JP2019203905A - 計測装置、計測方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】試料の屈折率を計測するために試料に何らかの特殊な部材を接触させなくてもよい計測装置を提供する。【手段】計測装置１００は、試料１０の表面１０ａに照射されたテラヘルツ波ＴＨｚが表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間ｔａ１、ｔａ２、及び、表面に照射されたテラヘルツ波が試料の裏面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第２時間ｔａ１、ｔａ２を、試料に対する位置が互いに異なるテラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得手段１５２１と、第１及び第２時間に基づいて、試料の屈折率ｎを算出する算出手段１５２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波を用いて試料の屈折率を計測する計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの技術分野に関する。

試料の屈折率を計測するための計測装置として、テラヘルツ波を用いた計測装置が知られている。例えば、特許文献１には、試料と接している透過部材を介してテラヘルツ波を試料に照射すると共に、透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形及び試料で反射したテラヘルツ波の時間波形に基づいて試料の屈折率を取得する情報取得装置が記載されている。例えば、特許文献２には、反射部材と板状部材との間に配置された検体に対して板状部材を介してテラヘルツ波を照射すると共に、板状部材と検体との界面で反射したテラヘルツ波の時間波形及び検体と反射部材との界面で反射したテラヘルツ波の時間波形に基づいて検体の屈折率を取得する情報取得装置が記載されている。

特開２０１４−２０９０９４号公報 特開２０１５−８３９６４号公報

特許文献１及び２に記載された情報取得装置では、屈折率を計測するためには、試料（言い換えれば、検体）に対して特殊な部材（具体的には、透過部材、又は、板状部材及び反射部材）を密着させる必要がある。しかしながら、何らかの要因によって、特殊な部材を試料に密着させることができない可能性が出てくる。この場合、特許文献１及び２に記載された情報取得装置が試料の屈折率を計測することができないという技術的問題点が生ずる。

本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、試料の屈折率を計測するために試料に何らかの特殊な部材を接触させなくてもよい計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

本発明の計測装置の第１の例は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記試料に対する位置が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得手段と、前記第１及び第２時間に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段とを備える。

本発明の計測方法の第１の例は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記試料に対する位置が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得工程と、前記第１及び第２時間に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出工程とを備える。

本発明のコンピュータプログラムの第１の例は、コンピュータに上述した本発明の計測方法の第１の例を実行させる。

図１は、本実施例のテラヘルツ波計測装置の構成を示すブロック図である。 図２は、テラヘルツ波計測装置が行う屈折率及び厚さを計測する第１計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。 図３は、試料に照射されるテラヘルツ波の光路及び試料によって反射されたテラヘルツ波の光路を示す試料の断面図である。 図４は、テラヘルツ波検出素子が検出したテラヘルツ波の波形信号を示すグラフである。 図５は、第１位置に照射されるテラヘルツ波の光路及び第２位置に照射されるテラヘルツ波の光路を示す試料の断面図である。 図６は、テラヘルツ波計測装置が行う屈折率及び厚さを計測する第２計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。 図７は、第１位置に照射されるテラヘルツ波の光路、第２位置に照射されるテラヘルツ波の光路及び第３位置に照射されるテラヘルツ波の光路を示す試料の断面図である。

以下、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの実施形態について説明を進める。

（計測装置の実施形態）
＜１＞
本実施形態の計測装置は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記試料に対する位置が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得手段と、前記第１及び第２時間に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段とを備える。

本実施形態の計測装置によれば、後に具体的な数式を用いて詳述するように、試料に何らかの特殊な部材を接触させることなく、複数の照射位置に対応する複数の第１時間及び複数の第２時間に基づいて、試料の屈折率を好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。

＜２＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記照射位置毎に、前記表面と前記裏面との間の物理的な距離である前記試料の厚さが異なる。

この態様によれば、試料の厚さが異なる複数の照射位置にテラヘルツ波が照射されることで、計測装置は、試料の屈折率を好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。

＜３＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記表面に向けて前記テラヘルツ波を照射する照射手段と、前記試料によって反射された前記テラヘルツ波を検出する検出手段とを更に備え、前記所定位置は、前記検出手段が設置されている位置であり、前記第１時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記表面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間であり、前記第２時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記裏面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間である。

この態様によれば、計測装置は、照射手段及び検出手段を用いて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜４＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記試料を含む移動対象物を所定の移動方向に沿って移動させることで、前記照射位置を変更する変更手段を更に備える。

この態様によれば、計測装置は、位置が互いに異なる複数の照射位置の夫々毎の第１及び第２時間を好適に取得することができる。

＜５＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記試料、前記照射手段及び前記検出手段のうちの少なくとも一つを含む移動対象物を所定の移動方向に沿って移動させることで、前記照射位置を変更する変更手段を更に備える。

この態様によれば、計測装置は、位置が互いに異なる複数の照射位置の夫々毎の第１及び第２時間を好適に取得することができる。

＜６＞
上述の如く移動対象物を移動させる計測装置の他の態様では、前記移動方向が前記裏面に平行である場合には、前記取得手段は、前記照射位置が第１位置となる場合の前記第１及び第２時間、並びに、前記照射位置が前記第１位置とは異なる第２位置となる場合の前記第１及び第２時間を取得する。

この態様によれば、移動方向が試料の裏面に平行である場合には、照射位置が変更された場合であっても、所定位置（或いは、テラヘルツ波の照射位置及びテラヘルツ波の検出位置のうちの少なくとも一方）と試料の裏面との間の距離が変わることはない。この場合には、計測装置は、２つの異なる照射位置に夫々対応する２つの第１時間及び２つの第２時間を取得すれば、試料の屈折率を好適に計測することができる。つまり、計測装置は、試料の屈折率を計測するために、３つ以上の照射位置に夫々対応する３つ以上の第１時間及び３つ以上の第２時間を取得しなくてもよい。

＜７＞
上述の如く照射位置が第１位置となる場合の第１及び第２時間並びに照射位置が第２位置となる場合の第１及び第２時間を取得する計測装置の他の態様では、前記照射位置が前記第１位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ１及びｔ_ｂ１と定義し、前記照射位置が前記第２位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ２及びｔ_ｂ２と定義し、変数Δｔ_１を数式１で定義し、変数Δｔ_２を数式２で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記移動方向が前記裏面に平行である場合には、前記算出手段は、数式３に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、計測装置は、数式１から数式３に基づく演算を行うことで、第１及び第２時間に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜８＞
上述の如く移動対象物を移動させる計測装置の他の態様では、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記移動手段は、前記移動方向を固定したまま前記移動対象物を移動させることで、前記照射位置を、互いに異なる第１位置、第２位置及び第３位置へと順に変更し、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記取得手段は、前記照射位置が前記第１位置となる場合の前記第１及び第２時間、前記照射位置が前記第２位置となる場合の前記第１及び第２時間、並びに、前記照射位置が前記第３位置となる場合の前記第１及び第２時間を取得し、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記取得手段は、前記第１及び第２時間、並びに、前記照射位置を前記第１位置から前記第２位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量、及び、前記照射位置を前記第２位置から前記第３位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、移動方向が試料の裏面に平行でない場合には、照射位置が変更されると、所定位置（或いは、テラヘルツ波の照射位置及びテラヘルツ波の検出位置のうちの少なくとも一方）と試料の裏面との間の距離もまた変わる。この場合には、計測装置は、３つの異なる照射位置に夫々対応する３つの第１時間及び３つの第２時間を取得すれば、試料の屈折率を好適に計測することができる。つまり、計測装置は、試料の屈折率を計測するために、４つ以上の照射位置に夫々対応する４つ以上の第１時間及び４つ以上の第２時間を取得しなくてもよい。

＜９＞
上述の如く照射位置が第１位置となる場合の第１及び第２時間、照射位置が第２位置となる場合の第１及び第２時間並びに照射位置が第３位置となる場合の第１及び第２時間を取得する計測装置の他の態様では、前記照射位置が前記第１位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ１及びｔ_ｂ１と定義し、前記照射位置が前記第２位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ２及びｔ_ｂ２と定義し、前記照射位置が前記第３位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ３及びｔ_ｂ３と定義し、変数Δｔ_１を数式４で定義し、変数Δｔ_２を数式５で定義し、変数Δｔ_３を数式６で定義し、前記照射位置を前記第１位置から前記第２位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量をＰ１と定義し、前記照射位置を前記第２位置から前記第３位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量をＰ２と定義し、屈折率をｎと定義すると、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記算出手段は、数式７に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、計測装置は、数式４から数式７に基づく演算を行うことで、第１及び第２時間に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜１０＞
上述の如く移動対象物を移動させる計測装置の他の態様では、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記移動手段は、（ｉ）前記照射位置を、互いに異なる第１位置、第２位置及び第３位置へと順に変更するように、且つ、（ｉｉ）前記第１位置から前記第２位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量が、前記照射位置を前記第２位置から前記第３位置へと変更する場合の前記移動対象物の移動量と同一になるように、前記移動方向を固定したまま前記移動対象物を移動させ、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記取得手段は、前記照射位置が前記第１位置となる場合の前記第１及び第２時間、前記照射位置が前記第２位置となる場合の前記第１及び第２時間、並びに、前記照射位置が前記第３位置となる場合の前記第１及び第２時間を取得する。

この態様によれば、上述したように、移動方向が試料の裏面に平行でない場合には、計測装置は、３つの照射位置に夫々対応する３つの第１時間及び３つの第２時間を取得すれば、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜１１＞
上述の如く照射位置が第１位置となる場合の第１及び第２時間、照射位置が第２位置となる場合の第１及び第２時間並びに照射位置が第３位置となる場合の第１及び第２時間を取得する計測装置の他の態様では、前記照射位置が前記第１位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ１及びｔ_ｂ１と定義し、前記照射位置が前記第２位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ２及びｔ_ｂ２と定義し、前記照射位置が前記第３位置となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ３及びｔ_ｂ３と定義し、変数Δｔ_１を数式８で定義し、変数Δｔ_２を数式９で定義し、変数Δｔ_３を数式１０で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記移動方向が前記裏面に平行でなく且つ前記裏面が平面である場合には、前記算出手段は、数式１１に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、計測装置は、数式８から数式１１に基づく演算を行うことで、第１及び第２時間に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜１２＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記算出手段は更に、算出した前記屈折率に基づいて、前記表面と前記裏面との間の物理的な距離である前記試料の厚さを算出する。

この態様によれば、計測装置は、屈折率に加えて、試料の厚さを計測する（つまり、算出する）ことができる。

（計測方法の実施形態）
＜１３＞
本実施形態の計測方法は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記試料に対する位置が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得工程と、前記第１及び第２時間に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出工程とを備える。

本実施形態の計測装置によれば、上述した本実施形態の計測装置が享受することが可能な効果と同様の効果を好適に享受することができる。

尚、本実施形態の計測装置が採用する各種態様に対応して、本実施形態の計測方法も、各種態様を採用してもよい。

（コンピュータプログラムの実施形態）
＜１４＞
本実施形態のコンピュータプログラムは、コンピュータに上述した本実施形態の計測方法を実行させる。

本実施形態のコンピュータプログラムによれば、上述した本実施形態の計測装置が享受する効果と同様の効果を好適に享受することができる。

尚、本実施形態の計測装置が採用する各種態様に対応して、本実施形態のコンピュータプログラムも、各種態様を採用してもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。

本実施形態の計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。

以上説明したように、本実施形態の計測装置は、取得手段と、算出手段とを備える。本実施形態の計測方法は、取得工程と、算出工程とを備える。本実施形態のコンピュータプログラムは、コンピュータに上述した本実施形態の計測方法を実行させる。従って、試料に何らかの特殊な部材を接触させない場合であっても、試料の屈折率が計測される。

以下、図面を参照しながら、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの実施例について説明する。特に、以下では、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムが、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射することで当該試料１０の屈折率ｎを計測するテラヘルツ波計測装置１００に適用された例を用いて説明を進める。

（１）テラヘルツ波計測装置１００の構成
初めに、図１を参照しながら、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００の構成について説明する。図１は、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、テラヘルツ波計測装置１００は、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射すると共に、試料１０が反射したテラヘルツ波ＴＨｚ（つまり、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚ）を検出する。

テラヘルツ波ＴＨｚは、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波成分を含む電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電磁波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。テラヘルツ領域は、様々な物質が固有の吸収スペクトルを有する周波数領域である。従って、テラヘルツ波計測装置１００は、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚを解析することで、試料１０の特性を計測することができる。本実施例では、テラヘルツ波計測装置１００は、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚを解析することで、試料１０の特性の一例である試料１０の屈折率ｎを計測することができる。

ここで、テラヘルツ波ＴＨｚの周期は、サブピコ秒のオーダーの周期であるがゆえに、当該テラヘルツ波ＴＨｚの波形を直接的に検出することが技術的に困難である。そこで、テラヘルツ波計測装置１００は、時間遅延走査に基づくポンプ・プローブ法を採用することで、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出する。以下、このようなポンプ・プローブ法を採用するテラヘルツ波計測装置１００についてより具体的に説明を進める。

図１に示すように、テラヘルツ波計測装置１００は、パルスレーザ装置１０１と、「照射手段」の一具体例であるテラヘルツ波発生素子１１０と、ビームスプリッタ１６１と、反射鏡１６２と、反射鏡１６３と、ハーフミラー１６４と、光学遅延機構１２０と、「検出手段」の一具体例であるテラヘルツ波検出素子１３０と、バイアス電圧生成部１４１と、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）変換部１４２と、制御部１５０と、ステージ１７０を備えている。

パルスレーザ装置１０１は、当該パルスレーザ装置１０１に入力される駆動電流に応じた光強度を有するサブピコ秒オーダー又はフェムト秒オーダーのパルスレーザ光ＬＢを生成する。パルスレーザ装置１０１が生成したパルスレーザ光ＬＢは、不図示の導光路（例えば、光ファイバ等）を介して、ビームスプリッタ１６１に入射する。

ビームスプリッタ１６１は、パルスレーザ光ＬＢを、ポンプ光ＬＢ１とプローブ光ＬＢ２とに分岐する。ポンプ光ＬＢ１は、不図示の導光路を介して、テラヘルツ波発生素子１１０に入射する。一方で、プローブ光ＬＢ２は、不図示の導光路及び反射鏡１６２を介して、光学遅延機構１２０に入射する。その後、光学遅延機構１２０から出射したプローブ光ＬＢ２は、反射鏡１６３及び不図示の導光路を介して、テラヘルツ波検出素子１３０に入射する。

テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを出射する。具体的には、テラヘルツ波発生素子１１０は、ギャップを介して互いに対向する一対の電極層を備えている。ギャップには、一対の電極層を介して、バイアス電圧生成部１４１が生成したバイアス電圧が印加されている。有効なバイアス電圧（例えば、０Ｖでないバイアス電圧）がギャップに印加されている状態でポンプ光ＬＢ１がギャップに照射されると、ギャップの下側に形成されている光伝導層にもまたポンプ光ＬＢ１が照射される。この場合、ポンプ光ＬＢ１が照射された光伝導層には、ポンプ光ＬＢ１による光励起によってキャリアが発生する。その結果、テラヘルツ波発生素子１１０には、発生したキャリアに応じたサブピコ秒オーダーの又はフェムト秒オーダーのパルス状の電流信号が発生する。発生した電流信号は、一対の電極層に流れる。その結果、テラヘルツ波発生素子１１０は、当該パルス状の電流信号に起因したテラヘルツ波ＴＨｚを出射する。

テラヘルツ波発生素子１１０から出射したテラヘルツ波ＴＨｚは、ハーフミラー１６４を透過する。その結果、ハーフミラー１６４を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０（特に、試料１０の表面１０ａ）に照射される。試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０によって（特に、試料の表面１０ａ及び裏面１０ｂの夫々によって）反射される。試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、ハーフミラー１６４によって反射される。ハーフミラー１６４によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、テラヘルツ波検出素子１３０に入射する。

テラヘルツ波検出素子１３０は、テラヘルツ波検出素子１３０に入射するテラヘルツ波ＴＨｚを検出する。具体的には、テラヘルツ波検出素子１３０は、ギャップを介して互いに対向する一対の電極層を備えている。ギャップにプローブ光ＬＢ２が照射されると、ギャップの下側に形成されている光伝導層にもまたプローブ光ＬＢ２が照射される。この場合、プローブ光ＬＢ２が照射された光伝導層には、プローブ光ＬＢ２による光励起によってキャリアが発生する。その結果、キャリアに応じた電流信号が、テラヘルツ波検出素子１３０が備える一対の電極層に流れる。プローブ光ＬＢ２がギャップに照射されている状態でテラヘルツ波検出素子１３０にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されると、一対の電極層に流れる電流信号の信号強度は、テラヘルツ波ＴＨｚの光強度に応じて変化する。テラヘルツ波ＴＨｚの光強度に応じて信号強度が変化する電流信号は、一対の電極層を介して、Ｉ−Ｖ変換部１４２に出力される。

光学遅延機構１２０は、ポンプ光ＬＢ１の光路長とプローブ光ＬＢ２の光路長との間の差分（つまり、光路長差）を調整する。具体的には、光学遅延機構１２０は、プローブ光ＬＢ２の光路長を調整することで、光路長差を調整する。光路長差が調整されると、ポンプ光ＬＢ１がテラヘルツ波発生素子１１０に入射するタイミング（或いは、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚを出射するタイミング）と、プローブ光ＬＢ２がテラヘルツ波検出素子１３０に入射するタイミング（或いは、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミング）との時間差が調整される。テラヘルツ波計測装置１００は、この時間差を調整することで、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出する。例えば、光学遅延機構１２０によってプローブ光ＬＢ２の光路が０．３ミリメートル（但し、空気中での光路長）だけ長くなると、プローブ光ＬＢ２がテラヘルツ波検出素子１３０に入射するタイミングが１ピコ秒だけ遅くなる。この場合、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミングが、１ピコ秒だけ遅くなる。テラヘルツ波検出素子１３０に対して同一の波形を有するテラヘルツ波ＴＨｚが数十ＭＨｚ程度の間隔で繰り返し入射することを考慮すれば、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミングを徐々にずらすことで、テラヘルツ波検出素子１３０は、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出することができる。つまり、後述するロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０の検出結果に基づいて、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を検出することができる。

テラヘルツ波検出素子１３０から出力される電流信号は、Ｉ−Ｖ変換部１４２によって、電圧信号に変換される。

制御部１５０は、テラヘルツ波計測装置１００の全体の動作を制御するための制御動作を行う。制御部１５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ））と、メモリとを備える。メモリには、制御部１５０に制御動作を行わせるためのコンピュータプログラムが記録されている。当該コンピュータプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＣＰＵの内部には、制御動作を行うための論理的な処理ブロックが形成される。但し、メモリにコンピュータプログラムが記録されていなくてもよい。この場合、ＣＰＵは、ネットワークを介してダウンロードしたコンピュータプログラムを実行してもよい。

制御部１５０は、制御動作の一例として、テラヘルツ波検出素子１３０の検出結果（つまり、Ｉ−Ｖ変換部１４２が出力する電圧信号）に基づいて、試料１０の特性を計測する計測動作を行う。計測動作を行うために、制御部１５０は、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、ロックイン検出部１５１と、信号処理部１５２とを備えている。

ロックイン検出部１５１は、Ｉ−Ｖ変換部１４２から出力される電圧信号に対して、バイアス電圧生成部１４１が生成するバイアス電圧を参照信号とする同期検波を行う。その結果、ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波ＴＨｚのサンプル値を検出する。その後、ポンプ光ＬＢ１の光路長とプローブ光ＬＢ２の光路長との間の差分（つまり、光路長差）を適宜調整しながら同様の動作が繰り返されることで、ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形（時間波形）を検出することができる。ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号を、信号処理部１５２に対して出力する。つまりロックイン検出部１５１は、Ｉ−Ｖ変換部１４２から出力される電圧信号（つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの検出信号）から参照信号とは異なる周波数のノイズ成分を除去する。即ちロック印検出部１５１は、検出信号と参照信号とを用いて同期検波をすることによって、時間波形信号を相対的に高い感度で且つ相対的に高精度に検波する。尚、テラヘルツ波計測装置１００がロックイン検出を用いない場合は、テラヘルツ波発生素子１１０には、バイアス電圧として直流電圧が印加されればよい。

信号処理部１５２は、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の特性を計測する。例えば、信号処理部１５２は、テラヘルツ時間領域分光法を用いてテラヘルツ波ＴＨｚの周波数スペクトルを取得すると共に、当該周波数スペクトルに基づいて試料１０の特性を計測する。

本実施例では特に、信号処理部１５２は、制御動作の一例として、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の屈折率ｎを計測する計測動作を行う。更に、信号処理部１５２は、制御動作の一例として、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の厚さｄ（つまり、試料１０に対してテラヘルツ波ＴＨｚが入射する方向に沿った厚さｄ）を計測する計測動作を行う。尚、ここでいう厚さｄは、「表面１０ａと裏面１０ｂとの間の物理的な距離」を意味する。計測動作を行うために、信号処理部１５２は、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、「取得手段」の一具体例である検出時間取得部１５２１と、「算出手段」の一具体例である屈折率算出部１５２２と、「算出手段」の一具体例である厚さ算出部１５２３とを備える。尚、検出時間取得部１５２１、屈折率算出部１５２２、厚さ算出部１５２３の動作の具体例については、後に詳述するためここでの説明を省略する。

ステージ１７０は、試料１０を保持する。図１に示す例では、ステージ１７０は、試料１０の裏面１０ｂがステージ１７０側を向くように、試料１０を保持している。ステージ１７０は、試料１０を保持したまま、所定の移動方向に沿って移動可能である。ステージ１７０が移動すると、テラヘルツ波ＴＨｚの試料１０上での照射位置が変わる。

ステージ１７０の移動は、制御部１５０によって制御される。具体的には、制御部１５０は、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、照射位置変更部１５３を備える。照射位置変更部１５３は、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置を調整する（例えば、所望位置に変更する）ように、ステージ１７０の移動を制御する。

尚、照射位置変更部１５３は、ステージ１７０を移動させることに加えて又は代えて、テラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０のうちの少なくとも一方を移動させることで、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置を調整してもよい。

（２）テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作
続いて、図２から図７を参照しながら、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作について説明する。本実施例では、テラヘルツ波計測装置１００は、屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作として、２種類の計測動作（第１計測動作及び第２計測動作）のうちの少なくとも一方を行う。以下、屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第１計測動作、及び、屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第２計測動作について順に説明する。

（２−１）屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第１計測動作
はじめに、図２を参照しながら、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第１計測動作について説明する。図２は、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第１計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。

図２に示すように、照射位置変更部１５３は、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が、試料１０の表面１０ａ上の第１位置になるように、ステージ１７０を制御する（ステップＳ１０１）。

その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０の表面１０ａに向けて出射する（ステップＳ１０２）。つまり、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを、試料１０の表面１０ａ上の第１位置に照射する（ステップＳ１０２）。

試料１０ａに照射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０によって反射される。ここで、図３を参照しながら、試料１０によるテラヘルツ波ＴＨｚの反射について説明する。図３は、試料１０に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路及び試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの光路を示す試料１０の断面図である。

図３に示すように、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、試料１０の表面１０ａによって反射される。表面１０ａによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０からテラヘルツ波検出素子１３０に伝搬していく。

一方で、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、表面１０ａによって反射されることなく、試料１０の内部を透過していく。その後、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０の裏面１０ｂに到達する。その結果、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、試料１０の裏面１０ｂによって反射される。裏面１０ｂによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、再び試料１０の内部を透過していく。その後、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０の表面１０ａに到達する。その結果、裏面１０ｂによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、試料１０からテラヘルツ波検出素子１３０に伝搬していく。

尚、本実施例において、表面１０ａ及び裏面１０ｂは、試料１０内でのテラヘルツ波ＴＨｚの伝搬方向（図１及び図３で言えば、図面横方向）に沿って対向する試料１０の２つの外面を意味する。この場合、表面１０ａは、２つの外面のうちテラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０に近い一方の外面に相当する。一方で、裏面１０ｂは、２つの外面のうちテラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０から遠い他方の外面に相当する。

また、試料１０の裏面１０ｂによるテラヘルツ波ＴＨｚの反射を促進するべく、試料１０の裏面１０ｂに接する又は密着するように反射部材が配置されていてもよい。

再び図２において、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、テラヘルツ波検出素子１３０によって検出される（ステップＳ１０２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。

その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を取得する（ステップＳ１０３）。つまり、テラヘルツ波計測装置１００は、第１位置に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの検出結果に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を取得する。検出時間取得部１５２１は、テラヘルツ波ＴＨｚを第１位置に照射した場合に取得された第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を、屈折率算出部１５２２に出力する。尚、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１は、夫々、「第１時間」及び「第２時間」の一具体例である。

ここで、図４を参照しながら、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１の取得動作について説明する。図４は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形信号を示すグラフである。

図４に示すように、波形信号には、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号及び裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号が含まれている。裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過した後にテラヘルツ波検出素子１３０に到達する一方で、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは試料の１０の内部を透過することなくテラヘルツ波検出素子１３０に到達する。このため、裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚよりも時間的に遅れてテラヘルツ波検出素子１３０に到達する。従って、波形信号上でも、裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号は、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号よりも時間的に遅れている。

第１検出時間ｔ_ａ１は、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚの照射を開始してから試料１０の表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波検出素子１３０に到達するまでに要する時間である。一方で、第２検出時間ｔ_ｂ１は、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚの照射を開始してから試料１０の裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波検出素子１３０に到達するまでに要する時間である。検出時間取得部１５２１は、波形信号を解析することで、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を容易に取得する（言い換えれば、算出する又は特定する）ことができる。

再び図２において、その後、テラヘルツ波計測装置１００は、照射位置を変更した後に、上述した動作（つまり、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する動作）を再度行う。具体的には、照射位置変更部１５３は、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が、試料１０の表面１０ａ上の第２位置（但し、第２位置は、第１位置とは異なる）になるように、ステージ１７０を制御する（ステップＳ１０１）。その結果、ステージ１７０は、所定の移動方向に沿って所定の移動量だけ移動する。

ここで、図５を参照しながら、テラヘルツ波ＴＨｚが照射される第１位置及び第２位置について説明する。図５は、第１位置に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路及び第２位置に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路を示す試料１０の断面図である。

図５に示すように、第１動作例では、第１及び第２位置は、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１１と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２１とが同一であるという第１条件を満たす。更に、第１及び第２位置は、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１３と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２３とが同一であるという第２条件を満たす。つまり、照射位置変更部１５３は、第１及び第２条件を満たすように、ステージ１７０を制御する。言い換えれば、照射位置変更部１５３は、第１及び第２条件を満たす第１位置及び第２位置の夫々にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されるように、ステージ１７０を制御する。

第１及び第２条件を満たすようにステージ１７０を制御するために、照射位置変更部１５３は、ステージ１７０の移動方向が試料１０の裏面１０ｂと平行になるように、ステージ１７０を制御する。言い換えれば、第１及び第２条件を満たすようにステージ１７０を制御するために、照射位置変更部１５３は、試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿ってステージ１７０が移動するように、ステージ１７０を制御する。その結果、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更される場合であっても、テラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離が変わることはない。同様に、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更される場合であっても、テラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離が変わることはない。

尚、ここでいう「裏面１０ｂに平行な方向に沿ってステージ１７０が移動する」状態とは、「第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのステージ１７０と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのステージ１７０とが、裏面１０ｂに平行な方向に沿って並ぶように、ステージ１７０が移動する」状態を意味する。このような状態は、裏面１０ｂに平行な第１方向のみに沿ってステージ１７０が移動することによって実現される。或いは、このような状態は、裏面１０ｂに平行な第１方向及び裏面１０ｂに交わる第２方向に沿ってステージ１７０が移動する場合であっても、第２方向に沿ったステージ１７０の移動量がトータルでゼロになる（つまり、相殺される）限りは、実現される。

尚、照射位置変更部１５３が、ステージ１７０を移動させることに加えて又は代えて、テラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０のうちの少なくとも一方を移動させることで、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置を調整してもよいことは上述したとおりである。この場合においても、照射位置変更部１５３が、第１及び第２条件を満たすように、テラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０のうちの少なくとも一方を移動させる。

加えて、図５に示すように、第１動作例では、第１及び第２位置は、第１位置における試料１０の厚さｄ１が、第２位置における試料１０の厚さｄ２とは異なるという第３条件を満たす。つまり、照射位置変更部１５３は、第３条件を満たすように、ステージ１７０を制御する。言い換えれば、照射位置変更部１５３は、第３条件を満たす第１位置及び第２位置の夫々にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されるように、ステージ１７０を制御する。

第３条件が満たされるためには、試料１０は、試料１０の厚さｄにばらつきがあるという条件を満たすことが好ましい。厚さｄのばらつきは、試料１０の表面１０ａに意図的に形成された凹凸（例えば、段差や、曲面等）に起因した厚さｄのばらつきを含んでいてもよい。或いは、厚さｄのばらつきは、仕上げ加工の精度に依存する試料１０の表面１０ａの粗さに起因した厚さｄのばらつきを含んでいてもよい。

尚、試料１０の裏面１０ｂは平面である場合には、第１及び第２位置が上述した第１及び第２条件を満たしやすくなる。このため、第１計測動作においては、試料１０の裏面１０ｂは平面であることが好ましい。

その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを、試料１０の表面１０ａ上の第２位置に照射する（ステップＳ１１２）。その後、テラヘルツ波検出素子１３０は、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを検出する（ステップＳ１１２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する（ステップＳ１１３）。つまり、テラヘルツ波計測装置１００は第２位置に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの検出結果に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する。検出時間取得部１５２１は、テラヘルツ波ＴＨｚを第２位置に照射した場合に取得された第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を、屈折率算出部１５２２に出力する。尚、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２は、夫々、「第１時間」及び「第２時間」の一具体例である。

その後、屈折率算出部１５２２は、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１、並びに、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２に基づいて、試料１０の屈折率ｎを算出する（ステップＳ１２１）。具体的には、屈折率算出部１５２２は、数式１２を用いて、屈折率ｎを算出する。尚、数式１２中のΔｔ_１は、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間に相当する。つまり、数式１２中のΔｔ_１は、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａから裏面１０ｂを介して再度表面１０ａに到達するために要する時間に相当する。このため、Δｔ_１は、Δｔ_１＝ｔ_ｂ１−ｔ_ａ１という数式から算出可能である。数式１２中のΔｔ_２は、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間に相当する。つまり、数式１２中のΔｔ_２は、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａから裏面１０ｂを介して再度表面１０ａに到達するために要する時間に相当する。このため、Δｔ_２は、Δｔ_２＝ｔ_ｂ２−ｔ_ａ２という数式から算出可能である。

ここで、上述した図５を参照しながら、数式１２を用いて屈折率ｎを算出可能な理由について説明する。尚、以下の説明では、説明の便宜上、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１１と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２１と、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１３と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２３とが、いずれも同一である（便宜上、Ｌである）ものとする。つまり、Ｌ１１＝Ｌ１３＝Ｌ２１＝Ｌ２３＝Ｌであるものとする。但し、Ｌ１１＝Ｌ２１≠Ｌ１３＝Ｌ２３である場合であっても、後述する説明中の「Ｌ」を「（Ｌ１１＋Ｌ１３）／２」又は「（Ｌ２１＋Ｌ２３）／２」に置き換えれば、数式１２を用いて屈折率ｎを算出可能な理由に変わりはないことが分かる。

まず、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から裏面１０ｂに至るまでに要する時間は、第２検出時間ｔ_ｂ１の半分である。第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から裏面１０ｂに至るまでの光路長（つまり、光学距離）は、（Ｌ−ｄ１）＋ｎ×ｄ１である（但し、説明の便宜上、試料１０が空気中に位置しており、且つ、空気の屈折率を１と近似する）。従って、空気中のテラヘルツ波ＴＨｚの速度をｃと定義すると、数式１３が成立する。同様の理由から、第２位置に関連する数式１４もまた成立する。

一方で、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から表面１０ａに至るまでに要する時間は、第１検出時間ｔ_ａ１の半分である。第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から表面１０ａに至るまでの光路長（つまり、光学距離）は、Ｌ−ｄ１である。従って、数式１５が成立する。同様の理由から、第２位置に関連する数式１６もまた成立する。

数式１３に対して数式１５を代入することで、数式１３から変数ｄ１を消去することができる。変数ｄ１が消去された数式１３をｎについて解くと、数式１７が得られる。数式１４に対して数式１６を代入することで、数式１４から変数ｄ２を消去することができる。変数ｄ２が消去された数式１４をｎについて解くと、数式１８が得られる。

数式１７に対して数式１８を代入することで、数式１７から変数ｎを消去することができる。変数ｎが消去された数式１７をＬについて解くと、数式１９が得られる。

数式１９を数式１７に代入することで、数式１７から変数Ｌを消去することができる。変数Ｌが消去された数式１７をｎについて解くと、上述した数式１２が得られる。

再び図２において、その後、厚さ算出部１５２３は、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２、並びに、ステップＳ１２１で算出した屈折率ｎに基づいて、試料１０の厚さｄを算出する（ステップＳ１２２）。第１動作例では、上述したように第１位置における試料１０の厚さｄ１と第２位置における試料１０の厚さｄ２とが異なる。従って、厚さ算出部１５２３は、厚さｄ１及びｄ２の夫々を算出する。具体的には、厚さ算出部１５２３は、ｄ１＝（ｃ／ｎ）×Δｔ_１／２という数式を用いて、厚さｄ１を算出する。厚さ算出部１５２３は、ｄ２＝（ｃ／ｎ）×Δｔ_２／２という数式を用いて、厚さｄ２を算出する。

以上説明したように、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、第１計測動作を実行することで、試料１０の屈折率ｎを好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。特に、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、試料１０の厚さｄが異なる複数の照射位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射することで、試料１０に何らかの特殊な部材を接触させることなく、屈折率ｎを好適に計測することができる。更に、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、屈折率ｎを好適に計測することができるがゆえに、試料１０の厚さｄもまた好適に計測することができる。

ここで、屈折率ｎを計測することなく試料１０の厚さｄを計測する比較例のテラヘルツ波計測装置の一例として、単一の照射位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射することで厚さｄを計測するテラヘルツ波計測装置が想定される。この場合、比較例のテラヘルツ波計測装置は、第１検出時間ｔ_ａ及び第２検出時間ｔ_ｂを取得する。更に、比較例のテラヘルツ波計測装置は、厚さｄ＝ｃ×（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）／２という数式を用いて、試料１０の厚さｄを計測する。しかしながら、上述したように、試料１０の内部でのテラヘルツ波ＴＨｚの速度ｃ’は、屈折率ｎに応じて変動する。このため、比較例のテラヘルツ波計測装置によって計測される厚さｄは、試料１０の本来の厚さｄ＝（ｃ／ｎ）×（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）／２よりも大きな値となってしまう。

このため、比較例のテラヘルツ波計測装置１００は、本来の厚さｄを計測するためには、屈折率ｎを計測する必要がある。しかしながら、特許文献１及び２に記載されているように、屈折率ｎの計測には手間がかかるのが一般的である。しかしながら、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００は、比較的容易に屈折率ｎを計測することができると言う大きな利点を有している。

尚、上述した数式１２は、数式１３から数式１６より構成される連立方程式（つまり、Ｌ、ｄ１、ｄ２及びｎを未知数とする４つの方程式からなる連立方程式）をｎについて解くことで得られる数式であるとも言える。このため、テラヘルツ波計測装置１００は、数式１２を用いることに代えて、数式１３から数式１６より構成される連立方程式をｎについて解くことで、屈折率ｎを算出してもよい。例えば、テラヘルツ波計測装置１００は、ｎの仮定値を連立方程式に代入することで連立方程式が成立するか否かを判断し、連立方程式が成立するまで連立方程式に代入するｎの仮定値を調整する動作を繰り返してもよい。この場合、連立方程式が成立するｎの仮定値が、試料１０の屈折率ｎに相当する。

（２−２）屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第２計測動作
続いて、図６を参照しながら、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第２計測動作について説明する。図６は、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する第２計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。

上述した第１計測動作では、ステージ１７０は、試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿って移動している。つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更される場合であっても、テラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離及びテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離が変わらない。しかしながら、ステージ１７０の移動条件や、試料１０の状態（特に、裏面１０ｂの状態）によっては、ステージ１７０は、試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿って移動することができない場合もある。つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更されると、テラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離及びテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離のうちの少なくとも一方が変わってしまう場合もある。

この場合には、テラヘルツ波計測装置１００は、第１計測動作を行ったとしても、屈折率ｎを計測することは困難である。このため、ステージ１７０が試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿って移動することができない場合には、テラヘルツ波計測装置１００は、第２計測動作を行うことで屈折率ｎを計測する。但し、第２計測動作は、裏面１０ｂが平面である（言い換えれば、裏面１０ｂに意図的に凹凸が形成されていない）試料１０に対して行われる。

具体的には、図６に示すように、照射位置変更部１５３は、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が、試料１０の表面１０ａ上の第１位置になるように、ステージ１７０を制御する（ステップＳ２０１）。テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを、第１位置に照射する（ステップＳ２０２）。その後、テラヘルツ波検出素子１３０は、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを検出する（ステップＳ２０２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を取得する（ステップＳ２０３）。尚、ステップＳ２０１、ステップＳ２０２及びステップＳ２０３の動作は、特段の説明がない場合には、夫々、第１計測動作のステップＳ１０１、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３の動作と同一であってもよい。

その後、照射位置変更部１５３は、試料１０の表面１０ａ上の第２位置（但し、第２位置は、第１位置とは異なる）になるように、ステージ１７０を制御する（ステップＳ２１１）。その結果、ステージ１７０は、照射位置を第１位置から第２位置に変更するために、所定の第１移動量Ｐ１だけ所定の移動方向に沿って移動する。

但し、第２計測動作は、主としてステージ１７０が試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿って移動することができない場合に行われる動作である。このため、照射位置変更部１５３は、照射位置を第２位置に変更する際には、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更される場合であってもテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離が変わらないという上述した第１条件を満たすように、ステージ１７０を制御しなくてもよい。同様に、照射位置変更部１５３は、照射位置を第２位置に変更する際には、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更される場合であってもテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離が変わらないという上述した第２条件を満たすように、ステージ１７０を制御しなくてもよい。

その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを、第２位置に照射する（ステップＳ２１２）。その後、テラヘルツ波検出素子１３０は、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを検出する（ステップＳ２１２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する（ステップＳ２１３）。尚、ステップＳ２１１、ステップＳ２１２及びステップＳ２１３の動作は、特段の説明がない場合には、夫々、第１計測動作のステップＳ１０１、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３の動作と同一であってもよい。

その後、照射位置変更部１５３は、試料１０の表面１０ａ上の第３位置（但し、第３位置は、第１位置及び第２位置とは異なる）になるように、ステージ１７０を制御する（ステップＳ２２１）。その結果、ステージ１７０は、照射位置を第２位置から第３位置に変更するために、所定の第２移動量Ｐ２だけ所定の移動方向に沿って移動する。

第２計測動作では特に、照射位置変更部１５３は、照射位置を第２位置から第３位置に変更する場合のステージ１７０の移動方向が、照射位置を第１位置から第２位置に変更する場合のステージ１７０の移動方向と同一になるように、ステージ１７０を制御する。つまり、照射位置変更部１５３は、照射位置を第１位置から第２位置を経由して第３位置に変更する場合のステージ１７０の移動方向が固定されるように、ステージ１７０を制御する。

また、第２計測動作が主としてステージ１７０が試料１０の裏面１０ｂに平行な方向に沿って移動することができない場合に行われる動作である。このため、照射位置変更部１５３は、照射位置を第３位置に変更する際には、上述した第１条件を満たすように、ステージ１７０を制御しなくてもよい。同様に、照射位置変更部１５３は、照射位置を第３位置に変更する際には、上述した第２条件を満たすように、ステージ１７０を制御しなくてもよい。

その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを、第３位置に照射する（ステップＳ２２２）。その後、テラヘルツ波検出素子１３０は、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを検出する（ステップＳ２２２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ３及び第２検出時間ｔ_ｂ３を取得する（ステップＳ２２３）。尚、ステップＳ２２１、ステップＳ２２２及びステップＳ２２３の動作は、特段の説明がない場合には、夫々、第１計測動作のステップＳ１０１、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３の動作と同一であってもよい。

その後、屈折率算出部１５２２は、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２、並びに、第１検出時間ｔ_ａ３及び第２検出時間ｔ_ｂ３に基づいて、試料１０の屈折率ｎを算出する（ステップＳ２３１）。具体的には、屈折率算出部１５２２は、数式２０を用いて、屈折率ｎを算出する。尚、数式２０中のΔｔ_１及びΔｔ_２は、第１計測動作の説明時に既に説明済みである。数式２０中のΔｔ_３は、第３位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間に相当する。つまり、数式２０中のΔｔ_３は、第３位置にテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａから裏面１０ｂを介して再度表面１０ａに到達するために要する時間に相当する。このため、Δｔ_３は、Δｔ_３＝ｔ_ｂ３−ｔ_ａ３という数式から算出可能である。

ここで、図７を参照しながら、数式２０を用いて屈折率ｎを算出可能な理由について説明する。図７は、第１位置に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路、第２位置に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路及び第３位置に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路を示す試料の断面図である。

尚、以下の説明では、説明の便宜上、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１１と、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ１３は、同一である（便宜上、Ｌ１である）ものとする。第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２１と、第２位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ２３は、同一である（便宜上、Ｌ２である）ものとする。第３位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ３１と、第３位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でのテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離Ｌ３３は、同一である（便宜上、Ｌ３である）ものとする。但し、Ｌ１１≠Ｌ１３である場合であっても、後述する説明中の「Ｌ１」を「（Ｌ１１＋Ｌ１３）／２」に置き換えれば、数式２０を用いて屈折率ｎを算出可能な理由に変わりはないことが分かる。Ｌ２１≠Ｌ２３である場合であっても、後述する説明中の「Ｌ２」を「（Ｌ２１＋Ｌ２３）／２」に置き換えれば、数式２０を用いて屈折率ｎを算出可能な理由に変わりはないことが分かる。Ｌ３１≠Ｌ３３である場合であっても、後述する説明中の「Ｌ３」を「（Ｌ３１＋Ｌ３３）／２」に置き換えれば、数式２０を用いて屈折率ｎを算出可能な理由に変わりはないことが分かる。

また、以下の説明では、第１位置における試料１０の厚さｄは、ｄ１であるものとする。第２位置における試料１０の厚さｄは、ｄ２であるものとする。第３位置における試料１０の厚さｄは、ｄ３であるものとする。

まず、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から裏面１０ｂに至るまでに要する時間は、第２検出時間ｔ_ｂ１の半分である。第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から裏面１０ｂに至るまでの光路長（つまり、光学距離）は、（Ｌ１−ｄ１）＋ｎ×ｄ１である（但し、説明の便宜上、試料１０が空気中に位置しており、且つ、空気の屈折率を１と近似する）。従って、空気中のテラヘルツ波ＴＨｚの速度をｃと定義すると、数式２１が成立する。同様の理由から、第２位置に関連する数式２２及び第３位置に関連する数式２３もまた成立する。

一方で、第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から表面１０ａに至るまでに要する時間は、第１検出時間ｔ_ａ１の半分である。第１位置にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されている状況下でテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波発生素子１１０から表面１０ａに至るまでの光路長（つまり、光学距離）は、Ｌ１−ｄ１である。従って、数式２４が成立する。同様の理由から、第２位置に関連する数式２５及び第３位置に関連する数式２６もまた成立する。

数式２１中の「Ｌ１−ｄ１」に数式２４の「ｃ×ｔ_ａ１／２」を代入することで得られる数式をｄ１について解くと、数式２７が得られる。数式２２中の「Ｌ２−ｄ２」に数式２５の「ｃ×ｔ_ａ２／２」を代入することで得られる数式をｄ２について解くと、数式２８が得られる。数式２３中の「Ｌ３−ｄ３」に数式２６の「ｃ×ｔ_ａ３／２」を代入することで得られる数式をｄ３について解くと、数式２８が得られる。

一方で、上述したように裏面１０ｂが平面であるため、ステージ１７０の移動方向に対する裏面１０ｂの傾きは一定である。従って、数式３０が成立する。

この数式３０に対して数式２４、数式２５及び数式２６を代入することで得られる数式を整理すると、数式３１が得られる。

数式３１に対して数式２７、数式２８及び数式２９を代入することで得られる数式を整理すると、上述した数式２０が得られる。

再び図２において、その後、厚さ算出部１５２３は、試料１０の厚さｄ（つまり、厚さｄ１、ｄ２及びｄ３）を算出する（ステップＳ２３２）。具体的には、厚さ算出部１５２３は、ｄ１＝（ｃ／ｎ）×Δｔ_１／２という数式を用いて、厚さｄ１を算出する。厚さ算出部１５２３は、ｄ２＝（ｃ／ｎ）×Δｔ_２／２という数式を用いて、厚さｄ１を算出する。厚さ算出部１５２３は、ｄ３＝（ｃ／ｎ）×Δｔ_３／２という数式を用いて、厚さｄ１を算出する。

以上説明したように、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、第２計測動作を実行することで、第１計測動作を実行する場合に享受可能な効果と同様の効果を享受することができる。特に、テラヘルツ波計測装置１００は、テラヘルツ波ＴＨｚの照射位置が変更されることでテラヘルツ波発生素子１１０と裏面１０ｂとの間の距離及びテラヘルツ波検出素子１３０と裏面１０ｂとの間の距離のうちの少なくとも一方が変わってしまう場合であっても、試料１０の屈折率ｎを好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。

尚、照射位置を第１位置から第２位置に変更する場合のステージ１７０の移動量Ｐ１と照射位置を第２位置から第３位置に変更する場合のステージ１７０の移動量Ｐ２とが同一である場合には、上述した数式２０は、数式３１となる。従って、移動量Ｐ１と移動量Ｐ２とが同一になるように照射位置変更部１５３がステージ１７０を制御する場合には、屈折率算出部１５２２は、数式２０に代えて、数式３２を用いて、屈折率ｎを算出してもよい。

また、上述した数式２０は、数式２１から数式２６及び数式３０より構成される連立方程式（つまり、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｄ１、ｄ２、ｄ３及びｎを未知数とする７つの方程式からなる連立方程式）をｎについて解くことで得られる数式であるとも言える。このため、テラヘルツ波計測装置１００は、数式２０を用いることに代えて、数式２１から数式２６及び数式３０より構成される連立方程式をｎについて解くことで、屈折率ｎを算出してもよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う計測装置、計測方法、及び、コンピュータプログラムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ 試料
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１００ テラヘルツ波計測装置
１０１ パルスレーザ装置
１１０ テラヘルツ波発生素子
１２０ 光学遅延機構
１３０ テラヘルツ波検出素子
１５０ 制御部
１５１ ロックイン検出部
１５２ 信号処理部
１５２１ 検出時間取得部
１５２２ 屈折率算出部
１５２３ 厚さ算出部
１５３ 照射位置変更部
１７０ ステージ
ＬＢ１ ポンプ光
ＬＢ２ プローブ光
ＴＨｚ テラヘルツ波

Claims (1)

1. 試料の表面に照射されたテラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記試料に対する位置が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射位置の夫々毎に取得する取得手段と、
   前記第１及び第２時間に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする計測装置。

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