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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023004473
(43)【公開日】2023-01-17
(54)【発明の名称】計測装置、計測システム、計測方法
(51)【国際特許分類】
H01J 37/244 20060101AFI20230110BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20230110BHJP
G01R 33/032 20060101ALI20230110BHJP
G01R 29/08 20060101ALI20230110BHJP
G01R 29/12 20060101ALI20230110BHJP
G01R 29/14 20060101ALI20230110BHJP
H01J 37/305 20060101ALI20230110BHJP
H01L 21/027 20060101ALI20230110BHJP
【ＦＩ】
H01J37/244
G02F1/01 F
G01R33/032
G01R29/08 F
G01R29/12 F
G01R29/14
H01J37/305 B
H01L21/30 541Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021106147
(22)【出願日】2021-06-25
(71)【出願人】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】中嶋 誠
(72)【発明者】
【氏名】菅 晃一
(72)【発明者】
【氏名】太田 雅人
(72)【発明者】
【氏名】坂和 洋一
【テーマコード（参考）】
2G017
2K102
5C101
5F056
【Ｆターム（参考）】
2G017AA02
2G017AD12
2K102AA21
2K102AA27
2K102BA01
2K102BB05
2K102BC04
2K102BD09
2K102CA18
2K102DD03
2K102EB02
2K102EB10
2K102EB22
5C101AA27
5C101GG18
5C101GG21
5C101HH49
5C101HH61
5F056BB10
(57)【要約】
【課題】シングルショットにて荷電粒子による電場又は磁場の時空間分布を得ることができる計測装置を実現する。
【解決手段】計測装置（１）は、直線偏光のレーザ光であるプローブレーザ（Ｌ）を出射するレーザ出射装置（２）と、プローブレーザ（Ｌ）に空間的な時間遅延を付与するエシェロンミラー（１０）と、エシェロンミラー（１０）を介してプローブレーザ（Ｌ）が入射する電気光学素子であるＥＯ結晶（１５）と、ＥＯ結晶（１５）から出射したプローブレーザ（Ｌ）を撮像する撮像素子（１４）と、を備え、荷電粒子である電子ビーム（Ｂ）を、ＥＯ結晶（１５）の外側又は内部を通過させて荷電粒子による電場の時空間分布を計測する。
【選択図】図１
【解決手段】計測装置（１）は、直線偏光のレーザ光であるプローブレーザ（Ｌ）を出射するレーザ出射装置（２）と、プローブレーザ（Ｌ）に空間的な時間遅延を付与するエシェロンミラー（１０）と、エシェロンミラー（１０）を介してプローブレーザ（Ｌ）が入射する電気光学素子であるＥＯ結晶（１５）と、ＥＯ結晶（１５）から出射したプローブレーザ（Ｌ）を撮像する撮像素子（１４）と、を備え、荷電粒子である電子ビーム（Ｂ）を、ＥＯ結晶（１５）の外側又は内部を通過させて荷電粒子による電場の時空間分布を計測する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直線偏光のレーザ光を出射するレーザ出射装置と、
前記レーザ光に空間的な時間遅延を付与するエシェロンミラーと、
前記エシェロンミラーを介して前記レーザ光が入射する電気光学素子又は磁気光学素子と、
前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を撮像する撮像素子と、を備え、
荷電粒子を、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる、あるいは前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の内部を通過させて、前記荷電粒子による電場の時間分布あるいは磁場の時間分布を計測することを特徴とする計測装置。
前記レーザ光に空間的な時間遅延を付与するエシェロンミラーと、
前記エシェロンミラーを介して前記レーザ光が入射する電気光学素子又は磁気光学素子と、
前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を撮像する撮像素子と、を備え、
荷電粒子を、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる、あるいは前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の内部を通過させて、前記荷電粒子による電場の時間分布あるいは磁場の時間分布を計測することを特徴とする計測装置。
【請求項2】
前記エシェロンミラーと前記電気光学素子又は前記磁気光学素子との間に配置され、前記レーザ光を前記荷電粒子の進行方向と直交する二方向のうちの一方向に集光して前記電気光学素子又は前記磁気光学素子に入射させる第１シリンドリカルレンズと、
前記電気光学素子又は前記磁気光学素子と前記撮像素子との間に配置され、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を平行光とする第２シリンドリカルレンズと、
をさらに備え、
前記撮像素子が二次元撮像素子であり、
前記荷電粒子による電場の時空間分布あるいは磁場による時空間分布を計測することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記電気光学素子又は前記磁気光学素子と前記撮像素子との間に配置され、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を平行光とする第２シリンドリカルレンズと、
をさらに備え、
前記撮像素子が二次元撮像素子であり、
前記荷電粒子による電場の時空間分布あるいは磁場による時空間分布を計測することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項3】
前記荷電粒子を、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項4】
前記電気光学素子を備え、
前記電気光学素子は、ポッケルス効果、カー効果、又はシュタルク効果を有する素子であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の計測装置。
前記電気光学素子は、ポッケルス効果、カー効果、又はシュタルク効果を有する素子であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項5】
前記磁気光学素子を備え、
前記磁気光学素子は、ファラデー効果又はフォークト効果を有する素子であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の計測装置。
前記磁気光学素子は、ファラデー効果又はフォークト効果を有する素子であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項6】
前記荷電粒子は、電子、陽電子、陽子、又は重粒子の何れかであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項7】
請求項２に記載の計測装置と、
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出するコンピュータと、を含む、計測システム。
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出するコンピュータと、を含む、計測システム。
【請求項8】
被測定試料に荷電粒子を照射して過渡反応の反応ダイナミクスを測定する反応ダイナミクス測定装置であって、
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記荷電粒子を被測定試料に向けて出射する荷電粒子発生装置と、
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、
前記計測装置における前記レーザ出射装置から出射されたレーザ光を分岐した測定光を前記被測定試料に導くダイナミクス測定用光学系と、
前記被測定試料を通過した測定光に基づいて、前記被測定試料における過渡反応の反応ダイナミクスを測定する過渡反応測定部と、を備える反応ダイナミクス測定装置。
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記荷電粒子を被測定試料に向けて出射する荷電粒子発生装置と、
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、
前記計測装置における前記レーザ出射装置から出射されたレーザ光を分岐した測定光を前記被測定試料に導くダイナミクス測定用光学系と、
前記被測定試料を通過した測定光に基づいて、前記被測定試料における過渡反応の反応ダイナミクスを測定する過渡反応測定部と、を備える反応ダイナミクス測定装置。
【請求項9】
荷電粒子発生装置をフィードバック制御する荷電粒子モニター装置であって、
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、
導出された荷電粒子の密度分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第１フィードバック部と、
を備える荷電粒子モニター装置。
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、
導出された荷電粒子の密度分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第１フィードバック部と、
を備える荷電粒子モニター装置。
【請求項10】
荷電粒子が照射される測定対象の帯電を測定する帯電測定装置であって、
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された、前記測定対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記測定対象の帯電を測定する第１測定部と、
を備える帯電測定装置。
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された、前記測定対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記測定対象の帯電を測定する第１測定部と、
を備える帯電測定装置。
【請求項11】
荷電粒子が照射される加工対象の電場を測定する電場測定装置であって、
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された、前記加工対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記加工対象の電場を測定する第２測定部と、
を備える電場測定装置。
請求項２に記載の計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、
前記計測装置にて計測された、前記加工対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記加工対象の電場を測定する第２測定部と、
を備える電場測定装置。
【請求項12】
荷電粒子リソグラフィー装置であって、
請求項１１に記載の電場測定装置と、
前記荷電粒子を加工対象に向けて出射する荷電粒子発生装置と、
前記電場測定装置にて測定された電場分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第２フィードバック部と、
を備える荷電粒子リソグラフィー装置。
請求項１１に記載の電場測定装置と、
前記荷電粒子を加工対象に向けて出射する荷電粒子発生装置と、
前記電場測定装置にて測定された電場分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第２フィードバック部と、
を備える荷電粒子リソグラフィー装置。
【請求項13】
直線偏光のレーザ光をエシェロンミラーにて反射させて前記レーザ光に空間的な時間遅延を付与し、荷電粒子の電場が印加されている電気光学素子又は荷電粒子の磁場が印加されている磁気光学素子に、空間的な時間遅延が付与された前記レーザ光を入射させ、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を撮像することで、前記荷電粒子による電場の時間分布あるいは磁場の時間分布を計測する計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、計測装置であって、より詳細には荷電粒子から発せられる電場又は磁場を計測する計測装置等に関する。
【背景技術】
【0002】
ポッケルス効果、カー効果、又はシュタルク効果などを有する電気光学素子を用いたＥＯ（Electro-Optic）サンプリング法では、サブピコ秒の高時間分解能で電場の時間発展を計測することが可能である。その原理は以下の通りである。
【0003】
計測する電場がＥＯ結晶に印加されると、ＥＯ結晶に複屈折性が生じる。生じる複屈折性は、印加された電場の強度に依存する。ＥＯ結晶に生じたこの複屈折性を、ＥＯ結晶に入射させたプローブレーザの偏光状態の変化として検出する。複屈折性を生じているＥＯ結晶を通過することで、プローブレーザは直線偏光から楕円偏光に変更され、楕円偏光度を計測することで、電場の時空間分布を得ることができる。
【0004】
このようなＥＯサンプリング法は、近年、加速器中を伝播する電子ビーム周りに生成される電場の時空間分布の取得にも応用され始めている。例えば、非特許文献１には、ＥＯサンプリング法を用いた電子ビームの電子密度分布の非破壊評価が示されている。また、本願発明者らも、非特許文献２において、ＥＯサンプリング法を用いて電子ビームの電場プロファイルを画像化し、その結果から電子ビームの電子密度プロファイルを取得することを発表している。
【0005】
また、ファラデー効果、フォークト効果などを有する磁気光学素子を用いて、計測対象の磁場を計測することも行われている。本願発明者らも、非特許文献３において、磁気光学素子を用いて計測対象の磁気ニアフィールドを検出することを発表している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】G. Berden, S. P. Jamison, A. M. MacLeod, W. A. Gillespie, B. Redlich, and A. F. G. Van der Meer, Phys. Rev. Lett. 93, 114802 (2004).
【非特許文献2】M. Ota et al., Applied Physics Express 14, 026503 (2021).
【非特許文献3】T. Kurihara et al.,Appl. Phys. Lett. 113, 111103 (2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上述した技術は、シングルショットにて電子ビーム等の荷電粒子の電場の時間分布を得るものではなく、複数ショットにて取得している。そのため、時間分解能を高めるには、ショット毎の遅延時間を細かく設定する必要があり、計測に要する時間が長くなるため応用に向けての大きな障壁となっている。シングルショット計測であれば瞬時にデータを取得可能であり、ショット間のジッターの影響は無視することができ、さらに単発現象を取り扱うことが可能である。また、荷電粒子の磁場の時間分布を磁気光学素子を用いて計測する場合にも同様の問題がある。
【0008】
本発明の一態様は、シングルショットにて荷電粒子による電場又は磁場の時間分布を得ることができる計測装置等を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測装置は、直線偏光のレーザ光を出射するレーザ出射装置と、前記レーザ光に空間的な時間遅延を付与するエシェロンミラーと、前記エシェロンミラーを介して前記レーザ光が入射する電気光学素子又は磁気光学素子と、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を撮像する撮像素子と、を備え、荷電粒子を、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる、あるいは前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の内部を通過させて、前記荷電粒子による電場の時間分布あるいは磁場の時間分布を計測する。
【0010】
本発明の一態様に係る計測装置においては、前記エシェロンミラーと前記電気光学素子又は前記磁気光学素子との間に配置され、前記レーザ光を前記荷電粒子の進行方向と直交する二方向のうちの一方向に集光して前記電気光学素子又は前記磁気光学素子に入射させる第１シリンドリカルレンズと、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子と前記撮像素子との間に配置され、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を平行光とする第２シリンドリカルレンズと、をさらに備え、前記撮像素子が二次元撮像素子であり、前記荷電粒子による電場の時空間分布あるいは磁場による時空間分布を計測する構成としてもよい。
【0011】
本発明の一態様に係る計測装置においては、前記荷電粒子を、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる構成としてもよい。
【0012】
本発明の一態様に係る計測装置においては、前記電気光学素子を備え、前記電気光学素子は、ポッケルス効果、カー効果、又はシュタルク効果を有する素子である構成としてもよい。
【0013】
本発明の一態様に係る計測装置においては、前記磁気光学素子を備え、前記磁気光学素子は、ファラデー効果又はフォークト効果を有する素子である構成としてもよい。
【0014】
本発明の一態様に係る計測装置においては、前記荷電粒子は、電子、陽電子、陽子、又は重粒子の何れかである構成としてもよい。
【0015】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測システムは、本発明の一態様に係る計測装置と、前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出するコンピュータと、を含む、を含む。
【0016】
本発明の一態様に係る反応ダイナミクス測定装置は、被測定試料に荷電粒子を照射して過渡反応の反応ダイナミクスを測定する反応ダイナミクス測定装置であって、本発明の一態様に係る計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、前記荷電粒子を被測定試料に向けて出射する荷電粒子発生装置と、前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、前記計測装置における前記レーザ出射装置から出射されたレーザ光を分岐した測定光を前記被測定試料に導くダイナミクス測定用光学系と、前記被測定試料を通過した測定光に基づいて、前記被測定試料における過渡反応の反応ダイナミクスを測定する過渡反応測定部と、を備える。
【0017】
本発明の一態様に係る荷電粒子モニター装置は、荷電粒子発生装置をフィードバック制御する荷電粒子モニター装置であって、本発明の一態様に係る計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、前記計測装置にて計測された荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて当該荷電粒子の密度分布を導出する第１演算部と、導出された荷電粒子の密度分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第１フィードバック部と、を備える。
【0018】
本発明の一態様に係る帯電測定装置は、荷電粒子が照射される測定対象の帯電を測定する帯電測定装置であって、本発明の一態様に係る計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、前記計測装置にて計測された、前記測定対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記測定対象の帯電を測定する第１測定部と、を備える。
【0019】
本発明の一態様に係る電場測定装置は、荷電粒子が照射される加工対象の電場を測定する電場測定装置であって、本発明の一態様に係る計測装置であり、前記荷電粒子を前記電気光学素子又は前記磁気光学素子の外側を通過させる計測装置と、前記計測装置にて計測された、前記加工対象における荷電粒子による電場の時空間分布あるいは荷電粒子による磁場の時空間分布に基づいて、前記加工対象の電場を測定する第２測定部と、を備える。
【0020】
本発明の一態様に係る荷電粒子リソグラフィー装置は、荷電粒子リソグラフィー装置であって、本発明の一態様に係る電場測定装置と、前記荷電粒子を加工対象に向けて出射する荷電粒子発生装置と、前記電場測定装置にて測定された電場分布に基づいて前記荷電粒子発生装置をフィードバック制御する第２フィードバック部と、を備える。
【0021】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測方法は、直線偏光のレーザ光をエシェロンミラーにて反射させて前記レーザ光に空間的な時間遅延を付与し、荷電粒子の電場が印加されている電気光学素子又は荷電粒子の磁場が印加されている磁気光学素子に、空間的な時間遅延が付与された前記レーザ光を入射させ、前記電気光学素子又は前記磁気光学素子から出射した前記レーザ光を撮像することで、前記荷電粒子による電場の時間分布あるいは磁場の時間分布を計測する。
【発明の効果】
【0022】
本発明の一態様によれば、シングルショットにて荷電粒子による電場又は磁場の時間分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本実施形態の計測装置の具体的な装置構成を示す概略図である。
【図4】エシェロンミラーがプローブレーザに付与する空間的な時間遅延を示す説明図である。
【図6】ＥＯサンプリング法を用いて電子ビームの電界プロファイルを画像化する従来の計測装置の構成を示す概略図である。
【図8】本実施形態の計測装置の変形例の装置構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。なお、ここでは、電気光学素子を用いて、荷電粒子による電場の時空間分布を計測する場合を説明する。しかしながら、電気光学素子に代えて磁気光学素子を用いて、荷電粒子の磁場の時空間分布を計測することも可能である。磁気光学素子は、ファラデー効果、フォークト効果などを有し、入射光の偏光状態を印加磁場に応じて変化させる素子である。
【0025】
（１．計測装置１の構成）
まず、図１、図２を用いて、本実施形態の計測装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態の計測装置１の具体的な装置構成を示す概略図である。図１は、計測装置１を上方より見ており、Ｙ軸が上下方向を示す。荷電粒子である電子ビーム（荷電粒子ビーム）Ｂの進行方向は、Ｚ軸に沿った方向である。図２は、計測装置１における、ＥＯ結晶１５と、プローブレーザＬおよび電子ビームＢとの位置関係を示す模式図である。
まず、図１、図２を用いて、本実施形態の計測装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態の計測装置１の具体的な装置構成を示す概略図である。図１は、計測装置１を上方より見ており、Ｙ軸が上下方向を示す。荷電粒子である電子ビーム（荷電粒子ビーム）Ｂの進行方向は、Ｚ軸に沿った方向である。図２は、計測装置１における、ＥＯ結晶１５と、プローブレーザＬおよび電子ビームＢとの位置関係を示す模式図である。
【0026】
本実施形態では、荷電粒子として電子を例示するが、荷電粒子としては、電子の他、陽電子、陽子、重粒子等のイオンであってもよい。また、電気光学素子として複屈折性を生じるポッケルス素子を例示するが、電場によって光の応答を変える電気光学効果があればよく、カー効果、またはシュタルク効果等を有する素子であってもよい。
【0027】
図１に示すように、計測装置１は、レーザ出射装置２、第１および第２の偏光子３，４、複数のミラー５～９、エシェロン（Echelon）ミラー１０、第１および第２のシリンドリカルレンズ１１，１２、結像レンズ１３、撮像素子１４、および電気光学素子であるＥＯ結晶１５を備えている。
【0028】
レーザ出射装置２は、計測のためのプローブレーザ（レーザ光）Ｌを出射する。プローブレーザＬは直線偏光のパルスレーザである。
【0029】
第１および第２の偏光子３，４はそれぞれ、特定の方向の直線偏光のみを通過させる。プローブレーザＬの進む方向において上流側に位置する第１偏光子３と下流側に位置する第２偏光子４とは、それぞれが通過させる直線偏光の方向が９０度異なるように配置されている。なお、ＥＯ結晶１５に入射するプローブレーザＬの直線偏光の角度は、ＥＯ結晶１５の結晶配位によって複屈折変化の最適角が異なるため、適宜調整する。
【0030】
複数のミラー５～９は、レーザ出射装置２から出射されたプローブレーザＬを、エシェロンミラー１０を介してＥＯ結晶１５を通過させた後、撮像素子１４へ導く。このうち、エシェロンミラー１０の上流側（かつ下流側）に位置するミラー７は、例えば、ハーフミラーである。ミラー７は、ミラー６を介して入射したプローブレーザＬを透過させてエシェロンミラー１０に入射させる。また、ミラー７は、エシェロンミラー１０を介して入射したプローブレーザＬを反射して、第１シリンドリカルレンズ１１に入射させる。
【0031】
なお、ミラー５、６は光学遅延調整用のミラーであるが、複数のミラー５～９は必ずしも全てが必要というわけではない。レーザ出射装置２、エシェロンミラー１０、ＥＯ結晶１５、および撮像素子１４等の配置に応じて、光路設計上必要なものを必要な箇所に配置すればよい。
【0032】
エシェロンミラー１０は、階段状に形成された反射面を有する階段状のミラーである。エシェロンミラー１０は、入射したプローブレーザＬを反射することで、プローブレーザＬに空間的な時間遅延を付与する。エシェロンミラー１０については、図３、図４を用いて後述する。
【0033】
上流側に位置する第１シリンドリカルレンズ１１は、エシェロンミラー１０とＥＯ結晶１５との間に配置されている。第１シリンドリカルレンズ１１は、エシェロンミラー１０で反射されたプローブレーザＬを電子ビームＢの進行方向と直交する二方向のうちの一方向に集光してＥＯ結晶１５に入射させる。図１の例では、第１シリンドリカルレンズ１１は、入射したプローブレーザＬをＸ軸の方向において集光してシート状にする。ここで、第１シリンドリカルレンズ１１の集光距離は、プローブレーザＬがＹ軸に沿った方向に平行な直線状態（スポット形状）でＥＯ結晶１５に入射するように設定されている。
【0034】
ＥＯ結晶１５は、電場によって光の応答を変える電気光学効果を有する。本実施形態では、ＥＯ結晶１５は、電界によりポッケルス効果が生じるポッケルス素子である。ポッケルス効果とは、電界の印加により複屈折性が生じる現象であり、ポッケルス効果が生じたポッケルス素子中を直線偏光を有する光が通過（透過）すると、印加電圧に対応した楕円偏光度を持つようになる。ポッケルス素子としては、電界の印加により複屈折性が生じる各種結晶を用いることができる。
【0035】
本実施形態では、ＥＯ結晶１５としてポッケルス素子であるＺｎＴｅ結晶を用いている。ＥＯ結晶１５は矩形の板状をなし、プローブレーザＬは、ＥＯ結晶１５をその厚み方向に通過する（図２参照）。
【0036】
下流側の第２シリンドリカルレンズ１２は、ＥＯ結晶１５と撮像素子１４との間に配置されている。第２シリンドリカルレンズ１２は、ＥＯ結晶１５から出射したプローブレーザＬを平行光とする。第２シリンドリカルレンズ１２は、ＥＯ結晶１５上でイメージングをとるためのレンズである。第２シリンドリカルレンズ１２の集光距離は、第２シリンドリカルレンズ１２とＥＯ結晶１５までの距離と同じに設定されている。図１の例では、第２シリンドリカルレンズ１２は、入射したプローブレーザＬをＸ軸に沿った方向において平行光とし、撮像素子１４の撮像面に結像させる。
【0037】
結像レンズ１３は、第２シリンドリカルレンズ１２の結像に寄与していない、プローブレーザＬをＹ軸に沿った方向において集光して撮像素子１４の撮像面に結像させる。第２偏光子４は、プローブレーザＬの上述した楕円偏光化した成分のみを通過させる。
【0038】
撮像素子１４は、ＥＯ結晶１５から出射したプローブレーザ光Ｌを撮像する。本実施形態では、撮像素子１４として二次元のＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラ（二次元撮像素子）を用いている。
【0039】
計測装置１において、電子ビームＢを非破壊測定する場合には、矩形の板状をなすＥＯ結晶１５の外側を通過する。より具体的には、図１、図２に示すように、電子ビームＢは、ＥＯ結晶１５の厚み方向に沿った端面１５ａの側方を通過する。
【0040】
（２．エシェロンミラー１０）
次に、図３、図４を用いて、エシェロンミラー１０について説明する。図３は、エシェロンミラー１０の一部を拡大して示す拡大図である。図４は、エシェロンミラー１０がプローブレーザＬに付与する空間的な時間遅延を示す説明図である。
次に、図３、図４を用いて、エシェロンミラー１０について説明する。図３は、エシェロンミラー１０の一部を拡大して示す拡大図である。図４は、エシェロンミラー１０がプローブレーザＬに付与する空間的な時間遅延を示す説明図である。
【0041】
図３に示すように、エシェロンミラー１０は、反射面が階段状に形成されている。プローブレーザＬの進行方向における各段の反射面の位置の違いをステップ高さｈ、プローブレーザＬの進行方向と直交する方向における各段の反射面の寸法をステップ幅ｗとする。各段におけるステップ高ｈは同じであり、ステップ幅ｗも同じである。一番下の段を０段目として説明する。
【0042】
図４に示すように、プローブレーザＬにおける、１段目で反射された部分は、０段目で反射された部分に対して、高さｈの距離差の分遅れて反射される。そのため、プローブレーザＬにおける、１段目で反射された部分は、高さｈの２倍（往復）の距離を進む時間に相当する時間Δｔ、０段目で反射された部分に対して時間遅延することとなる。また、プローブレーザＬにおける、２段目で反射された部分は、１段目で反射された部分に対して同じく高さｈの２倍分遅れて反射される。そのため、２段目で反射された部分は、１段目で反射された部分に対してさらに時間Δｔ、時間遅延することとなる。０段目がプローブレーザＬを反射した時間をＴ０＝Ｔとすると、Ｎ段目がプローブレーザＬを反射した時間ＴＮ＝Ｔ＋ＮΔｔとなる。このように、エシェロンミラー１０は、１パルスのプローブレーザＬを、段差の高さｈを反映した空間的な時間遅延をもった段数分のパルスに分割する。
【0043】
本実施形態において、エシェロンミラー１０は、全段差が１０００段であり、各段の高さｈは３μｍ、ステップ幅ｗは１５μｍである。このように設計されたエシェロンミラー１０による時間遅延は、１段当たり２０ｆｓ、全体として２０ｐｓの時間遅延に相当する。
【0044】
（３．計測装置１における計測方法）
次に、図１、図２を用いて、計測装置１を用いて電子ビームＢの周囲に生成されている電場の時空間分布の計測方法について説明する。計測装置１は、ＥＯ結晶１５の側方を通過する電子ビームＢの周囲に生成されている電場をシングルショットにて計測する。より詳細には、電子ビームＢの周囲に生成されている電場の時空間分布をシングルショットにて計測する。時空間分布とは、電子ビームＢの時間分布（ビーム進行方向の分布）と、電子ビームＢの空間分布（ビーム進行軸に垂直方向）とを含む。
次に、図１、図２を用いて、計測装置１を用いて電子ビームＢの周囲に生成されている電場の時空間分布の計測方法について説明する。計測装置１は、ＥＯ結晶１５の側方を通過する電子ビームＢの周囲に生成されている電場をシングルショットにて計測する。より詳細には、電子ビームＢの周囲に生成されている電場の時空間分布をシングルショットにて計測する。時空間分布とは、電子ビームＢの時間分布（ビーム進行方向の分布）と、電子ビームＢの空間分布（ビーム進行軸に垂直方向）とを含む。
【0045】
電子ビーム出射装置（荷電粒子発生装置）３０より出射された電子ビームＢが、ＥＯ結晶１５の側方を通過すると、電子ビームＢの周囲に生成されている電場にてＥＯ結晶１５に複屈折性が生じる。生じる複屈折性は、電場の強度と時間分布とに依存する。この生じた複屈折性を、レーザ出射装置２から出射され、ＥＯ結晶に入射させたプローブレーザＬの偏光状態の変化として検出する。プローブレーザＬは、複屈折性を生じているＥＯ結晶を通過することで直線偏光から楕円偏光に変更され、楕円偏光度を計測することで、電場の時空間分布を得ることができる。
【0046】
レーザ出射装置２から出射されたプローブレーザＬは、特定の方向の直線偏光のみが第１偏光子３を通過し、ミラー５，６を介してミラー７に入射する。ミラー７は、入射したプローブレーザＬを透過させてエシェロンミラー１０に入射させる。エシェロンミラー１０に入射したプローブレーザＬは、その階段状の反射面で反射されることで、前述したように、空間的な時間遅延が付与される。
【0047】
空間的な時間遅延が付与されたプローブレーザＬは、ミラー７にて反射されて第１シリンドリカルレンズ１１に入射する。第１シリンドリカルレンズ１１は、プローブレーザＬを結晶上においてＸ軸方向に集光させてシート状とする。図２に示すように、シート状のプローブレーザＬは、Ｙ軸に沿った方向に平行な直線状態でＥＯ結晶１５に入射し、ＥＯ結晶１５を透過する。
【0048】
ＥＯ結晶１５は、電子ビームＢの周囲に生成されている電場にて複屈折性を生じているため、プローブレーザＬは、ＥＯ結晶１５を透過することで直線偏光から楕円偏光へと変化する。
【0049】
楕円偏光に変化したプローブレーザＬは、ミラー９にて反射されて第２シリンドリカルレンズ１２に入射する。第２シリンドリカルレンズ１２は、ＥＯ結晶１５を透過してＸ軸に沿った方向に発散するプローブレーザＬを平行光として、撮像素子１４の撮像面に結像可能に調整する。また、結像レンズ１３は、プローブレーザＬのＹ軸に沿った方向を撮像素子１４の撮像面に結像可能に調整する。
【0050】
第２シリンドリカルレンズ１２および結像レンズ１３を通過したプローブレーザＬは、そのうちの特定の方向の直線偏光のみが第２偏光子４を通過し、撮像素子１４の撮像面に結像する。
【0051】
これにより、シングルショットにて、電子ビームＢの周囲に生成されている電場の時空間分布を、撮像素子１４にて撮像される画像（二次元図）として取得することができる。
【0052】
（４．撮像された画像例）
図５は、計測装置１を用いて電子ビームの周囲に生成されている電場をシングルショットにて撮影した画像例である。荷電粒子である電子が束状になった電子ビームＢの周囲に生成されている電場を計測した。電子ビームＢは、エネルギー３５ＭｅＶ、パルス幅１ｐｓ、ビーム直径４．５ｍｍである。プローブレーザＬは、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、ＥＯ結晶１５上で１０ｍｍ×０．５ｍｍの楕円形状である。ＥＯ結晶１５はＺｎＴｅ結晶である。
図５は、計測装置１を用いて電子ビームの周囲に生成されている電場をシングルショットにて撮影した画像例である。荷電粒子である電子が束状になった電子ビームＢの周囲に生成されている電場を計測した。電子ビームＢは、エネルギー３５ＭｅＶ、パルス幅１ｐｓ、ビーム直径４．５ｍｍである。プローブレーザＬは、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、ＥＯ結晶１５上で１０ｍｍ×０．５ｍｍの楕円形状である。ＥＯ結晶１５はＺｎＴｅ結晶である。
【0053】
図５において、横軸は時間であり、縦軸はＹ軸方向の距離である。電場をモノトーンの濃淡にて示す。電子ビームＢの電場は、矢印３２で示す電子ビームＢの中心から放射線状に出ている。図５においては、このような電場が、矢印３２で示す電子ビームＢの伝播方向（進行方向）の垂直面に、電場が相対論的効果で収縮している様子が示されている。矢印３２で示す電子ビームＢの中心より上の濃淡がマイナスの電場を示し、中心より上の画像がプラスの電場を示している。なお、矢印３２で示す電子ビームの中心の白抜き部分は、電場がキャンセルされている部分である。
【0054】
（５．従来手法との比較）
図６は、ＥＯサンプリング法を用いて電子ビームの電界プロファイルを画像化する従来の計測装置１００の構成を示す概略図である。図７は、図６に示す従来の計測装置１００を用いて電子ビームの周囲に生成されている電場を撮影した画像例である。
図６は、ＥＯサンプリング法を用いて電子ビームの電界プロファイルを画像化する従来の計測装置１００の構成を示す概略図である。図７は、図６に示す従来の計測装置１００を用いて電子ビームの周囲に生成されている電場を撮影した画像例である。
【0055】
図６に示すように、従来の計測装置１００は、レーザ出射装置２、ＥＯ結晶１５、偏光ビームスプリッタ１０１、および一対のフォトダイオード１０２，１０３を備えている。ここで、レーザ出射装置２およびＥＯ結晶１５は、本実施形態の計測装置１と同じである。
【0056】
従来の計測装置１００においても計測装置１と同様に、電子ビームＢはＥＯ結晶１５の側方を通過し、電子ビーム周りに生成される電場（電子ビームによる電場）にてＥＯ結晶１５が複屈折性を生じる。レーザ出射装置２から直線偏光のプローブレーザＬは、複屈折性を生じたＥＯ結晶１５を通過して楕円偏光に変更され、偏光ビームスプリッタ１０１に入射する。偏光ビームスプリッタ１０１は、楕円偏光のプローブレーザＬを、長軸側の縦方向の偏光成分と短軸側の横方向の偏光成分とに分離する。分離された偏光成分はそれぞれフォトダイオード１０２，１０３に入射し、フォトダイオード１０２，１０３にて偏光成分それぞれの強度を検出する。
【0057】
図７に示すように、従来の計測装置１００を用いても、電子ビームの周囲に生成されている電場の時空間分布を取得することができる。矢印３３は、電子ビームＢの中心を示している。しかしながら、図７の画像を得るには、プローブレーザＬがＥＯ結晶１５に到達する時間の遅延を作ることによって時間発展を得ている。また、プローブレーザＬがＥＯ結晶１５を通過する位置を中心として、電子ビームの通過位置をＹ軸方向にずらしていくことによって空間分布を得ている。
【0058】
そのため、従来の計測装置１００では、図７の画像を得るために、１時間程要する。これに対し、シングルショットで得られる計測装置１では、１ｍ秒まで取得できる。したがって、低い繰り返しで、単発の現象を計測できる。また、時間分解能は、エシェロンミラー１０の段の高さｈで決まるため、従来の計測装置１００に比べて、高い分解能を得ることができる。さらに、シングルショットであるため、ジッターおよびプローブレーザＬの揺らぎの影響を受けることもない。シングルショット計測であるので、瞬時にデータを取得可能であり、ショット間のジッターの影響は無視することができ、さらに単発現象を取り扱うことが可能である。
【0059】
（６．変形例）
本実施形態の計測装置１では、プローブレーザＬの光学系に第１および第２のシリンドリカルレンズ１１，１２を用いている。これにより、電子ビームＢの進行方向に垂直な方向であるＹ軸に沿った方向の空間分布も取得可能となっている。つまり、電場の時空間分布を取得できる。
本実施形態の計測装置１では、プローブレーザＬの光学系に第１および第２のシリンドリカルレンズ１１，１２を用いている。これにより、電子ビームＢの進行方向に垂直な方向であるＹ軸に沿った方向の空間分布も取得可能となっている。つまり、電場の時空間分布を取得できる。
【0060】
しかしながら、プローブレーザＬの光学系に第１および第２のシリンドリカルレンズ１１，１２を用いることは必須ではなく、集光レンズを用いてＥＯ結晶１５上の１点にプローブレーザＬを集光させてもよい。その場合は、撮像素子１４は、１ライン構成のＣＣＤカメラ等であればよい。このような構成では、シングルショットで、荷電粒子の電場の時間分布を得ることができる。
【0061】
また、本実施形態の計測装置１では、電子ビームＢはＥＯ結晶１５の側方、つまり外部を通過する。このような構成では、電子ビームＢに非接触にてその電場を計測できるといった利点がある。しかしながら、このようなＥＯ結晶１５の外部を電子ビームＢが通過する構成に限定されるものではなく、電子ビームＢがＥＯ結晶１５の内部を通過する構成であってもよい。この場合、ＥＯ結晶１５における電子ビームＢが通過するのと同じ位置にプローブレーザＬを照射する。このような構成では、電子ビームＢの中心の電場についても画像化できる。
【0062】
また、本実施形態の計測装置１では、ＥＯ結晶１５の入射面に直交するようにプローブレーザＬを入射させているが、図８に示すように、ＥＯ結晶１５の入射面に対して斜めに入射させてもよい。図８は、本実施形態の計測装置１の変形例の装置構成を示す概略図である。また、用いる電気光学素子によっては、光路に１/４λ板を挿入するなどして調整する必要もある。
【0063】
（７．荷電粒子の密度分布の導出）
計測装置１にて取得された荷電粒子から出る電場の時空間分布より、下記のガウスの法則の式（１）を用いて、荷電粒子の密度分布を導出することができる。
計測装置１にて取得された荷電粒子から出る電場の時空間分布より、下記のガウスの法則の式（１）を用いて、荷電粒子の密度分布を導出することができる。
【0064】
∇・Ｅ（ｒ）＝ρ（ｒ）/ε０ …（１）
荷電粒子から出る電場の時空間分布より、上記式（１）のＥ（ｒ）を得ることができる。得たＥ（ｒ）と式（１）とを用いることで、ρ（ｒ）つまり、電荷密度を得ることができる。ε０は真空の誘電率である。
荷電粒子から出る電場の時空間分布より、上記式（１）のＥ（ｒ）を得ることができる。得たＥ（ｒ）と式（１）とを用いることで、ρ（ｒ）つまり、電荷密度を得ることができる。ε０は真空の誘電率である。
【0065】
例えば、式（２）のようなガウス分布の電荷密度の仮定の基では、電場の時空間分布は式（３）となる。
【0066】
ρ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ρ０ｅｘｐ（－（（ｘ２＋ｙ２）／σｔ
２＋ｚ２／σｌ
２）/２） …（２）
Ｅ（ｘ）＝（ＡＱ）／（２πε０ｘＰ（ｘ））（ｅｘｐ（－ｘ２／σｔ ２）－１） …（３）
ここでσtは荷電粒子ビーム径、σｌはパルス幅である。また、ρ０は荷電粒子ビーム中心の電荷密度、Ａは定数、Ｑは電荷量、Ｐ（ｘ）はあるｘにおいて測定されるパルス幅である。
Ｅ（ｘ）＝（ＡＱ）／（２πε０ｘＰ（ｘ））（ｅｘｐ（－ｘ２／σｔ ２）－１） …（３）
ここでσtは荷電粒子ビーム径、σｌはパルス幅である。また、ρ０は荷電粒子ビーム中心の電荷密度、Ａは定数、Ｑは電荷量、Ｐ（ｘ）はあるｘにおいて測定されるパルス幅である。
【0067】
磁気光学素子を用いる場合は、式（４）により、得られた磁場の時空間分布から電場を算出し、さらに式（１）を満たすρ（ｒ）を見積もることにより、荷電粒子の密度分布を得ることができる。
【0068】
Ｅ（ｘ）＝μ０Ｈ（ｘ）／（ε０μ０ｖ）＝Ｂ（ｘ）／（ε０μ０ｖ） …（４）
ここでＨ（ｘ）とＢ（ｘ）は、それぞれ、あるｘにおける磁界と磁束密度である。μ０は真空の透磁率、ｖは荷電粒子の速度である。
ここでＨ（ｘ）とＢ（ｘ）は、それぞれ、あるｘにおける磁界と磁束密度である。μ０は真空の透磁率、ｖは荷電粒子の速度である。
【0069】
計測装置１と、コンピュータ２０（図１参照）とで、計測システムが構成される。コンピュータ２０は、計測装置１にて取得された荷電粒子から出る電場の時空間分布に基づいて荷電粒子の密度分布を導出する。
【0070】
（８．応用例）
以上のように、計測装置１を用いることで、荷電粒子から生成される電場の時空間分布をシングルショットで精密に取得することができる。これにより、多種多様な応用が可能になる。現時点で利用可能と考え得る応用例を以下に記載する。
以上のように、計測装置１を用いることで、荷電粒子から生成される電場の時空間分布をシングルショットで精密に取得することができる。これにより、多種多様な応用が可能になる。現時点で利用可能と考え得る応用例を以下に記載する。
【0071】
１）重粒子線を用いた治療はメスを使わない癌治療として、通常治療が困難であった複雑な部位の治療を可能にし、さらに副作用の少ない安全な施術を可能にした。計測装置１を用いて重粒子線の軌道をリアルタイムで追うことで、より正確に重粒子線の照射位置を調整することが可能である。
【0072】
また、重粒子線を用いた治療においては、実施前に照射する粒子線量や照射位置を検討するためのシミュレーションが行われる。その際に照射するビームの電荷分布が、照射後の体内での散乱・反射などに影響すると考えられ、そのために装置ごとに電荷分布を校正する必要があると思われる。計測装置１を用いることで、装置ごとに電荷分布を校正することができる。
【0073】
そして、このような構成によれば、重粒子線を用いた癌治療をより発展させることができる。これにより、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標３「すべての人に健康と福祉を」の達成に貢献できる。
【0074】
２）ポジトロン消滅法において試料の欠陥部分のサイズを評価する際に、陽電子寿命測定法は重要である。計測装置１を用いて試料に入射する陽電子自体の性能評価を適用することで、より正確な欠陥評価を可能にする。
【0075】
３）半導体産業においては荷電粒子リソグラフィーによる微細加工は必要不可欠である。荷電粒子を照射することで生じる半導体のイオン化（衝突電離）によって生成される電場分布が、照射粒子と相互作用することによって加工精度の劣化を引き起こすという問題が報告されている。計測装置１を用いて半導体中の電場分布をリソグフィー中にリアルタイムで計測し、照射粒子にフィードバックをかけることで上述の問題を解決できると考えられる。半導体の衝突電離を調べるための電場モニターになり得る。
【0076】
電子ビームによる溶接・素材加工装置、集束イオンビーム（ＦＩＢ）によるエッチング装置、イオンビームによる半導体への不純物注入装置などに用いられる荷電粒子ビームの校正に利用できる。
【0077】
４）宇宙線（宇宙から飛来する高エネルギー荷電粒子）の電子機器との衝突によって生じるエラーは、飛行機や全自動運転車の実用において注意するべき課題である。このような宇宙線の測定にも応用可能と考える。
【0078】
５）集束イオンビーム装置や電子顕微鏡装置等の顕微鏡装置においては、被測定試料の帯電（チャージアップ）が生じると半導体回路の短絡による破壊や顕微鏡像のブレ・ズレが発生するため、帯電対策が講じられている。計測装置１を用いて被測定試料の帯電を測定することが可能となり対策技術の開発に活用できると考えられる。
【0079】
＜電子線の応用分野＞
電子線応用を行っている業種としては、樹脂関係（電気コード、タイヤ、燃料電池、ボタン電池、消臭繊維）、半導体関係（サイリスタ、リソグラフィ）、医療・食品関係（滅菌、注射器、ペットボトル、食品）、フッ素樹脂の高性能化関係等がある。
電子線応用を行っている業種としては、樹脂関係（電気コード、タイヤ、燃料電池、ボタン電池、消臭繊維）、半導体関係（サイリスタ、リソグラフィ）、医療・食品関係（滅菌、注射器、ペットボトル、食品）、フッ素樹脂の高性能化関係等がある。
【0080】
また、電子線の競合分野としてはγ線がある。γ線は、高い貫通力であるが低線量率で、近年のコスト上昇といった問題もある。これに対し、電子線は、貫通力は低いが、高線量率である。
【0081】
（９．応用具体例１）
図９は、計測装置１を応用した荷電粒子の反応ダイナミクス測定装置２００の構成を示すブロック図である。図９に示すように、反応ダイナミクス測定装置２００は、レーザ出射装置２０１、エシェロン光学系２０２、ＥＯ結晶２０３、時空間計測部２０４、ダイナミクス測定用光学系２０５、および過渡反応測定部２０６等を備えている。反応ダイナミクス測定装置２００は、被測定試料に荷電粒子を照射して過渡反応の反応ダイナミクスを測定する。
図９は、計測装置１を応用した荷電粒子の反応ダイナミクス測定装置２００の構成を示すブロック図である。図９に示すように、反応ダイナミクス測定装置２００は、レーザ出射装置２０１、エシェロン光学系２０２、ＥＯ結晶２０３、時空間計測部２０４、ダイナミクス測定用光学系２０５、および過渡反応測定部２０６等を備えている。反応ダイナミクス測定装置２００は、被測定試料に荷電粒子を照射して過渡反応の反応ダイナミクスを測定する。
【0082】
レーザ出射装置２０１は、計測装置１におけるレーザ出射装置２に対応する。レーザ出射装置２０１から出射されたパルスレーザは、荷電粒子の電場を計測するためのプローブレーザＬと、ダイナミクス測定するための測定光とに分岐される。
【0083】
エシェロン光学系２０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶２０３に導き、その透過光を時空間計測部２０４へと入射させる。エシェロン光学系２０２は、計測装置１における第１偏光子３、エシェロンミラー１０、第１シリンドリカルレンズ１１の他、光学遅延装置等を含む。光学遅延装置は、プローブレーザＬの照射のタイミングをとるための装置である。
【0084】
時空間計測部２０４は、計測装置１における第２偏光子４、第２シリンドリカルレンズ１２、結像レンズ１３、撮像素子１４、およびコンピュータ（第１演算部）２０を含む。時空間計測部２０４は、撮像素子１４にて撮像された画像に基づいて、荷電粒子による電場を計測し、電場に基づいて荷電粒子の密度分布を導出する。
【0085】
ダイナミクス測定用光学系２０５は、測定光を被測定試料２０７に導き、その透過光を過渡反応測定部２０６へと入射させる。ダイナミクス測定用光学系２０５は、光学遅延装置、波長変換素子、偏光子等を含む。波長変換素子は、測定光の波長を被測定試料２０７に適した波長に変換する素子である。荷電粒子発生装置２０８から出射された荷電粒子（例えば電子ビーム）Ｂは、ＥＯ結晶２０３の側方を通過し、被測定試料２０７に入射する。被測定試料２０７は、照射試料、測定用試料である。
【0086】
過渡反応測定部２０６は、荷電粒子照射後の被測定試料２０７のフェムト秒（ｆｓ）～ピコ秒（ｐｓ）の反応ダイナミクス（過渡反応の反応ダイナミクス）を測定する。反応ダイナミクスは、例えば、反射率、吸光度、電気伝導度等である。反応ダイナミクスを測定することで、照射の良条件の探索に役立てることができる。反応ダイナミクスを測定することで、照射試料の調整、試料の材料・組成条件を最適化することができる。
【0087】
図１０は、図９に示す反応ダイナミクス測定装置２００による反応ダイナミクスの測定例を示す図である。横軸が時間、縦軸が反応ダイナミクスとしての反射率を示す。荷電粒子照射後の試料のフェムト秒（ｆｓ）～ピコ秒（ｐｓ）の反応ダイナミクスを測定することで、反射率が高くなる照射条件等を探索できる。なお、ＥＯ結晶３０３である電気光学素子に代えて磁気光学素子を用いてもよい。
【0088】
（１０．応用具体例２）
図１１は、計測装置１を応用した、顕微鏡装置において測定対象である被測定試料３０７の帯電を測定する帯電測定装置３００の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、帯電測定装置３００は、レーザ出射装置３０１、エシェロン光学系３０２、ハーフミラー３０５、ＥＯ結晶３０３、時空間計測部（測定部）３０４等を備えている。帯電測定装置３００は、荷電粒子が照射される被測定試料３０７の帯電を測定する。
図１１は、計測装置１を応用した、顕微鏡装置において測定対象である被測定試料３０７の帯電を測定する帯電測定装置３００の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、帯電測定装置３００は、レーザ出射装置３０１、エシェロン光学系３０２、ハーフミラー３０５、ＥＯ結晶３０３、時空間計測部（測定部）３０４等を備えている。帯電測定装置３００は、荷電粒子が照射される被測定試料３０７の帯電を測定する。
【0089】
レーザ出射装置３０１は、計測装置１におけるレーザ出射装置２に対応し、プローブレーザＬを出射する。エシェロン光学系３０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶３０３に導く。エシェロン光学系３０２は、計測装置１における第１偏光子３、エシェロンミラー１０、第１シリンドリカルレンズ１１の他、光学遅延装置等を含む。ここではエシェロン光学系３０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶３０３上においてＸ軸方向に収束し、Ｙ軸方向に長く、Ｚ軸方向に時間遅延させる。
【0090】
ＥＯ結晶３０３は、被測定試料３０７の近辺もしくは被測定試料３０に接して配置される。ＥＯ結晶３０３における被測定試料３０７と対向する面には誘電体反射膜３０６が施されている。これにより、ＥＯ結晶３０３に入射したプローブレーザＬは誘電体反射膜３０６にて反射される。エシェロン光学系３０２とＥＯ結晶３０３との間にはハーフミラー３０５が配設されており、プローブレーザＬは、ハーフミラー３０５に反射されて時空間計測部３０４へ入射する。ハーフミラー３０５で反射させることで、正反射に近い条件で電場情報が転写されたプローブレーザＬを時空間計測部３０４へ導くことができる。
【0091】
時空間計測部３０４は、計測装置１における第２偏光子４、第２シリンドリカルレンズ１２、結像レンズ１３、撮像素子１４を含む。時空間計測部３０４は、撮像素子１４にて撮像された画像に基づいて、荷電粒子による電場を計測する。
【0092】
荷電粒子発生装置３０８から出射された荷電粒子（例えば、集束イオンビーム装置のＦＩＢ、電子顕微鏡の電子ビーム）Ｂは、ＥＯ結晶３０３の側方を通過し、被測定試料３０７に入射する。
【0093】
図１２は、図１１に示す帯電測定装置３００による時空間計測部３０４の測定例を示す図である。横軸が時間、縦軸が電場を示す。荷電粒子照射後の被測定試料３０７のフェムト秒（ｆｓ）～ピコ秒（ｐｓ）の電場を測定する。図１２では、荷電粒子到達時刻の信号と、荷電粒子到達後の帯電由来の電場を測定している。測定位置により、荷電粒子由来と帯電由来の電場結果が異なることが予想される。
【0094】
なお、被測定試料３０７によっては、ＥＯ結晶３０３である電気光学素子に代えて磁気光学素子を用いてもよい。また、被測定試料３０７自体が電気光学応答性あるいは磁気光学応答性を有している場合は、被測定試料３０７にプローブレーザＬを照射して直接計測することでも可能である。
【0095】
（１１．応用具体例３）
図１３は、計測装置１を応用した荷電粒子リソグラフィー装置４００の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、荷電粒子リソグラフィー装置４００は、レーザ出射装置４０１、エシェロン光学系４０２、ハーフミラー４０５、ＥＯ結晶４０３、時空間計測部４０４、荷電粒子発生装置４０８、フィードバック部（第２フィードバック部）４０９等を備えている。
図１３は、計測装置１を応用した荷電粒子リソグラフィー装置４００の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、荷電粒子リソグラフィー装置４００は、レーザ出射装置４０１、エシェロン光学系４０２、ハーフミラー４０５、ＥＯ結晶４０３、時空間計測部４０４、荷電粒子発生装置４０８、フィードバック部（第２フィードバック部）４０９等を備えている。
【0096】
荷電粒子リソグラフィー装置４００は、加工対象である半導体４１０中の電場分布をリソグフィー中にリアルタイムで計測し、荷電粒子発生装置４０８から出射される荷電粒子ビーム（照射粒子）Ｂにフィードバックをかける。荷電粒子発生装置４０８から出射された荷電粒子ビームＢは、ＥＯ結晶４０３の側方を通過し、半導体４１０に入射する。半導体４１０の表面にはレジスト４１１が塗布されている。
【0097】
レーザ出射装置４０１は、計測装置１におけるレーザ出射装置２に対応し、プローブレーザＬを出射する。エシェロン光学系４０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶４０３に導く。エシェロン光学系４０２は、計測装置１における第１偏光子３、エシェロンミラー１０、第１シリンドリカルレンズ１１の他、光学遅延装置等を含む。ここでは、エシェロン光学系４０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶４０３上においてＸ軸方向に収束し、Ｙ軸方向に長く、Ｚ軸方向に時間遅延させる。
【0098】
ＥＯ結晶４０３は、半導体４１０の近辺に設置される。ＥＯ結晶４０３における半導体４１０側を向く面には誘電体反射膜４０６が施されている。これにより、ＥＯ結晶４０３に入射したプローブレーザＬは誘電体反射膜４０６にて反射される。エシェロン光学系４０２とＥＯ結晶４０３との間にはハーフミラー４０５が配設されており、プローブレーザＬは、ハーフミラー４０５に反射されて時空間計測部４０４へ入射する。ハーフミラー４０５で反射させることで、正反射に近い条件で電場情報が転写されたプローブレーザＬを時空間計測部４０４へ導くことができる。
【0099】
時空間計測部４０４は、計測装置１における第２偏光子４、第２シリンドリカルレンズ１２、結像レンズ１３、撮像素子１４を含む。時空間計測部４０４は、撮像素子１４にて撮像された画像に基づいて、荷電粒子による電場を計測する。
【0100】
レーザ出射装置４０１、エシェロン光学系４０２、ハーフミラー４０５、ＥＯ結晶４０３、時空間計測部４０４にて、荷電粒子が照射される加工対象の電場を測定する電場測定装置が構成されている。
【0101】
荷電粒子による電場の情報はフィードバック部４０９に送られる。フィードバック部４０９は、荷電粒子による電場に基づいて、荷電粒子発生装置４０８をフィードバック制御する。なお、ＥＯ結晶４０３である電気光学素子に代えて磁気光学素子を用いてもよい。
【0102】
（１２．応用具体例４）
図１４は、計測装置１を応用した荷電粒子モニター装置５００の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、荷電粒子モニター装置５００は、レーザ出射装置５０１、エシェロン光学系５０２、ＥＯ結晶５０３、時空間計測部５０４、フィードバック部（第１フィードバック部）５０９等を備えている。荷電粒子モニター装置５００は、荷電粒子発生装置５０８から出射される荷電粒子ビームＢをモニタリングして荷電粒子発生装置５０８をフィードバック制御する。
図１４は、計測装置１を応用した荷電粒子モニター装置５００の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、荷電粒子モニター装置５００は、レーザ出射装置５０１、エシェロン光学系５０２、ＥＯ結晶５０３、時空間計測部５０４、フィードバック部（第１フィードバック部）５０９等を備えている。荷電粒子モニター装置５００は、荷電粒子発生装置５０８から出射される荷電粒子ビームＢをモニタリングして荷電粒子発生装置５０８をフィードバック制御する。
【0103】
レーザ出射装置５０１は、計測装置１におけるレーザ出射装置２に対応し、プローブレーザＬを出射する。エシェロン光学系５０２は、プローブレーザＬをＥＯ結晶５０３に導き、その透過光を時空間計測部５０４へと入射させる。エシェロン光学系５０２は、計測装置１における第１偏光子３、エシェロンミラー１０、第１シリンドリカルレンズ１１の他、光学遅延装置等を含む。ＥＯ結晶５０３は、荷電粒子発生装置５０８から出射される荷電粒子ビームＢが側方を通過するように配置される。
【0104】
時空間計測部５０４は、計測装置１における第２偏光子４、第２シリンドリカルレンズ１２、結像レンズ１３、撮像素子１４、およびコンピュータ（第１演算部）２０を含む。時空間計測部５０４は、撮像素子１４にて撮像された画像に基づいて、荷電粒子による電場を計測し、電場に基づいて荷電粒子の密度分布を導出する。導出された荷電粒子の密度分布は、フィードバック部に５０９に送られる。フィードバック部５０９は、荷電粒子の密度分布に基づいて、荷電粒子発生装置５０８をフィードバック制御する。なお、ＥＯ結晶５０３である電気光学素子に代えて磁気光学素子を用いてもよい。
【0105】
〔ソフトウェアによる実現例〕
荷電粒子リソグラフィー装置４００および荷電粒子モニター装置５００（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロック（特にフィードバック部４０９，５０９）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。
荷電粒子リソグラフィー装置４００および荷電粒子モニター装置５００（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロック（特にフィードバック部４０９，５０９）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。
【0106】
この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。
【0107】
上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。
【0108】
また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。
【0109】
また、上記各実施形態で説明した各処理は、ＡＩ（Artificial Intelligence：人工知能）に実行させてもよい。この場合、ＡＩは上記制御装置で動作するものであってもよいし、他の装置（例えばエッジコンピュータまたはクラウドサーバ等）で動作するものであってもよい。
【0110】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0111】
１、１００ 計測装置
２、２０１、３０１、４０１、５０１ レーザ出射装置
３ 第１偏光子
４ 第２偏光子
５～９ ミラー
１０ エシェロンミラー
１１ 第１シリンドリカルレンズ
１２ 第２シリンドリカルレンズ
１４ 撮像素子
１５、２０３、３０３、４０３、５０３ ＥＯ結晶（電気光学素子）
２０ コンピュータ（第１演算部）
３０ 電子ビーム出射装置（荷電粒子発生装置）
２００ 反応ダイナミクス測定装置
２０２、３０２、４０２、５０２ エシェロン光学系
２０４、３０４、４０４、５０４ 時空間計測部
２０５ ダイナミクス測定用光学系
２０６ 過渡反応測定部
２０７ 被測定試料
２０８、３０８、４０８、５０８ 荷電粒子発生装置
３００ 帯電測定装置
３０５、４０５ ハーフミラー
３０６、４０６ 誘電体反射膜
３０７ 被測定試料（測定対象）
４００ 荷電粒子リソグラフィー装置
４０９ フィードバック部
５０９ フィードバック部
４１０ 半導体（加工対象）
２、２０１、３０１、４０１、５０１ レーザ出射装置
３ 第１偏光子
４ 第２偏光子
５～９ ミラー
１０ エシェロンミラー
１１ 第１シリンドリカルレンズ
１２ 第２シリンドリカルレンズ
１４ 撮像素子
１５、２０３、３０３、４０３、５０３ ＥＯ結晶（電気光学素子）
２０ コンピュータ（第１演算部）
３０ 電子ビーム出射装置（荷電粒子発生装置）
２００ 反応ダイナミクス測定装置
２０２、３０２、４０２、５０２ エシェロン光学系
２０４、３０４、４０４、５０４ 時空間計測部
２０５ ダイナミクス測定用光学系
２０６ 過渡反応測定部
２０７ 被測定試料
２０８、３０８、４０８、５０８ 荷電粒子発生装置
３００ 帯電測定装置
３０５、４０５ ハーフミラー
３０６、４０６ 誘電体反射膜
３０７ 被測定試料（測定対象）
４００ 荷電粒子リソグラフィー装置
４０９ フィードバック部
５０９ フィードバック部
４１０ 半導体（加工対象）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】