(57)【要約】【課題】磁場の測定精度を向上させる。【解決手段】液晶パネル６２の液晶層６２０は、電圧の印加により配向が変化する液晶６２２を有し、液晶６２２に電圧が印加されない期間Ｔ１においては、セルを透過したプローブ光の偏光面を液晶６２２により回転させ、液晶６２２に電圧が印加される期間Ｔ２においては、このプローブ光の偏光面を回転させない。液晶パネル６２の偏光板６２５は、液晶層６２０を透過したプローブ光のうち、予め決められた方向の偏光成分を通過させる。検出部は、期間Ｔ１においては、偏光板６２５を通過したプローブ光のｓ偏光成分を検出し、期間Ｔ２においては、偏光板６２５を通過したプローブ光のｐ偏光成分を検出する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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有するセルと、
前記原子が励起されたセルに対し、直線偏光の成分を有する第１の光を照射する第１の照射部と、
電圧の印加により配向が変化する液晶を有し、当該液晶に電圧が印加されない第１の期間においては、前記セルを透過した前記第１の光の偏光面を当該液晶により回転させ、当該液晶に電圧が印加される第２の期間においては、当該第１の光の偏光面を回転させない液晶層と、
前記液晶層を透過した第１の光のうち、予め決められた方向の偏光成分を通過させる偏光部と、
前記第１の期間においては、前記偏光部を通過した前記第１の光の第１の偏光成分を検出し、前記第２の期間においては、前記偏光部を通過した前記第１の光の第２の偏光成分を検出する検出部と
を備えることを特徴とする磁場測定装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分との差分を算出する
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】
前記液晶層は、ネマティック液晶を有する
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】
前記セルは、円偏光により励起される原子を内部に有し、
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前記セルに照射する第２の照射部を備え、
前記第１の照射部は、前記第２の光が照射されたセルに対し、前記第１の光を照射する
ことを特徴とする請求項１から３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、光ポンピングを利用した磁気センサーでは、セルを透過したプローブ光を例えば偏光ビームスプリッターを用いてｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離し、２個の光センサーを用いてｐ偏光成分とｓ偏光成分とを検出する。このとき、偏光ビームスプリッターの傾きを正確に調整しないと、２つの偏光成分の光量がアンバランスになり、測定精度が低下してしまう。また、光センサーを２個用いると、光センサー自体のばらつきにより、測定精度が低くなってしまう。
本発明は、磁場の測定精度を向上させ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、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有するセルと、前記原子が励起されたセルに対し、直線偏光の成分を有する第１の光を照射する第１の照射部と、電圧の印加により配向が変化する液晶を有し、当該液晶に電圧が印加されない第１の期間においては、前記セルを透過した前記第１の光の偏光面を当該液晶により回転させ、当該液晶に電圧が印加される第２の期間においては、当該第１の光の偏光面を回転させない液晶層と、前記液晶層を透過した第１の光のうち、予め決められた方向の偏光成分を通過させる偏光部と、前記第１の期間においては、前記偏光部を通過した前記第１の光の第１の偏光成分を検出し、前記第２の期間においては、前記偏光部を通過した前記第１の光の第２の偏光成分を検出する検出部とを備え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、磁場の測定精度を向上させることができる。
【０００６】
上記磁場測定装置において、前記検出部は、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分との差分を算出してもよい。この構成によれば、第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の差分の算出をも磁場測定装置内で行うことができる。
【０００７】
上記磁場測定装置において、前記液晶層は、ネマティック液晶を有してもよい。この構成によれば、ネマティック液晶を用いて液晶層を構成することができる。
【０００８】
上記磁場測定装置において、前記セルは、円偏光により励起される原子を内部に有し、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前記セルに照射する第２の照射部を備え、前記第１の照射部は、前記第２の光が照射されたセルに対し、前記第１の光を照射してもよい。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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】磁場測定装置の構成を示す図
【図２】セルの構成を示す斜視図
【図３】ネマティック液晶の動作原理を説明する図
【図４】ネマティック液晶の動作原理を説明する図
【図５】ネマティック液晶の動作原理を説明する図
【図６】液晶パネルの構成を示す図
【図７】液晶への電圧印加の制御を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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１０と、照射部２０、３０と、磁場発生部４０と、検出部５０、６０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１０が位置するように配置される。
【００１１】
図２は、セル１０の構成を示す斜視図である。セル１０は、中空の立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。なお、セル１０の形状は、他の立体形状であってもよい。セル１０の内部には、例えばアルカリ金属の原子が気体の状態（すなわちガス状態）で封入される。このアルカリ金属は、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）である。セル１０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１０の内部には、典型的には単一種類のアルカリ金属の原子が封入されるが、複数種類のアルカリ金属の原子が含まれていてもよい。また、セル１０内の原子は、常時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１０の内部には、セル１０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。
【００１２】
図１に示す照射部２０（第２の照射部の一例）は、円偏光成分を有するポンプ光（第２の光の一例）をセル１０に照射する。照射部２０は、光源２１と、半波長板２２と、偏光ビームスプリッター２３と、四分の一波長板２４とを備える。光源２１は、無偏光のレーザー光を図１に示す矢印Ｘ方向に照射する。半波長板２２は、光源２１から照射された光の偏光面を回転させる。偏向ビームスプリッター２３は、半波長板２２を透過した光のｐ偏光成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ偏光成分（入射面に対して垂直な成分）を反射させる。このｓ偏光成分は、例えばレーザー光の出力のモニタリングに用いられてもよいし、光を吸収する部材により吸収されてもよい。なお、ｓ偏光成分の反射方向は、図示した方向に限定されない。四分の一波長板２４は、偏向ビームスプリッター２３を透過した光を円偏光に変化させる。これにより、四分の一波長板２４を透過した光は、円偏光成分を有するポンプ光となる。
【００１３】
照射部３０（第１の照射部の一例）は、直線偏光成分を有するプローブ光（第１の光の一例）をセル１０に照射する。照射部３０は、光源３１と、半波長板３２と、偏向ビームスプリッター３３と、偏光板３４とを備える。光源３１は、無偏光のレーザー光を図１に示す矢印Ｙ方向に照射する。半波長板３２は、光源３１から照射された光の偏光面を回転させる。偏向ビームスプリッター３３は、半波長板３２を透過した光のｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる。偏光板３４は、偏向ビームスプリッター３３を透過した光のうち特定方向に偏光した光だけを透過させる。これにより、偏光板３４を透過した光は、直線偏光成分を有するプローブ光となる。なお、ポンプ光とプローブ光とは、互いに直交する関係であることが好ましいが、交差する関係であれば完全に直交しなくてもよい。
【００１４】
磁場発生部４０は、コイル４１と、磁気シールド４２とを備える。コイル４１は、信号用の磁場を印加するとともに、外部からの磁場に対する補正用の磁場を印加する。磁気シールド４２は、測定対象以外の磁場を遮蔽するための部材であり、セル１０及びコイル４１を覆うように設けられている。磁気シールド４２には、ポンプ光及びプローブ光が通るための経路が確保されている。
【００１５】
検出部５０は、セル１０を透過したポンプ光を検出する。検出部５０は、光センサー５１を備える。光センサー５１は、例えばフォトダイオードであり、セル１０を透過したポンプ光を電気信号に変換する。光センサー５１の検出結果は、例えばポンプ光のモニタリングに用いられる。
【００１６】
検出部６０（検出部の一例）は、セル１０を透過したプローブ光を検出する。検出部６０は、半波長板６１と、液晶パネル６２と、光センサー６３と、Ａ／Ｄ変換器６４と、メモリー６５と、演算部６６とを備える。半波長板６１は、セル１０を透過したプローブ光の偏光面を回転させる。液晶パネル６２は、ネマティック液晶と呼ばれる液晶を用いて、半波長板６１を通過したプローブ光のｐ偏光成分又はｓ偏光成分を透過させる。光センサー６３は、例えばフォトダイオードであり、液晶パネル６２を透過したプローブ光を電気信号に変換して出力する。Ａ／Ｄ変換器６４は、光センサー６３から出力された電気信号をデジタルデータに変換して出力する。メモリー６５は、Ａ／Ｄ変換器６４から出力されたデータを記憶する。演算部６６は、メモリー６５に記憶されたデータを用いて、光センサー６３により検出されたプローブ光のｐ偏光成分とｓ偏光成分との差分を算出する。
【００１７】
図３〜５は、ネマティック液晶の動作原理を説明する図である。ネマティック液晶の液晶分子Ｃは、印加電圧がない場合には、分子の長軸方向に沿ってゆるやかな規則性を持って並ぶ（図３（ａ）参照）。このとき、液晶分子Ｃを一定方向に微細な溝がある基板Ｂ（配向膜）に接触させると（図３（ｂ）参照）、液晶分子Ｃが基板Ｂの溝に沿って並ぶ（図３（ｃ）参照）。
【００１８】
この液晶分子Ｃは、図４に示すように２つの基板Ｂの間に保持される。この基板Ｂは、上側の基板Ｂの溝が延びる方向（矢印ａ方向）と、下側の基板Ｂの溝が延びる方向（矢印ｂ方向）とが直交するように配置される。このとき、上側にある液晶分子Ｃは上側の基板Ｂの溝に沿って矢印ａ方向に並び、下側にある液晶分子Ｃは下側の基板Ｂの溝に沿って矢印ｂ方向に並ぶ。そして、それらの中間にある液晶分子Ｃは、矢印ａ方向から矢印ｂ方向の間を次第に向きを変えながら配列する。これにより、液晶分子Ｃの配向方向は、９０度ねじれた状態になる。
【００１９】
印加電圧がない状態のネマティック液晶に光Ｌを通すと、図５（ａ）に示すように、液晶分子Ｃの配列方向のねじれにより、光Ｌの偏光面が９０度回転される。この現象は、旋光と呼ばれる。一方、ネマティック液晶に電圧を印加すると、図５（ｂ）に示すように、液晶分子Ｃは基板Ｂに対して垂直に配向する。この状態のネマティック液晶に光Ｌを通すと、光Ｌの偏光面は回転されず、そのまま通過する。
【００２０】
図６は、液晶パネル６２の構成を示す図である。液晶パネル６２は、液晶層６２０と、偏光板６２５（偏光部の一例）とを備える。液晶層６２０は、２枚の基板６２１ａ、６２１ｂと、液晶６２２と、駆動部６２３とを備える。基板６２１ａ及び基板６２１ｂの面には、一定方向に微細な溝がある配向膜が設けられる。基板６２１ａ及び基板６２１ｂは、図４に示すように、配光膜の溝の延びる方向が直交するように配置される。液晶６２２は、ネマティック液晶であり、基板６２１ａと基板６２１ｂの間に保持される。駆動部６２３は、基板６２１ａ及び基板６２１ｂに電圧を印加して、液晶６２２を駆動する。偏光板６２５は、液晶層６２０を透過したプローブ光のうち、特定方向の偏光成分だけを通過させる。
【００２１】
液晶６２２は、電圧の印加により配向が変化する。印加電圧がない場合、液晶６２２は、図６（ａ）に示すように基板６２１ａと基板６２１ｂとの間で９０度ねじれるように配列する。一方、電圧が印加されると、液晶６２２は、図６（ｂ）に示すように基板６２１ａ、６２１ｂの面に垂直な方向に揃って並ぶ。
【００２２】
次に、磁場測定装置１の動作を説明する。照射部２０は、セル１０にポンプ光を照射する。これにより、セル１０内の原子は励起状態となる。このとき、セル１０内の原子は、セル１０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３０は、セル１０にプローブ光を照射する。このプローブ光は、セル１０の内部を通過するときに、セル１０内の原子の歳差運動により、その偏光面が回転される。この偏光面の回転角は、セル１０に印加された測定対象の磁場に応じた大きさを有する。セル１０を透過したプローブ光は、半波長板６１により偏光面が回転され、液晶パネル６２に到達する。
【００２３】
このとき、液晶パネル６２の液晶層６２０は、図７に示すように、液晶６２２への電圧印加を時分割で制御する。具体的には、駆動部６２３は、期間Ｔ１（第１の期間の一例）の間は、基板６２１ａ及び基板６２１ｂへの電圧印加を行わない。このとき、液晶６２２は、電圧が印加されないため、図６（ａ）に示すように基板６２１ａと基板６２１ｂとの間で９０度ねじれるように配列する。期間Ｔ１に液晶層６２０に入射したプローブ光は、液晶層６２０を通過するときに、液晶６２２の配向方向のねじれにより偏光面がほぼ９０度回転される。液晶層６２０を透過したプローブ光は、偏光板６２５に到達する。このとき、偏光板６２５は、液晶層６２０を透過したプローブ光のうち、ｓ偏光成分だけを通過させる。
【００２４】
続いて、駆動部６２３は、期間Ｔ２（第２の期間の一例）の間、基板６２１ａ及び基板６２１ｂに電圧を印加する。このとき、液晶６２２は、電圧が印加されるため、図６（ｂ）に示すように基板６２１ａ、６２１ｂの面に垂直な方向に揃って並ぶ。期間Ｔ２に液晶層６２０に入射したプローブ光は、偏光面が回転されずに液晶層６２０を通過する。つまり、プローブ光は、液晶パネル６２を透過する前の偏光状態を保ったまま、液晶層６２０を通過する。液晶層６２０を透過したプローブ光は、偏光板６２５に到達する。このとき、偏光板６２５は、液晶層６２０を透過したプローブ光のうち、ｐ偏光成分だけを通過させる。
【００２５】
液晶パネル６２を透過したプローブ光は、光センサー６３に到達する。光センサー６３は、期間Ｔ１においては、偏光板６２５を通過したプローブ光のｓ偏光成分（第１の偏光成分の一例）を検出し、期間Ｔ２においては、偏光板６２５を通過したプローブ光のｐ偏光成分（第２の偏光成分の一例）を検出する。そして、光センサー６３は、検出した偏光成分の光量を示す電気信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器６４は、光センサー６３から出力された電気信号をデジタルデータに変換して出力する。メモリー６５は、Ａ／Ｄ変換器６４から出力されたデータを記憶する。これにより、メモリー６５には、プローブ光のｓ偏光成分の光量を示すデータと、ｐ偏光成分の光量を示すデータとが記憶される。演算部６６は、メモリー６５に記憶されたデータを用いて、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との差分を算出する。これにより、セル１０の内部を通過するときに回転されたプローブ光の偏光面の回転角が得られる。上述したように、この偏光面の回転角は、セル１０に印加された測定対象の磁場に応じた大きさを有する。従って、磁場測定装置１は、プローブ光の偏光面の回転角を求めることにより、測定対象の磁場を測定することができる。
【００２６】
この実施形態によれば、偏光ビームスプリッターを用いずに、セル１０を透過したプローブ光をｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離することができる。そのため、例えば偏光ビームスプリッターの傾きの調整がずれたために、測定精度が低くなるということがない。加えて、偏光ビームスプリッターは比較的値段が高いため、偏光ビームスプリッターを使用しないことで、磁場測定装置１の製造原価を抑えることができる。また、セル１０を透過したプローブ光を１つの光センサー６３で検出しているため、光センサーのばらつきが起こらない。従って、磁場の測定精度が高くなる。
【００２７】
［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。
【００２８】
光センサー６３によって検出されたプローブ光のｓ偏光成分及びｐ偏光成分は、例えばアナログ回路によってアナログの電気信号のまま保持されてもよい。この場合、電気信号を保持する回路は、ｓ偏光成分の光量を示す電気信号とｐ偏光成分の光量を示す電気信号とを別々に分けて保持する。
【００２９】
上述した実施形態では、印加電圧がない期間Ｔ１にプローブ光のｓ偏光成分を検出し、印加電圧がある期間Ｔ２にｐ偏光成分を検出していたが、これに限らない。例えば、液晶パネル６２の向きを変えることにより、印加電圧がない期間Ｔ１にプローブ光のｐ偏光成分を検出し、印加電圧がある期間Ｔ２にｓ偏光成分を検出してもよい。
【００３０】
セル１０に照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１０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１０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。
【００３１】
磁場測定装置１は、セル１０を透過したポンプ光を検出しなくてもよい。この場合、上述した光センサー５１は不要になる。また、この場合、磁場測定装置１には、セル１０を透過したポンプ光を吸収する部材を設けてもよい。この部材は、シート状であるとより好ましい。
【００３２】
磁場測定装置１は、検出部６０で検出した光に応じた信号を可視化し、これを表示する手段を備えてもよい。又は、磁場測定装置１は、検出部６０で検出した光に応じた信号を生成し、これを外部装置（表示装置、コンピュータ装置など）に出力する構成のみを備えていてもよい。
【００３３】
液晶層６２０に保持される液晶６２２は、ネマティック液晶に限らない。例えば、液晶層６２０は、ネマティック液晶に代えて、コレステリック液晶を有していてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
液晶パネル６２が用いられる装置は、磁場測定装置１に限らない。例えば、液晶パネル６２は、光を２つの偏光成分に分離する偏光ビームスプリッターを備える装置において、この偏光ビームスプリッターの代わりに用いられてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１…磁場測定装置、１０…セル、２０、３０…照射部、４０…磁場発生部、５０、６０…検出部、６２…液晶パネル、６２０…液晶層、６２５…偏光板 
【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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