JP6391278B2

JP6391278B2 - 測定装置及び測定方法

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Description

本発明は、時間領域分光法を用いてテラヘルツ波の時間波形を測定する測定装置及び測定方法に関する。

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、任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。この様なテラヘルツ波を用いた分光法として、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ法：ＴＨｚ−ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が知られている。これは、光源から出力されたポンプ光が発生部に到達するタイミング又はプローブ光が検出部に到達するタイミングを変化させながらテラヘルツ波を検出することにより、テラヘルツ波の時間波形を取得する方法である。このタイミングの調整によって、プローブ光及びテラヘルツ波が検出部に入射するタイミングを調整し、テラヘルツ波をプローブ光によってサンプリング計測する。

このようなＴＨｚ−ＴＤＳ法の原理を用いた測定装置（ＴＨｚ−ＴＤＳ装置）では、時間波形を精度良く取得するため、外的な作用によって生じる振動などの影響を低減することが重要である。詳細には、外的な作用が装置の光学系に作用することにより測定装置の光学系が振動して、取得した時間波形に光学系の振動の影響が重畳することを抑制することが求められる。

特許文献１では、測定装置外部に設置された別の装置の振動外部からの振動を検出した場合、一定時間、時間波形の取得を待機する構成が開示されている。

特開２００７−２４０１９１号公報

特許文献１の方法では、振動が収束していても一定時間待機することがあったため、不要な待機時間があり時間波形の取得に要する時間の短縮が困難であった。

上記課題に鑑み、本発明は、振動の影響を抑制するための待機時間のうち不要な待機時間を短縮できる測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての測定装置は、時間領域分光法によりテラヘルツ波を測定する測定装置であって、ポンプ光が入射することによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、プローブ光が入射することによりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記ポンプ光の光路長と前記プローブ光の光路長との光路長差を調整することにより、テラヘルツ波と前記プローブ光とが前記テラヘルツ波検出部に入射するタイミングを調整する調整部と、前記光路長差の変化量を検出する変化量検出部と、前記調整部を停止させている状態で前記変化量検出部が検出した検出結果を用いて、前記調整部の振動の大きさに関する情報を取得する振動取得部と、前記情報を用いて、前記調整部の振動の大きさが許容値の範囲内であるかを判定する判定部と、前記判定部が前記調整部の振動の大きさが前記許容値の範囲内であると判定した場合に、測定開始トリガを出力する出力部と、を有することを特徴とする。

本発明の一側面としての測定装置によれば、振動の影響を抑制するための待機時間のうち不要な待機時間を短縮できる。

第１の実施形態の測定装置の構成を説明する図。第１の実施形態の振動取得部の動作を説明する図。第１の実施形態の測定装置の動作を説明するフローチャート。第２の実施形態の測定装置の構成を説明する図。第３の実施形態の測定装置の構成を説明する図。第３の実施形態の変調部の動作を説明する図。第４の実施形態の画像取得装置の構成を説明する図。

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。後述の各実施形態の測定装置は、外的な作用（外力）が測定装置に伝搬することにより発生した振動を検出し、この振動が許容範囲内まで収束したらテラヘルツ波の測定を開始する構成を有する。なお、以降の説明では、便宜的にこの振動を単に装置の振動を呼ぶこともある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の測定装置１００（以下、装置１００と呼ぶ）の構成を説明する図である。装置１００は、ＴＨｚ−ＴＤＳ法（テラヘルツ時間領域分光法）を用いてテラヘルツ波パルス１３０の時間波形を測定する装置である。なお、以降、テラヘルツ波パルス１３０を単に「テラヘルツ波１３０」と呼ぶ。この時間波形を取得するために、装置１００は次の構成を少なくとも備えている。すなわち、光源１０１、テラヘルツ波発生部１０２、テラヘルツ波検出部１０３、調整部１０４、変化量検出部１０５、駆動部１０６、波形構築部１０７、を少なくとも有する。

光源１０１は、テラヘルツ波を発生、検出するために用いる励起光を出力する。光源１０１から出力される励起光は、パルスレーザである。励起光は、分岐部であるビームスプリッタ１２０で、テラヘルツ波発生部１０２に入射するポンプ光Ｌ_１とテラヘルツ波検出部１０３に入射するプローブ光Ｌ_２とに分岐される。図１のように、ポンプ光Ｌ_１は、ビームスプリッタ１２０からミラー１２１を介してテラヘルツ波発生部１０２に入射する。プローブ光Ｌ_２は、ビームスプリッタ１２０から調整部１０４とミラー１２２、１２３）とを介しテラヘルツ波検出部１０３に入射すれる。なお、本構成に限らず、ポンプ光を出力する光源とプローブ光を出力する光源とを別々に設けてもよい。

テラヘルツ波発生部１０２は、ポンプ光Ｌ_１が入射することによりテラヘルツ波１３０を発生する部分である。テラヘルツ波検出部１０３は、テラヘルツ波１３０とプローブ光Ｌ_２とが入射することにより検出部１０３に到達するテラヘルツ波の電界強度の瞬間値を検出する部分である。なお、本実施形態では、テラヘルツ波１３０は、プローブ光Ｌ_２とは反対側からテラヘルツ波検出部１０３に入射するが、プローブ光Ｌ_２と同じ側からテラヘルツ波検出部１０３に入射してもよい。

調整部１０４は、テラヘルツ波検出部１０３に到達するプローブ光Ｌ_２とテラヘルツ波１３０との時間差を調整する部分である。詳細には、ポンプ光Ｌ_１がビームスプリッタ１２０からテラヘルツ波発生部１０２に到達するまでの光路長（伝搬長）と、プローブ光Ｌ_２がビームスプリッタ１２０からテラヘルツ波検出部１０３に到達するまでの光路長と、の光路長差を変更する。これは、ポンプ光Ｌ_１とプローブ光Ｌ_２との相対的な光路長差を変化させると言い換えることもできる。

これにより、プローブ光Ｌ_２の光路長に対し、ポンプ光Ｌ_１及びテラヘルツ波１０３を含めた光路長が変化するため、プローブ光Ｌ_２及びテラヘルツ波１３０がテラヘルツ波検出部１０３に到達するタイミングが変化する。このため、テラヘルツ波１０３をプローブ光Ｌ_２でサンプリング計測することが可能となり、テラヘルツ波１０３の時間波形を取得できる。

調整部１０４は、少なくとも光学素子１０４ａと移動部（ステージ）１０４ｂとを有する。光学素子１０４ａは、光学素子１０４ａに入射した励起光を反射して折り返す素子である。ステージ１０４ｂは、入射した励起光の光軸に沿って移動する移動部である。詳細には、ステージ１０４ｂは、光学素子１０４ａを励起光の折り返し方向に沿って移動する。調整部１０４は、ステージ１０４ｂを用いて光学素子１０４ａをプローブ光Ｌ_２の光軸に沿って移動することで、プローブ光Ｌ_２の光路長を変更する。この結果、検出部１０３に到達する励起光Ｌ_２の時間を可変にする。

なお、調整部１０４は、これに限らず、分岐部１２０とテラヘルツ波発生部１０２との間に設けてポンプ光Ｌ_１の光路長を変更する構成でもよい。また、調整部１０４のステージ１０４ｂは回転型でもよい。また、調整部１０４として励起光を伝搬するファイバとファイバを伸縮させるアクチュエータで構成してもよい。励起光が伝搬する光路長の時定数を変化させる等の手法で、実効的な光路長を調整する方法もある。調整部１０４は、結果的にポンプ光Ｌ_１とプローブ光Ｌ_２との相対的な光路長差を変化させる目的を達成する構成であればよい。以下の説明では、調整部１０４として、光学素子１０４ａとステージ１０４ｂを用いる。

駆動部１０６は、時間波形の測定時にステージ１０４ｂが移動する速度、加速度、減速度等を制御するコントローラである。変化量検出部１０５は、調整部１０４の調整されたポンプ光Ｌ_１又はプローブ光Ｌ_２の相対的な光路長差の変化量を検出する部分である。本実施形態では、変化量検出部１０５は、プローブ光Ｌ_２の光路長に直接影響を与える光学素子１０４ａについて、プローブ光Ｌ_２の光軸方向への移動量を検出し、この移動量を光路長差の変化量としている。変化量検出部１０５として、ステージ１０４ｂに備え付けられたエンコーダー、調整部１０４の外部に設置されたエンコーダー等が適用できる。エンコーダーは、結果的に光学素子１０４ｂの移動が検知できる方式であればよく、光学式、電気式、機械式いずれの態様も可能である。

ステージ１０４ｂに光学素子１０４ａが固定されているのであれば、光学素子１０４ａの振動による力がステージ１０４ｂに伝搬する。その結果、変化量検出部１０５で検知するステージ１０４ｂの動きによって、光学素子１０４ａの移動を間接的に知ることもできる。本実施形態では、変化量検出部１０５として、予め定められた移動量（以下、「単位移動量」と呼ぶ）毎にＴＴＬ信号のようなデジタル信号を出力する形態である。変化量検出部１０５は、調整部１０４が移動する経路に設けられたセンサー等でも良い。たとえば、調整部１０４が単位移動量を移動する毎に信号を出力する構成にすればよい。

波形構築部１０７は、演算処理部分であり、テラヘルツ波検出部１０３及び変化量検出部１０５の出力を参照して検出部１０３に到達するテラヘルツ波１３０の時間波形を構築する部分である。また、波形構築部１０７は、ステージ１０４ｂの移動距離、移動速度、加速度、減速度等を設定し、波形構築部１０７からの指示を受けて駆動部１０６がステージ１０４ｂを制御する。時間波形の構築は、例えば、調整部１０４の単位移動量毎にテラヘルツ波検出部１０３の出力をプロットし、ステージ１０４ｂの移動量を時間に置き換えることで実施する。

これまで述べた装置１００の各部の構成は、結果的にテラヘルツ波１３０の時間波形が取得できる構成であればよい。例えば、特開２０１３−１６７６４９号公報に各部の構成の詳細が記載されている。

次に説明する構成が、従来の構成に対し異なる部分である。装置１００は、振動取得部１０８と、基準部１０９と、判定部１１０と、出力部１１２と、を有する。振動取得部１０８は、調整部１０４の移動を停止させている状態で変化量検出部１０５が検出した調整部１０４の移動量（光路長差の変化量）を参照し、調整部１０４の振動の大きさに関する情報を取得する。具体的には、振動取得部１０８は、変化量検出部１０５が検出した光学素子１０４ａの移動量（変化量）を用いて、光学素子１０４ａの振動の大きさに関する情報を取得する。

ここで、本明細書の「調整部１０４の移動を停止させている」とは、駆動部１０６が、調整部１０４のステージ１０４ｂを移動する命令を出していない状態、又は、ステージ１０４ｂに移動を行わないように制御している状態のことである。駆動部１０６によって調整部１０４を停止させている状態でも、装置１００が振動していると、これに追随して調整部１０４は振動しているために微小に位置が変化する場合がある。振動取得部１０８は、その振動の大きさに関する情報を取得している。

また、本明細書の「振動の大きさに関する情報」は、振動によって調整部１０４による光路長差の調整量が変化している場合の、その調整量の変動を表わすものである。ステージ１０４ｂに着目した場合、振動によってステージ１０４ｂの位置が変化している場合の、その位置の変動を表わすものである。詳細は後述するが、例えば、調整部１０４を停止させた位置からの単位時間（監視時間）２１３あたりの変化量の累計、単位時間２１３当たりの変化量の平均値および標準偏差等が挙げられる。また、変化量検出部１０５の検出結果を処理して振動の波形を取得してもよい。

基準部１０９は、光学素子１０４ａが振動によって位置が変動している場合の、光学素子１０４ａの位置の変化量（移動量）の許容値２１２を出力する。許容値２１２は、取得した時間波形に振動の影響が重畳しても許容できる範囲の振動の大きさを表すものである。

判定部１１０は、ステージ１０４ｂが停止している状態で振動取得部１０８が取得した情報と許容値２１２とを比較し、光学素子１０４ａの振動の大きさが許容値２１２の範囲内であるかを判定する。判定部１１０で調整部の振動が許容値２１２の範囲内であると判定されたら、出力部１１２が、測定開始トリガ１１１（以降、「トリガ１１１」と呼ぶ）を出力する。装置１００は、波形構築部１０７がトリガ１１１を受けた後に、テラヘルツ波の時間波形の取得を開始する。

装置１００は、不図示のＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータを有しており、ＣＰＵが波形構築部１０７及び振動取得部１０８、基準部１０９、判定部１１０、出力部１１２の機能を有する。しかし、この構成に限らず、波形構築部１０７及び振動取得部１０８、基準部１０９、判定部１１０、出力部１１２は、同じ演算処理機で構成してもよいし、独立した演算処理機で構成してもよい。

図２は、振動取得部１０８の動作を説明する図である。ここでは、調整部１０４として光学素子１０４ａとステージ１０４ｂとを用いており、調整部１０４による光路長差の変化量を光学素子１０４ａやステージ１０４ｂの移動量と表現することもある。

図２では、調整部１０４のステージ１０４ｂは停止している状態である。すなわち、装置１００は待機状態にあり、駆動部１０６によってステージ１０４ｂの移動が行われておらず、且つ、テラヘルツ波の時間波形の取得が行われていない状態である。以下の説明では、この位置を基準として説明し、この位置を移動量０と表現している。図２のように、調整部１０４の光学素子１０４ａの位置は、外力２１４によって基準となる移動量０の位置に対し微小に変化することがある。

外力２１４には、装置１００を構成する構成部品を介して光学素子１０４ａに作用する力、或いは光学素子１０４ａに直接作用する力がある。前者の力として、例えば、ステージ１０４ｂのような移動を伴う構成から発生する力が考えられる。また、装置１００を駆動するための種々の装置類が発生する振動が考えられる。さらに、装置１００内部或いは外部で発生した音、測定者の移動に伴って発生する振動、装置１００を設置する建屋全体の振動等が考えられる。後者の力としては、音のような空気の振動等が考えられる。

外力２１４が加えられることにより光学素子１０４ａが振動したり移動したりすると、調整部１０４を介してテラヘルツ波検出部１０３に到達するプローブ光Ｌ_２の伝搬距離は微小に変化する。これに従って、プローブ光Ｌ_２がテラヘルツ波検出部１０３に到達するタイミングも微小に変化する。図２（ａ）では、ステージ１０４ｂが振動せずに停止位置（移動量０の位置）で静止している場合のプローブ光Ｌ_２の伝搬距離に対する光学素子１０４ａの振動によるプローブ光Ｌ_２の伝搬距離の変化量を、光学素子１０４ａの移動量として表現している。前述したように、光学素子１０４ａの移動量は、調整部１０４の調整値の変化量に相当する。

光学素子１０４ａが振動している状態でテラヘルツ波の時間波形を取得すると、構築された時間波形に光学素子１０４ａの振動の影響が重畳されることがある。本実施形態では、このような振動の影響を抑制するために、基準となる位置に対する光学素子１０４ａの相対的な移動量が許容値２１２の範囲内になるまで時間波形の測定を保留し、許容値２１２の範囲内であれば時間波形の測定を開始する。

許容値２１２は、次のように定める。ＴＨｚ−ＴＤＳ装置では、テラヘルツ波の時間波形は、テラヘルツ波１３０及びプローブ光Ｌ_２が検出部１０３に入射するタイミングを変更しながらテラヘルツ波１３０を検出することによって取得される。典型的には、検出は一定のサンプリング間隔で行われ、このサンプリング間隔は、ステージ１０４ｂの移動量によって定められる。許容値２１２の上限は、少なくともサンプリング間隔に相当する調整部１０４の移動量を超えないステージ１０４ｂの移動量Ａに設定される。

サンプリング間隔は、テラヘルツ波の時間波形の時間分解能に相当し、多くの場合、サンプリング間隔に相当するステージ１０４ｂの移動量は数μｍに設定される。そのため、移動量Ａもこのオーダーである。

これに加え、ステージ１０４ｂが停止しており、且つ、光学素子１０４ａに印加される外力２１４が定常状態になった時のステージ１０４ｂの移動量Ｂを、許容値２１２の下限としてもよい。また、ステージ１０４ｂの位置決め精度や変化量検出部１０５が検知できる最小の移動量（検出分解能）を許容値２１２の下限に設定してもよい。これは、多くの場合、数１０ｎｍから数１００ｎｍのオーダーである。当然のことながら、定常状態の光学素子１０４ａの移動量Ｂがこれらの値よりも大きい場合、許容値２１２の下限はこれに準じて調整される。

許容値２１２の上限が小さい程、振動が小さくなってから時間波形の取得を開始するため、構築される時間波形に重畳する振動の影響は小さくなり、測定精度が高まる。まとめると、許容値２１２はステージ１０４ｂの移動量Ａから移動量Ｂの間で設定され、許容値２１２は、必要な測定精度に従って測定者が選択、設定できる。なお、本実施形態では、変化量として調整部１０４の移動量を用いているため、許容値２１２も調整部１０４の移動量に基づいて設定している。これに限らず、許容値２１２は、調整部１０４による光路長差の調整量に換算されてもよい。

光学素子１０４ａは、ステージ１０４ｂが停止している状態でも、光学素子１０４ａに作用する外力２１４により微動する場合がある。その結果、変化量検出部１０５は、ステージ１０４ｂが停止している状態でも光学素子１０４ａの位置ずれを検出する。図２（ｂ）は、変化量検出部１０５の出力した移動パルスの例を示したものである。変化量検出部１０５は、光学素子１０４ａの移動を検知すると単位移動量毎に移動パルスを出力する。移動パルスの数を集計することで、振動取得部１０８は累積した光学素子１０４ａの移動量を知ることができる。

変化量検出部１０５の検出分解能は、変化検出部１０５として用いるエンコーダーの特性による。この変化量検出部１０５の検出分解能は、少なくともサンプリング間隔に相当する移動量を超えないステージ１０４ｂの移動量以下に設定される。加えて、変化量検出部１０５の検出分解能は、少なくとも許容値２１２の上限、すなわち移動量Ａ以下であり、また、装置１００の光学素子１０４ａに作用する外力２１４が定常状態になった時のステージ１０４ｂの移動量Ｂを検出できる値である。

図２（ｂ）のように、変化量検出部１０５は、移動パルスに加えて光学素子１０４ａの移動方向を出力してもよい。移動パルスの数と光学素子１０４ａの移動方向とを知ることで、振動取得部１０８は、移動量０（ステージ１０４ｂの停止位置）からの相対的なずれ量（以降、「移動距離」を呼ぶ）を知ることができる。

振動取得部１０８は、測定者或いは装置１００が予め定めた単位時間毎（以降、「単位時間」を「監視時間２１３」と呼ぶ）に変化量検出部１０５が検出した移動量を用いて、調整部１０４の振動の大きさに関する情報を取得する。ここでは、振動の大きさいに関する情報として、調整部１０４の移動量の累計や移動距離を取得する。この移動量の検出は、監視時間ｔ_０からｔ_ｎまでｎ回に分けて行われる。

図２（ｃ）は、振動取得部１０８の処理を説明する図である。監視時間ｔ_０からｔ_ｎまでｎ回検出された移動量は、振動取得部１０８において統計処理される。詳細には、図２（ｃ）のように、各監視時間２１３に測定された移動量を統計処理することにより、振動の大きさに関する情報として平均値μと標準偏差σが求められる。

ここで、図２（ｃ）の横軸は、光学素子１０４ａの移動距離または変化量検出部１０５が監視時間２１３の間に出力されたパルスの総数（パルス数）である。パルス数は監視時間２１３内のステージ１０４ｂの移動量の累計に換算してもよい。縦軸は移動距離またはパルス数の出現確率である。なお、本実施形態の振動取得部１０８は、複数の監視時間２１３で監視された移動量から統計処理を行っているが、各監視時間２１３で読み取った移動量を直接出力してもよい。

図１において、判定部１１０は、基準部１０９が出力する許容値２１２と、振動取得部１０８が出力する移動量の平均値μ、又は標準偏差σ、又はその両方（例えばμ＋σ）と、を比較し、振動の大きさが許容値２１２の範囲内であるかを判定する。判定部１１０が振動取得部１０８の出力が許容値２１２の範囲内であると判定した場合は、トリガ１１１を出力する。判定部１１０で比較する標準偏差σは、必要な測定精度に従って、２σや３σの値を使用することもできる。また、振動取得部１０８の出力が、各監視時間２１３で読み取った移動量である場合、判定部１１０は、この直接読み取った移動量と許容値２１２とを比較する。

以上の構成を有することで、装置１００は、光学素子１０４ａの振動の有無を監視し、この振動が許容範囲内になったことを確認したらテラヘルツ波パルスの時間波形の取得を開始する。その結果、無駄な待機時間を減少するため、測定精度の確立と測定時間の短縮の両立が容易になる。

図３は、装置１００の動作を説明するフローチャートである。情報処理装置１２０のメモリ（不図示）には、図３のフローチャートに対応するプログラムが記憶されており、ＣＰＵがそれを読み込んで実行することで各処理が行われる。

駆動部１０６は、時間波形の取得を始める前に、調整部１０４を停止する。例えば、調整部１０４のステージ１０４ｂを停止する（Ｓ３０１）。次に、調整部１０４が停止している状態で、変化量検出部１０５は、調整部１０４による光路長差の変化量としての移動量を検出する（Ｓ３０２）。その後、振動取得部１０８は、外力２１４による調整部１０４の振動の大きさに関する情報を取得する（Ｓ３０３）。本実施形態では、移動量の平均μと標準偏差σを出力する。このとき、監視時間２１３を複数設け、複数の監視時間２１３に検出した調整部１０４の振動の情報（移動量）を統計的に処理することが望ましい。その結果、光学素子１０４ａの振動状態を統計的に判断して監視できる。

次に、判定部１１０は、振動取得部１０８の出力と基準部１０９で設定した許容値２１２とを比較して、振動の大きさが許容できる範囲内であるかを判定する（Ｓ３０４）。ここで、振動取得部１０８の出力が許容値２１２の範囲内でない場合、ステップＳ３０２に戻り再び調整部１０４の移動量の検出を行う。判定部１１０において、振動取得部１０８の出力が許容値２１２の範囲内であると判定された場合は、出力部１１２が、時間波形の取得を開始するためのトリガ１１１を出力する（Ｓ３０５）。

トリガ１１１を受けて、装置１００はテラヘルツ波パルスの時間波形の測定を開始する（Ｓ３０６）。具体的には、テラヘルツ波検出部１０３がテラヘルツ波の検出を開始して、波形構築部１０７がテラヘルツ波検出部１０３の検出結果を用いてテラヘルツ波の時間波形を構築する。

このような方法によれば、装置１００は、装置の光学素子１０４ａの振動の有無を監視し、この振動が許容範囲内になってからテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。そのため、振動を検出してから一定時間待機する場合と比べて、無駄な待機時間を短縮できる。また、従来技術では一定時間経過後に振動が発生していても時間波形の取得を開始する恐れがあったが、本実施形態では、そのような現象の発生も抑制できる。そのため、振動の影響による時間波形の精度低下の抑制と時間波形の取得に要する時間の短縮の両立が容易になる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、時間波形の測定時に発生する外力２１４の影響を抑制する構成を更に備えるものである。なお、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図４は、本実施形態の測定装置４００（以下、装置４００と呼ぶ）の構成を説明する図である。第１の実施形態の同様の構成には、同符号を用いている。また、図４では、駆動部１０６、波形構築部１０７、振動検出部１０８、基準部１０９、判定部１１０、出力部１１２、は省略されている。図４（ａ）に示したように、台４１４の上の装置４００は、加振部４１５を有する。例えば、加振部４１５は、重りを搭載したステージで構成される。

加振部４１５は、時間波形の取得時に、調整部１０４を動かす駆動部１０６の制御信号を参照し、ステージ１０４ｂの動きに同期して動く。詳細には、ステージ１０４ｂの加速及び減速に同期して動くことで、調整部１０４のステージ１０４ｂの移動、特に加速及び減速に伴う力を打ち消す方向の力を加える。その結果、装置４００にステージ１０４ｂの移動に伴う力が伝わるのを抑制し、光学素子１０４ａの振動を抑制する。

加振部４１５は、装置４００全体の振動を抑える位置に設置することが望ましい。例えば、図３（ａ）のように、加振部４１５は、設置台４１４の略中心に対し、振動源である調整部１０４と点対称になる位置に配置されることが望ましい。この結果、設置台４１４に伝搬する調整部１０４の振動と、加振部４１５からの振動とが重ね合って相殺することで調整部１０４の移動による外力の発生を抑制する。

また、図４（ｂ）のように、設置台４１４の設置面４１６に対し、調整部１０４と加振部４１５とが対向に配置されてもよい。加振部４１５は設置台４１４内部に配置される。この場合、調整部１０４から発生する振動が装置４００全体に伝搬する前に振動の制御が可能になるため、より振動を抑制し易い。

このような構成の装置４００は、光学素子１０４ａの振動の有無を監視し、振動の大きさが許容範囲内になってからテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。そのため、振動を検出してから一定時間待機する場合と比べて、無駄な待機時間を短縮できる。また、従来技術では一定時間経過後に振動が発生していても時間波形の取得を開始するおそれがあったが、本実施形態では、そのような現象の発生も抑制できる。そのため、振動による時間波形の精度低下の抑制と時間波形の取得に要する時間の短縮の両立が容易になる。

さらに、加振部４１５を設けて、時間波形の取得時に調整部１０４のステージ１０４ｂの移動に伴って発生する力を打ち消す力を加えることで、装置４００に伝搬するステージ１０４ｂの移動に伴う力を抑制し、光学素子１０４ａの振動を抑制している。そのため、光学素子１０４ａの振動が許容値の範囲内に収束するまでの時間を短縮できる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、時間波形の測定時に発生する外力２１４の影響を抑制する構成を更に備えるものである。なお、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図５は、本実施形態の測定装置５００（以下、装置５００と呼ぶ）の構成を説明する図である。装置５００は、外力２１４の影響を抑制する部分として変調部５２０を有する。変調部５２０は、ステージ１０４ｂの動きを制御する駆動部１０６に接続され、ステージ１０４ｂが移動する速度、加速度、減速度の少なくとも１つを変調する部分である。

図６は、変調部５２０によって変調されたステージ１０４ｂの動作を説明する図である。横軸は調整部１０４の移動時間である。詳細には、調整部１０４を構成するステージ１０４ｂが移動を開始してからの経過時間である。縦軸は調整部１０４の移動速度である。詳細には、ステージ１０４ｂの移動速度である。ここでは、変調部５２０によってステージ１０４ｂの加速度及び減速度を変調する例を示している。

図６において、実線は光学素子１０４ａの振動が小さい場合のステージ１０４ｂの動きを示し、破線は光学素子１０４ａの振動が大きい場合のステージ１０４ｂの動きを示している。ここでは、光学素子１０４ａの振動が大きい場合、ステージ１０４ｂの加速度及び減速度を小さくする例を示している。

加速度及び減速度が変化すると、ステージ１０４ｂから加えられる力の位相も変化する。これを利用すると、時間波形複数回を取得する場合は、各時間波形の取得に付随して発生するステージ１０４ｂからの力の位相も変化して重ねあわされる。その結果、特定の周波数で装置５００が共振することを抑制できる。

光学素子１０４ａの振動の大きさ振動取得部１０８の出力を参照して判断すればよい。例えば、振動取得部１０８が出力する移動量の大きさに対する加速度及び減速度が決められたルックアップテーブルを用意し、このルックアップテーブルに従ってステージ１０４ｂの加速度、減速度を決定する方法等が考えられるが、これに限定しない。また、振動取得部１０８の出力を参照せずに、時間波形の取得毎に、ステージ１０４ｂが移動する速度や加速度、減速度をランダムに変化させることも可能である。

なお、図６では、光学素子１０４ａの振動が大きい場合にステージ１０４ｂの加速度、減速度を小さくしているが、これに限らずこれらを大きくしてもよい。要は、調整部１０４の光学素子１０４ａの振動の大きさに応じてステージ１０４ｂの加速度や減速度を変化させ、装置５００全体に伝搬する振動を抑制できればよい。また、図６では、ステージ１０４ｂの速度が一定の領域があるが、速度は一定でなく変化させてよい。

このような構成の装置５００は、光学素子１０４ａの振動の有無、その大きさを監視し、振動の大きさが許容範囲内になってからテラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。そのため、振動を検出してから一定時間待機する場合と比べて、無駄な待機時間を短縮できる。また、従来技術では一定時間経過後に振動が発生していても時間波形の取得を開始する恐れがあったが、本実施形態では、そのような現象の発生も抑制できる。そのため、振動による時間波形の精度低下の抑制と時間波形の取得に要する時間の短縮の両立が容易になる。

さらに、装置５００は、調整部１０４のステージ１０４ｂが移動する速度、加速度、減速度の少なくとも１つを変調している。この結果、ステージ１０４ｂの動きに伴い発生した振動の位相をずらし、装置５００の共振を抑制できる。そのため、光学素子１０４ａの振動が収束するまでの時間を短縮でき、時間波形の取得に要する時間の短縮が容易となる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、上述の実施形態の構成を有する画像取得装置に関するものである。なお、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７は、本実施形態の画像取得装置７００（以降、装置７００を呼ぶ）の構成を説明する図である。装置７００は、テラヘルツ波を用いて試料７１７の情報を取得してテラヘルツ波の画像を取得する装置で、第１の実施形態の測定装置１００に加えて、変更部７１８、画像形成部７１９、情報取得部７２０を有する。

変更部７１８は、試料７１７に到達するテラヘルツ波と試料７１７との相対位置を調整し、試料７１７におけるテラヘルツ波の照射位置を変更する。変更部７１８の位置情報は、画像形成部７１９に送られる。

なお、本実施形態では、検出部１０３は、試料７１７を透過したテラヘルツ波を検出する位置に配置されているが、試料７１７を反射したテラヘルツ波を検出する構成でもよい。

情報取得部７２０は、装置１００の測定結果を用いて試料７１７の情報を取得する。具体的には、テラヘルツ波の照射位置毎に取得したテラヘルツ波の時間波形を用いて試料７１７の情報を取得する。ここで、本明細書の「試料の情報」は、時間波形から取得したスペクトルと、試料の「物性」と、試料の「形状」の少なくとも一つを含むと定義する。

なお、本明細書の「スペクトル」は、横軸を周波数とする光学特性のスペクトルのことで、時間波形をフーリエ変換して得られるテラヘルツ波の振幅スペクトルや位相スペクトルを含む。また、リファレンスを事前に取得していれば、強度スペクトル、反射率スペクトル、屈折率スペクトル、誘電率スペクトル、複素反射率スペクトルや複素屈折率スペクトル、複素誘電率スペクトル、複素導電率スペクトル等を取得できる。また、試料の「物性」は、試料の複素振幅反射率、複素屈折率、複素誘電率、反射率、屈折率、吸収係数、誘電率、電気伝導率を含むと定義する。

本明細書における試料の「形状」は、試料の外形と、試料中の物体の形状と、試料中の層の厚さを含むと定義する。試料中の物体の形状及び試料中の層の厚さは、試料中のある界面で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻と透過部材又は別の界面で反射したテラヘルツ波の時間波形が検出された時刻との差を用いて取得できる。

画像形成部７１９は、変更部７１８が出力した試料７１７とテラヘルツ波パルスの相対的な位置情報と、情報取得部７２０が取得した試料７１７の情報とを用いて画像を形成して、試料７１７の構造や光学特性等を可視化する。なお、装置７００は、試料７１７を透過したテラヘルツ波を検出して試料７１７の透過画像を取得できる。これに限らず、例えば、反射したテラヘルツ波を検出する反射型の測定装置を用いれば断層像等を取得できる。

また、情報取得部７２０が取得した試料７１７の物性を用いて画像を形成すれば、試料中の所定の物性を有する領域の形状を可視化できる。これは、具体的には、試料７１７の物性値が同じ又は物性値が所定の範囲内となる領域の形状のことを言う。例えば、試料の物性として複素屈折率を取得した場合、複素屈折率が所定の数値になる領域とその他の領域とを、それぞれ異なる色で表示するなど、表示方法を変更すれば所定の物性を有する領域の形状を取得できる。取得する試料の情報の種類は、ユーザが適宜選択できる。

このような構成の装置７００は、光学素子１０４ａの振動の有無を監視し、振動の大きさが許容範囲内になってからテラヘルツ波の時間波形を取得する。そのため、振動を検出してから一定時間待機する場合と比べて、無駄な待機時間を短縮できる。また、従来技術では一定時間経過後に振動が発生していても時間波形の取得を開始するおそれがあったが、本実施形態では、そのような現象の発生も抑制できる。そのため、振動による時間波形の精度低下の抑制と時間波形の取得に要する時間の短縮の両立が容易になる。

以上、本発明の好ましい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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、第２の実施形態と第３の実施形態の装置５００を組み合わせて、加振部４１５と変調部５２０とを有する測定装置としてもよい。また、第４の実施形態の装置７００は、第１の実施形態の測定装置１００の構成を備えているが、これに限らず第２又は第３の実施形態の測定装置の構成を備えていてもよい。このように、必要に応じて種々の実施形態の構成を組み合わせることができる。さらに、装置７００の構成のうち変更部７１８と画像形成部７１９を備えない情報取得装置や、画像形成部７１９を備えない情報取得装置等にも、本発明を適用できる。

１０２テラヘルツ波発生部
１０３テラヘルツ波検出部
１０４調整部
１０５変化量検出部
１０８振動取得部
１１０判定部
１１１測定開始トリガ
１１２出力部
１２０分岐部

Claims

時間領域分光法によりテラヘルツ波を測定する測定装置であって、
ポンプ光が入射することによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、
プローブ光が入射することによりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記ポンプ光の光路長と前記プローブ光の光路長との光路長差を調整することにより、テラヘルツ波と前記プローブ光とが前記テラヘルツ波検出部に到達するタイミングを調整する調整部と、
前記光路長差の変化量を検出する変化量検出部と、
前記調整部を停止させている状態で前記変化量検出部が検出した検出結果を用いて、前記調整部の振動の大きさに関する情報を取得する振動取得部と、
前記情報を用いて、前記調整部の振動の大きさが許容値の範囲内であるかを判定する判定部と、
前記判定部が前記調整部の振動の大きさが前記許容値の範囲内であると判定した場合に、測定開始トリガを出力する出力部と、を有する
ことを特徴とする測定装置。
前記調整部の移動を制御する駆動部を有し、
前記出力部は、前記判定部が前記調整部の振動の大きさが前記許容値の範囲内であると判定した場合に、前記駆動部に前記測定開始トリガを出力し、
前記駆動部は、前記測定開始トリガを受けて前記調整部の移動を開始する
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記情報は、前記変化量検出部が単位時間あたりに検出した前記光路長差の変化量の平均値と標準偏差である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記情報は、前記変化量検出部が単位時間あたりに検出した前記光路長差の変化量の累計である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記光路長差の変化量は、前記調整部の移動量である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の測定装置。
前記調整部は、光学素子と、前記光学素子を移動する移動部と、を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の測定装置。
前記調整部が配置されている台と、
前記台に振動を与える加振部と、を有し、
前記加振部は、前記光学素子の移動に伴う力を打ち消すように振動を与える
ことを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
前記光学素子の振動が大きい場合、前記光学素子の移動速度と加速度と減速度との少なくとも１つを変調する変調部をさらに有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の測定装置。
試料にテラヘルツ波を照射して、前記試料の情報を取得する情報取得装置であって、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の測定装置と、
前記測定装置の測定結果を用いて前記試料の情報を取得する情報取得部と、を有する
ことを特徴とする情報取得装置。
前記試料に対するテラヘルツ波の照射位置を変更する変更部を更に有する
ことを特徴とする請求項９に記載の情報取得装置。
前記情報取得部が取得した前記試料の情報を用いて、前記試料の画像を形成する画像形成部を更に有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の情報取得装置。
ポンプ光が入射することによりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、プローブ光が入射することによりテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記ポンプ光の光路長と前記プローブ光の光路長との光路長差を調整することにより、テラヘルツ波と前記プローブ光とが前記テラヘルツ波検出部に到達するタイミングを調整する調整部と、を有する測定装置を用いて、テラヘルツ波を測定する測定方法であって、
前記調整部を停止させている状態で、前記光路長差の変化量を検出する変化量検出ステップと、
前記変化量検出ステップでの検出結果を用いて前記調整部の振動の大きさに関する情報を取得する取得ステップと、
前記情報を用いて、前記調整部の振動の大きさが許容値の範囲内であるかを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで前記調整部の振動の大きさが前記許容値の範囲内であると判定された場合に、測定開始トリガを出力する出力ステップと、
前記測定開始トリガを受けてテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出ステップと、を有する
ことを特徴とする測定方法。
前記変化量検出ステップは、複数の単位時間毎に複数の前記光路長差の変化量を検出し、
前記取得ステップは、前記複数の前記光路長差の変化量を統計的に処理することにより、前記情報を取得する
ことを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。