JP2013007740A - 波面測定装置及び波面測定方法、物体測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波面の分解能を改善した波面測定装置の提供。
【解決手段】電磁波パルス１の電場強度に関する信号を検出する検出部３と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部４ａと、前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部４ｂと、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】電磁波パルス１の電場強度に関する信号を検出する検出部３と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部４ａと、前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部４ｂと、を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、電磁波パルスの波面形状を測定する波面測定装置及び波面測定方法、物体測定装置に関する。
近年、様々な電磁波の波面を測定する波面測定装置やそれを用いた電磁波の波面を調整する波面調整装置が開発されている。このような装置の応用先は、天文学や医用画像分野など多岐に渡っている。波面測定装置としては、シャック・ハルトマンセンサー、シアリング干渉計、波面曲率センサーなどを用いた測定装置が一般に知られている。
特許文献１には、波面測定装置としてシャック・ハルトマンセンサーの波面測定方式を用いて、短時間かつ高精度で波面を計測することができる波面測定装置が開示されている。この波面測定装置は、レンズアレイと、このレンズアレイを透過した被計測光が収束されて生じる集光スポットを画像信号に変換する二次元検出器と、を備える。さらに、集光スポットの座標を二値化重心演算により求め、これら集光スポットの座標から被計測光の波面を演算している。
しかしながら、特許文献１に記載の波面測定装置では、波面の分解能（分割数）と同じだけ検出素子が必要であり、検出素子の数により波面の分解能が制限されてしまっていた。
そこで、本発明では、検出素子の数に制限されずに、電磁波パルスの波面の分解能を高めることを目的とする。
上記課題に鑑み、本発明の波面測定装置は以下の構成を有する。即ち、電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部と、前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部と、を有する。
また、上記課題に鑑み、本発明の波面測定方法は以下の工程を有する。即ち、電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、を有する波面測定装置における電磁波パルスの波面を測定する波面測定方法であって、電磁波パルスの時間波形を取得するステップと、分割される領域ごとに電磁波パルスの波面に対応するパルス間のパルスピーク時間間隔を測定して、前記パルスピーク時間間隔を電磁波パルスの波面の前記領域ごとの時間差として算出するステップと、を有する。
また、上記課題に鑑み、本発明の測定装置は以下の構成を有する。即ち、テラヘルツ時間領域分光法を用いて物体を測定する測定装置は、
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波パルスを発生させる発生部と、
波面測定装置であって、電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部と、前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部とを有する波面測定装置と、を有する。
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波パルスを発生させる発生部と、
波面測定装置であって、電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部と、前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部とを有する波面測定装置と、を有する。
検出素子の数に制限されずに、電磁波パルスの波面の分解能を高めることができる。
（実施形態１）
本実施形態の波面測定装置及び波面測定方法は、電磁波パルスの波面を複数に分割して、時系列で測定することを特徴とする。波面を複数に分割する、即ち、伝搬距離を分割する波面ごとに異ならせる。それにより、検出部で電磁波パルスを検出する際に、検出される電磁波パルスに関する信号が、波面ごとの伝搬距離に基づき時間的に分離された状態で検出することが可能となる。つまり、電磁波パルスの時間波形を取得する際に、分割された波面の領域ごとに異なる時間差ΔＴ１を与え、電磁波パルスのそれぞれの波面のパルスピーク時間間隔ΔＴ２を測定することで、ΔＴ２−ΔＴ１を２つの分割波面間の波面の時間差として取得することができる。これにより、分割された領域ごとに検出される電磁波を時間的に分離して検出するため、検出素子数に制限されずに、電磁波パルスの波面の分解能を高めることができる。ここで、時間差ΔＴ１としては、分割された波面の領域ごとに異なる伝搬経路の長さの差を電磁波の速さで除算して求めるものとする。
本実施形態の波面測定装置及び波面測定方法は、電磁波パルスの波面を複数に分割して、時系列で測定することを特徴とする。波面を複数に分割する、即ち、伝搬距離を分割する波面ごとに異ならせる。それにより、検出部で電磁波パルスを検出する際に、検出される電磁波パルスに関する信号が、波面ごとの伝搬距離に基づき時間的に分離された状態で検出することが可能となる。つまり、電磁波パルスの時間波形を取得する際に、分割された波面の領域ごとに異なる時間差ΔＴ１を与え、電磁波パルスのそれぞれの波面のパルスピーク時間間隔ΔＴ２を測定することで、ΔＴ２−ΔＴ１を２つの分割波面間の波面の時間差として取得することができる。これにより、分割された領域ごとに検出される電磁波を時間的に分離して検出するため、検出素子数に制限されずに、電磁波パルスの波面の分解能を高めることができる。ここで、時間差ΔＴ１としては、分割された波面の領域ごとに異なる伝搬経路の長さの差を電磁波の速さで除算して求めるものとする。
さらに、電磁波パルスの波面のズレが小さく、ズレ量が正確に測定しにくい場合には、分割する領域ごとの伝搬距離の調整をする波面調整部により、分割する波面間に電磁波パルスのパルス時間幅以上の大きな時間差ΔＴ１を与える構成としても良い。即ち、ΔＴ１を大きくすることで、分割された波面においてそれぞれの電磁波パルスの時間波形が重ならないように、時間的に分離しやすくできる。以下、図を用いて本実施形態について詳しく説明する。
（波面測定装置の構成）
本実施形態の波面測定装置について、図１を用いて説明する。図１は波面測定装置の概略構成を示した図である。波面測定装置１００は、電磁波パルスを検出する検出部３、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路、第二の伝搬経路を備えるように検出部３に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部である波面調整部２を有する。また、検出部３に電磁波パルスを集光する集光部６、波面制御部５、検出部３で検出された信号を用いて電磁波パルスの波面を計測し処理する処理部４を有する。また、電磁波パルスを透過、反射させるビームスプリッタ９を有する。
本実施形態の波面測定装置について、図１を用いて説明する。図１は波面測定装置の概略構成を示した図である。波面測定装置１００は、電磁波パルスを検出する検出部３、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路、第二の伝搬経路を備えるように検出部３に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部である波面調整部２を有する。また、検出部３に電磁波パルスを集光する集光部６、波面制御部５、検出部３で検出された信号を用いて電磁波パルスの波面を計測し処理する処理部４を有する。また、電磁波パルスを透過、反射させるビームスプリッタ９を有する。
ここで処理部４は、検出部３で検出した電磁波パルスの電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部４ａと、電磁波パルスの時間波形と波面調整部２における第一、第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部４ｂとを備える。図１において示すように、電磁波パルス１は、ビームスプリッタ９を透過して波面調整部２で反射した後にビームスプリッタ９と集光部６によって電磁波の電場強度を検出する検出部３に到達する。ここで、集光部６の反射面の形状としては、各反射面における電磁波パルスの検出部に至るまでの伝搬距離が等しくなるようにしてある。つまり、波面調整部２からビームスプリッタ９と集光部６を経て検出部３に至る電磁波パルスの波面の伝搬経路が、波面調整部２で付与される空間領域ごとの伝搬距離の分を除いて、等しくなる様に形成されている。ただし、伝搬される電磁波パルス１は任意の形状とすることが可能で、平行に伝搬される電磁波でも収束・発散する電磁波であってもよい。
（波面調整部）
（波面調整部）
波面調整部２は、電磁波パルス１の波面をある領域ごとに分割し、分割された領域ごとの電磁波パルスの波面に対して、それぞれ異なる長さの伝搬経路とすることである。本実施形態では、少なくとも２以上の領域、即ち第一の伝搬経路と第二の伝搬経路とを備えるように分割する。また、第一、第二の伝搬経路の少なくとも一方の長さを可変に制御するように構成することが望ましい。尚、本明細書では、電磁波パルス１の波面とは、或る時点での電磁波パルスの電界強度ピーク値を連続的に繋いだ面のことをいう。また、波面の分割とは、波面の面内で空間的に複数の部分に分けることをいう。尚、回折効果によって分割された電磁波パルスの波面同士が一部混じることがある。波面調整部２の形状等によっては、その回析の影響についても、考慮するのが望ましい。
この波面調整部２としては、領域ごとに異なる長さの伝搬経路を備えるように電磁波パルスを遅延させる。また、電磁波パルスの反射面を連続的または非連続的に変形できる可変形鏡や分割鏡などを用いることが望ましい。尚、反射面が連続的または非連続的に固定された反射鏡や分割鏡を用いることも可能である。この場合には、空間領域ごとに付与する伝搬経路の長さ（伝搬距離）を可変に調整することを可能とするため、反射鏡を傾斜、回転可能に構成することが望ましい。
図２は波面調整部２の構成例を示す図である。図２（ａ）は、波面調整部２を電磁波パルス１の進行方向から見た図であり、図２（ｂ）、（ｃ）はそのＡ−Ａ’断面を示した図である。３１、３２、３３、３４、３５は、本実施形態における各分割部のミラー（３１、３２、３３、３４、３５）、４１、４２、４３は、そのそれぞれのミラーの位置を可変にするように駆動する駆動手段であるアクチュエータ（４１、４２、４３）である。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態では波面を５つの領域に分割して、それぞれにミラー、アクチュエータを配置する。また、各ミラー（３１、３２、３３、３４、３５）を電磁波パルスの伝搬方向に対して平行に移動可能に構成することにより、分割領域ごとの伝搬経路の長さ（伝搬距離）を精度よく移動させることができる。
尚、本実施形態のように分割鏡とする場合に、ミラー、アクチュエータの個数としては、２以上であれば良く、電磁波パルスの波面の分割を多くして空間分解能を高めるという観点から５以上であることが望ましい。
図２（ｃ）は、ミラー３１をアクチュエータ４１を駆動して移動させた図である。このように、ミラー３１を時間ΔＴ１/２に相当する長さ移動させることで、ミラー３１における伝搬経路の長さ（第一の伝搬経路の長さ）はミラー３２、３３における伝搬経路の長さ（第二の伝搬経路の長さ）に比べて２・ΔＴ１・１/２（＝ΔＴ１）短くすることができる。これにより、検出部３において検出されるミラー３１において反射される電磁波パルスに比べて、ミラー３２、３３において反射される電磁波パルスは２・ΔＴ・１/２分の時間遅延を付与されることになる。
尚、波面調整部２は、時間領域分光法を用いて時間波形を構築することができるように、領域ごとに分割せずにすべての反射面を一括して、移動させることができるように構成しても良い。詳しくは後述する。
（電磁波パルスの時間波形の構築）
電磁波を検出する検出部３では、電磁波パルス１の電場強度（電界強度）に関する情報を検出する。処理部４では、検出部３から伝搬される検出信号を用いて電磁波パルス１の時間波形を構築し、さらに電磁波パルスの波面を取得する。波面制御部５は、波面調整部２における電磁波パルス１の波面分割パターンや、分割された波面それぞれに付与する伝搬距離を可変に制御する。
電磁波を検出する検出部３では、電磁波パルス１の電場強度（電界強度）に関する情報を検出する。処理部４では、検出部３から伝搬される検出信号を用いて電磁波パルス１の時間波形を構築し、さらに電磁波パルスの波面を取得する。波面制御部５は、波面調整部２における電磁波パルス１の波面分割パターンや、分割された波面それぞれに付与する伝搬距離を可変に制御する。
（波面測定の原理）
本実施形態の波面測定の原理を図３、図４、図５を用いて以下説明する。
図３は、本実施形態における波面測定装置１００の電磁波パルスの波面測定方法を示すフローチャートである。本実施形態の波面測定装置１００において、電磁波パルスの波面測定方法のステップは以下の工程を有する。
本実施形態の波面測定の原理を図３、図４、図５を用いて以下説明する。
図３は、本実施形態における波面測定装置１００の電磁波パルスの波面測定方法を示すフローチャートである。本実施形態の波面測定装置１００において、電磁波パルスの波面測定方法のステップは以下の工程を有する。
ここで、電磁波パルスとしては３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む、所謂テラヘルツ波と呼ばれる周波数帯域を用いることが望ましい。テラヘルツ波を用いることで、癌細胞や含水率といったサンプルの物性に関するイメージング等にも応用が期待できる。
電磁波パルスをサンプルに照射して測定を開始する。その後、まず波面調整部２により分割する領域ごとに異なる時間遅延ΔＴ１（伝搬距離）を与えるステップ（Ｓ１）。検出部３により電磁波パルスの電場強度に関する情報を検出するステップ（Ｓ２）。電磁波パルス１の時間波形を構成するステップ（Ｓ３）。分割された電磁波パルス１の時間波形と波面調整部２により調整された伝搬距離（伝搬経路の長さ）に関する情報（付与された時間遅延ΔＴ１）とに基づき電磁波パルスの波面を取得するステップ（Ｓ４）。
このような上記１〜４の工程を備えることで、分割された領域ごとの電磁波パルスの時間波形を取得することが可能となり、その得られた時間波形より電磁波パルスの波面を取得することが出来る。さらに、詳しく、本実施形態の波面測定の原理について以下説明する。
図４は、波面調整部を拡大した図である。この図では、波面調整部２よりも電磁波パルスの伝搬方向上流側で反射前の電磁波パルス１ａの波面、波面調整部２よりも電磁波パルスの伝搬方向下流側で反射後の電磁波パルス１ｂの波面を示している。
図４（ａ）は、波面調整部２のミラー３１、３２、３３の反射面が同一の平面内にあるときの図であり、図４（ｂ）は、ミラー３２を同一の平面内からΔＴ１移動させたときの図である。図５は、時間波形を用いる波面測定の方法例を説明する図である。図５（ａ）は、電磁波パルス１の中央部７の時間波形、（ｂ）は、電磁波パルスの周辺部８の時間波形、（ｃ）は、電磁波パルスの中央部７と周辺部８の時間波形が重なって検出されるときの時間波形、（ｄ）は、電磁波パルスの中央部７と周辺部８の時間波形が分離されて検出されるときの時間波形を示した図である。
まず、図４（ａ）において示すように、例えば、波面調整部２で反射前の電磁波パルス１の波面１ｂは、電磁波パルスの波面１ｂの中央部７が周辺部８に比べて時間的に進んでいて、中央部７における電磁波パルスのピークは周辺部８に比べて伝搬方向下流側に位置する状況であるとする。
ここで、この中央部７と周辺部８の波面の時間差ΔＴ０を１００ｆｓ、電磁波パルス１のパルス幅（本明細書では、パルス幅とは電界強度のＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）とする）を４００ｆｓとする。
図４（ａ）では、波面調整部２が同一平面になっているため、電磁波パルス１は、波面調整部２での反射前後で波面形状が変わらない。そのため、検出部３に到達するときの電磁波パルスの波面もΔＴ０＝１００ｆｓのままである。このとき、図５に示すように検出部３において、電磁波パルス１の中央部７の時間波形（図５（ａ））と周辺部８の時間波形（図５（ｂ））は、時間的に重なって検出されてしまう（図５（ｃ））。
一般に、このように重なった時間波形から、電磁波パルス１の中央部７の時間波形と周辺部８の時間波形における対応する波面の電界強度のピーク位置の時間差を精度良く求めるのは困難である。
一方、図４（ｂ）では、波面調整部２のミラー３１が他のミラー３２、３３よりも図示するように突き出しているため、ミラーに反射後の電磁波パルス１の波面形状が変わる。ここで、中央のミラー３１の突き出し長さを例えば６０μｍとすると、電磁波パルス１の中央部７のビームの伝搬経路（第一の伝搬経路）の長さ、即ち第一の伝搬距離が、周辺部８のビームの伝搬経路（第二の伝搬経路）の長さ、即ち第二の伝搬距離、に比べて１２０μｍ（ΔＴ１＝４００ｆｓに対応）短くなる。そのため、この状態で時間波形を構築すると、図５（ｄ）に示すように電磁波パルス１の中央部７の電磁波パルスと周辺部８の電磁波パルスの主要な部分（電界強度の大きい部分）を時間的に分離して検出することができる。したがって、それぞれの電界強度ピーク位置の時間差の測定が容易となる（図５（ｄ））。
中央部７の電磁波パルスと周辺部８の電磁波パルスとをはっきりと時間的に分離して時間精度良くパルスピーク時間間隔を測定するために、第一、第二の伝搬経路の長さの時間差に相当するΔＴ１は、電磁波パルス１のパルス時間幅以上であることが望ましい。即ち、本実施形態における電磁波パルスのパルス幅である４００ｆｓ以上であることが望ましい。ただし、第一、第二の伝搬経路の長さの時間差ΔＴ１は、電磁波パルス１の時間波形の測定時間幅以下である必要がある。一般に測定時間幅が長いほどパルス分離は容易になるが、波面測定時間が長くなってしまう。このパルス分離容易性と波面測定時間長との間のトレードオフについては、システムの要請から決めればよい。
測定した電磁波パルスの領域ごとの、対応する波面のピーク間隔をパルスピーク時間間隔ΔＴ２とすると、次の（式１）のようにして電磁波パルス１の中央部７と周辺部８の対応する各パルス間の波面（電界強度ピーク時間差、波面のズレ量）ΔＴ０を算出することができる。
ΔＴ２−ΔＴ１＝ΔＴ０ （式１）
ΔＴ２−ΔＴ１＝ΔＴ０ （式１）
この式１を用いて、空間領域ごとの波面のズレ量の測定を、分割波面毎に繰り返すことで、電磁波パルス１ａの波面の状態を領域ごとに測定することができる。尚、波面分割パターンや分割数は任意でよい。ただし、分割された領域が小さすぎると回折の影響が大きくなって検出部３に集光しきれない成分が増えてしまう。そのため、分割する領域の大きさ（分解能）は、電磁波パルス１に含まれる波長成分の最大波長よりも大きい構成とすることが望ましい。
図６は、本実施形態で説明した波面測定装置の変形例を示す。図６（ａ）に示すように、波面調整部２への電磁波パルス１の入射角度を反射面に対して垂直から傾けてもよい。このような構成により、ビームスプリッタ９を不要にできるという利点がある。
図６（ｂ）に示すように、波面調整部２は透過型でもよく、例えば液体レンズなどを使用して領域ごとの伝搬距離を変えて波面を分割する構成としてもよい。また、表面を凹凸形状にして分割する波面毎に異なる伝搬経路を持たせるようにしたガラスやプラスチックの板を、波面測定時に挿入するような構成としてもよい。このような透過型の波面調整部２とする場合、波面調整部２の材料としては、電磁波パルス１の透過性の高い物質を使用することが望ましい。
尚、これまで検出部３の検出素子が１つのケースを用いて説明したが、複数の検出素子を備える検出部３であってもよい。この際、検出素子をライン状やアレイ状に並べる構成としてもよい。ただし、領域の分割数（分解能）に比べて少ない検出素子からなる。複数の検出素子で分担して電磁波パルスの電場強度を検出し、その後、波面の測定をする構成とすると、電磁波パルスの波面測定に要する時間の増加を抑制することができる。
（実施形態２）
本実施形態は、電磁波パルス１の波面と任意の目標とする所定の波面とを比較して、波面調整部２の領域ごとの伝搬経路の長さを可変に制御して電磁波パルス１の波面を所定の波面へと近づけるステップを有することを特徴とする。尚、その他の構成については実施形態１と略同様であるため、これらについては省略して、以下説明する。
本実施形態は、電磁波パルス１の波面と任意の目標とする所定の波面とを比較して、波面調整部２の領域ごとの伝搬経路の長さを可変に制御して電磁波パルス１の波面を所定の波面へと近づけるステップを有することを特徴とする。尚、その他の構成については実施形態１と略同様であるため、これらについては省略して、以下説明する。
（波面測定装置の構成）
図７は、本実施形態の電磁波パルスの波面測定装置の概略構成について示した図である。本実施形態は実施形態１の構成に波面調整制御部５１が加わる。波面調整制御部５１は、波面調整部２を移動させて伝搬経路の長さを可変に制御し、検出される電磁波パルス１の波面が所定の波面となるように制御する。
図７は、本実施形態の電磁波パルスの波面測定装置の概略構成について示した図である。本実施形態は実施形態１の構成に波面調整制御部５１が加わる。波面調整制御部５１は、波面調整部２を移動させて伝搬経路の長さを可変に制御し、検出される電磁波パルス１の波面が所定の波面となるように制御する。
本実施形態における電磁波パルスの波面の調整ステップは大きく２つに分けられる。第一ステップとしては電磁波パルス１の波面を測定するステップである。この第一ステップとしては実施形態１で説明した測定方法を用いれば良い。その後、第二ステップとして、第一ステップにおいて測定された電磁波パルス１の波面と任意の目標とする所定の波面とを比較して、波面調整制御部５１によって波面調整部２の領域ごとの伝搬距離を可変に制御して電磁波パルス１の波面を所定の波面へと近づけるステップである。
なお、所定の波面は任意に決められる。例えば、測定される電磁波パルスの波面が平面波や球面波となる波面などを使用できる。また、光学シミュレーションを使用して算出したり、或る時点での測定波面を所定の波面と設定したりしてもよい。所定の波面へ、どの程度近づけるかも任意である。本実施形態では電磁波パルス１のパルス幅の広がりを低減するために、電磁波パルス１のパルス幅の１／１０に設定するが、製品に合わせて適宜設定すればよい。
第二ステップでは、第一ステップで得られた波面ズレ量（所定の波面との差）の時間差に対応した伝搬距離だけ、波面調整部２の各ミラー３１〜３５を動かす。例えば、波面ズレ量について、波面内の一部分であるＡとＢで時間差が３０ｆｓであれば、それぞれに対応する波面調整部２の部分を光軸方向に互いに５μｍずらせばよい（ただし、これは波面調整部２が反射型の場合）。
波面調整部２は、第一ステップのように、分割波面間の伝搬経路の伝搬距離の差を大きくずらす時と、第二ステップのように例えば数μｍといった小さい伝搬経路の伝搬距離の差が必要な時とがある。そのため、それぞれの時の可動範囲や位置精度に適した２つのアクチュエータを設けるなどしてもよい。
波面補償をより高精度に行うためには、波面調整部２の配置が、収差の生じる箇所と光学的に共役になっていることが望ましい。波面調整部２を電磁波パルス１の光軸中に複数設けてもよい。これら複数の波面調整部２の配置位置が光学的に共役となる箇所が互いに異なるようにすれば、それら異なる箇所で発生する波面のズレの補償が容易になる。
波面の乱れによって、検出される電磁波パルス１はパワーが小さくなったりパルス幅が広がったりしてしまう。これは、波面内の各部分が空間的に広がったり時間的にずれたりして検出部３に到達するためである。本実施形態のような構成とすることで、収差の影響を低減して、検出パワーを向上したりパルス幅の広がりを抑えたりすることができる。
（実施形態３）
本実施形態は、実施形態１、２における波面測定装置を、テラヘルツ時間領域分光法を用いて物体の測定をする物体測定装置２００に適用することを特徴とする。尚、波面測定装置の構成については実施形態１と略同様であるため、これらについては省略して、以下説明する。
本実施形態は、実施形態１、２における波面測定装置を、テラヘルツ時間領域分光法を用いて物体の測定をする物体測定装置２００に適用することを特徴とする。尚、波面測定装置の構成については実施形態１と略同様であるため、これらについては省略して、以下説明する。
（物体測定装置）
図８は、本実施形態の物体測定装置２００の概略構成を示した図である。本実施形態に係る物体測定装置２００は、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ程度の周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を利用するＴＨｚ−ＴＤＳ（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いる測定装置に上述した波面測定を適用した構成例を示す。
図８は、本実施形態の物体測定装置２００の概略構成を示した図である。本実施形態に係る物体測定装置２００は、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ程度の周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を利用するＴＨｚ−ＴＤＳ（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いる測定装置に上述した波面測定を適用した構成例を示す。
図において、励起光パルスを発生させる励起光パルス発生部１０は、励起光パルス１１を出射する。励起光パルス発生部１０としては、ファイバレーザなどを使用することができ、励起光パルス１１は、ここでは波長１．５μｍ帯、パルス時間幅（パワー表示での半値全幅）３０ｆｓ程度のパルスレーザとする。励起光パルス１１はビームスプリッタ１２で分割されて二手に分けられる。一方の励起光パルス１１は電磁波パルス発生部である電磁波パルス発生素子１３へ入射し、もう一方の励起光パルス１１は第二次高調波発生部１７へ入射する。
電磁波パルス発生部である電磁波パルス発生素子１３は光伝導素子とシリコン半球レンズとからなる。光伝導素子は、励起光パルス１１を吸収して光励起キャリアを発生する光伝導層と、光伝導層に電界を印加するための電極と、発生した電磁波パルス１を放射するためのアンテナとからなる。電磁波パルス１は、光励起キャリアが電界によって加速されることによって発生する。電磁波パルス１は、光伝導素子が形成された基板の裏面方向に強く放射されるため、基板裏面にシリコン半球レンズを接して配置して、空間への放射パワーを高めている。
ここでは励起光パルス１１の波長を１．５μｍ帯としたので、光伝導層としては、この波長の励起光を吸収して光励起キャリアを発生できる低温成長ＩｎＧａＡｓを使えばよい。電圧源１４は光伝導素子の電極へ電圧を印加する。上記構成とすれば、パルス時間幅（電界強度表示での半値全幅）数１００ｆｓ、周波数領域で数ＴＨz程度までの電磁波パルス１を放射させることが一般に可能である。
空間に放射された電磁波パルス１はレンズやミラー等の光学素子によってサンプル１５へと集光され照射される。サンプル１５から反射した電磁波パルス１は波面調整部２へと入射する。波面調整部２で反射した電磁波パルス１は、電磁波パルス検出素子１６に入射する。尚、サンプル１５や波面調整部２を透過する構成にしてもよい。
ビームスプリッタ１２で分けられて第二次高調波発生部１７へ入射したもう一方の励起光パルス１１は、第二次高調波変換過程によって波長０．８μｍ帯のパルスレーザとなる。第二次高調波変換素子としてはＰＰＬＮ結晶（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）などを使用できる。他の非線形過程で生ずる波長や、波長変換されずに出射してくる１．５μｍ帯の波長のレーザは、通常はダイクロイックミラー等によって励起光パルス１１から除かれる。０．８μｍ帯の波長に変換された励起光パルス１１は、励起光遅延系１８を通過して電磁波パルス検出素子１６へと入射する。電磁波パルス検出素子１６としては、電磁波パルス発生素子１３と同じような構成の光伝導素子とシリコン半球レンズを使用することができる。ただし、０．８μｍ帯の励起光パルス１１を吸収するために、光伝導層には低温成長ＧａＡｓが好適に用いられる。光伝導層で発生した光励起キャリアは電磁波パルス１の電界によって加速され、光励起キャリアがトラップされるまで電極間に電流を生じさせる。
電流は電流電圧変換部１９によって電圧に変換される。この電圧値は、光電流が流れている時間内（一般に、電磁波パルス１のパルス時間幅より短い時間スケールにする）の電磁波パルス１の電界強度を反映している。励起光遅延系１８によって励起光パルス１１の遅延時間を掃引することで、電磁波パルス１の電界強度の時間波形を再構成することができる。処理部４ではこうして得られた電磁波パルス１の時間波形やその周波数成分からサンプルの情報（複素屈折率や形状、トモグラフィックイメージなど）を取得し、表示部２０に表示する。
電磁波パルス１の波面には様々な要因による収差が含まれ得る。例えば、電磁波パルス１がサンプル１５内部の測定箇所に到達するまでのサンプル１５自身や、光路上の雰囲気ガスの乱れ、光学素子などから収差が発生する。波面制御部５では波面調整部２を制御してこれらの電磁波パルス１の波面を調整する。波面測定ステップや波面調整ステップは、実施形態１や実施形態２で説明したように実施すればよい。テラヘルツ波の波長は３００μｍ程度（周波数１ＴＨｚ）なので、波面調整部２における波面分割のサイズは数ｍｍ以上であると回折効果の影響を小さく抑えられる。例えば電磁波パルス１のビームサイズを直径５０ｍｍ、分割波面のサイズを１０ｍｍとすればよい。
電磁波パルス発生素子１３に印加する電圧に数１０ｋＨｚ程度の電圧変調を加え、ロックイン検出を行ってもよい。揺動する物体中にある測定箇所を観測する場合には（液体・粉体中や人体など）、その遥動の時間スケールに追随して電磁波パルス１の波面の補償を繰り返すことで、時間的なノイズ変動を低減した高精度な測定が可能となる。
サンプル１５の位置にミラーを配置したときの波面を波面調整部２で調整して目標の理想波面に近づけておき、その際の波面調整部２の波面調整量をサンプル１５の測定においても使用するようにしてもよい。こうすれば、サンプル１５以外に起因する収差を低減でき、サンプル１５自身の情報（サンプルに起因する収差も含めて）を測定することができる。サンプル１５の位置にミラーを配置した時の波面を理想波面としてもよい。この場合は、サンプル１５を設置した時の波面調整において、サンプル１５自身に起因する収差を低減できる。
ここではサンプル１５と電磁波パルス検出素子１６の間に波面調整部２を配置したが、配置場所は電磁波パルス発生素子１３とサンプル１５の間でもよい。この場合、まずサンプル１５を収差が生じない平面ミラーに置き換えてから、電磁波パルス１の波面を測定する。こうすることで、サンプル１５に影響されずに電磁波パルス発生素子１３と波面調整部２の間の波面ズレを測定できる。ただし、サンプル以外の収差要因（例えば波面調整部２以後の光路上の雰囲気による収差）については影響を受ける。この配置での波面測定を行うことで、サンプル１５への入射前の波面の乱れを低減することによって、より高精度なサンプルの評価を行えるといった利点がある。
以上のような構成により、収差の低減された電磁波パルスを用いて物体の評価を高精度に行うことが可能となる。
尚、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および変更が可能である。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成することで技術的有用性を持つものである。
１…電磁波パルス、２…波面調整部、３…検出部、４…処理部、５…波面制御部、１３…電磁波パルス発生素子（電磁波パルス発生部）、１５…サンプル、１６…検出部（検出素子）、５１…波面調整制御部
Claims (18)
- 電磁波パルスの波面を測定する波面測定装置であって、
電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、
電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、
前記検出部により検出された電場強度に関する信号を用いて電磁波パルスの時間波形を構成する波形構成部と、
前記電磁波パルスの時間波形と前記遅延光学部における前記第一、前記第二の伝搬経路の長さに関する情報とに基づき電磁波パルスの波面を取得する波面取得部と、を有することを特徴とする波面測定装置。 - 前記波面取得部は、前記第一、第二の伝搬経路の長さの差を電磁波の速さで除算する時間に相当する時間差ΔＴ１と、前記第一、第二の伝搬経路の対応する波面の電磁波パルスのパルスピーク時間間隔ΔＴ２とに基づき、ΔＴ２−ΔＴ１を電磁波パルスの波面として取得することを特徴とする請求項１に記載の波面測定装置。
- 前記時間差ΔＴ１は、電磁波パルスのパルス時間幅以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の波面測定装置。
- 前記第一、第二の伝搬経路の長さの差が時間差ΔＴ１に相当する長さとなるように、前記第一、第二の伝搬経路の少なくとも一方の長さを可変に制御する制御部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波面測定装置。
- 前記波面取得部により取得された電磁波パルスの波面と所定の波面とを比較して、電磁波パルスの波面を所定の波面へと近づけるように前記第一、第二の伝搬経路の長さを可変に制御する制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の波面測定装置。
- 前記検出部は、分割する電磁波パルスの波面の分割数よりも少ない検出素子からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波面測定装置。
- 分割する電磁波パルスの波面の領域は、電磁波パルスに含まれる最大波長よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波面測定装置。
- 検出される電磁波パルスは３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波面測定装置。
- 前記波形構成部は、前記制御部により可変に制御された前記伝搬経路の長さに関する情報と前記電場強度に関する信号とに基づいて、電磁波パルスの時間波形を形成することを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の波面測定装置。
- テラヘルツ時間領域分光法を用いて物体を測定する物体測定装置において、
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波パルスを発生させる発生部と、
サンプルに照射されたあとの電磁波パルスを測定する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の波面測定装置と、
を有することを特徴とする物体測定装置。 - 電磁波パルスの波面の各部分の間の時間差を算出して前記電磁波パルスの波面を測定する波面測定装置であって、
電磁波パルスを検出する検出部と、
電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、
前記検出部の検出信号から電磁波パルスの時間波形を取得し、電磁波パルスの波面の各部分に対応するパルス間のパルスピーク時間間隔を測定し、前記パルスピーク時間間隔を電磁波パルスの波面の各部分の間の時間差として算出する処理部と、を有することを特徴とする波面測定装置。 - 電磁波パルスの波面を分割して少なくとも２つの分割波面間に時間差ΔＴ１を与えるように前記伝搬経路の長さを制御する制御部と、
電磁波パルスの時間波形を取得して、前記時間差ΔＴ１を与えられた電磁波パルスの波面の各部分に対応するパルス間のパルスピーク時間間隔ΔＴ２を測定し、ΔＴ２−ΔＴ１を電磁波パルスの波面の各部分の間の時間差として算出する処理部と、
を有することを特徴とする請求項１１に記載の波面測定装置。 - 前記時間差ΔＴ１は、電磁波パルスのパルス時間幅以上の時間であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の波面測定装置。
- 得られた電磁波パルスの波面を目標の理想波面と比較して電磁波パルスの波面を前記理想波面に近づけるように制御する制御部を有することを特徴とする請求項１１に記載の波面測定装置。
- 電磁波パルスの電場強度に関する信号を検出する検出部と、電磁波パルスの伝搬経路として第一の伝搬経路と前記第一の伝搬経路と異なる領域に前記第一の伝搬経路と異なる長さの第二の伝搬経路とを備えるように前記検出部に到達する電磁波パルスを遅延させる遅延光学部と、を有する波面測定装置における電磁波パルスの波面を測定する波面測定方法であって、
電磁波パルスの時間波形を取得するステップと、分割される領域ごとに電磁波パルスの波面に対応するパルス間のパルスピーク時間間隔を測定して、前記パルスピーク時間間隔を電磁波パルスの波面の前記領域ごとの時間差として算出するステップと、
を有することを特徴とする波面測定方法。 - 前記時間波形を取得するステップとして、電磁波パルスの波面を分割して少なくとも２つの分割された波面間に時間差ΔＴ１を与えるステップと、前記分割された電磁波パルスの時間波形を取得して前記時間差ΔＴ１を与えられた電磁波パルスの波面の前記領域ごとに対応するパルス間のパルスピーク時間間隔ΔＴ２を測定するステップと、を備え、
前記算出するステップは、ΔＴ２−ΔＴ１を前記分割された電磁波パルスの波面ズレ量として算出するステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載の波面測定方法。 - 電磁波パルスの波面と目標の理想波面を比較するステップと、
電磁波パルスの波面を分割してそれぞれの分割された波面の前記伝搬経路を調整して前記理想波面に近づけるステップと、を有することを特徴とする請求項１５に記載の波面測定方法。 - 電磁波パルスをサンプルに照射するステップと、サンプルからの電磁波パルスを検出してサンプルの情報を取得するステップと、を有することを特徴とする請求項１７に記載の波面測定方法。
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