JP2014241517A - テラヘルツ波を発生する装置、またはテラヘルツ波を検出する装置 - Google Patents

テラヘルツ波を発生する装置、またはテラヘルツ波を検出する装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 テラヘルツ波を観察しながら半球状レンズと素子との相対位置を調整できるテラヘルツ波を発生または検出する装置を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明の装置は、テラヘルツ波を発生または検出する素子と、素子から射出したまたは素子へ入射するテラヘルツ波を導く半球状レンズ１０４と、半球状レンズの平面１１２と素子とが接した状態または半球状レンズの平面と素子とがテラヘルツ波を透過する物質を挟み且つ半球状レンズの平面と素子とが物質と接した状態で半球状レンズと素子とを保持するホルダ１０１と、を備える。ホルダは、弾性変形部１０２と、弾性変形部を弾性変形させることによって半球状レンズの平面と平行方向における半球状レンズと素子との相対位置を調整する位置調整部１０３と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を発生する装置、またはテラヘルツ波を検出する装置に関する。
テラヘルツ波は、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の範囲のうち、任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。このような周波数帯域には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。この特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定等を行う検査技術が開発されている。また、Ｘ線に替わるイメージング技術や高速な通信技術、さらに、テラヘルツ波の透過性を活かした物質内部の可視化を行うトモグラフィ装置への応用が期待されている。
このテラヘルツ波の発生と検出を行う一つの方法として、光伝導素子にフェムト秒レーザを照射する方法がある。光伝導素子は、微小間隙を有するアンテナ電極を設けた半導体膜を基板上に形成することで得られる。
光伝導素子から射出したテラヘルツ波の取り出し効率、または光伝導素子に入射するテラヘルツ波の取り込み効率を改善するため、半導体膜が形成されている基板と同程度の屈折率を有する半球状レンズを用いる。半球状レンズは、基板のアンテナ電極が形成されている面と対向する面に半球状レンズの平面部分を密着させて用いる。
テラヘルツ波の取り出し効率や取り込み効率を高めるためには、半球状レンズの光軸（回転対称軸）と光伝導素子のアンテナ電極との位置合わせが重要になる。
位置合わせを行う方法として、半球状レンズと光伝導素子を保持するホルダに加工された複数の凹部に半球状レンズと光伝導素子等の部品をはめ込むことで、半球状レンズと光伝導素子の位置を固定する方法が、特許文献１に記載されている。この場合、凹部の加工精度や大きさによって位置合わせの精度が決定する。
特許第４７６２９４４号明細書
半球状レンズと素子との位置合わせが精度良く行われているかを確認するためには、実際にテラヘルツ波を発生または検出する装置を用いてテラヘルツ波を検出して、その強度又は振幅等を観察する必要がある。そして、位置合わせが不十分であった場合には、再度位置合わせを行う必要がある。特許文献１のような構成の場合、一度装置を解体して再度組み立てる必要があるため、テラヘルツ波の強度等を観察しながら位置合わせを行うことができない。そのため、位置合わせの操作が煩雑になるという課題があった。
上記課題に鑑み、本発明は、テラヘルツ波を観察しながら半球状レンズと素子との相対位置を調整できるテラヘルツ波を発生または検出する装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての装置は、テラヘルツ波を発生または検出する素子と、前記素子から射出したまたは前記素子へ入射するテラヘルツ波を導く半球状レンズと、前記半球状レンズの平面と前記素子とが接した状態、または、前記半球状レンズの平面と前記素子とがテラヘルツ波を透過する物質を挟み且つ前記半球状レンズの平面と前記素子とが前記物質と接した状態で、前記半球状レンズと前記素子とを保持するホルダと、を備え、前記ホルダは、弾性変形部と、前記弾性変形部を弾性変形させることによって前記半球状レンズの平行方向における前記半球状レンズと前記素子との相対位置を調整する位置調整部と、を有することを特徴とする装置。
本発明の一側面としての装置によれば、テラヘルツ波を観察しながら半球状レンズと素子との相対位置を調整できる。
本発明の装置の構成例を説明する図。 ホルダが有する基板保持部の構成例を説明する図。 素子保持基板の構成例を説明する図。 開口のパターンの別の一例を説明する図。 実施形態の装置における位置決めに係るフローチャート。 半球状レンズとして半球レンズを用いた場合のホルダの接触位置を説明する図。 半球状レンズとしてコリメートレンズを用いた場合のホルダの接触位置を説明する図。 調整板を用いた時の本発明の装置の構成例を説明する図。 本発明の装置を用いた情報取得装置の構成例を説明する図。
本発明の思想を実施し得る形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用できる装置であるテラヘルツ波を発生または検出する装置の構成を説明する図である。図１（ａ）は装置の正面図であり、図１（ｂ）は装置のＡＡ’部分の断面図である。
本装置の構成を説明する。本実施形態における装置は、ホルダ１０１と、半球状レンズ１０４と、素子と、素子を配置するための素子保持基板１０８と、を有する。
ホルダ１０１は、主として半球状レンズ１０４と素子保持基板１０８を保持する平板を有する部分である。ホルダ１０１の材料は、金属でも樹脂でも構わないが、ノイズを低減するために導電性の物質で作ることが望ましい。図１では、ホルダ１０１の裏面は開放されているが、用途に応じて閉じていてもよい。
ホルダ１０１は凹部１０６を有し、凹部１０６の中心に貫通孔（穴）１１１が形成されている。この穴１１１は半球状レンズ１０４が配置される部分で、以降「貫通孔」と呼ぶ。本実施形態では、貫通孔１１１に設けられたレンズ保持部１０５が半球状レンズ１０４を保持している。より詳細には、貫通孔１１１の内側面にネジ溝が設けられており、レンズ保持部１０５はそのネジ溝と対となるネジを有する樹脂リングである。
レンズ保持部１０５の内径は半球状レンズ１０４の直径よりも小さい。半球状レンズ１０４の曲面側にレンズ保持部１０５を配置し、貫通孔１１１に対してレンズ保持部１０５を回転させて押し込むことで、半球状レンズ１０４をレンズ保持部１０５と素子保持基板１０８に配置された素子３０１で挟み込む。素子３０１は半球状レンズ１０４の平面側に配置されている。この結果、ホルダ１０１は半球状レンズ１０４を保持する。レンズ保持部１０５と半球状レンズ１０４が接触する位置については後述する。
レンズ保持部１０５の材料は樹脂に限らず、金属材料でもよい。また、半球状レンズ１０４の破損を防止するため、Ｏリングのような干渉部材を半球状レンズ１０４とレンズ保持部１０５とが接触する位置に挿入してもよい。凹部１０６は、テラヘルツ波とホルダ１０１との干渉を防止するために設けてある。凹部１０６がなくてもテラヘルツ波とホルダ１０１の干渉が認められない場合は、凹部１０６はなくてもよい。
半球状レンズ１０４は平面１１２を有しており、平面１１２の少なくとも一部の領域はテラヘルツ波を発生または検出する素子の基板と接している。半球状レンズ１０４の内部をテラヘルツ波が透過するため、半球状レンズ１０４は、テラヘルツ波を良く透過する材料を用いることが望ましい。具体的には、高抵抗シリコンやオレフィン系の樹脂材料等が挙げられる。
半球状レンズ１０４の平面１１２において、半球状レンズ１０４と素子３０１との間で不要な反射が起こるのを抑制するため、半球状レンズ１０４と素子３０１の材料の屈折率差は小さいことが望ましい。
また、ホルダ１０１は、素子保持基板１０８を保持するための基板保持部１０９を有する。素子を保持している素子保持基板１０８をホルダ１０１が保持することで、ホルダ１０１に対して素子３０１を固定する。
素子保持基板１０８は素子３０１を保持する基板であり、ホルダ１０１が備える基板保持部１０９と対応する係合部３０７を備えている。基板保持部１０９と係合部３０７により、ホルダ１０１と素子保持基板１０８の位置決めを行う。各位置決め構造の詳細は後述する。
また、ホルダ１０１は、外部装置との接続を中継するコネクタ１０７を有している。コネクタ１０７は、固有のインピーダンスを有しており、外部に接続する装置やケーブルと同じインピーダンスを有している。コネクタ１０７として、ＢＮＣコネクタやＳＭＡコネクタ等の市販のコネクタが適用できる。
図２は、ホルダ１０１が備える基板保持部１０９の構成例を説明する図である。図２（ａ）はホルダ１０１の裏面図、図２（ｂ）は位置決め構造に関する断面図である。基板保持部１０９は、第１の位置決め穴２０１、第２の位置決め穴２０２、第３の位置決め穴２０３を少なくとも備えている。なお、本明細書では、ホルダ１０１において、素子および素子保持基板が配置される面をホルダ１０１の裏面とする。
第１の位置決め穴２０１は、位置決め基準穴２０４を有している。第１の位置決め穴２０１は、円形の穴の底に位置決め基準穴２０４が設けられている。円形の穴の中心と位置決め基準穴２０４の中心は同じであることが望ましい。
後述する係合部３０７を構成する位置決め球３０４が位置決め基準穴２０４にはまり、素子保持基板１０８をホルダ１０１に位置決めする際の基準点となる。そのため、位置決め基準穴２０４の穴径は、位置決め球３０４の直径よりも小さい。位置決め基準穴２０４に位置決め球３０４をはめた状態では、素子保持基板１０８は、半球状レンズ１０４の平面１１２と平行な面内について位置決め基準穴２０４を基準点として回転することが可能である。
第２の位置決め穴２０２は、位置決め溝２０５を有している。第２の位置決め穴２０２は円形の穴であり、位置決め溝２０５は、第２の位置決め穴２０２の底面に固定された二本の棒である。この棒は互いに平行に配置されている。より詳細には、第１の位置決め穴２０１と第２の位置決め穴２０２を結ぶ線に対し、位置決め溝２０５が略垂直になるように棒が配置されている。位置決め溝２０５の溝幅は、係合部３０７を構成する位置決め球３０４の直径よりも小さい。
素子保持基板１０８をホルダ１０１に位置決めする際には、位置決め球３０４が位置決め溝２０５にはまり、第１の位置決め穴２０１と共に使用される。これによって、素子保持基板１０８は、ホルダ１０１に対して半球状レンズ１０４の平面１１２と略平行な方向に対する回転の自由度が制限されて位置決めされる。なお、素子保持基板１０８とホルダ１０１の間に間隔が存在する場合、素子保持基板１０８は、第１の位置決め穴と第２の位置決め穴を結んだ直線を軸に回転することができる。なお、ここでは位置決め溝２０５は棒で構成したが、第２の位置決め穴２０２の底面を溝加工する形態でもよい。
第３の位置決め穴２０３は、位置決め面２０６を有している。第３の位置決め穴２０３は円形の穴であり、位置決め面２０６は、第３の位置決め穴２０３の底面に固定された平板部材である。
素子保持基板１０８をホルダ１０１に位置決めする際には、係合部３０７を構成する位置決め球３０４が、位置決め面２０６に突き当てられる。位置決め面２０６は、この突き当てる位置を位置決め面２０６の平板部材の厚みで調整する。このことにより、ホルダ１０１に対する素子保持基板１０８の平行具合を決定する。詳細には、第１の位置決め穴と第２の位置決め穴とを結んだ直線を軸とした回転方向への自由度を制限することで、ホルダ１０１に対する素子保持基板１０８の位置決めを実施する。
なお、ここでは位置決め面２０６の形成に平板部材を用いたが、第３の位置決め穴２０３の深さを調整し、底面を平面に加工することで平板部材を省略することも可能である。
上述の位置決め手法は、部材の位置決めを行うためにあらゆる回転方向の自由度を制限するキネマティック位置決め手法に基づいている。そのため、ホルダ１０１に対する素子保持基板１０８の位置決めには既知のキネマティック位置決め手法が適用できる。例えば、上述の説明では、位置決め基準穴２０４、位置決め溝２０５、位置決め面２０６を用いて点と線と面で位置決めを行っているが、全て位置決め溝２０５と同じ構造としても良い。また、位置決め面２０６を位置決め溝２０５と同じ構造にすることも可能である。
図３は、素子保持基板１０８の構成例を説明する図である。図３（ａ）は素子保持基板の表面図、図３（ｂ）はＦＦ’部分の断面図、図３（ｃ）は裏面図である。素子保持基板１０８は、素子３０１を配置するための基板である。素子保持基板の材料は、金属、樹脂、セラミックのいずれも選択可能である。なお、本明細書では、素子保持基板の表面は、素子３０１においてテラヘルツ波を発生または検出する部分を配置する開口部を有する面であり、その面と対向する面を裏面とする。裏面側には半球状レンズ１０４が配置されている。
本実施形態において、素子３０１は、アンテナ電極と給電電極が半導体基板にパターニングされた光伝導素子である。半導体基板として、例えば、高抵抗のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）が適用できる。この半導体基板に低温成長したガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ）膜やインジウムガリウムヒ素（ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ）膜が形成される。そして、この半導体膜に対してアンテナ電極と給電電極がパターニングされる。
半導体基板の一部は、テラヘルツ波に対し損失の少ない部材（例えば高抵抗シリコン）に置き換えられていてもよい。半導体基板の材料はこれに限るものではなく、テラヘルツ波を発生、検出し得る既知の材料が適用できる。アンテナ電極の形状は、使用するテラヘルツ波の波長やスペクトル形状に応じて適宜設計される。典型的には、アンテナ電極の形状は、数〜数１０μｍの大きさで設計される。
なお、素子３０１の形態として、光伝導素子の例を示したが、これに限らず、共鳴トンネルダイオードやショットキーバリアダイオード等の既知の発生器や検出器にも本発明を適用できる。より詳細には、使用する発生器と検出器における空間結合器として半球状レンズ１０４を使用し、且つ、半球状レンズ１０４と素子３０１の位置合わせが必要な形態であれば適用可能である。
光伝導素子は、外部から照射される超短パルスのフェムト秒レーザによりテラヘルツ波の発生と検出を行う。
図３において、素子保持基板１０８は開口部３０３を有し、素子３０１の一部は開口部３０３から露出するように配置される。この時、素子３０１の中心（光伝導素子の場合は、アンテナ電極に相当）は、開口部３０３の中心付近に配置される。より詳細には、素子保持基板１０８は、素子３０１を設置するための素子設置部３０６を有している。素子設置部３０６は、素子３０１の外形に沿った凹部を有し、凹部に対して素子３０１をはめ込んで固定する。固定する手段として接着剤を用いてもよい。
図３（ｂ）のように、素子設置部３０６の四隅に逃げ部を設けることで、素子３０１の四隅が直角であっても、素子設置部３０６の凹部に素子３０１をはめ込むことができる。そのため、素子３０１を素子保持基板１０８に固定する際の位置決め精度を高めることができる。また、素子３０１の固定に接着材を使用する場合、素子３０１を素子保持基板１０８に押付けた際に発生する余分な接着剤が逃げ部に溜まるので、接着剤が素子３０１に付着する可能性を小さくすることができる。
素子保持基板１０８は、コネクタ１０７と素子３０１の給電電極を中継するための配線３０２を有している。上述したように、コネクタ１０７は外部装置と接続されるため、配線３０２は、素子３０１と外部装置を中継する配線３０２とも言い換えることができる。
配線３０２は、金属細線３０８によって、コネクタ１０７と素子３０１の給電電極と接続される。望ましくは、配線３０２は、外部装置とのインピーダンスが整合する伝送線路である。図３は、伝送線路としてストリップ線路で構成した例を示している。ストリップ線路は、外部装置のインピーダンスに合わせて、線路の間隔が調整される。なお、伝送線路は、ストリップ線路に限るものではなく、マイクロストリップ線路やコプレーナストリップ線路等、既知の伝送線路の形態が適用できる。
また、素子保持基板１０８は係合部３０７を備えている。係合部３０７は、前述した基板保持部１０９と対応するように配置された３つの位置決め球３０４からなる。
基板保持部１０９または係合部３０７は磁性材料で構成され、基板保持部１０９と係合部３０７とが磁力によって固定されていてもよい。例えば、係合部３０７を構成する位置決め球３０４を磁石球で構成し、基板保持部１０９を構成する位置決め基準穴２０４、位置決め溝２０５、位置決め面２０６を磁石がつく金属で構成する。
あるいは、位置決め基準穴２０４、位置決め溝２０５、位置決め面２０６を磁石で構成し、位置決め球３０４を磁石がつく金属で構成する。位置決め基準穴２０４、位置決め溝２０５、位置決め面２０６、位置決め球３０４を磁石で構成することも考えられる。
こうすることで、ホルダ１０１と素子保持基板１０８が位置決めと同時に磁力で位置が固定されるので、固定に要する部品（ネジ類等）を減らすことができ、素子の取り換えを行う際の作業性が向上する。
基板保持部１０９を構成する第１の位置決め穴２０１、第２の位置決め穴２０２、第３の位置決め穴２０３は、貫通孔１１１を中心とする同心円の円周上に配置されることが望ましい。また、これに対応する係合部３０７も、同じく貫通孔１１１を中心とする同心円の円周上に配置されることが望ましい。また、各位置決め構造は貫通孔１１１の中心からある程度の距離を有することが望ましい。このような配置にすると、貫通孔１１１を通過するテラヘルツ波に対して、各位置決め穴の距離が長く、かつ等距離にできるので、位置決め精度が向上する。
また、ホルダ１０１と素子保持基板１０８のいずれか一方は、素子保持基板１０８をホルダ１０１に固定するためのガイド穴を有し、他方はガイドピンを有していてもよい。本実施形態では、図１にホルダ１０１はホルダ１０１を貫通するガイド穴１１０を有している例を示す。そして、図３の素子保持基板１０８は、このガイド穴１１０に挿入するためのガイドピン３０５を有している。
ホルダ１０１と素子保持基板１０８とを位置決め固定する際には、まずホルダ１０１のガイド穴１１０に素子保持基板１０８のガイドピン３０５の先端を位置合わせする。その後、ガイドピン３０５をガイド穴１１０に沿わせる形で素子保持基板１０８を位置決め固定する。
このような構成によって、ホルダ１０１に素子保持基板１０８を取り付ける際に、ガイドピン３０５とガイド穴１１０に沿ってホルダ１０１と素子保持基板１０８を配置することができる。そのため、素子の取り換え時に、素子保持基板１０８に取り付けられた素子３０１を不用意にホルダ１０１の各部に接触させ、破損してしまうという破損リスクを低減することができる。
また、ホルダ１０１はガイドピン３０５をクランプする機構を有していてもよい。例えば、ガイドピン３０５の先端に外ネジ構造が加工され、素子保持基板１０８の固定時に、ガイド穴１１０が備えるナットで固定してもよい。
ガイド穴１１０に対しホルダ１０１の外側からガイド穴１１０交わる方向にクランプ用のネジ穴を有し、ガイドピン３０５を挿入した後に、ネジで締め付け固定してもよい。
このように、ガイドビンをクランプする機構を別途設けることにより、ホルダ１０１に位置決めされた素子保持基板１０８の保持力を向上することができる。
再び図１を参照して、ホルダ１０１に設けられた弾性変形部について詳細を述べる。本明細書の弾性変形部は、ホルダ１０１を構成する平板に開口を設けたことによって形成されており、外部から力が印加されると弾性変形する部分である。そのため、開口は弾性変形部に隣接している。本実施形態における弾性変形部を形成する開口は、コの字状の細い開口を複数組み合わせたパターンとなっている。
弾性変形部１０２は、貫通孔１１１の周囲に形成されている。貫通孔１１１を半球状レンズ１０４の平面１１２と平行な方向に移動させることによって、平面１１２と平行方向における素子３０１と半球状レンズ１０４との相対位置を変更可能にする。
図１と図２のように、弾性変形部１０２は、ホルダ１０１の貫通孔１１１の周囲に加工されたコの字状のパターンで形成される。より詳細には、本実施形態の弾性変形部１０２は、図１のように二つのコの字状のパターンの開放部分を対向させ入れ子構造に配置することで構成される。
弾性変形部１０２は、外部より力が加わることで弾性変形し、中心にある貫通孔１１１を移動させる。ここで、弾性変形部１０２を入れ子構造とすることで、貫通孔１１１に対し、力の印加方向と異なる方向の変形は互いに相殺される。そのため、貫通孔１１１は、弾性変形部１０２に加えられた力の方向と同じ方向に移動する。
弾性変形部１０２は、貫通孔１１１（穴）の中心と基板保持部１０９までに距離を半径とする円の内部に設けるのがよい。本明細書における貫通孔１１１（穴）の中心と基板保持部１０９までの距離とは、貫通孔１１１の中心から基板保持部を構成する第１から第３の位置決め基準穴２０１、２０２、２０３のいずれか１つの穴の中心までの距離と定義する。
本実施形態の弾性変形部１０２を形成する開口は、二つの入れ子構造が貫通孔１１１を中心として９０度回転した形で配置されている。そのため、貫通孔１１１は、平面１１２に平行な方向に移動することが可能になる。
弾性変形部１０２の弾性変形によって貫通孔１１１が移動すると、貫通孔１１１に配置されている半球状レンズ１０４も移動する。それに対して素子の位置はホルダ１０１に位置決め固定されているため、半球状レンズ１０４と素子３０１との相対位置が変更可能となる。
弾性変形部を形成する開口のパターンはこれに限るものではなく、外部から加えられた力に対し、平板の一部が弾性変形して貫通孔を移動させる構造であればよい。例えば、図４に示したようなパターンや、ピエゾテーブルに利用されるようなパターンが適用できる。図４の弾性変形部４０１は、ホルダに対して貫通孔１１１を中心に設けられた４つの開口を設けることによって形成される。
弾性変形部１０２に対して力を印加するために、ホルダ１０１は、弾性変形部１０２を弾性変形させる位置調整部として、アクチュエータ１０３を有している。本実施形態におけるアクチュエータ１０３は手動でネジを回すタイプであるが、モータを組み合わせて遠隔より調整を行うことも可能である。また、力の印加手段はネジで送るタイプに限るものではなく、ピエゾモータや超音波モータを用いて、力を印加するための部材（ネジで送るタイプの場合、ネジに相当）の位置を動かす手法も適用できる。
素子保持基板１０８に弾性変形部を設けて素子３０１を移動する構成にすることも可能だが、素子３０１は半球状レンズ１０４と比較してサイズが小さいため、半球状レンズ１０４を移動して両者の相対位置を調整する構成とすることが望ましい。
この構成によれば、ホルダ１０１において弾性変形部１０２の弾性変形により、貫通孔１１１と貫通孔１１１に配置されている半球状レンズ１０４とを移動させる。その結果、半球状レンズ１０４の平面１１２と平行方向における半球状レンズ１０４と素子３０１との相対位置の調整を行うことができる。ホルダ１０１を構成する部材の弾性変形を利用するため、調整位置の保持力が強く長期的な安定性が保たれる。また、ホルダ１０１の一部を機械加工して弾性変形部１０２を作り込む形態なので、半球状レンズ１０４を移動させるためのステージを別途用意する必要がなく、装置の小型化が実現できる。
弾性変形を利用する位置決めは、弾性変形部１０２に印加された力と弾性変形による反発力のつり合いを利用している。そのため、例えば、マイクロメータの位置決め精度で位置合わせを行う形態と比較して、位置合わせの精度が高く、テラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率を改善できる。また、半球状レンズ１０４の平面１１２と平行方向における素子３０１と半球状レンズ１０４との相対位置を変更することが可能となり、素子３０１に対して半球状レンズ１０４の位置が固定される形態に比較して調整の精度を高めることができる。そのため、テラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率を改善できる。
ホルダ１０１に対する素子３０１と半球状レンズ１０４の位置決め方法について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の装置において、ホルダおよび素子、半球状レンズの位置決めに係るフローチャートである。
ホルダ１０１に対する素子３０１と半球状レンズ１０４の初期の位置決めは次のように行われる。ホルダ１０１には位置調整部としてのアクチュエータ１０３が予め設置されている。素子３０１は素子保持基板１０８に配置される。
まず、Ｓ５０１でホルダ１０１に設けられた貫通孔１１１に凹部１０６からレンズ保持部１０５を挿入して、貫通孔１１１に固定される。貫通孔１１１の内壁とレンズ保持部１０５の外部にはネジ溝構造が構成され、このネジ溝構造によりレンズ保持部１０５は貫通孔１１１に固定される。
レンズ保持部１０５には、半球状レンズ１０４の曲面部分が凹部１０６側から配置される（Ｓ５０２）。素子３０１が固定された素子保持基板１０８は、素子保持基板１０８が有するガイドピン３０５とホルダ１０１が有するガイド穴１１０を利用して、半球状レンズ１０４の平面側よりガイド穴１１０に沿って半球状レンズ１０４に近接される。
ホルダ１０１に対して素子保持基板１０８を重ね合わせて、基板保持部１０９と係合部３０７とが係合することによって位置合わせがされる（Ｓ５０３）。具体的には、基板保持部１０９を構成する位置決め基準穴２０４、位置決め溝２０５、位置決め面２０６に、係合部３０７を構成する３つの位置決め球３０４がそれぞれ接触することでホルダ１０１に対する素子３０１の位置決めが行われる。本実施形態では、両者は磁力で固定される。
その後、レンズ保持部１０５を貫通孔１１１に対して回転させることで、半球状レンズ１０４を素子保持基板１０８に保持されている素子３０１に対して押付ける。このようにして、半球状レンズ１０４と素子３０１とが密着した状態で、ホルダ１０１に保持される（Ｓ５０４）。
そして、Ｓ５０５で素子保持基板１０８の信号線（図３における細線３０８）とホルダ１０１のコネクタ１０７とを電気的に接続する。このように、ホルダ１０１と素子保持基板１０８が有する基板保持部１０９と係合部３０７によって、ホルダに対し半球状レンズ１０４と素子３０１の位置決めが簡単に実行できるので、作業性が改善する。
続いて、ホルダ１０１に設けられた弾性変形部１０２の弾性変形により、半球状レンズ１０４の平面１１２と平行方向における半球状レンズ１０４と素子３０１との相対位置の調整を行う。この操作は、テラヘルツ波を測定する測定装置に本実施形態の装置を組込み（Ｓ５０６）、テラヘルツ波の出力を観察しながら行う。
具体的には、測定装置に組込むにあたって、テラヘルツ波の出力を観察しながら、光軸１１３と素子３０１とが直交し、且つ、光軸１１３が素子３０１のテラヘルツ波を発生または検出する部分を通過するように本装置を配置する（Ｓ５０７）。この時、半球状レンズ１０４は、素子３０１の移動に追従して移動する。なお、本明細書における光軸１１３は、光学調整の結果、伝搬するテラヘルツ波の中心を示す線のことである。本明細書では、テラヘルツ波の光軸と呼ぶこともある。
テラヘルツ波の出力を参照して装置の組み込み位置を定めた後に、光軸１１３に直交する軸に対し、弾性変形部１０２とアクチュエータ１０３によって半球状レンズ１０４の位置を調整する（Ｓ５０８）。
このように、テラヘルツ波の出力を観察して、その観察結果を参照しながら半球状レンズ１０４と素子３０１の位置を調整できるので、テラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率を改善できる。ここで、テラヘルツ波パルスの出力は、得られた時間波形の尖頭値および形状や、周波数スペクトルの形状等から観察できる。
図６と図７は、ホルダ１０１と半球状レンズ１０４の接触位置を説明する図である。本発明では、半球状レンズ１０４をホルダ１０１に保持するためにレンズ保持部１０５を用いることから、詳細にはレンズ保持部１０５と半球状レンズ１０４の接触位置を説明する図ともいえる。
本実施形態の装置に保持されている素子３０１において、テラヘルツ波を発生または検出する部分は、半球状レンズ１０４の平面１１２と接している面と対向する面に設けられている。本明細書では、この面を基準面と呼ぶ。テラヘルツ波を発生させる場合は、フェムト秒レーザが基準面でテラヘルツ波に変換され、基板と半球状レンズ１０４を透過して外部へ取り出す。また、テラヘルツ波を検出する場合は、基準面と光軸が交差する位置にテラヘルツ波を集束する。
図６および図７において、距離ｄは、基準面からテラヘルツ波６０１または７０１が半球状レンズ１０４の曲面部分と交差する位置までの最短距離である。なお、図６のテラヘルツ波６０１および図７のテラヘルツ波７０１は、テラヘルツ波が伝搬する領域の外形を示している。
まず、図６を参照して、半球状レンズ１０４として半球レンズを用いた場合を説明する。
図６（ａ）において、距離ｄはテラヘルツ波６０１の形状に依存し、テラヘルツ波６０１は、使用するテラヘルツ波の瞳径と焦点距離から類推できる。
角度θａは、テラヘルツ波が半球状レンズ１０４の曲面部分と交差する位置において、光軸１１３に平行な線とテラヘルツ波６０１の外形とがなす角度である。角度θｒは、光軸１１３に対し、半球状レンズ１０４と素子３０１内部を伝搬するテラヘルツ波の角度である。ここで、半球状レンズ１０４と素子３０１は同じ屈折率をもつと仮定している。
ｈは、基準面から半球状レンズ１０４の曲面部分の頂点までの最短距離である。本発明ではレンズ高さｈとも呼ぶ。接触位置ｐは、基準面からレンズ保持部１０５が半球状レンズ１０４に接する位置である。ｒは半球状レンズ１０４の半径である。なお、図６（ａ）の半球状レンズ１０４は半球レンズである。そのため、角度θａと角度θｒは同じ角度である。そして、レンズ高さｈは半径ｒと同じ値である。
図６（ｂ）は、半球状レンズ１０４として半球レンズを使用した場合の角度θａに対する距離ｄの変化を表すグラフしたものである。
テラヘルツ波の取り出し効率や取り込み効率を向上させるためには、少なくともレンズ保持部１０５と半球状レンズ１０４の接触位置ｐにおいて、テラヘルツ波と干渉していないことが必要である。そのため、基準面から接触位置ｐまでの最短距離は、距離ｄよりも小さいことが望ましい。さらに、ホルダ１０１の形状は、テラヘルツ波６０１と交わらないことが望ましい。
続いて、図７を参照して、半球状レンズ１０４としてコリメートレンズを用いた場合を説明する。
図７（ａ）は、半球状レンズ１０４としてコリメートレンズを適用した例を示している。図６（ａ）と共通する部分の説明は省略する。コリメートレンズのレンズ高さｈは次の式で得ることができる。
ｈ＝ｒ（ｎ＋１）／ｎ （１）
ここでｎは半球状レンズ１０４の屈折率である。半球状レンズ１０４の材質としてシリコン（ｎ＝３．３）を用い、半球状レンズ１０４の半径ｒを５ｍｍとする時、レンズ高さｈは約６．５ｍｍとなる。
図７（ａ）において、点Ｏは、半径ｒの球を仮定した時の球の中心位置である。テラヘルツ波が半球状レンズ１０４の曲面部分と交差する位置と点Ｏを結ぶ線と、光軸１１３と垂直な面とがなす角度を角度θ１とする。また、テラヘルツ波が半球状レンズ１０４の曲面部分と交差する位置とテラヘルツ波が集束する基準面上の位置とを結ぶ線が図７に示されている。この線と、テラヘルツ波が半球状レンズ１０４の曲面部分と交差する位置と点Ｏを結ぶ線とがなす角度を、角度θ２とする。この時、角度θａと距離ｄの関係は次式で表すことができる。
Figure 2014241517
Figure 2014241517
ｄ＝ｒｓｉｎ（θ１）＋ｈ−ｒ （４）
図７（ｂ）は、半球状レンズ１０４として図７（ａ）のコリメートレンズを使用した場合の角度θａに対する距離ｄの変化を表すグラフである。距離ｄはテラヘルツ波７０１の形状に依存し、テラヘルツ波７０１の形状は、使用するテラヘルツ波の瞳径と焦点距離から類推できる。また、テラヘルツ波の角度θｒは次式で表すことができる。
θｒ＝９０−θ１−θ２ （５）
図６で説明したように、テラヘルツ波の取り出し効率や取り込み効率を向上させるためには、少なくともレンズ保持部１０５と半球状レンズ１０４の接触位置ｐにおいて、テラヘルツ波が装置と干渉していないことが必要である。そのため、基準面から接触位置ｐまでの最短距離は、距離ｄよりも小さいことが望ましい。さらに、ホルダ１０１の形状は、テラヘルツ波７０１と交わらないことが望ましい。
このように、テラヘルツ波のビームの形状を考慮してホルダ１０１と半球状レンズ１０４の接触位置を調整することで、テラヘルツ波とホルダの機械干渉を避けることができる。そのため、テラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率を向上できる。
これまでの説明では、基板保持部１０９が第１から第３の位置決め穴を有し、係合部３０７が３つの位置決め基準穴を有していた。このような構成に限らず、基板保持部１０９の構成と係合部３０７の構成とが逆でもよい。
また、これまでの説明では、半球状レンズ１０４の平面１１２と素子保持基板１０８に固定された素子３０１とが接している形態を述べた。しかし、図８に示したように、半球状レンズ１０４と素子３０１の間に調整板８０１のようなテラヘルツ波を透過する物質を配置しても良い。調整板８０１は、半球状レンズ１０４と同じ材料であることが望ましい。
素子３０１が有するアンテナ電極は、半球状レンズ１０４の平面１１２と接する面と対向する面に配置されている。テラヘルツ波は、アンテナ電極に集光されることが望ましい。そのため、半球状レンズ１０４のみではアンテナ電極に上手く集光できなかった場合に、調整板８０１を用いてテラヘルツ波の集光位置を調整する。
このような構成にすることで、調整板８０１によって半球状レンズ１０４内部のテラヘルツ波の焦点位置を調整することができる。そのため、調整の自由度が高まりテラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率が改善できる。
また、テラヘルツ波を透過する物質としてマッチング液等を半球状レンズ１０４と素子３０１との間に設けてもよい。これらは、半球状レンズ１０４または素子３０１の基板との屈折率の差が小さいものを選択することが望ましい。半球状レンズ１０４と素子３０１との相対位置を調整する際に、マッチング液が潤滑油としての役割を果たすため、部品を損傷する可能性を低減できる。
本発明に係る装置を組み込む装置の例を説明する。図９は、本発明に係る装置を組み込んだ情報取得装置の構成例を示した図である。本実施形態における情報取得装置は、時間領域でのテラヘルツ波を測定する時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：ＴＨｚ−Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の原理を用い、テラヘルツ波の時間波形を取得する。そして、取得した時間波形を用いて試料に関する情報を取得する。
本実施形態において、発生部９０１と検出部９０２は、本発明を適用した装置で、テラヘルツ波の発生器および検出器である。具体的には、ホルダ１０１に保持された半球状レンズ１０４と素子３０１で構成される。素子３０１として光伝導素子を用いている。発生器と検出器は同じ構成であるが、説明を簡略化するため、発生器を発生部９０１、検出器を検出部９０２と表記する。
本実施形態における情報取得装置は、発生部９０１から射出されたテラヘルツ波パルスを検出部９０２に集束させるための整形部９０５を有する。本実施形態では、整形部９０５はＭ４とＭ５の二つの放物面鏡で構成されている。整形部９０５の構成は、装置の使用形態に応じて変化する。
なお、本実施形態では、本発明を適用した装置を発生部９０１と検出部９０２に用いているが、本発明を適用した装置は、発生部９０１と検出部９０２のどちらか一方に適用されている形態でもよい。
光源９０３は、テラヘルツ波パルスを発生、検出するための励起光を出力する部分である。多くの場合、光源９０３は、フェムト秒レーザ光を出力する。光源９０３から出力されるフェムト秒レーザ光は、数１０フェムト秒のパルス幅を有する。
光源９０３から出力した励起光は、ビームスプリッタＢＳを介してＬ１（以降、ポンプ光と呼ぶこともある）とＬ２（以降、プローブ光と呼ぶこともある）に分岐する。
ポンプ光Ｌ１は、ミラーＭ１と集光レンズＬＥ１を経て発生部９０１の素子３０１に入射する。ポンプ光Ｌ１は、発生部９０１でテラヘルツ波パルスの発生に用いられる。
プローブ光Ｌ２は、ミラーＭ２、遅延光学部９０４、ミラーＭ３、集光レンズＬＥ２を経て検出部９０２の素子３０１に入射する。プローブ光Ｌ２は、検出部９０２でテラヘルツ波パルスの時間波形を検出するためのサンプル光として用いられる。
光源９０３から出力する励起光の波長は、発生部９０１や検出部９０２の駆動波長により変化する。必要に応じて、ポンプ光Ｌ１やプローブ光Ｌ２の伝搬経路の途中に、励起光の波長を変化させる波長変換素子が介在してもよい。光源９０３から出力する励起光の波長、パルス幅、レーザの繰り返し周波数等の諸特性は、必要とされる情報取得装置のスペックにより適宜選択される。
遅延光学部９０４は、励起光であるポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路長差を調整する部分である。本実施形態では、テラヘルツ波パルスの時間波形は、テラヘルツ波時間領域分光法の原理を用いて取得する。すなわち、情報取得装置は、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の光路長差を所定量変化させながら、検出部９０２における検出結果であるテラヘルツ波の出力をプロットすることで、テラヘルツ波パルスをプローブ光Ｌ２でサンプリング計測する。
遅延光学部９０４によって励起光の光路長を調整する手法には、励起光の光路長を直接調整する手法と、励起光の実効的な光路長を調整する手法がある。励起光の光路長を直接調整する手法は、励起光を折り返す折り返し光学系と折り返し光学系を動かす可動部を用いる手法がある。可動部として回転する系を適用してもよい。この場合、折り返しの光学系は、可動部が回転する回転方向に沿って動く。
また、光源９０３として二つのレーザ源を用い、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２を各々出力させ、各レーザ源の繰り返し周波数を変化させる形態でもよい。レーザ源の繰り返し周波数が異なる場合、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の時間差が変調されるので、この時間差の変化よりポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の光路長差を換算する。
実効的な光路長を調整する手法は、励起光が伝搬する光路長の時定数を変化させる手法がある。このように、遅延光学部９０４は、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の光路長差を調整し得る構成であればよい。本実施形態では、遅延光学部９０４として、折り返し光学系と可動部を用いる例を示している。
波形取得部９０６は、検出部９０２の出力と遅延光学部９０４で調整されるポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２の光路長差を参照して、テラヘルツ波パルスの時間波形を構築する部分である。以上のような装置構成で、装置はテラヘルツ波の時間波形を取得できる。
波形取得部９０６で取得した時間波形を用いて、不図示の情報取得部で試料に関する情報を取得する。試料に関する情報とは、試料内の層の厚みや、試料内に存在する物体の形状、試料の物性等である。
本発明を適用した装置を組み込む際は、波形取得部９０６で得られるテラヘルツ波の出力を観察して、その観察結果を参照して光学調整を行う。詳細には、観察結果の１つであるテラヘルツ波の出力を参照して、テラヘルツ波の光軸１１３に対し半球状レンズ１０４と素子３０１の位置を調整する。より詳細には、光軸１１３に直交する軸に対し、ホルダ１０１の位置を調整することで素子３０１の位置を調整する。そして、弾性変形部１０２とアクチュエータ１０３によって、半球状レンズ１０４の平面１１２と平行方向における光軸１１３および素子３０１に対する半球状レンズ１０４の相対位置を調整する。
このように、テラヘルツ波の出力を参照しながら半球状レンズ１０４と素子３０１の位置を調整できるので、テラヘルツ波の取り出し効率と取り込み効率を改善できる。
また、時間の経過に伴いフェムト秒レーザ光の光軸が変動した場合でも、本発明を適用した装置によれば素子３０１と半球状レンズ１０４との位置を調整できるため、経時変化にも対応できる。
なお、本明細書における「半球状レンズ」は、平面と曲面とを有するレンズであり、例えば、半球レンズや超半球レンズ、平行ビームを取り扱うコリメートレンズ等がある。その曲面としては、本実施形態のような球面だけでなく、非球面（放物面、円筒面、円錐面等）を用いることができる。また、半球状レンズは平面の側壁を有していても良い。
また、本発明にかかる情報取得装置は、動物や人等の生体の一部（皮膚や内臓の表面等）を生体が生きている状態（ｉｎ−ｖｉｖｏ）で測定することも可能である。したがって、本明細書では、「試料」は生体サンプル等の物体だけでなく生体（の一部）等も含むと定義する。
１０１ ホルダ
１０２ 弾性変形部
１０３ 位置調整部
１０４ 半球状レンズ
１１２ 平面

Claims (11)

  1. テラヘルツ波を発生または検出する素子と、
    前記素子から射出したまたは前記素子へ入射するテラヘルツ波を導く半球状レンズと、
    前記半球状レンズの平面と前記素子とが接した状態、または、前記半球状レンズの平面と前記素子とがテラヘルツ波を透過する物質を挟み且つ前記半球状レンズの平面と前記素子とが前記物質と接した状態で、前記半球状レンズと前記素子とを保持するホルダと、を備え、
    前記ホルダは、
    弾性変形部と、
    前記弾性変形部を弾性変形させることによって、前記半球状レンズの平面と平行方向における前記半球状レンズと前記素子との相対位置を調整する位置調整部と、を有する
    ことを特徴とする装置。
  2. 前記ホルダは、平板を有し、
    前記平板は、前記弾性変形部と、前記弾性変形部と隣接する開口と、を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記平板は、前記半球状レンズが配置されている穴を有し、
    前記ホルダは、前記素子を保持する素子保持基板を前記平板上に保持する基板保持部と、を有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 前記弾性変形部は、前記穴の中心から前記基板保持部までの距離を半径とする円の内部に設けられている
    ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 前記ホルダは、前記半球状レンズと前記平板とを固定するレンズ保持部を有し、
    前記素子のテラヘルツ波が発生または検出する面を基準面とすると、前記基準面から前記半球状レンズと前記レンズ保持部が接する位置までの最短距離は、前記基準面から前記半球状レンズの曲面部分と前記テラヘルツ波とが交差する位置までの最短距離より小さい
    ことを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
  6. 前記開口は、２つのコの字状の細い開口を対向させた２つの入れ子構造が、前記穴を中心として９０度回転して配置された構成である
    ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記素子保持基板は、係合部を有し、前記係合部と前記基板保持部とが係合することで前記素子保持基板と前記平板とを固定する
    ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記基板保持部と前記係合部との少なくとも一方は磁性材料で構成され、前記基板保持部と前記係合部とが磁力により固定される、
    ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 前記半球状レンズは、前記弾性変形部が弾性変形することによって前記半球状レンズの平面と平行な方向に移動する
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
  10. テラヘルツ波を発生または検出する素子と、
    前記素子から射出したまたは前記素子へ入射するテラヘルツ波を導く半球状レンズと、
    前記半球状レンズの平面と前記素子とが接した状態、または、前記半球状レンズの平面と前記素子とがテラヘルツ波を透過する物質を挟み且つ前記半球状レンズの平面と前記素子とが前記物質と接した状態で、前記半球状レンズと前記素子とを保持するホルダと、を備え、
    前記ホルダは、平板を有し、
    前記平板は、
    前記素子を保持する素子保持基板を前記平板上に保持する基板保持部と、
    前記半球状レンズが配置されている穴と、
    前記穴の中心から前記基板保持部までの距離を半径とする円の内部に設けられている弾性変形部と、
    前記弾性変形部と隣接する開口と、
    前記弾性変形部に力を加える位置調整部と、を有する
    ことを特徴とする装置。
  11. 試料に関する情報を取得する情報取得装置であって、
    テラヘルツ波を発生させる発生部と、
    前記試料からのテラヘルツ波を検出する検出部と、を有し、
    前記発生部および前記検出部の少なくとも一方が、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置である
    ことを特徴とする情報取得装置。
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