JP6538191B2 - 計測装置、計測方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波を用いて試料の屈折率を計測する計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの技術分野に関する。

試料の屈折率を計測するための計測装置として、テラヘルツ波を用いた計測装置が知られている。例えば、特許文献１には、試料と接している透過部材を介してテラヘルツ波を試料に照射すると共に、透過部材で反射したテラヘルツ波の時間波形及び試料で反射したテラヘルツ波の時間波形に基づいて試料の屈折率を取得する情報取得装置が記載されている。例えば、特許文献２には、反射部材と板状部材との間に配置された検体に対して板状部材を介してテラヘルツ波を照射すると共に、板状部材と検体との界面で反射したテラヘルツ波の時間波形及び検体と反射部材との界面で反射したテラヘルツ波の時間波形に基づいて検体の屈折率を取得する情報取得装置が記載されている。

特開２０１４−２０９０９４号公報 特開２０１５−８３９６４号公報

特許文献１及び２に記載された情報取得装置では、屈折率を計測するためには、試料（言い換えれば、検体）に対して特殊な部材（具体的には、透過部材、又は、板状部材及び反射部材）を密着させる必要がある。しかしながら、何らかの要因によって、特殊な部材を試料に密着させることができない可能性が出てくる。この場合、特許文献１及び２に記載された情報取得装置が試料の屈折率を計測することができないという技術的問題点が生ずる。

本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、試料の屈折率を計測するために試料に何らかの特殊な部材を接触させなくてもよい計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

本発明の計測装置の第１の例は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度の夫々毎に取得する取得手段と、前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段とを備える。

本発明の計測方法の第１の例は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度の夫々毎に取得する取得工程と、前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出工程とを備える。

本発明のコンピュータプログラムの第１の例は、コンピュータに上述した本発明の計測方法の第１の例を実行させる。

図１は、本実施例のテラヘルツ波計測装置の構成を示すブロック図である。 図２は、テラヘルツ波計測装置が行う屈折率及び厚さを計測する計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。 図３は、照射角度の変更動作の一例を示す平面図である。 図４は、試料に照射されるテラヘルツ波の光路及び試料によって反射されたテラヘルツ波の光路を示す試料の断面図である。 図５は、テラヘルツ波検出素子が検出したテラヘルツ波の波形信号を示すグラフである。 図６は、試料に照射されるテラヘルツ波の光路及び試料によって反射されたテラヘルツ波の光路を示す試料の断面図である。

以下、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの実施形態について説明を進める。

（計測装置の実施形態）
＜１＞
本実施形態の計測装置は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度毎に取得する取得手段と、前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段とを備える。

本実施形態の計測装置によれば、後に具体的な数式を用いて詳述するように、試料に何らかの特殊な部材を接触させることなく、複数の照射角度に対応する複数の透過時間及び複数の照射角度に基づいて、試料の屈折率を好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。

＜２＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記取得手段は、前記照射角度が第１角度となる場合の前記透過時間、並びに、前記照射角度が前記第１角度とは異なる第２角度となる場合の前記透過時間を取得する。

この態様によれば、計測装置は、２つの照射角度に夫々対応する２つの透過時間を取得すれば、試料の屈折率を好適に計測することができる。つまり、計測装置は、試料の屈折率を計測するために、３つ以上の照射角度に夫々対応する３つ以上の透過時間を取得しなくてもよい。

＜３＞
上述の如く照射角度が第１角度となる場合の透過時間及び照射角度が第２角度となる場合の透過時間を取得する計測装置の他の態様では、前記第１角度をθ_１と定義し、前記第２角度をθ_２と定義し、前記照射角度が前記第１角度となる場合の前記透過時間をΔｔ_１と定義し、前記照射角度が前記第２角度となる場合の前記透過時間をΔｔ_２と定義し、変数ａを数式１で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記算出手段は、数式２に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、計測装置は、数式１及び２に基づく演算を行うことで、透過時間及び照射角度に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜４＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記取得手段は、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記複数の照射角度毎に取得し、前記透過時間は、前記第２時間と前記第１時間との差分である。

この態様によれば、計測装置は、第１及び第２時間（或いは、第１及び第２時間から算出可能な透過時間）並びに照射角度に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜５＞
上述の如く第１及び第２時間を算出する計測装置の他の態様では、前記表面に向けて前記テラヘルツ波を照射する照射手段と、前記試料によって反射された前記テラヘルツ波を検出する検出手段とを更に備え、前記所定位置は、前記検出手段が設置されている位置であり、前記第１時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記表面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間であり、前記第２時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記裏面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間である。

この態様によれば、計測装置は、照射手段及び検出手段を用いて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜６＞
上述の如く第１及び第２時間を算出する計測装置の他の態様では、前記取得手段は、前記照射角度が第１角度となる場合の前記第１及び第２時間、並びに、前記照射角度が前記第１角度とは異なる第２角度となる場合の前記第１及び第２時間を取得し、前記第１角度をθ_１と定義し、前記第２角度をθ_２と定義し、前記照射角度が前記第１角度となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ１及びｔ_ｂ１と定義し、前記照射角度が前記第２角度となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ２及びｔ_ｂ２と定義し、変数ａを数式３で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記算出手段は、数式４に基づいて、前記屈折率を算出する。

この態様によれば、計測装置は、数式３及び４に基づく演算を行うことで、第１及び第２時間（或いは、第１及び第２時間から算出可能な透過時間）並びに照射角度に基づいて、試料の屈折率を好適に計測することができる。

＜７＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記照射角度を変更する変更手段を更に備える。

この態様によれば、計測装置は、角度が互いに異なる複数の照射角度の夫々毎の透過時間を好適に取得することができる。

＜８＞
本実施形態の計測装置の他の態様では、前記算出手段は更に、算出した前記屈折率に基づいて、前記表面と前記裏面との間の物理的な距離である前記試料の厚さを算出する。

この態様によれば、計測装置は、屈折率に加えて、試料の厚さを計測する（つまり、算出する）ことができる。

（計測方法の実施形態）
＜９＞
本実施形態の計測方法は、試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度毎に取得する取得工程と、前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出工程とを備える。

本実施形態の計測装置によれば、上述した本実施形態の計測装置が享受することが可能な効果と同様の効果を好適に享受することができる。

尚、本実施形態の計測装置が採用する各種態様に対応して、本実施形態の計測方法も、各種態様を採用してもよい。

（コンピュータプログラムの実施形態）
＜１０＞
本実施形態のコンピュータプログラムは、コンピュータに上述した本実施形態の計測方法を実行させる。

本実施形態のコンピュータプログラムによれば、上述した本実施形態の計測装置が享受する効果と同様の効果を好適に享受することができる。

尚、本実施形態の計測装置が採用する各種態様に対応して、本実施形態のコンピュータプログラムも、各種態様を採用してもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。

本実施形態の計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。

以上説明したように、本実施形態の計測装置は、取得手段と、算出手段とを備える。本実施形態の計測方法は、取得工程と、算出工程とを備える。本実施形態のコンピュータプログラムは、コンピュータに上述した本実施形態の計測方法を実行させる。従って、試料に何らかの特殊な部材を接触させない場合であっても、試料の屈折率が計測される。

以下、図面を参照しながら、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムの実施例について説明する。特に、以下では、計測装置、計測方法及びコンピュータプログラムが、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射することで当該試料１０の屈折率ｎを計測するテラヘルツ波計測装置１００に適用された例を用いて説明を進める。

（１）テラヘルツ波計測装置１００の構成
初めに、図１を参照しながら、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００の構成について説明する。図１は、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、テラヘルツ波計測装置１００は、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射すると共に、試料１０が反射したテラヘルツ波ＴＨｚ（つまり、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚ）を検出する。

テラヘルツ波ＴＨｚは、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）前後の周波数領域（つまり、テラヘルツ領域）に属する電磁波成分を含む電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電磁波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。テラヘルツ領域は、様々な物質が固有の吸収スペクトルを有する周波数領域である。従って、テラヘルツ波計測装置１００は、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚを解析することで、試料１０の特性を計測することができる。本実施例では、テラヘルツ波計測装置１００は、試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚを解析することで、試料１０の特性の一例である試料１０の屈折率ｎを計測することができる。

ここで、テラヘルツ波ＴＨｚの周期は、サブピコ秒のオーダーの周期であるがゆえに、当該テラヘルツ波ＴＨｚの波形を直接的に検出することが技術的に困難である。そこで、テラヘルツ波計測装置１００は、時間遅延走査に基づくポンプ・プローブ法を採用することで、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出する。以下、このようなポンプ・プローブ法を採用するテラヘルツ波計測装置１００についてより具体的に説明を進める。

図１に示すように、テラヘルツ波計測装置１００は、パルスレーザ装置１０１と、「照射手段」の一具体例であるテラヘルツ波発生素子１１０と、ビームスプリッタ１６１と、反射鏡１６２と、反射鏡１６３と、ハーフミラー１６４と、光学遅延機構１２０と、「検出手段」の一具体例であるテラヘルツ波検出素子１３０と、バイアス電圧生成部１４１と、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）変換部１４２と、制御部１５０とを備えている。

パルスレーザ装置１０１は、当該パルスレーザ装置１０１に入力される駆動電流に応じた光強度を有するサブピコ秒オーダー又はフェムト秒オーダーのパルスレーザ光ＬＢを生成する。パルスレーザ装置１０１が生成したパルスレーザ光ＬＢは、不図示の導光路（例えば、光ファイバ等）を介して、ビームスプリッタ１６１に入射する。

ビームスプリッタ１６１は、パルスレーザ光ＬＢを、ポンプ光ＬＢ１とプローブ光ＬＢ２とに分岐する。ポンプ光ＬＢ１は、不図示の導光路を介して、テラヘルツ波発生素子１１０に入射する。一方で、プローブ光ＬＢ２は、不図示の導光路及び反射鏡１６２を介して、光学遅延機構１２０に入射する。その後、光学遅延機構１２０から出射したプローブ光ＬＢ２は、反射鏡１６３及び不図示の導光路を介して、テラヘルツ波検出素子１３０に入射する。

テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを出射する。具体的には、テラヘルツ波発生素子１１０は、ギャップを介して互いに対向する一対の電極層を備えている。ギャップには、一対の電極層を介して、バイアス電圧生成部１４１が生成したバイアス電圧が印加されている。有効なバイアス電圧（例えば、０Ｖでないバイアス電圧）がギャップに印加されている状態でポンプ光ＬＢ１がギャップに照射されると、ギャップの下側に形成されている光伝導層にもまたポンプ光ＬＢ１が照射される。この場合、ポンプ光ＬＢ１が照射された光伝導層には、ポンプ光ＬＢ１による光励起によってキャリアが発生する。その結果、テラヘルツ波発生素子１１０には、発生したキャリアに応じたサブピコ秒オーダーの又はフェムト秒オーダーのパルス状の電流信号が発生する。発生した電流信号は、一対の電極層に流れる。その結果、テラヘルツ波発生素子１１０は、当該パルス状の電流信号に起因したテラヘルツ波ＴＨｚを出射する。

テラヘルツ波発生素子１１０から出射したテラヘルツ波ＴＨｚは、ハーフミラー１６４を透過する。その結果、ハーフミラー１６４を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０（特に、試料１０の表面１０ａ）に照射される。試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０によって（特に、試料の表面１０ａ及び裏面１０ｂの夫々によって）反射される。試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、ハーフミラー１６４によって反射される。ハーフミラー１６４によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、テラヘルツ波検出素子１３０に入射する。

テラヘルツ波検出素子１３０は、テラヘルツ波検出素子１３０に入射するテラヘルツ波ＴＨｚを検出する。具体的には、テラヘルツ波検出素子１３０は、ギャップを介して互いに対向する一対の電極層を備えている。ギャップにプローブ光ＬＢ２が照射されると、ギャップの下側に形成されている光伝導層にもまたプローブ光ＬＢ２が照射される。この場合、プローブ光ＬＢ２が照射された光伝導層には、プローブ光ＬＢ２による光励起によってキャリアが発生する。その結果、キャリアに応じた電流信号が、テラヘルツ波検出素子１３０が備える一対の電極層に流れる。プローブ光ＬＢ２がギャップに照射されている状態でテラヘルツ波検出素子１３０にテラヘルツ波ＴＨｚが照射されると、一対の電極層に流れる電流信号の信号強度は、テラヘルツ波ＴＨｚの光強度に応じて変化する。テラヘルツ波ＴＨｚの光強度に応じて信号強度が変化する電流信号は、一対の電極層を介して、Ｉ−Ｖ変換部１４２に出力される。

光学遅延機構１２０は、ポンプ光ＬＢ１の光路長とプローブ光ＬＢ２の光路長との間の差分（つまり、光路長差）を調整する。具体的には、光学遅延機構１２０は、プローブ光ＬＢ２の光路長を調整することで、光路長差を調整する。光路長差が調整されると、ポンプ光ＬＢ１がテラヘルツ波発生素子１１０に入射するタイミング（或いは、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚを出射するタイミング）と、プローブ光ＬＢ２がテラヘルツ波検出素子１３０に入射するタイミング（或いは、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミング）との時間差が調整される。テラヘルツ波計測装置１００は、この時間差を調整することで、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出する。例えば、光学遅延機構１２０によってプローブ光ＬＢ２の光路が０．３ミリメートル（但し、空気中での光路長）だけ長くなると、プローブ光ＬＢ２がテラヘルツ波検出素子１３０に入射するタイミングが１ピコ秒だけ遅くなる。この場合、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミングが、１ピコ秒だけ遅くなる。テラヘルツ波検出素子１３０に対して同一の波形を有するテラヘルツ波ＴＨｚが数十ＭＨｚ程度の間隔で繰り返し入射することを考慮すれば、テラヘルツ波検出素子１３０がテラヘルツ波ＴＨｚを検出するタイミングを徐々にずらすことで、テラヘルツ波検出素子１３０は、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を間接的に検出することができる。つまり、後述するロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０の検出結果に基づいて、テラヘルツ波ＴＨｚの波形を検出することができる。

テラヘルツ波検出素子１３０から出力される電流信号は、Ｉ−Ｖ変換部１４２によって、電圧信号に変換される。

制御部１５０は、テラヘルツ波計測装置１００の全体の動作を制御するための制御動作を行う。制御部１５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ））と、メモリとを備える。メモリには、制御部１５０に制御動作を行わせるためのコンピュータプログラムが記録されている。当該コンピュータプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＣＰＵの内部には、制御動作を行うための論理的な処理ブロックが形成される。但し、メモリにコンピュータプログラムが記録されていなくてもよい。この場合、ＣＰＵは、ネットワークを介してダウンロードしたコンピュータプログラムを実行してもよい。

制御部１５０は、制御動作の一例として、テラヘルツ波検出素子１３０の検出結果（つまり、Ｉ−Ｖ変換部１４２が出力する電圧信号）に基づいて、試料１０の特性を計測する計測動作を行う。計測動作を行うために、制御部１５０は、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、ロックイン検出部１５１と、信号処理部１５２とを備えている。

ロックイン検出部１５１は、Ｉ−Ｖ変換部１４２から出力される電圧信号に対して、バイアス電圧生成部１４１が生成するバイアス電圧を参照信号とする同期検波を行う。その結果、ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波ＴＨｚのサンプル値を検出する。その後、ポンプ光ＬＢ１の光路長とプローブ光ＬＢ２の光路長との間の差分（つまり、光路長差）を適宜調整しながら同様の動作が繰り返されることで、ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形（時間波形）を検出することができる。ロックイン検出部１５１は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号を、信号処理部１５２に対して出力する。つまりロックイン検出部１５１は、Ｉ−Ｖ変換部１４２から出力される電圧信号（つまり、テラヘルツ波ＴＨｚの検出信号）から参照信号とは異なる周波数のノイズ成分を除去する。即ちロック印検出部１５１は、検出信号と参照信号とを用いて同期検波をすることによって、時間波形信号を相対的に高い感度で且つ相対的に高精度に検波する。尚、テラヘルツ波計測装置１００がロックイン検出を用いない場合は、テラヘルツ波発生素子１１０には、バイアス電圧として直流電圧が印加されればよい。

信号処理部１５２は、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の特性を計測する。例えば、信号処理部１５２は、テラヘルツ時間領域分光法を用いてテラヘルツ波ＴＨｚの周波数スペクトルを取得すると共に、当該周波数スペクトルに基づいて試料１０の特性を計測する。

本実施例では特に、信号処理部１５２は、制御動作の一例として、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の屈折率ｎを計測する計測動作を行う。更に、信号処理部１５２は、制御動作の一例として、ロックイン検出部１５１から出力される波形信号に基づいて、試料１０の厚さｄ（つまり、試料１０に対してテラヘルツ波ＴＨｚが入射する方向に沿った厚さｄ）を計測する計測動作を行う。尚、ここでいう厚さｄは、「表面１０ａと裏面１０ｂとの間の物理的な距離」を意味する。計測動作を行うために、信号処理部１５２は、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、「取得手段」の一具体例である検出時間取得部１５２１と、「算出手段」の一具体例である屈折率算出部１５２２と、「算出手段」の一具体例である厚さ算出部１５２３とを備える。尚、検出時間取得部１５２１、屈折率算出部１５２２、厚さ算出部１５２３の動作の具体例については、後に詳述するためここでの説明を省略する。

制御部１５０は更に、ＣＰＵの内部に形成される論理的な処理ブロックとして、照射角度変更部１５３を備える。照射角度変更部１５３は、テラヘルツ波ＴＨｚの試料１０に対する照射角度（典型的には、入射角度）θを変更するように、テラヘルツ波発生素子１１０を制御する。尚、照射角度θが変わると、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの試料１０からの出射角度もまた変わる。従って、照射角度θを変更するようにテラヘルツ波発生素子１１０を制御する照射角度変更部１５３は、照射角度θを変更するようにテラヘルツ波発生素子１１０を制御する場合には、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚをテラヘルツ波検出素子１３０が適切に検出するように、テラヘルツ波検出素子１３０を制御する。

（２）テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作
続いて、図２を参照しながら、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作について説明する。図２は、テラヘルツ波計測装置１００が行う屈折率ｎ及び厚さｄを計測する計測動作の流れの一例を示すフローチャートである。

図２に示すように、照射角度変更部１５３は、照射角度θが、「第１角度」の一具体例である“θ_１”になるように、テラヘルツ波発生素子１１０を制御する（ステップＳ１０１）。更に、照射角度変更部１５３は、照射角度θ_１で照射されるテラヘルツ波ＴＨｚをテラヘルツ検出素子１３０が適切に検出するように、テラヘルツ波検出素子１３０もまた制御する（ステップ１０１）。

ここで、図３を参照しながら、照射角度θの変更動作の一例について説明する。図３は、照射角度θの変更動作の一例を示す平面図である。

図３に示すように、照射角度θを変更するために、テラヘルツ波計測装置１００は、アクチュエータ１７１と、ガイドレール１７２と、アクチュエータ１７３と、ガイドレール１７４とを備えている。

アクチュエータ１７１は、照射角度変更部１５３の制御下で、テラヘルツ波発生素子１１０及び当該テラヘルツ波発生素子１１０から出射したテラヘルツ波ＴＨｚを試料１０の表面に導く光学素子１１１を、ガイドレール１７３に沿って移動させる。テラヘルツ波発生素子１１０及び光学素子１１１が移動すると、照射角度θが変わる。従って、照射角度変更部１５３は、テラヘルツ波発生素子１１０及び光学素子１１１の移動方向及び移動量を制御する（例えば、調整する）ことで、照射角度θを変更する（言い換えれば、調整する）ことができる。

アクチュエータ１７３は、照射角度変更部１５３の制御下で、テラヘルツ波検出素子１３０及び試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを当該テラヘルツ波検出素子１３０に導く光学素子１３１を、ガイドレール１７４に沿って移動させる。照射角度変更部１５３は、テラヘルツ波検出素子１３０及び光学素子１３１の移動方向及び移動量を制御する（例えば、調整する）ことで、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを適切に検出可能な検出位置にテラヘルツ波検出素子１３０を移動させることができる。

例えば、照射角度変更部１５３が照射角度θを“θ_１”から“θ_２（但し、θ_２≠θ_１）”に変更した場合を想定する。この場合、図３に示すように、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの試料１０の表面１０ａに対する出射角度もまた“θ_１”から“θ_２”に変更される。この場合には、照射角度変更部１５３は、テラヘルツ波検出素子１３０を、出射角度θ_１で試料１０から出射するテラヘルツ波ＴＨｚを検出可能な検出位置から、出射角度θ_２で試料１０から出射するテラヘルツ波ＴＨｚを検出可能な検出位置へと移動させる。

尚、図３に示す照射角度θの変更動作は、あくまで一例である。従って、テラヘルツ波計測装置１００は、図３に示す変更動作とは異なる動作で、照射角度θを変更してもよい。

再び図２において、その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、テラヘルツ波ＴＨｚを試料１０の表面１０ａに向けて出射する（ステップＳ１０２）。つまり、テラヘルツ波発生素子１１０は、照射角度θ_１でテラヘルツ波ＴＨｚを試料１０の表面１０ａに照射する（ステップＳ１０２）。

試料１０ａに照射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０によって反射される。ここで、図４を参照しながら、試料１０によるテラヘルツ波ＴＨｚの反射について説明する。図４は、試料１０に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路及び試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの光路を示す試料１０の断面図である。

図４に示すように、照射角度θ_１で試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、試料１０の表面１０ａによって反射される。表面１０ａによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、出射角度θ_１で試料１０から出射するように、試料１０からテラヘルツ波検出素子１３０に伝搬していく。

一方で、照射角度θ_１で試料１０に照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、表面１０ａによって反射されることなく、試料１０の内部を透過していく。その後、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０の裏面１０ｂに到達する。その結果、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、試料１０の裏面１０ｂによって反射される。裏面１０ｂによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、再び試料１０の内部を透過していく。その後、試料１０の内部を透過したテラヘルツ波ＴＨｚは、試料１０の表面１０ａに到達する。その結果、裏面１０ｂによって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの一部は、出射角度θ_１で試料１０から出射するように、試料１０からテラヘルツ波検出素子１３０に伝搬していく。

尚、本実施例において、表面１０ａ及び裏面１０ｂは、試料１０内でのテラヘルツ波ＴＨｚの伝搬方向（図１及び図４で言えば、図面横方向）に沿って対向する試料１０の２つの外面を意味する。この場合、表面１０ａは、２つの外面のうちテラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０に近い一方の外面に相当する。一方で、裏面１０ｂは、２つの外面のうちテラヘルツ波発生素子１１０及びテラヘルツ波検出素子１３０から遠い他方の外面に相当する。

また、試料１０の裏面１０ｂによるテラヘルツ波ＴＨｚの反射を促進するべく、試料１０の裏面１０ｂに接する又は密着するように反射部材が配置されていてもよい。

再び図２において、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、テラヘルツ波検出素子１３０によって検出される（ステップＳ１０２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。

その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を取得する（ステップＳ１０３）。つまり、テラヘルツ波計測装置１００は、照射角度θ_１で照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの検出結果に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を取得する。検出時間取得部１５２１は、照射角度θ_１でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合に取得された第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を、屈折率算出部１５２２に出力する。尚、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１は、夫々、「第１時間」及び「第２時間」の一具体例である。

ここで、図５を参照しながら、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１の取得動作について説明する。図５は、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形信号を示すグラフである。

図５に示すように、波形信号には、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号及び裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号が含まれている。裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過した後にテラヘルツ波検出素子１３０に到達する一方で、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは試料の１０の内部を透過することなくテラヘルツ波検出素子１３０に到達する。このため、裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚよりも時間的に遅れてテラヘルツ波検出素子１３０に到達する。従って、波形信号上でも、裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号は、表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚに相当する波形信号よりも時間的に遅れている。

第１検出時間ｔ_ａ１は、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚの照射を開始してから試料１０の表面１０ａで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波検出素子１３０に到達するまでに要する時間である。一方で、第２検出時間ｔ_ｂ１は、テラヘルツ波発生素子１１０がテラヘルツ波ＴＨｚの照射を開始してから試料１０の裏面１０ｂで反射されたテラヘルツ波ＴＨｚがテラヘルツ波検出素子１３０に到達するまでに要する時間である。検出時間取得部１５２１は、波形信号を解析することで、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１を容易に取得する（言い換えれば、算出する又は特定する）ことができる。

再び図２において、その後、テラヘルツ波計測装置１００は、照射角度θを変更した後に、上述した動作（つまり、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する動作）を再度行う。具体的には、照射角度変更部１５３は、照射角度θが、“θ_１”とは異なり且つ「第２角度」の一具体例である“θ_２”になるように、テラヘルツ波発生素子１１０を制御する（ステップＳ１１１）。更に、照射角度変更部１５３は、照射角度θ_２で照射されるテラヘルツ波ＴＨｚをテラヘルツ検出素子１３０が適切に検出するように、テラヘルツ波検出素子１３０もまた制御する（ステップ１１１）。その後、テラヘルツ波発生素子１１０は、照射角度θ_１でテラヘルツ波ＴＨｚを試料１０の表面１０ａに照射する（ステップＳ１１２）。その後、テラヘルツ波検出素子１３０は、試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚを検出する（ステップＳ１１２）。その結果、テラヘルツ波検出素子１３０が検出したテラヘルツ波ＴＨｚの波形を示す波形信号が、信号処理部１５２に入力される。その後、検出時間取得部１５２１は、信号処理部１５２に入力された波形信号に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する（ステップＳ１１３）。つまり、テラヘルツ波計測装置１００は、照射角度θ_２で照射されたテラヘルツ波ＴＨｚの検出結果に基づいて、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を取得する。検出時間取得部１５２１は、照射角度θ_２でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合に取得された第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２を、屈折率算出部１５２２に出力する。尚、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２は、夫々、「第１時間」及び「第２時間」の一具体例である。

その後、屈折率算出部１５２２は、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２、並びに、照射角度θ_１及びθ_２に基づいて、試料１０の屈折率ｎを算出する（ステップＳ１２１）。具体的には、屈折率算出部１５２２は、数式５を用いて、屈折率ｎを算出する。尚、数式５中の変数ａは、数式６によって定義される。数式６中のΔｔ_１は、照射角度θ_１でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間に相当する。つまり、数式６中のΔｔ_１は、照射角度θ_１でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａから裏面１０ｂを介して再度表面１０ａに到達するために要する時間に相当する。数式６中のΔｔ_２は、照射角度θ_２でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間に相当する。つまり、数式６中のΔｔ_２は、照射角度θ_２でテラヘルツ波ＴＨｚを照射した場合において、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａから裏面１０ｂを介して再度表面１０ａに到達するために要する時間に相当する。尚、Δｔ_１及びΔｔ_２は、夫々、透過時間の一具体例である。

ここで、図６を参照しながら、数式５を用いて屈折率ｎを算出可能な理由について説明する。図６は、試料１０に照射されるテラヘルツ波ＴＨｚの光路及び試料１０によって反射されたテラヘルツ波ＴＨｚの光路を示す試料１０の断面図である。

まず、照射角度θ_１で試料１０の表面１０ａに照射されたテラヘルツ波ＴＨｚは、屈折角θ_１’で試料１０内に進入（伝搬）していく。この場合、試料１０の内部において表面１０ａから裏面１０ｂに至るまでのテラヘルツ波ＴＨｚの光路の物理的な長さｄ１は、ｄ１＝ｄ／ｃｏｓθ_１’である。加えて、試料１０の内部でのテラヘルツ波ＴＨｚの速度ｃ’は、ｃ’＝ｃ／ｎ（但し、ｃは、空気中の光速であるものとする）という数式から算出される。従って、テラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の内部を透過するために要する時間（つまり、Δｔ_１＝ｔ_ａ１−ｔ_ｂ１）は、数式７で示される。

ここで、スネルの法則より、ｎ＝ｓｉｎθ_１／ｓｉｎθ_１’が成立していることは言うまでもない（但し、説明の便宜上、試料１０が空気中に位置しており、且つ、空気の屈折率を１と近似する）。このため、数式７は、数式８に示すように展開できる。照射角度θ_２でテラヘルツ波ＴＨｚが試料１０の表面１０ａに照射される場合においても同様に、数式９が成立する。

数式８と数式９を上述の数式６に代入すると、数式１０が得られる。数式１０をｎについて解くと、上述した数式５が得られる。

再び図２において、その後、厚さ算出部１５２３は、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１（より具体的には、第１検出時間ｔ_ａ１及び第２検出時間ｔ_ｂ１から得られるΔｔ_１）、屈折率ｎ、並びに、照射角度θ_１に基づいて、試料１０の厚さｄを算出する（ステップＳ１２２）。具体的には、厚さ算出部１５２３は、数式８をｄについて解くことで得られる数式１１を用いて、試料１０の厚さｄを算出する。

但し、厚さ算出部１５２３は、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２（より具体的には、第１検出時間ｔ_ａ２及び第２検出時間ｔ_ｂ２から得られるΔｔ_２）、屈折率ｎ、並びに、照射角度θ_２に基づいて、試料１０の厚さｄを算出してもよい（ステップＳ１２２）。具体的には、厚さ算出部１５２３は、数式１１に代えて、数式９をｄについて解くことで得られる数式１２を用いて、試料１０の厚さｄを算出してもよい。

以上説明したように、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、試料１０の屈折率ｎを好適に計測する（つまり、算出する）ことができる。特に、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、異なる複数の照射角度θでテラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射することで、試料１０に何らかの特殊な部材を接触させることなく、屈折率ｎを好適に計測することができる。更に、本実施例のテラヘルツ計測装置１００は、屈折率ｎを好適に計測することができるがゆえに、試料１０の厚さｄもまた好適に計測することができる。

ここで、屈折率ｎを計測することなく試料１０の厚さｄを計測する比較例のテラヘルツ波計測装置の一例として、照射角度θをゼロに設定した上でテラヘルツ波ＴＨｚを試料１０に照射するテラヘルツ波計測装置が想定される。この場合、比較例のテラヘルツ波計測装置は、第１検出時間ｔ_ａ及び第２検出時間ｔ_ｂを取得する。更に、比較例のテラヘルツ波計測装置は、厚さｄ＝ｃ×（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）／２という数式を用いて、試料１０の厚さｄを計測する。しかしながら、上述したように、試料１０の内部でのテラヘルツ波ＴＨｚの速度ｃ’は、屈折率ｎに応じて変動する。このため、比較例のテラヘルツ波計測装置によって計測される厚さｄは、試料１０の本来の厚さｄ＝（ｃ／ｎ）×（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）／２よりも大きな値となってしまう。

このため、比較例のテラヘルツ波計測装置１００は、本来の厚さｄを計測するためには、屈折率ｎを計測する必要がある。しかしながら、特許文献１及び２に記載されているように、屈折率ｎの計測には手間がかかるのが一般的である。しかしながら、本実施例のテラヘルツ波計測装置１００は、比較的容易に屈折率ｎを計測することができると言う大きな利点を有している。

尚、上述した数式５は、数式８から数式９より構成される連立方程式（つまり、ｄ及びｎを未知数とする２つの方程式からなる連立方程式）をｎについて解くことで得られる数式であるとも言える。このため、テラヘルツ波計測装置１００は、数式５を用いることに代えて、数式８から数式９より構成される連立方程式をｎについて解くことで、屈折率ｎを算出してもよい。例えば、テラヘルツ波計測装置１００は、ｎの仮定値を連立方程式に代入することで連立方程式が成立するか否かを判断し、連立方程式が成立するまで連立方程式に代入するｎの仮定値を調整する動作を繰り返してもよい。この場合、連立方程式が成立するｎの仮定値が、試料１０の屈折率ｎに相当する。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う計測装置、計測方法、及び、コンピュータプログラムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ 試料
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１００ テラヘルツ波計測装置
１０１ パルスレーザ装置
１１０ テラヘルツ波発生素子
１２０ 光学遅延機構
１３０ テラヘルツ波検出素子
１５０ 制御部
１５１ ロックイン検出部
１５２ 信号処理部
１５２１ 検出時間取得部
１５２２ 屈折率算出部
１５２３ 厚さ算出部
１５３ 照射角度変更部
ＬＢ１ ポンプ光
ＬＢ２ プローブ光
ＴＨｚ テラヘルツ波
θ、θ 照射角度（入射角度）

Claims (10)

1. 試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度の夫々毎に取得する取得手段と、
   前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする計測装置。
2. 前記取得手段は、前記照射角度が第１角度となる場合の前記透過時間、並びに、前記照射角度が前記第１角度とは異なる第２角度となる場合の前記透過時間を取得する
   ことを特徴とする請求項１からに記載の計測装置。
3. 前記第１角度をθ_１と定義し、前記第２角度をθ_２と定義し、前記照射角度が前記第１角度となる場合の前記透過時間をΔｔ_１と定義し、前記照射角度が前記第２角度となる場合の前記透過時間をΔｔ_２と定義し、変数ａを数式１で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記算出手段は、数式２に基づいて、前記屈折率を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
   

   

   
   

   
4. 前記取得手段は、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記表面で反射された後に所定位置に到達するまでに要する第１時間、及び、前記表面に照射された前記テラヘルツ波が前記裏面で反射された後に前記所定位置に到達するまでに要する第２時間を、前記複数の照射角度毎に取得し、
   前記透過時間は、前記第２時間と前記第１時間との差分である
   をことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の計測装置。
5. 前記表面に向けて前記テラヘルツ波を照射する照射手段と、
   前記試料によって反射された前記テラヘルツ波を検出する検出手段と
   を更に備え、
   前記所定位置は、前記検出手段が設置されている位置であり、
   前記第１時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記表面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間であり、
   前記第２時間は、前記照射手段が前記テラヘルツ波を照射してから前記裏面で反射された前記テラヘルツ波が前記検出手段に到達するまでに要する時間である
   ことを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 前記取得手段は、前記照射角度が第１角度となる場合の前記第１及び第２時間、並びに、前記照射角度が前記第１角度とは異なる第２角度となる場合の前記第１及び第２時間を取得し、
   前記第１角度をθ_１と定義し、前記第２角度をθ_２と定義し、前記照射角度が前記第１角度となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ１及びｔ_ｂ１と定義し、前記照射角度が前記第２角度となる場合の前記第１及び第２時間を夫々ｔ_ａ２及びｔ_ｂ２と定義し、変数ａを数式３で定義し、屈折率をｎと定義すると、前記算出手段は、数式４に基づいて、前記屈折率を算出する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の計測装置。
   

   

   
   

   
7. 前記照射角度を変更する変更手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の計測装置。
8. 前記算出手段は更に、算出した前記屈折率に基づいて、前記表面と前記裏面との間の物理的な距離である前記試料の厚さを算出する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の計測装置。
9. 試料の表面に照射されたテラヘルツ波が、前記試料の内部を透過することで前記表面の反対側に位置する前記試料の裏面に到達し、その後当該裏面によって反射されることで前記表面に再度到達するために要する透過時間を、前記表面に対する角度が互いに異なる前記テラヘルツ波の複数の照射角度の夫々毎に取得する取得工程と、
   前記透過時間及び前記複数の照射角度に基づいて、前記試料の屈折率を算出する算出工程と
   を備えることを特徴とする計測方法。
10. コンピュータに請求項９に記載の計測方法を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

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