JP4975001B2 - 波形情報取得装置及び波形情報取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、波形情報取得装置及び波形情報取得方法に関する。

テラヘルツ波（本明細書では３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波をテラヘルツ波と称す。）の帯域には、生体分子をはじめとして、様々な物質の構造や状態に由来する、特徴的な吸収帯が存在する。このような特徴を活かして、非破壊に物質の分析や同定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。

テラヘルツ波を用いて分析技術として、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）がある。

これは、サンプルを透過又は反射したテラヘルツ波の時間波形（横軸を時間軸としたテラヘルツ波の波形）を取得する測定方法である。この方法で取得した波形の振幅と位相に関する情報を用いて、サンプルの物性を取得する技術が、特許文献１に開示されている。

また、テラヘルツ波を発生、検出する素子を集積した素子に関する技術が、非特許文献１に開示されている。ＴＨｚ−ＴＤＳに用いられるＴＨｚ波発生源としては、低温結晶成長させたガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ：Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｏｗｎＧａＡｓ）などの光伝導膜が用いられる。光伝導膜上の電極間にレーザパルス光を照射すると、光励起により電極間に瞬時にキャリアが流れる。そして、このキャリア電流の時間微分に比例したＴＨｚパルスが発生する。ＴＨｚ−ＴＤＳに用いられる検出側にも前記光伝導膜が用いられ、発生源と同様に超短パルスであるレーザパルスを用いる。

このように、テラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツ波よりも時間幅が短い超短パルスを用いて行われる。具体的には、テラヘルツ波の時間波形における、ある時間の振幅（光電流値など）をサンプリングするための超短パルスとして、数１０フェムト秒のパルス幅を有するパルスレーザを用いる。そして、テラヘルツ波を発生させる位置や検出する位置に照射される光の照射タイミングを変化させる。これにより、時間波形における各サンプリングを行う位置を変えながら、テラヘルツ波の振幅（光電流値など）を取得することができ、結果として、時間波形全体が再現できる。

なお、上記照射タイミングを変化させるには、超短パルスの光路長を変化させるための可動鏡を遅延光学系として用いる。

特開２００５−２７４４９６号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０，２２３３，１９９７

上述したように、テラヘルツ波の時間波形を取得するために、テラヘルツ波の発生位置や検出位置に光照射するタイミングを変化させるために前記遅延光学系を用いる方法が知られている。

本発明者は、上記方法とは異なる手法を用いて、テラヘルツ波の時間波形を取得する手法を鋭意検討し、前記遅延光学系を用いなくても時間波形を再現できることに気付き、本発明を成すに至った。

本発明の目的は、前述の遅延光学系を用いた手法とは異なる手法により、時間波形に関する情報を取得し得る装置及び方法を提供することにある。もちろん、本発明は、前述の遅延光学系を用いる手法と上記新規な手法との併用を除外するものではない。

本発明に係るテラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得するための波形情報取得装置は、テラヘルツ波を発生させるための発生部と、テラヘルツ波の波形情報を検出するための検出部と、テラヘルツ波が前記発生部で発生してから該テラヘルツ波の波形情報として該テラヘルツ波が前記検出部で検出されるまでの該テラヘルツ波の伝播時間を変えるための第１の遅延部と、を有し、前記第１の遅延部は、前記発生部により発生したテラヘルツ波の伝播速度を変えるように構成され、前記発生部により発生したテラヘルツ波ごとに、前記検出部で検出されたテラヘルツ波の波形情報と前記伝播速度とを関連付けることを特徴とする。

本発明によれば、伝播部を伝播するテラヘルツ波の伝播速度（実効的な伝播距離）を制御することができる。これにより、テラヘルツ波の伝播時間を制御することができるので、結果として、テラヘルツ波の時間波形を取得することができることになる。

（第１の実施形態：伝播速度可変）
第１の実施形態に係る波形情報取得装置について、図１を用いて説明する。

図１（ａ）は、伝播部を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させる前の波形情報取得装置を表す模式図である。

図１（ｂ）は、伝播部を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させた時の波形情報取得装置を表す模式図である。

１０１は、テラヘルツ波を発生させるための発生部である。発生部１０１としては、例えば、キャリア発生層を含み構成され、前記キャリアに電界を印加することにより、テラヘルツ波を発生する前述の光伝導膜を用いるものがある。また、発生部１０１は、電界（或いは電圧）を印加することにより共鳴トンネル現象が生じる構造を有する共鳴トンネルダイオードなどを用いることができる。ただし、本発明に適用される発生部としては、これらに限定されるものではない。

１０２は、前記発生部１０１から発生したテラヘルツ波を伝播させるための伝播部である。ここで、伝播部１０２とは、テラヘルツ波が伝播している領域のことである。伝播部１０２としては、例えば、ストリップ形状の電極を含み構成される伝送線路（マイクロストリップ線路）などがある。さらに、伝播部１０２は、テラヘルツ波が伝播する空気（間隙、空間）で構成しても良い。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

１０３は、テラヘルツ波の波形情報を検出するための検出部である。検出部１０３としては、上述の発生部と同様の構成が考えられる。

ここで、テラヘルツ波の波形情報とは、例えば、時間波形（横軸を時間軸としたテラヘルツ波の波形）上の、ある時間における振幅の値のことである。また、前記波形情報は、少なくとも波形の一部の情報であれば良い。

１０４は、前記発生部１０１により発生したテラヘルツ波の前記伝播１０２における伝播速度（実効的な伝播距離）を変化させるための第１の遅延部である。前記伝播速度を変化させるには、テラヘルツ波が伝播する領域（前記伝播部１０２を含む。）の屈折率を変化させることが好ましい。前記テラヘルツ波は、必ずしも前記伝播部１０２のみを伝播するわけではなく、前記伝播部１０２を含む領域を伝播する。

伝播速度は、屈折率の逆数に比例して変化する。例えば、伝播部１０２の構造が、伝播する電磁波に対して、伝送線路のように一部が開放されている場合、伝播部１０２の屈折率は、開放されている部分の屈折率を調整することでこの屈折率を調整することができる。伝播部１０２の屈折率は、この開放されている部分の屈折率を含めた平均的な値として算出される。そのため、遅延部１０４によって、この平均的な屈折率を調整することができれば、伝播速度は変化する。尚、この開放されている部分の割合は、伝播部１０２の構造に依り、開放される部分の割合が大きい伝播部１０２を選択することで、調整し得る伝播速度の変化の割合を大きくできる。

前記テラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を変化させる手段としては、機械的な手段や、電気的な手段が考えられる。

前記機械的な手段には、例えば、前記伝播部１０２との距離を変化させるために、アクチュエータを用いて前記第１の遅延部１０４の位置を変化させることが考えられる。なお、この第１の遅延部１０４の位置を変化させることによって、前記テラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を変化させることができる理由については後述する。

また、前記電気的な手段には、例えば、液晶の配向を変化させるために、液晶に印加する電圧を変化させることが考えられる。長手方向の屈折率と短手方向の屈折率が異なる液晶を用いると、伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波の偏向に対する液晶の配向を調整することで、テラヘルツ波が感じる屈折率が変化する。この現象を利用して、テラヘルツ波の伝播速度を変化させる。液晶を用いて、前記テラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を変化させる具体的な例については後述している。さらに、テラヘルツ波が伝播する領域を取り囲むガスの密度を変化することにより、テラヘルツ波の伝播速度（実効的な伝播距離）を変化させることもできる。

ここで、テラヘルツ波の伝播を電磁界中で行う場合、電場や磁場を変化させることにより、テラヘルツ波の伝播特性が変化する。この場合、偏波の回転が発生すると、テラヘルツ波の周波数が変化し、周波数に依存する伝播速度（位相速度）が変化する。

第１の遅延部１０４としては、屈折率を有する材料であれば何でも良く、例えば、石英を用いることができる。また、ポリエチレン系やポリオレフィン系などの部材を用いることもできる。さらに、第１の遅延部１０４としては、例えば、液晶を用いることができる。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

１０５は、前記伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させるために、前記第１の遅延部１０４を制御するための制御部である。

前記制御部１０５は、前記伝播速度を制御するために、前記伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を制御することが好ましい。ただし、本発明はこれに限らない。

ここで、前記第１の遅延部１０４の制御とは、例えば、前記伝播部１０２と前記第１の遅延部１０４との距離を調整することである。この距離の調整の一例として、伝播部１０２の位置を固定しておき、第１の遅延部１０４の位置を変えることが挙げられる。もちろん、本発明に関する距離の調整はこれに限らない。また、前記距離の調整は、前記機械的な手段を用いることによって行うことができる。この手段は、例えば、前記第１の遅延部１０４に前述の部材（石英など）を用いるときに適用できる。

また、前記第１の遅延部１０４の制御とは、例えば、前記第１の遅延部１０４を液晶などにより構成し、その液晶の配向を調整することである。前記配向の調整は、前記電気的な手段を用いることによって行うことができる。この手段は、例えば、前記第１の遅延部１０４に液晶などを用いたときに適用できる。また、この手段は、前記第１の遅延部１０４にコロイド溶液などを用いたときにも適用できる。コロイド溶液は、例えばシリコーンオイルのような絶縁性液体にセラミック粒子を樹脂材料でコーティングしたような帯電粒子を分散したものを用いる。これらの絶縁性液体と帯電粒子の屈折率が異なる場合、伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波の電磁界が及ぶ範囲に分布する帯電粒子の密度を調整することで、伝播部１０２の屈折率を調整することが可能となる。この結果、テラヘルツ波の伝播速度を調整することが可能となる。このとき、前記第１の遅延部１０４に印加する電圧を調整（或いは電流を調整）することにより、前記コロイド溶液中のコロイドの分散を調整することができる。尚、コロイドの分散調整に用いる電圧（或いは電流）は、テラヘルツ波と周波数的に切り分けられることで、調整用の信号が伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波に及ぼす影響をなくすことができる。

以上より、前記制御部１０５は、前記伝播部１０２を伝播するテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を制御することができる。

上記の構成により、テラヘルツ波の伝播時間を変化させることができる。また、検出部１０３におけるテラヘルツ波の時間波形をサンプリングする時間軸上でのサンプリング位置を変化させることができる。さらに、テラヘルツ波の伝播時間を制御できるので、各サンプリング位置を制御することができる。前記サンプリング位置ごとの信号を逐次記録することにより、テラヘルツ波の時間波形全体を構築することもできる。

本実施形態の構成とすることにより、前記検出部１０３で検出されるテラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得することができる。ここで、前記時間波形に関する情報とは、テラヘルツ波の振幅や位相に関する情報なども含まれる。

（伝播部が空気などの気体も含む形態）
上述した実施形態に係る波形情報取得装置が有する伝播部１０３が、空気などの気体も含む（テラヘルツ波が空間を伝播する）場合について、図１（ｃ）を用いて説明する。

図１（ｃ）は、テラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得するための波形情報取得装置を表す模式図である。

１１１は、テラヘルツ波を発生させるための発生部である。前記発生部１１１は、低温成長させたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの光伝導性を有する半導体（単一の層構造、光伝導膜とも呼ぶ。）であることが望ましい。また、前記発生部１１１は、前記光伝導性を有する半導体を含み構成される構造体（複数の層構造）であることが望ましい。前記構造体は、励起光の光子エネルギーより小さなバンドギャップエネルギーを持つ半導体を含み構成されるダイオード構造（整流性を持たせた構造）のことである。例えば、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｍｅｔａｌダイオード構造、ショットキーバリアダイオード構造などを用いることができる。これらは、素子に逆バイアスを印加することにより、励起光の照射で発生するキャリアにより流れる電流を小さくすることができる。このため、発生部１１１の抵抗が小さくても、効率良くキャリアに電界を印加することができる。ここで、ｉ層の材料には、例えば、ＬＴ−ＧａＡｓよりも抵抗の低いＩｎＧａＡｓなどを用いることが好ましいが、本発明はこれに限らない。また、前記発生部１１１には、共鳴トンネルダイオード、半導体超格子、超伝導体などを用いても良い。

次に、１１３は、テラヘルツ波の波形情報を検出するための検出部である。前記検出部１１３は、上述の発生部１１１と同様の構成が考えられる。

ここで、テラヘルツ波の波形情報とは、例えば、時間波形（横軸を時間軸としたテラヘルツ波の波形）上の、ある時間における振幅の値のことである。また、前記波形情報は、少なくとも波形の一部の情報であれば良い。

また、１１４は、テラヘルツ波が前記発生部１１１で発生してから、該テラヘルツ波の波形情報として前記検出部１１３で検出されるまでの時間を変えるための第１の遅延部である。前記第１の遅延部１１４は、上述したテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を行うための機構である。第１の遅延部１１４の具体的な構成としては、上述の実施形態の他に、後述する実施例４などの形態が考えられる。前記第１の遅延部１１４は、前記発生部１１１により発生したテラヘルツ波の伝播速度を変えるように構成されれば良い。また、前記第１の遅延部１１４は、前記発生部１１１により発生したテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を変えるように構成されても良い。

ここで、前記第１の遅延部１１４は、前記発生部１１１により発生したテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率とは異なる屈折率を有する部材を含み構成されることが好ましい。さらに、前記部材と前記領域との相対位置を変える（実施例１や２）ように構成されることが好ましい。また、前記部材が前記領域を占有する割合を変える（実施例４）ように構成されても良い。

そして、前記発生部１１１により発生したテラヘルツ波（あるいは異なるテラヘルツ波）ごとに、前記検出部１１３で検出されたテラヘルツ波の波形情報と前記伝播速度とを関連付ける。なお、異なるテラヘルツ波とは、前記発生部１１１により発生したテラヘルツ波のうち、第１のテラヘルツ波と該第１のテラヘルツ波とは異なる第２のテラヘルツ波との関係であることを意味する。

ここで、前記関連付けられた情報を用いて、前記伝播速度に対する前記波形情報からテラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得するための波形情報取得部を備えることが好ましい。

以上により、従来技術とは異なる手法によってテラヘルツ時間領域分光法を行い、テラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得することができる。なお、前記時間波形に関する情報とは、テラヘルツ波の振幅や位相に関する情報なども含まれる。

上述の実施形態のように、第１の遅延部１１４を制御するための制御部１１５を有していても良い。なお、１２０は、第１の遅延部１１４中を伝播するテラヘルツ波を表している。

ここで、テラヘルツ時間領域分光方法とは、前記検出したテラヘルツ波に関する情報からテラヘルツ波の時間波形を構築する手法である。本実施形態は、前記時間波形を得るために、テラヘルツ波の伝播速度を変えることにより行う手法である。なお、前記伝播速度を変えるには、実効的な伝播距離や光学的な距離（光学距離、屈折率と空間的な距離の積）を変えることにより行うことができる。このとき、空間的な距離は一定であることが望ましい。

（波形情報取得方法）
本実施形態に係る波形情報取得方法は、少なくとも以下の１）から５）の工程を有する。
１）テラヘルツ波を伝播させる工程。
２）第１の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程。
３）前記テラヘルツ波の伝播速度を第２の伝播速度に変化させる工程。
４）前記第２の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程。
５）前記第１の伝播速度及び前記第２の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報から取得される時間波形に関する情報を取得する工程。

なお、前記時間波形に関する情報は、前記波形情報から時間波形全体を構築しても良い。また、前記時間波形に関する情報は、時間波形上の数点の情報から時間波形全体を構築しても良い。さらに、時間波形を構築しなくても良い。

（第２の実施形態：強度やパルス幅の変化を補正）
第２の実施形態に係る波形情報取得装置について、図２を用いて説明する。

２０１は、テラヘルツ波を発生させるための発生部である。２０２は、前記発生部２０１から発生したテラヘルツ波を伝播させるための伝播部である。２０３は、テラヘルツ波の波形情報を検出するための検出部である。２０４は、前記発生部２０１により発生したテラヘルツ波の前記伝播部２０２における伝播速度を変化させるための第１の遅延部である。２０５は、前記伝播部２０２を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させるために、前記第１の遅延部２０４を制御するための制御部である。そして、これら（２０１から２０５）には、前述の実施形態で述べた技術事項が適用される。

ここで、図２について、第１の実施形態と構成の上で異なるのは、処理部２０６を付加した点である。

処理部２０６は、前記検出部２０３で検出されるテラヘルツ波の時間波形に関する情報を補正する。例えば、前記伝播部２０２を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させる前の時間波形の形状となるように補正することが考えられる。

テラヘルツ波が伝播する領域の屈折率が変化することに伴い、テラヘルツ波の時間波形の形状が歪む。具体的には、テラヘルツ波の強度やパルス幅が変化する。

ここで、前記処理部２０６は、演算処理部と補正部を含み構成することもできる。演算処理部と補正部については、後述する。

前記処理部２０６を用いることにより、第１の遅延部２０４がテラヘルツ波の伝播特性に及ぼす波形の歪みを、予め用意しておいた補正値によって補正することができる。

以下、テラヘルツ波の波形の歪みを補正する方法の具体例について述べる。なお、補正値は、例えば、既述の遅延光学系などで構成される第２の遅延部を用いて、取得できる。もちろん、一旦、補正値に関するデータベース化が終了したら、この第２の遅延部は必ずしも用いなくても良い。

図３は、第２の実施形態の一形態に係る波形情報取得装置について説明するための模式図である。

（テラヘルツ波の発生部と検出部）
３０１は、テラヘルツ波を発生させるための発生部である。また、３０３は、テラヘルツ波を検出するための検出部である。なお、これらの部分はそれぞれ独立して構成しなくても、発生と検出の機能を兼ねるように構成していてもよい。

発生部３０１と検出部３０３はそれぞれ、トリガ部３０８のトリガ信号によって動作する。検出部３０３へ出力されたトリガ信号は、第２の遅延部３０９により、発生部３０１に出力されるトリガ信号に対して時間遅延される。第２の遅延部３０９を調整することにより、時間遅延を調整することができる。時間遅延の調整は、例えば、検出部３０３へ出力されるトリガ信号の光路長を変えることにより行う。この調整は、演算処理部３０７で行ってもよいし、不図示のドライバを用いてもよく、特に限定されるものではない。

（テラヘルツ波時間領域分光法：ＴＤＳ）
テラヘルツ波の信号は、応答速度が速い信号であるため、実時間で取得することは困難である。そのため、トリガ信号を用いて、テラヘルツ波をサンプリングして応答波形を取得することが多い。トリガ信号は、多くの場合、数１０〜数１００フェムト秒のパルス形状を用いる。この時、検出部３０３は、トリガ信号が存在する間、つまり数１０〜数１００フェムト秒間、動作する。検出部３０３が動作する時間は、テラヘルツ波の時間波形に対して、十分小さい。このとき、検出部３０３で検出するテラヘルツ波は、トリガ信号が存在する瞬間の値を測定する。この瞬間の値は、テラヘルツ波の電場強度に相当する値である。

例えば、このトリガ信号が検出部３０３に到達する時間を遅延し、逐次、検出部３０３に到達するテラヘルツ波の瞬間の値（テラヘルツ波の電場強度）を記録する。これにより、テラヘルツ波の時間波形（横軸を時間軸としたテラヘルツ波の波形）を構築することができる。

ここで、第２の遅延部３０９のある基準値（時間に換算した場合、０秒）からの変化量（例えば、検出部３０３へ出力されるトリガ信号の光路長）を時間に換算する。所定の観測時間となるように、第２の遅延部３０９の位置（遅延量）を調整し、トリガ信号が検出部３０３に到達する時間を調整する。所定の観測時間におけるテラヘルツ波の瞬間の値（テラヘルツ波の電場強度）を、検出部３０３で検出する。

なお、トリガ信号は、前記発生部３０１と検出部３０３への光照射に限らない。例えば、テラヘルツ波を発生させるために、共鳴トンネル現象を用いた構造体に電界（或いは電圧）を印加するものであっても良い。

（伝送線路遅延器）
ここで、伝播部３０２、第１の遅延部３０４、遅延調整部３０５によって、伝送線路遅延器を構成している。

発生部３０１で発生したテラヘルツ波は、伝播部３０２を伝播する。前記伝播部３０２は、少なくともストリップ形状の第１電極３１０を含む導波路である。ここでは、誘電体３１１を第１電極３１０と平板形状の基準電極３１２（電界の基準となる電位を規定するための電極）で挟むマイクロストリップ線路を適用した例を示している。ただし、導波路の構造はこれに限らず、例えば、コプレーナ導波路やコプレーナストリップ線路が適用可能である。

（第１の遅延部）
第１の遅延部３０４は、ある屈折率を有する部材（石英やポリエチレン系の部材）である。本実施形態においては、第１の遅延部３０４は、伝播部３０２を構成する第１電極３１０の長手方向に対して垂直となる位置に配置される。ただし、本発明は上述のように、垂直である必要はない。

また、第１の遅延部３０４は、前記伝播部３０２からある距離だけ離れた位置に配置されている。さらに、遅延調整部３０５は、第１の遅延部３０４を調整することにより、前記第１の遅延部３０４と伝播部３０２との距離を調整する役割を果たす。伝播部３０２と第１の遅延部３０４との距離を制御することにより、テラヘルツ波が伝播する領域の屈折率の変化（屈折率分布状態の変化）を制御することができる。これにより、伝播部３０２を伝播するテラヘルツ波の実効的な伝播距離（電気長）の変化を制御でき、検出部３０３へのテラヘルツ波の到達時間（伝播時間）の変化を制御することができる。

なお、本実施形態では、第１の遅延部３０４と伝播部３０２との距離によって、伝播部３０２の屈折率の分布状態を調整しているが、この限りではない。例えば、第１の遅延部３０４は、液晶のように、電気的な手段を用いることにより屈折率を変化させることのできる部材と、電気的な手段を用いるための電極によって構成してもよい。この時、遅延調整部３０５は、電気的な手段を用いることにより第１の遅延部３０４の屈折率を変化させるための制御部となる。

また、第１の遅延部３０４の屈折率を上記電気的な手段により変化させ、且つ、伝播部３０２との距離を調整することにより屈折率分布を変化させる構成としてもよい。

演算処理部３０７は、検出部３０３の出力信号を参照し、テラヘルツ波の時間波形を構築する部分である。具体的には、検出部３０３に到達するトリガ信号に対して、テラヘルツ波が検出部３０３に到達する時間の変化と、検出部３０３の出力の変化を逐次記録する。これにより、テラヘルツ波の時間波形を構築することができる。

（第１の遅延部により伝播速度が変化）
図４の時間波形４０１から４０４は、それぞれ、第２の遅延部３０９の位置（遅延量）を調整することにより検出部３０３が検出されたテラヘルツ波の時間波形である。各時間波形のスペクトルの違いは、第１の遅延部３０４を調整することによって伝播部３０２の屈折率分布を変化させることによって生じたものである。
例えば時間波形４０１は、次のように取得する。すなわち、第１の遅延部３０４と伝播部３０２の距離をある距離ｘ１に固定した状態で、第２の遅延部３０９でトリガ信号を掃引（時間遅延）する。同様に、時間波形４０２はｘ２の状態で取得されたテラヘルツ波の時間波形である。

伝播部３０２と第１の遅延部３０４との距離を遅延調整部３０５により制御し、テラヘルツ波の伝播部３０２の屈折率を大きくする。

ここで、例えば伝播部が誘電体を含み構成されているとき、テラヘルツ波は誘電体だけでなく、誘電体の外側（例えば、空気）も伝播している。このため、第１の遅延部３０４（例えば、空気よりも大きな誘電率を持つ材料）と伝播部３０２との距離を短くすることにより、テラヘルツ波が伝播する領域の誘電率がトータルで大きくなる。なお、誘電率が大きくなるということは、屈折率が大きくなることを意味している。

図４から、伝播部３０２の屈折率分布を変化させることによって、テラヘルツ波が時間波形は、４０１から４０４に推移する。このとき、伝播するテラヘルツ波の伝播速度が遅くなっている様子がわかる。

（装置の動作）
以下に本実施形態の波形情報取得装置の動作を説明する。

本実施形態では、テラヘルツ波の時間波形を取得するために、テラヘルツ波の伝播速度（実効的な伝播距離）を変化させる。これにより、検出部３０３に到達するテラヘルツ波の時間を変化させる。そして、第２の遅延部３０９で予め定めた観測時間（または観測位置）において、テラヘルツ波の伝播速度の変化（実効的な伝播距離）の変化に伴い変化する信号を逐次検出し、テラヘルツ波の時間波形を取得する。

例えば、図４において、５ピコ秒の位置に観測時間ｔｎを定める。そして、ｔｎが５ピコ秒となるように、第２の遅延部３０９の位置を調整する。この状態で、第１の遅延部３０４を調整し、伝播部３０２を伝播するテラヘルツ波の伝播速度（実効的な伝播距離）を変化させる。これにより、テラヘルツ波の時間波形の観測時間を変化することができる。すなわち、第１の遅延部３０４を調整することで、テラヘルツ波の時間波形を時間的に掃引（時間遅延）することが可能となる。

（演算処理部）
演算処理部３０７では、第２の遅延部３０９の位置を観測時間ｔｎに固定（例えば５ピコ秒）した状態で、遅延調整部３０５により第１の遅延部３０４を調整する。遅延調整部３０５の調整量と検出部３０３の出力を参照し、演算処理部３０７によりテラヘルツ波の時間波形が構築される。

演算処理部３０７で構築されたテラヘルツ波の時間波形を図５の（Ａ）に示す。また、図５の（Ｂ）の時間波形は、取得したいテラヘルツ波の時間波形（すなわち、屈折率変化による歪みがない時間波形）である。ここで、図５の（Ｂ）の時間波形は、図４における時間波形４０１を基準波形（伝送線路型遅延器の影響を受けていない波形）としている。なお、時間波形４０１は、２ピコ秒をピーク値とする時間波形である。

図５の（Ａ）の時間波形は、伝播するテラヘルツ波の伝播速度（実効的な伝播距離）を変化させた時の、観測位置ｔｎの強度変化を記録したものである。図４において、伝播部３０４の屈折率を順次大きくした時（図４における矢印の方向）、検出部３０３が検出するテラヘルツ波の瞬間の値を記録したものである。この時、観測位置ｔｎで観測されるテラヘルツ波の瞬間の値は、基準波形について、観測位置ｔｎからパルスの頂点に向かって推移する。これは、図４の時間軸をマイナス方向へ掃引（時間遅延）していることに相当している。そのため、図５の（Ｂ）の基準波形と観測位置ｔｎで観測された時間波形（Ａ）は、反転している。

ここで、図５の（Ａ）と（Ｂ）のパルスのピーク値は、時間軸上でずれている。この時間のずれは、伝播時間のずれである。これは、伝播するテラヘルツ波の伝播速度の変化による時間遅延を表している。

なお、以上は、テラヘルツ波の時間波形が遅延する方向（時間軸のプラス方向）に動作する場合について説明した。ただし、時間軸のマイナスの方向に動作する態様を除くものではない。このとき、図５の（Ａ）と（Ｂ）の時間波形の反転状態は解消される。

（補正部）
また、伝播部３０２を含む領域の屈折率の変化に伴い、テラヘルツ波の時間波形の形状が歪む。具体的には、テラヘルツ波の強度とパルス幅が変化する。

ここで、テラヘルツ波の時間波形の形状が歪む理由として、以下のようなことが考えられる。例えば、テラヘルツ波の実効的な伝播距離が変化すると、導体や誘電体によって損失するテラヘルツ波のエネルギーが大きくなる。また、テラヘルツ波の実効的な伝播距離の変化に伴い、分散の影響による各周波数成分の伝播速度の差が顕著になり、テラヘルツ波のパルス幅が広がる。また、テラヘルツ波の屈折率の変化を生じさせる手段の上記損失の特性や上記分散の特性によって、テラヘルツ波の時間波形の形状は影響を受ける。

補正部３０６には、上記形状の歪みを補正する補正値が記憶されている。この補正値を用いて、演算処理部３０７で構築された時間波形から、時間波形の形状が歪む前の時間波形を再構築する。

図５の（Ａ）の時間波形は、伝播部の損失や分散などの伝播特性の影響を含んだ波形となっている。そのため、図５の（Ｂ）の基準波形の強度やパルス幅とは異なる。そこで、演算処理部３０７は、一旦構築した時間波形（Ａ）を、図５の（Ｂ）の波形に再構築する動作を行う。このとき、補正部３０６の補正値を参照する。

補正部３０６には、所定の観測位置について、周波数毎の強度や位相の補正を行うための補正値が記憶されている。ここで、図６は、補正部３０６が記憶している補正用のテーブルの一例である。図６の補正前の周波数情報は、図５の（Ａ）の時間波形に対応している。また、図６の補正後の周波数情報は、図５の（Ｂ）の時間波形に対応している。これらの周波数情報は、各時間波形をフーリエ変換することにより求めることができる。

ここで、補正前の周波数情報は、次のように信号処理した波形を用いている。すなわち、図５の（Ａ）の時間波形のピーク位置を図５の（Ｂ）の基準波形のピーク位置に合わせ、このピーク位置を境に反転している。

各時間波形の強度やパルス幅が図５の（Ａ）と図５の（Ｂ）で異なるため、図６の周波数情報にも補正前後で差異がある。補正部３０６では、観測位置ｔｎ毎に、図６のような補正用のテーブルが予め記憶されていることが好ましい。具体的には、例えば、観測位置が５ピコ秒の時、０．５ＴＨｚの周波数成分について、強度を３倍し、位相を９．２π進めることにより、時間波形を補正することができる。演算処理部３０７では、観測位置ｔｎに対応したテーブルを参照し、取得したテラヘルツ波の時間波形を再構築する。

補正部３０６で用意される補正用のテーブルは、予め実測によって求めることができるが、計算によって求めることもできる。また、実測によって求めたある観測位置のテーブルを参照し、測定していない他の観測位置のテーブルを計算して補完してもよい。

（一般的なＴＨｚ−ＴＤＳとの差異）
上述したように、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）では、テラヘルツ波の時間波形を取得している。この時間波形を取得するとき、テラヘルツ波の発生位置と検出位置とに光照射するタイミングを変化させる方法が、一般的に用いられている。ここで、この方法を用いるとき、テラヘルツ波の伝播時間を変化させることはしない。また、この方法を用いるときは、テラヘルツ波の伝播時間を一定にさせることが望ましい。

本発明は、テラヘルツ波の発生位置と検出位置とに光照射するタイミングを変化させるものではない。また、上記タイミングは一定であることが望ましい。本発明は、テラヘルツ波の伝播時間を変化させることにより、テラヘルツ波の時間波形を取得している。伝播時間を変化させるために、伝播速度を変化或いは、実効的な伝播距離（電気長）を変化させている。

ここで、実効的な伝播距離について説明する。ｖ（伝播速度）＝ｃ（光速）／ｎ（屈折率）を、ｔ（伝播時間）＝ｘ（伝播距離）／ｖ（伝播速度）に代入する。すると、ｔ＝ｎｘ／ｃとなる。これらの式から明らかなように、ｎを可変にすることは、以下の２つを意味している。すなわち、ｎを可変にすることは、ｖを可変にしていると言えるし、ｎｘ（＝ｙ）を可変にしているとも言える。このｙが、実効的な伝播距離としている。なお、テラヘルツ波の伝播は、自由空間中であるとして議論した。

本明細書において、上記伝播速度を変化させるときは、実効的な伝播距離が一定（すなわち、テラヘルツ波が実際に伝播する距離が一定）であるとして議論している。また、実効的な伝播距離を変化させるときは、伝播速度を一定（すなわち、テラヘルツ波の伝播する速度が光速）であると仮定して議論している。しかし、これらを一定にすることは、本発明の必須な要件ではなく、伝播時間を制御することが、本発明の本質である。

以下、実施例について、図面を参照して述べる。

（実施例１：第１の遅延部と伝播部との距離調整）
実施例１について図７を用いて説明する。

図７は、本実施例における波形情報取得装置を説明するための模式図である。

伝播部として、第１電極７１０、誘電体７１１、基準電極７１２により構成されるマイクロストリップ線路を用いている。伝播部は、不図示のシリコン（Ｓｉ）基板上に形成する。

第１電極７１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）とを、それぞれ５００Åと３０００Åの厚さに積層した導体である。また、第１電極７１０の線幅は、５μｍである。基準電極７１２は、Ｓｉ基板上に形成される平板状の導体である。基準電極７１２は、素子を構成する各部に基準の電位を与える。導体の構成は第１電極７１０と同様である。

誘電体７１１は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる。ただし、誘電体７１１の材料はこれに限らず、ポリエチレン系やポリオレフィン系の樹脂材料を用いることができる。テラヘルツ波に対して損失の小さい材料がよい。また、誘電体７１１として、半絶縁性シリコン（ＳＩ−Ｓｉ）のような半導体材料が適用できる。また、このような半導体材料として、キャリア発生層と同じ材料を適用することもできる。誘電体７１１の膜厚は３μｍである。

トリガ部として、レーザ部７０８を用いる。レーザ部７０８により、第１キャリア発生層７１７を含み構成される発生部にレーザを照射し、駆動する。また、レーザ部７０８により、第２キャリア発生層７１８を含み構成される検出部にレーザ光を照射し、駆動する。ここで、第１キャリア発生層７１７に照射するレーザ光をポンプ光、第２キャリア発生層７１８に照射するレーザ光をプローブ光とする。レーザ部７０８には、パルス幅５０フェムト秒、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数７６ＭＨｚのチタンサファイアレーザを用いる。

レーザ部７０８から出力されるレーザ光は、ビームスプリッタで分離される。さらにミラー、第２遅延部７０９を介して、第１キャリア発生層７１７と、第２キャリア発生層７１８とに照射される構成である。

第２の遅延部７０９として、リトロリフレクターと折り返し光学系を組み合わせ、アクチュエータによって超短パルスの光路長を変化させる遅延光学系を適用する。

ここで、発生部は、第１キャリア発生層７１７、第１電極７１０、第２電極７１５、バイアス印加部７１９によって構成される。第１キャリア発生層７１７は、低温成長ガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いる。ＬＴ−ＧａＡｓは、半絶縁性のガリウムヒ素（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板（比抵抗；＞１×１０^７Ω・ｃｍ）に対し、分子ビーム低温エピタキシャル成長（２５０℃）によって作製され、ＳＩ−ＧａＡｓ基板より剥離して使用する。第１キャリア発生層７１７の膜厚は、２μｍである。第２電極７１５は、第１電極７１０と同じく、例えば、ＴｉとＡｕとを、それぞれ５００Å、３０００Åの厚さに積層した導体である。第２電極７１５の線幅を１０μｍとする。

第１電極７１０と第２電極７１５は、ある間隙を介して第１キャリア発生層７１７上に配置されている。前記間隙は、５μｍとしている。バイアス印加部７１９は、前記間隙にバイアスを印加する部分であり、１０Ｖのバイアスを印加する。レーザ部７０８から出力されるポンプ光は、前記間隙に照射されることにより、キャリアが発生する。バイアス印加部７１９によってキャリアにバイアスが印加され、前記キャリアは加速される。これにより、電磁波が発生し、テラヘルツ波として利用する。テラヘルツ波は、第１電極に結合し、伝播部を伝播する。

また、検出部の構成は、上記発生部と同様の構成となっている。検出部は、第２キャリア発生層７１８、第１電極７１０、第３電極７１６、電流電圧変換部７２３によって構成される。第２キャリア発生層７１８と第３電極７１６はそれぞれ、発生部の第１キャリア発生層７１７と第２電極７１５と同様の構成である。電流電圧変換部７２３は、第３電極７１６を流れる電流を電圧に変換し、増幅する部分である。

レーザ部７０８から出力されるプローブ光は、第１電極７１０と第３電極７１６の間隙に照射される。前記間隙は、発生部と同じく５μｍである。このプローブ光が、間隙部分に第２キャリア発生層７１８からキャリアを発生させる。発生したキャリアは、伝播部から伝播するテラヘルツ波の電磁場によって変動される。このキャリアの変動に伴う電流信号は、第３電極７１６に伝えられる。電流電圧変換部７２３は、前記電流信号を検出する。ここで、検出される信号は、第２遅延部７０９によって定められる観測位置ｔｎの瞬間値である。

ここで、レーザ部７０９として、チタンサファイアレーザを用いているが、これに限らず、小型で安定なファイバレーザを用いてもよい。好適には、レーザの波長は、使用するキャリア発生層の吸収波長に調整される。例えば、キャリア発生層として、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）が適用する場合、レーザの波長は、およそ１．４μｍに設定する。キャリア発生層は、レーザ部７０８のポンプ光、またはプローブ光によって、キャリアを発生すればよいので、これらの材料に限定されるものではない。

第１の遅延部７０４は、樹脂部材７１３とアクチュエータ７１４によって構成している。樹脂部材７１３は、ポリエチレンを用いており、第１電極７１０の長手方向の長さ５００μｍ、幅１００μｍ、高さ５００μｍである。樹脂部材７１３は、第１電極７１０を中心にして素子の垂直方向の上方に配置されている。そして、樹脂部材７１３と第１電極７１０の距離を調整することにより、伝播部の屈折率分布を変化させ、実効的な伝播距離（電気長）を調整する。これにより、第２キャリア発生層７１８に到達する時間を調整することができる。

なお、樹脂部材７１３の材質や形状は、上述したものに限らない。調整量に応じて適宜選択され、材質はセラミック材料や半導体材料でもよい。例えば、実効的な伝播距離の調整量を大きくしたい場合、より屈折率の大きいＳＩ−Ｓｉ基板を用いることも可能である。また、樹脂部材７１３の長手方向の形状を大きくし、第１電極７１０の相互作用長を稼ぐことにより、調整量を大きくすることもできる。

ここで、アクチュエータ７１４として、ピエゾ素子を用いる。樹脂部材７１３とアクチュエータ７１４は接着されている。遅延調整部７０５は、制御部であり、ピエゾ素子を駆動するドライバである。ピエゾ素子を伸縮することによって樹脂部材７１３と第１電極７１０の距離を調整する。また、遅延調整部７０５の調整信号は、演算処理部７０７に出力され、テラヘルツ波の時間波形を構築する際に利用される。

図８は、本実施例について、第１電極７１０に樹脂部材７１３を近づけた時の、第２キャリア発生層７１８に到達するテラヘルツ波の波形を解析した結果である。

第１電極７１０と樹脂部材７１３の距離が、２０μｍ以上の時は、第２キャリア発生層７１８に到達するテラヘルツ波の時間は変化しない。そして、２０μｍ以下の領域では、距離を近づけるに従い、第２キャリア発生層に到達するテラヘルツ波の時間が遅延する様子がわかる。本実施例の構成では、第２キャリア発生層７１８に到達する時間を、２ピコ秒程度調整できることを示している。上述したように、この調整の程度は、樹脂部材７１３の材料や形状によって変化することが可能である。本実施例では、例えば、第２の遅延部７０９によって、観測位置ｔｎを１０ピコ秒付近に設定することにより、２ピコ秒程度のテラヘルツ波の情報を取得できる。

また、図８において、第１電極７１０と樹脂部材７１３の距離が変化するに従い、テラヘルツ波の強度が低下し、パルス幅が広がる様子がわかる。テラヘルツ波の時間波形を構築する場合、調整に伴う波形の変化は、演算処理部７０７で構築する波形の形状に影響を与える。そのため、演算処理部７０７において、補正部７０６の補正値を参照し、この伝送線路遅延器がテラヘルツ波の波形に与える影響を抑制した波形を再構築するものである。

本実施例の波形情報取得装置を、サンプルの検査に適用する場合を説明する。サンプル７２０は、第１電極７１０において、樹脂材料７１３と重ならない位置に配置する。サンプル７２０を配置する位置は、樹脂材料７１３と第２キャリア発生層７１８の間、すなわち伝送線路型遅延器と検出部の間に配置されているが、この態様に限らない。例えば、発生部と伝送線路型遅延器の間に配置してもよい。

本実施例のテラヘルツ波検出装置は、テラヘルツ波の時間波形を構成する際、伝送線路型遅延器を超短パルスの掃引手段として用いる。そのため、従来の遅延光学系を用いた掃引手段に比較して、構成が小さくなり、制御速度を改善することが可能となる。特に、テラヘルツ波の検出感度を向上するため積算処理する装置形態においては、超短パルスを掃引する速度が速いため、検出動作の高速化が期待できる。また、補正部を用いて、伝送線路型遅延器がテラヘルツ波に与える影響を抑制することによって、より実用的な装置を提供することが可能となる。

また、本実施例のテラヘルツ波検出装置をサンプルの検査に用いた場合、より高速な検査を行うことが可能となる。例えば、サンプルが経時的な変化（例えば含水量の変化など）を伴う場合、この影響を抑制した検査が可能となる。

次に、テラヘルツ波の時間波形を取得する際の第１の遅延部７０４と第２の遅延部７０９の制御方法について、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、観測位置ｔ１で取得した図９（ｂ）は、複数の観測位置ｔ１、ｔ２、ｔ３を、第２の遅延部７０９によって定める。そして、各観測位置について、第１の遅延部７０４でテラヘルツ波が第２キャリア発生層７１８に到達する時間を調整する。

図９のテラヘルツ波の時間波形は、本実施形態の伝送線路型遅延器に入力する波形を示している。第２の遅延部７０９は、複数の観測位置ｔ１、ｔ２、ｔ３を順次選択する。第１の遅延部７０４は、各観測位置について、テラヘルツ波が第２キャリア発生層７１８に到達する時間を調整し、演算処理部でテラヘルツ波の時間波形を構築する。

ここで、第１の遅延部７０４は、樹脂部材７１３とアクチュエータ７１４で構成され、テラヘルツ波が第２キャリア発生層に到達する時間を、１ピコ秒の範囲で調整できるとする。

第２の遅延部７０９の観測位置を、１ピコ秒（図９（ａ）のｔ１）となるように調整する。この状態で、第１の遅延部７０４は、第１電極７１０との距離を調整し、演算処理部では、０ピコ秒から観測位置ｔ１までテラヘルツ波の時間波形の取得を行う。その後、第２の遅延部７０９は、観測位置を２ピコ秒（図９（ｂ）のｔ２）に調整する。この状態で、再び第１の遅延部７０４は、第１電極７１０との距離を調整し、演算処理部では、ｔ１からｔ２までのテラヘルツ波の時間波形の取得を行う。さらに、観測位置３ピコ秒（図９（ｃ）のｔ３）について、テラヘルツ波検出装置は、同様の動作を行う。このような動作を、予め設定した複数の観測位置について、順次行いテラヘルツ波の時間波形を取得する。演算処理部で取得するテラヘルツ波の時間波形は、観測位置を始点（０秒）として、第１の遅延部７０４により調整量分の時間波形を取得するものである（図５の（Ａ）の波形を参照）。そのため、各観測位置の時間波形の始点は同じになる。そこで、演算処理部は、各観測位置を参照し、連続したテラヘルツ波の時間波形を構築する。補正部は、これらの観測位置の組み合わせに対応する補正用のテーブルが予め用意されている。本実施例では、伝送線路型遅延器がテラヘルツ波に与える影響を抑制するため、演算処理部は、テラヘルツ波の時間波形の構築に使用した観測位置の組み合わせを基に補正部から補正用のテーブルを選択する。上述したように、演算処理部は、このテーブルの補正値を用いて、取得したテラヘルツ波の時間波形を再構築する。

このような構成によって、本実施例のテラヘルツ波検出装置及びこれを用いた検査装置は、伝送線路型遅延器の調整量が小さくても、長時間のテラヘルツ波の時間波形を取得することが可能となる。

（実施例２：電気的な手段を用いて屈折率を変化）
実施例２について、図１０を用いて説明する。

図１０は、本実施例の波形情報取得装置を説明するための構成図である。本実施例は、本発明のテラヘルツ波検出装置に関する一形態を示したものである。具体的には、上述した伝送線路型遅延器の変形例を示したものである。

上記実施例では、伝播部の屈折率分布を、第１の遅延部を用いて機械的に調整していた。しかし、本実施例では、伝播部の屈折率分布の調整を電気的に行う点が、他の実施例とは異なる。

本実施例では、第１の遅延部として、液晶部材１０１３を用いている。液晶部材１０１３は、メトキシベンジリデンブチルアニリン（ＭＢＢＡ）を用いる。液晶部材１０１３は、ＭＢＢＡとこれを保持するセル、及び液晶の配向を調整するための電極で構成する。液晶部材１０１３は第１電極１０１０に接触して配置されている。遅延調整部１００５は、液晶部材１０１３を構成する電極を介して、液晶部材１０１３の配向を調整するための制御部である。液晶部材１０１３の配向を調整することにより、屈折率を調整することができる。なお、液晶部材１０１３の材料は、他の液晶材料を用いることができる。また、液晶材料に限らず、電気的に屈折率が変化できる材料であればよい。例えば、コロイド溶液中のコロイドの分散を調整する形態でもよい。

本実施例のテラヘルツ波検出装置及びこれを用いた検査装置は、伝送線路型遅延器の特性を電気的に調整できるので、より制御速度の改善が期待できる。

また、本実施例の変形例として、伝播部の屈折率分布を電気的に調整する手段は、第１電極１０１０に接触させなくても良い。さらに、本実施例の変形例として、伝播部の屈折率分布を電気的に調整する手段と第１電極１０１０との距離が可変になるような構成にしても良い。

このような構成にすることにより、伝送線路型遅延器の特性の調整し得るパラメータを増やすことができる。その結果、本実施例の波形情報取得装置及びこれを用いた検査装置における、上記調整の自由度を向上することができる。

（実施例３：結合部）
実施例３について、図１１を用いて説明する。

図１１は、伝播部にテラヘルツ波を結合するための結合部を備えた波形情報取得装置を説明するための模式図である。本実施例は、本発明のテラヘルツ波検出装置に関する一形態を示したものである。具体的には、上述した伝送線路型遅延器とそれを用いた装置の変形例を示したものである。

上記実施例では、伝送線路型遅延器に発生部と検出部が一体に形成されていたが、本実施例では、これらの要素が分離されている。

図１１（ａ）は、本実施例の伝送線路型遅延器の概略構成図である。伝播部１１０２に結合部１１２２が接続されている。また、第１の遅延部１１０４が伝播部１１０２の垂直方向上側に配置されている。第１の遅延部１１０４により、伝播部１１０２の屈折率分布を調整することができる。ここで、第１遅延部１１０４として、実施例１で述べた構成を適用しているが、他の実施例で述べた構成も適用可能である。

結合部１１２２は、空間を伝播するテラヘルツ波を伝送線路型遅延器に結合させる部分である。また、伝送線路型遅延器を伝播するテラヘルツ波を空間に結合させる部分でもある。結合部１１２２として、ポリオレフィン系の材料で構成されるシリンドリカルレンズを用いている。ただし、材料はこれに限らず、例えば、ＳＩ−Ｓｉなどの半導体材料も適用可能である。好ましくは、結合部１１２２と伝播部１１０２の接続界面において、不要な反射を避けるため、結合部１１２２の屈折率と、伝播部１１０２を構成する誘電体１１１１の屈折率差が小さい材料を選択することが望まれる。

ここで、結合部１１２２の形状もシリンドリカルレンズに限るものではなく、半球レンズも適用可能である。また、第１電極１１１０上に、外部の電磁界と結合するための回折パターンを刻み、これを結合部１１２２とすることもできる。さらに、アンテナを伝播部１１０２に接続してもよい。

図１１（ｂ）は、このような伝送線路型遅延器をテラヘルツ波検出装置に適用する時の、システム構成図の一例を示したものである。レーザ部１１０８から入射されるポンプ光によりテラヘルツ波を発生するための発生部として、光伝導素子１８０１を用いる。また、検出部として光伝導素子１８０３を用いる。光伝導素子１８０１は、半導体薄膜上に、アンテナパターンを形成した素子である。半導体薄膜は、表面部分にＬＴ−ＧａＡｓが成長されたＳＩ−ＧａＡｓ基板を用いる。そして、ＴｉとＡｕを、それぞれ５００Å、３０００Å積層した導体からなる中心に５μｍの間隙を有するダイポールアンテナ（アンテナ長３０μｍ、導体幅１０μｍ）をＬＴ−ＧａＡｓ上に形成する。また、上記実施例と同じように、上記間隙にバイアスを印加するためのバイアス印加部（不図示）を有している。テラヘルツ波を発生する場合は、例えば、この間隙にバイアス印加部によって１０Ｖのバイアスを印加した状態で、ポンプ光を間隙に照射する。この結果、半値幅２００フェムト秒程度のパルス状のテラヘルツ波が発生する。

なお、アンテナ形状はこれに限定されない。例えば、広帯域アンテナとして一般的なボウタイアンテナやスパイラルアンテナを用いてもよい。また、半導体薄膜もこれに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓなどの半導体材料を用いてもよい。

また、発生部は、光伝導素子１８０１に限るものではない。例えば、発生部１０１として、半導体材料そのものを用いてもよい。例えば、鏡面研磨したＧａＡｓ表面にポンプ光を照射し、この時発生する瞬時電流の時間変化によってテラヘルツ波を発生する。さらに、ＤＡＳＴ（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ Ｔｏｓｙｌａｔｅ）結晶などの有機結晶を用いてもよい。

光伝導素子１８０３は、レーザ部１１０８から入射されるプローブ光によって、テラヘルツ波を検出する部分である。光伝導素子１８０３は、光伝導素子１８０１と同様の半導体薄膜上にアンテナパターンを形成した素子である。また、上記実施例と同じように、光伝導素子１８０３は、テラヘルツ波の電場強度に応じた瞬間電流を検出するための電流電圧変換部（不図示）を有している。また、検出部の構成は光伝導素子１８０３に限るものではない。例えば、検出部として、ボロメータのような熱型検出器やＤＬＡＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ Ｌ−Ａｌａｎｉｎｅ Ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ Ｓｕｌｐｈａｔｅ）のような焦電型検出素子を用いることもできる。さらに、検出部としてＤＡＳＴ結晶を用いて電気光学効果の１つであるポッケルス効果を利用した構成も可能である。

なお、レーザ部１１０８の構成は、実施例１で述べたように、照射対象の応じて適宜選択される。

本実施例では、結合部を用いることにより、テラヘルツ波を伝送線路型遅延器に結合させる構成である。このような構成にすることにより、本実施例のテラヘルツ波検出装置及びこれを用いた検査装置は、装置の設計自由度を向上することが可能となる。

また、本実施例の変形例として、発生部または検出部のいずれかが伝送線路型遅延器と一体化され、結合部を介して外部と結合する態様が考えられる。

図１２（ａ）は、本実施例の伝送線路型遅延器の概略構成図である。伝播部に上述した発生部が一体化されている。そして、第１電極１２１０に結合部１２２２が接続されている。結合部１２２２は、基準電極１２１２を接地導体とする球状のアンテナ構造である。結合部１２２２は、直径１００μｍのシリコン球にＡｕでコーティングしたものである。第１電極１２１０と結合部１２２２は熱圧着によって固定化する。本実施例のアンテナ構造は、およそ１ＴＨｚ付近に感度を有する広帯域なアンテナである。尚、上記実施例でも述べたように、結合部１２２２の構成はこれに限らない。

図１２（ｂ）は、この伝送線路型遅延器をテラヘルツ波検出装置に適用する時の、システム構成図の一例を示したものである。発生部と一体化した伝送線路型遅延器から発生したテラヘルツ波は、空間に設けられた光伝導素子１２０３によって検出される。

なお、本実施例では、伝送線路型遅延器に発生部が一体化された構成を示したが、検出部が一体化されている構成も可能である。また、本実施例では、検出部として光伝導素子１２０３を用いているが、上記実施例でも述べたように、他の態様も適用可能である。

本実施例のテラヘルツ波検出装置及びこれを用いた検査装置は、伝送線路型遅延器に発生部または検出部を一体化する構成であるので、光学的な調整要素が少なくなり、取り扱いが容易となる。

（その他の実施例）
誘電体や基準電極の構成によっては、伝播部の屈折率分布を調整する形態は図１３や図１４の構成でも良い。

図１３が示す模式図は、伝播部１３０２がマイクロストリップ線路型である。誘電体１３１１の一部に上記第１の遅延部１３０４を挿入する形態である。また、図１４が示す模式図は、伝播部１４０２がストリップ線路型である。基準電極１４１２と第１の遅延部１４０４の配置関係によって、屈折率分布を調整する形態である。

伝播部を伝播するテラヘルツ波の電磁界分布を調整できる箇所であれば、第１の遅延部の位置関係は問わない。

ここで、これまでの実施例で述べた構成や思想を適宜組み合わせたテラヘルツ波検出装置を提供する。また、本発明の思想を逸脱しない範囲であれば、他の装置構成を排除するものではない。

（実施例４：プリズム）
実施例４について、図１５を用いて説明する。

テラヘルツ波を発生する発生側光伝導アンテナ素子１８０２はＬＴ−ＧａＡｓ上にダイポールアンテナ（不図示）が形成されたものである。ポンプ光１８０１が発生側光伝導アンテナ１８０２の前記ダイポールアンテナの所定の位置に照射され、テラヘルツ波が発生する。発生側光伝導アンテナ素子１８０２から発生したテラヘルツ波は、放物面鏡１８０３にてコリメートされ、放物面鏡１８０５を経て検出側光伝導アンテナ素子１８０６に入射する。テラヘルツ波が検出側光伝導アンテナ素子１８０６に入射するのと同時にプローブ光１８０７が入射することで、テラヘルツ波を検出する。

ここで、テラヘルツ波の行路中に誘電体（例えばポリエチレン）プリズムペア１８０４ａ、１８０４ｂを挿入する。前記プリズムペアは、図１５（ａ）のように光軸に垂直な面と、斜めの面を有する。斜めの面は、プリズムペア１８０４ａ、１８０４ｂで互いに平行であることが好ましい。平行な面同士は、図１５（ａ）では離れて描かれているが、密着していても良い。

テラヘルツ波に対して、プリズムペア１８０４ａ、１８０４ｂは平行な誘電体板として振舞う。プリズムペアを図１５（ａ）の矢印の方向へ移動させると、テラヘルツ波に対する誘電体板の実質的な厚さが変化する（厚くなる）。

プリズムペア１８０４ａ、１８０４ｂのテラヘルツ波に対する実質的厚さが厚くなることで、テラヘルツ波の光路長が長くなり、テラヘルツ波とポンプ光１８０７が検出側光伝導アンテナ素子１８０６に到達するタイミングがずれ、これを利用してテラヘルツ波の時間波形を得ることができる。

例えば図１５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、頂角１５°、テラヘルツ波と垂直な面の長さが１００ｍｍのポリエチレンプリズムペアを用いるとする。テラヘルツ波は直径５０ｍｍのコリメートされたビームでプリズムペアを透過するとする。図１５（ｂ）のようにプリズムペアの頂点が互いの中心付近に有る時、テラヘルツ波にとって厚さ１３．４ｍｍの平行平板ポリエチレン板として振舞う。

図１５（ｃ）のように、プリズムペアを重ねると、テラヘルツ波にとって厚さ１６．８ｍｍの平行平板ポリエチレン板として振舞う。ポリエチレンのテラヘルツ波に対する屈折率を約１．５とすると、約２０ｍｍの光路長変化が得られる。これは、時間にして約６６ｐｓの時間遅延となる。すなわち、６６ｐｓの時間領域でテラヘルツ波の時間波形を取得することができる。

本実施例の方法では、テラヘルツ波の発生・検出に関わる箇所を動かさないため、より振動等に対して堅牢であると言う特徴も有する。

第１の実施形態に係る波形情報取得装置を説明するための模式図 第２の実施形態に係る波形情報取得装置を説明するための模式図 第２の実施形態の一形態に係る波形情報取得装置を説明するための模式図 第１の遅延部を調整した時に伝播部を伝播するテラヘルツ波の変化を説明するためのグラフ 演算処理部で構築されるテラヘルツ波の時間波形を説明するためのグラフ 補正部の動作を説明するためのグラフ 実施例１における波形情報取得装置を説明するための模式図 実施例１におけるテラヘルツ波の波形情報の解析結果 実施例１におけるテラヘルツ波の波形情報の解析結果 実施例２における波形情報取得装置を説明するための模式図 実施例３を説明するための模式図 実施例３の変形例を説明するための模式図 その他の実施例を説明するための模式図 その他の実施例を説明するための模式図 実施例４におけるテラヘルツ波光路長変化を説明するための模式図

符号の説明

１０１、１１１ 発生部
１０２ 伝播部
１０３、１１３ 検出部
１０４、１１４ 第１遅延部
１０５、１１５ 制御部
１２０ テラヘルツ波
２０６ 補正部

Claims (14)

1. テラヘルツ波の時間波形に関する情報を取得するための波形情報取得装置であって、
   テラヘルツ波を発生させるための発生部と、
   テラヘルツ波の波形情報を検出するための検出部と、
   テラヘルツ波が前記発生部で発生してから該テラヘルツ波の波形情報として該テラヘルツ波が前記検出部で検出されるまでの該テラヘルツ波の伝播時間を変えるための第１の遅延部と、を有し、
   前記第１の遅延部は、前記発生部により発生したテラヘルツ波の伝播速度を変えるように構成され、
   前記発生部により発生したテラヘルツ波ごとに、前記検出部で検出されたテラヘルツ波の波形情報と前記伝播速度とを関連付けることを特徴とする波形情報取得装置。
2. 前記第１の遅延部は、前記発生部により発生したテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を変えるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の波形情報取得装置。
3. 前記第１の遅延部は、前記発生部により発生したテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率とは異なる屈折率を有する部材を含み構成され、
   前記部材と前記領域との相対位置を変える、あるいは前記部材が前記領域を占有する割合を変えるように構成されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の波形情報取得装置。
4. 前記発生部から発生したテラヘルツ波を伝播させるための伝播部と、
   前記伝播部を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を変化させるために、前記第１の遅延部を制御するための制御部と、を有し、
   前記第１の遅延部は、前記発生部により発生したテラヘルツ波の前記伝播部における伝播速度を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波形情報取得装置。
5. 前記制御部は、前記伝播部を伝播するテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を制御することにより、前記伝播部を伝播するテラヘルツ波の伝播速度を制御することを特徴とする請求項４に記載の波形情報取得装置。
6. 前記制御部は、前記伝播部と前記第１の遅延部との距離を調整することにより、前記伝播部を伝播するテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を制御することを特徴とする請求項５に記載の波形情報取得装置。
7. 前記制御部は、電気的な手段を用いて前記第１の遅延部を調整することにより、前記伝播部を伝播するテラヘルツ波が伝播する領域の屈折率を制御することを特徴とする請求項４に記載の波形情報取得装置。
8. 前記検出部で検出されるテラヘルツ波の時間波形に関する情報を、前記伝播部におけるテラヘルツ波の伝播速度を変化させる前の時間波形の形状となるように補正するための処理部と、を有することを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の波形情報取得装置。
9. 前記検出部によりテラヘルツ波を検出するためのトリガ信号を出すトリガ部と、
   前記トリガ信号が出る位置と前記検出部のテラヘルツ波を検出する位置との距離を調整するための第２の遅延部と、を有し、
   前記処理部は、前記第２の遅延部及び前記第１の遅延部により検出されたテラヘルツ波の時間波形から用意された補正値を用いて、テラヘルツ波の時間波形を補正することを特徴とする請求項８に記載の波形情報取得装置。
10. 前記トリガ信号が前記発生部への光照射であり、前記発生部或いは前記検出部が光照射によりキャリアを発生するキャリア発生層を含み構成され、前記キャリアに電界を印加することによりテラヘルツ波を発生或いは検出することを特徴とする請求項９に記載の波形情報取得装置。
11. 前記キャリアに電界を印加する第１電極と、
    前記電界の基準となる電位を規定する基準電極と、
    前記伝播部が、前記キャリア発生層と前記第１電極と前記基準電極とを含み構成され、且つ、前記キャリアから発生するテラヘルツ波が伝播する伝送線路であることを特徴とする請求項１０に記載の波形情報取得装置。
12. テラヘルツ波を伝播させる工程と、
    第１の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程と、
    前記テラヘルツ波の伝播速度を第２の伝播速度に変化させることで、該テラヘルツ波が発生してから該テラヘルツ波の波形情報として該テラヘルツ波が検出されるまでの該テラヘルツ波の伝播時間を変える工程と、
    前記第２の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報を取得する工程と、
    前記第１の伝播速度及び前記第２の伝播速度で伝播したテラヘルツ波の波形情報から取得される時間波形に関する情報を取得する工程と、
    を有することを特徴とする波形情報取得方法。
13. 前記時間波形に関する情報を、前記テラヘルツ波の伝播速度を変化させる前の時間波形の形状となるように補正する工程と、を有することを特徴とする請求項１２に記載の波形情報取得方法。
14. テラヘルツ波を発生し、前記発生したテラヘルツ波を伝播させ、前記伝播したテラヘルツ波に関する情報を検出し、前記検出したテラヘルツ波に関する情報からテラヘルツ波の時間波形を構築するテラヘルツ時間領域分光方法において、
    前記時間波形を得るために、テラヘルツ波の伝播速度を変えることで、該テラヘルツ波が発生してから該テラヘルツ波の波形情報として該テラヘルツ波が検出されるまでの該テラヘルツ波の伝播時間を変えることを特徴とするテラヘルツ時間領域分光方法。

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