JPH10104171A - 光システム及びこれによる対象物調査方法 - Google Patents

光システム及びこれによる対象物調査方法

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JPH10104171A
JPH10104171A JP9243654A JP24365497A JPH10104171A JP H10104171 A JPH10104171 A JP H10104171A JP 9243654 A JP9243654 A JP 9243654A JP 24365497 A JP24365497 A JP 24365497A JP H10104171 A JPH10104171 A JP H10104171A
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substrate
lens
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thz
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Martin C Nuss
シー．ナス マーティン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改善された空間解像度を有するＴＨｚ輻射波
光システムの提供。 【解決手段】 本発明の一実施例に基づいて構築された
光システム１０’が、１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波
数範囲において輻射波を発射するための発射源と；同発
射源によって発射された輻射波を自由空間内へ結合する
ための結合用レンズ構造であって結合輻射波の波長が結
合用レンズ構造の出口ひとみにおけるビーム直径の１／
１００より大きいような結合用レンズ構造を有する発信
器２０と；受信された結合輻射波を、ビーム直径が周波
数にほぼ無関係であり波面の湾曲がほぼないビーム、に
コリメートするための少なくとも１個のコリメート用光
素子４０と；同少なくとも１個のコリメート用光素子４
０によってコリメートされたビームを検出器２２に指向
するための集束用光素子４２と；指向されたビームを検
出するための検出器２２と；からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して電磁波スペ
クトルのＴＨｚ（テラヘルツ）又は遠赤外線領域の、反
射され又は透過された輻射波を用いて種々の媒質すなわ
ち対象物（オブジェクト）を調査するシステム及び方法
に関し、詳しくはこのようなシステムにおいて輻射波を
ガイドしそして集束（フォーカス）するための配置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】電磁波スペクトルのＴＨｚ又は遠赤外線
領域は独特の特徴を有する。例えば、ＴＨｚ波は、紙、
厚紙、プラスチック、及び適度の厚さの多くの誘電体、
のような大抵の非金属の対象物を容易に貫通するが、有
極性材料及び液体には吸収される。半導体内のキャリヤ
はこの領域において強い誘電性反応を示すが、金属はＴ
Ｈｚ輻射波に対しては完全に不伝導性である。水蒸気、
アンモニア、塩素、等の有極性気体はスペクトルのこの
領域に、強いそして非常に特徴ある吸収線を有する。
【０００３】その結果、スペクトルのＴＨｚ領域は、気
体の遠隔探査、プラスチック及び複合材料の品質管理、
パッケージ検査、及び水分分析のような用途にますます
重要になりつつある。これらの特徴は、ＴＨｚ周波数領
域における結像処理（イメージング）にも用いることが
できる［文献：Nuss, IEEE Circuits and Devices, Mar
ch 1996参照］。
【０００４】加えて、ＴＨｚ周波数領域は、分光学の分
野においても相当な関心を持たれている。例えば、半導
体及び金属の電子的性質は、その状態のエネルギーがＴ
Ｈｚの光子（フォトン）に共鳴するような束縛状態
（例：励起子及びクーパー対）から大いに影響を受け
る。
【０００５】ＴＨｚ周波数領域は又、トンネル掘削や準
粒子散乱のような、固体内での非弾性プロセスの処理速
度（レート）とも一致する。更に別の例として、量子井
戸のような人工的に合成された微細構造における閉じこ
めエネルギーはＴＨｚ周波数領域内にある。
【０００６】その潜在能力に拘わらず、適切なツールが
ないために、分光学及びイメージングへのＴＨｚ電磁信
号の使用が妨げられてきた。例えば、ミリ波及びサブミ
リ波用の掃引周波数方式の周波数合成器は概略１００Ｇ
Ｈｚよりも低い範囲に周波数が制限されるため、これよ
り高い周波数を得るには個別の周波数源を用いるしかな
かった。
【０００７】他方、フーリエ変換赤外線分光学（ＦＴＩ
Ｒ）では、非コヒーレント光源の輝度不足からＴＨｚ電
磁信号の使用が妨げられた。加えて、ＦＴＩＲの方法
は、もし応答関数の実数部分と虚数部分とを各周波数ご
とに測定する必要がある場合には、有用ではない。
【０００８】最後に、電磁波のＴＨｚ範囲を用いる実時
間イメージングは、この周波数範囲での検出器の感度が
悪いために可能となっていない。
【０００９】上記の不具合を克服した新しい分光学的イ
メージング手法が、米国特許出願第０８/３８８,９３３
（Title:"Method and Apparatus for Terahertz Imagin
g"）（本願の出願人と同一の出願人Lucent Technologie
s）に開示されている。ここに同出願全体を本出願の参
考文献とする。同文献のＴＨｚ（"T-ray"） 手法は、超
短レーザパルス（すなわち数フェムト秒（ｆｓ）台以
下）の助けを得て光学電子的に生成された電磁過渡現象
（過渡電磁波）に基づくものである。
【００１０】これらのＴＨｚ過渡電磁波は、一般に１ピ
コ秒(ps)よりも短い時間長さの電磁輻射波の単周期バー
ストである。これらのバーストのスペクトル密度は一般
に、１００ＧＨｚよりも下から５ＴＨｚよりも上までの
範囲にわたる。光学的にゲート制御された検出を行うこ
とによって、１ｐｓの数分の１の時間解像度でのＴＨｚ
電界の直接測定が可能となる［文献:Smith et al., IEE
E J. Quantum Electr., vol 24, 255-260, 1988］。
【００１１】この測定から、固体、液体、又は気体の組
成物である媒質、の誘電体関数の実数部分及び虚数部分
の両方が急速且つ簡単な仕方で導出される。更に、これ
らＴＨｚ過渡電磁波の輝度は従来の熱的発射源の輝度を
超えるものであり、ゲート制御された検出の感度はボロ
メータを用いた検出による感度よりも数桁高い。
【００１２】新材料の特性特定及び基礎物理現象の調査
研究が進む以上に、ＴＨｚ分光学及びイメージングを活
用できる多くの潜在的用途についての理解が高まりつつ
ある［文献:Nuss, IEEE Circuits and Devices, March
1996, pp.25-30］。有望な用途としては、工業品質管理
及びプロセス制御、パッケージ検査、水分分析、汚染測
定、化学分析、ウエハ特性特定、遠隔探査、及び環境探
査がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら用途の
開発を成功させるためには、重要な構成要素の１つとし
て、ＴＨｚ分光学手法を実現できるように高い効率及び
高い信頼性で作動可能な光システム（光学系）が必要で
ある。上記の用途に対しては、特に、まずＴＨｚ信号
を、平行なそして回折が限度以内に限定されるビーム
（限定回折ビーム）にコリメートし、次に、可能な最高
の空間解像度を得るために、これらのＴＨｚビームを、
回折が限度以内に限定される（限定回折）集束点（スポ
ット）上に集束することのできる光学配置が必要である
ことを、本発明者は確認した。
【００１４】可視光用に設計された光システムの場合と
異なり、ＴＨｚ電磁信号の波長は、用いられる光素子の
サイズに比べて無視できず、又回折効果は光の伝搬を左
右することがあり得る。したがって、光システムの設計
が混乱する。更に、ＴＨｚ光ビームシステムは、ＴＨｚ
信号によってカバーされる１００ＧＨｚよりも下から５
ＴＨｚよりも上までの広い周波数範囲にわたって作動す
る必要がある。
【００１５】本発明によれば、従来の技術において用い
られる光システムの制約を克服することができる［文
献:Van Exter et al., IEEE Trans. Microw. Theor. Te
chn.,vol. 38, 1684-1691, 1990］。
【００１６】この場合の制約とは、例えば、ビーム直径
が周波数に無関係で、より長い距離にわたって伝搬でき
る、平行な限定回折ビームを生成できないこと、波面の
湾曲のない平行ビームを得ることができないこと［文
献:Cheville et al., Appl. Phys. Lett., vol 67, 196
0-1962 (1995)］、 基板レンズにおける総内部反射によ
る光損失があること［文献:Jepsen & Keiding, Opt. Le
tt., vol 20, 807-809,1995］、及び広帯域のＴＨｚ輻
射波を、限定回折集束スポット上へ集束できないことで
ある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
課題を解決するための手段は、改善された処理能力と、
光ビーム性能と、空間解像度とを有する光システムであ
り、同システムにおいては、ＴＨｚ分光学、ＴＨｚイメ
ージング、及びその他の調査手段に有用な輻射波を、高
効率な手法で、例えば光伝導ダイポールアンテナのよう
なＴＨｚ輻射波の送受信装置へそして同装置から（すな
わち同装置との間を）指向性を持たせて結合することが
できる［文献:Smith et al., IEEE J. Quantum Elect
r., vol 24, 255-260, 1988］。
【００１８】本発明の一実施例に基づいて構築された光
システムは、１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲に
おいて輻射波を発射するための発射源と；同発射源によ
って発射された輻射波を自由空間内へ結合するための結
合用レンズ構造であって、結合輻射波の波長が同結合用
レンズ構造の出口ひとみ(exit pupil)におけるビーム直
径の１／１００より大きいような、結合用レンズ構造と
からなる。
【００１９】同光システムは更に、受信された結合輻射
波を、ビーム直径が周波数にほぼ無関係であり且つ波面
の湾曲がほぼないビームにコリメートするための少なく
とも１個のコリメート用光素子と；同少なくとも１個の
コリメート用光素子によってコリメートされたビームを
検出するための検出器と；からなる。
【００２０】本発明の別の実施例に基づいて構築された
光システムは、１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲
において輻射波を発射するための発射源と；同発射源に
よって発射された輻射波を自由空間内へ結合するための
第１の結合用レンズ構造と；受信された結合輻射波を、
限定回折集束スポット上へ集束させるための、少なくと
も１個の光素子と；同少なくとも１個の光素子によって
集束された輻射波を検出するための検出器と；からな
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施例に基づ
く、ＴＨｚ（テラヘルツ）ビームを回折限度まで集束で
きる光素子配置１０を示す。説明の便宜上、光素子配置
１０は米国特許出願第０８/３８８,９３３（Title:"Met
hod and Apparatus for Terahertz Imaging"）に開示さ
れている種類のイメージング装置に用いられた状態を示
す。しかし、本発明に基づいて構築されたレンズ配置
が、例えば遠隔探査、照準、及び組成分析等を含むより
広範囲の用途に適用可能であることは、この分野の当業
者には容易に理解できることである。
【００２２】いずれにせよ、図１のイメージング装置１
２は、時間長さｆｓ（フェムト秒）台の繰り返し光パル
スの発射源１４（ｆｓレーザ）と、ＴＨｚ輻射波を生成
して、対象物１６のような調査対象の媒質に指向し、こ
の媒質を通して透過され又はこの媒質によって反射され
た輻射波を検出する光素子配置１０と、概して符号１８
で示す分析回路とからなる。
【００２３】発射源１４は例えば８００ｎｍに近い波長
及び一般的な約１００ＭＨｚのパルス繰り返し速度を有
するＴｉサファイヤレーザのような固体レーザとして構
成してもよい。又代わりに、発射源１４を、１.５μｍ
に近い波長で作動する、時間長さｆｓ台のＥｒ添加ファ
イバレーザ（ｆｓレーザ）として構成してもよい。
【００２４】図１に示す実施例において、光素子配置１
０は、光学的にゲート制御されるＴＨｚ波送信器２０と
光学的にゲート制御されるＴＨｚ波検出器２２とからな
る。コンピュータ２７に制御されて可変の光遅れ回路２
６が各ゲート処理パルス間の光遅れを変化させる。
【００２５】推奨実施例において、送信器２０及び受信
器２２は光伝導スイッチとして構成され、半導体基板表
面上に付着させた送信回路構造内の間隙（ギャップ）を
架橋する半導体からなる。光伝導スイッチの製作に用い
られる材料は、用いられる発射源の動作波長によって定
まる。
【００２６】約８００ｎｍより短い波長で作動するｆｓ
レーザに関連して用いられる光伝導スイッチに適した材
料は、例えば放射線損傷させたシリコン・オン・サファ
イヤ（ＲＤ−ＳＯＳ）、ＧａＡｓ、及び低温成長させた
ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）がある。１.５μｍ に近い
波長で作動するレーザと共に用いられる光伝導スイッチ
の製作に適した材料の他の例として、低温成長させたＩ
ｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸が
挙げられる［文献:Takahashi et al., Appl. Phy. Let
t., Vol. 65 pp.1790-1792(1994)］。
【００２７】この配置の動作を説明すると、送信器にお
いて、光伝導スイッチに電圧がかけられる。光パルスに
よる光キャリヤの注入後、スイッチを通る電流が非常に
急速に上昇し、それから半導体のキャリヤ寿命によって
与えられる時定数で減衰する。過渡光電流がマクスウエ
ルの式に基づいて自由空間内への放射を行う。検出器に
おいて、電流電圧増幅器（又はアンメータ）が電圧バイ
アスを置換する。
【００２８】入射ＴＨｚパルスの電界によって、光キャ
リヤの駆動フィールド（場）が得られる。ＴＨｚフィー
ルドと光キャリヤとの両方が存在する場合にのみ電流が
スイッチを流れる。電子的手法ではＴＨｚ過渡電流を直
接に測定するのに必要な速さがないので繰り返し光伝導
サンプリング手法が用いられる。もし光キャリヤの寿命
τがＴＨｚパルスよりも遥かに短い場合には、光伝導ス
イッチがサンプリングゲートとして作用し、時間τ以内
でＴＨｚフィールドのサンプリングを行う。
【００２９】送信器を起動させ検出器をゲート制御する
レーザパルスが同じ発射源から発起されるので、ＴＨｚ
過渡電流の全体は、可変の光遅れ回路２６を用いてマッ
ピングでき、これによって光伝導ゲートがＴＨｚ波面全
体にわたって移動する。
【００３０】図１に示す本発明の実施例においては、Ｔ
Ｈｚ波送信器２０と受信器２２（検出器とも称する）と
が、輻射波を発射源から検出器へ導き且つ輻射波を潜在
的に小さいサンプル上の限定回折集束スポットへ集束す
るイメージング素子と共に光素子配置１０に組み込まれ
る。図２に、送信器２０及び検出器２２の両方の構築に
用いられる光伝導ダイポールアンテナ構造を示す。ここ
では、検出器２２の場合についてのみ具体的に述べる。
【００３１】検出器２２はダイポールアンテナ２８から
なり、ダイポールアンテナ２８は、光伝導材料の基板３
０上に形成される１対のダイポール給電線２８ａ及び２
８ｂ、並びにオプションとして１対のダイポール腕部２
９ａ及び２９ｂからなる。
【００３２】基板３０は、図２においては放射線処理し
たシリコン・オン・サファイヤ構造（ＲＤ−ＳＯＳ）か
らなる。２個のダイポール腕部の各々の合計寸法は一般
に１０〜２００μｍの範囲にあり、これらの腕部の間に
は例えば約５μｍの幅の間隙が延びる。アンテナ形成
後、一般に０．６μｍ台の厚さのシリコン層が、ダイポ
ール直下の１００ｘ１００平方μｍの区域を除いてエッ
チングにより除去される。この構成によりアンテナの暗
抵抗が増加し、検出器に対する雑音源となり得る暗電流
が減少する。
【００３３】暗がりでは、ダイポールアンテナの光伝導
間隙３２は非常に高抵抗（約２０ＭΩ）である。レーザ
パルスによるキャリヤの注入でこの抵抗は５００Ωより
も低い値まで低下する。光キャリヤの寿命中、受信され
たＴＨｚ電界の振幅に比例する電流が流れる。下で述べ
るように、この電流は、アンテナの給電線に接続された
電流増幅器３４によって電圧に変換される。基板レンズ
３６が自由空間からの入射ＴＨｚ輻射波をダイポールア
ンテナ内へ結合する。
【００３４】基板レンズ３６は、本発明の光素子配置１
０に用いられる送信器及び受信器両方のダイポールアン
テナの重要な構成要素である。この基板レンズがなけれ
ば、自由空間内への結合が、基板表面間のスラブモード
の励起によって制限される。又、基板レンズによって、
発射された電磁輻射波のコリメート処理の程度が進む。
加えて、このレンズは、ダイポールアンテナの倍率を上
げるように作用し、このことによってその効率が増加す
る。
【００３５】好ましくは、符号３６の基板レンズの誘電
率をその下の基板３０の誘電率に一致させることによ
り、基板とレンズとのインタフェース部における反射を
最小にできる。ＧａＡｓ、サファイヤ、及びシリコンの
基板の場合、高抵抗のシリコンレンズが特に望ましい。
その理由は、高抵抗のシリコンは、ＴＨｚ輻射波の吸収
が少なく、屈折率が周波数と無関係であり、立方晶形構
造を有し、切断及び研磨が容易だからである。
【００３６】考え得る３種類の基板レンズ形状を図３
（Ａ）−（Ｃ）にそれぞれ示す。図３（Ａ）において
は、ダイポールアンテナ（図示せず）が在来のように基
板３０'の第１の表面３１ａに設置される一方、基板レ
ンズ３６' が基板の第２の表面３１ｂに取り付けられ
る。レンズのサイズは直径にして２〜１０ｍｍ台であ
る。
【００３７】従来の技術で用いられる在来の設計（図３
（Ａ））においては、ダイポールアンテナを有する発射
源（ダイポール発射源、又は簡単に、ダイポール）がレ
ンズの焦点ｆに設置され、全ての光線が基板に対して直
角の入射角でレンズから出る。例えば文献（van Exter
& Grischkowsky, IEEE Microw. Theor. Techn., vol38,
1648-1691, (1990)） を参照されたい。
【００３８】この設計において、レンズはレンズ先端Ｔ
から距離ｈの位置で切断される。ｈは次式で与えられ
る。 ｈ＝ｒ[ｎ1/(ｎ1−１)]−(ｎ1/ｎ2)ｄ ここに、ｒは球形基板レンズの半径、ｎ1 はレンズ指数
（屈折率）、ｎ2 は基板指数（屈折率）、ｄは基板の厚
さである。
【００３９】基板のレンズと輻射波送信媒体である空気
とのインタフェース部でのビームの出口ひとみ寸法ｐが
小さいので、回折効果によってＴＨｚビームのコリメー
ト処理が妨害され、結果として、より長い距離にわたっ
てビームを、顕著な光拡散及び波面湾曲を生じさせるこ
となく伝搬することができず、ＴＨｚビームを、従来の
技術において仮定されたような平行な限定回折ビームに
コリメートすることは確実に不可能である。
【００４０】しかし、本発明者は、輻射波の発射源が理
想に近い点源であることから、別のレンズ形状を用いる
ことにより、ビーム直径が周波数に依存し波面の湾曲が
なくしかも限定回折サイズのスポット上に集束すること
が可能であるような、平行な限定回折ビームが得られる
ことを認識した。
【００４１】加えて、本発明者は、図３（Ａ）のレンズ
形状において、輻射波が発射される発射円錐角が、レン
ズと自由空間とのインタフェース部における内部全反射
の角度によって限定されるという不具合点があることも
認識した。図３（Ａ）のレンズ形状に対する最大円錐角
は次式で与えられる。 ｓｉｎθ＝(ｎ−１)/(ｎ2−２ｎ) ここに、θは円錐角の半分（半円錐角）、ｎは基板レン
ズの屈折率である。
【００４２】例えば屈折率３.４２ のシリコンレンズに
対する半円錐角は約３０度である。光伝導ダイポールか
ら発射される輻射波の半円錐角は上記で導出される角度
よりも一般に大きいので（例えば４５度）、ダイポール
から発射される光の顕著な部分が内部全反射によって失
われることになる。
【００４３】ビーム直径が周波数にほぼ無関係であり空
間解像度が改善された、ほぼ平行なビーム、を後に述べ
る仕方で得るのに用いられる、本発明に基づく基板レン
ズの形状は、図３（Ｂ）に示すような半球形に設計され
る。基板レンズと空気とのインタフェース部においては
屈折が生じないので、内部全反射に対する臨界角が存在
せず、したがってレンズの出口ひとみにおいて回折効果
は生じない。
【００４４】この半球形レンズの設計仕様は基板レンズ
３６''の中心Ｃがダイポールアンテナ（図示せず）の位
置にあるように定められる。基板の厚さを含めるため基
板レンズはレンズの先端Ｔから、次式で与えられる距離
ｈの位置で切断される。 ｈ＝ｒ−(ｎ1/ｎ2)ｄ
【００４５】本発明に基づく特に推奨される基板レンズ
の形状は、無球面収差の超半球形の形状であって、これ
を図３（Ｃ）に示す。この図３（Ｃ）の基板レンズの形
状は、例えばレンズ及び又は鏡の配置と組み合わせて、
ＴＨｚビームを、波長寸法（例、３００μｍ台）に匹敵
する寸法の限定回折スポットへ集束するのに用いられ
る。半球形の設計と同様に、この設計は球面収差すなわ
ちコマ収差がなく、シリコンをレンズ材料として用いる
場合には色分散がない。
【００４６】基板レンズは、レンズの先端Ｔから、次式
で与えられる距離ｈの位置で切断される。 ｈ＝ｒ[１＋(１/ｎ1)]−ｄ[{(ｎ1−ｎ2)/ｎ2}−１] ここに、ｒは基板レンズの半径、ｎ1 及びｎ2 はそれぞ
れ基板レンズ３６''' 及び基板３０''' の有効屈折率で
ある。
【００４７】図３（Ｂ）の半球形設計と対照的に、図３
（Ｃ）の無球面収差で超半球形のレンズ形状ではビーム
が僅かにコリメートされるので、このレンズ以外の残り
の光システムをより高いｆナンバーの光学系で設計する
ことが可能となる。この図３（Ｃ）の形状においては、
レンズと自由空間とのインタフェース部での内部全反射
の臨界円錐角が十分大きいので、光伝導ダイポールアン
テナによって発射されたＴＨｚ輻射波のほぼ全てを自由
空間へ結合することができる。
【００４８】上記の半球形及び超半球形のレンズ形状の
有用性を示す種々の実現例を、種々の光素子配置と組み
合わせた場合について次に個別に詳述する。図４〜図７
は、図３（Ｂ）及び（Ｃ）の本発明に基づく新規の基板
レンズ形状と組み合わせて用いられる種々の配置を示
す。尚、これら種々の配置は例示を目的に提示したに過
ぎず、いずれの基板レンズ形状も、例示のどの配置にも
使用できる。
【００４９】本発明に基づき例えば、放物面の鏡（又は
レンズ）が、送信（すなわち、発射）されたＴＨｚ輻射
波を、対象周波数範囲（すなわち、１００ＧＨｚ〜５Ｔ
Ｈｚ）の波長又は周波数に顕著には依存しないビーム直
径を有するほぼ平行なビームにコリメートするのに用い
られる。光集束用の鏡（又はレンズ）が、このようにコ
リメートされた平行ビームを、光システムの中心にある
限定回折スポット上へ集束するのに用いられる。レンズ
と鏡との対称的配置が、ＴＨｚ輻射波を検出器上へ効率
よく集波するのに用いられる。
【００５０】図４（Ａ）は、図３（Ｂ）の無球面収差で
半球形の基板レンズ形状又は図３（Ｃ）の無球面収差で
超半球形の基板レンズ形状を用いてＴＨｚ輻射波のコリ
メートされたビームを生成する、本発明に基づいて構築
された光配置例を示す。本発明に基づき、ビームＢが、
少なくとも１個の光素子（例示では単一のレンズ４１）
によって、ビーム直径が周波数にほぼ無関係であり波面
の湾曲がほぼない状態でより長い距離にわたって伝搬で
きる平行な限定回折ビーム、にコリメートされる。
【００５１】尚これに関していえば、波面の湾曲がなく
ビーム直径が周波数に完全に依存するようなコリメート
されたビームは、図３（Ｂ）の無球面収差の半球形構成
によってのみ得られる。一方、図３（Ｃ）の構成での
み、ビーム直径が周波数にほぼ無関係であり且つ波面の
湾曲がほぼないビームが得られる。ＴＨｚビームをコリ
メート及び／又は集束するのに要する光素子の開口数
は、図３（Ｂ）の形状に対しては、より大きくする必要
があるので、概して、無球面収差で超半球形の形状を用
いるのがより実際的であろう。
【００５２】図４（Ｂ）に、図３（Ｂ）の無球面収差で
半球形の基板レンズ形状又は図３（Ｃ）の無球面収差で
超半球形の基板レンズ形状を用いてＴＨｚ輻射波のコリ
メートされたビームを生成し、このビームのうち調査対
象の媒質（概して符号Ｍで示す）を通して透過された部
分を検出する、本発明に基づいて構築された光配置例を
示す。図４（Ｂ）に示す配置においては、軸心から外れ
た（すなわち偏心の）放物面鏡４０、４２が、送信器２
０から受信されたＴＨｚ輻射波をコリメートし、コリメ
ートされた輻射波を受信器２２上へ集束するのに用いら
れる。
【００５３】例示により説明すると、超半球形基板レン
ズから放出される輻射波の全発射角すなわち円錐角は約
３０度である。焦点距離６．６ｃｍの偏心放物面鏡を用
いて、遠赤外線輻射波を、直径約２５ｍｍの、平行な限
定回折ビームにコリメートすることができる。
【００５４】このようなコリメートされたビームは、ビ
ーム直径が周波数にほぼ無関係で、ビーム直径にわたっ
て均質でない対象物又は媒質のスペクトル分析に特に有
用である。又この形状によれば、コリメートされたビー
ムを回折による輻射波の損失なしに長い距離（少なくと
も数ｍ）にわたって伝播させることが可能になる。
【００５５】これと対照的に、図３（Ａ）の基板レンズ
形状を用いた従来の技術による構成では、放物面鏡４０
及び４２の間の間隔がその焦点距離の２倍であるときの
み、最適の結合効率が得られる。上記の例では、この放
物面鏡の間隔は１３．２ｃｍになる。
【００５６】従来の技術による構成の別の欠点は、波面
の湾曲がなければＴＨｚビームが伝搬できないことであ
る。例えば文献（Cheville & Grischkowsky, Appl. Phy
sicsLett., vol 67, 1960-1962 (1990)）を参照された
い。波面の湾曲のないビームを得ることは、例えば照準
及び時間領域反射率測定法におけるような、透過又は反
射されたＴＨｚ輻射波のタイミング解析に重要である。
【００５７】尚、放物面鏡は位置合わせが少し難しい
が、ＴＨｚ輻射波の全範囲にわたって高い反射力と色収
差補正動作とが得られる。代わりに、１ＴＨｚよりも低
い周波数では溶融石英レンズをそして最高１０ＴＨｚま
ではシリコンレンズを用いるようにしてもよい。しか
し、可視レーザビームを用いる溶融石英レンズの位置合
わせは、屈折率が可視周波数とＴＨｚ周波数とで非常に
異なるので実施的でないことを注記したい。
【００５８】他の有用レンズ材料としてはＴＰＸ（poly
-4-methyl-pentene-1） がある。これは一種のポリマー
で、ＴＨｚ輻射波周波数の全範囲にわたって吸収率及び
分散率が低いが、柔らかいので研磨が少し困難である。
【００５９】図５は、調査対象の媒質Ｍから反射された
後のＴＨｚ輻射波を検出するように設計された本発明の
別の実施例に基づく光素子配置を示す。図５において、
集束用のレンズ４４' が、送信器２０を出たビームを、
コリメートされた領域においてビーム直径が周波数にほ
ぼ無関係であり且つ波面の湾曲がほぼないビーム、にコ
リメートする。反射された部分のビームは、第２の集束
用のレンズ４６' によって検出器２２内へ結合される。
【００６０】尚、反射方式の配置が図５に示されている
が、それぞれの構成要素を適切に配置することにより、
この配置を、透過による分析用に再構成できることが容
易に理解されよう。
【００６１】図６の配置においては、発射されたＴＨｚ
ビームが送信器２０の基板レンズから送出され、ビーム
直径が周波数にほぼ無関係であり且つ波面の湾曲がほぼ
ないビーム、に放物面鏡４４''によってコリメートされ
る。図６に示すように、集束用レンズ４８、又は代わり
に別の偏心放物面（図示せず）を挿入することにより、
ビームは更に、１ＴＨｚのピーク周波数において１ｍｍ
より小さい直径の限定回折スポット上へ集束される。
【００６２】それから、例えばレンズ５０と放物面鏡４
６''とからなる同様な光素子配置が、送信され集束され
た輻射波を集光し受信器２２上へ集束する。この配置で
は、調査対象の媒質（図示せず）に限定回折集束スポッ
トＳが得られ、これは、可能最小の集束スポットとな
る。このような小サイズのスポット上へ集束できる能力
を、例えば高解像度イメージング用途（例：Nuss, IEEE
Circuits and Devices,March 1996, pp.25-30） に、
あるいは小サイズの物体の調査に用いることができるの
で有利である。
【００６３】広帯域ＴＨｚイメージングにおいて、限定
回折スポットのサイズは輻射波の波長に反比例する。し
たがって、ＴＨｚパルスの高周波数部分の内容選択的に
処理することにより、より高い空間解像度が得られる。
【００６４】図７は、送信器２０と検出器２２との間の
光素子配置を変えた別の配置を示す。発射されたＴＨｚ
輻射波が送信器２０の基板レンズから送出され、レンズ
４８' のような少なくとも１個の光素子によって受信さ
れ、対象物又は媒質Ｍ上又は内の限定回折スポット上へ
集束される。次に、対象物又は媒質から反射された輻射
波が、レンズ５０' のような第２の光素子によって集光
され受信器２２上に集束される。
【００６５】尚又、与えられた用途に適した仕方でＴＨ
ｚ輻射波をコリメート及び／又は集束するために必要で
あれば何個の光素子を用いてもよい。更に、上記の実現
例全てにわたって対称的配置が示されているが、光素子
の非対称的配置も利用可能であることは、この分野の当
業者には容易に確認できよう。
【００６６】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００６７】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、従
来の技術において用いられる光システムの、ＴＨｚ輻射
波取り扱いに際しての制約を克服することができる。す
なわち、ビーム直径が周波数に無関係で、より長い距離
にわたって伝搬できる平行な限定回折ビーム、を生成で
き、波面の湾曲のない平行ビームを得ることができる。
基板レンズにおける総内部反射による光損失を防止でき
る。又、広帯域のＴＨｚ輻射波を、限定回折集束スポッ
ト上へ集束できる。
【００６８】したがって、空間解像度が改善され、ＴＨ
ｚ分光学及びその他の調査手順に有用なＴＨｚ輻射波信
号を効率よく処理できる光システムが得られる。その結
果、ＴＨｚ分光学及びイメージング等の手法が実現可能
となり、これら手法の潜在用途である工業品質管理及び
プロセス制御、パッケージ検査、水分分析、汚染測定、
化学分析、ウエハ特性特定、遠隔探査及び環境探査等の
発展が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に基づく光素子の配置を、限
定回折スポット上へ集束されたＴＨｚ輻射波を用いるイ
メージング装置に使用された場合について示す。
【図２】図１の実施例に用いられる光伝導ダイポールア
ンテナ検出器構造の斜視図である。このアンテナ構造は
送信器と構造面で類似する。
【図３】図２に示すようなダイポールアンテナ構造に関
連して用いられる３種類の基板レンズの概略図で、図３
（Ａ）は、従来の技術によって一般に用いられる通常の
基板レンズ、図３（Ｂ）は、本発明に基づき構築された
光学配置に用いられる一基板レンズ、図（Ｃ）は、本発
明に基づき構築された光学配置に用いられる別の基板レ
ンズ、をそれぞれ示す。
【図４】本発明に基づき構築されて、ＴＨｚ輻射波を処
理するように作動する光学配置の概略図である。これら
のうち、図４（Ａ）は、図３（Ｂ）又は図３（Ｃ）の形
状の基板レンズによって自由空間内へ結合された直接の
ＴＨｚ輻射波を、ビーム直径が周波数にほぼ無関係であ
り波面の湾曲がほぼない状態でより長い距離にわたって
伝搬できる平行な限定回折ビーム、にコリメートするよ
うに作動する光学配置を示す。図４（Ｂ）は、コリメー
トされたＴＨｚ輻射波ビームを調査対象の媒質に指向す
るように作動する光学配置を示す。この場合、この輻射
波ビームのうちこの媒質を通して透過された輻射波ビー
ム部分が次に検出処理にかけられるように構成される。
【図５】図５は、図４（Ｂ）と同様に、本発明に基づき
構築されて、ＴＨｚ輻射波を処理するように作動する光
学配置の概略図であり、コリメートされたＴＨｚ輻射波
ビームを調査対象の媒質に指向するように作動する光学
配置を示す。この場合、この輻射波ビームのうちこの媒
質によって反射された輻射波ビーム部分が次に検出処理
にかけられるように構成される。
【図６】本発明に基づき構築されＴＨｚ輻射波を処理す
るように作動する別の光学配置の概略図で、図３（Ｂ）
又は図３（Ｃ）の形状の基板レンズによって自由空間内
へ結合されたＴＨｚ輻射波を、調査対象の媒質におけ
る、限定回折スポット上へ集束するように作動する光学
配置を示す。この場合この輻射波ビームのうちこの媒質
を通して透過された部分が次に検出処理にかけられるよ
うに構成される。
【図７】本発明に基づき構築されて、ＴＨｚ輻射波を処
理するように作動する更に別の光学配置の概略図で、図
３（Ｂ）又は図３（Ｃ）の形状の基板レンズによって自
由空間内へ結合されたＴＨｚ輻射波を、調査対象の媒質
における、限定回折スポット上へ集束するように作動す
る光学配置を示す。この場合この輻射波ビームのうちこ
の媒質によって反射された部分が次に検出処理にかけら
れるように構成される。
【符号の説明】
１０、１０' 光素子配置 １２ イメージング装置 １４ 発射源（ｆｓレーザ） １６ 対象物 １８ 分析回路 ２０ ＴＨｚ波送信器（発射器） ２２ ＴＨｚ波検出器（受信器） ２６ 光遅れ回路 ２７ コンピュータ ２８ ダイポールアンテナ ２８ａ、２８ｂ ダイポール給電線 ２９ａ、２９ｂ ダイポール腕部 ３０、３０'、３０''、３０''' 基板 ３１ａ （基板の）第１の表面 ３１ｂ （基板の）第２の表面 ３２ 間隙 ３４ 電流増幅器 ３６、３６'、３６''、３６''' 基板レンズ ４０、４２、４４''、４６'' 放物面鏡 ４１ 単一のレンズ ４４’ レンズ ４６’ レンズ ４８ 集束用レンズ ４８’、５０、５０’ レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲
    において輻射波を発射するための発射源と；該発射源に
    よって発射された輻射波を自由空間内へ結合するための
    結合用レンズ構造であって、結合輻射波の波長が該結合
    用レンズ構造の出口ひとみにおけるビーム直径の１／１
    ００より大きいような、結合用レンズ構造と；受信され
    た結合輻射波を、ビーム直径が周波数にほぼ無関係であ
    り且つ波面の湾曲がほぼないビームにコリメートするた
    めの少なくとも１個のコリメート用光素子と；該少なく
    とも１個のコリメート用光素子によってコリメートされ
    たビームを検出するための検出器と；からなることを特
    徴とする、ＴＨｚ輻射波を用いる光システム。
  2. 【請求項２】 １００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲
    において輻射波を発射するための発射源と；該発射源に
    よって発射された輻射波を自由空間内へ結合するための
    第１の結合用レンズ構造と；受信された結合輻射波を、
    限定回折集束スポット上へ集束させるための、少なくと
    も１個の光素子と；該少なくとも１個の光素子によって
    集束された輻射波を検出するための検出器と；からなる
    ことを特徴とする、ＴＨｚ輻射波を用いる光システム。
  3. 【請求項３】 前記発射源が、基板の第１の表面上に形
    成されたダイポール発射器を有し、前記結合用レンズ構
    造が、該基板の第２の表面上に形成された基板レンズを
    有し、該基板レンズが、その中心を通り且つ該ダイポー
    ル発射器と交叉する光軸を有する、ことを特徴とする請
    求項１又は請求項２の光システム。
  4. 【請求項４】 前記基板レンズが超半球形の形状を有
    し、前記基板レンズの中心と前記基板の前記第１の表面
    とが隔離され、該隔離距離が、前記ダイポール発射器を
    有する前記発射源のダイポール輻射コーン内で発射され
    たほぼ全ての光線の、自由空間インタフェース部への前
    記基板レンズにおける入射角が、総内部反射に対する臨
    界角よりも小さくなるような距離である、ことを特徴と
    する請求項３の光システム。
  5. 【請求項５】 前記検出器がダイポール受信器を有する
    ことを特徴とする請求項３の光システム。
  6. 【請求項６】 前記結合用レンズ構造が第１の結合用レ
    ンズ構造であり、前記検出器が更に、 第２の結合用レンズ構造と；コリメートされた輻射波を
    該第２の結合用レンズ構造内へ集中するための集中用光
    素子と；を有し、 該第２の結合用レンズ構造が、該集中された輻射波を自
    由空間から前記ダイポール受信器へ結合するように作動
    する、ことを特徴とする請求項４の光システム。
  7. 【請求項７】 前記検出器が電気光学受信器を有するこ
    とを特徴とする請求項１の光システム。
  8. 【請求項８】 前記少なくとも１個のコリメート用光素
    子が、コリメートされた輻射波を調査対象の媒質に指向
    するような寸法及び配置を有し、 前記検出器が、前記少なくとも１個のコリメート用光素
    子に関して、該媒質を通して透過されるコリメートされ
    た輻射波を受信するように、配置される、ことを特徴と
    する請求項１の光システム。
  9. 【請求項９】 前記少なくとも１個のコリメート用光素
    子が、コリメートされた輻射波を検討対象の媒質へ向け
    るような寸法及び配置を有し、 前記検出器が、前記少なくとも１個のコリメート用光素
    子に関して、前記媒質によって反射されるコリメートさ
    れた輻射波を受信するように、配置される、ことを特徴
    とする請求項１の光システム。
  10. 【請求項１０】 前記結合用レンズ構造が第１の結合用
    レンズ構造であり、 前記検出器が更に、 第２の結合用レンズ構造と；限定回折集束スポット上へ
    集束された輻射波を該第２の結合用レンズ構造へ指向す
    るための少なくとも１個の集束用光素子と；を有し、 該第２の結合用レンズ構造が、該指向された輻射波を自
    由空間から前記ダイポール受信器へ結合するように作動
    する、ことを特徴とする請求項５の光システム。
  11. 【請求項１１】 前記少なくとも１個のコリメート用光
    素子が、輻射波を検討対象の媒質内の限定回折集束スポ
    ット上へ集束させる動作を行うように配置され、 前記検出器が、該限定回折集束スポット上へ集束され該
    媒質を通して透過された輻射波を受信する動作を行うよ
    うに配置される、ことを特徴とする請求項９の光システ
    ム。
  12. 【請求項１２】 前記少なくとも１個のコリメート用光
    素子が、輻射波を検討対象の媒質内の限定回折集束スポ
    ット上へ集束させる動作を行うように配置され、 前記検出器が、該限定回折集束スポット上へ集束され該
    媒質によって反射された輻射波を受信する動作を行うよ
    うに配置される、ことを特徴とする請求項９の光システ
    ム。
  13. 【請求項１３】 ＴＨｚ光システムで用いられるレンズ
    配置であって、 該レンズ配置が、 発射源によって１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲
    で発射された輻射波を自由空間内へ結合するための第１
    の結合用レンズ構造と、 受信された結合輻射波を、ビーム直径が周波数にほぼ無
    関係であり且つ波面湾曲をほぼ持たないビームにコリメ
    ートするための少なくとも１個のコリメート用光素子
    と；からなり、 該発射された輻射波の波長が該結合用レンズ構造の出口
    ひとみにおけるビーム直径の１／１００より大きい、こ
    とを特徴とする、ＴＨｚ光システムで用いられるレンズ
    配置。
  14. 【請求項１４】 前記結合用レンズ構造が第１の結合用
    レンズ構造であり、 前記レンズ配置が更に、 第２の結合用レンズ構造と；コリメートされた輻射波を
    該第２の結合用レンズ構造内へ集中するための集中用光
    素子と；を有し、 該第２の結合用レンズ構造が、該集中された輻射波を自
    由空間から受信器へ結合する動作を行うように配置され
    る、ことを特徴とする請求項１３の配置。
  15. 【請求項１５】 ＴＨｚ光システムで用いられるレンズ
    配置であって、 該レンズ配置が、 発射源によって１００ＧＨｚ〜２０ＴＨｚの周波数範囲
    において発射された輻射波を自由空間内へ結合するため
    の第１の結合用レンズ構造と；受信された結合輻射波
    を、限定回折集束スポット上へ集束させるための、少な
    くとも１個の光素子と；からなる、ことを特徴とする、
    ＴＨｚ光システムで用いられるレンズ配置。
  16. 【請求項１６】 前記結合用レンズ構造が、基板の第１
    の表面上に形成された基板レンズを有することを特徴と
    する、請求項１３又は請求項１５の配置。
  17. 【請求項１７】 前記基板レンズが、超半球形の形状を
    有し、前記基板レンズの中心と前記基板の前記第１の表
    面とが、前記基板レンズの半径を前記基板レンズの屈折
    率で除した値よりも大きくない距離だけ隔離されてい
    る、ことを特徴とする請求項１６の配置。
  18. 【請求項１８】 前記基板レンズが無球面収差であるこ
    とを特徴とする請求項１７の配置。
  19. 【請求項１９】 前記基板レンズが半球であることを特
    徴とする請求項１６の配置。
  20. 【請求項２０】 前記結合用レンズ構造が第１の結合用
    レンズ構造であり、 前記レンズ配置が更に、 第２の結合用レンズ構造と；限定回折集束スポット上へ
    集束された輻射波を該第２の結合用レンズ構造へ指向す
    るための少なくとも１個の集束用光素子と；を有し、 該第２の結合用レンズ構造が、該指向された輻射波を自
    由空間から受信器へ結合する動作を行うように配置され
    ることを特徴とする請求項１５の配置。
  21. 【請求項２１】 発射源によって１００ＧＨｚ〜２０Ｔ
    Ｈｚの周波数範囲で発射された輻射波を用いて対象物を
    調査する方法であって、 該方法が、 該発射源によって発射された輻射波を、第１の結合用レ
    ンズ構造を用いて、結合輻射波の波長が該第１の結合用
    レンズ構造の出口ひとみにおけるビーム直径の１／１０
    ０より大きくなるように、結合するステップと；受信さ
    れた結合輻射波を、ビーム直径が周波数にほぼ無関係で
    あり且つ波面湾曲をほぼ持たないビームにコリメートす
    るステップと；コリメートされた輻射波を、調査対象の
    媒質に指向するステップと；該指向ステップの間に該媒
    質によって反射された輻射波及び該媒質を通して透過さ
    れた輻射波の１つを検出するステップと；からなること
    を特徴とする、輻射波を用いて対象物を調査する方法。
  22. 【請求項２２】 発射源によって１００ＧＨｚ〜２０Ｔ
    Ｈｚの周波数範囲で発射された輻射波を用いて対象物を
    調査する方法であって、 該方法が、 該発射源によって発射された輻射波を、第１の結合用レ
    ンズ構造を用いて、自由空間内へ結合するステップと；
    受信された結合輻射波を、調査対象の媒質に連関する限
    定回折集束スポット上へ集束するステップと；該集束ス
    テップの間に該媒質によって反射された輻射波及び該媒
    質を通して透過された輻射波の１つを検出するステップ
    と；からなることを特徴とする、輻射波を用いて対象物
    を調査する方法。
  23. 【請求項２３】 前記基板レンズが、超半球形の形状を
    有し、前記基板レンズの中心と前記基板の前記第１の表
    面とが、前記基板レンズの半径を前記基板レンズの屈折
    率で除した値よりも大きくない距離だけ隔離されてい
    る、ことを特徴とする請求項３の光システム。
  24. 【請求項２４】 前記基板レンズが無球面収差であるこ
    とを特徴とする請求項２３の光システム。
  25. 【請求項２５】 前記基板レンズが半球であることを特
    徴とする請求項３の光システム。
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