JP6782849B2

JP6782849B2 - 分光測定装置

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Publication number: JP6782849B2
Application number: JP2019540191A
Authority: JP
Inventors: 茉佑子高井; 啓太山口
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-09-07
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Description

本発明は、測定対象物の散乱の影響を低減または除去した分光測定装置に関する。

近年、テラヘルツ波をはじめとした電磁波による医薬品分光が注目されている。たとえば周波数が１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下であるテラヘルツ周波数帯には分子間振動及び分子内振動に起因する多数の吸収ピークが存在し、これらピークの解析により物質の種類だけでなく結合状態の違いを見分けること、それぞれの分子の医薬品中の含有濃度の定量的な測定も可能である。
本技術分野の背景技術として、たとえば特開２０１４−１７３９６７がある。特許文献１には課題として「テラヘルツ波の散乱による検出精度の低下を抑制することができる標本検査装置を提供する」と記載があり、解決手段として「本発明に係る標本検査装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、被検査物としての標本が載置される搬送面を有し、前記搬送面の面内方向に前記標本を搬送可能に構成された搬送部と、前記テラヘルツ波発生部から射出され、前記搬送面に載置された前記標本に照射されるテラヘルツ波の照射方向を変更する照射方向変更部と、前記搬送面に載置された前記標本に照射されて透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、を備え、前記照射方向変更部は、前記テラヘルツ波発生部の位置を変更することによって、前記照射方向を変更する。」と記載されている。
特許文献１の方法では測定対象物の形状や配置状態による電磁波の散乱のみを扱っており、測定対象物を構成する粒子による散乱の除去は考慮されていない。さらに、測定点数が多くなる上、ランダムな散乱成分は除去できるが、周波数に比例した散乱成分は除去できない可能性もある。

特開２０１４−１７３９６７号

本発明では、分光測定における、測定対象物を構成する粒子による散乱の影響を低減または除去する技術を提供することを目的とする。

上記課題は、例えば電磁波を照射する電磁波照射部と、電磁波を受光する受光部と、プローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記プローブ光を検出し検出信号を出力するプローブ光検出部と、前記検出信号から電磁波の検出強度を算出する演算部と、前記プローブ光のビーム径を調整するビーム径制御部と、を備え、前記電磁波照射部は前記電磁波を測定対象物に照射し、前記受光部は前記測定対象物に照射された前記電磁波を受光し、前記プローブ光照射部は前記プローブ光を前記受光部に照射し、前記プローブ光検出部は前記受光部に照射された前記プローブ光を検出し、検出信号を出力し、前記演算部は前記検出信号と前記プローブ光のビーム径に基づき、前記検出強度を算出しし、算出された前記検出強度に基づき、前記ビーム径調整部はプローブ光のビーム径を制御することを特徴とする分光測定装置により解決される。

本発明によれば、測定対象物の散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

分光測定装置の第一の実施例を示す構成図。検出結晶上のテラヘルツ波の電場または強度の空間分布とプローブ光のビームスポットの模式図。ビーム径調整部２０の一例を示す模式図。（ａ）実施例１におけるプローブ光ビーム径の第一の調整フロー。（ｂ）実施例１におけるプローブ光ビーム径の第一の調整フローＳ２の詳細なフロー。実施例１におけるプローブ光ビーム径と演算値の関係を表す図。プローブ光ビーム径の調整に用いる既知のパラメーターのリスト（ａ）実施例１におけるプローブ光ビーム径の第二の調整フロー。（ｂ）実施例１におけるプローブ光ビーム径の第二の調整フローＳ２２の詳細なフロー。プローブ光ビーム径と差分値の対応関係を表す図分光測定装置の第２の実施例を示す構成図。実施例２におけるプローブ光ビーム径の調整フロー。分光測定装置の第２の実施例において、検出用非線形光学結晶１０２の位置を制御する場合を示す構成図。分光測定装置の第３の実施例を示す構成図。分光測定装置の第４の実施例を示す構成図。実施例４におけるイメージセンサの構成図。分光測定装置の第５の実施例を示す構成図。実施例６におけるプローブ光の調整フロー。

以降は電磁波としてテラヘルツ波を例に挙げて説明を行なう。

図１は、本発明のテラヘルツ分光測定装置の第一の実施例を模式的に示す構成図である。本実施例によるテラヘルツ分光測定装置は、測定対象物１０１にテラヘルツ波Ｔ１を照射し、測定対象物１０１を構成する物質に吸収または散乱された透過テラヘルツ波Ｔ２の振幅を測定する装置として構成されている。
テラヘルツ波発生部１から出射したテラヘルツ波Ｔ１は集光素子１１１により測定対象物１０１に集光される。測定対象物１０１を構成する物質に吸収または散乱された透過テラヘルツ波Ｔ２は検出用非線形光学結晶１０２に入射する。

図１のプローブ光源２はテラヘルツ波を検出するためのプローブ光Ｌ１を出射する。プローブ光Ｌ１はビーム径調整部２０に入射し、ビーム径を拡大または縮小され、ビーム径がＢであるプローブ光Ｌ２となる。その後プローブ光Ｌ２は偏光子３０１にて偏光され、ビームスプリッター３１１により反射され検出用非線形光学結晶１０２に入射する。測定対象物１０１と検出用非線形光学結晶１０２の間に波長選択ミラーを挿入し、検出用非線形光学結晶１０２の表面からプローブ光Ｌ２を入射してもよい。ここで、波長選択ミラーとはテラヘルツ波Ｔ２を透過しプローブ光Ｌ２を反射する光学素子であり、例えばペリクルや、シリコン板がある。

テラヘルツ波Ｔ２が検出用非線形光学結晶１０２に入射すると電気光学効果が生じ、検出用非線形光学結晶１０２の複屈折率が入射テラヘルツ波Ｔ２の振幅に応じて変化する。検出用非線形光学結晶１０２を透過または反射したプローブ光は複屈折率変化に対応して偏光状態が変化する。検出用非線形光学結晶１０２から反射され、偏光状態が変化したプローブ光Ｌ２のうちビームスプリッター３１１を透過したプローブ光Ｌ２は補償子３０２、偏光子３０３によって偏光状態の変化を検光し、検出器３０４によってプローブ光Ｌ２の強度が検出される。検出器３０４に入射したプローブ光の成分は例えば電圧に変換され、処理部３の計測部３２１へと入力される。計測部３２１に入力された信号は検出用非線形光学結晶１０２に入射するテラヘルツ波Ｔ２の電場または強度に比例する。ここで、強度を測定する際はたとえば偏光子３０１と偏光子３０３の透過軸を直交させ、補償子３０２の速軸または遅軸を偏光子３０３の透過軸と一致させる方法を用いることが出来る。電場を測定する際はたとえば、偏光子３０１と３０３の透過軸を直交させ、補償子３０２の速軸または遅軸を偏光子３０３の透過軸と０度より大きい角度にすることによって得ることが出来る。偏光子３０３の代わりにウォラストンプリズムを配置して、プローブ光を二光路に分け、検出器３０４をバランスディテクターとし、それぞれの光路のプローブ光の強度差を検出することで検出効率を向上しても良い。

以上の手順により、プローブ光Ｌ２の照射された検出用非線形光学結晶１０２上の部分のテラヘルツ波の強度または振幅に比例した信号が得られる。本発明では、測定対象物１０１による散乱により検出結晶上に広く分布するテラヘルツ波Ｔ２を測定できるよう、プローブ光Ｌ２のビーム径Ｂの調整制御をビーム径調整部２０で行なう。図２に検出用非線形光学結晶１０２上に分布するプローブ光のビームスポットＬ３と、測定対象物での散乱で広がったテラヘルツ波Ｔ２の空間分布Ｔ３の模式図を示す。

ビーム径調整部２０で調整可能なプローブ光Ｌ２のビーム径Ｂは最小値６０２から最大値６０４までの範囲を変更可能であるとする。
ここで、ビーム径調整部２０でプローブ光ビーム径Ｂを変更する方法の具体例の一つを示す。図３に本実施例におけるプローブ光ビーム径調整部２０の模式図を示す。本実施例ではプローブ光ビーム径調整部２０に凹レンズ２０１と、焦点可変光学系をなす凸レンズ２０２、２０３が含まれる場合を示す。このほか、ビーム径Ａ，Ｂの比が可変ならばどのようなレンズ、光学素子の組み合わせでも良い。これらのレンズはレール２１１上に配置され、コントローラー２１２により駆動され、プローブ光Ｌ１、Ｌ２の光軸上を平行に移動可能である。本実施例では、レンズ２０２の屈折率をｆ_１、レンズ２０３の屈折率をｆ_２、レンズ間の距離をｄ_２とした場合、レンズ２０２と２０３を組み合わせたとき、焦点距離ｆの凸レンズとみなせる。焦点距離ｆは式１のように書き表せる。

（式１）ｆ＝ｆ_１ｆ_２／（ｆ_１＋ｆ_２−ｄ_２）
ここで、焦点距離Ｆは複合レンズ２０２、２０３の主点Ｐから焦点までの距離である。主点Ｐはレンズ２０２から距離ｈ_１、レンズ２０３から距離ｈ_２の位置にある。ｈ_１とｈ_２の比は式２で表される。

（式２）ｈ_１／ｈ_２＝ｆ_１／ｆ_２
さらに凹レンズ２０１の焦点距離をｆ_３として、複合レンズ２０２、２０３の主点ｐから凹レンズ２０１までの距離ｄ_１は式３で表される位置とする。

（式３）ｄ_１＝ｆ−ｆ_３
結果、プローブ光Ｌ１とＬ２のビーム径の比Ａ／Ｂは、式３のように書き表せる。

（式４）Ａ／Ｂ＝ｆ_３／ｆ
まとめると、プローブ光Ｌ１とＬ２のビーム径の比Ａ／Ｂが所望の値となるようｆの値を決め、そのＦの値を得られるようコントローラー２１２に制御信号が送られ、レール２１１上のレンズ２０１〜２０３の位置を調整してＤ_２を変更し、さらに式３を満たすようＤ_１を変更する。

また、コントローラー２１２は複合レンズ２０２、２０３および凹レンズ２０１の位置情報を保持し、この位置情報とプローブ光源２で決まるプローブビーム径Ａの値とからプローブビーム径Ｂを算出する機能を持つ。なお、プローブビーム径Ｂを算出する方法は上記に限らず、例えばコントローラー２１２は複合レンズ２０２、２０３および凹レンズ２０１の位置情報のみを保持し、プローブ光ビーム径Ｂの算出は図１の演算部３２２で行なってもよい。

以上、ビーム径調整部２０でビーム径Ｂを変更する方法として焦点距離が固定であるレンズの位置変更によりプローブ光Ｌ１とＬ２のビーム径の比Ａ／Ｂを変更する方法を記述したが、これは例であり、これに限定されるものではない。このほか、例えば複合レンズ２０２、２０３の代わりに、異なる複数の焦点距離の凸レンズを交換可能なホルダーにセットして焦点距離およびレンズ位置を可変とし、凹レンズ２０１の距離を前記凸レンズの焦点距離に応じて変更し、ビーム径を変更する方法がある。

ここからは本実施例におけるプローブ光を調整するフローを示す。この調整は、例えば装置を立ち上げた時などに行う。まず、図４（ａ）に本実施例におけるプローブ光調整のフローチャートを示す。
本実施例では、計測部３２１に入力された信号からテラヘルツ波Ｔ２の電場または強度に比例した検出強度を計算し、このテラヘルツ波検出強度が大きくなるようにプローブ光ビーム径Ｂをビーム径調整部２０により調整する。Ｓ２１ではプローブ光ビーム径Ｂとテラへルツ波検出強度（演算値）の対応関係を求める。図５の曲線６０１はプローブ光ビーム径Ｂとテラへルツ波検出強度（演算値）の対応関係を示す曲線である。手順Ｓ２２については詳細を後に示す。
Ｓ２２ではＳ２１で求めた対応関係から、演算部３２２で計算された演算値が最大かつビーム径が小さくなるような図５のプローブ光ビーム径６０３を求める。ここで、例えば、プローブ光ビーム径Ｂを制御するビーム径調整部２０の制御精度を加味して、演算値が最大値に対して±２０％のばらつきを許容するなど幅を持っても良い。
Ｓ２３ではＳ２２で求めたプローブ光ビーム径６０３に近づけるように制御部３２３からプローブ光ビーム形調整部２０に制御信号を出力し、プローブ光ビーム系を変更する。以上の手順により、プローブ光ビーム径の調整を行なった後に測定を行うことで、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。

一度プローブ光ビーム径Ｂを調整した後は、調整を行わず連続で測定を行なってもよい。また、一度同じ測定条件下においてプローブ光ビーム径Ｂと演算部３２２で計算した演算値との対応関係を取得して図１の記憶部３２４に記憶している場合、以降の測定では手順Ｓ２２を省略しても良い。また、図５のビーム径６０３が既知である場合、入力部３２５から直接図５ビーム径６０３の値を演算部３２２に入力し、Ｓ２２とＳ２３を行なうことなく、Ｓ２４に進んでも良い。

図４（ｂ）に手順Ｓ２２の詳細を示す。S２０１で測定を行なう回数を設定する。S２０２では計測部３２１で検出器３０４に入射するプローブ光の強度を測定値とし、S２０３では演算部３２２により、求めたプローブ光の測定値とビーム径調整部２０から得られるプローブ光のビーム径Ｂとの積を演算する。ここで、この演算は積に限定されるものではなく、除算でも良い。図５の曲線６０１はプローブ光ビーム径Ｂと演算部３２２で計算された演算値の対応関係を示す曲線である。プローブ光ビーム径Ｂを小さいビーム径６０２あるいは大きいビーム径６０４から変化を開始し、測定を行なって結果は記憶部３２４に記憶する。S２０５において、S２０１で設定した回数に達したかどうか判断し、設定した回数になるまで、S２０６でビーム径調整部２０によりビーム径Ｂを変更して、S２０２〜S２０４の手順を繰り返し、測定回数がS２０１で設定した回数に達したらS２０７に進み曲線６０１を求める。

また、プローブ光ビーム径の調整に既知のパラメーターを用いて計算した結果を用いることも可能である。例えば、測定対象物に含まれる粒子の平均粒径及び屈折率や、測定対象物の構成物質が既知であるとき、プローブ光ビーム径調整のために複数回の測定を行なう必要が無く、Ｓ２１を短縮でき、高速なプローブ光ビーム径調整が可能となる。この場合の、プローブ光調整のフローチャートは次のとおりである。まずＳ２１で図１の入力部３２５に入力するパラメーターとして、例えば測定対象物を構成する粒子の平均粒径及び屈折率がある。入力されたパラメーターを演算部３２２で取得し、記憶部３２４に記憶する。また、テラヘルツ波照射部１から出射するテラヘルツ波Ｔ１の波長または周波数を、演算部３２２で取得し、同様に記憶部３２４に記録する。

Ｓ２２ではＳ２１で記憶部３２４に記憶したパラメーターと、測定対象物１０１と検出用非線形光学結晶１０２までの距離に基づき、検出用非線形光学結晶１０２表面におけるテラヘルツ波の散乱の大きさを計算する。例えば測定対象物の平均粒径と平均屈折率及び入射テラヘルツ波Ｔ１の波長が既知である場合、ミー散乱の理論式に従い、テラヘルツ波Ｔ２の散乱角範囲を見積もり、求められた散乱角範囲と測定対象物１０１と検出用非線形光学結晶１０２の距離から、三角関数を利用して検出用非線形光学結晶１０２上のテラヘルツ波の空間分布の広がり角Ｔ３の大きさを求めても良い。目標プローブビーム径はテラヘルツ波の空間分布Ｔ３を広く取得できるように定める。最後に、プローブビーム径６０３に近づくように制御部３２３は制御信号を出し、プローブ光ビーム径調整部２０によりプローブ光ビーム径Ｂを変更する。以上の手順により、プローブ光ビーム径Ｂの調整を行なった後、測定を開始することで、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。

また、プローブ光ビーム径の調整に用いる既知のパラメーターはリストとして記憶部３２４に保存され、必要に応じて制御部３２３に呼び出されても良い。図６にリストの模式図を示す。この模式図に示したパラメーターはこれに限られるものではない。加えて、測定結果及び入力部３２５に入力された測定対象物名から３２２で自動的に最適なプローブ光ビーム径を学習し、リストを生成して保存しても良い。プローブ光ビーム径の調整に用いる既知のパラメーターとして、例えばプローブ光ビーム径、ビーム径調整部２０に含まれる光学素子の位置などがある。
さらに、入力部３２５で測定条件（例えば測定対象物名、プローブ光ビーム径など）を演算部３２２に入力し、演算部は前記リストを基に過去の測定結果を検索し、過去の測定条件（例えばビーム径調整部２０に含まれるレンズ位置等）を今回の測定に適用してもよい。

また、検出用非線形光学結晶１０２と測定対象物１０１の距離を取得する距離測定部と、その距離を調整する距離調整部を追加し、距離調整部に制御部３２３から制御信号を送信して制御することで、検出用非線形光学結晶１０２と測定対象物１０１の距離を近づけ、測定対象物による散乱光の広がり角を押さえても良い。
さらに、プローブ光ビーム径調整用の測定を行なう例を次に示す。本構成によれば、散乱の影響の低減を確認したうえで分光測定が可能である。
本実施例では測定対象物１０１として、本来の測定対象物（対象サンプル）と同様の成分で散乱の少ない、参照となる測定対象物（参照サンプル）を別途用意する。これは例えば、対象サンプルと同じ錠剤を乳鉢ですりつぶし、ふるいにかけて粒径を十分小さくし、再び打錠したものである。

図７（ａ）にこの場合のプローブ光調整のフローチャートを示す。まずS２１で参照サンプルについてテラヘルツ波検出強度（演算値）を測定し、記憶部３２４で記憶する。その後、S２２で対象サンプルの演算値をプローブ光ビーム径Ｂの大きさを変更しながら、繰り返し測定する。詳細は後に記す。結果は記憶部３２４に記憶する。参照測定S２１と調整用測定S２２では、複数の周波数ではなく単一の周波数で測定を行なってもよい。S２３ではS２２で記憶した調整用測定の結果（後に述べる差分値）から、図１の演算部３２２において差分値が小さくなるプローブ光ビーム径８０３を求める。S２４ではS２３で求めたプローブビーム径８０３に近づくように制御部３２３は制御信号を出し、プローブ光ビーム径調整部２０により、プローブ光ビーム径Ｂを変更する。

図７（ｂ）に手順S２２の詳細を示す。S２０１で測定を行なう回数を設定する。S２０２では計測部３２１で検出器３０４に入射するプローブ光の強度を測定値として取得し、S２０３では演算部３２２により、複数、または単一の周波数におけるテラヘルツ波検出強度（演算値）を求める。さらに、この求めた対象サンプルの演算値からS２１で記憶した参照サンプルの演算値を減算した差分値を算出する。S２０４ではS２１３で求めた差分値を記憶する。図８の曲線８０１はプローブ光ビーム径Ｂと演算部３２２で計算された差分値の対応関係を示す曲線である。プローブ光ビーム径Ｂを小さいビーム径６０２あるいは大きいビーム径６０４から変化を開始し、測定を行なって結果は上記のとおり記憶部３２４に記憶する。S２０５において、S２０１で設定した回数に達したかどうか判断し、設定した回数になるまで、Ｓ２０６でビーム径調整部２０によりビーム径Ｂを変更して、S２０２〜S２０４の手順を繰り返す。測定回数がS２０１で設定した回数に達したらS２０７に進み曲線８０１を求める。その後S２３にて記憶した差分値の最も差分値が小さくなるビーム径８０３をS２１算出・取得する。

以上の手順により、調整用測定と参照測定の結果の差が少なくなるプローブ光ビーム径８０３を求め適用することにより、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響をより精度よく低減または除去した分光測定が可能になる。

図９は、本発明のテラヘルツ分光測定装置の第２の実施例を模式的に示す構成図である。本実施例が実施例１と異なるのはプローブ光ビーム径Ｂの調整にテラヘルツ波の空間分布のイメージング結果を用いる点である。本構成により、実際のテラヘルツ波の空間分布を観測しながらプローブ光のビーム径を制御できるため、複数回の測定を行なう必要が無く、正確な調整が可能となる。
本実施例では、実施例１との差分について説明を行う。

結像レンズ３１２を検出用非線形光学結晶１０２の後ろに配置し、ハーフミラー３１３でビームを分け、一方をイメージセンサ３０５に入射し、もう一方は検出器３０４に入射する。図２に示すような検出用非線形光学結晶１０２上のテラヘルツ波の空間分布Ｔ３の情報を含んだプローブ光Ｌ３をイメージセンサ３０５に結像する。ここで、例えば、ハーフミラー３１３と検出器３０４を配置しないで、イメージセンサ３０５で検出結晶上のテラヘルツ波の空間分布Ｔ３の撮像および強度測定の両方を行なってもよい。

図１０に本実施例におけるプローブ光調整のフローチャートを示す。S１１でプローブ光ビーム径Ｂを最大値６０４とする。最大値６０４でプローブ光強度不足等により次に示すテラヘルツ波イメージングが出来ない場合は、イメージングが可能な径までプローブ光ビーム径Ｂを変更する。このとき、検出結晶上のテラヘルツ波照射部Ｔ３の大きさがプローブ光ビーム径Ｂより大きくなる場合、実施例７に記載の方法を用いて測定対象物と検出用非線形光学結晶１０２の距離を調整し、Ｔ３の大きさが小さくなるようにしても良い。
テラヘルツ波Ｔ２が検出用非線形光学結晶１０２に入射すると電気光学効果が生じ、検出用非線形光学結晶１０２の複屈折率が入射テラヘルツ波Ｔ２の振幅に応じて変化する。検出用非線形光学結晶１０２を透過または反射したプローブ光は複屈折率変化に対応して偏光状態が変化する。
S１２ではイメージセンサ３０５に入射したプローブ光を処理部３の計測部３２１で撮像し、検出イメージとして出力する。実施例１に記載の方法と同様に、演算部３２２で前記検出イメージからテラヘルツ波の電場または強度の検出用非線形光学結晶１０２上の空間分布Ｔ３を算出する。

S１３では演算部３２２で前記検出イメージから前記受光部に照射されるテラヘルツ波の空間分布の大きさと、前記ビーム径調整部から得られるプローブ光のビーム径との差を計算し、差が小さくなるようなプローブ光ビーム径Ｂを求める。

Ｓ１４ではＳ１３で求めたプローブビーム径に近づくように制御部３２３は制御信号を出し、プローブ光ビーム径Ｂを変更する。以上の手順により、プローブ光ビーム径Ｂの調整を行なった後、測定を開始することで、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。
ここで、例えば図１０のS１３において、テラヘルツ波の空間分布Ｔ３を撮影し、その結果、テラヘルツ波の空間分布Ｔ３の大きさがプローブ光のビーム径Ｂの最大値６０４より大きいことが推測された場合に、検出用非線形光学結晶１０２を測定対象物１０１に近づけるよう調整を行ない、テラヘルツ波の空間分布Ｔ３の大きさを小さくする例を示す
図１１は、この例におけるテラヘルツ分光測定装置を模式的に示す構成図である。図９と異なる点は、制御部３２３からの制御信号により、ビーム径調整部２０のほかに、検出用非線形光学結晶１０２の位置を制御している点である。検出用非線形光学結晶１０２はモーター１０２１により駆動され、その位置情報はモーター１０２１に保持される。

検出用非線形光学結晶１０２と測定対象物１０１の距離を小さくする方法として例えば、プローブ光調整を行なう前に測定対象物１０１の厚みを図１の入力部３２５に入力しておき、検出用非線形光学結晶１０２と測定対象物１０１の距離が測定対象物１０１の厚みより大きく、元の位置より近くなるよう制御部３２３の制御信号によりモーター１０２１を制御する方法がある。以上の方法により、テラヘルツ波の空間分布Ｔ３の大きさを小さくすることが出来る。

図１２は、本発明のテラヘルツ分光測定装置の第３の実施例を模式的に示す構成図である。本実施例が実施例１と異なるのは、検出器として干渉光学系を組み合わせている点である。本構成によれば、検出するテラヘルツ波Ｔ２の振幅が微弱である場合、信号を増幅して測定することが出来、測定の感度を向上できる。
本実施例では、実施例１との差分について説明を行う。

図１２の干渉光学系３０６は検出器を含む。干渉光学系３０６には検出用非線形光学結晶１０２を透過または反射したプローブ光と、それに干渉させるための参照光Ｌ４を入射する。干渉光学系３０６に含まれる検出器ではプローブ光と参照光Ｌ４を干渉させた干渉光を検出する。参照光源４として独立なレーザーを用いても良いし、プローブ光源やテラヘルツ波光源に含まれるレーザー等からビームスプリッター等を用いて光を分岐し、参照光Ｌ４としても良い。参照光Ｌ４の周波数の選び方として、例えばプローブ光の周波数と一致させないヘテロダイン方式やプローブ光の周波数と一致させたホモダイン方式がある。ホモダイン方式の場合、例えば四位相同時検出方式または位相シフト方式により干渉光の位相と振幅を分離して測定する方法がある。以上の方法により、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定および感度向上が可能になる。

図１３は、本発明のテラヘルツ分光測定装置の第４の実施例を模式的に示す構成図である。本実施例が実施例１と異なるのは、検出器をイメージセンサに置き換えている点である。また、測定するものはテラヘルツ波の電場（テラヘルツ電場）である。テラヘルツ電場の測定を行なう際、ビームスポットＴ３内で位相が一様でないとき、単一検出器の測定ではテラヘルツ電場の空間分布が積算されることから、正負の電場が相殺して、測定されるテラヘルツ電場に比例した信号が小さくなる場合がある。本構成によれば、分光測定結果からその影響をなくすことが出来る。
本実施例では、実施例１との差分について説明を行う。

図１４にイメージセンサ３０５の模式図を示す。イメージセンサ３０５に検出結晶上のプローブ光ビームスポットＬ３を結像し、各ピクセルでテラヘルツ波電場空間分布Ｔ３に比例した信号を測定する。各ピクセルの結果を強度に変換してから必要なピクセルにおける強度の平均値を取得する。例えば、ピクセル３２１で検出したテラヘルツ電場をＥ_１、ピクセル３２２で検出したテラヘルツ電場をＥ_２・・・としたとき、検出強度ＩをＩ＝（｜Ｅ_１｜^２＋｜Ｅ_２｜^２＋・・・）／（足し合わせたピクセル数）と計算しても良い。
テラヘルツ時間領域分光法など、位相測定つまり電場の時間波形の測定を行なう場合は、各ピクセルで電場の時間波形Ｅ_１（ｔ）、Ｅ_２（ｔ）・・・を測定してから各ピクセルでそれぞれ時間的フーリエ変換を行い、波長ごとの強度を得てから積算を行なう。

以上の方法により、測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定および感度向上が可能になる。

図１５は、本発明のテラヘルツ分光測定装置の第５の実施例を模式的に示す構成図である。本実施例が実施例１と異なるのは、測定対象１０１と検出用非線形光学結晶１０２の間に集光素子１１２が挿入されている点である。本構成によれば、集光素子１１２と測定対象物１０１の距離を離して測定することが可能である。
本実施例では、実施例１との差分について説明を行う。

集光素子１１２の開口数（ＮＡ）は測定対象物の散乱光を十分に集められるようなるべく大きく設計される。集光素子１１２として例えば二つの平凸レンズまたは放物面鏡を組み合わせたものや、一枚の両凸レンズを測定対象物１０１と検出用非線形光学結晶１０２からの距離が焦点距離の二倍になるように配置したものがある。本実施例ではプローブ光のビーム径Ｂは、実施例１〜２に従って集光素子１１２によって検出用非線形光学結晶１０２上に集光された散乱成分を含むテラヘルツ波空間分布Ｔ３の大きさとの差が小さくなるように制御される。実施例１に従って演算部３２２で計算により目標プローブ光ビーム径を取得する場合、検出用非線形光学結晶１０２上に集光された散乱成分を含むテラヘルツ波空間分布Ｔ３を求めるために、測定対象物１０１からの散乱に加え、集光素子１１２による集光の効果を光線追跡で求めても良い。または、前記空間分布Ｔ３の大きさを次のように計算しても良い。測定対象の厚みをＤ_{ＳＡＭＰＬＥ}とすると、実施例１に記載のミー散乱の理論に従って測定対象物に含まれる粒子のパラメーターと入射テラヘルツ波長から求めた散乱角範囲±θと、Ｄ_{ＳＡＭＰＬＥ}から、集光素子１１２によって検出用非線形光学結晶１０２上に結像するテラヘルツ波の空間分布Ｔ３のおおよその大きさ２Ｄ_{ＳＡＭＰＬＥ} ｔａｎθを求める。

以上の方法により、測定対象物１０１と集光素子１１２の距離を離す事が出来るため、測定対象物１０１の厚みが厚い場合にも対応でき、さらに測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。

本実施例では、プローブ光ビーム径調整部２０内にプローブ光の光軸を調整する光軸調整部および強度分布調整部を設置し、調整を行なう場合を示す。本構成により検出器３０４で検出される信号の検出効率を大きくできる。
本実施例では、実施例１との差分について説明を行う。

図１６に本実施例におけるプローブ光調整のフローチャートを示す。まず、Ｆ５でプローブ光径Ｂを最小値３０２にし、S３１でテラヘルツ波の電場または強度の空間分布Ｔ３の中心部、つまり検出器３０４で検出されるテラヘルツ波の検出強度が最大となるよう光軸調整部を制御する。その後、S３２で実施例１〜３に従いビーム径調整部２０の制御によりプローブ光ビーム径Ｂを調整する。最後にS３３では、強度分布調整部でプローブ光の強度分布が面内で一様になるようにする。強度分布の調整方法としては、例えば、アイリスでプローブ光ビーム中心部のみを切り出す方法などがある。
また、プローブ光の光軸または強度分布の調整結果を実施例２または４と同様の構成でイメージセンサ３０５を用いて結晶１０２上のプローブ光のビームスポットＴ２のイメージングを行い、確認しても良い。その際、例えば補償子３０２または偏光子３０１、３０３の向きによりプローブ光が減衰され、プローブ光ビームスポットＬ３全体がイメージセンサに映らない場合、補償子３０２もしくは偏光子３０１または３０３を制御部３２３からの信号または手動で回転させ、プローブ光ビームスポットＬ３全体が映るようにしてから撮像する。

以上の方法により、検出器３０４で検出される信号の検出効率を大きくできる。さらに測定対象物１０１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去した分光測定が可能になる。
なお、本発明は分光測定以外の測定に応用されうる。応用先として、たとえばテラヘルツＣＴスキャンや吸収率、反射率によるイメージング等、散乱光の影響を受ける測定がある。また、はじめに述べたように、測定に使用する入射光の波長はテラヘルツ波に限らず、例えば赤外線や、赤外線より短い波長の電磁波であっても良いし、ミリ波や、ミリ波よりも長い波長の電磁波でも良い。この場合、以上の説明において、テラヘルツ波を電磁波と読み替えれば、以上の説明がそのまま適合する。したがって、ここでは、テラヘルツ波以外の電磁波については説明を省略する。

１０１・・・測定対象物、１０２・・・検出用非線形光学結晶、１１１・・・集光素子、２０・・・プローブ光ビーム径制御部、３・・・ビーム制御信号生成部、３０１・・・偏光子、３０２・・・補償子、３０３・・・偏光子、３０４・・・検出器
Ｔ１・・・入射テラヘルツ波、Ｔ２・・・出射テラヘルツ波、Ｌ１・・・プローブ光、Ｌ２・・・調整済みプローブ光

Claims

電磁波を照射する電磁波照射部と、
電磁波を受光する受光部と、
プローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記プローブ光を検出し検出信号を出力するプローブ光検出部と、
前記検出信号から電磁波の検出強度を算出する演算部と、
前記プローブ光のビーム径を調整するビーム径調整部と、を備え、
前記電磁波照射部は前記電磁波を測定対象物に照射し、
前記受光部は前記測定対象物に照射された前記電磁波を受光し、
前記プローブ光照射部は前記プローブ光を前記受光部に照射し、
前記プローブ光検出部は前記受光部に照射された前記プローブ光を検出し、検出信号を出力し、
前記演算部は前記検出信号と前記プローブ光のビーム径に基づき、前記検出強度を算出し、
算出された前記検出強度に基づき、前記ビーム径調整部はプローブ光のビーム径を制御することを特徴とする分光測定装置。
請求項1に記載の分光測定装置であって、
前記プローブ光検出部は前記受光部に照射されたプローブ光の偏光状態または強度の変化に相当する検出信号を出力することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
測定に関わるデータを記憶する記憶部と、
測定パラメーターを前記演算部に入力する入力部を備え、
演算部に入力された前記記憶部に記憶された測定条件情報に基づき、前記演算部は前記測定パラメーターに対応した測定条件を選択し、
選択された前記測定条件を今回の測定に適用することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記プローブ光の偏光状態または強度の変化の空間分布の検出イメージを出力するイメージセンサを有し、
前記演算部は前記検出イメージから前記受光部に照射される電磁波の空間分布の広がり幅と、前記ビーム径調整部から得られるプローブ光のビーム径との差を算出し、
前記差に基づき、前記ビーム径調整部はプローブ光のビーム径を制御することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記受光部は非線形光学結晶であることを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記プローブ光照射部は前記プローブ光のビーム面内強度分布を調整する強度分布調整部及び前記プローブ光の光軸を変更する光軸調整部を備え、
前記強度分布調整部はプローブ光のビーム面内強度分布が一様になる方向に強度分布を制御し、
前記光軸調整部は前記プローブ光検出部から出力される前記検出信号に基づき前記プローブ光の光軸を制御することを特徴とする分光測定装置。
請求項３に記載の分光測定装置であって、
前記測定パラメーターは前記測定対象物に含まれる粒子の粒径と屈折率とを含み、
前記演算部は、前記受光部における前記電磁波の電場または強度の空間分布の広がり幅に基づいて、電磁波の検出強度を算出し、算出された前記検出強度に基づき前記測定条件を更新することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
第一の測定対象物で分光測定した第一の結果を記録する記憶部と、
第二の測定対象物で分光測定した第二の結果と前記記憶部に記憶された第一の結果との差を前記演算部により算出し、前記演算部の算出結果に基づいて前記ビーム径調整部の制御を行なう制御部と、を備え
前記算出結果の差分が小さくなるようにビーム径調整部が制御されることを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
参照光を発生させる参照光発生部と、
前記プローブ光と前記参照光を干渉させる干渉光学系と、を備え、
参照光発生部から発生した参照光と、前記プローブ光検出部に入射するプローブ光とを干渉光学系で干渉させ、前記検出信号を増幅することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記測定対象物と前記受光部との距離を取得する距離測定部と、
前記測定対象物と前記受光部との距離を調整する距離調整部と、
を備え、
前記受光部における前記電磁波の電場または強度の空間分布の広がり幅を小さくして、前記検出信号が上がるように、
前記距離測定部からの出力に基づいて、前記距離調整部は前記測定対象物と前記受光部との距離を小さくするよう制御することを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記測定対象物に照射され、前記測定対象物を透過または反射した電磁波を前記受光部に集光する集光素子を備え、
散乱で広がった前記電磁波を集光して前記検出信号が大きくなるように前記集光素子が配置されていることを特徴とする分光測定装置。
請求項２に記載の分光測定装置であって、
前記プローブ光検出部は、前記受光部を透過または透過および反射したプローブ光の偏光状態または強度の変化の空間分布の検出イメージを出力するイメージセンサを有し、
前記演算部は前記イメージセンサの各ピクセルで前記電磁波の電場を算出し、各ピクセルで電場から強度を計算し、少なくとも電磁波電場の情報が存在しているピクセルでの前記強度を積算し、電磁波の検出強度が上がるように測定を行なうことを特徴とする分光測定装置。