(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、
光を射出する光源と、
前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、
前記光学特性を検出する光検出器と、
前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、
前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、
前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、
前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、
前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を算出することと、
を含み、
前記計測領域の磁場を算出することは、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とを発生させた際の前記媒体の磁化ベクトルの前記第１方向の成分を示す磁化値、又は前記磁化値に対応する値、を前記光検出器の検出結果に基づいて算出することを含む、
磁場計測方法。
【請求項２】
前記計測領域の磁場を算出することは、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場との組み合わせを３個以上異ならせていることを含む、
請求項１に記載の磁場計測方法。
【請求項３】
前記計測領域の磁場を算出することは、前記組み合わせのそれぞれに以下の数式１を適応させることである、請求項２に記載の磁場計測方法。
【数１】
0006597034.tif 000035
ただし、前記計測領域の磁場はＣ＝（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）であり、ｘ，ｙ，ｚはそれぞれ前記第１方向、前記第２方向、前記第３方向の空間座標であり、Ｍｘは前記磁化値であり、ａ，ｃは定数であり、Ａ１０ｆ（ωｔ）は前記第１交番磁場であり、Ａ２０ｆ（ωｔ＋δ）は前記第２交番磁場であり、δは前記位相差であり、ωは前記第１交番磁場と前記第２交番磁場との角振動数であり、ｔは時間である。
【請求項４】
前記位相差はπ／２である、
請求項１〜３の何れか一項に記載の磁場計測方法。
【請求項５】
前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは三角関数波である、
請求項１〜４の何れか一項に記載の磁場計測方法。
【請求項６】
前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは三角波である、
請求項１〜４の何れか一項に記載の磁場計測方法。
【請求項７】
前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは矩形波である、
請求項１〜４の何れか一項に記載の磁場計測方法。
【請求項８】
第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、
光を射出する光源と、
前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、
前記光学特性を検出する光検出器と、
前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、
前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、
前記第３方向の磁場を前記媒体に印加する第３磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、
前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、
前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、
前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を原磁場として算出する第一工程と、
前記計測領域に測定対象物を配置する第二工程と、
前記計測領域に形成したい磁場であるターゲット磁場と前記原磁場との差分の磁場を、前記第１磁場発生器と前記第２磁場発生器と前記第３磁場発生器とに発生させる第三工程と、
前記第三工程を行っており前記第二工程が終了している期間に前記光検出器の検出結果を用いて、前記測定対象物が発生した磁場を測定する第四工程と、
を含む磁場計測方法。
【請求項９】
第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、
光を射出する光源と、
前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、
前記光学特性を検出する光検出器と、
前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、
前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、
前記第３方向の磁場を前記媒体に印加する第３磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、
前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、
前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、
前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を原磁場として算出する第一工程と、
前記計測領域に測定対象物を配置する第二工程と、
前記計測領域に形成したい磁場であるターゲット磁場と前記原磁場との差分の磁場の第１方向の成分を前記第１交番磁場に加えた第３交番磁場を前記第１磁場発生器に発生させ、前記差分の磁場の第２方向の成分を前記第２交番磁場に加えた第４交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させ、前記差分の磁場の第３方向の成分の磁場を前記第３磁場発生器に発生させる第三工程と、
前記第三工程を行っており前記第二工程が終了している期間に前記光検出器の検出結果と前記第３交番磁場と前記第４交番磁場とを用いて、前記測定対象物が発生した磁場を測定する第四工程と、
を含む磁場計測方法。
【請求項１０】
第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、
光を射出する光源と、
前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、
前記光学特性を検出する光検出器と、
前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、
前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、
前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を算出することと、を実行する演算制御部と、
を備え、
前記演算制御部は、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とを発生させた際の前記媒体の磁化ベクトルの前記第１方向の成分を示す磁化値、又は前記磁化値に対応する値、を前記光検出器の検出結果に基づいて算出することを実行する、
磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用した磁場計測方法及び磁場計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を利用した磁気計測装置は、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発生する微少な磁場の一成分を計測することが可能であり、医療画像診断装置などへの応用が期待されている。かかる磁気計測装置では、アルカリ金属などのガス（気体）を封入したガスセルにポンプ光及びプローブ光を照射する。ガスセル内に封入された原子は、ポンプ光により励起されてスピン偏極し、このガスセルを透過したプローブ光の偏光面は、磁気光学効果により磁場に応じて回転する。このガスセルの透過前後のプローブ光の偏光面の回転角度を測定することで、磁場の一成分を計測する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の一般的な光ポンピング式の磁気計測装置は、磁場の検出軸は一方向であり、検出軸と磁場との方向が異なる場合には、磁場の検出軸への射影成分が計測される。しかし、実際に空間に分布する磁場は三次元のベクトルであり、より精密に磁場を計測しようとする場合、Ｘ，Ｙ，Ｚ直交三軸といった三軸方向の磁場を計測することが望ましい。検出軸はプローブ光の照射方向に応じた方向となるため、単純に、プローブ光の照射方向を増やすことで検出軸を増やす場合、それぞれの照射方向を精密に直交させる必要がある。照射方向が想定する方向に対して傾くと、それに伴って検出軸に傾きが生じ、その結果、三次元ベクトルである磁場の計測値に誤差が生じてしまう。また、ガスセルにプローブ光を三軸方向から入射させる場合、装置の構成が複雑となり、実現しがたいという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光ポンプ式の磁気計測において、プローブ光が一方向でありながら、複数方向の磁場を計測可能とすること、或いは高精度に磁気計測を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［適用例１］上記課題を解決するための第１の発明は、第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、光を射出する光源と、前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光検出器と、前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を算出することと、を含む磁場計測方法である。
【０００７】
本適用例の磁場計測方法によれば、第３方向（Ｚ方向）といった一方向のみへの光の照射によって、計測領域の磁場を算出することができる。具体的には、計測領域の磁場に応じて光の光学特性を変化させる媒体に対して、光の射出方向である第３方向（Ｚ方向）と直交する第１方向（Ｘ方向）の磁場である第１交番磁場と、第３方向（Ｚ方向）及び第１方向（Ｘ方向）と直交する第２方向（Ｙ方向）の磁場であって、第１交番磁場と同一周期であり、且つ、第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場と、を印加する。そして、光の光学特性の検出結果と、第１交番磁場と、第２交番磁場とを用いて、計測領域の磁場を算出する。
【０００８】
［適用例２］第２の発明として、第１の発明の磁場計測方法であって、前記計測領域の磁場を算出することは、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とを発生させた際の前記媒体の磁化ベクトルの前記第１方向の成分を示す磁化値、又は前記磁化値に対応する値、を前記光検出器の検出結果に基づいて算出することを含む、磁場計測方法を構成してもよい。
【０００９】
本適用例の磁場計測方法によれば、媒体の磁化ベクトルの第１方向（Ｘ方向）の成分を示す磁化値を、光の光学特性の検出結果に基づいて算出し、この磁化値と、第１交番磁場と、第２交番磁場とを用いて、計測領域の磁場を算出する。
【００１０】
［適用例３］第３の発明として、第２の発明の磁場計測方法であって、前記計測領域の磁場を算出することは、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場との組み合わせを３個以上異ならせていることを含む、磁場計測方法を構成してもよい。
【００１１】
本適用例の磁場計測方法によれば、磁化値と、第１交番磁場の値と、第２交番磁場の値と、の組み合わせであって、磁化値が異なる３以上のタイミングにおける組み合わせを用いて、計測領域の磁場を算出することができる。
【００１２】
［適用例４］第４の発明として、第３の発明の磁場計測方法であって、前記計測領域の磁場を算出することは、前記組み合わせのそれぞれに以下の数式１を適応させることである、磁場計測方法を構成してもよい。
【数１】
0006597034.tif 000002
ただし、前記計測領域の磁場はＣ＝（Ｃx，Ｃy，Ｃz）であり、ｘ，ｙ，ｚはそれぞれ前記第１方向、前記第２方向、前記第３方向の空間座標であり、Ｍxは前記磁化値であり、ａ，ｃは定数であり、Ａ10ｆ（ωｔ）は前記第１交番磁場であり、Ａ20ｆ（ωｔ＋δ）は前記第２交番磁場であり、δは前記位相差であり、ωは前記第１交番磁場と前記第２交番磁場との角振動数であり、ｔは時間である。
【００１３】
本適用例の磁場計測方法によれば、磁化値、第１交番磁場の値、及び、第２交番磁場の値の組み合わせそれぞれについて各値を数式１に代入した３以上の式からなる連立方程式を生成し、この連立方程式を解くことで、三次元ベクトルである媒体の計測領域の磁場（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出することができる。
【００１４】
［適用例５］第２方向の交番磁場及び第１方向の交番磁場は、具体的には次のように定めることができる。例えば、第５の発明として、前記位相差はπ／２である、磁場計測方法を構成してもよい。
【００１５】
［適用例６］また、第６の発明として、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは三角関数波である、磁場計測方法を構成してもよい。
【００１６】
［適用例７］また、第７の発明として、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは三角波である、磁場計測方法を構成してもよい。
【００１７】
［適用例８］また、第８の発明として、前記第１交番磁場と前記第２交番磁場とは矩形波である、磁場計測方法を構成してもよい。
【００１８】
［適用例９］第９の発明は、第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、光を射出する光源と、前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光検出器と、前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、前記第３方向の磁場を前記媒体に印加する第３磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を原磁場として算出する第一工程と、前記計測領域に測定対象物を配置する第二工程と、前記計測領域に形成したい磁場であるターゲット磁場と前記原磁場との差分の磁場を、前記第１磁場発生器と前記第２磁場発生器と前記第３磁場発生器とに発生させる第三工程と、前記第三工程を行っており前記第二工程が終了している期間に前記光検出器の検出結果を用いて、前記測定対象物が発生した磁場を測定する第四工程と、を含む磁場計測方法である。
【００１９】
本適用例の磁場計測方法によれば、計測領域を所定のターゲット磁場とした状態において、測定対象物が発生した磁場を測定することができる。例えば、外部から計測領域に漏れ入っている原磁場を相殺すべく、ターゲット磁場をゼロ磁場とすれば、測定対象物が発生する磁場を正確に計測することができる。
【００２０】
［適用例１０］第１０の発明は、第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、光を射出する光源と、前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光検出器と、前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、前記第３方向の磁場を前記媒体に印加する第３磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を原磁場として算出する第一工程と、前記計測領域に測定対象物を配置する第二工程と、前記計測領域に形成したい磁場であるターゲット磁場と前記原磁場との差分の磁場の第１方向の成分を前記第１交番磁場に加えた第３交番磁場を前記第１磁場発生器に発生させ、前記差分の磁場の第２方向の成分を前記第２交番磁場に加えた第４交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させ、前記差分の磁場の第３方向の成分の磁場を前記第３磁場発生器に発生させる第三工程と、前記第三工程を行っており前記第二工程が終了している期間に前記光検出器の検出結果と前記第３交番磁場と前記第４交番磁場とを用いて、前記測定対象物が発生した磁場を測定する第四工程と、を含む磁場計測方法である。
【００２１】
本適用例の磁場計測方法によれば、計測領域を所定のターゲット磁場とした状態において、測定対象物が発生した磁場を測定することができる。例えば、外部から計測領域に漏れ入っている原磁場を相殺すべく、ターゲット磁場をゼロ磁場とすれば、測定対象物が発生する磁場をベクトル量として正確に計測することができる。
【００２２】
［適用例１１］第１１の発明は、第１方向と第２方向と第３方向とは互いに直交し、光を射出する光源と、前記光が前記第３方向に沿って通過し、計測領域の磁場に応じて光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光検出器と、前記第１方向の磁場を前記媒体に印加する第１磁場発生器と、前記第２方向の磁場を前記媒体に印加する第２磁場発生器と、前記第１磁場発生器に第１交番磁場を発生させることと、前記第１交番磁場と同一周期であり、且つ、前記第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場を前記第２磁場発生器に発生させることと、前記光検出器の検出結果、前記第１交番磁場、及び、前記第２交番磁場を用いて、前記計測領域の磁場を算出することと、を実行する演算制御部と、を備えた磁場計測装置である。
【００２３】
本適用例の磁場計測装置によれば、第３方向（Ｚ方向）といった一方向のみへの光の照射によって、計測領域の磁場を算出することができる。具体的には、計測領域の磁場に応じて光の光学特性を変化させる媒体に対して、光の射出方向である第３方向（Ｚ方向）と直交する第１方向（Ｘ方向）の磁場である第１交番磁場と、第３方向（Ｚ方向）及び第１方向（Ｘ方向）と直交する第２方向（Ｙ方向）の磁場であって、第１交番磁場と同一周期であり、且つ、第１交番磁場との位相差がδである第２交番磁場と、を印加する。そして、光の光学特性の検出結果と、第１交番磁場と、第２交番磁場とを用いて、計測領域の磁場を算出する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係る磁場計測装置の構成の一例を示す概略側面図。
【図２】本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｙ方向から見た図。
【図３】本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｘ方向から見た図。
【図４】本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｚ方向から見た図。
【図５】本実施形態に係る磁気センサーの構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｚ方向から見た平面図。
【図６】本実施形態に係る磁気センサーの構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｙ方向から見た側面図。
【図７】本実施形態に係る演算制御部の機能構成図。
【図８】磁場が無い場合のアライメントを説明する図。
【図９】磁場によるアライメントの変化を説明する図。
【図１０】ガスセルを透過することによる直線偏光の偏光面の変化を説明する図。
【図１１】ガスセルを透過することによる直線偏光の偏光面の変化を説明する図。
【図１２】アライメント方位角θとプローブ光の検出結果との関係を示す図。
【図１３】本実施形態に係る磁場計測処理の流れを説明するフローチャート。
【図１４】第１実施例における人工磁場が三角関数波である場合のスピン偏極度の一例を示すグラフ。
【図１５】第２実施例における人工磁場が三角波である場合のスピン偏極度の一例一例を示すグラフ。
【図１６】第３実施例における人工磁場がのこぎり波である場合のスピン偏極度の一例を示すグラフ。
【図１７】第４実施例における人工磁場が矩形波である場合のスピン偏極度の一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施形態について図面に従って説明する。
なお、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
【００２６】
［磁場計測装置の構成］
まず、本実施形態に係る磁場計測装置の構成例を説明する。図１は、本実施形態に係る磁場計測装置の構成の一例を示す概略側面図である。図２は、本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する図であり、具体的には、Ｙ方向から見た図である。図３は、本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する図であり、具体的には、Ｘ方向から見た図である。図４は、本実施形態に係る磁場発生器の構成を説明する図であり、具体的には、Ｚ方向から見た図である。図５は、本実施形態に係る磁気センサーの構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｙ方向から見た平面図である。図６は、本実施形態に係る磁気センサーの構成を説明する模式図であり、具体的には、Ｙ方向から見た側面図である。図７は、本実施形態に係る演算制御部の機能構成図である。
【００２７】
図１に示す磁場計測装置１は、計測対象物が発生する磁場をベクトル量として計測する計測装置である。なお、計測対象物が発生する磁場に関する一部の情報（例えば、その一成分や大きさ、有無など）を計測する装置は磁気計測装置と称するものとする。本実施形態では、計測対象物を人体（被検体）とし、計測対象物が発する磁場を心磁（心臓の電気生理学的な活動から発生する磁場）や脳磁とする。ここでは、磁場計測装置１が心磁をベクトル量として計測する計測装置である場合を例に説明する。
【００２８】
磁場計測装置１は、光ポンピング法を用いて磁場を計測する装置であり、ポンプ光とプローブ光とを兼用する、いわゆるワンビーム方式である。なお、ワンビーム方式のものに限らず、ポンプ光を照射するための光源とプローブ光を照射するための光源とを分離した、いわゆるツービーム方式の構成としてもよい。図１に示すように、磁場計測装置１は、土台３と、テーブル４と、磁気シールド装置６と、磁場発生器８と、磁気センサー１０と、演算制御部３０（図７参照）とを備えている。
【００２９】
図６に示す磁気センサー１０において、光源１８から射出されるレーザー光（照射光ともいう）１８ａがガスセル１２を通過する方向（照射方向）を第３方向（本実施形態ではＺ方向）とする。照射光の直線偏光成分の振動方向を第２方向（本実施形態ではＹ方向）とする。第２方向（Ｙ方向）及び第３方向（Ｚ方向）と直交する方向を第１方向（本実施形態ではＸ方向）とする。そして、第１方向（Ｘ方向）、第２方向（Ｙ方向）、第３方向（Ｚ方向）を直交座標系の軸方向とし、以下ではそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と呼称する。
【００３０】
図１において、Ｚ軸方向は鉛直方向であり、磁場計測装置１の高さ方向（図１における上下方向）である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は水平方向であり、土台３、テーブル４の上面が延在する方向である。横たわった状態の被検体９の身長方向（図１における左右方向）はＸ軸方向に沿っているものとする。従って、被検体９の身長方向と交差する方向（図１における奥から手前に向かう方向）がＹ軸方向である。
【００３１】
土台３は磁気シールド装置６（本体部６ａ）の内側の底面上に配置され、本体部６ａの外側まで、被検体９の移動可能方向であるＸ軸方向に沿って延在している。テーブル４は、第１テーブル４ａと、第２テーブル４ｂと、第３テーブル４ｃとを有している。土台３上には、直動機構３ａによりＸ軸方向に沿って移動する第１テーブル４ａが設置されている。第１テーブル４ａの上には、図示しない昇降装置によりＺ軸方向に沿って昇降する第２テーブル４ｂが設置されている。第２テーブル４ｂの上には、図示しない直動機構によりレール上をＹ軸方向に沿って移動する第３テーブル４ｃが設置されている。
【００３２】
磁気シールド装置６は、開口部６ｂを有する角筒状の本体部６ａを備えている。本体部６ａの内部は空洞となっており、Ｙ軸方向及びＺ軸方向で構成される面（Ｙ−Ｚ断面でＸ軸方向に直交した平面）の断面形状は概ね四角形になっている。心磁を計測する際は、本体部６ａの内部に被検体９がテーブル４上に横たわった状態で収容される。本体部６ａはＸ軸方向に延在しており、これ自体でパッシブ磁気シールドとして機能する。
【００３３】
本体部６ａの開口部６ｂから＋Ｘ方向に土台３が突出している。磁気シールド装置６の大きさは、例えば、Ｘ軸方向における長さが約２００ｃｍ程度であり、開口部６ｂの一辺が９０ｃｍ程度である。そして、開口部６ｂから、磁気シールド装置６内に、テーブル４に横たわった被検体９がテーブル４と共に土台３上をＸ軸方向に沿って移動して出入することができる。
【００３４】
磁気シールド装置６の本体部６ａは、比透磁率が例えば数千以上の強磁性体、または、高伝導率の導体によって形成される。強磁性体にはパーマロイ、フェライト、または鉄、クロムもしくはコバルト系のアモルファス等を用いることができる。高伝導率の導体には、例えば、アルミニウム等で、渦電流効果によって磁場低減効果を有するものを用いることができる。なお、強磁性体と高伝導率の導体とを交互に積層して本体部６ａを形成することも可能である。
【００３５】
本体部６ａの内部には、磁場発生器８が設置されている。磁場発生器８は、３軸ヘルムホルツコイルで構成され、計測領域５に対して、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向に所定磁場を発生させることができる。つまり、磁場発生器８は、少なくとも、Ｘ軸方向の磁場を発生させる第１磁場発生器８Ｘと、Ｙ軸方向の磁場を発生させる第２磁場発生器８Ｙとを含み、さらに、Ｚ軸方向の磁場を発生させる第３磁場発生器８Ｚを含むことが好ましい。
【００３６】
本実施形態では、磁場発生器８は、第１磁場発生器（Ｘ軸方向に沿って対向する一対のヘルムホルツコイル）８Ｘと、第２磁場発生器（Ｙ軸方向に沿って対向する一対のヘルムホルツコイル）８Ｙと、第３磁場発生器（Ｚ軸方向に沿って対向する一対のヘルムホルツコイル）８Ｚとを含んでいる。磁気シールド装置６の本体部６ａ内の、磁場計測装置１が心磁を計測する対象となる領域が計測領域５である。被検体９における計測位置である胸部９ａと磁気センサー１０とは、計測領域５内に配置される。
【００３７】
図２、図３、及び図４に示すように、磁場発生器８が含むヘルムホルツコイル８Ｘ、ヘルムホルツコイル８Ｙ、及びヘルムホルツコイル８Ｚの直径は、計測領域５の径よりも大きい。すなわち、計測領域５は、第１磁場発生器８Ｘと第２磁場発生器８Ｙと第３磁場発生器８Ｚとで囲まれた領域に内包される。これらヘルムホルツコイル８Ｘ，８Ｙ，８Ｚの中心と、計測領域５の中心と、磁気センサー１０の中心とがほぼ一致することが好ましい。このようにすれば、計測領域５において、三次元ベクトルである磁場を精度良く計測することができる。
【００３８】
また、対向する一対のヘルムホルツコイル同士の間の距離は、他のヘルムホルツコイルの径よりも大きいことが好ましい。例えば、図２に示すように、対向する一対のヘルムホルツコイル８Ｘ同士の間の距離がヘルムホルツコイル８Ｙ及びヘルムホルツコイル８Ｚの径よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、一対のヘルムホルツコイル８Ｙ（または８Ｚ）により、Ｙ軸（またはＺ軸）に沿って平行で均一な磁場を発生させることができる。同様に、一対のヘルムホルツコイル８Ｙ（または８Ｚ）同士の間の距離も、他のヘルムホルツコイルの径よりも大きいことが好ましい。
【００３９】
例えば、図２において、仮に一対のヘルムホルツコイル８Ｘ同士の間の距離が他のヘルムホルツコイル８Ｙ及びヘルムホルツコイル８Ｚの径よりも小さい場合、一対のヘルムホルツコイル８Ｙ（または８Ｚ）を底面とする円柱状の領域の内側にヘルムホルツコイル８Ｘが入り込むこととなる。そうすると、一対のヘルムホルツコイル８Ｙ（または８Ｚ）により形成される磁場に歪みが生じてしまい、計測領域５付近においてＹ軸（またはＺ軸）に沿って平行で均一な磁場を発生させることが困難となる。
【００４０】
磁気センサー１０は、本体部６ａの天井に支持部材７を介して固定されている。磁気センサー１０は、計測領域５のＺ軸方向における磁場の強度成分を計測する。磁気センサー１０は、光ポンピング法を用いて磁場を計測する。被検体９の心磁を計測する際は、被検体９における計測位置である胸部９ａが磁気センサー１０と対向する位置になるように第１テーブル４ａ及び第３テーブル４ｃを移動させ、胸部９ａが磁気センサー１０に接近するように第２テーブル４ｂを上昇させる。
【００４１】
光ポンピング式の磁気センサー１０を用いた微弱磁場の計測では、ガスセル１２が配置された計測領域５に存在する、例えば地磁気や都市ノイズ等の環境により外部から流入する磁場（原磁場）を打ち消すことが好ましい。原磁場が存在すると、その影響を受けて、計測対象物（被検体９）が発生した磁場に対する感度の低下や、計測精度の低下を招くためである。本実施形態では、磁気シールド装置６により外部から計測領域５への磁場の流入が抑制されている。そして、本体部６ａの内部に配置された磁場発生器８により計測領域５付近をゼロ磁場に近い低磁場に保つことができる。
【００４２】
図５に示すように、磁気センサー１０は、光源１８と、ガスセル１２と、光検出器１４，１５とを有する。光源１８は、セシウムの吸収線に応じた波長のレーザー光１８ａを出力する。レーザー光１８ａの波長は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、Ｄ１線に相当する８９４ｎｍの波長に設定している。光源１８はチューナブルレーザーであり、光源１８から出力されるレーザー光１８ａは一定の光量を有する連続光である。
【００４３】
本実施形態では、光源１８は、演算制御部３０に設置されている。光源１８から発せられたレーザー光１８ａは、光ファイバー１９を通って磁気センサー１０の本体に供給される。磁気センサー１０の本体と光ファイバー１９とは、光コネクター２０を介して接続されている。光コネクター２０を介して供給されたレーザー光１８ａは、−Ｙ方向に進行して偏光板２１に入射する。偏光板２１を通過したレーザー光１８ａは、直線偏光になっている。そして、レーザー光１８ａは、第１ハーフミラー２２、第２ハーフミラー２３、第３ハーフミラー２４、第１反射ミラー２５に順次入射する。
【００４４】
第１ハーフミラー２２、第２ハーフミラー２３及び第３ハーフミラー２４は、レーザー光１８ａの一部を反射して＋Ｘ方向に進行させ、一部のレーザー光１８ａを通過させて−Ｙ方向に進行させる。第１反射ミラー２５は、入射したレーザー光１８ａを全て＋Ｘ方向に反射する。第１ハーフミラー２２、第２ハーフミラー２３、第３ハーフミラー２４、第１反射ミラー２５により、レーザー光１８ａは４つの光路に分割される。各光路のレーザー光１８ａの光強度が同じ光強度になるように、各ミラーの反射率が設定されている。
【００４５】
次に、図６に示すように、レーザー光１８ａは第４ハーフミラー２６、第５ハーフミラー２７、第６ハーフミラー２８、第２反射ミラー２９に順次照射入射する。第４ハーフミラー２６、第５ハーフミラー２７及び第６ハーフミラー２８は、レーザー光１８ａの一部を反射して＋Ｚ方向に進行させ、一部のレーザー光１８ａを通過させて＋Ｘ方向に進行させる。第２反射ミラー２９は、入射したレーザー光１８ａを全て＋Ｚ方向に反射する。
【００４６】
第４ハーフミラー２６、第５ハーフミラー２７、第６ハーフミラー２８、第２反射ミラー２９により、１つの光路のレーザー光１８ａは４つの光路に分割される。各光路のレーザー光１８ａの光強度が同じ光強度になるように、各ミラーの反射率が設定されている。したがって、レーザー光１８ａは１６個の光路に分離される。そして、各光路のレーザー光１８ａの光強度が同じ強度になるように、各ミラーの反射率が設定されている。
【００４７】
第４ハーフミラー２６、第５ハーフミラー２７、第６ハーフミラー２８、第２反射ミラー２９の＋Ｚ方向側には、レーザー光１８ａの各光路に、４行４列の１６個のガスセル１２が設置されている。そして、第４ハーフミラー２６、第５ハーフミラー２７、第６ハーフミラー２８、第２反射ミラー２９にて反射したレーザー光１８ａは、ガスセル１２を通過する。
【００４８】
ガスセル１２は、内部に空隙を有する箱であり、この空隙には、計測領域５（図１参照）の磁場に応じて光の光学特性を変化させる媒体としてのアルカリ金属のガスが封入されている。アルカリ金属は特に限定されず、カリウム、ルビジウムまたはセシウムを用いることができる。本実施形態では、例えばアルカリ金属にセシウムを用いている。
【００４９】
各ガスセル１２の＋Ｚ方向側には、偏光分離器１３が設置されている。偏光分離器１３は、入射したレーザー光１８ａを、互いに直交する２つの偏光成分のレーザー光１８ａに分離する素子である。偏光分離器１３には、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を用いることができる。
【００５０】
偏光分離器１３の＋Ｚ方向側には光検出器１４が設置され、偏光分離器１３の＋Ｘ方向側には光検出器１５が設置されている。偏光分離器１３を通過したレーザー光１８ａは光検出器１４に入射し、偏光分離器１３にて反射したレーザー光１８ａは光検出器１５に入射する。光検出器１４及び光検出器１５は、入射したレーザー光１８ａの受光光量に応じた信号を演算制御部３０に出力する。
【００５１】
光検出器１４，１５が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、光検出器１４，１５は非磁性の材料で構成されることが望ましい。磁気センサー１０は、Ｘ軸方向の両面及びＹ軸方向の両面に設置されたヒーター１６を有している。ヒーター１６は磁界を発生しない構造であることが好ましく、例えば、流路中に蒸気や熱風を通過させて加熱する方式のヒーターを用いることができる。ヒーターの代わりに、高周波電圧によりガスセル１２を誘電加熱してもよい。
【００５２】
磁気センサー１０は、被検体９（図１参照）の＋Ｚ方向側に配置される。磁気センサー１０が計測領域５にて検出する磁場ベクトルＢ（測定対象物が発生する対象磁場ベクトルを含む）は、−Ｚ方向側から磁気センサー１０に入る。磁場ベクトルＢは、第４ハーフミラー２６〜第２反射ミラー２９を通過し、ガスセル１２を通過した後、偏光分離器１３を通過して磁気センサー１０から出る。
【００５３】
磁気センサー１０は、光ポンピング式磁気センサーや光ポンピング原子磁気センサーと称されるセンサーである。ガスセル１２内のセシウムは、加熱されてガス状態になっている。そして、直線偏光になったレーザー光１８ａをセシウムガスに照射することにより、セシウム原子が励起され磁気モーメントの向きが揃えられる。この状態でガスセル１２に磁場ベクトルＢが通過するとき、セシウム原子の磁気モーメントが磁場ベクトルＢの磁場により歳差運動する。この歳差運動をラーモア歳差運動と称する。
【００５４】
ラーモア歳差運動の大きさは、磁場ベクトルＢの強さと正の相関を有している。ラーモア歳差運動は、レーザー光１８ａの偏向面を回転させる。ラーモア歳差運動の大きさとレーザー光１８ａの偏向面の回転角の変化量とは、正の相関を有する。したがって、磁場ベクトルＢの強さとレーザー光１８ａの偏向面の回転角の変化量とは、正の相関を有している。磁気センサー１０の感度は、磁場ベクトルＢのＺ軸方向において高く、Ｚ軸方向と直交する方向において低くなっている。
【００５５】
偏光分離器１３は、ガスセル１２を透過したレーザー光１８ａを互いに直交する軸方向（図１１に示すα軸及びβ軸）の２成分の直線偏光に分離する。分離された一方の直線偏光は光検出器１４に導かれ、他方の直線偏光は光検出器１５に導かれる。そして、光検出器１４及び光検出器１５は、直交する２成分それぞれの直線偏光を受光し、受光光量に応じた信号を発生して演算制御部３０に出力する。それぞれの直線偏光の強さを検出することにより、レーザー光１８ａの偏向面の回転角を検出することができる。そして、レーザー光１８ａの偏向面の回転角の変化から、磁場ベクトルＢの強さを検出することができる。
【００５６】
ガスセル１２、偏光分離器１３、光検出器１４、及び光検出器１５からなる素子をセンサー素子１１と称する。本実施形態では、磁気センサー１０には、センサー素子１１が４行４列の１６個配置されている。磁気センサー１０におけるセンサー素子１１の個数及び配置は特に限定されない。センサー素子１１は、３行以下でもよく５行以上でもよい。同様にセンサー素子１１は、３列以下でもよく５列以上でもよい。センサー素子１１の個数が多い程空間分解能を高くすることができる。
【００５７】
図７に示すように、演算制御部３０は、操作部３１と、表示部３２と、通信部３３と、処理部４０と、記憶部５０とを有する。操作部３１は、ボタンスイッチやタッチパネル、キーボード、各種センサー等の入力装置であり、なされた操作に応じた操作信号を処理部４０に出力する。この操作部３１によって、磁場計測の開始指示等の各種指示入力が行われる。
【００５８】
表示部３２は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置であり、処理部４０からの表示信号に基づく各種表示を行う。この表示部３２に、計測結果等が表示される。通信部３３は、無線通信機やモデム、有線用の通信ケーブルのジャックや制御回路等の通信装置であり、所与の通信回線と接続して外部との通信を実現する。
【００５９】
処理部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路：Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等の電子部品によって実現される。処理部４０は、所定のプログラムやデータ、操作部３１からの操作信号、磁気センサー１０からの計測信号等に基づいて各種の演算処理を実行して、演算制御部３０の動作を制御する。
【００６０】
処理部４０は、照射制御部４１と、磁場発生制御部４２と、原磁場算出部４３と、バイアス磁場決定部４４と、対象磁場算出部４５と、を有する。処理部４０は、記憶部５０に記憶された磁場計測プログラム５１に従った磁気計測処理（図１３に示すフローチャート参照）を実行する。
【００６１】
本実施形態に係る磁気計測処理では、例えば人体の心臓や脳といった測定対象物が発生する磁場の測定を行う前に、初期設定として、測定対象物が置かれていない状態の計測領域５の原磁場Ｃxを算出する。そして、原磁場Ｃxを打ち消すようなバイアス磁場を磁場発生器８に発生させた状態で、測定対象物が発生する磁場の測定を行う。すなわち、測定対象物（被検体９）が発生する磁場の計測は、計測領域５に流入する外部磁場（原磁場）を低減した状態で実施する。
【００６２】
照射制御部４１は、磁気センサー１０の光源１８による照射光の照射を制御する。具体的には、照射制御部４１は、光源１８による照射光の照射の開始や終了のほか、照射光の光強度、照射光に含まれる直線偏光面の向きなどを制御する。
【００６３】
磁場発生制御部４２は、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向それぞれに所定の磁場を発生させるように制御する。具体的には、磁場発生制御部４２は、初期設定時には、所定の人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）を、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）に発生させる。詳細は後述するが、人工磁場Ａは、その第１方向（Ｘ方向）成分及び第２方向（Ｙ方向）成分が、振幅及び周期が同一であって位相が異なる交番磁場ｆ（ωｔ）であり、その第３方向（Ｚ方向）成分がゼロ（Ａz＝０）である磁場ベクトルである。人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）は、人工磁場データ５２として記憶部５０に記憶される。
【００６４】
また、磁場発生制御部４２は、測定時には、バイアス磁場決定部４４によって決定されたバイアス磁場Ｂb（Ｂbx，Ｂby，Ｂbz）と、人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）との合成磁場（Ｂb＋Ａ）を、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）に発生させる。
【００６５】
原磁場算出部４３は、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）が人工磁場ベクトルＡ（Ａx，Ａy，Ａz）を発生している状態において、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出する。具体的には、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる磁気センサー計測値（二乗差Ｗ-）をスピン偏極度Ｍxとし、ある時刻ｔにおける、人工磁場ベクトルＡのＸ軸方向成分Ａxの値Ａx（ｔ）、及び、Ｙ軸方向成分Ａyの値Ａy（ｔ）と、スピン偏極度Ｍx（ｔ）との組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３つ以上の組み合わせを取得する。
【００６６】
そして、取得した組み合わせそれぞれを、後述する数式１５に代入して得られる３つ以上の式からなる連立方程式を定義し、この連立方程式を解く所定の算術演算処理を実行することで、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出する。算出した原磁場Ｃ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）は、原磁場データ５３として記憶部５０に記憶される。
【００６７】
バイアス磁場決定部４４は、原磁場算出部４３によって算出された原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を打ち消すようなバイアス磁場Ｂb（Ｂbx，Ｂby，Ｂbz）を決定する。決定したバイアス磁場Ｂb（Ｂbx，Ｂby，Ｂbz）は、バイアス磁場データ５４として記憶部５０に記憶される。
【００６８】
対象磁場算出部４５は、測定対象物が配置され、磁場発生器８がバイアス磁場Ｂbを発生している状態において、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて、この測定対象物が発生する対象磁場ベクトルＢ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）を算出する。具体的には、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）をスピン偏極度Ｍxとし、ある時刻ｔにおける、人工磁場ベクトルＡのＸ軸方向成分Ａxの値Ａx（ｔ）、及び、Ｙ軸方向成分Ａyの値Ａy（ｔ）と、スピン偏極度Ｍx（ｔ）との組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３つ以上の組み合わせを取得する。
【００６９】
そして、取得した組み合わせそれぞれを、数式１５に代入して得られる３つ以上の式からなる連立方程式を定義し、この連立方程式を解く所定の算術演算処理を実行することで、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を、測定対象物が発生する対象磁場Ｂ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）として算出する。算出した対象磁場ベクトルＢ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）は、測定磁場データ５５として記憶部５０に記憶される。また、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる磁気センサー計測値（二乗差Ｗ-）は、磁気センサー計測データ５６として記憶部５０に記憶される。
【００７０】
記憶部５０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク等の記憶装置で構成される。記憶部５０は、処理部４０が演算制御部３０を統合的に制御するためのプログラムやデータ等を記憶するとともに、処理部４０の作業領域として用いられ、処理部４０が実行した演算結果や、操作部３１からの操作データ等が一時的に格納される。本実施形態では、記憶部５０には、磁場計測プログラム５１と、人工磁場データ５２と、原磁場データ５３と、バイアス磁場データ５４と、測定磁場データ５５と、磁気センサー計測データ５６と、が記憶される。
【００７１】
［原理］
磁場計測装置１における磁場の計測原理について説明する。図８は、磁場が無い場合のアライメントを説明する図である。図９は、磁場によるアライメントの変化を説明する図である。図１０及び図１１は、ガスセルを透過することによる直線偏光の偏光面の変化を説明する図である。図１２は、アライメント方位角θとプローブ光の検出結果との関係を示す図である。
【００７２】
なお、以下の説明では、原理を分かり易くするために時系列的な記述をしているが、実際には、（Ａ）光ポンピング及び（Ｃ）プロービングは、本実施形態のワンビーム方式では同時に生じ得る。
【００７３】
（Ａ）光ポンピング
ガスセル１２に封入されたアルカリ金属原子の気体は、Ｄ１線の超微細構造量子数ＦからＦ’（＝Ｆ−１）の状態の遷移に相当する波長に調整されたポンプ光（本実施形態では、ガスセル１２を通過する光）が照射されることで、スピンがほぼ反平行（逆方向）に向いた（スピン偏極した）原子がほぼ同数混在する集団となる。この状態をアライメントと呼ぶ。なお、一つの原子のスピン偏極は時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がＣＷ（continuous wave）光であるので、スピン偏極の形成と緩和は同時並行的且つ連続的に繰り返され、その結果、原子の集団全体としてみれば定常的なスピン偏極が形成される。
【００７４】
計測領域５がゼロ磁場である場合、アライメントは、原子の磁気モーメントの確率分布で表される。本実施形態のようにポンプ光が直線偏光の場合、その形状は、図８に示すように、Ｘ−Ｙ平面において、ポンプ光の直線偏光の電場の振動方向（本実施形態では、Ｙ軸方向）に沿って伸びた２つの楕円を連結した領域Ｒの形状となる。
【００７５】
（Ｂ）磁場の作用
計測領域５に何らかの磁場が存在すると、その磁場ベクトル（ガスセル１２が受ける磁場）の方向を回転軸としてアルカリ金属原子が歳差運動を始める。そして、図９に示すように、ポンプ光による光ポンピング作用と、気体原子がガスセル１２の内壁と衝突する等して起こる緩和作用とが加わることによって、アライメントの方向（楕円の長径に沿った方向）が、原点Ｏを中心として回転するように変化する。
【００７６】
アライメントの方向は、Ｙ軸に対して磁場の強さに応じた角度（θ）だけ回転した配置で定常状態となる。ここで、アライメント方向をθｐとし、その直交方向をθｓとする。また、ポンプ光の電場の振動方向であるＹ軸方向に対してアライメント方向θｐがなす角θを、アライメント方位角θとする。このアライメント方位角θは、主としてＺ軸方向の磁場強度に応じて増加する。
【００７７】
（Ｃ）プロービング
この状態の原子集団を、Ｙ軸方向に電場ベクトルＥ0で振動する直線偏光成分を有するプローブ光（本実施形態では、ガスセル１２を通過する光）が通過する状況を考える。つまり、図１０に示すように、プローブ光の電場の振動方向がＹ軸方向に沿った直線偏光を、＋Ｚ方向に向けてガスセル１２を通過させる。図１０において、原点Ｏが原子集団（ガスセル１２に封入されている気体原子）の位置に相当し、この原子集団が光ポンピングされていることで、Ｙ軸方向に沿った領域に分布するアライメントが生じている。Ｚ軸方向において、−Ｚ方向側は原子集団を透過する前の直線偏光を示し、＋Ｚ方向は原子集団を透過した直線偏光（透過光）を示している。
【００７８】
直線偏光が原子集団を透過すると、線形二色性により直線偏光の偏光面は回転し、その電場ベクトルはＥ1に変化する。線形二色性とは、アライメントに沿った方向θｐ（図９参照）と、アライメントに垂直な方向θｓ（図９参照）とで直線偏光の透過率が異なる性質である。具体的には、アライメントに沿った方向θｐよりもアライメントに垂直な方向θｓの成分が多く吸収されるため、プローブ光の偏光面は、アライメントに沿った方向θｐに近づくように回転する。
【００７９】
図１１は、直線偏光が原子集団を透過する前後の偏光面の回転の様子を、プローブ光の照射方向であるＺ軸方向に垂直なＸ−Ｙ平面に示した図である。本実施形態では、ガスセル１２に入射するプローブ光は、電場の振動方向がＹ軸方向である電場ベクトルＥ0の直線偏光である。アライメントにより、プローブ光のうちの方向θｐの成分は透過率ｔpで透過し、方向θｓの成分は透過率ｔsで透過する。線形二色性によりｔp＞ｔsであるため、ガスセル１２を透過したプローブ光の偏光面は、方向θｐに近づくように回転する。こうしてガスセル１２を通過した光は、電場ベクトルＥ1を有するものとなる。
【００８０】
具体的に、電場ベクトルＥ0のアライメントに沿った成分をＥ0Pと表記し、電場ベクトルＥ0のアライメントと直線偏光の進行方向とに垂直な方向に沿った成分をＥ0sと表記する。また、電場ベクトルＥ1のアライメントに沿った成分をＥ1Pと表記し、電場ベクトルＥ1のアライメントと直線偏光の進行方向とに垂直な方向に沿った成分をＥ1sと表記する。この場合、Ｅ1P＝ｔpＥ0Pと、Ｅ1s＝ｔsＥ0sとの関係となる。
【００８１】
アライメントに沿った方向と、プローブ光の電場の振動方向とが成す角（以下、「アライメント方位角」という。）をθとすると、上述の関係から、電場ベクトルＥ1の方向θｐ及び方向θｓの各成分は以下の数式２によって算出される。
【００８２】
【数２】
0006597034.tif 000003
【００８３】
上述したように、ガスセル１２を透過したプローブ光は、偏光分離器１３により、プローブ光の照射方向であるＹ軸方向に対して＋４５度をなすα軸と、Ｙ軸方向に対して−４５度をなすβ軸との２つの偏光成分に分離される。ガスセル１２を透過した電場ベクトルＥ1の直線偏光のα軸方向成分Ｅαとβ軸方向成分Ｅβとは、数式３によって算出される。
【００８４】
【数３】
0006597034.tif 000004
【００８５】
光検出器１４，１５は、α軸とβ軸との２つの偏光成分それぞれの光強度を計測し、受光光量に応じた信号を演算制御部３０に出力する。演算制御部３０は、光検出器１４，１５からの信号を処理し、以下の数式４、数式５に従ってα軸及びβ軸の各軸方向の成分の二乗和Ｗ+と二乗差Ｗ-とを算出する。Ｅαはα軸方向の成分の光強度を表し、Ｅβはβ軸方向の成分の光強度を表す。
【００８６】
【数４】
0006597034.tif 000005
【００８７】
【数５】
0006597034.tif 000006
【００８８】
図１２には、アライメント方位角θに対する、電場ベクトルＥ1の直線偏光のα軸及びβ軸方向成分Ｅα，Ｅβ、及びそれぞれの二乗値Ｅα2，Ｅβ2と、α軸及びβ軸の各軸方向の成分の二乗和Ｗ+と二乗差Ｗ-と、を示している。なお、アライメント方位角θ＝０とは、計測領域５がゼロ磁場の状態（図８参照）である。但し、方向θｐの成分の透過率ｔp＝１、方向θｓの成分の透過率ｔs＝０．８、としている。
【００８９】
図１２において、二乗差Ｗ-の値に着目すると、二乗差Ｗ-は、アライメント方位角θに対して１８０度を周期として振動する。そして、二乗差Ｗ-は、アライメント方位角θが−４５度から＋４５度の範囲では、アライメント方位角θに対してほぼ線形変化しているため、高い感度が得られる。また、その線形変化の中心が０度であって、その線形変化の範囲が他（二乗和Ｗ+など）と比べて広いため、計測領域５に生じる磁場を計測するには好適である。心磁や脳磁等の生体磁場は微弱であり、アライメント方位角θは小さいことから、二乗差Ｗ-を用いれば偏光面の回転角度を高感度に観測できる。
【００９０】
但し、上述したように、計測領域５に計測対象の磁場とは異なる不要な磁場が存在するとその影響を受けて感度が低下し、計測精度の低下を招く。通常は、心磁や脳磁等の計測対象の磁場を計測するには、磁気シールド装置６によって計測領域５への外部からの磁場の侵入が抑制された環境下（外部磁場が小さい状態）で行われるが、磁気シールド装置６によっては、外部磁場を測定に影響しない程度に十分に低減することが困難である。言い換えれば、外部磁場の侵入を磁気シールド装置６によって完全には遮蔽できないことが多い。完全に磁気を遮蔽できる磁気シールドは、装置が大がかりであり、費用も高額な上、設置コストや運用コストも高い。
【００９１】
そこで、本実施形態では、磁気シールド装置６を用いた上で、磁気シールド装置６内に漏れ入っている外部磁場（原磁場Ｃと称する）を計測し、これを磁場発生器８で低減した状態で計測対象の磁場を計測することとする。但し、そもそも外部磁場が低い場合や外部磁場が安定している場合には、磁気シールド装置６すら用いずに本実施形態を構成することもできる。
【００９２】
図１２によれば、アライメント方位角θが−４５度から＋４５度の範囲では、二乗差Ｗ-は、スピン偏極度（Ｍx，Ｍy，Ｍz）のＸ軸方向成分Ｍx（以下、スピン偏極度Ｍxと表記する）にほぼ比例する。このスピン偏極度Ｍxは、原子の磁気モーメントを合成した磁化ベクトルのＸ軸方向成分である磁化値に相当する。このため、以下では、二乗差Ｗ-を、スピン偏極度Ｍxであるとして扱う。本実施形態では、このスピン偏極度Ｍxに着目し、スピン偏極度Ｍxの値が、ガスセル１２に印加される磁場ベクトルＢの各成分Ｂx，Ｂy，Ｂzに応じてどのように変化するかを表す関係式を導出することにする。
【００９３】
光ポンピングにより生じたアライメントのスピン偏極度（Ｍx，Ｍy，Ｍz）の時間発展は、以下の数式６〜数式８に示すブロッホ方程式（Bloch equations）で近似される。γFは、ガスセル１２内の媒体気体（アルカリ金属原子気体）の種類で決まる磁気回転比を表す。また、Γ0はスピン偏極度（Ｍx，Ｍy，Ｍz）の緩和速度を表し、Γpは光ポンピング速度を表す。Ｍpは、アルカリ金属原子集団のスピンが全て一方向に揃った際の最大磁化である。
【００９４】
【数６】
0006597034.tif 000007
【００９５】
【数７】
0006597034.tif 000008
【００９６】
【数８】
0006597034.tif 000009
【００９７】
ポンピング光及びプローブ光は、定常的に一定のパワーでガスセル１２に照射されるので、スピン偏極度（Ｍx，Ｍy，Ｍz）の定常解は、上記の数式６〜数式８の左辺をそれぞれゼロとおいて解くことができる。解は、数式９〜数式１１により得られる。
【００９８】
【数９】
0006597034.tif 000010
【００９９】
【数１０】
0006597034.tif 000011
【０１００】
【数１１】
0006597034.tif 000012
【０１０１】
数式９〜数式１１において、ａ，ｃは定数であり、以下の数式１２で与えられる。
【０１０２】
【数１２】
0006597034.tif 000013
【０１０３】
（Ｄ）磁場の計測
さて、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）により、ガスセル１２に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向それぞれに、人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）を発生・印加させる場合を考える。この場合、磁気センサー１０が検出する磁場ベクトルＢ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）は、数式１３に示すように、磁場発生器８が発生する人工磁場ベクトルＡ（Ａx，Ａy，Ａz）と、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）とのベクトル和となる。原磁場Ｃとは、人工磁場Ａがゼロの際に計測領域５に存在する磁場である。
【０１０４】
【数１３】
0006597034.tif 000014
【０１０５】
ここで、人工磁場ベクトルＡのＺ軸方向成分Ａzをゼロ（Ａz＝０）とする。また、人工磁場ベクトルＡのＸ軸方向成分Ａxを振幅Ａ10で周波数ωの交番磁場ｆ（ωｔ）とする。すなわち、人工磁場ベクトルＡのＸ軸方向成分Ａxを第１交番磁場とする（Ａx＝Ａ10ｆ（ωｔ））。さらに、Ｙ軸方向成分Ａyを、第１交番磁場との位相差がδであり、振幅Ａ20で周波数ωの交番磁場ｆ（ωｔ＋δ）とする。すなわち、人工磁場ベクトルＡのＹ軸方向成分ＡYを第２交番磁場とする（ＡY＝Ａ20ｆ（ωｔ＋δ））。位相差δは、ゼロ以外である（δ≠０）。つまり、人工磁場Ａとして、Ｚ軸方向を軸とする回転磁場を原磁場Ｃに重畳する。
【０１０６】
交番磁場ｆ（ωｔ）とは、ｆ（ωｔ）＝ｆ（ωｔ＋２π）、を満たす任意の周期関数である。この場合、磁気センサー１０が計測領域５にて検出する磁場ベクトルＢ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）は、以下の数式１４で表現される。なお、振幅Ａ10と振幅Ａ20とは磁場のディメンジョンを有する係数で、交番磁場ｆ（ωｔ）はノンディメンジョン（無次元）関数である。
【０１０７】
【数１４】
0006597034.tif 000015
【０１０８】
この数式１４を数式９のスピン偏極度Ｍxに代入すると、以下の数式１５が得られる。
【０１０９】
【数１５】
0006597034.tif 000016
【０１１０】
なお、Ａ10＝Ａ20＝Ａ0とすると、制御と計算とが容易となり、数式１４、数式１５は、それぞれ数式１６、数式１７となる。
【０１１１】
【数１６】
0006597034.tif 000017
【０１１２】
【数１７】
0006597034.tif 000018
【０１１３】
数式１５または数式１７を用いて、未知数である原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）の３つの値を、次のように算出する。ある時刻ｔに磁場計測装置１は、磁場発生器８にてＸ軸方向成分Ａx（ｔ）、及び、Ｙ軸方向成分Ａy（ｔ）との人工磁場Ａ（ｔ）を発生させ、その際のスピン偏極度Ｍx（ｔ）（すなわち、二乗差Ｗ-（ｔ））を計測する。Ｘ軸方向成分Ａx（ｔ）（第１交番磁場）とＹ軸方向成分Ａy（ｔ）（第２交番磁場）との組み合わせを３個以上異ならせて、スピン偏極度Ｍx（ｔ）を３個以上取得する。
【０１１４】
そして、それぞれの組み合わせ毎に、人工磁場Ａの値Ａx（ｔ），Ａy（ｔ）、及び、スピン偏極度Ｍx（ｔ）を、数式１５または数式１７に代入して得られる３つの式からなる連立方程式を生成する。この連立方程式を解くことで、未知数である原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出することができる。
【０１１５】
なお、数式１５または数式１７において、定数ａ，ｃも未知数とすることができる。つまり、数式１５または数式１７には、原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）と、定数ａ，ｃとの５つの未知数が含まれるとする。この場合、磁場計測装置１を用いた計測を行って、ある時刻ｔにおける人工磁場Ａx（ｔ），Ａy（ｔ）と、スピン偏極度Ｍx（ｔ）との組み合わせであって、スピン偏極度Ｍx（ｔ）が異なる５つの組み合わせを取得する。そして、それぞれの組み合わせ毎に各値を数式１７に代入して得られる５つの式からなる連立方程式を生成する。この連立方程式を解くことで、未知数である原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）、及び、定数ａ，ｃを算出することができる。
【０１１６】
さらには、人工磁場の値Ａx（ｔ），Ａy（ｔ）と、スピン偏極度Ｍx（ｔ）との組み合わせであって、スピン偏極度Ｍx（ｔ）が異なる６つ以上の組み合わせを取得し、数式１７のフィッティングをかけてもよい。具体的には、数式１７を用いて算出したスピン偏極度Ｍxと、磁気センサー１０の計測値であるＭxとの偏差が最小となるように、未知数である原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）と、定数ａ，ｃを算出する。
【０１１７】
また、人工磁場Ａx，Ａyとする交番磁場ｆ（ωｔ）を、次の数式１８で示す周期関数とすると、数式１７は数式１９となり、計測が容易となる。
【０１１８】
【数１８】
0006597034.tif 000019
【０１１９】
【数１９】
0006597034.tif 000020
【０１２０】
さらに、交番磁場ｆ（ωｔ）の振幅Ａ0を、原磁場ＣのＸ軸方向成分Ｃx、及び、Ｙ軸方向成分Ｃyに比べて充分小さいとすると（概ね１／１０以下。Ａ0＜Ｃx／１０、Ａ0＜Ｃy／１０）、数式１７、数式１９は、数式２０へと簡略化され、さらに計測が容易となる。
【０１２１】
【数２０】
0006597034.tif 000021
【０１２２】
このように、数式１５、数式１７、数式１９、または数式２０を用いて、磁場発生器８による人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）と、そのときのスピン偏極度Ｍx（すなわち、二乗差Ｗ-）とから、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出することができる。
【０１２３】
［処理の流れ］
図１３は、本実施形態に係る磁場計測処理の流れを説明するフローチャートである。この処理は、図７に示す処理部４０の各部が磁場計測プログラム５１を実行することで実現される処理である。また、測定対象物を人体（被検体９）とし、心磁（心臓の電気生理学的な活動から発生する磁場）や脳磁を測定する場合を例に説明する。
【０１２４】
図１３に示すように、まず、照射制御部４１が、光源１８に、ポンプ光及びプローブ光を兼ねた直線偏光成分を含む照射光の照射を開始させる（ステップＳ０１）。次いで、原磁場Ｃを測定するため、磁場発生制御部４２が、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）に、人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）を発生させる（ステップＳ０２）。
【０１２５】
続いて、原磁場算出部４３が、人工磁場Ａが発生されている状態において、３以上の異なるタイミングｔにおいて磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）と、そのときの人工磁場Ａx，Ａyの値との組み合わせを取得する（ステップＳ０３）。そして、原磁場算出部４３は、取得した計測値（二乗差Ｗ-）と、人工磁場Ａx，Ａyとの組み合わせを用いて、原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出する（ステップＳ０４）。
【０１２６】
続いて、バイアス磁場決定部４４が、算出された原磁場Ｃを打ち消すような、バイアス磁場Ｂb（Ｂbx，Ｂby，Ｂbz）を決定する（ステップＳ０５）。その後、測定対象物（被検体９）を磁気シールド装置６内（計測領域５）に、磁気センサー１０に接近させて配置する（ステップＳ０６）。
【０１２７】
続いて、この測定対象物（被検体９）が発生する磁場Ｂを測定するため、磁場発生制御部４２が、バイアス磁場Ｂｂと人工磁場Ａとの合成磁場を、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）に発生させる（ステップＳ０７）。
【０１２８】
次いで、対象磁場算出部４５が、合成磁場が発生されている状態において、３以上の異なるタイミングｔにおいて磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）と、そのときの人工磁場Ａx，Ａyの値との組み合わせを取得する（ステップＳ０８）。そして、対象磁場算出部４５は、取得した計測値（二乗差Ｗ-）と、人工磁場Ａx，Ａyとの組み合わせを用いて、測定対象物が発生する対象磁場Ｂ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）を算出する（ステップＳ０９）。
【０１２９】
その後、照射制御部４１が、光源１８による照射光の照射を終了させる（ステップＳ１０）。以上の処理を行うと、処理部４０は磁気計測処理を終了する。
【０１３０】
このように構成される磁場計測装置１における具体的な実施例として、以下、人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）を具体的に示した４つの実施例を説明する。
【０１３１】
［第１実施例］
第１実施例は、人工磁場ＡのＸ軸方向成分Ａx、及び、Ｙ軸方向成分Ａyとする交番磁場ｆ（ωｔ）を三角関数波とし、その位相差δを「π／２」とする実施例である。つまり、人工磁場ベクトルＡ（Ａx，Ａy，Ａz）は、次の数式２１で表現されるものとする。
【０１３２】
【数２１】
0006597034.tif 000022
【０１３３】
従って、ガスセル１２に印加される磁場Ｂは、次の数式２２で表現される。
【０１３４】
【数２２】
0006597034.tif 000023
【０１３５】
そして、スピン偏極度Ｍxの数式１５は、次の数式２３となる。
【０１３６】
【数２３】
0006597034.tif 000024
【０１３７】
更に、交番磁場ｆ（ωｔ）の振幅Ａ0を、原磁場ＣのＸ軸方向成分Ｃx、及び、Ｙ軸方向成分Ｃyに比べて充分小さいとすると（概ね１／１０以下。Ａ0＜Ｃx／１０、Ａ0＜Ｃy／１０）、数式２３は、数式２４へと簡略化される。
【０１３８】
【数２４】
0006597034.tif 000025
【０１３９】
そして、磁場計測装置１を用いた計測を行って、Ｘ軸方向成分Ａx（ｔとＹ軸方向成分Ａy（ｔ）との組み合わせが異なる３個以上の人工磁場を形成し、その際のスピン偏極度Ｍx（ｔ）（すなわち、二乗差Ｗ-）を取得する。すなわち、Ｘ軸方向成分Ａx（ｔi）とＹ軸方向成分Ａy（ｔi）との人工磁場Ａiを計測領域に形成した状態で、磁化値Ｍx（ｔi）を取得する。ここでｉは１からｎの任意の整数で、ｎは３以上の整数である。
【０１４０】
なお、ｊをｉとは異なる１からｎの任意の整数とした場合、「Ｘ軸方向成分Ａx（ｔ）とＹ軸方向成分Ａy（ｔ）との組み合わせが異なる」とは、時刻ｔiでのＸ軸方向成分Ａx（ｔi）と時刻ｔjでのＸ軸方向成分Ａx（ｔj）とが異なっているか（Ａx（ｔi）≠Ａx（ｔj））、或いは、時刻ｔiでのＹ軸方向成分ＡY（ｔi）と時刻ｔjでのＹ軸方向成分ＡY（ｔj）とが異なっているか（ＡY（ｔi）≠ＡY（ｔj））の少なくとも一方が満たされることである。
【０１４１】
それぞれの組み合わせ毎に、人工磁場の値Ａx（ｔ），Ａy（ｔ）、及び、スピン偏極度Ｍx（ｔ）を、数式２３に代入して得られる３つ以上の式でなる連立方程式を生成し、この連立方程式を解くことで、未知数である原磁場ベクトルＣの各成分（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出することができる。
【０１４２】
図１４は、第１実施例における人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxの一例を示すグラフである。図１４では、横軸を位相ωｔとして、１周期分（２π分）の人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxのグラフを示している。また、スピン偏極度Ｍxの変化を分かり易くするため、上のグラフの一部を、縦軸方向を拡大して示したものが下のグラフである。
【０１４３】
図１４に示すように、人工磁場Ａx，Ａyを三角関数波とする場合、スピン偏極度Ｍxは滑らかに変化する曲線となる。つまり、交番磁場ｆ（ωｔ）の１周期期間において、数式２４を用いた原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）の算出に必要な、人工磁場Ａx，Ａyと、スピン偏極度Ｍxとの組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３個以上の組み合わせを取得することができる。
【０１４４】
通常、ａはＡ0やＣx，Ｃyよりも十分大きく設定される（ａ＞１０×Ａ0、ａ＞１０×Ｃx、ａ＞１０×Ｃy）。こうした場合、分母の振動項は小さくなるので、磁化値であるスピン偏極度Ｍxは分子に比例し、数式２４は、次の数式２５と表現される。
【０１４５】
【数２５】
0006597034.tif 000026
【０１４６】
つまり、磁場変調しないときの出力信号「ＣxＣy＋ａＣz」に変調信号「ＣxＡ0ｓｉｎ（ωｔ）＋ＣyＡ0ｃｏｓ（ωｔ）」が重畳された波形となる。この出力信号であるスピン偏極度Ｍxと変調磁場に同期した参照信号をロックインアンプに入力すると、直交する二つの位相成分「ＣxＡ0」と「ＣyＡ0」とが、それぞれin-phase信号、quadrature信号として出力される。Ａ0は既知であるので、これら二つの信号から原磁場ベクトルＣのＸ軸方向成分Ｃx及びＹ軸方向成分Ｃyを検出できる。こうした方法で原磁場ベクトルＣのＸ成分ＣxとＹ成分Ｃyとを検出してもよい。
【０１４７】
また、磁気センサー１０は一次遅れ要素を持つこともあるため、位相遅れやゲイン変化が生じる場合には、周波数ωでの遅れ位相やゲインを予め把握しておき、計測条件や計測値を補正してもよい。周波数ωは、磁場計測に必要となる帯域以外に設定してもよく、例えばカットオフ周波数ωC以上に設定してもよい。なお、カットオフ周波数ωCとは、スピン偏極度の緩和速度Γ0と光ポンピング速度ΓPとの和である（ωC＝Γ0＋ΓP）。
【０１４８】
［第２実施例］
第２実施例は、人工磁場ＡのＸ軸方向成分Ａx、及び、Ｙ軸方向成分Ａyとする交番磁場ｆ（ωｔ）を三角波とし、その位相差δを「π／２」とする実施例である。
【０１４９】
図１５は、第２実施例における人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxの一例を示すグラフである。図１５では、横軸を位相ωｔとして、１周期分（２π分）の人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxのグラフを示している。また、スピン偏極度Ｍxの変化を分かり易くするため、上のグラフの一部を、縦軸方向を拡大して示したものが下のグラフである。
【０１５０】
図１５に示すように、人工磁場Ａx，Ａyを三角波とする場合、スピン偏極度Ｍxは、直線的に変化し、その傾きが、人工磁場Ａx，Ａyである三角波の頂点において変化する。つまり、交番磁場ｆ（ωｔ）の１周期期間において、数式１７を用いた原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）の算出に必要な、人工磁場Ａx，Ａyと、スピン偏極度Ｍxとの組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３個以上の組み合わせを取得することができる。
【０１５１】
［第３実施例］
第３実施例は、人工磁場ＡのＸ軸方向成分Ａx、及び、Ｙ軸方向成分Ａyとする交番磁場ｆ（ωｔ）をのこぎり波とし、その位相差δを「π」とする実施例である。
【０１５２】
図１６は、第３実施例における人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxの一例を示すグラフである。図１６では、横軸を位相ωｔとして、２周期分（４π分）の人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxのグラフを示している。また、スピン偏極度Ｍxの変化を分かり易くするため、上のグラフの一部を、縦軸方向を拡大して示したのが下の図である。
【０１５３】
図１６に示すように、人工磁場Ａx，Ａyをのこぎり波とする場合、スピン偏極度Ｍxは、直線的に変化し、その傾きが、人工磁場Ａx，Ａyであるのこぎり波の頂点において変化する。つまり、交番磁場ｆ（ωｔ）の１周期期間において、数式１７を用いた原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）の算出に必要な、人工磁場Ａx，Ａyと、スピン偏極度Ｍxとの組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３個以上の組み合わせを取得することができる。
【０１５４】
［第４実施例］
第４実施例は、人工磁場ＡのＸ軸方向成分Ａx、及び、Ｙ軸方向成分Ａyとする交番磁場ｆ（ωｔ）を矩形波とし、その位相差δを「π／２」とする実施例である。
【０１５５】
図１７は、第４実施例における、人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxの一例を示すグラフである。図１７では、横軸を共通の位相ωｔとして、上から順に、１周期分の人工磁場Ａx，Ａy、及び、スピン偏極度Ｍxのグラフを示している。
【０１５６】
図１７に示すように、人工磁場Ａx，Ａyは、ともに二値（０，Ａ0）を取る。そして、スピン偏極度Ｍxは、人工磁場Ａx，Ａyの組み合わせに応じた四値（Ｍx1〜Ｍx4）をとる。つまり、交番磁場ｆ（ωｔ）の１周期期間において、数式１７を用いた原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）の算出に必要な、人工磁場Ａx，Ａyと、スピン偏極度Ｍxとの組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３個以上の組み合わせを取得することができる。
【０１５７】
具体的には、人工磁場Ａx＝０、Ａy＝０、である第一期間τ１において、磁気センサー１０に印加される磁場Ｂの数式１４は、次の数式２６となる。
【０１５８】
【数２６】
0006597034.tif 000027
【０１５９】
そして、スピン偏極度Ｍxの数式１７は、次の数式２７となる。
【０１６０】
【数２７】
0006597034.tif 000028
【０１６１】
また、人工磁場Ａx＝Ａ0、である第二期間τ２において、磁気センサー１０に印加される磁場Ｂの数式１４は、次の数式２８となる。
【０１６２】
【数２８】
0006597034.tif 000029
【０１６３】
そして、スピン偏極度Ｍxの数式１７は、次の数式２９となる。
【０１６４】
【数２９】
0006597034.tif 000030
【０１６５】
また、人工磁場Ａx＝０、Ａy＝Ａ0、である第三期間τ３において、磁気センサー１０に印加される磁場Ｂの数式１４は、次の数式３０となる。
【０１６６】
【数３０】
0006597034.tif 000031
【０１６７】
そして、スピン偏極度Ｍxの数式１７は、次の数式３１となる。
【０１６８】
【数３１】
0006597034.tif 000032
【０１６９】
また、人工磁場Ａx＝Ａy＝Ａ0、である第四期間τ４において、磁気センサー１０に印加される磁場Ｂの数式１４は、次の数式３２となる。
【０１７０】
【数３２】
0006597034.tif 000033
【０１７１】
そして、スピン偏極度Ｍxの数式１７は、次の数式３３となる。
【０１７２】
【数３３】
0006597034.tif 000034
【０１７３】
第一期間τ１に磁場計測装置１から得られた磁化値（Ｍx1）を、数式２７の左辺に代入して第１の方程式を得る。第二期間τ２に磁場計測装置１から得られた磁化値（Ｍx2）を、数式２９の左辺に代入して第２の方程式を得る。第三期間τ３に磁場計測装置１から得られた磁化値（Ｍx3）を、数式３１の左辺に代入して第３の方程式を得る。第四期間τ４に磁場計測装置１から得られた磁化値（Ｍx4）を、数式３３の左辺に代入して第４の方程式を得る。そして、これら４つの方程式を連立させて、未知数である原磁場ベクトルＣ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出する。
【０１７４】
［第５実施例］
第５実施例は、測定対象物が置かれていない状態の計測領域５を上述の実施例のようにゼロ磁場とするのではなく、計測領域５に所定の磁場を作る場合の実施例である。測定対象物が置かれていない状態の計測領域５に作りたい磁場を、ターゲット磁場と称する。ターゲット磁場をゼロ磁場ではなく所定の磁場としたい場合は、図１３に示すステップＳ０３にて磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）と、そのときの人工磁場Ａx，Ａyの値との組み合わせを取得した後、以下の処理を行う。
【０１７５】
第一工程として、取得した計測値（二乗差Ｗ-）と、人工磁場Ａx，Ａyとの組み合わせを用いて、計測領域５の磁場を、原磁場Ｃとして算出する（ステップＳ０４に相当）。続いて、第二工程として、測定対象物（被検体９）を計測領域５に配置する（ステップＳ０６に相当）。なお、第５実施例では、ターゲット磁場をゼロ磁場ではなく所定の磁場とするため、算出された原磁場Ｃを打ち消すようなバイアス磁場Ｂbを計測領域５に印加すること（ステップＳ０５及びステップＳ０７）は行わない。
【０１７６】
続いて、第三工程として、計測領域５に形成したい所定の磁場であるターゲット磁場と原磁場Ｃとの差分の磁場を、第１磁場発生器８Ｘと第２磁場発生器８Ｙと第３磁場発生器８Ｚとに発生させる（ステップＳ０７に相当）。これにより、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）により印加される人工磁場Ａと原磁場Ｃとが合成され、計測領域５にターゲット磁場として所定の磁場を作ることができる。なお、第二工程と第三工程との順番が入れ替わってもよい。
【０１７７】
そして、第四工程として、第三工程を行っており第二工程が終了している期間に磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）を用いて、測定対象物が発生した磁場Ｂを測定する（ステップＳ０９に相当）。これにより、計測領域５を所定のターゲット磁場とした状態において、測定対象物が発生した磁場Ｂを測定することができる。
【０１７８】
なお、第５実施例において、外部から計測領域５に漏れ入っている原磁場Ｃを相殺すべく、ターゲット磁場をゼロ磁場とすれば、測定対象物が発生する磁場Ｂ（厳密には、磁場のＺ方向の成分）を正確に計測することができる。
【０１７９】
［第６実施例］
第６実施例は、第５実施例に対して、計測領域５にターゲット磁場として所定の三次元ベクトルの磁場を作る場合の実施例である。第６実施例において、第一工程及び第二工程は、第５実施例と同様である。
【０１８０】
第三工程として、計測領域５に形成した所定の磁場であるターゲット磁場と原磁場Ｃ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）との差分の磁場のＸ方向の成分を第１交番磁場に加えた第３交番磁場を第１磁場発生器８Ｘに発生させ、差分の磁場のＹ方向の成分を第２交番磁場に加えた第４交番磁場を第２磁場発生器８Ｙに発生させ、差分の磁場のＺ方向の成分の磁場を第３磁場発生器８Ｚに発生させる（ステップＳ０７に相当）。これにより、磁場発生器８（８Ｘ，８Ｙ，８Ｚ）により印加される人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）と原磁場Ｃ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）とが合成され、計測領域５にターゲット磁場として所定の三次元ベクトルの磁場を作ることができる。なお、第二工程と第三工程との順番が入れ替わってもよい。
【０１８１】
そして、第四工程として、第三工程を行っており第二工程が終了している期間に磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）と第３交番磁場と第４交番磁場とを用いて、測定対象物が発生した磁場Ｂ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）を測定する（ステップＳ０９に相当）。これにより、計測領域５を所定の三次元ベクトルのターゲット磁場とした状態において、測定対象物が発生した磁場Ｂを測定することができる。
【０１８２】
なお、第６実施例において、外部から計測領域５に漏れ入っている原磁場Ｃ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を相殺すべく、ターゲット磁場をゼロ磁場とすれば、測定対象物が発生する磁場Ｂをベクトル量として正確に計測することができる。
【０１８３】
［作用効果］
このように、本実施形態の磁場計測装置１によれば、アルカリ金属原子等の気体（ガス）が封入されたガスセル１２に対して、一方向（Ｚ軸方向）の照射光（プローブ光）の照射によって、計測領域の磁場ベクトル（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出することができる。
【０１８４】
具体的には、照射光（プローブ光）の照射方向（Ｚ軸方向）に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれに同一周期であり、且つ、位相が異なる交番磁場ｆ（ωｔ）である人工磁場Ａ（Ａx，Ａy，Ａz）を印加する。そして、人工磁場ＡのＸ軸方向成分Ａx、Ｙ軸方向成分Ａyの値と、磁気センサー１０から出力される信号に基づいて得られる計測値（二乗差Ｗ-）に相当するスピン偏極度Ｍxとの組み合わせであって、スピン偏極度Ｍxが異なる３以上の組み合わせを取得する。そして、これらの組み合わせ、及び、スピン偏極度Ｍxと、磁場Ｃの各成分Ｃx，Ｃy，Ｃzと、人工磁場Ａx，Ａyであるｆ（ωｔ）との関係式である数式１７を用いて、磁場Ｃ（Ｃx，Ｃy，Ｃz）を算出する。
【０１８５】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【０１８６】
（Ａ）バイアス磁場Ｂｂ
上述の実施形態では、原磁場Ｃを打ち消すようなバイアス磁場Ｂｂを磁場発生器８に発生させて、測定対象物が発生する磁場Ｂ（Ｂx，Ｂy，Ｂz）を測定することとしたが、バイアス磁場Ｂｂを発生させずに測定を行うこととしてもよい。具体的には、先ず上述の実施形態と同様に、予め、測定対象物が無い状態で原磁場Ｃxを計測する。その後、測定対象物を磁気センサー１０に接近させて当該測定対象物の発生する磁場を計測するが、そのとき、磁場発生器８に人工磁場Ａのみを発生させる。この場合、計測領域に印加される磁場は、原磁場Ｃと、測定対象物の磁場Ｂと、磁場発生器８による人工磁場Ａとの合成磁場となる。従って、このときに数式１７を用いて算出した磁場Ｃxから、予め測定した原磁場Ｃxを差し引いた磁場が、測定対象物が発生する磁場Ｂとなる。
【０１８７】
（Ｂ）測定対象物
また、上述の実施形態では、測定対象物を人体とし、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）を計測することとしたが、測定対象物はこれ以外でもよい。そして、測定対象物によっては、上述の実施形態のように磁気センサー１０に測定対象物を接近させるのではなく、磁気センサー１０を測定対象物に接近させて、当該測定対象物が発生する磁場を計測するようにすることも可能である。
【符号の説明】
【０１８８】
１…磁場計測装置、５…計測領域、８…磁場発生器、８Ｘ…第１磁場発生器（ヘルムホルツコイル）、８Ｙ…第２磁場発生器（ヘルムホルツコイル）、８Ｚ…第３磁場発生器（ヘルムホルツコイル）、９…被検体（測定対象物）、１０…磁気センサー、１２…ガスセル（媒体）、１４，１５…光検出器、１８…光源、３０…演算制御部。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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