定窓201は、図8(a)のように、テラヘルツ波パルスを反射する反射体801に置き換えられている。そのため、反射体801に入射するテラヘルツ波パルスT₁と反射体801からのテラヘルツ波パルスT₂は同じである。また、図8では、相対位置監視部110としてダイヤルゲージを使用している。非接触で相対位置を監視したい場合、レーザー変位系等が適用できる。相対位置監視部110は、参照波形E_ref(t)を取得した時の測定窓部107の位置（図8の例では測定窓筐体202の位置）を測定窓部107の初期位置L_refとして光路長データベース111に出力する(S703)。S701からS703の工程で得られるデータは測定毎に測定する必要はなく、事前に取得されていてもよい。

図8(b)のように、測定窓部107には反射体801の替わりに測定窓201が設置される。そして、測定物108は、測定窓部107に対し、テラヘルツ波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される。詳細には、測定物108は測定窓201に密着して配置される。この結果、テラヘルツ波パルスT₂は、測定窓201や測定物108の情報を加味した時間波形となる。測定者は、測定窓201の形態や性状、そして測定物108で観察したい場所に応じて、テラヘルツ波パルスT₁の焦点位置を調整する。詳細には、図8(b)の場合、測定窓部107を構成する測定窓筐体202の位置を調整することで測定窓201や測定物108に対するテラヘルツ波パルスT₁の焦点位置を調整する。相対位置監視部110は、テラヘルツ波パルスT₁の焦点位置調整後の測定窓部107の位置L_meas（図8の例では測定窓筐体202の位置）を光路長データベース111に出力する(S704)。測定窓部107の移動に伴うテラヘルツ波パルスの伝搬距離の変化分は、L_ref-L_measとテラヘルツ波パルスT₁の入射角度の情報から換算できる。

波形取得部109は、遅延光学部104の調整量と検出部102の出力を参照し、測定窓201を介した測定物108からの測定波形E_meas(t)を取得する(S705)。波形取得部109は、取得した測定波形E_meas(t)をフーリエ変換し、周波数情報E_meas(ν)に変換して波形再構築部113に出力する(S706)。再構成波形E_rec(t)を構築するにあたり、波形再構築部113は、測定物108の構造を定義する(S707)。より詳細には、測定窓201と測定物108を１つの測定対象とみなし、波形再構築部113が使用する伝達行列Ｍを定義する。波形再構築部113は、各伝達行列のパラメータについて、既知部分のパラメータを物性データベース112より取得する(S708)。ここで、使用するパラメータについて既知ではないが、或る程度材料が絞られている場合、物性データベース112を参照して、パラメータの領域を設定することもできる。測定対象を構成する物性が、未知である場合、測定者は未知のパラメータの初期値を設定する。

波形再構築部113は、相対位置監視部110から出力される測定窓部107の位置情報を参照し、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dLを演算する(S709)。そして、波形再構築部113は、伝達行列の各パラメータを用いて時間領域の再構成波形E_rec(t)を計算する(S710)。そして、波形再構築部113は、測定波形E_meas(t)を比較対象とし、参照波形E_ref(t)と二次的な伝搬距離の変化dLと物性値を用いて再構成波形E_rec(t)の最適化を行う(S711)。詳細には、波形の再構成に用いる伝達行列の各パラメータの最適化を行う。

装置や測定者が、再構成波形E_rec(t)の最適化の計算が再度必要と判断した場合、再びS707に戻る。例えば、測定波形E_meas(t)と再構成波形E_rec(t)の一致度が低く、異なる構造の伝達行列Ｍを試してみる必要がある場合、再計算を行う。また、伝達行列の計算結果に異常値が含まれる場合、再計算を試みる。

本方法に依れば、再構成波形E_rec(t)の最適化を行う際に、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dLを考慮して最適化を行っている。その結果、再構成波形E_rec(t)の最適化の精度が向上する。

計算された伝達行列の各パラメータを利用して測定物108を照合する場合、再構成波形E_rec(t)の構築に用いた物性値と、物性データベース112に格納された物質の物性値を比較して、測定物108を構成する物質を決定する(S712)。この方法に依れば、テラヘルツ波パルスの二次的な伝搬距離の変化dLを考慮した再構成波形E_rec(t)から物性値を求める。そのため、二次的な伝搬距離の変化dLを考慮しない形態と比較して求まる物性値の精度が向上する。その結果、物性値の比較により測定物108を構成する物質を決定する際の精度が改善する。すなわち、再構成波形の構築に用いた物性値と物性データベースに格納された物質の物性の情報を比較して、測定物を構成する物質を決定する際の精度が改善する。

以上の工程で出力された結果は、表示部113によって測定者に提示される。尚、これまでの説明では、波形取得部109や波形再構築部113で得られるテラヘルツ波パルスT₂の時間波形は、Aスキャンのトモグラフィ像に相当する。本実施形態の場合、Bスキャンのトモグラフィ像（断層像）や３次元のトモグラフィ像を取得したい場合、テラヘルツ波パルスT₁を測定物108に対して走査することで実現できる。詳細には、これらの像は、測定窓部107の移動方向に対して法線方向のベクトルを含む面について、１次元方向または２次元方向にテラヘルツ波パルスT₁を走査することで実現できる。表示部113では、これらの像も表示する。

図11(a)は、測定物とそのトモグラフィ像の模式図である。ここでは、Bスキャンのトモグラフィ像を示している。波形取得部109から得られる時間波形を可視化すると、測定物を構成する各部位の物性の違いより、テラヘルツ波パルスの伝搬速度が変化するため、各部位におけるテラヘルツ波パルスの伝搬長が異なる。図11では、測定物として癌組織、表皮、真皮で構成される皮膚の例を示している。この結果、波形取得部109の情報を可視化すると、図11(a)のトモグラフィ像のように、測定物の断面構造と比較して、界面の位置が部分的に変化する。この時、波形再構成部113において、第1の特徴領域1124、第2の特徴領域1125、第3の特徴領域1126を測定物108の構造として定義し、伝達行列の最適化を行うことで、各領域の物性を決定することができる。ここで、図11では、特徴領域として表皮の最表面と表皮と真皮の界面で挟まれる領域を第1の特徴領域1124としている。また、癌組織の最表面と癌組織と真皮の界面で挟まれる領域を第2の特徴領域1125としている。また、表皮と真皮の界面と真皮と皮下組織の界面で挟まれる領域を第3の特徴領域1126としている。表示部113では、図11(b)のように、各特徴領域の物性を参照して、トモグラフィ像の各特徴領域の大きさを調整し、測定物に近い像を取得する。この時、各特徴領域の物性に応じて、特徴領域の表示形態を変化させて提示する。例えば、特徴領域毎に色を変化させることができる。

（実施形態3）
本発明の思想を実施し得る他の形態について、図面を参照して説明する。具体的には、測定窓部107の変形例である。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

実施形態1で説明した測定窓部107は、測定窓部107を構成する測定窓筐体202に測定窓201が固定される形態である。このため、実施形態2のように、多次元のトモグラフィ像を取得するためには、測定窓201に設置された測定物108に対し、テラヘルツ波パルスT₁を走査する必要がある。本実施形態では、この形態に対し、測定窓部107に設置される測定物108自体を動かし、多次元のトモグラフィ像を取得し得る測定窓部107を提供する。

図4に本実施形態の測定窓部107の構成を示す。これまでの測定窓部107の構成と異なる箇所は、測定窓筐体202が第1の測定窓筐体407と第2の測定窓筐体408で構成される所である。第１の測定窓筐体407は、測定窓201をテラヘルツ波パルスの伝搬距離を変化させる方向に移動する部分である。図4では、第1の測定窓筐体407は、アクチュエータ205により支持されているが、実施形態1の図3で説明したように伸縮部306やガイドねじ308で支持する形態でもよい。この場合、筐体106外部に設けられたアクチュエータ305で第1の測定窓筐体407は移動する。第2の測定窓筐体408は、測定窓201を支持し、第1の測定窓筐体407の上に配置される。第2の測定窓筐体408は、不図示のステージによって、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変化する方向に対して法線方向のベクトルを含む面について、１次元方向または２次元方向に走査される。このことによって、スキャンのトモグラフィ像（断層像）や３次元のトモグラフィ像といった多次元のトモグラフィ像が取得できる。尚、ここで説明した不図示のステージは、図3のアクチュエータ305を兼ねていてもよい。詳細には、不図示のステージの一部が第2の測定窓筐体408を含み構成され、このステージは、測定窓部107の移動方向と、測定窓部107の移動方向に対して法線方向のベクトルを含む面の方向に動くことができる。

図13は、本実施形態で説明した測定窓部107のさらなる変形例である。図13の測定窓部107は、図12で説明した傾き調整板1209が第2の測定窓筐体408の上に配置されている。このことによって、測定窓部107は、測定窓201の傾きの調整が可能である。

本実施形態の測定窓201は、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変化する方向に対して法線方向のベクトルを含む面について、１次元方向または２次元方向に走査される。その結果、テラヘルツ波パルスに対して、測定点が相対的に移動するので多次元のトモグラフィ像が取得できる。測定窓201の移動により、テラヘルツ波パルスの測定点の移動を実現することで、測定点の移動機構を装置の筐体106の外に配置することができる。その結果、筐体106内部の体積を小さくすることができ、測定環境の調整に要する時間が短縮できる。このことから、装置の小型化や測定環境の安定化が容易となる。

（実施形態4）
本発明の思想を実施し得る他の形態について、図面を参照して説明する。具体的には、これまで説明した測定窓部107の機構を発生部101や検出部102に適用している。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図5に本実施形態の測定窓部107の構造を示す。測定窓509は、テラヘルツ波パルスを素子510に集光させるための部材である。多くの場合、半球レンズや超半球レンズが適用される。素子510は測定窓509に密着して配置されている。図5(b)に素子510の構成例を示す。素子510は、アンテナ電極511と給電電極512が半導体基板514上に形成された素子である。本素子は、光伝導素子とも呼ばれる。半導体基板514として例えば、低温成長したガリウムヒ素(LT-GaAs)やインジウムガリウムヒ素(LT-InGaAs)が適用できる。半導体基板514の材料はこれに限るものではなく、テラヘルツ波を発生または検出し得る既知の材料が適用できる。アンテナ電極511や給電電極512の形状や大きさは、使用するテラヘルツ波パルスの波長やスペクトル形状に応じて適宜設計される。半球レンズや超半球レンズは、テラヘルツ波に対して損失や分散の小さい材料が望ましい。例えば、高抵抗シリコンが適用できる。尚、テラヘルツ波を発生、検出し得る素子であれば、これに限るものではない。

図5において、測定窓509は第2の測定窓筐体508に支持されている。そして、第1の測定窓筐体507は、伸縮部306によって筐体106に支持されている。また、第1の測定窓筐体507と第2の測定窓筐体508は密着して配置される。実施形態3で説明したように、第1の測定窓筐体507は、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変化する方向に測定窓509や素子510を移動させる部分である。第2の測定窓筐体508は、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変化する方向に対して法線方向のベクトルを含む面について、測定窓509や素子510を１次元方向または２次元方向に移動させる部分である。第2の測定窓筐体508には、図示のようにアクチュエータ305が接続され、第1の測定窓筐体507と第2の測定窓筐体508を動かすための力を印加する。

以上の構成によって、素子510の位置は、測定窓部107を介して調整することが可能になる。尚、図5の構成の測定窓509は必ずしも必要はなく、素子510が測定窓509を兼ねていてもよい。本実施形態の構成に依れば、発生部と検出部のいずれか一方または両方は、筐体に対し、筐体の中の前記電磁波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される。この様に、発生部101と検出部102のうちの少なくとも一方を筐体106の外に配置することができるため、筐体106内部の体積を小さくできる。この結果、筐体106内部の雰囲気の調整に要する時間が短縮でき、装置の小型化も容易になる。

（実施形態5）
本発明の思想を実施し得る他の形態について、図面を参照して説明する。具体的には、実施形態1で説明した装置の変形例であり、本装置をプローブ化した形態を開示するものである。すなわち、本実施形態は、測定物を測定するためのプローブであり電磁波パルスを導波させる導波部をさらに有し、プローブは、その端部に前記測定窓部を備えている。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図6に本実施形態のプローブ化した装置の構成を示す。図6(a)は、プローブ618の先端部分の構成を示した図である。プローブ618の先端部分は、測定窓部607、筐体606、被膜部615で構成される。測定窓部607は、これまでの実施形態で説明したものと同じ構成である。ただし、測定窓部607を構成する材料は、プローブ618の使用環境により適宜選択される。測定窓部607の位置の調整は、これまで説明したように、筐体606内部に配置されたアクチュエータか、図6(b)、(c)に示すように、プローブ618自身を測定物108に押付ける形態がある。図6(b)は、第１の界面618と第2の界面619を有する測定物108に対し、テラヘルツ波パルスT₁の焦点を第1の界面618に調整している形態を示している。この状態から、テラヘルツ波パルスT₁の焦点位置を第2の界面619に調整する場合、図6(c)のように、プローブ618を測定物108に押付ける過程で測定窓部607を筐体606内部に移動させる。このことで、テラヘルツ波パルスT₁の焦点の移動を可能とする。

筐体606は、測定窓部607を支持し得る強度をもつ材料で構成する。被覆部615が十分な強度と剛性を有する場合、被覆部615が筐体606を兼ねてもよい。

図6のように被覆部615は、テラヘルツ波パルスを導波させる導波部616を内包している。導波部616は、既知の導波路の形態が適用できる。例えば同軸導波路や、中空ファイバが適用できる。導波部616を構成する材料は、可能な限りテラヘルツ波に対する損失や分散が小さいものが好ましい。図6(a)では、導波部616の先端の形状によって、テラヘルツ波パルスの伝搬方向を調整する例を示している。ただし、テラヘルツ波パルスの伝搬方向の調整はこの形態に限るものではなく、筐体606内部に配置された光学素子（ミラーやレンズ）を使用してもよい。

本実施形態の装置に依れば、プローブ618の先端に測定窓部607を備えているため、測定窓部607に接している測定物108の表面或いは内部に結ばれるテラヘルツ波の焦点位置を可変にできる。その結果、焦点位置を測定物108の測定したい位置に移動することが容易となるため、測定物108の構造観察を正確に行うことができる。

本発明の一側面は、電磁波パルスにより、電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を含み伝搬経路を取り巻く雰囲気を調整する筐体に移動可能に設けられた測定窓部に配置された測定物の表面或いは内部の構造の情報を取得する測定物情報取得方法でもある。この方法は、上記課題を解決するための手段の項で述べたステップを有する。本発明によれば、この測定物の情報を取得するためのコンピュータに、上述の測定物情報取得方法のステップを実行させるプログラムを提供することができる。すなわち、各機能を具現化したソフトウエアの測定物情報取得用プログラムのコードを記録した記憶媒体をシステム或いは装置に提供してもよい。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによって、前述した実施形態の機能を実現することができる。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどを用いることができる。或いは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることもできる。また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した各実施形態の機能が実現されるだけではない。そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれている。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書きこまれてもよい。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含むものである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

101・・発生部、102・・検出部、103・・光源、104・・遅延光学部、105・・駆動部、106・・筐体、107・・測定窓部、108・・測定物、109・・波形取得部、110・・相対位置監視部、111・・伝搬距離データベース、112・・物性データベース、113・・波形再構成部、114・・表示部

Claims (10)

1. 電磁波パルスにより測定物の物性或いは構造の情報を取得する装置であって、
   測定物に照射する電磁波パルスを発生する発生部と、
   測定物からの前記電磁波パルスを検出する検出部と、
   前記発生部から前記検出部に至る電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体と、
   前記筐体の一部に配置された測定窓を移動することで前記電磁波パルスの伝搬距離を変化させる測定窓部と、
   を有し、
   測定物は、前記測定窓を挟んで、前記筐体の中の前記電磁波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される、
   ことを特徴とする測定物情報取得装置。
2. 前記発生部と前記検出部のいずれか一方または両方は、前記筐体に対し、前記筐体の中の前記電磁波パルスの伝搬経路とは反対側に配置される、
   ことを特徴とする請求項1に記載の測定物情報取得装置。
3. 前記測定窓部は、前記測定窓の傾きを調整する傾斜調整機構を有する、
   ことを特徴とする請求項1または2に記載の測定物情報取得装置。
4. 前記検出部の出力を参照し、前記電磁波パルスの時間波形を取得する波形取得部と、
   電磁波パルスの焦点位置と前記測定窓部との相対的な位置を監視する相対位置監視部と、
   前記電磁波パルスの伝搬経路に存在する光学系の配置の変化に起因する前記電磁波パルスの二次的な伝搬距離の、前記相対的な位置に対する変化の算出に用いる情報を出力する伝搬距離データベースと、
   物質の識別名と該物質の物性の情報が記憶される物性データベースと、
   前記測定窓部からの電磁波パルスの前記波形取得部で取得される参照波形と、前記電磁波パルスの二次的な伝搬距離の変化と、前記物性データベースに格納された物性の情報を用いて、測定物からの電磁波パルスの測定波形に近似した再構成波形を構築する波形再構築部と、
   をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の測定物情報取得装置。
5. 前記測定物を測定するためのプローブであり、前記電磁波パルスを導波させる導波部をさらに有し、
   前記プローブは、前記プローブの端部に前記測定窓部を備えている、
   ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の測定物情報取得装置。
6. 前記電磁波パルスは、0.03THz以上30THz以下の範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有するテラヘルツ波パルスである、
   ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の測定物情報取得装置。
7. 電磁波パルスにより、電磁波パルスの伝搬経路の少なくとも一部を内包する筐体に移動可能に配置された測定窓に配置された測定物の物性或いは構造の情報を取得する方法であって、
   電磁波パルスを発生するステップと、
   前記電磁波パルスで照射された前記測定窓からの電磁波パルスの参照波形を取得するステップと、
   前記電磁波パルスで照射された前記測定物からの電磁波パルスの測定波形を取得するステップと、
   物性データベースより、再構成波形の構築に用いる物質の物性の情報を取得するステップと、
   前記電磁波パルスの焦点位置と前記測定窓との相対的な位置の情報より前記電磁波パルスの二次的な伝搬距離の変化を算出するステップと、
   前記測定波形を比較対象とし、前記参照波形と前記二次的な伝搬距離の変化と前記物性の情報を用いて前記再構成波形を構築し最適化するステップと、
   を有する、
   ことを特徴とする測定物情報取得方法。
8. 前記再構成波形の構築に用いた物性値と、前記物性データベースに格納された物質の物性の情報を比較して、前記測定物を構成する物質を決定する、
   ことを特徴とする請求項7に記載の測定物情報取得方法。
9. 前記電磁波パルスは、0.03THz以上30THz以下の範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有するテラヘルツ波パルスである、
   ことを特徴とする請求項7または8に記載の測定物情報取得方法。
10. コンピュータに、
    請求項7から9のいずれか1項に記載の測定物情報取得方法の各ステップを実行させることを特徴とするプログラム。

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