(57)【要約】      （修正有）【課題】分岐した光の光量をより均一にする光分岐装置を提供する。【解決手段】光分岐装置は、入射された光を反射する第１面および第２面を有し、光を第１面と第２面の間で伝搬させる導光体と、導光体の内部に設けられ、前記光を反射させる特性と透過させる特性を有する分岐膜と、第１面に設けられ、分岐膜で透過された光を出射させる複数の光取り出し部とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を反射する第１面および第２面を有し、前記光を前記第１面と第２面の間で伝搬させる導光体と、
前記導光体の内部に設けられ、前記光を反射させる特性と透過させる特性を有する分岐膜と、
前記第１面に設けられ、前記分岐膜で透過された光を出射させる複数の光取り出し部と
を有する光分岐装置。
【請求項２】
前記導光体は、複数層を含む層構造を有し、
前記分岐膜は、前記複数層のうち隣り合う２つの層の間に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の光分岐装置。
【請求項３】
前記複数層は、ｎ個の層を含み、
前記ｎ個の層のうち、（ｉ＋１）番目の層と（ｉ＋２）番目の層との間に設けられた分岐膜の数は、ｉ番目の層と（ｉ＋１）番目の層との間に設けられた分岐膜の数の２倍である
ことを特徴とする請求項２に記載の光分岐装置。
【請求項４】
前記導光体の内部に設けられ、前記光の光路を平行移動させるビームシフター
を有する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光分岐装置。
【請求項５】
前記第１面の全面に設けられ、前記導光体の内部を伝搬した光束を取り出す構造体と、
前記第１面において前記複数の光取り出し部以外の部分の少なくとも一部に設けられた反射膜と
を有する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光分岐装置。
【請求項６】
前記複数の光取り出し部は、各々が前記導光体の内部を伝搬した光束を取り出す複数の構造体により形成され、
前記複数の構造体は、等間隔に配置されている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光分岐装置。
【請求項７】
入射された光を反射する第１面および第２面を有し、前記光を前記第１面と第２面の間で伝搬させる導光体と、
前記導光体の内部に設けられ、前記光を反射させる特性と透過させる特性を有する分岐膜と、
前記第１面に設けられ、前記分岐膜で透過された光を出射させる複数の光取り出し部と、
前記複数の光取り出し部に対応する位置に設けられ、各々が磁場および前記光取り出し部から取り出された光束と相互作用するガスを封入した複数のガスセルと
を有する磁気測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分岐装置および磁気測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を用いて物理量（物理状態）を測定する光センサーを複数配置した光センサーアレイが知られている。光センサーとして光ポンピング型の磁気センサーを用いた光センサーアレイは、例えば生体の心臓から生じる磁場を測定する心磁計や脳磁計に用いられる。光センサーアレイを動作させるには、光源からの光を分岐させ、各光センサーに光を入射する必要がある。例えば、特許文献１は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を複数配置して、レーザー光を多数に分岐する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７７２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
偏光ビームスプリッターの透過率（または反射率）は、一般的に数％程度のバラツキを有する。そのため、複数の偏光ビームスプリッターを繰り返し透過した光は、累積した透過率誤差により、分岐した光の光量を均一にすることは困難である。
【０００５】
これに対し本発明は、分岐した光の光量をより均一にする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、入射された光を反射する第１面および第２面を有し、前記光を前記第１面と第２面の間で伝搬させる導光体と、前記導光体の内部に設けられ、前記光を反射させる特性と透過させる特性を有する分岐膜と、前記第１面に設けられ、前記分岐膜で透過された光を出射させる複数の光取り出し部とを有する光分岐装置を提供する。
この光分岐装置によれば、透過／反射型のプリズムや回折格子などの光分岐素子を並べて順次分岐する方法と比較して、より均一な光束を安定して分岐することができる。
【０００７】
前記導光体は、複数層を含む層構造を有し、前記分岐膜は、前記複数層のうち隣り合う２つの層の間に設けられてもよい。
この光分岐装置によれば、複数層の積層により、より均一な光束を安定して分岐することができる。
【０００８】
前記複数層は、ｎ個の層を含み、前記ｎ個の層のうち、（ｉ＋１）番目の層と（ｉ＋２）番目の層との間に設けられた分岐膜の数は、ｉ番目の層と（ｉ＋１）番目の層との間に設けられた分岐膜の数の２倍であってもよい。
【０００９】
この光分岐装置は、前記導光体の内部に設けられ、前記光の光路を平行移動させるビームシフターをさらに有してもよい。
この光分岐装置によれば、間隔が均一な複数の光束を分岐することができる。
【００１０】
この光分岐装置は、前記第１面の全面に設けられ、前記導光体の内部を伝搬した光束を取り出す構造体と、前記第１面において前記複数の光取り出し部以外の部分の少なくとも一部に設けられた反射膜とをさらに有してもよい。
この光分岐装置によれば、構造体を光取り出し部毎に別個に形成する場合と比較して製造コストを低減することができる。
【００１１】
前記複数の光取り出し部は、各々が前記導光体の内部を伝搬した光束を取り出す複数の構造体により形成され、前記複数の構造体は、等間隔に配置されていてもよい。
この光分岐装置によれば、導光体に全反射膜を形成しなくても複数の光束を分岐することができる。
【００１２】
また、本発明は、入射された光を反射する第１面および第２面を有し、前記光を前記第１面と第２面の間で伝搬させる導光体と、前記導光体の内部に設けられ、前記光を反射させる特性と透過させる特性を有する分岐膜と、前記第１面に設けられ、前記分岐膜で透過された光を出射させる複数の光取り出し部と、前記複数の光取り出し部に対応する位置に設けられ、各々が磁場および前記光取り出し部から取り出された光束と相互作用するガスを封入した複数のガスセルとを有する磁気測定装置を提供する。
この磁気測定装置によれば、磁場をより高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る光分岐装置１の構成を示す図。
【図２】第２実施形態に係る光分岐装置２の構成を示す図。
【図３】第３実施形態に係る磁気測定装置１０の構成を示す図。
【図４】変形例に係る光分岐装置４の概要を示す図。
【図５】別の変形例に係る光分岐装置５の概要を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る光分岐装置１の構成を示す図である。光分岐装置１は、入射した一の光束を複数の光束に分岐する装置である。ここでは、入射光を８つの光束に分岐する例を示している。図１は、入射光の光路に垂直な断面の模式図を示している。入射光は、光源（図示略）から出力される。この光源は、例えば半導体レーザーダイオードを含む。なお、一般にレーザー光の強度はガウス分布を持つので、出力光の強度分布を均一化させる場合は、ビームホモジナイザーを用いてもよい。
【００１５】
光分岐装置１は、導光体として３枚の基板（基板１１、基板１２、および基板１３）を有する。これらの基板は、いずれも、光を透過する材料（例えば石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス）で形成された平行平板である。これらの基板は、接着剤を用いて貼り合わせられている。この接着剤は、硬化した後の屈折率が基板の屈折率とほぼ等しいものが好ましい。導光体の表面（図１における上面と下面）は、空気との屈折率の差により全反射面となっている（ただし後述する光取り出し部を除く）。導光体に入射した光は、上面と下面で反射を繰り返して、図１において左から右に伝搬する。伝搬する光の一部の光束が、光取り出し部から外部に取り出される。なお、導光体の表面を全反射面とするために、金属薄膜または誘電体薄膜を形成してもよい。
【００１６】
光分岐装置１は、さらに、複数の半反射膜を有する。半反射膜は、伝搬した光の一部を反射し、一部を透過する膜である。すなわち、半反射膜は、光を反射する特性および透過する特性を有する分岐膜の一例である。この例で、光分岐装置１は、７つの反射膜（半反射膜１１１、半反射膜１２１、半反射膜１２２、半反射膜１３１、半反射膜１３２、半反射膜１３３、および半反射膜１３４）を有する。これらの半反射膜は、いずれも、反射率が５０％（透過率５０％）である。なお、実際は半反射膜で損失が発生するが、ここでは説明のため、損失がゼロの理想的な半反射膜を仮定している。これらの半反射膜は、２つの基板の界面、または基板と空気との界面に設けられている。半反射膜は、例えば、基板上に形成さる誘電体薄膜、または回折格子のパターンである。２つの基板の界面に設けられる半反射膜は、どちらの基板上に形成されてもよい。例えば、半反射膜１１１は、基板１１および基板１２のどちらの表面に形成されてもよい。
【００１７】
光分岐装置１における基板の数および反射膜の数は、出力する光束（分岐光）の数に応じて決められる。Ｎ本の光束を出力する場合（Ｎ分岐する場合）、導光体の基板の数（層の数）は、ｌｏｇ2Ｎである。例えば、Ｎ＝８（８分岐）の場合、導光体は３枚の基板を含む３層構造を有する。あるいは、Ｎ＝１６（１６分岐）の場合、導光体は４枚の基板を含む４層構造を有する。
【００１８】
これらの層のうち、ある層における半反射膜の数は、光の入射側に対して１つ手前の層の半反射膜の数の２倍である。すなわち、（ｉ＋１）番目の層と（ｉ＋２）番目の層との間に設けられた半反射膜の数は、ｉ番目の層と（ｉ＋１）番目の層との間に設けられた半反射膜の数の２倍である。図１の例では、反射膜の数は、入射側から順に、１つ（半反射膜１１１）、２つ（半反射膜１２１および半反射膜１２２）、および４つ（半反射膜１３１、半反射膜１３２、半反射膜１３３、および半反射膜１３４）である。
【００１９】
なお、Ｎが２のべき乗でない場合（ｌｏｇ2Ｎが整数でない場合）、導光体は、ｌｏｇ2Ｎの小数点以下を切り上げた数の基板が用いられる。例えば、Ｎ＝１０（１０分岐）の場合、４枚の基板を用い、１６分岐させた光束のうち１０本を出力すればよい。
【００２０】
光分岐装置１は、さらに、ビームシフターを有する。ビームシフターは、後述する光取り出し部から出力される複数の光束の間隔（距離）を決められた値に調整する目的で、導光体中を伝搬する光束の光路を平行移動させるための光学素子であり、この例では全反射層である。この例で、光分岐装置１は、３つのビームシフター（ビームシフター１１２、ビームシフター１１３、およびビームシフター１２３）を有する。ビームシフターは、例えば空気層により形成される。空気層は、基板に凹部を形成することにより形成される。なお、ビームシフターは空気層により形成されるものに限定されない。空気以外の、基板より屈折率の小さい材料でビームシフターが形成されてもよい。
【００２１】
光分岐装置１は、さらに、光取り出し部を有する。光取り出し部は、導光体の内部を伝搬した光束から分岐した光束を取り出すための構造である。光取り出し部は、光束を取り出すための構造体を有する。この構造体は、例えば、回折格子、断面が三角波形状の一次元格子、または三角プリズムである。この例で、光分岐装置１は、８つの光取り出し部（光取り出し部１４１〜１４８）を有する。光取り出し部は、出力する光束の数と同数、設けられる。光取り出し部を構成する構造体は、各光取り出し部において個別のものが用いられる。すなわち、この例では８つの構造体（例えば三角プリズム）が用いられる。これらの構造体は、等間隔で配置されている。
【００２２】
次に、光分岐装置１の動作を説明する。光源から供給される入射光は平行な光束である。入射光Φ0は、導光体の上面から所定の入射角θ（図１の例ではθ＝４５°）で入射する。入射光Φ0が入射する部分には、導光体の上面に対し入射角と同じ角度θの面を有する三角プリズムを貼り付けてもよい。導光体に入射した光は、導光体の内部を角度θで伝搬する。
【００２３】
入射光Φ0は、まず、基板１１／基板１２の界面に設けられた半反射膜１１１で２つの光束（透過光である光束Φ11および反射光である光束Φ12）に分岐する。半反射膜の反射率および透過率は５０％であるから、光束Φ11および光束Φ12の強度は、いずれも入射光Φ0の５０％である。
【００２４】
光束Φ11は、基板１２／基板１３の界面に設けられた半反射膜１２１で２つの光束（透過光である光束Φ21および反射光である光束Φ22）に分岐する。光束Φ21および光束Φ22の強度は、いずれも入射光Φ0の２５％である。
【００２５】
光束Φ21は、基板１３の表面（導光体の下面）に設けられた半反射膜１３１で２つの光束（透過光である光束Φ31および反射光である光束Φ32）に分岐する。光束Φ31および光束Φ32の強度は、いずれも入射光Φ0の１２．５％である。光束Φ31は、光取り出し部１４１を介して外部に取り出される。また、光束Φ32は、導光体の上面で反射した後、光取り出し部１４２を介して外部に取り出される。
【００２６】
他の光束の光路についての説明は割愛するが、半反射膜、ビームシフター、または導光体端面で反射を繰り返し、最終的には８つの光束が取り出される。どの光束も、半反射膜における反射または透過を３回（ｌｏｇ2Ｎ回）経てから取り出される。
【００２７】
以上で説明したように、本実施形態によれば、偏光状態、光強度、および進行方向（出射角度）が揃えられた複数の光束を取り出すことができる。
【００２８】
２．第２実施形態
図２は、第２実施形態に係る光分岐装置２の構成を示す図である。以下、光分岐装置２と共通する要素については説明を省略する。光分岐装置１においては、光取り出し部毎に個別の構造体（例えば三角プリズム）が用いられていたのに対し、光分岐装置２においては、導光体の下面の全面に構造体が設けられている。さらに、導光体の下面において、光取り出し部以外の部分には、光束を全反射させるための全反射膜（全反射膜１５１〜１５４）が形成されている。なお、全反射膜は、導光体の下面において光取り出し部以外のすべての部分に設けられている必要はなく、光取り出し部以外の部分の少なくとも一部（具体的には光束を全反射させたい部分）に設けられていればよい。
【００２９】
本実施形態によれば、光取り出し部を構成する構造体を一体で形成できるので、光取り出し部毎に個別の構造体を加工または成形する場合と比較して、光取り出し部を容易に形成することができる。例えば、ナノインプリント等の成形プロセスを容易に適用することができる。
【００３０】
３．第３実施形態
図３は、第３実施形態に係る磁気測定装置１０の構成を示す図である。この例で、磁気測定装置１０は、非線形磁気光学回転（Nonlinear Magneto-Optical Rotation、ＮＭＯＲ）を用いた磁気測定装置である。磁気測定装置１０は、光分岐装置３と、センサーアレイ２０とを有する。
【００３１】
光分岐装置３は、光分岐装置１と同様の構成を有しているが、入射光が紙面の左右両方向から入射し、２つの入射光をそれぞれ８分岐する点が光分岐装置１と異なっている。この例で、一部の光取り出し部は２つの入射光である。具体的には、９つの光取り出し部のうち、左端は左からの入射光専用であり、右端が右からの入射光専用であるが、これら以外の光取り出し部は２つの入射光に共通である。
【００３２】
センサーアレイ２０は、ガスセルアレイ２１と、複数の偏光計２２とを有する。ガスセルアレイ２１は、複数のガスセル２１１を有する。ガスセル２１１は、内部に空隙（内部空間）を有する箱（セル）であり、この空隙には磁場および光と相互作用するアルカリ金属原子（例えばセシウム（Ｃｓ））が封入されている。ガスセル２１１は、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス等の無機材料により形成される。ガスセル２１１に封入されているアルカリ金属原子は、測定時には少なくとも一部が気化する。後述するアライメントの緩和時間を長くするため、希ガス等の不活性ガスをアルカリ金属ガスに混ぜたり、ガスセル２１１の内壁をパラフィン等によりコーティングしてもよい。
【００３３】
偏光計２２は、ガスセル２１１毎に設けられている。偏光計２２は、詳細には、偏光分離器および２つの検出器を有する（いずれも図示略）。偏光分離器は、入射した光束を、互いに直交する２つの偏光成分（第１偏光および第２偏光）の光束に分離する素子である。偏光分離器は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。２つの検出器は、２つの偏光成分のそれぞれの光量を検出する素子である。２つの検出器の一方は第１偏光の光量を検出し、他方は第２偏光の光量を検出する。これらの検出器は、例えばフォトダイオードである。
【００３４】
光源から出力された光（例えばレーザービーム）は、光分岐装置１により８つに分岐される。分岐された光束は、それぞれ異なるガスセル２１１に入射する。ガスセル２１１の内部を伝搬している光束は、ガスセル２１１に封入されているアルカリ金属原子を励起（光ポンピング）する。アルカリ金属原子は、光束の偏光状態に応じてスピン偏極し、そこで印加されている磁場に反応し、さらに光束の光の状態を変化させる。その結果、ガスセル２１１に入射した光束は線形二色性などの光学活性作用を受ける。ここでは、アルカリ金属原子のスピン偏極の緩和時間よりもラーモア歳差運動周期が長くなる程度の、比較低小さい磁場を想定している。ガスセル２１１を通り抜けた光束は、偏光分離器により２つの偏光成分の光束に分離される。２つの偏光成分の光量は、２つの検出器でそれぞれ検出（計測）される。なお、光分岐装置１の外部の光路において、偏光状態を調整するための偏光板や、光路を調整するための反射板を用いてもよい。
【００３５】
本実施形態によれば、一の光源から出力される光束を複数に分岐した光束を用いて、磁場の分布をより正確に測定することができる。
【００３６】
４．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００３７】
図４は、変形例に係る光分岐装置４の概要を示す図である。導光体すなわち導光体を構成する基板は、平板でなくてもよい。図４の例では、導光体は曲板である。ただしこの例でも、各基板の入射側の面と出射側の面とは平行である。この例によれば、均一な光束を放射状に出射することができる。
【００３８】
図５は、別の変形例に係る光分岐装置５の概要を示す図である。上述の例においては、分岐した光束は単一の面（図１〜３では導光体の下面）から出射された。しかし、分岐した光束は、２以上の面から出射されてもよい。この例によれば、均一な光束を異なる方向に出射することができる。
【００３９】
光分岐装置から出射される複数の光束の間隔（距離）は一定でなくてもよい。また、光取り出し部は、導光体の表面において２次元的に配置されてもよい。この場合において、光源から出射された光束をまず１次元の光分岐装置により１次元配列された複数の光束に分岐し、２次元の光分岐装置により、これらの光束の各々をさらに１次元配列された複数の光束に分岐して全体として２次元配列された複数の光束を出射してもよい。
【００４０】
光分岐装置に用いられる導光体は、複数の基板を張り合わせたものに限定されない。単一の基板の内部に半反射膜を形成したものが導光体として用いられてもよい。この場合においては、例えば単一のガラス基板の内部にレーザー加工により半反射膜を作り込む。
【００４１】
実施形態で説明した光分岐装置は、磁気測定装置に用いるものに限定されない。光を用いて物理量の空間分布を測定するものであれば、どのような装置に用いられてもよい。この光分岐装置は、例えば、板状部材の歪み、偏光フィルムの偏波消光比や吸収率分布、または気体の屈折率等の空間分布を測定する装置に用いられてもよい。あるいは、この分岐装置は、表示装置に用いられてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…光分岐装置、２…光分岐装置、３…光分岐装置、１０…磁気測定装置、１１…基板、１２…基板、１３…基板、２０…センサーアレイ、２１…ガスセルアレイ、２２…偏光計、１１１…半反射膜、１１２…ビームシフター、１１３…ビームシフター、１２１…半反射膜、１２２…半反射膜、１２３…ビームシフター、１３１…半反射膜、１３２…半反射膜、１３３…半反射膜、１３４…半反射膜、１４１…光取り出し部、１４２…光取り出し部、１４３…光取り出し部、１４４…光取り出し部、１４５…光取り出し部、１４６…光取り出し部、１４７…光取り出し部、１４８…光取り出し部、１５１…全反射膜、１５２…全反射膜、１５３…全反射膜、１５４…全反射膜、２１１…ガスセル
【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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