(57)【要約】【課題】複数のセルを配列して検体からの磁場を詳細に測定しうる磁場計測装置を提供する。【解決手段】磁場計測装置は、ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、光を透過させる第１の面１０１，第２の面，第３の面１０３を少なくとも有する多面体形状の複数のセルを隣接してなるセルアレイ１０を有する。各セルの第１の面１０１は、設置面に対して同じ方向に傾斜しており、第２の面は第１の面１０１に隣接し、第３の面１０３は第２の面と対向している。磁場計測装置は、各セルの第１の面１０１にポンプ光を照射し、第２の面にポンプ光と交差するようにプローブ光を照射することで、各セルの第２の面から入射して第３の面１０３を透過したプローブ光を受光し、受光したプローブ光から各セルにおける磁場を検出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、設置面に対して傾斜し光を透過させる第１の面と、前記第１の面に隣接し光を透過させる第２の面と、当該第２の面を透過した光を透過させる第３の面とを有する多面体形状の複数のセルを、前記第１の面の傾斜方向が同じ方向となり、少なくとも隣合う一つのセルと接するように配列したセルアレイと、
前記セルアレイの各セルの前記第１の面にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
前記各セルの前記第２の面に、当該セル内において前記ポンプ光と交差するようにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記各セルの前記第３の面を透過したプローブ光を受光し、前記各セルにおける磁場を各々検出する検出手段と
を備えることを特徴とする磁場計測装置。
【請求項２】
前記各セルは、光を透過させると共に、当該セルの前記第１の面が傾斜する側と相対する側に前記設置面に対して傾斜する第４の面を有し、
前記ポンプ光照射手段は、前記各セルの前記第１の面にポンプ光を照射する第１処理と、前記第１処理に代えて、前記各セルの前記第４の面にポンプ光を照射する第２処理とを行う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】
前記ポンプ光照射手段及び前記プローブ光照射手段は、各々１つの光源を有し、
前記ポンプ光照射手段は、前記光源からの光を前記ポンプ光として前記各セルに分配して照射し、
前記プローブ光照射手段は、前記光源からの光を前記プローブ光として前記各セルに分配して照射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。
【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磁場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においては、所定の原子が封入された各セルに対して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し、各セルにおける生体から発する磁場をプローブ光によって検出する。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】
多数のセルを配置して検体から発する磁場を広範囲に測定する場合、セルとセルとの間隔が広いほど検体からの磁場を詳細に計測できない。そのため、より詳細に磁場を計測するためにはセルを配置する間隔をできるだけ小さくすることが望ましい。
本発明は、複数のセルを配列して検体からの磁場を詳細に測定しうる磁場計測装置を提供する。
【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、ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、設置面に対して傾斜し光を透過させる第１の面と、前記第１の面に隣接し光を透過させる第２の面と、当該第２の面を透過した光を透過させる第３の面とを有する多面体形状の複数のセルを、前記第１の面の傾斜方向が同じ方向となり、少なくとも隣合う一つのセルと接するように配列したセルアレイと、前記セルアレイの各セルの前記第１の面にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、前記各セルの前記第２の面に、当該セル内において前記ポンプ光と交差するようにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記各セルの前記第３の面を透過したプローブ光を受光し、前記各セルにおける磁場を各々検出する検出手段とを備えることを特徴とする。この構成によれば、検体からの磁場を詳細に測定することができる。
【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、前記各セルは、光を透過させると共に、当該セルの前記第１の面が傾斜する側と相対する側に前記設置面に対して傾斜する第４の面を有し、前記ポンプ光照射手段は、前記各セルの前記第１の面にポンプ光を照射する第１処理と、前記第１処理に代えて、前記各セルの前記第４の面にポンプ光を照射する第２処理とを行うこととしてもよい。この構成によれば、各セルに対して第１の面と第４の面の２方向からポンプ光を各々照射することができるため、各セルにおいて２方向の磁場を検出することができる。
【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、前記ポンプ光照射手段及び前記プローブ光照射手段は、各々１つの光源を有し、前記ポンプ光照射手段は、前記光源からの光を前記ポンプ光として前記各セルに分配して照射し、前記プローブ光照射手段は、前記光源からの光を前記プローブ光として前記各セルに分配して照射することとしてもよい。この構成によれば、セル毎にポンプ光とプローブ光の各光源を設ける場合と比べて、装置構成を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る磁場計測装置の構成例を表わすブロック図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係るセルを表わす図である。
【図３】実施形態に係るポンプ光照射部とセルアレイとを示す図である。
【図４】実施形態に係るプローブ光照射部と検出ユニットとセルアレイとを示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、変形例（１）に係るセルアレイとポンプ光を表わす図である。
【図６】変形例（１）に係る磁場計測装置の構成例を表わすブロック図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、変形例（１）に係るセルアレイとポンプ光照射部とを表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（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例を表わすブロック図である。磁場計測装置１は、セルアレイ１０、ポンプ光照射部２０、プローブ光照射部３０、及び検出ユニット４０を有する。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。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。
【００１０】
各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）は、全て同じ形状である。図２（ａ）（ｂ）は、本実施形態におけるセル１０ａを表わす図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すセル１０ａの左右を反転させた図である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、セル１０ａは、第２の面１０２と、第２の面１０２と対向する第３の面１０３とが直角三角形の三角柱の形状を有する。セル１０ａの第１の面１０１は、各セルが設置される設置面に対して傾斜し、ポンプ光が照射される面である。また、第２の面１０２はプローブ光が照射される面であり、第３の面１０３は第２の面１０２から入射したプローブ光がセル１０ａを透過して出射する面である。各セルは、図３に示すように、設置面Ｇに対する第１の面１０１の傾斜方向が全て同じ方向となるように隣接して設置面Ｇに配置される。この例では、第１の面１０１にポンプ光が照射され、第２の面１０２の側、つまりｙ軸方向からプローブ光が照射されるため、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印Ａ方向の磁場の強度が検出対象となる。なお、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、設置面Ｇは、例えば、各セルが台座等に取り付けられた状態において各セルの下面が位置する平面、又は、各セルの下端が共通して接する平面として形成される。つまり、セルアレイ１０の下端側において各セルの配列方向に広がる平面によって形成される。
【００１１】
ポンプ光照射部２０は、ポンプ光照射手段の一例であり、円偏光成分を有するポンプ光を各セルに照射する。具体的には、図３に示すように、ポンプ光照射部２０は、光源２０１と、光源２０１から出力される光を分配する分配機構２０２と、分配機構２０２から出力した光を各セルに導く光ファイバ等の伝送媒体２０３とを有する。
光源２０１は、無偏光成分を有するレーザー光を出力する。分配機構２０２は、光源２０１からのレーザー光をセルの数だけ分岐させ、分岐させた各レーザー光を、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）を出力端に有する伝送媒体２０３を介して、円偏光成分を有するポンプ光に変換して出力する。伝送媒体２０３から出力されたポンプ光は、各セルの第１の面１０１に入射すると、セル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。
【００１２】
次に、プローブ光照射部３０と検出ユニット４０の詳細について図４を用いて説明する。図４は、図３に示すｚ軸方向から各セルを見たときのプローブ光照射部３０と検出ユニット４０と各セルとを表わしている。プローブ光照射部３０は、プローブ光照射手段の一例であり、各セルに照射される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照射する。プローブ光照射部３０は、図４に示すように、光源３０１と、光源３０１から出力される光を分配する分配機構３０２と、分配機構３０２から出力した光を各セルに導く光ファイバ等の伝送媒体３０３とを有する。
【００１３】
光源３０１は、無偏光成分を有するレーザー光を出力する。分配機構３０２は、光源３０１から出力したレーザー光をセルの数だけ分岐させ、分岐させた各レーザー光を、コリメートレンズ、偏光板、半波長板等の光学部材（図示略）を出力端に有する伝送媒体３０３を介して、直線偏光成分を有するプローブ光に変換して出力する。各セルに照射されたプローブ光は、各々のセルに入射し、各セルにおける磁場の影響によりセル内の原子が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を透過し、各セルの第３の面１０３から出射する。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照射される例であるが、ポンプ光とプローブ光とが各セルの内部において交差していれば直交に限らない。
【００１４】
検出ユニット４０の各検出部（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ）は、検出手段の一例である。各検出部は、各セルの第３の面１０３から出射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。各検出部は、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求める。
【００１５】
（動作例）
次に、磁場計測装置１の動作例について説明する。
ポンプ光照射部２０は、光源２０１からレーザー光を出力して分配機構２０２でポンプ光を分岐させ、分岐した各レーザー光を各出力端で円偏光成分を有するポンプ光に変換し、伝送媒体２０３を介して各セルの第１の面１０１に照射する。
各セルに照射されたポンプ光がセル内に入射すると、セル内のアルカリ金属原子はポンプ光によって励起されてスピン偏極し、検体からの磁場に応じて歳差運動を行う。
【００１６】
プローブ光照射部３０は、光源３０１からレーザー光を出力して分配機構３０２でプローブ光を分岐させ、分岐した各レーザー光を各出力端で直線偏光成分を有するプローブ光に変換し、伝送媒体３０３を介して各セルの第２の面１０２に照射する。各セルの第２の面１０２から入射したプローブ光は、セル内で歳差運動を行っている原子群によって偏光面が回転されて第３の面１０３の方へ進み、第３の面１０３から出射する。各セルの第３の面１０３から出射したプローブ光は、各セルに対応する検出部においてＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離されて受光される。各検出部は、受光した各セルのＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量に基づいてプローブ光の偏光面の回転角をセル毎に求め、各回転角に基づいて各セルにおける磁場の強度を求める。
【００１７】
上記実施形態では、各セルが隣接して配置されると共に、全てのセルに対してポンプ光及びプローブ光が同時に照射される構成となっているため、詳細に検体からの磁場を検出することができる。また、セルを隣接して配置し、ポンプ光とプローブ光の各光源から各セルに対してポンプ光及びプローブ光を分配して照射する構成であるため、セル毎にポンプ光とプローブ光の光源を設ける場合と比べて装置を小型化することができる。
【００１８】
＜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。
【００１９】
（１）上述した実施形態では、第２の面１０２と第３の面１０３が直角三角形のセルを用いて１方向の磁場を測定する例について説明したが、例えば、第２の面１０２と第３の面１０３が二等辺三角形のセルを用いて２方向の磁場を測定するようにしてもよい。この場合には、図５（ａ）に示すように各セル（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）を設置面Ｇに配置し、実施形態と同様に、セルの第１の面１０１にポンプ光を照射し、ｙ軸方向、つまり第２の面１０２にプローブ光を照射することで、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印Ｂ１方向の磁場を検出する。また、図５（ｂ）に示すように、第１の面１０１が傾斜する側と相対する側に設置面Ｇに対して傾斜する第４の面１０４、つまり、第１の面１０１の傾きを表わす係数の正負の符号が反対となる係数の傾きを有する第４の面１０４に対してもポンプ光を照射し、ｙ軸方向にプローブ光を照射することで、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印Ｂ２方向の磁場を検出するように構成する。
【００２０】
ここで、本変形例に係る磁場計測装置１Ａの構成を表わすブロック図を図６に示す。図６において、実施形態と同様の構成については、実施形態と同様の符号を付している。図６に示すように、磁場計測装置１Ａは、制御部５０と駆動部６０とを備えている点で実施形態とは異なる。本変形例では、ポンプ光照射部２０、制御部５０、及び駆動部６０がポンプ光照射手段として機能する。磁場計測装置１Ａは、セルアレイ１０の上方にレール（図示略）を備え、レール上に設置された駆動部６０においてポンプ光照射部２０を回転可能に支持するように構成されている。なお、以下の説明において、ポンプ光照射部２０のデフォルトの配置は、図７（ａ）に示す状態である。つまり、ポンプ光照射部２０の伝送媒体２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄとセル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとが各々対応するように配置された状態である。
【００２１】
駆動部６０は、制御部５０によって入力される制御信号に従ってポンプ光照射部２０を回転させて移動させる。駆動部６０は、第１の面１０１の方向からポンプ光を照射する制御信号が入力された場合には、図７（ａ）に示すデフォルトの配置でポンプ光照射部２０を停止させておく。また、駆動部６０は、第４の面１０４の方向からポンプ光を照射する制御信号が入力された場合には、ポンプ光照射部２０の伝送媒体２０３ｄ，２０３ｃ，２０３ｂ，２０３ａとセル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとが各々対応する図７（ｂ）に示す配置となるようにポンプ光照射部２０の向きを回転させてレール上を移動させる。更に、駆動部６０は、ポンプ光照射部２０をデフォルトの配置に戻す制御信号が入力された場合には、ポンプ光照射部２０を図７（ａ）に示すデフォルトの配置に戻す。
【００２２】
制御部５０は、第１の面１０１方向からポンプ光を照射する第１処理を行って検体からの磁場を検出する第１検出処理と、第４の面１０４方向からポンプ光を照射する第２処理を行って検体からの磁場を検出する第２検出処理とを切り換えて行う。本変形例では、第１検出処理の終了後に第２検出処理を自動的に開始する。具体的には、制御部５０は、第１の面１０１方向からポンプ光を照射することを指示する制御信号を駆動部６０に入力し、ポンプ光照射部２０から各セルの第１の面１０１に対してポンプ光を照射させると共に、プローブ光照射部３０から各セルの第２の面１０２に対してプローブ光を照射させる。制御部５０は、各検出部から出力される検出結果を受付けると第１検出処理を終了し、第２検出処理に移行する。
【００２３】
制御部５０は、第４の面１０４方向からポンプ光を照射することを指示する制御信号を駆動部６０に入力し、ポンプ光照射部２０から各セルの第４の面１０４に対してポンプ光を照射させると共に、プローブ光照射部３０から各セルの第２の面１０２に対してプローブ光を照射させる。制御部５０は、各検出部から出力される検出結果を受付けると第２検出処理を終了し、ポンプ光照射部２０をデフォルトの位置に戻す制御信号を駆動部５０に入力する。
【００２４】
（２）上述した実施形態では、各セルの第２の面１０２及び第３の面１０３が直角三角形の形状である例を用いたが、ポンプ光が照射される第１の面１０１が設置面に対して一定の角度で傾斜されている多面体形状であればこれに限らない。また、上述した変形例（１）では、セルの第２の面１０２及び第３の面１０３が二等辺三角形のセルを例に説明したが、例えば、セルの第２の面１０２及び第３の面１０３が台形状のセルであってもよい。要は、各セルは、設置面に対して傾斜し光を透過させる第１の面１０１と、第１の面１０１と隣接し光を透過させる第２の面１０２と、第２の面１０２に対向し光を透過させる第３の面１０３と、光を透過させると共に第１の面１０１が傾斜する側と相対する側に設置面に対して傾斜する第４の面１０４とが形成されている多面体形状であればよい。
【００２５】
（３）上述した実施形態では、ポンプ光及びプローブ光の光源が一つの例を説明したが、セル毎のポンプ光とプローブ光の各光源を用いて、ポンプ光とプローブ光とを各セルに照射してもよい。
【００２６】
（４）上述した実施形態では、各検出部において各セルにおける磁場の強度を求める例を説明したが、各検出部で受光したＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量に応じた電気信号を磁場計測装置１の外部の演算装置に出力し、当該演算装置においてプローブ光の回転角を算出し、回転角に応じた磁場の大きさを求めるようにしてもよい。
【００２７】
（５）上述した変形例（１）では、一のポンプ光照射部２０を用いて、各セルの第１の面１０１及び第４の面１０４にポンプ光を各々照射させる例であったが、ポンプ光照射手段の一例として、各セルの第１の面１０１にポンプ光を照射する第１処理を行う第１ポンプ光照射部と、各セルの第４の面１０４にポンプ光を照射する第２処理を行う第２ポンプ光照射部とを設け、第１ポンプ光照射部によって第１処理を行った後、第２ポンプ光照射部によって第２処理を行うようにしてもよい。
【００２８】
（６）上述した変形例（１）では、第１検出処理の終了後に第２検出処理を自動的に開始する例を説明したが、第１検出処理と第２検出処理の切り換えをユーザー操作に応じて行うように構成してもよい。この場合には、磁場計測装置１において、例えば、第１検出処理を指示する操作ボタンと第２検出処理を指示する操作ボタン等の操作手段を備えるように構成してもよい。制御部６０は、操作手段を介したユーザー操作に応じて、第１検出処理と第２検出処理とを行うように駆動部５０、ポンプ光照射部２０、プローブ光照射部３０、及び検出ユニット４０を制御する。
【００２９】
（７）上述した変形例（１）では、第１検出処理と第２検出処理の処理毎に、制御部５０はプローブ光照射部３０から各セルの第２の面１０２に対して照射させる例を説明したが、第１検出処理に続けて第２検出処理を自動開始する場合には、プローブ光照射部３０からのプローブ光の照射を第２検出処理が終了するまで継続して行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１，１Ａ・・・磁場計測装置、１０・・・セルアレイ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ・・・セル、２０・・・ポンプ光照射部、３０・・・プローブ光照射部、４０・・・検出ユニット、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ・・・検出部、５０・・・制御部、６０・・・駆動部、１０１・・・第１の面、１０２・・・第２の面、１０３・・・第３の面、１０４・・・第４の面、２０１，３０１・・・光源、２０２，３０２・・・分配機構、２０３，２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，３０３・・・伝送媒体
【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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