JP7098849B2 - 電磁波計測用プローブ - Google Patents

Description

本発明は、例えば電磁波の空間分布状態を測定する電磁波計測用プローブに好適なものである。

近年、ミリ波レーダの普及に伴い、ミリ波など高周波でなる電磁波の空間分布状態（１次元、２次元、３次元における振幅や位相、強度、周波数など）を高精度で測定する必要性が高まっている。そこで、光が電磁波の影響を受けている物質と作用する時に発生する電気光学効果を奏する、いわゆる電気光学結晶を用いて電磁波の空間分布状態を計測する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、２つの電気光学結晶を用いた差分測定により、計測対象電磁波の同期信号を使用することなく電磁波の空間分布状態を測定する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００１－３４３４１０ 特開２０１７－１５７０３

かかる構成の差分測定を実現するためには、電磁波の空間分布状態を計測するための計測用プローブが必要とされている。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、電磁波の空間分布状態を計測するための電磁波計測用プローブを提供するものである。

かかる課題を解決するため、本発明の計測用プローブでは、計測対象電磁波に応じて電気光学効果によって生じる光信号の変化を計測用プローブによって測定し、前記計測用プローブと前記計測対象電磁波とを相対的に移動しながら検出された光信号の変化の差分値に基づいて前記計測対象電磁波の空間分布状態を計測する電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
前記電気光学効果を奏する電気光学結晶と、該電気光学結晶の根元側に設けられ光信号を伝達する第１の光ファイバと、該電気光学結晶の先端側に設けられ光信号を反射する反射部とからなるセンサ構成を有する第１測定部と、
前記センサ構成を有する第２測定部とを有し、
前記第１の光ファイバの軸方向に垂直な第１の方向及び第２の方向において、前記電気光学結晶のサイズが前記計測対象電磁波の波長の１／３以下に設定されている
ことを特徴とする。

また本発明の電磁波計測用プローブでは、電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
電気光学効果を奏する第１の電気光学結晶と、該第１の電気光学結晶の根元側に設けられ光信号を伝達する第１の光ファイバと、該第１の電気光学結晶の先端側に設けられ光信号を反射する第１の反射部とを有する第１測定部と、
第２の電気光学結晶と、該第２の電気光学結晶の先端側に設けられた第２の光ファイバと、該第２の電気光学結晶の先端側に設けられた第２の反射部とを備える第２測定部と
を有し、
前記第１の電気光学結晶及び前記第２の電気光学結晶は一つの電気光学結晶であり、該一つの電気光学結晶の根元側に、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバが接続されていることを特徴とする。

本発明は、電磁波の空間分布状態を計測するための電磁波計測用プローブを実現できる。

第１の実施の形態における電磁波計測システムの概略図である。 第１の実施の形態における電磁波計測装置の配置を示す概略図である。 電磁波計測装置のブロック図である。 電磁波計測装置の計測時の走査例を示す概略図である。 計測用プローブの概念（１）を説明する概略図である。 計測用プローブの概念（２）を示す概略図である。 第１の実施の形態における電磁波計測装置の光及び電気信号の流れを説明する概略図である。 第１の実施の形態における計測用プローブの構成（１）を示す概略図である。 第１の実施の形態における計測用プローブの構成（２）を示す概略図である。 第２の実施の形態における計測用プローブの構成を示す概略図である。 第２の実施の形態における電磁波計測装置の光及び電気信号の流れを説明する概略図である。 シミュレーションによる離隔距離の相違に応じた分解能の比較を示すグラフ（Ｅ面／３００ＧＨｚ） シミュレーションによる離隔距離の相違に応じた分解能の比較を示すグラフ（Ｈ面／３００ＧＨｚ） シミュレーション値と計測値の比較を示すグラフ（Ｅ面／７５．６ＧＨｚ／結晶数４） シミュレーション値と計測値の比較を示すグラフ（Ｈ面／７５．６ＧＨｚ／結晶数４） シミュレーション値と計測値の比較を示すグラフ（Ｅ面／３００ＧＨｚ／結晶数１） シミュレーション値と計測値の比較を示すグラフ（Ｈ面／３００ＧＨｚ／結晶数１）

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、１は全体として電磁波計測システムを示しており、電磁波計測装置２によって測定し、計算装置３によって集計が行われる。図１及び図２では、計測対象として自動車４に搭載されたレーダ４Ａが発生する電磁波を計測する場合を模式的に示している。電磁波計測システム１は、レーダ４Ａから参照信号を受信することなく、すなわち計測対象と直接的に信号同期をさせることなく計測対象電磁波を測定する非同期系の電磁波計測システムである。

計測対象となるレーダ４Ａは、三角波型に周波数変調を施した連続波を用いるＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダである。従って、測定対象となる計測対象電磁波は、ＦＭＣＷ信号である。なおｆ（ＲＦ）は関数ではなく、信号の周波数である測定周波数である。以下、同様にしてカッコ付けで信号の名称を表記する。また図面においてカッコは使用せず、単にｆＲＦと表記している。

図２に示すように、電磁波計測装置２は、レーダ４Ａの近傍に配置され、電磁波を測定すると共に、測定結果を計算装置３に供給する。

図３に示すように、電磁波計測装置２は、図示しないＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）構成でなる制御部５０が予めＲＯＭに記憶された電磁波計測プログラムに従って全体を統括している。電磁波計測装置２は、外部インターフェース５２を介して計算装置３と連携し、電磁波計測を行っている。

電磁波計測装置２は、駆動部５１によって計測用プローブ６０が変位することにより測定が実行される。図４に示すように、駆動部５１は、箱状の電磁波計測装置２の筐体内におけるＸＹ方向への移動により、外側に突出する計測用プローブ６０をＸＹ平面上でジグザグに走査させる。なお図示しないが、駆動部５１は、計測用プローブ６０をＹＺ平面及びＸＺ平面上、若しくは立体的に走査させることも可能である。

計算装置３は、図示しないＣＰＵ（Centralo Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を有するコンピュータ構成でなり、無線又は有線により電磁波計測装置２から供給されるデータに基づいて電磁波の空間分布状態（１次元、２次元、３次元における振幅、位相、強度、周波数などの分布）を計算する。具体的には、例えばＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面における電磁波の空間振幅分布や空間位相分布などの空間分布を算出して映像化したり、電磁波の強度や周波数などの数値が想定値外となった領域を特定する。これにより、電磁波計測システム１では、レーダ４Ａのアンテナの励振分布の診断や遠方界放射パターンの計算をしたりできる。

図５及び図６は、計測用プローブ１０６０を説明するための概念図である。なお、実施形態としての計測用プローブ６０の構成の詳細については後述する。図５及び図６では便宜上、実施形態の構成に１０００を加算した番号を附して説明する。計測用プローブ１０６０は、Ｚ方向と平行に延びる４本のＥＯ（Electro-Optic）センサ１０６０Ａ，１０６０Ｘ，１０６０Ｙ，１０６０Ｚによって構成されている。各ＥＯセンサ１０６０Ａ，１０６０Ｘ，１０６０Ｙ，１０６０Ｚは、４本の偏波保持ファイバ１０６１Ａ，１０６１Ｘ，１０６１Ｙ，１０６１Ｚにそれぞれ接続されている。なお偏波保持ファイバの代わりにシングルモードファイバなどの光ファイバを使用することも可能である。

各ＥＯセンサ（１０６０Ａ，１０６０Ｘ，１０６０Ｙ，１０６０Ｚ）は、互いに位置が固定されている。ＥＯセンサ１０６０Ａを基準とすると、ＥＯセンサ１０６０ＸはＸ方向に離隔距離ΔＸだけ、ＥＯセンサ１０６０ＹはＹ方向に離隔距離ΔＹだけ、ＥＯセンサ１０６０ＺはＸ方向及びＹ方向に離隔距離ΔＸ、ΔＹ並びにＺ方向に離隔距離ΔＺだけずれた位置に固定されている。なお図６に示すように、離隔距離ΔＸ、ΔＹはそれぞれ偏波保持ファイバ６１の中心間の距離であり、ΔＺ（図５参照）はＥＯセンサ１０６０ＡとＥＯセンサ１０６０Ｚの先端面１０６０Ａａと１０６０Ｚａ間の距離である。

各ＥＯセンサを構成する電気光学結晶の先端面１０６０ａ（１０６０Ａａ，１０６０Ｘａ，１０６０Ｙａ，１０６０Ｚａ）には、反射ミラーが形成されている。従って、偏波保持ファイバ６１を介して各ＥＯセンサに供給される光信号は各先端面１０６０ａ上の反射点において反射され、偏波保持ファイバ６１に再入力される。このとき、光信号はｆ（ＲＦ）でなる計測対象電磁波の影響により電気光学効果（電気光学結晶の屈折率変化）による変調（光信号の変化）を受ける。

また各ＥＯセンサには離隔距離Δ（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）が設けられており、この離隔距離Δの分だけ計測対象電磁波の位相や振幅が変化する。従って、電磁波計測システム１では、ＥＯセンサ１０６０Ａにおいて得られた信号とＥＯセンサ１０６０Ｘ，１０６０Ｙ、１０６０Ｚにおいて得られた信号とを差分することにより、離隔距離Δに応じた計測対象電磁波の変化を差分値（以下、これを離隔距離差分と呼ぶ）として算出する。そして電磁波計測システム１では、離隔距離差分を積分することにより、離隔距離差分に基づいて電磁波の空間分布状態を算出する。

図７に、電磁波計測装置２における光信号供給部２０、計測用プローブ６０、光信号処理部３０及び電気信号処理部４０の構成を示している。光信号供給部２０は、例えばレーザ光源２１、ＥＯＭ（Electro-Optic Modulators）２２及びＥＯＭ２３、シンセサイザ２４から構成される光コム発生器である。レーザ光源２１は、ＬＯ（Local Oscillator）光源であり、光信号を出射してＥＯＭ２２及び２３に供給する。ＥＯＭ２２及び２３は、シンセサイザ２４によって生成される周波数間隔信号ｆ（ＣＧ）を参照し、入力された光信号を２つの周波数ｆ（１）及びｆ（２）を有するＴＷＯ－ＴＯＮＥ信号に変調する。この２つの入力光信号をそれぞれ入力光信号Ｅ１及びＥ２と呼ぶ。ここで、入力光信号Ｅ１及びＥ２の入力周波数ｆ（ＬＯ）は（１）式及び（２）式で表される。

ｆ（ＬＯ）＝ｆ（１）－ｆ（２） ・・・（１）式

ｆ（ＩＦ）＝｜ｆ（ＲＦ）－ｆ（ＬＯ）｜
ただし、ｆ（ＬＯ），ｆ（ＲＦ）＞＞ｆ（ＩＦ） ・・・（２）式

差分周波数ｆ（ＩＦ）は、電気信号として扱える周波数（例えば１００ｋＨｚ－１０ＭＨｚ程度）に設定される。ここで上述したように、ｆ（ＲＦ）はＦＭＣＷ信号であり、時間軸に応じて周波数が変化する。電磁波計測システム１では、差分周波数ｆ（ＩＦ）が一定になるよう入力光信号Ｅ１及びＥ２の周波数ｆ（１）及びｆ（２）を調整するフィードバック制御が行われる。

入力光信号は、４つに分波され、サーキュレータ３１（３１Ａ，３１Ｘ，３１Ｙ，３１Ｚ）を介して計測用プローブ６０における各ＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚにそれぞれ供給される。

各ＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚでは、計測対象電磁波（測定周波数ｆ（ＲＦ））の影響による変調を発生させた状態で入力光信号Ｅ１及びＥ２を測定光信号として偏波保持ファイバ６１側に戻す。サーキュレータ３１は、測定光信号を光経路Ｌ１～Ｌ４へ入力する。以下、光経路Ｌ１について説明するが、光経路Ｌ２～Ｌ４においても構成及び動作は同一であり、説明を省略する。

上述したように、入力光信号Ｅ１及びＥ２は、周波数ｆ（１）及びｆ（２）の対である。各ＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚでは、周波数ｆ（１）及びｆ（２）を中心として測定周波数ｆ（ＲＦ）間隔で並んだ変調サイドバンドＥＳ１及びＥＳ２を発生させる。このため変調サイドバンドＥＳ１及びＥＳ２の一つは、元の入力光信号Ｅ１及びＥ２の対となる入力光信号Ｅ２及びＥ１の周波数ｆ（２）及びｆ（１）に対し、差分周波数ｆ（ＩＦ）だけずれた周波数に出現する。光フィルタ３２は、入力光信号Ｅ２及び変調サイドバンドＥＳ１、又は入力光信号Ｅ１及び変調サイドバンドＥＳ２の一方を通過させ、フォトダイオード３３Ａに供給する。

フォトダイオード３３Ａは、入力光信号及び変調サイドバンドを差分周波数ｆ（ＩＦ）でなるビート信号として電気信号に変換する。この結果、フォトダイオード３３Ａは、差分周波数ｆ（ＩＦ）を有する測定電気信号を出力し、電気信号処理部４０の電気経路Ｓ１に入力する。

電気信号処理部４０では、測定電気信号から基準信号が生成される電気経路Ｓ１と、離隔距離差分を含む測定電気信号から離隔距離差分が検出される電気経路Ｓ２～Ｓ４を有している。電気経路Ｓ２～Ｓ４におけるロックインアンプ（ＬＩＡ）４７Ｘ、４７Ｙ，４７Ｚにおいて測定電気信号から基準信号が差分されることにより、離隔距離差分が算出される。以下、基準信号が電気経路Ｓ２に入力される場合について説明するが、電気経路Ｓ３及びＳ４についても構成及び動作は同一であり、説明を省略する。

電気経路Ｓ１では、検出時の基準となるベース周波数ｆ（Ｓ）を有するベース信号が基準信号に対して混合され、基準混合信号が生成される。その後、電気経路Ｓ２のミキサ４５Ｘで乗算され差分周波数ｆ（ＩＦ）成分と計測対象電磁波におけるゆらぎが除去された後、ロックインアンプ４７ＸによってＸ方向の離隔距離差分が検出される。なおここでは、離隔距離差分として、位相と振幅を検出している。

このときロックインアンプ４７Ｘは、検出頻度が駆動部５１における計測用プローブ６０の移動速度との関係において、計測対象電磁波の波長の１／２を上回らないように離隔距離差分を検出する。これにより、確実に計測対象電磁波による影響を検出することができる。

一方、電気経路Ｓ１Ｂにおいて基準混合信号がロックインアンプ４７Ａに入力されることで、差分周波数ｆ（ＩＦ）成分が揺らいだ時にフィルタ４３Ａで付加される余剰位相揺らぎが検出される。なおこの電気経路Ｓ１ｂは必ずしも必要ではない。

次に、計測用プローブ６０の構成について説明する。

図８（Ａ）に示すように、計測用プローブ６０は、Ｘ方向に２つ、Ｙ方向に２つの合計４つのＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０ＺがＸＹ平面上においてそれぞれ離隔距離ΔＸ，ΔＹだけ離隔した状態で格子状に配置されている。またＥＯセンサ６０Ｘ，６０Ｚの位置関係を表す図８（Ｂ）に示すように、ＥＯセンサ６０Ｚのみがその先端をＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙの先端よりも離隔距離ΔＺだけ離隔して配置されている。

各ＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚの構成は同一である。ここでは、ＥＯセンサ６０Ｘについて説明し、他についての説明を省略する。

ＥＯセンサ６０Ｘは、全体としてＺ方向に長い直方体形状を有しており、一辺が結晶辺ＣＲでなる底面形状が正方形の光学素子が連なると共に、根元側に偏波保持ファイバ６１Ｘが接続されている。結晶辺ＣＲ及び偏波保持ファイバ６１の直径φに制限は無いが、例えばＣＲ＝１．０ｍｍ、φ＝０．５ｍｍのものが使用される。結晶辺ＣＲ及び直径φは、離隔距離ΔＸ，ΔＹ，ΔＺや製造手法などの各種条件に応じて適宜選択される。ＥＯセンサ６０Ｘは、先端側から反射基板６２Ｘ、ＥＯ結晶６３Ｘ、ガラス基板６４Ｘ、コリメータレンズ６５Ｘが光学接着剤によって固着されることにより形成されている。

好ましくは、ＥＯ結晶６３は、自然複屈折を有する結晶である。具体的には、ＥＯ結晶６３は、たとえば、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＢａＴａＯ３（チタン酸バリウム）、ＳＢＮ（ニオブ酸ストロンチウムバリウム）、およびＺＧＰ（リン化亜鉛ゲルマニウム）等の自然複屈折を有する無機結晶である。

あるいは、ＥＯ結晶６３は、たとえば、ＤＡＳＴ（４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノ－４’－Ｎ’－メチル－スチルバゾリウムトシレート）、ＤＡＳＣ（４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノ－４’－Ｎ’－メチル－スチルバゾリウム－パラ－クロロベンゼンスルホネート）、ＤＳＴＭＳ（４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノ－４’－Ｎ’－メチル－スチルバゾリウム２，４，６－トリメチルトルエンスルホネート）、およびＯＨ１（２－（３－（４－ヒドロシスチリル）－５，５－ジメチルシクロヘクス－２－エニリデン）マロノニトリル）等の自然複屈折を有する有機非線形光学結晶である。

なお、ＥＯ結晶６３は、たとえば、ＧａＰ（リン化ガリウム）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）およびＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）等の自然複屈折を有しない無機結晶であってもよいし、または、自然複屈折を有しない有機結晶であってもよい。

なおＥＯ結晶６３は、ＥＯ結晶６３の光学軸と偏光軸とを一致（ここではＥＯ結晶６３の根元側における偏光保持ファイバ６１の軸方向に一致）させることにより、計測対象電磁波によって電気光学結晶に屈折率変化を生じさせ、入力光信号の位相及び振幅を変調させることにより光信号を変化させている。

ここで、ＥＯ結晶６３の結晶辺ＣＲ（Ｘ方向及びＹ方向）は、計測対象電磁波の波長λ（帯域の中間値）の１／２以下に設定されることが好ましい。計測対象電磁波の波長λが大きい（１００ｍｍ以上）場合、ＥＯセンサによる攪乱の影響が小さかった。しかしながら、計測対象電磁波の波長λが小さく（１００ｍｍ未満、特に２５ｍｍ未満）なると、ＥＯセンサにおける結晶サイズに応じて攪乱が問題となる。本願発明人は、結晶辺ＣＲを波長λの１／２以下、より好ましくは１／４以下に設定することにより、計測データにおける攪乱の影響を許容できるレベルまで低減できることを確認した。例えば結晶辺ＣＲ＝１ｍｍの結晶を使用した場合、計測対象電磁波の波長λは０．５ｍｍ以上（周波数６００ＧＨｚ未満）、より好ましくは０．２５ｍｍ以上（周波数1200ＧＨｚ未満）となる。

反射基板６２Ｘは、ＥＯセンサ６０Ｘにおける先端面６０Ｘａを構成する根元側にミラー膜が形成されており、根元側から供給される光信号を根元側に全反射する。ＥＯ結晶６３Ｘは、電気光学効果を呈する結晶であり、電磁波に応じて光信号の状態を変化させる。ガラス基板６４Ｘは、強度の低いＥＯ結晶６３Ｘを補強するために取り付けられている。コリメータレンズ６５Ｘは、偏波保持ファイバ６１Ｘから供給される変調光信号を平行光に変換し、変調光信号を反射基板６２Ｘで反射させる。なお、反射基板６２Ｘにおいて変調光信号が反射する点を反射点とする。すなわち反射点は、ＸＹ方向において偏波保持ファイバ６１の中心の延長線上にあり、Ｚ方向において反射基板６２Ｘの根元側面となる。

偏波保持ファイバ６１Ａ，６１Ｘ，６１Ｙ，６１Ｚは、ＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚの中心に、光学軸に偏波軸を合わせて接続されており、離隔距離ΔＸ、ΔＹ、ΔＺは所定の値に設定されている。

ここで、離隔距離ΔＸ，ΔＹ，ΔＺは、計測対象電磁波の波長λ（帯域の中間値）の１／２以下に設定されることにより、ほぼ同一時刻性を満たすとみなすことができ、高い計測が可能となるからである。また離隔距離ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを波長λの１／３以下、より好ましくは１／４以下に設定することにより、同一時刻性を高めて離隔距離差分の検出精度をさらに向上させることができる。また、計測用プローブ６０の形状によって生じる計測対象電磁波の乱れを小さくするため、離隔距離ΔＺは離隔距離ΔＸ、ΔＹよりも小さく設定されることが好ましい。

上述したように、計測対象電磁波は、三角波型に周波数変調を施したＦＭＣＷ信号であり、時間に応じて周波数が変化する。したがって、周波数変調に伴いフィルタの帯域を広める必要があり、同一時刻性を高めることの重要性が高くなる。このため、時間に応じて周波数が変化する変調を施した変調信号を計測対象電磁波とする場合には、離隔距離ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを波長λの１／４以下に設定することが好ましい。

また、単体でＥＯセンサを用いる場合と異なり、複数のＥＯセンサを小さな離隔距離ΔＸ，ΔＹ（波長λの１／２、特に１／４以下）に配置する場合には、ＥＯ結晶６３同士が互いに干渉を引き起こす場合がある。ＥＯ結晶６３同士の離隔距離である結晶間距離ＣＤは、波長λの１／１０以下に設定されることにより干渉を低減でき、好ましい。結晶間距離ＣＤが大きいと干渉を引き起こすと共に結晶辺ＣＲを小さく設定しなければならず、加工性に困難を生じる可能性がある。

さらに、計測用プローブ６０におけるＸＹ方向のプローブサイズＷＳは、計測対象電磁波の波長λの１．５倍以下、特に１．０倍、さらに１／２以下であることが好ましい。プローブサイズＷＳが小さい方が計測対象電磁波に対して生じさせる攪乱を小さくできるからである。

具体的に、例えば計測対象電磁波の波長λが５ｍｍ、周波数６０ＧＨｚの場合、離隔距離ΔＸ、ΔＹは波長λの１／４である１．２５ｍｍに、離隔距離ΔＺは、波長λの１／８である０．６２５ｍｍに設定される。また、結晶辺ＣＲは波長λの１／５である１．０ｍｍに、結晶間距離ＣＤは波長λの１／２０である０．２５ｍｍ（結晶辺ＣＲの１／４）、プローブサイズＷＳは波長λの０．４５倍である２．２５ｍｍ（結晶辺ＣＲの２．２５倍）に設定される。

４つのＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚに接続された偏波保持ファイバ６１Ａ，６１Ｘ，６１Ｙ，６１Ｚは、上板６６Ａ、中間板６６Ｂ、下板６６Ｃからなる固定基板６６に挟まれて固定されている。

図９（Ａ）～（Ｃ）に示すように、固定基板６６は、全体として扁平な３枚の矩形の板状部材でなり、上板６６Ａの下面、中間板６６Ｂの上下面、下板６６Ｃの上面に、Ｚ方向に平行な２本のＶ字状の溝６６Ａａ，６６Ｂａ，６６Ｂｂ，６６Ｃａが形成されている。この溝は、偏波保持ファイバ６１Ａ，６１Ｘ，６１Ｙ，６１Ｚの直径φの１／２程度に形成されており、対向する溝６６Ａａ、６６Ｂａと、溝６６Ｂｂ，６６Ｃａとを、嵌合させたときに、上板６６Ａの下面と中間板６６Ｂの上面との間、及び中間板６６Ｂの下面及び下板６６Ｃとの間に僅かに（例えば直径φの１／１０～１／５０程度）隙間ができるようにその形状及び大きさが決められている。なお溝６６Ａａ，６６Ｂａ，６６Ｂｂ，６６Ｃａの形状としては、断面が台形状の切り欠き溝やＵ字状の溝などであっても良い。

従って、上板６６Ａの下面と中間板６６Ｂの上面との間に偏波保持ファイバ６１Ａ，６１Ｘが、中間板６６Ｂの下面及び下板６６Ｃとの間に６１Ｙ，６１Ｚが挟まれた状態で液状接着剤や接着シートなどを用いて固着されることにより、離隔距離ΔＸ，ΔＹを有する計測用プローブ６０を簡単に形成することができる。なお、固着の際には、固定基板６６のＹ方向の厚さを固定するための所定の高さを有するスペーサや治具などを使用することにより、製造性を向上させることができる。

なお、離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝１．２５ｍｍ、プローブサイズＷＳ＝２．２５ｍｍ、結晶辺ＣＲ＝１．０ｍｍ、結晶間距離ＣＤ＝０．２５ｍｍでＥＯ結晶が配置され、反射基板の厚さ＝０．５ｍｍでなる４芯の計測用プローブを用いた場合、計測対象電磁波の周波数＝６０ＧＨｚ（波長λが約５．０ｍｍ）、２４ＧＨｚ（波長λが約１２．５ｍｍ）で計測が可能であった。

このように、固定基板６６に形成された溝を用いて偏波保持ファイバ６１の位置を定めることにより、非常に微細なＥＯセンサ６０において位置決め精度を向上させると共に、簡易な工程で計測用プローブ６０を製造することが可能となる。また、計測用プローブ６０では、ＥＯセンサ６０ごとに個別のＥＯ結晶６３を使用するため、計測対象電磁波の周波数が２５ＧＨｚ以下、特に１０ＧＨｚ以下のときに好適に使用される。

＜第２の実施の形態＞
次に、図１０～図１１を参照して第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、計測用プローブの構成と、計測用プローブに供給される光信号の周波数が上述した第１の実施の形態と相違している。なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と対応する箇所に同一番号又は１００を加算した符号を附し、同一箇所についての説明を省略する。

図１０に示すように、計測用プローブ１６０では、４つのＥＯセンサ１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙ，１６０Ｚが一つの構造体１７０として形成されている。偏波保持ファイバ１６１（１６１Ａ，１６１Ｘ，１６１Ｙ，１６１Ｚ）は、離隔距離ΔＸ、ΔＹだけ離隔した位置に、偏波保持ファイバ１６１とほぼ同一径でなる４つの孔を有するキャピラリ１６９によって位置決めされ、固定されている。偏波保持ファイバ１６１におけるキャピラリ１６９より根元側には、樹脂被覆物１６１ａ（１６１Ａａ，１６１Ｘａ，１６１Ｙａ，１６１Ｚａ）が被覆されている。

すなわち、４つのＥＯセンサ１６０（１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙ，１６０Ｚ）は、偏波保持ファイバ１６１を中心とした構造体１７０の所定のセンサ領域として形成されている。すなわちＥＯセンサ１６０では、各偏波保持ファイバ１６１の延長線上に反射点を有することになる。また、キャピラリ１６９の先端側に、偏波保持ファイバ１６１を延長するように該偏波保持ファイバ１６１と同一径でなるコリメータレンズ１７１（１７１Ａ，１７１Ｘ，１７１Ｙ，１７１Ｚ）がそれぞれ配置されている。

例えば、先端側の樹脂被覆物１６１ａが剥がされた状態（すなわち、コア部と該コア部を被覆するクラッド部からなる芯部材が露出した状態）の偏波保持ファイバ１６１に対して、予め先端にコリメータレンズ１７１を固着しておき、キャピラリ１６９の孔に挿通させて固着することにより、偏波保持ファイバ１６１及びコリメータレンズ１７１が配置される。また、予めコリメータレンズ１７１をキャピラリ１６９の孔内に固着させた後、偏波保持ファイバ１６１をキャピラリ１６９の孔内に固着させたり、偏波保持ファイバ１６１を固着後にコリメータレンズ１７１を固着させても良い。その後、キャピラリ１６９の先端面を研磨し、該先端面を構造体１７０の根元側に貼り合わせることにより、構造体１７０に対して４本の偏波保持ファイバ１６１が接続される。

構造体１７０は、反射基板１６２、ＥＯ結晶１６３、ガラス基板１６４に加え、反射基板１６２及びＥＯ結晶１６３の間にサブＥＯ結晶１６７、誘電体フィルム１６８が配置されている。サブＥＯ結晶１６７及び誘電体フィルム１６８は、Ｚ方向の厚さが合計で離隔距離ΔＺに設定されている。誘電体フィルム１６８は、ベースフィルムと誘電体層（図示しない）とを有している。ベースフィルムとしては、例えばポリイミドなどの有機材料やガラスフィルムなどの無機材料などが適宜使用される。ベースフィルムは、例えば１０～５０μｍ程度の厚さを有し、供給される光信号の波長をほぼ１００％透過させる材質で形成されている。誘電体フィルム１６８において、誘電体層は先端側又は根元側のいずれに設けられてもよいが、ここでは根元側の面に誘電体層が設けられた場合について説明する。

誘電体層は、例えば１～１０μｍ程度の厚さを有し、所定の波長の光（例えば１５３０ｎｍ）をほぼ１００％（９０％以上）反射する一方、他の波長の光（例えば１５８０ｎｍ）をほぼ１００％（９０％以上）透過させるという特性を有する。誘電体層は、３０～１００ｎｍの範囲で急激に透過率が変化（１０％未満から９０％以上へ）する特性を有するものが好適に使用される。なお、反射及び透過特性を有する機能を有する薄膜を形成すればよく、必ずしも誘電体層である必要は無い。

図１１に示すように、ＥＯセンサ１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙと、ＥＯセンサ１６０Ｚとは波長の相違する光信号が供給される。例えば、ＥＯセンサ１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙには１５３０ｎｍの波長となる第１の入力光信号が供給される一方、ＥＯセンサ１６０Ｚには１５８０ｎｍの波長となる第２の入力光信号が供給される。

この結果、ＥＯセンサ１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙに供給された第１の入力光信号は誘電体フィルム１６８を通過して反射基板１６２によって反射され、反射基板１６２上に反射点を有する一方、ＥＯセンサ１６０Ｚに供給された第２の入力光信号は誘電体フィルム１６８によって反射され、誘電体フィルム１６８上に反射点を有することになる。すなわち、ＥＯセンサ１６０Ｚは、ＥＯセンサ１６０Ａを基準として、Ｚ方向に離隔距離ΔＺだけ離隔した位置の電磁波を測定することができる。

なお、第１の入力光信号Ｅ１Ａ、Ｅ２Ａ（周波数ｆ－１（１），ｆ－１（２））及び第２の入力光信号Ｅ１Ｂ，Ｅ２Ｂ（入力周波数ｆ－２（１），ｆ－２（２））は、差分周波数ｆ（ＩＦ）に拘らず、一定の値になるように供給される。これにより、入力光信号の波長に変動が生じないため、誘電体層における反射率を一定に保つことができる。

計測用プローブ１６０では、第１の実施の形態と比して小型のプローブを形成することが可能である。具体的に、例えば計測対象電磁波の波長λが３ｍｍ、周波数１００ＧＨｚの場合、離隔距離ΔＸ、ΔＹは波長λの１／１０である０．３ｍｍに設定される。また、離隔距離ΔＺは、波長λの１／２０である０．１５ｍｍに設定される。

本実施の形態の場合、ＥＯセンサ１６０Ａ，１６０Ｘ，１６０Ｙに対応するセンサ領域（破線で示す）のＸ方向及びＹ方向の各辺を結晶辺ＣＲとする。従って、計測対象電磁波の波長λが３ｍｍ（約１００ＧＨｚ）の場合、好ましくは結晶辺ＣＲは波長λの１／２以下となる１．５ｍｍ以下、より好ましくは波長λの１／４以下の０．７５ｍｍ以下に設定される。例えば結晶辺ＣＲが０．７５ｍｍの場合、構造体１７０として、一辺（プローブサイズＷＳ）が１．５ｍｍのＥＯ結晶１６３が使用される。

計測用プローブ６０としてのＸＹ方向のプローブサイズＷＳは、計測対象電磁波の波長λの２．０倍以下、特に１．０倍以下であることが好ましい。これにより、計測対象電磁波の攪乱を低減することが可能である。なお、離隔距離ΔＸ、ΔＹに対し、反射点からＥＯ結晶の外縁までのＸＹ方向の距離である外縁距離ＥＳは計測対象電磁波の波長λの３倍以下、特に２倍、さらに１倍以下であることが好ましい。これにより、プローブサイズＷＳを小さくして計測対象電磁波に対する攪乱を低減することが可能となる。

計測用プローブ１６０では、１つのＥＯ結晶を複数のＥＯセンサとして使用できるため、ＥＯセンサ間に隙間を形成せずに済み、複数のＥＯセンサ間での回折などによる計測対象電磁波の攪乱を低減すると共に、取り扱いが容易となり非常に小さいサイズの計測用プローブを製造することが可能となる。

なお、離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝０．５ｍｍ、プローブサイズＷＳ＝１．５ｍｍ、結晶辺ＣＲ＝０．７５ｍｍのＥＯ結晶及び反射基板の厚さ＝０．５ｍｍでなる４芯のＥＯセンサを用いた場合、計測対象電磁波の周波数＝１２０ＧＨｚ（波長λが約２．５ｍｍ）で計測が可能であった。また、離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝０．２５ｍｍ、プローブサイズＷＳ＝０．５ｍｍ、結晶辺ＣＲ＝０．２５ｍｍのＥＯ結晶及び反射基板（ポリイミドフィルム）の厚さ＝２５μｍでなる４芯のＥＯセンサを用いた場合、計測対象電磁波の周波数＝３００ＧＨｚ（波長λが約１ｍｍ）で計測が良好であった。

このように、１つの構造体１７０に対して予め位置決めされた４本の偏波保持ファイバ１６１を接続することにより、計測用プローブ１６０の小型化が可能となる。計測用プローブ１６０としてのサイズを小さくすることができるため、計測対象電磁波の乱れを効果的に抑制することができ、特に計測対象電磁波が高周波のときに好適に使用できる。なお、計測用プローブ１６０では、計測用プローブ１６０として一つのＥＯ結晶１６３を使用するため、計測対象電磁波の周波数が１０ＧＨｚ以上、特に２５ＧＨｚ以上のときに好適に使用される。

＜シミュレーションによる検証＞
次に、シミュレーションによる計測用プローブの検証結果について説明する。

図１２及び図１３に、３００ＧＨｚのホーンアンテナから電磁波を出力した場合において、異なる離隔距離で近傍界を測定し、その測定結果から遠方界を算出したものである。離隔距離ΔＸ，ΔＹを変化させて計算した。図１２は、Ｅ平面（ｘ－ｚ面）について、図１３はＨ平面（ｙ－ｚ面）について示している。

グラフ中の「Ｓ」と附された曲線は、３００ＧＨｚのホーンアンテナから出力される電磁波のシミュレーション値を示している。他の曲線については、離隔距離ΔＸ，ΔＹを変化させて近傍界を計測した結果を用いて算出した遠方界を示している。

グラフに付加された「０．１」、「０．２５」、「０．５」、「１．０」は離隔距離ΔＸ，ΔＹを示しており、単位はｍｍである。３００ＧＨｚ＝波長が１．０ｍｍであるため、離隔距離ΔＸ，ΔＹはそれぞれλ／１０、λ／４、λ／２、１λとなる。

グラフから分かるように、「０．１」、「０．２５」では数値に大きな差違はなく、またシミュレーション値とも近い曲線を示した。また、「０．５」ではシミュレーション値からの乖離が大きくなり、「１．０」では１ｓｔローブを除くサイドローブが乖離してしまった。

以上の結果から、離隔距離ΔＸ，ΔＹはλ／２未満、特にλ／３以下にすることが好ましいことが分かる。

次に、実際に実施の形態において記載されたプローブを作製し、計測を行った結果について説明する。

実施例プローブ１として、図８に記載のプローブ６０を作製した。離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝１．２５ｍｍ、プローブサイズＷＳ＝２．２５ｍｍ、結晶辺ＣＲ＝１．０ｍｍ、結晶間距離ＣＤ＝０．２５ｍｍでＥＯ結晶が配置され、反射基板の厚さ＝０．５ｍｍでなる４芯の計測用プローブである。

実施例プローブ１を用いて、７６．５ＧＨｚの遠方界の計測を行った。７６．５ＧＨｚは波長が約３．９２ｍｍであるため、結晶辺ＣＲは約０．２５λ（λ／４）、離隔距離ΔＸ，ΔＹは約０．３２λ（約λ／３）である。

「ＰＯ」は、一体型プローブ（実施例プローブ１）のOポートを個別プローブであると見立てて、従来のreferenceプローブ（別個のプローブ）をリファレンスとして用いて測定したデータである。1つの個別プローブを用いた計測（実施例プローブ１）と比較してより大きな乱れが生じていることがわかる。

図１４及び図１５に、Ｅ面及びＨ面におけるシミュレーション値（図では「Ｓ」）と実測値（図では（ＩＭ）とをグラフ化して示す。また表１に、シミュレーション値と実測値との比較を示している。

また、実施例プローブ２として、図１０に記載のプローブ１６０を作製した。離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝０．２５ｍｍ、プローブサイズＷＳ＝０．５ｍｍ、結晶辺ＣＲ＝０．２５ｍｍのＥＯ結晶及び反射基板（ポリイミドフィルム）の厚さ＝２５μｍでなる４芯のＥＯセンサである。

計測対象電磁波の周波数＝３００ＧＨｚは波長λが約１ｍｍであるため、結晶辺ＣＲは約０．２５λ（λ／４）、離隔距離ΔＸ，ΔＹは約０．２５λ（λ／４）である。

図１６及び図１７に、Ｅ面及びＨ面におけるシミュレーション値（図では「Ｓ」）と実測値（図では（ＩＭ）とをグラフ化して示す。また表２に、シミュレーション値と実測値との比較を示している。

表１及び表２からわかるように、より波長が小さく、ノイズが大きくなり易い高周波帯であるにも拘らず、実施例プローブ１と実施例プローブ２とを比較すると、シミュレーション値との差が実施例プローブ２の方が小さい。このことから、一つの結晶を使用する実施例プローブ２の方がプローブとしての性能に優れていることが確認された。

また、一つの結晶に３本の光ファイバを接続した構成を有する２Ｄプローブ（離隔距離ΔＸ，ΔＹ＝０．５ｍｍ）を用いて、７９ＧＨｚ（波長３．８ｍｍ）において計測を行った。このときの離隔距離ΔＸ，ΔＹは約０．１３λ（約λ／８）であった。

離隔距離ΔＸ，ΔＹをλ／４以下の十分に小さい値に設定したが、ゆがみが見られ、高い精度での計測ができなかった。離隔距離ΔＸ，ΔＹをλ／４以下に設定しており、プローブ自体から発生する攪乱の効果は小さいものの、位相の復元精度が低下したためと考えられる。このことから、ベストな離隔距離ΔＸ，ΔＹはλ／４近傍であり、特にλ／６以上かつλ／３以下の範囲内であることが好ましいと言える。また、結晶サイズＣＲも同様であり、ベストな結晶サイズＣＲはλ／４近傍であり、特にλ／６以上かつλ／３以下の範囲内であることが好ましいと言える。

＜動作及び効果＞
以下、上記した実施形態から抽出される発明群の特徴について、必要に応じて課題及び効果等を示しつつ説明する。なお以下においては、理解の容易のため、上記各実施形態において対応する構成を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。また、各特徴に記載した用語の意味や例示等は、同一の文言にて記載した他の特徴に記載した用語の意味や例示として適用しても良い。

本発明の計測用プローブ（計測用プローブ６０）は、計測対象電磁波に応じて電気光学効果によって生じる光信号の変化を第１測定部（ＥＯセンサ６１Ａ，偏波保持ファイバ６１Ａ）及び第２測定部（ＥＯセンサ６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚ，偏波保持ファイバ６１Ｘ，６１Ｙ，６１Ｚ）を有する計測用プローブによって測定し、前記計測用プローブを移動しながら検出された前記光信号の差分値に基づいて計測対象電磁波の空間分布状態を計測する電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
前記電気光学効果を奏する電気光学結晶（ＥＯ結晶６３Ａ，６３Ｘ，６３Ｙ，６３Ｚ）と、該電気光学結晶の根元側に設けられ前記光信号を伝達する光ファイバ（偏波保持ファイバ６１Ａ）と、該電気光学結晶の先端側に設けられ前記光信号を反射する反射部（反射基板６２Ａ）とからなるセンサ構成を有する第１測定部と、
前記センサ構成を有する第２測定部と、
前記光ファイバの軸方向に垂直な第１及び第２の方向において、前記電気光学結晶のサイズが前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されていることを特徴とする。
なお、電気光学結晶の根元側とは、電気光学結晶より根元側であれば良く、電気光学結晶と光ファイバの間に光学部品（補強用ガラス、コリメータレンズ、ファイバ接続部材など）が配置されていても良い。

これにより、ノイズの少ない良好な離隔距離差分を得ることができる。

計測用プローブにおいて、
前記第１及び第２の測定部における前記電気光学結晶には、
周波数の相違する２つの光信号が入力されることを特徴とする。

前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離（離隔距離ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）が、前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されていることを特徴とする。

これにより、第１測定部及び第２測定部で得られる光信号の同一時刻性を担保でき、高い精度での離隔距離差分の測定が可能となる。

計測用プローブにおいて、前記離隔距離は、
前記計測対象電磁波の波長の１／３以下に設定されていることを特徴とする。

これにより、同一性を高めることができるため、より精度の高い計測が可能となる。

前記第１及び第２の測定部における前記電気光学結晶には、周波数の相違する２つの光信号がそれぞれ入力される。これにより、２つの光信号を電気信号として取り扱いやすい周波数に容易にコンバートできる。

前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバには、
前記２つの光信号の周波数の差分から前記計測対象電磁波の周波数を差分した差分周波数が一定となるように調整された状態で、前記２つの光信号が入力されることを特徴とする。

これにより、一定の差分周波数を周波数とする電気信号から差分値を算出すれば良いため、後段の処理を簡素化し、差分値の精度を向上させることができる。

計測用プローブにおいて、前記第１測定部における反射部と前記第２測定部における反射部とは、
前記第１及び第２の光ファイバの軸方向である第３方向において反射離隔距離だけずらして配置されており、該反射離隔距離は、前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されていることを特徴とする。

これにより、第１及び第２測定部の差分値に基づき第３方向における計測対象電磁波の空間分布状態を検出することができる。

計測用プローブにおいて、前記反射離隔距離は、
前記離隔距離よりも小さく設定されていることを特徴とする。

これにより、Ｚ方向における第１及び第２測定部の形状変化（凹凸）を小さくできるため、第１及び第２測定部が計測対象電磁波に与える影響を低減することができる。

計測用プローブは、前記センサ構成を有し、前記第１及び前記第２測定部が並ぶ第１方向とは垂直な第２方向において前記第１の光ファイバから前記離隔距離だけ離隔して配置された第３の光ファイバを有する第３の測定部を備え、
第１面に前記第１及び第２の光ファイバを嵌合するための２つの溝が形成され、該第１面と対向する第２面に第３のファイバを嵌合するための溝が形成された中央板と、前記中央板における第１面と対向する面の対向する位置に２つの溝が形成された第１板と、前記中央板における第２面と対向する面の対向する位置に溝が形成された第２板とが貼り合わされて構成され、前記中央板と前記第１板の溝に第１及び第２の光ファイバが挟まれ、前記中央板と前記第２板の溝に前記第３の光ファイバが挟まれていることを特徴とする。

これにより、少なくとも２方向に配置された３本の光ファイバを簡単にかつ高い精度で位置合わせを行うことができる。

計測用プローブにおいて、前記中央板の第１面に形成された２つの溝は、前記離隔距離だけ離隔した位置に形成されており、
前記中央板は、前記第１面から前記第２面までの厚みがほぼ前記離隔距離でなることを特徴とする。

これにより、中央板の厚さを使って少なくとも２方向に配置された３本の光ファイバを簡単にかつ高い精度で位置合わせを行うことができる。

計測用プローブにおいて、前記センサ構成を有し、前記第１方向及び前記第２方向において前記第１の光ファイバから前記離隔距離だけ離隔して配置され、前記反射部が前記第１の光ファイバの軸方向である第３方向において前記第１測定部より反射離隔距離だけ離隔して配置された第４の光ファイバを有する第４の測定部を備えることを特徴とする。

これにより、４本の光ファイバを有する３次元計測用プローブにおいて、４本の光ファイバの位置合わせを簡単にかつ高い精度で行うことができる。

計測用プローブにおいて、一の電気光学結晶に対し、前記第１及び第２の光ファイバが接続されていることを特徴とする。

これにより、予め位置合わせされた第１及び第２の光ファイバを接続するだけの簡易な工程で計測用プローブを製造することができる。また、部品点数を減少させることができ、一段と小さな計測用プローブを安価に製造することができる。

計測用プローブにおいて、前記第１及び第２の光ファイバは、
該第１及び第２の光ファイバと略同一サイズの孔が形成されたキャピラリに貫通されていることを特徴とする。

これにより、光ファイバを前記光学結晶及び反射部からなる構造体に接続するだけの簡易な工程で計測用プローブを製造することができる。

計測用プローブの前記一の電気光学結晶において、
先端の反射部から前記第１及び第２の光ファイバの軸方向である第３方向において反射離隔距離だけずらして配置された機能膜（誘電体層）を有し、
該反射離隔距離は、
前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されており、
前記機能膜は、
前記第１測定部に伝達される波長の光信号を透過し、前記第２測定部に伝達される波長の光信号を反射することを特徴とする。

これにより、第１及び第２測定部を一つの構造体として構成しつつ、反射部を第３方向に離隔させることが可能となる。

計測用プローブでは、前記一の電気光学結晶に対し、
第１～第４の光ファイバが離隔距離だけ離隔した位置にそれぞれ接続されており、
先端の反射部から前記第１及び第２の光ファイバの軸方向である第３方向において反射離隔距離だけずらして配置された機能膜を有し、
該反射離隔距離は、
前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されており、
第１～第４の光ファイバは、
１本のキャピラリ内に埋設されていることを特徴とする。

これにより、予め第１～第４の光ケーブルが第１及び第２方向に位置合わせされているため、後は前記電気光学結晶に接続させるだけの簡易な工程で計測用プローブを製造することが可能となる。

計測用プローブにおいて、前記第１及び第２測定部は、
先端側を構成する先端面が同一平面上に形成されていることを特徴とする。

これにより、計測対象電磁波に極力影響を与えずに電磁波の空間分布状態を測定することが可能となる。

計測用プローブにおいて、前記第１及び第２の光ファイバの軸方向である第３方向となる前記第２の光ファイバの延長線上において前記先端面から反射離隔距離だけずらして配置され、前記機能膜を有する一方、前記第１の光ファイバの延長線上には前記機能膜が形成されていないことを特徴とする。

これにより、先端面を同一平面上に形成させると共に、第１及び第２測定部を一つの構造体として構成しつつ、反射部を第３方向に離隔させることが可能となる。

電磁波計測システム（電磁波計測システム１）において、
電気光学効果を奏する電気光学結晶と該電気光学結晶の根元側に設けられ前記光信号を伝達する光ファイバと該電気光学結晶の先端側に設けられた反射部とからなるセンサ構成を有する第１測定部と、前記計測用センサ構成を有する第２測定部とを有し、前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離が、前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されている計測用プローブと、
第１測定部及び第２測定部間における前記電気光学結晶による光信号の変化の差分値を検出する差分検出部（光信号処理部３０）と、
前記計測用プローブを移動しながら検出された前記光信号の差分値に基づいて電磁波の空間分布状態を算出する電磁波状態算出部（電気信号処理部４０，計算装置３）とを備えることを特徴とする。

これにより、電磁波計測システムにおいて、計測対象電磁波における同一の波同士を比較できるため、波自体が有するノイズ（波の幅・振幅など波自体の変形）の影響を確実に除去することができる。

電磁波計測システムにおいて、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバには、
周波数の相違する２つの光信号が入力されることを特徴とする。

これにより、２つの光信号を電気信号として取り扱いやすい周波数に容易にコンバートできる。

電磁波計測システムにおいて、前記計測用プローブを駆動する駆動部を有し、
前記差分検出部は、前記計測用プローブの移動距離が前記離隔距離未満ごとになるタイミングで前記差分値を検出することを特徴とする。

この結果、サンプリング定理により計測対象電磁波の波形を復元することが可能である。

本発明の光ファイバは、光信号を伝達するコア部と、前記コア部を被覆し該コア部とは屈折率の相違するクラッド部とを有するファイバ芯部材と、
前記ファイバ芯部材とほぼ同一サイズを有する複数の孔に複数の前記ファイバ心部材を挿通した状態で固定するキャピラリとを備えることを特徴とする。

これにより、複数のファイバ芯部材を予め位置合わせした状態に固定することができるため、種々のセンサに取り付けることによって簡単に複数の光ファイバをセンサに接続することができる。

前記キャピラリの先端側には、
前記ファイバ心部材とほぼ同一サイズを有する光学部品が挿通されていることを特徴とする。

これにより、複数のファイバ芯部材と光学部品とを予め位置合わせした状態に固定することができる

前記キャピラリの先端面と、前記孔に挿通された前記ファイバ心部材又は前記光学部品の先端面が同一平面上に位置することを特徴とする。

これにより、後はセンサの根元側面に先端面を貼り合わせるだけの簡易な処理でセンサと複数の光ファイバとを接続することができる。

近年、ミリ波レーダの普及に伴い、ミリ波など高周波でなる電磁波の空間分布状態（１次元、２次元、３次元における振幅や位相、強度、周波数など）を高精度で測定する必要性が高まっている。そこで、光が電磁波の影響を受けている物質と作用する時に発生する電気光学効果を奏する、いわゆる電気光学結晶を用いて電磁波の空間分布状態を計測する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

一般的に電気光学結晶は脆くて加工性が悪く、特に１ｍｍ以下の微細加工が非常に困難である。しかしながら、計測対象電磁波の波長が短くなるのに合わせて計測用プローブによる攪乱の影響が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、攪乱の影響を低減可能な電磁波計測用プローブおよび該電磁波計測用プローブを用いた電磁波計測システムを提供するものである。

本発明の計測用プローブは、電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
前記電気光学効果を奏する電気光学結晶と、該電気光学結晶の根元側に設けられ前記光信号を伝達する光ファイバと、該電気光学結晶の先端側に設けられ前記光信号を反射する反射部とからなるセンサ構成を有する第１測定部と、
前記センサ構成を有する第２測定部とを有し、
一の電気光学結晶の根元側に、前記第１及び第２の光ファイバが接続されている
ことを特徴とする計測用プローブ。

１つのＥＯ結晶を複数のＥＯセンサとして使用できるため、誘電率が完全一致する複数のＥＯセンサを形成できるため、複数のＥＯセンサ間での干渉を生じさせることなく、非常に小さいサイズの計測用プローブを製造することが可能となる。また、ＥＯセンサ間の隙間を形成せずに済むため、計測対象電磁波に対する攪乱を低減することが可能となる。

＜他の実施の形態＞
なお上述実施形態では、車載用のレーダ４Ａの検査用途に電磁波計測システム１を使用するようにした。本発明はこれに限らず、例えば滑走路や道路などに配置されるレーダ、航空機用のレーダなど種々のレーダや、アンテナなどレーダ以外の電波発生装置の検査用途に本発明を使用することが可能である。また、レーダが発する電磁波信号としてはＦＭＣＷ信号に限らず、単周波数を使用するレーダであっても本発明を使用することができる。要は、計測対象電磁波による光信号の変化を複数の電気光学結晶を用いた差分値として検出することによって電磁波の空間分布状態を測定する場合に、本発明を適用することが可能である。

また上述実施形態では、差分周波数ｆ（ＩＦ）成分が一定になるようにフィードバック制御がなされる場合について述べた。本発明はこれに限らず、必ずしもフィードバック制御は必要ではない。また、変調周波数ｆ（１）及びｆ（２）でなる入力光信号を一定にして差分周波数ｆ（ＩＦ）成分が変調されるようにしても良い。この場合であっても、後段の処理において差分周波数ｆ（ＩＦ）成分が相殺されベース周波数ｆ（ｓ）でなるベース信号に置換されるため、理論上は問題無く離隔距離差分を検出することができる。

上述実施形態では、１つのＥＯセンサに対して２つの光信号を用いるようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えば１つのＥＯセンサに対して一つの光信号のみを用いてもよい。要は、２つのＥＯセンサ間において電磁波の影響による光信号の変化の差分値を検出する全ての方式において本発明を適用することが可能である。

上述実施形態では、計測用プローブ６０として、４つのＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚを有するようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えばＸ方向又はＹ方向に離隔距離ΔＸ又はΔＹだけ離隔する２つ又は３つのＥＯセンサや、Ｚ方向に離隔距離ΔＺだけ離隔する２つのＥＯセンサ、離隔距離ΔＸ、ΔＺだけ離隔する３つのＥＯセンサ、５つ以上のＥＯセンサなどによって計測用プローブが構成されても良い。この場合であっても、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、計測用プローブ１６０についても同様であり、例えば離隔距離ΔＸ、ΔＹ、ΔＺだけ離隔する２つ又は３つのＥＯセンサ、ΔＸ、ΔＹ、ΔＺの整数倍の離隔距離を組み合わせた５つ以上のＥＯセンサなどによって計測用プローブが構成されても良い。

上述実施形態では、ＥＯセンサ６０Ｚの先端面が他のＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０ＹからΔＺだけ引っ込んだ状態である場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えば反射基板より先端側に光学部品を固着することにより、先端面の位置をＺ方向に対して同一、又は出っ張った状態にしても良い。これにより、４つのＥＯセンサ６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚにおける先端面を同一位置にすることができ、計測対象電磁波の乱れを小さくすることができる。

上述実施形態では、構造体１７０のＸＹ平面における全体に誘電体膜が形成されるようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、ＥＯセンサ１６０Ｚに対応する領域にのみ誘電体膜が形成されたり、ＥＯセンサ１６０Ｚに対応する領域に誘電体膜が、それ以外の領域に第２の入力光信号を透過する透過膜が形成されても良い。この場合、第１の実施の形態と同様に同一周波数でなる２つの光信号を４つのＥＯセンサに供給すれば良い。これにより、先端面は同一とすることができるため、形状（ＥＯセンサ１６０Ｚのみ先端面の位置が相違する）によって生じる電磁波の乱れを生じさせずに済む。なお、この場合の誘電体膜は、単に光信号を反射する反射膜であれば良い。

上述実施形態では、溝６６を使って偏波保持ファイバ６１を位置合わせするようにしたが、本発明はこれに限らず、その他種々の製法を用いて偏波保持ファイバ６１を位置合わせすることができる。また上述実施形態では、キャピラリ１６９にあらかじめ形成された孔を用いて偏波保持ファイバ１６１を位置決めするようにしたが、本発明はこれに限らず、その他種々の製法を用いて偏波保持ファイバ１６１を位置合わせすることができる。もちろん第１及び第２の実施の形態を適宜組み合わせても良く、例えば、構造体１７０に対して溝を有する固定基板を使用したり、４つのＥＯセンサに対して４つの孔を有するキャピラリを用いて位置決めをすることができる。

上述実施形態では、計測用プローブ６０を連続的に移動させながら所定間隔で離隔距離差分を検出する場合について述べた。本発明はこれに限らず、計測用プローブ６０を少しずつ移動させながら、その箇所ごとに離隔距離差分を検出しても良い。また、必ずしも計測用プローブを移動させる必要は無く、例えば計測対象電磁波を発する電磁波発生装置を移動させても良い。要は、計測用プローブと計測対象電磁波とが相対的に移動できれば良い。

上述実施形態では、４本の偏波保持ファイバが格子状に配置された場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えば上段の偏波保持ファイバと下段の偏波保持ファイバとがＹ方向にずれた状態で配置されていても良い。また、３本の偏波保持ファイバが正三角形状に配置されても良い。

上述実施形態では、ＥＯ結晶６３の中心、又はセンサ領域の中心に偏波保持ファイバが接続されるようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えば構造体の中心に寄るように偏りを持たせて偏波保持ファイバを接続しても良い。すなわち、偏波保持ファイバの電気光学結晶に対する位置関係に制限はない。また、必ずしも結晶サイズを計測対象電磁波の波長λの１／２以下にしなくても良い。

上述実施形態では、電気光学効果として、屈折率の変化により光信号の位相変調を行う場合について述べた。本発明はこれに限らず、例えば光信号の偏光状態を変化させても良い。また、電気光学効果としては屈折率が電界強度の２乗に比例して変化するカー効果、屈折率が電界強度の1乗に比例して変化するポッケルス効果のいずれを利用してもよい。また、電気光学結晶としては、立方体、直方体、円柱、多角柱など種々の形状のものを使用でき、ＸＹＺ方向の比率について特に制限は無い。

上述実施形態では、反射基板６２に反射膜を設けるようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、プラスチックフィルム（例えばポリイミドフィルム）や薄膜の無機素材などの薄膜材料に反射膜を形成して貼り合わせたり、ＥＯ結晶６３の先端面６０ａにスピンコート、ディップコート、蒸着などの手法によってＥＯ結晶に対して直接的に反射膜を設けてもよい。これにより、反射基板６２の基板部分（ガラスなど）が計測対象電磁波に与える影響を抑えることができる。なお、薄膜材料に反射膜を形成する場合には、薄膜材料を２００μｍ以下、特に１００μｍ以下にすることにより、薄膜材料が計測対象電磁波に与える影響を最小限に抑えることができる。また、薄膜材料としては誘電率の低い（１．０に近い）材質が好適に選択される。薄膜材料として有機材料（プラスチック材料）を使用することにより、安価なで取り扱いの容易な蒸着フィルムや銅箔付フィルムなどを使用することができ、簡易で安価に反射膜を形成することができる。

上述実施形態では、差分測定に計測用プローブを使用するようにした場合について述べた。本発明はこれに限らず、計測対象電磁波を使用した同期系の絶対値測定においても、本発明の計測用プローブを使用することが可能である。例えば、複数の測定点を同時測定可能なプローブとして本発明の計測用プローブを使用することが可能である。この場合であっても、計測対象電磁波の攪乱を低減できるといった本願発明の効果を得ることができる。

上述実施形態では、電磁波計測システム１が一つの計測用プローブ６０を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、複数の計測用プローブ６０を使用し、同時に複数箇所の測定を行うようにしても良い。

上述実施形態では、電磁波計測システム１にＥＯセンサ１６０を適用したが、本発明はこれに限られない。光信号を伝達するコア部と、前記コア部を被覆し該コア部とは屈折率の相違するクラッド部とを有するファイバ芯部材と、前記ファイバ芯部材とほぼ同一サイズを有する複数の孔に複数の前記ファイバ心部材を挿通した状態で固定するキャピラリとを備える束状光ファイバであればよく、例えば他の構成を有する電磁波計測システムにＥＯセンサとして束状光ファイバを使用しても良い。前記キャピラリの先端側には、前記ファイバ心部材とほぼ同一サイズを有する光学部品が挿通されていることが好ましい。このとき、前記キャピラリの先端面と、前記孔に挿通された前記ファイバ心部材又は前記光学部品の先端面が同一平面上に位置することが好ましい。

これにより、簡易な構成で種々の測定に使用可能なセンサの役割を担う束状光ファイバを作製することができる。

上述実施形態では、第１測定部としてのＥＯセンサ６１Ａと、第２測定部としてのＥＯセンサ６１Ｘとによって計測用プローブとしての計測用プローブ６０を構成する場合について述べた。本発明はこれに限らず、その他種々の構成でなる第１測定部と、第２測定部とによって本発明の計測用プローブを構成できる。

本発明は、例えば車載用レーダの電磁波を測定するために使用される電磁波計測用プローブに適用することができる。

１：電磁波計測システム，２：電磁波計測装置，３：計算装置，４：自動車，４Ａ：レーダ，２０：光信号供給部，２１：レーザ光源，２４：シンセサイザ，３０：光信号処理部，３１：サーキュレータ，３２Ａ：光フィルタ，３３Ａ：フォトダイオード，４０：電気信号処理部，４１Ａ：アンプ，４１Ｘ：アンプ，４２Ａ：乗算器，４３Ａ：フィルタ，４４Ａ：アンプ，４５Ｘ：乗算器，４６：ベース信号生成器，４７Ｘ：ロックインアンプ，５０：制御部，５１：駆動部，５２：外部インターフェース，６０：計測用プローブ，６０Ａ，６０Ｘ，６０Ｘ，６０Ｚ：ＥＯセンサ，６０Ｘａ：先端面，６１，６１Ａ，６１Ｘ，６１Ｙ，６１Ｚ：偏波保持ファイバ，６２Ｘ：反射基板，６３Ｘ：ＥＯ結晶，６４Ｘ：ガラス基板，６５Ｘ：コリメータレンズ，６６：固定基板，６６Ａ：上板，６６Ａａ：溝，６６Ｂ：中間板，６６Ｂａ，６６Ｂｂ，６６Ｃａ：溝，６６Ｃ：下板

Claims (21)

1. 計測対象電磁波に応じて電気光学効果によって生じる光信号の変化を計測用プローブによって測定し、前記計測用プローブと前記計測対象電磁波とを相対的に移動しながら検出された光信号の変化の差分値に基づいて前記計測対象電磁波の空間分布状態を計測する電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
   前記電気光学効果を奏する電気光学結晶と、該電気光学結晶の根元側に設けられ光信号を伝達する第１の光ファイバと、該電気光学結晶の先端側に設けられ光信号を反射する反射部とからなるセンサ構成を有する第１測定部と、
   前記センサ構成を有する第２測定部とを有し、
   前記第１の光ファイバの軸方向に垂直な第１の方向及び第２の方向において、前記電気光学結晶のサイズが前記計測対象電磁波の波長の１／３以下に設定されている
   ことを特徴とする計測用プローブ。
2. 前記第１の方向及び前記第２の方向において、前記電気光学結晶のサイズが前記計測対象電磁波の波長の１／６以上に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
3. 前記第１測定部及び前記第２測定部における前記電気光学結晶には、
   周波数の相違する２つの光信号がそれぞれ入力される
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
4. 前記２つの光信号の周波数の差分から前記計測対象電磁波の周波数を差分した差分周波数が一定となるように調整された状態で、前記２つの光信号が入力されることを特徴とする
   ことを特徴とする請求項２に記載の計測用プローブ。
5. 前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離が、前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
6. 前記第１測定部における反射部と前記第２測定部における反射部とは、
   前記第１の光ファイバ及び前記第２測定部における第２の光ファイバの軸方向に平行な第３方向における離隔距離である反射離隔距離だけずらして配置されており、該反射離隔距離は、前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
7. 前記反射離隔距離は、
   前記離隔距離よりも小さく設定されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の計測用プローブ。
8. 第１面に前記第１の光ファイバを嵌合するための溝が形成され、該第１面と対向する第２面に前記第２測定部における第２の光ファイバを嵌合するための溝が形成された中央板と、前記中央板の前記第１面と対向する面の対向する位置に溝が形成された第１板と、前記中央板の前記第２面と対向する面の対向する位置に溝が形成された第２板とが貼り合わされて構成され、前記中央板と前記第１板の溝に前記第１の光ファイバが挟まれ、前記中央板と前記第２板の溝に前記第２の光ファイバが挟まれており、
   前記中央板の前記第１面に形成された２つの溝は、前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離だけ離隔した位置に形成されており、前記中央板は、前記第１面から前記第２面までの厚みが前記離隔距離と同一である
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
9. 一の電気光学結晶の根元側に、前記第１測定部における前記第１の光ファイバ及び前記第２測定部における第２の光ファイバが接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
10. 前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは、
    前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバと略同一サイズの孔が形成されたキャピラリに貫通されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の計測用プローブ。
11. 前記一の電気光学結晶において、
    先端側の反射部から前記第１の光ファイバ及び前記第２測定部における前記第２の光ファイバの軸方向に平行な第３方向における離隔距離である反射離隔距離だけずらして配置された機能膜を有し、
    該反射離隔距離は、
    前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されており、
    前記機能膜は、
    前記第１測定部に伝達される波長の光信号を透過し、前記第２測定部に伝達される波長の光信号を反射する
    ことを特徴とする請求項９に記載の計測用プローブ。
12. 前記一の電気光学結晶に対し、
    第１～第４の光ファイバが離隔距離だけ離隔した位置にそれぞれ接続されており、
    先端側の反射部から前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの軸方向である第３方向において反射離隔距離だけずらして配置された機能膜を有し、
    該反射離隔距離は、
    前記計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されており、
    第１～第４の光ファイバは、
    該第１～第４の光ファイバと略同一サイズの孔が形成されたキャピラリに貫通されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の計測用プローブ。
13. 前記第１測定部及び前記第２測定部は、
    先端面が同一平面上に形成されており、
    前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの軸方向である第３方向において、前記第２の光ファイバの延長線上において前記第１の光ファイバの反射部から前記反射離隔距離だけずらして配置された前記機能膜を有する一方、前記第１の光ファイバの延長線上には前記機能膜が形成されていない
    ことを特徴とする請求項１２に記載の計測用プローブ。
14. 前記第１測定部が有する第１の電気光学結晶と、
    前記第２測定部が有する第２の電気光学結晶と、
    前記第１の電気光学結晶及び前記第２の電気光学結晶の位置を固定する固定部とを有し、
    前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離が、前記第１の電気光学結晶及び前記第２の電気光学結晶のサイズよりも大きく設定されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の計測用プローブ。
15. 電磁波計測システムに使用される計測用プローブであって、
    電気光学効果を奏する第１の電気光学結晶と、該第１の電気光学結晶の根元側に設けられ光信号を伝達する第１の光ファイバと、該第１の電気光学結晶の先端側に設けられ光信号を反射する第１の反射部とを有する第１測定部と、
    第２の電気光学結晶と、該第２の電気光学結晶の先端側に設けられた第２の光ファイバと、該第２の電気光学結晶の先端側に設けられた第２の反射部とを備える第２測定部と
    を有し、
    前記第１の電気光学結晶及び前記第２の電気光学結晶は一つの電気光学結晶であり、該一つの電気光学結晶の根元側に、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバが接続されている
    ことを特徴とする計測用プローブ。
16. 前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバにおけるファイバ芯部材とほぼ同一サイズを有する複数の孔に対し、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバにおけるファイバ芯部材を挿通した状態で固定するキャピラリ
    を有することを特徴とする請求項１５に記載の計測用プローブ。
17. 前記キャピラリの先端側に、
    前記ファイバ芯部材とほぼ同一サイズを有する複数の光学部品が挿通されている
    ことを特徴とする請求項１６の計測用プローブ。
18. 前記キャピラリの先端面と、前記孔に挿通された前記ファイバ芯部材又は
    前記光学部品の先端面が同一平面上に位置する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の計測用プローブ。
19. 前記第１測定部において光信号が反射する第１の反射点と前記第２測定部において光信号が反射する第２の反射点との距離である離隔距離が、計測対象電磁波の波長の１／２以下に設定されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の計測用プローブ。
20. 前記一つの電気光学結晶において、
    先端の反射部からずらして配置され、前記第１測定部に伝達される波長の光信号を透過し、前記第２測定部に伝達される波長の光信号を反射する機能膜を有する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の計測用プローブ。
21. 前記一つの電気光学結晶において、
    前記第１測定部と同一波長の光信号が入射される第３測定部を有する
    ことを特徴とする請求項２０に記載の計測用プローブ。

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