(57)【要約】【課題】セルの配置密度を高める。【解決手段】複数のセル１１は、矢印Ａ方向に沿って一列に並べて配置される。各セル１１は、原子を内部に含むセンサー領域１２を有する。各センサー領域１２は、他のセル１１のセンサー領域１２を通過するプローブ光が通らない位置に配置される。また、各セル１１には、他のセル１１のセンサー領域１２を通過するプローブ光が通る位置に、当該セル１１を矢印Ａ方向に貫通する貫通路１３が形成される。照射部３１〜３４は、各センサー領域１２に対し、直線偏光の成分を有するプローブ光を矢印Ａ方向に沿って照射する。検出部４１〜４４は、センサー領域１２を通過したプローブ光を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に沿って一列に並べられ、励起されると外部から印加された磁場に応じて直線偏光の偏光面を回転させる原子を内部に含むセンサー領域を有する複数のセルと、
各々の前記センサー領域に対し、直線偏光の成分を有する第１の光を前記第１の方向に沿って照射する第１の照射部と、
前記センサー領域を通過した第１の光を検出する検出部とを備え、
各々の前記センサー領域は、他のセルのセンサー領域を通過する前記第１の光が通らない位置に配置され、
各々の前記セルには、他のセルのセンサー領域を通過する前記第１の光が通る位置に、当該セルを前記第１の方向に貫通する貫通路が形成される
ことを特徴とする磁場測定装置。
【請求項２】
前記セルにおいて前記センサー領域及び前記貫通路はマトリックス状に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
【請求項３】
前記センサー領域は、円偏光により励起される原子を内部に含み、
各々の前記センサー領域に対し、円偏光の成分を有する第２の光を前記第１の光と交差するように照射する第２の照射部を備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場測定装置。
【請求項４】
前記セルにおいて前記センサー領域及び前記貫通路は前記第２の光の照射方向に連ならないように配置される
ことを特徴とする請求項３に記載の磁場測定装置。
【請求項５】
前記セルにおいて前記センサー領域と前記貫通路が前記第２の光の照射方向に連なって配置されている場合、当該センサー領域及び当該貫通路にそれぞれ異なるタイミングで前記第１の光が入射するように、当該第１の光の入射タイミングを制御する制御部を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の磁場測定装置。
【請求項６】
前記第１の照射部は、前記センサー領域及び前記貫通路を含む照射範囲を有し、
前記第１の照射部と前記第１の光が最初に照射されるセルとの間に設けられ、当該第１の照射部から照射された第１の光を遮る遮光部材を備え、
前記遮光部材には、前記セルのセンサー領域及び貫通路と対応する位置に前記第１の光を通過させる開口部が形成される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁場測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ポンピングを利用した磁気センサーが、いわゆるＭＲＩ（magnetic resonance imaging：磁気共鳴画像法）装置などに用いられている。この種の磁気センサーにおいては、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とが交差するように（望ましくは、直交するように）セルに照射され、さらに、これらの光の照射方向に対して直交する方向の磁場が印加される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、生体の組織の動きや形状を測定するためには、数１００平方センチメートル程度の範囲を一度に測定する必要がある。ところが、１つのセルでは或る１箇所の磁場しか測定できないため、このように広い範囲で磁場を測定するには、複数のセルが必要となる。また、磁気の測定における空間分解能を向上させるためには、複数のセルを密に配置する必要がある。しかしながら、上述した特許文献１に開示された磁気センサーでは、セルの近くにプローブ光の光源、偏光板、フォトダイオードなどの光学部品を配置しなければならない。この場合、セル間にこれらの光学部品を配置する空間が必要となり、セルの配置密度を高めることができない。
本発明は、セルの配置密度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の方向に沿って一列に並べられ、励起されると外部から印加された磁場に応じて直線偏光の偏光面を回転させる原子を内部に含むセンサー領域を有する複数のセルと、各々の前記センサー領域に対し、直線偏光の成分を有する第１の光を前記第１の方向に沿って照射する第１の照射部と、前記センサー領域を通過した第１の光を検出する検出部とを備え、各々の前記センサー領域は、他のセルのセンサー領域を通過する前記第１の光が通らない位置に配置され、各々の前記セルには、他のセルのセンサー領域を通過する前記第１の光が通る位置に、当該セルを前記第１の方向に貫通する貫通路が形成されることを特徴とする磁場測定装置を提供する。この構成によれば、セルの配置密度を高めることができる。
【０００６】
前記磁場測定装置においては、前記セルにおいて前記センサー領域及び前記貫通路はマトリックス状に配置されてもよい。この構成によれば、セルを小さくすることができる。
【０００７】
前記磁場測定装置においては、前記センサー領域は、円偏光により励起される原子を内部に含み、各々の前記センサー領域に対し、円偏光の成分を有する第２の光を前記第１の光と交差するように照射する第２の照射部を備えてもよい。この構成によれば、円偏光を利用した方式で磁場を測定することができる。
【０００８】
前記磁場測定装置においては、前記セルにおいて前記センサー領域及び前記貫通路は前記第２の光の照射方向に連ならないように配置されてもよい。この構成によれば、測定対象の磁場を表す信号の減衰を防ぐことができる。
【０００９】
前記磁場測定装置においては、前記セルにおいて前記センサー領域と前記貫通路が前記第２の光の照射方向に連なって配置されている場合、当該センサー領域及び当該貫通路にそれぞれ異なるタイミングで前記第１の光が入射するように、当該第１の光の入射タイミングを制御する制御部を備えてもよい。この構成によれば、測定対象の磁場を表す信号の減衰を防ぐことができる。
【００１０】
前記磁場測定装置においては、前記第１の照射部は、前記センサー領域及び前記貫通路を含む照射範囲を有し、前記第１の照射部と前記第１の光が最初に照射されるセルとの間に設けられ、当該第１の照射部から照射された第１の光を遮る遮光部材を備え、前記遮光部材には、前記セルのセンサー領域及び貫通路と対応する位置に前記第１の光を通過させる開口部が形成されてもよい。この構成によれば、第１の照射部を簡易な構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁場測定装置の構成を示す図
【図２】セルの構成を示す図
【図３】セルの作用を説明する図
【図４】変形例に係る照射ユニットの構成を示す図
【図５】変形例に係るセルの構成を示す図
【図６】変形例に係るプローブ光を時分割で照射する動作を説明する図
【図７】変形例に係るセンサー領域及び貫通路の配置を示す図
【図８】変形例に係るセンサー領域及び貫通路の配置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、磁場測定装置１の構成を示す図である。磁場測定装置１は、例えば心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体から発生する微弱な磁場の測定に用いられる。磁場測定装置１は、セルユニット１０と、照射ユニット２０と、照射ユニット３０と、検出ユニット４０とを備える。磁場測定装置１は、測定対象の磁場の中にセルユニット１０が位置するように配置される。
【００１３】
セルユニット１０は、セル１１−１〜１１−４を有する。セル１１−１〜１１−４は、図１に示す矢印Ａ方向（第１の方向の一例）に沿って一列に並べて配置される。なお、セル１１−１〜１１−４を区別する必要のない場合には、これらを総称して「セル１１」という。セル１１は、中空の直方体の形状をしており、ガラス等の光を透過する材料で形成される。セル１１の内部には、原子が気体の状態（すなわちガス状態）で封入される。この原子は、例えばリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）等のアルカリ金属原子である。セル１１内の原子は、円偏光により励起されて原子の外殻電子のスピンが偏極される。なお、セル１１の内部には、典型的には単一種類のアルカリ金属原子が封入されるが、複数種類のアルカリ金属原子が含まれてもよい。また、セル１１内の原子は、常に気体の状態である必要はなく、磁場の測定を行うときに気体の状態であればよい。さらに、セル１１の内部には、セル１１の壁との衝突等によるアルカリ金属の原子の緩和を穏やかにするために、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などが緩衝ガスとして含まれていてもよい。
【００１４】
図２（ａ）は、セル１１−１の構成を示す正面図である。図２（ｂ）は、セル１１−１の構成を示す斜視図である。セル１１−１は、セル１１−１に印加された磁気の測定に用いられるセンサー領域１２を有する。このセンサー領域１２の内部には、原子が含まれる。また、セル１１−１には、セル１１−１を矢印Ａ方向に沿って貫通する３つの貫通孔１３が形成される。貫通路１３は、その壁面によってセル１１−１の内部空間と隔てられている。センサー領域１２及び貫通孔１３は、２行２列のマトリックス状に配置される。なお、図２中の破線は仮想線であり、実際にセル１１−１が４つの領域に区切られているわけではない。
【００１５】
セル１１−２〜１１−４には、セル１１−１と同様に、１つのセンサー領域１２と３つの貫通路１３とが設けられる。ただし、センサー領域１２の位置は、セル１１−１〜１１−４の間で互いに異なる。図１に示すように、セル１１−１のセンサー領域１２は、正面から見て左上に設けられる。セル１１−２のセンサー領域１２は、正面から見て右下に設けられる。セル１１−３のセンサー領域１２は、正面から見て左下に設けられる。セル１１−４のセンサー領域１２は、正面から見て右上に設けられる。つまり、セル１１−１〜１１−４のセンサー領域１２は、それぞれ矢印Ａ方向から見たときに重ならない位置に設けられる。また、各セル１１において、矢印Ａ方向から見たときに他のセル１１のセンサー領域１２と対応する位置には、貫通路１３が設けられる。
【００１６】
図１に示す照射ユニット２０は、照射部２１〜２４（第２の照射部の一例）を有する。照射部２１〜２４は、円偏光成分を有するポンプ光（第２の光の一例）を照射する。照射部２１、２３から照射されたポンプ光は、それぞれ図１に示す矢印Ｂ方向からセル１１−１、１１−３に入射する。一方、照射部２２、２４から照射されたポンプ光は、それぞれ矢印Ｂ方向と反対の方向からセル１１−２、１１−４に入射する。照射部２１〜２４から照射されたポンプ光は、それぞれ異なるセル１１のセンサー領域１２を通過する。具体的には、照射部２１から照射されたポンプ光は、セル１１−１のセンサー領域１２を通過する。照射部２２から照射されたポンプ光は、セル１１−２のセンサー領域１２を通過する。照射部２３から照射されたポンプ光は、セル１１−３のセンサー領域１２を通過する。照射部２４から照射されたポンプ光は、セル１１−４のセンサー領域１２を通過する。
【００１７】
照射ユニット３０は、照射部３１〜３４（第１の照射部の一例）を有する。照射部３１〜３４は、直線偏光成分を有するプローブ光（第１の光の一例）を照射する。照射部３１〜３４から照射されたプローブ光は、図１に示す矢印Ａ方向に沿って進み、それぞれ異なるセル１１のセンサー領域１２を通過する。具体的には、照射部３１から照射されたプローブ光は、セル１１−１のセンサー領域１２を通過する。照射部３２から照射されたプローブ光は、セル１１−４のセンサー領域１２を通過する。照射部３３から照射されたプローブ光は、セル１１−３のセンサー領域１２を通過する。照射部３４から照射されたプローブ光は、セル１１−２のセンサー領域１２を通過する。なお、ポンプ光とプローブ光は、互いに直交する関係にあることが望ましいが、交差する関係であれば完全に直交しなくてもよい。
【００１８】
検出ユニット４０は、検出部４１〜４４を有する。検出部４１〜４４は、フォトダイオード等の光センサーを有し、セル１１−１〜１１−４を通過したプローブ光のスペクトルを検出する。検出部４１〜４４は、それぞれ異なるプローブ光を検出する。具体的には、検出部４１は、照射部３１から照射されたプローブ光を検出する。検出部４２は、照射部３２から照射されたプローブ光を検出する。検出部４３は、照射部３３から照射されたプローブ光を検出する。検出部４４は、照射部３４から照射されたプローブ光を検出する。
【００１９】
次に、磁場測定装置１の動作を説明する。照射部２１〜２４は、セル１１−１〜１１−４の各センサー領域１２にポンプ光Ｌ０を照射する。これにより、セル１１内の原子が励起状態となる。このとき、セル１１内の原子は、そのセル１１に印加された測定対象の磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。続いて、照射部３１〜３４は、それぞれプローブ光Ｌ１〜Ｌ４を照射する。プローブ光Ｌ１〜Ｌ４は、まずセル１１−1に到達する。
【００２０】
図３は、セル１１−１の作用を説明する図である。プローブ光Ｌ１は、セル１１−１のセンサー領域１２に入射し、セル１１−1の内部を通過する。このとき、プローブ光Ｌ１は、セル１１−1内の原子の歳差運動により、偏光面がｘ−ｚ平面においてｘ軸に対して回転角θ１だけ回転される。この回転角θ１は、セル１１−１に印加された磁場に応じた大きさを有する。一方、プローブ光Ｌ２〜Ｌ４は、いずれもセル１１−１の貫通路１３を通過するため、偏光面は回転しない。つまり、プローブ光Ｌ２〜Ｌ４は、偏光状態を維持したままセル１１−１を通過する。
【００２１】
続いて、プローブ光Ｌ１〜Ｌ４は、セル１１−２に到達する。ここでは、プローブ光Ｌ４がセル１１−２のセンサー領域１２に入射し、セル１１−２の内部を通過する。これにより、プローブ光Ｌ４の偏光面が、セル１１−２内の原子の歳差運動に応じて回転角θ２だけ回転される。この回転角θ２は、セル１１−２に印加された磁場に応じた大きさを有する。一方、プローブ光Ｌ１〜Ｌ３は、いずれもセル１１−２の貫通路１３を通過するため、偏光状態を維持したままセル１１−２を通過する。
【００２２】
続いて、プローブ光Ｌ１〜Ｌ４は、セル１１−３に到達する。ここでは、プローブ光Ｌ３がセル１１−３のセンサー領域１２に入射し、セル１１−３の内部を通過する。これにより、プローブ光Ｌ３の偏光面が、セル１１−３内の原子の歳差運動に応じて回転角θ３だけ回転される。この回転角θ３は、セル１１−３に印加された磁場に応じた大きさを有する。一方、プローブ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４は、いずれもセル１１−３の貫通路１３を通過するため、偏光状態を維持したままセル１１−３を通過する。
【００２３】
続いて、プローブ光Ｌ１〜Ｌ４は、セル１１−４に到達する。ここでは、プローブ光Ｌ２がセル１１−４のセンサー領域１２に入射し、セル１１−４の内部を通過する。これにより、プローブ光Ｌ２の偏光面が、セル１１−４内の原子の歳差運動に応じて回転角θ４だけ回転される。この回転角θ４は、セル１１−４に印加された磁場に応じた大きさを有する。一方、プローブ光Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４は、いずれもセル１１−４の貫通路１３を通過するため、偏光状態を維持したままセル１１−４を通過する。
【００２４】
このように、プローブ光Ｌ１〜Ｌ４はそれぞれ、セル１１−１〜１１−４において矢印Ａ方向に連なるセンサー領域１２及び貫通孔１３を通過する。検出部４１〜４４は、セル１１−１〜１１−４を通過したプローブ光Ｌ１〜Ｌ４のスペクトルを検出する。これにより、磁場測定装置１は、プローブ光Ｌ１〜Ｌ４の偏光面の回転角θ１〜θ４を求めることができる。この回転角θ１〜θ４は、セル１１−１〜１１−４に印加された磁場に応じた大きさを有する。従って、磁場測定装置１は、回転角θ１〜θ４を求めることにより、セル１１−１〜１１−４に印加された磁場を測定することができる。
【００２５】
上述した実施形態によれば、照射ユニット２０、照射ユニット３０、検出ユニット４０などの光学部品が、セルユニット１０の周囲に配置されるため、セル１１間にこれらの光学部品を配置するための空間を設ける必要がない。従って、セル１１の配置密度を向上させることができる。
【００２６】
［変形例］
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形させて実施してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
【００２７】
照射ユニット３０は、図４に示すように、照射部３１〜３４に替えて、１つの照射部３５を備えていてもよい。この照射部３５は、少なくともセル１１のセンサー領域１２及び貫通路１３を含む照射範囲を有する。この場合、照射部３５とセル１１−１の間には、光を遮る遮光部材５０が設けられる。遮光部材５０には、セル１１のセンサー領域１２及び貫通路１３に対応する位置にそれぞれ開口部５１が設けられる。そして、遮光部材５０は、照射部３５から照射された一本のプローブ光を、開口部５１を通過させることにより、４本のプローブ光に分ける。
【００２８】
セル１１の数は４個に限定されない。セル１１の数は、測定対象の磁場の広さに応じて決定されればよい。なお、セル１１の数がＮ個である場合、ポンプ光を照射する照射部、プローブ光を照射する照射部、プローブ光を検出する検出部は、それぞれＮ個ずつ設けられる。また、この場合、セル１１には、Ｎ−１個の貫通路１３が設けられる。
【００２９】
例えば、９個のセル１１ａが設けられる場合、図５に示すように、各セル１１ａには、１個のセンサー領域１２と８個の貫通路１３が設けられる。なお、セル１１ａでは、センサー領域１２及び貫通路１３が３行３列のマトリックス状に配置されている。この場合、センサー領域１２及び貫通孔１３がポンプ光の照射方向（図の矢印Ｂ方向）に３つ以上連なるため、ポンプ光の照射方向側に位置しないセンサー領域１２では、磁場を表す信号が減衰してしまう。そこで、この場合には、検出ユニット４０の検出結果に対し、減衰分の補正を行う。
【００３０】
また、この場合、図６に示すように、セル１１ａに対し時分割でプローブ光を照射してもよい。この場合、磁場測定装置１には、プローブ光の照射タイミングを制御する照射制御部６０（制御部の一例）が設けられる。照射制御部６０は、まず図６（ａ）に示すように、左一列のセンサー領域１２を通過するプローブ光Ｌ１１〜Ｌ１３を照射させる。続いて、照射制御部は、図６（ｂ）に示すように、真ん中一列のセンサー領域１２を通過するプローブ光Ｌ１４〜Ｌ１６を照射させる。続いて、照射制御部は、図６（ｃ）に示すように、右一列のセンサー領域１２を通過するプローブ光Ｌ１７〜Ｌ１９を照射させる。つまり、照射制御部は、ポンプ光の照射方向（図の矢印Ｂ方向）に連なるセンサー領域１２と貫通路１３にそれぞれ異なるタイミングでプローブ光が入射するように、プローブ光の照射タイミングを制御する。この場合、上述した信号の減衰は起こらないため、減衰分の補正を行う必要はない。
【００３１】
また、プローブ光がセル１１ａに入射するタイミングを、上述したような遮光部材を用いて制御してもよい。この場合、遮光部材は、プローブ光の入射タイミングを制御する制御部として機能する。例えば、図６に示すような制御を行う場合には、遮光部材は、最初にプローブ光Ｌ１１〜Ｌ１３を通過させる開口部だけを開口し、続いてプローブ光Ｌ１４〜Ｌ１６を通過させる開口部だけを開口し、続いてプローブ光Ｌ１７〜Ｌ１９を通過させる開口部だけを開口する。つまり、遮光部材は、ポンプ光の照射方向に連なるセンサー領域１２と貫通路１３にそれぞれ異なるタイミングでプローブ光が入射するように、プローブ光の入射タイミングを制御する。
【００３２】
センサー領域１２及び貫通路１３の配置は、図２や図５に示した例に限らない。例えば、或るセル１１のセンサー領域１２と、他のセル１１のセンサー領域１２とが一部重なっていてもよい。要するに、センサー領域１２は、他のセル１１のセンサー領域１２を通過するプローブ光が通らない位置に配置されればよい。貫通路１３は、他のセル１１のセンサー領域１２を通過するプローブ光が通る位置に配置さればよい。
【００３３】
センサー領域１２及び貫通路１３は、ポンプ光の照射方向に連ならないように配置されてもよい。例えば、図７に示すように、センサー領域１２及び貫通路１３が斜めに配置されてもよい。また、図８に示すように、センサー領域１２及び貫通路１３が円状に配置されてもよい。
【００３４】
セル１１の形状は、直方体に限らない。例えば、セル１１は、立方体の形状であってもよいし、直方体又は立方体を面取りした形状であってもよい。また、セル１１は、貫通路１３を含む領域が欠けた形状をしていてもよい。この場合、貫通路１３を設ける必要はない。
【００３５】
セル１１に入射されるポンプ光及びプローブ光は、出射されてからセル１１に入射するまでの進行方向が一定である必要はない。つまり、ポンプ光及びプローブ光は、セル１１に入射するときに所定の方向になっていればよく、途中でミラー等によって反射され、進行方向が変更されてもよい。したがって、例えば、光の照射位置や検出位置を１箇所に集中させることも可能である。
【００３６】
磁場測定装置１は、検出ユニット４０の検出結果を外部装置（表示装置、コンピューター装置など）に出力してもよい。又は、磁場測定装置１は、検出ユニット４０の検出結果を可視化して、表示する手段を備えてもよい。
【００３７】
磁場測定装置１が磁場を測定する方法は、上述した実施形態で説明した方法に限らない。例えば、磁場測定装置１は、磁気光学効果の原理を利用した、ポンプ光を用いない周知の方法で磁場を測定してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…磁場測定装置、１０…セルユニット、１１…セル、２０…照射ユニット、２１〜２４…照射部、３０…照射ユニット、３１〜３４…照射部、４０…検出ユニット、４１〜４４…検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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