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JP2013181929A - 測定装置及び方法、トモグラフィ装置及び方法 - Google Patents

測定装置及び方法、トモグラフィ装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】測定物の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率などの検出精度が改善し得る測定装置及び方法等を提供する。
【解決手段】時間領域分光法により測定物の物性を取得する装置は、検出部101、電磁波パルスの発生と検出の時間差を調整する遅延部104、電磁波パルスを集光する整形部102、検出部の出力と遅延部の調整量を参照して、電磁波パルスの時間波形を構築する波形取得部105、測定物に対し電磁波パルスの集光位置を調整する集光位置調整部106を有する。測定物に対し集光位置を移動する際に、集光位置が測定物の第1及び第2の反射部とそれぞれ重なる時の集光位置調整部による調整量と時間波形の第1及び第2のパルスを検出するのに要する遅延部による差を得て、調整量の変化量と差の変化量から、測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率が算出される。
【選択図】図1

Description

本発明は、電磁波を用いた測定装置及び方法に関する。また、トモグラフィ装置及び方法に関する。
テラヘルツ波は、典型的には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。この様な周波数帯域には、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。この様な特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定などを行う検査技術が開発されている。また、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術や高速な通信技術への応用が期待されている。さらに、測定物内部の屈折率界面からの反射テラヘルツ波を用いて、測定物内部の可視化を行うトモグラフィ装置への適用が注目されている。この装置では、テラヘルツ波の透過性という特徴を活かし、数100μmから数10mm程度の深さの内部構造の可視化が期待される。多くの場合、これらの用途にはサブピコ秒のパルス形状からなるテラヘルツ波を用いる。一般的に、この様なパルスを実時間で取得することは困難である。そのため、THz-TDS装置は、フェムト秒オーダのパルス幅を有する超短パルス光（本明細書では励起光とも呼ぶ）によってサンプリング計測を行っている。このテラヘルツ波のサンプリングは、テラヘルツ波を発生する発生部とテラヘルツ波を検出する検出部に夫々到達する励起光の光路長差を調整することで実現される。例えば、この光路長差は、折り返し光学系を有するステージ（本明細書では遅延光学部とも呼ぶ）を励起光の伝搬経路に挿入し、励起光の折り返し量によって調整される。多くの場合、上記発生部又は検出部として、微小間隙を有するアンテナ電極パターンを半導体薄膜に設けた光伝導素子を用いる。
本発明の一例では、THz-TDS装置の原理を用いて測定物の物性を取得する。ここで測定物の物性とは、主に、測定物の屈折率と形状（厚み）などを対象にしている。テラヘルツ波パルスを用いて、これらの物性を取得する場合、測定物が有する屈折率界面からの反射パルスを計測し、反射パルスの時間差より算出することが多い（特許文献１参照）。これらの反射パルスの間隔は、テラヘルツ波が伝搬する光学長に相当する。テラヘルツ波の光学長は、測定物の厚みtに平均的な屈折率n(ave)を乗算した形n(ave)×tで表現される。平均的な屈折率とは、測定物の典型的な屈折率をいう。例えば、使用する周波数帯域に存在する屈折率分散の平均値を指す。若しくは、測定物が有する周波数スペクトルのうち、最も強度が強い周波数（波長）での屈折率を指す。テラヘルツ波の測定結果より測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)を求める場合、二つの未知数に対して一つの測定結果しかないために、これらの値を求めることは困難である。特許文献１では、この問題を解決するため、測定物の屈折率を別手段で予め求めている。このように、厚みtと平均的な屈折率n(ave)を測定結果より切り分けるために、別の測定手段を用いていずれか一方の情報を取得する必要がある。そのためには、測定物の性状が、測定前に或る程度特定されていることが望ましい。しかし、これらの行為は、測定装置としての適用範囲を制限する可能性がある。
一方、OCT装置(Optical Coherence Tomography 装置、光干渉断層装置)では、これらの情報の切り分けのため次のような技術がいくつか開発されている。ここでは、共焦点光学系を構築し、測定物の奥行方向について共焦点光学系の集光位置にある焦点の移動量と、各焦点について干渉信号が最大となるために要する干渉系の光路長差の変化量より、厚みtと平均的な屈折率n(ave)を同時に算出している。具体的には、光路長差の変化量と焦点の移動量の比から測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)を算出している（特許文献２参照）。
特許第4046158号 特許第3602925号
しかしながら、上記特許文献２の技術は、光路長差の変化量と集光位置にある焦点の移動量の比が重要であるため、焦点を結ぶ屈折率界面の位置が正確に求められることが前提となっている。OCT装置で使用する波長は数μm以下であるため、共焦点光学系での焦点深度は数10μm以下となる。そのため、数100μmから数10mmの厚みを有する測定物に対して、焦点深度が十分小さい値であり、適切に共焦点光学系が構築できる。言い換えると、光学系の焦点は点として認識できる。この結果、測定物の屈折率界面の境界が明瞭となり、測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)に関する測定精度が高い。
ところが、上記特許文献２の技術を、テラヘルツ波のようなより波長の長い電磁波を用いる技術に適用する場合、次のような課題が生ずる。テラヘルツ波の波長は、数100μmと長いため、共焦点光学系を構築した場合、焦点深度は数mmに及ぶ。波動光学的には、焦点深度に相当するの領域においてビーム形状は、殆ど変化することなく平行に伝搬する。本明細書では、この集光する部分においてビームが平行に伝搬する領域を平行領域とも呼ぶ。テラヘルツ波の技術では、この平行領域が数mmに及んでいる。波動光学的に共焦点光学系は、ビームが集光する過程の領域（本明細書では集光過程領域とも呼ぶ）と上述した平行領域で構成され、対象となる測定物の大きさが、平行領域よりも十分大きいという仮定の元で活用されることが多い。上述した条件において、平行領域は、共焦点光学系として機能が低下する領域であるとも言える。光学系の焦点を詳細に分析すると、光学系の焦点は点ではなく、或る領域として定義される。共焦点光学系において、この平行領域と同程度の大きさの測定物を測定する場合、焦点の移動量の影響が相対的に大きくなってしまう。この結果、測定物の屈折率界面の境界が不明瞭になり、測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)に関する測定精度が低下してしまうことになる。この現象は、テラヘルツ波に限るものではなく、あらゆる波長において、共焦点光学系の平行領域と同程度の大きさの測定物を測定する際に生ずるものである。
上記課題に鑑み、電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により少なくとも第1の反射部と第2の反射部を備える測定物の物性を取得する本発明の測定装置は以下の要素を有する。測定物からの電磁波パルスを検出する検出部。検出部に到達する電磁波パルスと該電磁波パルスを検出するために検出部に到達する励起光との光路長差を調整する遅延光学部。測定物へ電磁波パルスを集光する整形部。検出部の出力と遅延光学部による光路長差の調整量とを参照して電磁波パルスの時間波形を構築する波形取得部。測定物と集光位置との相対的な位置を調整する集光位置調整部。測定物の反射部の位置を、集光位置調整部の調整量と、調整量における反射部からのパルスの時間波形の一部を検出するために要する遅延光学部の光路長差として取得する測定位置情報取得部。測定位置情報取得部により取得される、電磁波パルスの集光位置が測定物の第1の反射部と重なる時の集光位置調整部の調整量Z1と時間波形の第1のパルスを検出するために要する遅延光学部による光路長差D1と、電磁波パルスの集光位置が測定物の第2の反射部と重なる時の集光位置調整部の調整量Z2と時間波形の第2のパルスを検出するために要する遅延光学部による光路長差D2とを得て、集光位置調整部による調整量の変化量|Z2-Z1|と遅延光学部による光路長差の変化量|D2-D1|とに基づいて、測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出する物性取得部。
また、上記課題に鑑み、電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により測定物の物性を取得する本発明の測定方法は以下のステップを有する。前記波形取得部で第1のパルスを取得する位置に、前記時間差を換算した光路長差を調整するステップ。時間領域分光法により前記少なくとも第1のパルスと第2のパルスを含む時間波形を取得し、前記集光位置調整部による調整量と前記取得した時間波形を記憶するステップ。集光位置調整部により電磁波パルスの集光位置を微動するステップ。記憶した前記調整量と前記時間波形の変化より電磁波パルスの集光位置である平行領域が測定物の第1の反射部に重なる位置を算出するステップ。電磁波パルスの集光位置を測定物の第1の反射部に移動するステップ。電磁波パルスの集光位置である平行領域が測定物の第1の反射部と重なる時の時間波形より第1のパルスを取得し、集光位置の移動に要する集光位置調整部の調整量Z1と第1のパルスを取得する位置における前記遅延部による光路長差D1とを取得するステップ。電磁波パルスの集光位置を測定物の第2の反射部に移動するステップ。電磁波パルスの集光位置である平行領域が測定物の第2の反射部と重なる時の時間波形より第2のパルスを取得し、集光位置の移動に要する集光位置調整部の調整量Z2と第2のパルスを取得する位置における遅延部による光路長差D2とを取得するステップ。前記調整量の変化量|Z2-Z1|と前記光路長差の変化量|D2-D1|とに基づいて、測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出するステップ。
本発明に依れば、測定物の各反射部に挟まれる領域の大きさが、電磁波パルスの平行領域の大きさに近い場合でも各反射部の位置を精度良く特定できる。そのため、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率の検出精度を向上させることができる。また、電磁波パルスとしてテラヘルツ波パルスを用いる場合、このテラヘルツ波パルスの透過性を利用することで、数100μmから数10mm程度の深さでの内部構造の可視化や物性の特定が可能になるという効果を奏する。
実施形態1で説明する装置の概略構成図。 実施形態2で説明する装置の概略構成図。 実施形態3で説明する装置の概略構成図。 実施形態1の装置の動作を説明する図。 実施形態2の装置の動作を説明する図。 ビーム形状と測定物の反射部の位置関係を説明する図。 測定位置情報取得部の動作を説明する図。 測定位置情報取得部の精度向上の手法を説明する図。 測定位置情報取得部の精度向上の手法を説明する図。 実施例1で用いた測定物を説明する図。 実施例1における測定位置情報取得部の動作を説明する図。 実施例1における測定位置情報取得部の動作を説明する図。 実施形態4で説明する装置の概略構成図。 実施形態4の装置の動作を説明する図。 皮膚の模式図。 測定物とそのトモグラフィ像の模式図。 測定位置情報取得部の処理精度を説明する図。
本発明の特徴は、測定物の反射部（屈折率界面など）の位置を、測定物に対する電磁波パルスの集光位置の変化に伴う時間波形の変化より算出することである。この際、波長の比較的長いテラヘルツ波パルスを用いる場合、典型的には、集光位置は、電磁波パルスが集光する部分にある後述する平行領域である。また、電磁波パルスの集光位置が測定物の第1及び第2の反射部と重なる時は、それぞれ、電磁波パルスの後述する集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第1及び第2の反射部が重なる時である。
以下、本発明の実施形態と実施例を説明する。これらは、測定物にある第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の物性、例えば屈折率と厚みを求める装置及び方法に関するものである。
（実施形態１）
本発明の思想を実施し得る一形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態における物性測定装置の概略構成図である。図1に示す如く、本実施形態の物性測定装置は、以下の構成を少なくとも有する。電磁波パルスを発生、検出する発生検出部101と電磁波パルスを整形し集光する整形部102を有する。発生検出部101で電磁波パルスを発生、検出を行うための励起光を出力する光源103を有する。発生検出部101で電磁波パルスを検出する時点において、電磁波パルスと励起光の光路長差を調整する遅延光学部104を有する。測定物における第１の反射部と第２の反射部からの電磁波パルスの時間波形を取得する波形取得部105を有する。測定物に対し電磁波パルスが集光する位置を調整する集光位置調整部106を有する。尚、本明細書では、電磁波パルスが集光する部分にある平行領域の移動量と集光位置の移動量は等価として説明する。波形取得部105と集光位置調整部106の出力を参照し、測定物の反射部の位置を算出する測定位置情報取得部107を有する。波形取得部105と集光位置調整部106と測定位置情報取得部107の出力を参照し、測定物の厚みや屈折率といった物性を取得する物性取得部108を有する。本実施形態では、電磁波パルスとしてテラヘルツ波を用いて説明するが、本発明の電磁波パルスの波長はテラヘルツ波領域の波長に限るものではない。
発生検出部101は、テラヘルツ波パルスを発生し、検出する部分である。発生検出部101の検出手法として、テラヘルツ波の電界強度の変化を素子から出力される電流の変化に換算して検出する手法がある。この手法として、励起光照射時の光伝導性の変化より、テラヘルツ波の電界強度に対応した電流を検出する手法がある。このような電流を検出する手段として、半導体膜上に金属電極でアンテナパターンを形成した素子（本明細書では光伝導素子とも呼ぶ）が適用できる。また、電気光学効果を用いて電場を検出する手法や磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法がある。電気光学効果を用いて電場を検出する手法として、偏光スプリッターと電気光学結晶を用いた手段が適用できる。磁気光学効果を用いて磁場を検出する手法として、偏光スプリッターと磁気光学結晶を用いた手法が適用できる。
図1において、発生検出部101は、テラヘルツ波の発生を担う部分が検出を担う部分と共通化されていても、分離されていてもよい。共通化されている場合、発生検出部101は、同じ素子構成でテラヘルツ波の発生と検出を行う。この場合、発生原理として、瞬時電流を利用する手法がある。この手法として、半導体や非線形結晶の表面に励起光を照射してテラヘルツ波を発生する手法がある。光伝導素子を利用する場合、光伝導素子の電極に電界を印加し励起光を照射してテラヘルツ波を発生させる。非線形結晶の電気光学効果を利用する場合、励起光が照射し発生した分極によりテラヘルツ波を発生させる。発生と検出を担う部分が分離されている場合、発生を担う部分は検出する部分とは別の構成を適用することが可能である。例えば、瞬時電流を利用する形態の場合、PINダイオード構造が適用できる。また、キャリヤのバンド間遷移を利用する手法が適用できる。この手法として半導体量子井戸構造におけるキャリヤのバンド間遷移を利用する手法がある。
本明細書では、発生検出素子101として、光伝導素子を用いる例を中心に説明する。整形部102は、テラヘルツ波パルスのビーム形状を調整する部分である。図1では、整形部102は二つのレンズと発生検出部101を含む部分を内包する窓付の筐体で構成する。整形部102は、二つのレンズによってテラヘルツ波パルスを集光する。また、整形部102は、テラヘルツ波パルスの伝搬方向に窓側のレンズを動かすアクチュエータを含んでもよい。窓側のレンズの位置を調整することで、集光する位置を調整することが可能である。また、整形部102が発生検出部101を内包する場合、整形部102自体がテラヘルツ波パルスの伝搬方向に動く機構を有してもよい。この場合でも、テラヘルツ波パルスの集光する位置を、テラヘルツ波パルスの伝搬方向に調整することができる。整形部102はテラヘルツ波パルスを集光する機能を有すればよいので、レンズではなくミラーで構成することも可能である。尚、整形部102で集光したテラヘルツ波パルスのビーム形状は、波動光学的には、図6で示す様に、テラヘルツ波パルスが集光する過程の領域（領域Ａ、集光過程領域とも呼ぶ）とテラヘルツ波パルスが平行に伝搬する領域（領域Ｂ、平行領域とも呼ぶ）に大別できる。
光源103は、発生検出部101を構成する光伝導素子に励起光を供給する部分である。多くの場合、超短パルスレーザを出力する。光源103から出力されるパルスレーザは、数10フェムト秒のパルス幅を有する。発生検出部101を構成する光伝導素子は、励起光の照射によりキャリヤを半導体薄膜に励起することで動作する。図1に示すように、光源103から出力した励起光は、ビームスプリッタによりL1とL2の光路に分岐される。ここでは、光路L1を通る励起光は、発生検出部101に照射され、発生用として利用される。光路L2を通る励起光は後述する遅延光学部104を介し発生検出部101に照射され、検出用として利用される。光源103から出射する励起光の波長は、使用する光伝導素子の半導体膜の吸収波長により変化する。図1では、テラヘルツ波の発生部分と検出部分は共通の素子を用いているが、上述したように分離して構成することも可能である。発生部分と検出部分の吸収波長によっては、光路L1またはL2の途中に波長変換素子が介在してもよい。光源103の波長やパルス幅、レーザの繰り返し周波数は、必要とされる装置スペックにより適宜選択される。図1では、テラヘルツ波の発生と検出に共通の光伝導素子を用いるため、光路L1とL2を通る励起光は発生検出部101の直前でビームスプリッタにより再び同じ光路に合成される。
遅延部である遅延光学部104は、励起光の光路長を調整し、発生検出部101に到達する励起光L1とL2の光路長差を調整する部分である。上述したように、テラヘルツ波を実時間で検出することは難しいため、発生検出部101に入射する励起光L1とL2の光路長差を所定量ずつ逐次変化させることで、テラヘルツ波のサンプリング計測を行う。遅延光学部104には、励起光の光路長を直接調整する手法と、実効的な光路長を調整する手法などが適用できる。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、この光学系を折り返し方向に動かす可動部を用いる手法がある。また、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103として励起光L1とL2を出力する二つのレーザ源を用い、各レーザの繰り返し周波数を変化させる形態でもよい。この場合、発生検出部101に到達する二つの励起光の時間差が相対的に変化するので、この時間差より光路長差を換算できる。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中の時定数を変化させる手法がある。ただし、遅延光学部104の構成はこれに限らず、光路長差ないしこれに還元できる時間差を調整する目的を達成し得る方法であればよい。図1では折り返し光学系を用いる例を示している。
波形取得部105は、発生検出部101の出力を参照しテラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。テラヘルツ波は典型的にはピコ秒以下のパルス波形であるため、実時間での取得が困難である。そのため、テラヘルツ波のパルス幅よりも短いパルス幅を有するパルス光でサンプリング計測を行う。検出を担う部分として光伝導素子を用いる場合、サンプリングに用いるパルス光は上述した励起光である。励起光は、フェムト秒のパルス幅を有するパルス光である。テラヘルツ波のサンプリング計測は、発生検出部101に到達するテラヘルツ波と発生検出部101に到達する励起光L2の光路長差を調整して行う。この光路長差の調整は、上述した遅延光学部104が担う。波形取得部105では、発生検出部101に到達するテラヘルツ波について、遅延光学部104の光路長差の調整量をモニタし、この調整量に応じた発生検出部101の出力をプロットすることでテラヘルツ波の時間波形を構築する。
集光位置調整部106は、波動光学的には、テラヘルツ波パルスの平行領域をテラヘルツ波パルスの光軸に略沿う方向に移動する部分である。例えば、図1において測定物が第1の反射部と第2の反射部を有する場合、集光位置調整部106は、テラヘルツ波パルスの集光位置を第１の反射部上の位置P1から第２の反射部上の位置P2に移動させる。ここで、図において位置P1とP2は点で表現されているが、実際には或る領域を有している。具体的には、集光位置調整部106は、整形部102に設けられたアクチュエータを制御して測定物側のレンズをテラヘルツ波の光軸に略沿う方向に移動して、テラヘルツ波パルスの集光位置を調整する。また、集光位置調整部106は、整形部102自体の位置をテラヘルツ波の光軸に略沿う方向に移動し、テラヘルツ波パルスの集光位置を調整する。また、測定物をアクチュエータに設置し、このアクチュエータによって測定物の位置をテラヘルツ波の光軸に略沿う方向に移動することによって、相対的にテラヘルツ波パルスの集光位置を調整する。
測定位置情報取得部107は、テラヘルツ波パルスの集光位置の変化に伴うテラヘルツ波パルスの時間波形の変化より測定物の第1の反射部の位置を取得する部分である。より詳細には、測定物の第1の反射部について整形部102により結ばれるテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置を取得する。テラヘルツ波パルスの集光位置は、集光位置調整部106によって調整する。テラヘルツ波パルスの時間波形は、波形取得部105により構築された時間波形を参照する。具体的には、測定物の第1の反射部からの第1のパルスと第2の反射部からの第2のパルスの形状を参照する。図1では、第1の反射部は、第2の反射部よりも発生検出部101に近い位置にあるが、この配置関係は逆転していても構わない。また、第1の反射部と第2の反射部の間に別の反射部が存在していてもよい。結果的に測定位置情報取得部107が取得する情報は、集光位置調整部106の調整量と、対象となる反射部からのパルス波形（該反射部に対応する時間波形の一部）を検出するために要する遅延光学部104の調整量である。これら二つの調整量を測定基準として記憶する。
以下に、集光位置調整部106の調整量を取得する手法を中心に説明する。図6は、整形部102で集光されたテラヘルツ波パルスのビーム形状と測定物の反射部の位置関係とテラヘルツ波パルスの時間波形の関係を説明する図である。図6(a)は、整形部102の集光する部分におけるテラヘルツ波パルスのビーム形状と測定物の第1の反射部と第2の反射部の位置関係について説明するための図である。図6(b)は、各反射部から得られるテラヘルツ波パルスの第1のパルスと第2のパルスの時間波形について説明するための図である。上述したが、テラヘルツ波パルスが集光する過程の領域を集光過程領域（領域A）、テラヘルツ波パルスが平行に伝搬する領域を平行領域(領域B)と呼ぶ。平行領域は、波動光学的には焦点深度に相当する。また、整形部102による集光位置は、平行領域に含まれる位置にある。図6において、測定物の厚みがｔ、平均的な屈折率がn(ave)とする時、測定物内部を伝播するテラヘルツ波の光学長はt×nに近似する。一方、測定物内部の平行領域の移動量は、測定物に対するテラヘルツ波の屈折角などを考慮すれば、ｔ/n(ave)に近似する。ここで、本明細書では平行領域の移動量と集光位置の移動量は等価として説明する。後述する物性取得部108は、この光学長と平行領域の移動量を、遅延光学部104での光路長差と集光位置調整部106の調整量より求め、測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)を一意に求める。
ここで、反射部が平行領域（領域B）を移動する場合、波動光学的には焦点が結ばれているので、発生検出部101に到達するテラヘルツ波のビーム形状は殆ど変化しない。このことから、平行領域（領域B）での反射部の移動に伴う反射部の光学的な移動距離は、反射部の移動距離にほぼ比例する。反射部が集光過程領域（領域A）を移動する場合、波動光学的には焦点から外れているので、発生検出部101に到達するテラヘルツ波のビーム形状は、反射部の移動に伴って拡大、縮小する。より詳細には、発生検出部101に到達するテラヘルツ波の伝搬長は、反射部の移動距離と、ビーム径の拡大、縮小に伴う角度成分が加わる値となる。このため、反射部の移動に伴う反射部の光学的な移動距離は、平行領域（領域B）の光学的な移動距離に比較して長くなる。
この光学的な移動距離は、テラヘルツ波パルスの伝搬時間に換算することができる。上述した現象を踏まえると、テラヘルツ波パルスによる物性取得装置は、測定物の第1の反射部と第2の反射部からのパルスを検出しているが、各反射部がどの領域に存在するかによって第1のパルスと第2のパルスの時間間隔や強度が変化する。具体的には以下に説明する３つの態様が考えられる。尚、テラヘルツ波パルスの強度の程度を表す値として、反射部からのパルスの尖頭値を用いて説明する場合もある。
一つ目の態様として、第1の反射部と第2の反射部が集光過程領域（領域Ａ）に収まり、且つこの領域内で、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴い、各反射部の位置が相対的に動く態様がある。この時、図6(b)における時間間隔Δｔは殆ど変化しない。詳細には、発生検出部101に到達するテラヘルツ波パルスのビーム径の拡大、縮小に伴う角度成分の差分程度変化するが、反射部の移動に比較すると僅かである。第1の反射部からの第1のパルスの尖頭値A1と第2の反射部からの第2のパルスの尖頭値A2の比は測定物自体の物性や構造に起因する損失や分散に加え集光位置によって変化する。これは、整形部102にある光学系の平行領域付近からの反射信号は、発生検出部101で焦点を結ぶのに対し、光学系の焦点から離れた位置からの反射信号は、発生検出101で焦点がずれた状態で入射することに起因する。より詳細には、発生検出部101として光伝導素子を用いる場合、光伝導素子にあるアンテナパターンによって素子内の検出感度が空間的に変化している。この感度の空間分布は一種の空間フィルタとみなすことができる。そのため、光学系の集光過程領域と各反射部の位置関係により、各反射部からのパルス信号について、発生検出部101に入射するテラヘルツ波パルスの単位面積あたりの光量が変化する。そして、各反射部からのパルスの強度比がこの位置関係により変化する。ここでは、発生検出部101の例として光伝導素子を用いたが、これに限らない。検出素子自体に空間フィルタの機能がなくても、微小開口のような構造的な空間フィルタを組み合わせることで同じ動作は可能である。
二つ目の態様として、第1の反射部と第2の反射部が平行領域（領域B）に収まり、且つこの領域内で、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴い、各反射部の位置が相対的に動く態様がある。この時、各反射部の光学的な移動距離は、上述したように物理的な移動距離にほぼ比例するため、図6(b)における時間間隔Δｔは殆ど変化しない。また、テラヘルツ波パルスは測定物内部を平行ビームとして伝播するので、第1のパルスと第2のパルスの強度比は測定物自体の物性や構造に起因する損失や分散の影響が支配的となる。
三つ目の態様として、図6(a)のように第１の反射部と第２の反射部が集光過程領域（領域A）と平行領域（領域B）にまたがり、且つこの条件を満たすように、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴い、各反射部の位置が相対的に動く態様がある。本明細書では、この状態を混在領域（領域A+B）とも呼ぶ。この時、各領域においてテラヘルツ波パルスの伝播距離が角度成分だけ異なるため、第1の反射部と第2の反射部の位置によって図6(b)における時間間隔Δtは変化する。また、一つ目の態様で述べたように、第1の反射部からの第1のパルスの尖頭値A1は、領域Aにおける第1の反射部の位置によって変化する。このことから、第1の反射部からの第1のパルスの尖頭値A1と、第2の反射部からの第2のパルスの尖頭値A2の強度比もテラヘルツ波パルスの集光位置によって変化する。
ここで、焦点深度はn(λ)λ/2(NA)2に近似することが一般的に知られている。この関係よりテラヘルツ波の場合、焦点深度の値は数mmと見積もられる。ここで、λは波長、n(λ)は各波長の屈折率(本明細書では屈折率分散ともいう)、NAは光学系の開口数である。課題のところでも述べたが、焦点深度が測定物に対して十分小さい場合、整形部102の光学系は共焦点光学系として機能するので、例えば、第1のパルスの尖頭値をモニタすることで第1の反射部の位置を特定することができる。しかし、焦点深度の値が測定物の厚みと同等である場合、テラヘルツ波パルスが平行に伝搬する平行領域（領域B）の大きさが無視できなくなり、反射部の特定が困難になる。詳細には、焦点深度の値と測定物の厚みが同程度な場合、第1のパルスの尖頭値のモニタにより第1の反射部を特定しようとすると、焦点深度の値程度の測定誤差を含む。ここで、焦点深度が測定物に対して十分小さいとは、テラヘルツ波パルスが、構造として認識できない程度の大きさをいう。具体的には、使用する波長λの1/20λから1/100λ程度の実効的な大きさ、若しくはテラヘルツ波パルスの半値幅に相当する実効的な大きさをいう。実効的な大きさとは、測定物や測定物を取り巻く環境の屈折率を加味した大きさである。典型的には、この大きさは数μmから数10μmである。
測定位置情報取得部107は、この第1の反射部の位置に関し、測定精度を高めるために測定物からの第1のパルスと第2のパルスを利用する。具体的な方法を図7に示す。図7において、集光位置Zは、集光位置調整部106の調整量である。より詳細には、幾何光学的な焦点について、相対的な移動量を指す。そのため、波動光学的には集光位置の相対的な移動量と等価である。集光位置Zが増加すると、テラヘルツ波パルスの集光位置P1は、測定物の内部に向かう方向（図1においてP1からP2に向かう方向）に移動する。
図7(a)は、集光位置Zの変化に伴う第1のパルスと第2のパルスの間隔Δｔをプロットした図である。集光位置Zの調整量を大きくすると、測定物の第1の反射部と第2の反射部は、平行領域（領域B）から集光過程領域（領域A）に移動する。各反射部が平行領域（領域B）または集光過程領域（領域A）に存在する場合、上述したように集光位置Zの調整量に対し、パルス間隔Δｔの変化量は小さい。しかし、各反射部が混在領域（領域A+B）にある場合、各反射部から発生検出部101に至るテラヘルツ波パルスの相対的な伝搬長が異なるため、集光位置Zの調整量に対しパルス間隔Δｔは増加傾向を示す。具体的には、図6において、集光過程領域（領域A）に第1の反射部が存在し、平行領域（領域B）に第2の反射部が存在する場合に、この現象が起きる。このパルス間隔Δｔが増加傾向を示す集光位置Zの調整量を求めることで、測定物の第1の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置を取得することができる。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第1の反射部が重なる位置を取得する。また、図7(a)において、混在領域（領域A+B）から集光過程領域（領域Ａ）に集光位置Zを移動し、パルス間隔Δｔが飽和傾向を示す集光位置Zの調整量を求めることで、測定物の第2の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P2が重なる位置を取得することも可能である。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第2の反射部が重なる位置を取得する。
ここでは、時間波形の変化として、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴う第1のパルスと第2のパルスの時間間隔の変化を用いている。この時間間隔の変化情報を利用することで、テラヘルツ波パルスのビームの集光過程領域と平行領域が混在する条件下でも測定物の反射部を特定できる。その結果、測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)に関する測定精度が改善できるという効果を奏する。
図7(b)は、集光位置Zの変化に伴う測定物からの第1のパルスの尖頭値A1をプロットした図である。第1の反射部が平行領域（領域B）にある場合、上述したようにテラヘルツ波パルスは測定内を平行ビームとして伝播するので、尖頭値A1の変化の割合は小さい。これは、平行領域（領域B）で第1の反射部の位置が変化しても、発生検出部101に結ばれるテラヘルツ波パルスの単位面積あたりの強度は殆ど変化しないことに起因する。しかし、第1の反射部が集光過程領域（領域A）にある場合、発生検出部101に結ばれるテラヘルツ波パルスの単位面積あたりの強度は、第1の反射部の位置により変化するため変化の割合は大きくなる。言い換えると、各領域について集光位置Zに対するテラヘルツ波パルスの尖頭値A1の勾配が異なる。この勾配が変化する点を求めることで、測定物の第1の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置を取得することができる。図7(b)では、この勾配が変化する点を求めるために、平行領域（領域B）と集光過程領域（領域A）について、漸近線を夫々求め、各漸近線が交わる位置を測定物の第1の反射部とテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置としている。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第1の反射部が重なる位置を取得する。また、集光位置Zの変化に伴う測定物からの第2のパルスの尖頭値A2をプロットすることで、測定物の第2の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P2が重なる位置を取得することが可能である。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第2の反射部が重なる位置を取得する。
図7(c)は、図7(b)の変形例であり、尖頭値の勾配を求める際に、尖頭値の漸近線ではなく、尖頭値A1の微分値を用いている。この時、平行領域（領域B）から集光過程領域（領域A）について、微分値が変化する点を求め、微分値の変化点を結び、その中点を求めている。そして、この中点を測定物の第1の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置とする。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第1の反射部が重なる位置を取得する。また、測定物の第2の反射部についても同様の処理を行うことで、測定物の第2の反射部にテラヘルツ波パルスの集光位置P2が重なる位置を取得することが可能である。より詳細には、集光過程領域と平行領域の界面と測定物の第2の反射部が重なる位置を取得する。
ここでは、時間波形の変化は、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴う第1のパルスと第2のパルスの尖頭値の変化である。この尖頭値の変化情報を利用することで、テラヘルツ波パルスのビームの集光過程領域と平行領域が混在する条件下でも測定物の反射部を特定できる。その結果、測定物の厚みtと平均的な屈折率n(ave)に関する測定精度が改善できるという効果を奏する。これらの手法は、測定物の性状や装置の構成により適宜選択する。
図6において、第1のパルスと第2のパルスが近接すると、互いのパルスが重なり、その結果時間波形が変化することがある。この場合、時間間隔Δtや尖頭値A1、A2に誤差が含まれることが想定され、測定位置情報取得部107の処理精度が低下する可能性がある。例えば、図17は、測定物の厚みから換算される想定された時間間隔Δｔと、実際に測定された時間間隔Δｔをプロットしたものである。この時のテラヘルツ波パルスの半値幅（FWHM）は350フェムト秒である。理想的には、図17の縦軸と横軸は同じ値を示すが、第1のパルスと第2のパルスが近接すると、縦軸と横軸は異なる値を示す。詳細には、使用するテラヘルツ波パルスの半値幅について、約1.5倍の時間領域内（図17の場合ではおよそ530フェムト秒）に反射部からのパルスが近接すると、想定される時間間隔と測定された時間間隔の値は乖離する恐れがある。
このような条件下においても測定位置情報取得部107の処理精度を維持するため、測定位置情報取得部107に次のような補償処理が含まれることが望ましい。例えば、補償処理として、予め測定されたテラヘルツ波パルスの基準波形を用いて、測定されたテラヘルツ波パルスに対して逆畳み込み演算を実行し、測定物からのインパルス応答波形を求める。この様子を図8に示す。基準波形(b)は、例えば、金属等で構成されるテラヘルツ波パルスの完全反射波形を用いる。測定波形(a)に対してこの基準波形(b)で逆畳み込み演算を実行すると、インパルス応答波形(c)が取得できる。インパルス応答波形(c)は、図6で示した第1のパルスや第２のパルスに比べて半値幅が小さいので、第１のパルスと第２のパルスが近接した状態でも測定物の第１の反射部の特定に関する処理精度を維持できる。
また、基準波形(b)を用いる例として、基準波形(b)を用いてピーク分析を行う手法も適用できる。この様子を図9に示す。測定波形(a)は、複数の基準波形(b)の組合せで再構築できると仮定し、再構築された波形と測定波形(a)の誤差が最少になるように、回帰分析によって各基準波形の位置と強度と位相を調整する。言い換えると、測定波形(a)より、基準波形(b)を用いて第1のパルスと第2のパルスを分離している。例えば、図9では、測定波形(a)は二つの基準波形(b)の組合せで再構築できると仮定し、ピーク分析を行っている。ピーク分析の結果(c)によると、第1のパルスと第2のパルスとして、時間軸上の位置と強度と位相が調整された二つの基準波形が取得できる。この調整された二つの基準波形より時間間隔Δtや尖頭値A1、A2を取得し、上述した測定物の反射部の取得を行う。このように補償処理として、回帰分析によるピーク分析を行うことで、第1のパルスと第2のパルスが近接した状態でも測定物の第1の反射部の特定に関する処理精度を維持できる。
このような処理を適宜組み合わせることで、測定位置情報取得部107は、テラヘルツ波パルスの集光位置の変化に伴い第1の反射部と第2の反射部より反射される第1のパルスと第2のパルスの時間波形の変化を監視する。そして、テラヘルツ波パルスの平行領域が第1の反射部と重なる時の集光位置調整部106の調整量Z1と第1のパルスを検出するために要する遅延光学部104の光路長差D1とを測定基準として取得する。より詳細には、光路長差D1は、集光位置調整部106の調整量Z1の時、第1のパルスの尖頭部分が発生検出部101で検出されるために要する遅延光学部104の調整量である。また、上述したようにこの第1のパルスと第2のパルスが近接する場合、補償処理の結果得られた時間間隔や強度を参照して、各調整量を取得する。
物性取得部108は、測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みｔと平均的な屈折率ｎ(ave)を算出する部分である。より詳細には、テラヘルツ波パルスの平行領域が第2の反射部に重なる時の集光位置調整部106の調整量Z2と、第2のパルスを検出するために要する遅延光学部104の光路長差D2を取得する。そして、集光位置調整部106の変化量|Z2-Z1|と遅延光学部104の変化量|D2-D1|から、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みtと平均的な屈折率n(ave)を算出する。
第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みｔと平均的な屈折率ｎ(ave)の算出方法を説明する。詳細な導出方法は、特許文献2に記載されているが、テラヘルツ波パルスの伝搬方向に略沿う方向に測定物が相対的に動く場合、厚みｔと平均的な屈折率ｎ(ave)は次式（１）と（２）に従って算出される。これらの式は、測定物に対するパルスの入射角、入射位置、屈折角などを用いて式を立て、式を整理することで得られる。ここで、測定物が相対的に動くので、式（１）には|Z2-Z1|の項が入る。
｜Ｄ２−Ｄ１｜＝ｎ×ｔ−｜Ｚ２−Ｚ１｜ ・・・（１）
Figure 2013181929
ここで、sinθは整形部102にある光学系の大気中の開口数（ＮＡ）である。また、発生検出部101と測定物との距離が変化せずに、テラヘルツ波パルスの集光位置のみが変化する場合、厚みｔと屈折率ｎは次式（３）と（４）に従って算出される。この態様は、例えば、図1においてテラヘルツ波パルスの集光に用いる測定物側のレンズの位置を動かす場合に相当する。ここでは、レンズの位置を動かすので、式（３）には|Z2-Z1|の項が入らない。
｜Ｄ２−Ｄ１｜＝ｎ×ｔ ・・・（３）
Figure 2013181929
物性取得部108では、測定基準からテラヘルツ波パルスの集光位置を変化した時の集光位置の変化と光路長差の変化の比より屈折率を求める。その後、厚みを算出する。
上述したように、光学系の焦点深度（平行領域）はn(λ)λ/2(NA)2に近似することから、開口数が大きくなると平行領域が小さくなる。また、テラヘルツ波パルスがガウシアンビームとして伝搬すると仮定すると、θはλ/πw0 (rad)に近似する。ここでw0はテラヘルツ波パルスのビームスポット半径である。テラヘルツ波パルスのビームスポット半径は、開口数が大きくなると小さくなる。このことから、測定物に対する水平方向（テラヘルツ波パルスの入射方向に対しても略水平方向）の測定範囲について、希望する測定範囲を超えない値にビームスポット径を設定するように開口数を決定することが望ましい。
また、開口数が大きくなると平行領域が小さくなるので、例えば図7(a)で示した集光位置調整部106の調整量に対するパルス間隔の変化が急峻になる。その結果、集光位置調整部106が有する最少調整能に対するパルス間隔の変化が急峻になる傾向がある。パルス間隔の変化に対して集光位置調整部106が十分な最少調整能を有していない場合、測定物の反射部の検出精度が低下する方向に推移する。逆に、反射部の検出精度を高めるためには、平行領域を大きくし、集光位置調整部106の最少調整量に対するパルス間隔の変化量を小さくし、パルス間隔の変化を詳細に観察するとよい。ただし、平行領域の大きさによっては、集光位置調整部106が有する調整限界を超える場合があるので、パルス間隔の変化が集光位置調整部106の調整限界以内で収束する様に平行領域の大きさを設定する。この反射部の検出精度は、上述した物性取得部108の処理精度に影響する。まとめると、平行領域を大きくすると、物性取得部108の処理精度が向上する傾向がある。このことから、必要とされる測定物の厚みｔと平均的な屈折率n(ave)の測定精度に応じて、開口数を決定することが望ましい。開口数は、ビームスポット径で設定される必要な測定範囲と物性取得部108の処理精度の要求を満たすように決定されることが望ましい。
これに加えて、後述するトモグラフィ像取得装置のように、第1のパルスと第2のパルスとの時間間隔より像を取得する装置に適用する場合、少なくとも焦点深度は、第1の反射部と第2の反射部の間隔程度の領域を確保されていることが望ましい。これは、焦点深度が第1の反射部と第2の反射部の間隔に比較して極端に小さいと、各反射部からのパルスの時間間隔は、集光過程領域の影響による光路長の変動が重畳するためである。この場合、得られたトモグラフィ像に対して、光学系の影響を抑制する処理をさらに加える必要がある。このことから、トモグラフィ像取得装置においては、光学系の開口数は、必要とされる水平方向の観察領域と第1の反射部と第2の反射部の間隔を考慮した平行領域の条件をさらに満たすように値が選択されることが望ましい。
本実施形態の装置の動作について図4を用いて説明する。図4は、本実施形態の装置に関する典型的な動作フローである。測定が開始されると、装置は、遅延光学部104を用いて測定物の第1の反射部からの第1のパルスを検出し得る位置に、光路長差を調整する(S101)。この光路長差は、遅延光学部104が定める機械原点としてもよいし、測定物の設置状況をカメラや測距手段で測定し、光路長差を定めてもよい。また、テラヘルツ波パルスの時間波形を一度測定し、光路長差を定めてもよい。
波形取得部105で時間領域分光法によりテラヘルツ波パルスの時間波形を取得し、時間波形の情報とテラヘルツ波パルスの集光位置を装置の記憶部に記憶する(S102)。記憶する集光位置は、集光位置調整部106の調整量である。テラヘルツ波パルスの時間波形は、少なくとも第1のパルスと第2のパルスを含む。集光位置の移動を行うかの判断を行う。この判断は、例えば、固定された測定回数を満たすかどうかで判断する。若しくは、予め定めた集光位置の移動量を確保したかどうかで判断する。望ましくは、少なくとも測定物の第1の反射部と第2の反射部を含む領域について、テラヘルツ波パルスの集光位置が第1の反射部から第2の反射部に移動したかどうかで判断する。
集光位置移動を行う場合、集光位置調整部106を用いてテラヘルツ波パルスの集光位置を微動する(S103)。そして、再び波形取得部105によってテラヘルツ波パルスの時間波形を取得し、時間波形の情報とテラヘルツ波パルスの集光位置（集光位置調整部106の調整量）を装置の記憶部に記憶する(S102)。テラヘルツ波パルスの集光位置の移動に伴うテラヘルツ波パルスの時間波形の測定を終了した後、装置は、測定位置情報取得部107により測定物の第1の反射部を算出する(S104)。具体的には、図7で示したような集光位置調整部106の調整量に対するテラヘルツ波パルスの時間波形の変化より第1の反射部とテラヘルツ波パルスの集光位置P1が重なる位置を特定する。
第1の反射部を算出した後、装置は、集光位置調整部106を用いてテラヘルツ波パルスの集光位置を第１の反射部に移動する(S105)。記憶部において、すでに所望の集光位置調整部106の調整量に対するテラヘルツ波パルスの時間波形が取得されている場合、第1の反射部への移動に要する集光位置調整部106の調整量を呼び出す形態としてもよい。集光位置の移動が完了した後、物性取得部108は、第1の反射部からの第1のパルスを取得する(S106)。第１のパルスは、波形取得部105でテラヘルツ波パルスを測定し、その時間波形から取得する。また、記憶部に記憶されている時間波形を利用して、所望の集光位置に対応するテラヘルツ波パルスの時間波形を呼び出し第1のパルスを取得する形態としてもよい。そして、物性取得部108は、第1のパルスに対応する光路長差D1と集光位置Z1を取得する。
集光位置調整部106によりテラヘルツ波パルスの集光位置P2が測定物の第2の反射部と重なる位置に移動する(S107)。測定物の第2の反射部の位置は、記憶部に記憶されている集光位置調整部106の調整量に対するテラヘルツ波パルスの時間波形の情報を呼び出し、測定位置情報取得部107によって位置を算出する。
また、集光位置調整部106によってテラヘルツ波パルスの集光位置をP1からP2に向かって徐々に動かし、測定位置情報取得部107によって第2の反射部の位置をリアルタイムに監視する形態でもよい。また、S105と同様に、記憶部において、すでに所望の集光位置調整部106の調整量に対するテラヘルツ波パルスの時間波形が取得されている場合、第2の反射部への移動に要する集光位置調整部106の調整量を呼び出す形態としてもよい。
集光位置の移動が完了した後、物性取得部108は、第2の反射部からの第2のパルスを取得する(S108)。第2のパルスは、波形取得部105でテラヘルツ波パルスを測定し、その時間波形から取得する。また、記憶部に記憶されている時間波形を利用して、所望の集光位置に対応するテラヘルツ波パルスの時間波形を呼び出し第2のパルスを取得する形態としてもよい。そして、物性取得部108は、第2のパルスに対応する光路長差D2と集光位置Z2を取得する。物性取得部108は、式（１）から（４）のいずれかを用いて、集光位置調整部106の変化量|Z2-Z1|と前記遅延光学部104の変化量|D2-D1|より第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みtと平均的な屈折率n(ave)を算出する(S109)。
以上のような構成と動作工程により、本実施形態の物性測定装置は、測定物の厚みｔと平均的な屈折率ｎ(ave)を取得する。本実施形態の装置構成に依れば、測定物の反射部の位置は、テラヘルツ波パルスの集光位置の変化に伴う第1のパルスと第2のパルスの時間波形の変化より算出している。この結果、測定物の各反射部に挟まれる領域の大きさが、テラヘルツ波パルスの焦点深度の値に近い場合でも各反射部の位置を精度良く特定できる。そのため、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みtと平均的な屈折率n(ave)の検出精度が改善し得る装置を提供できるという効果を奏する。
また、同様な理由で、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みtと平均的な屈折率n(ave)の検出精度が改善するという効果を奏する。また、本実施形態の装置と方法は、テラヘルツ波パルスを用いている。そのため、このテラヘルツ波パルスの透過性を利用することで、数100μmから数10mm程度の深さでの内部構造の物性の特定が可能になるという効果を奏する。
（実施形態２）
本発明の思想を実施し得る別の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、実施形態1の変形例である。具体的には、テラヘルツ波パルスの形状より測定物の同定を行う装置と方法に関する。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
図2は、本実施形態における物性測定装置の概略構成図である。本装置は、実施形態1で説明した装置の構成に加え、測定物の同定を行う部分が加わる構成である。測定物の同定を行う部分は、以下の構成を少なくとも有する。材料毎に物性情報とテラヘルツ波パルスの時間波形が記憶されるデータベース211を有する。装置が取得した平均的な屈折率n(ave)より、第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の材料の候補をデータベース211より選択し、その候補となる材料の時間波形について厚みtと記憶される物性の影響を加味した時間波形に調整する波形調整部209を有する。測定されたテラヘルツ波パルスの時間波形と、波形調整部209からの時間波形を比較する波形比較部210を有する。波形比較部210の出力から、測定波形との相関の高い材料を特定する物性特定部212を有する。
データベース211に記憶されている物性情報とは、テラヘルツ波領域の周波数スペクトル情報である。周波数スペクトル情報は、材料の吸収スペクトルや屈折率分散n(λ)の情報である。記憶されるテラヘルツ波パルスの時間波形は、本実施形態で説明する装置で測定された時間波形であることが望ましい。ただし、必ずしも同じ装置で測定された時間波形を使用しなくてもよい。例えば、同じ装置構成で測定された時間波形を使用することができる。また、異なる装置構成でも、装置特有の影響（精度や測定帯域など）が既知であれば、異なる装置構成での時間波形を使用することは可能である。この場合、装置間の差異をシステム関数として、データベース211に記憶する。また、各材料を測定した時の測定条件（温度や湿度、雰囲気）もシステム関数としてデータベース211に記憶することが望ましい。また、測定に使用した材料の外形情報（厚み）もデータベース211に記憶する。データベース211に記憶される時間波形は、第1のパルスと第2のパルスが含まれていることが望ましい。
データベース211に記憶される材料の時間波形を調整する物性取得部108で測定された測定物の平均的な屈折率ｎ(ave)を参照し、データベース211より、似た平均的な屈折率n(ave)を有する材料をスクリーニングする。そして、波形調整部209は、スクリーニングの結果得られた候補材料の時間波形を調整する。具体的には、物性取得部108で測定された測定物の平均的な屈折率n(ave)と厚みｔを参照し、データベース211で記憶された材料との外形（厚み）が異なる場合、データベース211より呼び出された時間波形の第1のパルスと第2のパルスの間隔を調整する。また、第1のパルスと第2のパルスの間隔を調整する時、データベース211に記憶される候補材料の物性情報（例えば屈折率分散n(λ)、 吸収係数、周波数スペクトルなど）を参照し、テラヘルツ波パルスの伝搬距離が変化した時の材料特有の分散を補償することが望ましい。具体的には、材料特有の分散の影響を補償することで、各パルスの時間波形の形状を調整する。また、装置間の差異や測定条件の違いによる影響を抑制するため、データベース211に記憶される候補材料のシステム関数を参照し、調整した時間波形に畳み込み演算を行ってもよい。
波形比較部210は、波形調整部209で調整された候補材料の時間波形と、波形取得部105で測定された測定波形の比較を行う部分である。詳細には、波形調整部209の時間波形と波形取得部105の時間波形の残差を出力する。または、波形調整部209の時間波形と波形取得部105の時間波形の相関を調べる。時間波形で比較する部位は、取得した時間波形全体でもよいし、特徴的な部分のみ（例えば第1のパルスや第2のパルス）であってもよい。物性特定部212は、波形比較部210の出力を参照し、測定物に最も近い候補材料を選択する部分である。そして、装置の操作者に測定物の物性（例えば屈折率分散n(λ)、吸収係数、周波数スペクトルなど）や種類を提示する。
本実施形態の装置の動作について図5を用いて説明する。図5は、本実施形態の装置に関する典型的な動作フローである。動作フローについて、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。装置は、物性の特定を行いたい箇所に、テラヘルツ波パルスの集光位置を移動する。そして、装置は実施形態1で説明したS101からS109の工程により測定物の平均的な屈折率n(ave)と厚みｔを算出する(S201)。これらの情報は、物性取得部108より出力される。また、波形取得部105には、測定物に関するテラヘルツ波パルスの時間波形が出力される。データベース211からは、物性取得部108から出力される平均的な屈折率n(ave)を参照して、データベース211に記憶される材料より、測定物の候補となる材料が複数選択される。そして、波形調整部209は、各候補材料に紐付けられる時間波形の調整を実行する(S202)。波形比較部210は、波形調整部209から出力されるテラヘルツ波パルスの時間波形と、波形取得部105から出力されるテラヘルツ波パルスの時間波形を比較する(S203)。
物性特定部212は、波形比較部210の出力を参照し、測定物に最も近い候補材料を特定する(S204)。そして、操作者に測定物の物性や種類を提示する。例えば、物性として屈折率分散n(λ) 、吸収係数、周波数スペクトルなどを提示する。尚、工程S202は、候補材料を複数選択して、一括して時間波形の調整を行っているがこの形態に限らない。一つの材料を選択した後、工程S202からS204を実行するという行為を複数回行う形態でもよい。この場合、物性特定部212は、測定物と候補材料が一致する条件を定めておくことが望ましい。一括して候補材料を選択する形態は、選択された材料の中から測定物に近い材料を決定するので、比較作業が必ず収束する。そのため、装置動作の安定性が高まるという効果がある。順次候補材料を選定して一致度を確認する手法は、各処理に要する計算処理に要する負荷が小さくなるので、大規模な演算処理の必要性が低下する。そのため、装置の省電力化や低価格化が期待できる。
本実施形態の測定装置に依れば、測定物の反射部からのテラヘルツ波パルスの時間波形と予めデータベースに記憶された材料の時間波形を比較することで、測定物の物性を照合している。この結果、測定物の材料の特定が可能にする装置を提供できるという効果を奏する。また、本実施形態の測定方法に依れば、同様な理由で、測定物の材料の特定が可能になるという効果を奏する。
（実施形態３）
本発明の思想を実施し得る別の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、上記実施形態の変形例である。具体的には、テラヘルツ波パルスを発生し検出する部分の構成が異なる。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
図3は、本実施形態における物性測定装置の概略構成図である。ここでは、実施形態１の測定装置の変形例を示している。実施形態１と異なる部分は、発生検出部101として発生部313と検出部314の二つの素子を用いている点である。これまでの実施形態では、同じ光伝導素子を発生と検出に用いているが、この部分を二つに分けることにより、選択の自由度が高まる。例えば、発生部313にテラヘルツ波パルスの出力が高い素子を選択し、検出部314に検出感度の高い素子を用いるという態様が可能になる。このように、装置の選択性を高めることで、装置に対する多様な要求に対応することが容易になる。
図3(a)の整形部102は、４つのミラーでテラヘルツ波パルスを測定物に集光している。そして、励起光L1とL2の照射方向とテラヘルツ波パルスの照射方向が略一致している。このような構成に依ると、整形部102が発生部313と検出部314を含む場合、整形部102を励起光の照射方向に移動することでテラヘルツ波パルスの集光位置を移動することができる。この移動は、整形部102が備えるアクチュエータで行う。図3(b)は、整形部102の変形例を示したものであるが、励起光L1とL2の照射方向とテラヘルツ波パルスの照射方向が略直交している。この場合、アクチュエータにより測定物側の２つのミラーをテラヘルツ波パルスの照射方向に動かすことでテラヘルツ波パルスの集光位置を移動できる。
また、これまでの実施形態で述べたように、テラヘルツ波パルスの集光位置の移動は、測定物側に備えたアクチュエータを用いてもよい。このように、発生部313と検出部314を分けることで、測定物に入射するテラヘルツ波パルスの入射角度を可変にできる。入射角度の調整を可能にすると、例えば、測定物の垂線（測定物に入射するテラヘルツ波の伝搬方向に略等しい線）に対する角度を入射角度と定義すると、入射角度を大きくすると測定物表面の情報を取得し、入射角度を小さくすると測定物の深い領域の情報を取得するという様に測定領域の調整が可能になる。測定物の測定領域を制限することにより、不要な箇所からの反射信号を抑制することができるので、測定精度の向上も期待できる。尚、図3(a)は実施形態1の変形例であるが、実施形態2への適用も可能である。
（実施形態４）
本発明の思想を実施し得る別の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、これまでに説明した実施形態の変形例である。具体的には、これまでの説明した測定装置をトモグラフィ装置に適用したものである。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。
テラヘルツ波パルスの時間波形の時間軸は、距離に変換することが可能である。このことから、これまで説明したテラヘルツ波パルスの時間波形は、トモグラフィ像におけるＡスキャン像として捉えることも可能である。このことから、テラヘルツ波パルスが伝搬する光軸を、テラヘルツ波パルスが測定物に入射する方向に対して、交わる方向に動かすことで、Ｂスキャン像や３次元のトモグラフィ像を取得することができる。
図13は、本実施形態のトモグラフィ像取得装置の概略構成図である。具体的には、実施形態１で示した測定装置をトモグラフィ像取得装置に適用している。当然のことながら、実施形態2の測定装置も同様にトモグラフィ像取得装置に適用することが可能である。本装置は、実施形態1の装置構成に加え以下の構成が加わる。測定物とテラヘルツ波パルスの位置を相対的に移動する移動ステージ1301を有する。移動ステージ1301の位置（観察点）と波形取得部105から出力される時間波形を対応させることで測定物のトモグラフィ像を構成する画像構成部1302を有する。トモグラフィ像より特徴領域を抽出する特徴領域抽出部1303を有する。特徴領域抽出部1303で抽出した領域について、これまで説明した装置構成によって厚みｔと平均的な屈折率n(ave)を算出し、この情報より取得したトモグラフィ像を補正する補正部1304を有する。
図13において移動ステージ1301は測定物側に配置される。そして、移動ステージ1301は測定物をテラヘルツ波パルスの照射方向に対し、交差する方向に移動させる。ただし、移動ステージ1301の位置はこれに限らず、テラヘルツ波パルスの光軸を動かす位置に配置されていることも可能である。すなわち、移動ステージ1301は測定物とテラヘルツ波パルスの相対的位置を前記交差する方向に移動し得る手段であればよい。また、移動ステージ1301は、テラヘルツ波パルスの集光位置を、テラヘルツ波パルスの照射方向に移動し得る機能を兼ねていてもよい。
前述した様に、画像構成部1302は、移動ステージ1301の位置（本実施形態では観察点とも呼ぶ）に対する波形取得部105の測定波形の情報を対応させることで、所望のトモグラフィ像を構成する部分である。移動ステージ1301を一方向に動かすことで、Ｂスキャンのトモグラフィ像が構成できる。移動ステージ1301を２次元に動かすことで３次元のトモグラフィ像が構成できる。また、遅延光学部104の光路長差を固定した状態で移動ステージ1301を２次元に動かすことでＣスキャンのトモグラフィ像が構成できる。画像構成部1302では、構成した３次元のトモグラフィ像から、ＢスキャンやＣスキャンのトモグラフィ像を再構成して出力することもある。
特徴領域抽出部1303は、画像構成部1302で構成したトモグラフィ像より特徴領域を抽出する部分である。特徴領域は、操作者がトモグラフィ像を参照して、注目する領域を選択する。若しくは、装置がＢスキャンやＣスキャンのトモグラフィ像を参照して、反射部の界面が不連続となる位置を自動的に検出して抽出してもよい。この時、不連続点をつなげることで境界を作成し、取得した画像をいくつかの構成要素に分解して提示することもできる。補正部1304は、選択した特徴領域について、物性取得部108により平均的な屈折率n(ave)と厚みtを求め、この情報を参照して取得した画像を補正する。具体的には、各特徴領域の厚みを調整する。また、実施形態2の構成によって、特徴領域の材料やその材料の物性を特定し、特定した情報に従って色分けして表示する形態も可能である。
本実施形態のトモグラフィ像取得装置の動作について図14、図15、図16を用いて説明する。図14は、本実施形態の装置に関する典型的な動作フローである。動作フローについて、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。また、本動作フローの説明では、測定物として皮膚を用いた時の例で説明する。ただし、測定物は皮膚に限るものではない。
図15(a)は、測定物として用いる皮膚の模式図である。典型的な皮膚の構造として、表皮は厚み数100μmであり、真皮は厚み数mmである。表皮は、表皮細胞、色素細胞、ランゲルハンス細胞で構成され、最表面に厚み数10μmの角質がある。真皮は、コラーゲンやエラスチンで構成されている。例えば、本実施形態のトモグラフィ像取得装置は、表皮の最表面部、表皮と真皮、真皮と皮下組織の境界を対象として画像化する。また、図15(b)は、皮膚に癌組織が存在する場合の模式図である。癌組織は、健康な組織に比較して含水率が高いことが知られている。そのため、含水率の違いを画像化することで癌組織の識別を行うこともできる。皮膚に代表されるような生体を測定物として用いる場合、可視光や赤外線は、生体に対する吸収や散乱が大きいため、深さ方向として数mmから数10mmの領域に関するトモグラフィ像を数10μmから数100μmの精度で取得することは難しい。このようなトモグラフィ像は、テラヘルツ波の透過性を利用し、かつテラヘルツ波をパルス形状にして測定分解能を向上させた装置形態によって得ることができる。
図14において、トモグラフィ像取得装置が動作を開始すると、装置はトモグラフィ像の取得を行う(S301)。具体的には、移動ステージ1301でテラヘルツ波パルスの観察点を移動し、各観察点において波形取得部105は、テラヘルツ波パルスの時間波形を取得する。画像構成部1302は、移動ステージ1301で決められた観察点の位置と観察点におけるテラヘルツ波パルスの時間波形を用いてトモグラフィ像を構築する。図16(a)は、測定物とそのトモグラフィ像の模式図である。ここでは、Ｂスキャンのトモグラフィ像を示している。測定物を構成する各部位の物性の違いより、テラヘルツ波パルスの伝搬速度が異なるため、各部位の光学長が異なる。その結果、図16(a)のトモグラフィ像のように、測定物の断面と比較して、界面の位置が部分的に変化する。
構築したトモグラフィ像について、特徴領域抽出部1303は、特徴領域を選択する(S302)。例えば図16(a)では、特徴領域として表皮の最表面と表皮と真皮の界面で挟まれる領域を第１の特徴点1601としている。また、癌組織の最表面と癌組織と真皮の界面で挟まれる領域を第２の特徴点1602としている。また、表皮と真皮の界面と真皮と皮下組織の界面で挟まれる領域を第３の特徴点1603としている。装置は、図13の移動ステージ1301とアクチュエータを用いてテラヘルツ波パルスによる観測領域を、着目する特徴領域に移動する(S303)。
工程S101からS109を用いて各観測点の平均的な屈折率n(ave)と厚みtを算出する(S304)。各特徴領域の物性を取得する場合、工程S202からS204を用いて物性を取得する(S305)。具体的には、物性の取得によって、特徴領域の材料を特定する。補正部1304は、各特徴領域の平均的な屈折率n(ave)や厚みtを参照して、取得したトモグラフィ像の光学長を調整する(S306)。この様子を図16(b)に示す。各特徴領域の材料が特定できている場合、材料に応じて特徴領域の表示形態を変化させ提示する。例えば、材料毎に提示する色を変化させる。
本実施形態のトモグラフィ像取得装置に依れば、取得したトモグラフィ像の情報より、測定物の材料の特定を行っている。その結果、材料の物性による像の変化を補正し、補正した部分における材料の特定を可能にするトモグラフィ装置を提供できるという効果を奏する。また、本実施形態のトモグラフィ像取得方法に依れば、同様な理由で、材料の物性による像の変化を補正し、補正した部分における材料の特定を可能にするトモグラフィ像を取得できるという効果を奏する。尚、本実施形態は、共焦点光学系の平行領域と同程度の大きさの測定物を測定する際であれば、電磁波パルスとして波長が１０ｍｍ〜１０μｍであるテラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）を用いる場合に限らず、あらゆる波長の電磁波を適用することが可能である。ただし、焦点深度（平行領域）が数ｍｍに及ぶテラヘルツ波を用いることが好ましいと言える。また、テラヘルツ波に限らず、例えば波長が１ｍ〜１００μｍ（周波数帯が３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚ）であるマイクロ波や、波長が１０ｍｍ〜１００ｍｍ（周波数帯が３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）であるセンチメートル波といった長波長（低周波数）領域の電磁波を用いることも好ましい。
以下、具体的な実施例を説明する。
（実施例1）
ここでは、実施形態3で示した装置構成の実施例を示す。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施例では、発生部313と検出部314として光伝導素子を用いる。発生部313の半導体膜として、低温成長させたガリウムインジウムヒ素(LT-GaInAs)を用いる。検出部314の半導体膜として、低温成長させたガリウムヒ素(LT-GaAs)を用いる。各半導体膜にはアンテナ長さ20μm、アンテナ幅10μmのダイポールアンテナがパターニングされている。整形部102は４つの放物面鏡で構成する。
測定物はアクチュエータ上に設置され、テラヘルツ波パルスの集光位置の調整は、アクチュエータにより行う。集光位置調整部106はこのアクチュエータを制御するドライバである。光源103は、中心波長1.56μｍでパルス幅30フェムト秒、繰り返し周波数50MHzのフェムト秒ファイバレーザを用いる。励起光L2は、ビームスプリッタと遅延光学部104の間に波長変換素子(PPLN)を配置することで、中心波長0.78μm、パルス幅70フェムト秒のフェムト秒レーザを取得する。発生部313には、20mWの励起光L1が入射する。また、検出部314には、1mWの励起光L2が入射する。遅延光学部104は、直動ステージとリトロリフレクタにより構成する。直動ステージの位置情報は、波形取得部105に入力される。波形取得部105は、電流アンプとA/Dボードで構成される。そして、遅延光学部104の位置情報に対応する電流アンプの出力を逐次プロットすることでテラヘルツ波パルスの時間波形を構築する。測定位置情報取得部107と物性取得部108は、演算処理装置で構成する。
本実施例で用いた測定物の構成を図10(a)に示す。ここでは２つの測定物を使用し、測定物1として、空気層を介したポリエチレンと石英の積層物を用いる。また、測定物2として、ポリエチレンと塩化ビニルと石英の積層物を用いる。測定物1の総合的な厚みは、約1.1mmである。測定物2の総合的な厚みは、約0.9mmである。
図10(b)は、波形取得部105で得られる、これらの測定物からのテラヘルツ波パルスの時間波形である。これらの時間波形をみると、測定物１は４つの界面からの反射パルスが確認でき、測定物２は５つの界面からの反射パルスが確認できる。本実施例では、最初の界面を第１の反射部とし、最後の界面を第２の反射部としている。
図11は、測定位置情報取得部107の動作を示したものである。集光位置の変化は、測定物を移動することで実行している。図11(a)は測定物１に関するものであるが、集光位置に対するパルス間隔の変化は、図7(a)で説明した態様と同様の傾向が確認できる。この図より、パルス間隔Δｔが増加傾向を示す集光位置Zの調整量を第1の反射部の位置としている。図11(b)は測定物２に関するものであるが、測定物1と同様の傾向が確認できる。
図12は、同じく測定位置情報取得部107の動作を示したものである。図12(a)について、集光位置に対する尖頭値の変化は、図7(b)で説明した態様と同様の傾向が確認できる。この図より、各測定物について尖頭値の勾配が変化する集光位置Zの調整量を漸近線より求め、これを第1の反射部の位置としている。また、図12(b)について、集光位置に対する尖頭値の微分値の変化は、図7(c)で説明した態様と同様の傾向が確認できる。この図より、各測定物について尖頭値の勾配が変化する集光位置Zの調整量を微分値が変化する点より求め、これを第1の反射部の位置としている。第2の反射部の位置も同様の手法で第2のパルスの尖頭値の変化より求めている。
図11と図12について、同じ測定物でも集光位置Zの絶対量が異なる部分があるが、これは、測定手法の違いによるもの、及び測定条件（測定箇所や測定物の配置の仕方）によるものである。物性取得部108では、式(1)から(4)からわかるように、集光位置調整部106の移動量|Z2-Z1|に対する前記遅延光学部104の移動量|D2-D1|の相対的な関係が確保されていればよいので、個々の絶対量が異なっていてもよい。
本実施例では、測定位置情報取得部107による反射部の検出は、パルス間隔の変化より求める例で行う。この時の測定位置情報取得部107と物性取得部108の出力した結果を以下の表に示す。
Figure 2013181929
ここで、集光位置の調整は測定物を移動することで実行しているので、物性取得部108での演算は、式(1)と(2)を用いている。式において開口数であるsinθは0.24を用いた。さらに、測定物に対するテラヘルツ波パルスの入射角度は約15度としたため、物性取得部108で厚みを求める際には、入射角度による補正を行っている。物性取得部108の演算結果をみると、事前に測定した各測定物の厚みに近似していることが分かる。
101・・発生検出部（検出部）、102・・整形部、103・・光源、104・・遅延光学部（遅延部）、105・・波形取得部、106・・集光位置調整部、107・・測定位置情報取得部、108・・物性取得部

Claims (15)

  1. 電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により少なくとも第1の反射部と第2の反射部を備える測定物の物性を取得する測定装置であって、
    前記測定物からの電磁波パルスを検出する検出部と、
    前記検出部に到達する電磁波パルスと該電磁波パルスを検出するために前記検出部に到達する励起光との光路長差を調整する遅延光学部と、
    前記測定物へ電磁波パルスを集光する整形部と、
    前記検出部の出力と前記遅延光学部による光路長差の調整量とを参照して前記電磁波パルスの時間波形を構築する波形取得部と、
    前記測定物と前記集光位置との相対的な位置を調整する集光位置調整部と、
    前記測定物の反射部の位置を、前記集光位置調整部の調整量と、前記調整量における前記反射部からのパルスの時間波形の一部を検出するために要する前記遅延光学部の光路長差として取得する測定位置情報取得部と、
    前記測定位置情報取得部により取得される、前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第1の反射部と重なる時の前記集光位置調整部の調整量Z1と前記時間波形の第1のパルスを検出するために要する前記遅延光学部による光路長差D1と、前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第2の反射部と重なる時の前記集光位置調整部の調整量Z2と前記時間波形の第2のパルスを検出するために要する前記遅延光学部による光路長差D2とを得て、前記集光位置調整部による調整量の変化量|Z2-Z1|と前記遅延光学部による光路長差の変化量|D2-D1|とに基づいて、前記測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出する物性取得部と、
    を有することを特徴とする測定装置。
  2. 少なくとも第1の反射部と第2の反射部を備える測定物からの電磁波パルスを検出する検出部と、電磁波パルスを前記測定物に向かって発する時と前記検出部により前記測定物からの電磁波パルスを検出する時との時間差を調整する遅延部と、前記測定物へ電磁波パルスを集光する整形部と、前記検出部の出力と前記遅延部の時間差の調整量とを参照して前記電磁波パルスの時間波形を構築する波形取得部と、前記測定物と前記集光位置との相対的な位置を調整する集光位置調整部と、を有し、電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により測定物の物性を取得する測定装置であって、
    前記集光位置調整部により、前記測定物と前記集光位置との相対的な位置を調整する際に、前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第1の反射部と重なる時の前記集光位置調整部の調整量Z1と前記時間波形の第1のパルスを検出するために要する前記遅延部による時間差を換算した光路長差D1と、前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第2の反射部と重なる時の前記集光位置調整部の調整量Z2と前記時間波形の第2のパルスを検出するために要する前記遅延部による時間差を換算した光路長差D2とを得て、前記調整量の変化量|Z2-Z1|と前記光路長差の変化量|D2-D1|とに基づいて、前記測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出するよう構成されたことを特徴とする測定装置。
  3. 材料毎に物性情報と電磁波パルスの時間波形が記憶されるデータベースと、
    前記屈折率より、前記測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の材料の候補を前記データベースより選択し、その候補となる材料の時間波形について、算出された前記厚みと前記記憶される物性情報との影響を加味した時間波形に調整する波形調整部と、
    前記波形取得部により構築された電磁波パルスの時間波形と、前記波形調整部からの時間波形とを比較する波形比較部と、
    前記波形比較部の出力から、前記構築された電磁波パルスの時間波形との相関の高い材料を特定する物性特定部と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
  4. 請求項１から３の何れか１項に記載の装置と、
    前記測定物と前記整形部により集光される電磁波パルスの位置を、該電磁波パルスの集光される方向と交差する方向に、相対的に移動する移動ステージと、
    前記移動ステージによる相対的位置と前記波形取得部から出力される時間波形を対応させることで前記測定物のトモグラフィ像を構成する画像構成部と、
    をさらに有することを特徴とするトモグラフィ装置。
  5. 前記トモグラフィ像より特徴領域を抽出する特徴領域抽出部と、
    前記特徴領域抽出部で抽出した領域について、前記算出で得られる厚みと屈折率の情報により、前記構成されたトモグラフィ像を補正する補正部と、
    をさらに有することを特徴とする請求項４に記載のトモグラフィ装置。
  6. 前記電磁波パルスはテラヘルツ波パルスであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
  7. 前記集光位置は、前記電磁波パルスが集光する部分にある平行領域であり、
    前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第1の反射部と重なる時は、前記電磁波パルスの集光過程領域と平行領域の界面と前記測定物の第1の反射部が重なる時であり、
    前記電磁波パルスの集光位置が前記測定物の第2の反射部と重なる時は、前記電磁波パルスの集光過程領域と平行領域の界面と前記測定物の第2の反射部が重なる時であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
  8. 少なくとも第1の反射部と第2の反射部を備える測定物からの電磁波パルスを検出する検出部と、電磁波パルスを前記測定物に向かって発する時と前記検出部により前記測定物からの電磁波パルスを検出する時との時間差を調整する遅延部と、前記測定物へ電磁波パルスを集光する整形部と、前記検出部の出力と前記遅延部の時間差の調整量とを参照して前記電磁波パルスの時間波形を構築する波形取得部と、前記測定物と前記集光位置との相対的な位置を調整する集光位置調整部と、を有する装置において、電磁波パルスを測定物に照射して時間領域分光法により測定物の物性を取得する測定方法であって、
    前記波形取得部で第1のパルスを取得する位置に、前記時間差を換算した光路長差を調整するステップと、
    時間領域分光法により前記少なくとも第1のパルスと第2のパルスを含む時間波形を取得し、前記集光位置調整部による調整量と前記取得した時間波形を記憶するステップと、
    前記集光位置調整部により前記電磁波パルスの集光位置を微動するステップと、
    記憶した前記調整量と前記時間波形の変化より前記電磁波パルスの集光位置である平行領域が前記測定物の第1の反射部に重なる位置を算出するステップと、
    前記電磁波パルスの集光位置を前記測定物の第1の反射部に移動するステップと、
    前記電磁波パルスの集光位置である平行領域が前記測定物の第1の反射部と重なる時の時間波形より第1のパルスを取得し、集光位置の移動に要する前記集光位置調整部の調整量Z1と前記第1のパルスを取得する位置における前記遅延部による光路長差D1とを取得するステップと、
    前記電磁波パルスの集光位置を前記測定物の第2の反射部に移動するステップと、
    前記電磁波パルスの集光位置である平行領域が前記測定物の第2の反射部と重なる時の時間波形より第2のパルスを取得し、集光位置の移動に要する前記集光位置調整部の調整量Z2と前記第2のパルスを取得する位置における前記遅延部による光路長差D2とを取得するステップと、
    前記調整量の変化量|Z2-Z1|と前記光路長差の変化量|D2-D1|とに基づいて、前記測定物の第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の厚みと屈折率を算出するステップを有する、
    ことを特徴とする測定方法。
  9. 前記屈折率より、前記第1の反射部と第2の反射部に挟まれる領域の材料の候補をデータベースより選択し、その候補となる材料の時間波形について、前記厚みとデータベースに記憶された物性情報との影響を加味した時間波形に調整するステップと、
    前記構築された電磁波パルスの時間波形と、前記記憶された時間波形の調整を行うステップからの時間波形とを比較するステップと、
    前記時間波形の比較を行うステップの結果より、前記構築された電磁波パルスの時間波形と相関の高い材料を特定するステップと、
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の測定方法。
  10. 前記第1の反射部に重なる位置を算出するステップは、
    前記集光位置調整部による調整量に対する前記第1のパルスと第2のパルスの時間間隔の変化より算出することを特徴とする請求項８または９に記載の測定方法。
  11. 前記第1の反射部に重なる位置をそれぞれ算出するステップは、
    前記集光位置調整部による調整量に対する前記第1のパルスと第2のパルスの尖頭値の変化より算出することを特徴とする請求項８または９に記載の測定方法。
  12. 請求項８から１１の何れか１項に記載の方法のステップと、
    前記測定物と前記整形部により集光される電磁波パルスの位置である観測点を、前記電磁波パルスの集光される方向と交差する方向に、相対的に移動するステップと、
    前記相対的な位置とそこで取得される電磁波パルスの時間波形とを対応させて前記測定物のトモグラフィ像を取得するステップと、
    をさらに有することを特徴とするトモグラフィ方法。
  13. 前記トモグラフィ像より特徴領域を選択するステップと、
    前記特徴領域に、前記観測点を移動するステップと、
    前記特徴領域について、前記算出で得られる厚みと屈折率の情報により、前記トモグラフィ像を補正するステップと、
    をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載のトモグラフィ方法。
  14. 前記電磁波パルスはテラヘルツ波パルスであることを特徴とする請求項８から１３の何れか１項に記載の方法。
  15. 前記電磁波パルスの集光位置である平行領域が前記測定物の第1の反射部と重なる時は、前記電磁波パルスの集光過程領域と平行領域の界面と前記測定物の第1の反射部が重なる時であり、
    前記電磁波パルスの集光位置である平行領域が前記測定物の第2の反射部と重なる時は、前記電磁波パルスの集光過程領域と平行領域の界面と前記測定物の第2の反射部が重なる時であることを特徴とする請求項８から１４の何れか１項に記載の方法。
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