JP6980108B2 - 分光測定装置、及び分光測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光測定装置、及び分光測定方法に関する。

従来、測定対象物（以下、単に対象物と称する）を構成する物質を測定する手法として、対象物に所定波長の電磁波を照射し、その散乱波や透過波を解析する分光測定が知られている。例えば、錠剤等の医薬品を対象物とする場合には、対象物に対する照射の影響が少ない、テラヘルツ帯の電磁波（以下、テラヘルツ波と称する）に代表される電磁波による分光測定が注目されている。

例えば、１００ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上３０ＴＨｚ（テラヘルツ）以下の周波数帯には、分子間振動や分子内振動に起因する多数の吸収ピークが存在する。よって、これらの吸収ピークを解析するにより、物質の種類を判別したり、結合状態の違いを見分けたり、それぞれの分子の医薬品を構成する各分子の含有濃度を定量的に測定したりすることが可能であることがわかっている。

例えば、特許文献１には、「テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、被検査物としての標本が載置される搬送面を有し、前記搬送面の面内方向に前記標本を搬送可能に構成された搬送部と、前記テラヘルツ波発生部から射出され、前記搬送面に載置された前記標本に照射されるテラヘルツ波の照射方向を変更する照射方向変更部と、前記搬送面に載置された前記標本に照射されて透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、を備え、前記照射方向変更部は、前記テラヘルツ波発生部の位置を変更することによって、前記照射方向を変更する」標本検査装置により、テラヘルツ波の散乱による検出精度の低下を抑制できることが記載されている。

特開２０１４−１７３９６７号

特許文献１に記載の標本検査装置では、対象物の表面形状や配置状態による電磁波の散乱のみを扱っており、対象物を構成する粒子による散乱の除去は考慮されていない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、対象物を構成する粒子または対象物の形状による散乱の影響、具体的には散乱による分光測定値の変動を抑制できるようにすることを目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る分光測定装置は、対象物に照射するための電磁波を出力する光源部と、前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部から出力された前記電磁波のビーム径を調整するビーム径調整部と、前記対象物を介して入射した前記ビーム径調整後の前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する受光部と、前記受光信号に基づいて前記ビーム径調整部にて調整する前記ビーム径を決定する信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記受光信号に基づき、前記受光部にて受光された前記電磁波の積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を最適ビーム径に決定し、前記ビーム径調整部は、前記信号処理部からの制御に従い、前記光源部から出力された前記電磁波の前記ビーム径を前記最適ビーム径に調整することを特徴とする。

本発明によれば、対象物を構成する粒子または対象物の形状による散乱の影響、具体的には散乱による分光測定値の変動を抑制することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 検出光強度分布の例を示す図である。図２（Ａ）はビーム径１ｍｍの場合の図である。図２（Ｂ）はビーム径１０ｍｍの場合の図である。 ビーム径と積分強度との対応関係を表す図である。 ビーム径調整部の第１の構成例を示す図である。 ビーム径調整部の第２の構成例を示す図である。 ビーム径調整部のパラメータとビーム径との関係を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る分光測定装置によるビーム径調整処理の一例を説明するフローチャートである。 調整用測定処理の一例を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 波長変換部の第１の構成例を示すブロック図である。 波長変換部の第２の構成例を示すブロック図である。 波長変換部の第３の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 対象物と最適ビーム径との対応関係を表すテーブルの一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 対象物測定部の具体例を示す図である。図１６（Ａ）は具体例としての撮像装置を示す図である。図１６（Ｂ）は具体例としての測定器を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 結像部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る分光測定装置によるビーム径調整処理の一例を説明するフローチャートである。 本発明の第６の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示すブロック図である。 対象物が小さい場合の対処方法を説明するための図である。

以下、本発明に係る複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。

＜本発明の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
本発明の実施形態に係る分光測定装置は、錠剤等の医薬品を対象物とし、対象物にテラヘルツ波を照射し、対象物を通過したテラヘルツ波を受光、分析して対象物を構成する物質を判定するものである。なお、対象物は医薬品に限られず任意である。

また、該分光測定装置は、テラヘルツ波以外の電磁波を対象物に照射するようにしてもよい。具体的には、例えば赤外光、赤外光よりも短い波長の電磁波、ミリ波、ミリ波よりも長い波長の電磁波を対象物に照射するようにしてもよい。

＜本発明の第１の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置１００は、光源部１１、ビーム径調整部１２、受光部１３、及び信号処理部１４を備える。

光源部１１は、ビーム径調整部１２に対してテラヘルツ波Ｌ１を出力する。ビーム径調整部１２は、信号処理部１４からの制御に従い、光源部１１から出力されたテラヘルツ波Ｌ１のビーム径（半値全幅）を最小値Ｍ１から最大値Ｍ２の範囲で調整し、ビーム径Ｄ（Ｍ１≦Ｄ≦Ｍ２）のテラヘルツ波Ｌ２を対象物１に照射する。

受光部１３は、対象物１を通過したテラヘルツ波、すなわち、テラヘルツ波Ｌ２が対象物１（を構成する物質）にて吸収されたり、散乱されたりしたテラヘルツ波Ｌ３を受光する。また、受光部１３は、受光面におけるテラヘルツ波Ｌ３の電場振幅分布または強度分布の２次元イメージを取得する。さらに、受光部１３は、電場振幅分布または強度分布の２次元イメージ、あるいは、強度分布を加算して得られる積分強度を受光信号として信号処理部１４に出力する。受光部１３は、例えば、ＴＨｚカメラ、ショットキーダイオード、パイロメータ、ボロメータ、アンテナアレイ等から成る。

信号処理部１４は、受光部１３から受光信号として、テラヘルツ波Ｌ３の電場振幅分布の２次元イメージが入力される場合、その値を２乗することにより強度分布に変換してから加算して積分強度を得る。また、信号処理部１４は、受光部１３から受光信号として、テラヘルツ波Ｌ３の強度分布の２次元イメージが入力される場合、その値を加算して積分強度を得る。

信号処理部１４は、受光部１３におけるテラヘルツ波Ｌ３の積分強度に基づき、ビーム径調整部１２から出力されるテラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄの最適値である最適ビーム径を決定する。

また、信号処理部１４は、受光部１３におけるテラヘルツ波Ｌ３の積分強度に基づき、対象物１を構成する物質の種類を判別したり、結合状態の違いを見分けたり、それぞれの分子の医薬品を構成する各分子の含有濃度を定量的に測定したりする。

ここで、対象物１に照射するテラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄと、散乱の影響の関係について説明する。

図２は、受光部１３によって受光されるテラヘルツ波Ｌ３の強度分布の例を示しており、同図（Ａ）はビーム径Ｄを１ｍｍとした場合、同図（Ｂ）はビーム径Ｄを１０ｍｍとした場合である。なお、同図（Ａ），（Ｂ）ともに、対象物１と受光部１３との距離は１００ｍｍとした。

同図（Ａ），（Ｂ）に示されるように、受光部１３によって受光されるテラヘルツ波Ｌ３の強度分布には、対象物１における散乱に起因する大きな斑が発生している。

同図（Ｂ）の場合は、同図（Ａ）の場合に比較して、散乱に起因する強度分布の斑のサイズが小さくなっている。したがって、受光部１３が、同図（Ａ），（Ｂ）に示す範囲内の全体のテラヘルツ波の強度を平均化してテラヘルツ波Ｌ３の受光強度値を算出する場合、同図（Ｂ）の場合の方、すなわち、ビーム径Ｄが大きい方が、複数の斑を含むテラヘルツ波Ｌ３の強度分布全体を平均化して一様な値を得ることができる。よって、ビーム径Ｄが大きい方が、散乱に起因する斑のサイズや数の変動などで生じる測定値のばらつきを低減できると言える。ただし、テラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄが受光部１３の受光範囲よりも大きい場合、テラヘルツ波Ｌ３の全体の光量に対する、受光部１３が受光できる光量の割合が低下するのでＳＮ比が低下してしまう。したがって、対象物１に照射するテラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄを適切に調整することが重要である。ビーム径Ｄを適切に調整すれば、散乱の影響を低減し、かつ、ＳＮ比の低下を抑止することが可能となる。

図３は、ビーム径Ｄと積分強度との対応関係の一例を示している。同図に示すように、ビーム径Ｄを最小値Ｍ１から最大値Ｍ２まで変化させた場合、ビーム径ＤがＭ１からＭ３までは積分強度が最大となる。また、ビーム径ＤがＭ３からＭ２に変化するにつれて積分強度は徐々に低下する。よって、信号処理部１４においては、最大の積分強度を得ることができ、かつ、ビーム径Ｄが最大となるＭ３を最適ビーム径に決定する。

次に、ビーム径調整部１２におけるビーム径Ｄの調整方法を具体的に説明する。

図４は、ビーム径調整部１２の第１の構成例を示している。該第１の構成例は、レンズ１２１と、レンズ１２１を駆動するレンズ駆動部１２２とを有する。

該第１の構成例は、レンズ駆動部１２２が、信号処理部１４からの制御に従い、対象物１に対して、レンズ１２１を近づけるか、または遠ざける方向に移動させることによって、ビーム径Ｄを調整することができる。

図５は、ビーム径調整部１２の第２の構成例を示している。該第２の構成例は、レンズ１２１と、対象物駆動部１２３とを有する。

該第２の構成例は、対象物駆動部１２３が、信号処理部１４からの制御に従い、レンズ１２１に対して、対象物１を近づけるか、または遠ざける方向に移動させることによって、ビーム径Ｄを調整することができる。

なお、上述した第１及び第２の構成例を組み合わせて、レンズ１２１と対象物１との両方を互いに近づけたり、または遠ざけたりできるようにしてもよい。また、ビーム径Ｄの変更にあわせて、受光部１３の位置や受光感度を調整するようにしてもよい。

さらに、ビーム径Ｄの調整方法は、上述した例に限らず、例えば、２枚以上のレンズを用いたビームエキスパンダや、拡散板等を用いるようにしてもよい。

次に、図６は、ビーム径Ｄとレンズ１２１と関係を説明するための図である。レンズ１２１の焦点距離ｆ１と、レンズ１２１に入射するテラヘルツ波Ｌ１のビーム径ｄ１とは、予め得ることができる。さらに、レンズ１２１と対象物１との距離の初期値ｔ０も得ることができる。さらに、レンズ駆動部１２２または対象物駆動部１２３によるレンズ１２１と対象物１との距離の変化量をｄｔとして取得すれば、レンズ１２１と対象物１との実際の距離ｔは、ｔ＝ｔ０＋ｄｔとして求めることができる。以上のようにして得たｆ１，ｄ１，ｔを用い、ビーム径Ｄは、次式（１）に従って計算することができる。
Ｄ＝ｄ１（ｔ―ｆ１）／ｆ１ ・・・（１）

次に、図７は、分光測定装置１００によるビーム径調整処理の一例を説明するフローチャートである。

ビーム径調整処理は、例えば、分光測定装置１００を立ち上げたときや対象物１を変更したとき等に実行される。

はじめに、分光測定装置１００が、対象物１に照射するテラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄの最適値（最適ビーム径）を決定するための調整用測定処理を実行する（ステップＳ１）。

図８は、調整用測定処理の一例を詳述するフローチャートである。はじめに、信号処理部１４が、ビーム径調整部１２に対してビーム径Ｄの測定範囲[Ｍ１，Ｍ２]と、測定間隔ｄＭ（ビーム径Ｄの変化量）を設定する。さらに、信号処理部１４が、測定範囲[Ｍ１，Ｍ２]を測定間隔ｄＭで除算した結果に１を加算して測定回数Ｎを計算する（ステップＳ１１）。

次に、信号処理部１４が、ビーム径調整部１２から出射されるテラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄを最小値Ｍ１に設定してビーム径調整部１２に通知する（ステップＳ１２）。

この通知に応じ、ビーム径調整部１２が、光源部１１からのテラヘルツ波Ｌ１のビーム径を最小値Ｍ１に調整し、テラヘルツ波Ｌ２として対象物１に照射する。そして、受光部１３が、対象物１を通過したテラヘルツ波Ｌ３を受光し、その積分強度を計算して信号処理部１４に出力する。信号処理部１４は、受光部１３から入力された積分強度を現在のビーム径に対応付けて記憶する（ステップＳ１３）。

次に、信号処理部１４が、現在の測定回数がＮ回目であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。現在の測定回数がＮ回目ではないと判断した場合（ステップＳ１４でＮＯ）、信号処理部１４が、現在のビーム径Ｄを測定間隔ｄＭだけ増加してビーム径調整部１２に通知する（ステップＳ１５）。この後、処理はステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理が繰り返される。

そして、信号処理部１４が、現在の測定回数がＮ回目であると判断した場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）、対応付けて記憶している積分強度とビーム径に基づき、積分強度が最大となる最大のビーム径Ｍ３を最適ビーム径に決定する（ステップＳ１６）。

なお、ステップＳ１６では、レンズ駆動部１２２（図４）や対象物駆動部１２３（図５）の制御精度を加味して、積分強度が最大値に対して±２０％のばらつきを許容して最適ビーム径Ｍ３を決定するようにしてもよい。

このようにして最適ビーム径Ｍ３を決定した後、処理は図７のステップＳ２に進められる。次に、信号処理部１４が、最適ビーム径Ｍ３をビーム径調整部１２に通知する（ステップＳ２）。

この通知に応じ、ビーム径調整部１２が、光源部１１からのテラヘルツ波Ｌ１のビーム径を最適ビーム径Ｍ３に調整し、テラヘルツ波Ｌ２として対象物１に照射する（ステップＳ３）。以上で、ビーム径調整処理は終了される。この後、最適ビーム径Ｍ３のテラヘルツ波Ｌ２が対象物１に照射されることになり、信号処理部１４が、対象物１を構成する物質の種類を判別したり、結合状態の違いを見分けたり、それぞれの分子の医薬品を構成する各分子の含有濃度を定量的に測定したりする。

なお、上述したステップＳ１の調整用測定処理では、テラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄを最小値Ｍ１から最大値Ｍ２まで徐々に増加させたが、テラヘルツ波Ｌ２のビーム径Ｄを最大値Ｍ２から最小値Ｍ１まで徐々に減少させるようにしてもよい。また、信号処理部１４では、Ｎ回分の積分強度とビーム径Ｄとを対応付けて記憶するようにしたが、前回の積分強度との差分とビーム径Ｄとを対応付けて記憶するようにしてもよい。

また、同一の対象物１を連続して測定する場合、ステップＳ１の調整用測定処理は省略してもよい。

以上説明したように、分光測定装置１００によれば、最適ビーム径Ｍ３のテラヘルツ波Ｌ２を対象物１に照射するので、対象物１を構成する物質で生じる散乱の影響を低減または除去することができる。また、テラヘルツ波Ｌ２の大部分の光線を対象物１に照射することができるので、ＳＮ比を大きく保つことができ、分光測定感度を向上することができる。

＜本発明の第２の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
次に、図９は、本発明の第２の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置２００は、分光測定装置１００（図１）における受光部１３を、受光部２０に置換したものである。分光測定装置２００の構成要素のうち、分光測定装置１００構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

受光部２０は、波長変換部２０１、及び変換波受光部２０２を有する。波長変換部２０１は、対象物１を通過したテラヘルツ波Ｌ３の波長を変換し、その結果得られた変換波ＬＣ３を変換波受光部２０２に照射する。変換波受光部２０２は、変換波ＬＣ３を受光し、受光した変換波ＬＣ３のビーム面内の電場振幅分布、強度分布、または強度分布を加算した値（積分強度）を信号処理部１４に出力する。なお、変換波受光部２０２が出力する積分強度等は、テラヘルツ波Ｌ３のビーム面内の積分強度等を反映したものとなる。

例えば、波長変換部２０１は、テラヘルツ波Ｌ３の波長をＩＲ(infrared)光帯域の変換波ＬＣ３に変換する。この場合、変換波受光部２０２は、ＩＲ光である変換波ＬＣ３に対して受光感度を有していればよい。一般に、ＩＲ光に対する受光感度を有するデバイスは、
テラヘルツ帯域の電磁波に対する受光感度を有するデバイスに比較して、安価であり、受光感度が高い。ＩＲ光に対する受光感度を有するデバイス変換波受光部２０２は、例えば、ＰＤ(Photo Diode)、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサ、ＣＭＯＳ(Complementary MOS)イメージセンサ等によって実現できる。

次に、図１０は、波長変換部２０１の第１の構成例を示している。該第１の構成例は、プローブ光源部３１、ビーム径調整部３２、偏光子３３、ビームスプリッタ３４、非線形光学結晶３５、補償子３６、及び偏光子３７を有する。第１の構成例は、非線形光学結晶３５によるポッケルス効果を利用したものである。

プローブ光源部３１は、プローブ光ＬＣ１としての例えばＩＲ光をビーム径調整部３２に照射する。ビーム径調整部３２は、プローブ光ＬＣ１のビーム径を調整（拡大または縮小）し、ビーム径ＤＰのプローブ光ＬＣ２を偏光子３３に出射する。偏光子３３は、プローブ光ＬＣ２を偏光してビームスプリッタ３４に出射する。ビームスプリッタ３４は、偏光されたプローブ光ＬＣ２を非線形光学結晶３５の方向に反射する。また、ビームスプリッタ３４は、非線形光学結晶３５からの変換波ＬＣ３を透過する。

非線形光学結晶３５は、例えば電気光学結晶を含み、例えば、ＺｎＴｅ，ＧａＡｓ，ＬｉＮｂＯ３，ＧａＰ，ＤＡＳＴ等から成る。非線形光学結晶３５は、テラヘルツ波Ｌ３とプローブ光ＬＣ２とが入射することにより非線形光学効果が生じる。非線形光学効果の例としては、ポッケルス効果、パラメトリック発生等が挙げることができる。該第１の構成例では、ポッケルス効果を利用する。

非線形光学結晶３５は、ポッケルス効果により、テラヘルツ波Ｌ３を、プローブ光ＬＣ２と同じ波長の変換波(ＩＲ光)ＬＣ３に変換することができる。非線形光学結晶３５によって変換された変換波ＬＣ３は、ビームスプリッタ３４を透過して補償子３６及び偏光子３７に入射される。

補償子３６及び偏光子３７は、変換波ＬＣ３の偏光状態の変化を検光する。変換波受光部２０２は、補償子３６及び偏光子３７を介して入射した変換波ＬＣ３を受光し、そのビーム面内の強度分布または積分強度を検出して信号処理部１４に出力する。

該第１の構成例においては、プローブ光源部３１からのプローブ光ＬＣ１のビーム径がビーム径調整部３２によって調整され、ビーム径ＤＰのプローブ光ＬＣ２として偏光子３３を介してビームスプリッタ３４に出射され、ビームスプリッタ３４で反射されて非線形光学結晶３５に入射される。

非線形光学結晶３５には、テラヘルツ波Ｌ３も入射されており、ポッケルス効果により、テラヘルツ波Ｌ３が変換波(ＩＲ光)ＬＣ３に変換される。非線形光学結晶３５によって変換された変換波ＬＣ３は、ビームスプリッタ３４、補償子３６及び偏光子３７を介して、変換波受光部２０２に入射される。

なお、変換波受光部２０２にて変換波ＬＣ３の強度分布または積分強度を検出する際には、偏光子３３と偏光子３７の透過軸を直交させ、補償子３６の速軸または遅軸を偏光子３３の透過軸と一致させる方法を用いることができる。

なお、変換波受光部２０２にて変換波ＬＣ３の強度分布が検出された場合、信号処理部１４は、各ピクセルの変換波ＬＣ３の強度の値をテラヘルツ波Ｌ３の強度に変換して加算し、テラヘルツ波Ｌ３の積分強度を算出する。

または、偏光子３３と偏光子３７の透過軸を直交させ、補償子３６の速軸または遅軸を偏光子３３の透過軸から０度より大きい角度にすることによってテラヘルツ波Ｌ３の電場振幅分布を測定し、信号処理部１４にて２乗してから加算し、テラヘルツ波Ｌ３の積分強度としてもよい。

さらに、偏光子３７の代わりにウォラストンプリズムまたは偏光依存ビームスプリッタを配置して、変換波ＬＣ３を二光路に分け、変換波受光部２０２をバランスディテクタとし、それぞれの光路の変換波ＬＣ３の強度差を検出することで検出効率を向上させるようにしてもよい。

次に、図１１は、波長変換部２０１の第２の構成例を示している。該第２の構成例と第１の構成例とで共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

該第２の構成例は、プローブ光源部３１、ビーム径調整部３２、偏光子３３、波長選択ミラー３９、非線形光学結晶３５、補償子３６、及び偏光子３７を有する。第２の構成例は、第１の構成例と同様、非線形光学結晶３５によるポッケルス効果を利用したものである。

波長選択ミラー３９は、テラヘルツ波を透過し、ＩＲ光を反射する特性を有する。したがって、波長選択ミラー３９は、偏光子３３を介して入射するプローブ光ＬＣ２を非線形光学結晶３５の方向に反射し、対象物１介して入射したテラヘルツ波Ｌ３を透過する。波長選択ミラー３９は、例えばペリクル、シリコン板等の光学素子から成る。

非線形光学結晶３５は、ポッケルス効果により、テラヘルツ波Ｌ３を、プローブ光ＬＣ２と同じ波長の変換波(ＩＲ光)ＬＣ３に変換する。非線形光学結晶３５によって変換された変換波ＬＣ３は、補償子３６及び偏光子３７を介して変換波受光部２０２に入射する。

該第２の構成例においては、プローブ光源部３１からのプローブ光ＬＣ１のビーム径がビーム径調整部３２によって調整され、ビーム径ＤＰのプローブ光ＬＣ２として偏光子３３を介して波長選択ミラー３９に入射され、波長選択ミラー３９にて反射されて非線形光学結晶３５に入射される。

非線形光学結晶３５には、波長選択ミラー３９を透過したテラヘルツ波Ｌ３も入射されており、ポッケルス効果により、テラヘルツ波Ｌ３が変換波(ＩＲ光)ＬＣ３に変換される。非線形光学結晶３５によって変換された変換波ＬＣ３は、補償子３６及び偏光子３７を介して、変換波受光部２０２に入射される。

次に、図１２は、波長変換部２０１の第３の構成例を示している。該第３の構成例と第１の構成例とで共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

該第３の構成例は、プローブ光源部３１、ビーム径調整部３２、及び非線形光学結晶３５を有する。第３の構成例は、非線形光学結晶３５によるパラメトリック発生を利用したものである。なお、第３の構成例におけるプローブ光源部３１が照射するプローブ光ＬＣ１の周波数ω１は、テラヘルツ波Ｌ３の周波数ω２、及び変換波ＬＣ３の周波数ω３と次式（２）の関係を有するものとする。
ω３＝ω１−ω２ ・・・（２）

該第３の構成例においては、プローブ光源部３１からのプローブ光ＬＣ１のビーム径がビーム径調整部３２によって調整され、ビーム径ＤＰのプローブ光ＬＣ２として非線形光学結晶３５に入射される。

非線形光学結晶３５には、対象物１を透過したテラヘルツ波Ｌ３も入射されており、パラメトリック発生により、変換波ＬＣ３に変換される。非線形光学結晶３５によって変換された変換波ＬＣ３は、変換波受光部２０２に入射される。

上述した第１〜３の構成例のいずれかを採用した波長変換部２０１を備える分光測定装置２００によれば、テラヘルツ帯域に対応する受光部１３に比較して安価で受光感度か高い変換波受光部２０２を用いることができる。よって、分光測定装置１００に比較して、コスト低減および検出感度の向上が可能である。また、測定結果から散乱の影響を低減または除去することが可能となる。

＜本発明の第３の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
次に、図１３は、本発明の第３の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置３００は、分光測定装置１００（図１）に対して、入力部１５、及び記憶部１６を追加したものである。分光測定装置３００の構成要素のうち、分光測定装置１００の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

入力部１５は、対象物１を識別するための識別情報（名称、識別番号等）をユーザから受け付けて信号処理部１４に通知する。また、入力部１５は、記憶部１６に記憶させるテーブル１６１（図１４）をユーザから受け付けて信号処理部１４に出力する。入力されたテーブル１６１は、信号処理部１４によって記憶部１６に記録される。さらに、入力部１５は、記憶部１６に記憶されたテーブル１６１に対する更新情報をユーザから受け付けて信号処理部１４に通知する。信号処理部１４は、入力された更新情報に基づき、記憶部１６に記憶されたテーブル１６１を更新する。記憶部１６は、テーブル１６１を記憶する。

図１４は、テーブル１６１の一例を示している。テーブル１６１には、対象物１の識別情報（同図の場合、名称）と、その大きさ（同図の場合、直径）と、最適ビーム径とが対応付けて記録されている。

分光測定装置３００における信号処理部１４は、立ち上げ時において、記憶部１６に記憶されたテーブル１６１を参照することにより、入力部１５に対してユーザから入力される対象物１の識別情報に対応する最適ビーム径を特定し、ビーム径調整部１２に通知するようになされている。

したがって、分光測定装置３００は、ユーザから入力される対象物１の識別情報に対応する記録がテーブル１６１に存在すれば、最適ビーム径を決定するための調整用測定処理（図８）が不要なので、分光測定装置１００に比較して、速やかに分光測定を開始することができる。

なお、ユーザから入力される対象物１の識別情報に対応する記録がテーブル１６１に存在しない場合、分光測定装置３００は、分光測定装置１００と同様に調整用測定処理（図８）を実行することができる。

また、分光測定装置３００は、調整用測定処理を実行して現在の対象物１に対する最適ビーム径を決定した後、該対象物１の識別情報と最適ビーム径とを追記することによりテーブル１６１を自動更新するようにしてもよい。

さらに、テーブル１６１には、最適ビーム径の代わりに、または最適ビーム径に加えて、該最適ビーム径に調整するためのビーム径調整部１２における調整値（レンズ駆動部１２２（図４）によるレンズ１２１の移動位置、対象物駆動部１２３（図５）による対象物１の移動位置）等を記録するようにしてもよい。この場合、信号処理部１４は、立ち上げ時において、記憶部１６に記憶されたテーブル１６１を参照することにより、入力部１５に対してユーザから入力される対象物１の識別情報に対応する最適ビーム径を特定し、該最適ビーム径に調整するためのビーム径調整部１２における調整値を取得してビーム径調整部１２に通知するようにすればよい。

＜本発明の第４の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
次に、図１５は、本発明の第４の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置４００は、分光測定装置１００（図１）に対して、対象物測定部１７を追加したものである。分光測定装置４００の構成要素のうち、分光測定装置１００の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

対象物測定部１７は、対象物１の大きさや形状を測定するか、対象物１の大きさや形状を測定し得る情報を取得して信号処理部１４に出力する。該第４の構成例における信号処理部１４は、対象物測定部１７から通知に基づき、最適ビーム径を決定してビーム径調整部１２を制御する。

図１６は、対象物測定部１７の具体例を示している。

同図（Ａ）は、対象物測定部１７を撮像装置１７１によって実現した場合を示している。撮像装置１７１は、対象物１を撮像し、その結果得られる画像を信号処理部１４に出力する。信号処理部１４は、予め取得している撮像装置１７１と対象物１との距離、及び対象物１の画像に基づき、対象物１の大きさを計算し、最適ビーム径を決定してビーム径調整部１２を制御する。

同図（Ｂ）は、対象物測定部１７を測定器１７２によって実現した場合を示している。測定器１７２は、例えば、自動的に駆動するデジタルノギス、デジタルマイクロメータ、レーザによる距離測定センサ等である。

測定器１７２は、対象物１の大きさを測定し、測定結果を信号処理部１４に通知する。信号処理部１４は、予め取得している撮像装置１７１と対象物１との距離、及び対象物１の測定結果に基づき、最適ビーム径を決定してビーム径調整部１２を制御する。

以上説明した分光測定装置４００によれば、対象物１の大きさや形状の測定結果に基づいて最適ビーム径を決定しているので、分光測定感度の向上が期待できる。

＜本発明の第５の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
次に、図１７は、本発明の第５の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置５００は、分光測定装置１００（図１）に対して、対象物１と受光部１３との間に結像部１８を追加したものである。分光測定装置５００の構成要素のうち、分光測定装置１００の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

結像部１８は、受光部１３の受光面の大きさに合わせ、テラヘルツ波Ｌ３のビーム径を調整する。具体的には、対象物１を透過したテラヘルツ波Ｌ３の全体が、受光部１３の受光面からはみ出すことなく最大の大きさを占めるように、テラヘルツ波Ｌ３のビーム径を調整する。

図１８は、結像部１８の構成例を示している。結像部１８は、信号処理部１４からの制御に従い、対象物１と受光部１３との間を移動する両凸レンズ１８１（図１８）を有する。なお、両凸レンズ１８１を固定し、受光部１３の受光面を移動させるようにしてもよい。

結像部１８を成す両凸レンズ１８１とテラヘルツ波Ｌ３のビーム径との関係を、図１８を参照して説明する。

同図に示すように、対象物１から両凸レンズ１８１までの距離をｆ２、両凸レンズ１８１から受光部１３の受光面までの距離をｆ３とし、両凸レンズ１８１の焦点距離をｆｄ（不図示）とした場合、対象物１と両凸レンズ１８１と受光部１３との配置は、次式（３）を満たすように配置する。
ｆ２＋ｆ３＞ｆｄ ・・・（３）

この場合、受光部１３の受光面におけるビーム径Ｄｄは、次式（４）のとおりとなる。
Ｄｄ＝Ｄｆ３／ｆ２ ・・・（４）

なお、結像部１８は、両凸レンズ１８１以外で構成してもよい。例えば、２枚以上のレンズを用いて収差を低減するように構成してもよい。または、シリンドリカルレンズを採用し、テラヘルツ波Ｌ３のビーム径を縦横非対称な形状に変更するように構成してもよい。

次に、図１９は、結像部１８を備えた分光測定装置５００によるビーム径調整処理を説明するフローチャートである。該ビーム径調整処理は、分光測定装置１００（図１）によるビーム径調整処理（図７）にステップＳ４の処理を追加したものである。

すなわち、分光測定装置５００によるビーム径調整処理では、分光測定装置１００と同様、ステップＳ１の調整用測定処理にて、信号処理部１４が最適ビーム径Ｍ３を決定する。次に、ステップＳ２にて、信号処理部１４が、最適ビーム径Ｍ３をビーム径調整部１２に通知する。この通知に応じ、ステップＳ３にて、ビーム径調整部１２が、光源部１１からのテラヘルツ波Ｌ１のビーム径を最適ビーム径Ｍ３に調整し、テラヘルツ波Ｌ２として対象物１に照射する。

次に、ステップＳ４にて、信号処理部１４が、最適ビーム径Ｍ３と受光部１３の受光面の大きさとに基づき、両凸レンズ１８１の位置を決定する。そして、結像部１８が、信号処理部１４からの制御に従い、両凸レンズ１８１を移動することによりビーム径Ｄｄを調整する。以上で、分光測定装置５００によるビーム径調整処理は終了される。

以上に説明した分光測定装置５００によれば、結像部１８が、受光部１３の受光面におけるテラヘルツ波Ｌ３のビーム径Ｄｄを調整するので、受光部１３がテラヘルツ波Ｌ３を効率良く受光できる。よって、散乱の影響を低減または除去しつつ、さらなる分光測定感度の向上が可能となる。

＜本発明の第６の実施形態に係る分光測定装置の構成例＞
次に、図２０は、本発明の第６の実施形態に係る分光測定装置の構成例を示している。該分光測定装置６００は、分光測定装置１００（図１）に対して、ビーム径調整部１２と対象物１との間にビーム形状変更部１９を追加したものである。分光測定装置６００の構成要素のうち、分光測定装置１００の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

分光測定装置６００における信号処理部１４は、受光部１３からの受光信号に基づき、対象物１の大きさと形状を判定し、判定結果に基づいてビーム形状変更部１９を制御する。

ビーム形状変更部１９は、信号処理部１４からの制御に従い、ビーム径調整部１２から出力されるビーム径Ｄのテラヘルツ波Ｌ２のビーム形状を、対象物１の形状に合わせて、例えば、楕円形、三角形、四角形等の任意の形状に変更するものである。ビーム形状変更部１９は、例えば、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)、ＳＬＭ(Spatial Light Modulator)、金属版を任意の形状に切り抜いたマスク等により実現できる。

分光測定装置６００によれば、対象物１に合わせて形状を変更したテラヘルツ波Ｌ２を対象物１に照射するので、対象物１の断面形状が円形ではなく、楕円形、四角形、その他の形状であっても、テラヘルツ波Ｌ２の光線を対象物１に効率よく照射することができ、散乱の影響を低減または除去しながら分光測定感度のさらなる向上が可能となる。

なお、該分光測定装置６００に対象物測定部１７（図１５）を追加し、信号処理部１４が、対象物測定部１７による測定結果に基づいて対象物１の形状を識別し、その識別結果に基づいて、ビーム形状変更部１９を制御するようにしてもよい。

＜対象物１の大きさが小さい場合の対処＞
ところで、ビーム径調整部１２が調整可能なビーム径の最小値Ｍ１に比較して対象物１の大きさが小さい場合、上述した分光測定装置１００〜６００では対象物１による散乱の影響を抑止することができない。そのよう場合、複数の対象物１から成るクラスタ（集合体）を形成し、該クラスタを対象物１として分光測定すればよい。

図２１は、対象物１のクラスタの例を示している。同図（Ａ）は、円形の対象物１を平面状に敷き詰めてクラスタ１０１を形成した例である。同図（Ｂ）は、矩形の対象物１を平面状に敷き詰めてクラスタ１０２を形成した例である。同図（Ｃ）は、円形の対象物１を立体的に敷き詰めてクラスタ１０３を形成した例である。

なお、対象物１の形状、クラスタ１０１〜１０３の形状、敷き詰め方、密度については図示する例に限られない。ただし、感度向上に観点から、クラスタ１０１〜１０３を構成する対象物どうしの間隔はできるだけ小さいことが望ましい。

上述したように、ビーム径の最小値Ｍ１に比較して大きさいの小さい対象物１をクラスタ化して分光測定すれば、対象物１による散乱の影響を低減または除去することが可能となる。

＜応用例＞
なお、本発明は、分光測定以外の測定に応用することも可能である。例えば、テラヘルツ波を用いるＣＴスキャンや、テラヘルツ波の吸収率・反射率を利用したイメージング・スキャニング等、散乱光によって測定値の変動や測定精度低下などの影響を受ける測定に応用できる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成を加えることも可能となる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能となる。

１１・・・光源部、１２・・・ビーム径調整部、１３・・・受光部、１４・・・信号処理部、１５・・・入力部、１６・・・記憶部、１７・・・対象物測定部、１８・・・結像部、１９・・・ビーム形状変更部、２０・・・受光部、３１・・・プローブ光源部、３２・・・ビーム径調整部、３３・・・偏光子、３４・・・ビームスプリッタ、３５・・・非線形光学結晶、３６・・・補償子、３７・・・偏光子、３９・・・波長選択ミラー、１００・・・分光測定装置、１０１〜１０３・・・クラスタ、１２１・・・レンズ、１２２・・・レンズ駆動部、１２３・・・対象物駆動部、１６１・・・テーブル、１７１・・・撮像装置、１７２・・・測定器、１８１・・・両凸レンズ、２００・・・分光測定装置、２０１・・・波長変換部、２０２・・・変換波受光部、３００・・・分光測定装置、４００・・・分光測定装置、５００・・・分光測定装置、６００・・・分光測定装置

Claims (13)

1. 対象物に照射するための電磁波を出力する光源部と、
   前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部から出力された前記電磁波のビーム径を調整するビーム径調整部と、
   前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する受光部と、
   前記受光信号に基づいて前記ビーム径調整部にて調整する前記ビーム径を決定する信号処理部と、
   前記対象物の識別情報と最適ビーム径とを対応付けて記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記信号処理部は、前記受光信号に基づき、前記受光部にて受光された前記電磁波の積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を前記最適ビーム径に決定し、
   前記ビーム径調整部は、前記信号処理部からの制御に従い、前記光源部から出力された前記電磁波の前記ビーム径を前記最適ビーム径に調整する
   ことを特徴とする分光測定装置。
2. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記受光部は、前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号として前記電磁波の前記積分強度を生成し、
   前記信号処理部は、前記受光信号としての前記電磁波の前記積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を最適ビーム径に決定する
   ことを特徴とする分光測定装置。
3. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記受光部は、前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号として前記電磁波の電場振幅分布または強度分布の２次元イメージを生成し、
   前記信号処理部は、前記受光信号としての前記電磁波の前記電場振幅分布または前記強度分布の２次元イメージに基づいて前記積分強度を演算し、演算した前記積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を最適ビーム径に決定する
   ことを特徴とする分光測定装置。
4. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記受光部は、
   前記対象物を介して入射した前記電磁波の波長を変換することにより変換波を生成する波長変換部と、
   前記変換波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する変換波受光部と、
   を有し、
   前記信号処理部は、前記変換波受光部によって生成された前記受光信号に基づいて前記積分強度を演算し、演算した前記積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を最適ビーム径に決定する前記最適ビーム径を決定する
   ことを特徴とする分光測定装置。
5. 請求項４に記載の分光測定装置であって、
   前記波長変換部は、非線形光学結晶によるポッケルス効果またはパラメトリック発生を利用して前記対象物を介して入射した前記電磁波の波長を変換する
   ことを特徴とする分光測定装置。
6. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記信号処理部は、入力された前記対象物の前記識別情報が前記記憶部に記憶されている場合、前記識別情報に対応する前記最適ビーム径を読み出し、読み出した前記最適ビーム径に基づいて、前記ビーム径調整部を制御する
   ことを特徴とする分光測定装置。
7. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記信号処理部は、入力された前記対象物の前記識別情報と、前記対象物に対して決定した前記最適ビーム径と対応付けて前記記憶部に記憶させる
   ことを特徴とする分光測定装置。
8. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記対象物と前記受光部との間に配置され、前記対象物を介して前記受光部の受光面に入射する前記電磁波の前記受光面におけるビーム径を変更する結像部を、備え、
   前記信号処理部は、前記最適ビーム径と、前記受光面の大きさとに基づいて、前記結像部の位置を制御する
   ことを特徴とする分光測定装置。
9. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
   前記ビーム径調整部と前記対象物との間に配置され、前記電磁波のビーム形状を変更するビーム形状変更部を、
   備えることを特徴とする分光測定装置。
10. 請求項１に記載の分光測定装置であって、
    前記対象物は、前記ビーム径調整部が調整可能な前記ビーム径の最小値よりも小さい物質の集合体である
    ことを特徴とする分光測定装置。
11. 対象物に照射するための電磁波を出力する光源部と、
    前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する受光部と、
    記憶部と、
    を備える分光測定装置の分光測定方法であって、
    前記受光信号に基づき、前記受光部にて受光された前記電磁波の積分強度が最大または前記最大から所定範囲となる最大のビーム径を最適ビーム径に決定する決定ステップと、
    前記光源部から出力された前記電磁波の前記ビーム径を前記最適ビーム径に調整する調整ステップと、
    前記対象物の識別情報と前記最適ビーム径とを対応付けて前記記憶部に記憶させる記憶制御ステップと、
    を含むことを特徴とする分光測定方法。
12. 対象物の大きさを測定する対象物測定部と、
    前記対象物に照射するための電磁波を出力する光源部と、
    前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部から出力された前記電磁波のビーム径を調整するビーム径調整部と、
    前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する受光部と、
    前記受光信号に基づいて前記対象物を分析する信号処理部と、
    を備え、
    前記信号処理部は、前記対象物測定部による測定結果に基づいて最適ビーム径に決定し、
    前記ビーム径調整部は、前記信号処理部からの制御に従い、前記光源部から出力された前記電磁波の前記ビーム径を前記最適ビーム径に調整する
    ことを特徴とする分光測定装置。
13. 対象物に照射するための電磁波を出力する光源部と、
    前記対象物を介して入射した前記電磁波を受光し、受光結果を表す受光信号を生成する受光部と、
    を備える分光測定装置の分光測定方法であって、
    前記対象物の大きさを測定する測定ステップと、
    前記対象物の大きさの測定結果に基づき、最適ビーム径を決定する決定ステップと、
    前記光源部から出力された前記電磁波のビーム径を前記最適ビーム径に調整する調整ステップと、
    を含むことを特徴とする分光測定方法。

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