JP2017015681A - テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験片の厚さを測定することができるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を提供する。
【解決手段】波長固定レーザー１００と波長掃引レーザー２００は、カプラー３００に入力され、形成された混合光は、テラヘルツ波を発生する発生器４００に入力され、また、発生器４００から放出されてサンプル５００を透過又は反射したテラヘルツ波が入力される検出器６００に入力され、且つ検出器６００では混合光によって励起される光キャリア（ｐｈｏｔｏｃａｒｒｉｅｒ）がテラヘルツ波の電場によってバイアスされて光電流を生成する。データ取得部７００は、光電流をデジタルデータの形態で取得して演算部８００に出力する。演算部８００は、データ取得部７００が出力したデータを周波数領域データに変換し、周波数領域データを高速フーリエ変換して時間領域データを生成し、時間領域データに基づいてサンプル５００の厚さを演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置に関し、詳細には、波長が固定されたレーザーと波長掃引レーザーから生成された周波数が高速に可変するテラヘルツ連続波を試験片に照射し、透過又は反射するテラヘルツ波を測定することにより、試験片の厚さを測定することができるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置に関する。

テラヘルツ帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）は、非金属及び非導電性物質を透過する特性を有しており、数ｍｅＶ水準の非常に低いエネルギーの電磁波であって、人体にほとんど影響を与えない。

従来、非金属物質の厚さを測定するための非接触方法としては光学的方法があるが、光が透過しない物質の厚さは測定することができない。反面、テラヘルツ波は、非金属物質を透過することができることから、光が透過しない非金属物質の厚さを測定する方法としてテラヘルツ波を用いることが可能である。

また、非常に多様な分子の共振周波数がテラヘルツ帯に分布していることから、これらの分子を非破壊、未開放、非接触方法によりリアルタイムで識別することで、医療、医学、農業食品、環境計測、バイオ、先端材料評価などにおいて今まで存在しなかった新概念の分析技術を提供することが可能になると予測している。

これにより、ＴＨｚギャップ領域ともする０．１〜１０ＴＨｚ周波数帯域で動作する波源を開発して利用するための研究が行われている。

波長が固定されたレーザーと波長掃引レーザーを用いて周波数が高速に可変するテラヘルツ連続波を生成する方法を開示した先行文献としては、韓国登録特許第１０‐１４５３４７２号が挙げられる。

ただし、かかる方法は、単にテラヘルツ波を生成する技術のみを提示するだけであって、生成されたテラヘルツ波を用いて試験片の厚さを測定する技術は提示できていない。

韓国登録特許１４５３４７２号（２０１４年１０月２１日公告）

本発明は、かかる従来の問題点を解消するために導き出されたものであり、波長が固定されたレーザーと波長掃引レーザーから生成された周波数が高速に可変するテラヘルツ連続波を試験片に照射し、透過又は反射するテラヘルツ波を測定することにより、試験片の厚さを測定することができる、テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、以下の実施例に関する説明により容易に理解することができる。

前記のような目的を達成するための本発明の好ましい一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、固定された第１波長（λ_１）を有する第１レーザー光を発振する波長固定レーザーと、一周期の間に予め設定された最小波長から予め設定された最大波長に高速に可変する第２波長（λ_２）を有する第２レーザー光を発振する波長掃引レーザーと、波長掃引速度と同じ周波数で変調された電圧を波長掃引レーザーに印加して、第２波長を前記最小波長から前記最大波長に前記一周期の間に可変させる駆動部と、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を結合して混合光を形成し、前記混合光を第１混合光と第２混合光に分岐するカプラーと、前記カプラーで分岐された前記第１混合光が入力され、第１波長（λ_１）に対応する周波数（ｆ_１＝ｃ／λ_１、ｃは真空中の光速度）と、第２波長（λ_２）に対応する周波数（ｆ_２＝ｃ／λ_２）との差値に該当する周波数（ｆ_ＴＨｚ＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）を有するテラヘルツ波を出力する発生器と、前記発生器から出力された前記テラヘルツ波が照射されるサンプルと、前記カプラーで分岐された前記第２混合光とサンプルを透過又は反射したテラヘルツ波が入力されて光電流を生成する検出器と、前記光電流をデジタルデータに変換して、取得し、出力するデータ取得部と、前記出力されたデジタルデータから周波数領域データを生成し、前記周波数領域データを高速フーリエ変換して時間領域のデータを生成し、前記時間領域のデータに基づいて前記サンプルの厚さを演算する演算部と、を含むことができる。

ここで、前記の一周期は、１００Ｈｚ以上の波長掃引速度の逆数であることを特徴とすることができる。

また、前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルを透過したテラヘルツ波が入力された場合に、前記サンプルの厚さを演算する式として
を用いることができる。この場合、｛ｄ：前記サンプルの厚さ、ｃ：真空中の光速度、Δτ_１：前記テラヘルツ波が、サンプルを透過せずに伝搬する際にかかった時間と、サンプルを一度透過して伝搬する際にかかった時間との差、Δτ_２：前記テラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間｝である。

また、前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルを透過したテラヘルツ波が入力された場合に、テラヘルツ波がサンプルを透過せずに測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延を見出し、テラヘルツ波がサンプルを透過した後に測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延及びテラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延を見出し、Δτ_１は、テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延を減算した値となり、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延を減算した値となることを用いることができる。

また、前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルに反射したテラヘルツ波が入力された場合に、前記サンプルの厚さを演算する式として
を用いることができる。この場合、｛ｄ：前記サンプルの厚さ、
ｎ_ｇ：前記サンプルの群屈折率、ｃ：真空中の光速度、Δτ_２：前記テラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間｝である。

また、前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルに反射したテラヘルツ波が入力された場合に、テラヘルツ波がサンプルに反射して測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際の時間遅延及びテラヘルツ波がサンプルを透過して表面の対向面から反射する際の時間遅延を見出し、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプルを透過して表面の対向面から反射する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際の時間遅延を減算した値となることを用いることができる。

また、前記波長固定レーザーが発振する第１レーザー光の第１波長は１５４５ｎｍに固定され、前記波長掃引レーザーが発振する第２レーザー光の第２波長の最小波長と最大波長はそれぞれ１５４４ｎｍと１５５８ｎｍであり、その最小波長から最大波長に可変する周期は１ｍｓであることがある。

また、前記テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、前記カプラーと前記検出器との間に設けられ、前記カプラーで分岐された前記第２混合光を可変時間遅延させて前記検出器に入力する可変時間遅延ツールをさらに含むことができる。

また、前記テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、前記カプラーと前記発生器との間に設けられ、前記カプラーで分岐された前記第１混合光を可変時間遅延させて前記発生器に入力する可変時間遅延ツールをさらに含むことができる。

また、前記テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、前記検出器と前記データ取得部との間に設けられ、前記検出器で生成された光電流を増幅して前記データ取得部に伝達する増幅器をさらに含むことができる。

また、前記データ取得部は、前記駆動部で提供される波長掃引速度と同じ周波数の同期信号によりトリガされて、一週期（波長掃引速度の逆数）の間に光電流をデジタルデータに変換して取得することができる。

また、前記データ取得部は、前記一周期の間にデジタルデータを取得することを予め設定された回数だけ繰り返して前記演算部に提供し、前記演算部は、繰り返して取得されたデジタルデータを平均して信号対雑音比を改善することができる。

また、前記波長固定レーザーはＤＦＢ‐ＬＤであることを特徴とすることができる。

また、前記波長掃引レーザー又は前記波長固定レーザーは、第１レーザー光又は第２レーザー光の光出力を増幅するために出力端子に設けられた光ファイバ増幅器をさらに含むことができる。

また、前記テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、前記発生器から前記検出器に至るテラヘルツ波の経路上に設けられた軸外し放物面鏡又はレンズをさらに含むことができる。

また、前記テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、前記発生器から前記検出器に至るテラヘルツ波の経路上に設けられたビームスプリッタをさらに含むことができる。

本発明によれば、上述のように、波長が固定されたレーザーと波長掃引レーザーから生成された周波数が高速に可変するテラヘルツ連続波を試験片に照射し、透過又は反射するテラヘルツ波を測定することにより、試験片の厚さを測定することができる、テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を提供することができる。

本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置によれば、非金属物質の厚さを透過型又は反射型で測定することができ、好ましくは、鉄材などの金属基板上のペイント塗膜の厚さの測定に有効であることを期待することができる。

本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置のブロック図である。 本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で厚さを繰り返して測定して信号対雑音比が向上した結果を示すグラフである。 （ａ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、様々な時間遅延に対して測定された周波数領域データを示すグラフである。（ｂ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、様々な時間遅延に対して測定された周波数領域データを高速フーリエ変換して生成された時間領域データを示すグラフである。 （ａ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて測定された時間領域データを示すグラフである。（ｂ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、サンプルの厚さを演算する方法を説明するための図である。 （ａ）は本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置のブロック図である。（ｂ）は本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、サンプルの厚さを演算する方法を説明するための図である。

本発明は、様々な変更を加えることがあり、様々な実施例を有することがあり、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解すべきである。

各図面を説明するにあたり、類似の参照符号を類似の構成要素に対して使用した。本発明を説明するにあたり、関連の公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にしうると判断した場合には、その詳細な説明を省略する。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明することにより本発明を詳述する。

厚さを測定するためにテラヘルツパルス波を用いる場合にはフェムト秒レーザーを使用するためコストが高い。厚さを測定するためにテラヘルツ連続波を用いれば、コストダウンを図ることはできるが、テラヘルツ連続波の周波数を可変しながらデータを測定しなければならないため、測定時間が長くなるという欠点がありうる。この欠点を解消するために、テラヘルツ連続波を発生するために使用する２つのレーザーのうち一つのレーザーとして波長掃引レーザーを使用する。すなわち、テラヘルツ連続波の周波数を高速に可変しながら周波数領域データを高速に測定することで、信号処理と演算によりリアルタイムで非接触非破壊的に厚さを測定することができる。

図１は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置のブロック図である。図１を参照すると、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置は、波長固定レーザー１００と、波長掃引レーザー２００と、カプラー３００と、発生器４００と、サンプル５００と、軸外し放物面鏡５１０と、検出器６００と、可変時間遅延ツール６１０と、増幅器６２０と、データ取得部７００と、演算部８００と、駆動部９００と、を含むことができる。

波長固定レーザー１００は、固定された第１波長を有する第１レーザー光を発振する。波長固定レーザーは、ＤＦＢ‐ＬＤ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）であってもよい。第２波長の可変区間の限界値（最小値又は最大値）に近く第１波長が固定されていることが、広い周波数帯域のテラヘルツ連続波を得るために好ましい。具体的には、第２波長の可変区間が１５４４ｎｍ〜１５５８ｎｍであると、第１波長は１５４５ｎｍであることができる。

波長掃引レーザー２００は、高速に可変する第２波長を有する第２レーザー光を発振する。

駆動部９００は、波長掃引速度と同じ周波数で変調された電圧を波長掃引レーザーに印加することで、第２波長が予め設定された最小波長から予め設定された最大波長に波長掃引速度の逆数を周期に可変するようにすることができる。前記波長掃引レーザー及び前記波長固定レーザーの光出力が小さい場合、光出力を増幅するためにそれぞれの出力端子に光ファイバ増幅器が設けられることが好ましい。

カプラー３００は、第１レーザー光と第２レーザー光を結合して混合光を形成し、前記混合光を第１混合光と第２混合光に分岐することができる。

発生器４００は、カプラーで分岐された前記第１混合光をテラヘルツ波に変換することができる。発生器４００がフォトミキサーの場合、前記発生器４００は、光電導体及びアンテナを含むことができる。前記光電導体は、混合光を光電流に変換し、前記光電流は、前記アンテナを介してテラヘルツ波に放出されることができる。発生器４００は、ビーティング現象を用いて、第１波長（λ_１）に対応する周波数（ｆ_１＝ｃ／λ_１、ｃは真空中の光速度）と、第２波長（λ_２）に対応する周波数（ｆ_２＝ｃ／λ_２）との差値に該当する周波数（ｆ_ＴＨｚ＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）を有するテラヘルツ波を発生することができる。したがって、固定された第１波長と高速に可変される第２波長によって生成されるテラヘルツ波の周波数は高速に可変されることができる。テラヘルツ波の周波数掃引速度は、前記波長掃引レーザー２２０の波長掃引速度（ｓｗｅｅｐ ｒａｔｅ）と同様であり、波長掃引速度の逆数である波長掃引周期に依存することができる。前記掃引速度は、数百Ｈｚ〜数ｋＨｚであることが好ましい。第２波長の掃引周期が１ｍｓであれば掃引速度は１ｋＨｚであることができる。

サンプル５００は、厚さが測定される対象であって、好ましくは、非金属及び非導電性物質であってもよい。

軸外し放物面鏡５１０は、発生器で生成されたテラヘルツ波の方向を変更し、コリメーション（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）及び集光（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）によりテラヘルツ波が検出器に達するようにすることができる。テラヘルツ波の光経路を変更しなくても良い場合には、図５のようにレンズ５１１が軸外し放物面鏡５１０の代わりに用いられることができる。

検出器６００には、カプラーで分岐された第２混合光とサンプルを透過したテラヘルツ波が入力され、検出器６００で第２混合光によって励起される光キャリア（ｐｈｏｔｏｃａｒｒｉｅｒ）がテラヘルツ波の電場によってバイアスされて光電流を生成することができる。カプラーから検出器に至る二つの光経路の長さの差のため時間遅延が過剰に大きくなる場合には、検出器でテラヘルツ波と第２混合光との可干渉性が低下することができる。したがって、第１混合光又は第２混合光を時間遅延させることができる可変時間遅延ツール６１０を用いて時間遅延を適切に調節することで、検出器６００でテラヘルツ波と第２混合光との可干渉性を維持しなければならない。

ここで、検出器６００から出力される光電流を増幅してデータ取得部７００で達する増幅器６２０を含むことができる。

データ取得部７００は、駆動部９００で提供される波長掃引速度と同じ周波数の同期信号によりトリガされて、一週期（波長掃引速度の逆数）の間に光電流をデジタルデータに変換して取得する。データ取得部７００は、取得したデータを演算部８００に提供する。また、前記データ取得部７００は、一周期の間にデジタルデータを取得することを予め設定された回数だけ繰り返して演算部８００に提供することができ、前記演算部８００は、信号対雑音比を改善するために提供されたデジタルデータを平均した値を試料の厚さを演算するために用いることができる。

図２は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で厚さを繰り返して測定して信号対雑音比が向上した結果を示すグラフである。すなわち、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置でデータ取得部７００が繰り返して取得したデータを演算部８００が平均したときに信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が向上した結果を示すものである。図２を参照すると、データ取得部７００でデジタルデータを繰り返して取得する回数（ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅｄ ｔｒａｃｅｓ）が増加したときに、これを平均した値の信号対雑音比が向上したことが分かる。ただし、繰り返した回収が増加することに比例して測定時間（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｉｍｅ）も増加することがある。

また、図１を参照すると、演算部８００は、データ取得部７００が取得したデジタルデータを周波数領域データに変換することができる。このために波長掃引レーザー２００の第２波長に対して一周期の間の時間経過に伴う変化を予め測定しなければならない。ファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ‐Ｐｅｒｏｔ）干渉計又はマッハジェンダー（Ｍａｃｈ‐Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計を用いて、波長掃引レーザーの第２波長に対して一周期の間の時間経過に伴う変化（λ_２（ｔ））を測定することができる。このように予め測定した第２波長の一周期の間の時間経過に伴う変化を用いて、テラヘルツ波の周波数の一周期の間の時間経過に伴う変化（ｆ_ＴＨｚ（ｔ）＝｜ｃ／λ_１−ｃ／λ_２（ｔ）｜）を見出すことができる。演算部８００は、テラヘルツ波の周波数の一周期の間の時間経過に伴う変化を用いて、前記デジタルデータ（ｙ（ｔ）
）を周波数領域データ（ｙ（ｆ_ＴＨｚ））に変換することができる。また、演算部は、周波数領域データを高速フーリエ変換して時間領域データ（Ｙ（τ））を生成し、時間領域データに基づいて前記サンプルの厚さを演算することができる。

以下、時間領域データを用いて厚さを演算する原理について記述する。

図３の（ａ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、様々な時間遅延に対して測定された周波数領域データを示すグラフであり、図３の（ｂ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、様々な時間遅延に対して測定された時間領域データを示すグラフである。すなわち、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で可変時間遅延ツール６１０で設定された１０ｐｓ、２０ｐｓ、４０ｐｓ、８０ｐｓの時間遅延によって生成されたテラヘルツ波がサンプルを通過することなく検出器６００に到着したときに、データ取得部７００が取得したデジタルデータを演算部８００が変換して生成した周波数領域データを示すグラフ（図３の（ａ））と前記周波数領域データを高速フーリエ変換して生成した時間領域データを示すグラフ（図３の（ｂ））である。本発明の一実施例による透過型厚さ測定装置で測定された周波数領域データを示す図３の（ａ）とは異なり、周波数領域データを高速フーリエ変換して生成された時間領域データを示す図３の（ｂ）では、遅延した時間の位置に最高値が発生して遅延時間情報が簡単に抽出されることを見出すことができる。前記遅延時間は、カプラーから検出器に至る二つの光経路の長さの差のため発生するものである。前記の時間遅延は、発生器４００と検出器６００との間にサンプルが存在する場合には、サンプルの厚さに応じて決定されることができる。

図４の（ａ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて測定された時間領域データを示すグラフであり、図４の（ｂ）は本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて、サンプルの厚さを演算する方法を説明するための図である。

図４の（ａ）を参照すると、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で発生器４００と検出器６００との間にサンプル５００が存在しないときに演算部８００で生成した時間領域データは赤色のグラフである。このような状況を図４の（ｂ）において参照すると、サンプルを透過せずに伝搬するテラヘルツ波７１１が検出器６００に到着した状況でありうる。また、図４の（ａ）を参照すると、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で発生器４００と検出器６００との間にサンプル５００が配置されたときに演算部８００で生成した時間領域データは青色のグラフである。このような状況は、図４の（ｂ）においてサンプルを一度透過して伝搬するテラヘルツ波７２１と、サンプル内を一度往復した後、透過して伝搬するテラヘルツ波７３１が、時間差を置いて検出器６００に到着した状況を含むことでありうる。図４の（ａ）を参照すると、時間領域のデータをグラフで示すことから、テラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延７１０、テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延７２０及びテラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延７３０に対する情報を得ることができる。すなわち、時間領域のデータの振幅をｙ軸とし、時間をｘ軸としてグラフを作成したときに、振幅が極大値を有する点のｘ座標からそれぞれの時間遅延７１０、７２０、７３０を求めることができる。

本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて測定された時間領域データからサンプルの厚さを演算する方法は、テラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延７１０、テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延７２０及びテラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延７３０を時間領域データから求める段階と、前記時間遅延７１０、７２０、７３０からサンプルの厚さを求める段階とに分けられる。

先ず、時間領域データから時間遅延を見出す段階について説明する。先ず、サンプル５００を発生器４００と検出器６００との間に配置することなく時間領域データを得てから極大値を調査して最高値が最も大きい極大値を見出し、テラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延７１０を決定する。また、発生器４００と検出器６００との間にサンプル５００を配置し、時間領域データを得てから極大値を調査して極大値のうち最高値が最も大きい極大値を見出してテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延７２０を決定し、極大値のうち最高値が二番目に大きい極大値を見出してテラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延７３０を決定する。

次に、見出した前記遅延時間からサンプルの厚さを求める段階について説明する。Δτ_１をテラヘルツ波が、サンプルを透過せずに伝搬する際にかかった時間と、サンプルを一度透過して伝搬する際にかかった時間との差、Δτ_２をテラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間だとしたとき、Δτ_１は、テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延７２０からテラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延７１０を減算した値となり、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延７３０からテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延７２０を減算した値となる。

図４の（ｂ）を参照すると、Δτ_１とΔτ_２は、それぞれ数１と数２のように示すことができることが分かる。

数１と数２において、ｄはサンプルの厚さ、ｃは真空中の光速度、ｎ_ｇはサンプルの群屈折率（ｇｒｏｕｐ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）である。数１と数２をサンプルの厚さｄに対して整理すると、数３のように示すことができる。

したがって、数３と見出したΔτ_１とΔτ_２を用いて、サンプルの厚さを求めることができる。

以上の説明により、本発明の一実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いてテラヘルツ波をサンプルに透過する方式で厚さを測定することができることが分かる。

次に、本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いてテラヘルツ波をサンプルに反射させて厚さを測定する装置について説明する。

図５の（ａ）を説明するにあたり、図１と同じ構成要素はその構成と動作原理が同じであるため説明を省略する。図５（ａ）を参照すると、発生器４００から放出されるテラヘルツ波がビームスプリッタ５２０を透過してサンプル５００に反射し、またビームスプリッタ５２０から反射して検出器６００に入力されることができる。

この際、ビームスプリッタ５２０と検出器６００との間にレンズ５１１が追加されることができるが、これは、軸外し放物面鏡５１０のようにテラヘルツ波を検出器６００に集光する機能を行うことができる。

図５の（ａ）の本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置でも上述と同じ方法で時間領域データを演算部８００で生成することができる。ただし、相違点は、検出器に入力されるテラヘルツ波に、図５の（ｂ）に示すように、サンプルの表面から反射するテラヘルツ波とサンプルを透過して表面の対向面から反射するテラヘルツ波を含むことができるという点である。本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置を用いて測定された時間領域データからサンプルの厚さを演算する方法は、テラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際７４１の時間遅延と、テラヘルツ波がサンプルを透過して表面の対向面から反射する際７５１の時間遅延を前記生成された時間領域データから求める段階と、前記時間遅延からサンプルの厚さを求める段階とに分けられる。

先ず、時間領域データから時間遅延を見出す段階について説明する。図５のように本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置の演算部８００が生成した時間領域データを得る。得られた前記時間領域データの極大値を調査して、最高値が最も大きい極大値が発生する値を見出し、テラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際７４１の時間遅延を決定し、極大値のうち最高値が二番目に大きい極大値が発生する値を見出し、テラヘルツ波がサンプル内に透過された後、表面の対向面から反射する際７５１の時間遅延を決定する。

次に、見出した前記時間遅延からサンプルの厚さを求める段階について説明する。Δτ_２をテラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間としたとき、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプル内に透過された後、表面の対向面から反射する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際の時間遅延を減算した値となる。

Δτ_２は、数２のように示すことができるため、サンプルの厚さは、数４のように示すことができる。

したがって、数４のように本発明の他の実施例によるテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置で見出したΔτ_２を用いて予め群屈折率（ｇｒｏｕｐ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を見出したサンプルであれば、厚さを求めることができる。

以上の説明により、反射型厚さ測定装置を用いてサンプルの厚さを測定することができることが分かる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明しているが、本発明の請求範囲は本明細書に図示され、説明された特定の実施例にのみ限定されず、添付の特許請求の範囲に記載の要旨から逸脱しない範囲内で当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって実施可能な様々な変形実施例までも本請求の記載で考慮している範囲内に属すると言える。

１００ 波長固定レーザー
２００ 波長掃引レーザー
３００ カプラー
４００ 発生器
５００ サンプル
５１０ 軸外し放物面鏡
５１１ レンズ
５２０ ビームスプリッタ
６００ 検出器
６１０ 可変時間遅延ツール
６２０ 増幅器
７００ データ取得部
７１０ テラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延
７１１ サンプルを透過せずに伝搬するテラヘルツ波
７２０ テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延
７２１ サンプルを一度透過して伝搬するテラヘルツ波
７３０ テラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延
７３１ サンプル内を一度往復した後、透過して伝搬するテラヘルツ波
７４１ サンプルの表面から反射したテラヘルツ波
７５１ サンプルを透過して表面の対向面から反射したテラヘルツ波
８００ 演算部
９００ 駆動部

Claims (16)

1. 固定された第１波長（λ_１）を有する第１レーザー光を発振する波長固定レーザーと、
   一周期の間に予め設定された最小波長から予め設定された最大波長に高速に可変する第２波長（λ_２）を有する第２レーザー光を発振する波長掃引レーザーと、
   波長掃引速度と同じ周波数で変調された電圧を波長掃引レーザーに印加して、第２波長を前記最小波長から前記最大波長に前記一周期の間に可変させる駆動部と、
   前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を結合して混合光を形成し、前記混合光を第１混合光と第２混合光に分岐するカプラーと、
   前記カプラーで分岐された前記第１混合光が入力され、第１波長（λ_１）に対応する周波数（ｆ_１＝ｃ／λ_１、ｃは真空中の光速度）と、第２波長（λ_２）に対応する周波数（ｆ_２＝ｃ／λ_２）との差値に該当する周波数（ｆ_ＴＨｚ＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）を有するテラヘルツ波を出力する発生器と、
   前記発生器から出力された前記テラヘルツ波が照射されるサンプルと、
   前記カプラーで分岐された前記第２混合光と前記サンプルを透過又は反射したテラヘルツ波が入力されて光電流を生成する検出器と、
   前記光電流をデジタルデータに変換して、取得し、出力するデータ取得部と、
   前記出力されたデジタルデータから周波数領域データを生成し、前記周波数領域データを高速フーリエ変換して時間領域のデータを生成し、前記時間領域のデータに基づいて前記サンプルの厚さを演算する演算部と、を含むことを特徴とする、テラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
2. 前記の一周期は、１００Ｈｚ以上の波長掃引速度の逆数であることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
3. 前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルを透過したテラヘルツ波が入力された場合に、前記サンプルの厚さを演算する式として
   を用いることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
   ｛ｄ：前記サンプルの厚さ、
   ｃ：真空中の光速度、
   Δτ_１：前記テラヘルツ波が、サンプルを透過せずに伝搬する際にかかった時間と、サンプルを一度透過して伝搬する際にかかった時間との差
   Δτ_２：前記テラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間｝
4. 前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルを透過したテラヘルツ波が入力された場合に、テラヘルツ波がサンプルを透過せずに測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延を見出し、テラヘルツ波がサンプルを透過した後に測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延及びテラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延を見出し、Δτ_１は、テラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルを透過せずに伝搬する際の時間遅延を減算した値となり、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプル内を一度往復した後、透過して伝搬する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルを一度透過して伝搬する際の時間遅延を減算した値となることを用いることを特徴とする、請求項３に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
5. 前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルに反射したテラヘルツ波が入力された場合に、前記サンプルの厚さを演算する式として
   を用いることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
   ｛ｄ：前記サンプルの厚さ、
   ｎ_ｇ：前記サンプルの群屈折率、
   ｃ：真空中の光速度、
   Δτ_２：前記テラヘルツ波がサンプル内を一度往復伝搬する際にかかった時間｝
6. 前記演算部は、前記検出器に前記第２混合光と前記サンプルに反射したテラヘルツ波が入力された場合に、テラヘルツ波がサンプルに反射して測定された時間領域データからテラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際の時間遅延及びテラヘルツ波がサンプルを透過して表面の対向面から反射する際の時間遅延を見出し、Δτ_２は、テラヘルツ波がサンプルを透過して表面の対向面から反射する際の時間遅延からテラヘルツ波がサンプルの表面から反射する際の時間遅延を減算した値となることを用いることを特徴とする、請求項５に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
7. 前記波長固定レーザーが発振する第１レーザー光の第１波長は１５４５ｎｍに固定され、前記波長掃引レーザーが発振する第２レーザー光の第２波長の最小波長と最大波長はそれぞれ１５４４ｎｍと１５５８ｎｍであり、その最小波長から最大波長に可変する周期は１ｍｓであることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
8. 前記カプラーと前記検出器との間に設けられ、前記カプラーで分岐された前記第２混合光を可変時間遅延させて前記検出器に入力する可変時間遅延ツールをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
9. 前記カプラーと前記発生器との間に設けられ、前記カプラーで分岐された前記第１混合光を可変時間遅延させて前記発生器に入力する可変時間遅延ツールをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
10. 前記検出器と前記データ取得部との間に設けられ、前記検出器で生成された光電流を増幅して前記データ取得部に伝達する増幅器をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
11. 前記データ取得部は、前記駆動部で提供される波長掃引速度と同じ周波数の同期信号によりトリガされて、一週期（波長掃引速度の逆数）の間に光電流をデジタルデータに変換して取得することを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
12. 前記データ取得部は、前記一周期の間にデジタルデータを取得することを予め設定された回数だけ繰り返して前記演算部に提供し、前記演算部は、繰り返して取得されたデジタルデータを平均して信号対雑音比を改善することを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
13. 前記波長固定レーザーはＤＦＢ‐ＬＤであることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
14. 前記波長掃引レーザー又は前記波長固定レーザーは、第１レーザー光又は第２レーザー光の光出力を増幅するために出力端子に設けられた光ファイバ増幅器をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
15. 前記発生器から前記検出器に至るテラヘルツ波の経路上に設けられた軸外し放物面鏡又はレンズをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。
16. 前記発生器から前記検出器に至るテラヘルツ波の経路上に設けられたビームスプリッタをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ波を用いたリアルタイム非接触非破壊厚さ測定装置。