WO2006085403A1

WO2006085403A1 - 実時間テラヘルツ・トモグラフィー装置および分光イメージング装置

Info

Publication number: WO2006085403A1
Application number: PCT/JP2005/015868
Authority: WO
Inventors: Takeshi Yasui; Tsutomu Araki; Takeshi Yasuda
Original assignee: Osaka University; The New Industry Research Organization
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2006-08-17
Also published as: JPWO2006085403A1

Abstract

　走査機構が不要なTHzトモグラフィー及びTHz分光イメージングを可能し、また測定時間を実時間測定可能まで高め、動体サンプルの非破壊検査及び成分分析型内部透視イメージングを行う。　テラヘルツ電磁波パルス光とプローブパルス光のそれぞれの光軸を非共軸に配置し、所定の角度で電気光学結晶に入射させて、両ビームを結晶内で交差させ面として重ね、時間軸上のTHzパルス時系列波形情報を、電気光学結晶における時間－空間変換を用いて空間１次元に展開し、２次元イメージングデバイスで検出することによって、時間軸の走査を省略する。また、２次元イメージングデバイスの残りの１軸をサンプルの空間１次元イメージングに利用してサンプル走査を省略するため、サンプルに対してTHzパルスを線集光（ラインビーム）で照射し、その透過光もしくは反射光を電気光学結晶に結像するための光学系を配置する。

Description

明細書

実時間テラへルツ'トモグラフィー装置および分光イメージング装置技術分野

[0001] 本技術は、実時間（リアルタイム）でテラへルツ電磁波パルス（以下、「THzパルス」と称する。）を計測できる THzパルス計測技術に関するものであり、また、非破壊検査、内部透視、特に成分分析型内部透視などに用いることができる THzパルスを用いた実時間テラへルツ'トモグラフィー及び実時間テラへルツ分光イメージング装置に関するものである。

背景技術

[0002] 内部透視法は様々な応用分野における重要計測技術であり、これまでにも X線診断や超音波診断が実用化されている。前者は侵襲性が高いため、後者は接触測定であるため、その応用が制限されている。テラへルツ'トモグラフィー装置やテラヘルッ時間領域分光イメージング (テラへルツ分光イメージング)装置は、 THzパルスの特徴（自由空間伝搬，良好な透過特性，コヒーレント'ビーム，低散乱性，非侵襲性，超短パルス，広帯域スペクトル，分光測定やイメージングが可能など）を活力ゝした代表的計測手法である。テラへルツ'トモグラフィーでは、非接触リモート，非侵襲，高空間分解能で 2次元断層イメージを得ることが可能である。テラへルツ分光イメージングでは、サンプルがある特定周波数のテラへルツ吸収を示す場合、内部透視イメージをテラへルツ周波数毎の色付きカラー (分光)画像として測定することにより非破壊での成分分析イメージングが可能なため、従来の内部透視手段 (X線、超音波他）に替わる成分分析型内部透視手段として期待されて!ヽる。

[0003] 例えば、テラへルツ'トモグラフィーは超音波エコーに代替する手段として、生体診断や非破壊検査での利用が期待されている。一方、テラへルツ分光イメージングは、最近のテロ対策や犯罪対策から、空港手荷物検査における爆発物 (プラスチック爆弾 '引火性液体他)、あるいは郵便封書内の禁止薬物 (麻薬 ·覚醒剤他)、といった従来の X線検査では検出不可能であった測定対象に対して、特徴的な THz吸収を利用したテラへルツ分光イメージングの利用が提案されて、る。 [0004] THzパルス計測に関しては、米国レンセラー工科大学の研究グループにより、ィメ一ジングプレートとして電気光学結晶を用い、ポッケルス効果によるテラへルツ電場検出法と CCDカメラを組み合わせてリアルタイムイメージングが可能となる 2次元電気光学サンプリング法が知られて、る（非特許文献 1)。

[0005] また、 THzパルス計測の実時間化に関しては、米国レンセラー工科大のグループにより、チヤープパルス光とマルチチャンネル分光器を用いた時間-波長変換 (非特許文献 2)、あるいは、ストリークカメラを用いた時間-空間変換 (特許文献 1参照)を用いた手法が知られている。

[0006] さらに、 THzパルス計測の実時間化に関して、 THzパルスとプローブパルス光を非共軸とし、テラへルツ時間波形をシングルショットで計測する手法が知られている（非特許文献 3)。

特許文献 1 : US patent 6,690,001 B2

非特許文献 1 : Q. Wu, T. D. Hewitt, and X.-C. Zhang: Appl. Phys. Lett. Vol.69, 10 26 (1996)

非特許文献 2 : "Single- shot spatiotemporal terahertz field imaging · Opt. Lett., Vol. 23 (No.14), page.1114-1116 (1998)

非特許文献 3： "Single-shot measurement of terahertz electromagnetic pulses by use of electro-optic sampling- , Opt. Lett., Vol. 25 (No.6), page.426— 428 (2000) 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 従来法のテラへルツ'トモグラフィーやテラへルツ分光イメージングは、基本的に走查型イメージングと、つた点計測であるため、イメージを得るためには複数軸の走査機構が必要となり、計測の実時間性に制限があった。例えば、サンプルの 2次元断層イメージ (または 1次元分光イメージ)を得るためには時間遅延 (周波数軸)及びサンプル位置の 2軸の走査が必要となる。走査を行!、ながらこれら 2次元情報のシリアル測定を行うため、 1枚のイメージを得るために数分から数時間の測定時間が必要となつていた。

[0008] また、並列処理的手段として、上述したような米国レンセラー工科大学の研究ダループが提案する、イメージングプレートとして電気光学結晶を用い、ポッケルス効果によるテラへルツ電場検出法と 2次元イメージングデバイス (CCDカメラ）を組み合わせてリアルタイムイメージングが可能となる 2次元電気光学サンプリングを用いた手法があるが、この場合に得られる情報は、ある瞬間の測定対象の面内の 2次元透過ィメージであり、 THzパルスの時間波形をリアルタイムで得ることはできなかった。そのため、例えば、断層イメージを得るためには深さ方向（時間軸）の走査が必要であった。

[0009] また、米国レンセラー工科大のグループが提案する、チヤープパルス光とマルチチヤンネル分光器を用いた時間-波長変換を用いた手法は、高価な装置が必要な上、時間分解能やイメージング特性に制限があった。すなわち、時間を波長に変換してリアルタイム計測するに、波長を測定するマルチチャンネル分光器と、つた高価な装置が必要であった。その上、チヤープパルス光とマルチチャンネル分光器を用いた手法では、測定原理的に時間分解能を細かくとれないため測定精度が上がらないという問題があった。

[0010] また、ストリークカメラを用いた時間-空間変換を用いた手法も、時間を空間に変換してリアルタイム計測するに、ストリークカメラといった高価な装置が必要な上、ストリークカメラの分解能も、現在のところフェムト秒レーザーのパルス幅には追いついておらず、分解能が十分でなぐ時間分解能やイメージング特性に制限があった。

[0011] また、 THzパルス計測の実時間化に関して、 THzパルスとプローブパルス光を非共軸とし、テラへルツ時間波形をシングルショットで計測する手法があるが、実時間でテラヘルツ時間波形を計測できるものの、実時間で測定対象サンプルの空間情報を計測できるものではな力つた。

[0012] このようにテラへルツ'トモグラフィー及びテラへルツ分光イメージングはその有用性にも関わらず、計測の実時間性がボトルネックとなり、これまでに報告されている適用例は、ずれも静止物体サンプルである。

また、 THzパルス計測の時間分解能は、理想的にはフェムト秒レーザーのパルス幅だけに制限されるものであり、他の要因からくる時間分解能の制限をなくすことが必要である。

[0013] 本発明は、このような従来技術のボトルネックであった計測時間に関する制限を解決し、走査機構が不要な実時間テラへルツ'トモグラフィー及びテラへルツ分光ィメージングを可能し、また時間分解能を高め、実時間で動体サンプルの非破壊分析を可能とすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0014] 本発明は、上記課題を解決するため、すなわち完全な実時間測定を実現するため、 THzパルスとプローブパルス光を非共軸とし、テラへルツ時間波形をシングルショットで計測する手法を導入し、さら〖こ、測定対象物に対して THzパルスを線集光の状態で照射し、検出器として 2次元イメージングデバイスを用いることにより、走査機構が不要な実時間テラへルツ ·トモグラフィー及びテラへルツ分光イメージングを提供する

[0015] すなわち、従来の THzパルス計測において、時間軸上に展開していた奥行き方向の空間情報を、電気光学結晶における時間一空間変換を用いて空間 1次元に展開し、 2次元イメージングデバイスで検出することによって、奥行き方向の走査を省略する。

そのため、従来のイメージング光学系と異なり、 THzパノレスとプローブパノレス光のそれぞれの光軸を非共軸に配置し、所定の角度で電気光学結晶に入射させて、両ビームを結晶内で交差させ面として重ねるようにする。

[0016] また、同時に、 2次元イメージングデバイスの残りの空間 1次元を、サンプル面内の空間 1次元イメージングに用いるため、線集光 (ラインビーム）による透過像もしくは反射像を得る。

これにより、動体サンプルもしくは静体サンプルのサンプル移動の場合に、走査機構無しのシングルショットでの実時間テラへルツ ·トモグラフィー及び分光イメージングを可能とするものである。

[0017] 以下、図 1を参照して、本発明に係る実時間テラへルツ'トモグラフィー及び分光ィメージングの原理を説明する。尚、図 1に示すのは、 THzパルスを測定対象物に照射し透過させるものである力測定対象物に照射し反射させるものについても、 THzパルスの計測原理は同じである。

[0018] 図 1において、左方から入射する THzパルス 1は、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ） 8によって X軸方向に線集光 (ラインビーム化）されて、測定対象物（サンプル） 10に照射される。測定対象物 10に照射された線集光の THzパルスは、測定対象物 10の 1次元領域 (ライン領域)を透過し、円筒レンズ (シリンドリカルレンズ) 9を介して、電気光学結晶（EO結晶） 3に入射する。

[0019] 一方、プローブパルス光 2は偏光子 4を経て電気光学結晶 3に入射される。この時、プローブパルス光 2は、 THzパルス 1と同一の光路上（共軸配置）に導かれるのではなぐ異なる光路上 (非共軸配置）に導かれる。図 1において、左上方から入射するプローブパルス光 2は、 THzパルスの光軸とのなす角度（ Θ )で、電気光学結晶 3に入射して、る。両ビーム (THzパルスとプローブパルス光）を電気光学結晶 3内で交差させ、面として重ねるようにする。

[0020] 電気光学結晶 3内では THzパルス 1の電場強度に比例して屈折率の変化が起こり、複屈折を誘起する。偏光子 4により直線偏光したプローブパルス光 2が電気光学結晶 3に入射すると、 THzパルス 1の電場によって誘起された複屈折のために位相変化が生じ、電気光学結晶 3を通過した後は偏光状態が変化して楕円偏光となる。このプローブパルス光 2の偏光状態の変化を検光子 5により光強度へと変換し、その強度分布をレンズにより CCDカメラなどの 2次元イメージングデバイス 6上に結像することにより画像化する。ここで、偏光子 4と検光子 5は、クロスニコル配置（直交配置）になっており、偏光が変化した成分のみを 2次元イメージングデバイス 6でとらえるようにしている。

[0021] 2次元イメージングデバイスを検出器として用いることで、得られた 2次元イメージング画像の 1軸を THzパルスの時系列波形の計測用として用い、他方の 1軸を線集光 (ラインビーム）の状態で透過した THzパルスの 1次元イメージング（2次元平面内の一次元イメージング）用として用いることにして、る。

[0022] 図 2は、 2次元イメージングデバイス 6で得られる画像イメージの模式図を示している。

図 2のグラフの横軸 (h-axis)は、 THzパルスの時間波形情報を表している。また、ダラフの縦軸 (v-axis)は、線集光 (ラインビーム）で得た X軸方向 1次元イメージング情報を表している。

[0023] 次に、図 3の（1)は、測定対象物が厚さの異なる構造を持つ場合における入射光と透過光の模式図を示している。ここで、図 3の（1)に示すように、測定対象物 10が厚みの異なる部位を有する場合には、測定対象物 10を透過した透過光 12は、厚さ〖こよって THzパルスの伝播時間に差が生じるため、時間的に分離された 2つのエコーパノレスになる。

[0024] また、図 3の（2)は、測定対象物が 2層の内部構造を持つ場合における入射光と反射光 (エコーパルス）の模式図を示している。この場合、各層の境界部分では群屈折率分布が不連続となっているため、 THzパルスは境界で透過光（図示せず）と反射光 1 5に分離される。図 3の（2)に示すように、測定対象物 13に THzパルスを入射した場合、 THzパルスは第 1層表面及び第 1層第 2層境界で各々反射され、反射光 15は時間的に分離された 2つのエコーパルスになる。

[0025] 上述した電気光学結晶における時間一空間変換によって、 2つのエコーパルスの時間遅延（Δ τ )が、横軸方向の変位（A h)として画像情報として現れてくる。図 2の画像イメージの模式図において、実線部分は測定対象物 10の X軸方向の上方部分を透過したものであり、厚みが小さく伝播時間が速ぐ一方、点線部分は測定対象物 1 0の X軸方向の下方部分を透過したものであり、厚みが大きく伝播時間が遅い。これが、図 2において、縦軸方向の位置の違い、横軸方向の変位（A h)となって現れるのである。

[0026] ここで、電気光学結晶における時間-空間変換について説明する。

図 4の（1)〜（4)は、 THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの波面の重なりが空間的 (h軸方向）に同じ位置を保ったまま結晶中を伝播していく様子を模式図で示している。図 4の（1)〜（4)〖こ示すように、 THzパルスとプローブパルス光の両者の結晶内での伝播速度が等しい場合、それぞれの波面の重なりは、結晶内で常に同じ場所 (h軸方向）で重なることがわかる。この過程を通して、 2つの THzパルスの時間遅延（ Δ τ )は、 h軸方向の空間的変位（ A h)に変換される。

[0027] ここで、時間一空間変換における時間遅延（ Δ τ )と h軸方向の変位 ( Δ h)の関係式は下記式で表される。ここで、 Θは、電気光学結晶に入射する THzパルスとプロ一ブパルス光のそれぞれの光軸のなす角度を示しており、また、 cは光速を示している [0028] [数 1]

_A Ah ίαηθ

[0029] また、測定時間窓（ Δ Τ)は、下記式で表される。ここで、 dはプローブパルス光のビ一ム径、 cは光速を示している。

[0030] [数 2] J₌ _dianQ_

c

[0031] 図 5に、測定時間窓（ ΔΤ)と電気光学結晶に入射する THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの光軸のなす角度（ 0 )の相関グラフを示す。図 5のグラフは、プローブパルス光のビーム径（d)が、 5mm, 10mm, 20mmの 3ケースについて、測定時間窓（ Δ T)と角度（ Θ )の相関を示して、る。ここで、光軸のなす角度（ Θ )が大きくなれば、測定時間窓（ΔΤ)が大きくなるのであるが、電気光学結晶内での THzパノレスとプローブパルス光の伝播速度が等しくなるように位相整合条件を調節する必要があり、また、この調整パラメータが光軸のなす角度（ Θ )であるため、測定に最適な角度（ Θ )が存在し、それに対応して測定時間窓（ ΔΤ)が決定される。

[0032] THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの電気光学結晶における屈折率を n

THz と n とすると、それぞれの電気光学結晶内部での速度は、 cZn , c/n となる（c opt THz opt は光速)。

一般に、 c/n の方が cZn よりも大きいため、下記数式 3から Θを算出する。

opt THz

例えば電気光学結晶が ZnTeの場合、 n =3.178, n =2.853であり、 0 =26.1°

THz opt

となる。

[0033] [数 3] n _{T H} ^ . c o s o = n _{o p t}

[0034] 以上、本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の原理にっ、て説明したが、これらから、以下に述べる本発明の観点カゝら課題解決の手段が提供されることになる。

[0035] 本発明の第 1の観点からは、レーザパルス光を発生するパルス光発生部と、レーザパルス光と光伝導スィッチ (もしくは非線形光学結晶）によって発生させたテラへルツ電磁波パルス (THzパルス）を測定対象物に照射させる THzパルス照射用光学系と、測定対象物を透過又は反射した THzパルスを電気光学結晶に結像させるための TH zパルス検出用光学系と、 THzパルスと同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶に照射するプローブパルス光照射用光学系と、電気光学結晶を通過し、前記 T Hzパルスの誘起複屈折率変化により偏光状態が変化したプローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部とを備えた THzパルス計測装置において、

(1)前記電気光学結晶に照射される前記 THzパルスと前記プローブパルス光を非共軸配置とし、

(2)前記 THzパルス照射用光学系において、円筒レンズ (シリンドリカルレンズ)を用いて、 THzパルスを前記測定対象物に線集光 (ラインビーム）として照射させ、その透過又は反射した THzパルスを電気光学結晶に結像させるための光学系の配置とし、

(3)前記検光部の検出器を 2次元イメージングデバイスとし、得られた 2次元イメージング画像の 1軸を THzパルスの時系列波形の計測用として用い、他方の 1軸を線集光 (ラインビーム)で照射された測定対象物の 1次元空間情報の計測用として用いることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置が提供される。

[0036] 次に、本発明の第 2の観点は、好ましくは、第 1の観点の実時間 THzパルス計測装置において、 THzパルス照射用光学系で用いられる円筒レンズが、測定対象物照射用，空間軸結像用，時間軸結像用として、少なくとも 3個配設されることである。

[0037] また、本発明の第 3の観点は、好ましくは、第 1の観点の実時間 THzパルス計測装置において、検光部と電気光学結晶の間に、 1Z4波長板とビーム変位プリズムを配設し、電気光学結晶を通過したプローブパルス光が垂直偏光成分と水平偏光成分に分離されバランス検出されることである。

[0038] また、本発明の第 4の観点は、好ましくは、第 1の観点の実時間 THzパルス計測装置のプローブパルス光照射用光学系において、電気光学結晶内での THzパルスとプローブパルス光の伝播速度が等しくなるように位相整合条件を調節する非共軸ビーム交叉角度調節部をさらに設けることである。

これにより、 THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの波面の重なりが空間的（h軸方向）に同じ位置を保ったまま結晶中を伝播していくため、群速度不整合による時間分解能の低下を防ぐことができ、厚、電気光学結晶の利用が可能と!/、つた利点がある。

[0039] 次に、本発明の第 5の観点は、本発明の第 3の観点の実時間 THzパルス計測装置にお、て、検光部の 2次元イメージングデバイスで検出されるプローブノルス光の垂直偏光成分と水平偏光成分の差分イメージを算出する THzイメージ算出処理部がさらに設けられることである。

[0040] 次に、本発明の第 6の観点からは、本発明の第 1の観点乃至第 5の観点において、計測された THzパルスの時系列波形をフーリエ変換することにより、振幅スペクトル及び/又は位相スペクトルを演算し表示する分光イメージング部を設けたことを特徴とする実時間テラへルツ分光イメージング装置が提供される。

[0041] さらに、本発明の第 7の観点は、本発明の第 6の観点の実時間テラへルツ分光ィメ一ジング装置において、分光イメージング部が所定の周波数毎に表示部を有し、各表示部が測定対象物の内部透過像に重ねて所定の周波数に対応した振幅及び Z 又は位相を表示することにより、成分分析型内部透視を行うことである。

[0042] また、本発明の第 8の観点は、本発明の第 1の観点乃至第 5の観点において、得られた 2次元時空間イメージ画像の THzパルスの時系列波形の重なりから、測定対象物の断層イメージを演算し表示する断層イメージング部をさらに設けたことを特徴とする実時間テラへルツ'トモグラフィー装置が提供される。

発明の効果

[0043] 本発明によれば、マルチチャンネル分光器やストリークカメラなどの高価な装置を要することなぐ従来の THzパルス計測装置における光学配置の一部変更 (共軸→非共軸、円筒レンズの導入)により実時間化が容易に実現できる。

[0044] 本発明によれば、シングルショットで THzパルスの時間波形を取得することができるので、時間軸方向の走査 (スキャニング)を不要とでき、実時間測定が可能となる。これは、高速単一現象のダイナミクス測定やダメージを受けやす、サンプルの測定の場合に有効に働くことになる。また、シングルショットで THzパルスの時間波形を取得できるということで、低繰り返しレーザー増幅器の pulse-to-pulse強度揺らぎの影響を軽減することができ測定 SN比を改善できる。

[0045] また、本発明によれば、 THzパルスのラインビームにより、測定対象物の空間的ラインのイメージング情報をワンショットで取得できるため、サンプル走査も不要となり、動体サンプルの内部非破壊検査、成分分析型内部透視イメージングがリアルタイムで可能となる。さらに、時間分解能の制限は無ぐ後述する実施例に示すような結像光学配置の導入による高いイメージング特性が期待できる。

[0046] また、本発明は、光学配置を非共軸とするため、従来にはない以下に述べる効果を有する。電気光学結晶に入射する THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの電気光学結晶内部での速度が異なるため、従来のように光学配置が共軸の場合には、電気光学結晶内での波面のオーバーラッピングしている空間長を長くして (すなわち、電気光学結晶の厚みを大きくして)変換効率を高めることができな力つた (群速度の不整合)。しかし、本発明では、光学配置を非共軸としたため、群速度の不整合をキヤンセルすることができる。すなわち、電気光学結晶に入射する THzパルスとプロ一ブパルス光のそれぞれの電気光学結晶光軸のなす角度（ Θ )を調整することにより、電気光学結晶内部での伝播速度を等しくすることができる。これによつて、電気光学結晶の材料、厚みなどの選択枝を拡げることが可能となるのである。

[0047] テラへルツ'トモグラフィー装置やテラへルツ分光イメージング装置は、非接触リモ一ト'非侵襲な成分分析型内部透視手段として、従来の超音波測定や X線測定に代替する可能性を有している。唯一の問題点は計測の実時間性に関する制限であり、これが本発明により解消できれば工業計測や生体計測を始めとした様々な実用計測に貢献可能であることは超音波診断や X線診断の例より明白である。

[0048] 特に、実時間計測は測定対象に対する制限を飛躍的に拡張し、従来技術では静止物体の測定しか可能でな力つたが、本発明により動体 (ライン上の製品、生体他）でさえも容易に測定可能になるところに、本発明の最大の効果がある。

発明を実施するための最良の形態

[0049] 以下に、本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の一実施形態の装置構成について図を示しながら説明する。

図 6は、本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成図を示している。以下、図 6を参照しながら、本発明に係る THzパルス計測装置の原理にっ、て説明する。

[0050] 先ず、増幅フェムト秒パルスレーザ装置 20から放射された光パルスはビームスプリツタ (BS)21により、ポンプパルス光 22とプローブパルス光 23に分割される。その後、ポンプパルス光 22は時間軸校正 39を受け、 THzパルス発生部 32へと導かれる。 THz パルス発生部 32には、電気光学結晶（ZnTe)を用いている。尚、電気光学結晶の代わりにラージギャップ光伝導スィッチを用いてもよい。 THzパルス発生部 32にフェムト秒光パルスを照射すると、 THzパルスが発生する。発生した THzパルスは、テラヘルッ 'レンズ L1 (30)を通ってコリメートされた後、平凸円筒レンズ（平凸シリンドリカルレンズ) CL1によって線集光 (ラインビーム照射）される。図 6において、点線で囲まれた光路は、それぞれ光学系を上方から観測したもの (Top View)と真横力観測したもの（Side View)であり、平凸円筒レンズ CL1を通過した THzパルスが線集光（ラインビーム）されている様子が図示されている。ここでは、先ず、 THzパルス計測装置全体の光学系を説明するため、測定対象物はないものとする。別の平凸円筒レンズ CL2 によってコリメートされた THzパルスは、レンズ L2 (31)で電気光学結晶（ZnTe)上に結像させること〖こしている。

[0051] 一方、プローブパルス光は偏光子 36を経て電気光学結晶 33に入射される。この時、プローブパルス光は、 THzパルスと同一の光路上（共軸配置）に導かれるのではなく、異なる光路上 (非共軸配置）に導かれる。これにより、両ビームは結晶内で交差させられ面として重ねられる。これにより時間軸上に展開していた THzパルス時系列波形情報を、電気光学結晶における時間一空間変換を用いて空間 1次元に展開することができ、時間軸の走査を省略できるのである。

[0052] 電気光学結晶 33内では THzパルスの電場強度に比例して屈折率の変化が起こり、複屈折を誘起する。偏光子 36により直線偏光したプローブパルス光が電気光学結晶に入射すると、 THzパルスの電場によって誘起された複屈折のために位相変化が生じ、結晶を通過した後は偏光状態が変化して楕円偏光となる。このプローブパルス光の偏光状態の変化を CCDカメラ 40の前に検光子 37を挿入することにより光強度へと変換して画像化する。ここで、検光子 37と偏光子 36は、クロス-コル配置（直交配置）になっており、偏光が変化した成分のみが CCDカメラ 40に到達するしくみとなつている。

[0053] また、時間軸の校正は、ポンプパルス光側の時間軸校正用ステージ 39を既知量動力した場合の THzパルスのピーク位置のピクセル移動量力も行っている。

また、電気光学結晶に入射する THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの電気光学結晶光軸のなす角度（ Θ )の調整は、平面ミラー 34に接続された図示しない共軸ビーム交叉角度調節部で行っており、これにより電気光学結晶内部での伝播速度を等しくなるように位相整合条件を調節している。

[0054] ここで、図 6の実時間 THzパルス計測装置で用いた各機器の仕様を示す。

1)フェムト秒レーザー：スぺクトラフィジックス製，パルスエネルギー lmj,パルス幅 1 00fs、中心波長 800nm、繰り返し周波数 1kHz

2)電気光学結晶：〈110〉ZnTe

3)じじ0カメラ：30 じ-3丁50,640*480ピクセル,8ビット，フレームレート 30fts, S/N; 56dB

[0055] また、その他の実験条件は下記の通りである。

•ポンプパルス光： 450mW

•発生側の ZnTe (図 6中符号 32で示す)結晶軸角度： < 001 >を -145° 回転 .プローブパルス光： lmW

•検出側の ZnTe (図 6中符号 33で示す)結晶軸角度： < 001 >を 145° 回転 [0056] 図 7は、図 6の実時間 THzパルス計測装置において、 CCDカメラで取得した THzパルス波形イメージ (バックグラウンド光除去後）を示している。図 7において、横軸スケールは、サンプル厚さ方向に対応し、図 6の実時間 THzパルス計測装置の条件（プローブパルス光径 d= 5mm, THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの光軸のなす角度 Θ = 20° )から、前述の数式 2により測定時間窓 T=6psと求めたものである。なお、縦軸スケールは、この場合サンプルを導入していないので、垂直方向に一様な分布となっている。

[0057] 図 8は、 CCDカメラ力得られた 2次元イメージング画像情報から、コンピュータ処理により（図 6中、コンピュータの図示は省略してある）、テラへルツ時間波形分布ィメージに変換したものである。

また、図 9は、図 8においてシングルライン aで、切り出した THzパルス時間波形分布を示している。図 9中、 0.5psは、照射した THzパルス波形の半値全幅に相当する数値であり、本発明に係る実時間 THzパルス計測装置により、 THzパルス時間波形が再現できて!/ヽることを示すものである。

[0058] 図 10は、図 8の THzパルス時間波形分布をフーリエ変換することにより、得られた振幅スペクトルを示す。また、図 11に、図 8の THzパルス時間波形分布イメージ情報をフーリエ変換することにより、得られた位相スペクトルを示す。

振幅スペクトルと位相スペクトルから、吸収スペクトルと屈折率スペクトルをそれぞれ算出し、これを測定対象物の成分を分析するのに使うことができる。従来から光を用 V、た分光分析法があつたが、光の領域は強度（吸収)の情報しか見ることができな、力テラへルツ分光イメージング装置では、物質に固有の吸収と屈折率の 2つのパラメータ (複素屈折率)で識別できるので物質の識別性が向上するのである。

[0059] ここで、 THzパルスの時間波形分布イメージをフーリエ変換して、振幅、位相スぺタトルによる成分分析のメカニズムを以下に説明する。 THzパルスの時間波形 E(t)は、 T Hzパルスの振幅と位相情報を含んでいるため、これをフーリエ変換 (下記数式 4を参照）することにより、振幅スペクトル E (ω)と位相スペクトル θ ( ω)を求めることができる

[0060] [数 4]

F:{ ) ) =—— j~ (/ ) c x p i )i ) di = \ f (< )\ c x [ie{ ) )

[0061] 先ず、サンプルが無い場合の THzパルス時間波形 Er (t)を測定し、コンピュータ処理でフーリエ変換して振幅スペクトル |Er ( ω) Iと位相スペクトル Θ r (ω)を求める (図 12 ( a)参照)。次に、サンプルが有る場合の時間波形 Es (t)をフーリエ変換して振幅スぺクトル |Es (ω) Iと位相スペクトル Θ s(co)を求める (図 12 (b)参照)。

そして、下記数式 5〜7を用いて、吸収スペクトル k(co)及び屈折率スペクトル η( ω)を算出するのである (詳細については、分光研究第 50卷第 6号 pp.273を参照)。なお、下記数式 6, 7の中で、 cは光速、 dはサンプルの厚さを表している。また、図 12 では透過の場合を示している力下記数式は、反射の場合も同様に用いることができる。

[0062] [数 5] —

[0063] [数 6]

ノ

[0064] [数 7]

= ("― /

[0065] スペクトル幅の狭、波長可変 THz光源を用いる方法の場合には、 THz波長を連続的に可変しながら吸収スペクトルを取得し、サンプルの吸収スペクトルを取得するのであるが、本発明ではテラへルツ電磁波パルス（THzパルス）を用いる方法であるため、 THzパルスそのものが広帯域なスペクトルを有しているので波長可変は不要で、フーリエ変換赤外分光と同様に、フーリエ変換して得た吸収または屈折率の周波数スペクトルから物質を同定できるのである。

[0066] 試薬'禁止薬物 ·農薬'ビタミン類'糖類などの物質では、 THz領域で物質識別可能な特徴的な吸収スペクトル（指紋スペクトル）を各々示す。したがって、サンプルの吸収スペクトルと各物質成分の指紋スペクトル (既知）を比較することにより、サンプル含有成分を特定することができるのである。また、サンプルが複数成分を含有しているときには、指紋スペクトルと主成分分析法を利用することにより、各成分の分析が可能となる。

実施例 1

[0067] 図 13に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 A (反射 1次元結像の基本配置)を示す。

電気光学結晶に照射される THzパルスとプローブパルス光を非共軸に配置した図 6の構成を反射配置に変更し、平凸円筒レンズ (平凸シリンドリカルレンズ) CL1を用 V、て THzパルスを線集光 (ラインビーム)で測定対象物に照射し、その反射光を結像光学系（結像レンズ L2)で電気光学結晶（ZnTe)上に結像させることにしている。図 1 3において、点線で囲まれた光路は、それぞれ光学系を上方から観測したもの（Top

View)と真横から観測したもの（Side View)であり、平凸円筒レンズ CL1を通過した THzパルスが線集光 (ラインビーム)で測定対象物に照射されてヽる様子が図示されている。

[0068] 2次元イメージングデバイス（CCDカメラ）の画像の 1軸を、シングルショットでの THzパルスの時系列波形の計測用として用い、他方の 1軸を、測定対象物を線集光 (ラインビーム）で反射した THzパルスの 1次元イメージング用として用いることで、シングルシヨットのテラへルツ ·トモグラフィー装置を実現して、る。

[0069] 実際に、本実施例のテラへルツ'トモグラフィー装置で塗装膜を測定してみた。測定対象物として、図 14に示すようにアルミ素地に白エナメル塗装膜を施し、 THzパルスを照射した。実時間で測定できることを示すため、測定対象物を移動させながら測定を行った。測定対象物を移動する速さは、 5mm/secである。

[0070] 図 15に、 CCDカメラで取得した THzパルス波形イメージ (塗装膜測定結果)を示す。

図 15の（a)は、白エナメル塗装膜を施していないアルミ素地の部分に THzパルスを照射した際、得られた THzパルス波形イメージである。また、図 15の（b)は、白ェナメル塗装膜を施してヽな、アルミ素地の部分と白エナメル塗装膜を施したアルミ素地の部分の境界部分に THzパルスを照射した際、得られた THzパルス波形イメージである。また、図 15の（c)は、白エナメル塗装膜を施したアルミ素地の部分に THzパルスを照射した際、得られた THzパルス波形イメージである。

[0071] 図 15の（a)では、素地表面からの 1つの THzエコーパルス波形イメージしか確認できないのに対し、図 15の（c)では、塗膜表面及び塗膜—素地境界の 2つの THzエコーパルス波形イメージが確認できている。また、図 15の（b)では、 1つの THzパルスェコ一波形イメージから 2つの THzパルスエコー波形イメージへの遷移過程が確認できる。これらから、動体サンプルに対しても、実時間で THzパルス測定が行われていることが理解できる。

実施例 2

[0072] 一方、本発明の非接触リモート特性を利用すると、従来は測定困難とされた未乾燥状態の塗装膜 (ウエット膜)の測定も可能となる。そこで、ウエット膜の乾燥に伴う膜厚変化を図 18に示す実時間 THzパルス計測装置の構成 A (反射 1次元結像の基本配置）を用いて実時間測定した。

[0073] サンプルは速乾性黒アクリル塗装をアルミ板に施したもので、塗装前後の 2次元断層イメージを測定した。図 16は、 1分毎の 2次元断層 THzイメージを示している。塗装前は剥き出しのアルミ板上力もの THzエコー信号のみが観測されている力塗装後は塗膜表面及び塗膜-アルミ板境界力もの 2つの THzエコー信号が時間的に分離されている。乾燥の進行に伴い、 2つの THzエコー信号の時間的位置が変化している様子が確認できる。

[0074] ここで、左側の THzエコー信号は塗装膜の幾何学的膜厚に対応しているのに対し、 2 つの THzエコー信号の時間間隔が光学的膜厚に対応している。これらの時間的変化から、乾燥に伴う収縮により塗装膜の幾何学的膜厚が減少し、それに伴い光学的膜厚も減少することが分かる。また、塗装膜の収縮が面内で均一に進行している様子も確認できる。

実施例 3

[0075] 図 17に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 B (イメージの時間軸歪みを補正した光学系配置)を示す。本実施例の光学系配置は、測定対象物の空間軸ィメージ (深さ分布）を歪みなく電気光学結晶に結像するための光学系配置である。

3個の平凸円筒レンズ CL1, CL3, CL4を、それぞれ測定対象物照射用，空間軸結像用，時間軸結像用として用いている。また、 CL3と CL4の長手方向が直交するように配設している。

[0076] ここで、図 17の Top Viewは時間軸方向（図 7の水平軸方向）の結像状態を、 Side Viewは空間軸方向（図 7の垂直軸方向）の結像状態を示していることになる。したがつて、平凸円筒レンズ CL3は空間軸方向に対してのみ結像レンズとして機能する。 [0077] 一方、平凸円筒レンズ CL4は時間軸方向に対してのみレンズとして機能し、この場合は平凸円筒レンズ CL1によってサンプル上に線集光されたラインイメージを再び結像する。この位置では、 THzパルスの波面は平面波と見なせるため、ここに電気光学結晶を配置してプローブパルスと共に非共軸入射すると、平面波同士 (THzパルスとプローブパルス）の時間-空間変換が行われることになり、時間軸イメージの歪みが発生しない。

[0078] 一方、図 13の光学系では、空間軸イメージを電気光学結晶上に結像するためには、ラインイメージ結像位置 (Top View)カゝら離れた位置に電気光学結晶を配置せざるを得ない。この位置では THzパルスの波面はもはや平面波ではなく球面波となる。その結果、 THzパルス球面波とプローブパルス平面波による時間-空間変換が行われ、時間軸イメージが歪むのは図 1の測定原理から自明である。

実施例 4

[0079] 次に、図 18に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 C (高空間分解能ィメージング用の配置）を示す。本実施例の光学系配置は、測定対象物の 2次元時空間 THzイメージ（図 7)を高い空間分解能で検出するための光学系配置である。平凸円筒レンズ CL1によってサンプルに線集光され反射した THzパルスは CL1によってコリメートされ、平面波の状態で空間を伝搬する。ここでこれまで用いてきた THz結像光学系を省略して、 THzパルスは直接プローブノルス光と共に電気光学結晶に非共軸入射される。その結果、平面波として空間伝搬していた THzパルスの空間分布が電気光学効果を介してプローブパルス光に転写される。

このプローブパルス光を結像レンズ L3で結像すると、 CCDカメラ上に 2次元時空間 T Hzイメージを再現できる。

[0080] 一方、図 13及び図 17の配置では、まず THzパルスを THz結像レンズによって電気光学結晶上に結像する。その結像イメージを電気光学効果によってプローブパルス光に転写した後、結像レンズ L3によってプローブパルス光を CCDカメラ上に結像する。このように、 2回の結像プロセスを経て 2次元時空間 THzイメージ信号が取得される。

[0081] 一般に、電磁波の波長が長ければ長いほど回折の効果は大きくなりそれに伴い空間分解能が低下する。図 13及び図 17の配置では、電気光学結晶上の THzイメージ結像時に THz波回折による空間分解能の低下が起こる可能性がある。一方、図 18の配置では、 THzイメージ結像プロセスを省略し直接プローブパルス光によって結像しているため、 THz波回折による空間分解能低下の影響を受けず、高い空間分解能が期待できる。また、 THzパルスが平面波として伝搬している状態で電気光学結晶による時間-空間変換が行われるため、図 17と同様、時間軸の歪みも発生しない。

実施例 5

[0082] 図 19に本発明に係る高感度バランス検出をおこなう検光部の構成を示す。図 19に示すように、電気光学結晶（図示せず）と CCDカメラの間に、 1Z4波長板（λ /4)とビーム変位プリズム (BD)を配設する。偏光子 Ρによって直線偏光にされたプローブパルス光は、電気光学結晶を通過後、 1Z4波長板によって円偏光に変換される。円偏光の垂直偏光成分と水平偏光成分は、ビーム変位プリズムによって空間的横ずらしを受け、 2つの平行ビームとして出射される。これらを結像レンズ L3によって同一 CCD カメラの異なる部位に結像する。 THzパルスが電気光学結晶に入射されて、な、場合には、垂直偏光ビーム及び水平偏光ビームは全く同じイメージを結像することになるので、コンピュータで両イメージを空間的に重ね合わせて差分イメージを取ると (バランス検出イメージング）、垂直偏光ビーム及び水平偏光ビームの各バックグラウンド •ノイズ光が相殺され、信号は検出されない。

[0083] また、図 20に示されるような検光部の構成を取ることも可能である。図 20に示されるように、電気光学結晶（図示せず）と CCDカメラの間に、 1Z4波長板（λ /4)と偏光ビ一ムスプリッター（PBS)を配設する。偏光子 Ρによって直線偏光にされたプローブパルス光は、電気光学結晶を通過後、 1Z4波長板によって円偏光に変換される。円偏光の垂直偏光成分は PBSで反射され、水平偏光成分は PBSを透過する。透過および反射の両ビーム光は、 2組の結像レンズ（L3、 L4)と CCDカメラ（CCD1,CCD2)のペアを用いて、垂直偏光イメージ及び水平偏光イメージとして検出される。 THzパルスが電気光学結晶に入射されて!、な!、場合には、垂直偏光イメージ及び水平偏光ィメージは全く同じイメージを結像することになるので、コンピュータで両イメージを空間的に重ね合わせて差分イメージを取ると (バランス検出イメージング）、垂直偏光ィメージ及び水平偏光イメージの各バックグラウンド 'ノイズ光が相殺され、信号は検出されない。

[0084] 一方、 THzパルスを電気光学結晶に入射すると、電気光学効果による複屈折のため、円偏光が楕円偏光化され、差分イメージ信号力 Sバックグラウンド 'ノイズ光フリーの状態で高感度に検出可能となる。このようなバランス検出イメージングにより、光バイァス印加による電気光学効果効率の増大、電気光学結晶内多重散乱によるバックグラウンド 'ノイズ光の除去、レーザーノルス強度揺らぎ影響の除去といったことが可能となり、 THzイメージング検出の大幅な高感度化が可能となる。

上述の実施例 2〜4の実時間 THzパルス計測装置の構成の検光部を、この高感度バランス検出をおこなう検光部に置き換えることにより、大幅な高感度化が可能である。これは、以下の実施例 6〜8についても同様である。

実施例 6

[0085] 図 21に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 D (透過 1次元結像の基本配置)を示す。

電気光学結晶に照射される THzパルスとプローブパルス光を非共軸に配置した図 6の構成で、測定対象物の前後に平凸円筒レンズ (平凸シリンドリカルレンズ) CL1 , CL2を設け、これを用いて THzパルスを線集光 (ラインビーム)で測定対象物に照射し、その透過光を結像光学系（結像レンズ L2)で電気光学結晶（ZnTe)上に結像させることにしている。 2次元イメージングデバイス（CCDカメラ）の画像の 1軸を、シングルシヨットでの THzパルスの時系列波形の計測用として用い、他方の 1軸を、測定対象物を線集光（ラインビーム）で透過した THzパルスの 1次元イメージング用として用いる。 THzパルスの時系列波形を図示しない分光イメージング部で高速フーリエ変換することにより、シングルショットのテラへルツ分光イメージング装置を実現できる。

実施例 7

[0086] 図 22に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 E (イメージの時間軸歪みを補正した光学系配置)を示す。本実施例の光学系配置は、測定対象物の空間軸情報及び時間情報 (深さ分布)を歪みなく電気光学結晶に結像するための光学系配置である。

4個の平凸円筒レンズ CL1, CL2, CL3, CL4を、それぞれ測定対象物照射用，透過光コリメート用、空間軸結像用，時間軸結像用として用い、平凸円筒レンズ CL3と C L4のレンズの長手方向が直交するように配設されて、る。

[0087] ここで、図 22の Top Viewは時間軸方向（図 7の水平軸方向）の結像状態を、 Side Viewは空間軸方向（図 7の垂直軸方向）の結像状態を示していることになる。したがつて、平凸円筒レンズ CL3は空間軸方向に対してのみ結像レンズとして機能する。一方、平凸円筒レンズ CL4は時間軸方向に対してのみレンズとして機能し、この場合は平凸円筒レンズ CL1によってサンプル上に線集光されたラインイメージを再び結像する。この位置では、 THzパルスの波面は平面波と見なせるため、ここに電気光学結晶を配置してプローブパルスと共に非共軸入射すると、平面波同士（THzパルスとプローブパルス）の時間-空間変換が行われることになり、時間軸イメージの歪みが発生しない。

[0088] 一方、図 21の光学系では、空間軸イメージを電気光学結晶上に結像するためには、ラインイメージ結像位置 (Top View)カゝら離れた位置に電気光学結晶を配置せざるを得ない。この位置では THzパルスの波面はもはや平面波ではなく球面波となる。その結果、 THzパルス球面波とプローブパルス平面波による時間-空間変換が行われ、時間軸イメージが歪むのは図 1の測定原理から自明である。

実施例 8

[0089] 図 23に本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 F (高空間分解能イメージング用の配置）を示す。本実施例の光学系配置は、測定対象物の 2次元時空間 THz イメージ（図 7)を高い空間分解能で検出するための光学系配置である。平凸円筒レンズ CL1によってサンプルに線集光され透過した THzパルスは CL2によってコリメートされ、平面波の状態で空間を伝搬する。ここでこれまで用いてきた THz結像光学系を省略して、 THzパルスは直接プローブパルス光と共に電気光学結晶に非共軸入射される。その結果、平面波として空間伝搬していた THzパルスの空間分布が電気光学効果を介してプローブパルス光に転写される。このプローブパルス光をレンズ L3で結像すると、 CCDカメラ上に 2次元時空間 THzイメージを再現できる。

[0090] 一方、図 21及び図 22の配置では、まず THzパルスを THz結像レンズによって電気光学結晶上に結像する。その結像イメージを電気光学効果によってプローブパルス光に転写した後、結像レンズ L3によってプローブパルス光を CCDカメラ上に結像する。このように、 2回の結像プロセスを経て 2次元時空間 THzイメージ信号が取得される。

[0091] 一般に、電磁波の波長が長ければ長いほど回折の効果は大きくなりそれに伴い空間分解能が低下する。図 21及び図 22の配置では、電気光学結晶上の THzイメージ結像時に THz波回折による空間分解能の低下が起こる可能性がある。

[0092] 一方、本実施例（図 23)の配置では、 THzイメージ結像プロセスを省略し直接プロ一ブパルス光によって結像しているため、 THz波回折による空間分解能低下の影響を受けず、高い空間分解能が期待できる。また、 THzパルスが平面波として伝搬している状態で電気光学結晶による時間-空間変換が行われるため、図 24と同様、時間軸の歪みも発生しない。

産業上の利用可能性

[0093] 本発明に係る実時間テラへルツ ·トモグラフィーは、動体サンプルの非破壊検査や生体診断に利用可能である。また、橋梁を始めとした屋外構造物の高所箇所など検查に危険を伴う部位の内部構造欠陥や剥離を、遠隔力非接触モニターできるセンサーシステムとしても利用可能である。一方、テラへルツ分光イメージング装置は、従来の内部透視手段 (X線、超音波他）に替わる成分分析型内部透視手段として、リアルタイム性を必要とされる非破壊検査，空港手荷物検査における爆発物 (プラスチック爆弾'引火性液体他)、郵便封書内の禁止薬物 (麻薬'覚醒剤他)の検出などに利用できる。

図面の簡単な説明

[0094] [図 1]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の原理図を示す。

[図 2] 2次元イメージングデバイス (CCDなど）で得られる画像イメージの模式図を示す。

[図 3] (1)測定対象物が厚さの異なる構造を持つ場合における入射光と透過光の模式図を示す。（2)測定対象物が 2層の内部構造を持つ場合における入射光と反射光 (エコーパルス）の模式図を示す。

[図 4]THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの波面の重なりが空間的（h- axis方向）に同じ位置を保ったまま結晶中を伝播していく様子を模式図（1)〜(4)に示す。 [図 5]測定時間窓（ ΔΤ)と電気光学結晶に入射する THzパルスとプローブパルス光のそれぞれの光軸のなす角度（ Θ )の相関グラフを示す。

圆 6]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成図を示す。但し、測定対象物に THzパルスを線集光する円筒レンズは除ヽて、る。

[図 7]CCDカメラで取得した THzパルス波形イメージ (バックグラウンド光除去後）を示す。

[図 8]CCDカメラ力得られた 2次元イメージング画像情報力変換した THzパルス時間波形分布を示す。

[図 9]シングルライン aで切り出した THzパルス時間波形分布を示して、る。

[図 10]THzパルス時間波形分布をフーリエ変換することにより、得られた振幅スぺタトルを示す。

[図 l l]THzパルス時間波形分布をフーリエ変換することにより、得られた位相スぺタトルを示す。

[図 12]THzパルスの時間波形分布イメージをフーリエ変換して、振幅、位相スペクトルによる成分分析を行うメカニズムを説明する模式図である。

圆 13]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 A (基本配置)を示す。

圆 14]移動する測定対象物に THzパルスを照射する様子を表した模式図を示す。圆 15]テラへルツ'トモグラフィー装置の構成 Aで、測定対象物を移動させながら、 C

CDカメラで取得した THzパルス波形イメージ (塗装膜測定結果)を示す。

[図 16]速乾性黒アクリル塗装をアルミ板に施したサンプルを用いて、塗装前後の 2次元断層イメージを測定した結果を示す。 (a)〜 (i)は 1分毎の 2次元断層 THzイメージを示している。

圆 17]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 B (イメージの時間軸歪みを補正した光学系配置)を示す。

圆 18]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 C (高空間分解能イメージング用の配置）を示す。

[図 19]高感度バランス検出イメージングをおこなう検光部の構成を示す。

[図 20]高感度バランス検出イメージングをおこなう検光部の他の構成を示す。圆 21]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 D (基本配置)を示す。圆 22]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 E (イメージの時間軸歪みを補正した光学系配置)を示す。

圆 23]本発明に係る実時間 THzパルス計測装置の構成 F (高空間分解能イメージング用の配置）を示す。

符号の説明

1 THzノレス

2 プローブパルス光

3 電気光学結晶（EO結晶）

4 偏光子

5 検光子

6 2次元イメージングデバイス

8, 9 円筒レンズ（シリンドリカノレレンズ）

10, 13 測定対象物（サンプル）

11, 14 入射光（THzパルス）

12 透過光（THzパルス）

15 反射光（エコーパルス）

20 フェムト秒パルスレーザ装置

21 ビームスプリツター

22 ポンプパルス光

23 プローブパルス光

24 交差ミラー

25, 26, 27, 28, 29 平面ミラー

30, 31 放物面ミラー

32 THzパルス発生部

33 電気光学結晶（EO結晶）

34, 35 平面ミラー

36 偏光子 37 検光子

38 結像レンズ

39 時間軸校正用ステージ

40 CCDカメラ

BS ：ビームスプリツター

CR ：コーナーリフレタター

P ：偏光子

A ：検光子

Z lZA波長板

BD ：ビーム変位プリズム

CCD: CCDカメラ

ZnTe :テルル化亜鉛結晶（電気光学結晶）

CL1, CL2, CL3, CL4 ：平凸円筒レンズ

LI, L2 ：平凸レンズ

L3 ：結像レンズ (CCDカメラ集光用レンズ)

Claims

請求の範囲 [1] レーザパルス光を発生するパルス光発生部と、前記レーザパルス光と光伝導スィッチ (もしくは非線形光学結晶）によって発生させたテラへルツ電磁波パルス (THzパルス）を測定対象物に照射させる THzパルス照射用光学系と、前記測定対象物を透過又は反射した THzパルスを電気光学結晶に結像させるための THzパルス検出用光学系と、前記 THzパルスと同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶に照射するプローブパルス光照射用光学系と、前記電気光学結晶を通過し、前記 THzパルスの誘起複屈折率変化により偏光状態が変化した前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部とを備えた THz パルス計測装置であって、

(3)前記検光部の検出器を 2次元イメージングデバイスとし、得られた 2次元イメージング画像の 1軸を THzパルスの時系列波形の計測用として用い、他方の 1軸を線集光 (ラインビーム)で照射された測定対象物の 1次元空間情報の計測用として用いることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置。

[2] 請求項 1において、前記 THzパルス照射用光学系で用いられる円筒レンズ力測定対象物照射用，空間軸結像用，時間軸結像用として、少なくとも 3個配設されることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置。

[3] 請求項 1において、前記検光部と前記電気光学結晶の間に、 1Z4波長板とビーム変位プリズムもしくは偏光ビームスプリツターを配設し、該電気光学結晶を通過したプローブパルス光が垂直偏光成分と水平偏光成分に分離されバランス検出されることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置。

[4] 請求項 3において、前記検光部の 2次元イメージングデバイスで検出されるプローブパルス光の垂直偏光成分と水平偏光成分の差分イメージを算出する THzイメージ算出処理部がさらに設けられることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置。

[5] 請求項 1乃至 4のいずれかにおいて、前記プローブパルス光照射用光学系に、前記電気光学結晶内での前記 THzパルスと前記プローブパルス光の伝播速度が等しくなるように位相整合条件を調節する非共軸ビーム交叉角度調節部が設けられることを特徴とする実時間 THzパルス計測装置。

[6] 請求項 1乃至 5に記載のいずれかの実時間 THzパルス計測装置において、計測された THzパルスの時系列波形をフーリエ変換することにより、振幅スペクトル及び Z又は位相スペクトルを演算し表示する分光イメージング部を設けたことを特徴とする実時間テラへルツ分光イメージング装置。

[7] 請求項 6において、前記分光イメージング部が所定の周波数毎に表示部を有し、各表示部が測定対象物の内部透過像に重ねて所定の周波数に対応した振幅及び ,又は位相を表示することにより、成分分析型内部透視を行うことを特徴とする実時間テラへルツ分光イメージング装置。

[8] 請求項 1乃至 5に記載のいずれかの実時間 THzパルス計測装置において、得られた 2次元時空間イメージ画像の THzパルスの時系列波形の重なりから、測定対象物の断層イメージを演算し表示する断層イメージング部を設けたことを特徴とする実時間テラへルツ'トモグラフィー装置。