特開 2024-136635 干渉計測装置および干渉計測方法

(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】P2024136635

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】干渉計測装置および干渉計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/45 20060101AFI20240927BHJP

   G01N 21/3581 20140101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01N21/45 A

G01N21/3581

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047799

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】高橋 永斉

(72)【発明者】

【氏名】河合 直弥

(72)【発明者】

【氏名】里園 浩

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059EE09

2G059HH05

2G059JJ13

2G059JJ22

2G059KK02

2G059MM01

(57)【要約】

【課題】テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光を高速かつ正確に行うことができる干渉計測装置および干渉計測方法を提供する。
【解決手段】干渉測定装置１Ａは、光源１０、干渉光学系２０Ａ、光電子増倍管３０、干渉強度測定部４０、電界振幅算出部５０および分析部６０を備える。光源１０は、光電子増倍管３０が感度を有する帯域（テラヘルツ波を含む光の帯域）の光を出力する。光電子増倍管３０は、ラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し、入射光強度に応じた値の電気信号を出力する。電界振幅算出部５０は、光電子増倍管３０へ入射する光の電界振幅の値と光電子増倍管３０から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、干渉強度測定部４０により測定された干渉光の強度Ｖの値を電界振幅Ｅの値に換算して、光路長差Δｄに対応する時間差Δｔの各値について干渉光の電界振幅Ｅの値を求める。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し入射光強度に応じた値の電気信号を出力する光電子増倍管と、
前記光電子増倍管が感度を有する帯域の光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、分析対象物を経た前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して前記光電子増倍管へ入射させ、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の光路長差が可変である干渉光学系と、
前記光電子増倍管から出力された前記電気信号に基づいて、前記光電子増倍管に入射した前記第１分岐光および前記第２分岐光による干渉光の強度を測定する干渉強度測定部と、
前記光電子増倍管へ入射する光の電界振幅の値と前記光電子増倍管から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、前記干渉強度測定部により測定された前記干渉光の強度の値を電界振幅の値に換算して、前記光路長差に対応する時間差の各値について前記干渉光の電界振幅の値を求める電界振幅算出部と、
前記電界振幅算出部により求められた前記干渉光の電界振幅の値の前記時間差の値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより前記分析対象物の分析を行う分析部と、
を備える干渉計測装置。

【請求項2】

前記干渉強度測定部は、前記光電子増倍管から出力された前記電気信号に基づいて前記干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整して、前記干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、前記干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制する、
請求項１に記載の干渉計測装置。

【請求項3】

前記干渉強度測定部は、前記光電子増倍管から出力された前記電気信号の時間波形をフーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを前記干渉光の強度として測定する、
請求項１に記載の干渉計測装置。

【請求項4】

前記干渉強度測定部は、前記光電子増倍管への印加電圧を調整して、前記電気信号に基づいて前記干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定する、
請求項１に記載の干渉計測装置。

【請求項5】

前記光電子増倍管は入射光強度分布のイメージングが可能なものであり、
前記分析部は前記分析対象物の分析イメージングを行う、
請求項１に記載の干渉計測装置。

【請求項6】

テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し入射光強度に応じた値の電気信号を出力する光電子増倍管と、
前記光電子増倍管が感度を有する帯域の光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、分析対象物を経た前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して前記光電子増倍管へ入射させ、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の光路長差が可変である干渉光学系と、
を用いて、前記分析対象物を分析する方法であって、
前記光電子増倍管から出力された前記電気信号に基づいて、前記光電子増倍管に入射した前記第１分岐光および前記第２分岐光による干渉光の強度を測定する干渉強度測定ステップと、
前記光電子増倍管へ入射する光の電界振幅の値と前記光電子増倍管から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、前記干渉強度測定ステップにおいて測定された前記干渉光の強度の値を電界振幅の値に換算して、前記光路長差に対応する時間差の各値について前記干渉光の電界振幅の値を求める電界振幅算出ステップと、
前記電界振幅算出ステップにおいて求められた前記干渉光の電界振幅の値の前記時間差の値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより前記分析対象物の分析を行う分析ステップと、
を備える干渉計測方法。

【請求項7】

前記干渉強度測定ステップにおいて、前記光電子増倍管から出力された前記電気信号に基づいて前記干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整して、前記干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、前記干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制する、
請求項６に記載の干渉計測方法。

【請求項8】

前記干渉強度測定ステップにおいて、前記光電子増倍管から出力された前記電気信号の時間波形をフーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを前記干渉光の強度として測定する、
請求項６に記載の干渉計測方法。

【請求項9】

前記干渉強度測定ステップにおいて、前記光電子増倍管への印加電圧を調整して、前記電気信号に基づいて前記干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定する、
請求項６に記載の干渉計測方法。

【請求項10】

前記光電子増倍管として入射光強度分布のイメージングが可能なものを用い、
前記分析ステップにおいて前記分析対象物の分析イメージングを行う、
請求項６に記載の干渉計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、干渉計測装置および干渉計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域の帯域（周波数１ＴＨｚ前後の帯域）の光であり、薬剤等の分析対象物について他の波長帯域には見られない特有の吸収スペクトルを有することから、分析対象物の同定等への活用が期待されている。テラヘルツ波を用いた分析技術として様々な技術が知られている。

【0003】

テラヘルツ波時間領域分光法（Terahertz Time Domain Spectroscopy、ＴＨｚ-ＴＤＳ）は、分析対象物で透過、反射または全反射したテラヘルツ波の時間波形を測定し、この測定によって得られたテラヘルツ波の電界振幅の時間波形をフーリエ変換することにより、分析対象物の分析を行うことができる（非特許文献１）。以下では、これを「従来技術１」という。従来技術１では、テラヘルツ波の時間波形を測定する際にロックインアンプが用いられる。

【0004】

出力波長が可変であるテラヘルツ波光源を用い、分析対象物で透過、反射または全反射したテラヘルツ波を分光して検出することにより、分析対象物の分析を行うことができる（非特許文献２）。以下では、これを「従来技術２」という。従来技術２では、テラヘルツ波の検出の際に熱型検出器が用いられる。

【0005】

また、フーリエ変換赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy、ＦＴＩＲ）と同様の測定原理により、テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光を行うことでも、分析対象物の分析を行うことができる（非特許文献３）。以下では、これを「従来技術３」という。従来技術３では、テラヘルツ波の干渉の検出の際に熱型検出器が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０２２－５３８５３４号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Jens Neu, et al, "Tutorial:An introduction to terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS)," J. Appl.Phys. 124, 231101 (2018).

【非特許文献2】K. Murate, et al,"Perspective: Terahertz wave parametric generator and itsapplications," J. Appl. Phys. 124, 160901 (2018).

【非特許文献3】Masashi Yamaguchi, et al,"Terahertz wave generation in nitrogen gas using shaped opticalpulses," J. Opt. Soc. Am. B, Vol.26, No.9 (2009).

【非特許文献4】Simon Lehnskov Lange, et al,"Ultrafast THz-driven electron emission from metal metasurfaces," J.Appl. Phys. 128, 070901 (2020).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記の従来技術１では、テラヘルツ波の時間波形を測定する際に、ロックインアンプによる長い積算時間が必要である。また、上記従来技術２，３では、応答が遅い熱型検出器が用いられるので測定時間が長い。これら従来技術１～３を含め、テラヘルツ波を用いた従来の分析技術は、測定に長時間を要する。

【0009】

本発明者らは、テラヘルツ波を用いた高速な分析技術について研究していく過程で、特許文献１に記載された光電子増倍管を用いることを検討した。特許文献１に記載された光電子増倍管は、テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有することができ、入射光強度に応じた値の電気信号を出力することができる。

【0010】

この光電子増倍管は、光入射によって電子を放出する電子放出部と、この放出された電子を増倍する電子増倍部と、増倍された電子を収集して電流信号や蛍光体で変換した光学像として出力する信号出力部と、を備える。これら電子放出部、電子増倍部および信号出力部は、内部が真空に維持されるハウジングの内部に配置されている。このハウジングに窓部が設けられており、この窓部を透過した光が電子放出部に入射する。電子放出部は、検出対象の光の帯域に応じたメタマテリアル構造（メタサーフェス）が基板の主面上に形成されたものであり、そのメタサーフェスへの光入射によって光電子を放出することができる。電子増倍部は、複数段のダイノードまたはマイクロチャネルプレートを含む。電子増倍部がマイクロチャネルプレートを含む場合、入射光強度分布のイメージングが可能である。

【0011】

本発明者らは、従来技術３の構成において熱型検出器に替えて上記の光電子増倍管を用いることにより、テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光の高速化の可能性を見出したものの、一方で、上記の光電子増倍管からの出力信号について従来のＦＴＩＲと同様の処理を行うだけでは分析対象物の正確な分析を行うことができないことを見出した。

【0012】

本発明は、上記のような本発明者らの知見に基づいてなされたものであり、テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光を高速かつ正確に行うことができる干渉計測装置および干渉計測方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の干渉計測装置の第１態様は、(1) テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し入射光強度に応じた値の電気信号を出力する光電子増倍管と、(2) 光電子増倍管が感度を有する帯域の光を出力する光源と、(3) 光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、分析対象物を経た第１分岐光と第２分岐光とを合波して光電子増倍管へ入射させ、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が可変である干渉光学系と、(4) 光電子増倍管から出力された電気信号に基づいて、光電子増倍管に入射した第１分岐光および第２分岐光による干渉光の強度を測定する干渉強度測定部と、(5) 光電子増倍管へ入射する光の電界振幅の値と光電子増倍管から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、干渉強度測定部により測定された干渉光の強度の値を電界振幅の値に換算して、光路長差に対応する時間差の各値について干渉光の電界振幅の値を求める電界振幅算出部と、(6) 電界振幅算出部により求められた干渉光の電界振幅の値の時間差の値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより分析対象物の分析を行う分析部と、を備える。

【0014】

本発明の干渉計測装置は次のような態様としてもよい。
本発明の干渉計測装置の第２態様では、第１態様に加えて、干渉強度測定部は、光電子増倍管から出力された電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整して、干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制する。

【0015】

本発明の干渉計測装置の第３態様では、第１態様または第２態様に加えて、干渉強度測定部は、光電子増倍管から出力された電気信号の時間波形をフーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを干渉光の強度として測定する。

【0016】

本発明の干渉計測装置の第４態様では、第１～第３の態様の何れかに加えて、干渉強度測定部は、光電子増倍管への印加電圧を調整して、電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定する。

【0017】

本発明の干渉計測装置の第５態様では、第１～第４の態様の何れかに加えて、光電子増倍管は入射光強度分布のイメージングが可能なものであり、分析部は分析対象物の分析イメージングを行う。

【0018】

本発明の干渉計測方法の第１態様は、(1) テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し入射光強度に応じた値の電気信号を出力する光電子増倍管と、(2) 光電子増倍管が感度を有する帯域の光を出力する光源と、(3) 光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、分析対象物を経た第１分岐光と第２分岐光とを合波して光電子増倍管へ入射させ、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が可変である干渉光学系と、を用いて、分析対象物を分析する方法である。本発明の干渉計測方法の第１態様は、(4) 光電子増倍管から出力された電気信号に基づいて、光電子増倍管に入射した第１分岐光および第２分岐光による干渉光の強度を測定する干渉強度測定ステップと、(5) 光電子増倍管へ入射する光の電界振幅の値と光電子増倍管から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、干渉強度測定ステップにおいて測定された干渉光の強度の値を電界振幅の値に換算して、光路長差に対応する時間差の各値について干渉光の電界振幅の値を求める電界振幅算出ステップと、(6) 電界振幅算出ステップにおいて求められた干渉光の電界振幅の値の時間差の値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより分析対象物の分析を行う分析ステップと、を備える。

【0019】

本発明の干渉計測方法は次のような態様としてもよい。
本発明の干渉計測方法の第２態様では、第１態様に加えて、干渉強度測定ステップにおいて、光電子増倍管から出力された電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整して、干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制する。

【0020】

本発明の干渉計測方法の第３態様では、第１態様または第２態様に加えて、干渉強度測定ステップにおいて、光電子増倍管から出力された電気信号の時間波形をフーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを干渉光の強度として測定する。

【0021】

本発明の干渉計測方法の第４態様では、第１～第３の態様の何れかに加えて、干渉強度測定ステップにおいて、光電子増倍管への印加電圧を調整して、電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定する。

【0022】

本発明の干渉計測方法の第５態様では、第１～第４の態様の何れかに加えて、光電子増倍管として入射光強度分布のイメージングが可能なものを用い、分析ステップにおいて分析対象物の分析イメージングを行う。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光を高速かつ正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、干渉測定装置の構成例を示す図である。

【図2】図２は、干渉測定装置の他の構成例を示す図である。

【図3】図３は、光電子増倍管３０の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、光電子増倍管３０から出力された電気信号に基づいて干渉強度測定部４０により測定された干渉光の強度と時間差Δｔとの間の関係を示すグラフである。

【図5】図５は、非特許文献３に示されている干渉光の強度と時間差Δｔとの間の関係を示すグラフである。

【図6】図６（ａ）は、光電子増倍管３０の入出力特性を示すグラフである。図６（ｂ）は、光電子増倍管３０から出力される電圧信号Ｖの時間依存性を示すグラフである。

【図7】図７（ａ）は、Ｖp-pの光路長差Δｄ依存性を示すグラフである。図７（ｂ）は、Ｖp-pの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。

【図8】図８（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。図８（ｂ）は、干渉光の電界振幅Ｅの振幅スペクトルおよび位相スペクトルを示す図である。

【図9】図９は、フィッティング処理により求めた光電子増倍管３０の出力値Ｖと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの関係（ＦＮ式）を示すグラフである。

【図10】図１０は、ＦＮ式を用いた計算による入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅと光電子増倍管３０の出力値Ｖとの間の対応例を記載した表である。

【図11】図１１（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。図１１（ｂ）は、干渉光の電界振幅Ｅの位相スペクトルを示すグラフである。

【図12】図１２（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの振幅スペクトルを示すグラフである。図１２（ｂ）は、吸収係数α（ω）のスペクトルを示すグラフである。図１２（ｃ）は、屈折率ｎ（ω）のスペクトルを示すグラフである。

【図13】図１３は、光電子増倍管３０の出力値Ｖと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0026】

本実施形態の干渉計測装置は、以下に説明する干渉測定装置１Ａ（図１）または干渉測定装置１Ｂ（図２）の構成とすることができる。

【0027】

図１は、干渉測定装置の構成例を示す図である。この図に示される干渉測定装置１Ａは、光源１０、干渉光学系２０Ａ、光電子増倍管３０、干渉強度測定部４０、電界振幅算出部５０および分析部６０を備える。

【0028】

光源１０は、光電子増倍管３０が感度を有する帯域（テラヘルツ波を含む光の帯域）の光を出力する。光源１０が出力する光は、パルス光であってもよいし、連続光であってもよい。パルス光のテラヘルツ波を出力することができる光源として、フェムト秒レーザ光源（例えばＴｉサファイア・レーザ光源）と非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）とを組み合わせた構成、および、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発振器（Injection Seeded THz Parametric Generator、ｉｓ-ＴＰＧ）等が挙げられる。連続光のテラヘルツ波を出力することができる光源として、共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode、ＲＴＤ）、ＩＭＰＡＴＴダイオード（Impact Avalanche and Transit Time Diode）、量子カスケードレーザ光源およびＴＨｚガスレーザ光源などが挙げられる。

【0029】

干渉光学系２０Ａは、ビームスプリッタ２１、ミラー２３およびミラー２４を含み、マイケルソン干渉計の構成を有する。ビームスプリッタ２１は、光源１０から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、一方の第１分岐光をミラー２３へ出力し、他方の第２分岐光をミラー２４へ出力する。また、ビームスプリッタ２１は、ミラー２３で反射された第１分岐光を入力するとともに、ミラー２４で反射された第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを合波して光電子増倍管３０へ出力する。ビームスプリッタ２１は例えばシリコンやＩＴＯミラーにより構成され得る。分析対象物Ｓは、ビームスプリッタ２１とミラー２３との間の第１分岐光の光路上に配置される。分析対象物Ｓは、第２分岐光の光路上に配置されてもよい。ミラー２３およびミラー２４の双方または何れか一方は反射面に垂直な方向に移動が可能であり、これにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が可変である。

【0030】

光電子増倍管３０は、テラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有し、入射光強度に応じた値の電気信号を出力する。光電子増倍管３０の詳細については、後に図３を用いて説明する。

【0031】

干渉強度測定部４０は、光電子増倍管３０から出力された電気信号に基づいて、光電子増倍管３０に入射した第１分岐光および第２分岐光による干渉光の強度を測定する（干渉強度測定ステップ）。

【0032】

電界振幅算出部５０は、光電子増倍管３０へ入射する光の電界振幅の値と光電子増倍管３０から出力される電気信号の値との間の関係に基づいて、干渉強度測定部４０により測定された干渉光の強度Ｖの値を電界振幅Ｅの値に換算して、光路長差Δｄに対応する時間差Δｔの各値について干渉光の電界振幅Ｅの値を求める（電界振幅算出ステップ）。光路長差Δｄは、ビームスプリッタから二つのミラーそれぞれまでの距離の差の２倍に相当する。光路長差Δｄと時間差Δｔとの間にはΔｔ＝Δｄ／ｃなる関係がある。ｃは真空中の光速である。

【0033】

分析部６０は、電界振幅算出部５０により求められた干渉光の電界振幅Ｅの値の時間差Δｔの値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより分析対象物Ｓの分析を行う（分析ステップ）。

【0034】

干渉強度測定部４０、電界振幅算出部５０および分析部６０それぞれによる処理の詳細についても後述する。

【0035】

本実施形態の干渉計測方法は、上記の光源１０、干渉光学系２０Ａおよび光電子増倍管３０を用いて分析対象物Ｓを分析する方法であって、干渉強度測定ステップ、電界振幅算出ステップおよび分析ステップを備える。

【0036】

図２は、干渉測定装置の他の構成例を示す図である。この図に示される干渉測定装置１Ｂは、光源１０、干渉光学系２０Ｂ、光電子増倍管３０、干渉強度測定部４０、電界振幅算出部５０および分析部６０を備える。干渉測定装置１Ａ（図１）の構成と比較すると、干渉測定装置１Ｂ（図２）は、干渉光学系２０Ａに替えて干渉光学系２０Ｂを備える点で相違する。

【0037】

干渉光学系２０Ｂは、ビームスプリッタ２１，２２、ミラー２３～２６を含み、マッハツェンダ干渉計の構成を有する。ビームスプリッタ２１は、光源１０から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、一方の第１分岐光をミラー２３へ出力し、他方の第２分岐光をミラー２４へ出力する。ミラー２４へ出力された第２分岐光は、ミラー２４、ミラー２５およびミラー２６それぞれ反射される。ビームスプリッタ２２は、ミラー２３で反射された第１分岐光を入力するとともに、ミラー２６で反射された第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを合波して光電子増倍管３０へ出力する。分析対象物Ｓは、ビームスプリッタ２１からミラー２３を経てビームスプリッタ２２へ到る第１分岐光の光路上に配置される。分析対象物Ｓは、第２分岐光の光路上に配置されてもよい。ミラー２４およびミラー２５は移動が可能であり、これにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が可変である。

【0038】

マッハツェンダ干渉計と比べて、マイケルソン干渉計は、光学部品（ビームスプリッタ、ミラー）の個数が少なく、光路長差を可変とする機構が簡易であるので、好ましい。したがって、干渉測定装置１Ｂ（図２）の構成より、干渉測定装置１Ａ（図１）の構成の方が好ましい。

【0039】

図３は、光電子増倍管３０の構成を示すブロック図である。光電子増倍管３０は、電子放出部３１、電子増倍部３２および信号出力部３３を、内部が真空に維持されるハウジング３４の内部に配置したものである。ハウジング３４に窓部３５が設けられている。

【0040】

電子放出部３１は、窓部３５を透過した光νが入射すると、その光入射によって電子ｅを放出する。電子放出部３１は、検出対象のテラヘルツ波を含む光の帯域に感度を有するように設計された光電変換部であって、例えばメタマテリアル構造（メタサーフェス）が基板の主面上に形成されており、そのメタサーフェスへの光入射によって電子ｅを放出することができる。

【0041】

電子増倍部３２は、電子放出部３１から放出された電子ｅを増倍する。電子増倍部３２は、複数段のダイノードまたはマイクロチャネルプレートを含む。電子増倍部３２における電子増倍率は、複数段のダイノードまたはマイクロチャネルプレートに印加される電圧に応じたものとなる。信号出力部３３は、電子増倍部３２により増倍された電子ｅを収集して電流信号Ｊとして出力する。干渉強度測定部４０は、信号出力部３３から出力された電流信号Ｊを入力してもよいし、電流信号ＪがＩＶ変換回路により電圧信号に変換された後の該電圧信号を入力してもよい。

【0042】

図４は、光電子増倍管３０から出力された電気信号に基づいて干渉強度測定部４０により測定された干渉光の強度と時間差Δｔとの間の関係を示すグラフである。この図に示されるように、時間差Δｔ＝０の位置に干渉光の強度のピークがあり、時間差Δｔ＝－１６～－１１ｐｓの範囲および時間差Δｔ＝＋１１～＋１６ｐｓの範囲それぞれにも干渉光の強度のピークがある。一方で、これらピーク範囲以外の時間差Δｔの範囲では、干渉光の強度は非常に小さい。

【0043】

時間差Δｔ＝０の位置にある干渉光強度のピークは、第１分岐光および第２分岐光の何れも多重反射することなく干渉したことに因るものであり、半値全幅は０.４ｐｓ程度である。光電子増倍管３０を用いて干渉光強度を求めることができることが確認できた。

【0044】

時間差Δｔ＝－１６～－１１ｐｓの範囲および時間差Δｔ＝＋１１～＋１６ｐｓの範囲それぞれにある干渉光強度のピークは、光電子増倍管３０の窓部３５または電子放出部３１の基板におけるテラヘルツ波のエタロン効果に因るものであると考えられる。これらのエタロン効果による干渉光強度のピークは、時間差Δｔ＝０の位置にある干渉光強度のピークに対し、十分に離れており、ノイズとなることはない。

【0045】

例えば、光電子増倍管３０の窓部３５が合成石英（屈折率１.５）からなり厚さが１ｍｍであると、エタロン効果により１３.３ｐｓの時間間隔で反射パルスが生じる。光電子増倍管３０の電子放出部３１の基板がシリコン（屈折率３.３）からなり厚さが０.５２５ｍｍであると、エタロン効果により１２.０ｐｓの時間間隔で反射パルスが生じる。これらのエタロン効果により生じる反射パルスの時間間隔（１３.３ｐｓ、１２.０ｐｓ）は、時間差Δｔ＝０の位置にある干渉光強度のピークの半値全幅（０.４ｐｓ程度）より十分に大きい。したがって、光電子増倍管３０の窓部３５または電子放出部３１の基板におけるテラヘルツ波のエタロン効果の影響はない。

【0046】

図５は、非特許文献３に示されている干渉光の強度と時間差Δｔとの間の関係を示すグラフである。非特許文献３では熱型検出器が用いられている。図４と図５とを対比すると、干渉光の強度の時間差Δｔ依存性が、光電子増倍管３０と熱型検出器とでは大きく相違している。光電子増倍管３０を用いた場合に得られる干渉光の強度の時間差Δｔ依存性は、光電子増倍管３０に入射するテラヘルツ波の波形との相関が低い。したがって、光電子増倍管３０からの出力信号について従来のＦＴＩＲと同様の処理を行うだけでは分析対象物の正確な分析を行うことができない。これは、光電子増倍管３０へ入射するテラヘルツ波の電界振幅の値と光電子増倍管３０から出力される電気信号の値との間の関係が、光電子増倍管３０と熱型検出器とでは相違することが原因であると考えられる。本発明は、このような本発明者らの知見に基づいてなされたものである。

【0047】

図６～図８は、干渉強度測定部４０、電界振幅算出部５０および分析部６０それぞれによる処理内容を説明する図である。干渉強度測定部４０は、図６（ｂ）および図７（ａ）で説明する処理を行う。電界振幅算出部５０は、図７（ｂ）および図８（ａ）で説明する処理を行う。分析部６０は、図８（ｂ）で説明する処理を行う。なお、図６（ａ）の横軸スケールおよび縦軸スケールならびに図７（ｂ）の縦軸スケールは対数であり、他の横軸・縦軸のスケールは線形である。

【0048】

図６（ａ）は、光電子増倍管３０の入出力特性を示すグラフである。横軸は、光電子増倍管３０へ入射する光の電界振幅Ｅである。縦軸は、光電子増倍管３０から出力される電気信号（電圧信号Ｖ）である。この図に示されるように、光電子増倍管３０の入出力特性は線形ではない。このような光電子増倍管３０の入出力特性を予め求めておく。

【0049】

図６（ｂ）は、光電子増倍管３０から出力される電圧信号Ｖの時間依存性を示すグラフである。光路長差Δｄを或る値に設定して、光電子増倍管３０から出力される電圧信号Ｖの時間変化を求める。このグラフから、電圧信号Ｖの振幅の大きさＶp-pを読み取る。

【0050】

図７（ａ）は、Ｖp-pの光路長差Δｄ依存性を示すグラフである。このグラフは、光路長差Δｄの各値についてＶp-pを求めることにより得られる。

【0051】

図７（ｂ）は、Ｖp-pの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。光路長差Δｄと時間差Δｔとの間にはΔｔ＝Δｄ／ｃなる関係があるので、光路長差Δｄから時間差Δｔを求めることができる。

【0052】

図８（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。光電子増倍管３０の入出力特性（図６（ａ））を用いることにより、図７（ｂ）から図８（ａ）へ変換することができる。

【0053】

図８（ｂ）は、干渉光の電界振幅Ｅの振幅スペクトルおよび位相スペクトルを示す図である。これは、干渉光の電界振幅Ｅの時間差Δｔ依存性をフーリエ変換することにより得られる。

【0054】

このように、本実施形態では、光電子増倍管３０の入出力特性（光電子増倍管３０へ入射する光の電界振幅Ｅと、光電子増倍管３０から出力される電気信号（電圧信号Ｖ）との間の関係）を予め求めておき、これを用いて、光電子増倍管３０から出力される電圧信号Ｖの振幅の大きさＶp-pを干渉光の電界振幅Ｅに換算する。光電子増倍管３０を用いるとともに、このような換算をすることにより、テラヘルツ波を用いた干渉計測によるフーリエ分光を高速かつ正確に行うことができる。

【0055】

上述したとおり、光電子増倍管３０の入出力特性（図６（ａ））は線形ではない。光電子増倍管３０からの出力値は、光電子増倍管３０へ入射する光の電界振幅Ｅを変数とする多項式で記述されてもよいが、メタサーフェスにおける電子放出の効率を表す下記（１）式を用いて記述されてもよい（非特許文献４）。この式は、メタサーフェスから放出される電流Ｊ_FNと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの間の関係を表すものであって、Fowler-Nordheimrelations（以下「ＦＮ式」という。）と呼ばれている。

【0056】

【数1】

【0057】

このＦＮ式において、ａ_FNおよびｂ_FNそれぞれは、ＦＮ定数と呼ばれ、或る一定値である。βは、電界増強係数（field enhancement factor）であり、非特許文献４では約４００である。Φは、電子放出部３１のメタサーフェスの材料の仕事関数であり、金であれは３.５ｅＶである。ｔ_F,およびν_Fそれぞれは、定数である。入射テラヘルツ波の電界振幅が大きくない場合には、ｔ_F,およびν_Fそれぞれの値を１としてよい。その場合にはＦＮ式は下記（２）式で表される。

【0058】

【数2】

【0059】

ＦＮ式は、光電子増倍管３０の電子放出部３１から放出される電流Ｊ_FNと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの間の関係を表すものであるが、光電子増倍管３０の出力値と入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの間の関係も同様に表すことができる。

【0060】

ＦＮ式におけるａ_FNおよびｂ_FNそれぞれの値を求める必要がある。そのためには、入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅを各値に設定して光電子増倍管３０の出力値Ｖを測定し、これらの測定値を用いたフィッティング処理をすることにより、ａ_FNおよびｂ_FNそれぞれの値を求めることができる。図９は、フィッティング処理により求めた光電子増倍管３０の出力値Ｖと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの関係（ＦＮ式）を示すグラフである。この図には、五つの測定値が丸印で示されている。

【0061】

ＦＮ式を用いて光電子増倍管３０の出力値Ｖから入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅを求めるには、次のようにすればよい。ＦＮ式を用いた計算により、入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅの各値に対して光電子増倍管３０の出力値Ｖを求めておく。図１０は、ＦＮ式を用いた計算による入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅと光電子増倍管３０の出力値Ｖとの間の対応例を記載した表である。電界振幅算出部５０は、実際の光電子増倍管３０の出力値Ｖから、最もフィッティングの値に近い入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅを求める。或いは、補間計算により入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅを求めてもよい。

【0062】

分析部６０は、電界振幅算出部５０により求められた干渉光の電界振幅Ｅの値の時間差Δｔの値に対する依存性に基づいてフーリエ変換を行うことにより分析対象物Ｓの分析を行う。具体的には次のとおりである。

【0063】

マイケルソン干渉計の構成を有する干渉光学系２０Ａを備える干渉測定装置１Ａ（図１）では、テラヘルツ波は分析対象物Ｓを２回透過する。分析対象物Ｓの位相屈折率をｎ（ω）とし、分析対象物Ｓの消衰係数をｋ（ω）として、分析対象物Ｓの複素屈折率をｎ'（ω）＝ｎ（ω）＋ｉｋ（ω）とする。ωはテラヘルツ波の角周波数である。テラヘルツ波の周波数をｆとすると、ω＝２πｆである。πは円周率である。ｉは虚数単位である。

【0064】

分析対象物Ｓが配置された状態で得られた干渉光の電界振幅をＥ_sample（ω）とし、分析対象物Ｓが配置されていない状態で得られた干渉光の電界振幅をＥ_ref（ω）として、両者の比Ｔ（ω）を下記（３）式で表す。ｔ_asは、空気から分析対象物Ｓへの界面振幅透過率であり、下記（４）式で表される。ｔ_saは、分析対象物Ｓから空気への界面振幅透過率であり、下記（５）式で表される。ｄは分析対象物Ｓの厚みである。ｃは真空中の光速である。

【0065】

【数3】

【0066】

【数4】

【0067】

【数5】

【0068】

上記（３）式を実部と虚部とに分解することにより、下記（６）式～（８）式が得られる。φ（ω）は位相スペクトルである。α（ω）は吸収係数である。干渉測定装置１Ａ（図１）では、分析部６０は、これらから分析対象物Ｓを分析することができる。

【0069】

【数6】

【0070】

【数7】

【0071】

【数8】

【0072】

マイケルソン干渉計の構成を有する干渉光学系２０Ｂを備える干渉測定装置１Ｂ（図２）では、テラヘルツ波は分析対象物Ｓを１回透過する。したがって、上記（３）式，（６）式および（７）式に替えて、次のような（８）式～（１１）式となる。干渉測定装置１Ｂ（図２）では、分析部６０は、これらから分析対象物Ｓを分析することができる。

【0073】

【数9】

【0074】

【数10】

【0075】

【数11】

【0076】

図１１および図１２は、測定ないし分析の結果の一例を示すグラフである。図１１（ａ）のグラフは、電界振幅算出部５０により得られたものである。図１１（ｂ）および図１２（ａ）～（ｃ）の各グラフは、分析部６０により得られたものである。

【0077】

図１１（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの時間差Δｔ依存性を示すグラフである。図１１（ｂ）は、干渉光の電界振幅Ｅの位相スペクトルを示すグラフである。図１２（ａ）は、干渉光の電界振幅Ｅの振幅スペクトルを示すグラフである。これらの図は、分析対象物Ｓが配置されている場合および配置されていない場合それぞれを示す。分析対象物Ｓとしてラクトース（lactose）を用いた。

【0078】

図１２（ｂ）は、吸収係数α（ω）のスペクトルを示すグラフである。図１２（ｃ）は、屈折率ｎ（ω）のスペクトルを示すグラフである。これらの図は、本実施形態による分析結果および従来技術１のＴＨｚ-ＴＤＳによる分析結果を示す。

【0079】

本実施形態による分析結果と従来技術１のＴＨｚ-ＴＤＳによる分析結果とを対比して分かるとおり、吸収係数α（ω）のスペクトルに現れる吸収ピークの位置は、両者の間で一致している。このことから、本実施形態により分析対象物Ｓを分析することができていると言える。

【0080】

干渉強度測定ステップにおいて、干渉強度測定部４０は、光電子増倍管３０から出力された電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整して、干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制するのが好適である。すなわち、光路長差Δｄを変化させたとき、光電子増倍管３０から出力される電圧信号Ｖの振幅の大きさＶp-pは３桁程度変化する。このとき、干渉光の強度を測定する際の測定レンジを固定しておくと、干渉光の強度の測定値が飽和し、或いは、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となる場合がある。干渉強度測定部４０は、干渉光の強度を測定する際の測定レンジを調整することにより、干渉光の強度の測定値の飽和を抑制することが可能となり、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制するが可能となる。

【0081】

干渉強度測定ステップにおいて、干渉強度測定部４０は、光電子増倍管３０から出力された電気信号の時間波形をフーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを干渉光の強度として測定するのが好適である。すなわち、干渉強度測定部４０は、オシロスコープが有するＦＦＴ機能を用いるのが好適である。ＦＦＴ機能を用いれば電気信号の値を対数変換することができるので、測定レンジを調整しなくても、干渉光の強度の測定値の飽和を抑制するとともに、干渉光の強度の測定値がノイズレベル以下となることを抑制することができる。フーリエ変換して得られた特定周波数成分の大きさを干渉光の強度として測定すればよい。一般に、周波数が低いほどＳＮ比が高い。高周波成分は光電子増倍管のタイプに依存するので、この点でも、低周波数成分を解析するのが好ましい。ただし、周波数０Ｈｚ（すなわちＤＣ成分）では信号による有意な差異はない。また、光源１０から出力されるパルス光の繰り返し周波数と一致する成分は避けるのが好ましい。したがって、干渉強度測定部４０は、ＤＣ成分およびパルス光の繰り返し周波数を除いて、できるだけ低い周波数の成分を干渉光の強度として測定するのが好適である。

【0082】

干渉強度測定ステップにおいて、干渉強度測定部４０は、光電子増倍管３０への印加電圧を調整して、電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定するのが好適である。すなわち、図９に示されるとおり、入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅの増加に対して、光電子増倍管３０の出力値Ｖは非線形に増加する。入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅが大きくなるに従って、光電子増倍管３０の出力値Ｖの増加は鈍くなっていく傾向にある。また、光電子増倍管３０の電子増倍部３２に印加する電圧値を変化させることにより、この光電子増倍管３０の出力値Ｖと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの関係を示す感度曲線を、左右方向にシフトさせることができる。

【0083】

図１３は、光電子増倍管３０の出力値Ｖと入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅとの関係を示すグラフである。この図は、光電子増倍管３０の電子増倍部３２に印加する電圧値を異ならせた三つの感度曲線Ａ～Ｃを示している。光源１０の仕様が一定であるとし、入射テラヘルツ波の電界振幅Ｅの変化範囲ΔＥも一定であるとする。

【0084】

感度曲線Ａに対し印加電圧を大きくすると、感度曲線が左方向にシフトして感度曲線Ｂとなる。感度曲線Ａにおける光電子増倍管３０の出力値Ｖの変化範囲ΔＶ_Ａと比べて、感度曲線Ｂでは、光電子増倍管３０の出力値Ｖの変化範囲ΔＶ_Ｂが小さくなるので、測定のダイナミックレンジを大きくすることができ、例えば、光電子増倍管３０を用いた分光測定に有利となる。

【0085】

逆に、感度曲線Ａに対し印加電圧を小さくすると、感度曲線が右方向にシフトして感度曲線Ｃとなる。感度曲線Ａにおける光電子増倍管３０の出力値Ｖの変化範囲ΔＶ_Ａと比べて、感度曲線Ｃでは、光電子増倍管３０の出力値Ｖの変化範囲ΔＶ_Ｃが大きくなるので、測定感度を大きくすることができ、例えば、光電子増倍管３０を用いたセンシングに有利となる。

【0086】

このように、干渉強度測定部４０は、光電子増倍管３０への印加電圧を調整することにより、電気信号に基づいて干渉光の強度を測定する際のダイナミックレンジまたは感度を設定することができる。

【0087】

光電子増倍管３０は、入射光強度を測定するものであってもよいし、入射光強度分布のイメージングが可能なものであてもよい。電子増倍部３２がマイクロチャネルプレートを含む場合（例えばイメージインテンシファイア）、入射光強度分布のイメージングが可能である。このような光電子増倍管３０を用いることにより、分析対象物Ｓの分析イメージングが可能となる。

【符号の説明】

【0088】

１Ａ，１Ｂ…干渉測定装置、１０…光源、２０Ａ，２０Ｂ…干渉光学系、２１，２２…ビームスプリッタ、２３～２６…ミラー、３０…光電子増倍管、３１…電子放出部、３２…電子増倍部、３３…信号出力部、３４…ハウジング、３５…窓部、４０…干渉強度測定部、５０…電界振幅算出部、６０…分析部、Ｓ…分析対象物。

【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】