JP2012149901A - 高精度非接触位置測定機構を持つサブミリ波近傍界測定装置 - Google Patents

高精度非接触位置測定機構を持つサブミリ波近傍界測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を、光学系構成要素のセットアップに伴う誤差による影響を受けずに、且つ非接触で測定するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】サブミリ波ビーム受信部に３以上のコリメート光反射体を配置し、コリメータから送信され当該反射体により反射されたコリメート光の受光位置に基づいて、送信系と受信光学系との間のミスアラインメントを決定する。受信光学系にて受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を、ミスアラインメントを用いて補正することにより、ミスアラインメントの影響が排された強度分布を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を測定するためのシステム、及び方法に関する。特に、本発明は、サブミリ波ビーム送信機の近傍界を規定する座標系に対するサブミリ波ビーム受信光学系の機械的な位置決めを高精度かつ非接触で実現することにより、当該座標系に対するサブミリ波ビーム受信光学系のずれ及び傾斜による影響を取り除いた上で電磁気的強度分布を決定するシステム、及び方法に関する。
波長が１ｍｍ〜０．１ｍｍの電磁波はサブミリ波と呼ばれ、超新星爆発、天体形成など宇宙空間における現象の解明や、成層圏大気に含まれるＣｌＯ、ＨＣｌなど微量物質を検出することによるオゾン層破壊メカニズムの研究など、主には学術研究の目的において、その観測及び利用がされている。
サブミリ波はマイクロ波と比較して波長が短いため、サブミリ波帯において低損失且つ広帯域での信号伝送を実現するためには、用いられるアンテナ及び光学系に対して従来よりも高い機械的精度が課される。また各々の光学要素において個体依存で生じる製造上の誤差も、厳密に管理する必要がある。このような要求に応えるべく、各種ミラー等、光学要素の形状、傾斜、位置を設計し、その誤差配分を管理することは、マイクロ波帯で用いられるミラー等の設計、管理に比較して困難である。
また、サブミリ波の観測が上記の研究手法として用いられるようになったのは比較的最近であり、サブミリ波の利用、測定に係る技術も未だ開拓中の段階にあることから、上記ミラー等の光学要素を設計、製作する時点では確定することのできない性能パラメータも多い（反射損失等）。そのため、サブミリ波帯で用いるべきアンテナ及び光学系の性能評価を行なうには、それらを構成する各光学要素の形状、位置等を機械的に測定するだけでは不十分であって、当該光学要素に対してサブミリ波ビームを送信し、その電磁界特性を３次元分布測定により決定する等、実際に当該光学要素を用いてサブミリ波の電磁界特性（ビーム方向、ビーム径、ビームの広がり方）を測定することが必要である。
しかしながら、サブミリ波ビームの電磁界特性を測定するに際しては、サブミリ波ビーム受信光学系を構成する測定対象物（ミラー等の光学要素）の製造誤差や、当該測定対象物を含むサブミリ波ビーム受信光学系、及びサブミリ波ビーム送信機を含むサブミリ波ビーム送信系の組み立て誤差（ビーム測定試験のセットアップに伴う誤差）が無視できない。すなわち、マイクロ波帯のような長波長帯での近傍界測定においては、上記送信系及び受信光学系の設計時にそれらの機械的公差を維持管理することで、目的とする精度に十分に見合った測定結果を得ることができたのであるが、これとは異なり、波長が１ｍｍ以下のサブミリ波帯での近傍界測定においては、測定前の維持管理によっては除去することができない、セットアップに伴う僅かな誤差でさえ、測定結果に対して無視することのできない影響を及ぼす。
例えば、サブミリ波ビーム送信系の機械的な基準に対するサブミリ波ビームの電磁界特性（ビーム幅、中心位置、指向方向等）を決定するためには、サブミリ波ビーム受信光学系を用いて当該サブミリ波ビームを受信し、サブミリ波ビームの３次元空間における電磁気的強度分布を測定する必要があるが、ここにおいてサブミリ波ビーム送信系とサブミリ波ビーム受信光学系との間にミスアラインメント（相対的な位置、向きの設計値からのずれ）が存在する場合には、測定される強度分布が見かけ上変化する。しかしながら、このような強度分布の変化がビーム自体の特性によるものなのか、あるいはミスアラインメントによる見かけ上の変化に過ぎないのか、を測定された強度分布のみから識別することは困難である。一方で、既に述べたとおり、サブミリ波帯での近傍界測定において影響を及ぼす各種の誤差を測定前に全て除去することは不可能であり、強度分布の測定結果にそのようなミスアラインメントによる見かけ上の変化が含まれることは不可避である。
これに対し、そのような見かけ上の変化が排された強度分布測定結果を得るためには、互いにミスアラインメントを有する送信系と受信光学系を用いてサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を測定したのち、測定した強度分布をミスアラインメントに応じて補正することにより当該ミスアラインメントの影響を取り除くことが有効である。そのためには、サブミリ波ビームの測定とは別に送信系・受信光学系間のアラインメントを測定し、上記ミスアラインメントを決定するための技術が必要となる。特に、送信系・受信光学系間の距離をさまざまな値に設定して、受信光学系を固定しつつ送信機を用いて２次元平面を走査することにより、当該さまざまな距離に対するサブミリ波ビームの２次元平面内電磁気的強度分布を測定し、そのような２次元平面内分布の組として３次元空間内のサブミリ波ビーム電磁気的強度分布を決定するような態様においては、（i）受信光学系の機械的基準と、（ii）送信系により規定される、送信機によって走査すべき２次元測定格子と、の間の相対的位置及び向きに関する３次元情報を電磁気的強度分布の測定前に数十μｍ以下の精度で決定する技術が必要である。なお、このようなアラインメントの測定に関連した先行技術としては下記特許文献１に記載の遠隔変位測定装置が挙げられるが、これは反射鏡製品の鏡面精度測定等に用いられる特許発明であり、本発明の解決すべき課題とは直接関係しない。
また、宇宙航空分野の研究で用いられる機器、部品間のアラインメントを測定することを想定した場合、そのような測定はアラインメント測定装置を当該機器、部品へ機械的に接触させることなく実施可能であることが望ましい。機械的な接触が起これば機器、部品に傷がつく恐れがあるが、例えば人工衛星に搭載される各種部品は宇宙空間での運用段階において容易には修理、交換できないのであり、ゆえに運用前のそのような接触によって部品に機械的損傷を与えることは避けねばならない。
特許第２７８８２８１号明細書
以上に鑑みれば、サブミリ波ビーム送信系とサブミリ波ビーム受信光学系との間のアラインメントを非接触で測定することによりミスアラインメントを高精度で決定するための技術、及び、サブミリ波ビームの電磁気的強度分布測定結果を当該ミスアラインメントに応じて補正することにより、ミスアラインメントの影響が取り除かれた強度分布を決定するための技術が必要とされる。
上記目的を達成するため、本発明は、コリメート光を送信するコリメート光送信部と、反射光を受光する反射光受光部と、を備えたコリメータと、各々が所定の位置に配置された、コリメート光送信部から送信されたコリメート光を反射する３以上のコリメート光反射体と、サブミリ波ビーム受信光学系と、を備えたサブミリ波ビーム受信部と、コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光が受光された位置を決定する、位置決定部と、位置決定部により各々決定された、３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、所定の座標系におけるサブミリ波ビーム受信部の位置、及び所定の座標系に対するサブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を算出する、位置及び幾何学的配向算出部と、サブミリ波ビームを送信する、サブミリ波ビーム送信部と、サブミリ波ビーム送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を用いてサブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を測定する、サブミリ波ビーム測定部と、サブミリ波ビーム測定部により測定されたサブミリ波ビームの電磁気的強度と、上記座標系におけるサブミリ波ビームの出射位置と、位置及び幾何学的配向算出部により算出された、サブミリ波ビーム受信部の位置及び幾何学的配向と、を用いて、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定する、強度分布決定部とを備えることにより、サブミリ波ビーム受信部の位置及び幾何学的配向に依存して生じる、サブミリ波ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定することを特徴とする、サブミリ波ビーム測定システムを提供する。
上記システムを用いれば、
（１）所定の座標系内でコリメータを動かしつつ、サブミリ波ビーム受信部に対して所定の位置に配置された各々のコリメート光反射体へとコリメート光を送信して、各々のコリメート光反射体から反射された光を当該コリメータにより受光し、その受光位置から上記座標系におけるコリメート光反射体の位置座標を決定し、それら位置座標を、例えば剛体の並進、回転モデルへとフィッティングするなどして、サブミリ波ビーム送信部を含む系（サブミリ波ビーム送信系）とサブミリ波ビーム受信光学系との間のアラインメントを算出し、アラインメントにおける設計値と実測値との差異としてミスアラインメントを決定する。
（２）上記（１）の工程を実行した際の送信系・受信光学系間アラインメントを維持した状態で、引き続き、上記所定の座標系内でサブミリ波ビーム送信部を動かしつつサブミリ波ビーム受信光学系へとサブミリ波ビームを送信し、当該受信光学系を用いて受信したサブミリ波ビームの電磁気的強度を測定することにより、サブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を測定する。
（３）さらに、上記（１）にて決定されたミスアラインメントを用いて上記電磁気的強度分布を補正する。
という工程によって、サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を、ミスアラインメントによる見かけ上の変化を排した上で決定することが可能となる。なお、ここでいう所定の座標系とは、典型的にはサブミリ波ビーム送信部によって走査すべき２次元平面を規定する２次元座標系であるが、その他の任意の座標系について本発明のシステムを構成することも可能である。
なお、上記（１）の工程においてコリメータを上記座標系内で動かすことは必須ではない。例えば、コリメータとして上記座標系内の測定対象領域の全てをカバーする大型装置を用い、当該座標系内の任意の位置からコリメート光を出射するよう構成してもよい。コリメータにおける反射光の受光位置についても、そのような大型のコリメータ内に上記測定対象領域をカバーするようＣＣＤ等の受光素子を配置し、反射光を受光した素子からの信号を読み出すことにより、コリメータを動かすことなく決定可能である。同様に、上記（２）の工程においてサブミリ波ビーム送信部を上記座標系内で動かすことも必須ではない。
あるいは、本発明のシステムを、所定の座標系における供試体の位置、及び所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を決定するシステムであって、コリメート光を送信するコリメート光送信部と、反射光を受光する反射光受光部と、を備えたコリメータと、供試体に対して各々が所定の位置に配置される、コリメート光送信部から送信されたコリメート光を反射する３以上のコリメート光反射体と、コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光が受光された位置を決定する、位置決定部と、位置決定部により各々決定された、３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、所定の座標系における供試体の位置、及び所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を算出する、位置及び幾何学的配向算出部と、を備えたシステムとして構成することができる。
上記システムは、特に上記（１）の工程により送信系・受信光学系間のミスアラインメントを決定するための構成を備えている。このシステムを用いれば、所定の座標系に対する供試体の位置、及び幾何学的配向を非接触の方法により高精度で測定することができる。オートコリメータを用いた従来の測定においては、所定の座標系に対する供試体の相対的な傾斜を非接触で決定することはできたものの、本発明のように相対位置と相対傾斜の両方を非接触で同時決定することは不可能であった。
上記供試体は、測定対象波長域光ビーム受信光学系を備えた測定対象波長域光ビーム受信部であってよい。そのような供試体の所定の座標系における位置、及び所定の座標系に対する幾何学的配向を決定するシステムとして、上記本発明のシステムを構成することができる。このようなシステムにおいては、測定対象波長域光ビームを送信する、測定対象波長域光ビーム送信部と、測定対象波長域光ビーム送信部から送信され、測定対象波長域光ビーム受信光学系を用いて測定対象波長域光ビーム受信部により受信された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度を測定する、測定対象波長域光ビーム測定部と、測定対象波長域光ビーム測定部により測定された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度と、上記座標系における測定対象波長域光ビームの出射位置と、位置及び幾何学的配向算出部により算出された、測定対象波長域光ビーム受信部の位置及び幾何学的配向と、を用いて、測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定する、強度分布決定部とを更に備えることができる。このようなシステムを用いれば、測定対象波長域光ビーム受信部の位置及び幾何学的配向に依存して生じる、測定対象波長域光ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定することができる。
本発明のシステムは、サブミリ波帯に限らず任意の測定対象波長域に属するビームの電磁気的強度分布を決定するためのシステムとして構成することが可能である。
一方で、上記測定対象波長域光ビーム送信部は、サブミリ波ビームを送信するサブミリ波ビーム送信部であってよく、また上記測定対象波長域光ビーム受信部は、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部であってよい。
既に述べたとおり、測定前の維持管理によっては除去することができない、セットアップに伴う僅かな誤差は、特にサブミリ波帯のような高周波数帯での測定において影響を及ぼすのであり、本発明のシステムは、そのような誤差が測定結果に及ぼす見かけ上の変化を排した上で高精度のビーム測定を行うために特に有用である。
本発明のシステムにおいては、コリメータ及び測定対象波長域光ビーム送信部を上記座標系内で移動させるとともに、コリメータ及び測定対象波長域光ビーム送信部と供試体との距離を変更する、移動機構部を更に備えることができる。また、移動機構部によるコリメータの上記座標系内の移動に関する情報に基づき、反射された光が受光された位置を決定し、さらに、移動機構部による測定対象波長域光ビーム送信部の上記座標系内の移動に関する情報に基づき、当該座標系における測定対象波長域光ビームの出射位置を決定するよう、位置決定部を構成することができる。
上記（１）、（２）の工程において所定の座標系内でコリメータ又はサブミリ波ビーム送信部を移動させる移動機構部としては、任意の装置を用いることができる。一例としては、後述の実施形態において説明するとおり、
（i）コリメータ又はサブミリ波ビーム送信部を設置可能なベースを、上記所定の座標系を規定する第１の方向に延びる第１方向軸部へと、スライド可能に取り付け、
（ii）第１の方向と直交し、第１の方向と共に上記座標系を規定する第２の方向に延びる第２方向軸部へと、第１方向軸部の一端をスライド可能に取り付け、
（iii）第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向に延びる第３方向軸部へと、第２方向軸部をスライド可能に取り付ける
ことにより構成される移動機構部を用いることができる。
このような移動機構部を用いれば、ベースにコリメータ又はサブミリ波ビーム送信部を設置した上で当該ベースを第１方向軸部に対してスライドさせ、さらに第１方向軸部を第２方向軸部に対してスライドさせることにより、コリメータ又はサブミリ波ビーム送信部を上記所定の座標系内の任意の位置へと移動させることができ、さらに第２方向軸部（及び、第２方向軸部に取り付けられた第１方向軸部）を第３方向軸部に対してスライドさせることにより、コリメータ又はサブミリ波ビーム送信部と供試体との距離を変更することができる。
また、それぞれの軸部に対してベース又は対応する別の軸部がスライドした長さを取得することにより、コリメータ又はサブミリ波ビーム送信部における上記座標系内の移動、及び当該コリメータ又はサブミリ波ビーム送信部と供試体との距離の変更を決定する位置決定部を上記移動機構部へと接続すれば、コリメータが反射光を受光した時の当該コリメータの位置に基づいて反射光受光位置を決定し、さらにサブミリ波ビームを送信した時のサブミリ波ビーム送信部の位置に基づいてサブミリ波ビームの出射位置を決定することができる。これらについては、サブミリ波ビーム送信部に代って任意の測定対象波長域光ビーム送信部を用いる場合も同様である。
本発明のシステムにおいては、強度分布決定部により決定された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を用いて、測定対象波長域光ビームの当該座標系におけるビーム中心位置、及びビーム幅を決定する、第１の統計解析手段と、移動機構部により測定対象波長域光ビーム送信部と供試体との距離を変更しつつ強度分布決定部により決定された各々の電磁気的強度分布について第１の統計解析手段により決定された、各々のビーム中心位置を用いて、測定対象波長域光ビームの伝搬ベクトル方向及びビームオフセットを決定する、第２の統計解析手段とを有する統計解析部を更に備えることができる。
後述の実施例において説明するとおり、測定で得られた上記ビームの電磁気的強度分布に対して２次元ガウス分布モデル等を用いた統計解析を行うことにより、上記座標系におけるビームの中心位置、ビーム幅等のビームパラメータを決定することができる。さらに、測定対象波長域光ビーム送信部と供試体との距離をさまざまに変更しつつ、その各々の距離が保たれた状態でビーム測定を行って上記座標系における電磁気的強度分布を決定した上で、上記統計解析により各々の距離に対応するビーム中心位置を決定すれば、典型的にはそれらビーム中心位置の組を近似する直線の方向として、測定対象波長域光ビームの伝搬ベクトル方向が決定され、またその直線を用いて、ビーム送信部と供試体との距離がゼロであるときの上記座標系における仮想的ビーム中心位置として、ビームオフセットを決定することができる。
反射光受光部は、更に、受光した反射光の強度を測定するよう構成されたものであってよい。また、位置及び幾何学的配向算出部は、所定の閾値に等しい強度の反射光が受光された位置であると位置決定部により決定された２以上の受光位置に基づいて、上記座標系における３以上のコリメート光反射体の各々の位置を決定し、当該決定された３以上のコリメート光反射体の各々の位置を用いて、上記所定の座標系における供試体の位置、及び当該所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を算出するよう構成されたものであってよい。
上記構成は、供試体に配置されたコリメート光反射体からの反射光受光位置を用いて当該供試体の位置及び幾何学的配向を算出するための一例である。後述の実施例にて説明するとおり、供試体に送信されるコリメート光が３以上のコリメート光反射体のいずれかを横切るよう、反射光の強度を測定しつつコリメータによって上記座標平面内を走査し、さらにコリメータによる走査をさまざまな方向から同様に行い、反射光強度を測定した上で、反射光の強度が所定の閾値に等しくなったときの受光位置を取得すれば、典型的にはそのように取得された受光位置の組の幾何学的中心として、コリメート光反射体の上記座標系における位置座標を決定することができる。このような作業をそれぞれのコリメート光反射体に対して行うことにより決定された各々のコリメート光反射体の位置座標を、上述のとおり剛体の並進、回転モデルへとフィッティングすることにより、供試体の位置及び幾何学的配向を算出することができる。
コリメート光反射体としては、高平行度ミラーと、パッキンを介して高平面度ミラーへと圧着された被覆部材と、からなり、被覆部材の所定位置に設けられたスリットから高平行度ミラーへと入射したコリメート光を反射するよう構成された反射体を用いることができる。
また、本発明は、コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、コリメート光送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、コリメータ内の反射光受光部により受光する段階と、コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、位置決定部により各々決定された、３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、所定の座標系におけるサブミリ波ビーム受信部の位置、及び所定の座標系に対するサブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階と、サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階と、サブミリ波ビーム送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を用いてサブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を、サブミリ波ビーム測定部により測定する段階と、サブミリ波ビーム測定部により測定されたサブミリ波ビームの電磁気的強度と、上記座標系におけるサブミリ波ビームの出射位置と、位置及び幾何学的配向算出部により算出された、サブミリ波ビーム受信部の位置及び幾何学的配向と、を用いて、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を、強度分布決定部により決定する段階とを含むことにより、サブミリ波ビーム受信部の位置及び幾何学的配向に依存して生じる、サブミリ波ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定することを特徴とする、サブミリ波ビーム測定方法を提供する。
上記方法を用いれば、本発明のシステムと同様の原理に従い、ミスアラインメントによる見かけ上の変化を排した上でサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を決定することが可能となる。すなわち、コリメータからサブミリ波ビーム受信部に配置された３以上の反射体へとコリメート光を送信し、当該反射体からの反射光を受光して受光位置を決定し、その受光位置からサブミリ波ビーム送信系・受信光学系間のミスアラインメントを決定した上で、当該ミスアラインメントを用いてサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を補正することにより、ミスアラインメントによる見かけ上の変化が排された電磁気的強度分布を決定することが可能となる。
あるいは本発明の方法を、所定の座標系における供試体の位置、及び所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を決定する方法であって、コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、コリメート光送信部から送信され、供試体に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、コリメータ内の反射光受光部により受光する段階と、コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、位置決定部により各々決定された、３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、所定の座標系における供試体の位置、及び所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階とを含む方法として構成することができる。
このような方法を用いれば、所定の座標系に対する供試体の位置、及び幾何学的配向を非接触の方法により高精度で測定することができる。
上記方法は、供試体としての、測定対象波長域光ビーム受信光学系を備えた測定対象波長域光ビーム受信部について、所定の座標系における位置、及び所定の座標系に対する幾何学的配向を決定するための方法として構成することができる。このような方法は、測定対象波長域光ビーム送信部により測定対象波長域光ビームを送信する段階と、測定対象波長域光ビーム送信部から送信され、測定対象波長域光ビーム受信光学系を用いて測定対象波長域光ビーム受信部により受信された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度を、測定対象波長域光ビーム測定部により測定する段階と、測定対象波長域光ビーム測定部により測定された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度と、上記座標系における測定対象波長域光ビームの出射位置と、位置及び幾何学的配向算出部により算出された、測定対象波長域光ビーム受信部の位置及び幾何学的配向と、を用いて、測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を、強度分布決定部により決定する段階とを更に含むことができる。このような方法を用いれば、測定対象波長域光ビーム受信部の位置及び幾何学的配向に依存して生じる、測定対象波長域光ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を決定することができる。
本発明の方法は、サブミリ波帯に限らず任意の測定対象波長域に属するビームの電磁気的強度分布を決定するための方法として構成することが可能である。
一方で、上記測定対象波長域光ビームを送信する段階は、サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階であってよく、また上記測定対象波長域光ビーム受信部は、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部であってよい。
本発明の方法は、測定前の維持管理によっては除去することができない、セットアップに伴う僅かな誤差によってさえ影響を受けるサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を決定するために、特に適している。
本発明の方法における、上記コリメート光を送信する段階と、上記反射された光を受光する段階とは、移動機構部を用いてコリメータを上記座標系内で移動させるとともにコリメータと供試体との距離を変更することにより、オートコリメータから任意の距離にあるコリメート光反射体に対して上記座標系内の任意の出射位置からコリメート光を送信し、反射された光を上記座標系内の任意の受光位置において受光するよう、それぞれ構成することができる。また、上記受光された位置を決定する段階を、移動機構部による、コリメータの上記座標系内の移動に関する情報に基づき、反射された光が受光された位置を位置決定部により決定するよう構成することができ、測定対象波長域光ビームを送信する段階を、移動機構部を用いて測定対象波長域光ビーム送信部を上記座標系内で移動させるとともに測定対象波長域光ビーム送信部と供試体との距離を変更することにより、測定対象波長域光ビーム送信部から任意の距離にある供試体に対して上記座標系内の任意の出射位置から測定対象波長域光ビームを送信するよう構成することができ、測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を強度分布決定部により決定する段階を、移動機構部による測定対象波長域光ビーム送信部の上記座標系内の移動に関する情報に基づき、座標系における測定対象波長域光ビームの出射位置を位置決定部により決定し、決定された出射位置を用いて電磁気的強度分布を決定するよう構成することができる。
本発明のシステムと同様に、本発明の方法においても、例えば第１〜第３の方向にそれぞれが延び、互いにスライド可能に取り付けられた第１〜第３方向軸部、及び第１方向軸部に対してスライド可能に取り付けられた、コリメータ又はビーム送信部を設置可能なベースよりなる移動機構部を用いて、それぞれの軸部、及びベースを互いにスライドさせることにより、任意の位置からコリメート光又は測定対象波長域光ビームを送信することができる。また、移動機構部によるコリメータ又は測定対象波長域光ビーム送信部のそれぞれの方向への移動量を記憶することにより、反射光受光時のコリメータ位置、測定対象波長域光ビーム送信時のビーム送信部の位置等を決定し、反射光受光位置やビーム出射位置を決定することができる。
本発明の方法は、更に、強度分布決定部により決定された測定対象波長域光ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を用いて、測定対象波長域ビームの上記座標系におけるビーム中心位置、及びビーム幅を第１の統計解析手段により決定する段階と、移動機構部により測定対象波長域光ビーム送信部と供試体との距離を変更しつつ強度分布決定部により決定された各々の電磁気的強度分布について第１の統計解析手段により決定された、各々のビーム中心位置を用いて、測定対象波長域光ビームの伝搬ベクトル方向及びビームオフセットを第２の統計解析手段により決定する段階と、を含むものであってよい。
本発明のシステムと同様に、本発明の方法においても、測定で得られた上記ビームの電磁気的強度分布に対して統計解析を行い、各種ビームパラメータを決定することができる。
本発明の方法は、更に、受光した反射光の強度を反射光受光部により測定する段階を含んでよい。また、上記所定の座標系における供試体の位置、及び上記所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を算出する段階を、位置及び幾何学的配向算出部により、所定の閾値に等しい強度の反射光が受光された位置であると位置決定部により決定された２以上の受光位置に基づいて、上記座標系における３以上のコリメート光反射体の各々の位置を決定するステップと、決定された３以上のコリメート光反射体の各々の位置を用いて、所定の座標系における供試体の位置、及び所定の座標系に対する供試体の幾何学的配向を算出するステップとからなる段階とすることができる。
上記構成は、所定の閾値に等しい強度の反射光が受光された位置の組から、対応するコリメート光反射体の所定の座標系における位置を特定した上で、そのようにして決定される各々のコリメート反射体の位置から供試体の位置及び幾何学的配向を算出する、本発明の方法の一実施例に対応する。
本発明は、さらに、コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、コリメート光送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、コリメータの反射光受光部により受光する段階と、コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、位置決定部により各々決定された、３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、上記所定の座標系におけるサブミリ波ビーム受信部の位置、及び上記所定の座標系に対するサブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階とからなる工程を、移動機構部を用いてコリメータを移動させることにより選択された、コリメータとサブミリ波ビーム受信部との間の所定の距離に関して行い、且つ、所定の距離を保った状態で、コリメート光送信部におけるコリメート光の出射位置に対して既知の変位を有するサブミリ波ビーム出射位置から、サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階と、サブミリ波ビーム送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を用いてサブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を、サブミリ波ビーム測定部により測定する段階と、からなる工程を、移動機構部を用いてサブミリ波ビーム送信部を座標系内で移動させつつ行った上で、所定の距離に対して定義される、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの上記座標系における電磁気的強度分布を、サブミリ波ビーム測定部により各々測定されたサブミリ波ビームの電磁気的強度と、座標系におけるサブミリ波ビームの各々の出射位置と、位置及び幾何学的配向算出部により算出された、サブミリ波ビーム受信部の位置及び幾何学的配向と、を用いて、強度分布決定部により決定し、コリメータとサブミリ波ビーム受信部との距離を変更しつつ、各工程及び電磁気的強度分布の決定を行うことにより、サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波の電磁気的強度の３次元分布を決定することを特徴とする、サブミリ波ビーム測定方法を提供する。
送信系・受信光学系間の距離を変える度にミスアラインメントを決定し直すことにより、測定により得られる電磁気的強度分布から当該ミスアラインメントの影響をより厳密に取り除くことができる。また、送信系・受信光学系間の距離を変えつつサブミリ波ビームを測定して、その電磁気的強度分布を決定していけば、各々の距離に対して得られる強度分布の組として、サブミリ波ビームの電磁気的強度の３次元分布を得ることができる。
本発明のシステム、方法を用いれば、サブミリ波帯のような高周波ビームの近傍界測定を行うにあたり、測定前の維持管理では除去することができない送信系・受信光学系間のわずかなミスアラインメントに起因する測定結果への影響をも排して、より厳密な測定結果を得ることが可能となる。これにより、サブミリ波のビーム幅や伝搬ベクトル方向等のパラメータを、従来にない高精度（ビーム幅については、５０μｍ程度の誤差範囲）で決定することができる。
また、送信系・受信光学系間の距離を変えつつビーム測定を行い、距離に対するサブミリ波ビーム幅の変化を得ることで、光学系の設計パラメータを決定することができ、距離によるビーム中心の変化（伝搬ベクトル方向）を得ることにより、送信系・受信光学系間のアラインメントのサブミリ波による検証が可能となる。
さらに、本発明による送信系・受信光学系間のアラインメント測定は、各々の系を構成する機器、部品に接触することなく実施可能であり、それらの機械的損傷を避けることができる。
本発明の一実施形態であるサブミリ波ビーム測定システムの、アラインメント測定時における全体構成図である。 本発明の一実施形態であるサブミリ波ビーム測定システムの、サブミリ波ビーム測定時における全体構成図である。 本発明のサブミリ波ビーム測定システムに用いるコリメータが、ベースに取り付けられた状態を描いた図である。 本発明の一実施形態であるサブミリ波ビーム測定システムの、より詳細な構成を表す図である。 コリメート光反射体のより詳細な構成を表す図である。 図４のサブミリ波ビーム測定システムを図１、図２のｚ方向から見たときの、供試体、及びコリメート光反射体を表す図である。 サブミリ波ビーム送信系とサブミリ波ビーム受信光学系との間のミスアラインメントに起因して生じる、ビームの見かけ上の変化を説明するための図である。 コリメータ光がコリメート光反射体を左右のいずれかから横切るよう、所定の座標系内平面をコリメータによって走査しながら反射光強度を測定した結果を表すグラフである。
これより図面を用いて、本発明に係るサブミリ波ビーム測定システム、測定方法、及び、それらにより得られる測定データを用いてサブミリ波ビームの強度分布を決定し、統計解析により各種ビームパラメータを決定するための方法を説明する。但し、本発明に係るシステム、方法の構成は、各図面にて示される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。また、既に述べたとおり、本発明のシステムは、サブミリ波帯に限らず任意の測定対象波長域光ビームを測定し、強度分布の決定及び統計解析を行うために用いることができる。
サブミリ波ビーム測定システム１の構成
図１、２は、本発明の一実施形態であるサブミリ波ビーム測定システム１の全体構成図である。ただし、図１においてはアラインメント測定及びミスアラインメント決定時に用いられる要素が、図２においてはサブミリ波ビーム測定時に用いられる要素が、それぞれ図示されている。
すなわち、図２の局部発振器２０、ミキサ２１、増幅器２２、サブミリ波ビーム測定部２３、強度分布決定部２４、統計解析部２５はサブミリ波ビーム測定時にのみ用いられるため図１中に明示されていない。これらの要素は、アラインメント測定及びミスアラインメント決定が終了してサブミリ波ビームを測定する段階でシステムに組み入れてもよいし、あるいはアラインメント測定時から組み込まれていてもよい。また、サブミリ波送信機２６から送信されたサブミリ波ビームを収束、反射させてミキサ２１へと導くための鏡や電磁ホーン等からなるサブミリ波ビーム受信光学系１１も、サブミリ波ビーム測定時のみに用いられる要素であるが、測定されたアラインメントを厳密に維持した状態でサブミリ波ビームを測定するためには、あらかじめ供試体１０内に設置しておくことが望ましい。なお、ここにいう供試体１０とは、サブミリ波ビーム受信光学系収容部８、及び方向規定板９からなる金属製の収容ベースであって、サブミリ波ビーム受信光学系１１を収容部８に収容し、更に方向規定板９上の所定位置にコリメート光反射体１２、１３、１４が配置されることにより、サブミリ波ビーム受信部を構成する。本実施例においては、方向規定板９の向きをもって供試体１０の配向を規定する。
また、後述のとおり、アラインメント測定時には移動機構部７によってコリメータ２を移動させつつ、供試体１０の方向規定板９上のコリメート光反射体１２、１３、１４へとコリメート光を送信するが、一方でサブミリ波ビーム測定時には、移動機構部７によってサブミリ波送信機２６を移動させつつ、供試体１０のサブミリ波ビーム受信光学系収容部８内に設置されたサブミリ波ビーム受信光学系１１へと、サブミリ波ビーム入射口１５を通じてサブミリ波ビームを送信する。本実施例では、このような動作を行うために、アラインメント測定時には送信機用ベース３にコリメータ２を設置する一方、サブミリ波ビーム測定時にはコリメータ２を外してサブミリ波ビーム送信機２６を設置する。
なお、既に述べたとおり、大型装置を用いて任意の位置からコリメート光、サブミリ波ビームを出射することも可能であるため、コリメータ２とサブミリ波ビーム送信機２６とを移動させつつ送信を行うことは必須ではない。
（１）アラインメント測定時の構成
まず、アラインメント測定時のサブミリ波ビーム測定システム１の構成を、図１を用いて説明する。なお、本実施例においてアラインメントとは、サブミリ波ビーム送信機２６、送信機用ベース３、及び移動機構部７から構成されるサブミリ波ビーム送信系２８（図２）に対する、供試体１０内で固定されたサブミリ波ビーム受信光学系１１の相対的な位置及び傾斜をいうものとする。サブミリ波ビーム受信光学系１１は供試体１０に対して固定されているため、送信系２８に対する供試体１０の相対的な位置、及び傾斜を決定することにより、上記アラインメントが決定される。
図１中、コリメータ２は、コリメート光反射体１２〜１４へとコリメート光（平行光線）を送信するための、適切な光源及びコリメータレンズ等からなるコリメート光送信部と、コリメート光反射体１２〜１４からの反射光を受光するための、ＣＣＤ等の受光素子からなる反射光受光部と、を備える装置である。ここで、反射光受光部は、受光部の受光表面内、所定位置に反射光が結像されたときに発生する電荷の量を測定することにより、受光表面内の所定位置における受光強度を測定するための、任意の処理回路（不図示）を有しているものとする。あるいは、受光表面内の各々の位置における受光強度を測定することにより、各受光位置における受光強度を測定するための回路として、上記処理回路が構成されていてもよい。
図３に、送信機用ベース３へとコリメータ２を取り付けた状態を更に詳細に示す。送信機用ベース３には、コリメータ２に加えて偏波角回転機構２９と距離微調整ステージ３０が備えられている。これらは、コリメータ２を取り外しサブミリ波ビーム送信機２６（図２）を取り付けた状態でサブミリ波ビームを測定する際に用いられる要素であり、アラインメント測定時には使用しない。
アラインメント測定時において、コリメータ２は送信機用ベース３に固定されている。後述のとおり、移動機構部７を用いて送信機用ベース３を図１中のｘ、ｙ、ｚ方向へ移動させることにより、任意の位置からコリメート光を送信することができる。
移動機構部７は、第１の方向（ｘ方向）に延びる第１方向軸部４と、第２の方向（ｙ方向）に延びる第２方向軸部５と、第３の方向（ｚ方向）に延びる第３方向軸部６と、からなる。送信機用ベース３は第１方向軸部４に対してｘ方向にスライドするよう取り付けられ、第１方向軸部４の一端は第２方向軸部５に対してｙ方向にスライドするよう取り付けられ、第２方向軸部５は第３方向軸部６に対してｚ方向にスライドするよう取り付けられている。第３方向軸部６は、支持台１６に対して固定されている。図４に、本発明者が製作したそのような移動機構部７の一例を示す。なお、図４に示されるとおりに３つの直交する軸部がスライド可能に結合されてなる移動機構部７を用いることは必須ではない。コリメータ２及びサブミリ波ビーム送信機２６を移動させるための機構としては他の任意のものを用いてよい。
ここにおいて、送信機用ベース３の第１方向軸部４に対するスライド動作、第１方向軸部４の第２方向軸部５に対するスライド動作、及び第２方向軸部５の第３方向軸部６に対するスライド動作は、移動機構制御部１７の制御の下で行われる。移動機構制御部１７とは、移動機構部７に対して上記各々のスライド動作を任意の長さだけ行うよう命令するための信号を生成、送信するコントローラである。さらに、送信機用ベース３が辿るべき経路の情報を、適切なコンピュータ（不図示）の記憶装置に予め記憶させておき、当該コンピュータを移動機構制御部１７へと接続した上で、当該経路に従って送信機用ベース３を移動させるためのスライド動作命令信号を移動機構制御部１７が順次生成するよう、当該コンピュータにより移動機構制御部１７を制御することもできる。
スキャナ１８は、移動機構制御部１７から、送信機用ベース３及び軸部４〜６において行われたスライド動作の情報の入力を受け、これらスライド動作の情報を用いて送信機用ベース３の現在位置を決定する装置である。移動機構部７の電源投入時の、送信機用ベース３に対する所定の基準点の位置を原点とすれば、送信機用ベース３が第１方向軸部４に対して正のｘ方向へとスライドした長さをｌｘ、第１方向軸部４が第２方向軸部５に対して正のｙ方向へとスライドした長さをｌｙ、第２方向軸部５が第３方向軸部６に対して正のｚ方向へとスライドした長さをｌｚとして、上記基準点の現在座標を（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）と決定することができる。送信機用ベース３に対する上記基準点の座標と、コリメータ２の受光表面内で受光強度が測定される上記所定位置の座標と、の間の相対座標は送信機用ベース３の移動によっては不変であるため（コリメータ２は送信機用ベース３に対して固定されている）、スキャナ１８により上記基準点の現在座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）を決定すれば、そのときの反射光受光位置が決定されることとなる。位置決定部としてのスキャナ１８は、典型的には情報処理プログラムにより動作するコンピュータとして構成される。
なお、本実施例におけるアラインメント測定は、コリメータ２のｚ方向の位置を固定した状態で、送信機用ベース３を第１方向軸部４に対してスライドさせ、第１方向軸部４を第２方向軸部５に対してスライドさせることにより、ｘ方向とｙ方向にコリメータ２を移動させつつ、コリメート光反射体１２、１３、１４へとコリメート光を送信することによって行う。そこで、第１方向〜第３方向の軸部４〜６により規定されるｘ、ｙ、ｚ方向のうち、特にｘ方向とｙ方向に関する位置を規定する座標系を、以下では「所定の座標系」と呼ぶ。本実施例においては、このようにして定義された所定の座標系における供試体１０の位置、及び当該所定の座標系に対する供試体１０の幾何学的配向を決定することにより、アラインメントを決定する。
位置及び幾何学的配向算出部１９は、スキャナ１８から現在の反射光受光位置の入力を受けるとともに、コリメータ２から、当該コリメータ２において測定された現在の反射光強度の入力を受け、これら情報を用いて、上記所定の座標系における供試体１０の位置、及び当該所定の座標系に対する供試体１０の幾何学的配向を算出する装置である。なお、反射光受光位置ではなく送信機用ベース３の上記基準点の現在座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）がスキャナ１８から入力され、当該基準点の現在座標に基づいて位置及び幾何学的配向算出部１９自身が現在の反射光受光位置を決定するとしてもよい。あるいは、位置及び幾何学的配向算出部１９は、コリメータ２から受光表面内の各々の位置における受光強度の組の入力を受け、この受光強度の組と、スキャナ１８から入力された上記基準点の現在座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）とを用いて、上記所定の座標系における現在のコリメータ２の位置に対応した受光強度分布を決定するよう構成されていてもよい。一例において、位置及び幾何学的配向算出部１９は、移動機構部７により所定の座標系内を移動しつつコリメート光を送信したときにコリメータ２が受光する反射光強度が極大値をとった時の反射光受光位置として、上記所定の座標系におけるコリメート光反射体１２〜１４の各々の位置を決定し、これら決定された位置を剛体の並進、回転モデルへとフィッティングすることにより供試体１０の上記位置及び配向を算出する。この場合、位置及び幾何学的配向算出部１９は、反射光強度の極大値に対応する受光位置のみの入力をスキャナ１８より受ければ十分であって、コリメータ２から反射光強度の入力を受ける必要はない。
さらに、コリメート光反射体１２〜１４の位置を、受光強度が極大となるときの受光位置座標として決定することも必須ではない。例えば、供試体に送信されるコリメート光がいずれかのコリメート光反射体を横切るよう、反射光の強度を測定しつつ上記所定の座標系内でコリメータを移動させ、さらにさまざまな方向から同様にコリメータを横切らせつつ反射光強度を測定した上で、反射光の強度が所定の閾値に等しくなったときの受光位置の組を取得すれば、典型的にはそのように取得された受光位置の幾何学的中心として、コリメート光反射体の上記座標系における位置を決定することができる。コリメート光反射体１２〜１４から完全に鏡面反射されたレーザ光をコリメータ２が直接受光すれば、当該コリメータの反射光受光部において受光強度の飽和が起こり、受光強度の極大値に対応する上記受光位置座標を正確に決定できない恐れがある。このような場合には、上記のとおり所定の閾値に対応する受光位置の組から各々のコリメート光反射体の位置を決定することが望ましい。このようにして決定されたコリメート光反射体１２〜１４の位置を剛体の並進、回転モデルへとフィッティングすることによっても、供試体１０の上記位置及び配向を算出することが可能である。
図５に、上述されたとおりの幾何学的中心として反射体の位置を決定する実施態様に特に適した、スリット付きコリメート光反射体（コリメート光反射体１２〜１４の一例）を示す。スリット付きコリメート光反射体は、被覆部材３５、被覆部材３５によりその大部分が覆われた高平行度アルミ蒸着ミラー３２、及びそれらの間にあるテフロン（登録商標）パッキン（不図示）から構成されている。被覆部材３５にはミラー口径より小さい穴（円形スリット３１）が空けてあり、この円形スリット３１を介してミラー３２にコリメート光が入射する。スリット付きコリメート光反射体は、２つの位置決めピン穴３３に各々挿入された２本の位置決めピンにより供試体１０に対して位置合わせされているため、円形のスリット３１の中心がコリメート光反射体の位置の基準となる。被覆部材３５が、取り付けネジ用穴３４にてミラー３２へとねじ留めされ、パッキンを介してミラー３２をアルミ蒸着面（鏡面）側から押さえることで、ミラー３２の基準面（裏面）が供試体１０に接触し、供試体１０の機械的向きの代表になる。アラインメント測定に際しては、供試体１０の、上記所定の座標系に対する相対的位置のずれ、及び回転の情報（ｘ軸、ｙ軸それぞれの周りの回転の情報）を得る必要があるため、スリット付きコリメート光反射体は、供試体１０に対して３つ以上取り付ける。なお、図６は、本発明者が製作したサブミリ波ビーム測定システム１において、図５に示されるスリット付きコリメート光反射体１２〜１４が取り付けられた供試体１０を図１のｚ方向から見たときの図である（ただし、サブミリ波ビーム受信光学系１１は、供試体１０内に収容されているため明示されていない。）。アラインメント測定は、コリメータ２をｘｙ面内で移動させつつ、これらコリメート光反射体１２〜１４へとコリメート光を送信し、その反射光の受光位置を測定することにより行う。以下において、コリメート光反射体１２〜１４は図５のスリット付きコリメート光反射体であるとする。
（２）サブミリ波ビーム測定時の構成
次に、サブミリ波ビーム測定時のサブミリ波ビーム測定システム１の構成を、図２を用いて説明する。
図１の構成とは異なり、図２のシステムにおいて、送信機用ベース３にはサブミリ波ビーム送信機２６が設置されている。本実施例で用いる、一例としてのサブミリ波ビーム送信機２６は、１００ＧＨｚ超の高周波を発生することができるＧｕｎｎダイオードに増幅器を接続し、さらに入力周波数の２倍の周波数信号を出力する周波数逓倍器と、入力周波数の３倍の周波数信号を出力する周波数逓倍器とを接続することにより、６４０ＧＨｚ帯の任意の周波数のサブミリ波ビームを出力するよう構成される。これに対応して、上述の局部発振器２０は、同じく６４０ＧＨｚ帯の、予め定められた特定周波数の局部発振信号を出力するよう構成される。サブミリ波ビーム測定部２３は、ミキサ２１がサブミリ波ビーム及び局部発振信号をミキシングすることで得られる中間周波数信号の強度を測定することにより、上記サブミリ波ビームに対応する６４０ＧＨｚ帯の任意の周波数におけるビーム強度（電力強度、電界強度等）を測定する。サブミリ波ビーム送信機２６から送信されたサブミリ波ビームは、供試体１０に設けられたサブミリ波ビーム入射口１５を通ってサブミリ波ビーム受信光学系１１に入射する。
なお、サブミリ波ビーム測定時においては、サブミリ波ビーム送信機２６が設置された送信機用ベース３を、移動機構７により上記所定の座標系（ｘｙ面）内で移動させつつ、サブミリ波ビームを送信するが、ここでサブミリ波ビーム送信機２６内のビーム出射位置２７（プローブ位置）と送信機用ベース３に対する上記基準点の座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）との間の相対座標は送信機用ベース３の移動によっては不変であるため、スキャナ１８により上記基準点の現在座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）を決定すれば、現在のサブミリ波ビーム出射位置２７が決定されることとなる。
図２中、局部発振器２０は、受信したサブミリ波ビームとミキシングするための局部発振（ＬＯ）信号を出力する。ミキシングにより、周波数の低い中間周波数（ＩＦ）信号へとサブミリ波ビームを変換すれば、その後の増幅や検出処理が容易になる。
サブミリ波ビーム測定を常温で行う場合、上記ミキシングは、ショットキーバリアダイオードミキサ２１により行うことができる。ショットキーバリアダイオードミキサ２１からは、サブミリ波ビーム送信機２６から送信されたサブミリ波ビームの周波数と、局部発振器２０から送信された局部発振信号の周波数と、の差分に等しい周波数の中間周波数信号が出力される。中間周波数信号は、必要に応じて１以上の増幅器２２により増幅され、サブミリ波ビーム測定部２３としてのスペクトラムアナライザによりその強度（受信信号レベルとしての信号電力であり、典型的にはサブミリ波ビームの電界強度に比例する。ただし、スペクトルアナライザ等受信機の検波器の仕様によっては、そのような信号電力の平方根として受信信号レベルが決定される場合もある。）が測定される。このようにして測定されるサブミリ波ビームの強度から、サブミリ波ビームの電磁気的強度の２次元分布、及びそのような２次元分布の、サブミリ波ビーム送信系２８とサブミリ波ビーム受信光学系１１との距離に応じた変化が決定される。なお、ここにいう電磁気的強度とは、典型的には上記のとおり信号電力から理論的に決定される、サブミリ波ビームの電界強度であるが、同じく信号電力から理論的に決定される、サブミリ波ビーム電力を電磁気的強度と規定した上で、その分布を決定するよう本発明を構成することも可能であるし、あるいは、サブミリ波ビームについてスペクトラムアナライザ（又は、サブミリ波ビーム測定部２３としての、別の任意の測定機器）を用いて測定可能である別の任意の量として、上記電磁気的強度を規定してもよい。
一方、サブミリ波ビーム測定を極低温（液体ヘリウム温度）で行う場合、上記ミキシングを超伝導ＳＩＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ミキサ２１により行うことができる。超伝導ＳＩＳミキサ２１は、Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂのような、超伝導体層、絶縁体層、超伝導体層の各層をトンネル接合してなる素子を超伝導状態まで冷却してなるミキサである。極低温での測定において、供試体１０、超伝導ミキサ２１、及び増幅器２２はクライオスタット（不図示）内で液体ヘリウム温度に保持される。以下では、ショットキーバリアダイオードミキサを用いるものとしてサブミリ波ビーム測定システム１の構成及び動作を説明するが、超伝導ＳＩＳミキサを用いて極低温で測定を行う場合、及び他の任意の条件下で任意のミキサを用いて測定する場合であっても、同様の原理により本発明を実施することができる。
強度分布決定部２４は、サブミリ波ビーム測定部２３からビーム強度測定値の入力を受け、さらにスキャナ１８から現在のサブミリ波ビーム出射位置２７の入力を受ける。強度分布決定部２４は、これら情報を用いて、現在のサブミリ波ビーム出射位置２７から見たサブミリ波ビーム入射口１５の位置におけるサブミリ波ビームの電磁気的強度として、サブミリ波ビーム測定部２３から入力されたビームの電磁気的強度を決定する。ただし、サブミリ波ビーム入射口１５の位置は、別途の測定作業等により予め決定され、強度分布決定部２４に入力されているものとする。なお、図２においてはサブミリ波ビーム出射位置２７とサブミリ波ビーム入射口１５とのｘｙ面における座標が一致しているが、実際の測定においてはサブミリ波ビーム入射口１５近傍のｘｙ面内でサブミリ波ビーム出射位置２７を移動させつつ、測定を行う。このようにして、さまざまなサブミリ波ビーム出射位置２７に対してビーム強度を決定することにより、上記所定の座標系におけるサブミリ波ビームの電磁気的強度分布が決定される。なお、スキャナ１８からはサブミリ波ビーム出射位置２７ではなく上記基準点の現在座標（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）が入力され、当該基準点の現在座標に基づいて強度分布決定部２４自身が現在の出射位置２７を決定するとしてもよい。
本実施例においては、サブミリ波ビーム受信光学系１１を固定する一方、サブミリ波ビーム送信機２６を移動機構部７によって移動させつつビーム測定することにより、サブミリ波ビーム出射位置２７とサブミリ波ビーム入射口１５との相対座標に関するビームの電磁気的強度分布を決定するものとしている。しかしながら、これは、ミキサ２１として特に超伝導ＳＩＳミキサを用いる場合にはクライオスタットを固定して測定することが好ましいという事情に鑑みたものであり、サブミリ波ビーム送信機２６を固定しつつサブミリ波ビーム受信光学系１１を移動させながら測定を行ってもよい。
強度分布決定部２４は更に、位置及び幾何学的配向算出部１９より、上記所定の座標系における供試体１０の位置、及び当該所定の座標系に対する供試体１０の幾何学的配向の入力を受けて、これらに基づき、上記サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を補正する。これにより電磁気的強度分布からミスアラインメントの影響が取り除かれ、送信系・受信光学系間のアラインメントが理想的であるとしたときの電磁気的強度分布を得ることができる。ミスアラインメントによる電磁気的強度分布のシフト、及びその影響を取り除くための具体的補正方法については、後に詳しく説明する。強度分布決定部２４は、典型的には情報処理プログラムにより動作するコンピュータとして構成される。
統計解析部２５は、強度分布決定部２４より、サブミリ波ビームにおけるミスアラインメントの影響が取り除かれた電磁気的強度分布の入力を受けて、これらに対して２次元ガウス分布モデル等を用いた統計解析を行うことにより、上記座標系におけるビームの中心位置、ビーム幅等のビームパラメータを求めるための装置である。統計解析部２５は更に、サブミリ波ビーム送信機２６と供試体１０との距離がさまざまに変更された場合において各々のビーム中心位置を決定し、それら中心位置の組に基づきサブミリ波ビームの伝搬ベクトル方向を決定すると共に、決定された伝播ベクトル方向に基づいてビームオフセットを決定する。これらの具体的な方法については、後に詳しく説明する。統計解析部２５は、典型的には情報処理プログラムにより動作するコンピュータとして構成される。
なお、図３の偏波角回転機構２９は、送信機用ベース３を図１のｚ方向の軸周りに回転させることにより、サブミリ波ビーム測定時において送信機用ベース３に設置されるサブミリ波ビーム送信機２６を回転させ、送信するサブミリ波ビームの偏波に受信機の偏波を合わせたり（主偏波測定）、送信する偏波と直交する偏波に受信機の偏波を合わせたりする（交差偏波測定）ための機構である。
また距離微調整ステージ３０は、送信機用ベース３をｚ方向へとλ／４だけ移動させるための機構である（λは、送信されるサブミリ波ビームの波長）。サブミリ波ビームの測定において、サブミリ波ビーム送信機２６とサブミリ波ビーム受信光学系１１との間には定常波が発生するが、この定常波によるビームの電磁気的強度測定結果への影響を抑えるためには、サブミリ波ビーム送信機２６とサブミリ波ビーム受信光学系１１との距離をλ／４だけずらした上で同様の測定を行い、それら測定された強度の平均値を用いることが有効である。
なお、上述した構成中、少なくとも移動機構制御部１７、スキャナ１８、位置及び幾何学的配向算出部１９、サブミリ波ビーム測定部２３、強度分布決定部２４、統計解析部２５の各機能部が実行する機能は、適切な情報処理プログラムにより動作する一台のコンピュータによって実行することとしてよい。あるいは、それらが担う機能を任意の数の装置に分担させることもできる。さらに、これら機能部が実行する機能の少なくとも一部を操作者自身が行うこととしてもよい。例えば、スキャナ１８による位置決定は、移動機構部１７に接続された適切なディスプレイ（不図示）に表示されたスライド動作の情報を用いて操作者が行ってもよいし、同様に位置及び幾何学的配向算出部１９による剛体モデルへのフィッティングも、剛体モデルの並進、回転運動に関する理論式に従い操作者自身が行ってよい。同様に、上記各機能部へのデータ入力、及びそこからのデータ出力も、適切な有線・無線回線を介してコンピュータ制御により自動で行うことが可能であるし、あるいは操作者自身が各機能部のインターフェースから行ってもよい。
サブミリ波ビーム測定システム１の動作
次に、サブミリ波ビーム測定システム１を用いた、サブミリ波ビームの電磁気的強度分布決定、及びビームパラメータの算出方法を説明する。
（１）アラインメントの測定と、ミスアラインメントの決定
まず、サブミリ波ビーム送信系２８と、サブミリ波ビーム受信光学系１１と、の間のアラインメントを測定し、実測されたアラインメントの設計値からのずれとしてミスアラインメントを決定する動作を説明する。なお、以下においては、より厳密な測定結果を得るべく、送信系・受信光学系間の距離を変える度にミスアラインメントを決定し直すこととするが、このような態様で本発明を実施することは必須ではなく、特定の上記距離に対して測定したアラインメントを一貫して用いることも可能である。
移動機構部７は、移動機構制御部１７の制御により送信機用ベース３をｘｙ平面上で移動させる。このとき、第２方向軸部５は第３方向軸部６に対して固定されているため、コリメータ２の移動もｘｙ方向に限られる。コリメータ２はｘｙ方向に移動しながら供試体１０に向けてコリメート光を送信し続け、同時に反射光の受光強度を測定する。時々刻々変化する反射光の受光強度が、位置及び幾何学的配向算出部１９に出力される。この間、スキャナ１８は、各々の時点における反射光受光位置を決定し、位置及び幾何学的配向算出部１９へと出力する。なお、コリメータ２のレーザスポット中心位置が製品で保証されていない場合には、別途位置の構成を行い、器差補正処理をしておく必要がある。
スリット付きコリメート光反射体１２〜１４のそれぞれについて、コリメート光が当該反射体をさまざまな方向から横切るよう、移動機構部７はコリメータ２によってｘｙ平面を走査する。図８に、左右から、すなわち図１中のｙ軸に沿った両方向からコリメータ２を横切らせたときの、反射光強度の測定結果の一例を示す。円形スリット３１の形状の対称性により、左右どちらから横切らせた場合でも、反射光強度の変化は略同様である。
位置及び幾何学的配向算出部１９は、反射光強度が所定のレベルであったときの（例えば、図８の「ＤＥＴ．ＬＶＬ」が１２０であったときの）上記反射光受光位置座標の幾何学的中心として、対応するスリット付きコリメート光反射体の上記座標系における位置を決定する。スリット３１が円形であるため、コリメート光が反射体を横切る際、たとえ当該反射体のミラー３２の中心を通らなかった場合であっても、上下左右を含むさまざまな走査により得られた所定の反射光強度に対応する受光位置の平均をとることにより反射体の座標を得ることができる。
上記工程により、位置及び幾何学的配向算出部１９は、スリット付きコリメート光反射体１２〜１４の上記所定の座標系における位置を決定し、剛体の並進、回転モデルへとフィッティングすることにより供試体１０の位置及び配向を算出する。
具体的には、供試体１０の方向規定板９を平面状の剛体板とみなした上で、
（i）方向規定板９の向き（方向規定板９表面の法線方向）が図１におけるｚ軸の負の方向に一致し、さらに方向規定板９内の所定の基準点がｘｙ面内の原点（このような原点が、測定前に固定点として予め定義されているとする。）に一致するよう、ｘｙ面内に供試体１０を置いたときの、コリメート光反射体１２〜１４のｘｙ座標（基準座標）を（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2），（ｘ3，ｙ3）とする。
（ii）上記のとおり反射光受光位置に基づいて決定された、コリメート光反射体１２〜１４のｘｙ座標（実測座標）を（ｘ1’，ｙ1’），（ｘ2’，ｙ2’），（ｘ3’，ｙ3’）とする。
という手順で各々の反射体について基準座標と実測座標とを決定し、それら座標同士を結ぶ並進、回転変換をコンピュータシミュレーションなどにより算出する。
すなわち、各々の反射体における基準座標と実測座標とは、方向規定板９の並進移動と、（方向規定板９内の上記所定の基準点を固定した上での）ｘ軸及びｙ軸廻りの回転と、の組合せにより関係付けられるため、方向規定板９に対して任意の並進と両座標軸廻りの回転とが施された後の、基準座標から出発した移動後の座標をコンピュータにより順次計算して、当該計算された移動後の座標が実測座標と一致するような並進ベクトル、及び２つの回転角を見出すことにより、供試体１０の位置及び配向を算出することができる（または、回転行列等を用いて解析的に上記並進と回転の量を導出してもよい）。
このようにして決定された並進ベクトルを（ΔX0，ΔY0）とし、ｘ軸廻りの回転角（ピッチ角）をΦとし、ｙ軸廻りの回転角（ヨー角）をΘとする。これらの組として、本実施例におけるアラインメントの実測値が与えられる。
ここで、本実施例においては、コリメート光反射体１２〜１４のｘｙ座標が上記基準座標（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2），（ｘ3，ｙ3）に一致するよう、供試体１０の配置が設計されているものとする。この場合、上記手順により得られる並進ベクトル、ピッチ角、及びヨー角の実測値は、全て供試体１０の位置及び配向における設計からのずれを表す。すなわち、上記並進ベクトル（ΔX0，ΔY0）、ピッチ角Φ、ヨー角Θの組として、ミスアラインメントが決定される。
既に述べたとおり、上記ミスアラインメントの影響によって生じるビーム強度分布の見かけ上の変化は、後に説明する補正計算によって取り除くことが可能である。しかしながら、補正の計算誤差等を考慮すれば、サブミリ波ビーム測定前に光学系の配置などを調整して可能な限りミスアラインメントを小さくしておくことが望ましい。すなわち、決定されたミスアラインメントに応じて供試体１０の配置や傾きを微調整し、再度アラインメントの測定を行ってミスアラインメントの大きさを確認する、という手順を繰り返すことにより、引き続き行われるビーム測定前に測定システム１を調整することが有効である。
（２）サブミリ波ビームの測定と、電磁気的強度分布の決定
次に、微調整を経て最終的に決定された上記ミスアラインメントを維持しつつ（微調整後の供試体１０における位置及び配向を不変に保ちつつ）、サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を測定する。
まず、送信機用ベース３からコリメータ２を取り外し、代わりにサブミリ波ビーム送信機２６を設置した上で、移動機構部７が移動機構部１７の制御により送信機用ベース３をｘｙ平面上で移動させる。このとき、第２方向軸部５は第３方向軸部６に対して固定されているため、サブミリ波ビーム送信機２６の移動もｘｙ方向に限られる。サブミリ波ビーム送信機２６はｘｙ方向に移動しながら、サブミリ波ビーム入射口１５近傍に向けてサブミリ波ビームを送信し続ける。なお、コリメータ２のレーザスポット中心と同様に、サブミリ波送信機２６の送信プローブの機械的中心についても３次元測定器で事前に測定し、必要に応じてデータ処理で器差補正を行う。
入射口１５から入射したサブミリ波ビームは、サブミリ波ビーム受信光学系１１を構成する各々の光学要素の作用により収束、反射した上で、受信光学系１１内の電磁ホーンから導波管接続されたショットキーバリアダイオードミキサ２１へと入力される。ショットキーバリアダイオードミキサ２１は、当該サブミリ波ビームと、局部発振器２０から入力された局部発振信号とをミキシングして中間周波数信号を出力する。
サブミリ波ビーム測定部２３は上記中間周波数信号の強度を測定することによりサブミリ波ビームの電磁気的強度を決定し、強度分布決定部２４へと出力する。同時に、強度分布決定部２４に対しては、スキャナ１８から現在のサブミリ波ビーム出射位置２７が入力される。サブミリ波ビーム送信機２６によってビーム入射口１５の近傍を走査し、十分な数の測定点についてビーム強度の測定を行う。
強度分布決定部２４は、サブミリ波ビーム出射位置２７とサブミリ波入射口１５との間の相対座標に対する、当該出射位置２７から送信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度測定値の分布として、測定部２３及びスキャナ１８から入力された測定データを用いてサブミリ波ビームの電磁気的強度分布を決定する。
（３）電磁気的強度分布の補正
さらに、強度分布決定部２４は、位置及び幾何学的配向算出部１９により決定された供試体１０の位置及び幾何学的配向に関する情報の入力を受けて、これらに基づき、上記サブミリ波ビームの電磁気的強度分布を補正する。すなわち、ミスアラインメントの影響により生じる電磁気的強度分布の見かけ上の変化を決定した上で、この変化を打ち消すような補正を、測定データから得られた電磁気的強度分布に対して行う。
本実施例において、上記位置及び幾何学的配向に関する情報とは、ミスアラインメントを表す量である、並進ベクトル（ΔX0，ΔY0）、ピッチ角Φ、ヨー角Θの組として入力されるとする。このミスアラインメントにより、以下に説明するとおりビームには見かけ上の変化が生じる。
図７は、サブミリ波ビーム送信系２８とサブミリ波ビーム受信光学系１１との間のミスアラインメントに起因して生じる、ビームの見かけ上の変化を説明するための図である。図７中、送信側座標系３６は、第１〜第３方向軸部４〜６が延びるｘ、ｙ、ｚ方向の座標軸により規定される座標系であり、受信側座標系３７は、方向規定板９の表面に沿った平面を規定するｘzn軸、ｙzn軸と、当該表面の法線方向の軸（図７中、１点鎖線）と、により規定される座標系である（ｎ＝１，２の場合が代表して図示されている。）。ここにおいてｎとは、第２方向軸部５を第３方向軸部６に対してスライドさせることにより変更される、サブミリ波送信系２８と受信光学系１１とのさまざまな距離を表す整数の指標である（図７においては送信側座標系３６が固定して描かれているため、受信側座標系３７が距離の変更に応じて移動する。）。
受信側座標系３７は、送信側座標系３６に対して（ｘ，ｙ）方向に（ΔＸ0，ΔＹ0）だけシフトしており、さらにｘzn軸とｙzn軸は、ｘ軸とｙ軸に対してそれぞれピッチ角Φとヨー角Θだけ傾いた関係にある。このようなミスアラインメントが存在する場合、送信側座標系３６内の（ｘ，ｙ）＝（Δｘ0，Δｙ0）から送信されたサブミリ波ビームを受信側座標系３７で観測すれば、ｚ＝ｚnだけ離れた位置において、ビーム入射位置はｘzn軸、ｙzn軸方向に関してそれぞれ以下のＦxerr（ｚn），Ｆyerr（ｚn）だけシフトする。
Figure 2012149901

Figure 2012149901
ここで、ΔＸ0，ΔＹ0，Φ，Θはいずれも微小量であるとし、上記（１），（２）式においてこれらの２次以上の量は無視した。このような扱いは説明を単純化する目的のためだけになされるものであって、当然ながら、本発明において高次の微小量を無視することは必須の要件ではない。座標系の並進、回転変換に関する理論式を用いれば、更に厳密にシフト量を決定してビームパターンを分析することが可能である。当業者であれば、本明細書の開示に従い、適宜そのような態様で本発明を実施することができる。
受信側座標系３７のｘnｙn平面内において測定されたビーム入射位置である（ｘn（ｚn），ｙn（ｚn））＝（Δｘ（ｚ1），Δｙ（ｚ1）），（Δｘ（ｚ2），Δｙ（ｚ2））は、ミスアラインメントに起因して上記（１），（２）式により与えられる量だけシフトした後の入射位置である。すなわち、ミスアラインメントが存在しないとした場合のビーム入射位置は、（Δｘn（ｚn）−Ｆxerr（ｚn），Δｙn（ｚn）−Ｆyerr（ｚn））と表すことができる。したがって、ミスアラインメントが存在しないとした場合の、理想的なｘnｙn平面におけるビーム強度分布（一例として、電界強度分布とする。）を│Ｅzn（ｘn，ｙn）│とし、ミスアラインメントの影響によりシフトした、実際に測定されるサブミリ波ビームの強度分布を│Ｅ’zn（ｘn，ｙn）│とすれば、両者は以下の式により対応付けられる。
Figure 2012149901
上記（３）式を用いて、実際に測定される│Ｅ’zn（ｘn，ｙn）│を変換することにより、ミスアラインメントの影響が排されたビーム強度分布が得られる。
（４）ビーム中心位置、ビーム幅の決定
特定のｚn＝ｚiに対して、上述の補正によりミスアラインメントの影響が排されたビーム強度パターン│Ｅzi（ｘi，ｙi）│が得られれば、２次ガウス分布モデル等、適切な統計モデル関数に対して│Ｅzi（ｘi，ｙi）│2をフィッティングすることにより、サブミリ波ビーム送信機２６からの距離ｚiにおけるビーム中心位置、及びビーム幅を決定することができる。本実施例においては、以下の２次元ガウス分布関数
Figure 2012149901
を用いて、最小自乗法によるフィッティングを行う。
Figure 2012149901
具体的には、上記（４）式中、
バイアス値ａ、
振幅ｂ、
ｘ軸方向のピーク位置（ビーム中心位置）、
Figure 2012149901
ｙ軸方向のピーク位置（ビーム中心位置）、
Figure 2012149901
ｘ軸方向のビーム幅ωx（ｚi）、
ｙ軸方向のビーム幅ωy（ｚi）、
ガウス分布円の傾斜度ρ（ｚi）
を未知のパラメータとして、補正後のビーム強度パターンの自乗値│Ｅzi（ｘi，ｙi）│2と上記（４）式により計算される２次元ガウス分布関数
Figure 2012149901
との自乗誤差が最小となるようなパラメータの組を、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法などによって決定する。
（５）ビームの伝搬ベクトル方向、及びオフセットの決定
サブミリ波ビーム送信系２８とサブミリ波ビーム受信光学系１１との距離ｚiを変更しつつ、上記（１）〜（４）の作業を繰り返す。これにより、ミスアラインメントの影響が排されたサブミリ波ビーム電磁気的強度の３次元分布が得られると共に、さまざまな距離ｚiに対するビーム中心位置が得られる。このようにして得られたビーム中心位置を距離ｚiの一次関数へと最小自乗法によりフィッティングすれば、ビームの伝播ベクトル方向とオフセットとを、ミスアラインメントの影響を排した上で決定することができる。本実施例においては、以下の一次関数を用いて、最小自乗法によるフィッティングを行う。
Figure 2012149901

Figure 2012149901
具体的には、上記（５）、（６）式中、
ビーム伝搬ベクトルのｙ軸廻りの回転角θ、
ビーム伝搬ベクトルのｘ軸廻りの回転角φ、
距離ｚi＝０におけるビーム中心としてのオフセットのｘ座標Δｘo
距離ｚi＝０におけるビーム中心としてのオフセットのｙ座標Δｙo
を未知のパラメータとして、各距離ｚiに対して上記（４）式を用いたフィッティングにより得られたｚiの関数としてのビーム中心位置座標Δx(ｚi)，Δy(ｚi)と、上記（５）、（６）式により計算されるｚiの関数としての
Figure 2012149901
と、の自乗誤差が最小となるようなパラメータの組が、以下の（７）〜（１０）式により与えられる。
Figure 2012149901

Figure 2012149901

Figure 2012149901

Figure 2012149901
ただし、ｚ1〜ｚNというＮ通りの距離について、それぞれミスアラインメントの決定、サブミリ波ビーム強度分布の測定、及び２次元ガウス分布関数によるフィッティングを行い、ビーム中心のｘ座標Δｘ（ｚ1）〜Δｘ（ｚN）、及びｙ座標Δｙ（ｚ1）〜Δｙ（ｚN）が決定されているものとする。
本発明を、サブミリ波を利用する天文・宇宙観測分野や地球大気環境分野に利用することができる。ビーム測定試験のセットアップに伴う誤差による測定結果への影響を測定後のデータ処理により取り除くことができるため、従来においては製造・組み立て技術の限界により不可能とされていたサブミリ波帯での厳密なビーム測定を行うことが可能となる。
１ サブミリ波ビーム測定システム
２ コリメータ
３ 送信機用ベース
４ 第１方向軸部
５ 第２方向軸部
６ 第３方向軸部
７ 移動機構部
８ サブミリ波ビーム受信光学系収容部
９ 方向規定板
１０ 供試体
１１ サブミリ波ビーム受信光学系
１２ コリメート光反射体
１３ コリメート光反射体
１４ コリメート光反射体
１５ サブミリ波ビーム入射口
１６ 支持台
１７ 移動機構制御部
１８ スキャナ
１９ 位置及び幾何学的配向算出部
２０ 局部発振器
２１ ミキサ（ショットキーバリアダイオードミキサ、又は超伝導ＳＩＳミキサ）
２２ 増幅器
２３ サブミリ波ビーム測定部
２４ 強度分布決定部
２５ 統計解析部
２６ サブミリ波ビーム送信機
２７ サブミリ波ビーム出射位置
２８ サブミリ波ビーム送信系
２９ 偏波角回転機構
３０ 距離微調整ステージ
３１ 円形スリット
３２ 高平行度アルミ蒸着ミラー
３３ 位置決めピン穴
３４ 取り付けネジ用穴
３５ 被覆部材
３６ 送信側座標系
３７ 受信側座標系

Claims (16)

  1. コリメート光を送信するコリメート光送信部と、反射光を受光する反射光受光部と、を備えたコリメータと、
    各々が所定の位置に配置された、前記コリメート光送信部から送信されたコリメート光を反射する３以上のコリメート光反射体と、サブミリ波ビーム受信光学系と、を備えたサブミリ波ビーム受信部と、
    前記コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、前記３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光が受光された位置を決定する、位置決定部と、
    前記位置決定部により各々決定された、前記３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、前記所定の座標系における前記サブミリ波ビーム受信部の位置、及び該所定の座標系に対する該サブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を算出する、位置及び幾何学的配向算出部と、
    サブミリ波ビームを送信する、サブミリ波ビーム送信部と、
    前記サブミリ波ビーム送信部から送信され、前記サブミリ波ビーム受信光学系を用いて前記サブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を測定する、サブミリ波ビーム測定部と、
    前記サブミリ波ビーム測定部により測定されたサブミリ波ビームの電磁気的強度と、前記座標系における前記サブミリ波ビームの出射位置と、前記位置及び幾何学的配向算出部により算出された、前記サブミリ波ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向と、を用いて、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定する、強度分布決定部と
    を備えることにより、前記サブミリ波ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向に依存して生じる、サブミリ波ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定することを特徴とする
    サブミリ波ビーム測定システム。
  2. 所定の座標系における供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を決定するシステムであって、
    コリメート光を送信するコリメート光送信部と、反射光を受光する反射光受光部と、を備えたコリメータと、
    前記供試体に対して各々が所定の位置に配置される、前記コリメート光送信部から送信されたコリメート光を反射する３以上のコリメート光反射体と、
    前記コリメート光の出射位置を規定する前記所定の座標系における、前記３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光が受光された位置を決定する、位置決定部と、
    前記位置決定部により各々決定された、前記３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、前記所定の座標系における前記供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を算出する、位置及び幾何学的配向算出部と
    を備えたシステム。
  3. 前記供試体として、特に測定対象波長域光ビーム受信光学系を備えた測定対象波長域光ビーム受信部の、所定の座標系における位置、及び該所定の座標系に対する幾何学的配向を決定するシステムであって、
    測定対象波長域光ビームを送信する、測定対象波長域光ビーム送信部と、
    前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信され、前記測定対象波長域光ビーム受信光学系を用いて前記測定対象波長域光ビーム受信部により受信された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度を測定する、測定対象波長域光ビーム測定部と、
    前記測定対象波長域光ビーム測定部により測定された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度と、前記座標系における前記測定対象波長域光ビームの出射位置と、前記位置及び幾何学的配向算出部により算出された、前記測定対象波長域光ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向と、を用いて、前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定する、強度分布決定部と
    を更に備えることにより、前記測定対象波長域光ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向に依存して生じる、測定対象波長域光ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定する
    ことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記測定対象波長域光ビーム送信部は、サブミリ波ビームを送信するサブミリ波ビーム送信部であって、前記測定対象波長域光ビーム受信部は、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部である、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記コリメータ及び前記測定対象波長域光ビーム送信部を前記座標系内で移動させるとともに、該コリメータ及び該測定対象波長域光ビーム送信部と前記供試体との距離を変更する、移動機構部を更に備え、
    前記位置決定部は、前記移動機構部による前記コリメータの前記座標系内の移動に関する情報に基づき、前記反射された光が受光された位置を決定し、さらに、前記移動機構部による前記測定対象波長域光ビーム送信部の前記座標系内の移動に関する情報に基づき、該座標系における前記測定対象波長域光ビームの出射位置を決定するよう構成された
    ことを特徴とする、請求項３又は４に記載のシステム。
  6. 前記強度分布決定部により決定された前記測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を用いて、該測定対象波長域光ビームの該座標系におけるビーム中心位置、及びビーム幅を決定する、第１の統計解析手段と、
    前記移動機構部により前記測定対象波長域光ビーム送信部と前記供試体との距離を変更しつつ前記強度分布決定部により決定された各々の電磁気的強度分布について前記第１の統計解析手段により決定された、各々のビーム中心位置を用いて、前記測定対象波長域光ビームの伝搬ベクトル方向及びビームオフセットを決定する、第２の統計解析手段と
    を有する統計解析部を更に備えたことを特徴とする、
    請求項５に記載のシステム。
  7. 前記反射光受光部は、更に受光した反射光の強度を測定するよう構成され、
    前記位置及び幾何学的配向算出部は、
    所定の閾値に等しい強度の反射光が受光された位置であると前記位置決定部により決定された２以上の受光位置に基づいて、前記座標系における前記３以上のコリメート光反射体の各々の位置を決定し、
    前記決定された前記３以上のコリメート光反射体の各々の位置を用いて、前記所定の座標系における該供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を算出するよう構成された
    ことを特徴とする、請求項２乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記コリメート光反射体は、高平行度ミラーと、パッキンを介して該高平面度ミラーへと圧着された被覆部材と、からなり、該被覆部材の所定位置に設けられたスリットから該高平行度ミラーへと入射したコリメート光を反射するよう構成される
    ことを特徴とする、請求項２乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、
    前記コリメート光送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、前記コリメータ内の反射光受光部により受光する段階と、
    前記コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、前記反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、
    前記位置決定部により各々決定された、前記３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、前記所定の座標系における前記サブミリ波ビーム受信部の位置、及び該所定の座標系に対する該サブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階と、
    サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階と、
    前記サブミリ波ビーム送信部から送信され、前記サブミリ波ビーム受信光学系を用いて前記サブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を、サブミリ波ビーム測定部により測定する段階と、
    前記サブミリ波ビーム測定部により測定されたサブミリ波ビームの電磁気的強度と、前記座標系における前記サブミリ波ビームの出射位置と、前記位置及び幾何学的配向算出部により算出された、前記サブミリ波ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向と、を用いて、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を、強度分布決定部により決定する段階と
    を含むことにより、前記サブミリ波ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向に依存して生じる、サブミリ波ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定する
    ことを特徴とする、サブミリ波ビーム測定方法。
  10. 所定の座標系における供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を決定する方法であって、
    コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、
    前記コリメート光送信部から送信され、前記供試体に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、前記コリメータ内の反射光受光部により受光する段階と、
    前記コリメート光の出射位置を規定する前記所定の座標系における、前記反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、
    前記位置決定部により各々決定された、前記３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、前記所定の座標系における前記供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階と
    を含む方法。
  11. 前記供試体として、特に測定対象波長域光ビーム受信光学系を備えた測定対象波長域光ビーム受信部の、所定の座標系における位置、及び該所定の座標系に対する幾何学的配向を決定するための、請求項１０に記載の方法において、
    測定対象波長域光ビーム送信部により測定対象波長域光ビームを送信する段階と、
    前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信され、前記測定対象波長域光ビーム受信光学系を用いて前記測定対象波長域光ビーム受信部により受信された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度を、測定対象波長域光ビーム測定部により測定する段階と、
    前記測定対象波長域光ビーム測定部により測定された測定対象波長域光ビームの電磁気的強度と、前記座標系における前記測定対象波長域光ビームの出射位置と、前記位置及び幾何学的配向算出部により算出された、前記測定対象波長域光ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向と、を用いて、前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を、強度分布決定部により決定する段階と
    を含むことにより、前記測定対象波長域光ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向に依存して生じる、測定対象波長域光ビーム電磁気的強度分布の見かけ上の変化に対応する補正を行った上で、前記測定対象波長域光ビーム送信部から送信された測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を決定する
    ことを特徴とする、方法。
  12. 前記測定対象波長域光ビームを送信する段階は、サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階であって、前記測定対象波長域光ビーム受信部は、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部である、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記コリメート光を送信する段階と、前記反射された光を受光する段階とは、移動機構部を用いて前記コリメータを前記座標系内で移動させるとともに該コリメータと前記供試体との距離を変更することにより、該オートコリメータから任意の距離にあるコリメート光反射体に対して前記座標系内の任意の出射位置から前記コリメート光を送信し、前記反射された光を該座標系内の任意の受光位置において受光するよう、それぞれ構成され、
    前記受光された位置を決定する段階は、前記移動機構部による、前記コリメータの前記座標系内の移動に関する情報に基づき、前記反射された光が受光された位置を前記位置決定部により決定するよう構成され、
    前記測定対象波長域光ビームを送信する段階は、前記移動機構部を用いて前記測定対象波長域光ビーム送信部を前記座標系内で移動させるとともに該測定対象波長域光ビーム送信部と前記供試体との距離を変更することにより、該測定対象波長域光ビーム送信部から任意の距離にある前記供試体に対して前記座標系内の任意の出射位置から前記測定対象波長域光ビームを送信するよう構成され、
    前記測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を、強度分布決定部により決定する段階は、前記移動機構部による前記測定対象波長域光ビーム送信部の前記座標系内の移動に関する情報に基づき、該座標系における前記測定対象波長域光ビームの出射位置を前記位置決定部により決定し、該決定された出射位置を用いて該電磁気的強度分布を決定するよう構成された
    ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
  14. 前記強度分布決定部により決定された測定対象波長域光ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を用いて、該測定対象波長域ビームの該座標系におけるビーム中心位置、及びビーム幅を第１の統計解析手段により決定する段階と、
    前記移動機構部により前記測定対象波長域光ビーム送信部と前記供試体との距離を変更しつつ前記強度分布決定部により決定された各々の電磁気的強度分布について前記第１の統計解析手段により決定された、各々のビーム中心位置を用いて、該測定対象波長域光ビームの伝搬ベクトル方向及びビームオフセットを第２の統計解析手段により決定する段階と、
    を更に含むことを特徴とする、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 前記反射光受光部により、受光した反射光の強度を測定する段階を更に含み、
    前記所定の座標系における前記供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を算出する段階は、
    前記位置及び幾何学的配向算出部により、
    所定の閾値に等しい強度の反射光が受光された位置であると前記位置決定部により決定された２以上の受光位置に基づいて、前記座標系における前記３以上のコリメート光反射体の各々の位置を決定するステップと、
    前記決定された前記３以上のコリメート光反射体の各々の位置を用いて、前記所定の座標系における該供試体の位置、及び該所定の座標系に対する該供試体の幾何学的配向を算出するステップと
    からなる段階である
    ことを特徴とする、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. コリメータ内のコリメート光送信部からコリメート光を送信する段階と、
    前記コリメート光送信部から送信され、サブミリ波ビーム受信光学系を備えたサブミリ波ビーム受信部に対して各々が所定の位置に配置された３以上のコリメート光反射体のいずれかにより反射された光を、前記コリメータの反射光受光部により受光する段階と、
    前記コリメート光の出射位置を規定する所定の座標系における、前記反射された光が受光された位置を、位置決定部により決定する段階と、
    前記位置決定部により各々決定された、前記３以上のコリメート光反射体により反射された光の受光位置を用いて、前記所定の座標系における前記サブミリ波ビーム受信部の位置、及び該所定の座標系に対する該サブミリ波ビーム受信部の幾何学的配向を、位置及び幾何学的配向算出部により算出する段階と
    からなる工程を、移動機構部を用いて前記コリメータを移動させることにより選択された、該コリメータと前記サブミリ波ビーム受信部との間の所定の距離に関して行い、且つ、該所定の距離を保った状態で、
    前記コリメート光送信部におけるコリメート光の出射位置に対して既知の変位を有するサブミリ波ビーム出射位置から、サブミリ波ビーム送信部によりサブミリ波ビームを送信する段階と、
    前記サブミリ波ビーム送信部から送信され、前記サブミリ波ビーム受信光学系を用いて前記サブミリ波ビーム受信部により受信されたサブミリ波ビームの電磁気的強度を、サブミリ波ビーム測定部により測定する段階と、
    からなる工程を、前記移動機構部を用いて前記サブミリ波ビーム送信部を前記座標系内で移動させつつ行った上で、
    前記所定の距離に対して定義される、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波ビームの前記座標系における電磁気的強度分布を、前記サブミリ波ビーム測定部により各々測定された前記サブミリ波ビームの電磁気的強度と、該座標系における該サブミリ波ビームの各々の出射位置と、前記位置及び幾何学的配向算出部により算出された、前記サブミリ波ビーム受信部の前記位置及び幾何学的配向と、を用いて、強度分布決定部により決定し、
    前記コリメータと前記サブミリ波ビーム受信部との距離を変更しつつ、前記各工程及び電磁気的強度分布の決定を行うことにより、前記サブミリ波ビーム送信部から送信されたサブミリ波の電磁気的強度の３次元分布を決定する
    ことを特徴とする、サブミリ波ビーム測定方法。
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