WO2015001753A1 - コヒーレントテラヘルツ光用光学装置 - Google Patents

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terahertz light
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卓夫 森本
孝行 須藤
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device for coherent terahertz light.
  • Terahertz waves which are electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 10 THz (wavelength 30 ⁇ m to 3 mm), are not harmful to X-rays while passing through plastic, paper, clothes, etc., and have a fingerprint spectrum peculiar to the terahertz region. It has attracted attention because it has been discovered. Although no suitable light source has been available in the terahertz region for a long time, a stable light source has recently been obtained by using a quantum cascade laser. This greatly advanced research and development. For example, a terahertz microscope using a quantum cascade laser as described in Non-Patent Document 1 has been developed.
  • FIG. 1 The configuration of this terahertz microscope is shown in FIG.
  • a housing 101 houses a coherent terahertz light source 102 that outputs a coherent terahertz wave and an illumination optical system.
  • a sample stage 103 is provided at the tip of the illumination optical system, and an observation optical system and a terahertz camera 105 housed in a lens barrel 104 are provided at the tip. With this configuration, a terahertz image of the sample 106 placed on the sample stage 103 is acquired by the terahertz camera 105.
  • the coherent terahertz light source 102 is a quantum cascade laser, and its frequency is 2.83 THz (wavelength 106 ⁇ m).
  • the illumination optical system includes a first lens 107, a mirror 108, an iris diaphragm 109, and a second lens 110.
  • a sample stage 103 is provided at the tip of the illumination optical system, and an objective lens 111, an infrared cut filter 112, and an eyepiece 113 are provided in the observation optical system.
  • a terahertz camera 105 is installed at the tip of the eyepiece lens 113.
  • the observation optical system and the terahertz camera 105 are supported by an arm 114.
  • the first lens 107 is supported by a lens support 115, and the mirror 108 is supported by a mirror support 116.
  • the sensor package 117 is built in the terahertz camera 105.
  • An array sensor 118 is enclosed in the sensor package 117, and a window 119 is provided in the terahertz light incident portion of the sensor package 117.
  • the light output from the coherent terahertz light source 102 is collected by the first lens 107, reflected by the mirror 108, and collected at the position of the iris diaphragm 109. Next, unnecessary light is removed by the iris diaphragm 109.
  • the light that has passed through the iris diaphragm 109 is collimated by the second lens 110 and irradiated onto the sample 106 placed on the sample stage 103.
  • the light transmitted through the sample 106 enters the terahertz camera 105 through the observation optical system. As described above, a terahertz image of the sample 106 can be acquired. Note that the magnification can be adjusted by changing the combination of the objective lens 111 and the eyepiece lens 113.
  • Non-Patent Document 1 has a problem that an interference pattern is generated in the background image and the sample image becomes unclear. This is a problem caused by diffraction and interference peculiar to coherent terahertz light. Details will be described below.
  • the first problem is that it is affected by diffraction. This is because the wavelength of terahertz light is two to three orders of magnitude longer than visible light. In a microscope using visible light, the wavelength is 1 ⁇ m or less, and since it is smaller by three orders of magnitude or more than the size of the optical component, diffraction hardly becomes a problem. Moreover, since the location where the unnecessary light is generated can be specified only by tracing the ray of geometric optics, measures such as antireflection can be taken. On the other hand, the wavelength of the terahertz light is 0.03 to 3 mm, which is close to the order of the optical system size because it is one to two orders of magnitude smaller than the lens diameter and mirror diameter.
  • the beam diameter spreads over a short distance.
  • the wavelength is 0.6 mm, that is, the frequency is 0.5 THz
  • the beam diameter of ⁇ 10 mm spreads to ⁇ 25 mm when the beam diameter advances by 30 cm.
  • the second problem is that the above-described interference of unnecessary light becomes significant.
  • the coherence of the light itself is high.
  • the processing variation is 1 ⁇ m or more. For this reason, if it is visible light, the phase of scattered light will be random and coherence will be lost. Therefore, no interference fringes are generated.
  • the wavelength of terahertz light is larger than the processing variation, coherence is not lost even in scattered light. As a result, interference fringes due to scattered light are generated.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce and eliminate unnecessary interference patterns in an optical device using coherent terahertz light, and obtain a high-quality terahertz image. Is to provide.
  • an optical device for coherent terahertz light includes an optical system using coherent terahertz light having a frequency of 0.1 to 10 THz, and a structure positioned outside the effective diameter of the optical system. And an antireflection body installed on the effective diameter side.
  • the effect of the present invention is that the image quality of a coherent terahertz light image can be improved.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention.
  • the optical device for coherent terahertz light according to the present embodiment has an optical system 2 that uses coherent terahertz light 1 having a frequency of 0.1 to 10 THz.
  • the structure 4 located outside the effective diameter 3 of the optical system 2 has an antireflection body 5 on the effective diameter 3 side.
  • the optical system 2 may be provided with various optical means for controlling the coherent terahertz light 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an optical apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • a housing 6 is provided with a coherent terahertz light source 7 that outputs coherent terahertz light 1, a first lens 9 supported by a lens support 8, a sample support 10, and a terahertz camera 11.
  • a sample is supported on the sample support 10. It is desirable that the sample is detachably supported.
  • an antireflection body 5 is provided on the optical path side of the lens holding portion of the lens support 8 and the sample support portion of the sample support 10. The antireflection body 5 is provided so as to cover the diffraction range of the terahertz light.
  • the optical system 2 includes a coherent terahertz light source 7, a first lens 9, an opening in which a sample of the sample support 10 is disposed, and a terahertz camera 11.
  • the effective diameter 3 in the optical system 2 is a ray tracing range in geometric optics.
  • the light emission range from the coherent terahertz light source 7 in geometric optics, the light incident / exit range of the first lens 9, and the light incident range to the terahertz camera 11 correspond to the effective diameter 3.
  • Structures outside the effective diameter 3 are the lens support 8, the sample support 10, and portions other than the light incident part of the terahertz camera 11.
  • the antireflection body 5 is provided outside the effective optical diameter 3 of the structure. That is, the antireflection body 5 is provided on the outside of the first lens 9 holding portion of the lens support 8, the sample holding portion of the sample support 10, and the light incident portion of the terahertz camera 11.
  • the terahertz camera 11 has a sensor package 12 built therein.
  • An array sensor 13 for detecting terahertz light is enclosed in the sensor package 12.
  • a window 14 that transmits terahertz light is provided in the light incident portion of the sensor package 12, and an antireflection body 5 is provided around the window 14.
  • the array sensor 13 includes terahertz light sensor elements (not shown) arranged in an array.
  • the coherent terahertz light 1 output from the coherent terahertz light source 7 is collimated by the first lens 9 and irradiated onto the sample.
  • the coherent terahertz light 1 transmitted through the sample enters the terahertz camera 11. Then, the transmitted terahertz light passes through the window 14 and enters the array sensor 13 to obtain an image of the sample.
  • the antireflective body 5 for example, a sheet in which fibers such as rayon, nylon, and polyester are stretched on a plastic base material such as polyester can be used. Since such a material has irregularities longer than the wavelength, the coherent property is lost even if there is a minute reflection. For this reason, generation
  • the antireflection body 5 preferably absorbs light and has a property close to a black body. This is because the terahertz sensor senses heat radiation.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing unnecessary light interference in the sensor package 12 when the antireflection body 5 is not provided.
  • the coherent terahertz light 1 is transmitted through the window 14, the coherent terahertz light 1 is reflected at the edge of the sensor package 12 in a direction different from the incident direction.
  • the light reflected at the left end of the opening of the sensor package 12 interferes with the light reflected at the right end to form an intensity distribution on the array sensor 13 according to the optical path difference.
  • the intensity distribution becomes a concentric interference fringe. Since the interference fringes are superimposed on the image, the quality of the acquired image is deteriorated.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing unnecessary light interference in the sensor package 12 when the antireflection body 5 is not provided.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a terahertz microscope 15 using the present invention.
  • the illumination optical system includes a coherent terahertz light source 7, a first lens 9, a mirror 16, an iris diaphragm 17, and a second lens 18.
  • the lens support part of the lens support 8 that supports the first lens 9, the mirror support part of the mirror support 19 that supports the mirror 16, the support part of the second lens 18, and the terahertz light reachable range of the iris diaphragm 17, respectively.
  • An antireflection body 5 is provided.
  • the observation optical system includes a lens barrel 20, an objective lens 21 supported by the lens barrel 20, an infrared cut filter 22, an eyepiece lens 23, and a terahertz camera 11.
  • the infrared cut filter 22 cuts infrared rays that become noise, for example, light having a frequency of 10 THz or more.
  • An antireflection body 5 is formed on the inner wall of the lens barrel 20 that supports the objective lens 21 and the like.
  • the structure of the terahertz camera 11 is the same as that of the second embodiment, and an antireflection body 5 is provided around the light incident part.
  • a sample stage 24 for supporting a sample is provided between the illumination optical system and the observation optical system.
  • the sample stage 24 is provided with a light transmission part for transmitting light, and the antireflection body 5 is provided around the light transmission part in the same manner as other optical elements.
  • the lens barrel 20 and the terahertz camera 11 are supported by an arm 25. Although referred to herein as a microscope, the magnification is not limited to 1 or more.
  • coherent terahertz light 1 is output from the coherent terahertz light source 7.
  • a quantum cascade laser is used when the light frequency is 1.5 THz or higher
  • a Schottky diode multiplier light source or the like is used when the frequency is 2 THz or lower.
  • the light output from the coherent terahertz light source 7 is collected by the first lens 9 and reflected by the mirror 16 toward the sample stage 24.
  • the reflected light is focused at the position of the iris diaphragm 17, collimated by the second lens 18, and the sample 26 on the sample stage 24 is illuminated.
  • the iris diaphragm 17 is used to exclude unnecessary light such as higher order modes.
  • the light that has been absorbed by the sample 26 and transmitted through the sample 26 is condensed and collimated by the objective lens 21 and the eyepiece lens 23 and is incident on the terahertz camera 11.
  • An array in which the image of the sample 26 is built in the sensor package 12. An image is formed on the sensor.
  • FIG. 6 shows an example of a lens.
  • An antireflection body 5 is provided on the outer periphery of the first lens 9.
  • the effective diameter of the optical system is the diameter of the portion transparent to the terahertz light
  • the structure is the outer peripheral portion of the first lens 9
  • the antireflection body 5 is provided on the outer peripheral portion.
  • FIG. 7 shows an example of a mirror.
  • An antireflection body 5 is formed on the outer periphery of the mirror 16.
  • FIG. 8 is a plan view showing an example of the iris diaphragm 17.
  • the blades 27 are supported by the diaphragm support 28.
  • An antireflection body 5 is formed on the blade 27.
  • the effective diameter can be adjusted by moving the blade 27 with the lever 29.
  • the antireflection body 5 is drawn so as to be formed on the entire surface of the blade 27, but the same effect can be obtained even if the antireflection body 5 is provided only in the vicinity of the end portion of the wing that defines the effective diameter. be able to.
  • the optical device to which the present embodiment is applied is not limited to the above, and can be applied to various devices such as a fixed diaphragm, a prism, and a diffraction grating. ⁇ Example ⁇ Next, an example of actual observation results is shown.
  • the frame can be regarded as an aperture having a fixed effective diameter.
  • the frequency of the output light of the quantum cascade laser was 2 THz.
  • the frame that causes the interference is a metal frame having an opening diameter of 30 mm and a length of 20 mm, which has been subjected to black anodized surface treatment.
  • the infrared cut filter is a filter that does not transmit light having a frequency of 10 THz or higher.
  • the terahertz camera incorporates an array sensor having 320 ⁇ 240 pixels and a pixel pitch of 23.5 ⁇ m, and the sensor size is 7.52 mm ⁇ 5.64 mm.
  • the distance from the emission point of the quantum cascade laser to the tip of the terahertz camera was 140 mm, and the infrared cut filter was installed at a position in contact with the tip of the terahertz camera.
  • FIG. 9 is a terahertz image when a metal frame is not placed. Since the light is not condensed by the lens, the entire image is dark.
  • FIG. 10 is an image of the terahertz camera when a metal frame without an antireflection body is placed at a position 90 mm from the light emitting point and 50 mm from the tip of the terahertz camera. Since the reflected light from the metal frame also enters, the entire screen becomes brighter, and at the same time, the reflected light from the circular frame interferes with the light passing through the frame, so that concentric interference fringes are generated.
  • FIG. 11 is a terahertz image when an antireflection body is installed inside the metal frame. Since reflection from the metal frame was suppressed, the image was the same as that in FIG. 9 when the metal frame was not placed, and it was found that the generation of interference fringes was sufficiently suppressed.
  • the antireflection body is a film obtained by electrostatically flocking nylon having a length of 1 mm dyed black on a polyester base material.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
  • the present embodiment relates to a terahertz camera 10.
  • the terahertz camera 10 is provided with an iris diaphragm 17 at the entrance of the coherent terahertz light 1.
  • the iris diaphragm 17 can move the blade 27 to enlarge or reduce the inner diameter, and the antireflection body 5 is installed at the inner end of the blade 27.
  • the iris diaphragm 17 it is possible to prevent the terahertz light from being irradiated to the reflection element such as the end of the window 14 or the end of the sensor package 12. For this reason, it is possible to prevent deterioration in image quality due to interference of unnecessary light.
  • the iris diaphragm 17 is configured to be supported by the casing of the terahertz camera 10, but may be supported by another support.
  • FIG. 13 is a sectional view showing an optical apparatus according to a sixth embodiment.
  • the coherent terahertz light source 7 can output a plurality of types of terahertz light having different frequencies. Since the components arranged outside the coherent terahertz light source 7 such as an optical system and a terahertz camera are the same as those in the other embodiments, description thereof is omitted.
  • the coherent light source 7 includes a plurality of lasers 30 each having a different frequency, and here, a laser a30a, a laser b30b, and a laser c30c are assumed.
  • the laser 30 output from the movable mirror 31 can be selected.
  • the terahertz light reflected by the movable mirror 31 is emitted at a predetermined emission angle by the action of the lens 32.
  • the number of types of lasers 30 used is not limited to three.
  • the light source used is not limited to the laser, and means for switching the frequency of the output light is not limited to the movable mirror 31.
  • Various variations are possible using known techniques, such as turning on a plurality of light sources at the same time and switching them with a filter or slit.
  • the present invention can be applied to an optical apparatus for acquiring a fingerprint spectrum.
  • a baggage inspection device can be considered as an example of a device utilizing this feature.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the baggage inspection apparatus 33 according to the present embodiment.
  • a coherent terahertz light source 7 and a terahertz camera 11 are provided in the housing 6. By making these reflection-type arrangements, a terahertz image of the baggage 35 flowing on the conveyor 34 can be acquired.
  • Terahertz light has the characteristic of transmitting paper and plastic, so it can inspect the contents of luggage that cannot be seen with visible light. Also, it is possible to check the carry-in of drugs etc. using the fingerprint spectrum.
  • the apparatus may be configured in a transmissive arrangement. Further, the inspection object is not limited to the baggage 35, and the optical device of the present embodiment can be used for inspection of fruits, vegetables, chemicals, and the like.

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Abstract

　[課題]コヒーレントテラヘルツ光を使用する光学装置において、不要な干渉パターンを低減、除去し、画質の高いテラヘルツ画像を取得する光学装置を提供する。　[解決手段] コヒーレントテラヘルツ光用光学装置は、周波数が０．１から１０ＴＨｚのコヒーレントテラヘルツ光１を用いる光学系２を有している。また光学系２の有効径３の外に位置する構造体４は、有効径３側に反射防止体５を有している。

Description

コヒーレントテラヘルツ光用光学装置
　本発明は、コヒーレントテラヘルツ光用光学装置に関する。
　周波数０．１～１０ＴＨｚ（波長３０μｍ～３ｍｍ）の電磁波であるテラヘルツ波は、プラスチック、紙、衣服などを透過しつつ、Ｘ線のような有害性が無いことや、テラヘルツ領域特有の指紋スペクトルが見出されてきたことにより、注目を集めている。テラヘルツ領域には長い間適当な光源が無かったが、近年、量子カスケードレーザを用いることにより安定な光源が得られるようになった。これにより研究・開発が大きく進展した。例えば非特許文献１のような量子カスケードレーザを用いたテラヘルツ顕微鏡が開発されている。
　このテラヘルツ顕微鏡の構成を図１５に示す。筐体１０１内に、コヒーレントテラヘルツ波を出力するコヒーレントテラヘルツ光源１０２と、照明光学系が収納されている。照明光学系の先には試料ステージ１０３が設けられ、その先には鏡筒１０４に収められた観察光学系とテラヘルツカメラ１０５が設けられている。この構成により、試料ステージ１０３に置かれた試料１０６のテラヘルツ画像が、テラヘルツカメラ１０５によって取得される。
　非特許文献１によれば、コヒーレントテラヘルツ光源１０２は量子カスケードレーザで、その周波数は２．８３ＴＨｚ（波長１０６μｍ）である。照明光学系には第１レンズ１０７、ミラー１０８、虹彩絞り１０９、第２レンズ１１０が設けられている。照明光学系の先には試料ステージ１０３が設けられ、観察光学系には対物レンズ１１１、赤外線カットフィルタ１１２、接眼レンズ１１３が設けられている。接眼レンズ１１３の先にはテラヘルツカメラ１０５が設置されている。観察光学系およびテラヘルツカメラ１０５は、アーム１１４によって支持されている。また第１レンズ１０７はレンズ支持体１１５によって支持され、ミラー１０８はミラー支持体１１６によって支持されている。
　テラヘルツカメラ１０５には、センサパッケージ１１７が内蔵されている。センサパッケージ１１７にはアレイセンサ１１８が封入され、センサパッケージ１１７のテラヘルツ光入射部には窓１１９が設けられている。
　コヒーレントテラヘルツ光源１０２から出力された光は、第１レンズ１０７により集光され、ミラー１０８によって反射され、虹彩絞り１０９の位置に集光される。次いで、虹彩絞り１０９により不要光が除去される。虹彩絞り１０９を通過した光は第２レンズ１１０によってコリメートされ、試料ステージ１０３に置かれた試料１０６に照射される。試料１０６を透過した光は観察光学系を通してテラヘルツカメラ１０５に入射する。以上のようにして、試料１０６のテラヘルツ画像を取得することができる。なお倍率は対物レンズ１１１、接眼レンズ１１３の組合せを変えることにより調整することができる。
小田、外８名、「Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ－ｔｙｐｅ　Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｗｉｔｈ　Ｐａｌｍ　ｓｉｚｅ　Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　Ｃａｍｅｒａ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｌａｓｅｒ」、Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ＳＰＩＥ、２０１２年８月、ｖｏｌ．８４９６、ｐｐ．８４９６０Ｑ－１～８４９６０Ｑ－１１
　しかしながら、非特許文献１のテラヘルツ顕微鏡には、背景画像に干渉パターンが生じ、試料画像が不鮮明となる問題がある。これはコヒーレントなテラヘルツ光に特有の回折と干渉によって生じる問題である。詳細を下記に説明する。
　第１の問題点は回折の影響を受けることである。これはテラヘルツ光の波長が可視光より２、３桁長いことに起因する。可視光を用いた顕微鏡では波長が１μｍ以下であり、光学部品のサイズに対して３桁以上小さいため、回折はほぼ問題にならない。また幾何光学の光線追跡だけで不要光の発生箇所を特定できるため、反射防止などの対策が可能である。一方、テラヘルツ光の波長は０．０３～３ｍｍであり、レンズ径、ミラー径の１～２桁落ちレベルなので光学系サイズのオーダに近い。このため回折の影響が無視できない。すなわち、短距離でビーム径が広がってしまう。その影響で、レンズ枠からの反射や、絞りによる蹴られなど、不要光の発生を抑制することが困難である。ビーム径の広がりを具体的な例で比較すると、波長０．５μｍの可視光の場合、１／ｅ２ビーム径でφ１０ｍｍのガウシアン平行ビームは、３０ｃｍ進んでもビーム径がφ１０．００００２ｍｍまでしか広がらない。一方、波長０．６ｍｍすなわち周波数０．５ＴＨｚの場合は、φ１０ｍｍのビーム径が３０ｃｍ進むとφ２５ｍｍに広がる。
　第２の問題点は、前記した不要光の干渉が顕著になる点である。その理由の一つは、光自体の可干渉性が高いことである。またもう一つの理由は、波長が長いため、光学部品などからの散乱光においてもコヒーレント性が失われないことである。レンズ枠を例に取ると、その加工バラツキは１μｍ以上である。このため可視光であれば、散乱光の位相はランダムになり干渉性は失われる。それゆえ干渉縞は発生しない。一方、テラヘルツ光では、波長が加工バラツキより大きいため散乱光においても可干渉性は失われない。その結果、散乱光による干渉縞が発生してしまう。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コヒーレントテラヘルツ光を使用する光学装置において、不要な干渉パターンを低減、除去し、画質の高いテラヘルツ画像を取得する光学装置を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置は、周波数が０．１から１０ＴＨｚのコヒーレントテラヘルツ光を用いる光学系と、前記光学系の有効径外に位置する構造体の前記有効径側に設置された反射防止体と、を有している。
　本発明の効果は、コヒーレントテラヘルツ光画像の画像品質を向上できることである。
本発明第１の実施の形態を示す断面図。 本発明第２の実施の形態の光学装置を示す断面図。 非特許文献１のテラヘルツカメラを示す断面図。 本発明のテラヘルツカメラを示す断面図。 光学装置の第３の実施の形態の光学装置を示す断面図。 本発明第４の実施の形態のレンズを示す断面図。 本発明第４の実施の形態のミラーを示す断面図。 本発明第４の実施の形態の虹彩絞りを示す平面図。 光路に金属枠を置かずに取得したテラヘルツ画像の一例。 本発明を用いない金属枠を置いて取得したテラヘルツ画像の一例。 本発明を用いた金属枠を置いて取得したテラヘルツ画像の一例。 本発明第５の実施の形態を示す断面図。 本発明第６の実施の形態を示す断面図。 本発明第７の実施の形態を示す模式図。 非特許文献１の光学装置を示す断面図。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　〔第１の実施形態〕図１は本発明第１の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置は、周波数が０．１から１０ＴＨｚのコヒーレントテラヘルツ光１を用いる光学系２を有している。また光学系２の有効径３の外に位置する構造体４は、有効径３側には反射防止体５を有している。なお図示はしていないが、光学系２にはコヒーレントテラヘルツ光１を制御する種々の光学手段が設けられていて良い。
　本実施の形態により、コヒーレントテラヘルツ光の回折および干渉の影響を排除して、画像品質の高いコヒーレントテラヘルツ光画像を得ることができる。
　〔第２の実施形態〕図２は本発明第１の実施の形態の光学装置を示す断面図である。筐体６に、コヒーレントテラヘルツ光１を出力するコヒーレントテラヘルツ光源７と、レンズ支持体８に支持された第１レンズ９と、試料支持体１０と、テラヘルツカメラ１１が設けられている。試料支持体１０には試料が支持される。試料は着脱自在に支持されていることが望ましい。また、レンズ支持体８のレンズ保持部、試料支持体１０の試料支持部の光路側には反射防止体５が設けられている。反射防止体５はテラヘルツ光の回折範囲をカバーするように設けられる。
　図２の光学装置では、光学系２は、コヒーレントテラヘルツ光源７、第１レンズ９、試料支持体１０の試料が配置される開口部、テラヘルツカメラ１１によって構成されている。試料を取り付けた場合には試料も含まれる。この光学系２における有効径３は、幾何光学における光線追跡範囲である。ここでは、幾何光学におけるコヒーレントテラヘルツ光源７からの光の出射範囲、第１レンズ９の光入出射範囲、テラヘルツカメラ１１への光入射範囲が、有効径３に相当する。有効径３外の構造体は、レンズ支持体８、試料支持体１０、テラヘルツカメラ１１の光入射部以外の部分、である。本実施の形態では構造体の光学的な有効径３の外側に反射防止体５が設けられている。すなわち、レンズ支持体８の第１レンズ９保持部、試料支持体１０の試料保持部、テラヘルツカメラ１１の光入射部の外側、に反射防止体５が設けられている。
　テラヘルツカメラ１１には、センサパッケージ１２が内蔵されている。センサパッケージ１２にはテラヘルツ光を検出するアレイセンサ１３が封入されている。またセンサパッケージ１２の光入射部には、テラヘルツ光を透過する窓１４が設けられ、窓１４の周囲には反射防止体５が設けられている。アレイセンサ１３はテラヘルツ光センサ素子（図示せず）がアレイ状に配列されたものである。
　次に、光学装置の動作について説明する。コヒーレントテラヘルツ光源７から出力されたコヒーレントテラヘルツ光１は第１レンズ９によってコリメートされ、試料に照射される。試料を透過したコヒーレントテラヘルツ光１は、テラヘルツカメラ１１に入射する。そして透過テラヘルツ光は窓１４を透過し、アレイセンサ１３に入射し、試料の像が取得される。
　ここで観察像に対する不要光について説明する。図２では幾何光学の光線追跡による光路が示されているが、実際の光線は回折によって図よりも広がったものになる。これらは観察に対する不要光である。本実施の形態では、この広がった光線を各光学要素に設けられた反射防止体５で吸収あるいはインコヒーレント化している。このため、不要光の干渉による像の乱れが発生しない。
　反射防止体５としては、例えばポリエステルなどのプラスチック基材の上に、レーヨン、ナイロン、ポリエステルなどの繊維が伸びたシートを用いることができる。このような材料では波長以上の凹凸があるため、たとえ微小な反射があってもコヒーレント性が失われる。このため干渉縞の発生が抑制される。また、黒ベルベットや電波吸収シートなども用いることができる。また意図的に微小構造を形成した表面を持つ材料を用いてもよい。近年注目を集めているモスアイ構造は、その好適な一例である。上記の反射防止体５は、光を吸収し、黒体に近い性質を持つことが好ましい。テラヘルツセンサは放熱も感知するためである。
　図３はセンサパッケージ１２において、反射防止体５が無い場合の、不要光の干渉を模式的に示す断面図である。窓１４を透過してコヒーレントテラヘルツ光１が入射すると、センサパッケージ１２の縁では、コヒーレントテラヘルツ光１が入射方向とは違う方向に反射される。図３において、センサパッケージ１２の開口部左端で反射された光と、右端で反射された光は干渉し、アレイセンサ１３上に光路差に応じた強度分布を形成する。反射光全体の光の干渉を足し合わせると、その強度分布は同心円状の干渉縞となる。この干渉縞が像に重畳されるため、取得される画像の質が低下する。一方、図４に示すように、アレイセンサ１３の入射範囲外の窓１４の周囲に反射防止体５を設けた場合は、センサパッケージ１２の開口部端で反射される光が無くなる。このため干渉縞は生じない。したがって、不要光の影響を排除したテラヘルツ画像を取得することができる。また、レンズ支持体８や試料支持体１０など他の光学要素においても、同様の作用と効果がもたらされる。
　以上のように、本実施の形態によれば、不要光の干渉を排除して画質の高いテラヘルツ画像を得ることが出来る。
　〔第３の実施形態〕本発明の干渉縞抑制技術は種々の光学装置に適用可能である。図５に本発明を用いたテラヘルツ顕微鏡１５の断面図を示す。
　筐体６の中に照明光学系が設けられている。照明光学系は、コヒーレントテラヘルツ光源７、第１レンズ９、ミラー１６、虹彩絞り１７、第２レンズ１８で構成されている。第１レンズ９を支持するレンズ支持体８のレンズ支持部、ミラー１６を支持するミラー支持体１９のミラー支持部、第２レンズ１８の支持部、および虹彩絞り１７のテラヘルツ光到達範囲にはそれぞれ反射防止体５が設けられている。
　観察光学系は、鏡筒２０と、鏡筒２０に支持された対物レンズ２１、赤外線カットフィルタ２２、接眼レンズ２３、テラヘルツカメラ１１によって構成されている。赤外線カットフィルタ２２は、ノイズとなる赤外線、例えば周波数１０ＴＨｚ以上の光をカットする。また、対物レンズ２１などを支持する鏡筒２０の内壁には反射防止体５が形成されている。テラヘルツカメラ１１の構造は第２の実施の形態と同様であり、光入射部の周囲には反射防止体５が設けられている。また照明光学系と観察光学系の間には、試料を支持するための試料ステージ２４が設けられている。試料ステージ２４には光が透過するための光透過部が設けられ、光透過部の周囲には他の光学要素と同様に反射防止体５が設けられている。なお鏡筒２０とテラヘルツカメラ１１はアーム２５によって支持されている。また、ここでは顕微鏡と称するが、倍率は１倍以上には限らない。
　次にテラヘルツ顕微鏡１５の動作について説明する。
　まずコヒーレントテラヘルツ光源７からコヒーレントテラヘルツ光１が出力される。コヒーレントテラヘルツ光源７として、光の周波数が１．５ＴＨｚ以上のときは量子カスケードレーザを用い、２ＴＨｚ以下のときはショットキーダイオード逓倍器光源などを使用する。
　コヒーレントテラヘルツ光源７から出力された光は、第１レンズ９により集光され、ミラー１６により試料ステージ２４の方向に反射される。反射された光は、虹彩絞り１７の位置で焦点を結び、第２レンズ１８によりコリメートされ、試料ステージ２４上の試料２６が照明される。虹彩絞り１７は、高次のモードなど不要光を除外するために用いられる。
　試料２６固有の吸収を受け試料２６を透過した光は、対物レンズ２１、接眼レンズ２３によって、集光、コリメートされてテラヘルツカメラ１１に入射し、試料２６の像がセンサパッケージ１２に内蔵されたアレイセンサ上に結像される。
　これらの過程で、レンズ、ミラー、フィルタなど光学部品の有効径外に広がった光は、反射防止体５によって除去もしくはインコヒーレント化される。このため、画質の低下を防ぐことが出来る。
　〔第４の実施形態〕レンズやミラーなどを一つの光学装置と見なすことも出来る。図６はレンズの例を示したものである。第１レンズ９の外周部に反射防止体５が設けられている。この構成において、光学系の有効径はテラヘルツ光に対して透明な部分の径であり、構造体は第１レンズ９の外周部であり、外周部には反射防止体５が設けられている。図７はミラーの例である。ミラー１６の外周部に反射防止体５が形成されている。図８は虹彩絞り１７の例を示す平面図である。羽根２７が絞り支持体２８に支持されている。羽根２７には反射防止体５が形成されている。羽根２７をレバー２９で動かすことによって、有効径の大きさを調整できる。なお図では羽根２７の表面全体に反射防止体５が形成されるように描いてあるが、有効径を規定する羽の端部近傍だけに反射防止体５を設けていても同様の効果を得ることができる。本実施の形態を適用する光学装置は上記に限られず、固定型の絞り、プリズム、回折格子など種々のものに適用できる。
〔実施例〕
　次に実際の観察結果の一例を示す。現象の要因を複雑化させないために、量子カスケードレーザと、レンズの無い金属枠のみと、赤外線カットフィルタと、テラヘルツカメラと、を直線上に配置して実験を行った。ここで枠は、有効径の固定された絞りとみなすことが出来る。
　量子カスケードレーザの出力光の周波数は２ＴＨｚとした。干渉を引き起こすフレーム枠は、黒アルマイト表面処理を施した開口径φ３０ｍｍ、長さ２０ｍｍの金属枠である。赤外線カットフィルタは、１０ＴＨｚ以上の周波数の光を透過しないフィルタである。テラヘルツカメラは画素数３２０×２４０、画素ピッチ２３．５μｍのアレイセンサを内蔵したものであり、センササイズは７．５２ｍｍ×５．６４ｍｍである。量子カスケードレーザの発光点からテラヘルツカメラの先端までの距離を１４０ｍｍとし、赤外線カットフィルタはテラヘルツカメラの先端に接する位置に設置した。
　図９は、金属枠を置かないときのテラヘルツ画像である。レンズで集光していないため、全体的に暗い画像となっている。
　図１０は、反射防止体を施していない金属枠を、発光点から９０ｍｍ、テラヘルツカメラの先端から５０ｍｍの位置に置いたときのテラヘルツカメラの画像である。金属枠からの反射光も入射するため、全体的に明るくなると同時に、円形の枠からの反射光と枠内を通過した光が干渉するため、同心円状の干渉縞が発生している。
　図１１は、金属枠の内側に反射防止体を設置した場合のテラヘルツ画像である。金属枠からの反射が抑えられたため、金属枠を置かない場合の図９と同様の画像となり、干渉縞の発生が十分に抑制されることが判った。反射防止体は、ポリエステル基材の上に黒色に染めた長さ１ｍｍのナイロンを静電気植毛したフィルムである。
　このような植毛フィルムを用いると、光の波長１５０μｍより長い凹凸があることにより、微小な反射があってもコヒーレント性を失って干渉縞が発生しないようにすることができる。
　〔第５の実施形態〕図１２は本発明第５の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態はテラヘルツカメラ１０に関する。テラヘルツカメラ１０には、コヒーレントテラヘルツ光１の入射部に虹彩絞り１７が設けられている。虹彩絞り１７は羽根２７を動かして内径を拡大、縮小できるようになっており、羽根２７の内側端部には反射防止体５が設置されている。虹彩絞り１７を用いて、窓１４端部や、センサパッケージ１２端部などの反射要素にテラヘルツ光が照射されるのを防ぐことが出来る。このため、不要光の干渉による画質の低下を防ぐことが出来る。なお図１２では虹彩絞り１７がテラヘルツカメラ１０の筐体に支持される構造となっているが、別の支持体に支持されていても良い。
　〔第６の実施形態〕図１３は第６の実施の形態の光学装置を示す断面図である。本実施の形態の光学装置は、コヒーレントテラヘルツ光源７が、周波数の異なる複数種のテラヘルツ光を出力できるようになっている。光学系、テラヘルツカメラ等コヒーレントテラヘルツ光源７の外に配置される構成要素は他の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
　コヒーレント光源７は、それぞれ周波数の異なる複数のレーザ３０を備えており、ここでは仮にレーザａ３０ａ、レーザｂ３０ｂ、レーザｃ３０ｃとしている。可動ミラー３１で出力するレーザ３０を選択することが出来るようになっている。可動ミラー３１で反射されたテラヘルツ光はレンズ３２の作用によって所定の出射角で出射される。なお用いるレーザ３０の種類は３つに限られない。さらに、用いる光源はレーザに限られるものではなく、出力する光の周波数を切換える手段も可動ミラー３１に限られるものではない。複数の光源を同時に点灯してフィルタやスリットで切り替えるなど、周知の技術を用いて種々のバリエーションが可能である。
　このように周波数の異なるテラヘルツ光を用いると、物質固有の吸収特性から物質を特定することが出来る。すなわち、試料の指紋スペクトルを取得することができる。
　〔第７の実施形態〕第６の実施の形態で説明したように、本発明は指紋スペクトルを取得する光学装置に適用することが出来る。この特徴を活用した装置の一例として手荷物検査装置が考えられる。
　図１４は本実施の形態による手荷物検査装置３３を示す模式図である。筐体６の中に、コヒーレントテラヘルツ光源７と、テラヘルツカメラ１１が備えられている。これらを反射型の配置にすることにより、コンベア３４上を流れる手荷物３５のテラヘルツ画像を取得することが出来る。
　テラヘルツ光には紙やプラスチックを透過する特徴があるため、可視光では見ることが出来ない荷物の中身をも検査することが出来る。また指紋スペクトルを用いて、薬物などの持込をチェックすることも可能である。なお、ここでは詳述しないが、装置は透過型の配置で構成することも可能である。また、検査対象は手荷物３５に限られるものではなく、例えば青果物や薬品、化学物質などの検査にも、本実施の形態の光学装置を利用することが出来る。
　以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１３年７月１日に出願された日本出願特願２０１３－１３７７１３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１　　コヒーレントテラヘルツ光
　２　　光学系
　３　　有効径
　４　　構造体
　５　　反射防止体
　６、１０１　　筐体
　７、１０２　　コヒーレントテラヘルツ光源
　８、１１５　　レンズ支持体
　９、１０７　　第１レンズ
　１０　　試料支持体
　１１、１０５　　テラヘルツカメラ
　１２、１１７　　センサパッケージ
　１３、１１８　　アレイセンサ
　１４、１１９　　窓
　１５　　テラヘルツ顕微鏡
　１６、１０８　　ミラー
　１７、１０９　　虹彩絞り
　１８、１１０　　第２レンズ
　１９、１１６　　ミラー支持体
　２０、１０４　　鏡筒
　２１、１１１　　対物レンズ
　２２、１１２　　赤外線カットフィルタ
　２３、１１３　　接眼レンズ
　２４、１０３　　試料ステージ
　２５、１１４　　アーム
　２６、１０６　　試料
　２７　　羽根
　２８　　絞り支持体
　２９　　レバー
　３０　　レーザ
　３１　　可動ミラー
　３２　　レンズ
　３３　　手荷物検査装置
　３４　　コンベア
　３５　　手荷物

Claims (10)

  1. 　周波数が０．１から１０ＴＨｚのコヒーレントテラヘルツ光を用いる光学系と、前記光学系の有効径外に位置する構造体の前記有効径側に設置された反射防止体と、を有する、ことを特徴とするコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  2. 　前記有効径が、幾何光学の光線追跡範囲であることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  3. 　前記光学装置が、前記コヒーレントテラヘルツ光を検出する光検出手段を有することを特徴とするコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  4. 　前記光学装置が、前記コヒーレントテラヘルツ光を出力するコヒーレントテラヘルツ光源を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  5. 　前記コヒーレントテラヘルツ光源が、周波数の異なる複数の前記コヒーレントテラヘルツ光を選択的に出力することを特徴とする請求項４に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  6. 　前記構造体が絞りであることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  7. 　前記光学装置がレンズまたはミラーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  8. 　前記光学装置が前記コヒーレントテラヘルツ光を検出する光検出装置であり、前記構造体が前記光検出装置の光検出部を収納する筐体を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  9. 　前記光検出装置が、光検出素子がアレイ状に配列した光検出部を有することを特徴とする請求項８に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
  10. 　前記光検出部への光入射部の端部に前記反射防止体が設けられていることを特徴とする請求項９に記載のコヒーレントテラヘルツ光用光学装置。
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