(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子からなる原子群が含まれたセルを複数有するセルアレイと、
ポンプ光を前記各セルに対して照射する第１照射部と、
ブローブ光を前記各セルに対して照射する第２照射部と、
前記原子を光誘起離脱させる誘起光を前記各セルに対して照射する誘起光照射部と、
前記各セルを透過したプローブ光を検出して磁場を検出する磁場検出手段と、
前記誘起光照射部からの誘起光の光量を変化させ、前記各セルの磁場の検出値が予め定められた目標値となる光量を特定する第１の処理と、前記第１の処理で特定された光量の誘起光が照射される制御信号を前記誘起光照射部に入力し、前記磁場検出手段で検出する第２の処理と、を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする磁場計測装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１の処理において前記磁場検出手段で検出される前記各セルの検出値に基づいて前記目標値を求めることを特徴とする請求項１に記載の磁場計測装置。
【請求項３】
前記各セルに対する前記誘起光の光量を示す光量情報を記憶する記憶手段を備え、
前記制御手段は、前記第１の処理で特定した前記各セルの前記光量を前記光量情報として前記記憶手段に記憶し、前記第２の処理において、前記記憶手段に記憶された前記各セルに対する前記光量情報に基づく前記制御信号を前記誘起光照射部に入力することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場計測装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第２の処理において、前記セル毎の前記光量を示す前記制御信号を前記誘起光照射部に入力し、予め定められた時間の経過後に前記磁場検出手段で検出された結果を出力することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の心臓等から発せられる磁場を検出する生体磁気計測装置等において、光ポンピングを利用した磁気センサーが利用されている。このような磁気センサーとしては、アルカリ金属原子等のガスが封入された各セルに、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直交するように照射され、生体から発せられる磁場をプローブ光によって検出するものがある。下記特許文献１には、そのような光ポンピング原子磁力計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９９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、セルの磁場感度は光ポンピングされている原子が多いほど高くなるため、セル内の原子密度を上げることでセルの磁場感度を高めることができる。アルカリ金属原子のスピン偏極を維持させるために、パラフィン等の化合物がコーティングされた膜が内壁に形成されたセルが存在するが、このようなセルは、製造過程、経時劣化、環境温度、コーティング膜の性能、不純物等のばらつきによって磁場感度に個体差が生じる。このようなセルを複数並べて生体の広範囲な部分を測定する場合、各セル内の原子密度が均一でなければ磁場感度にばらつきが生じ、生体からの磁場の強度を正確に測定することができない。
本発明は、複数のセルを並べて磁場を計測する磁場計測装置において、セル内の原子密度を制御して磁場の測定精度を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る磁場計測装置は、ポンプ光により励起される原子が混入されている膜が内壁に形成されると共に、前記原子からなる原子群が含まれたセルを複数有するセルアレイと、前記セルアレイの各セルに対してポンプ光を照射して前記各セルにおける前記原子を励起させ、前記各セルを透過したプローブ光を検出して前記各セルにおける磁場を検出する磁場検出手段と、入力される制御信号に従って、前記原子を前記膜から光誘起脱離させる光を前記各セルに対して照射する照射手段と、前記各セルに対して一定の磁場を印加し、前記各セルに対して照射する前記光の光量を変化させた前記制御信号を前記照射手段に入力して前記磁場検出手段で検出される前記各セルの磁場の検出値が予め定められた目標値となるときの前記光量を前記セル毎に特定する第１の処理と、前記第１の処理に代えて、前記第１の処理で特定した前記セル毎の前記光量を示す前記制御信号を前記照射手段に入力し、測定対象から発せられる磁場を前記磁場検出手段で検出した結果を出力する第２の処理とを行う制御手段とを備えることを特徴とする。この構成によれば、各セルの磁場感度が均一になるように各セルの原子密度が制御されるため、磁場の測定精度を向上させることができる。
【０００６】
また、本発明に係る磁場計測装置は、上記磁場計測装置において、前記制御手段は、前記第１の処理において前記磁場検出手段で検出される前記各セルの検出値に基づいて前記目標値を求めることとしてもよい。この構成によれば、第１の処理における各セルの磁場の検出結果に基づいて各セルの原子密度を制御することができる。
【０００７】
また、本発明に係る磁場計測装置は、上記磁場計測装置において、前記各セルに対する前記光の光量を示す光量情報を記憶する記憶手段を備え、前記制御手段は、前記第１の処理で特定した前記各セルの前記光量を前記光量情報として前記記憶手段に記憶し、前記第２の処理において、前記記憶手段に記憶された前記各セルに対する前記光量情報に基づく前記制御信号を前記照射手段に入力することとしてもよい。この構成によれば、第１の処理で特定した各セルに対する光量が記憶されるので第１の処理を毎回行う必要がなく、第２の処理を迅速に行うことができる。
【０００８】
また、本発明に係る磁場計測装置は、上記磁場計測装置における前記制御手段は、前記第２の処理において、前記セル毎の前記光量を示す前記制御信号を前記照射手段に入力し、予め定められた時間の経過後に前記磁場検出手段で検出された結果を出力することとしてもよい。この構成によれば、各セルの磁場感度が均一になるように各セルの原子密度が制御された状態で、測定対象からの磁場を検出する処理に移行することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る磁場計測装置の構成例を示す図である。
【図２】実施形態に係る誘起光照射部と磁場検出部の構成例を説明する図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態におけるキャリブレーション処理を説明する図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、変形例（３）における誘起光とポンプ光及びプローブ光の照射例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施形態＞
（構成）
図１は、本発明に係る実施形態の磁場計測装置の構成を表すブロック図である。磁場計測装置１は、セルアレイ１０、誘起光照射ユニット２０、磁場検出ユニット３０、及び制御部４０を備えている。
【００１１】
セルアレイ１０は、複数のセル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）を一列に並べて構成されている。各セルは、光を透過するガラス等の素材で形成され、セル内部に所定の原子からなる原子群が含まれた立方体形状の各々独立した物体である。この所定の原子は、円偏光によって励起状態となりスピン偏極する原子であり、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）及びフランシウム（Ｆｒ）等のアルカリ金属である。本実施形態における各セルには、このようなアルカリ金属の原子のスピン偏極を維持させるために、パラフィン等の化合物がコーティングされた膜が内壁に形成されており、この膜中にも同じアルカリ金属の原子が混入されている。なお、各セル内には、アルカリ金属の原子の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などのバッファーガスが含まれていてもよい。アルカリ金属の原子は、磁気を検出する際に気体の状態であればよく、常時気体の状態でなくてもよい。また、本実施形態では、セルアレイ１０のセルは一列に４つ並べられている例であるが、セルの数は複数であればよく、複数列であってもよい。また、セルの形状は、立方体形状の例を用いるが、セルの形状はこの形状に限らない。
【００１２】
磁場検出ユニット３０は、各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）における磁場を検出する磁場検出部（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）を有する。また、誘起光照射ユニット２０は、各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）に対応する誘起光照射部（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）を有する。
ここで、各セルにおける磁場を検出するための磁場検出部と誘起光照射部を図２を用いて説明する。なお、図２では、セル１０ａとセル１０ｂに対応する磁場検出部３０ａ及び３０ｂと誘起光照射部２０ａ及び２０ｂの構成例のみを記載し、セル１０ｃ及びセル１０ｄについての記載は省略するが、これらのセルについてもセル１０ａ及びセル１０ｂと同様に構成されている。また、セル１０ａ及びセル１０ｂに対応する磁場検出部と誘起光照射部は同じ構成であるため、以下、セル１０ａについて説明を行う。
【００１３】
磁場検出ユニット３０は、図２に示すセル１０ａ及び１０ｂの左右に設けられた光学部材３０１、３０２、３０３を有する。この光学部材は、例えば、直角二等辺三角形の三角柱形状を有する全反射プリズム等であり、直角を形成する面（以下、反射面と言う）Ｐ１及びＰ２に入射した光を略９０°の方向に反射させる。磁場検出部３０ａは、磁場検出手段の一例であり、セル１０ａ内の原子を同一方向にスピン偏極させるためのポンプ光を照射する第１照射部３１０ａと、セル１０ａにおける磁場を検出するためのプローブ光を照射する第２照射部３２０ａと、セル１０ａを透過したプローブ光を検出する検出部３３０ａとを有する。
【００１４】
第１照射部３１０ａは、無偏光のレーザー光をコリメートレンズ、偏光板、四分の一波長板等の光学部材（図示略）により円偏光成分を有するポンプ光に変換して出力する光源を有し、セル１０ａの底面方向（図２に示すｚ軸方向）からポンプ光を照射する。ポンプ光がセル１０ａに入射すると、セル１０ａ内のアルカリ金属原子はポンプ光によって同一方向にスピン偏極する。
【００１５】
誘起光照射部２０ａは、照射手段の一例であり、セル１０ａと対応して設けられ、セル１０ａの膜からアルカリ金属の原子を光誘起脱離させるため誘起光の光源を有する。誘起光照射部２０ａは、制御部４０によって入力された制御信号に従って、セル１０ａの底面方向（図２に示すｚ軸方向）から誘起光を照射する。本実施形態では、誘起光として紫外光のレーザーを照射する例を説明するが、光誘起脱離現象を生じさせる光であれば、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）から出力される光でもよい。なお、誘起光は、ポンプ光及びプローブ光の波長と異なる波長が好ましく、セルの膜の変質や剥離等を生じさせる波長や強度でないことが好ましい。
【００１６】
第２照射部３２０ａは、無偏光のレーザー光をコリメートレンズ、偏光板、半波長板等の光学部材（図示略）により直線偏光成分を有するプローブ光に変換して出力する光源を有する。第２照射部３２０ａは、光学部材３０１の反射面Ｐ１に向けてプローブ光を照射する。光学部材３０１の反射面Ｐ１で反射されたプローブ光は、第１照射部３１０ａによって照射されるポンプ光と略直交するように、図２に示すセル１０ａの左側面方向（図２のｘ軸方向）から入射する。セル１０ａに入射したプローブ光は、アルカリ金属原子が磁場の影響で歳差運動を行った回転力に応じて偏光面が回転されてセル１０ａを透過する。なお、本実施形態では、ポンプ光とプローブ光とが略直交するようにポンプ光とプローブ光とが照射される例であるが、ポンプ光とプローブ光とが交差していれば直交に限らない。
【００１７】
検出部３３０ａは、各セルを透過したプローブ光を偏光ビームスプリッター等によってＰ偏光成分とＳ偏光分成分とに分離し、分離した光をフォトディテクタで受光する。検出部３３０ａは、フォトディテクタから出力されたＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量に応じた電気信号を解析してプローブ光の偏光面の回転角度を求め、回転角度に応じた磁場の強度を検出する。この例では、図２に示すｙ軸方向の磁場の強度が検出される。
【００１８】
図１に戻り、構成の説明を続ける。制御部４０は、制御手段の一例であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）のメモリとを有する。ＣＰＵは、ＲＯＭに予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、第１の処理としてキャリブレーション処理と、第２の処理として検体から発する磁場を検出する磁場検出処理とを行う。
【００１９】
制御部４０は、キャリブレーション処理として、各セルに対して設けられた図示しないコイルを用い、セルアレイ１０に対して図２のｙ軸方向に一定の磁場を印加すると共に、磁場検出ユニット３０を制御して各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）における磁場を検出する。制御部４０は、各セルにおける磁場の検出結果が印加した磁場に相当する値となるように、予め定められた光量の誘起光を各セルに対して照射する制御信号を誘起光照射ユニット２０に一定時間入力する。そして、一定時間の経過時に検出された各セルの磁場の検出値に基づいて、制御部４０は、全てのセルに共通する磁場の検出目標値を特定し、各セルの磁場の検出値が検出目標値となるように各セルに対する誘起光の光量を調整する。
本実施形態では、一定の光量の誘起光を照射したときの全てのセルの検出値の中で最も検出値が低いセル、即ち、磁場の検出感度が最も低いセルの検出値を検出目標値として特定する。制御部４０は、キャリブレーション処理の後、磁場検出処理として、磁場検出ユニット３０を制御して、検体から発する磁場を検出し、検出結果を出力する処理を行う。
【００２０】
（動作例）
次に、この磁場計測装置１の動作例について説明する。磁場計測装置１の制御部４０は、磁場計測処理を行う前にキャリブレーション処理を開始する。制御部４０は、各第１照射部（３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ）の各々から円偏光成分を有するポンプ光をセルアレイ１０の各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）に対して照射すると共に、各セルに照射されたポンプ光と略直交するように、直線偏光成分を有するプローブ光を各第２照射部（３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ）から照射する。そして、制御部４０は、ポンプ光とプローブ光とに直交する方向の一定の磁場を図示しないコイルを用いて印加する。
【００２１】
各セル内の原子は、ポンプ光により励起されて同一方向にスピン偏極され、印加された磁場に応じて磁気モーメントの方向を変化させて歳差運動を行う。各第２照射部から照射されたプローブ光は、各セルの間に配置された光学部材の反射面Ｐ１に入射する。各光学部材の反射面Ｐ１に入射したプローブ光は９０°の角度で反射され、当該光学部材に隣接するセルに入射する。各セルに入射したプローブ光は、当該セル内の原子が受けている磁場の大きさに応じて偏光面を回転させ当該セルを透過する。各セルを透過したプローブ光は、当該セルに隣接する光学部材の反射面Ｐ２に入射して９０°の角度で反射され、当該セルに対応する検出部で受光される。各検出部（３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄ）は、プローブ光の光量に応じた電気信号を解析してプローブ光の偏光面の回転角を求め、対応するセルにおける磁場を検出して制御部４０に検出結果を出力する。
【００２２】
制御部４０は、各セルについて検出された検出値が印加した磁場に相当する値となるように、誘起光の光量として、各誘起光照射部における最大強度を示す制御信号を各誘起光照射部（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）に対して入力する。各誘起光照射部は、入力された制御信号に応じた誘起光を各セルに対して照射する。
各セルに形成された膜中のアルカリ金属原子は、誘起光が照射されると膜中から光誘起脱離し、当該セルに照射されているポンプ光によって励起されてスピン偏極され、印加されている磁場に応じて歳差運動を行う。この光誘起脱離現象によって、当該セル内の原子密度は誘起光を照射する前と比べて高くなり、磁場の検出感度が高くなる。
【００２３】
制御部４０は、各誘起光照射部から誘起光を照射した時間を計測し、誘起光の照射開始時から予め定められた一定時間が経過したときの各検出部から検出された各セルの検出値に基づいて、全てのセルに共通する磁場の検出目標値（目標値）を特定する。
例えば、各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）に対して誘起光を照射したときの各セルにおける磁場の検出値が図３（ａ）に示す波形で表わされる場合において、誘起光の照射開始から一定時間が経過した時点をｔ１とする。この例では、ｔ１における各セルの検出値のうち、磁場の検出値が最も小さいセル１０ｂの検出値Ｓが検出目標値として特定される。つまり、最大強度の誘起光を照射しても全てのセルの中で磁場の検出感度が最も低いセルの最大検出値が目標値として特定される。
【００２４】
制御部４０は、各セルの磁場の検出値が特定した検出目標値となるように誘起光の強度を変化させた制御信号を各誘起光照射部に入力して誘起光の光量を変化させる。各誘起光照射部は、入力された制御信号に応じた強度の誘起光を対応するセルに照射し、制御部４０は、セル毎に誘起光の強度を変化させたときの各検出部で検出される検出値が検出目標値となったときの強度をセル毎に特定する。そして、制御部４０は、特定した強度で各誘起光照射部から誘起光を照射し続け、磁場検出処理を開始する。
【００２５】
具体的には、図３（ａ）の例の場合、制御部４０は、各セルにおける磁場の検出値が検出目標値Ｓとなるように、ｔ１時点から各セルに対する照射光の強度を変化させ、図３（ｂ）に示すように、各検出部で検出される検出値と検出目標値との差分がΔｓの範囲内となった時点ｔ２以降は、各セルに対する磁場の印加を停止する。この例では、ｔ１時点においてセル１０ｂの磁場の検出感度が最も低いため、セル１０ａ、１０ｃ、１０ｄに対しては、検出目標値Ｓに近づくように誘起光の強度を小さくして誘起光照射部２０ａから誘起光を照射し続けると共に、セル１０ｂに対しては、最大強度で誘起光を照射し続けることで、各セルの原子密度が調整されて磁場の検出感度が均一化される。
【００２６】
そして、制御部４０は、検出目標値との差分がΔｓの範囲内の検出値が得られたときの誘起光の強度を維持した状態で、検体からの磁場を検出する磁場検出処理を開始する。磁場検出処理は、検出対象となる磁場が検体からの磁場である点を除き、上記キャリブレーション処理における各磁場検出部の処理と同様であり、制御部４０は、各磁場検出部の各検出部で検出されたセル毎の検出結果を外部装置等に出力する。
【００２７】
上記実施形態の例では、検体からの磁場を検出する前に、各セルに対して一定光量の誘起光を照射したときの各セルにおける磁場の検出感度の中で最も検出感度が低いセルの検出値に合わせるように、各セルに対する誘起光の光量を調整することができるので、検体からの磁場の測定時には、各セルの検出感度が均一となり、磁場の測定精度を向上させることができる。
【００２８】
＜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。
【００２９】
（１）上述した実施形態では、各セルに対して一定光量の誘起光を照射したときの印加した磁場に対する各セルの検出値の中で最も検出値が低いセル、つまり、一定光量の誘起光を照射したときの磁場の検出感度が最も低いセルの最大検出値を検出目標値として特定する例を説明したが、例えば、最も磁場の検出感度が低いセルの最大検出値より低い値を検出目標値としてもよい。
【００３０】
（２）上述した実施形態では、一定光量の誘起光を各セルに照射したときの各セルにおける磁場の検出値から検出目標値を特定し、各セルの検出値が検出目標値となるように各セルに対する誘起光の光量を調整して各セルの検出感度を均一化する例であったが、以下のようにして各セルの検出感度を均一にしてもよい。例えば、制御部４０は、キャリブレーション処理において、一定の磁場を印加したときの各セルにおける磁場を実施形態と同様に検出し、各セルの検出値と目標値（例えば、印加した磁場に相当する値）との差に応じた誘起光の光量を求め、求めた光量の誘起光を各誘起光照射部から照射する。そして、制御部４０は、各セルに対して誘起光を照射したときの各磁場検出部で検出される各検出値と目標値との差分が所定値以下となるまで、各セルに対する誘起光の光量を調整するようにしてもよい。なお、検出値と目標値との差に応じた光量は、例えば実験結果等に基づいて目標値との差と光量との関係を予め定義した数式を用いて求めるようにしてもよいし、目標値との差と光量とを対応づけたテーブルをＲＯＭに予め記憶させておき、検出値と目標値との差に応じた光量を当該テーブルから選択するようにしてもよい。
【００３１】
（３）上述した実施形態では、セル毎に、ポンプ光及びプローブ光の光源を設ける例を説明したが、分岐カプラー等を用いて、各々１つの光源からのポンプ光及びプローブ光を各セルに分配して照射するようにしてもよい。また、例えば、各セルにつき、図４（ａ）に示すように当該セルの底面方向から誘起光を照射し、図４（ｂ）に示すようにポンプ光とプローブ光とを兼ねた一つの光源を有する第３照射部を設け、第３照射部から照射した光によって当該セル内の原子をポンピングさせ、当該セルを透過した光を検出するように構成してもよい。
【００３２】
（４）上述した実施形態では、各セルに対して誘起光をポンプ光と平行に照射する例を説明したが、誘起光の照射方向は、各セルに対応する検出部におけるプローブ光の検出に影響を与えなければポンプ光と平行でなくてもよい。また、実施形態では、セル毎に誘起光照射部を設ける例を説明したが、以下のように構成してもよい。例えば、磁場計測装置１において、複数のセルに対応する誘起光照射部を一つ設けると共に、当該誘起光照射部を対応する各セルの位置に移動させるための駆動手段を設ける。制御部４０は、誘起光照射部を対応する各セルの位置に一定の時間毎に移動させるように駆動手段を制御すると共に、各セルの位置で誘起光を照射するように誘起光照射部へ制御信号を入力し、各セルに対して誘起光を一定時間照射するよう構成してもよい。
【００３３】
（５）上述した実施形態では、誘起光の強度を変化させて誘起光の光量を調整する例を説明したが、各セルに誘起光が照射される面積、即ち、誘起光のビーム径を変化させて誘起光の光量を調整してもよい。また、誘起光の強度とビーム径とを変化させて誘起光の光量を調整するようにしてもよい。この場合には、制御部４０は、各誘起光照射部に対し、誘起光の強度とビーム径とを各々示す制御信号を入力し、各誘起光照射部は、入力された誘起光の強度を示す制御信号とビーム径を示す制御信号とに従って誘起光を照射する。
【００３４】
（６）上述した実施形態では、キャリブレーション処理の後、磁場検出処理を自動開始する例を説明したが、例えば、磁場計測装置１において、キャリブレーション処理と磁場検出処理とを切り換える操作手段を設け、ユーザー操作に応じてキャリブレーション処理と磁場検出処理とを選択的に行うようにしてもよい。この場合には、セル毎の光量を示す光量情報を記憶する記憶手段を磁場計測装置１に設けるように構成する。制御部４０は、キャリブレーション処理において検出目標値の検出値が得られたときの各セルに対する誘起光の光量を光量情報として記憶手段に記憶する。そして、制御部４０は、ユーザー操作によって磁場検出処理に切り換えられたときに、記憶手段に記憶されているセル毎の光量情報に基づく制御信号を各誘起光照射部に入力して各セルに誘起光を照射し、予め定められた所定時間が経過した後に磁場検出処理を行うようにしてもよい。要は、キャリブレーション処理と磁場検出処理とが排他的に行われるように構成されていればよい。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・磁場計測装置、１０・・・セルアレイ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ・・・セル、２０・・・誘起光照射ユニット、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ・・・誘起光照射部、３０・・・磁場検出ユニット、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ・・・磁場検出部、４０・・・制御部、３０１，３０２，３０３・・・光学部材、３１０ａ，３１０ｂ・・・第1照射部、３２０ａ，３２０ｂ・・・第２照射部、３３０ａ，３３０ｂ・・・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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