JP6815825B2 - 評価装置及び評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜状体の特性を評価する評価装置及び評価方法に関する。

試料の特性を評価する評価装置が普及している。このような評価装置として、試料に照射しても損傷が少ないという理由から、電磁波を用いるものが知られている。

特許文献１には、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ法）と称される方式の評価装置が記載されている。当該評価装置は、周波数が０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長が３００μｍ〜３ｍｍの電磁波であるテラヘルツ波を用いている。テラヘルツ波は、光と電波の境界領域に属していることから、光が有する直進性と、電波が有する透過性と、の双方を兼ね備えている。

特許文献１記載の評価装置は、電磁波を発信する発信部と、当該電磁波を受信する受信部と、を備えている。発信部と受信部との間には、測定対象である試料が配置される。発信部が発信した電磁波が試料に照射されると、その一部が試料によって吸収され、他部が試料を透過する。評価装置は、受信部が当該電磁波の他部を受信することによって取得する電流波形と、試料を配置しない場合に受信部が電磁波を受信することによって取得する電流波形と、の差異に基づいて、当該試料の特性を評価する。

特開２００２−２７７３９４号公報

ところで、試料による電磁波の吸収の程度は、電磁波が当該試料中を透過する距離や、当該試料の吸収係数に依存する。電磁波が試料中を透過する距離が小さいと、試料に吸収される電磁波が少なくなる。この場合、前述した２つの電流波形の差異が小さくなる。

したがって、膜状体のように厚みが小さい試料では、電磁波の透過距離が小さいため、前述した２つの電流波形の差異も小さくなる。このため、特許文献１記載の装置では、膜状体の特性を精度よく評価できないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜状体の特性を高い精度で評価することが可能な評価装置及び評価方法を提供することにある。

本発明の一形態は、膜状体の特性を評価する評価装置であって、電磁波を発信する発信部と、発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、発信部と受信部との間に配置され、発信部が発信した電磁波を受信部側に導く導波路を内部に有する導波部材と、受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する演算部と、を備える。導波部材は、電磁波を反射させる一対の反射面を有する。一対の反射面は、所定方向において隙間を隔てて互いに対向することにより導波路を形成する。導波路は、その一部に、厚さ方向が所定方向と直交しないように膜状体を配置する膜状体配置部を有している。

上記構成によれば、発信部が発した電磁波は、一対の反射面の間で反射しながら受信部に導かれる。膜状体は、その厚さ方向が、所定方向と直交しないように配置されている。このため、電磁波は、膜状体をその厚さ方向に複数回透過する。この結果、膜状体における電磁波の透過距離を大きくし、膜状体の特性を精度よく評価することが可能になる。

また、本発明の他の形態は、膜状体の特性の評価方法であって、電磁波を発信する発信部と、発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、を配置する第１行程と、発信部と受信部との間に、膜状体を配置する第２行程と、発信部が発信した電磁波を反射させることにより、膜状体に、その厚さ方向に電磁波を複数回透過させる第３行程と、受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する第４行程と、を含む。

上記方法によれば、発信部が発した電磁波は、膜状体をその厚さ方向に複数回透過する。この結果、膜状体における電磁波の透過距離を大きくし、膜状体の特性を精度よく評価することが可能になる。

本発明によれば、膜状体の特性を高い精度で評価することが可能な評価装置及び評価方法を提供することができる。

実施形態に係る評価装置を示す模式図である。 図１の演算部が取得する電流波形を示すグラフである。 図１の導波部材を示す正面図である。 図１の導波部材を示す斜視図である。 図１の導波部材を示す拡大図である。 図１の導波部材を示す拡大図である。 図１の導波部材を示す拡大図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１及び図２を参照しながら、実施形態に係る評価装置１の概要を説明する。評価装置１は、テラヘルツ時間領域分光法を用いて、膜状体Ｍの光学的特性（例えば、吸収率や、屈折率、透過率等。）を評価する装置である。膜状体Ｍは、厚さ寸法が他の寸法と比べて小さい物体である。評価対象にできる膜状体Ｍとして、例えば、綿織物や、キュプラ織物、樹脂フィルム等が挙げられる。図１に示されるように、評価装置１は、発信部２と、受信部３と、導波部材４と、演算部７と、を備えている。

発信部２は、外部の空間に電磁波を発信する機器である。詳細には、発信部２は、周波数が０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長が３００μｍ〜３ｍｍの電磁波であるテラヘルツ波を発生させる。発信部２は、フェムト秒レーザ、光伝導アンテナや、テラヘルツ発信共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、テラヘルツ量子カスケードレーザ等、テラヘルツ波を発信可能な機構を有している。図１はこれらを簡略し、発信部２を１つのユニットとして図示している。発信部２は、不図示の制御装置から受信する制御信号に基づいて電磁波を発信する。

受信部３は、発信部２が発信した電磁波を受信する機器である。受信部３は、発信部２と間隔を空けて配置されている。受信部３は、光伝導素子等の複数の部材を有している。図２はこれらを簡略し、受信部３を１つのユニットとして図示している。受信部３は、発信部２が発信した電磁波を受信し、当該電磁波の電場強度を電流として検出することができる。

導波部材４は、発信部２と受信部３との間に配置される部材である。導波部材４は、その内部に導波路４０を有している。導波路４０は、その端部が開放されている。詳細には、導波部材４は、隙間を隔てて対向する導波板５，６を有しており、当該隙間が導波路４０に相当する。膜状体Ｍは、この導波路４０の一部に配置されている。後述するように、発信部２が発信した電磁波はこの導波路４０を通過することによって受信部３に導かれる。

尚、理解を容易にするため、図１に示されるように、導波板５，６が対向する方向をＺ方向とし、当該Ｚ方向に直交する方向をＸ方向、Ｙ方向とする直交座標を用いて説明する。図３以降においても、当該直交座標と対応する座標が示される。

演算部７は、膜状体Ｍの特性を導出する機器である。演算部７は、少なくとも受信部３と接続されている。演算部７は、受信部３が検出した電流に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体Ｍの特性を導出する。

演算部７は、図２に示される電流波形を受信部３から取得する。図２は、発信部２から電磁波が発信された後に、受信部３が検出した電流の変化を示している。導波路４０に膜状体Ｍが配置されていない場合に受信部３が検出する電流Ｅｒの波形は、実線によって示されている。一方、導波路４０に膜状体Ｍが配置されている場合に受信部３が検出する電流Ｅｍの波形は、破線によって示されている。電流Ｅｒ及び電流Ｅｍの波形は、電磁波が受信部３によって受信されたタイミングにピークを有している。

導波路４０に膜状体Ｍが配置されていない場合、発信部２が発信した電磁波は、導波路４０において殆ど吸収されることなく受信部３に至る。この場合、電流Ｅｒの波形のピークが明瞭に現れる。このような電流Ｅｒの波形は、膜状体Ｍの評価に先駆けて取得されている。

一方、導波路４０に膜状体Ｍが配置されている場合、発信部２が発信した電磁波の一部は、導波路４０において当該膜状体Ｍによって吸収される。電磁波の他部は、当該膜状体Ｍを透過し、導波路４０を通過して発信部２に至る。つまり、電流Ｅｍの波形は、多重反射も含めた透過後の電磁波のものを示している。このため、電流Ｅｍの波形のピークは、電流Ｅｒの波形のものよりも小さくなる。また、電流Ｅｍの波形のピークは、電流Ｅｒのピークが現れるタイミングからやや遅れて現れる。

演算部７は、このような電流Ｅｒ，Ｅｍの波形のそれぞれに所定の処理を施す。詳細には、演算部７は、電流Ｅｒ，Ｅｍの波形のそれぞれの複素フーリエ成分を計算し、両者の比を計算する。両者の比は複素振幅透過率に相当し、複素屈折率の関数として表される。したがって、演算部７は、予め実験で得られている複素振幅透過率に基づいて、膜状体Ｍの光学的特性の１つである複素屈折率を導出することができる。

このように構成された評価装置１において、膜状体Ｍの特性を高い精度で評価するためには、電流Ｅｒの波形と電流Ｅｍの波形との差異が、有意なものでなければならない。換言すれば、導波路４０における膜状体Ｍの有無に応じて、電流Ｅｒ，Ｅｍの波形の差異が顕著となるように評価装置１を構成する必要がある。

そこで、評価装置１では、電流Ｅｒ，Ｅｍの波形の差異を顕著なものとすべく、導波部材４の構成に工夫がなされている。次に図３から図７を参照しながら、この導波部材４の構成について説明する。

図３及び図４に示されるように、導波板５，６は、Ｘ軸方向を長手方向とし、Ｚ軸方向を厚さ方向とする板形状を呈している。導波板５，６は、アルミニウムによって形成されている。Ｘ軸方向における導波板５，６の寸法Ｌｘは、９０ｍｍ程度である。図３に示されるように、導波板５，６は、その一側面に反射面５０，６０を有している。

反射面５０，６０は、研磨が施されることにより凹凸が少ない滑らかな面となっている。これにより、後述するように反射面５０，６０において電磁波が反射する際の散乱が抑制される。反射面５０，６０は、入口側テーパ部５１，６１、平坦部５２，６２、及び出口側テーパ部５３，６３を有している。

平坦部５２，６２は、Ｘ軸方向において反射面５０，６０の略中央部に位置する平坦な面である。Ｘ軸方向における平坦部５２，６２の寸法Ｌｘ１は３０ｍｍ程度である。導波板５，６は、この平坦部５２，６２が、Ｚ軸方向に隙間を隔てて互いに平行となるように配置されている。Ｚ軸方向における隙間の寸法ｄは、発信部２が発信する電磁波の波長以下（例えば、２００μｍ）に設定されている。導波路４０のうち、この平坦部５２と平坦部６２との間に形成される部分は、膜状体配置部４２と称される。尚、説明の理解の為、図３から図７では、導波路４０を極端に大きく示している。

膜状体Ｍは、この膜状体配置部４２に、その厚さ方向がＺ方向と直交しないように配置される。詳細には、膜状体Ｍは、その厚さ方向がＺ方向と一致するとともに、平坦部５２，６２に沿って延びるように膜状体配置部４２に配置される。膜状体Ｍは、平坦部５２，６２と接触しないように、Ｙ軸方向の両端部が不図示の治具によって固定されている。

入口側テーパ部５１，６１は、平坦部５２，６２よりも発信部２（図３では不図示）側に位置し、平坦部５２，６２に連続する面である。入口側テーパ部５１，６１は、導波路４０に向かって突出するように湾曲している。導波路４０のうち、この入口側テーパ部５１と入口側テーパ部６１との間に形成される部分は入口部４１と称される。入口部４１において、入口側テーパ部５１，６１は、Ｘ軸方向に向かうにつれて漸次近接するように形成されている。換言すれば、入口部４１は、Ｘ軸方向に向かうにつれてその幅が漸次減少するように形成されている。

出口側テーパ部５３，６３は、平坦部５２，６２よりも受信部３（図３では不図示）側に位置し、平坦部５２，６２に連続する面である。出口側テーパ部５３，６３は、導波路４０に向かって突出するように湾曲している。導波路４０のうち、この出口側テーパ部５３と出口側テーパ部６３との間に形成される部分は出口部４３と称される。出口部４３において、出口側テーパ部５３，６３は、Ｘ軸方向に向かうにつれて漸次離反するように形成されている。換言すれば、出口部４３は、Ｘ軸方向に向かうにつれてその幅が漸次増加するように形成されている。

図５に示されるように、発信部２（図５では不図示）によって発信された電磁波は、まず、導波路４０の−Ｘ方向における端部から入口部４１に進入する。図５は、電磁波の進行方向を、矢印Ａ１によって模式的に示している。矢印Ａ１で示されるように、電磁波は、入口側テーパ部５１，６１において繰り返し反射することにより、Ｚ方向に往復する。

また、前述したように、入口側テーパ部５１，６１は導波路４０に向かって突出するように湾曲している。このため、入口側テーパ部５１，６１は、Ｘ方向を指向するように電磁波を反射させる。また、入口部４１は、Ｘ軸方向に向かうにつれてその幅が漸次減少しているため、Ｚ方向における電磁波の移動距離は漸次小さくなる。この結果、電磁波は収束しながら膜状体配置部４２に向かって進行する。

入口部４１を通過した電磁波は、次に、図６に示されるように膜状体配置部４２に進入する。前述したように、Ｚ軸方向における膜状体配置部４２の寸法ｄは、電磁波の波長よりも小さい。一般的に、電磁波は、その回折限界のため、寸法が波長よりも小さい隙間を通過することは困難である。

本実施形態に係る評価装置１では、平坦部５２，６２は、金属材料であるアルミニウムによって形成されている。膜状体配置部４２に進入した電磁波が平坦部５２，６２の近傍を進行する際は、当該電磁波の電場の成分のうち、表面に平行な成分は金属中の自由電子に遮蔽され存在せず、表面に垂直な成分のみが存在するという境界条件が満たされる。膜状体配置部４２の寸法ｄを電磁波の回折限界以下とした場合でも、この境界条件は満たされ、電磁波は平坦部５２，６２で反射しながら進行することが可能である。

電磁波は、矢印Ａ２で示されるように、平坦部５２，６２において繰り返し反射し、Ｚ方向に往復しながら膜状体配置部４２を進行する。したがって、電磁波は、膜状体配置部４２に配置されている膜状体Ｍを、その厚さ方向に繰り返し透過する。詳細には、膜状体Ｍに達した電磁波の一部が膜状体Ｍによって吸収され、他部が膜状体Ｍを透過する。

膜状体配置部４２を通過した電磁波は、次に、図７に示されるように出口部４３に進入する。矢印Ａ３で示されるように、電磁波は、出口側テーパ部５３，６３において繰り返し反射することにより、Ｚ方向に往復する。

一般に、導波路の終端に頂角が形成されていると、当該頂角において電磁波の回折が生じる。この結果、導波路の終端から電磁波が拡散し、受信部３が受信できる電磁波が減少してしまう。

本実施形態に係る評価装置１では、前述したように、出口側テーパ部５３，６３は導波路４０に向かって突出するように湾曲している。これにより、導波路４０の終端における電磁波の拡散が抑制される。このようにして出口部４３を通過した電磁波は、受信部３によって受信される。

次に、以上の説明のように構成された評価装置１が奏する作用効果について説明する。

評価装置１の構成によれば、発信部２が発した電磁波は、一対の反射面５０，６０の間で反射しながら受信部３に導かれる。膜状体Ｍは、その厚さ方向が、反射面５０，６０が対向する方向と直交しないように配置されている。このため、電磁波は、膜状体Ｍをその厚さ方向に複数回透過する。この結果、膜状体Ｍにおける電磁波の透過距離を大きくし、膜状体Ｍの特性を精度よく評価することが可能になる。

また、一対の反射面５０，６０は、平坦面である。この構成によれば、一対の反射面５０，６０の間で、電磁波の散乱を抑制しながら反射させることができる。この結果、膜状体Ｍの特性をより正確に評価することが可能になる。

ところで、膜状体配置部４２の寸法ｄが小さいほど、膜状体配置部４２に電磁波を収束させ、評価精度を向上させることが可能になる。しかしながら、反射面５０，６０間の寸法ｄが電磁波の波長を下回ると、回折限界のため、電磁波が膜状体配置部４２を通過できなくなる。

そこで、評価装置１では、反射面５０，６０は、金属材料によって形成されている。この構成によれば、反射面５０，６０間の寸法ｄが電磁波の波長よりも小さい場合であっても、電磁波は、反射面５０，６０における境界条件を満たしながら、膜状体配置部４２を通過することが可能になる。この結果、膜状体配置部４２に電磁波を収束させ、特性の評価精度を向上させることが可能になる。この構成は、発信部２が発信する電磁波が、他の電磁波と比較して波長が長いテラヘルツ波である場合に特に好適である。

また、反射面５０，６０は、発信部２側から膜状体配置部４２側に向かって導波路４０の幅を漸次減少させる入口側テーパ部５１，６１を有している。この構成によれば、発信部２から発信された電磁波を、入口側テーパ部５１，６１によって収束させながら膜状体配置部４２に導くことが可能になる。この結果、特性の評価精度をさらに高めることが可能になる。

また、入口側テーパ部５１，６１は、導波路４０に向かって突出するように湾曲している。この構成によれば、発信部２から発信された電磁波を、より膜状体配置部４２に指向させることができる。この結果、電磁波を高い効率で収束させ、特性の評価精度をさらに高めることが可能になる。

また、反射面５０，６０は、膜状体配置部４２側から受信部３側に向かって導波路４０の幅を漸次増加させる出口側テーパ部５３，６３を有している。この構成によれば、導波路４０の終端における電磁波の回折を抑制し、膜状体配置部４２を通過した電磁波を更に確実に受信部３に受信させることが可能になる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

上記実施形態では、アルミニウムによって形成された導波板５，６の対向する面を反射面５０，６０としている。しかしながら、本発明はこの形態に限定されない。例えば、導波板を樹脂材料等によって形成するとともに、その対向する面のそれぞれに、金属材料によって形成された別部材を配置したり、金属材料の被膜を形成したりしてもよい。この場合、当該別部材や被膜が反射面として機能する。

また、上記実施形態では、膜状体Ｍは、その厚さ方向がＺ方向と一致するとともに、平坦部５２，６２に沿って延びるように膜状体配置部４２に配置される。しかしながら、本発明はこの形態に限定されない。膜状体Ｍは、平坦部５２，６２において繰り返し反射する電磁波が透過するような姿勢であれば、例えば平坦部５２，６２に対して傾斜して延びるように膜状体配置部４２に配置されてもよい。

１：評価装置
２：発信部
３：受信部
４：導波部材
４０：導波路
４２：膜状体配置部
５０，６０：反射面
５１，６１：入口側テーパ部
５２，６２：平坦部
５３，６３：出口側テーパ部
７：演算部
Ｍ：膜状体

Claims (9)

1. 膜状体の特性を評価する評価装置であって、
   電磁波を発信する発信部と、
   前記発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、
   前記発信部と前記受信部との間に配置され、前記発信部が発信した電磁波を前記受信部側に導く導波路を内部に有する導波部材と、
   前記受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する演算部と、を備え、
   前記導波部材は、電磁波を反射させる一対の反射面を有し、
   前記一対の反射面は、所定方向において隙間を隔てて互いに対向することにより前記導波路を形成し、
   前記導波路は、その一部に、厚さ方向が前記所定方向と直交しないように膜状体を配置する膜状体配置部を有し、
   前記反射面は、前記発信部側から前記膜状体配置部側に向かって前記導波路の幅を漸次減少させる入口側テーパ部を有していることを特徴とする評価装置。
2. 前記入口側テーパ部は、前記導波路に向かって突出するように湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
3. 膜状体の特性を評価する評価装置であって、
   電磁波を発信する発信部と、
   前記発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、
   前記発信部と前記受信部との間に配置され、前記発信部が発信した電磁波を前記受信部側に導く導波路を内部に有する導波部材と、
   前記受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する演算部と、を備え、
   前記導波部材は、電磁波を反射させる一対の反射面を有し、
   前記一対の反射面は、所定方向において隙間を隔てて互いに対向することにより前記導波路を形成し、
   前記導波路は、その一部に、厚さ方向が前記所定方向と直交しないように膜状体を配置する膜状体配置部を有し、
   前記反射面は、前記膜状体配置部側から前記受信部側に向かって前記導波路の幅を漸次増加させる出口側テーパ部を有していることを特徴とする評価装置。
4. 前記一対の反射面は、平坦面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の評価装置。
5. 前記一対の反射面は、金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の評価装置。
6. 膜状体の特性の評価方法であって、
   電磁波を発信する発信部と、前記発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、を配置する第１行程と、
   前記発信部と前記受信部との間に、膜状体を配置する第２行程と、
   前記発信部が発信した電磁波を反射させることにより、膜状体に、その厚さ方向に電磁波を複数回透過させる第３行程と、
   前記受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する第４行程と、を含み、
   前記第３行程において、前記発信部が発信した電磁波を、前記発信部側から膜状体に向かって幅が漸次減少する導波路を介して、膜状体に導くことを特徴とする評価方法。
7. 膜状体の特性の評価方法であって、
   電磁波を発信する発信部と、前記発信部が発信した電磁波を受信する受信部と、を配置する第１行程と、
   前記発信部と前記受信部との間に、膜状体を配置する第２行程と、
   前記発信部が発信した電磁波を反射させることにより、膜状体に、その厚さ方向に電磁波を複数回透過させる第３行程と、
   前記受信部によって受信された電磁波に基づいて所定の演算を行うことにより、膜状体の特性を導出する第４行程と、を含み、
   前記第３行程において、前記膜状体を透過した電磁波を、前記膜状体側から前記受信部側に向かって幅が漸次増加する導波路を介して、前記受信部に導くことを特徴とする評価方法。
8. 前記第３行程において、平坦面である一対の反射面を用いて、前記発信部が発信した電磁波を反射させることを特徴とする請求項６または７に記載の評価方法。
9. 前記第３行程において、金属材料によって形成された前記一対の反射面を用いて、前記発信部が発信した電磁波を反射させることを特徴とする請求項８に記載の評価方法。

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