專利名稱：時域太赫波測量裝置中校準(zhǔn)時間軸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫波(terahertz wave)的測量裝置和測量方法,更特別地,涉及測量時域中的太赫波的太赫波測量裝置(THz-時域波譜法(spectroscopy) (THz-TDS)裝置)和測量方法。更具體地，本發(fā)明涉及通過校準(zhǔn)通過傅立葉變換從太赫波的時間波形獲得的頻譜來改善裝置的定量性(測量值的可靠性程度)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
太赫波是具有0. 03THz至30THz的頻帶中的任意成分的電磁波。在這種頻帶內(nèi)常常出現(xiàn)源自生物分子以及源自各種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的特征吸收(特定頻譜的吸收)。通過利用這種性能，正在開發(fā)以非破壞的方式分析和識別物質(zhì)的檢查技術(shù)。另外，希望這些技術(shù)作為可替代X射線的更安全的成像技術(shù)并作為高速通信技術(shù)而應(yīng)用。這種應(yīng)用常常利用物質(zhì)特有的且作為頻譜觀察的吸收。在利用頻譜的裝置的配置的情況下，測量的頻譜的定量 性是重要的。該要求不限于太赫波區(qū)域。關(guān)于紅外區(qū)域，例如，已經(jīng)公開了通過計算從用于校準(zhǔn)的物質(zhì)的光學(xué)參數(shù)估計的理論波形和用于校準(zhǔn)的物質(zhì)的測量波形之間的偏離來校準(zhǔn)裝置的技術(shù)(PTL I)。另一方面，許多THz-TDS裝置為了獲得具有亞皮秒(sub-picosecond)量級的脈沖持續(xù)時間的波形，通過使用具有飛秒(femtosecond)量級的脈沖寬度的超短脈沖光(以下可稱為激勵光)來執(zhí)行采樣測量。可通過調(diào)整分別到達(dá)產(chǎn)生太赫波的產(chǎn)生單元與檢測太赫波的檢測單元的激勵光束之間的時間差，來實現(xiàn)太赫波的這種采樣。例如，通過用具有反射光學(xué)系統(tǒng)并被插入激勵光的傳播路徑中的臺架(stage)(這里可被稱為延遲光學(xué)單元)調(diào)整激勵光的反射量，來獲得時間差。測量頻譜的精度受該臺架的行為的影響。因此，公開了通過適當(dāng)?shù)乇O(jiān)視臺架的位置并獲得確切的激勵光的反射量來改善測量精度的技術(shù)(PTL 2)。引文列表專利文獻(xiàn)PTL I :日本專利公開 No. 2002-139420PTL 2 :日本專利公開 No. 2007-101370

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題已經(jīng)介紹了的太赫波區(qū)域中的頻譜數(shù)據(jù)不希望地明顯(more than a little)反映裝置配置和測量方法的影響，并且包含模擬的對其的譜分析不令人滿意。出于這種原因，如果PTL I中公開的技術(shù)被應(yīng)用于太赫波的測量，那么難以通過單純地使用太赫波區(qū)域的光學(xué)參數(shù)獲得關(guān)于已知物質(zhì)的信息，這因此使得難以定義理論波形。因此，不容易改善太赫波區(qū)域中的測量頻譜的定量性。PTL 2中公開的技術(shù)是用于通過在時間波形的數(shù)據(jù)中確切地反映包含于延遲光學(xué)單元中的臺架的位置數(shù)據(jù)來改善測量精度的提案。在這種情況下，預(yù)期改善個體(individual)裝置的測量精度。但是，難以校正具有不同配置的裝置之間的頻譜的定量性的變動，所述不同配置具有不同的臺架位置偏離以及不同的位置數(shù)據(jù)讀取精度。鑒于上述的技術(shù)情形，考慮到諸如包含于上述的延遲光學(xué)單元中的臺架的能力的裝置配置的差異和諸如圍繞測量系統(tǒng)的氣氛(atmosphere)、溫度和濕度的測量環(huán)境的差異，要在太赫波的測量中注意以下的要點。即，由于這些差異，可在激勵光的光路長度的預(yù)期變化與光路長度的測量變化之間導(dǎo)致偏離。結(jié)果，即使測量同一樣品，也在測量裝置之間導(dǎo)致測量結(jié)果的變動，這引起對獲得的頻譜信息的定量性低的關(guān)注。因此，在太赫波的測量中，希望改善獲得的頻譜信息的定量性。問題的解決方案本發(fā)明提供一種使用太赫波測量裝置的測量方法，所述太赫波測量裝置通過使用時域波譜法測量太赫波的時間波形作為測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)是通過包含強(qiáng)度數(shù)據(jù)流以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素之間的時間間隔而形成的，所述測量方法包括以下的步驟通過使用太赫波測量裝置來測量與已獲知校準(zhǔn)譜形狀的校準(zhǔn)樣品有關(guān)的太赫波的時間波形的步驟； 通過變換時間波形獲得測量譜的步驟；比較校準(zhǔn)譜和測量譜的步驟；以及通過基于比較結(jié)果調(diào)整形成時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔來校準(zhǔn)太赫波測量裝置的步驟。另外，本發(fā)明提供一種太赫波測量裝置，所述太赫波測量裝置通過使用時域波譜法測量太赫波的時間波形，所述太赫波測量裝置包括以下的元件產(chǎn)生單元，被配置為產(chǎn)生太赫波；檢測單元，被配置為檢測已由產(chǎn)生單元產(chǎn)生并已通過樣品傳播的太赫波；延遲單元，被配置為調(diào)整由產(chǎn)生單元產(chǎn)生太赫波時的時間與由檢測單元檢測太赫波時的時間之間的延遲時間；處理單元，被配置為參照檢測單元和延遲單元的輸出，并被配置為獲得太赫波的時間波形，作為通過包含強(qiáng)度數(shù)據(jù)流以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素之間的時間間隔而形成的測量數(shù)據(jù)；以及存儲單元，被配置為存儲與時間間隔的調(diào)整有關(guān)的信息。處理單元獲得與已獲知校準(zhǔn)譜形狀的校準(zhǔn)樣品有關(guān)的太赫波的時間波形，還通過變換時間波形獲得測量譜，基于校準(zhǔn)譜和測量譜之間的比較結(jié)果來調(diào)整形成時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔，并在存儲單元中存儲與調(diào)整有關(guān)的信息。發(fā)明的有利效果根據(jù)本發(fā)明的各方面，比較獲得的測量譜和校準(zhǔn)譜，并且，基于比較結(jié)果，調(diào)整形成測量的時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔。結(jié)果，已使用的裝置和已測量校準(zhǔn)譜的裝置(可能存在裝置相同而測量環(huán)境不同的情況)被相互校準(zhǔn)，這改善了要從已使用的裝置的輸出的譜信息的定量性。


圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的測量裝置的例子的示意性配置圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的測量裝置和測量方法的例子的操作流程圖。圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的測量裝置和測量方法的操作的例子的示圖。圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的測量裝置和測量方法的操作的例子的示圖。圖4A是示出本發(fā)明實施例中的例子I的校準(zhǔn)操作的示圖。圖4B是示出本發(fā)明實施例中的例子I的校準(zhǔn)操作的示圖。圖5A是示出本發(fā)明實施例中的例子2的校準(zhǔn)操作的示圖。
圖5B是示出本發(fā)明實施例中的例子2的校準(zhǔn)操作的示圖。圖6是示出本發(fā)明實施例中的例子3的校準(zhǔn)操作的示圖。
具體實施例方式在本發(fā)明中，通過基于校準(zhǔn)譜和測量譜之間的比較結(jié)果調(diào)整形成測量的時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔，來校準(zhǔn)測量裝置，其中，所述校準(zhǔn)譜和測量譜已通過使用時域波譜法而獲得?；谶@種意圖，根據(jù)本發(fā)明實施例的太赫波測量裝置和測量方法具有上述的配置作為其基本配置。這里，典型地例如通過比較形成校準(zhǔn)譜的形狀的特征頻率的位置和測量譜的特征頻率的相應(yīng)位置，來執(zhí)行比較。特征頻率的位置可以如將在后面描述的例子中那樣是吸收譜的位置，或者可以是透射率等最高的頻率的位置、或沿譜的大致平坦部分的線和沿譜的傾斜部分的線相交的點的頻率的位置。特征頻率的位置可以為任何位置，只要該位置值得關(guān)注即可，并且特征頻率的位置可對于各情況被適當(dāng)?shù)卮_定。要比較的內(nèi)容可以如將在后面描述的例子中那樣是頻率的位置的有效數(shù)字或偏差(variance)(特征頻率的位置之間的差或特征頻率的位置的和)，或者可以是根據(jù)一定的表達(dá)式由差計算的值，諸如 作為差的絕對值的和或者差的平方和獲得的偏差。典型地通過用回歸分析方法等計算延伸或縮短時間間隔的比例系數(shù)來調(diào)整時間間隔。以下將參照附圖描述能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的思想的實施例。本發(fā)明適用于測量時域中的太赫波的裝置(THz-TDS裝置)。時域中的信號由強(qiáng)度數(shù)據(jù)流和強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素(element)之間的時間間隔t形成。這里，形成時域中的信號的強(qiáng)度數(shù)據(jù)流和時間間隔t可被統(tǒng)稱為“測量數(shù)據(jù)”?？赏ㄟ^將時域中的信號變換成頻域中的信號，來獲得測量譜。在本實施例中，通過使用已知的校準(zhǔn)譜信息事先校正測量數(shù)據(jù)的時間間隔t，使得測量譜信息匹配校準(zhǔn)譜信息。這里“匹配”意味著滿足匹配條件，將在后面描述其例子。但是，需要從改善要從使用的測量裝置輸出的譜信息的定量性的觀點定義匹配條件。這里，通過改變用于校正時間間隔t的系數(shù)的值直到滿足匹配條件來計算該系數(shù)可被稱為“校準(zhǔn)”。當(dāng)用于校正時間間隔t的比例系數(shù)由a表示時，通過由表達(dá)式a X t表示的時間間隔來測量本實施例中的樣品。在這種情況下，也可通過適當(dāng)?shù)貙r域分成多個時間范圍并且對于所述時間范圍獲得系數(shù)al、a2等來執(zhí)行校準(zhǔn)。但是，從改善要從測量裝置輸出的譜信息的定量性的觀點，也需要執(zhí)行時域到時間范圍的分割。圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的太赫波測量裝置的例子的一般配置圖。圖I所示的裝置采用THz-TDS裝置的基本配置并且測量時域中的太赫波的時間波形。在圖I中，采用相關(guān)技術(shù)的測量裝置的配置的單元包含產(chǎn)生單元101、檢測單元102、延遲光學(xué)單元103、電流檢測單元104、處理單元105、偏置(bias)施加單元106和激光源108。處理單元105用作計算作為本發(fā)明特征的用于校正測量數(shù)據(jù)的時間間隔t的系數(shù)a的單元，并且，結(jié)果被存儲于存儲單元107中。存儲單元107可替代地執(zhí)行計算用于校正測量數(shù)據(jù)的時間間隔t的系數(shù)a的功能。在校準(zhǔn)之后的樣品的測量期間，測量裝置參照存儲于存儲單元107中的用于校正的系數(shù)a以調(diào)整樣品的測量數(shù)據(jù)的時間間隔t，并然后執(zhí)行測量。首先，將描述采用相關(guān)技術(shù)的測量裝置的配置的單元。產(chǎn)生單元101是產(chǎn)生太赫波的單元。產(chǎn)生單元101采用的產(chǎn)生原理可以是利用瞬時電流的方法或利用載流子的帶間躍遷的方法。利用瞬時電流的方法包括通過用激勵光照射半導(dǎo)體或有機(jī)晶體的表面來產(chǎn)生太赫波的方法。該方法可以是在向通過用金屬電極在半導(dǎo)體薄膜上形成天線圖案而已獲得的元件(光電導(dǎo)元件)施加電場的狀態(tài)下用激勵光照射該元件的方法。另外，可以應(yīng)用PIN 二極管。作為利用增益結(jié)構(gòu)中的載流子的帶間躍遷的方法，可以應(yīng)用使用半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的方法。檢測單元102是檢測太赫波的場強(qiáng)度的單元。檢測單元102采用的檢測原理可以是基于激勵光福射時的光電導(dǎo)率的變化來檢測與太赫波的場強(qiáng)度對應(yīng)的電流的方法。對于這種用于檢測電流的方法，可以應(yīng)用上述的光電導(dǎo)元件。另外，還存在用于利用電光效應(yīng)檢測電場的方法和用于利用磁光效應(yīng)檢測磁場的方法。作為用于利用電光效應(yīng)檢測電場的方法，可以應(yīng)用使用偏振分離器和電光晶體的方法。作為用于利用磁光效應(yīng)檢測磁場的方法，可以應(yīng)用使用偏振分離器和磁光晶體的方法。這里將描述使用光電導(dǎo)元件作為產(chǎn)生單元101和檢測單元102的例子。激光源108是輸出超短脈沖激光的單元。當(dāng)通過超短脈沖激光的輻射將載流子激勵到半導(dǎo)體薄膜中時，以上已描述的產(chǎn)生單元101和檢測單元102操作。出于這種原因，超短脈沖激光在這里被稱為“激勵光”。如圖I所示，激勵光分叉成沿兩個光路LI和L2傳播的兩個光束。這里，產(chǎn)生單元101被沿光路LI傳播的激勵光束照射。檢測單元102通過后 面將描述的延遲光學(xué)單元103被沿光路L2傳播的激勵光束照射。太赫波的時間波形在許多情況下是比I皮秒短的脈沖波形，并因此難以實時獲得。出于這種原因，使用上述的激勵光來執(zhí)行太赫波的時間波形的采樣測量。作為調(diào)整由產(chǎn)生單元101執(zhí)行的太赫波的產(chǎn)生與由檢測單元102執(zhí)行的太赫波的檢測之間的延遲時間的延遲單元的延遲光學(xué)單元103是在形成太赫波的時間波形的數(shù)據(jù)中調(diào)整執(zhí)行采樣的位置的單元。更具體而言，延遲光學(xué)單元103相對于照射產(chǎn)生單元101的激勵光的到達(dá)時間來延遲照射檢測單元102的激勵光的到達(dá)時間。用于調(diào)整分別到達(dá)產(chǎn)生單元101和檢測單元102的兩個激勵光束之間的時間差的方法可以是直接調(diào)整激勵光束傳播所沿光路的長度的方法或調(diào)整有效光路長度的方法。作為直接調(diào)整光路長度的方法，存在使用反射激勵光的反射光學(xué)系統(tǒng)和沿反射方向移動反射光學(xué)系統(tǒng)的可動單元的方法。作為調(diào)整有效光路長度的方法，存在改變激勵光束傳播所沿光路的時間常數(shù)(折射率)的方法。圖I示出使用單臺架反射光學(xué)系統(tǒng)和作為可動單元的平移臺架的例子。通過用可動單元調(diào)整反射光學(xué)系統(tǒng)的位置，改變從激光源108延伸到檢測單元102的光路L2的長度。通過利用光路長度的變化，由光路L2與LI的長度之間的差計算并調(diào)整分別到達(dá)產(chǎn)生單元101和檢測單元102的兩個激勵光束之間的時間差?？蓜訂卧尿?qū)動速度越快，則獲得太赫波的時間波形所花費的時間越短。偏置施加單元106是供給用于驅(qū)動產(chǎn)生單元101的偏置的單元。當(dāng)使用光電導(dǎo)元件作為產(chǎn)生單元101時，向包含天線圖案的金屬電極施加電壓。特別地，當(dāng)后面將描述的電流檢測單元104包含鎖定(lock-in)檢測系統(tǒng)時，以與鎖定檢測系統(tǒng)的參照信號的頻率相等的頻率調(diào)制通過偏置施加單元106供給的電壓。當(dāng)執(zhí)行鎖定檢測時，在調(diào)制方法中，不僅可采用由偏置施加單元106供給的偏置，而且可采用截光器(light chopper)。在這種情況下，偏置施加單兀106向光電導(dǎo)兀件施加直流偏置。電流檢測單元104是將電流信號轉(zhuǎn)換成具有可測量的水平的電壓信號的單元。當(dāng)使用光電導(dǎo)元件作為檢測單元102時，電流檢測單元104將從檢測單元102輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的轉(zhuǎn)換率被稱為“電流-電壓轉(zhuǎn)換率”。電流-電壓轉(zhuǎn)換率相對于輸入到電流檢測單元104的電流信號選自一定的范圍，使得電流檢測單元104的輸出不超出電路的額定值并且不飽和。為了改善測量裝置的信噪比，優(yōu)選使得電流-電壓轉(zhuǎn)換率較大。如上所述，當(dāng)從檢測單元102輸出的信號小時，電流檢測單元104可包含鎖定檢測系統(tǒng)。更具體而言，鎖定檢測系統(tǒng)被布置在執(zhí)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的電路的后級。當(dāng)包括鎖定檢測系統(tǒng)時，在一定的范圍中調(diào)整執(zhí)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的電路的輸出，使得該輸出不超出鎖定檢測系統(tǒng)的輸入額定值。處理單元105是構(gòu)建太赫波的時間波形并創(chuàng)建測量數(shù)據(jù)的單元。通過參照由延遲光學(xué)單元103導(dǎo)致的光路長度的變化量和電流檢測單元104的輸出，構(gòu)建時間波形。更具體而言，通過對于依次改變一定量的各光路長度繪制電流檢測單元104的輸出，來構(gòu)建時間波形。光路長度的變化量與測量數(shù)據(jù)的時間間隔t對應(yīng)。繪制的數(shù)據(jù)然后被存儲為測量數(shù)據(jù)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)流。為了改善測量裝置的信噪比，存在用于通過在各測量點處停止包含于延遲光學(xué)單元103中的平移臺架的移動(或者以慢得足以被視為靜止的速度驅(qū)動平移臺架)并將電流檢測單元104的輸出平均化來構(gòu)建時間波形的方法。該方法也被稱為“步進(jìn) 掃描方法”。另外，存在以高速驅(qū)動包含于延遲光學(xué)單元103中的平移臺架的方法，其中多于一次地獲得時間波形，以及其中通過處理單元105將測量數(shù)據(jù)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的各元素平均化。該方法也被稱為“快速掃描方法”。在輸出頻域中的譜數(shù)據(jù)的情況下，處理單元105參照測量數(shù)據(jù)并且對于太赫波的時間波形執(zhí)行傅立葉變換，以便獲得譜數(shù)據(jù)。當(dāng)使用THz-TDS裝置作為分析裝置時，計算用太赫波照射樣品時的時間波形的變化。另外，處理單元105可通過監(jiān)視樣品與照射樣品的太赫波之間的相對位置來獲得圖像。通過上述的配置，THz-TDS裝置監(jiān)視由延遲光學(xué)單元103導(dǎo)致的激勵光的光路長度的變化和電流檢測單元104的輸出的相應(yīng)變化，以便構(gòu)建照射檢測單元102的太赫波的時間波形。除了上述的配置以外，根據(jù)本實施例的太赫波測量裝置具有計算用于校正測量數(shù)據(jù)的時間間隔t的系數(shù)a并存儲系數(shù)a的存儲單元107。通過比較通過裝置獲得的校準(zhǔn)樣品的測量結(jié)果與關(guān)于事先添附于校準(zhǔn)樣品的校準(zhǔn)譜的信息，來計算系數(shù)a。將參照圖2、圖3A和圖3B描述直到獲得用于校正時間間隔t的系數(shù)a為止所執(zhí)行的操作。圖2是直到獲得用于校正時間間隔t的系數(shù)a為止所執(zhí)行的操作的流程圖。圖3A和圖3B示出該時間期間的裝置的操作。要注意，用于獲得用以校正時間間隔t的系數(shù)a的步驟不限于所示的例子中的步驟。只要實現(xiàn)獲得用于校正時間間隔t的系數(shù)a的目的，就可根據(jù)裝置的配置來切換、增加或刪除步驟。當(dāng)開始裝置的校準(zhǔn)時，在太赫波傳播所沿路徑中設(shè)置校準(zhǔn)樣品(圖2的S201)。如圖3A和圖3B所示，校準(zhǔn)譜311被事先添附于校準(zhǔn)樣品，并因此可識別形成校準(zhǔn)譜311的特征位置(F1和F2)。作為要使用的校準(zhǔn)樣品，在太赫波區(qū)域中存在諸如吸收譜的特征譜的諸如葡萄糖或麥芽糖的樣品是合適的。譜在寬的范圍之上延伸并且作為校準(zhǔn)樣品具有寬的應(yīng)用范圍的物質(zhì)的例子是水蒸汽。另外，作為校準(zhǔn)樣品，可以采用諸如過濾器(filter)或光子晶體的在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生譜的結(jié)構(gòu)。當(dāng)校準(zhǔn)樣品被設(shè)置在一定的位置處時，測量裝置執(zhí)行太赫波的時間波形的測量(圖2的S202)。如在圖3A的測量波形309中可以觀察到的那樣，作為由與恒定的時間間隔t 312對應(yīng)的n條數(shù)據(jù)形成的強(qiáng)度數(shù)據(jù)流來獲得太赫波的時間波形。在本實施例中，該信息作為測量數(shù)據(jù)被存儲在處理單元105中。當(dāng)已獲得太赫波的時間波形時,處理單元105參照存儲的測量數(shù)據(jù)以獲得頻域中的圖3A的測量譜310 (圖2的S203)。測量數(shù)據(jù)中的時間間隔t 312確定測量譜310的最大頻率。強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素的個數(shù)n確定測量譜310的頻率分辨率。如圖3A所示，在測量譜310中存在形成測量譜310的特征位置(f\和f2)。處理單元105獲得測量譜310，并調(diào)用存儲于存儲單元107中的校準(zhǔn)樣品的校準(zhǔn)譜311。校準(zhǔn)譜311和測量譜310兩者均在示出校準(zhǔn)之前的狀態(tài)的圖3A中被示出。處理單元105根據(jù)校準(zhǔn)譜311和測量譜310的形狀選擇要校準(zhǔn)的譜(圖2的S204)。關(guān)于譜的選擇，可以選擇所有的特征譜，或者，可從多個譜之中選擇要關(guān)注的一個或更多個譜。理想地，希望對于所有的特征譜執(zhí)行校準(zhǔn)；但是，取決于裝置的能力(例如，頻率分辨率或頻率測量范圍)的差異，可能存在難以校準(zhǔn)的位置。因此，通過根據(jù)要使用的裝置的能力靈活地選擇要用于校準(zhǔn)的譜，可以改善裝置的通用性(versatility)。這里，選擇位置F1和F2作為要用于校準(zhǔn)的譜的位置。
如圖3A所示，與校準(zhǔn)譜311的位置F1對應(yīng)的測量譜310的位置是位置f\。類似地，與校準(zhǔn)譜311的位置F2對應(yīng)的測量譜310的位置是位置f2。在選擇要用于校準(zhǔn)的譜之后，處理單元105執(zhí)行比較兩者的沿頻率軸的位置的譜比較(圖2的S205)。通過該比較，確定兩個譜是否滿足匹配條件。這里，匹配條件是指譜在按照沿頻率軸的位置確定的有效數(shù)字內(nèi)完全(perfectly)相互匹配的條件。但是，匹配條件不限于如這種情況中的完全匹配。匹配條件可以是指已計算相對于校準(zhǔn)譜311的偏差的測量譜310位于預(yù)期區(qū)域內(nèi)的條件。例如，如果選擇譜的五個特征位置，那么匹配條件是指所有的五個位置的偏差處于一定的值范圍內(nèi)的條件。另外，預(yù)定比率的譜的位置的偏差為最小的條件可被視為匹配條件。例如，如果80%或更多的譜的位置的偏差需要處于一定的值范圍內(nèi)，那么匹配條件是指四個位置的偏差為最小或者四個位置完全匹配相應(yīng)位置(偏差為零)的條件。因此，由測量者確定匹配條件。如圖3A所示，測量譜310的位置和f2相對于校準(zhǔn)譜311在較高頻率側(cè)偏離，這將在以下的描述中被視為不滿足匹配條件。如果不滿足匹配條件，那么處理單元105改變測量數(shù)據(jù)的時間間隔t 312(圖2的S206)。在該處理中，為了便于描述，改變之前的時間間隔被稱為“第一時間間隔”，并且，改變之后的時間間隔被稱為“第二時間間隔”。用于校正時間間隔t 312的系數(shù)a與通過將改變的時間間隔除以測量波形309的時間間隔t 312獲得的值對應(yīng)。因此，第一時間間隔和第二時間間隔兩者均可由表達(dá)式aXt表達(dá)，但是，系數(shù)a的值在第一時間間隔與第二時間間隔之間是不同的。另外，在測量波形309的時間間隔t 312的情況下，系數(shù)a是I。在測量數(shù)據(jù)的第一時間間隔變?yōu)榈诙r間間隔之后，圖3B的校正的波形313被重構(gòu)(圖2的S207)。如圖3B所示，此時的時間間隔315由表達(dá)式aXt表達(dá)。處理單元105然后由校正的波形313獲得校正譜314 (圖2的S208)。如圖3A和圖3B所示，如果校正的波形313沿時間軸延伸得比測量波形309寬，那么測量譜310在較低范圍側(cè)被壓縮為校正譜314。在該情形下，比較校準(zhǔn)譜311 (F1和F2)與校正譜314 Wr1和fr2)的所選位置。重復(fù)執(zhí)行步驟S205至S208，直到滿足譜的匹配條件為止。如果確定滿足匹配條件，那么此時的用于校正時間間隔t 312的系數(shù)a被存儲于存儲單元107中(圖2的S209)。如上所述，在本實施例中，比較獲得的測量譜310和校準(zhǔn)譜311，以便計算校正形成測量波形309的測量數(shù)據(jù)的時間間隔t 312的系數(shù)a，使得兩個譜的所選位置相互匹配。結(jié)果，由于在已使用的裝置和已測量校準(zhǔn)譜311的裝置被相互校準(zhǔn)之后執(zhí)行太赫波的測量，因此，改善了要從已使用的裝置輸出的譜信息的定量性。當(dāng)測量未知的樣品時，通過參照存儲于存儲單元107中的用于校正的系數(shù)a并將時間間隔t校正為時間間隔aXt，執(zhí)行測量。該校正與根據(jù)用于校正時間間隔t的系數(shù)a調(diào)整最初包含于測量裝置中的時間軸對應(yīng)。例如，如果太赫波的時間波形沿時間軸擴(kuò)展，那么通過變換該時間波形獲得的頻譜收縮到較低范圍側(cè)。這是由于形成時間波形的各頻率成分(frequency eIement)的周期擴(kuò)展。相反，如果太赫波的時間波形沿時間軸收縮，那么通過變換該時間波形獲得的頻譜向較高范圍側(cè)擴(kuò)展。通過由時 間軸的這種調(diào)整來使獲得的譜信息匹配校準(zhǔn)譜信息，已測量校準(zhǔn)樣品的裝置和根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置被相互校準(zhǔn)。如已看到的那樣，由于在使用的裝置和已測量校準(zhǔn)譜的裝置已被相互校準(zhǔn)的狀態(tài)中測量太赫波，因此，可以恒定地提供改善了譜信息的定量性的裝置。在樣品的測量期間，測量裝置參照存儲于存儲單元107中的用于校正時間間隔的系數(shù)a，以便使得處理單元105校正并輸出作為測量結(jié)果的測量數(shù)據(jù)的時間間隔。S卩，通過根據(jù)系數(shù)a對于獲得的測量數(shù)據(jù)的時間間隔執(zhí)行后處理，來調(diào)整時間軸。通過使用該方法，可在不大大改變已構(gòu)建的測量裝置的配置的情況下容易地引入根據(jù)本發(fā)明實施例的配置。另外，不是作為后處理而是在測量期間，可根據(jù)存儲于存儲單元107中的用于校正時間間隔的系數(shù)a，直接改變延遲光學(xué)單元103需要在測量數(shù)據(jù)的元素之間行進(jìn)的距離。即，可通過調(diào)整由延遲光學(xué)單元103導(dǎo)致以及與強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素的時間間隔對應(yīng)的光路長度差的變化量，執(zhí)行測量數(shù)據(jù)的時間間隔的調(diào)整。在這種情況下，可以省略用于校準(zhǔn)的后處理步驟，這簡化了裝置。換句話說，在前一種情況下，作為處理單元105中的處理執(zhí)行校準(zhǔn)，而在后一種情況下，通過控制延遲光學(xué)單元103即通過控制硬件，執(zhí)行校準(zhǔn)。要注意，雖然在上述的校準(zhǔn)方法中裝置之間的差異被視為主要對象(target)并且計算裝置的系數(shù)，但是，校準(zhǔn)的對象不限于此。例如，即使使用同一裝置，測量環(huán)境的差異也可被視為主要對象，并且可以計算環(huán)境的系數(shù)。另外，在樣品的測量期間，可通過根據(jù)要使用的裝置和測量期間的測量環(huán)境乘以裝置的系數(shù)和環(huán)境的系數(shù)來調(diào)整時間間隔t。在根據(jù)本發(fā)明實施例的校準(zhǔn)中，與已用于校準(zhǔn)的樣品有關(guān)的信息是重要的。更具體而言，諸如制造條件和出售者的與校準(zhǔn)樣品有關(guān)的詳細(xì)信息以及諸如測量校準(zhǔn)譜311的氣氛和系統(tǒng)配置的環(huán)境信息是重要的。因此，當(dāng)測量裝置的數(shù)據(jù)被輸出到外部設(shè)備時，優(yōu)選添附與已由用于測量的太赫波測量裝置使用的校準(zhǔn)譜311和校準(zhǔn)樣品有關(guān)的信息。即，測量裝置優(yōu)選包含輸出測量數(shù)據(jù)(校正譜314)以及用于裝置校準(zhǔn)的信息的輸出單元。通過采用這種使用方法，更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)是可能的，這使得信息的接收體(recipient)在減小了裝置之間的數(shù)據(jù)變動的狀態(tài)下易于驗證測量數(shù)據(jù)。結(jié)果，可以更廣泛地共享信息并且可以改善數(shù)據(jù)的可靠性。以下將描述更具體的例子。例子I將描述裝置校準(zhǔn)的例子I。更具體而言，將描述計算測量裝置的系數(shù)并減小由裝置之間的差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變動的校準(zhǔn)例子。對于校準(zhǔn)譜，使用已由另一裝置測量的樣品的測量數(shù)據(jù)。此時已使用的樣品是包含聚乙烯作為粘接劑(binder) (10%的含量)的葡萄糖。
作為校準(zhǔn)樣品，使用包含聚乙烯作為粘接劑(5%的含量)的葡萄糖。由執(zhí)行校準(zhǔn)的工人準(zhǔn)備用于獲得測量譜的校準(zhǔn)樣品，以便使用執(zhí)行校準(zhǔn)的裝置來執(zhí)行測量。圖4A和圖4B示出校準(zhǔn)之前的頻譜和校準(zhǔn)之后的頻譜。校準(zhǔn)譜311由虛線表示。作為形成校準(zhǔn)譜311的形狀的特征位置，選擇I. 27679THZ的位置F1U. 88306THz的位置F2和2. 39861THZ的位置F3。通過對于通過變換測量數(shù)據(jù)獲得的頻譜數(shù)據(jù)用Savitzky-Golay方法執(zhí)行五點平滑化，來計算測量譜310。雖然沿圖4A和圖4B的垂直軸繪制通過使用粘接劑作為參照獲得的透射率，但是，可以替代地使用校準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度譜。與位置匕至&對應(yīng)的測量譜310的頻率的位置分別為I. 27317THZ的位置f\、l. 88082THz的位置&和2. 40167THz的位置f3。在本例子中校準(zhǔn)位置F2。此時的匹配條件被確定為位置在五個小數(shù)位的頻率的有效數(shù)字內(nèi)完全相互匹配的條件。在這些匹配條件下執(zhí)行的校準(zhǔn)中，如圖4B所示，當(dāng)用于校正時間間隔的系數(shù)a為0. 99881時，校準(zhǔn)譜311的頻率中的位置F2和校正的頻率314的頻率中的位置fr2相互匹配。因此，在本例子中，即使測量裝置不同，也改善了至少位置F2周圍的譜數(shù)據(jù)的定量性。
·
例子2將描述裝置校準(zhǔn)的例子2。更具體而言，將描述計算環(huán)境的系數(shù)并減小由測量環(huán)境之間的差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變動的校準(zhǔn)例子。關(guān)于測量環(huán)境，在測量裝置周圍的氣氛被氮替代的情形下以及在測量裝置周圍的氣氛為真空的情形下校準(zhǔn)譜數(shù)據(jù)。已在測量裝置的氣氛已被氮替代的情形下測量的樣品的測量數(shù)據(jù)被用于校準(zhǔn)譜。此時已使用的樣品為麥芽糖
(I00%)O作為校準(zhǔn)樣品，使用包含聚乙烯作為粘接劑(5%的含量)的麥芽糖。在執(zhí)行校準(zhǔn)之前已單獨地準(zhǔn)備校準(zhǔn)樣品。通過在測量裝置的氣氛為真空的情形下測量校準(zhǔn)樣品，獲得測量譜。圖5A和圖5B示出校準(zhǔn)之前的頻譜和校準(zhǔn)之后的頻譜。校準(zhǔn)譜311由虛線表示。作為形成校準(zhǔn)譜311的形狀的特征位置，選擇I. 11394THZ的位置F1'I. 60581THz的位置F2、
2.OlSllTHz的位置F3和2. 40871THz的位置F4。通過對于由變換測量數(shù)據(jù)獲得的頻譜數(shù)據(jù)用Savitzky-Golay方法執(zhí)行五點平滑化，來計算測量譜310。雖然沿圖5A和圖5B的垂直軸繪制通過使用粘接劑作為參照獲得的透射率，但是，可以替代地使用校準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度譜。與位置F1至F4對應(yīng)的測量譜310的頻率的位置分別為I. 09956THZ的位置f\、l. 59147THz的位置f2、2. 02250THz的位置f3和2. 40167THz的位置f4。在本例子中校準(zhǔn)位置F2。此時的匹配條件被確定為位置在五個小數(shù)位的頻率的有效數(shù)字內(nèi)完全相互匹配的條件。在這些匹配條件下執(zhí)行的校準(zhǔn)中，如圖5B所示，當(dāng)用于校正時間間隔的系數(shù)a為0. 99107時，校準(zhǔn)譜311的頻率中的位置F2和校正的頻率314的頻率中的位置fr2相互匹配。因此，在本例子中，即使測量環(huán)境不同，也改善了至少位置F2周圍的譜數(shù)據(jù)的定量性。例子3例子3是例子I的變型。更具體而言，匹配條件不同。此時的匹配條件是校準(zhǔn)譜和校正譜的偏差(差的和)在特征譜的頻率的多個位置處為最小的條件。圖6示出校準(zhǔn)結(jié)果。圖6示出由用于校正時間間隔的系數(shù)a的差異導(dǎo)致的、圖4B的I. 27679THz的位置F1和I. 88306THz的位置F2處的、由表達(dá)式F_fr表達(dá)的譜的差值df。根據(jù)圖6，當(dāng)用于校正時間間隔的系數(shù)a為0. 99814時，在校正譜314中，頻率中的位置fri為I. 27554THZ且頻率中的位置fr2為I. 88432THz，它們最接近于校準(zhǔn)譜(差值df的和近似為零)。因此，通過對于多個位置執(zhí)行校準(zhǔn)，改善了從位置匕延伸到位置F2的區(qū)域的定量性。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但要理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。以下的權(quán)利要求的范圍要被賦予最寬的解釋，以包含所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
本申請要求2010年3月12日提交的日本專利申請No. 2010-056197的權(quán)益，在此通過引用而并入其全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種使用太赫波測量裝置的測量方法，所述太赫波測量裝置通過使用時域波譜法測量太赫波的時間波形作為測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)是通過包含強(qiáng)度數(shù)據(jù)流以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素之間的時間間隔而形成的，所述測量方法包括以下的步驟 通過使用太赫波測量裝置，測量與已獲知校準(zhǔn)譜形狀的校準(zhǔn)樣品有關(guān)的太赫波的時間波形； 通過變換時間波形獲得測量譜； 比較校準(zhǔn)譜和測量譜；以及 通過基于比較結(jié)果調(diào)整形成時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔，校準(zhǔn)太赫波測量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的測量方法， 其中，在比較的步驟中，比較形成校準(zhǔn)譜形狀的特征頻率的位置和與上述位置對應(yīng)的測量譜的特征頻率的位置，以及 其中，在校準(zhǔn)的步驟中，比例系數(shù)，所述比例系數(shù)將形成測量的時間波形的測量數(shù)據(jù)的第一時間間隔校正為第二時間間隔，使得測量譜的特征頻率的位置與校準(zhǔn)譜的特征頻率的位置之間的比較結(jié)果滿足一定的匹配條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的測量方法， 其中，在比較的步驟中，從形成校準(zhǔn)譜形狀的特征頻率的多個位置之中選擇要關(guān)注的位置，并將所述要關(guān)注的位置與測量譜中的對應(yīng)位置相比較。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項的測量方法， 其中，通過獲得形成校準(zhǔn)譜形狀的特征頻率的位置和與上述位置對應(yīng)的測量譜的特征頻率的位置之間的差，或者通過獲得根據(jù)一定的表達(dá)式由所述差計算的值，執(zhí)行比較，以及 其中，通過采用使用了比較結(jié)果的回歸分析方法，調(diào)整時間間隔。
5.一種太赫波測量裝置，所述太赫波測量裝置通過使用時域波譜法測量太赫波的時間波形，所述太赫波測量裝置包括 產(chǎn)生單元，被配置為產(chǎn)生太赫波； 檢測單元，被配置為檢測已由產(chǎn)生單元產(chǎn)生并已通過樣品傳播的太赫波； 延遲單元，被配置為調(diào)整由產(chǎn)生單元產(chǎn)生太赫波時的時間與由檢測單元檢測太赫波時的時間之間的延遲時間； 處理單元，被配置為參照檢測單元和延遲單元的輸出，并被配置為獲得太赫波的時間波形，作為通過包含強(qiáng)度數(shù)據(jù)流以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素之間的時間間隔而形成的測量數(shù)據(jù)；以及 存儲單元，被配置為存儲與時間間隔的調(diào)整有關(guān)的信息， 其中，處理單元獲得與已獲知校準(zhǔn)譜形狀的校準(zhǔn)樣品有關(guān)的太赫波的時間波形，還通過變換時間波形獲得測量譜，基于校準(zhǔn)譜和測量譜之間的比較結(jié)果來調(diào)整形成時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔，并在存儲單元中存儲與調(diào)整有關(guān)的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的太赫波測量裝置， 其中，當(dāng)測量未知樣品時，處理單元參照存儲于存儲單元中的與時間間隔的調(diào)整有關(guān)的信息，并獲得與未知樣品有關(guān)的太赫波的時間波形，作為通過包含根據(jù)所述信息調(diào)整的時間間隔所形成的測量數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的太赫波測量裝置，其中，測量數(shù)據(jù)的時間間隔通過由處理單元執(zhí)行的處理而被調(diào)整。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6的太赫波測量裝置， 其中，延遲單元是被配置為通過使用激勵光束傳播所沿光路的長度之間的差來調(diào)整分別到達(dá)產(chǎn)生單元和檢測單元的激勵光束之間的時間差的延遲光學(xué)單元，以及 其中，通過調(diào)整與強(qiáng)度數(shù)據(jù)流的元素之間的時間間隔對應(yīng)的光路長度之間的差的由延遲光學(xué)單元導(dǎo)致的變化量，調(diào)整測量數(shù)據(jù)的時間間隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項的太赫波測量裝置，還包括 輸出單元，被配置為將測量數(shù)據(jù)與和校準(zhǔn)譜有關(guān)的信息一起輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠改善獲得的頻譜信息的定量性的太赫波測量裝置和測量方法。在使用太赫波測量裝置的測量方法中，太赫波測量裝置測量與已獲知校準(zhǔn)譜形狀的校準(zhǔn)樣品有關(guān)的太赫波的時間波形，并通過變換時間波形來獲得測量譜。比較校準(zhǔn)譜和測量譜，并基于比較結(jié)果來調(diào)整形成時間波形的測量數(shù)據(jù)的時間間隔，以便校準(zhǔn)太赫波測量裝置。
文檔編號G01N21/35GK102792136SQ20118001334
公開日2012年11月21日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者井辻健明 申請人:佳能株式會社