(57)【要約】【課題】複数の光束を用いて物理量（物理状態）を測定する装置において、装置自体から発生するノイズを低減する。【解決手段】測定装置は、第１方向から入射する第１光束および当該第１方向と異なる第２方向から入射する第２光束の向きを、所定の方向に揃える受動素子である収光素子と、前記収光素子から出力された前記第１光束および前記第２光束を用いて物理量を測定する光検出器とを有する。【選択図】図２
2015064213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向から入射する第１光束および当該第１方向と異なる第２方向から入射する第２光束の向きを、所定の方向に揃える受動素子である収光素子と、
前記収光素子から出力された前記第１光束および前記第２光束を用いて物理量を測定する光検出器と
を有する測定装置。
【請求項２】
前記第１光束および前記第２光束の光路上に設けられ、周囲の環境に応じて光学活性作用を起こす媒体を有し、
前記収光素子は、前記媒体を通過した前記第１光束および前記第２光束の向きを前記所定の方向に揃える
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記第１光束および前記第２光束は、時分割で切り換えられる
ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記媒体は、内部にアルカリ金属原子が封入されたセルを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記媒体は、前記セルを複数含み、
前記収光素子は、隣り合う複数のセルにまたがる位置に設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記第１光束および前記第２光束は、前記アルカリ金属原子の歳差運動の周期に応じて切り換えられる
ことを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
第１方向から入射する第１光束および当該第１方向と異なる第２方向から入射する第２光束の向きを、所定の方向に揃える受動素子である収光素子と、
前記収光素子から出力された前記第１光束および前記第２光束の偏光の回転角を用いて磁場を測定する光検出器と
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、異なる複数の方向に伝播する光束を用いて物理量（物理状態）を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる複数の方向に伝播する光束を用いて物理量を測定する装置が知られている。例えば特許文献１は、２つの光束のうち偏光計に入射する光束を偏光素子で切り換え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２００９−２１７９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術においては、偏光素子は能動素子であり、光束を切り替えるには電力を供給する必要があった。しかし、例えば微小な磁場を測定する装置においては、能動素子を用いると能動素子から発生する磁場がノイズとなってしまう問題があった。別の技術として、複数の光束のそれぞれに対応する複数の光検出器を用いればこれらの光束から物理量を測定することができる。しかし、光検出器からの信号を取り出すケーブルが複数必要になり、これがノイズ源になってしまうという問題があった。
【０００５】
これに対し本発明は、装置自体から発生するノイズを低減した測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１方向から入射する第１光束および当該第１方向と異なる第２方向から入射する第２光束の向きを、所定の方向に揃える受動素子である収光素子と、前記収光素子から出力された前記第１光束および前記第２光束を用いて物理量を測定する光検出器とを有する測定装置を提供する。
この測定装置によれば、能動素子を使用した場合と比較して収光素子から発生するノイズを低減することができる。
【０００７】
この測定装置は、前記第１光束および前記第２光束の光路上に設けられ、周囲の環境に応じて光学活性作用を起こす媒体を有し、前記収光素子は、前記媒体を通過した前記第１光束および前記第２光束の向きを前記所定の方向に揃えてもよい。
この測定装置によれば、媒体により物理量または物理状態を測定する装置において、収光素子から発生するノイズを低減することができる。
【０００８】
前記第１光束および前記第２光束は、時分割で切り換えられてもよい。
この測定装置によれば、第１光束および第２光束を空間分割で切り替える場合と比較して、光検出器の数またはサイズを低減することができる。
【０００９】
前記媒体は、内部にアルカリ金属原子が封入されたセルを含んでもよい。
この測定装置によれば、アルカリ金属原子を用いた媒体により物理量または物理状態を測定する装置において、収光素子から発生するノイズを低減することができる。
【００１０】
前記媒体は、前記セルを複数含み、前記収光素子は、隣り合う複数のセルにまたがる位置に設けられてもよい。
この測定装置によれば、収光素子および光検出器を効率的に配置することができる。
【００１１】
前記第１光束および前記第２光束は、前記アルカリ金属原子の歳差運動の周期に応じて切り換えられてもよい。
この測定装置によれば、アルカリ金属原子の歳差運動の周期に応じた物理量または物理状態を検出することができる。
【００１２】
また、本発明は、第１方向から入射する第１光束および当該第１方向と異なる第２方向から入射する第２光束の向きを、所定の方向に揃える受動素子である収光素子と、前記収光素子から出力された前記第１光束および前記第２光束の偏光の回転角を用いて磁場を測定する光検出器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、能動素子を使用した場合と比較して収光素子から発生するノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る磁気測定装置１の構成を示す図。
【図２】センサーユニット２００の構成を示す図。
【図３】制御回路１３０の構成を示す図。
【図４】センサーユニット２００の出力信号を例示する図。
【図５】演算器１３１の出力信号を例示する図。
【図６】第２実施形態に係る測定装置２の構成を示す図。
【図７】センサーアレイシステム１０１の概要を示す図。
【図８】センサーアレイシステム１０１のＡ−Ａ断面を示す図。
【図９Ａ】Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。
【図９Ｂ】Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。
【図９Ｃ】Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。
【図１０Ａ】Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。
【図１０Ｂ】Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。
【図１０Ｃ】Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。
【図１１Ａ】Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。
【図１１Ｂ】Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。
【図１１Ｃ】Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。
【図１２】光分岐素子２０に光束を導く構成を例示する図。
【図１３】測定装置２のＢ−Ｂ断面を示す図。
【図１４】隣り合う２つのセンサーを透過する２つの光束を例示する図。
【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実施形態に係る磁気測定装置１の構成を示す図である。磁気測定装置１は、複数方向の磁場を測定するベクトル型磁気センサーである。磁気測定装置１は、光源１１０と、光スイッチ１２０と、センサーユニット２００と、制御回路１３０とを有する。
【００１５】
光源１１０は、所定の波長の光束を出力する。光源１１０は、例えば波長可変型の（いわゆるチューナブル）半導体レーザーダイオードを含む。光スイッチ１２０は、光源１１０から出力された光束の光路を時分割で切り換えるスイッチである。この例で、光スイッチ１２０は、光源１１０から出力された光束の光路を、第１光路および第２光路のいずれかに切り換える。第１光路および第２光路の光束は、センサーユニット２００に入射する。以下、第１光路を通る光束を第１光束といい、第２光路を通る光束を第２光束という。
【００１６】
図２は、センサーユニット２００の構成を示す図である。センサーユニット２００は、媒体２１０と、ミラー２２０と、ミラー２３０と、収光素子２４０と、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter、偏光ビームスプリッター）２５０と、ＰＤ（Photo Diode）２６０と、ＰＤ２７０とを有する。この例で、センサーユニット２００は、第１光路に沿った方向および第２光路に沿った方向の２つの方向の磁場を測定する。具体的には、センサーユニット２００は、第１光路および第２光路のそれぞれについて、偏光の回転角を測定する。
【００１７】
媒体２１０は、第１光束および第２光束の光路上に設けられ、周囲の環境（例えば磁場）に応じて光学活性作用を起こす。媒体２１０は、例えば、内部にアルカリ金属原子のガスが封入されたガスセルである。アルカリ金属は、例えば、セシウム、カリウム、またはルビジウムである。この例では、セシウムが用いられる。媒体２１０は、光を透過する材料、例えば石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスで形成される。なお、図２およびその他の図において、ガスセルを形成するガラスの厚みは図面に表していない。
【００１８】
媒体２１０には、第１光束および第２光束が入射する。光スイッチ１２０から出力される光束は、光ファイバー（図示略）を介して媒体２１０に入射する。媒体２１０内のアルカリ金属原子は、第１光束または第２光束でポンピングされ励起状態になる。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、媒体２１０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（詳細は特開２０１３−１３４０８６号公報を参照）。
【００１９】
ミラー２２０およびミラー２３０は、それぞれ、第１光路および第２光路の光束を反射し、収光素子２４０に導く。
【００２０】
収光素子２４０は、進行方向の異なる２つの光束の向きを所定の方向に揃える。すなわち、収光素子２４０は、第１方向から入射する光束および第１方向と異なる第２方向から入射する光束の向きを、所定の方向に揃える。収光素子２４０は、電力が供給されなくても動作する素子（受動素子）である。この例で、収光素子２４０は、２つの三角プリズムの組み合わせである。なお、収光素子２４０は、回折格子であってもよい。別の例で、集光素子２４０はミラーであってもよい。このミラーにより光束の方向を変えて同様の効果を得ることができる。
【００２１】
ＰＢＳ２５０は、光束を偏光に応じて分離する素子である。ＰＢＳ２５０は、内部に分離面２５１を有する。収光素子２４０から出力される光束の偏波面と分離面２５１とは４５°傾いている。分離面２５１に入射した光束のｐ波成分は分離面２５１を透過してＰＤ２６０に出力され、ｓ波成分は分離面２５１で反射されＰＤ２７０に出力される。
【００２２】
ＰＤ２６０およびＰＤ２７０は、入射光の強度に応じた信号（光電流）を出力する素子、すなわち入射した光束の強度を測定する素子である。ＰＤ２６０はｐ波成分を、ＰＤ２７０はｓ波成分を、それぞれ測定する。ｐ波成分およびｓ波成分の強度差から、媒体２１０における磁場の情報を得ることができる。媒体２１０に印加される磁場に応じて各光束の偏波面が回転することにより、p波成分とs波成分の強度は逆方向に増減する。したがって、ＰＤ２６０およびＰＤ２７０の光電流の差から、磁場を示す磁場信号が得られる。
【００２３】
再び図１を参照する。制御回路１３０は、光スイッチ１２０の切り換えを制御する装置である。より詳細には、制御回路１３０は、媒体２１０内のアルカリ金属原子の歳差運動の周波数と光スイッチ１２０の切り換え周波数との差が所定の範囲内に収まるように（具体的には、アルカリ金属原子の歳差運動の周波数と光スイッチ１２０の切り換え周波数とが一致するように）、光スイッチ１２０の切り換え周波数を制御する。
【００２４】
図３は、制御回路１３０の構成を示す図である。制御回路１３０は、演算器１３１と、増幅器１３２と、スイッチ１３３と、発振器１３４と、駆動回路１３５とを有する。演算器１３１は、発振器１３４の出力信号とセンサーユニット２００の出力信号（ＰＤ２６０の出力信号とＰＤ２７０の出力信号との差を示す信号）の積を示す信号を出力する。
【００２５】
図４は、センサーユニット２００の出力信号を例示する図である。図４には、センサーユニット２００の出力信号に加え、発振器１３４の出力信号、並びに第１光束および第２光束のオンオフを示す信号も図示されている。第１光束および第２光束のいずれかがオンになっている期間においては、アルカリ金属原子の歳差運動が現れ、センサーユニット２００の出力信号は、一定の傾きを持つ直線またはこれに近い曲線を描く。発振器１３４の出力信号とセンサーユニット２００の出力信号との積をとるということは、演算器１３１はロックインアンプと同様の働きをしているといえる。演算器１３１の出力信号をローパスフィルター（図示略）に入力することにより、信号に含まれるノイズ成分を除去することができる。
【００２６】
図５は、演算器１３１の出力信号を例示する図である。横軸は参照信号の周波数、すなわち発振器１３４の出力周波数を、縦軸は出力信号のレベルを示している。なお、図５において、媒体２１０における磁場は一定でその絶対値はＢ0である。演算器１３１の出力波形はＳ字状の曲線となる。ここで、ω0［ｒａｄ／ｓ］は共鳴周波数を示し、次式（１）の関係を満たす。
【数１】
2015064213.tif 000003
ここで、γは原子に固有の定数である磁気回転比を示す。例えばセシウムの場合、
γ＝２．２０×１０10  ［ｒａｄ／ｓＴ］
である。
【００２７】
出力信号の波形は、レベルがゼロになる点を中心として低周波数側と高周波数側でほぼ点対称になっている。共鳴周波数の近傍（図５においてＡの範囲）に注目すれば、出力信号は参照信号の周波数に応じて単調に増加する。すなわち、共鳴周波数の近傍では、演算器１３１の出力信号は磁場の関数となっている。したがって、発振器１３４の周波数を共鳴周波数の近傍に制御（ロック）すれば、演算器１３１の出力信号から磁場を得ることができる
【００２８】
再び図３を参照する。発振器１３４は、周波数可変の発振器、例えばＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator）である。ＶＣＯは、入力電圧（制御電圧）に応じた周波数で発振する。増幅器１３２は、例えばトランスインピーダンスアンプであり、光電流を示す信号を電圧信号に変換する。スイッチ１３３は、発振器１３４への入力を、増幅器１３２の出力信号または参照信号に切り換える。増幅器１３２の出力信号を発振器１３４に入力することにより、発振器１３４の周波数を共鳴周波数の近傍に制御することができる。すなわち、発振器１３４、演算器１３１、および増幅器１３２は、サーボループを形成している。媒体２１０における磁場が変動したとしても、発振器１３４の周波数を共鳴周波数の近傍にロックすることができる。周波数がロックされた状態で増幅器１３２からの出力信号を取り出せば、磁場を測定することができる。なお、サーボループを安定させるために増幅器１３２に位相調整機能を持たせてもよい。
【００２９】
センサーユニット２００からの出力信号において、第１光束および第２光束のそれぞれに対応する信号を分離すると、各光束の進行方向における磁場成分を測定することができる。なお、第１光束および第２光束の信号を分離しない場合、発振器１３４の周波数は、アルカリ金属原子の歳差運動の周波数の２倍に相当する周波数である。
【００３０】
磁気測定装置１によれば、能動素子を使用した場合と比較して収光素子から発生するノイズが低減された状態で、磁場を測定することができる。
【００３１】
２．第２実施形態
図６は、第２実施形態に係る測定装置２の構成を示す図である。測定装置２は、ポンピング光およびプローブ光を用いたいわゆる２ビームの光ポンピング型の磁気測定装置である。測定装置２は、センサーアレイシステム１０１に加え、４つの１次元光分岐素子５０、プリズムミラー７０、および複数の偏光計９０を有する。この例では、各セルに４方向（紙面の上下左右方向）からポンピング光が入射される。
【００３２】
図７は、センサーアレイシステム１０１の概要を示す図である。センサーアレイシステム１０１は、光源１１０と、光分岐素子２０と、センサーアレイ３０とを有する。なお、センサーアレイシステムのうち、光源１１０および光分岐素子２０により構成される部分を光分岐システムという。光源１１０は、光束を出力する装置である。ここで、光束は複数の光線の束であり、高速に含まれる光線の一つ一つを枝光束という。光源１１０は、例えば半導体レーザーダイオードおよびビームホモジナイザーを含む。一般にレーザー光の強度はガウス分布を持つので、強度分布を均一化させるためにビームホモジナイザーを用いている。なお、出力されるレーザー光の強度分布が十分に均一である場合には、ビームホモジナイザーは省略されてもよい。
【００３３】
センサーアレイ３０は、複数のセンサー３１を含む。センサー３１は、光を用いて物理量を測定する光センサーである。センサー３１は、例えば、透過する光の偏光を、磁場に応じて回転させる素子である。センサー３１を透過した光の偏光の回転角を測定する素子（図示略）を用いれば、センサー３１における磁場を測定することができる。センサー３１は、例えば、内部にアルカリ金属原子（例えば、カリウム、ルビジウム、またはセシウム）のガスが封入されたガスセルである。ガスセルは、光を透過する材料、例えば石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスで形成される。センサーアレイ３０において、複数のセンサー３１は、マトリクス状に配置されている。すなわち、複数のセンサー３１は、第１方向と、第１方向に直交する第２方向とに沿って２次元的に配置されている。複数のセンサー３１は第１方向および第２方向のそれぞれにおいて等間隔で配置されている。なお、センサー３１は、図２の媒体２１０に相当する。
【００３４】
図８は、センサーアレイシステム１０１のＡ−Ａ断面を示す図である。光分岐素子２０は、光源１１０から出力された光束を分岐させ、複数の枝光束を出力する装置である。光分岐素子２０は、複数のセンサー３１の各々に対し、１つの枝光束を出力する。
【００３５】
光分岐素子２０は、基板２１を含む。基板２１は、光束を透過する材料、例えば石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスで形成されている。基板２１は板状の形をしており、対向する２つの面（図８の例では面２１１および面２１２）を有する平行平板である。面２１１および面２１２においては、全反射をさせるため、例えば金属薄膜が設けられている。光分岐素子２０に光束が入射されると、光束は面２１１および面２１２で繰り返し全反射されながら、図８の左から右まで伝搬する。
【００３６】
面２１１には、入射された光束から枝光束を取り出すための光取り出し部（光取り出し窓）が設けられている。複数の光取り出し部は、所定の周期で等間隔に配置されている。図８においては、４つの光取り出し部（光取り出し部２１１１〜１２１１４）が図示されている。光取り出し部は、例えば、上記の金属薄膜に設けられた窓（開口）とその窓に設けられたプリズムの組み合わせ、または金属薄膜に形成された回折格子である。用いられるプリズムは、入射角が臨界角以下の全反射しない平面を持つ三角プリズムである。このプリズムは基板２１とは別に製造され、基板２１に貼り付けられてもよいし、基板２１を切削加工や研磨加工することにより形成されてもよい。また、用いられる回折格子は、金属薄膜に形成された矩形の窓に形成されるレリーフ型の回折格子である。この場合、出射角は回折格子の周期により決定される。
【００３７】
また、光分岐素子２０は、光源１１０から出力された光束を内部に入射させるための三角プリズム２２を有する。光源１１０から出力された光束Ω０は、三角プリズム２２を介して基板２１の内部に入射する。ここでは説明のため、光束Ω０を複数の実線で表している。これら複数の実線は、各々、光取り出し部で分岐（分割）される枝光束の中心を表している。
【００３８】
面２１１のうち最初に光束Ω0が入射する領域Ａ1において、光束Ω0のうち最初の光取り出し部（光取り出し部２１１１）に入射した光束が透過して枝光束β1として出力され、残りは全反射する。なお、基板２１内を伝搬する光束を、枝光束と区別する意味で「本光束」という。領域Ａ１で反射した光束を本光束Ω1という。領域Ａ1で反射され、さらに面２１２で反射された本光束Ω1が入射する領域Ａ2において、本光束Ω1のうち２番目の光取り出し部（光取り出し部２１１２）に入射した光束が透過して枝光束β2として出力され、残りは全反射する。領域Ａ2で反射した光束を本光束Ω2と表す。以下同様に、領域Ａiにおいて、入射した本光束Ωi-1は、ｉ番目の光取り出し部に入射した光束が透過して枝光束βiとして出力され、残りは本光束Ωiとして全反射する（ｉは自然数）。
【００３９】
ここで、光取り出し部２１１１と光取り出し部２１１２との関係について検討すると、光取り出し部２１１２は、面２１１において、領域Ａ1で反射されさらに面２１２で反射された本光束Ω1が照射される領域Ａ2のうち、光取り出し部２１１１に相当する部分以外の部分に設けられている。「光取り出し部２１１１に相当する部分」とは、領域Ａ2を領域Ａ1とを重ね合わせたときに、光取り出し部２１１１と重なる部分をいう。光取り出し部２１１２は、領域Ａ2に入射した本光束Ω1から枝光束β2を取り出す。
【００４０】
面２１１上に光取り出し部を形成するパターンをより詳細に説明するため、以下のパラメーターＮ、Ｍ、およびＰを導入する。
Ｎ：光源１１０から出力される本光束に含まれる枝光束の数。
Ｍ：本光束が面２１１に入射する周期。すなわち、本光束の間隔。
Ｐ：枝光束が出力される周期。すなわち、隣り合う枝光束の間隔。
なお、パラメーターＭおよびＰは、枝光束の幅ｄを単位とする。通常、幅ｄは光取り出し部の幅と等しい。また、Ｎ、Ｍ、およびＰはいずれも自然数である。本光束は繰り返し面２１１に入射するが、このとき本光束同士が重なることは許されない、すなわち、本光束Ωi-1と本光束Ωiとが重なることは許されないので、パラメーターＭおよびＮは、Ｍ≧Ｎを満たす。
【００４１】
図８は、特定の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組み合わせの例を示している。ここで、これ以外の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の値の組み合わせによって「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」条件を探索するため、いくつかの（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の値の組み合わせにおいて、枝光束の出射パターンを調査した。
【００４２】
図９Ａ〜Ｃは、Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示している。Ｎは、８、９、または１０とし、Ｐは１から１３まで変化させた。図中、右方向が光の伝搬方向で、各セルは面２１１上の位置（単位は幅ｄ）を表している。図において、○は枝光束が出射されるべき位置を、ハッチングは光束が入射しない位置を、白抜きは光束が入射する位置を表している。したがって、○とハッチングが重なる位置では、枝光束が出射されるべきであるにもかかわらず本光束が入射しない位置を示している。このような位置が存在する場合、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ことができない。したがって、このような（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組に対しては、評価欄に「ＮＧ」と記載した。評価欄が空欄の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組によれば、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ことができる。
【００４３】
図１０Ａ〜Ｃおよび図１１Ａ〜Ｃは、それぞれ、Ｍ＝９および１０の場合の調査結果を示している。図における○、ハッチング、および白抜きの意味は図９と同じである。図９、図１０、および図１１の結果から、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ためには、パラメーターＮ、Ｍ、およびＰは、以下の条件を満たす必要がある。
（１）Ｍ＝Ｎの場合、ＰとＭは互いに素である（１以外の公約数を持たない）。
（２）Ｍ＞Ｎの場合、Ｐ＝１またはＰ＝Ｍ＋１である。
【００４４】
また、面２１１および面２１２に対する本光束の入射角をθとすると、基板２１の厚さＴは次式（２）で表される。
【数２】
2015064213.tif 000004
【００４５】
なお、面２１１において、光取り出し部は２次元的に配置されている。すなわち、光取り出し部は、センサー３１が配置されている第１方向および第２方向に沿って配置されている。また、センサー３１に１つの枝光束が入射するように、光取り出し部はセンサー３１と同数、同じ位置関係で配置されている。例えば、センサーアレイ３０が８行８列のセンサー３１で構成されている場合、光分岐素子２０は８×８＝６４個の光取り出し部を有し、これらは８行８列に配置されている。なお、光分岐素子において、光取り出し部は１次元的に、すなわち１方向に沿って配置されてもよい。光取り出し部が１方向に配置された光分岐素子を「１次元光分岐素子」といい、光取り出し部が２方向に配置された光分岐素子を「２次元光分岐素子」という。
【００４６】
図１２は、光分岐素子２０に光束を導く構成を例示する図である。この例では、１次元光分岐素子４０およびミラーアレイ６０が用いられる。光分岐素子２０は１次元の光分岐素子をｎ個並べた構成を有しており、ｎ×ｎ個の光取り出し部を有する。光源１１０から出力された光束は、光分岐素子４０によりｎ個の光束に分岐する。ミラーアレイ６０は、光分岐素子４０から出射された光束の進行方向を変更する。ここでは光分岐素子４０の基板（平行平板）の長手方向と垂直になるように（すなわち、センサーアレイ３０におけるセンサーの配列方向（第１方向および第２方向のいずれか）と平行になるように）枝光束の進行方向を変換する。ミラーアレイ６０は、複数のプリズムを貼り合わせたものであってもよいし、平板に形成された複数のミラーを等間隔で配置したものであってもよい。これらの光束が光分岐素子２０に入射され、それぞれｎ個の光束に分岐される。なお、図１２においては図面を簡略化するため、複数の枝光束を含む本光束は単一の線で示している。
【００４７】
１次元光分岐素子５０は、センサーアレイ３０にポンピング光を入射するための光分岐素子である。４方向からポンピング光を入射するため、４つの１次元光分岐素子５０が用いられる。４方向からのポンピング光の照射のため、４つの光源（いずれも図示略）が用いられる。この光源は、光源１１０と同様に、半導体レーザーダイオードおよびビームホモジナイザーを含む。光源から出力された光束は、光ファイバーを介して各１次元光分岐素子５０に入射する。光ファイバーとしては、例えば、シングルモードファイバーまたは偏波保持ファイバーが用いられる。なお、光ファイバー端部から出力される光束が拡散光である場合は、コリメートレンズを用いて光束をコリメートしてもよい。なお、図６においては図面を簡略化するため、複数の枝光束を含む本光束は単一の線で示している。
【００４８】
各１次元光分岐素子５０から出射された光束の進行方向は、ミラーアレイ（図示略）により変更される。ここでは１次元光分岐素子５０の基板（平行平板）の長手方向と垂直になるように（すなわち、センサーアレイ３０におけるセンサーの配列方向（第１方向および第２方向のいずれか）と平行になるように）枝光束の進行方向が変換される。なお、このミラーアレイについては、図１２で説明したミラーアレイ６０と同様の構造を有している。
【００４９】
図１３は、測定装置２のＢ−Ｂ断面を示す図である。なお、光分岐素子２０に対し、２方向から光束が入射されているが、ここでは図面が煩雑になるのを防ぐため、図中左方向から入射する光束のみ示している。光分岐素子２０は既に説明したように、光源１１０から出力される本光束をｎ×ｎ個の枝光束に分岐する。これらの枝光束は、それぞれプローブ光として用いられる。この例で、各枝光束は直線偏光である。偏波面の方向および偏波消光比を厳密に制御したい場合は、センサーアレイ３０との間に偏光板を挿入してもよい。各センサー３１内のアルカリ金属原子はポンピングされ励起状態になる。この原子は、枝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、さらに枝光束の光の状態を変化させる。その結果、枝光束は線形二色性などの光学活性作用を受ける。
【００５０】
プリズムミラー７０は、センサー３１（ガスセル）を透過した枝光束（プローブ光）を反射させる。ここでは入射光と反射光とが完全に重ならないように、入射角が０°からわずかにずれている。反射した枝光束は、再びガスセルを透過しながらアルカリ金属原子を光ポンピングし、磁場の作用から自らも光学活性の作用を受ける。プリズムミラー７０で反射した枝光束は、二次元光分岐素子を透過する。
【００５１】
偏向プリズム８０は、光分岐素子２０を透過した枝光束の進行方向を偏光計９０の方向に偏光する。なお、偏向プリズム８０の代わりにミラーが用いられてもよい。
【００５２】
偏光計９０は、偏向プリズム８０を透過した枝光束の偏波面の方位（回転角）を検出する。ガスセルで線形二色性などの光学活性作用を受けた直線偏光は、結果的に偏波面の回転と同等の作用を受けるため、偏波面方位から磁場強度を計測することができる。なお、偏光計９０は、図２のＰＢＳ２５０、ＰＤ２６０、およびＰＤ２７０に相当する。
【００５３】
図１４は、隣り合う２つのセンサー３１Ａおよびセンサー３１Ｂを透過する２つの光束を例示する図である。この例では、センサー３１Ａおよびセンサー３１Ｂの間（センサー３１Ａおよびセンサー３１Ｂにまたがる位置）に収光素子２４０および偏光計９０（詳細には、ＰＢＳ２５０、ＰＤ２６０、およびＰＤ２７０。なおＰＤ２７０は図示略）が設けられている。図中右から入射した光束（この図において第１光束という）は、センサー３１Ａ内を透過し、プリズムミラー７０で反射した後、再びセンサー３１Ａ内を透過し、入射した位置から少しずれた位置から出射する。センサー３１Ａから出射した第１光束は、光分岐素子２０、収光素子２４０、およびＰＢＳ２５０を介してＰＤ２６０およびＰＤ２７０に入射する。図中左から入射した光束（この図において第２光束という）は、センサー３１Ｂ内を透過し、プリズムミラー７０で反射した後、再びセンサー３１Ｂ内を透過し、入射した位置から少しずれた位置から出射する。センサー３１Ｂから出射した第２光束は、光分岐素子２０、収光素子２４０、およびＰＢＳ２５０を介してＰＤ２６０およびＰＤ２７０に入射する。なお第１光束および第２光束のｓ波成分は紙面垂直方向を向いている。
【００５４】
図１４の構成によれば、センサー３１Ａを透過した第１光束、およびセンサー３１Ｂを透過した第２光束を、単一の偏光計９０によって測定することができる。第１光束および第２光束は、第１実施形態で説明したように時分割で切り換えられる。偏光計９０で測定した信号を分離する方法は、第１実施形態で説明したとおりである。センサー３１毎に個別に２つの偏光計を設ける場合と比較して、収光素子および光検出器を効率的に配置することができる。なお、ここでは逆向きの２方向から入射する光束についてのみ説明をしたが、他の方向（例えば図１４で紙面に垂直な正方向および負方向）から入射する光束についても、同様に収光素子および偏光計を設けることにより、測定することができる。この場合において、例えば単一のセンサー３１に４方向から光束が入射するときは、光束は４つに時分割される。
【００５５】
３．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。
【００５６】
図６では、４方向からポンピング光が入射される例を説明したが、ポンピング方向は、３方向以下の方向から入射されてもよい。また、図７では、２ビームの光ポンピング型の磁気測定装置の例を説明したが、１つの光束がポンピング光とプローブ光との機能を兼ねる１ビームの光ポンピング型の磁気測定装置にセンサーアレイシステム１が用いられてもよい。
【００５７】
測定装置２は磁気測定装置に限定されない。光を用いて物理量の空間分布を測定するものであれば、どのような装置であってもよい。測定装置２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であってもよい。磁気測定装置１についても同様である。
【符号の説明】
【００５８】
１…磁気測定装置、２…測定装置、２０…光分岐素子、２１…基板、３０…センサーアレイ、３１…センサー、４０…光分岐素子、５０…１次元光分岐素子、６０…ミラーアレイ、７０…プリズムミラー、８０…偏向プリズム、９０…偏光計、１０１…センサーアレイシステム、１１０…光源、１２０…光スイッチ、１３０…制御回路、１３１…演算器、１３２…増幅器、１３３…スイッチ、１３４…発振器、１３５…駆動回路、２００…センサーユニット、２１０…媒体、２１１…面、２１２…面、２２０…ミラー、２３０…ミラー、２４０…収光素子、２５０…ＰＢＳ、２５１…分離面、２６０…ＰＤ、２７０…ＰＤ、２１１１…光取り出し部、２１１２…光取り出し部
【図１】
2015064213.tif 000005
【図２】
2015064213.tif 000006
【図３】
2015064213.tif 000007
【図４】
2015064213.tif 000008
【図５】
2015064213.tif 000009
【図６】
2015064213.tif 000010
【図７】
2015064213.tif 000011
【図８】
2015064213.tif 000012
【図１２】
2015064213.tif 000013
【図１３】
2015064213.tif 000014
【図１４】
2015064213.tif 000015
【図９Ａ】
2015064213.tif 000016
【図９Ｂ】
2015064213.tif 000017
【図９Ｃ】
2015064213.tif 000018
【図１０Ａ】
2015064213.tif 000019
【図１０Ｂ】
2015064213.tif 000020
【図１０Ｃ】
2015064213.tif 000021
【図１１Ａ】
2015064213.tif 000022
【図１１Ｂ】
2015064213.tif 000023
【図１１Ｃ】
2015064213.tif 000024